薛 姣，李 志，耿 貴，王宇光，於麗華

(黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 前言

甜菜是我國(guó)北方重要的糖料作物，甜菜糖占我國(guó)食糖總產(chǎn)量的10%～20%[1]，種植區(qū)主要分布在新疆、內(nèi)蒙古及黑龍江。在生產(chǎn)中除制糖以外，甜菜莖葉及副產(chǎn)品的綜合利用價(jià)值十分廣泛[2]，其地上部莖葉產(chǎn)量約為塊根產(chǎn)量的1/2～2/3，富含豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如礦物鹽類、有機(jī)酸[3]。而且甜菜屬于喜氮作物，莖葉中氮養(yǎng)分含量高[4]，可作為肥料還田，能有效增加和維持土壤有機(jī)質(zhì)水平。研究表明[5]通過(guò)莖葉還田能改善土壤肥力，是利于作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)的有效措施。但多年來(lái)我國(guó)制糖甜菜莖葉大多數(shù)作為副產(chǎn)物被廢棄，或被用作飼料[3]。

氮在植物生長(zhǎng)中是不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素[5]。在甜菜種植過(guò)程中，氮肥施用量是甜菜產(chǎn)量、品質(zhì)以及經(jīng)濟(jì)效益的重要影響因子。對(duì)甜菜生產(chǎn)進(jìn)行氮肥管理時(shí)，最困難的就是氮肥施用量問(wèn)題[6]。且過(guò)度使用的氮、磷肥通過(guò)土壤殘留、徑流和揮發(fā)等途徑對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[7]。研究發(fā)現(xiàn)甜菜產(chǎn)質(zhì)量與施氮量?jī)烧咧g不成正比，施氮施入量過(guò)多會(huì)造成減產(chǎn)，含糖率及品質(zhì)下降，還會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化[8-9]。

目前大多數(shù)秸稈還田的研究均針對(duì)大田作物如水稻、小麥、玉米、油菜等，甜菜莖葉還田方面的研究較少，莖葉還田后氮肥利用率以及后期氮肥追施管理研究更少，因此本文分析了甜菜不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)氮肥需求的變化規(guī)律，探討甜菜莖葉還田量對(duì)土壤氮肥含量變化的影響以及較為適宜后期配施氮肥用量，降低因過(guò)量化肥施入后導(dǎo)致的土壤污染及退化，高效利用農(nóng)作物秸稈資源，以期對(duì)甜菜生產(chǎn)合理的氮肥管理、適量增產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論參考。

1 氮肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

1.1 氮肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮的需求量較大，其對(duì)作物增產(chǎn)效果十分顯著，但過(guò)量或偏施氮肥的現(xiàn)象嚴(yán)重，這將破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降及環(huán)境污染等問(wèn)題[10]。在白漿型水稻土壤上連續(xù)4年的不同氮肥施用量研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨氮肥施入量增加而提高，且堿解氮也增高[11]。而張國(guó)發(fā)等[10]發(fā)現(xiàn)與單施氮肥相比，施有機(jī)肥或有機(jī)肥尿素配施處理的土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷及有效鉀含量均有所提高顯著增加。因此選擇得當(dāng)?shù)姆柿霞笆┯昧?提高土壤肥力水平,降低土壤污染及退化。

1.2 氮肥對(duì)甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

氮素是甜菜生長(zhǎng)發(fā)育中至關(guān)重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，與甜菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及產(chǎn)糖量密切相關(guān)[12]。在甜菜生育前期氮素主要為地上部葉片生長(zhǎng)供給營(yíng)養(yǎng)，生育后期氮素逐漸向塊根中運(yùn)轉(zhuǎn)[13]。因此，在各個(gè)時(shí)期氮肥施用過(guò)量或不足都會(huì)對(duì)甜菜產(chǎn)糖量的提高有所影響[14]。明確甜菜對(duì)氮肥的需求特點(diǎn)及規(guī)律，確定合理的氮肥用量，以期實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)目的。

1.2.1 甜菜需氮規(guī)律

探討甜菜中氮的代謝規(guī)律是合理施氮的基本出發(fā)點(diǎn)[15]，對(duì)此已有很多報(bào)道。甜菜各器官含氮量因生育時(shí)期而不同，其生育前期氮代謝最為旺盛[16]，從幼苗期(5月下旬)到葉叢繁茂期(6月中旬)對(duì)氮素吸收量不斷上升，8月上、中旬達(dá)到高峰，隨后呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)[17]。同時(shí)，曲文章[18-19]研究表明甜菜的氮分配率因生育時(shí)期而有較大變化，在苗期地上部氮的分配率最高，達(dá)90%，葉叢生長(zhǎng)期其次，而地下部塊根氮含量占比為 10%～15%。地上部氮的分配比例隨著生育期的推進(jìn)而逐漸降低，直到糖分積累期趨向于平衡。

甜菜在生長(zhǎng)進(jìn)程中，吸收氮素速率呈現(xiàn)出前期較慢，中期快和后期變慢的變化趨勢(shì)[20]，其體內(nèi)含氮量呈拋物曲線式[21]。研究表明甜菜葉叢生長(zhǎng)期時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾拥赜欣谔岣邏K根產(chǎn)量[22]。甜菜生育前期氮代謝主要影響地上部茂盛情況，而進(jìn)入糖分積累期保持一定供氮水平，有利于糖分積累[23]。而Rosa等[24]發(fā)現(xiàn)甜菜糖分積累期時(shí)增加氮肥，會(huì)造成葉叢徒長(zhǎng)，根冠比(T/R)減小，進(jìn)而導(dǎo)致其產(chǎn)質(zhì)量降低。

1.2.2 氮對(duì)甜菜生理生化功能及產(chǎn)量的影響

氮作為植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成不可或缺的礦質(zhì)元素，對(duì)作物的葉綠素含量、光合速率有明顯影響[25]。研究表明[26]，不同供氮水平處理影響葉片中的含氮量，從而影響植物光合性能，得出結(jié)論葉片含氮量與光合速率二者之間存在顯著的相關(guān)性。同時(shí),通過(guò)氮素對(duì)甜菜整株或群體光合特性在整個(gè)生育期變化動(dòng)態(tài)的研究[27-29]，發(fā)現(xiàn)缺少氮素造成葉綠素含量下降，光合速率減弱；而適量增施氮肥，光合能力明顯提高，從而促進(jìn)作物品質(zhì)形成及干物質(zhì)的積累。楊芳芳等[30]發(fā)現(xiàn)鹽堿土壤下施加有機(jī)肥處理能通過(guò)提高甜菜體內(nèi)葉綠素含量，進(jìn)而改善光合特性、增加產(chǎn)質(zhì)量。

氮肥對(duì)維持和提高作物產(chǎn)量有積極的作用，但其施用量嚴(yán)重影響產(chǎn)量的高低[31]。有報(bào)道通過(guò)氮肥管理可調(diào)控植株葉片的生長(zhǎng)和衰老速率，在一定程度上控制滴灌甜菜新葉的發(fā)生，加快地下部生長(zhǎng)，提高甜菜塊根產(chǎn)糖量[32]。而供氮過(guò)多甜菜體內(nèi)有害氮含量增加，對(duì)甜菜造成毒害，含糖率降低[27]。侯振安[33]等進(jìn)一步表明，適當(dāng)施氮甜菜產(chǎn)量和產(chǎn)糖量明顯提高，若過(guò)量則造成塊根含糖率降低。因此，確定合理的氮肥用量是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

2 甜菜莖葉還田對(duì)土壤理化性質(zhì)和甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

2.1 甜菜莖葉還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

甜菜是一種喜肥作物，對(duì)土壤養(yǎng)分需求量較大，而這些養(yǎng)分主要用于莖葉的增長(zhǎng)。有報(bào)道甜菜吸收氮素后，能在植物體內(nèi)產(chǎn)生具有促進(jìn)甜菜生長(zhǎng)向上性作用的生長(zhǎng)素如吲哚乙酸、赤霉素等，使其地上部葉生長(zhǎng)旺盛。而如果施氮過(guò)量莖葉將不停地生長(zhǎng)[34]。作物莖葉中包含氮磷鉀等豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，是可以直接利用的可再生有機(jī)肥料資源，對(duì)土壤理化性質(zhì)改善[35]及土壤酶活性提高[36-37]有積極的作用。研究發(fā)現(xiàn)，一公頃甜菜的莖葉，可獲得干物質(zhì)中含N 3.8046%、P2O50.5%、K2O 3.35%，將其全部還田，平均每公頃土壤中增加N 189.87斤、P2O524.95斤、K2O 167.18斤。折合硝酸銨558.44斤、過(guò)磷酸鈣249.5斤、硝酸鉀388.7斤，并且還給土壤微生物提供了大量的能源。在西歐一些國(guó)家甜菜莖葉還田已經(jīng)普遍的實(shí)行[4]。且甜菜莖葉的灰分中，還含有多種無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分[38]。油菜秸稈還田中，還田處理較對(duì)照顯著增加土壤養(yǎng)分含量，在一定程度上也提高了土壤氮磷鉀含量(P<0.05)[39]。Jehan等[40]發(fā)現(xiàn)小麥秸稈還田中土壤N水平提高1.31倍。

莖葉還田具有明顯的改善土壤作用。Shao等[41]指出莖葉還田可改善土壤透氣性，降低容重及提高孔隙度，還能增強(qiáng)土壤持水力。柳紅娟等[42]研究表明木薯莖葉還田措施下土壤中堿解氮含量顯著提高，同時(shí)一定程度上改善土壤微生物種群。同時(shí)在研究小麥的實(shí)驗(yàn)中[43]發(fā)現(xiàn)，莖葉還田還能夠影響土壤中氣體的排放如提高CH4排放，減少N∶O排放量。

2.2 甜菜莖葉還田對(duì)甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

莖葉中含有豐富的養(yǎng)分，還田后經(jīng)過(guò)土壤微生物腐解形成有機(jī)物質(zhì)，能有效填補(bǔ)土壤肥力的消耗[44]，進(jìn)而優(yōu)化了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，有利于甜菜的生長(zhǎng)發(fā)育。研究表明[42]木薯莖葉還田后明顯提高香蕉的株高、葉面積以及葉綠素含量，有效促進(jìn)植株生長(zhǎng)。劉傳和等[45]發(fā)現(xiàn)菠蘿莖葉粉碎后直接還田后下茬菠蘿的株高、葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)以及地上部和地下部鮮質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)均明顯高于對(duì)照，且單果重及產(chǎn)量均有所提高。玉米秸稈還田實(shí)驗(yàn)中[46]，其結(jié)果表明還田處理下單株葉面積顯著高出對(duì)照，其光合速率和蒸騰速率也明顯提高。

作物莖稈還田是一種保護(hù)地力、增加作物產(chǎn)量的有效措施[47]。實(shí)驗(yàn)表明[48]，秸稈還田后晚稻能夠提高對(duì)氮的吸收利用，其產(chǎn)量明顯增加，而還田量多少對(duì)晚稻產(chǎn)量影響不同，半量(50%)秸稈還田產(chǎn)量為6.9 t/hm2，全量(100%)秸稈還田為8.0 t/hm2。徐國(guó)偉等[49]研究顯示通過(guò)秸稈還田處理能增加水稻的千粒重，提高產(chǎn)量，而且稻米品質(zhì)也有所改善。因此提倡莖葉還田，是增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的重要手段。

3 莖葉還田與氮肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)和甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

3.1 莖葉還田與氮肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

盲目施肥導(dǎo)致大量浪費(fèi)和土壤質(zhì)量下降[50]，而加大有機(jī)肥如農(nóng)作物秸稈的施用可緩解土壤板結(jié)、土壤肥力下降等情況，對(duì)肥料的使用現(xiàn)狀能起到積極的改善作用。吳婕等[47]人的兩季還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與配施氮肥處理能更有利于改善土壤容重、孔隙度結(jié)構(gòu)和含水率等重要物理性狀。李磊等[51]研究表明氮肥減施與有機(jī)肥/秸稈配施實(shí)驗(yàn)中，相比單施化肥處理，化肥減氮1/6+秸稈處理的土壤容重顯著降低，非毛管孔隙度增加。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)[52]秸稈還田配施適量氮肥能有效調(diào)節(jié)氮碳比，增強(qiáng)土壤蓄水能力。

此外，土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，其影響土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力，進(jìn)而對(duì)作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量有著重要的意義[53]。張剛等[54]研究表明麥秸全量還田配施 N 240 kg/hm2處理，顯著提高水稻對(duì)氮肥的利用率，降低氮肥損失。田慎重等人[55]發(fā)現(xiàn)，秸稈配氮還田下土壤的有機(jī)碳含量明顯增加，尤其是利于土層0-10cm有機(jī)質(zhì)積累。

3.2 莖葉還田與氮肥配施對(duì)甜菜生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

相比對(duì)作物進(jìn)行單一秸稈還田處理或單獨(dú)施氮處理，兩者合理配施的增產(chǎn)增質(zhì)效果更為明顯。研究發(fā)現(xiàn)[56]在淮北地區(qū)兩年的定位實(shí)驗(yàn)中，麥秸還田與氮肥配施下小麥幼苗素質(zhì)顯著提高，且增產(chǎn)率分別達(dá)7.9%、9.5%。甜菜為直根系作物，需肥量大，平均每噸塊根生產(chǎn)需消耗氮4.5 kg、磷1.5 kg以及鉀肥5.5 kg[57]。據(jù)測(cè)定一公頃甜菜莖葉全部還田，土壤中每公頃可增加N 189.87斤[4]。由于莖葉還田的腐解特性，后期氮肥施用量對(duì)植株的生長(zhǎng)及產(chǎn)量有明顯的作用，應(yīng)從甜菜養(yǎng)分平衡入手，根據(jù)田間土壤中氮素的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)計(jì)配方施肥模型進(jìn)行模擬尋優(yōu)。李文華等[58]研究發(fā)現(xiàn)，在一定施氮水平下甜菜根產(chǎn)量與施氮量呈正相關(guān)，但過(guò)量施氮塊根產(chǎn)量下降。劉義國(guó)等[59]研究表明，秸稈還田下隨配施N肥的增加，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)施N量(300 kg/hm2)最多的處理時(shí)，產(chǎn)量反而有明顯下降。因此，適宜的施氮量對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和秸稈腐解均有重要的作用。

此外，還田效果與莖葉還田量的選擇密切相關(guān)。徐蔣來(lái)等[60]通過(guò)三年的田間定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同施氮量下前兩年不同秸稈還田處理對(duì)小麥均有增產(chǎn)效果，但半量還田對(duì)小麥的增產(chǎn)效果在三年中均達(dá)到顯著水平，而100%還田處理在第三年略微減產(chǎn)。張彬等[61]研究發(fā)現(xiàn)同一施氮水平下，四個(gè)不同秸稈還田量處理對(duì)耕層(0～10 cm)的堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有不同程度的增加，而2/3還田(5 000 kg/hm2)處理的成效最為顯著，且玉米的產(chǎn)量也明顯高于處理?？傊€田的氮素釋放受氮肥施入量及還田量的影響，過(guò)低或過(guò)高的還田量都會(huì)造成作物減產(chǎn)。且合理選擇氮肥施入量對(duì)作物產(chǎn)量也具有重要意義。

4 展望

甜菜副產(chǎn)品的利用途徑多樣，但關(guān)于甜菜莖葉還田用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的較少，甜菜對(duì)氮素吸收利用的生理過(guò)程較為復(fù)雜，且基于莖葉還田的腐解特性，后期施氮量的選擇對(duì)甜菜的產(chǎn)量有重要影響。因此，在繼續(xù)深入研究甜菜莖葉還田量和后期配施氮肥量，可利用測(cè)土配方技術(shù)確定施用氮肥最適宜量和配比；結(jié)合氮素實(shí)時(shí)監(jiān)控以及甜菜關(guān)鍵生育期營(yíng)養(yǎng)狀況診斷技術(shù)，構(gòu)建合理的甜菜氮肥施用時(shí)期及施用量的模型等方式，尋求最佳莖葉還田量和氮肥管理?xiàng)l件下的土壤肥力和甜菜體內(nèi)養(yǎng)分含量的具體變化，達(dá)到合理施氮用氮，減少污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)。