2020, Vol. 52
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 江苏省宜兴市蔬菜办公室, 江苏宜兴 214206
蔬菜种植产业在我国迅速发展。2014年全国蔬菜播种面积为2 140万hm2, 占农作物总播种面积的12.94%, 总产量达76 005万t。太湖流域蔬菜地面积约为5.53万hm2, 占该区域旱地面积的20.2%。蔬菜产业高投入高产出的密集型生产特点, 导致蔬菜生产过程中需要大量的肥料和劳动力投入。山东设施蔬菜年平均施氮量达到1 351 kg/hm2(以纯氮量计, 下同) [1], 太湖地区菜地每季蔬菜作物氮肥施用量为600 ~ 750 kg/hm2[2], 周年施氮量高达1 800 ~ 2 250 kg/hm2, 是该地区稻麦轮作体系施氮量500 ~ 600 kg/hm2的3倍~ 4倍[3]。施入土壤中的化肥氮仅10% ~ 18%被蔬菜作物吸收利用, 远低于我国水稻氮肥利用率(28.3%), 大量化肥氮损失对环境造成严重威胁[4-5]。众多研究认为, 菜地周边地下水硝酸盐超标率35%, 氨氮超标率为8%;氨挥发是菜地土壤氮素损失的重要途径, 氨挥发损失量一般可占施氮量的24%[6-7]。有研究表明, 氮肥起垄条施可以提高氮利用率、增加作物产量并减少氮肥环境损失, 且不同垄宽对作物产量也有显著影响[8-12]。氮肥条施管理措施在露天菜地化肥减施增效上应用潜力巨大, 但对劳动力需求增多, 与农村劳动力日益匮乏的现状相冲突。在日本等农业发达国家, 农业机械化高度发展, 而国内适用于蔬菜作物的机械化技术相对短缺。为发展资源节约、环境友好的现代农业, 我国农业部提出推广机械深施等技术。在日本广泛应用的机械起垄侧条施肥技术, 是用侧条施肥机械将肥料一次集中施于作物根系一侧5 ~ 8 cm深处, 使肥料呈条状集中而不分散, 形成一个贮肥库逐渐释放供给作物生育需求。然而, 该技术在我国蔬菜生产体系应用的适应性、经济和环境效应如何尚不清楚。为此, 本研究以我国大面积栽培的蔬菜品种大白菜为供试蔬菜作物, 通过连续两年的田间试验, 研究机械起垄侧条施技术在太湖地区大白菜生产中合适的垄宽和该垄宽下对大白菜产量、经济效益和氨挥发的影响。
1 材料与方法 1.1 试验地及供试作物试验分别于2015年和2016年的9—12月在位于太湖地区的江苏省宜兴市周铁镇中悦路农场进行。该地区位于中纬度地区, 属湿润的北亚热带季风气候区, 平均气温15 ~ 17℃, 多年平均降雨量为1 181 mm。试验地为传统的露天蔬菜种植区, 其0 ~ 20 cm土壤理化性质见表 1。供试作物大白菜(Brassica rapa pekinensis)品种为改良青杂三号, 青岛国际种苗有限公司生产, 适宜秋天露天种植。
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表 1 试验地点耕层土壤理化性质 Table 1 Physiochemical properties of experimental soils |
2015年田间试验设置2个垄宽水平, 分别为35 cm (N)和55 cm(W); 2种起垄施肥方式, 分别为机械起垄侧条施(M)和人工起垄撒施(H, 传统施肥方式); 2个施化肥氮水平, 分别为习惯施氮量和减氮30%, 各处理施氮量见表 2。每个处理3次重复, 随机区组排列。
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表 2 试验区蔬菜作物施氮量(N, kg/hm2) Table 2 Fertilizer application rates of vegetable crops in the experimental site |
2016年田间试验在垄宽55 cm基础上, 设置了4个处理：人工起垄不施化肥氮处理(N0+HW)、人工起垄习惯施氮量处理(N480+HW, 传统施肥方式)、人工起垄减氮30%处理(N340+HW)和机械起垄侧条减氮30%处理(N340+MW)。每个处理3次重复, 随机区组排列。
两年的基施氮肥均为复合肥(N-P2O5-K2O含量为10-10-10), 各处理有机肥、磷肥和钾肥用量相同, 整地时每公顷撒施5 450 kg有机肥, 折合纯氮120 kg/hm2, 翻耕入土, 低肥处理和不施肥对照处理分别以基肥形式增施钙镁磷肥117 kg/hm2和234 kg/hm2, 增施硫酸钾28 kg/hm2和56 kg/hm2。各小区田间水分管理和病虫害防治等与当地农民传统方法相同。大白菜莲座期各小区人工追施1次尿素, 用量为纯氮200 kg/hm2。
1.3 植株样品的采集及测定收获时大白菜每小区全部称重计产, 即生物产量; 以叶球紧密包裹部分为大白菜商品部分, 每小区全部商品部分称重计商品产量。
采集植株地上部鲜样, 105℃杀青30 min, 然后70℃下烘至恒重后称干重; 全氮用浓H2SO4-H2O2消煮, 自动定氮仪(BUCHI 399)测定[13]。
1.4 土壤氨挥发的采集及测定采用PVC管双层海绵吸收-通气法测定土壤氨挥发[14]。土壤氨挥发的采集于施肥后立即开始, 次日早晨8：00取样, 每天1次, 1周后, 采样时间调整为7天1次。收集的海绵用l.0 mol/L KCl溶液浸提自动定氮仪(BUCHI 399)测定。持续采集和测定直至施氮处理与不施化肥氮处理的氨挥发通量无差异时为止。
1.5 统计分析试验数据采用Excel 2007、SPSS 11.5等软件进行统计分析, 采用LSD方法分析数据间的差异显著性(显著水平P < 0.05和P < 0.01)。
2 结果分析 2.1 不同垄宽处理对大白菜生物产量和商品产量的影响从图 1A可以看出, 3组55 cm宽垄处理的大白菜生物产量都显著高于35 cm窄垄处理, 同等施肥量条件下55 cm宽垄种植模式可以显著提高大白菜产量15.4%。与农户传统习惯施肥处理(N480+HW)相比, 机械起垄侧条施肥技术可以在减少30%化肥氮(N340+MW)的基础上保证大白菜产量构成。综合以上结果, 可以初步判定机械起垄侧条施肥技术适用于太湖地区露天大白菜生产, 55 cm垄宽为当地最适生产参数。
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(图中小写字母不同表示垄宽和施肥量处理之间差异显著(P < 0.05), 下同) 图 1 不同垄宽处理大白菜的生物产量及商品产量 Fig. 1 Biomass and economic yields of Chinese cabbage under different treatments |
从图 1B可以看出, 3组55 cm宽垄处理的大白菜商品产量显著高于35 cm窄垄处理; 同等施肥量下, 55 cm宽垄种植模式可以显著提高大白菜商品产量24.2%, 在保证商品产量不降低的情况下, 机械起垄侧条施肥技术可以减少30%化肥氮的使用, 结果与生物产量数据相一致。
2.2 适宜垄宽下不同氮肥处理对大白菜生物产量和商品产量的影响从图 2A可以看出, 与不施化肥对照处理(N0+ HW)相比, 增施化肥可以显著增加大白菜生物产量27.5 ~ 36.8 t/hm2(P < 0.05)。与农户传统施肥处理(N480+HW)相比, 减施30%化肥氮处理(N340+HW)生物产量降低7.1%, 而同样减施30%化肥氮的机械起垄侧条施肥处理(N340+MW)产量增长8.8%。
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图 2 不同氮肥处理大白菜的生物产量及商品产量 Fig. 2 Biomass and economic yields of Chinese cabbage under different treatments |
从图 2B还可以看出, 与不施化肥氮对照处理(N0+HW)相比, 增施化肥可以显著增加大白菜商品产量14.6 ~ 21.7 t/hm2(P < 0.05)。与农户传统施肥处理(N480+HW)相比, 减施30%化肥氮处理(N340+HW)商品产量降低了5.0%, 而同样减施30%化肥氮的机械起垄侧条施肥处理(N340+MW)商品产量增长了13.6%。表明机械起垄侧条施肥技术可以在保证产量的基础上实现太湖地区露天大白菜生产的化肥减施。
2.3 不同氮肥处理对大白菜经济效益的影响由表 3可以看出, 在大规模种植条件下, 与传统人工种植方式相比, 机械起垄侧条施肥可显著降低生产成本, 与农户传统施肥处理处理(N480+HW)相比, 减施30%化肥氮的机械起垄侧条施肥处理(N340+MW)每公顷减少肥料成本投入3 594元, 每公顷减少劳动力成本投入1 600元, 在降低生产成本的同时获得了最大商品产量, 产值最高, 纯利润增加了58.3%, 实现了太湖地区露天大白菜生产体系的减施增效。
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表 3 不同处理的经济效益比较 Table 3 Comparison of economic profits of different treatments |
根据公式, 化肥氮素表观利用率(%)=(施化肥氮小区地上部吸氮量-不施化肥氮小区地上部吸氮量)/施氮量×100, 计算不同处理化肥氮表观利用率。结果(图 3)表明：N480+HW处理化肥氮素表观利用率为8.39%, 与之相比, N340+HW处理化肥氮素表观利用率增加了24.8%;N340+MW化肥氮素表观利用率最高为15.1%, 比N480+HW处理增加了79.3%, 表明机械起垄侧条施肥技术可以显著提高化肥氮素表观利用率, 减少氮素的环境损失。
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图 3 不同处理化肥氮素表观利用率 Fig. 3 Efficiencies of nitrogen fertilizer under different treatments |
由图 4可知, 与不施化肥氮对照处理(N0+HW)相比, 施用化肥氮处理的土壤氨挥发累积量显著增加15.4 ~ 86.9 kg/hm2(以纯氮量计), 农民传统施肥方式处理(N480+HW)氨挥发损失量为101.5 kg/hm2, 占总施氮量的16.9%;减施30%化肥氮处理(N340+HW)处理的氨挥发损失为61.3 kg/hm2, 比N480+HW处理减少氨挥发损失40.2 kg/hm2, 表明减少施肥量可显著降低太湖地区蔬菜体系的氨挥发损失; 而减施30%化肥氮的机械起垄侧条施肥处理(N340+MW)氨挥发较N480+HW和N340+HW处理分别降低了70.5%和51.1%, 表明机械起垄侧条施技术可显著降低太湖地区蔬菜体系的氨挥发损失。
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图 4 不同处理氨挥发 Fig. 4 Ammonia volatilization under different treatments |
本试验在太湖地区露天栽培条件下进行, 与35 cm窄垄相比, 55 cm宽垄种植模式下大白菜的生物产量和商品产量显著提高。有研究表明, 长期宽垄种植的水稻土其土壤有机碳含量高于窄垄种植水稻土, 长期宽垄耕作改变了稻田土壤有机碳分布格局, 改善了土壤理化性质及其生态效应, 增加了稻田土壤有机碳储量[15]。另一方面根区土壤温度控制着作物根系的代谢和生长, 同时影响作物根系的养分吸收, 进而影响作物地上部的各种生理活动[16], 是制约冬季蔬菜生产的重要环境因素。刘炜等[17]研究表明, 根区高温能促进根系伸长。改变栽培垄宽度能够影响作物根区温度, 进而改变根区热效应, 影响作物生长[18]。宽垄对于高温和低温环境下土壤缓冲能力优于窄垄, 蓄热保温能力强, 窄垄种植产量较低可能是由于根区环境不稳定, 根区遭受温度胁迫造成的[19]。
3.2 机械起垄侧条施肥对大白菜产量和经济效益的影响本试验秋季露天大白菜在农民习惯施肥(氮肥480 kg/hm2)下生物产量为71.8 t/hm2, 直接减少30%化肥氮使用即撒施氮肥340 kg/hm2, 大白菜产量达66.5 t/hm2, 两者之间的产量在统计上没有显著差异, 说明在该地区的蔬菜生产中存在一定的化肥减量空间。但是从绝对值来看, 直接减少30%化肥氮使用有减产风险, 降低大白菜产量和经济效益, 在实际生产中不易被农户接受。采用机械起垄侧条施肥, 化肥氮使用量比习惯施氮量减少30%后, 产量可达78.4 t/hm2, 大白菜产量进一步提高, 表明机械起垄侧条施肥能实现露天菜地生产体系减施增效, 这与其他作物体系的研究结果类似。一方面是因为机械起垄侧条施肥技术降低了肥料与土壤的接触面积, 有助于减少铵态氮(NH4+-N)固定的绝对量, 保证了大白菜营养生长中期的矿化氮供应。机械起垄侧条施肥围绕施肥带形成高浓度活动态营养元素“源”, 几乎可以保证整个营养生长期。另一方面由于撒施时地面肥料分布不均, 使作物产量不均匀, 收获时成熟度不一致, 降低了大白菜产量和品质。太湖地区露天菜地大白菜生长季中减施30%化肥氮的机械起垄侧条施肥处理(N340+MW)的化肥氮当季表观利用率最高, 表明在N340+MW处理土壤中施入的氮肥被作物充分吸收利用, 转化为自身产量。
机械起垄侧条施处理可显著降低生产成本。一方面N340+MW处理较农民习惯生产方式(N480+HW)减少30%化肥氮的使用, 减少肥料成本的投入; 另一方面随着经济社会发展, 农村劳动力资源严重匮乏, 人工生产成本日益增加, 机械起垄侧条施肥技术为农业生产机械化提供了保障, 可以更快更好地完成农业生产工作, 降低对劳动力的依赖, 减少生产过程中的成本投入。N340+MW处理可以显著提高肥料利用率, 在降低肥料投入的同时商品产量较N480+HW和N340+HW处理显著提高, 增加生产收入, 获得最大经济收益。
3.3 机械起垄侧条施肥对氨挥发的影响不施化肥氮处理(N0+HW)的大白菜, 在生长期内土壤氨挥发损失为14.6 kg/hm2, 化肥氮的施入显著增加土壤的氨挥发损失(图 4)。农民传统种植方式(N480+HW)下, 土壤氨挥发损失为101.5 kg/hm2, 与之相比, N340+MW处理可减少土壤70.5%氨挥发损失。杨淑莉等[20]研究也表明, 氮肥在土壤中的位置对氨挥发损失的影响非常显著, 氮素深施可有效抑制氨挥发损失。这是由于条施覆土会增加土壤中的氨气向大气扩散的阻力[21], 同时也会增加土壤颗粒对NH4+和氨的吸持, 因此条施覆土能够显著降低土壤氨挥发[22]。在大田作物生产中, 氮肥条施可显著减少27% ~ 90%的氨挥发损失。不同试验地的气候条件是造成氨挥发排放差异显著的重要原因[23]。温度和土壤湿度是影响农田氨挥发损失的主要途径, 华北地区夏玉米生长季和南方地区水稻生长季都是一年中水热资源最丰富的时期, 该气候条件对施入土壤的氮肥转化为氨进而排放到空气中有极大的促进作用, 故而在该时期采用氨挥发减排措施控制氨挥发的效果最好, 部分地区氨挥发排放可减少90%[24]。
4 结论机械起垄侧条施肥技术在露天大白菜种植上, 适宜的垄宽为55 cm, 该垄宽种植可显著提高大白菜的生物产量和商品产量。与人工传统施肥方式相比, 机械起垄侧条施肥可减少大白菜30%化肥氮投入, 且可提高8.8%生物产量和13.8%商品产量, 增加58.3%经济效益。此外, 机械起垄侧条施技术可显著减少菜地氨挥发损失。
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2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Yixing Vegetable Office in Jiangsu Province, Yixing, Jiangsu 214206, China