鐘珍梅，黃勤樓，陳鐘鈿，黃秀聲，馮德慶

基于15N示蹤的“稻/草-食用菌-菜”循環(huán)系統(tǒng)氮肥利用率評(píng)價(jià)

鐘珍梅，黃勤樓※，陳鐘鈿，黃秀聲，馮德慶

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福州 350013）

氮利用效率是評(píng)價(jià)作物生產(chǎn)及循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)，該研究比較“稻/草-食用菌-菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)的氮利用效率，為該模式在南方地區(qū)推廣提供依據(jù)。該研究設(shè)置“水稻-食用菌-白菜”（R模式）和“狼尾草-食用菌-白菜”（P模式）2個(gè)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，每個(gè)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式均包括3個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，分別為：15N尿素栽培水稻和狼尾草（Ⅰ環(huán)節(jié)）、15N稻草和牧草栽培平菇（Ⅱ環(huán)節(jié)）、15N菌渣栽培白菜（Ⅲ環(huán)節(jié)）。結(jié)果表明，15N在稻谷的分配比例最高，為57.75%，而狼尾草第1次刈割15N分配比例最高，為58.94%。2模式氮利用效率均以Ⅰ環(huán)節(jié)最高，分別為23.44%和43.34%，其次為Ⅱ環(huán)節(jié)，Ⅲ環(huán)節(jié)最低，且P模式3個(gè)環(huán)節(jié)之間氮利用率達(dá)到顯著水平；氮?dú)埩袈室寓颦h(huán)節(jié)最高，其次為Ⅲ環(huán)節(jié)，Ⅰ環(huán)節(jié)最低。Ⅰ環(huán)節(jié)雜交狼尾草的氮利用效率高于水稻，Ⅱ環(huán)節(jié)利用雜交狼尾草栽培平菇氮利用效率也高于稻草栽培平菇，“狼尾草-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式（P模式）的氮肥循環(huán)利用效率高于“水稻-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式（R模式），表現(xiàn)為Ⅰ、Ⅱ和Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)P模式氮利用效率較R模式顯著提高了84.90%、69.31%和47.29%。加環(huán)后2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式氮利用效率均得到提高，與單一水稻/狼尾草種植相比，“稻/草-食用菌-白菜”模式植株地上部15N累積量分別從63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥利用率分別從22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%?！袄俏膊?食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式可在南方地區(qū)推廣。

氮肥；尿素肥料；水稻；狼尾草；食用菌；循環(huán)農(nóng)業(yè)；15N標(biāo)記技術(shù)

0 引 言

循環(huán)農(nóng)業(yè)是一種資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，可通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)生產(chǎn)鏈，循環(huán)利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。長(zhǎng)期以來(lái)，發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要趨勢(shì)，其在解決農(nóng)業(yè)高投入、廢棄物高產(chǎn)出和低效率等方面發(fā)揮著重要作用[1]?！安?食用菌-菜/稻/茶/果”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式是南方基于食用菌栽培的一種重要循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，該模式以草本植物或水稻秸稈為草生菌栽培的主要原料，菌渣作為菌肥循環(huán)利用[2-3]。目前，“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的研究大多集中在對(duì)該模式經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益評(píng)價(jià)、模式創(chuàng)建和優(yōu)化[2-4]，以及栽培基質(zhì)配方優(yōu)化、物質(zhì)轉(zhuǎn)化率及機(jī)理、菌渣肥施用后的生態(tài)效益等方面[5-9]。氮元素是植物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是在循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)流動(dòng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。研究表明，農(nóng)田作物秸稈通過(guò)食用菌體系還田可使氮素利用率提高10%以上[10]。研究循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮流動(dòng)、氮去向和利用效率等對(duì)評(píng)估循環(huán)農(nóng)業(yè)模式可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，但目前關(guān)于“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式氮利用效率、去向特征等方面的研究還非常缺乏。

15N同位素示蹤技術(shù)是一項(xiàng)定量研究氮去向和行為的技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)15N在作物、土壤等載體上的累積量定量計(jì)算氮肥利用效率，是目前常用的評(píng)估氮利用效率、氮收支等的精準(zhǔn)化定量方法[11-12]。目前，國(guó)內(nèi)外利用15N技術(shù)對(duì)“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮利用效率的研究主要集中在第1環(huán)節(jié)，即15N標(biāo)記技術(shù)研究水稻氮肥利用率[12-16]。研究表明水稻中15N標(biāo)記肥料回收率可達(dá)26%～30%[13]，水稻分蘗期來(lái)自肥料氮的比例最高，不同生育期15N的分配比例差異大，成熟后籽粒中15N分配比例逐漸升高[15]。李鵬飛等[16]研究表明，施用控釋尿素可以增加水稻各生育期的干物質(zhì)量和氮素吸收量，增加開(kāi)花后（尤其是灌漿期到成熟期）干物質(zhì)和氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)。黃勤樓等[17-18]利用15N技術(shù)研究了8種禾本科牧草的氮吸收效率，研究表明雜交狼尾草的氮肥利用最高。Holbeck等[19]利用15N標(biāo)記技術(shù)研究了不同有機(jī)肥對(duì)芥菜氮回收率的影響，結(jié)果表明菌渣肥的氮回收率最高，遠(yuǎn)高于雞糞和礦質(zhì)氮。這些研究結(jié)果為氮肥的科學(xué)施用提供了重要的依據(jù)。但以上研究均基于單種作物栽培，對(duì)“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)氮的去向、行為和利用效率缺乏系統(tǒng)的研究。

利用水稻秸稈栽培食用菌是目前栽培草生菌的一種常用技術(shù)[2,4-5]。狼尾草為1年生或多年生禾本科牧草，常被用來(lái)消納養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物及作為畜禽飼草，也是栽培食用菌的優(yōu)質(zhì)原料[18,20]。與水稻相比，狼尾草具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速且生物量大、管理簡(jiǎn)單、不與糧爭(zhēng)地等優(yōu)點(diǎn)[20-22]，可在丘陵山地或荒廢農(nóng)田種植。因此，本研究設(shè)置“水稻-食用菌-菜”和“狼尾草-食用菌-菜”2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，并利用15N標(biāo)記技術(shù)，研究15N標(biāo)記尿素進(jìn)入“稻/草-食用菌-菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)后在各環(huán)節(jié)的去向、行為和利用效率，探討“稻/草-食用菌-菜”2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的氮利用差異，評(píng)估循環(huán)農(nóng)業(yè)延長(zhǎng)生產(chǎn)鏈后對(duì)氮肥的利用效率，旨在為南方丘陵山地循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的推廣和應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種為福建省農(nóng)科院水稻研究所選育的“東南201”(L. Subsp Dongnan 201)，由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供；雜交狼尾草為江蘇省農(nóng)科院選育的品種雜交狼尾草（），由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供；平菇品種為“平菇9400”（. Subsp 9400），由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食用菌研究所提供；白菜品種為“農(nóng)科185”（L. subsp Nongke 185），由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。水稻、狼尾草及白菜的栽培土壤均為水稻土，土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)21.8 g/kg、有效氮139.56 mg/kg、速效磷11.89 mg/kg、速效鉀41.21 mg/kg，pH 值4.85，15N天然豐度為0.370%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所帶頂棚的網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。本研究將“水稻-食用菌-菜”和“狼尾草-食用菌-菜”2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式分別設(shè)為R模式和P模式，每個(gè)循環(huán)模式均由3個(gè)環(huán)節(jié)組成，1）將15N標(biāo)記的尿素作為肥料施到水稻和狼尾草栽培土中，即15N尿素栽培水稻和狼尾草，該環(huán)節(jié)設(shè)置為Ⅰ；2）將Ⅰ環(huán)節(jié)收獲的稻草和狼尾草烘干后與木屑、麥皮、碳酸鈣和蔗糖按表1的比例混合均勻，作為基質(zhì)栽培平菇，即15N稻草和牧草栽培平菇，該環(huán)節(jié)記為Ⅱ；3）將Ⅱ環(huán)節(jié)的菌渣作為菌肥栽培白菜，即15N菌渣栽培白菜，該環(huán)節(jié)記為Ⅲ（圖1）。

圖1 試驗(yàn)技術(shù)路線

表1 每袋平菇栽培配方及原料用量

注：表中稻草全氮為1.26%，有機(jī)碳為41.82%，C/N比為33.19；狼尾草全氮為1.48%，有機(jī)碳為52.24%，C/N比為35.29。狼尾草、稻草、木屑和麥皮15N天然豐度分別為0.381、0.383、0.586和0.376。R模式指“水稻-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，P模式指“狼尾草-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，下同。

Note: In table, the total nitrogen content and the organic matter of rice straw are 1.26% and 41.82%, respectively, and the C/N ratio is 33.19. And those ofare 1.48%, 52.24% and 35.29, respectively. Natural15N abundance of pearl millet, straw, sawdust and wheat bran are 0.381, 0.383, 0.586 and 0.376, respectively. R means “Rice-Mushroom-Cabbage” recycling agriculture mode, and P means “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” recycling agriculture mode, the same below.

1.2.115N尿素栽培水稻和狼尾草

水稻和狼尾草均采用盆栽，栽培盆的盆口31 cm、高27 cm。土壤取回風(fēng)干過(guò)0.85 mm的篩后裝盆，每盆裝干土13 kg，土壤容重1.13 g/cm3。水稻于3月中旬播種，雜交狼尾草于2月莖稈扦插，4月20日移栽水稻和狼尾草。栽培前每盆施2 g過(guò)磷酸鈣和1 g氯化鉀作基肥，栽培密度參照田間生產(chǎn)中水稻和雜交狼尾草的栽培密度。水稻每盆插3叢，每叢4～5本，狼尾草每盆種植1株。15N尿素栽培水稻和狼尾草分別種植45盆，對(duì)照組（普通尿素）各10盆，在網(wǎng)室內(nèi)栽培。水稻組15N尿素分3次施入，插秧后4和15 d分別施返青肥1.0 g和分蘗肥1.0 g，抽穗后14 d施穗肥1.0 g；狼尾草組15N尿素也分3次施入，移栽后4 d施基肥1.0 g，第1次刈割后施1.0 g，第2次刈割施1.0 g，試驗(yàn)組尿素15N豐度為20.20%，含氮量47.02%，對(duì)照組為普通尿素，含氮量46.65%。

1.2.215N稻草和牧草栽培平菇

將1.2.1試驗(yàn)的45盆水稻和狼尾草分別分成3組，即每組15盆，將15盆的干草用食用菌專(zhuān)用粉碎機(jī)粉碎混勻，與木屑、麥皮、碳酸鈣和蔗糖按表1的比例混合均勻，做成10袋栽培料，則45盆干草則分別做成30袋的栽培料，即每試驗(yàn)組分別有30個(gè)重復(fù)。對(duì)照組的栽培料來(lái)自1.2.1的對(duì)照組，共10個(gè)重復(fù)。

1.2.315N菌渣栽培白菜

將1.2.2步驟的菌渣，每袋與10 kg水稻土混合均勻，裝盆，分別再施入普通尿素3.6 g/盆、過(guò)磷酸鈣5.3 g/盆、氯化鉀1.5 g/盆，則30袋菌渣有30盆栽培土。白菜于9月中旬播種，10月中旬移栽。每試驗(yàn)組分別有30個(gè)重復(fù)，對(duì)照組的菌渣來(lái)自1.2.2的對(duì)照組，共10個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定

水稻和狼尾草產(chǎn)量測(cè)定：水稻于成熟期按盆收獲，將收獲的水稻按稻谷和稻草分開(kāi)備用，狼尾草1個(gè)生長(zhǎng)季共進(jìn)行3次刈割，將每次刈割的狼尾草按每盆分開(kāi)。將待測(cè)稻草、稻谷、狼尾草鮮草100 ℃殺青30 min，65 ℃烘干，稱(chēng)質(zhì)量。

平菇產(chǎn)量測(cè)定：待菇體的菌蓋充分長(zhǎng)大、邊緣由內(nèi)卷變平、顏色變淺時(shí)，及時(shí)采收，由于菇體成熟期不一致，因此平菇分3次采收，每次采收的平菇65 ℃烘干，稱(chēng)質(zhì)量。

白菜產(chǎn)量測(cè)定：白菜種植90 d后，將地上部分用刀割下，100 ℃殺青30 min，65 ℃烘干，稱(chēng)質(zhì)量。

1.3.215N同位素豐度的測(cè)定

將烘干后的稻草、稻谷、狼尾草、平菇和白菜粉碎后過(guò)0.25 mm篩，栽培土和菌渣風(fēng)干粉碎過(guò)0.15 mm篩，其中狼尾草和平菇為每次刈割和采收的樣。所有樣品的15N豐度用Ioprime-100（德國(guó)elementar公司）穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)定。

1.3.3 計(jì)算方法

2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式及3個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)自肥料、基質(zhì)或菌渣15N的百分比（Ndff，The percentage of N deived from 15N fertilizer, substrate and mushroom residues），以及15N累積量、15N利用率、15N殘留率和15N肥料循環(huán)利用率等的計(jì)算均參考文獻(xiàn)[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)據(jù)均由Excel 2016進(jìn)行整理，用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析。2模式數(shù)據(jù)之間的方差分析采用配對(duì)樣本的檢驗(yàn)，3環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)之間的方差分析采用單因素方差分析和新復(fù)極差法檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)均用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，差異顯著性水平<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻不同部位和狼尾草不同刈割期的干物質(zhì)量、15N積累量及氮利用效率

水稻不同部位和狼尾草不同刈割期干物質(zhì)、15N累積量及氮利用效率如表2所示。狼尾草的3次刈割的牧草干物質(zhì)量、15N積累量和氮利用率均達(dá)到顯著水平；其中干物質(zhì)量、15N積累量和氮利用率以第1次刈割最高，其15N分配比例達(dá)58.94%；其次為第2次刈割（24.08%）；第3次刈割15N分配比例最低（16.99%），表明狼尾草第1茬對(duì)尿素氮的吸收量最高，隨后逐次遞減；而第3茬刈割狼尾草來(lái)自尿素氮（15N肥料）的比例（Ndff）最高，達(dá)34.87%，顯著高于第1次刈割。對(duì)水稻不同部位而言，水稻的干物質(zhì)量以稻草最高，顯著高于稻谷；而15N積累量、Ndff和氮利用率則以稻谷最高，顯著高于稻草；其中稻谷中15N分配比例為57.75%，稻草則占總量的42.25%。表明水稻成熟時(shí)，存在氮從秸稈轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒過(guò)程[15]，因此稻谷15N的累積量、Ndff和氮利用率高于稻草。

表2 水稻不同部位和狼尾草不同刈割期的干物質(zhì)、15N累積量、Ndff及氮利用效率

注：同模式內(nèi)同一列數(shù)據(jù)不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著（<0.05）。Ndff表示樣品氮素來(lái)自標(biāo)記15N肥料的百分比。

Note: Different letters in the same column and mode mean significant difference at 0.05 level. Ndff means the percentage of nitrogen originated from the labeled15N fertilizer in samples.

2.2 2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式各環(huán)節(jié)干物質(zhì)量、15N累積量及分配比例

2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式3個(gè)環(huán)節(jié)的干物質(zhì)量、15N累積量、分配比例及Ndff1如表3所示。對(duì)Ⅰ環(huán)節(jié)而言，P模式地上部和根干物質(zhì)量、15N積累量以及地上部Ndff1均顯著高于R模式，而土壤15N積累量和Ndff1則相反，R模式顯著高于P模式。R模式土壤中15N分配比例最高，為56.15%，其次為植株地上部（41.72%），根系最低（2.14%），P模式則以植株地上部15N分配比例最高（73.05%），其次為土壤（19.68%），根系最低（7.27%）。對(duì)Ⅱ環(huán)節(jié)而言，R模式菌渣Ndff1較P模式顯著提高，其他指標(biāo)2模式之間差異不顯著。R和P模式15N分配比例最高為菌渣，分別為66.92%和58.26%，其次為平菇，分別為33.08%和41.74%。對(duì)Ⅲ環(huán)節(jié)而言，除了R模式土壤Ndff1較P模式顯著提高，其他指標(biāo)2模式之間差異不顯著。Atila[23]研究表明，香菇的產(chǎn)量與栽培基質(zhì)氮含量無(wú)顯著關(guān)系，主要受栽培基質(zhì)的C/N比的影響。本研究所用的2種栽培基質(zhì)C/N比一致，這是導(dǎo)致2種基質(zhì)栽培的平菇產(chǎn)量無(wú)顯著差異的主要原因。Ⅲ環(huán)節(jié)R和P模式15N分配比例最高為土壤（65.97%和55.84%），其次為白菜地上部（32.18%和41.70%），根系最低（1.85%和2.46%）。以上結(jié)果表明，2模式之間干物質(zhì)量、15N累積量、分配比例及Ndff1主要在Ⅰ環(huán)節(jié)存在較大差異，而Ⅱ和Ⅲ環(huán)節(jié)差異較小，這說(shuō)明狼尾草對(duì)尿素氮的吸收利用效率高于水稻是造成這種差異的主要原因。雜交狼尾草為1年生或多年生禾本科牧草，具有生物量高、耐性強(qiáng)及需肥量大等特點(diǎn)[20-22]，加上狼尾草全年能刈割3～4次[20]，因此15N在狼尾草地上部和根系的分配比例均高于水稻，狼尾草栽培土中15N殘留量顯著低于水稻土。

表3 不同循環(huán)農(nóng)業(yè)模式間3環(huán)節(jié)干物質(zhì)量、15N累積量及Ndff1

注：表中同一行不同模式之間同一測(cè)定指標(biāo)數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著（<0.05）。Ndff1表示氮素來(lái)自標(biāo)記15N肥料、15N標(biāo)記栽培基質(zhì)的百分比。Ⅰ表示15N的尿素栽培水稻和狼尾草環(huán)節(jié)；Ⅱ表示15N標(biāo)記的稻草和狼尾草栽培平菇環(huán)節(jié)；Ⅲ表示15N菌渣肥栽培白菜環(huán)節(jié)，下同。

Note: Different lower letters between two treatments in the same row and measured index mean significant difference at 0.05 level. Ndff1means the percentage of nitrogen originated from the labeled15N fertilizer or culture substrate. Ⅰis the sector that15N-labeled urea was applied as nitrogen fertilizer to rice and pearl millet (Pennisetum americanum×P.purpureum), Ⅱis the sector that15N-labeled straw and pearl millet were used as substrates to cultivate oyster mushroom, and Ⅲis the sector that15N-labeled mushroom residues were applied as fertilizer to cultivate cabbage, the same below.

2.3 2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式各環(huán)節(jié)的氮利用效率

2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式3個(gè)環(huán)節(jié)氮利用效率、殘留率及損失率如表4所示。對(duì)氮利用率而言，R模式和P模式氮利用率最高的均為Ⅰ環(huán)節(jié)，分別為23.44%和43.34%，其次為Ⅱ環(huán)節(jié)，Ⅲ環(huán)節(jié)最低。對(duì)P模式而言，3個(gè)環(huán)節(jié)之間氮利用率達(dá)到顯著水平，其中Ⅰ環(huán)節(jié)較Ⅱ和Ⅲ環(huán)節(jié)顯著提高了19.23%和92.97%。Ⅰ和Ⅱ環(huán)節(jié)P模式氮利用率顯著高于R模式，較R模式分別提高了84.90%和69.31%，表明雜交狼尾草種植氮利用率高于水稻種植，利用雜交狼尾草秸稈栽培平菇氮利用率也高于稻草栽培平菇。Ⅲ環(huán)節(jié)2模式之間氮利用率無(wú)顯著差異。對(duì)氮?dú)埩袈识裕?種模式氮?dú)埩袈首罡叩臑棰颦h(huán)節(jié)，分別為43.48%和50.74%，其次為Ⅲ環(huán)節(jié)，Ⅰ環(huán)節(jié)最低，且Ⅰ和Ⅱ環(huán)節(jié)2模式氮?dú)埩袈示_(dá)到顯著水平。表明食用菌栽培產(chǎn)生的菌渣會(huì)殘留大量營(yíng)養(yǎng)元素，因此菌渣作為肥料循環(huán)利用是可行的。Ⅰ環(huán)節(jié)R模式氮?dú)埩袈瘦^P模式顯著提高，而Ⅱ環(huán)節(jié)則相反，P模式氮?dú)埩袈瘦^R模式顯著提高，這可能與雜交狼尾草纖維素含量較稻草高有關(guān)[20]，導(dǎo)致由狼尾草配制的栽培基質(zhì)微生物與稻草栽培基質(zhì)存在差異，微生物群落的不斷變化將對(duì)培養(yǎng)料的分解產(chǎn)生影響[24]，因此雖然P模式菌渣中15N的累積量較R模式低，但氮?dú)埩袈史炊岣?。?duì)氮損失率而言，Ⅰ和Ⅲ環(huán)節(jié)2模式之間氮損失率差異不顯著，而Ⅱ環(huán)節(jié)P模式氮損失率顯著低于R模式。2種模式Ⅱ環(huán)節(jié)的Ndff2值最高，其次為Ⅰ環(huán)節(jié)，Ⅲ環(huán)節(jié)最低，表明食用菌栽培的N主要來(lái)自于基質(zhì)，而其他2個(gè)環(huán)節(jié)除了來(lái)自15N標(biāo)記的肥料外，更多的來(lái)自土壤；Ⅰ環(huán)節(jié)P模式Ndff2值顯著高于R模式，表明雜交狼尾草中的氮更多是來(lái)自15N標(biāo)記的尿素，這進(jìn)一步驗(yàn)證了狼尾草需肥量大的特性。其他2個(gè)環(huán)節(jié)2模式之間Ndff2值差異不顯著。

表4 不同循環(huán)農(nóng)業(yè)模式間3環(huán)節(jié)氮利用效率、殘留率及損失率

注：表中同一指標(biāo)同一列數(shù)據(jù)后的不同大寫(xiě)字母表示不同模式同一環(huán)節(jié)間差異顯著，同一行數(shù)據(jù)后的不同小寫(xiě)字母表示同一模式不同環(huán)節(jié)之間差異顯著（<0.05），下同。表中氮利用率及氮?dú)埩袈蕿樵摥h(huán)節(jié)植株15N累積量、殘留量與該環(huán)節(jié)肥料或基質(zhì)中投入的15N累積量的比例，氮損失率=1-（氮利用率+氮?dú)埩袈剩dff2表示該環(huán)節(jié)地上部氮來(lái)自標(biāo)記15N肥料、15N標(biāo)記栽培基質(zhì)的百分比。

Note: Different capital letters between two modes in the same column mean significant difference at 0.05 level. Differences lower letters in the same row indicate significant difference at 0.05 level, the same below. Nitrogen utilization efficiency and residue rate are calculated by15N accumulation in the plants and residue in soil or substrates divided by input15N accumulation in soil or substrates, nitrogen loss rate = 1- (nitrogen utilization efficiency + nitrogen residue rate). Ndff2means the percentage of aboveground nitrogen originated from the labeled15N fertilizer or culture substrate.

2.4 2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式氮循環(huán)利用率

2種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式3環(huán)節(jié)肥料氮累積量及循環(huán)利用率如表5所示。P模式Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)植株地上部15N累積量和氮肥循環(huán)利用率均顯著高于R模式，分別提高了47.31%和47.29%，表明與R模式相比，P模式的總體肥料氮循環(huán)利用率更高。循環(huán)系統(tǒng)加環(huán)后，P模式和R模式Ⅰ+Ⅱ、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ和Ⅰ環(huán)之間植株地上部15N累積量和氮肥循環(huán)利用率均達(dá)到顯著水平，與Ⅰ環(huán)節(jié)相比，P模式和R模式Ⅰ+Ⅱ環(huán)節(jié)和Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)植株地上部15N累積量和氮肥循環(huán)利用率均顯著提高，其中R模式和P模式Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)較Ⅰ環(huán)節(jié)15N累積量分別從63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥循環(huán)利用效率分別從22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%，分別增加了18.19和20.21個(gè)百分點(diǎn)。

表5 不同循環(huán)農(nóng)業(yè)模式間各環(huán)節(jié)肥料15N累積量和利用效率

注：表中肥料氮循環(huán)利用率為該環(huán)節(jié)所有植株地上部15N累積量與Ⅰ環(huán)節(jié)15N標(biāo)記尿素投入量的比例。肥料氮利用率增加量分別為Ⅰ+Ⅱ環(huán)節(jié)、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)與Ⅰ環(huán)節(jié)相比的增加值。

Note: Fertilizer nitrogen recycling utilization efficiency of different units are calculated by15N accumulation of aboveground plant divided by input of15N labeled urea in Ⅰsector. Increase rate of fertilizer nitrogen utilization efficiency are calculated by fertilizer nitrogen utilization efficiency of Ⅰ+Ⅱsector andⅠ+Ⅱ+Ⅲ sector divided by that of Ⅰ sector.

3 討 論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施氮量過(guò)多是造成種植系統(tǒng)氮利用率低下和氮盈余量高的主要原因[25]，而循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通過(guò)廢棄物在系統(tǒng)內(nèi)的再循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)氮素的再利用，從而提高氮的生產(chǎn)效率[26-27]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)增加水稻秸稈和狼尾草秸稈栽培食用菌環(huán)節(jié)（Ⅱ環(huán)節(jié)）后，水稻秸稈和狼尾草秸稈不再釋放到環(huán)境中，而是作為基質(zhì)為平菇生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素，減少了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損耗，進(jìn)而提高了系統(tǒng)肥料氮的循環(huán)利用率。增加菌渣栽培白菜環(huán)節(jié)（Ⅲ環(huán)節(jié)）也有相同的效果，菌渣以肥料的形式進(jìn)入到栽培白菜環(huán)節(jié)，一方面減少了菌渣對(duì)環(huán)境造成的壓力，另一方面通過(guò)提高了物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的再循環(huán)和再利用，因此“水稻-食用菌-白菜”和“狼尾草-食用菌-白菜”模式氮肥循環(huán)利用分別較單一的水稻和狼尾草栽培顯著增加。減少投入是循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征[26]，石鵬飛等[25]研究表明，循環(huán)系統(tǒng)中通過(guò)物質(zhì)循環(huán)再利用可使化肥氮投入量減少50%，種植系統(tǒng)氮利用率提高34.6%，農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)氮總利用率提高18.7%。因此，通過(guò)農(nóng)業(yè)廢棄物的再循環(huán)利用使系統(tǒng)投入減少，這是本研究氮利用效率增加的一個(gè)原因。李瑞琴等[10]利用養(yǎng)分流動(dòng)和模型分析方法分析了“農(nóng)田-食用菌”生產(chǎn)系統(tǒng)的氮元素流動(dòng)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)田作物秸稈通過(guò)食用菌體系還田可使氮素利用率提高10%以上。這與本研究的結(jié)果一致，增加循環(huán)鏈可提高系統(tǒng)的氮利用效率。本研究還發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)環(huán)節(jié)中，15N栽培水稻和狼尾草（Ⅰ環(huán)節(jié)）的氮利用效率最高，其次為食用菌栽培（Ⅱ環(huán)節(jié)），同時(shí)食用菌栽培過(guò)程氮損失率最低（表4），可見(jiàn)通過(guò)秸稈的資源化利用對(duì)增加氮的循環(huán)再利用具有顯著效果。食用菌產(chǎn)業(yè)是中國(guó)第五大種植業(yè)，其產(chǎn)量占世界的70%，其產(chǎn)量、消費(fèi)和出口均處于世界第一[28]，因此推廣利用植物秸稈栽培食用菌具有重要的意義。

狼尾草是1年生或多年生的禾本科牧草，具有生物量大、需肥量大的特性，適和在拋荒地、房前屋后種植，也常用于消納養(yǎng)殖場(chǎng)污水并作為飼草應(yīng)用于牛、羊及豬等的養(yǎng)殖[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，15N栽培狼尾草的氮利用效率高于15N栽培水稻，這進(jìn)一步驗(yàn)證了狼尾草需肥量大且肥料利用高的特性。與水稻相比，狼尾草秸稈莖含量高，且莖中蔗糖含量高[20]，高的蔗糖含量可能更利于食用菌栽培基質(zhì)的發(fā)酵[24]，因此狼尾草栽培平菇的氮利用效率高于水稻栽培平菇。Ⅰ和Ⅱ環(huán)節(jié)氮利用的差異使“狼尾草-食用菌-白菜”模式的氮循環(huán)利用效率和Ndff值較“水稻-食用菌-白菜”模式更高，氮損失率更低。目前，水稻秸稈栽培食用菌技術(shù)已經(jīng)較為成熟，與水稻相比，狼尾草適應(yīng)性強(qiáng)，管理簡(jiǎn)單，可種植于水稻田中，本研究結(jié)果證實(shí)了在水稻土中狼尾草的氮利用效率高于水稻。狼尾草還可種植于荒山荒坡，由于土壤是影響植物氮吸收的重要因素，因此有必要進(jìn)一步加強(qiáng)狼尾草在旱地不同循環(huán)種植模式中氮利用效率的研究，以利于“狼尾草-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式在南方丘陵地區(qū)推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

1）15N尿素栽培水稻環(huán)節(jié)15N在稻谷分配比例為57.75%，大于稻草；而15N尿素栽培狼尾草環(huán)節(jié)以第1次刈割15N所占的比例最高，為58.94%。

2）“水稻-食用菌-白菜”（R模式）和“狼尾草-食用菌-白菜”（P模式）氮利用效率均以15N尿素栽培水稻/狼尾草環(huán)節(jié)（Ⅰ環(huán)節(jié)）最高，分別為23.44%和43.34%；且“狼尾草-食用菌-白菜”模式15N尿素栽培狼尾草環(huán)節(jié)（Ⅰ環(huán)節(jié)）較15N狼尾草栽培平菇環(huán)節(jié)（Ⅱ環(huán)節(jié)）和15N菌渣栽培白菜環(huán)節(jié)（Ⅲ環(huán)節(jié)）氮利用率顯著提高了19.23%和92.97%。

3）Ⅰ環(huán)節(jié)雜交狼尾草的氮利用效率較水稻栽培提高84.90%，Ⅱ環(huán)節(jié)利用雜交狼尾草栽培平菇氮利用效率高于稻草栽培平菇，提高了69.31%，同時(shí)“狼尾草-食用菌-白菜”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式（P模式）的氮肥循環(huán)利用效率也高于“水稻-食用菌-白菜”（R模式）循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，提高了47.29%。

4）與單一水稻/狼尾草種植（Ⅰ環(huán)節(jié)）相比，“稻/草-食用菌-白菜”模式（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ環(huán)節(jié)）地上部15N累積量分別從63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥利用率分別從22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%。

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Zhong Zhenmei, Huang Qinlou※, Chen Zhongdian, Huang Xiusheng, Feng Deqing

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Nitrogen utilization efficiency (NUE) plays an important role in evaluating crop production and production efficiency of recycling agriculture. In this study, the NUE was systematically investigated in two recycling agriculture modes, in order to accelerate the application of “Rice/Pearl millet -Mushroom-Cabbage” in the southern China. Two recycling agricultural modes were the “Rice-Mushroom-Cabbage” marked as mode R, whereas, the “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” marked as mode P. Each recycling agricultural mode included three sectors, namely, three experiments. The first sector was that the15N-labeled urea was applied as the nitrogen fertilizer to rice and pearl millet (), marked as Ⅰ sector. The second sector was that two straws harvested from rice and pearl millet of Ⅰ sector were used as substrates to cultivate oyster mushroom, marked as Ⅱ sector. The third sector was that mushroom residues were applied as fertilizer to cultivate cabbage, marked as Ⅲ sector. A15N tracer technique was used to evaluate the NUE in two recycling agricultural modes in three sectors. The results indicated that the distribution of15N in the rice grain was 57.75%, greater than that of straw, while, that in the first harvest pearl millet was the highest, accounting for 58.94%. The highest nitrogen distribution in Ⅰ sector of mode R was in soil, followed by the aboveground plant and root, while that of mode P was observed in plant, followed by the soil and root. The order of nitrogen distribution in two modes was ranked as: the mushroom residues > oyster mushroom in Ⅱ sector, and soil > plant > root in Ⅲ sector. The highest NUE was observed in Ⅰ sector of R and mode P, which were 23.44% and 43.34%, respectively. The second was in Ⅱ sector, and the lowest was observed in Ⅲ sector. There were significant differences for the NUE in three sectors of mode P, and the NUE in Ⅰ sector of mode P significantly increased 19.23% and 92.97%, compared with the Ⅱ and Ⅲ sector, respectively. The highest nitrogen residue rate (NRR) was observed in Ⅱ sector of R and mode P, which were 43.48% and 50.74%, respectively, followed by that in the Ⅲ sector, and the lowest was in Ⅰ sector. The NUE of mode P significantly increased 84.90%, 69.31% and 47.29%, compared with mode R in Ⅰ, Ⅱ, and Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ sector, respectively. Meanwhile, there was no significant difference for the NUE between mode P and mode R in the Ⅲ sector. The NRR of mode P was lower than mode R in Ⅰ sector. There was an opposite performance in Ⅱ sector, and a higher NRR was observed in mode P. The nitrogen loss rate (NLR) of mode P was lower than that of mode R in Ⅱ sector, while, there was no significant difference for the NLR between two modes in Ⅰ and Ⅲ sector. The percentage of N derived from15N fertilizer (Ndff) of mode P was higher than that of mode R in Ⅰ sector, and there was no significant difference for Ndff between two modes in Ⅱ and Ⅲ sector. The NUE of two recycling agriculture modes was improved after adding sectors, compared with the solo rice/pearl millet planting, the15N accumulation in the aboveground plants of recycling agriculture in mode R and mode P increased from 63.50 and 112.30 mg to 115.33 and 169.89 mg, and the NUE increased from 22.29% and 39.41% to 40.48% and 59.62%, indicating the increases of 18.19 and 20.21 percentage point, respectively. The NUE of pearl millet was higher than that of rice, and the utilization efficiency of oyster mushroom assimilating nitrogen from pearl millet substrate was also higher than that from the rice straw substrate. Simultaneously, where the NUE, NLR and Ndff of “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” mode behaved better than that of the “Rice-Mushroom- Cabbage” mode. Therefore, it infers that the recycling system of “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” was fit for the application in south China.

nitrogen fertilizers;urea fertilizers; rice;; mushroom; recycling agriculture;15N labelling technique

鐘珍梅，黃勤樓，陳鐘鈿，等. 基于15N示蹤的“稻/草-食用菌-菜”循環(huán)系統(tǒng)氮肥利用率評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：253-259. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030 http://www.tcsae.org

Zhong Zhenmei, Huang Qinlou, Chen Zhongdian, et al.Nitrogen use efficiency evaluation of “rice/pearl millet-mushroom-cabbage” recycling agriculture based on15N tracer technique[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 253-259. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030 http://www.tcsae.org

2020-07-20

2020-10-25

福建省省屬公益類(lèi)科研院所基本科研專(zhuān)項(xiàng)（2018R1016-1）；福建省自然基金項(xiàng)目（2018J01034）和福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院項(xiàng)目（STIT2017-2-10,AA2018-5）聯(lián)合資助

鐘珍梅，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。Email：mume19@126.com

黃勤樓，博士，研究員，主要從事牧草品種選育及資源化利用研究。Email：hql202@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030

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1002-6819(2020)-21-0253-07