有機與常規(guī)種植模式下菜地氮、磷的淋溶特征

楊育文 陳秋會 席運官 劉明慶 王磊 高麗 楊濤明 李麗娜 和麗萍

摘要： 為了探究有機、常規(guī)2種種植模式下菜地土壤養(yǎng)分的淋溶特征，采用滲漏計裝置收集地下1 m深的淋溶水，通過2018年、2019年連續(xù)2年的田間試驗，比較等氮投入條件下有機、常規(guī)種植菜地中淋溶水氮和磷質量濃度、淋溶量及化學需氧量（COD）。結果表明，在有機種植模式下，2018年、2019年的總氮淋溶量分別比常規(guī)種植模式降低了42.88%、48.00%;在有機種植模式下，2018年、2019年的總磷淋溶量分別比常規(guī)種植模式降低了28.09%、16.25%，但在有機種植模式下，土壤淋溶水COD比常規(guī)模式提高了118.01%。菜地土壤中的養(yǎng)分淋失以氮為主，氮素在施肥初期，尤其是強降雨發(fā)生時最易發(fā)生淋失，硝態(tài)氮是氮素淋溶損失的主要形態(tài)。綜上，與常規(guī)種植模式相比，有機種植能有效減少菜地土壤中的氮淋溶，在一定程度上減少磷淋溶，但會顯著增加淋溶水COD的風險。

關鍵詞： 菜地;有機種植;淋溶;氮;磷;化學需氧量（COD）

中圖分類號： S157.4;X820.3?? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 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，土壤類型主要為紅壤，土壤陽離子交換量低，對營養(yǎng)元素的保蓄能力較差[1]，且菜地肥料投入量大，因不合理施肥導致養(yǎng)分大量淋失，對地下水和周邊供水水源地產生潛在污染危害，這種危害在水環(huán)境敏感區(qū)域尤為突出。松華壩水庫是昆明市重要的生活水源地，《昆明市松華壩水源保護區(qū)管理規(guī)定》中提出鼓勵農戶施用農家肥、少用化肥，積極推廣生態(tài)農業(yè)和生物防治新技術，并且為了協(xié)調經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾，當地政府積極引導農民在二、三級保護區(qū)內發(fā)展有機種植。在有機種植的過程中禁止施用化學農藥與肥料，以有機肥為主要肥源，施用有機肥能增加土壤有機質含量，促進土壤團粒結構形成，增強土壤保肥力，減少氮、磷流失風險。黃東風等[2]通過土柱模擬試驗發(fā)現，施用有機肥可以減少氮、磷隨滲漏水淋溶而造成的損失量。中國農業(yè)大學對有機蔬菜種植的長期定位試驗結果表明，有機種植模式在減少氮素淋溶方面比常規(guī)模式更有優(yōu)勢，但增加了磷素淋失風險，并在一定程度上提高了淋溶水的化學需氧量（COD）[3]。國外研究發(fā)現，有機種植農田較常規(guī)種植農田減少了8.67%～65.58%的氮素淋溶量[4]。但也有研究發(fā)現，在種植過程中施用有機肥而淋失的氮素量比施用礦質態(tài)氮肥的更多[5]，長期大量施用有機肥會導致磷素滲漏淋失風險大大提高[6]。近年來，松華壩水庫水質劣變的原因以氮、磷，尤其是氮超標為主[7]，因此，關于在松華壩飲用水源保護區(qū)發(fā)展有機蔬菜種植是否能夠降低土壤養(yǎng)分淋失風險的問題值得深入研究。本研究通過分析云南省昆明市松華壩水庫飲用水水源保護區(qū)有機、常規(guī)種植模式下菜地土壤淋溶水中氮、磷的質量濃度以及COD、淋溶量的變化特征，探究2種種植模式對土壤養(yǎng)分淋失的影響，旨在為降低該地區(qū)菜地養(yǎng)分淋失風險提供科學依據，同時為水環(huán)境敏感區(qū)開展有機種植以及減少農業(yè)面源污染提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2018年、2019年連續(xù)2年的4-9月在云南省昆明市盤龍區(qū)露地蔬菜種植基地（地理位置為102.7°E，25.05°N）開展。盤龍區(qū)屬滇池盆地，地勢平坦，為中亞熱帶高原季風氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，該地區(qū)全年平均氣溫為14.9 ℃，最高氣溫為31.5 ℃，最低氣溫為-7.8 ℃。年平均降雨量約為1 000.5 mm，月最大降雨量為208.3 mm。2018年4-9月降雨量為501.0 mm，其中較大的降雨發(fā)生在7月12日、8月3日、8月24日，降雨量分別為24.0 mm、25.0 mm、28.0 mm;2019年4-9月的降雨量為702.6 mm，較大的降雨發(fā)生在7月20日、9月9日，降雨量分別為127.4 mm、105.9 mm。2018-2019年降雨季溫度和降雨量變化情況見圖1。

試驗區(qū)的土壤類型為紅壤，土質疏松，保水保肥性較差，雨水主要通過淋溶流失。有機菜地已連續(xù)4年用于有機蔬菜生產，土壤顆粒組成中黏粒占36.86%，砂粒占23.27%，粉（砂）粒占39.87%;常規(guī)菜地土壤顆粒組成中黏粒占32.69%，砂粒占21.08%，粉（砂）粒占46.23%。供試土壤的基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)長6 m，寬4 m，面積為24 m2，為防止串水，每個小區(qū)之間設置50 cm寬、25 cm高的田埂，地塊四周設保護行，保護行各邊寬度不少于1 m。試驗共設2個處理，每個處理設3次重復，共6個小區(qū)。處理1為常規(guī)種植模式（CF），按農戶常規(guī)方式管理，施用復合肥（主要成分N、P2O5、K2O的質量比為18∶6∶24），施肥量根據菜地多年的施肥經驗確定，每季蔬菜施肥2.5 t/hm2;處理2為有機種植模式（OF），完全按有機方式進行管理，使用等氮量自制腐熟發(fā)酵羊糞有機肥，人工除草，施用生物源、植物源和礦物源農藥進行病蟲害防治，羊糞有機肥中全氮、全磷、全鉀養(yǎng)分含量分別為1.69%、2.52%、1.91%，有機質含量為53.8%，每季蔬菜的施肥量為26.7 t/hm2。有機、常規(guī)種植模式下的施肥方式均為一次性基施，不追施。

開展試驗前，在各試驗小區(qū)設置滲漏計以收集淋溶液。分別在各小區(qū)中間位置挖1個底面積0.5 m×0.5 m、深1.0 m的坑，放置淋溶水收集盤，在坑的底部溝槽繼續(xù)深挖1個平面斜坡，斜坡一邊距地面1.0 m，另一邊距地面1.1 m，在坑壁的一側沿斜坡挖1個0.2 m寬的溝槽用于放軟管，斜坡另一側繼續(xù)垂直深挖1個直徑0.15 m、深1.6 m的坑用于儲放淋溶水接收裝置（滲漏計），為了防止地表水進入滲漏計，其上沿須高出表土5 cm，滲漏計最大儲水容量為28 L，采集1.0 m土壤深處的淋溶液。

在2018年的試驗期共種植2季蔬菜，分別于4月26日施基肥定植花椰菜（Brassica oleracea var. botrytis L.），品種為興利花王，行距為45 cm，株距為40 cm，7月25日收獲;8月2日施基肥定植白菜[Brassica pekinensis （Lour.） Rupr.]，品種為春黃56，行距為45 cm，株距為30 cm，9月22日收獲。2季蔬菜的長勢均良好。2019年的試驗期只種植1季蔬菜，6月17日施基肥定植辣椒（Capsicum annuum L.），品種為云椒2號，行距為60 cm，株距為30 cm，9月30日收獲，受氣候、病蟲害、人工管理等因素影響，辣椒長勢較差，植株矮小、枝梢稀疏。

1.3 樣品的采集

在蔬菜種植前采集0～20 cm土層的土壤樣品，風干、過篩后用于測定土壤的基本理化性質。

用滲漏計收集土壤淋溶水，用抽水泵從中抽取淋溶水，記錄淋溶水總體積，然后取1 L淋溶水放入采樣瓶中，標注樣品編號和取樣時間，隨后帶回實驗室于-20 ℃保存待測。

2018-2019年共收集了7份淋溶水樣，其中2018年收集了4份淋溶水樣，取樣時間分別為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別為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份淋溶水樣，取樣時間分別在7月13日、8月16日、9月27日，收集到的淋溶水量分別為9.50～12.60 L、4.90～17.00 L、3.50～15.00 L。

1.4 測定項目與方法

土壤pH值采用pH計測定，總氮含量采用凱氏定氮法測定，總磷含量采用鉬銻抗分光光度法測定，速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3法浸提后通過鉬銻抗比色法測定，硝態(tài)氮含量用1 mol/L KCl溶液浸提后通過流動分析儀檢測，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定。

參照HJ 667-2013《水質 總氮的測定 連續(xù)流動-鹽酸萘乙二胺分光光度法》、HJ 670-2013《水質 磷酸鹽和總磷的測定 連續(xù)流動-鉬酸銨分光光度法》的方法測定水樣中的總氮（TN）含量、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、硝態(tài)氮（NO-3-N）含量、總磷（TP）含量、可溶性磷酸鹽（DP）含量;COD的測定采用重鉻酸鹽法。淋溶水中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷酸鹽淋溶量及COD的計算公式如下：

P=ni=1Ci×ViS×f

式中，P為總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷酸鹽淋溶量（kg/hm2）及COD;Ci為第i次淋溶水中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷酸鹽的質量濃度（mg/L）及COD;Vi為第i次淋溶水的體積（L）;S為監(jiān)測單元面積（0.25 m2）;f為換算系數（0.04）。

1.5 數據分析

用Excel 2010和Origin 2019進行數據處理和制圖，用SPSS 22.0軟件進行顯著性檢驗，采用方差分析（ANOVA）法進行檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 種植模式對菜地土壤淋溶水中氮質量濃度和淋溶量的影響

由表2可以看出，2018年、2019年菜地土壤淋溶水中氮質量濃度的變化規(guī)律基本一致，菜地土壤淋溶水中NH+4-N的質量濃度明顯低于NO-3-N的質量濃度，CF模式菜地土壤淋溶水中NO-3-N、總氮的質量濃度均高于OF模式菜地。2018年CF、OF模式菜地土壤淋溶水中總氮的質量濃度分別達到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總氮的質量濃度分別達到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質量濃度分別是OF模式菜地的1.1～5.0倍、1.5～5.2倍。

由圖2可以看出，在CF種植模式下，菜地土壤中總氮淋溶量始終高于OF種植模式，除2019年的CF種植模式外，其他種植模式總體上表現為施肥初期總氮淋溶量較高，隨后逐漸降低。CF種植模式下菜地土壤中的總氮淋溶量在2019年8月16日出現峰值，隨后迅速降低，該峰值明顯高于OF種植模式下的土壤中總氮淋溶量，OF種植模式下土壤中的總氮淋溶量一直處于相對較低水平，波動較平緩。

由圖3可以看出，與CF種植模式相比，OF種植模式菜地土壤中的NO-3-N、總氮淋溶量較低。2018年OF、CF種植模式菜地土壤中的總氮淋溶量分別為10.55 kg/hm2、18.47 kg/hm2，2019年OF、CF種植模式菜地土壤中的總氮淋溶量分別為65.81 kg/hm2、126.56 kg/hm2。在OF種植模式下，2018年、2019年菜地土壤中總氮淋溶量分別較CF種植模式降低了42.88%、48.00%，在OF種植模式下，2018年、2019年菜地土壤中的NO-3-N淋溶量分別比CF種植模式降低了44.47%、43.60%。2年菜地土壤中淋溶的氮素以NO-3-N為主，NO-3-N淋溶量占總氮淋溶量的比例達到64.94%～98.14%。

2.2 種植模式對菜地土壤淋溶水中磷質量濃度和淋溶量的影響

由表2可知，菜地土壤淋溶水中總磷、DP質量濃度的變化趨勢基本一致，2018年CF、OF種植模式下菜地土壤淋溶水中的總磷質量濃度分別達到0.03～0.11 mg/L、0.04～0.13 mg/L，淋溶水中的DP質量濃度分別達到0.02～0.07 mg/L、0.02～0.11 mg/L;2019年CF、OF種植模式下淋溶水中的總磷質量濃度分別達到0.06～0.12 mg/L、0.06～0.11 mg/L，淋溶水中的DP質量濃度分別達到0.06～0.11 mg/L、0.03～0.05 mg/L。

由圖4可以看出，2018年，在CF種植模式下，菜地土壤中總磷的淋溶主要發(fā)生在施肥后第1次取樣時，隨后淋溶量逐步減少，而OF種植模式下土壤總磷的淋溶出現滯后現象，呈先升高后降低的趨勢。

由圖5可以看出，在2018年、2019年OF種植模式下土壤中DP、總磷淋溶量都低于CF種植模式，但未達到顯著水平。2018年OF、CF種植模式下菜地土壤的總磷淋溶量分別為0.064 kg/hm2、0.089 kg/hm2，OF種植模式下總磷淋溶量比CF種植模式減少了28.09%;2019年OF、CF種植模式下菜地的總磷淋溶量分別為0.067 kg/hm2、0.080 kg/hm2，OF種植模式下菜地的總磷淋溶量比CF種植模式減少了16.25%。

2.3 種植模式對菜地土壤淋溶水COD的影響

由圖6可見，OF種植模式下淋溶水的COD顯著高于CF種植模式，CF、OF種植模式下COD分別達到9.00～12.33 mg/L、13.50～19.50 mg/L，淋溶水COD總量分別為10.77 kg/hm2、23.48 kg/hm2，OF種植模式下菜地淋溶水COD總量較CF種植模式增加了118.01%。

3 討論

通過2018年、2019年連續(xù)2年的菜地田間淋溶試驗發(fā)現，氮淋溶主要發(fā)生在施肥初期，隨著作物生長吸收及養(yǎng)分的流失，除2019年的CF種植模式外，其他種植模式的淋溶量呈下降趨勢。在常規(guī)種植模式下，菜地土壤中的氮淋溶量相對于有機種植模式更高，這是因為化肥養(yǎng)分釋放快，易隨水淋失，而有機種植模式下總氮、硝態(tài)氮淋溶量明顯降低，表明有機種植有利于減少氮淋失。在本研究中，有機菜地的有機質含量比常規(guī)菜地高20.06%，土壤的理化性質得到改善，保水保肥能力增強，有助于減少氮素淋失[8]。同時由于有機種植模式下氮的礦化率低于常規(guī)模式，作物收獲后土壤中的礦質氮水平顯著低于常規(guī)地塊[9]，能有效降低氮淋失和地下水污染風險[10]。在2種種植模式下，土壤氮淋失形態(tài)均以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮易隨入滲水向土壤深層遷移，淋溶速度快、強度大，而銨態(tài)氮易被土壤吸附，淋溶強度較弱，這與相關研究結果[3，11]一致。

除種植模式外，菜地土壤中氮素的淋溶還受作物種類、生長狀況、降雨頻次和強度的影響[12]。2019年菜地土壤中氮的淋溶量高于2018年，一方面可能由于當年辣椒生長狀況不佳，肥料吸收利用率不高，加上植株矮小稀疏，導致菜地作物覆蓋度低，土壤養(yǎng)分極易被降雨沖刷;另一方面由于2019年7月20日、8月14日和9月9月分別發(fā)生了127.4 mm、45.1 mm、105.9 mm的較大降雨，最大降雨量是2018年最大降雨量的4.6倍，從而導致淋溶滲漏大大增加。李太魁等[13]研究發(fā)現，土壤中氮素流失量與雨量呈顯著正相關。王玉霞等[14]發(fā)現，在二次降雨條件下，第2次降雨引起的總氮流失量遠大于第1次，連續(xù)降雨越頻繁，土壤中的氮素越難保持。

在2種種植模式下，菜地土壤中磷素淋溶量均遠低于氮素，這是因為磷在土壤中的移動性差，土壤中可溶性磷的含量很低，大部分轉化為不易溶解的固定態(tài)磷，僅有極少部分進入土壤溶液中[15]。長期施用化肥會導致土壤理化性質變差，因此常規(guī)種植模式在施肥后迅速發(fā)生磷素淋失;在有機種植模式下，蔬菜生長后期土壤中的磷淋溶量出現增長，略高于常規(guī)模式。已有研究發(fā)現，當土壤中速效磷含量超過臨界值后，磷淋失量呈線性增加的趨勢[16-17]，盡管紅壤有強大的固磷能力，但有機菜地土壤的本底速效磷含量較高，施肥一段時間后，有機肥中的磷開始釋放，當土壤對磷的吸附能力達到極限時，磷素淋失量迅速增加。

2018年、2019年，有機種植模式下菜地土壤磷淋溶量均比常規(guī)模式有所降低，在一定程度上降低了磷淋溶風險，這與黃東風等[2，18]的研究結果一致。但滕艷敏等[3]研究發(fā)現，有機種植模式下菜地土壤的磷淋溶量高于常規(guī)種植模式，這可能與土壤性質及土壤本底磷含量較高有關。在本研究中，有機菜地的pH值、有機質含量均高于常規(guī)菜地，有研究發(fā)現，隨著土壤中有機質含量增加，磷的保留性和穩(wěn)定性增強[19]，且隨著土壤pH值的提高，磷的釋放能力降低，土壤中磷的淋溶量降低[20]，而常規(guī)種植模式下土壤酸化導致土壤對磷的吸附能力降低，磷流動性增大，淋失風險隨之增加[21]。

有機菜地土壤淋溶水的COD顯著高于常規(guī)菜地，究其原因，有機菜地的有機質本底含量高于常規(guī)菜地，施用腐熟羊糞有機肥又增加了土壤中的微生物數量及酶活性[22]，從而加快了有機物質的腐殖化過程，使土壤中可溶性有機物大量增加，淋溶水COD升高。因此，在有機種植模式中要合理控制有機肥施用量，增加豆科綠肥種植以降低土壤淋溶水中COD風險。

4 結論

在有機、常規(guī)種植模式下，菜地土壤淋溶水中氮的質量濃度和淋溶量都遠大于磷，其中硝態(tài)氮是氮素淋失的主要形態(tài)。在有機和常規(guī)種植模式下，氮淋溶損失主要發(fā)生在施肥初期，因此施肥初期是進行菜地田間管理、減少養(yǎng)分淋失最關鍵的時期，應避免在頻繁降雨期或強降雨來臨前施肥以及施肥后大水漫灌。在有機種植模式下，氮、磷的淋溶量均低于常規(guī)模式，淋溶水COD高于常規(guī)模式，表明有機種植模式會增加淋溶水COD風險，但有利于降低菜地土壤中氮、磷淋失的風險，因此在松華壩水庫周邊開展有機種植有助于減少農業(yè)生產中氮、磷的排放。

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（責任編輯：徐 艷）

收稿日期：2020-11-10

基金項目：云南省生態(tài)環(huán)境廳土壤修復項目[YNZDZB（2017）002];中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項（GYZX200104、GYZX210514）

作者簡介：楊育文（1991-），女，甘肅武威人，碩士，助理研究員，主要研究方向為有機農業(yè)與農村面源污染防治。（E-mail）yywofrcc@126.com

通訊作者：席運官，（E-mail）xyg@nies.org