全 文 ：中国生态农业学报 2014年 1月 第 22卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2014, 22(1): 10−15


* “十二五”国家科技支撑计划项目“农业废弃物高效循环利用关键技术研究”(2012BAD14B00)资助
** 通讯作者: 李季, 主要研究方向为农业生态与生态工程。E-mail: liji@cau.edu.cn
郭瑞华, 主要研究方向为土壤生态学。E-mail: ruizhongrui@163.com
收稿日期: 2013−05−11 接受日期: 2013-09-30
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.30467
3种蔬菜种植模式下土壤氮素平衡的比较研究*
郭瑞华 杨玉宝 李 季**
(中国农业大学资源与环境学院 北京 100193)
摘 要 氮素利用效率用于反映当季作物从肥料中同化的氮量, 这在农业生产实践中至关重要。不合理的氮
肥施用将导致土壤板结、地下水污染以及作物品质下降等一系列问题, 因此近年来备受关注。本文以中国农
业大学曲周试验站日光温室有机蔬菜生产长期定位试验为基础, 借鉴前人对于氮素平衡的研究方法, 即氮盈
余=氮输入(肥料氮+移栽苗带入氮+灌水带入氮)−氮输出(收获物带出氮), 研究 2011 年春季有机、无公害和常
规 3种温室茄子种植模式下土壤氮素表观平衡的盈余变化。结果表明: 有机、无公害、常规 3种种植模式下, 土
壤耕层 0~20 cm土壤全氮含量差异极显著, 其中有机生产模式最高, 为 2.6 g·kg−1, 无公害生产模式为 1.7 g·kg−1,
常规生产模式最低, 为 1.3 g·kg−1; 3 种种植模式下氮素的总输入分别为 1 150 kg·hm−2、1 182 kg·hm−2、1 433
kg·hm−2, 总输出分别为 178 kg·hm−2、135 kg·hm−2、116 kg·hm−2, 茄子单季产量分别为 93 458 kg·hm−2、93 320 kg·hm−2、
90 209 kg·hm−2, 最终氮素盈余量分别为 971 kg·hm−2、1 046 kg·hm−2、1 317 kg·hm−2。有机种植模式与无公害和
常规种植模式相比, 茄子单季产量分别提高 0.1%和 3.6%, 氮素盈余分别降低 7.2%、26.3%。综上, 有机种植
模式对耕层土壤的氮素累积贡献最大, 且较无公害和常规种植模式相对高产。有机模式土壤氮盈余较少, 表现
出较高的氮素利用效率。本研究结果可为选择高产、健康的种植模式提供参考依据。
关键词 种植模式 土壤全氮 氮素平衡 茄子 温室
中图分类号: S153.6 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)01-0010-06
Comparative study of nitrogen budget in three different vegetable planting
patterns under greenhouse condition
GUO Ruihua, YANG Yubao, LI Ji
(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)
Abstract Nitrogen use efficiency reflects the amount of N assimilation of crops, which is a critical for agricultural production.
Unreasonable N application and excessive fertilizer-N input have frequently resulted in soil compaction, groundwater pollution and
low quality crop products. This has received a considerable researcher and consumer attention in recent years. A simple formula
introduced in this study to determine apparent nitrogen budget (ANB) was as follows: ANB = NI−NO, NI is N input and NO is N
output. Data from a long-term field experiment initiated in 2002 at the Quzhou Agricultural Experimental Station were used to
determine ANB under three planting patterns of vegetable. The planting patterns included organic pattern, low-input pattern and
conventional pattern. The study aimed to provide reference materials for the development of a sustainable high-yield
planting pattern. Based on the results, a significant difference was noted among soil total nitrogen content in 0−20 cm soil
layer of the three planting patterns during the growth period of eggplants. The nitrogen contents in 0−20 cm soil layer of the
organic, low-input and conventional patterns were 2.6 g·kg−1, 1.7 g·kg−1 and 1.3 g·kg−1, respectively. Total nitrogen input in the
organic, low-input and conventional patterns was 1 150 kg·hm−2, 1 182 kg·hm−2 and 1 433 kg·hm−2, respectively. The
corresponding total nitrogen uptake by crops was 178 kg·hm−2, 135 kg·hm−2 and 116 kg·hm−2, respectively. Also eggplant yield
under the three cropping patterns in 2011 was 93 458 kg·hm−2, 93 320 kg·hm−2 and 90 209 kg·hm−2, respectively. Net nitrogen
surplus for the growth period of the eggplants was 971 kg·hm−2, 1 046 kg·hm−2 and 1 317 kg·hm−2, respectively. The eggplant yield under
organic pattern was respectively 0.1% and 3.6% higher than that under low-input and conventional patterns. Net nitrogen surplus under
第 1期 郭瑞华等: 3种蔬菜种植模式下土壤氮素平衡的比较研究 11


organic pattern was 7.2% and 26.3% lower than that under low-input and conventional patterns. From the above results, it was
concluded that organic pattern was contributed the highest to soil N accumulation and had the highest yield and lowest net nitrogen
surplus. This led to the highest nitrogen use efficiency when compared with the low-input and conventional patterns. The paper
compared ANB in three different planting patterns of eggplants under greenhouse condition and contributed to sustainable and
high-yield organic production practices in China.
Keywords Planting pattern; Soil total nitrogen; Apparent nitrogen budget; Eggplant; Greenhouse
(Received May 11, 2013; accepted Sep. 30, 2013)
近几年来, 我国已经成为设施蔬菜生产第一大
国[1], 而设施蔬菜快速发展离不开化肥、农药等化学
品的贡献。然而自 20 世纪 60 年代中期以来, 随着
化肥用量的迅速增加, 有机肥的投入在急速减少。
由于化肥和农药的过量施用或不合理施用, 造成的
农业环境问题日益严重。化肥的滥用导致土壤板结,
耕地质量变差, 肥料利用率低等问题, 进而加剧了
农村生态环境的恶化。针对现代农业的这些问题 ,
我国出现了多种替代农业, 其中有机农业作为一种
环境友好型的农业发展模式, 已成为实现环保、优
质及低碳的重要途径之一[2]。
国内外关于氮素平衡方面的研究很多, 主要集
中在研究不同农田种植体系下的土壤氮素平衡, 建
立农田生态系统氮素平衡模型及利用模型进行预测
等[3−5], 但针对有机、常规、无公害 3种蔬菜种植模
式下的土壤氮素平衡的比较研究还相对较少[5−8]。本
研究以有机、无公害与常规蔬菜日光温室长期定位
试验为基础, 研究并比较不同种植模式下的日光温
室土壤全氮、氮素平衡的动态变化, 为选择健康、
高产的蔬菜种植方式提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在河北省邯郸市曲周县北部中国农业大学
曲周试验站(36º52´N, 115º01´E)日光温室中进行, 该
试验开始于 2002年 3月, 是针对有机蔬菜生产进行
的长期定位试验。当地属温带半湿润季风气候区 ,
光、热、水等气候资源比较丰富, 但受季风的强烈
影响 , 冬春寒冷干燥 , 夏季温暖多雨 , 年均降雨量
604 mm, 属一年两熟种植区。该长期定位试验已连
续进行了 9 年, 主要种植作物为春季番茄(3—7 月)
和秋冬季黄瓜(9月至翌年 1月), 另有茴香、芹菜和
茄子等。温室土壤为盐化潮褐土, 试验前为多年菜
田。日光温室为拱圆式, 东西长 52 m, 南北宽 7 m,
占地面积约 0.04 hm2。
1.2 试验处理及管理
试验设常规、无公害和有机 3种蔬菜生产模式。
(1)有机生产模式(ORG): 采用有机栽培法 , 不施用
任何化学合成的肥料、农药和激素类物质。虫害的
防治方法为人工防治和物理防治, 如人工捉虫、黄
板诱杀、使用防虫网; 病害的防治采用硫磺熏蒸灭
菌等。(2)无公害生产模式(LOW): 遵照无公害蔬菜
生产标准, 限量使用农药和化肥, 其使用量为常规
温室使用量的 50%, 杜绝使用任何激素类物质。其
病虫害的防治以生物防治为主, 病虫害严重时使用
低毒低残留的化学农药进行防治, 主要施用农药有
防治潜叶蝇的斑潜净, 治蚜虫、白粉虱的灭蚜威、
蚜虱一遍净, 治菜青虫的阿虫螨丁, 治病害的生物
制剂、硫磺熏蒸、甲霜灵、农用链霉素、雷多米尔、
病毒立刻等。(3)常规生产模式(CON): 采用常规施
肥、施药及栽培管理技术, 只进行日常生产管理工
作记载。其病虫害的防治以化学防治为主, 虫害控
制使用氯氰菊酯、敌敌畏、甲铵磷等, 病害防治用
瑞毒霉、甲霜铜等。3 种蔬菜生产模式分别在 3 个
温室进行。
3 个温室的灌溉措施均为漫灌, 灌溉次数依作
物和栽培季节不同而不同。每个温室内人工平分为
3个小区, 各温室 3个小区之间处理均相同, 小区之
间起垄隔开, 进行重复试验。
本试验期间种植的蔬菜为茄子(Solanum melon-
gena Linn.), 品种为‘霸王茄’, 由‘托鲁巴姆’根嫁接。
茄子于 2011年 3月 12日定植, 于 2011年 7月 15日
全部收获。表 1为 2002年试验前土壤基础养分状况[9]。
表 1 试验前各生产模式供试日光温室土壤基础养分状况
Table 1 Soil nutrients contents before the experiment in the tested solar greenhouses with three different planting patterns
有机质
Organic matter (g·kg−1)
全氮
Total N (g·kg−1)
全磷
Total P (g·kg−1)
速效钾
Available K (mg·kg−1) 生产模式
Planting pattern
0~20 cm 20~40 cm 0~20 cm 20~40 cm 0~20 cm 20~40 cm 0~20 cm 20~40 cm
常规模式 Conventional mode 18.93 8.75 1.36 0.74 2.22 1.07 212.83 135.28
无公害模式 Low-input mode 15.25 7.13 1.19 0.68 1.24 0.79 204.28 131.18
有机模式 Organic mode 16.63 9.60 1.17 0.77 1.38 1.04 197.30 129.30
12 中国生态农业学报 2014 第 22卷


1.3 供试肥料及施肥安排
供试肥料中化肥为市售氮、磷、钾肥; 有机肥经
人工堆制, 在微生物作用下腐熟而成, 原料为牛粪、鸡
粪、农作物秸秆等有机废弃物, 施肥量如表 2所示。
表 2 2011年春季各生产模式茄子施肥时间、施肥类型、施肥量及灌水量
Table 2 Fertilization time, types, rates and irrigation rate during eggplant cultivation period in three different planting patterns in
spring of 2011
有机模式 Organic mode 无公害模式 Low-input mode 常规模式 Conventional mode 时间
(月-日)
Date
(month-day)
施肥类型
Fertilization
type
施肥量
Fertilization
rate
(kg·hm−2)
灌溉量
Irrigation
rate
(m3·hm−2)
施肥类型
Fertilization
type
施肥量
Fertilization
rate
(kg·hm−2)
灌溉量
Irrigation
rate
(m3·hm−2)
施肥类型
Fertilization
type
施肥量
Fertilization
rate
(kg·hm−2)
灌溉量
Irrigation
rate
(m3·hm−2)
03-08 有机肥
Organic fertilizer
64 000 — 有机肥
Organic fertilizer
32 000 — 有机肥
Organic fertilizer
18 825 —
— — — 尿素 Urea 375 — 尿素 Urea 750 —
— — —
过磷酸钙
Calcium
superphosphate
625 —
过磷酸钙
Calcium
superphosphate
1 250 —
— — —
氯化钾
Potassium
chloride
500 —
氯化钾
Potassium
chloride
1 000 —
03-11 — — 875 — — 875 — — 875
04-09 — — 550 — — 550 — — 550
04-23 有机肥
Organic fertilizer
9 650 550 尿素 Urea 250 550 尿素 Urea 250 550
05-05 有机肥
Organic fertilizer
9 650 550 尿素 Urea 250 550 尿素 Urea 250 550
05-16 有机肥
Organic fertilizer
9 650 550 尿素 Urea 250 550 尿素 Urea 250 550
05-25 — — 550 尿素 Urea 250 550 尿素 Urea 250 550
06-02 — — 550 尿素 Urea 250 550 尿素 Urea 250 550
06-12 — — 550 — — 550 尿素 Urea 188 550
06-21 — — 550 — — 550 尿素 Urea 188 550

1.4 研究方法
(1)植株样品采集及测样。试验开始前(3 月 12
日)每个温室取定植苗 3 株, 再分别于 4 月 30 日、5
月 12 日、5 月 23 日、6 月 1 日、6 月 11 日和 7 月
15 日, 取 3 个日光温室的茄子植株各 3 株(含果实),
带回实验室后, 将作物植株进行烘干、粉碎、过筛
备用。果实单独处理, 同时测定果实鲜重、干重、含
水率等基础指标。采用半微量凯氏定氮法[10]测定茄
子果实及植株中全氮含量。在每个日光温室的每个
小区内设定两行为测产区, 对每次采摘果实的重量
进行称量和记录, 最后再折算出整个温室的产量。
(2)土壤样品采集及测样。土壤样品取样时间分
别为 4 月 30 日、5 月 12 日、5 月 23 日、6 月 1 日
和 6月 11日。每次取样前在有机、无公害和常规模
式 3 个日光温室内每个小区进行 Z 字型布点, 用土
钻分别在每个点取 0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、
60~80 cm和 80~100 cm 5个土层的土样, 并将每个
小区多个点对应土层的土混合均匀装入 6 号自封袋
中标记密封后放入冰盒中。将取回的土样风干、磨
碎并过 100 目筛后, 用半微量凯氏定氮法[10]测土壤
全氮含量。
(3)有机肥取样方法及测样。有机肥为腐熟的鸡
粪堆肥。取样时从堆体不同侧面选取 4个点, 各取 2 kg
并混合, 铺于干净的硬质板上, 打碎块状物并混合
均匀, 采用四分法取 2 kg用于实验室分析。设置不
同取样点, 重复上述操作 3次, 用于平行分析。烘干称
重法测定有机肥的含水量, 经烘干、磨碎并过 100 目
筛的有机肥样采用半微量凯氏定氮法[7]测全氮含量。
1.5 氮素平衡的计算方法
本试验中, 应用的氮素平衡公式为[3]:
氮盈余=氮输入(肥料氮+移栽苗带入氮+灌水带
入氮)−氮输出(收获物带出氮) (1)
式中, 氮盈余以氨挥发、反硝化、淋洗损失或者以
不同形态贮存于土壤中。
1.6 数据处理及分析
本研究数据采用 Microsoft Excel及 SPSS 13进
行处理、分析。
2 结果与分析
2.1 3种蔬菜种植模式对 5个土层土壤全氮的影响
图 1 表明, 有机、无公害和常规 3 种生产模式
0~20 cm土层土壤全氮含量从 2002年的 1.2 g·kg−1、
1.2 g·kg−1、1.4 g·kg−1[9], 变化到 2011年的 2.6 g·kg−1、
1.7 g·kg−1、1.3 g·kg−1, 有机和无公害模式分别增加
第 1期 郭瑞华等: 3种蔬菜种植模式下土壤氮素平衡的比较研究 13


100.0%和 41.7%, 而常规模式则降低 7.1%。经过 9
年生产试验有机、无公害生产模式 0~20 cm土壤全
氮含量显著增加, 说明在氮的投入水平与常规生产
模式接近的情况下, 施用有机肥有利于土壤全氮的

图 1 3种种植模式下不同采样日期 0~20 cm、20~40 cm、
40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm土层土壤全氮含量变化
Fig. 1 Changes of soil total nitrogen content in 0−20 cm,
20−40 cm, 40−60 cm, 60−80 cm, 80−100 cm soil layers at
different sampling dates under three planting patterns
积累和耕层土壤全氮含量的提高, 而施用化肥对土
壤全氮的增加起负面作用。
3 种生产模式下 0~20 cm 土壤全氮变化中有机
和无公害模式下的土壤全氮含量差异显著(P<0.5),
无公害和常规模式下的土壤全氮含量差异不显著
(P>0.5), 有机和常规模式下的土壤全氮含量差异极
显著(P<0.01)。
20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm
土层土壤全氮含量(图 1)明显低于 0~20 cm土层土壤
全氮含量。有机、无公害、常规生产模式各土层土
壤全氮含量整体上均是有机模式最高, 无公害模式
次之, 常规模式最低。一些长期定位试验的研究结
果表明, 有机肥料施用区的全氮含量最高, 化肥施
用区仅略高于空白区[11]。蔡莉莉等[12]研究了有机、
无公害和常规 3 种栽培方式下土壤养分的差异, 发
现 3 种栽培方式下, 有机栽培中土壤全氮含量最高,
且较种植前增加 8.78%。这可能是因为化肥氮对土
壤氮的矿化既无明显的净激发, 也无明显的净残留,
而有机肥在土壤中大多有明显的净残留[13]。
2.2 3种蔬菜种植模式对氮素平衡的影响
2.2.1 氮素输入
有研究表明, 氮肥用量显著影响土体中不同土
层的氮素残留[14], 残留在土壤中的氮素以多种形态
存在, 如硝态氮、交换性铵、微生物氮、黏土矿物
固定态铵、进入土壤易矿化有机组分中的氮和土壤
稳定组成中的有机氮。一般情况下, 残留氮素的大
部分以有机形态存在, 但在高施氮量条件下, 残留
氮以硝态氮的形态残留比例会提高[15]。
本试验中, 供试有机肥含水量为 33.40%, 全氮
含量为 11.92 g·kg−1; 灌溉水全氮含量为 7.77 mg·L−1;
所施尿素含氮量为 46.67%, 由此结合表 2 可计算不
同时期各种氮素的输入情况如图 2a所示。
本研究中, 有机、无公害和常规 3 种种植模式
下春季作物的总氮素输入分别为 1 150 kg·hm−2、
1 182 kg·hm−2、1 433 kg·hm−2。其中肥料氮素占总氮
素输入的比例分别为 96.32%、96.42%、97.05%。有
机和无公害种植模式下的氮输入相当, 常规种植模
式下的总氮素输入量最大。
2.2.2 氮素输出
依据氮素平衡公式, 氮输出指作物带出氮, 包
括茄子的果实和植株所带出的氮。茄子不同生长期
氮输出的变化如图 2b 所示。由图 2b 可知, 有机、
无公害和常规 3 种生产模式下, 茄子在营养生长过
程中 , 对氮素的吸收利用缓慢 , 而到生殖生长期 ,
特别是结实后, 茄子的含氮量增加迅速。试验结果表
14 中国生态农业学报 2014 第 22卷


明, 有机、无公害和常规 3种生产模式下茄子的氮素
总输出依次减少, 分别为 178 kg·hm−2、135 kg·hm−2、
116 kg·hm−2, 茄子产量依次减少, 但差异不显著, 分
别为 93 458 kg·hm−2、93 320 kg·hm−2、90 209 kg·hm−2,
茄子果实中的全氮含量也依次减少, 但差异不显著,
分别为 98.26 kg·hm−2、98.11 kg·hm−2、94.85 kg·hm−2。
茄子果实含氮量占氮输出总量的比例分别为 47.02%、
65.72%、59.28%, 数据说明植株果实含氮量在氮输
出中占很大比重。

图 2 3种种植模式下不同时期总氮素输入(a)、输出(b)
及平衡(c)的变化
Fig. 2 Changes of total nitrogen input (a), nitrogen total
uptake by plants (b) and net nitrogen surplus (c) in different
periods under three planting patterns
2.2.3 氮素平衡
茄子不同生长期的实际氮盈余量的变化如图 2c
所示。由图 2c可知, 不同时期有机和无公害种植模
式下的氮盈余量表现为先逐渐增加后减少, 而常规
种植模式下的则一直处于增加状态, 这可能由两方
面的原因引起: 一是有机、无公害和常规种植模式
下施肥次数分别为 4次、6次和 8次, 且最后施肥时
间分别为 5月 16日、6月 2日和 6月 21日, 常规比
有机和无公害种植模式的施肥次数多且总量最大 ;
二是到结果期, 茄子对氮素的吸收大大增加, 有机
和无公害的氮盈余量因此有减少趋势。另外, 在茄子
开花期之前, 无公害和常规模式下的氮素盈余量比有
机模式下的低, 之后有机和无公害模式下的氮素盈余
量较常规模式下的低。3 种种植模式下最终的氮素盈
余量为有机种植模式最低, 无公害次之, 常规最高,
分别为 971 kg·hm−2、1 046 kg·hm−2、1 317 kg·hm−2。
在保证作物产量的前提下, 有机种植模式总氮素输
入量最少、氮盈余量最少。
3 讨论和结论
本试验中, 3 种生产模式下各个时期作物耕层
0~20 cm土壤全氮含量变异不大, 但有机和无公害、
无公害和常规模式下的土壤全氮含量差异显著, 有
机和常规模式下的土壤全氮含量差异极显著; 且各
个土层土壤全氮含量整体上均为有机模式最高, 无
公害模式次之, 常规模式最低, 这与已有的研究结
果相符[11−12]。这可能与 9年来的不同施肥方式有关,
与施用化肥相比, 有机肥的施入能够缓慢释放其中
的养分, 提高耕层土壤总氮含量, 起到明显改良土
壤的作用。总的来说, 有机肥对土壤氮素累积比化
学肥料贡献高。
有机、无公害、常规 3种种植模式下氮素的总输入
分别为 1 150 kg·hm−2、1 182 kg·hm−2、1 433 kg·hm−2, 总
输出分别为 178 kg·hm−2、135 kg·hm−2、116 kg·hm−2, 茄
子单季产量分别为 93 458 kg·hm−2、93 320 kg·hm−2、
90 209 kg·hm−2, 最终的氮素盈余为有机模式最低, 无
公害模式次之, 常规模式最高, 分别为 971 kg·hm−2、
1 046 kg·hm−2、1 317 kg·hm−2。进入土壤中的氮素仅
有一部分被作物吸收利用, 其余均以氨挥发、反硝
化、淋洗损失, 或者以不同形态贮存于土壤中, 其中
硝态氮淋洗是氮肥损失的重要途径之一, 也是地下
水污染的重要来源[16]。本研究结果表明, 在保证产
量相当的情况下, 有机种植模式相对无公害和常规
种植模式, 有较低的氮素投入、较高的氮素输出及
较少的氮盈余; 无公害种植模式相对常规种植模式
有较低的氮素投入、较高的氮素输出及较少的氮盈
余。这说明在蔬菜日光温室中施用有机肥比施用与
有机肥含氮量相当的化肥有利于减少氮盈余, 这可
能是由于有机肥中有机氮含量较高, 矿化速率较慢,
易淋洗的硝态氮比例相对于化肥较低。研究结果有
力揭示了有机生产模式在减少氮素损失方面较无公害
和常规模式的优越性, 但未对氮素盈余组分中有较高
环境风险的淋洗氮进行定量分析, 因此这方面的工作
需要继续开展, 为设施农业发展提供理论支持。
本文虽然得到了上述一些结论, 但由于研究时
间有限, 未能全面分析 3 种种植模式下氮素盈余差
异原因, 如施肥中磷、钾的投入量对氮素吸收的影
响、pH变化对氮素吸收的影响等。3种蔬菜种植模
第 1期 郭瑞华等: 3种蔬菜种植模式下土壤氮素平衡的比较研究 15


式下氮素盈余的差异原因以及盈余氮素各组分的定
量化还有待进一步试验分析。
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