有機肥替代化肥對豫東地區上海青生長及氮磷利用的影響

劉沙沙，李 兵，張古彬，馮 翔，郭 林，李自濤，李志娟，王唯錦

（1河南省地質科學研究所，鄭州450001；2河南省地球化學生態修復工程技術研究中心，鄭州450001；3河南省地質調查院，鄭州450001）

0 引言

種植和養殖是農村的支柱性產業，化肥過量使用、農產品品質下降和禽畜廢棄物大量堆存等引起的問題逐漸顯現[1-3]。以有機肥逐步替代化肥，實現種養結合，是實現化肥零增長和循環農業發展目標的重要途徑[4-6]。蔬菜種植過程中施肥量多、灌溉量大，施肥不當容易造成土壤質量下降，影響農產品質量，大量養分流失還會對水環境構成嚴重威脅[7-8]。在保證蔬菜產量、質量和防治環境污染的前提下，如何合理利用有機肥，提高肥料利用率是急需解決的關鍵問題。

大量研究表明，有機肥替代化肥對農作物生長及品質具有促進作用[9-11]。劉蘋等[12]調查結果顯示，施加有機肥可顯著提高蔬菜產量。沈明星等[13]研究表明，相比單施化肥，有機氮肥替代化肥可有效提高小白菜產量和品質，降低硝酸鹽含量，提高維生素C含量。此外，有機肥替代效果受氣候、土地利用類型和土壤理化性質等地域性因素影響[14-16]。胡留杰等[17]盆栽試驗結果顯示，上海青硝酸鹽含量與土壤類型、豬糞施用量密切相關，黃壤的豬糞環境安全容量較紫色土高。韓曉飛等[18]針對紫色土旱坡地進行施加磷肥方式研究，認為化肥配施豬糞可使磷素流失消減48%。豫東地區是重要的種植區和禽畜養殖區，如何合理解決化肥過量和養殖廢棄物有機肥合理利用問題至關重要。本研究選擇當地典型種養結合區作為研究基地，采用田間小區方法，分析不同有機肥替代比例條件下蔬菜產量、品質、氮磷含量及利用率的變化特征，確定有機肥最佳替代比例，旨在為建立該區有機肥可持續消納、減少面源污染提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在豫東地區某種養結合公司的蔬菜種植區(34.80°N、114.48°E)，引黃灌區；溫帶季風氣候，平均氣溫14.50℃，年積溫4700℃，年降水量627.50 mm，無霜期221 天。試驗土壤類型以淡色潮濕雛形土為主，土壤母質為黃河沖積物，耕層多以輕壤土為主，80 cm以下以砂土為主。試驗小區間土壤均勻，理化性質相似，分別采取0～20 cm耕層土壤測試理化性質，結果如表1所示。

表1 供試土壤理化性質表

根據當地葉菜種植情況，選擇該地區種植范圍較廣的上海青作為試驗對象，種植品種為鄭州蔬菜研究所選育的高產品種‘002’。化肥采用氯化鉀（K 含量60%）、過磷酸鈣（P2O5含量12%）和尿素（N含量46%），有機肥采用蔬菜基地所屬公司的養豬場豬糞經中溫快速腐熟工藝無害化制造的有機肥，有效成分含量為2.07%N，1.05%P2O5和1.63%K。

1.2 試驗方法

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

每組處理設置3 個平行，共18 個小區，每個小區面積9.0 m2(1.0 m×9.0 m)，隨機排列。各小區周邊采用土塊夯實壘成寬50 cm、高20 cm 的田埂，將相鄰小區隔開，也可作為菜田管理的人行過道。

1.3 樣品采集與測試

2017 年 9 月 13 日播種，11 月 2 日采收測產。蔬菜收獲時，對每一個小區的產量進行稱重測產，同時，每個小區選取200 g均一成熟的蔬菜，沿土面剪取地上部分用作測試樣品。采集至實驗室的蔬菜樣品使用自來水沖洗干凈，再使用去離子水反復沖洗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105℃烘干2 h，85℃烘干24 h 以上，測定干重及含水率。樣品經濃硫酸-過氧化氫混合液消煮后，使用半微量凱氏定氮法測定全氮含量，使用釩鉬黃比色法測定全磷含量[19]。植物鮮樣中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量測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定[20-21]。

1.4 數據分析

數據處理采用Excel 作圖和SPSS 10.0 進行統計分析，所列數據均為平均數。氮素/磷素吸收量及利用率計算如(1)～(2)[15]。

式中，Ai為第i組蔬菜對氮或磷元素的吸收量(g/m2)；Yi為第i組蔬菜產量，(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 結果與分析

2.1 不同施肥處理對上海青產量的影響

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

圖1 上海青產量對比圖

2.2 不同施肥處理對上海青品質影響

施肥方式是影響蔬菜營養品質的重要因素，可溶性糖含量是蔬菜營養品質的重要指標。各施肥組可溶性糖含量（圖2）比對照組提高47.62%～128.57%。有機肥替代可顯著提高可溶性糖含量。施加有機肥組(H1～H4)可溶性糖含量均高于單獨施加化肥組(H5)，差異顯著(P＜0.05)。其中，有機肥替代比例為75%(H2)時，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比圖

各試驗組上海青的硝酸鹽及亞硝酸鹽含量見圖3所示。有機肥替代可顯著降低蔬菜硝酸鹽、亞硝酸鹽含量。不同有機肥替代比例(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 不同施肥處理對上海青氮磷含量影響

不同有機肥替代比例試驗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%有機肥替代比例組(H2)氮含量最高，較化肥組提高28.72%；50%有機肥替代比例組(H3)磷含量最高，較化肥組提高16.28%。

2.4 氮磷利用率對比

供試蔬菜氮肥和磷肥的吸收量及利用率見表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＞有機肥組。其中，配施組中H2 組有機肥替代比例為75%，氮肥利用率最大，可達到36.48%，為化肥組(H5)氮利用率的1.64倍。有機肥替代比例為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 結論

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

4 討論

禽畜糞便有機肥具有存儲量大、營養豐富和來源廣泛等優點，合理利用有機肥資源是解決化肥施用量大和禽畜廢棄物污染等問題的重要途徑之一[22]。本試驗結果表明，在等氮磷施用量情況下，有機肥替代條件下上海青產量較高。Lee 等[23]研究表明化肥組和有機肥-化肥配施組洋蔥產量無明顯差異。黃東風等的研究發現有機肥替代較單施化肥有效提高小白菜產量[24]。以上結果與肥料性質、作物生長過程養分需求特征有關。有機肥養分釋放速度較慢，營養豐富，有機、無機營養和微生物共存；而化肥成分單一，養分釋放速度快。因此，有機肥部分替代化肥發揮兩者的互補作用，可保證蔬菜全過程的營養需求，增加蔬菜產量[25]。

可溶性糖和硝酸鹽、亞硝酸鹽分別作為蔬菜典型的營養和衛生指標，受到社會高度關注。本研究結果表明有機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研究結果表明，可溶性糖含量均隨有機肥的施加而提高，有機肥營養供給均衡，有利于保持和改善土壤條件，提高蔬菜的營養價值[26]。此外，相關研究表明化學氮肥和土壤肥力對葉類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]認為蔬菜硝酸鹽含量的變化，除與肥料施加量有關外，受土壤類型和養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肥部分替代組大于化肥組的規律。有機肥替代化肥能夠增加蔬菜吸收氮磷量，提高肥料利用率，減少養分的積累、流失，可有效預防面源污染。朱菜紅等[28]采用15N 示蹤技術對水稻生長期間不同施肥處理氮的動態變化進行研究，發現配施有機肥組增加了化肥氮素供應與作物養分需求的同步性，是提高肥料利用率的關鍵。有機肥所含物質種類豐富，也是增加氮磷利用率的重要原因之一。有機肥所含微生物種群數量大、豐度高，可提高酶活，加速氮磷等營養物質的活化，增強植物對氮磷的吸收能力[29-30]。此外，有機肥料含有的羧基和糖、醛、酚等化合物，可有效抑制硝化反應，減少硝態氮的形成，還能夠固定和吸附肥料中的銨和有效磷的作用，減少營養流失[31]。因此，有機肥部分替代化肥能夠顯著提高肥料的利用率，減少流失風險。