化肥減量配施增效劑對土壤理化性質(zhì)及菜心產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

胡綺琪，余煒敏，梁嘉偉，王榮萍，楊祁云，林壁潤，葛百一，白豫博

（1.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南果蔬綠色防控重點實驗室/廣東省植物保護(hù)新技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東供銷綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)基地運(yùn)營有限公司，廣東 惠州 516166）

【研究意義】蔬菜是人類重要的基礎(chǔ)食物來源之一，在我國居民飲食中占有重要地位，是農(nóng)民重要的經(jīng)濟(jì)來源。目前蔬菜生產(chǎn)盲目追求產(chǎn)量，普遍過量施用化肥，導(dǎo)致土壤肥力下降、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問題。同時，不合理施肥還會引起一系列環(huán)境污染問題，影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在保證蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上減少化肥投入、實現(xiàn)化肥減量增效，是當(dāng)前蔬菜生產(chǎn)中亟待解決的問題。【前人研究進(jìn)展】有機(jī)肥與化肥配施已成為減肥增效的重要手段之一。前人研究結(jié)果表明，化肥減量配施有機(jī)肥可以改善土壤微生物量、提高土壤肥力［1-5］，還可以改善作物品質(zhì)和提高作物產(chǎn)量［6-7］。周喜榮等［8］研究表明，60%生物有機(jī)肥+40%化肥處理可顯著改善葡萄園的土壤肥力以及葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)，與對照相比，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別增加45.99%、14.95%、53.80% 和5.80%。泮張彬等［9］研究發(fā)現(xiàn)，在化肥氮減量25%的情況下，配施茭白秸稈堆肥可以促進(jìn)番茄生長，番茄單果質(zhì)量提高13.92%，同時土壤容重降低3.51%，改良土壤結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究表明，化肥與有機(jī)肥配施能改善芹菜品質(zhì)、提高土壤肥力［10］；也有研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量30%配施生物有機(jī)肥可使大白菜產(chǎn)量增加20.9%、經(jīng)濟(jì)效益提高10 749元/hm2［11］，減少40%化肥施用量可使小白菜產(chǎn)量提高24.8%、硝酸鹽含量降低39.0%、Vc 含量提高35.8%［12］。對水稻的研究發(fā)現(xiàn)，綠肥與化肥減量配施可以促進(jìn)水稻生長［13］，在化肥減量配施有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，可以增加雙季稻產(chǎn)量1.3%～6.0%，稻田有機(jī)質(zhì)含量提高2.8%～4.0%，提高了土壤肥力［14］。劉興林［15］對南方雙季稻區(qū)水稻的研究發(fā)現(xiàn)，20%～40%有機(jī)肥純氮供應(yīng)比例的施肥處理能夠增加水稻的有效穗數(shù)，秸稈干質(zhì)量降低6.1%～6.9%，能使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高6.9%～31.5%。【本研究切入點】隨著過量施肥導(dǎo)致的作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降、環(huán)境污染問題日益突出，尋求可行的化肥減施增效方案，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。前人研究主要集中在化肥減量配施有機(jī)肥方面，而關(guān)于增效劑的應(yīng)用研究鮮見報道。增效劑作為一種微生物菌劑，主要成分為添加微生物代謝產(chǎn)物的黏土納米材料，施入土壤后形成氫鍵可在植物根系周圍形成保水保肥的納米網(wǎng)，減少養(yǎng)分的淋溶流失，從而達(dá)到減少施肥、提高肥料利用率的目的。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究主要針對廣東省蔬菜地肥料高施低效及其引發(fā)的面源污染問題，以華南地區(qū)代表性的蔬菜作物菜心為研究對象，采用田間小區(qū)試驗，研究化肥減量配施增效劑對土壤環(huán)境以及作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為廣東特色農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展及珠三角面源污染控制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年在廣東省惠州市博羅縣公莊鎮(zhèn)綠寶源蔬菜專業(yè)合作社基地開展。供試土壤為紅壤，基本理化性質(zhì)如下：pH 5.2、有機(jī)質(zhì)含量22.8 g/kg、全氮1.52 g/kg、堿解氮145 mg/kg、有效磷133 mg/kg、速效鉀243 mg/kg。供試有機(jī)肥為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民自制肥料：pH 7.43、有機(jī)質(zhì)含量36.4%、總氮含量0.75%、含磷量（以P2O5計）1.6%、含鉀量（以K2O 計）0.56%。供試復(fù)合肥（含腐植酸水溶肥料，N+K2O ≥20.0%）由廣州護(hù)地肥料科技有限公司提供。

供試蔬菜品種為尖葉49 菜心。供試增效劑由中國科學(xué)研究院微生物研究所提供，養(yǎng)分含量如下：有機(jī)質(zhì)0.73%、總氮0.36%、含磷量（以P2O5計）0.12%、含鉀量（以K2O 計）0.26%。供試增效劑養(yǎng)分含量低，對本試驗土壤的養(yǎng)分影響比較小。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置4 個處理，分別為：T1（CK），當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚瑥?fù)合肥施用量750 kg/hm2；T2，當(dāng)?shù)厥┓?增效劑處理，復(fù)合肥施用量750 kg/hm2、增效劑用量225 kg/hm2；T3，減肥20%處理，復(fù)合肥施用量600 kg/hm2；T4，減肥20%+增效劑處理，復(fù)合肥施用量600 kg/hm2、增效劑用量225 kg/hm2（表1）。每個處理3 次重復(fù)，共12 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為50 m2。試驗于2021 年2 月1 日育苗、2 月23—24 日移栽，移栽前3 d 將增效劑與有機(jī)肥混合均勻全部作為基肥施入耕層。在菜心生育期將復(fù)合肥作為追肥分3 次施入種植溝內(nèi)，分別在移栽后第7、14、28 d 各追施30%、40%和30%，追肥隨水施用，常規(guī)田間管理。

表1 菜心化肥減量配施增效劑試驗施肥方案Table 1 Fertilization scheme of chemical fertilizer reduction combined with synergist for Chinese flowering cabbage

1.3 測定指標(biāo)及方法

2021 年3 月16—26 日采收每個小區(qū)的菜心，菜心可食部分記作產(chǎn)量，共采收菜心可食部分3 次，累計計產(chǎn)。菜心用蒸餾水洗凈，整株裝入信封袋，放置烘箱內(nèi)，105℃殺青30 min，然后75℃烘干至恒重計算其干物質(zhì)量，粉碎，用于測定植株全氮、全磷和全鉀含量。取菜心50 g 兩份，用蒸餾水洗凈晾干后切斷粉碎，其中一份采用紫外分光光度法［16］測定硝酸鹽含量（紫外分光光度計為上海元析儀器有限公司產(chǎn)品，型號UV-6000，精度±0.3%T）；另外一份加入50 mL 草酸制成勻漿，采用2,6-二氯靛酚法［16］測定Vc 含量。

土壤容重、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度等指標(biāo)采用環(huán)刀法［17］測定，土壤pH 以及有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量參照魯如坤［17］方法進(jìn)行測定。

土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷采用氯仿熏蒸法測定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉-比色法測定［18］。

植株經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，全氮含量采用擴(kuò)散法測定、全磷含量采用釩鉬黃比色法測定、全鉀含量采用火焰光度計法測定［17］。

養(yǎng)分吸收量=植株干質(zhì)量×植株養(yǎng)分含量。

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析（ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，最小顯著差異法（Least significant difference，LSD）檢驗進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對菜地土壤物理性狀的影響

由表2 可知，各施肥處理菜地土壤的毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度與總孔隙度均比當(dāng)?shù)厥┓蔜1（CK）有不同程度的提高，其中T3 處理土壤毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度分別比T1（CK）提高13.3%、43.1%、29.4% 和9.2%，且差異均達(dá)顯著水平。不同施肥水平間，減肥水平的T3、T4 處理總孔隙度分別比T1（CK）、T2處理顯著增加9.2% 與9.8%，表明減量施肥措施對改善菜地土壤結(jié)構(gòu)具有明顯效果。同一施肥水平下，田間持水量在施用增效劑后均有顯著提高，T2 處理比T1（CK）提高45.7%，T4處理比T3 處理提高15.1%，且T2 處理的毛管持水量比T1（CK）顯著提高10.9%。表明化肥減量配施增效劑對菜地土壤的物理性狀有一定的改善作用。

表2 不同施肥處理對菜地土壤物理性狀的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil physical properties in vegetable field

2.2 不同施肥處理對菜地土壤微生物量碳、氮、磷及酸性磷酸酶活性的影響

由表3 可知，土壤微生物量碳、微生物量氮、酸性磷酸酶活性在各處理間的變化趨勢基本相同，表現(xiàn)為T3（減肥20%）＞T1（CK）、T2（當(dāng)?shù)厥┓?增效劑）＞T1（CK）、T4（減肥20%+增效劑）＞T3（減肥20%）。T3 處理菜地土壤微生物量碳、氮含量分別比T1（CK）顯著增加35.9%、43.1%。T1（CK）與T2 相 比、T3 與T4相比發(fā)現(xiàn)，配施肥料增效劑對土壤微生物量碳、氮含量有顯著提升效果，T2處理的土壤微生物量碳、氮含量分別比T1（CK）提高39.8%和25.7%，T4 處理的土壤微生物量碳、氮含量分別比T3 處理提高31.1%和47.5%。在當(dāng)?shù)厥┓蕳l件下，施用增效劑（T2）也可使土壤酸性磷酸酶活性顯著提升27.0%，在化肥減量20%配施增效劑（T4）的條件下，酸性磷酸酶活性并未降低，比T1（CK）顯著增加24.3%。土壤微生物量磷含量在各處理間呈不同的變化趨勢，T3 處理顯著低于T1（CK），比較T1（CK）、T2 兩個處理發(fā)現(xiàn)在當(dāng)?shù)厥┓仕较略鲂┳饔貌幻黠@，但在減肥處理水平下配施增效劑可顯著增加微生物量磷的含量，且T4 處理與其他處理均差異顯著，分別比T3、T2、T1 處理提高118.8%、84.5%、49.1%。綜合而言，化肥減量配施增效劑對土壤微生物量碳、氮、磷和酸性磷酸酶活性均有提升作用。

表3 不同施肥處理對菜地土壤微生物量及酸性磷酸酶活性的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil microbial biomass and acid phosphatase activity in vegetable field

2.3 不同施肥處理對菜地土壤肥力的影響

由圖1 可知，T2、T3、T4 處理土壤pH 值均比T1（CK）有不同程度提升，其中T3 處理土壤pH 與T1 處理差異達(dá)顯著水平，其余處理間差異不顯著；各施肥處理間的土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量均未表現(xiàn)出顯著差異。表明減肥20%處理可以提高土壤pH 值，但對土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響甚微，配施增效劑對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的影響在本試驗中亦不明顯。

圖1 不同施肥處理對菜地土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH value,organic matter and total nitrogen contents in vegetable field

從圖2 可以看出，在不同施肥處理下，土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。T3 處理的土壤堿解氮、速效鉀含量與T1（CK）基本相同，減肥20%并未使二者含量下降；T4處理土壤堿解氮含量得到顯著提升、達(dá)228.0 mg/kg，分別比T1（CK）、T2、T3 處理提高33.3%、29.5%、32.6%；T2 處理土壤速效鉀含量比T1（CK）顯著提升31.2%，T4和T3 處理間土壤速效鉀含量也表現(xiàn)出顯著差異、前者比后者含量顯著提升13.9%。土壤有效磷含量在各處理間差異不顯著，T3 處理與T1（CK）相比土壤有效磷含量并未顯著下降，T4處理與T2 處理之間土壤有效磷含量亦未表現(xiàn)出顯著差異。表明減肥20%在配施增效劑的條件下，不會降低土壤速效養(yǎng)分含量。

圖2 不同施肥處理對菜地土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil alkali-hydrolyzable N,available P and available K contents in vegetable field

2.4 不同施肥處理對菜心養(yǎng)分吸收量的影響

由表4 可知，不同施肥處 理的菜心各營養(yǎng)元素吸收量變化趨勢一致，均為T4（減肥20%+增效劑）＞T3（減肥20%）＞T2（當(dāng)?shù)厥┓?增效劑）＞T1（CK），T3 處理菜心的氮、磷、鉀吸收量均比T1（CK）有顯著提升，分別比T1（CK）提高22.1%、11.3%、17.8%；T4 處理菜心的氮、磷、鉀吸收量顯著高于T1（CK）、T2 處理，分別提高33.0%、28.5%、30.0%，比T2 處理提高22.1%、25.0%、26.3%。減肥20%并不會影響菜心生長，同時配施增效劑還可以促進(jìn)菜心對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收。

表4 不 同施肥處理對菜心養(yǎng)分吸收量的影響Table 4 Effects of different fertilization treatments on nutrient absorption of Chinese flowering cabbage

2.5 不同施肥處理對菜心產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表5 可知，各施肥處理間菜心的產(chǎn)量差異顯著，各處理產(chǎn)量大小排序為T4（減肥20%+增效劑）＞T3（減肥20%）＞T2（當(dāng)?shù)厥┓?增效劑）＞T1（CK），T3 處理比T1（CK）增產(chǎn)19.4%，可見化肥減量并不會降低菜心產(chǎn)量。T4 處理分別比T2、T3 處理增產(chǎn)16.2%、7.3%，表明在減肥條件下配施增效劑不會影響菜心的增產(chǎn)效果。

表5 不同施肥處理對菜心產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 5 Effects of different fertilization treatments on the yield and quality of Chinese flowering cabbage

與T1（CK）相比，T2、T3、T4 處理菜心硝酸鹽含量顯著降低，分別降低6.9%、13.6%、12.1%；T4 處理與T2 處理相比，菜心硝酸鹽含量顯著下降5.6%。T3 處理與T1（CK）相比，菜心Vc 含量有輕微提升，但差異不顯著；T2 處理菜心Vc 含量顯著高于T1（CK）5.6%，T4 處理與T2 處理相比菜心 Vc 含量的差異不顯著，T4 處理與T1（CK）相比，Vc 含量顯著提高4.2%。表明化肥減量配施增效劑可以降低菜心硝酸鹽含量、提高Vc 含量，最終改善菜心品質(zhì)。

3 討論

盲目施用化肥容易導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降，使作物根系吸收養(yǎng)分難度增加，不利于植物生長。提升土壤肥力的前提是改善土壤結(jié)構(gòu)，前人研究發(fā)現(xiàn)在減肥基礎(chǔ)上加入有機(jī)輔料能更好地改善土壤結(jié)構(gòu)，秸稈生物炭與減量氮肥配施可有效減輕玉米地土壤酸化問題，促使土壤結(jié)構(gòu)良性循環(huán)［19］，使用改性生物炭可以改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生態(tài)環(huán)境［20］。在本試驗中，減肥20%處理（T3）的土壤毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著高于當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚═1，CK），減肥20%+增效劑處理（T4）的田間持水量顯著高于當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚═1，CK）。配施增效劑改善了土壤的物理性狀，減肥20%配施增效劑也提高了土壤堿解氮和速效鉀含量，但并未降低土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量。在研究減肥對玉米產(chǎn)量的影響中發(fā)現(xiàn)，氮肥減量對土壤中有機(jī)質(zhì)含量影響不顯著，化肥的減量對土壤表層有效磷含量基本無影響，且減肥25%產(chǎn)量最高［21］，這與本試驗結(jié)果基本一致。減肥20%+增效劑處理（T4）土壤酸性磷酸酶活性高于減肥20%處理（T3），這是由于肥料減量配施增效劑可有效改善土壤理化性質(zhì)，為微生物提供適宜環(huán)境，從而提高了酸性磷酸酶活性。也有研究結(jié)果表明，化肥減量和配施有機(jī)肥能夠提高土壤微生物量和土壤肥力［22-24］。

土壤微生物量與土壤肥力之間存在相關(guān)性，且可靈敏地反映出土壤肥力的變化，因此土壤微生物量是衡量土壤養(yǎng)分變化的一個重要指標(biāo)。在本試驗中，微生物量碳、氮和磷含量均在減肥20%+增效劑處理（T4）下顯著高于當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚═1，CK），也高于單獨減肥20%處理（T3）。有研究表明，土壤微生物量碳、氮與土壤堿解氮含量呈正相關(guān)關(guān)系、相關(guān)系數(shù)分別為0.5292 和0.8133；土壤微生物量碳含量與土壤全氮、銨態(tài)氮、全鉀和速效鉀含量間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，微生物量氮與土壤全氮、銨態(tài)氮、全鉀和速效鉀含量也達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系［25］。表明在本試驗條件下化肥減量配施增效劑可以提高菜地土壤微生物量和肥力。

土壤微生物量碳、氮是土壤碳素和氮素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程中的重要參數(shù)，可以反映土壤微生物和土壤肥力狀況。土壤微生物C/N 的高低能夠反映土壤氮素的供應(yīng)能力，在微生物C/N 較小時，土壤氮素具有較高的生物有效性，從而促進(jìn)土壤氮素利用率提高［26］。生物質(zhì)炭與氮肥配施后可以提高土壤pH 值、孔隙度、微生物量碳和微生物量氮含量［27-28］。本試驗中，與當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚═1，CK）相比，土壤微生物量C/N 在減肥20%處理（T3）下顯著下降，減肥20%+增效劑處理（T4）也能降低土壤微生物量C/N，表明增效劑可以促進(jìn)土壤氮素的周轉(zhuǎn)。

土壤微生物量磷含量在減量施肥處理中顯著下降，推測與土壤pH 值升高有關(guān)。研究表明，土壤微生物量磷含量會隨土壤pH值上升而下降，而土壤微生物量C/P 則會隨著pH 值的上升而升高［29］。在本試驗中土壤微生物量磷與土壤pH值的變化趨勢趨同，但相關(guān)性不明顯，土壤微生物量C/P 則與pH 值呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.5958。本試驗中減肥20%處理土壤微生物量C/P 顯著高于當(dāng)?shù)厥┓侍幚恚═1，CK），在此條件下配施增效劑可降低微生物量C/P，有利于土壤磷素周轉(zhuǎn)與利用。

前人研究結(jié)果表明，僅減肥處理不會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量顯著減產(chǎn)，且有改善作物品質(zhì)的效果［30-31］。研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量20%配施生物肥可顯著增加花椰菜單球質(zhì)量，顯著降低硝酸鹽含量，提高Vc、可溶糖含量以及氮、磷、鉀肥利用率［32］；番茄大棚水肥調(diào)節(jié)試驗結(jié)果表明，減肥20%條件下番茄的Vc 含量并無顯著下降［33］。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)?shù)厥┓蕳l件下，施用增效劑處理（T2）可有效緩解菜心硝酸鹽的積累，在減肥20%處理（T3、T4）情況下，菜心硝酸鹽含量顯著下降12.1%～13.6%，Vc 含量提高，且在施用增效劑時Vc 含量提升幅度較明顯。單獨減量施肥20%處理（T3）菜心產(chǎn)量顯著提高19.4%，減肥20%同時配施增效劑處理（T4）可以使菜心產(chǎn)量再顯著增產(chǎn)7.3%，表明減肥20%配施增效劑可以促進(jìn)菜心生長、減少菜心硝酸鹽累積、提高Vc 含量，同時可以改善土壤理化性狀、促進(jìn)植物生長。從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，增效劑價格為2 000 元/t，復(fù)合肥價格為3 200 元/t，在本試驗條件下，增效劑施用量為225 kg/hm2、成本為450 元/hm2，復(fù)合肥減少20%的處理，復(fù)合肥減少的成本為480 元/hm2，由此可見增效劑在經(jīng)濟(jì)效益上也具有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

合理減少肥料投入仍可以維持或提高土壤肥力、菜心產(chǎn)量和品質(zhì)。減肥20%配施增效劑 處理的土壤毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度分別比當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥處理提高13.9%、64.7%、42.1%、13.0%，土壤pH 值提高13.4%，堿解氮、速效鉀、微生物總量和酸性磷酸酶活性分別提高33.3%、15.8%、37.8%和24.3%。表明化肥減量配施增效劑可改善土壤理化性狀、提高土壤微生物含量與活性，有利于作物根系對養(yǎng)分的吸收，為菜心生長提供合適的水分和養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而提高菜心產(chǎn)量和品質(zhì)。綜合來看，化肥減施20%配施增效劑在生產(chǎn)上是可行的。