李江文,周 佳,向華輝,韓 珍,曾蔓漫,唐嘉鴻,魏朝富
(1.西南大學資源環境學院,重慶 400715;2.重慶市農業技術推廣總站,重慶 401121; 3.重慶市九龍坡區農業技術推廣站,重慶 400051)
【研究意義】近幾年來,我國花菜和榨菜種植量不斷增加,其中花菜年種植面積為35.3×104hm2,居世界第一位,占世界總種植面積的40.9 %[1-2]。而農民受“高投入高產出”等觀念的影響,為了獲得作物高產,盲目施肥現象相當普遍,導致化肥有效利用率較低[3-4]。同時,蔬菜大多為喜肥和耐肥作物,生長周期短,菜農往往施用過量化肥來提高產量[5]。由于蔬菜根系分布淺,降水量豐富時,淋溶到地下水中的硝態氮增加,造成環境污染[6],因此,如何使高投入轉化為高效率是很重要的問題[7]。【前人研究進展】目前我國水稻和玉米,氮肥利用率為25.6 %~35.6 %,磷肥利用率為9.7 %~13.7 %,鉀肥利用率為28.7 %~33.8 %;氮的偏生產力為43~54.2 kg/kg,磷的偏生產力為63.7~98.9 kg/kg,鉀的偏生產力為64.7~98.5 kg/kg[3]。有研究表明,葉菜類氮的偏生產力為173.1 kg/kg,表觀利用率為18.4 %,與國內主要糧食作物的肥料利用率相比較低。李平研究表明,與常規復合肥相比,水稻施用硝酸磷鉀肥產量最高[8]。此外,有大量研究表明,合理施用復合肥后氮、磷、鉀肥的農學利用率和偏生產力均高于常規施肥[9-10]。由于蔬菜地受人為因素影響劇烈,為了增加蔬菜產量,因而通過施用化肥加速農田生態系統循環來加快土壤酸化的速度更加普遍[11-13]。隨著氮肥的大量施用,導致土壤pH值隨時間的增加而降低[14-15]。尤其在南方,受成土母質和成土作用影響,土壤本身偏酸,加之降雨量過大,土壤酸化更加嚴重[16-17]。土壤酸化不僅導致土壤養分流失,還會使鋁離子和重金屬離子活度提高,使微生物活性降低,導致作物減產[18]。在當前高投入高產出的現代農業中,土壤酸化成為全球耕地最為普遍的現象[11]。施用土壤調理劑改良酸化土壤是有別于傳統改良土壤的新方法。王日新研究表明,施用氧化鈣調理劑具有快速調節土壤酸堿度的效果[19]。和利釗研究得出,合理施肥并配施土壤調理劑對酸性土壤改良效果更明顯[20]。【本研究切入點】目前,大量研究局限于通過合理施用復合肥降低農田化肥的施用量[3,21],沒有將改良土壤酸堿度與合理施用復合肥緊密聯系在一起,如何在一定范圍內調節土壤酸堿度的同時又增加土壤養分變得至關重要[22]。【擬解決的關鍵問題】本文以花菜和榨菜為研究對象,開展合理施用硝酸磷鉀復合肥和氧化鈣調理劑對土壤酸堿度、蔬菜產量、養分吸收和肥料利用率影響的研究,從而提出酸化蔬菜地最優施肥方案。
本試驗設計兩組試驗。
試驗1在重慶市大渡口區跳蹬鎮沙沱村農戶孟麗地塊進行。大渡口區跳磴鎮(106°26′48.74″ E,29°23′22.55″ N)位于重慶西南部,東臨大渡口區建勝鎮,南與巴南區魚洞鎮、江津區隔江相望,西、北與九龍坡區陶家鎮、華巖鎮接壤,屬亞熱帶季風性濕潤氣候。該地塊長期以蔬菜(小香蔥、萵筍、花菜等)種植為主,種植年限10年以上。試驗區土壤主要為紫色土,土壤的基本理化性質:pH 4.8,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為108.0、208.5、320.0 mg/kg。
試驗2在重慶市涪陵區江北街道李寺村地塊進行。李寺村(107°27′20.24″ E,20°40′56.63″ N)位于江北街道辦事處下游,與百勝鎮臨界。地處四川盆地和山地過渡地帶,地勢以丘陵為主,橫跨長江南北、縱貫烏江東西,海拔多在200~300 m。屬亞熱帶季風性濕潤氣候。試驗區土壤主要為紫色土,土壤的基本理化性質:pH 4.1,有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為22.1 g/kg、1.1 g/kg、0.8 g/kg、21.6 g/kg、130.0 mg/kg、46.0 mg/kg、32.0 mg/kg。
本研究復合肥選用天脊硝酸磷鉀復合肥,該產品的主要特點是產品中含有硝態氮和銨態氮、水溶性磷和枸溶性磷。氮磷鉀養分形態合理搭配,包含了被硝酸活化了的鈣、鎂、錳、鋅、硼等中微量元素和硝酸稀土,產品外觀為藍色顆粒狀;水分含量低、不易結塊;抗壓強度高、不易破碎,有利于作物吸收。土壤調理劑選用天脊調理劑,該產品為白色蓬松粉末狀,pH值在8~10,主要成份為氧化鈣,同時含有少量硝態氮和銨態氮、水溶性磷,以及被硝酸活化的鉀、鎂、鐵、錳、銅、鋅、鉬、硫和硝酸稀土,優質高效。而常規施肥選擇了芭田復合肥(15-15-15)和金正大復合肥(15-5-25),由于這兩種肥料中氮素的主要成份為氯化銨,長期施用會增加土壤酸化的風險。
如表1~2所示,為了研究不同施肥處理對化肥減量和酸化土壤改良的影響,本研究的兩組試驗均設置了4個處理。

表1 花菜施肥方案

表2 榨菜施肥方案
試驗1:①常規施肥(CK);②單施天脊調理劑(CT);③天脊硝酸磷鉀復合肥(CY);④天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)。試驗小區采取隨機排列,3次重復,每個小區面積為8 m2(10 m×0.8 m),小區之間互不影響。常規施肥選用的為芭田復合肥(15-15-15),天脊硝酸磷鉀復合肥選用的是天脊硝酸磷鉀肥40 %(22-9-9)和天脊硝酸磷鉀肥42 %(16-6-20);天脊調理劑,有效成分CaO≥40 %。基肥占施用總肥料的50 %,其余做追肥,基肥施用天脊硝酸磷鉀肥40 %作為優化配方肥,追肥施用天脊硝酸磷鉀肥42 %作為優化配方肥。
試驗2:①常規施肥(CK);②單施天脊調理劑(CT);③天脊硝酸磷鉀復合肥(CY);④天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)。試驗小區采取隨機排列,3次重復,每個小區面積為21 m2(7 m×3 m),小區之間互不影響。常規施肥選用的為金正大復合肥(15-5-25),天脊硝酸磷鉀復合肥選用的是天脊硝酸磷鉀肥(22-8-10);天脊調理劑,有效成分CaO≥40 %。基肥只施用天脊調理劑,追肥施用金正大(15-5-20)40 kg/667m2,天脊硝酸磷鉀肥(22-8-10)30 kg/667m2。
分小區摘花菜和榨菜,分別對花菜和榨菜的商品部分和地上部分鮮樣于烘箱中105 ℃殺青1 h,再80 ℃烘干至恒重稱重。pH值測定采用玻璃電極法,水土比為2.5∶1;土壤有機質(OM)采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤全氮(TN)采用半微量開氏法測定;土壤全磷(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定;土壤全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定;土壤堿解氮(AN)采用堿解擴散法;土壤有效磷(AP)采用Olsen法測定;土壤速效鉀(AK)采用1 mol/L NH4OAc提法火焰光度計法測定;土壤交換性鈣、鎂采用1 mol/L NH4OAc浸提,原子吸收分光光度計法測定,土壤交換性酸采用采用KCl交換-中和滴定法測定,土壤陽離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測定[18,23-24]。
根據文獻[21,25-26]的方法,計算如下參數。
SNPK=YNPK·ZNPK
(1)
式中,SNPK表示蔬菜商品氮、磷、鉀的積累量(kg/667m2),YNPK為施氮處理所獲得的產量,ZNPK為氮、磷、鉀的養分含量。
S1NPK=Y1NPK·ZNPK
(2)
式中,S1NPK表示蔬菜地上氮、磷、鉀的累積量(kg/667m2),Y1NPK為施氮處理所獲得的生物量。
RENPK=(ENPK-E0NPK)/FNPK×100 %
(3)
式中,RENPK表示肥料氮、磷、鉀的表觀利用率,ENPK、E0NPK分別為CY、CYT施肥處理和CK施肥處理地上總吸收的養分量,FNPK為氮、磷、鉀肥的施用量。
PFPNPK=YNPK/FNPK
(4)
式中,PFPNPK表示肥料氮、磷、鉀的偏生產力(kg·kg-1)。
HI=YNPK/Y1NPK×100 %
(5)
式中,HI表示蔬菜收獲指數(%)。
采用Microsoft Excel 2016和SPSS18.0 軟件處理試驗數據和繪制圖表。
花菜不同處理土壤理化性質存在差異,調理劑(CT)、硝酸磷鉀復合肥(CY)和硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)處理土壤pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂含量與常規施肥(CK)處理相比均有不同程度的升高或降低(表3)。其中施用天脊調理劑的CYT和CT處理與CK處理相比可顯著提高土壤pH值和交換性鈣的含量(P<0.05);土壤堿解氮含量CY處理顯著高于CK處理(P<0.05);土壤有效磷含量CK處理顯著高于CY和CYT處理(P<0.05),可能由于常規施肥中的含磷量高于天脊硝酸磷鉀復合肥中的含磷量;土壤速效鉀含量CK處理顯著高于施用天脊調理劑的CYT和CT處理(P<0.05);各處理土壤交換性鎂含量無顯著差異(P<0.05)。

表3 不同處理土壤理化性質
不同處理花菜產量從大到小依次為:硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)>硝酸磷鉀復合肥(CY)>調理劑(CT)>常規施肥(CK)(圖1)。CYT處理花菜產量顯著高于CK、CT和CY處理(P<0.05),CYT處理分別比CK、CT和CY處理花菜產量高出24.5 %、22.1 %和5.9 %;與常規施肥相比,CY處理比CK處理顯著提高了19.8 %(P<0.05);CT處理花菜產量與CK處理差異不顯著(P<0.05),但是CT處理花菜產量高于CK處理,表明施用天脊調理劑有利于花菜產量的提高。綜上得出,施用天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑處理對提高花菜產量最有效,其次是天脊硝酸磷鉀復合肥處理,盡管單施天脊調理劑能夠提高花菜產量,但是可能由于施用量不足,導致與常規施肥差異不顯著。

圖1 不同處理的花菜產量和生物量
不同處理花菜生物量從大到小依次為: CYT> CY> CK> CT(圖1)。其中CYT和CY處理花菜生物量顯著高于CK處理(P<0.05),CYT和CY處理花菜生物量分別比CK處理高出15.1 %和13.4 %。表明,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑處理對提高花菜生物量最有效,其次是天脊硝酸磷鉀復合肥處理。
不同處理花菜氮、磷、鉀累積量存在差異,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)處理花菜商品和地上部分氮、磷、鉀累積量高于其他處理,而天脊調理劑(CT)處理花菜商品和地上部分氮、磷、鉀累積量低于其他處理(表4)。CYT和CY處理花菜商品部分氮、磷、鉀累積量顯著高于CK處理(P<0.05),其中,CYT和CY處理氮的累積量分別比CK高出20.2 %和15.3 %;CYT和CY處理磷的累積量分別比CK高出28.4 %和15.9 %;CYT和CY處理鉀的累積量分別比CK高出25.9 %和15.9 %。表明,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑處理對提高花菜商品和地上部分氮、磷、鉀累積量最有效,其次是天脊硝酸磷鉀復合肥處理。

表4 不同處理花菜養分累積量
影響作物產量不僅與養分累積量有關,更與肥料的表觀利用率和偏生產力有關。表5顯示,不同處理花菜氮、磷、鉀的表觀利用率從大到小依次為:天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)>天脊硝酸磷鉀復合肥(CY)>常規施肥(CK)。CYT和CY處理花菜氮、磷、鉀的表觀利用率顯著高于CK處理(P<0.05),其中,CYT和CY處理花菜氮的表觀利用率比CK處理分別高出15.8 %和13.5 %;CYT和CY處理花菜中磷的表觀利用率比CK處理分別高出18.0 %和8.6 %;CYT和CY處理花菜中鉀的表觀利用率比CK處理分別高出64.1 %和35.1 %。不同處理花菜氮、磷、鉀的偏生產力從大到小依次為:天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)>天脊硝酸磷鉀復合肥(CY)>常規施肥(CK)。表明,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑處理可有效提高花菜中氮、磷、鉀表觀利用率和偏生產力。因為施用天脊調理劑改良了酸性土壤的pH值,增加土壤的保肥能力,同時施用天脊硝酸磷家復合肥提高氮、磷、鉀表觀利用率。CYT、CY和CT處理與CK處理相比收獲指數分別提高了3.4 %、2.2 %和1.4 %。表明,施用天脊硝酸磷家復合肥+調理劑處理可明顯提高花菜收獲指數,從而提高花菜產量。

表5 不同處理花菜養分利用效率
榨菜不同處理土壤理化性質存在差異,天脊調理劑(CT)、天脊硝酸磷家復合肥(CY)和天脊硝酸磷鉀復合肥肥+調理劑(CYT)處理土壤中的pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂和交換性酸含量與常規施肥(CK)處理相比均有不同程度的升高或降低(表6)。其中,施用調理劑的CT和CYT處理土壤全磷、全鉀和交換性鈣的含量顯著高于其他處理(P<0.05); CT、CY和CYT處理的土壤全氮和堿解氮含量與CK處理差異不顯著(P<0.05);CK處理對提高土壤有效磷和速效鉀的含量最顯著(P<0.05);CY處理對提高土壤交換性鎂的含量最顯著(P<0.05); CT處理土壤交換性酸含量最低,CT處理土壤pH最高,表明施用天脊調理劑可以提高酸性土壤的pH值,改良土壤的酸堿度,有利于養分的吸收。

表6 榨菜不同處理土壤理化性質
天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)榨菜產量顯著高于其他處理(P<0.05),而天脊調理劑(CT)顯著低于其他處理(圖2)。與常規施肥相比(CK),CYT處理榨菜產量顯著提高了21.0 %;CT處理榨菜產量顯著降低21.9 %(P<0.05),CY和CK處理榨菜產量差異不顯著(P<0.05),但CY處理榨菜產量比CK處理高出104.5 kg/667m2,可能由于施用天脊硝酸磷鉀復合肥的量比較低,需要增加天脊硝酸磷鉀復合肥的施用量。綜上,表明天脊硝酸磷鉀復合肥與天脊調理劑混合施用可以明顯提高榨菜產量。

圖2 不同處理的榨菜產量和生物量
不同處理榨菜生物量從大到小依次為:天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)>天脊硝酸磷鉀復合肥(CY)>常規施肥(CK)>調理劑(CT)(圖2)。 與常規施肥相比(CK),CYT處理榨菜生物量顯著提高了19.4 %(P<0.05);CT處理榨菜生物量顯著降低23.3 %(P<0.05),CY和CK處理榨菜生物量差異不顯著(P<0.05),但CY處理榨菜生物量比CK處理高出148.9 kg/667m2,可能是施用天脊硝酸磷鉀復合肥的量比較低,需要增加天脊硝酸磷鉀復合肥的施用量。綜上可以得出,天脊調理劑處理對提高榨菜生物量效果不明顯,天脊硝酸磷鉀復合肥與天脊調理劑混合施用對提高榨菜生物量效果最明顯。
天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)和天脊硝酸磷鉀復合肥(CY)處理榨菜養分累積量顯著高于其他處理(P<0.05,表7)。與CK相比,CYT和CY處理榨菜商品氮素累積量分別提高了19.2 %和8.8 %;地上氮素累積量分別提高了17.5 %和8.5 %,天CYT和CY處理榨菜商品磷素累積量分別提高了28.8 %和29.1 %;地上磷素累積量分別提高了27.4 %和28.9 %,CYT和CY處理榨菜商品鉀素累積量分別提高了20.1 %和14.0 %;地上鉀素累積量分別提高了18.4 %和13.7 %。表明,施用天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑處理和天脊硝酸磷鉀復合肥處理提高榨菜養分累積量效果明顯。

表7 不同處理榨菜養分累積量
不同處理榨菜氮、磷、鉀表觀利用率差異顯著(P<0.05)。與常規施肥(CK)相比,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)和天脊硝酸磷鉀復合肥(CY)處理可顯著提高榨菜氮、磷、鉀表觀利用率(P<0.05,表8)。其中,CYT和CY處理榨菜氮的表觀利用率比CK處理分別提高了96.6 %和92.3 %;CYT和CY處理榨菜磷的表觀利用率比CK處理分別提高了81.1 %和83.3 %;CYT和CY處理榨菜鉀的表觀利用率比CK處理分別提高了98.1 %和97.4 %。施用天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑(CYT)處理榨菜氮、磷、鉀的偏生產力顯著高于其他處理(P<0.05),CYT處理榨菜氮、磷、鉀的偏生產力比CK處理分別提高了13.1 %、5.2 %和76.3 %。與CK相比,CYT處理榨菜收獲指數顯著提高了1.4 %(P<0.05)。表明,天脊硝酸磷鉀復合肥與天脊調理劑混合施用對提高榨菜氮磷鉀表觀利用率、氮磷鉀偏生產力和收獲指數最有效。

表8 不同處理榨菜養分利用效率
合理施肥能夠提高肥料的表觀利用率和偏生產力[9]。本試驗結果表明,施用天脊硝酸磷鉀復合肥+天脊調理劑可以顯著提高花菜和榨菜氮、磷、鉀的表觀利用率和偏生產力,其中花菜氮、磷、鉀的表觀利用率提高程度為:15.8 %、18.0 %和64.1 %;偏生產力的提高程度為:36.3 %、74.9 %和51.4 %,榨菜氮、磷、鉀的表觀利用率提高程度為:28.2 %、8.8 %和53.0 %;偏生產力的提高程度為:13.1 %、5.2 %和76.3 %。主要是因為天脊硝酸磷鉀復合肥和天脊調理劑配施有利于改良土壤結構,有利于花菜和榨菜對養分的吸收,提高蔬菜的養分吸收量,從而提高肥料的表觀利用率[9,27]。或者是因為與芭田復合肥和金正大復合肥相比,天脊硝酸磷鉀復合肥中含有較多的硝態氮和銨態氮,有效增加旱地蔬菜吸收養分。陳聞等研究得出,與常規施肥相比,專用復合肥顯著提高了氮、磷和鉀的表觀利用率[27],這與本試驗結果基本一致。此外,化肥減量是在保證作物產量不降低的同時,采用合理施用復合肥或改進施肥方法等一系列措施,提高肥料利用率,減少施肥量,實現農業上的節本增效[28]。本試驗結果表明,減少33.3 %的化肥施用量并配施天脊調理劑可明顯提高花菜生物量和氮、磷、鉀的表觀利用率;減少25.0 %的化肥施用量并配施天脊調理劑可明顯提高榨菜生物量和氮、磷、鉀的表觀利用率。這與孟賜福等[29]的研究結果基本一致,降低化肥的施用量不僅可以提高作物產量,而且可以提高養分的利用率,減輕化肥對環境污染的壓力。因為,常規施肥與天脊硝酸磷鉀復合肥相比,可能存在養分奢侈吸收情況,或者是因為配合施用天脊調理劑能夠有效改良土壤理化性質,增加土壤有機質礦化和養分供應能力。由此可見,天脊硝酸磷鉀復合肥和天脊調理劑混合施用可提高肥料利用效率,同時減少養分流失的風險,因此,在重慶紫色土地區種植花菜和榨菜減少25 %~35 %的施肥量是可行和必要的。
周杰文等研究得出,施用生石灰作為土壤調理劑可明顯提高耕層土壤的pH,降低土壤酸度,顯著增加耕層土壤交換性鈣含量[30]。本試驗結果表明,花菜地單施天脊調理劑和天脊硝酸磷鉀復合肥+天脊調理劑處理與常規施肥相比,pH值高出1.3和0.6,交換性鈣含量分別增加了33.3 %和28.9 %;榨菜地單施天脊調理劑和施用天脊硝酸磷鉀復合肥+天脊調理劑處理與常規施肥相比,pH值高出0.6和0.3,交換性鈣含量分別增加了50.5 %和42.6 %。原因是合理施用硝酸磷鉀復合肥可提高土壤中有機質、氮磷鉀和微生物的含量,天脊調理劑本身含有堿性物質,與酸性土壤發生中和反應,且天脊調理劑中的某些大分子物質易與各種陰、陽離子結合生成鹽,從而形成一個相互轉化的緩沖體系,調節和穩定了土壤pH[16]。另外,它可以直接向土壤中引入鈣離子,增加土壤中交換性陽離子含量,直接降低了土壤酸度[16,31]。這與李戎等[32]的研究結果一致,單施天脊調理劑和天脊硝酸磷鉀復合肥+天脊調理劑對酸性土壤改良很有效果。施用土壤調理劑可以改良土壤結構、增強作物抗病抗旱能力、改善作物品質和產量[27,32-34]。本研究表明,施用天脊調理劑明顯降低了土壤速效鉀含量,可能是因為施用了石灰性的天脊調理劑,降低了土壤酸度,減輕了鋁毒危害,促進了作物的生長發育,有利于作物對鉀養分的吸收[31]。本研究也表明,榨菜地單施天脊調理劑和施用天脊硝酸磷鉀復合肥+天脊調理劑處理與常規施肥相比,交換性酸含量降低了14.9 %和2.1 %。與李丹[16]、胡敏[31]等研究一致,主要是因為天脊調理劑的主要成份為CaO,本身含有堿性物質,其水解出來的OH-能與土壤溶液中的H+或鋁離子相結合成為水或Al(OH)3,從而降低土壤中的H+和鋁離子含量。從表3和表6可以看出,單施天脊硝酸磷鉀復合肥會增加土壤酸化的趨勢,而通過配施天脊調理劑可以改善土壤結構,增加肥料利用率,對于防止土壤酸化具有重要意義。由此可見,天脊硝酸磷鉀復合肥和天脊調理劑混合施用在酸性土壤改善的同時,又為作物提供必須的養分,真正做到用地與養地的統一結合,建設健康土壤。
(1)與常規施肥、單施天脊調理劑和單施天脊硝酸磷鉀復合肥相比,天脊硝酸磷鉀復合肥和天脊調理劑混合施用在保證作物產量不減少的同時,降低了化肥的施用量,提高花菜和榨菜氮、磷、鉀肥料利用率,并提高花菜和榨菜的收獲指數,增加花菜和榨菜產量的穩定性和可持續性。
(2)與常規施肥和單施天脊硝酸磷鉀復合肥相比,天脊硝酸磷鉀復合肥+調理劑和單施天脊調理劑可明顯提高土壤的pH值和交換性鈣的含量,降低土壤交換性酸的含量,并且通過改善土壤的理化性質,達到改良酸性的目的,從而保證作物的生長。