有機(jī)肥替代化肥對(duì)豫東地區(qū)上海青生長(zhǎng)及氮磷利用的影響

劉沙沙，李 兵，張古彬，馮 翔，郭 林，李自濤，李志娟，王唯錦

（1河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，鄭州450001；2河南省地球化學(xué)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，鄭州450001；3河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州450001）

0 引言

種植和養(yǎng)殖是農(nóng)村的支柱性產(chǎn)業(yè)，化肥過(guò)量使用、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降和禽畜廢棄物大量堆存等引起的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)[1-3]。以有機(jī)肥逐步替代化肥，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)和循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑[4-6]。蔬菜種植過(guò)程中施肥量多、灌溉量大，施肥不當(dāng)容易造成土壤質(zhì)量下降，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，大量養(yǎng)分流失還會(huì)對(duì)水環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[7-8]。在保證蔬菜產(chǎn)量、質(zhì)量和防治環(huán)境污染的前提下，如何合理利用有機(jī)肥，提高肥料利用率是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

大量研究表明，有機(jī)肥替代化肥對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)及品質(zhì)具有促進(jìn)作用[9-11]。劉蘋(píng)等[12]調(diào)查結(jié)果顯示，施加有機(jī)肥可顯著提高蔬菜產(chǎn)量。沈明星等[13]研究表明，相比單施化肥，有機(jī)氮肥替代化肥可有效提高小白菜產(chǎn)量和品質(zhì)，降低硝酸鹽含量，提高維生素C含量。此外，有機(jī)肥替代效果受氣候、土地利用類(lèi)型和土壤理化性質(zhì)等地域性因素影響[14-16]。胡留杰等[17]盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示，上海青硝酸鹽含量與土壤類(lèi)型、豬糞施用量密切相關(guān)，黃壤的豬糞環(huán)境安全容量較紫色土高。韓曉飛等[18]針對(duì)紫色土旱坡地進(jìn)行施加磷肥方式研究，認(rèn)為化肥配施豬糞可使磷素流失消減48%。豫東地區(qū)是重要的種植區(qū)和禽畜養(yǎng)殖區(qū)，如何合理解決化肥過(guò)量和養(yǎng)殖廢棄物有機(jī)肥合理利用問(wèn)題至關(guān)重要。本研究選擇當(dāng)?shù)氐湫头N養(yǎng)結(jié)合區(qū)作為研究基地，采用田間小區(qū)方法，分析不同有機(jī)肥替代比例條件下蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)、氮磷含量及利用率的變化特征，確定有機(jī)肥最佳替代比例，旨在為建立該區(qū)有機(jī)肥可持續(xù)消納、減少面源污染提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在豫東地區(qū)某種養(yǎng)結(jié)合公司的蔬菜種植區(qū)(34.80°N、114.48°E)，引黃灌區(qū)；溫帶季風(fēng)氣候，平均氣溫14.50℃，年積溫4700℃，年降水量627.50 mm，無(wú)霜期221 天。試驗(yàn)土壤類(lèi)型以淡色潮濕雛形土為主，土壤母質(zhì)為黃河沖積物，耕層多以輕壤土為主，80 cm以下以砂土為主。試驗(yàn)小區(qū)間土壤均勻，理化性質(zhì)相似，分別采取0～20 cm耕層土壤測(cè)試?yán)砘再|(zhì)，結(jié)果如表1所示。

表1 供試土壤理化性質(zhì)表

根據(jù)當(dāng)?shù)厝~菜種植情況，選擇該地區(qū)種植范圍較廣的上海青作為試驗(yàn)對(duì)象，種植品種為鄭州蔬菜研究所選育的高產(chǎn)品種‘002’。化肥采用氯化鉀（K 含量60%）、過(guò)磷酸鈣（P2O5含量12%）和尿素（N含量46%），有機(jī)肥采用蔬菜基地所屬公司的養(yǎng)豬場(chǎng)豬糞經(jīng)中溫快速腐熟工藝無(wú)害化制造的有機(jī)肥，有效成分含量為2.07%N，1.05%P2O5和1.63%K。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)置6組處理，試驗(yàn)組施N量為20.00 gN/m2、9.68 gP2O5/m2和15.00 gK/m2。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥全部以基施的方式施入小區(qū)，50%尿素做基肥，50%尿素后期用做追肥。各組試驗(yàn)設(shè)置氮磷肥料種類(lèi)所占比例分別為：CK 組不施肥，H1 組為 100%有機(jī)肥組，H2 組為25%化肥+75%有機(jī)肥，H3組為50%化肥+50%有機(jī)肥，H4 組為75%化肥+25%有機(jī)肥，H5 組為100%化肥組。

每組處理設(shè)置3 個(gè)平行，共18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積9.0 m2(1.0 m×9.0 m)，隨機(jī)排列。各小區(qū)周邊采用土塊夯實(shí)壘成寬50 cm、高20 cm 的田埂，將相鄰小區(qū)隔開(kāi)，也可作為菜田管理的人行過(guò)道。

1.3 樣品采集與測(cè)試

2017 年 9 月 13 日播種，11 月 2 日采收測(cè)產(chǎn)。蔬菜收獲時(shí)，對(duì)每一個(gè)小區(qū)的產(chǎn)量進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)產(chǎn)，同時(shí)，每個(gè)小區(qū)選取200 g均一成熟的蔬菜，沿土面剪取地上部分用作測(cè)試樣品。采集至實(shí)驗(yàn)室的蔬菜樣品使用自來(lái)水沖洗干凈，再使用去離子水反復(fù)沖洗2～3遍，使用吸水濾紙吸干植物樣表面水分。洗凈后的植物樣品經(jīng)105℃烘干2 h，85℃烘干24 h 以上，測(cè)定干重及含水率。樣品經(jīng)濃硫酸-過(guò)氧化氫混合液消煮后，使用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，使用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量[19]。植物鮮樣中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量測(cè)試采用紫外分光光度法，可溶性糖含量采用沸水浸提蒽酮比色法測(cè)定[20-21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 作圖和SPSS 10.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所列數(shù)據(jù)均為平均數(shù)。氮素/磷素吸收量及利用率計(jì)算如(1)～(2)[15]。

式中，Ai為第i組蔬菜對(duì)氮或磷元素的吸收量(g/m2)；Yi為第i組蔬菜產(chǎn)量，(kg/m2)；Ci為第i組蔬菜氮或磷元素含量(g/kg)；Ri為第i組蔬菜氮或磷元素表觀利用率(%)；Di第i組氮或磷元素施加量(g/m2)；ACK為不施肥組的蔬菜氮或磷元素的吸收量(g/m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)上海青產(chǎn)量的影響

不同有機(jī)肥替代比例試驗(yàn)組的上海青產(chǎn)量如圖1所示。未施加肥料的CK組產(chǎn)量為2.32 kg/m2，不同施肥組上海青增產(chǎn)范圍為81.03%～102.59%。上海青產(chǎn)量的大小順序依次為CK＜H1＜H5＜H4＜H3＜H2，施肥組間上海青產(chǎn)量差異較小。75%有機(jī)肥替代比例(H2)產(chǎn)量顯著高于其他組(P＜0.05)，可達(dá)到4.70 kg/m2。

圖1 上海青產(chǎn)量對(duì)比圖

2.2 不同施肥處理對(duì)上海青品質(zhì)影響

施肥方式是影響蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要因素，可溶性糖含量是蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。各施肥組可溶性糖含量（圖2）比對(duì)照組提高47.62%～128.57%。有機(jī)肥替代可顯著提高可溶性糖含量。施加有機(jī)肥組(H1～H4)可溶性糖含量均高于單獨(dú)施加化肥組(H5)，差異顯著(P＜0.05)。其中，有機(jī)肥替代比例為75%(H2)時(shí)，上海青可溶性糖含量為0.64%，比化肥組提高54.96%。

圖2 上海青可溶性糖含量對(duì)比圖

各試驗(yàn)組上海青的硝酸鹽及亞硝酸鹽含量見(jiàn)圖3所示。有機(jī)肥替代可顯著降低蔬菜硝酸鹽、亞硝酸鹽含量。不同有機(jī)肥替代比例(H1～H4)上海青硝酸鹽和亞硝酸鹽含量較100%化肥組(H5)均顯著降低(P＜0.05)。其中，H1～H4硝酸鹽含量較化肥組最大可降低28.13%，但組間差異不顯著。施肥組中H3 組亞硝酸鹽含量最低，較化肥降低83.64%。

2.3 不同施肥處理對(duì)上海青氮磷含量影響

不同有機(jī)肥替代比例試驗(yàn)組上海青氮磷含量變化范圍（圖4）分別為26.85～49.08、6.27～10.57 g/kg。有機(jī)肥部分替代組(H2～H4)上海青氮磷含量顯著高于化肥組(P＜0.05)。其中，75%有機(jī)肥替代比例組(H2)氮含量最高，較化肥組提高28.72%；50%有機(jī)肥替代比例組(H3)磷含量最高，較化肥組提高16.28%。

2.4 氮磷利用率對(duì)比

供試蔬菜氮肥和磷肥的吸收量及利用率見(jiàn)表2所示。相同施肥水平的H1～H5 組氮磷利用率大小順序依次為配施組＞化肥組＞有機(jī)肥組。其中，配施組中H2 組有機(jī)肥替代比例為75%，氮肥利用率最大，可達(dá)到36.48%，為化肥組(H5)氮利用率的1.64倍。有機(jī)肥替代比例為50%組(H3)吸磷量及磷肥利用率分別為2.07 g/m2和33.99%，為化肥組(H5)磷利用率的1.34倍，與H2組無(wú)顯著差異。

圖3 上海青硝酸鹽含量和亞硝酸鹽含量

圖4 上海青氮磷含量圖

表2 供試蔬菜氮磷吸收量及利用率

3 結(jié)論

在不增加施肥量的基礎(chǔ)上，有機(jī)肥替代條件下上海青產(chǎn)量大，可溶性糖含量高，硝酸鹽及亞硝酸鹽含量大幅度降低。有機(jī)肥部分替代可提高氮磷表觀利用率，減少氮磷流失，有機(jī)肥替代比例為75%時(shí)效果最優(yōu)。因此，有機(jī)肥部分替代化肥，可有效合理利用禽畜糞便，減少豫東地區(qū)地化肥施用量，降低氮磷流失造成面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。

4 討論

禽畜糞便有機(jī)肥具有存儲(chǔ)量大、營(yíng)養(yǎng)豐富和來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，合理利用有機(jī)肥資源是解決化肥施用量大和禽畜廢棄物污染等問(wèn)題的重要途徑之一[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在等氮磷施用量情況下，有機(jī)肥替代條件下上海青產(chǎn)量較高。Lee 等[23]研究表明化肥組和有機(jī)肥-化肥配施組洋蔥產(chǎn)量無(wú)明顯差異。黃東風(fēng)等的研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代較單施化肥有效提高小白菜產(chǎn)量[24]。以上結(jié)果與肥料性質(zhì)、作物生長(zhǎng)過(guò)程養(yǎng)分需求特征有關(guān)。有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速度較慢，營(yíng)養(yǎng)豐富，有機(jī)、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和微生物共存；而化肥成分單一，養(yǎng)分釋放速度快。因此，有機(jī)肥部分替代化肥發(fā)揮兩者的互補(bǔ)作用，可保證蔬菜全過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)需求，增加蔬菜產(chǎn)量[25]。

可溶性糖和硝酸鹽、亞硝酸鹽分別作為蔬菜典型的營(yíng)養(yǎng)和衛(wèi)生指標(biāo)，受到社會(huì)高度關(guān)注。本研究結(jié)果表明有機(jī)肥替代組可溶性糖含量均高于化肥組。不同施肥模式下甘藍(lán)研究結(jié)果表明，可溶性糖含量均隨有機(jī)肥的施加而提高，有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)供給均衡，有利于保持和改善土壤條件，提高蔬菜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[26]。此外，相關(guān)研究表明化學(xué)氮肥和土壤肥力對(duì)葉類(lèi)蔬菜硝酸鹽含量存在明顯的影響；土壤肥力越高，化肥施加量越大，硝酸鹽含量越高[27]。胡留杰等[14]認(rèn)為蔬菜硝酸鹽含量的變化，除與肥料施加量有關(guān)外，受土壤類(lèi)型和養(yǎng)分組成的影響也較大。

氮磷含量、肥料吸收量以及肥料利用率均符合有機(jī)肥部分替代組大于化肥組的規(guī)律。有機(jī)肥替代化肥能夠增加蔬菜吸收氮磷量，提高肥料利用率，減少養(yǎng)分的積累、流失，可有效預(yù)防面源污染。朱菜紅等[28]采用15N 示蹤技術(shù)對(duì)水稻生長(zhǎng)期間不同施肥處理氮的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)配施有機(jī)肥組增加了化肥氮素供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求的同步性，是提高肥料利用率的關(guān)鍵。有機(jī)肥所含物質(zhì)種類(lèi)豐富，也是增加氮磷利用率的重要原因之一。有機(jī)肥所含微生物種群數(shù)量大、豐度高，可提高酶活，加速氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的活化，增強(qiáng)植物對(duì)氮磷的吸收能力[29-30]。此外，有機(jī)肥料含有的羧基和糖、醛、酚等化合物，可有效抑制硝化反應(yīng)，減少硝態(tài)氮的形成，還能夠固定和吸附肥料中的銨和有效磷的作用，減少營(yíng)養(yǎng)流失[31]。因此，有機(jī)肥部分替代化肥能夠顯著提高肥料的利用率，減少流失風(fēng)險(xiǎn)。