土壤氮素养分是作物生长的重要限制因子，人们为了获得较高的农作物产出，通过大量施用氮肥来补充土壤氮素养分的消耗^[1]。长年的耕作过程中由于过量施用氮肥，使得作物对氮素养分需求量超出了肥料投入量，导致土壤氮素盈余量增加并引起氮类化合物面源污染现象^[2-3]。近年来，相关学者提出通过优化养分管理策略来提高化肥利用效率，减少过量施肥对耕地土壤的生态环境影响^[4-5]。前人研究中发现，通过作物对养分需求量和土壤养分供给量的参数分析构建施肥模型用于指导农业生产中化肥减施增效，取得了重大成效^[6-8]。施肥模型是一种高效的养分管理技术，即在保证作物产量稳定的前提下，减少肥料投入，以提高肥料利用率，降低肥料对土壤环境的影响^[9]。

菜-稻轮作耕种方式是我国南方地区常见的种植制度，该种植方式有效提高了土地、光照、热量等自然资源的利用，土地生产效率明显上升，同时，土壤养分消耗量也相应增加^[10-12]。轮作种植模式利用不同作物对肥料养分吸收强度的差异特征，提高了上茬作物施肥后残留养分的吸收利用，进而能够减少盈余肥料在土壤中的损失^[13-14]。此外，菜-稻轮作种植模式下土壤不断地进行着干湿循环交替变化，而这一过程中土壤物理状态和土壤中的生化反应也会随着发生变化，进而对作物的养分吸收利用产生影响。章明清等^[15]研究表明菜-稻轮作可以有效减轻蔬菜地土壤氮、磷养分的过度积累，降低了土壤氮、磷的流失潜力。Shen 等^[16] 研究了长期水稻和蔬菜轮作，因其季节性的淹水和落干环境变化改变了土壤微生物活动和种群结构，从而间接地影响到土壤中氮养分元素的存在形态及其有效性。季节性干湿交替变化以及土壤施肥作用下导致水旱轮作体系氮素循环过程复杂^[17]。水旱轮作体系中不同的施肥方式土壤氮素盈余养分量差异明显，影响下季作物的氮素吸收^[18]。因此，明确长期轮作中不同施肥模式下作物对氮素吸收利用及其影响机制，对区域内氮肥施用调控和减少土壤氮素损失具有重要意义。因此，本研究以闽南赤红壤区长期轮作定位试验中各季作物为研究对象，探讨不同施肥模式下各季作物的氮素吸收特征及其对产量的影响，为闽南赤红壤区菜-稻轮作氮肥优化施肥技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

长期定位监测试验建立于2013 年 9 月，位于福建省永春县五里街镇埔头村（25°33′02″ N， 118°16′28″ E），试验点进行蔬菜-水稻轮作和蔬菜-蔬菜轮作试验。试验地属于亚热带季风气候，年均降水量 1200~1400 mm，年均温度 24℃ 左右。试验地土壤类型为赤红壤，质地为黏质土。试验开始前测得的基础土壤性状：有机质 19.96 g/kg、全氮2.25 g/kg、全磷1.31 g/kg、全钾27.86 g/kg、碱解氮 107.73 mg/kg、有效磷 60.35 mg/kg、速效钾116 mg/kg、pH 5.54。试验以四季豆（9 至 11 月）为第一季作物，芥菜（12 至翌年 3 月）为第二季作物，水稻或者豇豆（4 至 7 月）为第三季作物，依次播种 3 季作物为 1 个轮作周年。2 种轮作方式如图1 所示，图1 左侧为菜-菜-稻轮作，右侧为菜-菜-菜轮作。试验在 2020—2022 年2个轮作周年内采集各季作物样品，测定植株和果实样品中的全氮含量，并在作物收获期测定各季作物的产量。

1.2 试验设计

试验地为矩形田块，长 26 m，宽 9 m，将其分成 15 个试验小区，每个小区长 5 m，宽 2.8 m，小区之间采用水泥田埂隔开，小区外设有灌溉排水沟。试验地四周设有 1 m 宽隔离保护行。试验地实施菜-菜-稻（四季豆-芥菜-水稻）、菜-菜-菜（四季豆-芥菜-豇豆）2 种轮作方式，分别采用推荐和习惯 2 种施肥处理，推荐施肥处理施肥量根据试验点土壤理化性质和作物需肥量特征建立的施肥模型得出，该模型是采用贝叶斯模式识别原理的计量施肥系统，习惯施肥处理施肥量根据当地农户种植习惯得出，各个处理施肥量如表1 所示。每个试验处理设有 3 个重复，按随机分组布置于试验小区中。氮肥施用尿素（N 46%）、磷肥施用过磷酸钙（P₂O₅ 12%）、钾肥施用氯化钾（K₂O 60%）。每季作物所施的磷肥全部作基肥，氮、钾肥则分基肥（占施肥量 40%）和追肥（占施肥量 60%）施用。四季豆和豇豆氮、钾素追肥分 2 次施用，每次占施肥量的 30%；芥菜氮、钾素追肥分 3 次施用，每次占施肥量的 20%；水稻氮素追肥分 2 次施用，分蘖肥占施用量的 50%，穗肥占施用量的 10%，钾素追肥为 1 次施用施肥量的 60%。

注：第三季作物 T1、T3 处理为水稻，T2、T4 处理为豇豆。

1.3 采样方法

试验开始前从每 1 个试验小区按梅花法采集 5 个土壤样品，将其混匀后总共重约 2 kg 带回试验室测定基础养分含量。每个轮作周年内在作物收获期采集植株、果实样品。四季豆和豇豆果实样品采集方式：四季豆和豇豆开花结实期均长达 1 个月左右，因此采用分批次采集每个试验小区果实样品，最后累加计算果实产量。芥菜和水稻的果实样品采样分别在作物成熟期 1 次采收完成。

1.4 检测项目与方法

土壤理化性质以及植株、果实样品中氮含量的检测方法参照《土壤农化分析》^[19]，其中植株和果实样品采用 H₂SO₄-H₂O₂ 法消解，采用凯式定氮法分别测定植株、果实全氮含量。基础土壤样品理化性质的测定，土壤样品经 H₂SO₄-HClO₄ 消解后，分别采用凯式定氮法测定全氮含量，钼锑抗比色法测定全磷含量，火焰光度计测定全钾含量。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用碳酸氢钠浸提法测定土壤有效磷含量，采用乙酸铵浸提法测定土壤速效钾含量。土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，土壤 pH 采用电位法测定（水土比 2.5∶1）。

1.5 数据处理

采用Excel 2020 整理试验数据，采用 Matlab 2015b 对各处理组之间进行差异显著性分析 （Ducan’s 新复极差法进行显著性检验）。氮素吸收积累量（kg/hm²）= 单位面积植株地上部含氮量 × 地上部生物量。氮素收获指数 = 籽粒氮素积累量 / 植株氮素积累量^[20]。氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮后获得的作物果实产量 / 氮肥投入量^[21]。

2 结果与分析

2.1 不同轮作施肥模式对作物氮素吸收积累的影响

图2 为 2020—2022 年测得的不同轮作施肥处理在 2 个轮作周年内三季作物的氮素吸收积累量。从图2 中可知，菜-菜-稻轮作方式，2 个轮作周年内均为推荐施肥模式（T1 处理）各季作物氮素吸收积累量高于习惯施肥模式（T3 处理）。菜-菜-稻轮作方式第一季作物（四季豆）2 种施肥模式之间无明显差异，而第二季作物（芥菜）和第三季作物（水稻）氮素吸收积累量差异明显，且 2 个轮作周年内均表现出相同的结果。菜-菜-稻轮作方式下推荐施肥模式（T1 处理）第二季作物和第三季作物氮素年均吸收积累量为 415.71 kg/hm²，显著高于习惯施肥模式（T3 处理）的 381.43 kg/hm²，推荐施肥模式是习惯施肥模式的 1.09 倍。2020— 2021 年轮作周年内菜-菜-菜轮作方式下，推荐施肥模式（T2 处理）作物氮素吸收积累量高于习惯施肥模式（T4 处理），而在 2021—2022 年的轮作周年内 2 种施肥模式氮素吸收积累量无显著差异。2020—2021 年轮作周年内菜-菜-菜轮作第二季作物（芥菜）和第三季作物（豇豆）氮素吸收积累量，推荐施肥模式高于习惯施肥模式。2021— 2022 年轮作周年内第二季作物（芥菜）和第三季作物（豇豆）的氮素吸收积累量在 2 种施肥模式下无明显差异。

2.2 不同轮作施肥模式对作物氮素吸收利用的影响

表2 和 3 为不同轮作施肥模式下第一季作物和第三季作氮素吸收利用结果，第二季作物芥菜收获期由于氮素含量全部在茎叶中，其氮素吸收利用结果不作分析。由表2 可知，2020—2022 年轮作周年内，相同施肥模式情况下菜-菜-稻轮作四季豆的茎叶和果实干物质积累量显著高于菜-菜-菜轮作。2020—2021 轮作周年 T2 处理四季豆茎叶和果实氮含量分别为 1.33% 和 2.27%，显著高于 T1 处理。2021—2022 轮作周年 T2 处理四季豆茎叶氮含量（1.19%）显著高于 T1 处理（1.01%），而 T1 和 T2 处理间果实氮含量无显著差异。2020—2021 轮作周年 T4 处理四季豆茎叶氮含量（1.44%）显著高于 T3 处理（1.35%）。2020—2021 轮作周年，不同轮作施肥处理的氮素收获指数在 0.61～0.64 之间，各处理之间无显著差异。2021—2022 轮作周年，不同轮作施肥处理的氮素收获指数在 0.63～0.65 之间，各处理间无显著差异。

表3 为不同轮作施肥模式下水稻和豇豆的氮素吸收利用结果，由表3 可知，2020—2021 轮作周年内 T1 处理茎叶干物质量和茎叶氮含量分别为 3.82×10³ kg/hm² 和 0.82%，显著低于 T3 处理 （4.14×10³ kg/hm² 和 1.15%）。T1 处理果实干物质量为 6.50×10³ kg/hm²，显著高于 T3 处理（6.21×10³ kg/hm²），果实氮含量2个处理之间无显著差异。 2021—2022 轮作周年内 T1 处理茎叶干物质量和茎叶氮含量分别为 4.13×10³ kg/hm² 和 0.76%，显著低于 T3 处理（4.56×10³ kg/hm² 和 1.13%）。T1 处理的果实干物质量和果实氮含量与 T3 处理相比较无显著差异。2020—2022 年2个轮作周年 T1 处理氮素收获指数分别为 0.72 和 0.73，显著高于 T3 处理（0.62 和 0.62）。2020—2022 年 2 个轮作周年内 T2 和 T4 处理各项氮素吸收利用指标均无显著差异。

注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

注：T1、T3 处理第三季作物为水稻，T2、T4 处理第三季作物为豇豆，以下类同。

2.3 不同轮作施肥模式对作物产量及氮肥偏生产力的影响

表4 为 2020—2022 轮作周年内不同轮作施肥模式下各季作物产量及氮肥偏生产力。通过表4 中的数据可知，2个轮作周年内第一季作物产量：T1 处理显著高于 T2 处理，年均产量增加 9.8%，T3 处理显著高于 T4 处理，年均产量增加 12.0%。2个轮作周年内第二季作物产量：T1 处理显著高于 T2 处理，年均产量增加 12.1%，T3 处理显著高于 T4 处理，年均产量增加 9.6%。2个轮作周年内第三季作物，T1 处理水稻产量和 T3 处理相比较无显著差异，T2 处理豇豆产量与 T4 处理相比较无显著差异。菜-菜-稻轮作方式下 T1 处理四季豆、芥菜、水稻的氮肥偏生产力均高于 T3 处理；菜-菜-菜轮作方式下 T2 处理四季豆、芥菜、豇豆氮肥偏生产力均高于 T4 处理。2个轮作周年内菜-菜-稻轮作方式下推荐施肥处理四季豆、芥菜、水稻氮肥偏生产力平均分别比习惯施肥高 11.71%、8.99%、 8.59%。2个轮作周年内菜-菜-菜轮作方式下推荐施肥处理四季豆、芥菜、豇豆氮肥偏生产力平均分别比习惯施肥高 14.47%、5.73%、32.25%。2种轮作方式采用推荐施肥处理能够较大幅度地提高第三季作物的氮肥偏生产力。

2.4 不同轮作施肥模式下作物地上部需氮量与果实产量的关系

不同轮作施肥处理四季豆产量与地上部氮素吸收积累量的相关分析表明（图3），四季豆产量与氮素吸收积累量存在线性关系，4 种处理方式的线性拟合优度 R² 在 0.9339~0.9687 之间。不同轮作施肥的线性关系式斜率存在差异，其反映不同轮作施肥模式下四季豆果实产量对氮需求量的差异。以试验小区四季豆生产目标产量 30 kg 进行计算，T1、 T2、T3、T4 处理每生产 30 kg 四季豆，吸收的氮素量分别为 0.196、0.217、0.204、0.262 kg，表明菜-菜-稻轮作推荐施肥处理在获得相同的作物产量条件下所吸收氮素量小于其他轮作施肥处理。

图4 为菜-菜-稻轮作第三季作物水稻产量与地上部分氮素吸收积累量的线性关系，2种施肥处理下水稻产量和氮素吸收积累量的线性拟合优度 R² 分别为 0.8947 和 0.9423，且线性相关性均显著。以试验小区水稻生产的目标产量 10 kg 进行计算，则推荐施肥处理（T1）地上部需吸收氮素 0.173 kg，习惯施肥处理（T3）地上部需吸收氮素 0.176 kg，两者未有明显差异。图5 为菜-菜-菜轮作第三季作物豇豆产量与地上部分氮素吸收积累量的线性关系，2种施肥处理下豇豆产量与氮素吸收积累量的线性拟合优度 R² 分别为 0.8348 和 0.8881，且线性相关性显著。以试验小区豇豆生产的目标产量 15 kg 进行计算，则推荐施肥处理（T2）地上部氮素吸收量 0.138 kg，习惯施肥处理（T3）地上部氮素吸收量 0.145 kg。通过上述比较分析可知推荐施肥处理能够经较低的氮素吸收量获得较高的目标产量，表明推荐施肥处理提高了氮素的吸收利用效率。

2.5 不同轮作施肥模式氮肥投入与产量效益分析

表5 为不同轮作施肥模式下氮肥投入的产量经济效益分析，在试验期间，调查试验地农户的肥料市场购买价，结合农产品销售价，对氮肥投入和作物产出的经济效益进行相关分析。菜-菜-稻轮作方式：推荐施肥处理周年内氮肥投入为 84.00 元，占肥料总投入的 50.91%，2个试验年度内的平均产投比为 1.79；习惯施肥处理周年氮肥投入为 110.50 元，占肥料总投入的 55.39%，2个试验年度内平均产投比为 1.47。菜-菜-菜轮作方式：推荐施肥处理周年内氮素投入为 106.00 元，占肥料总投入的 55.79%，2个试验年度内的平均产投比为 1.56；习惯施肥处理周年内氮素投入为 132.50 元，占肥料总投入的 60.36%，2个试验年度内的平均产投比为 1.36。2种轮作方式均为推荐施肥模式的产投比高，说明推荐施肥模式具有较好的产量经济效益。

3 讨论

轮作种植模式下土地资源虽然得到了充分利用，但土壤养分消耗量大，为了补充土壤养分含量，人们大量施用化肥，尤其是偏施氮肥，致使土壤氮素养分面临流失风险较大。通过优化施肥方式来提高作物对氮素养分的吸收利用是减少氮素养分流失的重要手段^[22-23]。本课题组在闽南赤红壤区建立了蔬菜和水稻轮作以及蔬菜和蔬菜轮作的长期定位试验，该定位试验中各季作物分别采用施肥模型计算得出的推荐施肥模式和农户使用的习惯施肥模式进行施肥处理。推荐施肥模式主要是以作物对氮素的收支平衡为基础合理施用氮肥，并协调施用磷肥和钾肥。本研究中采用推荐施肥模式下，2 个轮作周年内各季作物对氮素的总吸收量高于习惯施肥模式。推荐施肥模式在一定程度上提高了土壤氮、磷、钾养分的供应平衡，从而使作物生长过程中能获得充分均衡的营养需求，作物生长旺盛，干物质量增加，进而促进了氮素养分的吸收积累。李龙等^[24]研究表明氮、磷、钾配施处理氮素养分吸收及肥料利用率与常规施肥相比较具有显著地提升的作用，这和本研究结果一致。合理的施肥模式有利于土壤-作物-肥料三元系统的养分循环调控，满足作物对养分的需求，促进植株地上部器官吸收更多的养分，从而达到增产效果^[25]。巨昇容等^[26]用 ¹⁵N 示踪法研究海南辣椒施肥发现，农户习惯施肥处理土壤氮残留占总施氮量的 55.9%，氮、磷、钾配施处理氮的土壤残留率较农民习惯施肥减少 8%。适量的氮、磷、钾肥配施处理更有利于作物同化产物的积累，增加籽粒中的干物质量。马小艳等^[27]研究不同轮作施肥模式下小麦产量及其养分吸收，推荐施肥模式能够减少氮素投入 25.2%～41.2%，小麦增产 3.1%～17.0%，氮素偏生产力增加 130.1%～180.3%。本研究中2个轮作周年的试验结果表明菜-菜-稻轮作方式作物周年内氮素收获指数推荐施肥模式相比农户习惯施肥模式高出 14% 左右。王乐^[28]在华北平原地区长期定位试验的结果显示，采用农户习惯施肥，当季作物收获后的氮素盈余值为 174 kg/hm²。Zhang 等^[29]在我国中部地区的研究中也发现习惯施肥模式下小麦季和玉米季氮素盈余值分别为 122 和 134 kg/hm²，采用优化施肥管理模式，整体上各季作物的氮素盈余值下降了 42%。董云杰等^[30]研究不同施肥处理中灌区冬小麦的生长结果显示，与常规施用尿素处理相比，优化施肥处理提高了冬小麦植株的茎叶氮含量和氮积累量，优化施肥处理在拔节期进行追肥，更符合营养生长阶段小麦对养分的需求规律，有利于植株营养器官对氮素的吸收。本研究中，菜-菜-稻轮作方式下四季豆的氮素收获指数显著高于菜-菜-菜轮作方式， 2种施肥模式相比，四季豆的氮素收获指数无显著差异。第三季作物水稻和豇豆，推荐施肥模式下的氮素收获指数显著低于习惯施肥模式。通过对各季作物的果实以及茎叶氮素含量进行比较，发现茎叶具有明显的差异，习惯施肥模式下的茎叶氮素含量较高。这可能是习惯施肥模式下相比推荐施肥模式下的作物茎叶易发生早衰现象，推荐施肥模式下促进了茎叶氮素向果实转运量增加，提高了作物的氮素收获指数。不同的施肥方式对作物氮素的吸收具有显著影响，农户习惯施肥方式虽然氮肥施肥量较高，但是普遍存在肥效利用率低的问题。这是因为尽管氮肥供应充足，但是土壤养分供应不平衡，作物对氮素吸收量低的结果^[31-32]。相关研究表明，基于养分管理的推荐施肥模式能够保证在作物的氮素吸收积累量不减少的条件下，同时又能满足作物生长所需的养分供应，进而有效促进作物的生长。习惯施肥模式下并不能增加作物对氮素养分的吸收，主要增加了土壤耕作层中氮素的残余量和表观损失量^[33]。本试验中未对轮作季后茬作物土壤中残余的养分进行探讨，而对于施肥模式影响下轮作体系中土壤盈余氮的含量变化有待进一步研究。

4 结论

推荐施肥模式在菜-菜-稻轮作周年内促进了各季作物对氮素的吸收利用，作物的果实氮素积累量显著高于习惯施肥模式。推荐施肥模式较好地协调了土壤养分供应，提高了氮肥偏生产力，有利于菜-菜-稻轮作实现作物高产和氮肥的高效利用，获得了良好的产量经济效益。

参考文献