不同施肥模式对冬瓜氮素利用及菜地氮素表观平衡的影响

郭 智，刘红江，陈留根*，王子臣，，邱 丹，堵燕钰（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京　004；江苏省农业环境监测与保护站，南京　006；常州市农（渔）业生态环境保护监测站，江苏　00）

不同施肥模式对冬瓜氮素利用及菜地氮素表观平衡的影响

郭 智1，刘红江1，陈留根1*，王子臣1，2，邱 丹2，堵燕钰3
（1江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，南京210014；2江苏省农业环境监测与保护站，南京210036；3常州市农（渔）业生态环境保护监测站，江苏213002）

2011—2012年进行了田间小区定位试验，研究了自然降雨条件下单施化肥（T1）、有机肥-化肥配施（T2）及单施有机肥（T3）等不同施肥模式对冬瓜氮素利用及菜地氮素表观平衡的影响。结果表明：较T1处理，T2和T3处理分别增加了冬瓜氮素累积吸收量13.69%和13.16%，但菜地氮肥偏生产力和氮肥农学效率较T1处理分别降低了9.33%—22.91%和8.76%—27.08%。T2、T3处理条件下，冬瓜氮素表观利用率分别达26.11%和24.78%，较T1处理提高10.04%和4.41%，但各处理间差异不显著。T1处理条件下，菜地氮素盈余量达89.93 kg/hm2，而T2、T3处理则显著增加菜地氮素盈余量达17.37%—32.20%，且氮素盈余率显著增加8.33%—22.69%。

冬瓜；氮平衡；利用率；施肥试验

氮素是作物生长的必需大量元素之一。长期以来，国内外广大科技工作者以水稻、小麦、玉米等大田作物为研究对象对氮肥投入、作物高产及氮素高效利用作了系统研究。研究认为，氮肥使用对世界粮食产量持续增长具有关键性作用，但氮肥利用率普遍较低，约50%左右［1］，而在我国则更低，仅有30%左右，远低于国际水平［2-4］。菜地生态系统是受人类剧烈生产活动影响的人工生态系统，其复种指数高，氮肥用量大，肥水条件优越，有别于一般农田生态系统［5］。在实际生产过程中，菜农为了追求更高的产量和经济效益往往过量施用肥料［6-7］，施氮量通常高出大田作物的数倍甚至10倍以上，个别地区高达1 894 kg/hm2［8-9］，极大地超出蔬菜作物对氮素的实际需求量。持续过量施肥势必导致报酬递减和环境污染风险递增［10］。研究表明，山东寿光［11］和滇池流域［9］集约化蔬菜产区菜地氮素利用率均在10%以下，大量氮素盈余积累在土壤表层，进而通过氨挥发、反硝化、地下淋失或地表径流等途径进入环境，导致水体富营养化、温室效应增加等不良环境效应［12-14］。因此，深入研究菜地生态系统氮素投入、作物产量、环境效应及其平衡点具有重要意义。冬瓜（Benincasa hispida Cogn.）作为我国传统优质蔬菜，具有适应性广、产量高、耐贮藏、耐运输等优点，在我国南方地区广泛栽培［15-16］。然而，截至目前，鲜有关于冬瓜氮、磷养分吸收利用及冬瓜菜地养分平衡方面的研究报道。基于此，本研究以冬瓜菜地为研究对象，通过田间小区定位试验，研究自然降雨条件下不同施肥模式对冬瓜氮素利用及菜地氮素表观平衡的影响，以期为太湖流域农业面源污染源头控制技术体系提供一定的科学依据。

1　材料与方法

1.1试验点概况

本试验点设在江苏省常州市武进区雪堰镇太湖村（31°30＇N，120°6＇E），属亚热带湿润性季风气候，年均气温约16.8℃，年均日照约2 000 h，年均降雨量1 086 mm，年无霜期230d。常年种植露地蔬菜，施肥量较大。试验田土壤属白泥水稻土，基本理化性状：pH（H2O，1∶5）6.19，有机质20.40g/kg，全N 2.15g/kg，全P 1.03g/kg，有效P 105.07 mg/kg，速效K 126.67 mg/kg。试验时间：2011年4月—2012年9月。

为了防止小区间发生水分和养分的交换，采用水泥小埂将试验小区相互隔开，12个试验小区（长7.5 m、宽4 m）并排排列，且每个小区都设有单独的径流池，并在试验区四周设置宽度不少于2 m的蔬菜保护行。径流池的规格：长4 m、宽0.4 m、高1 m。径流池进水口高度与小区沟渠底面保持一致。同时，每个径流池铺设石棉盖板以防止雨水和杂物进入。此外，在径流池外侧设置抽滤池以便快速抽排试验期间径流池中的径流水，其规格：长2 m、宽1 m、高1.5 m。

1.2试验设计

本试验根据当地农民种菜施肥水平设置4种施肥模式处理，分别为对照（不施肥，T0）、单施化肥（T1）、有机肥-化肥配施（T2）和单施有机肥（T3），各处理条件下肥料施用种类、施用量及纯养分投入量如表1所示。

表1　试验田肥料施用种类、施用量及纯养分投入量Table 1　Kinds and amounts of applied fertilizers and nutrient inputs in trial plots

试验期间共种植两季夏秋茬蔬菜冬瓜，品种为‘黑将军’。第一季于2011年4月28日播种，2011年9 月20日收获；第二季于2012年4月13日播种，2012年9月6日收获。冬瓜种植均采用穴播方式。参照大田常规管理方式，每季蔬菜在种植前翻土整地，所有处理均采用人工翻耕整平，耕翻层20 cm左右，每个小区各开一条T型沟渠，种植后进行浇水、护育，灌溉浇水采取挑水计量的方式，排水采用每区收集池抽排方式。试验中所施碳酸氢铵、复合肥及鸡粪等肥料全部一次性基施，撒施，分别于2011年4月26日和2012年4月10日施用。每个处理重复3次，共12个试验小区，随机排列。

1.3样品采集与分析

供试土壤pH用原位pH计测定［17］；全N、全P、有效P和速效K及有机质含量等参照文献［18］的方法测定。

蔬菜收获时记载各处理小区经济产量和废弃物产量，并多点混合采集样品。经杀青、烘干至恒重后粉碎研磨，经H2SO4-H2O2消解后，采用全自动流动分析仪（SKALARsan++）测定植株经济产量部分和废弃物部分全N含量。

蔬菜植株氮素吸收量、氮素表观利用率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率及菜地氮素平衡等指标计算公式参照相关文献进行修正，具体公式如下：

氮素累积吸收量（kg/hm2）=经济产量部分（kg/hm2）×氮素含量（%）+废弃物部分（kg/hm2）×氮素含量（%）；

氮素表观利用率=［施氮区蔬菜植株累积吸氮量（kg/hm2）-不施氮区蔬菜植株累积吸氮量（kg/hm2）］/施氮量（kg/hm2）×100%［19］；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区蔬菜经济产量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）［19］；

氮肥农学效率（kg/kg）=［施氮区蔬菜经济产量（kg/hm2）-不施氮区蔬菜经济产量（kg/hm2）］/施氮量（kg/hm2）［4］；

菜地氮素平衡盈余量（kg/hm2）=氮素收入（kg/hm2）-氮素支出（kg/hm2）［20］；

菜地氮素平衡盈余率 =［氮素收入（kg/hm2）-氮素支出（kg/hm2）］/氮素支出（kg/hm2）×100%［20］。

蔬菜-土壤系统氮素来源主要包括肥料施用、灌溉水输入、大气干湿沉降输入等，但肥料施用是菜地土壤氮素的主要来源［21］。本试验中，菜地氮素收入项主要考虑肥料投入（包括有机肥和化学肥料），支出项主要包括作物移出（包括经济产量和废弃物部分）和地表径流两项，未考虑氨挥发和淋溶损失等支出项。

1.4数据处理

用Excel 2010和SPSS 13.0软件进行数据处理，文中所列数据均为3次重复平均值，各处理的比较采用最小显著差数（LSD）法，凡超过LSD0.05（或LSD0.01）水平的视为显著（或极显著）。

2　结果与分析

2.1不同施肥模式对冬瓜干物质量及氮素吸收量的影响

由图1（A）可以看出，不论是冬瓜经济产量还是废弃物产量，单施化肥（T1）、有机肥-化肥配施（T2）和单施有机肥（T3）处理均显著高于对照（T0）处理，冬瓜经济部分和废弃物部分干物质量分别达T0处理的2.73—3.07倍和1.71—1.96倍（P＜0.05）。同时，T2处理条件下，冬瓜经济部分和废弃物部分干物质量较T1处理提高1.29%和12.03%，但处理间差异不显著。然而，T3处理条件下，废弃物部分干物质量较T1处理提高14.98%，经济部分却降低9.90%，但总干物质量仍提高3.71%，且处理间差异不显著。

图1　不同施肥模式对冬瓜干物质量（A）与氮素吸收量（B）的影响Fig.1　Effects of fertilizer practices on Chinese waxgourd’sdry matter（A）and absorbed nitrogen amount（B）

由图1（B）可知，不论冬瓜经济产量部分还是废弃物部分，T1—T3处理下冬瓜氮素吸收量均极显著高于不施肥处理（T0），且各处理（T0—T3）条件下废弃物部分氮素吸收量达经济产量部分的1.65—2.66倍（P＜0.05）。同时，有机肥施用（T2、T3）显著增加冬瓜氮素吸收量。较T1处理而言，冬瓜经济产量部分、废弃物部分氮素吸收量分别增加16.84%—19.84%和10.25%—11.11%（P＜0.05）。从氮素累积吸收量角度考量，由高到低依次为T2、T3、T1和T0，分别达108.75 kg/hm2、108.24 kg/hm2、95.65 kg/hm2和38.52 kg/hm2。T2、T3处理较T1处理分别增加13.69%和13.16%（P＜0.05），而T2和T3处理间无显著性差异。

2.2不同施肥模式对冬瓜氮素表观利用率的影响

氮素表观利用率是评价植物对矿质氮素吸收利用效率的关键指标之一。由图2可知，冬瓜氮素表观利用率由高到低依次为T2、T3和T1，分别达26.11%、24.78%和23.73%。较T1处理而言，T2、T3处理条件下冬瓜氮素表观利用率提高10.04%和4.41%，但处理间差异不显著。

2.3不同施肥模式对冬瓜氮肥偏生产力的影响

氮肥偏生产力可作为植物对氮素吸收利用的表征指标之一［22］。由图3可知，冬瓜氮肥偏生产力由高到低依次为T1、T2和T3，分别达6.65 kg/kg、6.03 kg/kg和5.12 kg/kg。较T1处理，T2、T3处理下冬瓜氮肥偏生产力下降了9.33%和22.91%，但处理间差异不显著。

图2　不同施肥模式对冬瓜氮素表观利用率的影响Fig.2　Effects of fertilizer practices on apparent nitrogen utilization rate of Chinese waxgourd

图3　不同施肥模式对冬瓜氮肥偏生产力的影响Fig.3　Effects of fertilizer practices on nitrogen’s partial factor productivity of Chinese waxgourd

2.4不同施肥模式对冬瓜氮肥农学效率的影响

氮肥农学效率也可以用于表征植物对氮素吸收利用效率［22］。由图4可知，冬瓜氮肥农学效率由高到低依次为T1、T2和T3，分别达4.45 kg/kg、4.06 kg/kg和3.25 kg/kg。较T1处理，T2、T3处理的冬瓜氮肥农学效率下降了8.76%和27.08%，但处理间差异不显著。

图4　不同施肥模式对冬瓜氮肥农学效率的影响Fig.4　Effects of fertilizer practices on nitrogen’s agronomical efficiency of Chinese waxgourd

2.5不同施肥模式对冬瓜菜地氮素表观平衡的影响

通过对蔬菜地生态系统氮素输入、输出等过程及其循环利用规律进行系统分析，明确蔬菜地中氮素来源和去向并对其进行定量化，对于维持和提高蔬菜地生态系统生产力，提高氮肥资源利用效率具有重要意义。由表2可知，冬瓜菜地氮素大量盈余，单施化肥（T1）处理条件下，菜地氮素盈余量达86.37—93.48 kg/hm2，两季平均盈余量达89.93 kg/hm2。若增加有机肥施用量，氮素盈余量显著增加。有机肥-化肥配施（T2）和单施有机肥（T3）处理条件下，菜地氮素盈余量达105.55—118.89 kg/hm2，较T1处理增加17.37%和32.20%（P＜0.05）。从菜地氮素盈余率的角度分析，有机肥施用（T2、T3）条件下，氮素盈余率较单施化肥处理显著增加，分别增加8.33%和22.69%（P＜0.05）。

表2　不同施肥模式对冬瓜菜地氮素表观平衡的影响Table 2　Effects of fertilizer practices on apparent nitrogen balance in vegetable field of Chinese waxgourd

3　讨论

蔬菜作物对氮肥的利用效率可用氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率等指标衡量［4，22］，其受蔬菜种类、施氮量、耕作措施、土壤类型等多种因素的综合影响。蔬菜种类不同，氮肥利用率差异较大。黄东风等［21］研究发现，小白菜、空心菜和苋菜的氮肥利用率变化范围分别为14.53%—63.90%、7.40%—33.52%和12.36%—36.27%。蔬菜生产模式对氮素利用具有显著影响。与农户习惯性生产模式（大水漫灌，1 000 kg/hm2）相比，优化施氮（500 kg/hm2）配合滴灌和秸秆还田等措施可使番茄地上部吸收氮素更多地转移到果实等经济产量部分，避免氮素无效累积，极显著提高蔬菜地氮素利用率和农学效率［24］。于红梅等［25］通过3年定位试验比较了优化水氮管理和传统水氮管理两种生产模式下蔬菜产量和氮素利用效率，研究发现虽然两种模式下蔬菜产量无显著差异，但优化水氮管理模式可显著提高花椰菜、苋菜和菠菜的氮素利用效率，分别为传统水氮管理模式下的2.3倍、3.2倍、1.7倍。不同施肥模式对蔬菜氮素吸收利用具有显著影响，且因蔬菜种类不同而有一定差异。黄东风等［21］研究发现，与化肥基施相比，化肥基追肥各半、化肥和双氰胺基施、化肥和双氰胺基追肥各半处理均能在一定程度上提高蔬菜的氮肥利用率，提高幅度分别为13.91%—22.03%（小白菜）、8.81%—11.3%（空心菜）和5.64%—18.3%（苋菜），而化肥和有机肥基追肥各半处理仅苋菜氮肥利用率提高11.49%，对小白菜和空心菜表现出降低现象。有机肥基施对小白菜、空心菜和苋菜的氮肥利用率则表现出降低现象，这可能与有机肥分解缓慢而不能及时供氮于叶菜类蔬菜有关。王春梅等［26］研究发现，与单施化肥处理比较，有机肥-化肥配施可提高青菜和茄子氮肥利用率达23.09%和26.92%，而全施有机肥处理显著降低青菜氮肥利用率达38.96%，但能显著提高茄子氮肥利用率达21.57%。本研究中，与单施化肥处理相比，有机肥-化肥配施和单施有机肥处理虽然显著增加冬瓜氮素累积吸收量，氮素表观利用率也有所提高，但菜地氮肥偏生产力和氮肥农学效率却有所下降，但处理间差异均不显著。造成这种现象的主要原因一方面可能与有机肥氮肥供应特征与蔬菜作物需氮特性能否协调有关，有机肥分解较为缓慢，而瓜果类蔬菜在生长后期需氮较为旺盛［27］。另一方面，后期有机肥供氮量增加时瓜果类蔬菜藤蔓与瓜果存在争氮效应进而对地上部吸收氮素进行二次分配，更多氮素分配到藤蔓（无效累积）等部位所造成，相关机制需要进一步研究。

菜地肥料投入量超出蔬菜实际需求量是菜地土壤养分富集和持续盈余的主要原因［28］，尤以硝态氮含量大幅度提高为显著特征［29］。王朝辉等［30］通过对陕西关中平原菜地土壤与一般农田土壤养分累积状况进行比较，发现露天菜地0—2 m土层的全氮累积总量达32 700 kg/hm2，较一般农田高18.60%，硝态氮累积总量达1 358.8 kg/hm2，比一般农田高4.5倍。段立珍等［31］研究也发现经过长时间种植蔬菜皖北地区菜地土壤0—60 cm土层中硝态氮含量一般为相邻粮田土壤的3—20倍。随着种植年限的增加，氮素积累和盈余越来越严重［32］。王朝辉等［33］调查发现，种植2年的设施大棚菜田硝态氮累积量达1 411.8 kg/hm2，而种植5年的累积量则达1 520.9 kg/hm2，而一般农田仅为245.4 kg/hm2。从菜地养分投入与养分平衡的角度考量，长期大量施肥导致菜地氮素大量累积。冀宏杰等［34］通过对太湖流域农田肥料投入与养分平衡状况的调查分析研究，发现太湖流域53种蔬菜轮作模式中，有51种模式组合的氮盈余超过了200 kg/hm2，31种超过了500 kg/hm2，4种甚至超过了1 000 kg/hm2。更为严重的，马文奇等［11］发现山东寿光蔬菜地每个黄瓜种植季导致约1 500 kg/hm2氮素累积于土壤中。李翠萍等［35］调查显示，西芹的氮肥施用量为2 227 kg/hm2，氮素盈余却高达2 051 kg/hm2。本研究通过差值法对不同施肥模式下菜地氮素盈余状况进行了初步分析，发现冬瓜菜地氮素单季盈余量达86.37—93.48 kg/hm2，表面上看盈余量较小，但是其占氮肥投入量的比例高达37.35%—42.25%，盈余率也高达59.63%—73.16%。事实上，农田氮素盈余超过20%以上时，即可能引起氮素对环境的潜在威胁［36］，且这种环境风险可能会随种植年限的延长而急剧增加。进一步，通过施氮量与菜地氮素盈余量进行相关性分析发现，菜地氮素投入量与盈余量间呈显著正相关关系（R2=0.9698）。

菜地累积盈余氮素，尤其是硝态氮不易被土壤胶体吸附［37］，当遇到较大的降雨或灌溉时，土壤中累积的氮素极易随着地表径流流失进入地表水或随下渗水进入地下水，从而导致地表水的富营养化和地下水的硝酸盐污染。课题组前期研究发现，不同施肥模式下冬瓜菜地单季氮素流失量达54.27—55.17 kg/hm2，占施肥量的比例高达19.29%—22.92%［23］。虽然农田氮素从田头排放到汇入河湖大水域过程中会逐渐挥发或沉降，但长期无序排放还是会加剧周边水域的富营养化进程。加之太湖流域蔬菜种植面积较大，2012年江苏省露地蔬菜种植面积达74.6万hm2，约占耕地面积的15.88%［38］，且该区域蔬菜地土壤质地偏砂，持水保肥性较差［39］，又大多分布在太湖沿岸及其支流河道两岸，菜地土壤累积养分更易在雨水冲刷下通过地表径流直接进入周边相邻水体。因此，合理提高蔬菜地氮素利用率、加强菜地土壤氮素管理和菜地输出氮素生态拦截技术与配套工程建设等，实现太湖流域菜地氮肥施用的经济效益、社会效益和环境效益的协调发展是当前及今后需开展的工作重心。

4　结论

与单施化肥处理相比，有机肥-化肥配施和单施有机肥处理虽然显著增加冬瓜氮素累积吸收量，氮素表观利用率也有所提高，但菜地氮肥偏生产力和氮肥农学效率却有所下降，但处理间差异均不显著。同时，单施化肥条件下，菜地氮素盈余量达89.93 kg/hm2，而有机肥-化肥配施和单施有机肥处理显著增加菜地氮素盈余量达17.37%—32.20%，且氮素盈余率显著增加8.33%—22.69%。

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（责任编辑：程智强）

Effects of fertilizer practices on nitrogen utilization of Chinese waxgourd and apparent nitrogen balance of vegetable field

GUO Zhi1，LIU Hong-jiang1，CHEN Liu-gen1*，WANG Zi-chen1，2，QIUdan2，DU Yan-yu3
（1Institute of Agricultural Resources&Environment，Jiangsu Academy of Agriculturalsciences，Nanjing 210014，China；2Jiangsustation of Agricultural Environmental Monitoring and Protection，Nanjing 210036，China；3Changzhoustation of Agricultural Ecological Environment Protection&Monitoring，Jiangsu 213002，China）

Field plot experiments with Chinese waxgourd were conducted under natural rainfall conditions in 2011 and 2012 tostudy the nitrogen utilization of Chinese waxgourd and apparent nitrogen balance of vegetable field as influenced bysingle chemical fertilizer（T1），chemical fertilizer and chicken manure（T2）andsingle chicken manure（T3）.The resultsshowed that the T2 and T3 treatmentssignificantly increased the cumulative amount of nitrogen absorbed by Chinese waxgourd respectively by 13.69%and 13.16%over the T1 treatment butdecreased both partial factor productivity and agronomical efficiency of nitrogen fertilizer in vegetable field by 9.33%—22.91%and 8.76%—27.08%respectively.The apparent nitrogen utilization rate under the T2 and T3 treatments reached 26.11%and 24.78%respectively and increased respectively by 10.04%and 4.41% over that under the T1 treatment，but there were notsignificantdifferences between those treatments.The nitrogensurplus amount in vegetable field was up to 89.93 kg/hm2under the T1 treatment andsignificantly increased by 17.37%—32.20%under the T2 and T3 treatments，and the nitrogensurplus rate under the T2 and T3 treatmentssignificantly increased by 8.33%—22.69%.

Chinese waxgourd；Nitrogen balance；Utilization rate；Fertilization experiment

S642.3

A

1000-3924（2016）04-092-07

2015-12-30

公益性行业（农业）科研专项（201003014-02）；国家科技支撑计划项目（2012BAD14B12）

郭智（1981—），男，博士，副研究员，主要从事农业生态与资源利用研究。Tel：15905193152，E-mail：guozhi703@163.com

陈留根（1962—），男，硕士，研究员，主要从事耕作制度与农业生态研究。E-mail：chenliugen@sina.com