有机肥部分替代化肥氮对叶菜产量和环境效应的影响*

武星魁, 姜振萃, 陆志新, 路 广, 徐永辉, 施卫明, 闵 炬**

(1.中国科学院大学 北京 100049; 2.中国科学院南京土壤研究所 南京 210008; 3.烟台市农业技术推广中心 烟台 264000; 4.宜兴市农业农村局 宜兴 214206 )

随着我国农业农村产业结构的调整, 蔬菜已成为我国种植业中仅次于粮食的第二大农作物。据统计[1], 2018年全国蔬菜生产面积约为2 043万hm2, 占农作物总面积的12.3%。叶菜在蔬菜中占据较大比例, 其品种众多, 生长期短、根系较浅、生长迅速, 对肥料和养分的需求较大[2], 产量的提高大多依赖化肥的大量投入, 尤其氮肥。研究表明, 蔬菜纯氮的周年施用量可高达1 000 kg(N)·hm-2[3], 是大田作物施用量的2 倍以上[4]。然而我国蔬菜氮肥利用率较低, 不足20%[5-6]。化学氮肥持续高量的投入易导致土壤质量退化、环境污染等问题[7-9], 严重制约了蔬菜产业的可持续发展, 亟需研发化肥减施增效减排的系列技术。

前人针对蔬菜地化肥减施增效减排方面已经开展了一些研究, 例如: 秸秆还田、水肥一体化和测土配方施肥等技术[10-11]。目前, 我国秸秆以及畜禽有机肥等资源丰富, 但利用率低, 利用方式较少。这些有机肥可以改善土壤结构, 增加团聚体数量, 促进根系生长发育[12]。然而, 有机肥的大量施入会影响氨挥发和氧化亚氮排放[13-15], 农田氨挥发损失占土壤氮素损失的近30%[16-19]。有研究表明化学氮肥施入设施菜地后, 土壤以氨气和氧化亚氮气体形式损失的氮素约占投入氮素的10%, 菜田的氧化亚氮排放占我国农田氧化亚氮总排放量的20%[20]。有机肥部分替代化肥在化肥减施增效减排上具有较好潜力。前人在有机肥替代化肥对大田作物产量影响上开展了较多研究, 适宜的有机肥替代比例, 可显著提高玉米(Zea mays)[21]、水稻(Oryza sativa)[22]和小麦(Triticum aestivum)[23]产量; 此外, 研究表明适宜的有机肥替代化肥也可提高小麦[24]、马铃薯(Solanum tuberosum)[25]、番茄(Lycopersicon esculentum)[26]等作物的经济效益。有机肥替代化肥对叶菜类蔬菜产量及经济效益的影响研究相对较少, 最佳替代比例尚不十分清楚。在环境减排效果评价上, 前人的研究多针对大田作物: 如庞凤梅[27]发现与常规施肥相比, 化肥减量配施有机肥能降低冬小麦土壤的氨挥发速率, 减少氨挥发损失; 王树会[28]发现在华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统中, 与施化肥处理相比, 有机肥与化肥配施可降低土壤氧化亚氮排放量。然而, 该替代技术在叶菜种植上是否会有环境减排的效果, 减排程度如何尚不明确。

为此, 本研究选取具有代表性的叶菜蔬菜包心菜(Brassica oleracea)和小青菜(Brassica chinensis)为研究对象, 通过研究不同有机肥替代化肥比例对叶菜类蔬菜产量、经济效益以及氨挥发和氧化亚氮等环境效应的影响, 综合考虑产量、经济和环境效益获得最佳的替代比例, 并明确其增效和减排效果, 为该技术的进一步推广应用提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验在江苏省宜兴市和渎村中悦路农场设施蔬菜大棚中进行, 该地区位于中纬度地区, 属湿润的北亚热带季风气候, 平均气温15～17 ℃。多年平均降雨量1 000～1 200 mm。试验地土壤耕层(0～20 cm)有机质含量为24 g·kg-1, 速效氮、速效磷、速效钾含量分别为560 mg·kg-1、133 mg·kg-1和215 mg·kg-1, 土壤EC 值为1.3 mS·cm-1, pH 为6.6。供试作物选取广泛栽培的叶菜类蔬菜包心菜和小青菜, 品种分别为‘苏甘35’和‘上海青’。试验用有机肥为商品有机肥, 由南京金象集团象山有机肥厂生产, 其N、P2O5和K2O含量为2.2%、0.93%和1.61%。

1.2 试验设计

试验采用田间小区试验, 共设置5 个处理, 在等氮水平下, 分别以0、25%、50%、75%和100%的有机肥氮替代化肥氮(0M、25%M、50%M、75%M 和100%M), 各处理具体施肥量见表1。有机肥为商品有机肥, 化肥氮施用尿素, 以钙镁磷肥和硫酸钾来调平磷肥和钾肥用量。包心菜和小青菜化肥施用量依据农民习惯用量设置, 其中, 包心菜总施氮量为600 kg(N)·hm-2, 磷肥和钾肥投入量分别为300 kg(P2O5)·hm-2和450 kg(K2O)·hm-2; 小青菜总施氮量为220 kg(N)·hm-2, 磷肥和钾肥投入量分别为110 kg(P2O5)·hm-2和176 kg(K2O)·hm-2。基肥撒施后翻耕覆土, 包心菜季追肥撒施后浇水, 小青菜季不追肥。每个小区的长和宽设置为7 m×2.7 m, 3 次重复, 随机区组排列。包心菜于2017年3月21日移栽, 5月3日追肥1 次, 5月28日收获; 小青菜于2017年6月22日在同一块地上播种, 9月1日收获。各处理的田间管理等与当地农民习惯相同。

表1 不同施肥处理包心菜和小青菜的施氮量 Table 1 N application rates of different fertilization treatments for Brassica oleracea and Brassica chinensis kg(N)·hm-2

1.3 样品采集与测定

产量计算采用全部小区称重计产。氨挥发样品采集采用密闭连续通气法, 在各小区预埋1 个PVC圆筒为采样箱, 圆筒的直径为15 cm, 高30 cm, 密闭箱底面积为0.017 7 m2, 并使用胶带密封连接部分。观测时, 调整换气速率在15 次·min-1以上, 连续抽气2～4 h, 用加有80 mL 的2%硼酸液的洗气瓶吸收氨气, 用标定过的标准硫酸滴定溶液中的氨气。施肥后每天测定1 次, 连续观测至氨挥发低于检测限。氧化亚氮样品采集采用静态箱法, 采样箱由PVC 有机玻璃制成, 装置分为上下两部分, 下部底座为周围有水槽的立方体(内圈53 cm×53 cm , 外圈58 cm×58 cm, 盛水槽高5 cm), 上部分为立方体(长55 cm, 宽55 cm, 高60 cm), 箱体侧面中部设有气体取样口, 使用注射器进行抽取。每隔7 d 采集1 次, 施肥或灌水后增加采样频率, 每天1 次连续采样4 次。采样时间为每天上午9:00—11:00, 采样同时记录箱温, 样品用气相色谱进行测定。

1.4 数据分析方法

本研究所列结果为3 次重复测定值的平均值, 数据采用SPSS 25.0 统计软件进行方差分析和多重比较。采用Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同比例有机肥氮替代化肥氮对包心菜和小青菜产量的影响

不同有机肥氮替代比例对包心菜和小青菜产量的影响如图1 所示, 随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加, 包心菜和小青菜的产量都呈现先增加后降低的趋势。由图中可以看出包心菜生长季在25%M处理下产量最高, 比纯化肥氮处理(0M)的产量增加15.0%, 达显著水平(P＜0.05)。然而, 继续增加氮替代比例, 50%M、75%M 和100%M 处理包心菜产量与纯化肥处理间无显著差异。小青菜生长季, 与纯化肥氮处理相比, 同样在25%M 处理下, 其增产效果显著(P＜0.05), 增产比例达16.3%。

图1 不同施肥处理下包心菜、小青菜的产量 Fig.1 Yields of Brassica oleracea and Brassica chinensis under different fertilization treatments

2.2 不同比例有机肥氮替代化肥氮包心菜和小青菜生产的经济效益

生产中的经济效益是由蔬菜产值和总成本共同决定的。本研究有机肥为商品有机肥, 化肥为尿素、钙镁磷肥和硫酸钾, 其价格分别为0.8 元·kg-1、3 元·kg-1、1 元·kg-1和4 元·kg-1; 劳动力价格为100 元·人-1·d-1。包心菜苗0.3 元·棵-1, 农药600 元·次-1, 种苗以及农药成本为21 750 元·hm-2, 包心菜价格3.2 元·kg-1。小青菜种子 0.6 元·g-1, 农药600 元·次-1, 种苗和农药成本5 800 元·hm-2, 小青菜平均价格5 元·kg-1。通过对不同施肥处理下包心菜和小青菜的经济效益分析看出, 与纯化肥氮处理(0M)相比, 有机肥替代化肥氮的各处理会增加包心菜和小青菜的生产成本, 且随替代比例增加成本相应增加, 其中有机肥运输到蔬菜地以及施用有机肥的人工成本随替代比例增加而大幅度增加(表2)。从包心菜产值看, 25%M 处理下的产值最高, 比0M、50%M、75%M 和100%M处理分别显著提高15.1%、6.8%、10.0%和9.8%, 且与纯化肥氮处理相比, 25%M 处理增收可达11.7%, 其他替代比例呈负增收效益。与包心菜观测结果相同, 小青菜产值也在25%M 处理下最高, 比0M、50%M、75%M 和100%M 处理分别高7.7%、9.8%、10.1%和20.1%, 且与纯化肥氮处理相比, 25%M 处理下增收可达5.4%。

2.3 不同比例有机肥氮替代化肥氮对包心菜地和小青菜地氨挥发排放的影响

包心菜和小青菜生长季不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下氨挥发排放损失如图2 所示。包心菜和小青菜生长季在纯化肥氮处理(0M)下的氨挥发累积排放量最高, 分别为55 kg·hm-2和22.2 kg·hm-2, 随替代比例的增加, 氨挥发排放量逐渐降低。包心菜季75%M 处理下氨挥发量最低, 为25.8 kg·hm-2, 比0M 处理降低53.1%; 小青菜季100%M 处理下氨挥发量最低, 为2.7 kg·hm-2, 比0M 处理降低87.8%。在25%M 处理下包心菜和小青菜季氨挥发排放量分别为42.1 kg·hm-2和12.9 kg·hm-2; 与0M 处理相比, 25%M 处理下氨挥发已有显著的减排效果, 减排比例分别为23.5%和41.9%, 且达显著水平(P＜0.05)。与纯化肥氮处理相比, 25%M、50%M、75%M 和100%M 处理下, 包心菜和小青菜季对减少氨挥发排放的降幅程度不同, 前茬的包心菜降幅分别为23.4%、34.7%、53.0%和45.2%, 连续进行有机替代后, 后茬小青菜降幅分别增加78.1%、102.3%、25.4%和93.8%。

表2 不同施肥处理下包心菜和小青菜的经济效益分析 Table 2 Economic benefits of Brassica oleracea and Brassica chinensis under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理下包心菜地和小青菜地的氨挥发量 Fig.2 Ammonia volatilization loss from Brassica oleracea and Brassica chinensis fields under different fertilization treatments

2.4 不同比例有机肥氮替代化肥氮对包心菜地和小青菜地氧化亚氮排放的影响

图3 显示了不同比例有机肥氮替代化肥氮处理对包心菜和小青菜生长季氧化亚氮累积排放量的影响。在包心菜田间观测发现, 纯化肥氮(0M)和25%M处理下氧化亚氮累积排放量分别为0.89 kg·hm-2和0.74 kg·hm-2, 且处理间在P＜0.05 水平无显著差异; 与25%M 处理相比, 50%M、75%M 和100%M 处理下氧化亚氮累积排放量分别增加 60.8%、50%和56.8%。在小青菜生长季, 0M 和25%M 处理下氧化亚氮累积排放量分别为2.88 kg·hm-2和3.06 kg·hm-2, 且处理间在P＜0.05 水平无显著差异; 在50%M、75%M 和100%M 处理下氧化亚氮累积排放量分别为4.09 kg·hm-2、7.18 kg·hm-2和8.74 kg·hm-2, 且处理间在P＜0.05 水平有显著差异; 与25%M 处理相比, 50%M 处理下氧化亚氮累积排放量增加33.7%。与纯化肥氮处理相比, 50%M、75%M 和100%M 处理下, 包心菜和小青菜季对增加氧化亚氮排放的增幅程度不同, 前茬的包心菜增幅分别为32.6%、24.5%和29.4%, 连续进行有机替代后, 后茬小青菜增幅分别增加28.1%、509.1%和590.5%。

图3 不同施肥处理下包心菜和小青菜地氧化亚氮排放通量 Fig.3 Seasonal N2O emission loss from Brassica oleracea and Brassica chinensis fields under different fertilization treatments

3 讨论

连续种植两季叶菜类蔬菜包心菜和小青菜, 施用不同比例有机肥氮替代化肥氮后, 在25%替代比例下两种蔬菜产量均达到最高。王恒祥等[29]通过试验发现有机氮替代比例在20%～30%时最有利于水稻的生长和氮肥利用率的提高, 罗佳等[30]发现20%的有机肥替代处理提高了生菜(Lactuca sativa)的产量和品质, 这些研究结果与本试验结论相似。纯化肥处理(0M)下蔬菜产量没有达到最高水平, 这可能是因为纯化肥处理可以在作物生长前期迅速增加土壤中速效氮含量, 但土壤中微生物的固氮作用较弱, 无机态氮极易挥发损失, 从而造成后期养分供应不足, 引起作物发育不良等问题[29]。在有机肥氮替代比例达50%及以上时没有出现显著的增产效果, 这可能是因为苗期化肥氮的投入少或无投入, 导致氮素释放慢, 土壤供氮能力不足, 在作物需肥的营养临界期不能提供足够的氮素养分, 从而影响了作物产量。有机肥和化肥比例适当时, 如在25%M 处理下, 蔬菜整个生长期土壤中速效氮含量可能达到了较适宜的供应水平, 并且适当的有机肥施用可能使土壤中的碳氮比较适宜, 有利于氮矿化和转化微生物的生长, 保证了养分的充足供应, 实现了产量的最大化。

田间试验发现, 有机肥氮不同比例替代化肥氮后均可不同程度地减少蔬菜生产过程中的氨挥发损失, 连续替代化肥后, 氨挥发损失降低的幅度更为明显。氨挥发的主要机制之一是土-气界面氨的浓度梯度所导致的氨扩散作用[31], 由于土壤吸附氨态氮的能力和水溶解氨态氮的数量有限, 因此化学肥料施用后大量氮以氨气形式扩散到大气中。随着有机肥替代比例的增加, 化肥氮的投入相应减少, 从而减少了氨挥发损失。有机肥在土壤中矿化为植物可以吸收的无机氮需要一定时间, 并且矿化过程是一个持续稳定的过程, 因此有机肥中的氮元素不易变成氨气挥发到大气中。另一个原因可能是有机肥的施用可以提高土壤的蓄水能力, 维持土壤水分平衡。土壤水分是影响土壤氨挥发的重要因素, 土壤水分稳定维持在土壤田间持水量范围内时氨挥发作用最弱[32]。有机肥在土壤中腐殖质化后, 使一些有机化合物缩合脱水形成复杂的腐殖质, 经过降解的有机物质和新合成的腐殖质, 具有改善土壤结构, 提高土壤缓冲性能, 增进土壤保水能力的作用, 使土壤水分维持在较适宜范围, 从而减少田间氨挥发的损失[33-34]。

本研究中添加有机肥处理的氧化亚氮总排放量高于等氮施肥量下纯化学氮肥处理(0M), 尤其连续替代化肥后, 后茬的小青菜季氧化亚氮排放增加显著。这可能是因为有机肥的使用可能增加了土壤有机质含量, 为土壤微生物的活动提供了足够的碳源和氮源, 而纯化肥处理单施化学氮肥, 虽然提供了足够的氮源, 但土壤微生物的活动可能受到碳源不足的限制, 土壤氧化亚氮排放的主要来源是土壤微生物的硝化和反硝化作用, 有机肥的施用可能增加了土壤反硝化微生物的活性, 进而增加土壤氧化亚氮排放, 这与稻-麦轮作系统中结果类似[35-36]。小青菜季的氧化亚氮排放量显著高于包心菜季, 这可能与小青菜比包心菜生长季气温高有关, 小青菜生长季处于7—8月的夏季高温期, 而包心菜生长季为4—5月气温较低的春季。前人研究表明, 土壤温度是影响土壤硝化与反硝化作用的重要因子, 氮肥施入土壤后发生硝化与反硝化作用, 在生成氧化亚氮的过程中, 介质的温度条件起着至关重要的作用, 环境温度显著影响着农田土壤氧化亚氮日排放通量[37], 土壤氧化亚氮排放所呈现的日变化与季节变化规律均与当日和当年的平均气温有关[38], 低温会抑制氧化亚氮排放[39], 这可能是导致小青菜季的氧化亚氮排放量显著高于包心菜季的主要原因。

4 结论

连续种植两季叶菜类蔬菜包心菜和小青菜, 基于不同比例有机肥氮替代化肥氮处理的田间试验, 综合考虑不同氮替代比例对产量、经济效益以及氨挥发和氧化亚氮排放的影响, 提出在包心菜和小青菜种植上, 有机肥氮替代化肥氮的适宜替代比例为25%。在等氮水平下不同氮替代比例间, 有机肥氮替代25%的化肥氮处理下包心菜和小青菜产量可达最高, 与纯化肥氮处理(0M)相比, 替代比例增加到50%及以上时无增产效果。不同比例有机肥氮替代化肥氮对氨挥发和氧化亚氮排放会产生影响。氨挥发排放随替代比例的增加呈现降低趋势; 氧化亚氮排放则相反, 随替代比例的增加出现了增加趋势, 尤其在高施氮量水平的包心菜季, 其产排的增加效果较显著。因此, 在叶菜生产中, 建议有机肥氮的施用量应不少于总氮量的25%, 这不仅有利于提高产量, 达到最佳的经济收益, 还可以显著减少氨挥发的排放, 且不会显著增加氧化亚氮的排放, 值得在生产中大面积推广应用。