有機肥部分替代化肥氮對葉菜產(chǎn)量和環(huán)境效應的影響*

武星魁, 姜振萃, 陸志新, 路 廣, 徐永輝, 施衛(wèi)明, 閔 炬**

(1.中國科學院大學 北京 100049; 2.中國科學院南京土壤研究所 南京 210008; 3.煙臺市農(nóng)業(yè)技術推廣中心 煙臺 264000; 4.宜興市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 宜興 214206 )

隨著我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構的調(diào)整, 蔬菜已成為我國種植業(yè)中僅次于糧食的第二大農(nóng)作物。據(jù)統(tǒng)計[1], 2018年全國蔬菜生產(chǎn)面積約為2 043萬hm2, 占農(nóng)作物總面積的12.3%。葉菜在蔬菜中占據(jù)較大比例, 其品種眾多, 生長期短、根系較淺、生長迅速, 對肥料和養(yǎng)分的需求較大[2], 產(chǎn)量的提高大多依賴化肥的大量投入, 尤其氮肥。研究表明, 蔬菜純氮的周年施用量可高達1 000 kg(N)·hm-2[3], 是大田作物施用量的2 倍以上[4]。然而我國蔬菜氮肥利用率較低, 不足20%[5-6]。化學氮肥持續(xù)高量的投入易導致土壤質(zhì)量退化、環(huán)境污染等問題[7-9], 嚴重制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展, 亟需研發(fā)化肥減施增效減排的系列技術。

前人針對蔬菜地化肥減施增效減排方面已經(jīng)開展了一些研究, 例如: 秸稈還田、水肥一體化和測土配方施肥等技術[10-11]。目前, 我國秸稈以及畜禽有機肥等資源豐富, 但利用率低, 利用方式較少。這些有機肥可以改善土壤結(jié)構, 增加團聚體數(shù)量, 促進根系生長發(fā)育[12]。然而, 有機肥的大量施入會影響氨揮發(fā)和氧化亞氮排放[13-15], 農(nóng)田氨揮發(fā)損失占土壤氮素損失的近30%[16-19]。有研究表明化學氮肥施入設施菜地后, 土壤以氨氣和氧化亞氮氣體形式損失的氮素約占投入氮素的10%, 菜田的氧化亞氮排放占我國農(nóng)田氧化亞氮總排放量的20%[20]。有機肥部分替代化肥在化肥減施增效減排上具有較好潛力。前人在有機肥替代化肥對大田作物產(chǎn)量影響上開展了較多研究, 適宜的有機肥替代比例, 可顯著提高玉米(Zea mays)[21]、水稻(Oryza sativa)[22]和小麥(Triticum aestivum)[23]產(chǎn)量; 此外, 研究表明適宜的有機肥替代化肥也可提高小麥[24]、馬鈴薯(Solanum tuberosum)[25]、番茄(Lycopersicon esculentum)[26]等作物的經(jīng)濟效益。有機肥替代化肥對葉菜類蔬菜產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響研究相對較少, 最佳替代比例尚不十分清楚。在環(huán)境減排效果評價上, 前人的研究多針對大田作物: 如龐鳳梅[27]發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比, 化肥減量配施有機肥能降低冬小麥土壤的氨揮發(fā)速率, 減少氨揮發(fā)損失; 王樹會[28]發(fā)現(xiàn)在華北平原冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中, 與施化肥處理相比, 有機肥與化肥配施可降低土壤氧化亞氮排放量。然而, 該替代技術在葉菜種植上是否會有環(huán)境減排的效果, 減排程度如何尚不明確。

為此, 本研究選取具有代表性的葉菜蔬菜包心菜(Brassica oleracea)和小青菜(Brassica chinensis)為研究對象, 通過研究不同有機肥替代化肥比例對葉菜類蔬菜產(chǎn)量、經(jīng)濟效益以及氨揮發(fā)和氧化亞氮等環(huán)境效應的影響, 綜合考慮產(chǎn)量、經(jīng)濟和環(huán)境效益獲得最佳的替代比例, 并明確其增效和減排效果, 為該技術的進一步推廣應用提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗在江蘇省宜興市和瀆村中悅路農(nóng)場設施蔬菜大棚中進行, 該地區(qū)位于中緯度地區(qū), 屬濕潤的北亞熱帶季風氣候, 平均氣溫15～17 ℃。多年平均降雨量1 000～1 200 mm。試驗地土壤耕層(0～20 cm)有機質(zhì)含量為24 g·kg-1, 速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為560 mg·kg-1、133 mg·kg-1和215 mg·kg-1, 土壤EC 值為1.3 mS·cm-1, pH 為6.6。供試作物選取廣泛栽培的葉菜類蔬菜包心菜和小青菜, 品種分別為‘蘇甘35’和‘上海青’。試驗用有機肥為商品有機肥, 由南京金象集團象山有機肥廠生產(chǎn), 其N、P2O5和K2O含量為2.2%、0.93%和1.61%。

1.2 試驗設計

試驗采用田間小區(qū)試驗, 共設置5 個處理, 在等氮水平下, 分別以0、25%、50%、75%和100%的有機肥氮替代化肥氮(0M、25%M、50%M、75%M 和100%M), 各處理具體施肥量見表1。有機肥為商品有機肥, 化肥氮施用尿素, 以鈣鎂磷肥和硫酸鉀來調(diào)平磷肥和鉀肥用量。包心菜和小青菜化肥施用量依據(jù)農(nóng)民習慣用量設置, 其中, 包心菜總施氮量為600 kg(N)·hm-2, 磷肥和鉀肥投入量分別為300 kg(P2O5)·hm-2和450 kg(K2O)·hm-2; 小青菜總施氮量為220 kg(N)·hm-2, 磷肥和鉀肥投入量分別為110 kg(P2O5)·hm-2和176 kg(K2O)·hm-2?；嗜鍪┖蠓餐? 包心菜季追肥撒施后澆水, 小青菜季不追肥。每個小區(qū)的長和寬設置為7 m×2.7 m, 3 次重復, 隨機區(qū)組排列。包心菜于2017年3月21日移栽, 5月3日追肥1 次, 5月28日收獲; 小青菜于2017年6月22日在同一塊地上播種, 9月1日收獲。各處理的田間管理等與當?shù)剞r(nóng)民習慣相同。

表1 不同施肥處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 樣品采集與測定

產(chǎn)量計算采用全部小區(qū)稱重計產(chǎn)。氨揮發(fā)樣品采集采用密閉連續(xù)通氣法, 在各小區(qū)預埋1 個PVC圓筒為采樣箱, 圓筒的直徑為15 cm, 高30 cm, 密閉箱底面積為0.017 7 m2, 并使用膠帶密封連接部分。觀測時, 調(diào)整換氣速率在15 次·min-1以上, 連續(xù)抽氣2～4 h, 用加有80 mL 的2%硼酸液的洗氣瓶吸收氨氣, 用標定過的標準硫酸滴定溶液中的氨氣。施肥后每天測定1 次, 連續(xù)觀測至氨揮發(fā)低于檢測限。氧化亞氮樣品采集采用靜態(tài)箱法, 采樣箱由PVC 有機玻璃制成, 裝置分為上下兩部分, 下部底座為周圍有水槽的立方體(內(nèi)圈53 cm×53 cm , 外圈58 cm×58 cm, 盛水槽高5 cm), 上部分為立方體(長55 cm, 寬55 cm, 高60 cm), 箱體側(cè)面中部設有氣體取樣口, 使用注射器進行抽取。每隔7 d 采集1 次, 施肥或灌水后增加采樣頻率, 每天1 次連續(xù)采樣4 次。采樣時間為每天上午9:00—11:00, 采樣同時記錄箱溫, 樣品用氣相色譜進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

本研究所列結(jié)果為3 次重復測定值的平均值, 數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較。采用Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例有機肥氮替代化肥氮對包心菜和小青菜產(chǎn)量的影響

不同有機肥氮替代比例對包心菜和小青菜產(chǎn)量的影響如圖1 所示, 隨著有機肥氮替代化肥氮比例的增加, 包心菜和小青菜的產(chǎn)量都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。由圖中可以看出包心菜生長季在25%M處理下產(chǎn)量最高, 比純化肥氮處理(0M)的產(chǎn)量增加15.0%, 達顯著水平(P＜0.05)。然而, 繼續(xù)增加氮替代比例, 50%M、75%M 和100%M 處理包心菜產(chǎn)量與純化肥處理間無顯著差異。小青菜生長季, 與純化肥氮處理相比, 同樣在25%M 處理下, 其增產(chǎn)效果顯著(P＜0.05), 增產(chǎn)比例達16.3%。

圖1 不同施肥處理下包心菜、小青菜的產(chǎn)量 Fig.1 Yields of Brassica oleracea and Brassica chinensis under different fertilization treatments

2.2 不同比例有機肥氮替代化肥氮包心菜和小青菜生產(chǎn)的經(jīng)濟效益

生產(chǎn)中的經(jīng)濟效益是由蔬菜產(chǎn)值和總成本共同決定的。本研究有機肥為商品有機肥, 化肥為尿素、鈣鎂磷肥和硫酸鉀, 其價格分別為0.8 元·kg-1、3 元·kg-1、1 元·kg-1和4 元·kg-1; 勞動力價格為100 元·人-1·d-1。包心菜苗0.3 元·棵-1, 農(nóng)藥600 元·次-1, 種苗以及農(nóng)藥成本為21 750 元·hm-2, 包心菜價格3.2 元·kg-1。小青菜種子 0.6 元·g-1, 農(nóng)藥600 元·次-1, 種苗和農(nóng)藥成本5 800 元·hm-2, 小青菜平均價格5 元·kg-1。通過對不同施肥處理下包心菜和小青菜的經(jīng)濟效益分析看出, 與純化肥氮處理(0M)相比, 有機肥替代化肥氮的各處理會增加包心菜和小青菜的生產(chǎn)成本, 且隨替代比例增加成本相應增加, 其中有機肥運輸?shù)绞卟说匾约笆┯糜袡C肥的人工成本隨替代比例增加而大幅度增加(表2)。從包心菜產(chǎn)值看, 25%M 處理下的產(chǎn)值最高, 比0M、50%M、75%M 和100%M處理分別顯著提高15.1%、6.8%、10.0%和9.8%, 且與純化肥氮處理相比, 25%M 處理增收可達11.7%, 其他替代比例呈負增收效益。與包心菜觀測結(jié)果相同, 小青菜產(chǎn)值也在25%M 處理下最高, 比0M、50%M、75%M 和100%M 處理分別高7.7%、9.8%、10.1%和20.1%, 且與純化肥氮處理相比, 25%M 處理下增收可達5.4%。

2.3 不同比例有機肥氮替代化肥氮對包心菜地和小青菜地氨揮發(fā)排放的影響

包心菜和小青菜生長季不同比例有機肥氮替代化肥氮處理下氨揮發(fā)排放損失如圖2 所示。包心菜和小青菜生長季在純化肥氮處理(0M)下的氨揮發(fā)累積排放量最高, 分別為55 kg·hm-2和22.2 kg·hm-2, 隨替代比例的增加, 氨揮發(fā)排放量逐漸降低。包心菜季75%M 處理下氨揮發(fā)量最低, 為25.8 kg·hm-2, 比0M 處理降低53.1%; 小青菜季100%M 處理下氨揮發(fā)量最低, 為2.7 kg·hm-2, 比0M 處理降低87.8%。在25%M 處理下包心菜和小青菜季氨揮發(fā)排放量分別為42.1 kg·hm-2和12.9 kg·hm-2; 與0M 處理相比, 25%M 處理下氨揮發(fā)已有顯著的減排效果, 減排比例分別為23.5%和41.9%, 且達顯著水平(P＜0.05)。與純化肥氮處理相比, 25%M、50%M、75%M 和100%M 處理下, 包心菜和小青菜季對減少氨揮發(fā)排放的降幅程度不同, 前茬的包心菜降幅分別為23.4%、34.7%、53.0%和45.2%, 連續(xù)進行有機替代后, 后茬小青菜降幅分別增加78.1%、102.3%、25.4%和93.8%。

表2 不同施肥處理下包心菜和小青菜的經(jīng)濟效益分析 Table 2 Economic benefits of Brassica oleracea and Brassica chinensis under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理下包心菜地和小青菜地的氨揮發(fā)量 Fig.2 Ammonia volatilization loss from Brassica oleracea and Brassica chinensis fields under different fertilization treatments

2.4 不同比例有機肥氮替代化肥氮對包心菜地和小青菜地氧化亞氮排放的影響

圖3 顯示了不同比例有機肥氮替代化肥氮處理對包心菜和小青菜生長季氧化亞氮累積排放量的影響。在包心菜田間觀測發(fā)現(xiàn), 純化肥氮(0M)和25%M處理下氧化亞氮累積排放量分別為0.89 kg·hm-2和0.74 kg·hm-2, 且處理間在P＜0.05 水平無顯著差異; 與25%M 處理相比, 50%M、75%M 和100%M 處理下氧化亞氮累積排放量分別增加 60.8%、50%和56.8%。在小青菜生長季, 0M 和25%M 處理下氧化亞氮累積排放量分別為2.88 kg·hm-2和3.06 kg·hm-2, 且處理間在P＜0.05 水平無顯著差異; 在50%M、75%M 和100%M 處理下氧化亞氮累積排放量分別為4.09 kg·hm-2、7.18 kg·hm-2和8.74 kg·hm-2, 且處理間在P＜0.05 水平有顯著差異; 與25%M 處理相比, 50%M 處理下氧化亞氮累積排放量增加33.7%。與純化肥氮處理相比, 50%M、75%M 和100%M 處理下, 包心菜和小青菜季對增加氧化亞氮排放的增幅程度不同, 前茬的包心菜增幅分別為32.6%、24.5%和29.4%, 連續(xù)進行有機替代后, 后茬小青菜增幅分別增加28.1%、509.1%和590.5%。

圖3 不同施肥處理下包心菜和小青菜地氧化亞氮排放通量 Fig.3 Seasonal N2O emission loss from Brassica oleracea and Brassica chinensis fields under different fertilization treatments

3 討論

連續(xù)種植兩季葉菜類蔬菜包心菜和小青菜, 施用不同比例有機肥氮替代化肥氮后, 在25%替代比例下兩種蔬菜產(chǎn)量均達到最高。王恒祥等[29]通過試驗發(fā)現(xiàn)有機氮替代比例在20%～30%時最有利于水稻的生長和氮肥利用率的提高, 羅佳等[30]發(fā)現(xiàn)20%的有機肥替代處理提高了生菜(Lactuca sativa)的產(chǎn)量和品質(zhì), 這些研究結(jié)果與本試驗結(jié)論相似。純化肥處理(0M)下蔬菜產(chǎn)量沒有達到最高水平, 這可能是因為純化肥處理可以在作物生長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較弱, 無機態(tài)氮極易揮發(fā)損失, 從而造成后期養(yǎng)分供應不足, 引起作物發(fā)育不良等問題[29]。在有機肥氮替代比例達50%及以上時沒有出現(xiàn)顯著的增產(chǎn)效果, 這可能是因為苗期化肥氮的投入少或無投入, 導致氮素釋放慢, 土壤供氮能力不足, 在作物需肥的營養(yǎng)臨界期不能提供足夠的氮素養(yǎng)分, 從而影響了作物產(chǎn)量。有機肥和化肥比例適當時, 如在25%M 處理下, 蔬菜整個生長期土壤中速效氮含量可能達到了較適宜的供應水平, 并且適當?shù)挠袡C肥施用可能使土壤中的碳氮比較適宜, 有利于氮礦化和轉(zhuǎn)化微生物的生長, 保證了養(yǎng)分的充足供應, 實現(xiàn)了產(chǎn)量的最大化。

田間試驗發(fā)現(xiàn), 有機肥氮不同比例替代化肥氮后均可不同程度地減少蔬菜生產(chǎn)過程中的氨揮發(fā)損失, 連續(xù)替代化肥后, 氨揮發(fā)損失降低的幅度更為明顯。氨揮發(fā)的主要機制之一是土-氣界面氨的濃度梯度所導致的氨擴散作用[31], 由于土壤吸附氨態(tài)氮的能力和水溶解氨態(tài)氮的數(shù)量有限, 因此化學肥料施用后大量氮以氨氣形式擴散到大氣中。隨著有機肥替代比例的增加, 化肥氮的投入相應減少, 從而減少了氨揮發(fā)損失。有機肥在土壤中礦化為植物可以吸收的無機氮需要一定時間, 并且礦化過程是一個持續(xù)穩(wěn)定的過程, 因此有機肥中的氮元素不易變成氨氣揮發(fā)到大氣中。另一個原因可能是有機肥的施用可以提高土壤的蓄水能力, 維持土壤水分平衡。土壤水分是影響土壤氨揮發(fā)的重要因素, 土壤水分穩(wěn)定維持在土壤田間持水量范圍內(nèi)時氨揮發(fā)作用最弱[32]。有機肥在土壤中腐殖質(zhì)化后, 使一些有機化合物縮合脫水形成復雜的腐殖質(zhì), 經(jīng)過降解的有機物質(zhì)和新合成的腐殖質(zhì), 具有改善土壤結(jié)構, 提高土壤緩沖性能, 增進土壤保水能力的作用, 使土壤水分維持在較適宜范圍, 從而減少田間氨揮發(fā)的損失[33-34]。

本研究中添加有機肥處理的氧化亞氮總排放量高于等氮施肥量下純化學氮肥處理(0M), 尤其連續(xù)替代化肥后, 后茬的小青菜季氧化亞氮排放增加顯著。這可能是因為有機肥的使用可能增加了土壤有機質(zhì)含量, 為土壤微生物的活動提供了足夠的碳源和氮源, 而純化肥處理單施化學氮肥, 雖然提供了足夠的氮源, 但土壤微生物的活動可能受到碳源不足的限制, 土壤氧化亞氮排放的主要來源是土壤微生物的硝化和反硝化作用, 有機肥的施用可能增加了土壤反硝化微生物的活性, 進而增加土壤氧化亞氮排放, 這與稻-麥輪作系統(tǒng)中結(jié)果類似[35-36]。小青菜季的氧化亞氮排放量顯著高于包心菜季, 這可能與小青菜比包心菜生長季氣溫高有關, 小青菜生長季處于7—8月的夏季高溫期, 而包心菜生長季為4—5月氣溫較低的春季。前人研究表明, 土壤溫度是影響土壤硝化與反硝化作用的重要因子, 氮肥施入土壤后發(fā)生硝化與反硝化作用, 在生成氧化亞氮的過程中, 介質(zhì)的溫度條件起著至關重要的作用, 環(huán)境溫度顯著影響著農(nóng)田土壤氧化亞氮日排放通量[37], 土壤氧化亞氮排放所呈現(xiàn)的日變化與季節(jié)變化規(guī)律均與當日和當年的平均氣溫有關[38], 低溫會抑制氧化亞氮排放[39], 這可能是導致小青菜季的氧化亞氮排放量顯著高于包心菜季的主要原因。

4 結(jié)論

連續(xù)種植兩季葉菜類蔬菜包心菜和小青菜, 基于不同比例有機肥氮替代化肥氮處理的田間試驗, 綜合考慮不同氮替代比例對產(chǎn)量、經(jīng)濟效益以及氨揮發(fā)和氧化亞氮排放的影響, 提出在包心菜和小青菜種植上, 有機肥氮替代化肥氮的適宜替代比例為25%。在等氮水平下不同氮替代比例間, 有機肥氮替代25%的化肥氮處理下包心菜和小青菜產(chǎn)量可達最高, 與純化肥氮處理(0M)相比, 替代比例增加到50%及以上時無增產(chǎn)效果。不同比例有機肥氮替代化肥氮對氨揮發(fā)和氧化亞氮排放會產(chǎn)生影響。氨揮發(fā)排放隨替代比例的增加呈現(xiàn)降低趨勢; 氧化亞氮排放則相反, 隨替代比例的增加出現(xiàn)了增加趨勢, 尤其在高施氮量水平的包心菜季, 其產(chǎn)排的增加效果較顯著。因此, 在葉菜生產(chǎn)中, 建議有機肥氮的施用量應不少于總氮量的25%, 這不僅有利于提高產(chǎn)量, 達到最佳的經(jīng)濟收益, 還可以顯著減少氨揮發(fā)的排放, 且不會顯著增加氧化亞氮的排放, 值得在生產(chǎn)中大面積推廣應用。