有機(jī)肥部分替代化肥與化肥減施對(duì)土壤、菜心產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

黃 慶，劉忠珍，劉景業(yè)，黃連喜，李 翔，魏 嵐，黃玉芬，陳偉盛

（1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.廣州市南沙區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，廣東 廣州 511458）

【研究意義】2015年2月17日農(nóng)業(yè)部頒布《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，指出我國(guó)化肥施用存在4個(gè)方面問題：一是畝均施用量偏高，二是施肥不均衡現(xiàn)象突出，三是有機(jī)肥資源利用率低，四是施肥結(jié)構(gòu)不平衡。重化肥、輕有機(jī)肥，重大量元素肥料、輕中微量元素肥料，重氮肥、輕磷鉀肥“三重三輕”問題突出。因此，在實(shí)現(xiàn)化肥減施的前提下，如何保障農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)是當(dāng)下種植業(yè)亟待解決的問題。

【前人研究進(jìn)展】廣州市南沙區(qū)作為“粵港澳大灣區(qū)”的核心區(qū)域，得益于充足的水熱資源條件，菜地耕作頻繁，其中菜心由于收獲周期短，種植效益高，在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下，菜地高投入高產(chǎn)出的生產(chǎn)模式十分普遍。據(jù)《廣州市2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2017年廣州市蔬菜種植面積15.10萬hm2，其中南沙區(qū)蔬菜播種面積2.15萬hm2。2017年廣州市南沙區(qū)復(fù)合肥施用量高達(dá)1 831.05 kg/hm2，其中氮素施用量253.97 kg/hm2［1］，菜地年用肥量居高不下。蔬菜化肥用量是其他農(nóng)作物養(yǎng)分用量的3倍多［2］。

【本研究的切入點(diǎn)】菜地N、P2O5、K2O普遍使用15-15-15或17-17-17的均衡性高濃度復(fù)合肥［3］。大量元素養(yǎng)分之間的不平衡，導(dǎo)致化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)［4］。多茬連作和周年生產(chǎn)是南沙區(qū)蔬菜生產(chǎn)的主要特點(diǎn)，其中產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量一半以上的菜心，年均種植頻率高達(dá)8～10茬［5］。因此本試驗(yàn)研究通過“有機(jī)肥部分替代化肥”和“化肥減施”探索菜地養(yǎng)分優(yōu)化管理模式，以期為蔬菜科學(xué)施肥及菜地土壤改良、實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的提質(zhì)增效目標(biāo)提供參考。

【擬解決的關(guān)鍵問題】化肥尤其是氮肥對(duì)菜地的大量投入，導(dǎo)致土壤酸化日趨嚴(yán)重，菜地土壤退化，菜品質(zhì)量下降。針對(duì)這些問題，提出4項(xiàng)技術(shù)路徑：一是精，即是推進(jìn)精準(zhǔn)施肥；二是調(diào)，即是調(diào)整化肥使用結(jié)構(gòu)；三是改，即是改進(jìn)施肥方式；四是替，即是有機(jī)肥替代化肥。其中有機(jī)肥替代化肥技術(shù)措施，對(duì)于菜心等作物，究竟代替的比例多少合適；此外，單純化肥減量施用，對(duì)菜心等作物的產(chǎn)量和品質(zhì)是否有負(fù)面影響等是必須解決的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)勤家園蔬果農(nóng)民專業(yè)合作社（113°26′33″E，22°53′46″N），年日照時(shí)數(shù)1 635.1 h，平均氣溫22.6℃，年降雨量1 673.1 mm。

供試土壤類型為熟化程度較高的菜園土，常年以甜玉米-蔬菜的輪作方式。土壤pH5.03、有機(jī)質(zhì)25.1 g/kg、堿解氮160 mg/kg、有效磷317 mg/kg、速效鉀409 mg/kg。土壤呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量屬中等偏低水平，堿解氮、有效磷和速效鉀含量均屬極豐富水平，尤其是速效鉀含量極高，說明該菜園土養(yǎng)分含量不平衡，呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)。

供試菜心品種為“合歡（HO-HUAN）”品牌的臺(tái)優(yōu)一號(hào)甜菜苔，適宜珠江三角洲地區(qū)冬季種植，品種主要性狀：雜交一代，中遲熟，株型直立，葉卵圓形，梗淡綠色，較耐寒，產(chǎn)量較高，食用口感少渣，商品性狀良好。

供試化肥為尿素（含N 46%），磷酸氫二銨（含N 21%、P2O553%），氯化鉀（含K2O 60%）和復(fù)混肥（含N21%、P2O56%、K2O 13%）。有機(jī)肥基本性質(zhì)為：pH 6.5，有機(jī)質(zhì)45%，氮（N）2.0%，含水率36%。

1.2 試驗(yàn)方法

田間小區(qū)試驗(yàn)設(shè)無肥對(duì)照（CK）、常規(guī)施肥（CF）、10%化肥減量（RF）、15%N有機(jī)肥替代化肥（T15）、30%N有機(jī)肥替代化肥（T30）5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積24 m2。各處理有機(jī)肥和化肥施用量見表1。常規(guī)施肥處理化肥采用復(fù)混肥，化肥減量處理、有機(jī)肥部分替代化肥處理采用單質(zhì)肥料和有機(jī)肥。有機(jī)肥和單質(zhì)磷肥全部用作基肥，在整地起畦時(shí)施下，化肥分2次追施，第1次追肥占總量的40%，第2次追肥占總量的60%。

菜心采用大棚育苗移栽的方式：2019年1月10日整地施用基肥，2018年12月11日播種，2019年1月15日移栽，種植規(guī)格為株行距20 cm×25 cm。2019年1月21日施第1次追肥，1月31日施第2次追肥，2月19日收獲，整個(gè)生育期70 d。統(tǒng)一灌溉、除草和噴灑農(nóng)藥防治病蟲害等田間管理。

表1 各處理有機(jī)肥和化肥施用量Table 1 Application rates of organic and chemical fertilizers under different treatments

1.3 分析方法

土壤樣品分析主要采用《土壤農(nóng)化分析》方法：土壤pH值按V（水）∶m（土）=2.5∶1，采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L 的NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用l mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。菜心新鮮植株樣維生素C含量測(cè)定采用2，6-二氯靛酚滴定法測(cè)定［6］。菜心新鮮植株樣可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定［7］。菜心新鮮植株樣硝酸鹽含量采用硝基水楊酸比色法測(cè)定［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)菜心產(chǎn)量的影響

菜心收獲時(shí)，每處理小區(qū)單獨(dú)收獲測(cè)產(chǎn)，折算每公頃產(chǎn)量。對(duì)產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行方差分析和顯著性測(cè)驗(yàn)，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，有機(jī)肥15%N替代化肥處理T15，菜心產(chǎn)量最高達(dá)15 007 kg/hm2，高于有機(jī)肥30%N替代化肥處理T30產(chǎn)量13 385 kg/hm2。有機(jī)肥N替代化肥處理，無論替代比例為15%還是30%，產(chǎn)量均高于常規(guī)施肥處理CF，分別增產(chǎn)43.32%和27.82%，均達(dá)顯著水平。化肥減施10%處理RF，菜心產(chǎn)量為7 756 kg/hm2，與常規(guī)施肥處理CF比較，降低25.93%（P＞0.05）。

圖1 不同處理菜心產(chǎn)量Fig. 1 Yields of flowering Chinese cabbages under different treatments

2.2 不同處理對(duì)菜心品質(zhì)的影響

菜心收獲時(shí)，每處理小區(qū)隨機(jī)取10棵菜心鮮樣，進(jìn)行維生素C、可溶性糖和硝酸鹽氮含量品質(zhì)分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出，與常規(guī)施肥處理CF比較，10%化肥減量處理RF菜心維生素C含量略有增加，而可溶糖含量和硝酸鹽氮含量略有下降；15%N有機(jī)肥替代化肥處理T15菜心維生素C含量略有降低，而可溶性糖含量和硝酸鹽氮含量均略有增加（P＞0.05）；30%N有機(jī)肥替代化肥處理T30菜心維生素C含量基本持平，而可溶性糖含量和硝酸鹽氮含量均略有減少（P＞0.05）。

表2 不同處理菜心品質(zhì)分析測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of quality of flowering Chinese cabbages under different treatments

2.3 不同處理對(duì)土壤性狀的影響

2.3.1 不同處理對(duì)土壤酸堿度（pH）的影響 菜心收獲時(shí)，分別采取各處理小區(qū)耕層土壤樣品，風(fēng)干、粉碎、過篩，測(cè)定土樣酸堿度（pH），結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，與常規(guī)施肥處理CF相比，30%N有機(jī)肥替代化肥處理T30經(jīng)過種植一造菜心后，耕層土壤pH值提高0.26個(gè)單位，達(dá)到顯著水平。而15%N有機(jī)肥替代化肥處理T15、化肥減量10%處理RF，經(jīng)過種植一造菜心后，耕層土壤pH值與常規(guī)施肥處理CF差異不顯著，均維持在一個(gè)較低水平。

2.3.2 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響 菜心收獲時(shí)，分別采取各處理小區(qū)耕層土壤樣品，風(fēng)干、粉碎、過篩，分別測(cè)定土樣有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果見表3。從表3可以看出，經(jīng)過種植一造菜心，收獲期菜地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，各處理變化不顯著。

圖2 收獲期不同處理土壤pH值Fig. 2 Soil pH under different treatments at harvest stage

表3 菜心收獲期不同處理土壤養(yǎng)分含量Table 3 Soil nutrient contents at harvest stage of flowering Chinese cabbages under different treatments

2.4 不同處理對(duì)菜心植株養(yǎng)分含量的影響

菜心收獲時(shí)，每處理小區(qū)隨機(jī)取20棵菜心帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干、粉碎、過篩，進(jìn)行氮、磷、鉀含量分析，結(jié)果見圖3。從圖3 可以看出，菜心植株全氮、全磷含量不同處理之間均無顯著差異；與常規(guī)施肥處理CF比較，有機(jī)肥15%N替代化肥處理T15和有機(jī)肥30%N替代化肥處理T30菜心植株全鉀含量均有顯著提高。

圖3 收獲期不同處理菜心植株養(yǎng)分含量Fig. 3 Nutrient contents of flowering Chinese cabbages at harvest stage under different treatments

3 討論

化肥超量投入、有機(jī)肥用量不足、氮磷鉀（N、P2O5、K2O）比例和有機(jī)、無機(jī)養(yǎng)分比例失調(diào)是目前蔬菜施肥中普遍存在的主要問題［5］。依據(jù)以往“3414”測(cè)土配方施肥在珠三角的試驗(yàn)結(jié)果，菜心N養(yǎng)分每公頃推薦施用量為199.5～97.5 kg［9］。依據(jù)不同地區(qū)土壤肥力水平，葉菜類蔬菜氮磷鉀養(yǎng)分推薦施用量N∶P2O5∶K2O比例為1 ∶ 0.11～0.53 ∶ 0.37～1.29［10］。本試驗(yàn)中，結(jié)合土壤養(yǎng)分含量，常規(guī)施肥采用N105 kg/hm2、P2O530 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2處理的施肥方案。在此基礎(chǔ)上，減少10%的N+P2O5+K2O用量，菜心產(chǎn)量降低25.93%，但差異不顯著。說明在常規(guī)施肥的前提下，單純以減少10%以下化肥施用量的方式，對(duì)菜心產(chǎn)量不會(huì)造成明顯的影響。

有機(jī)肥對(duì)于增加作物產(chǎn)量的作用已有諸多研究和報(bào)道［11-13］。本試驗(yàn)中，與純化肥的常規(guī)施肥處理相比，15%N和30%N不同比例有機(jī)替代化肥處理菜心產(chǎn)量均顯著增加，這與宋以玲等［12］的研究相吻合。而且，在產(chǎn)量上30%N替代比例不及15%N替代比例處理有優(yōu)勢(shì)，兩者雖存在一定差異，但差異不顯著，這可能與菜心生長(zhǎng)期較短，有機(jī)肥養(yǎng)分釋放較慢，還沒有充分發(fā)揮有機(jī)肥的肥效有關(guān)。由此說明，化肥N養(yǎng)分只能部分的減施，而且這部分虧缺的養(yǎng)分可以通過有機(jī)肥得到有效的補(bǔ)充。有機(jī)肥15%N替代化肥結(jié)合85%N的無機(jī)養(yǎng)分，這種比例的有機(jī)N和無機(jī)N養(yǎng)分的結(jié)合，長(zhǎng)效和速效兼顧，符合菜心對(duì)土壤的生長(zhǎng)條件和養(yǎng)分需求，菜心產(chǎn)量得到顯著提高。

維生素C、可溶性糖、硝酸鹽含量等均為菜心品質(zhì)的重要指標(biāo)，這些物質(zhì)在植物中的合成和累積與光照、水分及養(yǎng)分等環(huán)境因素有關(guān)［13-14］。李會(huì)合等［15］報(bào)道施用無機(jī)肥與禽畜糞肥配施提高芹菜可溶糖含量，但降低生菜可溶糖含量。本試驗(yàn)中，與常規(guī)施肥比較，15%有機(jī)氮替代化肥，菜心可溶性糖含量有一定程度的增加；而30%有機(jī)氮替代化肥，可溶性糖含量反而有下降的趨勢(shì)。姚麗賢等［16］報(bào)道單施或配施雞、鴿糞處理對(duì)第 1茬菜心維生素C含量影響不大。在本試驗(yàn)中，無論是有機(jī)替代化肥，或者單獨(dú)化肥減施的方式對(duì)菜心維生素C、硝酸鹽含量均無顯著影響。這可能與有機(jī)肥用量相對(duì)較少有關(guān)，具體原因還需進(jìn)一步研究。

有機(jī)物料表面的含氧官能團(tuán)是堿的一個(gè)重要來源，其羧基和酚羥基在較高pH下以陰離子存在，是有機(jī)物料中堿的存在形態(tài)，它們可以與H+發(fā)生締和反應(yīng)，中和土壤酸性。本試驗(yàn)中，與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥N替代化肥達(dá)到30%幅度時(shí)，可以有效抑制土壤由于過量施用化肥導(dǎo)致的酸化，這與Yuan等［17］研究結(jié)果一致。另外，不施肥的空白對(duì)照，經(jīng)過種植一造菜心，同樣可以讓菜地土壤過度酸化得到一定程度的緩解。說明過度施用化肥，尤其是氮肥可能是引發(fā)菜地土壤酸化的主要因素［18］。試驗(yàn)證明，通過部分有機(jī)肥替代化肥，不但可以提高菜心產(chǎn)量，還能有效改良酸化的菜地土壤。

與常規(guī)施肥處理比較，無論是15%N還是30%N有機(jī)肥替代化肥處理的菜心地上部分鉀含量均明顯提高。姚德貴等［19］研究了有機(jī)肥對(duì)烤煙各器官鉀含量的影響，表明有機(jī)肥能在移栽后第5周顯著增加烤煙莖和下部葉片的鉀含量。菜心從移栽到收獲剛好為35 d，這與本試驗(yàn)菜心的生長(zhǎng)時(shí)期基本吻合。有機(jī)肥的輸入，促進(jìn)了土壤的保水保肥性，同時(shí)與菜地土壤速效鉀含量極為豐富有關(guān)。

4 結(jié)論

菜心是生長(zhǎng)期短、養(yǎng)分需求集中的作物，采用化學(xué)肥料提供菜心氮磷鉀速效養(yǎng)分是必須的。為了降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，減緩菜地土壤酸化，達(dá)到用地養(yǎng)地的目的，采用減少化肥的施用量10%以下的技術(shù)模式，而菜心虧缺的這部分養(yǎng)分，可以通過有機(jī)肥部分替代化肥的方式得到補(bǔ)充。

菜心是典型的葉菜類蔬菜，氮磷鉀大量元素營(yíng)養(yǎng)中以氮為主。由于南沙區(qū)菜地多數(shù)采用連作的方式，土壤有效磷和速效鉀含量較高，因此，菜心生產(chǎn)上有機(jī)肥氮以15%～30%的比例代替化肥氮、同時(shí)減少化肥施用量的方案是可行的［20］，但各菜場(chǎng)需要根據(jù)土壤的理化性狀確定有機(jī)氮替代的具體比重，以達(dá)到最佳的效果。