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1背景
苏州市吴中区是沿太湖的环境敏感区域，农业生产是吴中区的重点产业，而由此带来的农业面源污染不可忽视。调查显示，菜地系统的肥料源养分添加量高出大田4-10倍，是蔬菜生长所需量的6-8倍。肥料高投入带来的与此对应的是低下的利用效率与土壤体系的大量冗余。前期在田间试验报道，菜地系统的氮肥利用率仅14.6%-42.5%，而冗余超过50%;磷肥土壤残留也十分显著。过量施用的肥料氮磷以及残留在土壤中的养分，都极易因降水或灌溉而引发流失，对周边环境水体，甚至地下水带来威胁。
菜地系统中，露天和大棚两者环境差异显著。大棚膜的覆盖，减少了低温对作物的冻害，也阻隔了降水的直接冲刷。因此，大棚环境年蔬菜种植的复种指数更高，以年为单位的养分投入总量更大，土壤中可能存在更为严重的肥料养分残留现象。而露天环境的菜地系统，降水一旦发生，对菜地土壤可产生直接冲击，极易驱动颗粒态和离子态的氮磷养分的流失。由此可见，虽然露天和大棚菜地系统的作物氮磷流失的发生机理可能存在不同，但是，两者均具有较高的氮磷流失风险。
优化肥料施用，提高氮磷利用效率，是减少菜地系统氮磷流失的重要途径，对改善河道水系以及太湖水体的水质至关重要。基于前期调查数据，吴中区菜地系统的肥料氮磷施用强度普遍偏高，且投入的肥料主要以复合化肥为主。对此，本研究在吴中区东山镇选取常年耕作的大棚和露天菜地，在减少肥料投入总量的前提下，调整肥料投入种类，研究养分投入形态对蔬菜的植株生长、养分利用和菜地土壤属性的影响，以提高养分利用效率、减少菜地系统氮磷流失风险为目标，筛选出推荐的肥料种类，为吴中区降低农业面源污染负荷给予技术支撑。
2材料与方法
2.1试验区域环境
本研究以江苏省苏州市吴中区典型菜地系统为对象，所选的东山镇地处长江三角洲腹地、紧邻太湖。该区域降水丰沛（年降水量超过1100mm以上），四季分明。该区域农田土壤多为湖积土，菜地系统的耕作土壤层厚约15 cm。东山镇大棚和露天菜地的试验区域选址位于现代农业科技园区，坐标N120.4467°，E31.0910°。
2.2试验土壤属性
试验开始前，采集大棚和露天环境下的菜地土壤，检测相关理化性质（表2-1）。试验区（大棚和露天环境）前茬均为叶菜类蔬菜，但是由于作物种类、肥料施用和种植管理的差异，土壤相关属性已显示出一定不同。如表所示，大棚环境土壤pH和有机质含量低于同区域的露天环境。
2.3试验设计
试验以氮投入量作为肥料添加的调控标准，参考当地农户单季施肥习惯30～40 kg N/亩，将试验氮添加量设定为25 kg N/亩。分别在东山镇大棚和露天环境下设置4种肥料处理：不施肥处理，有机无机肥处理（使用华昌化工生产的N：P2O5：K2O为5%：5%：10%的有机无机复混肥），纯有机肥处理（使用亿扬沸石肥料厂生产的N：P2O5：K2O为1.7%：3.8%：1.3%的有机肥），和纯无机处理（使用金正大生产的N：P2O5：K2O为17%：17%：17%的复合肥），种植青菜。实际氮磷钾投入情况参见表2-2。
每种处理小区面积不小于30m2，其中不施肥处理，在种植前，四周挖沟埋入拦截布，以此防止其他小区养分的流动干扰。以2：1为基肥和追肥比例，基肥施入后与表层土壤混合，静置3天后，播种，以青菜出芽为时间点计，15天后施入追肥，50天后，收获。本次试验开始于2021年2月，因冬季气温较低，故生长期较长。
2.4样品采集及指标测定
青菜收获时，每个小区贴地割取4个1 m2的样方，称量鲜重，进行测产。采集部分青菜样品冷藏、保鲜，用以蛋白质、游离氨基酸、纤维素、维生素C、可溶性糖的测定;另一部分青菜样品，烘干，記录干物质率，测定其氮磷钾含量。此外，收获当天采集每个小区混合土壤样品，测定速效态氮磷钾含量，全氮和有机质含量，以及pH值。所有指标均采用国标法进行测定。
2.5数据处理
2.5.1作物养分利用效率计算
各小区植株地上部分分别称重，分别记干物质重（kg·亩-1），测定其氮磷钾含量（g·kg-1），氮磷钾施用量参见表2-2。
作物氮/磷/钾吸收量（kg·亩-1）= 干物质重（kg·亩-1）×氮/磷/钾含量（g·kg-1）× 10-3
氮利用效率（NUE，%）=作物氮吸收量（kg·亩-1）÷ 25 kg·亩-1× 100%
磷利用效率（PUE，%）=作物磷吸收量（kg·亩-1）÷ 8.6～55.9 kg·亩-1× 100%
钾利用效率（KUE，%）=作物钾吸收量（kg·亩-1）÷ 16.7～25 kg·亩-1× 100%
2.5.2统计
研究采用SPSS （SPSS ver. 16.0 for Windows， SPSS Inc.， USA） 中Duncan法对作物产量、养分吸收量、养分利用效率、土壤养分含量等数据进行差异显著性分析（ANOVA，P<0.05）;采用Microsoft Excel软件对数据进行制图。
3结果与分析
3.1植株产量
受气温影响，大棚环境的青菜长势显著优于露天环境。不同处理中，有机无机处理青菜产量显著高于其他处理。因为，地力较高，不施肥处理和纯无机处理的青菜产量并不差异。值得注意的是，纯有机处理的青菜产量显著低于其他处理，这可能与青菜生长周期较短，而纯有机处理速效养分含量较低有关。
3.2植株养分吸收情况及利用效率
纯无机处理的作物氮磷钾含量均显著高于其他处理。对氮而言，不施肥和有机无机处理的作物氮含量与纯无机处理差异不大，而纯有机处理则较低。对磷而言，大棚环境下的有机无机处理磷含量较高于不施肥和纯有机处理;露天环境下的有机无机处理与不施肥处理植株磷含量差异不显著。对钾而言，大棚环境下的处理间差异较大，而露天环境下有机无机与纯无机处理无显著差异，不施肥与纯有机处理无显著差异。 作物的养分吸收量与植株养分含量趋势相似。整体来说，有机无机处理作物的氮磷钾吸收量优势显著。纯无机处理在大棚环境下，作物氮磷钾吸收量优于不施肥和纯有机处理，露天环境下，纯无机与不施肥处理差异不显著。由于作物产量和氮磷钾含量均较低，本试验的纯有机处理作物氮磷钾吸收量均较低。相比于大棚环境，露天环境下原土壤中的养分含量较低，且温度较低、早晚波动大，对于作物的生长和养分利用均存在不利影响，处理间的差异在露天环境下也更为显著。
当前地力条件下，肥料的当季利用效率不足30%，尤其是钾肥的利用效率，不足18%（表3-1）。这充分说明该区域的菜地系统仍然具备肥料减投的潜力，且针对不同作物的氮磷钾需求比是不同的。不同处理作物氮磷钾利用效率呈现有机无机>纯无机>纯有机的整体趋势。有机无机处理较纯无机处理提升了氮利用效率0.5～1倍，磷利用效率1～3倍，钾利用效率0.6～1.4倍。
3.3植株其他营养物质含量
作物蛋白质、维生素C含量与作物生长情况趋势相似，有机无机和纯无机处理较不施肥处理提高了蛋白质含量5～30%，维生素C含量2～7%。
是否施用肥料对作物可溶性糖含量起决定性作用，施肥较不施肥提高了作物可溶性糖含量25～75%。
纤维素含量在大棚和露天环境对肥料处理的响应较为不同，大棚环境处理间差异不显著;露天环境肥料施用的处理作物纤维素含量较高。
试验处理对作物游离氨基酸含量影响不显著。
3.4土壤速效氮磷钾含量
大棚和露天环境下的矿质态氮含量及形态存在一定差异。大棚环境下，不同处理的土壤铵态氮含量差异不大，硝态氮是多数处理主要的矿质态氮形态，且有机无机和纯无机处理的硝态氮含量显著高于其他处理;露天环境下，有机无机和纯有机处理的土壤铵态氮含量较高，而硝態氮含量差异不显著。
试验土壤中的有效磷含量普遍较高，无机肥的施用是土壤有效磷含量较高的主要原因。大棚环境下纯无机处理的土壤有效磷含量超过了350mg/kg，露天环境下有机无机和纯无机处理的土壤有效磷含量超过200 mg/kg。
无机肥的施用同样也提高了土壤有效钾含量，纯无机处理在大棚和露天菜地环境下均具有最高的土壤有效钾含量。大棚环境下，纯有机处理的土壤有效钾含量也偏高，但露天环境下，剩余处理间差异不显著。
3.5土壤肥力及pH
大棚环境的土壤总氮量整体高于露天环境。仅一个种植季的肥料处理对土壤总氮含量影响有限。
作为维持菜地系统土壤肥力和生产力的重要指标，提高并维持有机质含量至关重要。东山镇菜地系统土壤并未因处理不同而在土壤有机质含量上出现较大差异。由此可见，适宜的肥料投入有利于土壤总氮和有机质含量的提高。
东山镇不同处理土壤pH均位于7.0～7.5之间，差异不显著。这说明，长期过量于作物吸收的化肥氮使用，是土壤酸化的主要原因，但是菜地作物对养分的需求多为速效态的，纯有机形态肥料的使用不能兼顾产量的保障。因此，要维持土壤pH，在调节肥料种类的同时，对肥料施用量的调节也不可忽视。
4结论
（1）与纯无机肥处理相比，有机无机肥的施用能够较高维持甚至提高青菜产量和氮磷肥的当季肥料利用效率。肥料施用显著提高了青菜的可溶性糖含量;有机无机和纯无机肥料的施用也同步提高了青菜的蛋白质和维生素C含量;纤维素和游离氨基酸含量对肥料施用的响应不显著。
（2）有机无机和纯无机肥的施用显著提高了土壤硝态氮和有效磷的含量。当前试验条件下，大棚环境的土壤总氮量整体高于露天环境，而pH则相反;露天环境下，土壤有机质含量更易因肥料施用的影响而发生波动，适宜的肥料投入有利于土壤总氮和有机质含量的提高。
（3）兼顾作物产量和土壤生产力的可持续性，采用有机无机结合的方式，能够及时提供作物所需的速效养分，同时实现土壤的培肥和维稳。基于当前地力条件，养分投入仍具有一定削减空间，肥料的利用效率有望进一步提升。
苏州市吴中区是沿太湖的环境敏感区域，农业生产是吴中区的重点产业，而由此带来的农业面源污染不可忽视。调查显示，菜地系统的肥料源养分添加量高出大田4-10倍，是蔬菜生长所需量的6-8倍。肥料高投入带来的与此对应的是低下的利用效率与土壤体系的大量冗余。前期在田间试验报道，菜地系统的氮肥利用率仅14.6%-42.5%，而冗余超过50%;磷肥土壤残留也十分显著。过量施用的肥料氮磷以及残留在土壤中的养分，都极易因降水或灌溉而引发流失，对周边环境水体，甚至地下水带来威胁。
菜地系统中，露天和大棚两者环境差异显著。大棚膜的覆盖，减少了低温对作物的冻害，也阻隔了降水的直接冲刷。因此，大棚环境年蔬菜种植的复种指数更高，以年为单位的养分投入总量更大，土壤中可能存在更为严重的肥料养分残留现象。而露天环境的菜地系统，降水一旦发生，对菜地土壤可产生直接冲击，极易驱动颗粒态和离子态的氮磷养分的流失。由此可见，虽然露天和大棚菜地系统的作物氮磷流失的发生机理可能存在不同，但是，两者均具有较高的氮磷流失风险。
优化肥料施用，提高氮磷利用效率，是减少菜地系统氮磷流失的重要途径，对改善河道水系以及太湖水体的水质至关重要。基于前期调查数据，吴中区菜地系统的肥料氮磷施用强度普遍偏高，且投入的肥料主要以复合化肥为主。对此，本研究在吴中区东山镇选取常年耕作的大棚和露天菜地，在减少肥料投入总量的前提下，调整肥料投入种类，研究养分投入形态对蔬菜的植株生长、养分利用和菜地土壤属性的影响，以提高养分利用效率、减少菜地系统氮磷流失风险为目标，筛选出推荐的肥料种类，为吴中区降低农业面源污染负荷给予技术支撑。
2材料与方法
2.1试验区域环境
本研究以江苏省苏州市吴中区典型菜地系统为对象，所选的东山镇地处长江三角洲腹地、紧邻太湖。该区域降水丰沛（年降水量超过1100mm以上），四季分明。该区域农田土壤多为湖积土，菜地系统的耕作土壤层厚约15 cm。东山镇大棚和露天菜地的试验区域选址位于现代农业科技园区，坐标N120.4467°，E31.0910°。
2.2试验土壤属性
试验开始前，采集大棚和露天环境下的菜地土壤，检测相关理化性质（表2-1）。试验区（大棚和露天环境）前茬均为叶菜类蔬菜，但是由于作物种类、肥料施用和种植管理的差异，土壤相关属性已显示出一定不同。如表所示，大棚环境土壤pH和有机质含量低于同区域的露天环境。
2.3试验设计
试验以氮投入量作为肥料添加的调控标准，参考当地农户单季施肥习惯30～40 kg N/亩，将试验氮添加量设定为25 kg N/亩。分别在东山镇大棚和露天环境下设置4种肥料处理：不施肥处理，有机无机肥处理（使用华昌化工生产的N：P2O5：K2O为5%：5%：10%的有机无机复混肥），纯有机肥处理（使用亿扬沸石肥料厂生产的N：P2O5：K2O为1.7%：3.8%：1.3%的有机肥），和纯无机处理（使用金正大生产的N：P2O5：K2O为17%：17%：17%的复合肥），种植青菜。实际氮磷钾投入情况参见表2-2。
每种处理小区面积不小于30m2，其中不施肥处理，在种植前，四周挖沟埋入拦截布，以此防止其他小区养分的流动干扰。以2：1为基肥和追肥比例，基肥施入后与表层土壤混合，静置3天后，播种，以青菜出芽为时间点计，15天后施入追肥，50天后，收获。本次试验开始于2021年2月，因冬季气温较低，故生长期较长。
2.4样品采集及指标测定
青菜收获时，每个小区贴地割取4个1 m2的样方，称量鲜重，进行测产。采集部分青菜样品冷藏、保鲜，用以蛋白质、游离氨基酸、纤维素、维生素C、可溶性糖的测定;另一部分青菜样品，烘干，記录干物质率，测定其氮磷钾含量。此外，收获当天采集每个小区混合土壤样品，测定速效态氮磷钾含量，全氮和有机质含量，以及pH值。所有指标均采用国标法进行测定。
2.5数据处理
2.5.1作物养分利用效率计算
各小区植株地上部分分别称重，分别记干物质重（kg·亩-1），测定其氮磷钾含量（g·kg-1），氮磷钾施用量参见表2-2。
作物氮/磷/钾吸收量（kg·亩-1）= 干物质重（kg·亩-1）×氮/磷/钾含量（g·kg-1）× 10-3
氮利用效率（NUE，%）=作物氮吸收量（kg·亩-1）÷ 25 kg·亩-1× 100%
磷利用效率（PUE，%）=作物磷吸收量（kg·亩-1）÷ 8.6～55.9 kg·亩-1× 100%
钾利用效率（KUE，%）=作物钾吸收量（kg·亩-1）÷ 16.7～25 kg·亩-1× 100%
2.5.2统计
研究采用SPSS （SPSS ver. 16.0 for Windows， SPSS Inc.， USA） 中Duncan法对作物产量、养分吸收量、养分利用效率、土壤养分含量等数据进行差异显著性分析（ANOVA，P<0.05）;采用Microsoft Excel软件对数据进行制图。
3结果与分析
3.1植株产量
受气温影响，大棚环境的青菜长势显著优于露天环境。不同处理中，有机无机处理青菜产量显著高于其他处理。因为，地力较高，不施肥处理和纯无机处理的青菜产量并不差异。值得注意的是，纯有机处理的青菜产量显著低于其他处理，这可能与青菜生长周期较短，而纯有机处理速效养分含量较低有关。
3.2植株养分吸收情况及利用效率
纯无机处理的作物氮磷钾含量均显著高于其他处理。对氮而言，不施肥和有机无机处理的作物氮含量与纯无机处理差异不大，而纯有机处理则较低。对磷而言，大棚环境下的有机无机处理磷含量较高于不施肥和纯有机处理;露天环境下的有机无机处理与不施肥处理植株磷含量差异不显著。对钾而言，大棚环境下的处理间差异较大，而露天环境下有机无机与纯无机处理无显著差异，不施肥与纯有机处理无显著差异。 作物的养分吸收量与植株养分含量趋势相似。整体来说，有机无机处理作物的氮磷钾吸收量优势显著。纯无机处理在大棚环境下，作物氮磷钾吸收量优于不施肥和纯有机处理，露天环境下，纯无机与不施肥处理差异不显著。由于作物产量和氮磷钾含量均较低，本试验的纯有机处理作物氮磷钾吸收量均较低。相比于大棚环境，露天环境下原土壤中的养分含量较低，且温度较低、早晚波动大，对于作物的生长和养分利用均存在不利影响，处理间的差异在露天环境下也更为显著。
当前地力条件下，肥料的当季利用效率不足30%，尤其是钾肥的利用效率，不足18%（表3-1）。这充分说明该区域的菜地系统仍然具备肥料减投的潜力，且针对不同作物的氮磷钾需求比是不同的。不同处理作物氮磷钾利用效率呈现有机无机>纯无机>纯有机的整体趋势。有机无机处理较纯无机处理提升了氮利用效率0.5～1倍，磷利用效率1～3倍，钾利用效率0.6～1.4倍。
3.3植株其他营养物质含量
作物蛋白质、维生素C含量与作物生长情况趋势相似，有机无机和纯无机处理较不施肥处理提高了蛋白质含量5～30%，维生素C含量2～7%。
是否施用肥料对作物可溶性糖含量起决定性作用，施肥较不施肥提高了作物可溶性糖含量25～75%。
纤维素含量在大棚和露天环境对肥料处理的响应较为不同，大棚环境处理间差异不显著;露天环境肥料施用的处理作物纤维素含量较高。
试验处理对作物游离氨基酸含量影响不显著。
3.4土壤速效氮磷钾含量
大棚和露天环境下的矿质态氮含量及形态存在一定差异。大棚环境下，不同处理的土壤铵态氮含量差异不大，硝态氮是多数处理主要的矿质态氮形态，且有机无机和纯无机处理的硝态氮含量显著高于其他处理;露天环境下，有机无机和纯有机处理的土壤铵态氮含量较高，而硝態氮含量差异不显著。
试验土壤中的有效磷含量普遍较高，无机肥的施用是土壤有效磷含量较高的主要原因。大棚环境下纯无机处理的土壤有效磷含量超过了350mg/kg，露天环境下有机无机和纯无机处理的土壤有效磷含量超过200 mg/kg。
无机肥的施用同样也提高了土壤有效钾含量，纯无机处理在大棚和露天菜地环境下均具有最高的土壤有效钾含量。大棚环境下，纯有机处理的土壤有效钾含量也偏高，但露天环境下，剩余处理间差异不显著。
3.5土壤肥力及pH
大棚环境的土壤总氮量整体高于露天环境。仅一个种植季的肥料处理对土壤总氮含量影响有限。
作为维持菜地系统土壤肥力和生产力的重要指标，提高并维持有机质含量至关重要。东山镇菜地系统土壤并未因处理不同而在土壤有机质含量上出现较大差异。由此可见，适宜的肥料投入有利于土壤总氮和有机质含量的提高。
东山镇不同处理土壤pH均位于7.0～7.5之间，差异不显著。这说明，长期过量于作物吸收的化肥氮使用，是土壤酸化的主要原因，但是菜地作物对养分的需求多为速效态的，纯有机形态肥料的使用不能兼顾产量的保障。因此，要维持土壤pH，在调节肥料种类的同时，对肥料施用量的调节也不可忽视。
4结论
（1）与纯无机肥处理相比，有机无机肥的施用能够较高维持甚至提高青菜产量和氮磷肥的当季肥料利用效率。肥料施用显著提高了青菜的可溶性糖含量;有机无机和纯无机肥料的施用也同步提高了青菜的蛋白质和维生素C含量;纤维素和游离氨基酸含量对肥料施用的响应不显著。
（2）有机无机和纯无机肥的施用显著提高了土壤硝态氮和有效磷的含量。当前试验条件下，大棚环境的土壤总氮量整体高于露天环境，而pH则相反;露天环境下，土壤有机质含量更易因肥料施用的影响而发生波动，适宜的肥料投入有利于土壤总氮和有机质含量的提高。
（3）兼顾作物产量和土壤生产力的可持续性，采用有机无机结合的方式，能够及时提供作物所需的速效养分，同时实现土壤的培肥和维稳。基于当前地力条件，养分投入仍具有一定削减空间，肥料的利用效率有望进一步提升。