納米碳增效生物有機肥對三峽庫區(qū)榨菜、臍橙、蜜桔和茶葉增產(chǎn)效果研究

宋桂雪 馬 筠 李晨光

1 山東大學(xué)海洋研究院 青島 266237

2 中國科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

3 新科環(huán)農(nóng)（北京）生物科技有限公司 北京 100086

根據(jù)統(tǒng)計，三峽庫區(qū)面源污染占總?cè)霂煳廴矩?fù)荷的60%～80%，污染重點主要是種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)[1～3]，其中農(nóng)業(yè)面源輸入的氮磷占本地污染源的70%以上，化肥施用量較高的現(xiàn)象比較突出[2，3]。增加有機肥使用，是防控面源污染的有效途徑。納米碳材料由于具有獨特的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)界的各個領(lǐng)域[4]。近年來，納米材料和納米技術(shù)在肥料和農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域應(yīng)用成為研究熱點[5～11]。利用新型納米石墨碳制成的長效復(fù)混化肥在糧食作物和經(jīng)濟作物上減肥增效效果顯著[12～16]，但納米碳增效肥的作用機制尚不清楚[4]，有研究認(rèn)為納米碳顆粒促進(jìn)作物對水分和土壤中營養(yǎng)元素的吸收[13，17～19]，促進(jìn)營養(yǎng)元素進(jìn)入植物體內(nèi)，同時促進(jìn)作物根系活力和提高根際土壤酶活性[20，21]。

隨著國家化肥“零增長”“負(fù)增長”等政策的推進(jìn)，以及農(nóng)業(yè)環(huán)保政策的趨緊，施用生物有機肥越來越受到歡迎。本文首次將納米碳增效劑與生物有機肥結(jié)合，對4種三峽庫區(qū)典型作物進(jìn)行了大田示范試驗，以研究其對庫區(qū)典型作物的增產(chǎn)效果，為有機肥替代化肥提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

納米碳產(chǎn)品規(guī)格：無定形納米石墨碳顆粒，含碳量約96%，2-D微觀狀態(tài)結(jié)構(gòu)，厚度在5～40 nm不等，平均厚度8 nm，長度在250～850 nm[22]，生產(chǎn)商北京華農(nóng)肥料技術(shù)有限公司。

1.2 供試肥料

納米碳增效生物有機肥是按比例將納米碳粉和生物有機肥逐級稀釋后混合制成，在本文生物有機肥中納米碳添加量0.1‰（每噸生物有機肥中含納米碳粉100 g）。生物有機肥由聯(lián)合綠友生物技術(shù)河北有限公司生產(chǎn)，所用的復(fù)合菌由日本石丸微生物研究所研制，新科環(huán)農(nóng)（北京）生物科技有限公司提供。生物有機肥主要指標(biāo)：枯草芽孢桿菌1.643×108cfu/g，膠凍樣類芽孢桿菌1.234×108cfu/g，總菌數(shù)2.88×108cfu/g，有機質(zhì)（以烘干基計）40.2%，水分19.6%，pH 7.5。

1.3 種植區(qū)域

三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，跨越鄂中山區(qū)峽谷及川東嶺谷地帶，北屏大巴山、南依川鄂高原。它包含因三峽水電站的修建而被淹沒的湖北省宜昌市所轄秭歸縣、興山縣、夷陵區(qū)，重慶市所轄巫山縣、開縣等15個縣區(qū)及重慶核心城區(qū)等地區(qū)。榨菜：重慶市涪陵區(qū)義和鎮(zhèn)高峰村；臍橙：重慶市開縣臨江鎮(zhèn)明月村臍橙種植示范區(qū)；蜜桔：湖北省宜昌市夷陵區(qū)小溪塔鎮(zhèn)；茶樹：湖北省宜昌市夷陵區(qū)樂天溪鎮(zhèn)瓦窯坪村茶葉種植園。種植區(qū)域的土壤類型依次分別為紫色土、紫色土、黃壤土、黃壤土。

1.4 施肥方法

結(jié)合當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣和施肥強度，在4個種植區(qū)域設(shè)置5個施肥梯度。試驗以生物有機肥為對照，以納米碳增效生物有機肥為基礎(chǔ)，分別設(shè)置施肥減量10%、30%、50%處理。即處理1：100%生物有機肥；處理2：100%納米碳增效生物有機肥；處理3：90%納米碳增效生物有機肥；處理4：70%納米碳增效生物有機肥；處理5：50%納米碳增效生物有機肥。施肥量：100%生物有機肥、100%納米碳增效生物有機肥均為800 kg/667 m2；90%、70%、50%納米碳增效生物有機肥分別為720、560、400 kg/667 m2（均保持每畝納米碳施加量80 g）。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，每種施肥處理面積5～20畝不等，大田試驗面積見表1。

以100%生物有機肥為例，施肥方法如下。榨菜：①基肥，移栽時每畝施生物有機肥300 kg；苗肥，移栽后每畝施尿素6 kg。②追肥1，移栽后50天左右，每畝施生物有機肥300 kg。③追肥2，移栽后80天左右，每畝施生物有機肥200 kg。收獲前30天停止施肥。施肥日期為2016年10月10日、12月8日和2017年立春前后。

臍橙：對5年樹齡和15～25年樹齡，每株分別施用生物有機肥30 kg和50 kg。施肥日期為2016年11月20日、2017年3月9日。

蜜桔：樹齡15年，每株施生物有機肥25 kg，分2次施肥，每次施一半肥。施肥日期為2017年6月4日、7月13日。

茶樹：樹齡10年，每畝施肥800 kg，分2次施肥，每次施一半肥。施肥日期為2016年10月25日、2017年1月9日。

表1 示范田種植面積Tab.1 Planting area of demonstration fields 畝

1.5 樣品采集與指標(biāo)測定

1.5.1 指標(biāo)測定

（1）果重和果莖測量方法。榨菜：2017年2月15日前后，測量人員按每種處理隨機選取5筐榨菜，對每顆榨菜分別進(jìn)行測量，取根瘤莖平均值。臍橙：2017年1月1日—28日，測量人員按每種處理隨機選1箱，對箱中的每個臍橙分別進(jìn)行果重、果直徑測量，取平均值。

（2）芽長、葉長、葉厚、枝長等測量方法。榨菜：2017年2月15日前，按每種處理隨機選100棵，取最大鮮活葉片測量最大葉寬、最大葉長，取平均值，同時每株測株高，取平均值。臍橙：2017年3月5日，按每種處理隨機選取10株同齡果樹，每株果樹選最下面的5根樹枝，對枝上所有新枝長進(jìn)行測量，取平均值，并測定每枝上的最大新葉長，取平均值。茶葉：2017年3月23日，按每種處理隨機選取已采摘茶葉200克進(jìn)行測量，測量指標(biāo)有新芽長、新芽重、最大葉厚和最大葉長。

因為季節(jié)的關(guān)系，沒有測定蜜桔的生物性狀。

1.5.2 產(chǎn)量測定

榨菜：2017年2月15日前后，按每種處理統(tǒng)計每一筐榨菜的重量并相加直至收割結(jié)束。每種施肥處理地塊的全部實際收獲除以種植面積得平均畝產(chǎn)量。

臍橙及蜜桔：臍橙收獲日期2017年1月1日—28日；蜜桔收獲日期2017年10月28日—11月13日，臍橙和蜜桔分別隨機選取4～5株果樹，將所有收獲統(tǒng)計，換算得果樹畝產(chǎn)量。

茶葉：按5畝為統(tǒng)計地塊，從2017年清明節(jié)（4月4日）前采茶開始一直到立夏（6月21日）采茶結(jié)束，記錄每一次采茶的重量，換算得茶葉畝產(chǎn)量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用SPSS Statistics 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，生物性狀和產(chǎn)量采用單因素方差分析（One-way ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對作物生物性狀的影響

2.1.1 不同施肥處理對榨菜生物性狀的影響

從表2可以看出，與100%生物有機肥相比，100%、90%、70%納米碳增效生物有機肥施用后株高、根瘤莖重、葉重、最大葉寬和葉長均明顯增加，而50%納米碳增效生物有機肥與100%生物有機肥相比株高、葉重、最大葉寬和葉長均有所降低。在旺長期和成熟期，70%～100%納米碳增效生物有機肥處理對促進(jìn)株高生長和根瘤莖增重，比較顯著。對株高表現(xiàn)按照以下趨勢依次降低：100%納米碳增效生物有機肥>90%納米碳增效生物有機肥>70%納米碳增效生物有機肥>100%生物有機肥>50%納米碳增效生物有機肥；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米碳增效生物有機肥即使施肥量減少50%，對根瘤莖重影響依然優(yōu)于100%生物有機肥。可見，施用納米碳增效生物有機肥促進(jìn)根系的生長[7]，促進(jìn)葉片的增大、增重，進(jìn)一步促進(jìn)榨菜根瘤莖生長發(fā)育。

表2 不同施肥處理對榨菜生物性狀的影響Tab.2 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of mustard

2.1.2 不同施肥處理對臍橙生物性狀的影響

不同施肥處理對臍橙生物性狀的影響見表3。與100%生物有機肥相比，納米碳增效生物有機肥處理的臍橙新枝長和最大新葉長有了顯著增加，說明納米碳增效劑添加后，明顯促進(jìn)了果樹枝條和葉片生長，收獲的臍橙果重和果直徑也有明顯提高，100%納米碳增效生物有機肥處理果重增重47.7%，果直徑增大18.9%。隨著有機肥施用量的減少，果重和果直徑逐漸下降，但70%納米碳增效生物有機肥依然可以使果重增長40.9%，果直徑增大15.5%；50%納米碳增效生物有機肥處理臍橙果重和果直徑稍遜于100%生物有機肥。從表中可以看出，施用納米碳增效生物有機肥后，可能促進(jìn)了葉的光合作用效率和養(yǎng)分傳輸，進(jìn)而顯著促進(jìn)臍橙新枝、葉的增長，最終顯著增大臍橙果實。

表3 不同施肥處理對臍橙生物性狀的影響Tab.3 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of navel orange

2.1.3 不同施肥處理對茶葉生物性狀的影響

使用納米碳增效生物有機肥后，相比100%生物有機肥，茶樹的新芽長、新芽重、最大葉厚和最大葉長均顯著增加（表4），使用100%納米碳增效生物有機肥新芽長增加16%，新芽重增加30%，最大葉厚和葉長分別增加25.0%和40.4%。茶葉葉厚和葉長的增加，說明納米碳增效生物有機肥的施用明顯促進(jìn)了茶葉的生長，提升了茶葉的質(zhì)量。

2.2 不同施肥處理對作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

2.2.1 不同施肥處理對作物產(chǎn)量的影響

不同施肥處理對4種作物產(chǎn)量的影響見表5。

榨菜：與100%生物有機肥相比，100%納米碳增效生物有機肥處理榨菜增產(chǎn)顯著。與100%納米碳增效生物有機肥相比，90%、70%、50%納米碳增效生物有機肥處理榨菜畝產(chǎn)雖有不同程度的下降，但與100%生物有機肥相比，70%～100%納米碳增效生物有機肥平均畝產(chǎn)2347±68 kg，平均增產(chǎn)71.0%；施用70%納米碳增效生物有機肥畝產(chǎn)2299 kg，比僅施用100%生物有機肥增產(chǎn)67.4%；施用50%納米碳增效生物有機肥依然比100%生物有機肥產(chǎn)量略高。

臍橙：與100%生物有機肥相比，100%納米碳增效生物有機肥處理臍橙增產(chǎn)顯著，70%～100%納米碳增效生物有機肥平均畝產(chǎn)3139±54 kg，平均增產(chǎn)43.2%；50%納米碳增效生物有機肥效果依然突出，增產(chǎn)31.3%。

蜜桔：與100%生物有機肥相比，70%～90%納米碳增效生物有機肥對增產(chǎn)影響低于榨菜、茶葉和臍橙，增產(chǎn)幅度稍小，70%納米碳增效生物有機肥增產(chǎn)9.1%，但50%納米碳增效生物有機肥畝產(chǎn)效果依然優(yōu)于100%生物有機肥。

茶葉：與100%生物有機肥相比，100%納米碳增效生物有機肥處理茶葉增產(chǎn)顯著，達(dá)36%。90%、70%納米碳增效生物有機肥處理對茶葉畝產(chǎn)影響不大，50%納米碳增效生物有機肥處理增產(chǎn)雖然只有5.3%，但節(jié)肥效果突出，依然優(yōu)于100%生物有機肥。

表5 不同施肥處理對4種作物產(chǎn)量的影響Tab.5 Effects of different fertilization treatments on yield of four crops

表4 不同施肥處理對茶葉生物性狀的影響Tab.4 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of tea

研究發(fā)現(xiàn)，納米碳增效肥料在糧食作物小麥、水稻、雜交水稻、玉米以及蔬菜作物蘿卜、白菜、甘藍(lán)、馬鈴薯上有明顯的減肥效果，同時均有明顯或一定的增產(chǎn)效果[5，6，11～16，19]。比較蜜桔和臍橙數(shù)據(jù)（表5），蜜桔增產(chǎn)2.1%～12.0%，而臍橙增產(chǎn)31.3%～48.4%。同屬于柑橘類的臍橙和蜜桔，開縣臍橙的增產(chǎn)幅度優(yōu)于宜昌蜜桔，可能受三峽庫區(qū)不同種植地區(qū)的降雨、水質(zhì)、土壤有機質(zhì)含量以及溫度、濕度、土壤根系微生物群落等因素影響。

2.2.2 不同施肥處理對作物經(jīng)濟效益的影響

不同施肥處理對4種作物經(jīng)濟效益的影響見表6。以臍橙為例，施用100%生物有機肥，每畝施肥800 kg，產(chǎn)量2192 kg，按照生物有機肥每噸2000元，臍橙每千克4元計算，即每畝肥料花費1600元，收入8768元，毛利潤7168元；而施用70%納米碳增效生物有機肥，每畝收獲3165 kg，每畝施納米碳40元，施肥560 kg，即每畝肥料花費1160元，收入12660元，毛利潤11500元，相比施用100%生物有機肥，增收4332元，增收率達(dá)60.4%，而100%、90%、50%納米碳增效生物有機肥增收率分別為58.6%、61.4%和48.9%。

綜合比較其他3種作物的毛利潤和增收率，使用納米碳增效技術(shù)，施用70%納米碳增效生物有機肥，可以達(dá)到較佳的減肥增收的效果。根據(jù)估算，使用該種納米碳增效生物有機肥，減量有機肥料30%，種植100畝榨菜（每千克榨菜按照1.0元）、100畝臍橙、100畝蜜桔（每千克蜜桔按照1.2元）、100畝茶葉（春茶）產(chǎn)量（每千克春茶按照30元），可分別增收13.66、43.32、41.03、85.65萬元。

表6 不同施肥處理對4種作物經(jīng)濟效益的影響Tab.6 Effects of different fertilization treatments on economic benefit of four crops

3 結(jié)論

對于三峽庫區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染的情況，尋找傳統(tǒng)化學(xué)的替代產(chǎn)品，鼓勵使用有機肥，是控制農(nóng)業(yè)面源污染和三峽水庫水質(zhì)污染的有效途徑之一，減量有機肥效果更佳。采用納米碳增效技術(shù)提質(zhì)生物有機肥對當(dāng)?shù)氐?種典型作物的大田對比示范試驗表明，該新型納米碳增效生物有機肥增產(chǎn)、減肥效果好，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。對相同的肥料減量，增產(chǎn)幅度依次為：榨菜＞臍橙＞茶葉＞蜜桔。從肥料減量產(chǎn)生的經(jīng)濟效益比較，茶葉表現(xiàn)最佳。