化肥减量施用对蔬菜地氮素流失控制及小白菜生长的影响
摘 要：【目的】研究化肥减量施用对蔬菜地土壤氮素流失及种植小白菜产量和品质的影响，为减少蔬菜地化肥施用和提高蔬菜质量提供参考。【方法】在化肥传统施用量250 kg/hm2的基础上，设置减氮80%、60%、40%和20%的室内盆栽试验，测定分析化肥不同用量氮素淋溶流失量、小白菜产量、小白菜硝酸盐含量及维生素C含量。【结果】施肥量为100% 时，氨态氮流失量分别是施肥量为80%、60% 、40% 、20% 、不施肥（CK）的1.14、1.38、1.80、2.29和3.25倍，硝态氮流失量是80%、60% 、40% 、20% 和CK的1.20、1.68、2.12、2.60和3.17倍。当施肥量从100% 减到60%时，总氮流失量减少12.18 kg/hm2，硝态氮流失量减少11.38 kg/hm2，小白菜产量提高24.78%，硝酸盐含量降低38.99%，维生素C含量上升35.77%。施肥量与小白菜硝态氮含量、总氮流失量呈极显著正相关，与小白菜维生素C含量呈显著负相关，与小白菜产量相关性不显著。【结论】氨态氮、硝态氮和总氮的流失量均随化肥施用量的减少而降低，减少硝态氮的流失是控制氮素流失的有效方式。减少40%的化肥施用量有利于小白菜产量和品质的提高。
关键词:化肥减量;淋溶流失;小白菜;硝酸盐;维生素C;
Effects of chemical fertilizer reduction on control of nitrogen loss in vegetable field and growth of Chinese cabbage
MENG Fan-fei KANG Tie-dong YANG Cheng FU Yu ZOU Jie WANG Han-chao
College of Eco-Environmental Engineering, Guizhou Minzu University Guizhou Vocational
Education Public Training Center Guizhou Vocational College of Agricuture
Abstract：【Objective】The effects of chemical fertilizer reduction on soil nitrogen loss in vegetable field and the yield and quality of Chinese cabbage were studied to provide a reference for reducing the application level of chemical fertilizer in vegetable field and improving the quality of vegetable.【Method】On the basis of the traditional application amount of 250 kg/hm2 chemical fertilizer, indoor pot tests of nitrogen reduction of 80%, 60%, 40% and 20% were set up to determine and analyze the amount of nitrogen leaching loss, cabbage yield, cabbage nitrate content and vitamin C content under different fertilization level treatments.【Result】When the fertilization amount is 100%, the ammonia nitrogen loss is 1.14, 1.38, 1.80, 2.29 and 3.25 times of the application amount of 80%, 60%, 40%, 20% and CK, respectively, and the nitrate nitrogen loss was 1.20, 1.68, 2.12, 2.60 and 3.17 times of the application amount of 80%, 60%, 40%, 20% and CK. When the fertilizer amount was reduced from 100% to 60%, the total nitrogen loss, nitrate nitrogen loss and nitrate were decreased by 12.18 kg/hm2,11.38 kg/hm2 and 38.99% respectively, while the yield and Vitamin C of Chinese cabbage was increased by 24.78% and 35.77%. The fertilization amount was very significantly and positively correlated with the nitrate nitrogen content of Chinese cabbage and the total nitrogen loss, and significantly and negatively correlated with vitamin C content of Chinese cabbage, and not significantly correlated with the yield of Chinese cabbage.【Conclusion】The loss of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen and total nitrogen decreases with the reduction of fertilization level, and reducing nitrate nitrogen loss is an effective way to control nitrogen loss.Reducing 40% of chemical fertilizer is conducive to the yield and quality of Chinese cabbage.
Keyword：Chemical fertilizer reduction; Leaching loss; Chinese cabbage; Nitrate; Vitamin C;
【研究意义】化肥的使用很大程度促进了我国农作物产量的提高，但是化肥也是造成我国土壤氮素面源污染的主要原因之一[1]。大量化肥的使用不仅增加农业生产成本，还降低肥料的利用率[2]，造成资源浪费以及水体富营养化等环境问题[3,4,5]。因此，合理施肥对改良土壤理化性质及提高土壤肥力具有重要意义[6]。【前人研究进展】我国蔬菜种植面积较大，从2009年的1667.0万hm2扩大到2017年的1998.1万hm2，增幅20%；蔬菜产量也在增长，从2009年的5.53亿t增加到2017年的6.92亿t，增幅25%[7]。随着蔬菜种植面积的不断扩大，化肥投入量也不断增加，如蔬菜地化肥施用量1998年到2014年间增加2.1倍[8]。化肥存在过量施用问题[9,10]，化肥的大量施用，一方面造成化肥利用率降低，如部分地区氮肥利用率低于10%[11,12,13]；另一方面导致蔬菜硝酸盐积累，维生素含量降低[14,15]。【本研究切入点】目前，大部分研究主要通过土柱淋溶试验探究化肥减量对氮素淋溶流失量的影响[16]，部分研究者通过动力学模型等方式计算化肥中的氮素的流失量[17]，综合考虑化肥减量下的淋溶氮素流失情况，而结合地上作物产量及品质进行化肥减量研究的较少。【拟解决的关键问题】在考虑蔬菜产量及品质不降低的前提下，探讨化肥减施对氮素流失的控制效果和对蔬菜产量品质的影响，寻求最佳的化肥减施量，为蔬菜种植地化肥的合理使用及污染控制提供参考。
1材料与方法
1.1 试验材料
试验用土壤采自贵州省贵阳市花溪区党武乡连续种植多年的蔬菜种植地，土壤较肥沃，pH 6.85，电导率为228 µS/cm，有机质含量为87.25 g/kg，总氮含量为1.68 g/kg。将采集的土壤混合均匀，过5 mm土壤筛后使用。复合肥为湖北某肥业股份有限公司生产，氮含量为25%。试验容器为聚乙烯塑料盆，长50 cm,宽40 cm,高30 cm，每盆装土60 kg。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计
在当地蔬菜地传统氮肥施用量250 kg/hm2的基础上进行减量施肥盆栽试验，共设6个处理。处理1，100%传统施肥量，施用复合肥250kg/hm2；处理2，80%传统施肥量，施用复合肥200kg/hm2；处理3，60%传统施肥量，施用复合肥150kg/hm2；处理4，40%传统施肥量，施用复合肥100kg/hm2；处理5，20%传统施肥量，施用复合肥50kg/hm2；处理6，不施肥（CK），每个处理3次重复。肥料施用量根据盆栽面积及化肥氮含量计算，处理1～5复合肥的施加量分别为20g/盆、16g/盆、12g/盆、8g/盆和4g/盆。将复合肥均匀施加到土壤中后，各处理均喷洒少量水，施肥5 d后将小白菜种子均匀种植于盆中，再喷洒少量水以保证土壤湿润，便于种子的发芽，所有处理洒水量相同。播种后每7 d利用模拟降雨装置进行淋溶浇灌，每次淋溶量为2.5 L/盆。当小白菜生长到 6～7叶时，每盆保留40株生长基本一致的健康小白菜植株用于生长指标的测定[18]。
1.2.2 样品测定
采集播种后7、14、21、28、35、42d的淋溶液，用量筒量取体积，一部分过滤后测定氨态氮和硝态氮含量，另一部分测定总氮含量。在播种后50 d每盆选取长势相同的5株小白菜样品，测量其鲜重、株高、维生素C和硝态氮含量[19,20]。根据测定数据计算氮素流失量、总氮表观流失率、总氮净流失率、氮素流失削减率。
1.3 数据处理
利用Excel 2007进行数据统计与处理，Origin 9.0进行图件的绘制，SPSS 18.0进行方差分析（One-way ANOVA）和Pearson相关性分析。
2 结果与分析
2.1 化肥减量施用对氮素流失量及流失率的影响
2.1.1 氮素流失量
从图1看出，氨态氮流失量远低于硝态氮，氨态氮和硝态氮流失量分别在0.36～1.17 kg/hm2和8.88～28.17 kg/hm2。随着施肥量的降低，氨态氮和硝态氮的流失量均呈逐渐降低趋势，施肥量为100%时氨态氮流失量分别是施肥量为80%、60%、40%、20%和CK的1.14倍、1.38倍、1.80倍、2.29倍、3.25倍，是硝态氮流失量的1.20倍、1.68倍、2.12倍、2.60倍、3.17倍，表明减少化肥的施用可明显减少蔬菜地氨态氮和硝态氮的流失量。总氮的流失量在10.30～32.66 kg/hm2，当施肥量为100% 时，总氮的流失量为32.66 kg/hm2；当施肥量依次减少20%、40%、60%、80%、100%时，总氮流失量分别减少5.46 、12.18 、17.59、20.03 和22.37 kg/hm2，表明减少化肥的用量可以显著减少总氮的流失量。对比分析发现，淋溶液中氨态氮占总氮比例为3.45%～4.34%，硝态氮占总氮的比例为81.98%～88.25%，说明减少硝态氮的流失是控制氮素流失的有效方式。
2.1.2 总氮的流失率
从图2看出，当施肥量从100%减少到40%时，总氮表观流失率变化不大，在13.06%～15.08%；当施肥量减少至20% 时，总氮表观流失率提高至25.26%，表明化肥的总氮表观流失率和化肥的使用量及土壤氮素含量有关，当施肥量较高时，总氮表观流失率受施肥量影响较大，当施肥量较小时，总氮表观流失率受土壤中氮素含量影响较大。总氮净流失率在4.66%～8.94%，随着施肥量的降低呈逐渐降低的趋势，表明减少化肥的施用，可以降低总氮的净流失率。总氮淋失削减率在16.06%～68.02%，随施肥量的降低，总氮淋失削减率逐渐升高；当施肥量从100%降至80% 时，总氮流失削减率为16.16%；施肥量降低到60% 时，总氮流失削减率是80%的2.27倍，大大降低了总氮的流失。
2.2 化肥减量施用对蔬菜生长及品质的影响
从表1看出，与CK相比，各施肥处理小白菜的株高和鲜重均随着施肥量的降低呈先升高后下降趋势，施肥量在100%～60%时，小白菜的株高和鲜重均随着施肥量的降低而增加，株高和鲜重均以60%时的最高，分别为26.00 cm和15.51 g/株；而施肥量低于60% 时则随着施肥量的降低而降低。说明，施肥量过高或过低都不利于植物的生长，施肥量过高会抑制作物对养分的平衡吸收，导致作物萎蔫等问题；当施肥量较低时，满足不了植物对养分的需求，导致作物生长缓慢[21]。硝酸盐含量是评价蔬菜卫生安全品质标准的重要指标之一，人体通过食物摄入的硝酸盐有81.2%来源于蔬菜[22]。小白菜硝态氮含量随着化肥的减量呈现逐渐降低趋势，表明减少化肥的施用可以显著减少小白菜中硝酸盐含量。维生素C含量反应蔬菜的营养品质[23]，与CK相比，施肥能一定程度提高小白菜中维生素C的含量。其中，施肥量为40% 的维生素C含量最高，为284.14 mg/kg，随着化肥用量的降低，小白菜维生素C含量呈先上升后降低的趋势。
2.3 化肥施用量、蔬菜产量品质与氮素流失量间的相关性
3 讨论
淋溶液中氮素流失量受施肥量影响较大，化肥的不合理施用是造成蔬菜地氮素大量流失的主要原因，且化肥施用量与氮素流失量呈显著正相关[24]。由于化肥的不合理施用，使得每年有1000 多万t的氮素流失[25]，不仅会造成资源浪费，还会对环境质量产生严重的影响，造成水环境污染等问题[1]。夏红霞等[26]发现，化肥流失量和施用量呈显著正相关，这与本研究得出的结论相一致。淋溶液中氮素主要以可溶性氮为主，其中硝态氮为主要氮形态。不同形态氮素自身的电荷特性也会影响氮素的流失，硝态氮带负电荷，土壤胶体表面也带有负电荷，而氨态氮带有正电荷，易于被土壤所吸附，因此硝态氮相比于氨态氮更易于流失。
化肥的过量施用使得小白菜产量和品质降低，为了保证小白菜的产量和品质，可以适当降低化肥的施用量。研究发现，施肥量为150 kg/hm2时（60%），小白菜产量和维生素含量均较高。严瑾等[27]研究发现，小白菜的生长所需的最佳施氮量为130～180 kg/hm2，这与本研究的结论相一致。太湖地区蔬菜地化肥减施40%蔬菜产量提高8.96%，且维生素含量最高[28]。张国红[29]发现，当施肥量超过蔬菜最大需肥量时，蔬菜产量呈不同程度的下降。聂胜委等[30]研究发现，化肥连续2季减施20%作物产量不减，进一步表明适当减少化肥的施用不会降低作物产量。薛世通等[31]研究发现，当施氮量减少90 kg/hm2时可以显著增加作物产量，达到减氮增效的目的。
施肥是导致小白菜硝酸盐含量提高的重要因素，小白菜硝态氮含量和施肥量具有正相关关系[32]。蔬菜作物极易富集硝酸盐[22]，人体摄入的硝酸盐有70%～85%来源于蔬菜[33]。硝酸盐进入人体后，可被体内的亚硝化细菌还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐可能会与二甲胺、三甲胺结合，产生的亚硝铵是强致癌物质，诱发一系列疾病，比如食道癌、胃癌等[34]。孙金德[35]发现硝酸盐本身对人体伤害不大，但是硝酸盐进入人体后被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐进入血液后与人体内的亚铁离子结合，使血液中的亚铁离子无法运载氧气，造成缺氧的症状。维生素C含量的高低也是衡量蔬菜品质的重要指标，由于人体自身不能合成维生素C，其所需的维生素C主要来源于蔬菜[35]。施肥量对作物维生素C含量产生影响，适当施肥可以提高作物维生素C的含量，当施肥量过高时，作物维生素C含量又呈现逐渐降低的变化趋势[36]。王荣萍等[37]发现，过量施用氮肥造成小白菜中硝酸盐含量的升高，使得小白菜品质下降。化肥的适当减量施用不仅可以增加小白菜的产量，提高肥料的利用率，还可提高小白菜的品质。当化肥施用量过高时，一方面会抑制小白菜的生长，使得小白菜产量降低，另一方面会造成大量的氮素随淋溶液流失，使得肥料利用率降低。
4 结论
氨态氮、硝态氮和总氮的流失量均随着施肥量的减少逐渐降低，减少40%化肥的施用，总氮流失量比100%减少12.18 kg/hm2，硝态氮减少11.38 kg/hm2。淋溶液中硝态氮占总氮的比例最高，为81.98%～88.25%，氨态氮仅占3.45%～4.34%，因此减少硝态氮的流失是控制氮素流失的有效方式。施肥量与总氮流失量具有极显著正相关，减少化肥的施用可以降低总氮的流失量与净流失率。小白菜的株高和鲜重均随着施肥量的降低呈先升高后下降趋势，施肥量为传统施肥量的60%时株高和鲜重均最高。施肥量与小白菜硝态氮间呈极显著正相关，减少化肥的施用可以显著减少小白菜中硝酸盐含量。小白菜维生素C含量随着化肥用量的降低呈先上升后降低的趋势，维生素C含量以化肥减量40% 的处理最高。
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