钟珍梅，黄勤楼，陈钟钿，黄秀声，冯德庆

基于15N示踪的“稻/草-食用菌-菜”循环系统氮肥利用率评价

钟珍梅，黄勤楼※，陈钟钿，黄秀声，冯德庆

（福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350013）

氮利用效率是评价作物生产及循环农业生产效率的重要指标，该研究比较“稻/草-食用菌-菜”循环农业的氮利用效率，为该模式在南方地区推广提供依据。该研究设置“水稻-食用菌-白菜”（R模式）和“狼尾草-食用菌-白菜”（P模式）2个循环农业模式，每个循环农业模式均包括3个生产环节，分别为：15N尿素栽培水稻和狼尾草（Ⅰ环节）、15N稻草和牧草栽培平菇（Ⅱ环节）、15N菌渣栽培白菜（Ⅲ环节）。结果表明，15N在稻谷的分配比例最高，为57.75%，而狼尾草第1次刈割15N分配比例最高，为58.94%。2模式氮利用效率均以Ⅰ环节最高，分别为23.44%和43.34%，其次为Ⅱ环节，Ⅲ环节最低，且P模式3个环节之间氮利用率达到显著水平；氮残留率以Ⅱ环节最高，其次为Ⅲ环节，Ⅰ环节最低。Ⅰ环节杂交狼尾草的氮利用效率高于水稻，Ⅱ环节利用杂交狼尾草栽培平菇氮利用效率也高于稻草栽培平菇，“狼尾草-食用菌-白菜”循环农业模式（P模式）的氮肥循环利用效率高于“水稻-食用菌-白菜”循环农业模式（R模式），表现为Ⅰ、Ⅱ和Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节P模式氮利用效率较R模式显著提高了84.90%、69.31%和47.29%。加环后2种循环农业模式氮利用效率均得到提高，与单一水稻/狼尾草种植相比，“稻/草-食用菌-白菜”模式植株地上部15N累积量分别从63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥利用率分别从22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%。“狼尾草-食用菌-白菜”循环农业模式可在南方地区推广。

氮肥；尿素肥料；水稻；狼尾草；食用菌；循环农业；15N标记技术

0 引 言

循环农业是一种资源节约型和环境友好型的农业发展模式，可通过调整和优化农业生态系统的产业结构，延长生产链，循环利用农业生态系统的物质和能量，提高系统的生产效率。长期以来，发展循环农业是中国经济发展的主要趋势，其在解决农业高投入、废弃物高产出和低效率等方面发挥着重要作用[1]。“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循环农业模式是南方基于食用菌栽培的一种重要循环农业模式，该模式以草本植物或水稻秸秆为草生菌栽培的主要原料，菌渣作为菌肥循环利用[2-3]。目前，“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循环农业模式的研究大多集中在对该模式经济生态效益评价、模式创建和优化[2-4]，以及栽培基质配方优化、物质转化率及机理、菌渣肥施用后的生态效益等方面[5-9]。氮元素是植物生长的主要营养元素之一，也是在循环农业系统流动的重要营养物质。研究表明，农田作物秸秆通过食用菌体系还田可使氮素利用率提高10%以上[10]。研究循环农业系统氮流动、氮去向和利用效率等对评估循环农业模式可持续发展具有重要的意义，但目前关于“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循环农业模式氮利用效率、去向特征等方面的研究还非常缺乏。

15N同位素示踪技术是一项定量研究氮去向和行为的技术，该技术可根据15N在作物、土壤等载体上的累积量定量计算氮肥利用效率，是目前常用的评估氮利用效率、氮收支等的精准化定量方法[11-12]。目前，国内外利用15N技术对“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循环农业系统中氮利用效率的研究主要集中在第1环节，即15N标记技术研究水稻氮肥利用率[12-16]。研究表明水稻中15N标记肥料回收率可达26%～30%[13]，水稻分蘖期来自肥料氮的比例最高，不同生育期15N的分配比例差异大，成熟后籽粒中15N分配比例逐渐升高[15]。李鹏飞等[16]研究表明，施用控释尿素可以增加水稻各生育期的干物质量和氮素吸收量，增加开花后（尤其是灌浆期到成熟期）干物质和氮素的转运。黄勤楼等[17-18]利用15N技术研究了8种禾本科牧草的氮吸收效率，研究表明杂交狼尾草的氮肥利用最高。Holbeck等[19]利用15N标记技术研究了不同有机肥对芥菜氮回收率的影响，结果表明菌渣肥的氮回收率最高，远高于鸡粪和矿质氮。这些研究结果为氮肥的科学施用提供了重要的依据。但以上研究均基于单种作物栽培，对“草-食用菌-菜/稻/茶/果”循环农业系统内氮的去向、行为和利用效率缺乏系统的研究。

利用水稻秸秆栽培食用菌是目前栽培草生菌的一种常用技术[2,4-5]。狼尾草为1年生或多年生禾本科牧草，常被用来消纳养殖场废弃物及作为畜禽饲草，也是栽培食用菌的优质原料[18,20]。与水稻相比，狼尾草具有适应性强、生长迅速且生物量大、管理简单、不与粮争地等优点[20-22]，可在丘陵山地或荒废农田种植。因此，本研究设置“水稻-食用菌-菜”和“狼尾草-食用菌-菜”2种循环农业模式，并利用15N标记技术，研究15N标记尿素进入“稻/草-食用菌-菜”循环农业系统后在各环节的去向、行为和利用效率，探讨“稻/草-食用菌-菜”2种循环农业模式的氮利用差异，评估循环农业延长生产链后对氮肥的利用效率，旨在为南方丘陵山地循环农业模式的推广和应用提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种为福建省农科院水稻研究所选育的“东南201”(L. Subsp Dongnan 201)，由福建省农业科学院水稻研究所提供；杂交狼尾草为江苏省农科院选育的品种杂交狼尾草（），由福建省农业科学院农业生态研究所提供；平菇品种为“平菇9400”（. Subsp 9400），由福建省农业科学院食用菌研究所提供；白菜品种为“农科185”（L. subsp Nongke 185），由福建省农业科学院作物研究所提供。水稻、狼尾草及白菜的栽培土壤均为水稻土，土壤基本理化性质为：有机质21.8 g/kg、有效氮139.56 mg/kg、速效磷11.89 mg/kg、速效钾41.21 mg/kg，pH 值4.85，15N天然丰度为0.370%。

1.2 试验设计

本试验在福建省农业科学院农业生态研究所带顶棚的网室内进行。本研究将“水稻-食用菌-菜”和“狼尾草-食用菌-菜”2种循环农业模式分别设为R模式和P模式，每个循环模式均由3个环节组成，1）将15N标记的尿素作为肥料施到水稻和狼尾草栽培土中，即15N尿素栽培水稻和狼尾草，该环节设置为Ⅰ；2）将Ⅰ环节收获的稻草和狼尾草烘干后与木屑、麦皮、碳酸钙和蔗糖按表1的比例混合均匀，作为基质栽培平菇，即15N稻草和牧草栽培平菇，该环节记为Ⅱ；3）将Ⅱ环节的菌渣作为菌肥栽培白菜，即15N菌渣栽培白菜，该环节记为Ⅲ（图1）。

图1 试验技术路线

表1 每袋平菇栽培配方及原料用量

注：表中稻草全氮为1.26%，有机碳为41.82%，C/N比为33.19；狼尾草全氮为1.48%，有机碳为52.24%，C/N比为35.29。狼尾草、稻草、木屑和麦皮15N天然丰度分别为0.381、0.383、0.586和0.376。R模式指“水稻-食用菌-白菜”循环农业模式，P模式指“狼尾草-食用菌-白菜”循环农业模式，下同。

Note: In table, the total nitrogen content and the organic matter of rice straw are 1.26% and 41.82%, respectively, and the C/N ratio is 33.19. And those ofare 1.48%, 52.24% and 35.29, respectively. Natural15N abundance of pearl millet, straw, sawdust and wheat bran are 0.381, 0.383, 0.586 and 0.376, respectively. R means “Rice-Mushroom-Cabbage” recycling agriculture mode, and P means “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” recycling agriculture mode, the same below.

1.2.115N尿素栽培水稻和狼尾草

水稻和狼尾草均采用盆栽，栽培盆的盆口31 cm、高27 cm。土壤取回风干过0.85 mm的筛后装盆，每盆装干土13 kg，土壤容重1.13 g/cm3。水稻于3月中旬播种，杂交狼尾草于2月茎秆扦插，4月20日移栽水稻和狼尾草。栽培前每盆施2 g过磷酸钙和1 g氯化钾作基肥，栽培密度参照田间生产中水稻和杂交狼尾草的栽培密度。水稻每盆插3丛，每丛4～5本，狼尾草每盆种植1株。15N尿素栽培水稻和狼尾草分别种植45盆，对照组（普通尿素）各10盆，在网室内栽培。水稻组15N尿素分3次施入，插秧后4和15 d分别施返青肥1.0 g和分蘖肥1.0 g，抽穗后14 d施穗肥1.0 g；狼尾草组15N尿素也分3次施入，移栽后4 d施基肥1.0 g，第1次刈割后施1.0 g，第2次刈割施1.0 g，试验组尿素15N丰度为20.20%，含氮量47.02%，对照组为普通尿素，含氮量46.65%。

1.2.215N稻草和牧草栽培平菇

将1.2.1试验的45盆水稻和狼尾草分别分成3组，即每组15盆，将15盆的干草用食用菌专用粉碎机粉碎混匀，与木屑、麦皮、碳酸钙和蔗糖按表1的比例混合均匀，做成10袋栽培料，则45盆干草则分别做成30袋的栽培料，即每试验组分别有30个重复。对照组的栽培料来自1.2.1的对照组，共10个重复。

1.2.315N菌渣栽培白菜

将1.2.2步骤的菌渣，每袋与10 kg水稻土混合均匀，装盆，分别再施入普通尿素3.6 g/盆、过磷酸钙5.3 g/盆、氯化钾1.5 g/盆，则30袋菌渣有30盆栽培土。白菜于9月中旬播种，10月中旬移栽。每试验组分别有30个重复，对照组的菌渣来自1.2.2的对照组，共10个重复。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 产量测定

水稻和狼尾草产量测定：水稻于成熟期按盆收获，将收获的水稻按稻谷和稻草分开备用，狼尾草1个生长季共进行3次刈割，将每次刈割的狼尾草按每盆分开。将待测稻草、稻谷、狼尾草鲜草100 ℃杀青30 min，65 ℃烘干，称质量。

平菇产量测定：待菇体的菌盖充分长大、边缘由内卷变平、颜色变浅时，及时采收，由于菇体成熟期不一致，因此平菇分3次采收，每次采收的平菇65 ℃烘干，称质量。

白菜产量测定：白菜种植90 d后，将地上部分用刀割下，100 ℃杀青30 min，65 ℃烘干，称质量。

1.3.215N同位素丰度的测定

将烘干后的稻草、稻谷、狼尾草、平菇和白菜粉碎后过0.25 mm筛，栽培土和菌渣风干粉碎过0.15 mm筛，其中狼尾草和平菇为每次刈割和采收的样。所有样品的15N丰度用Ioprime-100（德国elementar公司）稳定同位素质谱仪测定。

1.3.3 计算方法

2种循环农业模式及3个环节来自肥料、基质或菌渣15N的百分比（Ndff，The percentage of N deived from 15N fertilizer, substrate and mushroom residues），以及15N累积量、15N利用率、15N残留率和15N肥料循环利用率等的计算均参考文献[15-16]。

1.4 数据统计

所有数据均由Excel 2016进行整理，用SPSS 19.0数据处理系统进行方差分析。2模式数据之间的方差分析采用配对样本的检验，3环节数据之间的方差分析采用单因素方差分析和新复极差法检验。所有数据均用“平均值±标准差”表示，差异显著性水平<0.05。

2 结果与分析

2.1 水稻不同部位和狼尾草不同刈割期的干物质量、15N积累量及氮利用效率

水稻不同部位和狼尾草不同刈割期干物质、15N累积量及氮利用效率如表2所示。狼尾草的3次刈割的牧草干物质量、15N积累量和氮利用率均达到显著水平；其中干物质量、15N积累量和氮利用率以第1次刈割最高，其15N分配比例达58.94%；其次为第2次刈割（24.08%）；第3次刈割15N分配比例最低（16.99%），表明狼尾草第1茬对尿素氮的吸收量最高，随后逐次递减；而第3茬刈割狼尾草来自尿素氮（15N肥料）的比例（Ndff）最高，达34.87%，显著高于第1次刈割。对水稻不同部位而言，水稻的干物质量以稻草最高，显著高于稻谷；而15N积累量、Ndff和氮利用率则以稻谷最高，显著高于稻草；其中稻谷中15N分配比例为57.75%，稻草则占总量的42.25%。表明水稻成熟时，存在氮从秸秆转运至籽粒过程[15]，因此稻谷15N的累积量、Ndff和氮利用率高于稻草。

表2 水稻不同部位和狼尾草不同刈割期的干物质、15N累积量、Ndff及氮利用效率

注：同模式内同一列数据不同的小写字母表示差异显著（<0.05）。Ndff表示样品氮素来自标记15N肥料的百分比。

Note: Different letters in the same column and mode mean significant difference at 0.05 level. Ndff means the percentage of nitrogen originated from the labeled15N fertilizer in samples.

2.2 2种循环农业模式各环节干物质量、15N累积量及分配比例

2种循环农业模式3个环节的干物质量、15N累积量、分配比例及Ndff1如表3所示。对Ⅰ环节而言，P模式地上部和根干物质量、15N积累量以及地上部Ndff1均显著高于R模式，而土壤15N积累量和Ndff1则相反，R模式显著高于P模式。R模式土壤中15N分配比例最高，为56.15%，其次为植株地上部（41.72%），根系最低（2.14%），P模式则以植株地上部15N分配比例最高（73.05%），其次为土壤（19.68%），根系最低（7.27%）。对Ⅱ环节而言，R模式菌渣Ndff1较P模式显著提高，其他指标2模式之间差异不显著。R和P模式15N分配比例最高为菌渣，分别为66.92%和58.26%，其次为平菇，分别为33.08%和41.74%。对Ⅲ环节而言，除了R模式土壤Ndff1较P模式显著提高，其他指标2模式之间差异不显著。Atila[23]研究表明，香菇的产量与栽培基质氮含量无显著关系，主要受栽培基质的C/N比的影响。本研究所用的2种栽培基质C/N比一致，这是导致2种基质栽培的平菇产量无显著差异的主要原因。Ⅲ环节R和P模式15N分配比例最高为土壤（65.97%和55.84%），其次为白菜地上部（32.18%和41.70%），根系最低（1.85%和2.46%）。以上结果表明，2模式之间干物质量、15N累积量、分配比例及Ndff1主要在Ⅰ环节存在较大差异，而Ⅱ和Ⅲ环节差异较小，这说明狼尾草对尿素氮的吸收利用效率高于水稻是造成这种差异的主要原因。杂交狼尾草为1年生或多年生禾本科牧草，具有生物量高、耐性强及需肥量大等特点[20-22]，加上狼尾草全年能刈割3～4次[20]，因此15N在狼尾草地上部和根系的分配比例均高于水稻，狼尾草栽培土中15N残留量显著低于水稻土。

表3 不同循环农业模式间3环节干物质量、15N累积量及Ndff1

注：表中同一行不同模式之间同一测定指标数据后不同小写字母表示差异显著（<0.05）。Ndff1表示氮素来自标记15N肥料、15N标记栽培基质的百分比。Ⅰ表示15N的尿素栽培水稻和狼尾草环节；Ⅱ表示15N标记的稻草和狼尾草栽培平菇环节；Ⅲ表示15N菌渣肥栽培白菜环节，下同。

Note: Different lower letters between two treatments in the same row and measured index mean significant difference at 0.05 level. Ndff1means the percentage of nitrogen originated from the labeled15N fertilizer or culture substrate. Ⅰis the sector that15N-labeled urea was applied as nitrogen fertilizer to rice and pearl millet (Pennisetum americanum×P.purpureum), Ⅱis the sector that15N-labeled straw and pearl millet were used as substrates to cultivate oyster mushroom, and Ⅲis the sector that15N-labeled mushroom residues were applied as fertilizer to cultivate cabbage, the same below.

2.3 2种循环农业模式各环节的氮利用效率

2种循环农业模式3个环节氮利用效率、残留率及损失率如表4所示。对氮利用率而言，R模式和P模式氮利用率最高的均为Ⅰ环节，分别为23.44%和43.34%，其次为Ⅱ环节，Ⅲ环节最低。对P模式而言，3个环节之间氮利用率达到显著水平，其中Ⅰ环节较Ⅱ和Ⅲ环节显著提高了19.23%和92.97%。Ⅰ和Ⅱ环节P模式氮利用率显著高于R模式，较R模式分别提高了84.90%和69.31%，表明杂交狼尾草种植氮利用率高于水稻种植，利用杂交狼尾草秸秆栽培平菇氮利用率也高于稻草栽培平菇。Ⅲ环节2模式之间氮利用率无显著差异。对氮残留率而言，2种模式氮残留率最高的为Ⅱ环节，分别为43.48%和50.74%，其次为Ⅲ环节，Ⅰ环节最低，且Ⅰ和Ⅱ环节2模式氮残留率均达到显著水平。表明食用菌栽培产生的菌渣会残留大量营养元素，因此菌渣作为肥料循环利用是可行的。Ⅰ环节R模式氮残留率较P模式显著提高，而Ⅱ环节则相反，P模式氮残留率较R模式显著提高，这可能与杂交狼尾草纤维素含量较稻草高有关[20]，导致由狼尾草配制的栽培基质微生物与稻草栽培基质存在差异，微生物群落的不断变化将对培养料的分解产生影响[24]，因此虽然P模式菌渣中15N的累积量较R模式低，但氮残留率反而提高。对氮损失率而言，Ⅰ和Ⅲ环节2模式之间氮损失率差异不显著，而Ⅱ环节P模式氮损失率显著低于R模式。2种模式Ⅱ环节的Ndff2值最高，其次为Ⅰ环节，Ⅲ环节最低，表明食用菌栽培的N主要来自于基质，而其他2个环节除了来自15N标记的肥料外，更多的来自土壤；Ⅰ环节P模式Ndff2值显著高于R模式，表明杂交狼尾草中的氮更多是来自15N标记的尿素，这进一步验证了狼尾草需肥量大的特性。其他2个环节2模式之间Ndff2值差异不显著。

表4 不同循环农业模式间3环节氮利用效率、残留率及损失率

注：表中同一指标同一列数据后的不同大写字母表示不同模式同一环节间差异显著，同一行数据后的不同小写字母表示同一模式不同环节之间差异显著（<0.05），下同。表中氮利用率及氮残留率为该环节植株15N累积量、残留量与该环节肥料或基质中投入的15N累积量的比例，氮损失率=1-（氮利用率+氮残留率）。Ndff2表示该环节地上部氮来自标记15N肥料、15N标记栽培基质的百分比。

Note: Different capital letters between two modes in the same column mean significant difference at 0.05 level. Differences lower letters in the same row indicate significant difference at 0.05 level, the same below. Nitrogen utilization efficiency and residue rate are calculated by15N accumulation in the plants and residue in soil or substrates divided by input15N accumulation in soil or substrates, nitrogen loss rate = 1- (nitrogen utilization efficiency + nitrogen residue rate). Ndff2means the percentage of aboveground nitrogen originated from the labeled15N fertilizer or culture substrate.

2.4 2种循环农业模式氮循环利用率

2种循环农业模式3环节肥料氮累积量及循环利用率如表5所示。P模式Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节植株地上部15N累积量和氮肥循环利用率均显著高于R模式，分别提高了47.31%和47.29%，表明与R模式相比，P模式的总体肥料氮循环利用率更高。循环系统加环后，P模式和R模式Ⅰ+Ⅱ、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ和Ⅰ环之间植株地上部15N累积量和氮肥循环利用率均达到显著水平，与Ⅰ环节相比，P模式和R模式Ⅰ+Ⅱ环节和Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节植株地上部15N累积量和氮肥循环利用率均显著提高，其中R模式和P模式Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节较Ⅰ环节15N累积量分别从63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥循环利用效率分别从22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%，分别增加了18.19和20.21个百分点。

表5 不同循环农业模式间各环节肥料15N累积量和利用效率

注：表中肥料氮循环利用率为该环节所有植株地上部15N累积量与Ⅰ环节15N标记尿素投入量的比例。肥料氮利用率增加量分别为Ⅰ+Ⅱ环节、Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节与Ⅰ环节相比的增加值。

Note: Fertilizer nitrogen recycling utilization efficiency of different units are calculated by15N accumulation of aboveground plant divided by input of15N labeled urea in Ⅰsector. Increase rate of fertilizer nitrogen utilization efficiency are calculated by fertilizer nitrogen utilization efficiency of Ⅰ+Ⅱsector andⅠ+Ⅱ+Ⅲ sector divided by that of Ⅰ sector.

3 讨 论

农业生产中施氮量过多是造成种植系统氮利用率低下和氮盈余量高的主要原因[25]，而循环农业系统通过废弃物在系统内的再循环可以实现氮素的再利用，从而提高氮的生产效率[26-27]。本研究结果表明，当增加水稻秸秆和狼尾草秸秆栽培食用菌环节（Ⅱ环节）后，水稻秸秆和狼尾草秸秆不再释放到环境中，而是作为基质为平菇生长提供必需的营养元素，减少了营养物质损耗，进而提高了系统肥料氮的循环利用率。增加菌渣栽培白菜环节（Ⅲ环节）也有相同的效果，菌渣以肥料的形式进入到栽培白菜环节，一方面减少了菌渣对环境造成的压力，另一方面通过提高了物质在系统内的再循环和再利用，因此“水稻-食用菌-白菜”和“狼尾草-食用菌-白菜”模式氮肥循环利用分别较单一的水稻和狼尾草栽培显著增加。减少投入是循环系统的一个重要特征[26]，石鹏飞等[25]研究表明，循环系统中通过物质循环再利用可使化肥氮投入量减少50%，种植系统氮利用率提高34.6%，农场系统氮总利用率提高18.7%。因此，通过农业废弃物的再循环利用使系统投入减少，这是本研究氮利用效率增加的一个原因。李瑞琴等[10]利用养分流动和模型分析方法分析了“农田-食用菌”生产系统的氮元素流动特征，结果发现农田作物秸秆通过食用菌体系还田可使氮素利用率提高10%以上。这与本研究的结果一致，增加循环链可提高系统的氮利用效率。本研究还发现，在3个环节中，15N栽培水稻和狼尾草（Ⅰ环节）的氮利用效率最高，其次为食用菌栽培（Ⅱ环节），同时食用菌栽培过程氮损失率最低（表4），可见通过秸秆的资源化利用对增加氮的循环再利用具有显著效果。食用菌产业是中国第五大种植业，其产量占世界的70%，其产量、消费和出口均处于世界第一[28]，因此推广利用植物秸秆栽培食用菌具有重要的意义。

狼尾草是1年生或多年生的禾本科牧草，具有生物量大、需肥量大的特性，适和在抛荒地、房前屋后种植，也常用于消纳养殖场污水并作为饲草应用于牛、羊及猪等的养殖[20]。本研究发现，15N栽培狼尾草的氮利用效率高于15N栽培水稻，这进一步验证了狼尾草需肥量大且肥料利用高的特性。与水稻相比，狼尾草秸秆茎含量高，且茎中蔗糖含量高[20]，高的蔗糖含量可能更利于食用菌栽培基质的发酵[24]，因此狼尾草栽培平菇的氮利用效率高于水稻栽培平菇。Ⅰ和Ⅱ环节氮利用的差异使“狼尾草-食用菌-白菜”模式的氮循环利用效率和Ndff值较“水稻-食用菌-白菜”模式更高，氮损失率更低。目前，水稻秸秆栽培食用菌技术已经较为成熟，与水稻相比，狼尾草适应性强，管理简单，可种植于水稻田中，本研究结果证实了在水稻土中狼尾草的氮利用效率高于水稻。狼尾草还可种植于荒山荒坡，由于土壤是影响植物氮吸收的重要因素，因此有必要进一步加强狼尾草在旱地不同循环种植模式中氮利用效率的研究，以利于“狼尾草-食用菌-白菜”循环农业模式在南方丘陵地区推广应用。

4 结 论

1）15N尿素栽培水稻环节15N在稻谷分配比例为57.75%，大于稻草；而15N尿素栽培狼尾草环节以第1次刈割15N所占的比例最高，为58.94%。

2）“水稻-食用菌-白菜”（R模式）和“狼尾草-食用菌-白菜”（P模式）氮利用效率均以15N尿素栽培水稻/狼尾草环节（Ⅰ环节）最高，分别为23.44%和43.34%；且“狼尾草-食用菌-白菜”模式15N尿素栽培狼尾草环节（Ⅰ环节）较15N狼尾草栽培平菇环节（Ⅱ环节）和15N菌渣栽培白菜环节（Ⅲ环节）氮利用率显著提高了19.23%和92.97%。

3）Ⅰ环节杂交狼尾草的氮利用效率较水稻栽培提高84.90%，Ⅱ环节利用杂交狼尾草栽培平菇氮利用效率高于稻草栽培平菇，提高了69.31%，同时“狼尾草-食用菌-白菜”循环农业模式（P模式）的氮肥循环利用效率也高于“水稻-食用菌-白菜”（R模式）循环农业模式，提高了47.29%。

4）与单一水稻/狼尾草种植（Ⅰ环节）相比，“稻/草-食用菌-白菜”模式（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ环节）地上部15N累积量分别从63.50和112.30 mg增加至115.33和169.89 mg，氮肥利用率分别从22.29%和39.41%增加至40.48%和59.62%。

[1] 尹昌斌，周颖，刘利花. 我国循环农业发展理论与实践[J]. 中国生态农业学报，2013，21(1)：47-53.

Yin Changbin, Zhou Ying, Liu Lihua. Theory and practice of recycle agriculture in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 47-53. (in Chinese with English abstract)

[2] 翁伯琦，雷锦桂，王义祥，等. 秸秆菌业循环利用模式与低碳农业的发展对策[J]. 福建农林大学学报：哲学社会科学版，2010，13(1)：1-6.

Weng Boqi, Lei Jingui, Wang Yixiang, et al. Strategy of the low-carbon agricultural development based on the circulating utilization model of straw-edible fungi industry[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University: Philosophy and Social Sciences, 2010, 13(1): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[3] 胡清秀，张瑞颖. 菌业循环模式促进农业废弃物资源的高效利用[J]. 中国农业资源与区划，2013，34(6)：113-119.

Hu Qingxiu, Zhang Ruiying. Recycling model of fungi industry can promote efficiently utilization of agricultural wastes[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2013, 34(6): 113-119. (in Chinese with English abstract)

[4] 兰清秀，卢政辉，柯斌榕，等. 中国秸秆菌业循环开发研究进展[J]. 农学学报，2015，5(1)：61-64.

Lan Qingxiu, Lu Zhenghui, Ke Binrong, et al. Research advances of development cycle about straw-edible fungi[J]. Journal of Agriculture, 2015, 5(1): 61-64. (in Chinese with English abstract)

[5] 任鹏飞，刘岩，任海霞，等. 秸秆栽培食用菌基质研究展[J]. 中国食用菌，2010，29(6)：11-14.

Ren Pengfei, Liu Yan, Ren Haixia, et al. Research advance on substrate of edible fungi cultivated by straw[J]. Edible Fungi of China, 2010, 29(6): 11-14. (in Chinese with English abstract)

[6] Rashad F M, Kattan M H E, Fathy H M. et al. Recycling of agro-wastes formushroom production and Ganoderma post mushroom substrate as soil amendment[J]. Waste Management, 2019, 88: 147-159.

[7] 李波，刘朋虎，王义祥，等. 以草代料栽培食用菌的相关技术与主要物质转化机制研究进展[J]. 福建农业学报，2015，30(1)：90-97.

Li Bo, Liu Penghu, Wang Yixiang, et al. Utilization of herbage for and material transformation in edible fungi cultivation[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2015, 30(1): 90-97. (in Chinese with English abstract)

[8] 宫志远，韩建东，杨鹏. 食用菌菌渣循环再利用途径[J]. 食药用菌，2020，28(1)：9-16.

Gong Zhiyuan, Han Jiandong, Yang Peng. The recycling approach of edible fungi residue[J]. Edible and medicinal mushroom, 2020, 28(1): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[9] Long P, Sui P, Gao W S, et al. Aggregate stability and associated C and N in a silty loam soil as affected by organic material inputs[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(4): 774-787.

[10] 李瑞琴，于安芬，赵有彪，等. 河西走廊绿洲灌区循环模式“农田-食用菌”生产系统氮素流动特征[J]. 生态学报，2013，33(4)：1292-1299.

Li Ruiqin, Yu Anfen, Zhao Youbiao, et al. Nitrogen flows in “crop-edible mushroom” production systems in Hexi Corridor Oasis Irrigation Area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(4): 1292-1299. (in Chinese with English abstract)

[11] Buresh R J, Austin E R, Craswell E T. Analytical methods in15N research[J]. Fertilizer Research, 1982, 3: 37-62

[12] Wang D, Xu C, Yan J, et al.15N tracer-based analysis of genotypic differences in the uptake and partitioning of N applied at different growth stages in transplanted rice[J]. Field Crops Res, 2017, 211: 27-36.

[13] Zhang Q W, Yang Z L, Zhang H, et al. Recovery efficiency and loss of 15N-labelled urea in a rice-soil system in the upper reaches of the Yellow River basin[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 158: 118-126.

[14] Chen P, Nie T Z, Chen S H, et al. Recovery efficiency and loss of15N-labelled urea in a rice-soil system under water saving irrigation in the Songnen Plain of Northeast China[J]. Agricultural Water Management, 2019, 222: 139-153.

[15] 晏娟，沈其荣，尹斌，等. 应用15N 示踪技术研究水稻对氮肥的吸收和分配[J]. 核农学报，2009，23(3)：487-491.

Yan Juan, Shen Qirong, Yin Bin, et al. Fertilizer-n uptake and distribution in rice plants using15N tracer technique[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2009, 23(3): 487-491. (in Chinese with English abstract)

[16] 李鹏飞，李小坤，侯文峰，等. 应用15N示踪技术研究控释尿素在稻田中的去向及利用率[J]. 中国农业科学，2018，51(20)：3961-3971.

Li Pengfei, Li Xiaokun, Hou Wenfeng, et al. Studying the fate and recovery efficiency of controlled release urea in paddy soil using15N tracer technique[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(20): 3961-3971. (in Chinese with English abstract)

[17] 黄秀声，钟珍梅，黄勤楼，等. 利用15N示踪技术研究8种禾本科牧草对氮肥的吸收和转化效率[J]. 核农学报，2014，28(9)：1677-1684.

Huang Xiusheng, Zhong Zhenmei, Huang Qinlou, et al. Fertilizer-N uptake and conversion efficiency in 8 Species of gramineous pastures by using15N-tracing technique[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2014, 28(9): 1677-1684. (in Chinese with English abstract)

[18] 黄勤楼. 禾本科牧草良种选育、对氮肥的响应及其在畜牧上的利用研究[D]. 福州：福建农林大学，2008.

Huang Qinlou. Study on the Improved Variety Selection, Response to N Fertilizers of Forages in Grass Family and Their Utilization to Animal Husbandry[D]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[19] Holbeck B, Amelung W, Wolf A, et al. Recoveries of15N-labelled fertilizers (chicken manure, mushroom compost and potassium nitrate) in arable topsoil after autumn application to winter cover crops[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 130: 120-127.

[20] 黄勤楼，黄秀声，冯德庆，等. 狼尾草种质资源创新与综合利用技术[M]. 北京：科学出版社，2016.

[21] 黄秀声，黄勤楼，翁伯琦，等. 沼液不同氮素水平对狼尾草产量、质量氮素利用率和土壤剖面硝态氮分布的影响[J]. 农业环境科学学报，2014，33(8)：1652-1658.

Huang Xiusheng, Huang Qinlou, Weng Boqi, et al. Yield, quality and N utilization efficiency of Pennisetum and nitrate-N distribution in soil Profile as influenced by different N levels of biogas slurry[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(8): 1652-1658. (in Chinese with English abstract)

[22] Rostamza M, Chaichi M, Jahansou Z M, et al. Forage quality, water use and nitrogen utilization efficiencies of pearl millet (L.) grown under different soil moisture and nitrogen levels[J]. Agricultural Water Management, 2011, 98: 1607-1614.

[23] Atila F. Compositional changes in lignocellulosic content of some agro-wastes during the production cycle of shiitake mushroom. Scientia Horticulturae, 2019, 245: 263-268.

[24] 赵妍，刘顺杰，张亚茹，等. 微生物多样性分析技术应用于食用菌发酵培养料分析的进展[J]. 食用菌学报，2019，26(3)：148-156.

Zhao Yan, Liu Shunjie, Zhang Yaru, et al. Advances in application of microbial diversity analysis techniques on analyzing edible fungi fermented substrates[J]. Acta Edulis Fungi, 2019, 26(3): 148-156. (in Chinese with English abstract)

[25] 石鹏飞，郑媛媛，赵平，等. 华北平原种养一体规模化农场氮素流动特征及利用效率：以河北津龙循环农业园区为例[J]. 应用生态学报，2017，28(4)：1281-1288.

Shi Pengfei, Zheng Yuanyuan, Zhao Ping, et al. Nitrogen flow characteristic and use efficiency in mixed crop-livestock system in North China Plain: Hebei Jinlong Circular Agriculture Farm as an example[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(4): 1281-1288. (in Chinese with English abstract)

[26] Gómez-muñoz B, Magid J, Jensen L S. Nitrogen turnover, crop use efficiency and soil fertility in a long-term field experiment amended with different qualities of urban and agricultural waste[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2017, 240: 300-313.

[27] 刘琼峰，崔新卫，吴海勇，等. “种植-肉牛-有机肥-种植”模式氮磷投入产出模型的构建[J]. 农业工程学报，2016，32(增刊)：191-198.

Liu Qiongfeng, Cui Xinwei, Wu Haiyong, et al. Construction of input-output model of nitrogen and phosphorus of “Planting system-Beef cattle-Organic fertilizer-Cropping system” circular agriculture model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.): 191-198. (in Chinese with English abstract)

[28] Thakur M P. Advances in mushroom production: key to food, nutritional and employment security: A review[J]. Indian Phytopathology, 2020, 3. https://doi.org/10.1007/s42360-020-00244-9.

Nitrogen use efficiency evaluation of “rice/pearl millet-mushroom-cabbage” recycling agriculture based on15N tracer technique

Zhong Zhenmei, Huang Qinlou※, Chen Zhongdian, Huang Xiusheng, Feng Deqing

(,350013,)

Nitrogen utilization efficiency (NUE) plays an important role in evaluating crop production and production efficiency of recycling agriculture. In this study, the NUE was systematically investigated in two recycling agriculture modes, in order to accelerate the application of “Rice/Pearl millet -Mushroom-Cabbage” in the southern China. Two recycling agricultural modes were the “Rice-Mushroom-Cabbage” marked as mode R, whereas, the “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” marked as mode P. Each recycling agricultural mode included three sectors, namely, three experiments. The first sector was that the15N-labeled urea was applied as the nitrogen fertilizer to rice and pearl millet (), marked as Ⅰ sector. The second sector was that two straws harvested from rice and pearl millet of Ⅰ sector were used as substrates to cultivate oyster mushroom, marked as Ⅱ sector. The third sector was that mushroom residues were applied as fertilizer to cultivate cabbage, marked as Ⅲ sector. A15N tracer technique was used to evaluate the NUE in two recycling agricultural modes in three sectors. The results indicated that the distribution of15N in the rice grain was 57.75%, greater than that of straw, while, that in the first harvest pearl millet was the highest, accounting for 58.94%. The highest nitrogen distribution in Ⅰ sector of mode R was in soil, followed by the aboveground plant and root, while that of mode P was observed in plant, followed by the soil and root. The order of nitrogen distribution in two modes was ranked as: the mushroom residues > oyster mushroom in Ⅱ sector, and soil > plant > root in Ⅲ sector. The highest NUE was observed in Ⅰ sector of R and mode P, which were 23.44% and 43.34%, respectively. The second was in Ⅱ sector, and the lowest was observed in Ⅲ sector. There were significant differences for the NUE in three sectors of mode P, and the NUE in Ⅰ sector of mode P significantly increased 19.23% and 92.97%, compared with the Ⅱ and Ⅲ sector, respectively. The highest nitrogen residue rate (NRR) was observed in Ⅱ sector of R and mode P, which were 43.48% and 50.74%, respectively, followed by that in the Ⅲ sector, and the lowest was in Ⅰ sector. The NUE of mode P significantly increased 84.90%, 69.31% and 47.29%, compared with mode R in Ⅰ, Ⅱ, and Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ sector, respectively. Meanwhile, there was no significant difference for the NUE between mode P and mode R in the Ⅲ sector. The NRR of mode P was lower than mode R in Ⅰ sector. There was an opposite performance in Ⅱ sector, and a higher NRR was observed in mode P. The nitrogen loss rate (NLR) of mode P was lower than that of mode R in Ⅱ sector, while, there was no significant difference for the NLR between two modes in Ⅰ and Ⅲ sector. The percentage of N derived from15N fertilizer (Ndff) of mode P was higher than that of mode R in Ⅰ sector, and there was no significant difference for Ndff between two modes in Ⅱ and Ⅲ sector. The NUE of two recycling agriculture modes was improved after adding sectors, compared with the solo rice/pearl millet planting, the15N accumulation in the aboveground plants of recycling agriculture in mode R and mode P increased from 63.50 and 112.30 mg to 115.33 and 169.89 mg, and the NUE increased from 22.29% and 39.41% to 40.48% and 59.62%, indicating the increases of 18.19 and 20.21 percentage point, respectively. The NUE of pearl millet was higher than that of rice, and the utilization efficiency of oyster mushroom assimilating nitrogen from pearl millet substrate was also higher than that from the rice straw substrate. Simultaneously, where the NUE, NLR and Ndff of “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” mode behaved better than that of the “Rice-Mushroom- Cabbage” mode. Therefore, it infers that the recycling system of “Pearl millet-Mushroom-Cabbage” was fit for the application in south China.

nitrogen fertilizers;urea fertilizers; rice;; mushroom; recycling agriculture;15N labelling technique

钟珍梅，黄勤楼，陈钟钿，等. 基于15N示踪的“稻/草-食用菌-菜”循环系统氮肥利用率评价[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：253-259. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030 http://www.tcsae.org

Zhong Zhenmei, Huang Qinlou, Chen Zhongdian, et al.Nitrogen use efficiency evaluation of “rice/pearl millet-mushroom-cabbage” recycling agriculture based on15N tracer technique[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 253-259. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030 http://www.tcsae.org

2020-07-20

2020-10-25

福建省省属公益类科研院所基本科研专项（2018R1016-1）；福建省自然基金项目（2018J01034）和福建省农业科学院项目（STIT2017-2-10,AA2018-5）联合资助

钟珍梅，博士，副研究员，主要从事农业资源与环境研究。Email：mume19@126.com

黄勤楼，博士，研究员，主要从事牧草品种选育及资源化利用研究。Email：hql202@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.030

S-3

A

1002-6819(2020)-21-0253-07