有机肥替代化肥及节水灌溉对露地菜田氮、磷径流损失的影响

吕宏伟,骆晓声,寇长林,王洪克,陈松钦,吕 静

(1.新野县农村能源站，河南 新野 473500；2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002； 3.新野县原种场，河南 新野 473500)

氮、磷是植物生长的必需元素，氮、磷肥的施用对于提高作物产量有重要作用。随着经济的发展及人民生活水平的提高，蔬菜的种植面积大幅增加。中国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国，播种面积和产量均占世界的40%以上[1]。蔬菜经济效益高，氮、磷肥投入量整体较大，北京郊区设施菜田氮肥年投入量接近2 000 kg/hm2[2]。中国设施蔬菜单季磷肥平均用量为1 308 kg/hm2，远高于蔬菜磷需求量[3]。露地菜田在蔬菜中占有较大比例，虽然氮、磷肥投入比设施菜田低，然而其盲目高量投入肥料的现象仍然严重。蔬菜生产灌溉频繁，一些露地菜田土壤湿度趋于饱和，中度以上降雨即可引起径流[4]。过量氮、磷肥投入及不合理灌溉增加了菜田氮、磷养分径流风险，一方面造成了养分的损失，另一方面氮、磷径流污染水体环境，形成农业面源污染，威胁人体健康[4-7]。中国是有机肥资源大国，畜禽养殖产生的废弃物占有机资源的比重较高[8]。实施农田有机肥替代化肥，可以实现废弃物资源化利用及降低氮、磷损失[9]。节水灌溉同样是减少菜田氮、磷流失的有效手段[10]。

河南省是蔬菜种植大省，种植面积及产量均居全国前列。农业主产区地势平坦，氮、磷损失的途径主要为淋溶，但河南南部降雨相对较多，氮、磷径流的潜力较大。然而关于蔬菜种植区氮、磷径流的研究尚未见报道。鉴于此，在河南省西南部选取典型露地菜田，研究有机肥替代化肥加节水灌溉处理下菜田氮、磷径流特征，为获取该区域菜田氮、磷流失数据提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

试验点位于河南省西南部的新野县绿建农业有限公司蔬菜试验地(北纬32.472 2°,东经112.372 6°)。该区具有明显的大陆性季风气候特征，温暖湿润，四季分明，光、热、水资源丰富。试验地土壤类型为黄褐土。土壤基础养分含量为有机质25.30 g/kg、全氮1.76 g/kg、硝态氮9.87 mg/kg、全磷0.91 g/kg、速效磷75.90 mg/kg、速效钾203.80 mg/kg，土壤pH值为6.98。

1.2 试验设计

试验于2016—2018年进行，一年种植两季露地蔬菜，第一季甘蓝，第二季茄子。试验设置3个处理，分别为常规化肥(常规)、有机肥替代27.5%化肥(简称有机肥替代)和有机肥替代27.5%化肥+30%节水灌溉(简称有机肥替代+节水灌溉)。每个处理3次重复。小区面积8 m×4 m=32 m2。第一季常规处理以1.5 t/hm251%硫酸钾复合肥(N-P2O5-K2O=17%-17%-17%)作基肥，有机肥替代处理/有机肥替代+节水灌溉处理采用化肥氮素减少25%即1.125 t/hm251%硫酸钾复合肥+16.74 t/hm2有机肥(腐熟牛粪-干基)替代模式，各处理均结合浇水追施冲施肥(N-P2O5-K2O=5%-12%-43%)150 kg/hm23次；第二季常规处理以51%硫酸钾复合肥1.5 t/hm2作基肥，有机肥替代处理/有机肥替代+节水灌溉处理采用化肥减少30%即1.05 t/hm251%硫酸钾复合肥+20.12 t/hm2有机肥(腐熟牛粪-干基)替代模式，各处理均结合浇水追施冲施肥(N-P2O5-K2O=5%-12%-43%)75 kg/hm23次。腐熟牛粪(N-P2O5-K2O)干基养分含量为0.38%、0.24%、0.16%，由于其含磷量较低，综合全年两季露地菜田有机肥替代27.5%化肥后氮、钾施用量相当，磷素施用量减少8.3%，不同处理氮磷钾投入量见表1。 节水灌溉处理节约用水量30%。2016年灌溉6次，常规、有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理灌溉量分别为129.2、129.2、90.1 mm；2017年灌溉8次，3个处理灌溉量分别为132.4、132.4、90.1 mm；2018年灌溉13次，3个处理灌溉量分别为201.1、201.1、133.0 mm，均为沟灌。试验点安装雨量器，用于收集记录降雨量。

表1 2个蔬菜季不同处理施肥量Tab.1 Fertilization amount of different treatments in two vegetable seasons kg/hm2

试验地共种植两季露地蔬菜，为甘蓝-茄子轮作，育苗移栽，甘蓝季0.35 m×1 m宽窄行种植，株距0.32 m，密度为62 500株/hm2；茄子季0.35 m×1 m宽窄行种植，株距0.4 m，密度为50 000株/hm2。2016年第一季甘蓝3月1日定植，5月16日收获，第二季茄子8月17日定植，11月26日收获；2017年第一季甘蓝3月5日定植，5月28日收获，第二季茄子7月6日定植，12月7日收获；2018年第一季甘蓝3月17日定植，5月19日收获，第二季茄子8月6日定植，12月4日收获。

1.3 径流水采集及测定

采用田间径流池法收集农田地表径流水。田间径流池包括径流收集池、径流收集管、抽排池和集水槽。每个监测小区均对应1个径流收集池，径流收集池位于监测小区下方，最外侧加1个径流水抽排池。收集池容积以能够容纳当地单场最大暴雨所产生的径流量确定，当地实际建池容积2.0 m×1.0 m×1.0 m=2.0 m3。径流水现场采集，多点混匀后取2瓶各500 mL样品，标记后放入冰箱冷冻保存待测。径流水取样日期为2016年10月16日，2017年9月2日、9月25日、10月2日、10月5日、10月12日、10月18日，2018年5月21日、6月19日、7月28日。测定径流水样硝态氮、可溶性总磷含量。硝态氮含量采用离子色谱法(ICS-1100)测定；可溶性总磷含量采用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 蔬菜产量测定

记载每个小区经济产量及废弃物产量。第一季甘蓝采取一次性采收，记录小区产量。第二季作物茄子每次采摘后均记录采收量，计算总产量。

1.5 数据计算及处理

根据径流产生量，氮、磷含量，径流次数及小区面积计算硝态氮、可溶性总磷径流量，计算公式：

P-硝态氮(可溶性总磷)径流量；

Ci-第i次径流水中硝态氮(可溶性总磷)含量；

Vi-第i次径流产生量。

利用Microsoft Excel 2007、Word 2007作图，利用SPSS 13.0软件进行数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理径流产生量

表2为试验期间年降雨量及不同处理径流产生量。2016—2018年年均降雨量701.9 mm，共产生径流10次，其中2016年1次，2017年6次，2018年3次，年均径流次数3.3次。分作物看：第一季甘蓝1次，第二季茄子9次，主要径流产生时间在9月上旬—10月下旬。降雨集中季节，单次降雨量23.5 mm以上即可产生径流，单次径流产生量30.01～1 986.67 m3/hm2，年度径流产生量586.3～3 497.3 m3/hm2。有机肥替代处理比常规处理减少径流产生量1.4%，有机肥替代+节水灌溉处理比常规处理减少径流产生量4.3%。

表2 试验期间年度降雨量及不同处理径流产生量Tab.2 Annual precipitation and quantities of runoff production for different treatments during the experimental period

2.2 不同处理径流水硝态氮含量

从表3可以看出，露地蔬菜2016年常规、有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理径流水平均硝态氮含量为13.67～22.91 mg/L，2017年为2.67～3.43 mg/L，2018年为23.01～25.74 mg/L。监测期平均(加权)硝态氮含量分别为9.55、8.14、7.33 mg/L，有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理硝态氮含量比常规处理分别降低14.77%、23.25%。2017年径流产生量大，硝态氮含量低于2016年和2018年。

2.3 不同处理硝态氮径流量

表4为试验期间不同处理硝态氮径流量。3种处理硝态氮径流量：2016年为3.04～5.66 kg/hm2，2017年为2.98～4.07 kg/hm2，2018年为4.33～4.87 kg/hm2。其中，2016年有机肥替代+节水灌溉处理比常规处理硝态氮径流量显著降低，其他年份不同处理之间硝态氮径流量差异不显著。3个处理硝态氮年均径流量分别为4.87、4.07、3.58 kg/hm2。有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理全监测期硝态氮径流量较常规处理分别减少16.43%和26.48%。

2.4 不同处理可溶性总磷径流特征

表5为试验期不同处理可溶性总磷径流特征。2016—2018年3个处理年均(加权)可溶性总磷含量分别为0.96、0.85、0.65 mg/L，有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理可溶性总磷平均含量比常规处理分别降低11.46%和32.29%。试验期不同处理可溶性总磷平均径流量分别为0.49、0.43、0.32 kg/hm2，有机肥替代、有机肥替代+节水灌溉处理较常规处理分别减少12.24%、34.69%。

表5 试验期不同处理可溶性总磷径流特征Tab.5 Runoff characteristics of total soluble phosphorus of different treatments during the experimental period

2.5 不同处理蔬菜产量

2016—2018年甘蓝产量为36.61～40.92 t/hm2，3 a平均产量有机肥替代处理最高，其次是常规处理、有机肥替代+节水灌溉处理(表6)；茄子产量为29.81～32.83 t/hm2，3 a平均产量有机肥替代亦高于常规处理，有机肥替代+节水灌溉最低；3 a产量整体表现：有机肥替代处理>常规处理>有机肥替代+节水灌溉处理，但差异不显著。

表6 试验期不同处理蔬菜产量Tab.6 Vegetable yield of different treatments during the experimental period t/hm2

3 结论与讨论

农田地表径流和地下淋溶引起的氮、磷流失是造成农业面源污染和水体富营养化的主要原因。氮素流失以硝态氮为主[1,11]，铵态氮易为土壤胶体所吸附固定，在土壤中相对稳定，径流量比例较低[12-13]。有机肥也含有一定的氮素，在大量施用时会增加菜田土壤硝态氮残留及损失风险[14-15]。用有机肥替代化学氮肥能够降低氮素的各种损失，而不同的替代比率对氮损失特征及作物产量也有影响[12]。2016—2018年试验期间，河南新野县露地菜田常规处理径流水硝态氮平均含量9.55 mg/L,年均径流量4.87 kg/hm2;有机肥部分替代27.5%化肥处理后，硝态氮含量降低14.77%，硝态氮径流量减少16.43%，与郑少文等[16]对太湖流域常规有机肥和优化施肥(50%化肥替代)处理硝态氮流失特征研究结果类似，而低于湖南省浏阳市20%有机肥替代化肥模式可显著降低硝态氮流失59.85%的结果[17]。同时本研究发现，在2017年产生多次径流时，硝态氮含量从14.59 mg/L降低到3.17 mg/L，呈现出不断下降的趋势，与郑玲玲对四川油菜地地表径流氮素流失特征研究结果相同[18]。有机肥替代氮肥处理甘蓝和茄子的产量与常规化肥处理产量相当。

磷在土壤中容易被吸附固定，活性较低，径流总量偏少，以可溶性总磷为主，本研究中常规处理可溶性总磷年平均径流量0.49 kg/hm2，与三峡库区兰陵溪小流域径流氮、磷输出及其降雨径流过程特征的研究比较一致[19]。为节约劳动强度，河南南部露地菜田习惯施用氮、磷、钾三元复合肥，使菜田磷素输入量偏高，既浪费资源又增大了径流风险[4]。腐熟牛粪含磷量只有0.24%，低于猪粪、鸡粪等其他有机肥，27.5%有机肥(腐熟牛粪)替代(有机肥替代+节水灌溉)处理与常规处理氮、钾施用量相当，但总磷施用量较常规处理减少8.3%，客观上起到了有机替代减磷的效果，有机肥替代磷肥处理后可溶性总磷含量较常规处理降低11.5%、径流量减少12.2%，降低了磷素径流的风险。

综上来看，用27.5%有机肥替代化肥，实现了粪污的资源化利用及菜田化学氮肥、磷肥投入的节约，同时由于有机肥营养全面，能增加土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，露地蔬菜产量高于常规处理(差异不显著)[20]。

菜田地表径流产生与降雨及灌溉呈显著线性正相关关系[16，21]，罗文兵等[22]认为，灌溉方式对氮素流失有一定的影响但不显著。本研究处理均采用沟灌方式，发现2016—2018年河南新野县年均降雨量在700 mm以上，单次径流量586.3～3 497.3 m3/hm2，最高年份(2017年)可追平太湖流域常年径流量[16，23]。虽然前期节水灌溉对径流量及氮、磷流失影响明显，但在9—10月份集中降雨季节，中等以上降雨(≥23.5 mm)也可产生径流，且不同处理间径流产生量差别不明显。节水灌溉使土壤饱和度降低，与有机肥替代处理叠加后可减少径流产生量4.3%。本研究通过有机肥替代27.5%化肥+30%节水灌溉处理后，3 a试验平均减少硝态氮径流量26.5%，减少可溶性总磷径流量34.7%。因此，在研究区露地蔬菜农田采用有机肥替代化肥及适当节水，能够有效降低露地菜田氮、磷径流损失，同时保持蔬菜产量稳定。