有机与常规种植模式下菜地氮、磷的淋溶特征

杨育文 陈秋会 席运官 刘明庆 王磊 高丽 杨涛明 李丽娜 和丽萍

摘要： 為了探究有机、常规2种种植模式下菜地土壤养分的淋溶特征，采用渗漏计装置收集地下1 m深的淋溶水，通过2018年、2019年连续2年的田间试验，比较等氮投入条件下有机、常规种植菜地中淋溶水氮和磷质量浓度、淋溶量及化学需氧量（COD）。结果表明，在有机种植模式下，2018年、2019年的总氮淋溶量分别比常规种植模式降低了42.88%、48.00%;在有机种植模式下，2018年、2019年的总磷淋溶量分别比常规种植模式降低了28.09%、16.25%，但在有机种植模式下，土壤淋溶水COD比常规模式提高了118.01%。菜地土壤中的养分淋失以氮为主，氮素在施肥初期，尤其是强降雨发生时最易发生淋失，硝态氮是氮素淋溶损失的主要形态。综上，与常规种植模式相比，有机种植能有效减少菜地土壤中的氮淋溶，在一定程度上减少磷淋溶，但会显著增加淋溶水COD的风险。

关键词： 菜地;有机种植;淋溶;氮;磷;化学需氧量（COD）

中图分类号： S157.4;X820.3   文献标识码： A   文章编号： 1000-4440（2021）04-0902-08

Leaching characteristics of nitrogen and phosphorus in vegetable fields under organic and conventional farming systems

YANG Yu-wen1， CHEN Qiu-hui1， XI Yun-guan1， LIU Ming-qing1， WANG Lei1， GAO Li1， YANG Tao-ming2， LI Li-na2， HE Li-ping2

（1.Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Ecology and Environment of the Peoples Republic of China， Nanjing 210042， China;2.Yunnan Provincial Research Academy of Eco-environmental Sciences， Kunming 650034， China）

Abstract：  To explore the leaching characteristics of soil nutrients in vegetable fields under organic and conventional farming systems， the leaching water from 1 m underground was collected using lysimeter， and mass concentration of nitrogen （N） and phosphorus （P）， chemical oxygen demand （COD） and leaching amount of leaching water in organic and conventional vegetable fields under the condition of equal N input were compared through continuous two-year field experiment in 2018-2019. The results showed that the total N leaching amount in 2018 and 2019 under organic planting pattern was 42.88% and 48.00% lower than that under conventional planting pattern respectively. The total P leaching amount in 2018 and 2019 under organic planting pattern was 28.09% and 16.25% lower than that under conventional planting pattern respectively. However， the COD in soil leachate under organic planting pattern increased by 118.01% compared with that under the conventional planting system. N was the main nutrient leached in vegetable soil. Most of the N leaching loss occurred in the initial period of fertilization， especially during intensive rainfall， and nitrate nitrogen was the main form of N leaching loss. In summary， compared with the conventional planting system， the N loss of vegetable soil via leaching can be reduced effectively under organic planting pattern， and P leaching can be reduced partly， but the risk of COD in leaching water can be increased significantly.

Key words： vegetable field;organic cultivation;leaching;nitrogen;phosphorus;chemical oxygen demand（COD）

云南省是蔬菜大省，土壤类型主要为红壤，土壤阳离子交换量低，对营养元素的保蓄能力较差[1]，且菜地肥料投入量大，因不合理施肥导致养分大量淋失，对地下水和周边供水水源地产生潜在污染危害，这种危害在水环境敏感区域尤为突出。松华坝水库是昆明市重要的生活水源地，《昆明市松华坝水源保护区管理规定》中提出鼓励农户施用农家肥、少用化肥，积极推广生态农业和生物防治新技术，并且为了协调经济发展与环境保护之间的矛盾，当地政府积极引导农民在二、三级保护区内发展有机种植。在有机种植的过程中禁止施用化学农药与肥料，以有机肥为主要肥源，施用有机肥能增加土壤有机质含量，促进土壤团粒结构形成，增强土壤保肥力，减少氮、磷流失风险。黄东风等[2]通过土柱模拟试验发现，施用有机肥可以减少氮、磷随渗漏水淋溶而造成的损失量。中国农业大学对有机蔬菜种植的长期定位试验结果表明，有机种植模式在减少氮素淋溶方面比常规模式更有优势，但增加了磷素淋失风险，并在一定程度上提高了淋溶水的化学需氧量（COD）[3]。国外研究发现，有机种植农田较常规种植农田减少了8.67%～65.58%的氮素淋溶量[4]。但也有研究发现，在种植过程中施用有机肥而淋失的氮素量比施用矿质态氮肥的更多[5]，长期大量施用有机肥会导致磷素渗漏淋失风险大大提高[6]。近年来，松华坝水库水质劣变的原因以氮、磷，尤其是氮超标为主[7]，因此，关于在松华坝饮用水源保护区发展有机蔬菜种植是否能够降低土壤养分淋失风险的问题值得深入研究。本研究通過分析云南省昆明市松华坝水库饮用水水源保护区有机、常规种植模式下菜地土壤淋溶水中氮、磷的质量浓度以及COD、淋溶量的变化特征，探究2种种植模式对土壤养分淋失的影响，旨在为降低该地区菜地养分淋失风险提供科学依据，同时为水环境敏感区开展有机种植以及减少农业面源污染提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年、2019年连续2年的4-9月在云南省昆明市盘龙区露地蔬菜种植基地（地理位置为102.7°E，25.05°N）开展。盘龙区属滇池盆地，地势平坦，为中亚热带高原季风气候区，冬无严寒，夏无酷暑，该地区全年平均气温为14.9 ℃，最高气温为31.5 ℃，最低气温为-7.8 ℃。年平均降雨量约为1 000.5 mm，月最大降雨量为208.3 mm。2018年4-9月降雨量为501.0 mm，其中较大的降雨发生在7月12日、8月3日、8月24日，降雨量分别为24.0 mm、25.0 mm、28.0 mm;2019年4-9月的降雨量为702.6 mm，较大的降雨发生在7月20日、9月9日，降雨量分别为127.4 mm、105.9 mm。2018-2019年降雨季温度和降雨量变化情况见图1。

试验区的土壤类型为红壤，土质疏松，保水保肥性较差，雨水主要通过淋溶流失。有机菜地已连续4年用于有机蔬菜生产，土壤颗粒组成中黏粒占36.86%，砂粒占23.27%，粉（砂）粒占39.87%;常规菜地土壤颗粒组成中黏粒占32.69%，砂粒占21.08%，粉（砂）粒占46.23%。供试土壤的基本理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

试验小区长6 m，宽4 m，面积为24 m2，为防止串水，每个小区之间设置50 cm宽、25 cm高的田埂，地块四周设保护行，保护行各边宽度不少于1 m。试验共设2个处理，每个处理设3次重复，共6个小区。处理1为常规种植模式（CF），按农户常规方式管理，施用复合肥（主要成分N、P2O5、K2O的质量比为18∶6∶24），施肥量根据菜地多年的施肥经验确定，每季蔬菜施肥2.5 t/hm2;处理2为有机种植模式（OF），完全按有机方式进行管理，使用等氮量自制腐熟发酵羊粪有机肥，人工除草，施用生物源、植物源和矿物源农药进行病虫害防治，羊粪有机肥中全氮、全磷、全钾养分含量分别为1.69%、2.52%、1.91%，有机质含量为53.8%，每季蔬菜的施肥量为26.7 t/hm2。有机、常规种植模式下的施肥方式均为一次性基施，不追施。

开展试验前，在各试验小区设置渗漏计以收集淋溶液。分别在各小区中间位置挖1个底面积0.5 m×0.5 m、深1.0 m的坑，放置淋溶水收集盘，在坑的底部沟槽继续深挖1个平面斜坡，斜坡一边距地面1.0 m，另一边距地面1.1 m，在坑壁的一侧沿斜坡挖1个0.2 m宽的沟槽用于放软管，斜坡另一侧继续垂直深挖1个直径0.15 m、深1.6 m的坑用于储放淋溶水接收装置（渗漏计），为了防止地表水进入渗漏计，其上沿须高出表土5 cm，渗漏计最大储水容量为28 L，采集1.0 m土壤深处的淋溶液。

在2018年的试验期共种植2季蔬菜，分别于4月26日施基肥定植花椰菜（Brassica oleracea var. botrytis L.），品种为兴利花王，行距为45 cm，株距为40 cm，7月25日收获;8月2日施基肥定植白菜[Brassica pekinensis （Lour.） Rupr.]，品种为春黄56，行距为45 cm，株距为30 cm，9月22日收获。2季蔬菜的长势均良好。2019年的试验期只种植1季蔬菜，6月17日施基肥定植辣椒（Capsicum annuum L.），品种为云椒2号，行距为60 cm，株距为30 cm，9月30日收获，受气候、病虫害、人工管理等因素影响，辣椒长势较差，植株矮小、枝梢稀疏。

1.3 样品的采集

在蔬菜种植前采集0～20 cm土层的土壤样品，风干、过筛后用于测定土壤的基本理化性质。

用渗漏计收集土壤淋溶水，用抽水泵从中抽取淋溶水，记录淋溶水总体积，然后取1 L淋溶水放入采样瓶中，标注样品编号和取样时间，随后带回实验室于-20 ℃保存待测。

2018-2019年共收集了7份淋溶水样，其中2018年收集了4份淋溶水样，取样时间分别为6月15日、7月10日、8月1日和9月6日，收集到的淋溶水量分别为5.00～11.10 L、0.98～4.50 L、0.53～4.85 L、7.12～15.73 L;2019年收集了3份淋溶水样，取样时间分别在7月13日、8月16日、9月27日，收集到的淋溶水量分别为9.50～12.60 L、4.90～17.00 L、3.50～15.00 L。

1.4 测定项目与方法

土壤pH值采用pH计测定，总氮含量采用凯氏定氮法测定，总磷含量采用钼锑抗分光光度法测定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3法浸提后通过钼锑抗比色法测定，硝态氮含量用1 mol/L KCl溶液浸提后通过流动分析仪检测，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。

参照HJ 667-2013《水质 总氮的测定 连续流动-盐酸萘乙二胺分光光度法》、HJ 670-2013《水质 磷酸盐和总磷的测定 连续流动-钼酸铵分光光度法》的方法测定水样中的总氮（TN）含量、铵态氮（NH+4-N）含量、硝态氮（NO-3-N）含量、总磷（TP）含量、可溶性磷酸盐（DP）含量;COD的测定采用重铬酸盐法。淋溶水中总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、可溶性磷酸盐淋溶量及COD的计算公式如下：

P=ni=1Ci×ViS×f

式中，P为总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、可溶性磷酸盐淋溶量（kg/hm2）及COD;Ci为第i次淋溶水中总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、可溶性磷酸盐的质量浓度（mg/L）及COD;Vi为第i次淋溶水的体积（L）;S为监测单元面积（0.25 m2）;f为换算系数（0.04）。

1.5 数据分析

用Excel 2010和Origin 2019进行数据处理和制图，用SPSS 22.0软件进行显著性检验，采用方差分析（ANOVA）法进行检验，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 种植模式对菜地土壤淋溶水中氮质量浓度和淋溶量的影响

由表2可以看出，2018年、2019年菜地土壤淋溶水中氮质量浓度的变化规律基本一致，菜地土壤淋溶水中NH+4-N的质量浓度明显低于NO-3-N的质量浓度，CF模式菜地土壤淋溶水中NO-3-N、总氮的质量浓度均高于OF模式菜地。2018年CF、OF模式菜地土壤淋溶水中总氮的质量浓度分别达到12.15～29.41 mg/L、2.43～20.74 mg/L，2019年CF、OF模式菜地土壤淋溶水中总氮的质量浓度分别达到96.81～214.98 mg/L、19.61～77.66 mg/L。2018年、2019年CF模式菜地土壤淋溶水中總氮的质量浓度分别是OF模式菜地的1.1～5.0倍、1.5～5.2倍。

由图2可以看出，在CF种植模式下，菜地土壤中总氮淋溶量始终高于OF种植模式，除2019年的CF种植模式外，其他种植模式总体上表现为施肥初期总氮淋溶量较高，随后逐渐降低。CF种植模式下菜地土壤中的总氮淋溶量在2019年8月16日出现峰值，随后迅速降低，该峰值明显高于OF种植模式下的土壤中总氮淋溶量，OF种植模式下土壤中的总氮淋溶量一直处于相对较低水平，波动较平缓。

由图3可以看出，与CF种植模式相比，OF种植模式菜地土壤中的NO-3-N、总氮淋溶量较低。2018年OF、CF种植模式菜地土壤中的总氮淋溶量分别为10.55 kg/hm2、18.47 kg/hm2，2019年OF、CF种植模式菜地土壤中的总氮淋溶量分别为65.81 kg/hm2、126.56 kg/hm2。在OF种植模式下，2018年、2019年菜地土壤中总氮淋溶量分别较CF种植模式降低了42.88%、48.00%，在OF种植模式下，2018年、2019年菜地土壤中的NO-3-N淋溶量分别比CF种植模式降低了44.47%、43.60%。2年菜地土壤中淋溶的氮素以NO-3-N为主，NO-3-N淋溶量占总氮淋溶量的比例达到64.94%～98.14%。

2.2 种植模式对菜地土壤淋溶水中磷质量浓度和淋溶量的影响

由表2可知，菜地土壤淋溶水中总磷、DP质量浓度的变化趋势基本一致，2018年CF、OF种植模式下菜地土壤淋溶水中的总磷质量浓度分别达到0.03～0.11 mg/L、0.04～0.13 mg/L，淋溶水中的DP质量浓度分别达到0.02～0.07 mg/L、0.02～0.11 mg/L;2019年CF、OF种植模式下淋溶水中的总磷质量浓度分别达到0.06～0.12 mg/L、0.06～0.11 mg/L，淋溶水中的DP质量浓度分别达到0.06～0.11 mg/L、0.03～0.05 mg/L。

由图4可以看出，2018年，在CF种植模式下，菜地土壤中总磷的淋溶主要发生在施肥后第1次取样时，随后淋溶量逐步减少，而OF种植模式下土壤总磷的淋溶出现滞后现象，呈先升高后降低的趋势。

由图5可以看出，在2018年、2019年OF种植模式下土壤中DP、总磷淋溶量都低于CF种植模式，但未达到显著水平。2018年OF、CF种植模式下菜地土壤的总磷淋溶量分别为0.064 kg/hm2、0.089 kg/hm2，OF种植模式下总磷淋溶量比CF种植模式减少了28.09%;2019年OF、CF种植模式下菜地的总磷淋溶量分别为0.067 kg/hm2、0.080 kg/hm2，OF种植模式下菜地的总磷淋溶量比CF种植模式减少了16.25%。

2.3 种植模式对菜地土壤淋溶水COD的影响

由图6可见，OF种植模式下淋溶水的COD显著高于CF种植模式，CF、OF种植模式下COD分别达到9.00～12.33 mg/L、13.50～19.50 mg/L，淋溶水COD总量分别为10.77 kg/hm2、23.48 kg/hm2，OF种植模式下菜地淋溶水COD总量较CF种植模式增加了118.01%。

3 讨论

通过2018年、2019年连续2年的菜地田间淋溶试验发现，氮淋溶主要发生在施肥初期，随着作物生长吸收及养分的流失，除2019年的CF种植模式外，其他种植模式的淋溶量呈下降趋势。在常规种植模式下，菜地土壤中的氮淋溶量相对于有机种植模式更高，这是因为化肥养分释放快，易随水淋失，而有机种植模式下总氮、硝态氮淋溶量明显降低，表明有机种植有利于减少氮淋失。在本研究中，有机菜地的有机质含量比常规菜地高20.06%，土壤的理化性质得到改善，保水保肥能力增強，有助于减少氮素淋失[8]。同时由于有机种植模式下氮的矿化率低于常规模式，作物收获后土壤中的矿质氮水平显著低于常规地块[9]，能有效降低氮淋失和地下水污染风险[10]。在2种种植模式下，土壤氮淋失形态均以硝态氮为主，硝态氮易随入渗水向土壤深层迁移，淋溶速度快、强度大，而铵态氮易被土壤吸附，淋溶强度较弱，这与相关研究结果[3，11]一致。

除种植模式外，菜地土壤中氮素的淋溶还受作物种类、生长状况、降雨频次和强度的影响[12]。2019年菜地土壤中氮的淋溶量高于2018年，一方面可能由于当年辣椒生长状况不佳，肥料吸收利用率不高，加上植株矮小稀疏，导致菜地作物覆盖度低，土壤养分极易被降雨冲刷;另一方面由于2019年7月20日、8月14日和9月9月分别发生了127.4 mm、45.1 mm、105.9 mm的较大降雨，最大降雨量是2018年最大降雨量的4.6倍，从而导致淋溶渗漏大大增加。李太魁等[13]研究发现，土壤中氮素流失量与雨量呈显著正相关。王玉霞等[14]发现，在二次降雨条件下，第2次降雨引起的总氮流失量远大于第1次，连续降雨越频繁，土壤中的氮素越难保持。

在2种种植模式下，菜地土壤中磷素淋溶量均远低于氮素，这是因为磷在土壤中的移动性差，土壤中可溶性磷的含量很低，大部分转化为不易溶解的固定态磷，仅有极少部分进入土壤溶液中[15]。长期施用化肥会导致土壤理化性质变差，因此常规种植模式在施肥后迅速发生磷素淋失;在有机种植模式下，蔬菜生长后期土壤中的磷淋溶量出现增长，略高于常规模式。已有研究发现，当土壤中速效磷含量超过临界值后，磷淋失量呈线性增加的趋势[16-17]，尽管红壤有强大的固磷能力，但有机菜地土壤的本底速效磷含量较高，施肥一段时间后，有机肥中的磷开始释放，当土壤对磷的吸附能力达到极限时，磷素淋失量迅速增加。

2018年、2019年，有机种植模式下菜地土壤磷淋溶量均比常规模式有所降低，在一定程度上降低了磷淋溶风险，这与黄东风等[2，18]的研究结果一致。但滕艳敏等[3]研究发现，有机种植模式下菜地土壤的磷淋溶量高于常规种植模式，这可能与土壤性质及土壤本底磷含量较高有关。在本研究中，有机菜地的pH值、有机质含量均高于常规菜地，有研究发现，随着土壤中有机质含量增加，磷的保留性和稳定性增强[19]，且随着土壤pH值的提高，磷的释放能力降低，土壤中磷的淋溶量降低[20]，而常规种植模式下土壤酸化导致土壤对磷的吸附能力降低，磷流动性增大，淋失风险随之增加[21]。

有机菜地土壤淋溶水的COD显著高于常规菜地，究其原因，有机菜地的有机质本底含量高于常规菜地，施用腐熟羊粪有机肥又增加了土壤中的微生物数量及酶活性[22]，从而加快了有机物质的腐殖化过程，使土壤中可溶性有机物大量增加，淋溶水COD升高。因此，在有机种植模式中要合理控制有机肥施用量，增加豆科绿肥种植以降低土壤淋溶水中COD风险。

4 结论

在有机、常规种植模式下，菜地土壤淋溶水中氮的质量浓度和淋溶量都远大于磷，其中硝态氮是氮素淋失的主要形态。在有机和常规种植模式下，氮淋溶损失主要发生在施肥初期，因此施肥初期是进行菜地田间管理、减少养分淋失最关键的时期，应避免在频繁降雨期或强降雨来临前施肥以及施肥后大水漫灌。在有机种植模式下，氮、磷的淋溶量均低于常规模式，淋溶水COD高于常规模式，表明有机种植模式会增加淋溶水COD风险，但有利于降低菜地土壤中氮、磷淋失的风险，因此在松华坝水库周边开展有机种植有助于减少农业生产中氮、磷的排放。

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（责任编辑：徐 艳）

收稿日期：2020-11-10

基金项目：云南省生态环境厅土壤修复项目[YNZDZB（2017）002];中央级公益性科研院所基本科研业务专项（GYZX200104、GYZX210514）

作者简介：杨育文（1991-），女，甘肃武威人，硕士，助理研究员，主要研究方向为有机农业与农村面源污染防治。（E-mail）yywofrcc@126.com

通讯作者：席运官，（E-mail）xyg@nies.org