朱龍興 李兵 徐紅艷

1背景

蘇州市吳中區(qū)是沿太湖的環(huán)境敏感區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是吳中區(qū)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，而由此帶來的農(nóng)業(yè)面源污染不可忽視。調(diào)查顯示，菜地系統(tǒng)的肥料源養(yǎng)分添加量高出大田4-10倍，是蔬菜生長所需量的6-8倍。肥料高投入帶來的與此對(duì)應(yīng)的是低下的利用效率與土壤體系的大量冗余。前期在田間試驗(yàn)報(bào)道，菜地系統(tǒng)的氮肥利用率僅14.6%-42.5%，而冗余超過50%;磷肥土壤殘留也十分顯著。過量施用的肥料氮磷以及殘留在土壤中的養(yǎng)分，都極易因降水或灌溉而引發(fā)流失，對(duì)周邊環(huán)境水體，甚至地下水帶來威脅。

菜地系統(tǒng)中，露天和大棚兩者環(huán)境差異顯著。大棚膜的覆蓋，減少了低溫對(duì)作物的凍害，也阻隔了降水的直接沖刷。因此，大棚環(huán)境年蔬菜種植的復(fù)種指數(shù)更高，以年為單位的養(yǎng)分投入總量更大，土壤中可能存在更為嚴(yán)重的肥料養(yǎng)分殘留現(xiàn)象。而露天環(huán)境的菜地系統(tǒng)，降水一旦發(fā)生，對(duì)菜地土壤可產(chǎn)生直接沖擊，極易驅(qū)動(dòng)顆粒態(tài)和離子態(tài)的氮磷養(yǎng)分的流失。由此可見，雖然露天和大棚菜地系統(tǒng)的作物氮磷流失的發(fā)生機(jī)理可能存在不同，但是，兩者均具有較高的氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化肥料施用，提高氮磷利用效率，是減少菜地系統(tǒng)氮磷流失的重要途徑，對(duì)改善河道水系以及太湖水體的水質(zhì)至關(guān)重要?；谇捌谡{(diào)查數(shù)據(jù)，吳中區(qū)菜地系統(tǒng)的肥料氮磷施用強(qiáng)度普遍偏高，且投入的肥料主要以復(fù)合化肥為主。對(duì)此，本研究在吳中區(qū)東山鎮(zhèn)選取常年耕作的大棚和露天菜地，在減少肥料投入總量的前提下，調(diào)整肥料投入種類，研究養(yǎng)分投入形態(tài)對(duì)蔬菜的植株生長、養(yǎng)分利用和菜地土壤屬性的影響，以提高養(yǎng)分利用效率、減少菜地系統(tǒng)氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，篩選出推薦的肥料種類，為吳中區(qū)降低農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷給予技術(shù)支撐。

2材料與方法

2.1試驗(yàn)區(qū)域環(huán)境

本研究以江蘇省蘇州市吳中區(qū)典型菜地系統(tǒng)為對(duì)象，所選的東山鎮(zhèn)地處長江三角洲腹地、緊鄰太湖。該區(qū)域降水豐沛（年降水量超過1100mm以上），四季分明。該區(qū)域農(nóng)田土壤多為湖積土，菜地系統(tǒng)的耕作土壤層厚約15 cm。東山鎮(zhèn)大棚和露天菜地的試驗(yàn)區(qū)域選址位于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，坐標(biāo)N120.4467°，E31.0910°。

2.2試驗(yàn)土壤屬性

試驗(yàn)開始前，采集大棚和露天環(huán)境下的菜地土壤，檢測(cè)相關(guān)理化性質(zhì)（表2-1）。試驗(yàn)區(qū)（大棚和露天環(huán)境）前茬均為葉菜類蔬菜，但是由于作物種類、肥料施用和種植管理的差異，土壤相關(guān)屬性已顯示出一定不同。如表所示，大棚環(huán)境土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量低于同區(qū)域的露天環(huán)境。

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以氮投入量作為肥料添加的調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)，參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶單季施肥習(xí)慣30～40 kg N/畝，將試驗(yàn)氮添加量設(shè)定為25 kg N/畝。分別在東山鎮(zhèn)大棚和露天環(huán)境下設(shè)置4種肥料處理：不施肥處理，有機(jī)無機(jī)肥處理（使用華昌化工生產(chǎn)的N：P2O5：K2O為5%：5%：10%的有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥），純有機(jī)肥處理（使用億揚(yáng)沸石肥料廠生產(chǎn)的N：P2O5：K2O為1.7%：3.8%：1.3%的有機(jī)肥），和純無機(jī)處理（使用金正大生產(chǎn)的N：P2O5：K2O為17%：17%：17%的復(fù)合肥），種植青菜。實(shí)際氮磷鉀投入情況參見表2-2。

每種處理小區(qū)面積不小于30m2，其中不施肥處理，在種植前，四周挖溝埋入攔截布，以此防止其他小區(qū)養(yǎng)分的流動(dòng)干擾。以2：1為基肥和追肥比例，基肥施入后與表層土壤混合，靜置3天后，播種，以青菜出芽為時(shí)間點(diǎn)計(jì)，15天后施入追肥，50天后，收獲。本次試驗(yàn)開始于2021年2月，因冬季氣溫較低，故生長期較長。

2.4樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

青菜收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)貼地割取4個(gè)1 m2的樣方，稱量鮮重，進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。采集部分青菜樣品冷藏、保鮮，用以蛋白質(zhì)、游離氨基酸、纖維素、維生素C、可溶性糖的測(cè)定;另一部分青菜樣品，烘干，記錄干物質(zhì)率，測(cè)定其氮磷鉀含量。此外，收獲當(dāng)天采集每個(gè)小區(qū)混合土壤樣品，測(cè)定速效態(tài)氮磷鉀含量，全氮和有機(jī)質(zhì)含量，以及pH值。所有指標(biāo)均采用國標(biāo)法進(jìn)行測(cè)定。

2.5數(shù)據(jù)處理

2.5.1作物養(yǎng)分利用效率計(jì)算

各小區(qū)植株地上部分分別稱重，分別記干物質(zhì)重（kg·畝-1），測(cè)定其氮磷鉀含量（g·kg-1），氮磷鉀施用量參見表2-2。

作物氮/磷/鉀吸收量（kg·畝-1）= 干物質(zhì)重（kg·畝-1）×氮/磷/鉀含量（g·kg-1）× 10-3

氮利用效率（NUE，%）=作物氮吸收量（kg·畝-1）÷ 25 kg·畝-1× 100%

磷利用效率（PUE，%）=作物磷吸收量（kg·畝-1）÷ 8.6～55.9 kg·畝-1× 100%

鉀利用效率（KUE，%）=作物鉀吸收量（kg·畝-1）÷ 16.7～25 kg·畝-1× 100%

2.5.2統(tǒng)計(jì)

研究采用SPSS （SPSS ver. 16.0 for Windows， SPSS Inc.， USA） 中Duncan法對(duì)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量、養(yǎng)分利用效率、土壤養(yǎng)分含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析（ANOVA，P<0.05）;采用Microsoft Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。

3結(jié)果與分析

3.1植株產(chǎn)量

受氣溫影響，大棚環(huán)境的青菜長勢(shì)顯著優(yōu)于露天環(huán)境。不同處理中，有機(jī)無機(jī)處理青菜產(chǎn)量顯著高于其他處理。因?yàn)?，地力較高，不施肥處理和純無機(jī)處理的青菜產(chǎn)量并不差異。值得注意的是，純有機(jī)處理的青菜產(chǎn)量顯著低于其他處理，這可能與青菜生長周期較短，而純有機(jī)處理速效養(yǎng)分含量較低有關(guān)。

3.2植株養(yǎng)分吸收情況及利用效率

純無機(jī)處理的作物氮磷鉀含量均顯著高于其他處理。對(duì)氮而言，不施肥和有機(jī)無機(jī)處理的作物氮含量與純無機(jī)處理差異不大，而純有機(jī)處理則較低。對(duì)磷而言，大棚環(huán)境下的有機(jī)無機(jī)處理磷含量較高于不施肥和純有機(jī)處理;露天環(huán)境下的有機(jī)無機(jī)處理與不施肥處理植株磷含量差異不顯著。對(duì)鉀而言，大棚環(huán)境下的處理間差異較大，而露天環(huán)境下有機(jī)無機(jī)與純無機(jī)處理無顯著差異，不施肥與純有機(jī)處理無顯著差異。

作物的養(yǎng)分吸收量與植株養(yǎng)分含量趨勢(shì)相似。整體來說，有機(jī)無機(jī)處理作物的氮磷鉀吸收量優(yōu)勢(shì)顯著。純無機(jī)處理在大棚環(huán)境下，作物氮磷鉀吸收量優(yōu)于不施肥和純有機(jī)處理，露天環(huán)境下，純無機(jī)與不施肥處理差異不顯著。由于作物產(chǎn)量和氮磷鉀含量均較低，本試驗(yàn)的純有機(jī)處理作物氮磷鉀吸收量均較低。相比于大棚環(huán)境，露天環(huán)境下原土壤中的養(yǎng)分含量較低，且溫度較低、早晚波動(dòng)大，對(duì)于作物的生長和養(yǎng)分利用均存在不利影響，處理間的差異在露天環(huán)境下也更為顯著。

當(dāng)前地力條件下，肥料的當(dāng)季利用效率不足30%，尤其是鉀肥的利用效率，不足18%（表3-1）。這充分說明該區(qū)域的菜地系統(tǒng)仍然具備肥料減投的潛力，且針對(duì)不同作物的氮磷鉀需求比是不同的。不同處理作物氮磷鉀利用效率呈現(xiàn)有機(jī)無機(jī)>純無機(jī)>純有機(jī)的整體趨勢(shì)。有機(jī)無機(jī)處理較純無機(jī)處理提升了氮利用效率0.5～1倍，磷利用效率1～3倍，鉀利用效率0.6～1.4倍。

3.3植株其他營養(yǎng)物質(zhì)含量

作物蛋白質(zhì)、維生素C含量與作物生長情況趨勢(shì)相似，有機(jī)無機(jī)和純無機(jī)處理較不施肥處理提高了蛋白質(zhì)含量5～30%，維生素C含量2～7%。

是否施用肥料對(duì)作物可溶性糖含量起決定性作用，施肥較不施肥提高了作物可溶性糖含量25～75%。

纖維素含量在大棚和露天環(huán)境對(duì)肥料處理的響應(yīng)較為不同，大棚環(huán)境處理間差異不顯著;露天環(huán)境肥料施用的處理作物纖維素含量較高。

試驗(yàn)處理對(duì)作物游離氨基酸含量影響不顯著。

3.4土壤速效氮磷鉀含量

大棚和露天環(huán)境下的礦質(zhì)態(tài)氮含量及形態(tài)存在一定差異。大棚環(huán)境下，不同處理的土壤銨態(tài)氮含量差異不大，硝態(tài)氮是多數(shù)處理主要的礦質(zhì)態(tài)氮形態(tài)，且有機(jī)無機(jī)和純無機(jī)處理的硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理;露天環(huán)境下，有機(jī)無機(jī)和純有機(jī)處理的土壤銨態(tài)氮含量較高，而硝態(tài)氮含量差異不顯著。

試驗(yàn)土壤中的有效磷含量普遍較高，無機(jī)肥的施用是土壤有效磷含量較高的主要原因。大棚環(huán)境下純無機(jī)處理的土壤有效磷含量超過了350mg/kg，露天環(huán)境下有機(jī)無機(jī)和純無機(jī)處理的土壤有效磷含量超過200 mg/kg。

無機(jī)肥的施用同樣也提高了土壤有效鉀含量，純無機(jī)處理在大棚和露天菜地環(huán)境下均具有最高的土壤有效鉀含量。大棚環(huán)境下，純有機(jī)處理的土壤有效鉀含量也偏高，但露天環(huán)境下，剩余處理間差異不顯著。

3.5土壤肥力及pH

大棚環(huán)境的土壤總氮量整體高于露天環(huán)境。僅一個(gè)種植季的肥料處理對(duì)土壤總氮含量影響有限。

作為維持菜地系統(tǒng)土壤肥力和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，提高并維持有機(jī)質(zhì)含量至關(guān)重要。東山鎮(zhèn)菜地系統(tǒng)土壤并未因處理不同而在土壤有機(jī)質(zhì)含量上出現(xiàn)較大差異。由此可見，適宜的肥料投入有利于土壤總氮和有機(jī)質(zhì)含量的提高。

東山鎮(zhèn)不同處理土壤pH均位于7.0～7.5之間，差異不顯著。這說明，長期過量于作物吸收的化肥氮使用，是土壤酸化的主要原因，但是菜地作物對(duì)養(yǎng)分的需求多為速效態(tài)的，純有機(jī)形態(tài)肥料的使用不能兼顧產(chǎn)量的保障。因此，要維持土壤pH，在調(diào)節(jié)肥料種類的同時(shí)，對(duì)肥料施用量的調(diào)節(jié)也不可忽視。

4結(jié)論

（1）與純無機(jī)肥處理相比，有機(jī)無機(jī)肥的施用能夠較高維持甚至提高青菜產(chǎn)量和氮磷肥的當(dāng)季肥料利用效率。肥料施用顯著提高了青菜的可溶性糖含量;有機(jī)無機(jī)和純無機(jī)肥料的施用也同步提高了青菜的蛋白質(zhì)和維生素C含量;纖維素和游離氨基酸含量對(duì)肥料施用的響應(yīng)不顯著。

（2）有機(jī)無機(jī)和純無機(jī)肥的施用顯著提高了土壤硝態(tài)氮和有效磷的含量。當(dāng)前試驗(yàn)條件下，大棚環(huán)境的土壤總氮量整體高于露天環(huán)境，而pH則相反;露天環(huán)境下，土壤有機(jī)質(zhì)含量更易因肥料施用的影響而發(fā)生波動(dòng)，適宜的肥料投入有利于土壤總氮和有機(jī)質(zhì)含量的提高。

（3）兼顧作物產(chǎn)量和土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)性，采用有機(jī)無機(jī)結(jié)合的方式，能夠及時(shí)提供作物所需的速效養(yǎng)分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)土壤的培肥和維穩(wěn)。基于當(dāng)前地力條件，養(yǎng)分投入仍具有一定削減空間，肥料的利用效率有望進(jìn)一步提升。