化肥减施下粪水替代对设施白菜氮利用与土壤氮盈余的影响

程娟，付莉，翟中葳，肖能武，杨柳，刘福元，杜会英*，杜连柱*，张克强

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.十堰市农业科学院，湖北十堰 442000；3.新疆农垦科学院畜牧兽医研究所，新疆石河子 832000）

随着我国农业种植结构持续优化，蔬菜种植面积连年增长，2019 年蔬菜种植面积已达到2 086 万hm2[1]，蔬菜产业已成为农业农村经济的支柱产业，设施蔬菜栽培因具有反季节种植、复种指数和经济效益较高等特点发展迅速，目前设施蔬菜种植面积已达370 万hm2[2]。然而设施蔬菜种植具有高效益的同时，需要大量养分投入以满足设施蔬菜生长，过量施肥问题十分突出，黄绍文等[3]的研究表明我国蔬菜肥料总用量普遍超量，设施蔬菜施用化肥养分量是农作物的4.1 倍，化肥长期高位运行导致土壤中的存量巨大[4]，不仅降低了养分的利用率，而且有随着灌溉和降水进入水体的风险，引起水体富营养化等环境问题[5]，严重制约了设施蔬菜的优质高效生产。丹江口库区长期过度重视农业生产功能，农业面源污染严重，因此，如何优化施肥，减少土壤养分的盈余量，提高蔬菜产量和肥料利用率，对库区设施蔬菜可持续生产具有重要意义。

已有研究表明，适量减少化肥施用量能够保证设施蔬菜产量[6]，提高蔬菜维生素C 和蛋白质等含量[7]。张怀志等[8]的研究表明，减少农户常规化肥用量40%并施用有机肥，设施番茄产量和氮素吸收量显著增加，氮损失量显著降低，李银坤等[9]的研究证实，减施氮量25%同时节水30%，可增加设施黄瓜-番茄产量、提高水氮利用效率。然而，过分减氮会降低作物产量、品质及经济效益，应将施氮量控制在目标产量、作物品质和经济效益、环境效应与土壤肥力均可接受的合理范围内[10]。氮素盈余是衡量氮素输入的生产力、环境影响和土壤肥力变化的最有效指标，能够在一定程度上反映投入氮的利用效率[11]，作为氮素管理指标之一被广泛应用。荷兰规定农场氮素盈余量为80 kg·hm-2·a-1，超过政府限定指标时，农民需要向政府交纳盈余税[12-13]。CHEN 等[14]建立了氮素盈余与损失之间的经验关系。刘宏元等[15]得出冬小麦-夏玉米轮作周期氮素盈余量推荐值为30～70 kg·hm-2·a-1。LIANG 等[16]研究认为，在优化的水氮措施下，双季稻周年氮素盈余量为129.7 kg·hm-2·a-1[16]。ZHANG等[17]建立了我国13 种作物体系的氮素盈余指标，单作体系氮素盈余指标平均为73 kg·hm-2，双季轮作体系平均为160 kg·hm-2。

目前关于农田氮素盈余的研究，大多集中在粮食作物上，缺乏化肥减施下粪水替代对设施蔬菜氮素盈余的研究。因此，本研究通过4 茬设施白菜田间定位试验，设置不施肥、常规施用化肥、减施化肥和减施下粪水替代5 个处理，研究对设施白菜鲜质量、土壤全氮、无机氮及土壤氮素盈余等的影响，以期为丹江口水源涵养区种养结合提供科学数据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在湖北省十堰市郧阳区谭家湾镇设施大棚内进行，土壤为黄棕壤，试验开始时0～20 cm 耕层土壤理化性质为：有机质含量6.58 g·kg-1，pH 7.72，容重1.13 g·cm-3，全氮含量0.51 g·kg-1，硝态氮含量40.60 mg·kg-1，铵态氮含量1.99 mg·kg-1，速效磷含量36.91 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设置5个处理，分别为：对照处理（CK），白菜生育期内不施用肥料；常规施肥处理（CON），白菜生育期施用蔬菜专用复合肥（18-8-18），N、P2O5和K2O施用量分别为351、156 kg·hm-2和351 kg·hm-2，底肥施用量占77%、莲座期追肥施用量占15%、结球期追肥施用量占8%；化肥减施处理（RCF），N、P2O5和K2O施用量均较常规减施20%，施用时期与常规施肥处理相同；化肥减施替代处理（RFS23），底肥施用蔬菜专用复合肥，莲座期和结球期追施猪场粪水，替代23%的化肥N、P2O5和K2O 用量，养分施用总量和时期与RCF 处理相同；化肥减施替代处理（RFS100），分别替代100%、24%和19%的化肥N、P2O5和K2O用量，养分施用总量和时期与RCF 处理相同。试验小区灌溉采用畦灌。每个处理重复3 次，小区面积6.72 m2，随机区组排列，小区间用PVC板（40 cm宽）隔开。

试验开始于2017 年10 月，结束于2019 年12 月，共连续种植4 茬白菜，白菜株距为35 cm，行距为40 cm。试验用磷肥为P2O5（含量12%），钾肥为K2O（含量51%）。猪场粪水取自设施大棚上游养殖场，该养殖场年出栏生猪约1 万头，猪场粪水经厌氧发酵后贮存在田间贮存池。粪水养分含量常年稳定，理化性质为pH 7.51，总氮含量773.00 mg·L-1，铵态氮含量702.00 mg·L-1，总磷含量19.10 mg·L-1，总钾含量746.00 mg·L-1。

1.3 样品采集与测定

土壤样品采用“S”形5 点取样法，取0～20、20～40 cm 土样，同层次混合并装在密封的塑料袋中，用于进一步分析。产量计算采用全部小区称质量计产。每个小区选择具有代表性的5 株白菜105 ℃杀青30 min，70 ℃下烘干至恒质量，粉碎保存。

有机质采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定，pH、土壤全氮、硝态氮和铵态氮等参考鲍士旦[18]的方法测定，采用凯氏定氮法测定植物全氮。

氮盈余为氮输入量与作物氮输出量的差值[17]，输入氮包括化肥氮、粪水氮和灌溉带入氮，其中蔬菜生长期间灌溉水携带的氮参考龚世飞等[19]的数据，其余数据为实测数据，作物氮输出为白菜氮输出。

氮盈余（N surplus，kg·hm-2）=氮输入-白菜氮输出；

氮素利用率（N use efficiency）=（施氮处理白菜地上部吸氮量-对照处理白菜地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥贡献率（N contribution rate）[20]=（施氮处理白菜产量-对照处理白菜产量）/施氮处理白菜产量×100%。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016软件做图，SAS 9.2软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 对设施白菜产量及氮素利用的影响

由表1 可知，随着种植茬数的增加，CK 处理白菜产量呈现降低趋势。施肥处理4茬白菜产量显著高于CK 处理；与CON 处理相比，RCF 处理4茬白菜产量差异不显著；相同施氮量的3 个处理（RCF、RFS23 和RFS100）中，粪水替代处理（RFS23、RFS100）白菜产量均高于RCF处理，第一茬和第三茬白菜产量差异达到显著水平，第二茬差异不显著，第四茬RFS23 处理白菜产量显著高于RCF 处理。适当减施化肥不会显著降低白菜产量，且粪水替代能够提高白菜产量。

表1 化肥减施下粪水替代对白菜产量和氮素利用率的影响Table 1 Chinese cabbage yield and nitrogen use efficiency of different treatments

化肥减施下粪水替代可以提高白菜对所施氮的利用能力；从氮素利用率来看，化肥减施20%的RCF处理氮素利用率与CON 处理相比未显著降低，RFS23和RFS100 处理之间差异不显著，均显著高于RCF 处理；从氮肥贡献率来看，化肥减施替代处理（RFS23、RFS100）氮肥贡献率较化肥施用处理（CON、RCF）有所提高，且RFS23处理显著高于CON处理和RCF处理。

2.2 对土壤氮素的影响

第四茬白菜收获后，土壤全氮含量如图1 所示。各处理上层土壤（0～20 cm）全氮含量均高于下层土壤（20～40 cm）。上层土壤（0～20 cm）中，CON、RCF、RFS23和RFS100处理全氮含量显著高于CK 处理，且无显著性差异；下层土壤（20～40 cm）不同处理土壤全氮含量变化与0～20 cm 土层变化趋势一致，RCF 处理土壤全氮含量比CON处理降低了5.2%，未达5%显著水平，2 个化肥减施粪水替代处理土壤全氮含量差异不显著。

由图2 可知，4 茬白菜收获后的土壤铵态氮累积量显著低于硝态氮，且各处理之间的铵态氮累积量无显著性差异。从土壤硝态氮累积量来看，CON 处理下，随着种植茬数的增加，土壤硝态氮累积量增加，第四茬累积量显著高于第一茬；RCF处理下土壤硝态氮累积量四茬之间差异不显著；RFS23处理下土壤硝态氮累积量第四茬显著高于前3 茬；RFS100 处理下第三茬土壤硝态氮累积量显著高于前2 茬。第一茬白菜收获后，CON 处理土壤硝态氮积累量与化肥减施处理（RCF）之间差异不显著，显著高于CK 处理和化肥减施粪水替代处理（RFS23 和RFS100）；第二茬和第三茬白菜收获后，施肥处理土壤硝态氮累积量显著高于CK处理，各施肥处理间差异不显著；第四茬白菜收获后，CON 处理土壤硝态氮累积量显著高于RCF处理，与RFS23和RFS100处理间差异不显著。

2.3 对土壤pH和有机质的影响

白菜收获后，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07（图3）。第一茬白菜收获后，各处理土壤pH 值差异不显著。第二茬白菜收获后，施肥各处理之间pH 值差异不显著，但均显著高于对照处理。第三茬白菜收获后，RFS23 和RFS100 处理土壤pH 值显著高于CK处理，CON 处理和RCF 处理与CK 处理差异不显著。第四茬白菜收获后，各个处理之间土壤pH 值均差异不显著。

4 茬白菜收获后，土壤有机质含量（0～20 cm）如图4 所示。由图可知，施肥增加了0～20 cm 土壤有机质含量，在连续4 茬的种植中，CON、RCF、RFS23 和RFS100处理土壤有机质含量显著高于CK 处理，且施肥处理间土壤有机质含量无显著性差异。不同茬次之间土壤有机质变化较小，第一茬施肥处理土壤有机质含量介于11.24～12.80 g·kg-1，第二茬施肥处理土壤有机质含量介于11.91～12.24 g·kg-1，第三茬施肥处理土壤有机质含量介于11.76～12.85 g·kg-1，第四茬施肥处理土壤有机质含量介于12.74～13.69 g·kg-1。

2.4 对土壤氮盈余的影响

0～40 cm 土层土壤-作物氮素平衡见表2，氮素输出以白菜收获后地上部氮含量计算，氮素输入中，灌溉氮输入量通过查阅文献获得[9]。就氮素输出而言，设施白菜地上部氮含量在CK、CON和RCF处理下的变化趋势与产量变化一致，CON和RCF处理间差异不显著，但均显著高于CK处理；两个粪水替代处理白菜地上部氮含量之间差异不显著，但均显著高于化肥施用处理。

表2 土壤-作物系统氮素养分平衡（kg·hm-2）Table 2 N balance in soil-crop system in Chinese cabbage（kg·hm-2）

氮盈余分析结果显示，施肥各处理的氮盈余显著高于CK处理，各施肥处理中，RCF处理氮素盈余显著低于CON 处理，相同施氮量的3 个处理中，RCF 处理氮素盈余量显著高于化肥减施粪水替代的2 个处理（RFS23和RFS100），化肥减施粪水替代的2个处理氮盈余差异不显著。相关分析表明，土壤氮素盈余量与土壤有机质含量和土壤硝态氮累积量呈显著正相关（r=0.64，r=0.68，图5）。

3 讨论

3.1 化肥减施对白菜产量的影响

根据黄绍文等[3]的研究统计，我国的设施蔬菜施用氮肥量是推荐量的1.9 倍，主要露地蔬菜氮肥施用总量是推荐量的2.7 倍；魏宗强等[21]研究发现，大白菜-土壤体系的氮素表观损失随施氮量的增加而显著增加，高施氮量导致高的氮素盈余，过量施肥会对环境产生污染。在一定范围内提高施氮量能提高白菜产量，超过范围则白菜产量不再提高且可能会降低[22-24]，JENSEN 等[25]以寿光市为例指出，将氮肥用量减少50%并结合调节土壤碳氮比和滴灌能显著增加设施蔬菜产量，在安徽巢湖地区减氮施肥15%能显著提高设施番茄产量，均没有降低产量且提高了氮肥利用率。也有研究指出[26]，用粪水替代30%的化肥氮未能显著提高小麦产量，随着粪水替代量的增加，小麦产量呈现先增加后降低的趋势。本研究结果表明，化肥减施20%条件下，白菜产量与常规处理无显著差异；相同施氮量（281 kg·hm-2）条件下，化肥减施粪水氮替代23%和100%，4 茬白菜平均产量是化肥处理的1.18倍和1.13倍，同时可以提高白菜对所施氮的利用能力。而相较于化肥，猪场粪水水溶性有机质含量比较高[27]，粪水替代化肥施用能更好地被作物利用从而提高作物产量[28]。

3.2 化肥减施对土壤硝态氮的影响

施入土壤中的氮大部分硝化成为硝态氮，是作物吸收利用的主要形态[29]，较高的硝态氮含量可促进作物的生长；但高量施氮会导致农田土壤中的氮进入地下水或淋溶到深层土壤，造成水体富营养化、地下水硝酸盐积累等[30-31]，因此，合理减氮是减少土壤硝态氮累积量直接而有效的途径[32]。田雨等[33]的研究表明，土壤硝态氮累积量在白菜生长后期较高，减氮处理降低了土壤硝态氮累积量，减少了氮素向下淋失的风险，本研究中，土壤中硝态氮积累量随着种植茬数增多而增加，第四茬白菜收获后，常规施肥处理的土壤硝态氮含量显著高于第一茬；RFS23处理土壤硝态氮累积量第四茬显著高于前3 茬；RFS100 处理第三茬土壤硝态氮累积量显著高于前2 茬，与第四茬差异不显著。BASSO 等[34]的研究表明，长期高量施肥会引起土壤硝态氮积累，进而增加环境污染风险。猪场粪水中含有一定量的有机态养分，施入土壤后存在矿化过程，开始种植时土壤有效养分含量低于化肥处理，随着种植茬数的增加，粪水中富含的腐植酸和生长素等物质促进土壤胶体和团粒结构形成，加速土壤养分的分解、转化和释放，减少养分尤其是氮素的流失，进而提高了土壤养分的供给水平[35]。长期施用猪场粪水替代化肥对土壤硝态氮影响需进一步研究。

3.3 化肥减施对土壤氮盈余的影响

研究农田土壤-作物系统氮素平衡状况，可为指导农业生产提供理论基础。ZHU 等[36]指出量化氮盈余有利于提高氮利用率和减少氮损失，当氮素盈余高于作物吸收氮素的20%或输入氮素的17%时，会发生严重的氮素污染。BAI 等[37]认为，肥料氮投入增加，相应的氮盈余显著增加，氮素长期盈余会造成土壤无机氮积累，超出作物吸收部分的氮素会以氮素表观损失和无机氮残留形式损失，损失量与施氮量呈显著正相关。宁建凤等[38]的研究证明，减少化肥施用量，可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究中，施肥处理氮盈余从大到小依次表现为：CON＞RCF＞RFS100＞RFS23，化肥减施20%条件下，RCF处理较常规施肥处理氮盈余降低23.38%，化肥减施粪水替代处理氮盈余量比常规施肥处理降低了29.24%～30.65%。猪场粪水中的活性有机物质可以促进土壤对铵离子的吸附固定[39]，同时，在硝化细菌的作用下，施入土壤的猪场粪水氮将会转化成硝态氮残留在土壤中，增加土壤中的矿质氮含量[40]。氮肥科学施用是实现农作物增产提质和减少氮素污染的重要方法[41]，氮盈余是衡量氮素投入及环境影响的有效指标[11]，化肥减施及猪场粪水替代可降低土壤的氮盈余量，降低氮素损失，提高氮素利用率。

4 结论

（1）4 茬设施白菜种植过程中，化肥减施20%白菜产量较常规施肥未显著降低。相同减氮20%条件下，粪水氮替代23%和替代100%处理的4 茬白菜平均产量是化肥处理的1.18 倍和1.13 倍。化肥减施下粪水替代可以提高白菜对所施氮的利用能力，化肥减施20%下粪水氮替代23%和替代100%处理的氮利用率均显著高于化肥施用处理，化肥减施20%下粪水氮替代23%处理氮素贡献率显著高于化肥施用的处理。

（2）4 茬白菜种植过程中，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07；施肥增加了土壤有机质的含量。随着种植茬数的增加，0～40 cm 土壤硝态氮累积量呈增加趋势，常规施肥氮盈余为288.34 kg·hm-2，化肥减施及减施粪水替代处理可以显著降低土壤氮盈余。

（3）综合考虑设施白菜产量、土壤无机氮和氮盈余等指标，丹江口库区可以在减施化肥的条件下进行粪水替代，可进一步提高设施白菜的氮利用率，减少土壤氮盈余量，减少农业面源污染。