程娟，付莉，翟中葳，肖能武，楊柳，劉福元，杜會英*，杜連柱*，張克強

（1.農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.十堰市農業(yè)科學院，湖北十堰 442000；3.新疆農墾科學院畜牧獸醫(yī)研究所，新疆石河子 832000）

隨著我國農業(yè)種植結構持續(xù)優(yōu)化，蔬菜種植面積連年增長，2019 年蔬菜種植面積已達到2 086 萬hm2[1]，蔬菜產業(yè)已成為農業(yè)農村經濟的支柱產業(yè)，設施蔬菜栽培因具有反季節(jié)種植、復種指數(shù)和經濟效益較高等特點發(fā)展迅速，目前設施蔬菜種植面積已達370 萬hm2[2]。然而設施蔬菜種植具有高效益的同時，需要大量養(yǎng)分投入以滿足設施蔬菜生長，過量施肥問題十分突出，黃紹文等[3]的研究表明我國蔬菜肥料總用量普遍超量，設施蔬菜施用化肥養(yǎng)分量是農作物的4.1 倍，化肥長期高位運行導致土壤中的存量巨大[4]，不僅降低了養(yǎng)分的利用率，而且有隨著灌溉和降水進入水體的風險，引起水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[5]，嚴重制約了設施蔬菜的優(yōu)質高效生產。丹江口庫區(qū)長期過度重視農業(yè)生產功能，農業(yè)面源污染嚴重，因此，如何優(yōu)化施肥，減少土壤養(yǎng)分的盈余量，提高蔬菜產量和肥料利用率，對庫區(qū)設施蔬菜可持續(xù)生產具有重要意義。

已有研究表明，適量減少化肥施用量能夠保證設施蔬菜產量[6]，提高蔬菜維生素C 和蛋白質等含量[7]。張懷志等[8]的研究表明，減少農戶常規(guī)化肥用量40%并施用有機肥，設施番茄產量和氮素吸收量顯著增加，氮損失量顯著降低，李銀坤等[9]的研究證實，減施氮量25%同時節(jié)水30%，可增加設施黃瓜-番茄產量、提高水氮利用效率。然而，過分減氮會降低作物產量、品質及經濟效益，應將施氮量控制在目標產量、作物品質和經濟效益、環(huán)境效應與土壤肥力均可接受的合理范圍內[10]。氮素盈余是衡量氮素輸入的生產力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標，能夠在一定程度上反映投入氮的利用效率[11]，作為氮素管理指標之一被廣泛應用。荷蘭規(guī)定農場氮素盈余量為80 kg·hm-2·a-1，超過政府限定指標時，農民需要向政府交納盈余稅[12-13]。CHEN 等[14]建立了氮素盈余與損失之間的經驗關系。劉宏元等[15]得出冬小麥-夏玉米輪作周期氮素盈余量推薦值為30～70 kg·hm-2·a-1。LIANG 等[16]研究認為，在優(yōu)化的水氮措施下，雙季稻周年氮素盈余量為129.7 kg·hm-2·a-1[16]。ZHANG等[17]建立了我國13 種作物體系的氮素盈余指標，單作體系氮素盈余指標平均為73 kg·hm-2，雙季輪作體系平均為160 kg·hm-2。

目前關于農田氮素盈余的研究，大多集中在糧食作物上，缺乏化肥減施下糞水替代對設施蔬菜氮素盈余的研究。因此，本研究通過4 茬設施白菜田間定位試驗，設置不施肥、常規(guī)施用化肥、減施化肥和減施下糞水替代5 個處理，研究對設施白菜鮮質量、土壤全氮、無機氮及土壤氮素盈余等的影響，以期為丹江口水源涵養(yǎng)區(qū)種養(yǎng)結合提供科學數(shù)據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在湖北省十堰市鄖陽區(qū)譚家灣鎮(zhèn)設施大棚內進行，土壤為黃棕壤，試驗開始時0～20 cm 耕層土壤理化性質為：有機質含量6.58 g·kg-1，pH 7.72，容重1.13 g·cm-3，全氮含量0.51 g·kg-1，硝態(tài)氮含量40.60 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量1.99 mg·kg-1，速效磷含量36.91 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗設置5個處理，分別為：對照處理（CK），白菜生育期內不施用肥料；常規(guī)施肥處理（CON），白菜生育期施用蔬菜專用復合肥（18-8-18），N、P2O5和K2O施用量分別為351、156 kg·hm-2和351 kg·hm-2，底肥施用量占77%、蓮座期追肥施用量占15%、結球期追肥施用量占8%；化肥減施處理（RCF），N、P2O5和K2O施用量均較常規(guī)減施20%，施用時期與常規(guī)施肥處理相同；化肥減施替代處理（RFS23），底肥施用蔬菜專用復合肥，蓮座期和結球期追施豬場糞水，替代23%的化肥N、P2O5和K2O 用量，養(yǎng)分施用總量和時期與RCF 處理相同；化肥減施替代處理（RFS100），分別替代100%、24%和19%的化肥N、P2O5和K2O用量，養(yǎng)分施用總量和時期與RCF 處理相同。試驗小區(qū)灌溉采用畦灌。每個處理重復3 次，小區(qū)面積6.72 m2，隨機區(qū)組排列，小區(qū)間用PVC板（40 cm寬）隔開。

試驗開始于2017 年10 月，結束于2019 年12 月，共連續(xù)種植4 茬白菜，白菜株距為35 cm，行距為40 cm。試驗用磷肥為P2O5（含量12%），鉀肥為K2O（含量51%）。豬場糞水取自設施大棚上游養(yǎng)殖場，該養(yǎng)殖場年出欄生豬約1 萬頭，豬場糞水經厭氧發(fā)酵后貯存在田間貯存池。糞水養(yǎng)分含量常年穩(wěn)定，理化性質為pH 7.51，總氮含量773.00 mg·L-1，銨態(tài)氮含量702.00 mg·L-1，總磷含量19.10 mg·L-1，總鉀含量746.00 mg·L-1。

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品采用“S”形5 點取樣法，取0～20、20～40 cm 土樣，同層次混合并裝在密封的塑料袋中，用于進一步分析。產量計算采用全部小區(qū)稱質量計產。每個小區(qū)選擇具有代表性的5 株白菜105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質量，粉碎保存。

有機質采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定，pH、土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等參考鮑士旦[18]的方法測定，采用凱氏定氮法測定植物全氮。

氮盈余為氮輸入量與作物氮輸出量的差值[17]，輸入氮包括化肥氮、糞水氮和灌溉帶入氮，其中蔬菜生長期間灌溉水攜帶的氮參考龔世飛等[19]的數(shù)據，其余數(shù)據為實測數(shù)據，作物氮輸出為白菜氮輸出。

氮盈余（N surplus，kg·hm-2）=氮輸入-白菜氮輸出；

氮素利用率（N use efficiency）=（施氮處理白菜地上部吸氮量-對照處理白菜地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥貢獻率（N contribution rate）[20]=（施氮處理白菜產量-對照處理白菜產量）/施氮處理白菜產量×100%。

1.4 數(shù)據處理與分析

采用Excel 2016軟件做圖，SAS 9.2軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 對設施白菜產量及氮素利用的影響

由表1 可知，隨著種植茬數(shù)的增加，CK 處理白菜產量呈現(xiàn)降低趨勢。施肥處理4茬白菜產量顯著高于CK 處理；與CON 處理相比，RCF 處理4茬白菜產量差異不顯著；相同施氮量的3 個處理（RCF、RFS23 和RFS100）中，糞水替代處理（RFS23、RFS100）白菜產量均高于RCF處理，第一茬和第三茬白菜產量差異達到顯著水平，第二茬差異不顯著，第四茬RFS23 處理白菜產量顯著高于RCF 處理。適當減施化肥不會顯著降低白菜產量，且糞水替代能夠提高白菜產量。

表1 化肥減施下糞水替代對白菜產量和氮素利用率的影響Table 1 Chinese cabbage yield and nitrogen use efficiency of different treatments

化肥減施下糞水替代可以提高白菜對所施氮的利用能力；從氮素利用率來看，化肥減施20%的RCF處理氮素利用率與CON 處理相比未顯著降低，RFS23和RFS100 處理之間差異不顯著，均顯著高于RCF 處理；從氮肥貢獻率來看，化肥減施替代處理（RFS23、RFS100）氮肥貢獻率較化肥施用處理（CON、RCF）有所提高，且RFS23處理顯著高于CON處理和RCF處理。

2.2 對土壤氮素的影響

第四茬白菜收獲后，土壤全氮含量如圖1 所示。各處理上層土壤（0～20 cm）全氮含量均高于下層土壤（20～40 cm）。上層土壤（0～20 cm）中，CON、RCF、RFS23和RFS100處理全氮含量顯著高于CK 處理，且無顯著性差異；下層土壤（20～40 cm）不同處理土壤全氮含量變化與0～20 cm 土層變化趨勢一致，RCF 處理土壤全氮含量比CON處理降低了5.2%，未達5%顯著水平，2 個化肥減施糞水替代處理土壤全氮含量差異不顯著。

由圖2 可知，4 茬白菜收獲后的土壤銨態(tài)氮累積量顯著低于硝態(tài)氮，且各處理之間的銨態(tài)氮累積量無顯著性差異。從土壤硝態(tài)氮累積量來看，CON 處理下，隨著種植茬數(shù)的增加，土壤硝態(tài)氮累積量增加，第四茬累積量顯著高于第一茬；RCF處理下土壤硝態(tài)氮累積量四茬之間差異不顯著；RFS23處理下土壤硝態(tài)氮累積量第四茬顯著高于前3 茬；RFS100 處理下第三茬土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于前2 茬。第一茬白菜收獲后，CON 處理土壤硝態(tài)氮積累量與化肥減施處理（RCF）之間差異不顯著，顯著高于CK 處理和化肥減施糞水替代處理（RFS23 和RFS100）；第二茬和第三茬白菜收獲后，施肥處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于CK處理，各施肥處理間差異不顯著；第四茬白菜收獲后，CON 處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于RCF處理，與RFS23和RFS100處理間差異不顯著。

2.3 對土壤pH和有機質的影響

白菜收獲后，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07（圖3）。第一茬白菜收獲后，各處理土壤pH 值差異不顯著。第二茬白菜收獲后，施肥各處理之間pH 值差異不顯著，但均顯著高于對照處理。第三茬白菜收獲后，RFS23 和RFS100 處理土壤pH 值顯著高于CK處理，CON 處理和RCF 處理與CK 處理差異不顯著。第四茬白菜收獲后，各個處理之間土壤pH 值均差異不顯著。

4 茬白菜收獲后，土壤有機質含量（0～20 cm）如圖4 所示。由圖可知，施肥增加了0～20 cm 土壤有機質含量，在連續(xù)4 茬的種植中，CON、RCF、RFS23 和RFS100處理土壤有機質含量顯著高于CK 處理，且施肥處理間土壤有機質含量無顯著性差異。不同茬次之間土壤有機質變化較小，第一茬施肥處理土壤有機質含量介于11.24～12.80 g·kg-1，第二茬施肥處理土壤有機質含量介于11.91～12.24 g·kg-1，第三茬施肥處理土壤有機質含量介于11.76～12.85 g·kg-1，第四茬施肥處理土壤有機質含量介于12.74～13.69 g·kg-1。

2.4 對土壤氮盈余的影響

0～40 cm 土層土壤-作物氮素平衡見表2，氮素輸出以白菜收獲后地上部氮含量計算，氮素輸入中，灌溉氮輸入量通過查閱文獻獲得[9]。就氮素輸出而言，設施白菜地上部氮含量在CK、CON和RCF處理下的變化趨勢與產量變化一致，CON和RCF處理間差異不顯著，但均顯著高于CK處理；兩個糞水替代處理白菜地上部氮含量之間差異不顯著，但均顯著高于化肥施用處理。

表2 土壤-作物系統(tǒng)氮素養(yǎng)分平衡（kg·hm-2）Table 2 N balance in soil-crop system in Chinese cabbage（kg·hm-2）

氮盈余分析結果顯示，施肥各處理的氮盈余顯著高于CK處理，各施肥處理中，RCF處理氮素盈余顯著低于CON 處理，相同施氮量的3 個處理中，RCF 處理氮素盈余量顯著高于化肥減施糞水替代的2 個處理（RFS23和RFS100），化肥減施糞水替代的2個處理氮盈余差異不顯著。相關分析表明，土壤氮素盈余量與土壤有機質含量和土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關（r=0.64，r=0.68，圖5）。

3 討論

3.1 化肥減施對白菜產量的影響

根據黃紹文等[3]的研究統(tǒng)計，我國的設施蔬菜施用氮肥量是推薦量的1.9 倍，主要露地蔬菜氮肥施用總量是推薦量的2.7 倍；魏宗強等[21]研究發(fā)現(xiàn)，大白菜-土壤體系的氮素表觀損失隨施氮量的增加而顯著增加，高施氮量導致高的氮素盈余，過量施肥會對環(huán)境產生污染。在一定范圍內提高施氮量能提高白菜產量，超過范圍則白菜產量不再提高且可能會降低[22-24]，JENSEN 等[25]以壽光市為例指出，將氮肥用量減少50%并結合調節(jié)土壤碳氮比和滴灌能顯著增加設施蔬菜產量，在安徽巢湖地區(qū)減氮施肥15%能顯著提高設施番茄產量，均沒有降低產量且提高了氮肥利用率。也有研究指出[26]，用糞水替代30%的化肥氮未能顯著提高小麥產量，隨著糞水替代量的增加，小麥產量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。本研究結果表明，化肥減施20%條件下，白菜產量與常規(guī)處理無顯著差異；相同施氮量（281 kg·hm-2）條件下，化肥減施糞水氮替代23%和100%，4 茬白菜平均產量是化肥處理的1.18倍和1.13倍，同時可以提高白菜對所施氮的利用能力。而相較于化肥，豬場糞水水溶性有機質含量比較高[27]，糞水替代化肥施用能更好地被作物利用從而提高作物產量[28]。

3.2 化肥減施對土壤硝態(tài)氮的影響

施入土壤中的氮大部分硝化成為硝態(tài)氮，是作物吸收利用的主要形態(tài)[29]，較高的硝態(tài)氮含量可促進作物的生長；但高量施氮會導致農田土壤中的氮進入地下水或淋溶到深層土壤，造成水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽積累等[30-31]，因此，合理減氮是減少土壤硝態(tài)氮累積量直接而有效的途徑[32]。田雨等[33]的研究表明，土壤硝態(tài)氮累積量在白菜生長后期較高，減氮處理降低了土壤硝態(tài)氮累積量，減少了氮素向下淋失的風險，本研究中，土壤中硝態(tài)氮積累量隨著種植茬數(shù)增多而增加，第四茬白菜收獲后，常規(guī)施肥處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于第一茬；RFS23處理土壤硝態(tài)氮累積量第四茬顯著高于前3 茬；RFS100 處理第三茬土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于前2 茬，與第四茬差異不顯著。BASSO 等[34]的研究表明，長期高量施肥會引起土壤硝態(tài)氮積累，進而增加環(huán)境污染風險。豬場糞水中含有一定量的有機態(tài)養(yǎng)分，施入土壤后存在礦化過程，開始種植時土壤有效養(yǎng)分含量低于化肥處理，隨著種植茬數(shù)的增加，糞水中富含的腐植酸和生長素等物質促進土壤膠體和團粒結構形成，加速土壤養(yǎng)分的分解、轉化和釋放，減少養(yǎng)分尤其是氮素的流失，進而提高了土壤養(yǎng)分的供給水平[35]。長期施用豬場糞水替代化肥對土壤硝態(tài)氮影響需進一步研究。

3.3 化肥減施對土壤氮盈余的影響

研究農田土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡狀況，可為指導農業(yè)生產提供理論基礎。ZHU 等[36]指出量化氮盈余有利于提高氮利用率和減少氮損失，當?shù)赜喔哂谧魑镂盏氐?0%或輸入氮素的17%時，會發(fā)生嚴重的氮素污染。BAI 等[37]認為，肥料氮投入增加，相應的氮盈余顯著增加，氮素長期盈余會造成土壤無機氮積累，超出作物吸收部分的氮素會以氮素表觀損失和無機氮殘留形式損失，損失量與施氮量呈顯著正相關。寧建鳳等[38]的研究證明，減少化肥施用量，可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究中，施肥處理氮盈余從大到小依次表現(xiàn)為：CON＞RCF＞RFS100＞RFS23，化肥減施20%條件下，RCF處理較常規(guī)施肥處理氮盈余降低23.38%，化肥減施糞水替代處理氮盈余量比常規(guī)施肥處理降低了29.24%～30.65%。豬場糞水中的活性有機物質可以促進土壤對銨離子的吸附固定[39]，同時，在硝化細菌的作用下，施入土壤的豬場糞水氮將會轉化成硝態(tài)氮殘留在土壤中，增加土壤中的礦質氮含量[40]。氮肥科學施用是實現(xiàn)農作物增產提質和減少氮素污染的重要方法[41]，氮盈余是衡量氮素投入及環(huán)境影響的有效指標[11]，化肥減施及豬場糞水替代可降低土壤的氮盈余量，降低氮素損失，提高氮素利用率。

4 結論

（1）4 茬設施白菜種植過程中，化肥減施20%白菜產量較常規(guī)施肥未顯著降低。相同減氮20%條件下，糞水氮替代23%和替代100%處理的4 茬白菜平均產量是化肥處理的1.18 倍和1.13 倍。化肥減施下糞水替代可以提高白菜對所施氮的利用能力，化肥減施20%下糞水氮替代23%和替代100%處理的氮利用率均顯著高于化肥施用處理，化肥減施20%下糞水氮替代23%處理氮素貢獻率顯著高于化肥施用的處理。

（2）4 茬白菜種植過程中，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07；施肥增加了土壤有機質的含量。隨著種植茬數(shù)的增加，0～40 cm 土壤硝態(tài)氮累積量呈增加趨勢，常規(guī)施肥氮盈余為288.34 kg·hm-2，化肥減施及減施糞水替代處理可以顯著降低土壤氮盈余。

（3）綜合考慮設施白菜產量、土壤無機氮和氮盈余等指標，丹江口庫區(qū)可以在減施化肥的條件下進行糞水替代，可進一步提高設施白菜的氮利用率，減少土壤氮盈余量，減少農業(yè)面源污染。