温室蔬菜水肥增效机制与管理研究

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武雪萍¹, 李银坤²1 中国农业科学院农业资源与区划研究所,北京100081
2 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097

Mechanisms and Managements of Water and Fertilizer Synergy in Greenhouse Vegetable Fields

WU XuePing¹, LI YinKun²1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081
2 Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2019-09-27接受日期:2019-10-8网络出版日期:2019-10-16

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFE0112300
国家重点研发计划.2018YFD0200408
国家863课题.2013AA102901
国家科技支撑计划课题.2015BAD22B03

Received:2019-09-27Accepted:2019-10-8Online:2019-10-16
作者简介 About authors
武雪萍,E-mail：wuxueping@caas.cn

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本文引用格式
武雪萍, 李银坤. 温室蔬菜水肥增效机制与管理研究[J]. 中国农业科学, 2019, 52(20): 3605-3610 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.011
WU XuePing, LI YinKun. Mechanisms and Managements of Water and Fertilizer Synergy in Greenhouse Vegetable Fields[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(20): 3605-3610 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.20.011

我国设施蔬菜生产发展迅速,据2016年4月农业农村部印发的《全国种植业结构调整规划（2016–2020年）》,到2020年设施蔬菜的播种面积将稳定在420万hm²。当前全国设施蔬菜总产达2.6亿t,占蔬菜总产量的35%以上,人均蔬菜供应量达到540 kg左右^[1,2]。相比露地种植,设施蔬菜产业具有集约化程度高、比较效益高等特点,其产值为露地种植的1.69—2.33倍^[3]。传统设施蔬菜生产中,主要通过盲目增加水肥用量提高经济效益,导致水肥投入量远超植株生长需求。水肥过量投入不仅造成土壤养分积累、次生盐渍化和土壤微生态失衡等,还导致蔬菜对养分吸收量下降、养分利用效率降低、土壤质量退化等一系列问题,成为限制蔬菜高产优质与可持续生产的瓶颈。

1 温室蔬菜水肥管理现状

1.1 肥料投入总体过量,养分比例失衡

我国主要温室蔬菜种植区域的施肥状况表明,无论是有机肥还是化肥,过量施用现象极其普遍。有机肥每季每公顷施肥量达十几吨至近百吨,有机肥带入的氮、磷、钾养分量占养分投入总量的50%以上,投入比例有逐年增加趋势^[4,5,6,7]。通过总结分析国内温室蔬菜施肥有关文献数据表明,传统施肥模式下的温室番茄有机肥氮素和化肥氮素投入量平均分别为617.0 kg·hm^-2和705 kg·hm^-2,总氮投入达到1 313 kg·hm^-2[2]。由于温室蔬菜生产复种指数高、产量大,其消耗的养分量也大。蔬菜从土壤吸收的养分中钾最多,氮次之,磷最少,一般N﹕P₂O₅﹕K₂O吸收比例为1﹕0.3—0.5﹕1.0—1.5。而实际施用比例为1﹕0.6—1.0﹕0.4—0.7,养分比例严重失衡。王敬国^[7]提出我国各地温室蔬菜生产肥料施用量的指南,建议N﹕P₂O₅﹕K₂O施用量比例为1.00﹕0.38﹕1.81。而李红梅^[8]和张彦才等^[5]研究发现,在河北温室菜地实际施肥中的氮、磷施用量偏高,钾偏低。

1.2 灌溉不合理,水肥利用效率低

蔬菜需水量大,实际生产中仍沿用经验式灌溉管理,灌溉量高,灌水时间不适宜,灌溉水利用效率低。据调查,河北省温室蔬菜年灌水量一般为9 000— 9 750 m³·hm^-2,且灌溉用水几乎全部依靠地下水,造成华北地区地下水漏斗区进一步扩大,水资源环境持续恶化^[9]。山西省盐湖区日光温室蔬菜每次灌水47—63 mm,每季灌溉10—20次,灌溉总量达470— 1 200 mm,平均767 mm^[7]。山东省寿光地区全年灌溉水总量为748—1 957 mm,平均灌溉量高达1 307 mm ^[10]。在北京郊区的温室果菜生产中,每年沟灌或漫灌的水量为7 500—10 500 m³·hm^{-2 [11]}。过量灌溉导致水肥渗漏、土壤养分流失严重,对地下水环境造成威胁。调查数据表明,北京市郊区温室果菜的灌溉中漫灌占26%,沟灌占64%,滴灌比例仅占6%,灌溉方式不合理是造成灌溉量远高于作物需求量的重要因素^[12]。

2 温室土壤环境质量问题

2.1 土壤氮磷养分过量积累

我国温室蔬菜土壤氮磷积累现象突出。研究表明,河北省大棚蔬菜土壤碱解氮、速效磷和有效钾的平均含量分别是相邻露地的1.0—9.4倍、1.4—36.3倍和0.6—4.6倍^[5]。河北省日光温室蔬菜0—20 cm土层硝态氮含量在29.1—269.4 mg·kg^-1,山东寿光 0—30 cm 土层硝态氮残留量为120—500 kg·hm^-2,平均为340 kg N·hm^-2;山东惠民菜地0—90 cm 土层硝态氮累积量为270—5 038 kg N·hm^-2[13,14]。JOHNSON等^[15]研究发现,当土壤无机氮超过了土壤-植物缓冲范围时,可能造成浅层地下水硝酸盐污染。过量施肥导致温室蔬菜的氮肥利用率仅有10%左右^[2,16]。利用¹⁵N示踪技术研究发现,温室番茄氮肥利用效率只有8%—9%^[17]。过量有机肥和高浓度复合肥的投入导致土壤磷养分积累现象特别严重。张树金等^[18]的调查数据显示,在目前的磷肥投入水平下,4—8年以后土壤全磷显著增加,是大田土壤全磷的2—4 倍。对衡水市240个村温室蔬菜的土壤养分状况调查表明,土壤有效磷含量为45.0—108.5 mg·kg^-1[19]。山东寿光温室土壤有效磷（P）含量平均达到了 200 mg·kg^-1,高的甚至达到437 mg·kg^-1[20]。

2.2 土壤次生盐渍化

土壤次生盐渍化是当前温室蔬菜生产中较为突出的土壤障碍因子。对山东、辽宁、江苏、四川的实地调查研究发现,在温室栽培条件下,土壤表面均有大面积白色盐霜出现,有的甚至出现块状紫红色胶状物（紫球藻）,其中以山东、江苏等地的温室土壤的盐渍化程度最为严重^[21]。大量施肥是造成温室菜地土壤次生盐渍化的主要原因之一^[22,23]。温室菜地特殊的水分运移形式、土壤温湿度高以及有机肥的施用量与施肥方法不当等均会引起温室菜地出现土壤次生盐渍化^[24]。有研究发现,0—20 cm土层土壤电导率与种植年限呈二次极显著相关,表明随着种植年限的增长,温室土壤次生盐渍化呈加剧趋势^[25]。

2.3 土壤酸化

温室蔬菜生产体系中,高度集约化的水肥管理会导致土壤酸化程度加剧。刘兆辉等^[26]对山东省寿光市的温室蔬菜土壤分析结果表明,建棚前土壤pH为8.14,种植温室蔬菜7年后,土壤pH降至6.85左右。温室菜地产生土壤酸化问题,一是由于蔬菜产量高,从土壤中移走了过多的碱基元素,如镁、钾等,导致了土壤中的钾和中微量元素消耗过度,使土壤向酸化方向发展;二是大棚复种指数高,肥料用量大,导致土壤有机质含量下降,缓冲能力降低,加重土壤酸化;三是由于肥料的不合理投入,高浓度氮、磷、钾三元复合肥的投入比例过大,而钙、镁等中微量元素投入相对不足,造成土壤养分失调,使土壤胶粒中的钙、镁等碱基元素很容易被氢离子置换。通过对廊坊市永清县27个温室大棚表层土壤pH的分析表明,土壤pH随种植年限的延长呈现明显的下降趋势,当种植年限为7 年时pH达到最低值（7.43）,相较于棚外土壤下降了0.36个单位^[27]。

2.4 土壤养分淋洗

氮素淋洗是温室蔬菜生产体系氮素的主要损失途径。在温室辣椒种植体系中施氮量分别为600、1 200、1 800 kg N·hm^-2时,淋出90 cm土体的硝态氮量为224、345和542 kg N·hm^-2,分别占施氮量的37%、29%和30%^[28]。温室番茄长期定位试验中传统氮素管理造成每季氮素表观损失达79%,平均氮素损失比例在59%—63%之间^[29,30]。陶虹蓉等^[31]研究表明,温室黄瓜季淋洗出90 cm 土体的氮总量为56.08—203.13 kg N·hm^-2,占总施氮量的9.02%—32. 69%。在对南方温室番茄和黄瓜生产体系的监测发现,番茄季和黄瓜季的硝态氮淋洗率在8.4%—13.6%和21.0%—39.2%之间^[32];南京郊区的¹⁵N试验发现氮素总损失为34.2%—46.0%^[33]。

2.5 氮素气态损失

氨挥发是农田氮素气态损失的重要途径。STREETS等^[34]研究表明,在发展中国家的农业生产中,氮肥的氨挥发损失为10%—50%。而在中国,氮肥的氨挥发损失已由1990 年的11%上升至2005年的13.2%,氨挥发总量也从1.80 Tg N增加至23.6 Tg N^[35,36]。水田、旱地和草地的氨挥发损失则分别占施氮量的20%、14%和6%,菜地的氨挥发损失也占到施氮量的11%— 18%^[37,38]。李银坤等^[39]研究表明,温室黄瓜-番茄种植体系内土壤氨挥发损失量为17.8—48.1 kg N·hm^-2,随施氮量的减少呈显著降低趋势（P<0.05）。说明控制氮肥投入量,是降低温室菜地氨挥发损失的重要措施。

N₂O排放是农田氮素气态损失的另一个重要途径。研究表明,我国农田土壤N₂O的年排放总量达398 Gg,约占全球农田土壤排放总量的10%^[40]。CAI等^[35]估算,1990年由中国农田直接排放的N₂O可达0.28 Tg N。每年施入土壤中的氮肥,有很大一部分的氮素通过N₂O排放方式损失掉,在温室黄瓜-番茄种植体系内的N₂O排放量,75.6%—90.0%由施氮造成,而减少氮用量25%不仅降低了40.4%的N₂O排放,而且不会引起产量的降低^[41]。

3 温室蔬菜节水减肥理论与技术研究的必要性

3.1 是减少水肥浪费、提高水肥利用效率的客观需求

水肥资源严重浪费已成为制约温室农业可持续发展的瓶颈。灌溉施肥一体化技术已被公认为是当今世界上减少水肥浪费,提高水肥资源利用率的最佳技术,具有显著的节水节肥效果。据研究^[42],在滴灌施肥量只有常规用量80%的情况下,黄瓜产量高达144 t·hm^-2;而在滴灌施肥用量只有常规的60%时,黄瓜氮肥利用率最高达到32.5%;相比露地沟灌,覆膜滴灌下的温室芹菜生长旺盛,可增产 25.1%,节水36%,被认为是最优的高效节水栽培方式^[43]。无论从国家政策走向,还是实际生产需求,开展节水减肥理论与技术研究,制定科学合理的灌溉制度,发展高效灌溉施肥技术,是提高水肥利用效率的客观需求,也是解决我国水资源短缺与肥料资源浪费等问题的关键。

3.2 是提升土壤环境质量、维持温室农田可持续利用的客观需求

水肥供需不平衡,灌溉与施肥控制决策不匹配是目前生产中存在的主要问题。目前集约化温室蔬菜生产仍采用传统水肥管理模式,底施大量有机肥,生育期又冲施过量氮磷钾复合型可溶肥。由于温室内的高温高湿环境,有机氮矿化快,在作物生长早期氮素吸收量少,造成土壤氮素积累,过量灌溉引起氮素等养分淋洗,同时还易引起土壤板结盐碱化、地下水硝酸盐含量超标及环境污染等诸多问题^[14,44]。水肥一体化技术通过水肥优化管理、适时适量供给作物,满足作物生产需要,在温室菜地上具有广阔的应用与发展空间。因此,探明水肥耦合及节水减肥效应机理,完善水肥精准决策理论技术体系,充分发挥“以水调肥、以肥调水”的作用效果,是提升土壤环境质量与维持温室农田可持续利用的客观需求。

3.3 是保障蔬菜安全、实现绿色产业发展的客观需求

当前温室水肥管理粗放已成为威胁我国蔬菜安全生产、制约蔬菜产业绿色发展的主要限制因素。相比传统的沟灌等技术,采用滴灌施肥技术可有效控制土传病害发生,减少农药的投入成本,避免因灌水过多而引起的沤根、黄叶等问题;滴灌施肥技术与地膜覆盖技术相结合还能大大减少田间杂草发生,显著减少使用农药频次,被认为是蔬菜病虫害绿色防控的重要技术手段。随着滴灌技术的日益推广,制定基于该技术的作物水肥精准按需供给制度,是一项亟待解决的问题。因此,开展水肥协同机制理论研究、明确温室蔬菜滴灌水肥施用参数,优化关键生育阶段水肥用量,对于建立滴灌水肥精准量化管理技术,促进温室蔬菜绿色高产与产业化生产具有重要意义。

针对温室菜地水肥管理的现状,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所与河北省农林科学院农业资源环境研究所从2008年开始开展联合攻关研究,在“973”项目“肥料减施增效与农田可持续利用基础研究”课题五“养分与环境要素协同效应及其机制（2007CB109305）”、国家重点研发专项课题“温室蔬菜化肥减施关键技术优化（2016YFD0201001）”、国家重大研发专项“土壤水分时间变异影响作物水分利用效率和养分吸收的机制（2018YFE0112300）”和“863”课题“作物生长水分与营养土壤生境调控技术（2013AA102901）”等课题的资助下,针对温室蔬菜灌水施肥不合理问题,以提高水肥利用效率和维护温室菜田可持续利用为研究目标,从节水减肥增效理论机制、水分养分合理化管理参数、节水减肥增效3个层次进行了深入研究。本专栏发表的4篇论文是团队的部分研究成果,重点从滴灌水肥一体化下N₂O排放特征与过程机制^[45]、有机肥部分替代化肥对N₂O排放的影响^[46]、温室滴灌条件下蔬菜土壤无机磷形态的转化、积累及其有效性^[47]等方面进行了深入研究,提出了基于高产温室冬春茬黄瓜发育阶段的滴灌适宜参数,建立了方便操作的简便量化滴灌水肥管理方案^[48],以期为探讨节水减肥增效理论机制、建立科学合理的灌水施肥模式提供一定的科学依据。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

张真和, 陈青云, 高丽红, 王娟娟, 沈军, 李中民, 张雪艳 . 我国设施蔬菜产业发展对策研究
蔬菜, 2010(5):1-3.