Effects of Optimized Fertilization on Yield of Line Pepper and Utilization of Nitrogen in Latosols in Hainan

JU Shengrong; WANG Wenbin; GENG Jianmei

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2019.05.005

Chinese Journal of Tropical Crops >

2019 , Vol. 40 >Issue 5: 864 - 868

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2019.05.005

Crop Culture and Nutrition, Genetic Breeding

Effects of Optimized Fertilization on Yield of Line Pepper and Utilization of Nitrogen in Latosols in Hainan

JU Shengrong ¹ ,
WANG Wenbin ² ,
GENG Jianmei ^,¹^,^*

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1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
2. Rubber Research Institute, CATAS, Danzhou, Hainan 571737, China

^* GENG Jianmei,E-mail：616295256@qq.com.

Received date: 2018-09-28

Request revised date: 2019-02-19

Online published: 2019-05-31

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Abstract

Excessive application of nitrogen (N) fertilizer is very common to get high yield in vegetable production which causes water or air pollution. Compared with traditional N fertilizer application, the effects of reduced N fertilizer on the yield and accumulation of nitrogen in line pepper were studied by field experiments and the fate of N fertilizer was observed by the ¹⁵N micro-plot. The results showed that the line pepper yield by reduced 30% N was slightly improved but the difference was not significant compared with conventional N fertilizer input of 450 kg/hm ². The results of the ¹⁵N micro-plot experiment indicated that the accumulation of nitrogen in fruits, stems and leaves was almost equal during the whole growth period of line pepper even though more N fertilizer was applied in conventional N fertilizer treatment which resulted in the increment of the residual N in 0-40 cm soil and the loss of N. The residual N may be leached after the harvest of line pepper and contributed to environment pollution. The nitrogen use efficiency of reduced 30% nitrogen was significantly higher than that of conventional N fertilizer obtained by the percentage of fertilizer N uptake by crop to N fertilizer rate or ¹⁵N tracer technique. Therefore, compared with conventional N fertilizer input of 450 kg/hm ², it was necessary to reduce 30% nitrogen fertilizer in the line pepper production in Hainan, which would not affect the yield, and reduce environmental pollution.

Key words： Line pepper; conventional fertilizer application; nitrogen reduction; nitrogen use efficiency

Cite this article

JU Shengrong , WANG Wenbin , GENG Jianmei . Effects of Optimized Fertilization on Yield of Line Pepper and Utilization of Nitrogen in Latosols in Hainan[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2019 , 40(5) : 864 -868 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.05.005

在矿质营养元素中,氮对作物生长发育的促进作用和增产效果最为显著。蔬菜生产中片面追求高产,过量施用氮肥非常普遍,山东惠民设施蔬菜区年均施入4670 kg/hm²的氮肥,超过作物需要量的数倍^[1]。北京市保护地菜田全年氮肥用量高达1731.7 kg/hm²,相当于作物吸氮量的4.47倍,氮盈余量达到1344.0 kg/hm^2[2]。过量施用氮肥引起水体或大气污染环境,备受大家关注。

海南冬季气温高,被誉为天然大温室,具有发展冬季瓜菜的优势。冬季瓜菜中椒类的播种面积和产量居第一位,2015、2016年播种面积分别为41071、46504 hm^2[3,4]。一般辣椒生长对氮、钾需求较多,磷需求较少^[5,6],但是据笔者前期调查发现在椒类生产上农民习惯全程施用1种复合肥（15-15-15）,因此可以看出相对于钾而言,氮和磷都过量,尤其过量的氮异常活跃,容易进入水体或大气造成污染。另外氮肥用量高达350~750 kg/hm²,而且基肥施用比例较大,多数占50%~70%,总之肥料配比、用量、施用时期等都不合理。

王敏等^[7]对海南尖椒（谷雨109）施氮研究指出适宜施氮为300~450 kg/hm²,最佳施氮量422.5 kg/hm²,还有研究指出丘北辣椒（丘北小辣）最佳施氮量为180 kg/hm^2[8],李士敏等^[9]在贵州遵义3个镇上进行朝天椒的氮磷钾肥效的田间试验,结果表明最佳施氮量为245~ 628 kg/hm²,董俊霞^[10]通过3414施肥方案研究发现辣椒（火辣椒）高产的最佳施氮量为233 kg/hm²,由此可见不同土壤、不同辣椒品种适宜氮肥用量不同。海南椒类种植中以线椒和泡椒为主,目前对线椒的合理施氮未见报道。本文通过田间小区试验,以农户习惯施肥为对照,研究减氮、减磷处理对线椒产量的影响,同时结合¹⁵N标记肥料的微区试验,研究肥料氮的去向,旨在为合理施氮提高线椒产量与氮肥利用率,减少氮肥损失,从而保护环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤试验于2016年11月—2017年5月在海南省儋州市热科院试验场大石队（19°31°6″N,109°29′21″E）进行,供试土壤前茬作物为水稻,土壤为砖红壤,土壤基本理化性质：pH4.9,有机质22.64 g/kg,全氮1.16 g/kg,碱解氮57.48 mg/kg,有效磷18.75 mg/kg,速效钾19.11 mg/kg。

1.1.2 供试作物线椒,品种为湘辣十三号,购自屯昌蔬菜种子店。

1.2 方法

1.2.1 实验设计本试验采用田间小区与微区试验结合的方式。小区试验设3个处理：传统施肥（按照农民常规习惯,全程施用复合肥（15-15-15）,氮肥用量为450 kg/hm²,磷肥用量为450 kg/hm²,记为N₄₅₀P₄₅₀）;优化施肥（根据辣椒对肥料三要素的需求特点,相比农民习惯施肥量,减氮30%,减磷60%可能更适合线椒生长。基肥施用复合肥（15-15-15）,追肥改用另一种复合肥（15-5-25）,氮肥用量为315 kg/hm²,磷肥用量为180 kg/hm²,记为N₃₁₅P₁₈₀）;对照（N₀P₁₈₀）,不施用氮肥,磷钾施用与优化施肥处理相同,分别由过磷酸钙和氯化钾提供。每个小区面积8 m×4.5 m,起垄耕作,每小区3垄,每垄双行种植,株距0.4 m,有机肥施用相同（11 000 kg/hm²羊粪商品有机肥）,作为基肥一次性施入。重复3次,随机排列。化肥施用分为基肥和3次追肥,具体施肥量见表1。

表1 田间小区各处理的化肥施用量

Tab. 1 The fertilizer dose of each treatment

处理 Treatment	基肥 Base fertilizer /(kg·hm^-2)	第1次追肥 The 1st top dressing /(kg·hm^-2)	第2次追肥 The 2nd top dressing /(kg·hm^-2)	第3次追肥 The 3rd top dressing /(kg·hm^-2)	总养分量Nutrient content
处理 Treatment	基肥 Base fertilizer /(kg·hm^-2)	第1次追肥 The 1st top dressing /(kg·hm^-2)	第2次追肥 The 2nd top dressing /(kg·hm^-2)	第3次追肥 The 3rd top dressing /(kg·hm^-2)	N /(kg·hm^-2)	P₂O₅/(kg·hm^-2)	K₂O /(kg·hm^-2)
N₀P₁₈₀	1125(过磷酸钙) 375(氯化钾)		375(氯化钾)		0	180	450
N₄₅₀P₄₅₀	1125	750	750	375	450	450	450
N₃₁₅P₁₈₀	750	375	600	375	315	180	450

同时在施氮肥的2个处理N₄₅₀P₄₅₀和N₃₁₅P₁₈₀采用铁框法进行微区试验,每个小区设置2个微区,铁框规格为110 cm×80 cm×40 cm,高出地面5 cm,每个铁框种植6株线椒,微区内肥料用量、浇水、病虫害防控等田间管理与小区相同,氮为上海化工研究院生产的¹⁵N标记尿素（丰度5.19%）,磷钾分别由过磷酸钙和氯化钾提供。

辣椒于2016年10月27日育苗,12月3日移栽于试验小区,常规栽培管理,未进行修剪摘心处理。每次分小区采集辣椒果实称重后,随机选取一部分杀青烘干测定其中的氮含量。2017年5月4日试验结束时随机采集3株辣椒,按照果实、茎、叶分开称重后,随机选取一部分杀青烘干测定其中的氮含量。微区试验类似,试验结束时6株全部采集,每次采样除了测定氮含量,还测定¹⁵N丰度。用土钻分层采集0~10、10~20、 20~40 cm土样,测定土壤全氮含量和¹⁵N丰度,计算土壤的¹⁵N残留率。

1.2.2 测定指标与方法植物和土壤样品全氮用凯氏定氮法测定,¹⁵N丰度用质谱仪测定。

氮肥利用率的计算参照巨晓棠^[11]、王富林^[12]的方法。计算公式为：

Ndff=[辣椒或土壤¹⁵N丰度(%)–自然丰度(0.365%)]/[肥料中¹⁵N丰度(%)–自然丰度(0.365%)]×100%;

辣椒氮肥利用率=[Ndff×辣椒全氮量(g)]/施肥量(g);

总氮量(g)=辣椒干物质量(g)×N

辣椒¹⁵N累积量(mg)=总氮量(g)× Ndff×1000;

土壤各层次氮肥残留量(mg)=土壤全氮含量(g/kg)×容重(g/cm³)×土层深度(cm)×微区面积(cm²)×Ndff

表观损失量=施肥量–作物吸氮量–土壤氮残留量

氮肥表观利用率=(施氮区作物吸氮量–不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥表观残留率=(施氮区残留氮–不施氮区残留氮)/施氮量×100%;

氮肥表观损失率=100%–氮肥利用率–氮肥残留率。

1.3 数据处理

所有数据采用Excel 2010软件和SPSS 20.0软件进行统计分析,差异显著性检验用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对线椒果实产量的影响

由表2可知,2个施氮处理（N₄₅₀P₄₅₀、N₃₁₅P₁₈₀）的产量分别比不施氮处理（N₀P₁₈₀）增产83.8%、92.5%,说明增施氮肥能显著提高辣椒的产量;N₃₁₅P₁₈₀处理无论小区还是微区的产量都略高于N₄₅₀P₄₅₀处理,分别增产5%、6%,但差异未达显著水平,即减氮30%后线椒产量不仅没有降低,反而略有提高,说明农民习惯施氮量至少过量30%。

表2 不同施肥处理的线椒果实产量

Tab. 2 Yield of different treatment

处理 Treatment	产量Yield/(t·hm^-2)
处理 Treatment	小区Plot	微区Microplot
N₀P₁₈₀	25.3±1.1^b	—
N₄₅₀P₄₅₀	46.5±3.4^a	36.3±7.0^a
N₃₁₅P₁₈₀	48.7±1.0^a	38.5±4.0^a

	Note: Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level.
	注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.2 不同施肥处理对线椒氮素累积量的影响

2个施氮肥处理N₄₅₀P₄₅₀、N₃₁₅P₁₈₀的植株地上部氮素总累积量显著高于不施氮肥处理N₀P₁₈₀（图1）。相比N₄₅₀P₄₅₀处理,优化施肥的N₃₁₅P₁₈₀处理整个生育期果实、茎和叶的总氮素累积量提高了9.3%,但差异不显著。原因可能是N₄₅₀P₄₅₀与N₃₁₅P₁₈₀处理的N∶P₂O₅∶K₂O=1∶1∶1和1∶0.6∶1.4 , 后者氮磷钾比例更适合辣椒生长,产量略提高,氮累积量也略增加。

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图1 不同施肥处理下整个生育期线椒植株地上部的氮累积量（小区试验）

Fig. 1 The accumulation of nitrogen in different organs of line pepper in the whole growth period

2.3 不同氮肥用量对¹⁵N肥料去向的影响

施入微区土壤的¹⁵N肥料去向见表3,不同氮肥用量的两个处理植株氮素总累积量几乎相等,且都是果实吸氮量最多,占70%左右。N₄₅₀P₄₅₀处理在0~10 cm、10~20 cm及20~40 cm土层内的¹⁵N残留量均大于N₃₁₅P₁₈₀,尤其是0~10 cm土层,高出95.2%,差异达到极显著水平,原因可能是施肥较浅（追肥主要是在株间开挖5 cm左右的施肥穴）。N₄₅₀P₄₅₀处理0~40 cm¹⁵N肥料的总残留量也极显著高于N₃₁₅P₁₈₀。N₄₅₀P₄₅₀处理的¹⁵N肥料表观损失量比N₃₁₅P₁₈₀损失氮量高36.5%,但差异不显著。由此可知农民习惯过量施用氮肥,并没有增加辣椒的氮素吸收,主要增加了土壤中0~40 cm的残留量和表观损失量。

表3 ¹⁵N肥料的去向

Tab. 3 The fate of ¹⁵N in microplot

处理 Treatment	吸收累积量Crop uptake/(kg·hm^-2)				残留量Soil residue/(kg·hm^-2)				表观损失量 Loss/(kg·hm^-2)
处理 Treatment	果实 Line pepper	茎 Stem	叶 Leaf	合计 Total	0~10/cm	10~20/cm	20~40/cm	0~40/cm 合计	表观损失量 Loss/(kg·hm^-2)
N₄₅₀P₄₅₀ N₃₁₅P₁₈₀	49.4±5.9^a 50.7±10.0^a	11.5±2.8^a 9.0±1.7^a	10.2±4.2^a 11.1±2.9^a	71.0±7.6^a 70.8±13.2^a	183.5±25.9^A 94.1±25.9^B	43.8±4.6^a 35.8±11.8^a	24.3±5.9^a 21.0±9.5^a	251.6±33.5^A 150.9±42.2^B	127.4±30.4^a 93.3±50.1^a

	Note: Different capital and lowercase letters in the same column meant significant differences at 0.01 and 0.05 levels, respectively.
	注：同列数据后不同大小写字母分别表示处理间差异极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）。

从表4可看出：氮肥利用率无论通过小区试验差值法计算还是微区试验通过¹⁵N示踪法计算的都为N₃₁₅P₁₈₀显著高于N₄₅₀P₄₅₀,但是都比较低,仅为16%~26%。微区¹⁵N示踪试验结果表明,氮肥施入在土壤后残留率最高,占50%左右,其次是通过各种途径损失的,约占30%,氮肥的吸收利用率最低。

表4 不同氮肥用量对氮肥利用率、残留率和表观损失率的影响

Tab. 4 The proportion of ¹⁵N fertilizer in each way

处理 Treatment	小区试验	微区试验
处理 Treatment	氮肥利用率(差值法) N use efficiency/%	氮肥利用率(¹⁵N示踪法) Line pepper Recovery rate/%	土壤残留率 Soil Residue rate/%	表观损失率 Losses rate/%
N₄₅₀P₄₅₀	17.0±3.1^b	15.8±1.7^b	55.9±7.4^a	28.3±6.8^a
N₃₁₅P₁₈₀	25.9±7.6^a	22.5±4.2^a	47.9±13.4^a	29.6±15.9^a

	Note: Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level.
	注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

3 讨论

韩瑛祚等^[13]的研究发现,与常规施肥（225 kg/ hm²）相比,减氮15%辣椒产量高于常规施肥,减氮30%辣椒产量略低于常规施肥,但差异不显著。何志学^[14]通过盆栽试验研究表明随着施氮量的增加,辣椒产量呈先增后减的现象,适宜施氮量为540 kg/hm²。本研究试验条件下以多数农民习惯施氮肥450 kg/hm²为对照,减氮30%处理即315 kg/hm²线椒产量略增加,但差异不显著,原因可能基肥减少了33.3%氮肥用量,在辣椒结果盛期和后期增施含钾高的复合肥（15-5-25）,即第2、3次追肥比N₄₅₀P₄₅₀处理增施钾33.3%、66.7%,满足了辣椒结果期对钾素需求较多,利于产量增加,是否可以继续减少氮肥用量不会显著减产有待进一步研究,另外适宜施氮量还与线椒品种、产量和土壤供氮量有关。

韩瑛祚等^[13]研究指出相比常规施氮（225 kg/ hm²）减氮15%或30%不会降低辣椒整个生育期植株（果+茎+叶）对氮素的吸收,反而减氮15%辣椒氮素吸收量略高于常规施氮处理。本研究也得到类似的结果,相比农民习惯施氮（450 kg/ hm²）,优化施肥处理（315 kg/hm²）整个生育期果实、茎和叶的总氮素累积量略高,从而氮肥利用率都是优化施肥处理的显著高于农民习惯施氮。但是氮肥利用率无论通过差值法还是¹⁵N示踪法计算的也都比较低,仅为16%~26%。有研究指出中国露地蔬菜氮肥利用率为25.9%±13.3%,显著低于玉米、小麦和水稻^[15],朱建华通过¹⁵N微区试验研究发现当施氮量为1200 kg/hm²,仅有10.47%肥料氮被辣椒吸收利用^[16]。韩玲君的研究也发现,随着氮肥用量的增加,辣椒对氮肥的利用率表现为降低的趋势^[17]。蔬菜生产中氮肥利用率比较低,主要与蔬菜的根系较浅,氮肥施用较多有关。本研究试验条件下差值法计算的氮肥利用率略高于¹⁵N示踪法,这与前人的研究结果相似^[17],主要可能是氮肥的激发效应。

从¹⁵N微区试验可看出,农民习惯施氮肥较多,并没有增加线椒的氮素吸收,主要增加了土壤中的0~40 cm残留量和表观损失量。尤其是农民习惯施氮处理线椒种植结束后0~40 cm土壤氮残留量高达251.6 kg/hm²,辣椒收获后（5月左右）恰逢海南雨季,土壤中残留的大量氮素在雨水的作用下可能大量被淋洗或径流损失,肖丽娟^[18]对海南7个大中水库水质调查发现,丰水期水体营养高于枯水期,尤其是农业集约化程度较高的乐东和万宁地区的水库,证实了上述推测。而优化施肥处理可以显著降低辣椒收获后氮素在土壤中的残留量,从而可以减少氮肥的浪费以及对环境的污染,因此目前海南线椒生产中相比农民习惯施氮量减少氮肥30%施用非常必要。

综上所述,以多数农民习惯施氮肥450 kg/ hm²为对照,减氮30%后线椒产量略增加,但差异不显著。¹⁵N微区试验可知不同氮肥用量的2个处理植株地上部氮素总累积量几乎相等,因此优化施肥处理的氮肥利用率显著提高,农民习惯施氮肥较多,主要增加了土壤中的0~40 cm残留量和表观损失量,大量残留的氮可能在线椒收获后损失,环境风险大,因此目前海南线椒生产中相比农民习惯施氮肥450 kg/hm²减少30%氮肥施用非常必要。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

References

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