有機肥部分替代化肥對設施菜地蔬菜產量及土壤質量的影響

摘要： 為探明有機肥部分替代化肥對設施菜地蔬菜產量及土壤質量的影響，明確最佳有機肥替代化肥比例，依托昆山設施蔬菜長期施肥試驗，設置7個處理：不施肥對照（CK）、有機肥替代化肥比例0（T1）、20%（T2）、30%（T3）、40%（T4）、50%（T5）和60%（T6），研究不同施肥處理對設施不結球白菜及下茬芹菜株高、產量、種植后土壤理化性質及經濟效益的影響。結果表明：（1）有機肥部分替代化肥對設施不結球白菜、芹菜的生長及產量提升均表現出明顯的促進作用（T6處理除外）；相較于CK，T3處理設施不結球白菜及芹菜的1 hm2平均產量分別增加37.1%及30.4%，顯著高于其他處理。（2）與單施化肥處理（T1）相比，T6處理土壤pH顯著升高，而電導率顯著降低；土壤養分方面，T3處理對設施菜地土壤養分（有機質、總氮、總磷）含量的提升效果最為明顯；主成分分析結果顯示，有機肥部分替代化肥處理，T3處理土壤理化性質明顯區別于其他處理，且電導率、有機質含量、總氮含量可能是影響有機肥部分替代化肥處理設施菜地土壤質量的關鍵因素；方差分解分析結果顯示，土壤pH及電導率對不結球白菜產量的解釋度為26.3%，是有機肥部分替代化肥處理影響設施不結球白菜產量的主效應因素；土壤養分（有機質、總氮、總磷）含量是影響下茬芹菜產量的主要因子，其對有機肥部分替代化肥處理設施芹菜產量變化的解釋度達22.6%。（3）有機肥部分替代化肥處理對設施蔬菜凈收益提升效果明顯，其中T3處理設施不結球白菜及芹菜凈收益最高，較CK分別增加36.8%及29.0%。綜上所述，有機肥部分替代化肥是一項具有緩解設施菜地土壤酸化及次生鹽漬化，培肥改良土壤，促進設施蔬菜增產、增收潛力的農業措施。其中，有機肥替代化肥比例30%對設施蔬菜產量及土壤質量提升的綜合效果最佳，可能是保障昆山地區設施蔬菜豐產，并有效降低化肥施用量的最佳有機肥-化肥配施比例。

關鍵詞： 有機肥；化肥；設施蔬菜；產量；土壤質量

中圖分類號： S365"" 文獻標識碼： A"" 文章編號： 1000-4440（2024）06-1004-08

Effects of partial substitution of chemical fertilizers with organic fertilizers on vegetable yield and soil quality in greenhouse vegetable fields

ZHU Nan1， QIU Meihua2， FAN Xinhui2， YAN Shimin2， ZHOU Yuanyuan3， LI Yunlong1， LIANG Yonghong2， BAI Yanchao1

（1.College of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， China；2.Jiangsu Farmland Quality and Agricultural Environmental Protection Station， Nanjing 210029， China；3.Kunshan Youlai Gucheng Science and Technology Innovation Center， Kunshan 215300， China）

Abstract： In order to explore the effects of partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers on vegetable yield and soil quality in facility vegetable fields， and to determine the optimal proportion of organic fertilizers replacing chemical fertilizers， this study relied on the long-term fertilization experiment of facility vegetables in Kunshan， and set up seven treatments： no fertilization control （CK）， organic fertilizers replacing chemical fertilizers at proportions of 0 （T1）， 20% （T2）， 30% （T3）， 40% （T4）， 50% （T5） and 60% （T6）. The effects of different fertilization treatments on plant height and yield of non-heading Chinese cabbage and celery， soil physical and chemical properties and economic benefits were studied. The results showed that the partial replacement of chemical fertilizer by organic fertilizer significantly promoted the growth and yield of non-heading Chinese cabbage and celery （except T6 treatment）. Compared with CK， the average yield per hectare of non-heading Chinese cabbage and celery in T3 treatment increased by 37.1% and 30.4%， respectively， and was significantly higher than that in other treatments. Compared with T1 treatment， the soil pH of T6 treatment increased significantly， while EC decreased significantly. In terms of soil nutrients， T3 treatment had the most obvious effect on the improvement of soil nutrients （organic matter， total nitrogen， total phosphorus） in greenhouse vegetable fields. The results of principal component analysis showed that the soil physical and chemical properties of T3 treatment were significantly different from those of other treatments， and the electrical conductivity， organic matter content and total nitrogen content might be the key factors affecting the soil quality of greenhouse vegetable field under the treatments of partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers. The results of variance decomposition analysis showed that soil pH and electrical conductivity explained 26.3% of the yield of non-heading Chinese cabbage. Soil pH and electrical conductivity were the main factors affecting the yield of non-heading Chinese cabbage under the treatments of partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers. The content of soil nutrients （organic matter， total nitrogen， total phosphorus） was the main factor affecting the yield of celery， and its explanation for the change of celery yield under the treatments of partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers was 22.6%. The treatments of partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers had a significant effect on the net income of facility vegetables. The net income of non-heading Chinese cabbage and celery in T3 treatment was the highest， which was 36.8% and 29.0% higher than that in CK， respectively. In summary， the partial replacement of chemical fertilizers by organic fertilizers was an agricultural measure that had the potential to alleviate soil acidification and secondary salinization in greenhouse vegetable fields， improve soil fertility， and promote the yield and income of greenhouse vegetables. The treatment of replacing 30% chemical fertilizers with organic fertilizers had the best comprehensive effect on the improvement of facility vegetables yield and soil quality. It might be the best combination of organic fertilizers and chemical fertilizers to ensure the high yield of facility vegetables in Kunshan area and effectively reduce the amount of chemical fertilizers.

Key words： organic fertilizer;chemical fertilizer；facility vegetable;yield;soil quality

中國是世界上最大的蔬菜生產國和消費國[1]。為提高蔬菜生產效率，化肥施用逐漸成為生產上緩解蔬菜供需矛盾、保障農戶增產增收的重要技術手段。然而，長期過量施用化肥極易引起土壤養分失調，土壤酸化、次生鹽漬化加劇，進而導致土壤肥力和生產力水平大幅下降，成為制約設施蔬菜產業可持續發展的重要瓶頸[2]。因此，開展化肥減量增效，推進蔬菜高產肥料運籌是設施蔬菜產業可持續發展的重要課題。

有機肥部分替代化肥可以有效緩解化肥過量施用誘發的土壤障礙和農業面源污染問題，是實現資源綠色循環利用、蔬菜產業可持續發展的重要農業實踐[3]。相關研究結果表明，有機肥部分替代化肥可以有效改善土壤理化性狀，提升土壤肥力水平，保障土壤養分供應，從而提高作物品質和產量[4-6]。然而，多茬種植條件下，有機肥部分替代化肥對設施蔬菜的供肥時效及其對設施菜地土壤質量的影響程度等尚不清楚。鑒于此，本研究依托設施蔬菜長期施肥試驗，研究在等氮量條件下，不同的有機肥替代化肥比例對設施蔬菜（不結球白菜及下茬芹菜）產量及土壤質量的影響，以期探明最佳的有機肥替代化肥比例，為設施蔬菜的化肥減量增效及設施菜地土壤質量提升提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為江蘇省昆山市玉葉智慧農業產業園（120°51′E，31°20′N），該地屬北亞熱帶南部季風氣候區。年平均氣溫17.6 ℃，年平均降水量1 200.4 mm，全年無霜期239 d。本研究有機肥部分替代化肥小區試驗于產業園A9號新建大棚內進行。

1.2 試驗材料

供試化肥購自昆山農業生產資料有限公司（N含量15%，P2O5含量15%，K2O含量15%）；供試有機肥購自南通爾康生物有機肥有限公司（有機質含量42.35%，N含量2.00%，P2O5含量1.43%，K2O含量1.61%）。供試作物：不結球白菜，品種為金品28；芹菜，品種為玉香1號。供試不結球白菜和芹菜種子供種單位均為昆山市優來谷成科創中心。

1.3 試驗設計

在等氮量條件下，開展不同比例的有機肥替代化肥試驗。試驗設置3組共7個處理，分別為：（1）不施肥空白對照（CK）；（2）單施化肥處理（T1）；（3）有機肥部分替代化肥處理組：替代比例分別為20%（T2）、30%（T3）、40%（T4）、50%（T5）和60%（T6）。各處理分別設置3個生物學重復區，各小區面積為8 m2（2 m×4 m），完全隨機區組排列。各小區間設置隔離行，防止竄水竄肥。有機肥和化肥分別按照試驗設計用量以基施和追施方式一次性施入土壤（表1）。分別于2021年4月和2021年7月進行不結球白菜和芹菜種子撒播，其他管理措施執行當地農戶的高產設施蔬菜技術規范。

1.4 樣品采集及測定

1.4.1 植株樣品采集及測產 不結球白菜和芹菜成熟后，采集代表性植株樣品測定株高；各小區實收測產，并根據小區面積和小區產量折算每公頃產量（t/hm2）。

1.4.2 土壤樣品采集及測定 待作物收獲后，按照“五點取樣法”分別采集各小區耕層土壤。土壤樣品過2 mm篩混勻后測定其pH、電導率（EC）及有機質（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）含量。分別采用電極法和電導法對土壤pH（土水比1.0∶2.5，重量比）和EC（土水比1∶5，重量比）進行測定，采用H2SO4-K2Cr2O7濕燒法、凱氏定氮法、鉬藍比色法對土壤SOM、TN、TP含量進行測定。試驗前棚內耕層（0～20 cm）土壤基本理化性質：pH 5.93；EC 358 μS/cm；SOM含量23.97 g/kg；TN含量及TP含量分別為1.24 g/kg和1.84 g/kg。

1.5 數據分析

采用Excel 2016和SPSS 19.0進行數據整理及統計分析：本研究為單因素試驗，采用單因素方差（One-way ANOVA）結合鄧肯氏多重比較檢驗（Duncan’s）對不同處理組間土壤理化性質、設施蔬菜株高、產量及收益情況等進行差異顯著性分析（Plt;0.05）；采用主成分分析（PCA）方法對不同處理的土壤理化性質差異進行可視化分析，并利用置換多元方差分析（PERMANOVA）對PCA分析結果進行統計檢驗。采用方差分解分析（VPA）解析有機肥部分替代化肥處理后設施不結球白菜及芹菜產量變化的主效應因素。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對設施蔬菜生長及產量的影響

由圖1可知，有機肥部分替代化肥顯著影響了設施蔬菜（不結球白菜、芹菜）的株高和產量。設施不結球白菜：株高方面，相較于不施肥對照（CK，14.14 cm），施肥處理對設施不結球白菜株高提升效果明顯。其中，T3處理（有機肥替代比例30%）不結球白菜平均株高達到25.43 cm，顯著（Plt;0.05）高于其他處理。產量方面，相較于CK（37.5 t/hm2），施肥處理不結球白菜產量均有顯著（Plt;0.05）提升，而有機肥部分替代化肥處理不結球白菜產量隨有機肥替代比例升高呈先升高后降低趨勢。其中，T3處理不結球白菜產量顯著（Plt;0.05）高于其他處理，達到51.4 t/hm2，較CK增產37.1%。

設施芹菜：株高方面，相較于不施肥對照（CK），有機肥部分替代化肥對設施芹菜生長同樣表現出明顯的促進作用，不同施肥處理芹菜平均株高表現為T3gt;T1gt;T4gt;T5gt;T2gt;T6gt;CK，其中T3、T1、T4和T5對芹菜株高的促進作用達到顯著水平。產量方面，相較于不施肥對照（CK，51.3 t/hm2），T1～T5處理芹菜產量均明顯提升，其中T3處理芹菜產量最高，達到66.9 t/hm2，較CK增產30.4%，且增產幅度顯著高于其他施肥處理。

2.2 不同施肥處理對設施菜地土壤理化性質的影響

總體而言，不同施肥處理對設施菜地土壤理化性質產生了顯著影響（表2）。土壤pH方面，不結球白菜種植后，相較于CK（6.32），施肥處理土壤pH明顯升高，其中T6處理土壤pH最高（7.49），顯著（Plt;0.05）高于其他施肥處理。土壤EC方面，與CK（200.9 μS/cm）相比，單施化肥處理（T1，208.0 μS/cm）土壤EC升高（Pgt;0.05）；而相較于T1處理，有機肥替代化肥處理土壤EC明顯降低，且隨有機肥替代化肥比例升高，土壤EC呈降低趨勢。其中，T6處理土壤EC最低（111.9 μS/cm），顯著（Plt;0.05）低于不施肥對照（CK）和單施化肥處理。土壤養分方面，相較于CK，施肥處理設施菜地土壤肥力水平提升。不同施肥處理間，隨有機肥替代化肥比例升高，SOM、TN、TP含量先升高后降低，其中T2、T3處理對設施菜地土壤肥力水平提升效果最為明顯。

芹菜種植后，相較于CK（pH 6.62，EC 86.5 μS/cm），施肥處理土壤pH降低、EC升高，表明不結球白菜種植后續種芹菜，設施菜地土壤酸化及次生鹽漬化風險加劇。然而，相較于單施化肥處理（T1：pH 5.69，EC 335.0 μS/cm），有的有機肥部分替代化肥處理土壤pH明顯升高，而EC明顯降低。土壤養分方面，芹菜種植后，施肥處理土壤肥力依然處于較高水平，相較于CK，T3、T6處理設施菜地土壤中SOM、TN、TP含量均顯著（Plt;0.05）提升。

2.3 不同施肥處理對設施菜地土壤質量的影響

選取不同施肥處理下設施不結球白菜及芹菜種植后土壤理化性質（pH、EC、SOM含量、TN含量及TP含量）的生物學平行數據用于主成分分析，可視化有機肥部分替代化肥處理對設施菜地土壤質量的影響并進行綜合評價（圖2）。PCA結果顯示，有機肥部分替代化肥對設施菜地土壤質量產生了顯著影響（PERMANOVA，Plt;0.05），PC1及PC2累計方差貢獻率分別達到92.4%（不結球白菜，圖2A）和92.2%（芹菜，圖2B），且PC1軸方差貢獻率遠大于PC2軸，表明PC1方向土樣分布可反映不同施肥處理間設施菜地土壤理化性質差異的主要特征。沿PC1方向，T3處理土壤樣品分布距離不施肥對照（CK）土壤及單施化肥處理（T1）土壤最遠，表明T3處理對設施菜地土壤理化性質的影響最為明顯。此外，PCA結果顯示，SOM、TN含量在PC1軸上載荷較高，而EC在PC2軸上載荷較高（圖2），表明EC、SOM含量及TN含量可能是有機肥部分替代化肥處理影響設施菜地土壤質量的關鍵因素。

2.4 有機肥部分替代化肥處理設施蔬菜產量變化主效應因素分析

VPA分析結果顯示，pH、EC、SOM含量、TN含量及TP含量對有機肥部分替代化肥處理設施不結球白菜產量變化的總解釋度為46.1%。其中，pH和EC是設施不結球白菜產量變化的主效應因子，二者對不結球白菜產量變化的解釋度達到26.3%，遠大于土壤養分（SOM含量+TN含量+TP含量）對設施不結球白菜產量的影響（12.7%）（圖3A）。

設施芹菜方面，pH、EC、SOM含量、TN含量及TP含量對有機肥部分替代化肥處理產量變化的總解釋度為39.9%。其中，土壤pH及EC對設施芹菜產量變化的解釋度為13.1%，而土壤養分（SOM含量+TN含量+TP含量）對芹菜產量變化的解釋度達到22.6%，是有機肥部分替代化肥處理設施芹菜產量變化的主效應因子（圖3B）。

2.5 不同施肥處理對設施蔬菜經濟效益的影響

由表3可知，有機肥部分替代化肥對設施不結球白菜及下茬芹菜經濟效益的提升效果明顯。設施不結球白菜方面，各處理不結球白菜產值從高到低依次為T3gt;T1gt;T5gt;T4gt;T6gt;T2gt;CK。其中，T3處理不結球白菜產值顯著（Plt;0.05）高于其他處理，達到1 hm2 1.543×105元，凈收入為1 hm2 1.334×105元，1 hm2不結球白菜凈收入較CK增收3.59×104元，凈收益增幅達36.8%。

設施芹菜方面，相較于CK產值（1 hm2 1.026×105元），T1～T5處理芹菜增收效果明顯，其中T3處理芹菜產值最高，達到1 hm2 1.339×105元，凈收入達1 hm2 1.130×105元，1 hm2芹菜凈收入較CK增收2.54×104元，凈收益增幅達29.0%；T6處理設施芹菜產值明顯降低，1 hm2產值和凈收入分別為9.59×104元、7.06×104元，1 hm2凈收益較CK下降1.70×104元。

3 討論

3.1 有機肥部分替代化肥對設施蔬菜生長及產量的影響

適度減施化肥，以有機肥部分替代化肥，對蔬菜生長及產量提升具有促進作用[7]。本研究發現，有機肥部分替代化肥處理（T6處理除外）均明顯促進了設施不結球白菜及芹菜的生長發育，并提高了其產量，這與黎蘭獻等[8]、謝育利等[9]的研究結果一致，原因在于有機肥不僅可以為植物提供其生長所必須的C、N、P、K等營養成分，其富含的活性物質、微量元素及功能微生物等也是作物豐產的重要因素[10]。值得注意的是，各有機肥替代化肥處理中不結球白菜、芹菜的株高及產量隨替代比例的增加均呈現先升高后降低的趨勢，這意味著與單施化肥處理（T1）相比，T3處理（有機肥替代化肥比例30%）設施蔬菜生長及產量提升的促進作用明顯增強，而T2處理（有機肥替代化肥比例20%）及T4～T6處理（有機肥替代化肥比例40%～60%）的促進效果則明顯減弱。上述結果表明，合理的有機肥替代化肥比例是設施蔬菜豐產的關鍵，過低的有機肥替代比例不足以彌補化肥減量引起的土壤養分供應虧缺，而過高的有機肥替代比例對作物的不利影響則可能與土壤中引入的大量有機物緩慢的礦化分解速率有關[11]。

此外，本研究發現，相較于不施肥對照（CK），單施化肥處理（T1）頭茬不結球白菜產量顯著增加，而下茬芹菜產量增幅未達顯著水平；而與單施化肥處理相比，T3處理對不結球白菜產量的提升效果達到顯著水平。一方面，這可能是由于有機肥部分替代化肥處理對不同蔬菜作物的促生作用不盡相同[12]；另一方面，無機氮肥施用后養分迅速釋放，可以在作物生長前期保障其養分供應。隨著前茬作物對土壤中養分的不斷消耗，土壤中殘余養分對后茬作物生長供應乏力。而相較于化肥供肥的速效性，有機肥養分釋放慢、供肥時效長，更有利于后茬作物的生長及物質積累[13-14]。本研究發現，相比于pH及EC對有機肥部分替代化肥頭茬不結球白菜產量變化的影響，土壤養分（SOM含量+TN含量+TP含量）成為后茬芹菜產量變化的主效應因素，佐證了有機肥部分替代化肥相比單施化肥具有更長的養分供應時效。綜上所述，合理配施有機肥與化肥，可以保障設施蔬菜生長過程中充足的養分供應并延長肥料持效期，促進設施蔬菜豐產，是一種具有實現“化肥減量增效”潛力的重要農業措施。

3.2 有機肥部分替代化肥對設施菜地土壤質量的影響

相關研究結果表明，有機肥部分替代化肥可以有效降低土壤中鹽分積累，改善土壤物理結構，提高土壤酸堿緩沖能力[15-16]。本試驗中，相較于不施肥對照，單施化肥處理芹菜種植菜地土壤中電導率均顯著升高，這是由于無機化肥的大量施用，導致土壤耕層可溶性鹽和硝酸鹽等大量積累。然而，相較于單施化肥處理，有機肥部分替代化肥處理后土壤pH升高趨勢明顯，且電導率明顯降低，表明有機肥部分替代化肥具有緩解設施菜地土壤酸化及次生鹽漬化的潛力，這與唐繼偉等[17]的研究結果一致。土壤養分方面，張建軍等[18]發現有機肥配施化肥處理11年的耕層土壤有機質、全量氮磷鉀等養分含量顯著高于不施肥及單施化肥處理。本試驗中，與不施肥對照相比，有機肥部分替代化肥處理土壤中有機質、全氮、全磷含量均呈現明顯提升，而相較于單施化肥，有機肥部分替代化肥處理對設施菜地土壤中有機質含量提升效果最為明顯，該研究結果表明有機肥部分替代化肥可以保障和改善土壤養分供應水平，有效培肥土壤[8]。

土壤質量是影響作物生長、產量、品質及經濟效益的重要因素[19-22]，對高度異質的土壤中多樣且復雜的物理、化學及生物等指標進行綜合評價是探明有機肥部分替代化肥對土壤質量的影響，揭示最佳有機肥替代化肥比例的有效手段[12]。李司童等[23]通過主成分分析方法對有機肥部分替代化肥處理（30%、50%、70%）土壤質量進行了綜合評價，結果顯示，相較于其他施肥處理（單施化肥、有機肥替代化肥比例30%、有機肥替代化肥比例50%），有機肥替代化肥比例70%對土壤質量的影響最為顯著。本研究發現，有機肥替代化肥比例30%處理設施菜地土壤質量明顯區別于其他施肥處理，這可能是由于受不同土壤類型、作物品種及施肥模式等因素影響，不同研究中有機肥替代比例對土壤質量的影響差異明顯[17]。本試驗研究結果與楊忠贊等[16]的研究結果類似，有機肥替代30%化肥是改善土壤質量、提高肥料利用率、提升作物產量的最佳替代比例。綜上，有機肥部分替代化肥是一項具有緩解土壤酸化和次生鹽漬化，提升土壤養分含量，促進設施蔬菜增產、增收潛力的農業措施。

4 結論

有機肥部分替代化肥是一種推進有效的“化肥減量增效”，保障設施蔬菜產業可持續發展的重要農業措施，具有緩解設施菜地土壤酸化及次生鹽漬化，增強設施蔬菜種植過程中土壤碳、氮、磷等養分供應，延長肥料持效期，提升設施蔬菜產量及收益的潛力。在等氮量條件下，綜合考慮不同施肥處理（有機肥替代化肥比例0～60%）對設施蔬菜產量、土壤質量及經濟效益的影響，有機肥替代30%化肥可能是保障昆山地區設施蔬菜穩產、豐產的最佳有機肥-化肥配施比例。

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（責任編輯：蔣永忠）

收稿日期：2023-06-20

基金項目：國家自然科學基金項目（41977089）；江蘇現代農業（蔬菜）產業技術體系廢棄資源利用項目[JATS（2020）311、JATS（2021）348、JATS（2022）352]；揚州市“綠揚金鳳計劃”項目（YZLYJFJH2021YXBS134）

作者簡介：朱 楠（1999-），女，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向為土壤改良與利用。（E-mail）zZN0603@163.com

通訊作者：柏彥超，（E-mail）ycbai@yzu.edu.cn