甜菜茎叶还田及配施氮肥对土壤理化性质和甜菜生长影响的研究进展

薛 姣，李 志，耿 贵，王宇光，於丽华

(黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080)

0 前言

甜菜是我国北方重要的糖料作物，甜菜糖占我国食糖总产量的10%～20%[1]，种植区主要分布在新疆、内蒙古及黑龙江。在生产中除制糖以外，甜菜茎叶及副产品的综合利用价值十分广泛[2]，其地上部茎叶产量约为块根产量的1/2～2/3，富含丰富的营养物质，如矿物盐类、有机酸[3]。而且甜菜属于喜氮作物，茎叶中氮养分含量高[4]，可作为肥料还田，能有效增加和维持土壤有机质水平。研究表明[5]通过茎叶还田能改善土壤肥力，是利于作物生长和增产的有效措施。但多年来我国制糖甜菜茎叶大多数作为副产物被废弃，或被用作饲料[3]。

氮在植物生长中是不可或缺的营养元素[5]。在甜菜种植过程中，氮肥施用量是甜菜产量、品质以及经济效益的重要影响因子。对甜菜生产进行氮肥管理时，最困难的就是氮肥施用量问题[6]。且过度使用的氮、磷肥通过土壤残留、径流和挥发等途径对生态环境造成严重破坏[7]。研究发现甜菜产质量与施氮量两者之间不成正比，施氮施入量过多会造成减产，含糖率及品质下降，还会导致土壤环境恶化[8-9]。

目前大多数秸秆还田的研究均针对大田作物如水稻、小麦、玉米、油菜等，甜菜茎叶还田方面的研究较少，茎叶还田后氮肥利用率以及后期氮肥追施管理研究更少，因此本文分析了甜菜不同生长时期对氮肥需求的变化规律，探讨甜菜茎叶还田量对土壤氮肥含量变化的影响以及较为适宜后期配施氮肥用量，降低因过量化肥施入后导致的土壤污染及退化，高效利用农作物秸秆资源，以期对甜菜生产合理的氮肥管理、适量增产、保护环境、可持续发展提供一定的理论参考。

1 氮肥对土壤理化性质和甜菜生长及产量的影响

1.1 氮肥对土壤理化性质的影响

植物在生长过程中对氮的需求量较大，其对作物增产效果十分显著，但过量或偏施氮肥的现象严重，这将破坏土壤结构，导致经济效益下降及环境污染等问题[10]。在白浆型水稻土壤上连续4年的不同氮肥施用量研究表明，土壤有机质含量随氮肥施入量增加而提高，且碱解氮也增高[11]。而张国发等[10]发现与单施氮肥相比，施有机肥或有机肥尿素配施处理的土壤有机质、速效磷及有效钾含量均有所提高显著增加。因此选择得当的肥料及施用量,提高土壤肥力水平,降低土壤污染及退化。

1.2 氮肥对甜菜生长及产量的影响

氮素是甜菜生长发育中至关重要的营养元素之一，与甜菜的产量、品质及产糖量密切相关[12]。在甜菜生育前期氮素主要为地上部叶片生长供给营养，生育后期氮素逐渐向块根中运转[13]。因此，在各个时期氮肥施用过量或不足都会对甜菜产糖量的提高有所影响[14]。明确甜菜对氮肥的需求特点及规律，确定合理的氮肥用量，以期实现高产、优质、高效的生产目的。

1.2.1 甜菜需氮规律

探讨甜菜中氮的代谢规律是合理施氮的基本出发点[15]，对此已有很多报道。甜菜各器官含氮量因生育时期而不同，其生育前期氮代谢最为旺盛[16]，从幼苗期(5月下旬)到叶丛繁茂期(6月中旬)对氮素吸收量不断上升，8月上、中旬达到高峰，随后呈现逐渐降低的趋势[17]。同时，曲文章[18-19]研究表明甜菜的氮分配率因生育时期而有较大变化，在苗期地上部氮的分配率最高，达90%，叶丛生长期其次，而地下部块根氮含量占比为 10%～15%。地上部氮的分配比例随着生育期的推进而逐渐降低，直到糖分积累期趋向于平衡。

甜菜在生长进程中，吸收氮素速率呈现出前期较慢，中期快和后期变慢的变化趋势[20]，其体内含氮量呈抛物曲线式[21]。研究表明甜菜叶丛生长期时，适当的增加氮素有利于提高块根产量[22]。甜菜生育前期氮代谢主要影响地上部茂盛情况，而进入糖分积累期保持一定供氮水平，有利于糖分积累[23]。而Rosa等[24]发现甜菜糖分积累期时增加氮肥，会造成叶丛徒长，根冠比(T/R)减小，进而导致其产质量降低。

1.2.2 氮对甜菜生理生化功能及产量的影响

氮作为植物生长发育和产量形成不可或缺的矿质元素，对作物的叶绿素含量、光合速率有明显影响[25]。研究表明[26]，不同供氮水平处理影响叶片中的含氮量，从而影响植物光合性能，得出结论叶片含氮量与光合速率二者之间存在显著的相关性。同时,通过氮素对甜菜整株或群体光合特性在整个生育期变化动态的研究[27-29]，发现缺少氮素造成叶绿素含量下降，光合速率减弱；而适量增施氮肥，光合能力明显提高，从而促进作物品质形成及干物质的积累。杨芳芳等[30]发现盐碱土壤下施加有机肥处理能通过提高甜菜体内叶绿素含量，进而改善光合特性、增加产质量。

氮肥对维持和提高作物产量有积极的作用，但其施用量严重影响产量的高低[31]。有报道通过氮肥管理可调控植株叶片的生长和衰老速率，在一定程度上控制滴灌甜菜新叶的发生，加快地下部生长，提高甜菜块根产糖量[32]。而供氮过多甜菜体内有害氮含量增加，对甜菜造成毒害，含糖率降低[27]。侯振安[33]等进一步表明，适当施氮甜菜产量和产糖量明显提高，若过量则造成块根含糖率降低。因此，确定合理的氮肥用量是实现农业生产可持续发展的必然选择。

2 甜菜茎叶还田对土壤理化性质和甜菜生长及产量的影响

2.1 甜菜茎叶还田对土壤理化性质的影响

甜菜是一种喜肥作物，对土壤养分需求量较大，而这些养分主要用于茎叶的增长。有报道甜菜吸收氮素后，能在植物体内产生具有促进甜菜生长向上性作用的生长素如吲哚乙酸、赤霉素等，使其地上部叶生长旺盛。而如果施氮过量茎叶将不停地生长[34]。作物茎叶中包含氮磷钾等丰富的营养元素，是可以直接利用的可再生有机肥料资源，对土壤理化性质改善[35]及土壤酶活性提高[36-37]有积极的作用。研究发现，一公顷甜菜的茎叶，可获得干物质中含N 3.8046%、P2O50.5%、K2O 3.35%，将其全部还田，平均每公顷土壤中增加N 189.87斤、P2O524.95斤、K2O 167.18斤。折合硝酸铵558.44斤、过磷酸钙249.5斤、硝酸钾388.7斤，并且还给土壤微生物提供了大量的能源。在西欧一些国家甜菜茎叶还田已经普遍的实行[4]。且甜菜茎叶的灰分中，还含有多种无机营养成分[38]。油菜秸秆还田中，还田处理较对照显著增加土壤养分含量，在一定程度上也提高了土壤氮磷钾含量(P<0.05)[39]。Jehan等[40]发现小麦秸秆还田中土壤N水平提高1.31倍。

茎叶还田具有明显的改善土壤作用。Shao等[41]指出茎叶还田可改善土壤透气性，降低容重及提高孔隙度，还能增强土壤持水力。柳红娟等[42]研究表明木薯茎叶还田措施下土壤中碱解氮含量显著提高，同时一定程度上改善土壤微生物种群。同时在研究小麦的实验中[43]发现，茎叶还田还能够影响土壤中气体的排放如提高CH4排放，减少N∶O排放量。

2.2 甜菜茎叶还田对甜菜生长及产量的影响

茎叶中含有丰富的养分，还田后经过土壤微生物腐解形成有机物质，能有效填补土壤肥力的消耗[44]，进而优化了农田生态环境，有利于甜菜的生长发育。研究表明[42]木薯茎叶还田后明显提高香蕉的株高、叶面积以及叶绿素含量，有效促进植株生长。刘传和等[45]发现菠萝茎叶粉碎后直接还田后下茬菠萝的株高、叶长、根长以及地上部和地下部鲜质量等各项指标均明显高于对照，且单果重及产量均有所提高。玉米秸秆还田实验中[46]，其结果表明还田处理下单株叶面积显著高出对照，其光合速率和蒸腾速率也明显提高。

作物茎秆还田是一种保护地力、增加作物产量的有效措施[47]。实验表明[48]，秸秆还田后晚稻能够提高对氮的吸收利用，其产量明显增加，而还田量多少对晚稻产量影响不同，半量(50%)秸秆还田产量为6.9 t/hm2，全量(100%)秸秆还田为8.0 t/hm2。徐国伟等[49]研究显示通过秸秆还田处理能增加水稻的千粒重，提高产量，而且稻米品质也有所改善。因此提倡茎叶还田，是增加土壤有机质，促进植物生长的重要手段。

3 茎叶还田与氮肥配施对土壤理化性质和甜菜生长及产量的影响

3.1 茎叶还田与氮肥配施对土壤理化性质的影响

盲目施肥导致大量浪费和土壤质量下降[50]，而加大有机肥如农作物秸秆的施用可缓解土壤板结、土壤肥力下降等情况，对肥料的使用现状能起到积极的改善作用。吴婕等[47]人的两季还田试验发现，秸秆还田与配施氮肥处理能更有利于改善土壤容重、孔隙度结构和含水率等重要物理性状。李磊等[51]研究表明氮肥减施与有机肥/秸秆配施实验中，相比单施化肥处理，化肥减氮1/6+秸秆处理的土壤容重显著降低，非毛管孔隙度增加。同时，也有研究发现[52]秸秆还田配施适量氮肥能有效调节氮碳比，增强土壤蓄水能力。

此外，土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标，其影响土壤的养分供应能力，进而对作物的生长及产量有着重要的意义[53]。张刚等[54]研究表明麦秸全量还田配施 N 240 kg/hm2处理，显著提高水稻对氮肥的利用率，降低氮肥损失。田慎重等人[55]发现，秸秆配氮还田下土壤的有机碳含量明显增加，尤其是利于土层0-10cm有机质积累。

3.2 茎叶还田与氮肥配施对甜菜生长及产量的影响

相比对作物进行单一秸秆还田处理或单独施氮处理，两者合理配施的增产增质效果更为明显。研究发现[56]在淮北地区两年的定位实验中，麦秸还田与氮肥配施下小麦幼苗素质显著提高，且增产率分别达7.9%、9.5%。甜菜为直根系作物，需肥量大，平均每吨块根生产需消耗氮4.5 kg、磷1.5 kg以及钾肥5.5 kg[57]。据测定一公顷甜菜茎叶全部还田，土壤中每公顷可增加N 189.87斤[4]。由于茎叶还田的腐解特性，后期氮肥施用量对植株的生长及产量有明显的作用，应从甜菜养分平衡入手，根据田间土壤中氮素的动态变化，设计配方施肥模型进行模拟寻优。李文华等[58]研究发现，在一定施氮水平下甜菜根产量与施氮量呈正相关，但过量施氮块根产量下降。刘义国等[59]研究表明，秸秆还田下随配施N肥的增加，小麦产量表现出先上升后下降的趋势，当施N量(300 kg/hm2)最多的处理时，产量反而有明显下降。因此，适宜的施氮量对作物生长发育和秸秆腐解均有重要的作用。

此外，还田效果与茎叶还田量的选择密切相关。徐蒋来等[60]通过三年的田间定位试验发现，相同施氮量下前两年不同秸秆还田处理对小麦均有增产效果，但半量还田对小麦的增产效果在三年中均达到显著水平，而100%还田处理在第三年略微减产。张彬等[61]研究发现同一施氮水平下，四个不同秸秆还田量处理对耕层(0～10 cm)的碱解氮、速效磷和速效钾含量均有不同程度的增加，而2/3还田(5 000 kg/hm2)处理的成效最为显著，且玉米的产量也明显高于处理。总之，还田的氮素释放受氮肥施入量及还田量的影响，过低或过高的还田量都会造成作物减产。且合理选择氮肥施入量对作物产量也具有重要意义。

4 展望

甜菜副产品的利用途径多样，但关于甜菜茎叶还田用于农业生产的较少，甜菜对氮素吸收利用的生理过程较为复杂，且基于茎叶还田的腐解特性，后期施氮量的选择对甜菜的产量有重要影响。因此，在继续深入研究甜菜茎叶还田量和后期配施氮肥量，可利用测土配方技术确定施用氮肥最适宜量和配比；结合氮素实时监控以及甜菜关键生育期营养状况诊断技术，构建合理的甜菜氮肥施用时期及施用量的模型等方式，寻求最佳茎叶还田量和氮肥管理条件下的土壤肥力和甜菜体内养分含量的具体变化，达到合理施氮用氮，减少污染，促进农业可持续发展，形成循环经济。