施氮量对麦后复种不同蔬菜模式土壤养分及产量的影响

Influence of nitrogen application on soil nutrients and yields of various vegetables grown after wheat harvest

摘要

目的 通过研究施氮量对麦后复种不同蔬菜模式下土壤特性及蔬菜产量的影响，为宁夏灌区麦后复种氮肥合理高效利用提供理论依据。 方法 以麦后复种娃娃菜（小义和秋）、辣椒（娇龙7号）、萝卜（心里美）为材料，采用裂区设计，主区为3种复种蔬菜，娃娃菜（A）、辣椒（B）、萝卜（C），副区为4个施氮水平：0（N₁）、180 kg/hm²（N₂）、225 kg/hm²（N₃）、270 kg/hm²（N₄），通过作物生长及土壤相关指标测定，研究了不同施氮量在3种复种模式下对土壤养分及蔬菜产量的影响。 结果 适量增施氮肥有利于提高土壤碱解氮、速效磷和有机质含量，其在N₃处理下的含量均显著高于其他处理（P<0.05）；速效钾、含水量和容重则随施氮量增加有所下降；复种模式对土壤养分的影响表现为为娃娃菜>萝卜>辣椒；各复种蔬菜产量随施氮量的增加变化不同，辣椒和萝卜产量随施氮量增加呈抛物线型变化，N₃处理下值最高分别为1 095.19 kg/667m²、9 006.24 kg/667m²，较其他处理分别显著提高71.64%~199.44%、21.22%~143.97%，娃娃菜产量随施氮量增加而持续增加，N₄处理下值最高达8 205.60 kg/667m²，较其他处理显著提高39.03%~314.89%。 结论 适宜的施氮量能有效改善土壤性状、促进养分循环与增加、提高蔬菜产量，适宜宁夏灌区麦后复种的施氮量为225 kg/hm²。

Abstract

Objective This study investigates the influence of nitrogen application rates on soil characteristics and vegetable yields under various vegetable cropping patterns subsequent to wheat cultivation，aiming to provide a theoretical basis for the rational and efficient use of nitrogen fertilizer in the Ningxia irrigation area post-wheat. Method The experiment utilized wheat followed by multiple cropping of baby cabbage (Xiaoyiheqiu)，pepper (Jiaolong 7)，and radish (Xinlimei).A split-plot design was implemented，with the main plots consisting of three types of multiple cropped vegetables: baby cabbage (A)，pepper (B)，and radish (C).Subplots featured four nitrogen application levels:0 kg/hm² (N₁)，180 kg/hm² (N₂)，225 kg/hm² (N₃)，and 270 kg/hm² (N₄).The impacts of different nitrogen application rates on soil nutrients and vegetable yields under these cropping patterns were assessed through measurements of crop growth and soil indices. Result Results indicated that an appropriate amount of nitrogen fertilizer significantly enhanced the content of soil available nitrogen，available phosphorus，and organic matter，with the N₃ treatment showing markedly higher levels than other treatments (P<0.05).Available potassium，water content，and bulk density decreased with increasing nitrogen application rates.The influence of multiple cropping patterns on soil nutrients followed the order: baby cabbage > radish > pepper.Vegetable yields under multiple cropping showed variation with nitrogen application rates.Pepper and radish yields exhibited a parabolic response to nitrogen application rate increases，with peak yields under the N₃ treatment at 1 095.19 kg/667 m² and 9 006.24 kg/667 m²，respectively，surpassing other treatments by 71.64% to 199.44% and 21.22% to 143.97%，respectively.Baby cabbage yields increased with nitrogen application rates，peaking at 8,205.60 kg/667 m² under the N₄ treatment，which was significantly higher than other treatments by 39.03% to 314.89%. Conclusion An appropriate nitrogen application rate can effectively improve soil properties，promote nutrient cycling，and enhance vegetable yields.The optimal nitrogen application rate for post-wheat multiple vegetable cropping is 225 kg/hm² in the Ningxia irrigation area.

Graphical abstract

关键词

施氮量 / 麦后复种 / 蔬菜 / 土壤养分 / 产量

Key words

nitrogen application rate / multiple cropping after wheat / vegetables / soil nutrients / yield

Author summay

王巧玲，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

宁夏引黄灌区熟制类型传统理论上认为是一个一年一熟有余、两熟不足区，春小麦7月初收获至初霜日，有110 d生长日数，≥10 ℃积温1 500 ℃左右，且60%以上的降水分布在7~9月，光热资源满足一茬作物的生长^［1］，因此，在灌区发展麦后复种是光热资源充分利用，增加作物产出量，提高土地利用率的有效方式。近年来，灌区研究和发展春小麦复种模式，主要类型有粮菜模式、粮饲模式、粮油模式以及粮粮模式^［2-3］，刘超等^［4］认为灌区麦后复种蔬菜与小杂粮均有很好的潜力；孔庆全等^［5］研究小麦、菜豆一年两作生产，在确保粮食产量的基础上，能够提高土地利用效率，比单收小麦效益明显提高。所以，合理调整宁夏粮食生产结构、改善耕作制度，逐步变目前的“一熟半制”为“两熟制”，对宁夏粮食生产的可持续性发展具有重要意义^［6］。麦后复种蔬菜是其复种的高效种植类型之一，其不仅能增加作物产出量，提高土地及光、热、水等资源利用效率，还能增加土地的绿色植被覆盖时间，在雨季对水土流失可以起到一定减缓作用，具有一定的生态效应^［7］，同时还可以增加农民的经济收益，实现农业的可持续发展与用养结合的土地利用形式。

化肥被认为是提高作物产量、提升土壤肥力和农业利润的主要投入之一，但平衡施肥是高效使用化肥实现可持续高产的关键，氮素是影响作物产量、品质和土壤地力的重要因素之一，我国农田特别是经济作物生产中氮磷肥的过量使用现象十分严重^［8］，在农业生产中生产者为了追求高产，过量施肥现象普遍，但氮肥的利用效率仅为30%左右^［9］，磷肥因为易被土壤固定，当季利用率一般仅为10%~25%^［10］，这不仅降低氮磷利用效率，还因土壤中残留大量的氮磷引起土壤污染。相关研究表明，土壤中氮磷的残留量与氮磷淋溶强度存在显著正相关关系，长期不合理施肥导致农田土壤氮素大量残留，进而造成潜在的淋失风险^［11］，另外由于氨挥发、硝化-反硝化作用使一部分氮进入大气，造成大气环境污染^［12-13］。而在长期的农业生产过程中，由于化肥的不合理施用导致部分耕地出现肥力下降、耗水量增加、土壤养分不平衡和土壤板结、容重增加等不良现象，张维玲等^［14］的研究表明，土壤基础地力尚不能满足作物高产的需要，而长期不施肥会导致土壤肥力下降，影响作物的可持续生产。李忠芳^［15］和贡付飞^［16］等的研究结果亦表明，合理施肥既是作物稳产增产的重要途径，也是土壤基础地力培育的重要措施。因此，合理适宜的施肥不仅是作物产量和品质的关键因素，同时也是土壤养分和肥力的重要影响因子。

总之，宁夏灌区农业结构供给侧的矛盾、稳粮增效的社会需求、气候资源持续趋向于多熟种植的资源优势等背景，使传统的农作制度不能适应于当下的农业发展需求，农作制度也必须变革创新。围绕灌区区位优势及特色，研究、推广多熟种植是灌区农作制度创新的核心内容，麦后复种蔬菜是灌区稳粮增效的一种重要多熟制类型，但目前针对生产中“减肥减药”“节本增效”的“双减”原则，如何实现氮肥的高效利用仍然理论支撑不够。因此，本研究以麦后复种不同蔬菜模式为研究对象，设定不同氮施肥量水平，通过作物生长期间作物田间相关指标及作物产量与土壤基本理化性状相关指标测定，研究春小麦后复种不同蔬菜类型土壤养分含量变化及产量情况，实时监测各复种模式下不同施肥量对土壤基础地力情况和作物产量的影响，提出科学氮肥施用方案，为灌区麦后复种氮肥高效利用及生态高质量发展提供理论依据与科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏银川农垦平吉堡五队进行，该地位于N 38°28′，E 106°12′，海拔约为1 116 m。试验地属于大陆性干旱气候，土壤类型为淡灰钙土，土壤质地为轻壤土，土壤肥力中等，无霜期150 d左右，早霜在9月20日前后，晚霜大约在5月10日左右。试验地基础土壤养分状况为有机质12.28 g/kg、全氮1.40 g/kg、全磷1.07 g/kg、碱解氮99 mg/kg、有效磷11.40 mg/kg，速效钾135.7 mg/kg、全盐0.51 g/kg、pH值7.68。

1.2 试验材料

复种叶菜类娃娃菜（A）：小义和秋，果菜类辣椒（B）：骄龙7号，根菜类萝卜（C）：心里美；小麦播前施腐熟的有机肥4 500 kg/hm²做底肥，N肥为尿素（总氮≥46%）270 kg/hm²，P肥为磷酸二氢钾（磷含量≥52%、钾含量≥34%）120 kg/hm²，K肥为硫酸钾（钾含量≥52%）150 kg/hm²，播种深度0.03 m，小麦收获后种植后季复种作物。

1.3 试验方法

试验采用裂区设计，主区为3种复种蔬菜，娃娃菜（小义和秋）、辣椒（骄龙7号）、萝卜（心里美），副区为施氮量，设置施氮水平为0 （N₁）、180 （N₂）、225 （N₃）、270 kg/hm²（N₄），试验共12个处理，每处理3次重复，共计36个小区，试验小区面积为5 m×4 m=20 m²，小区之间间隔0.5 m保护行。娃娃菜、辣椒行距40 cm×50 cm，萝卜播种量为4.5 kg/hm²，试验区四周种植保护行。氮肥基施1次追施3次、磷钾肥一次性基施，各处理氮肥施用量为：基施40%，追施60%，分别于8月5日结合灌水追肥1次，占总量25%，8月31日追肥1次，占总量25%，9月20日追肥1次，占总量10%，均采用水肥一体化用滴灌带进行灌溉，各小区为独立的滴灌单元，每两行铺设1根滴灌带，滴灌带铺设在窄行内。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 取样方法

试验地土壤样品于7月中上旬春小麦收获后采集基础土样，7月中下旬起垄复种蔬菜，蔬菜播种出苗后每间隔15 d用田间等距5点法，分别取不同氮素水平处理下各蔬菜耕层土壤样品，采集好的土样密封储存于冰盒后带回到实验室，自然风干后分别过1 mm和0.25 mm筛，测定土壤理化指标；复种蔬菜于10月中上旬采收，收获时进行测产，每小区随机选取（1 m×1 m）地块进行样方取样，统计样方内作物实际产量，最后折合成kg/hm²。

1.4.2 指标测定

土壤碱解氮采用凯式定氮法，土壤速效磷采用钼锑抗比色法，土壤速效钾采用火焰光度计法测定，土壤有机质采用重铬酸钾容重法，土壤含水量采用重量法测定，土壤容重采用环刀法，复种蔬菜产量采用样方统计法。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2021软件进行数据整理，采用Origin 2021软件进行相关分析和做图。试验按照同一时期不同施氮量对各指标进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对各模式土壤碱解氮的影响

由图1~3可知，各复种模式下土壤碱解氮含量在整个生长发育过程中随生长时期推进整体变化趋势为先降低后升高再降低，而同一模式下各时期碱解氮含量随氮肥施入量的增加呈现先升后降的变化趋势，且各时期均在N₃处理下的含量为最高，与其他各处理间存在显著差异。其中，复种娃娃菜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了10.21%、53.09%、29.61%、16.69%、50.00%；复种辣椒模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了27.27%、28.57%、29.42%、39.12%、25.08%；复种萝卜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了17.78%、36.68%、23.54%、14.75%、38.46%；综上所述，各模式在N₃处理下的土壤碱解氮含量最高。

2.2 不同施氮量对各模式土壤速效磷的影响

由图4~6可知，各复种模式下土壤速效磷含量在整个生长发育过程中的变化趋势与碱解氮变化规律一致，同一模式下不同时期随氮肥施入量的增加速效磷含量的变化趋势也为先增后降，且各时期整体上在N₃处理下的含量亦为最高，与其他各处理间存在差异。其中，复种娃娃菜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了67.43%、41.95%、55.64%、66.23%、13.25%；复种辣椒模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了79.97%、15.60%、31.54%、39.24%、58.32%；复种萝卜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别显著提高了27.26%、42.74%、65.42%、28.16%、34.25%；综合以上分析，各模式土壤速效磷含量在N₃处理下的值为最高。

2.3 不同施氮量对各模式土壤速效钾的影响

由图7~9可知，土壤速效钾含量在各复种模式下随生长时期推进变化趋势不同，在同一模式下各不同生长时期随施氮量的增加其速效钾含量变化不一。其中，复种娃娃菜模式在各时期随施氮量的增加整体上呈现递减的变化趋势，与N₁相比，各处理在不同时期速效钾含量分别降低了1.6%~15.43%、16.28%~29.74%、38.00%~51.91%、20.30%~32.57%、16.23%~41.96%；复种辣椒模式在各时期随施氮量的增加呈现先增后减的趋势，且在N₂处理下的含量显著高于其他几个处理，与N₂相比，其他处理在不同时期速效钾含量分别降低了6.93%~30.45%、3.44%~42.72%、22.91%~27.17%、10.59%~28.99%、26.61%~26.99%；复种萝卜模式在各时期随施氮量的变化趋势与复种娃娃菜的变化规律一致，与N₁相比，各处理在不同时期速效钾含量分别降低了13.55%~36.15%、18.34%~28.93%、28.60%~44.36%、4.14%~31.12%、30.89%~41.25%；由此可知，增施氮肥对土壤速效钾含量会有所降低。

2.4 不同施氮量对各模式土壤有机质的影响

由图10~12可知，土壤有机质含量在各复种模式下随生长时期推进变化趋势不大，在同一模式下各时期随氮肥施入量的增加呈先增后降的变化趋势，且均在N₃处理下的含量较高，与N₁、N₂、N₄间存在差异，但整体上差异不显著。其中，复种娃娃菜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别提高了16.07%、15.09%、7.70%、13.19%、17.57%；复种辣椒模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别提高了16.49%、10.87%、23.23%、10.63%、19.14%；复种萝卜模式在各时期N₃处理下的含量与不施肥处理N₁相比分别提高了9.79%、27.27%、39.46%、13.38%、31.99%。综上分析，各模式在N₃处理下有机质含量最高。

2.5 不同施氮量对各模式土壤含水量的影响

由图13~15可知，土壤含水量在各复种模式下随生长时期推进变化趋势基本一致，在同一模式下各不同时期随施氮量的增加而降低，不同时期各处理间存在差异，其中，复种娃娃菜模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了13.45%~26.34%、23.76%~31.23%、9.71%~15.12%、2.76%~14.54%、14.37%~25.74%；复种辣椒模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了18.31%~21.45%、10.44%~20.96%、0.72%~12.62%、4.65%~17.37%、10.38%~22.74%；复种萝卜模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了5.37%~15.92%、23.06%~30.84%、9.82%~25.35%、2.96%~29.62%、14.31%~25.87%；综上分析可知，增施氮肥会降低土壤含水量。

2.6 不同施氮量对各模式土壤容重的影响

由图16~18可知，土壤容重在各复种模式下随生长时期推进变化不大，在同一模式下各不同时期随施氮量的增加而逐渐降低，但各处理间差异变化较小，其中，复种娃娃菜模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了4.45%~19.37%、3.82%~16.69%、2.09%~8.93%、4.20%~20.12%、8.04%~15.43%；复种辣椒模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了0.88%~8.55%、0.45%~12.66%、0.66%~9.17%、7.69%~8.20%、1.56%~12.16%；复种萝卜模式下各时期其他处理与N₁处理相比分别降低了2.34%~14.16%、4.29%~12.26%、3.52%~11.41%、0.63%~3.43%、8.84%~10.29%；综上分析可知，增施氮肥可使土壤容重有所降低。

2.7 不同施氮量对复种蔬菜产量的影响

由表1可知，各复种蔬菜产量随施氮量的增加变化趋势有所不同，其中复种辣椒和萝卜的产量随施氮量的增加呈抛物线型变化，在N₃处理下值最高，与其他各处理差异显著，分别提高了71.64%~199.44%、21.22%~143.97%，而复种娃娃菜产量随氮肥施入量的增加而持续增加，在N₄处理下的产量显著高于N₃、N₂、N₁，分别提高了39.03%、117.74%、314.89%；由此可见，辣椒和萝卜的最佳产量施肥量为225 kg/hm²，娃娃菜最佳产量施肥量为270 kg/hm²。

2.8 土壤养分与复种蔬菜产量相关性分析

由表2土壤养分与不同复种模式蔬菜产量的相关性分析可知，各复种蔬菜产量与土壤碱解氮、速效磷、有机质均呈正相关，与速效钾、含水量、容重均呈负相关，其中，娃娃菜产量与碱解氮、有机质达到显著性正相关（P>0.05，r=0.703*、0.639*），与速效钾、含水量呈显著性负相关（r=-0.652*、-0.748*）；辣椒产量与速效钾、含水量、容重呈显著性负相关（r=-0.921*、-0.847*、-0.870*）；萝卜产量与碱解氮、有机质呈显著性正相关（r=0.631*、0.592*），与速效钾、含水量呈显著负相关（r=-0.820*、-0.852*）。

3 讨论

氮肥是作物重要的肥料之一，对作物的生长起着不可或缺的作用，施用氮肥不仅能提高农产品的产量，还能提高农产品的质量，缺氮和氮过量都会影响作物生长，施氮量对作物的生长发育和产量都有着巨大的调控作用^［17-18］。本研究中，各复种模式蔬菜产量随施氮量的适量增加均有所提高，这是因为适量的氮肥用量引起土壤各养分的相应变化，促进土壤中各养分的平衡，满足了作物生长对养分的需要，从而有助于产量的相应增加；而当施氮量增加至270 kg/hm²时，辣椒和萝卜的产量有所下降，说明施氮过量会使复种蔬菜略有减产，一方面作物无法完全吸收利用，另一方面多余的氮素残留在土壤中，导致土壤环境污染及土壤微生物活性降低等负面效应增加，反而不利于作物生长。有学者研究表明，不施氮或氮过量都不利于产量的提高，当超出一定范围时，产量则会出现下降的趋势^［19］，本研究结果与前人研究相一致。

土壤中的氮素、磷素、钾素均是植物养分吸收的主要来源，而化肥的施用直接影响着土壤养分含量的变化，合理施用氮肥是保持土壤供肥能力的一个重要手段。有相关研究表明，合理施氮能有效提高苜蓿地土壤碱解氮含量^［20］和天然草地土壤硝态氮、铵态氮的含量^［21］。本研究中，施肥对土壤碱解氮含量有显著影响，当施氮量在225 kg/hm²及以下时，各个测定时期的碱解氮含量随施氮量的增加基本上均呈上升变化，这与前人研究结果一致；而当施氮量增加至270 kg/hm²时，则开始有所降低，这可能是因为氮肥的过量施用引起离子间的拮抗作用，使得氮肥在土壤中的转化受到阻碍，从而使碱解氮含量有所降低；而个别时期（8月5日）复种娃娃菜模式出现变化趋势不一致情况，对照处理N₁高于施肥处理N₂和N₄，可能是因为地块差异，也可能是由于对照处理下植株矮小，利用的氮素较少，基础值较高，而使得N₁处理下的值略高于施肥处理。张永亮等^［22］研究发现，施肥对土壤速效磷影响显著，在一定施肥水平内，土壤速效磷含量随施氮量的增加而增加；有相关研究亦表明，合理施用氮肥也能提高土壤速效磷含量^［23］；本试验研究结果与前人的研究相一致，在一定施肥量范围内，各个时期测定的速效磷含量随施氮量的增加亦有所增加，均在N₃处理下值最高，且与其他处理之间差异显著，而增施氮量引起速效磷含量增加是因为适宜的施氮量可激发土壤微生物活性，而微生物活动与土壤难溶性磷的有效转化有关，因此引起速效磷含量的增加；但超出一定施氮量水平则会抑制微生物活动而使磷含量有所降低。速效钾是土壤中易被作物吸收利用的钾素，对作物的生长具有重要作用，速效钾含量是表征土壤钾素供应状况的重要指标之一，漆华^［24］与史吉平^［25］等指出单施无机肥，尤其是氮、磷肥，会使土壤速效钾含量显著下降；本试验中，各测定时期施氮量对复种娃娃菜和复种萝卜模式下土壤速效钾的变化呈负影响机制，即随施氮量的增加，速效钾含量呈降低趋势，N₁处理速效钾含量显著高于其他处理，与前人研究结果一致；但对复种辣椒模式的影响与对碱解氮和速效磷的影响机制相同，即随施氮量增加呈先增后降，这可能是因为土壤中存在矿物钾、缓效钾和速效钾之间的动态平衡关系，使得施肥对土壤钾素的影响存在复杂性，也可能由于种植方式和作物类型的不同，引起土壤养分间存在的差异性，从而使施氮量对不同复种蔬菜类型的影响不同。

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，是土壤养分的重要来源，其质量和数量直接或间接影响土壤潜在的生产力，在长期耕种土地上，土壤有机质的动态很大程度上受诸如施肥、种植制度和耕作等农业措施的影响。本试验中，基于麦后复种种植制度，土壤有机质含量随施氮量的增加而相应增加，各模式表现一致，在各个测定时期内，均在N₃处理下含量最高，与其他处理间存在差异。Peng等^［26］的研究表明增施氮肥能有效增强土壤有机质的稳定性，增加土壤表层有机碳聚集，提高土壤有机质含量；也有相关研究亦表明高肥力投入显著增加了土壤有机质含量^［27］；本研究与前人研究结果一致，施氮量引起有机质含量的增加是因为随着氮肥的施入促进复种蔬菜生长，进而有效增加了土壤中枯落物及植物残体等有机物的还田量，从而使土壤中有机质含量增加。施氮量的增加促进作物生长及耗水量增加，导致土壤水分含量减少^［28］，本试验中土壤含水量随施氮量的增加呈降低趋势，与前人研究相一致，这是因为在一定范围内随着施氮量的增加，作物生长旺盛对水分的吸收越多，从而使土壤含水量降低，因此在作物关键生育期要及时灌水。土壤容重的降低意味着土壤结构性能的提高，有研究表明，相同处理下，施氮对土壤容重有降低效果^［29-30］，本试验与前人研究结果一致，这是因为施氮改变了土壤团聚体的稳定性和土壤孔隙度，从而使土壤容重发生改变，所以通过适宜的施氮量可有效改善土壤性状。

4 结论

本试验研究结果表明，基于麦后复种种植制度，在各复种蔬菜模式下，适量增施氮肥有利于提高土壤碱解氮、速效磷、有机质含量，且不同模式下土壤养分含量对氮肥施用量响应不同，各模式土壤养分在N₃处理下其含量均显最高，与不施肥处理N₁相比差异显著（P<0.05）；而增施氮肥对速效钾、含水量、容重则呈负影响，速效钾含量、含水量、容重随施氮量的增加而略有降低；各复种蔬菜产量随施氮量的增加变化不同，辣椒和萝卜产量随施氮量的增加呈抛物线型变化，在N₃处理即施氮量为225 kg/hm²时值最高，而娃娃菜产量随氮肥施入量的增加而持续增加，N₄处理下值较其他处理都高。

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基金资助

宁夏回族自治区重点研发项目(2019BBF02007)

宁夏回族自治区重点研发项目(2021BEF02034)