有機種植條件下水肥管理對番茄品質和土壤硝態氮累積的影響

唐 政,李虎,邱建軍*,王立剛,鄒國元

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京100081;2賀州學院,廣西賀州542800;3北京市農林科學院植物營養與資源研究所,北京100097)

近年來,我國有機農業發展迅速,到2008年,全國經認證的有機種植耕地和有機牧場面積達233.8萬公頃,已成為亞洲最大的有機食品生產基地[1]。在解決食物總量的同時,如何提高蔬菜等重要食物的品質及保證其安全已經成為全社會關注的熱點問題。蔬菜品質性狀不僅與其遺傳特性有關,同時還在很大程度上受管理措施、栽培環境等的影響,其中以灌溉、施肥對蔬菜品質的影響尤為顯著[2]。雖然在有機種植模式中,對有機肥施用量及其有害物質的含量要求都非常嚴格,但由于各地種植條件、土壤肥力上的差異,對其投入量還沒有形成明確的、統一的規定[2]。而且,有機蔬菜的價格一般為其他同類產品的數倍,在高收益的刺激下,過量施肥、灌水現象普遍存在,這種管理措施在北京城郊的有機種植中尤其明顯[4]。盡管人們已經認識到過量施肥、灌溉會降低菜田土壤水肥利用效率、對蔬菜品質帶來不良影響以及環境污染等問題[5-6],對有機肥安全施用也進行了大量的研究,但多集中在常規種植條件下有機肥的無害化處理、高效利用與環境污染風險評估等方面[7-9],對有機種植條件下有機肥對蔬菜品質的影響、水肥調控以及環境影響等方面的相關報道卻相對較少。因此,本研究以北京郊區有機種植條件下的番茄為例,研究了不同有機肥施用量與不同灌溉量組合管理措施對番茄品質、產量以及土壤硝態氮累積的影響,以探求有機蔬菜種植合理的水肥管理措施,在確保產量的前提下,提高蔬菜品質并且降低土壤氮素殘留,為有機蔬菜的科學種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2008年3月至7月在北京大興區某生態農場試驗基地進行。該試驗地土壤為潮土,耕作層(0—20 cm)土壤有機質含量為23.2 g/kg、pH值為7.68、全氮 1.4 g/kg、有效磷 60.16 mg/kg、速效鉀132.68 mg/kg、硝態氮 18.13 mg/kg、銨態氮 3.23 mg/kg。

試驗采用裂區設計,以灌溉量為主處理:設常規灌溉(H),為農場的習慣灌溉量,即總灌溉量1200 mm;減量灌溉(L),灌溉總量為700 mm,比農場常規灌溉量少42%。在整個試驗期分7次灌溉,均為大水畦間灌溉。以施肥量為副處理:設不施肥對照(CK);減半施肥(N1),即農場習慣施肥量的一半,為35 t/hm2(合干基14 t/hm2,OFDC要求有機肥不超過15 t/hm2[10]);常規施肥(N2),即農場習慣施肥量,為70 t/hm2。小區面積6 m×5 m。每個處理3次重復。供試番茄品種為中農101。灌溉用水為深層地下水,水中硝態氮含量2.96 mg/L,銨態氮含量0.26 mg/L,磷、鉀、鉻、鎘含量未檢出。供試肥料是由雞糞、豬糞、秸稈等經過堆肥處理的精制商品有機肥,其含水量為 40%,N、P2O5、K2O含量分別為1.71%、1.99%、0.45%,有機質含量30.6%。供試土壤與肥料中重金屬含量如表1所示,均達到了相應的有機種植對土壤環境和有機肥的要求。

表1 供試土壤與肥料中重金屬含量(mg/kg)Table 1 Heavy metal contents in the experimental soil and organic fertilizer

1.2 測定項目與方法

每次采摘時,記錄每小區每次采摘的番茄重量,最后累積測產。每小區隨機抽取50個番茄,用游標卡尺測量番茄的縱徑、直徑,并用天平稱量其重量。中期穗果采摘時,每小區隨機采摘500～1000 g鮮樣,用于實驗室測定品質。可溶性蛋白用考馬斯亮藍法測定;還原型Vc用2,6-二氯靛酚法;可溶性糖用蒽酮法;可溶性固形物用阿貝折光儀法測定;可滴定酸度含量采用標準滴定法;硝酸鹽含量用紫外分光光度法;番茄紅素用高效液相色譜法;果實中重金屬含量采用石墨爐原子吸收法。

在試驗前和收獲后的2 d內,于0—20、20—40、40—60、60—90、90—120、120—150、150—180、180—200 cm共8個層次用5點取樣法采取土樣,每個小區同層的土壤充分混合均勻。過2 mm篩后,用2 mol/L的KCl溶液浸提,過濾后用Flastar 5000 Analyzer型連續流動分析儀測定硝態氮含量。

試驗數據用SPSS統計軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 對感觀品質及產量的影響

施用有機肥對番茄產量有明顯的增產效果,但各施肥處理間未達顯著差異水平(表2)。在相同的灌溉條件下,施肥量減半的處理(N1)都低于常規施肥處理(N2)。在相同的施肥條件下,常規灌溉處理(H)的產量較高,而且隨施肥量的增加,兩者之間的差別也從1.25 t/hm2增至5.2 t/hm2。

表2 不同水肥配置下番茄的外觀品質與產量Table 2 Effects of different treatments on the yield and surface quality of tomato

表2表明,施用有機肥明顯提高了果實的重量,但施肥的各處理間相差不大;單果大小也呈現類似結果;其中HN1番茄單果的直徑和重量最大。說明在習慣施肥的基礎上施肥量減半不會明顯降低番茄的產量,也不會降低單果的大小與重量。

2.2 對營養品質的影響

表3顯示,番茄紅素含量表現為:LN1＞HN1＞LN2＞HN2＞LCK ＞HCK的趨勢,且與施肥量有密切關系。N1各處理與N2各處理之間差異顯著,同一施肥條件下,兩種灌溉處理間的差異不顯著。說明施肥量對番茄紅素的含量有重要影響,適當施肥可以有效提高番茄紅素含量,而過量施肥則會降低。Vc含量呈現減量施肥高于常規施肥處理,低量灌溉高于常規灌溉處理的趨勢。不同處理的可溶性固形物含量的變化不大,在4%～4.7%之間。在減量灌溉條件下,3種施肥處理間的可溶性蛋白含量差異顯著;而在常規灌溉處理下,N2高于N1和CK,且有顯著差異,但N1與CK差別不大。說明增加有機肥的施用量對增加可溶性蛋白含量有積極的作用。

從番茄的糖酸比值看,糖酸比值最大的為HN1處理,達8.2,其次是 LN1,為 8.1;LN2與HN2處理的糖酸比最低,分別為6.65和6.55。在相同的灌溉條件下,CK、N1、N2處理間番茄糖酸比存在顯著性差異;而在相同的施肥條件下,減量灌溉處理的糖酸比稍低于常規灌溉處理。可見,適量有機肥可以提高番茄果實的糖酸比,過量施肥則降低了番茄果實的糖酸比;施肥量不同可以顯著影響番茄糖酸比值。糖酸比相差 1%的果實,其食味就有顯著差異[11]。依照這個標準,也可以推斷,常規施肥處理下的番茄風味和口感明顯不同于減半施肥量處理。

表3 不同水肥配置下番茄的營養品質Table 3 Effects of different treatments on the nurture components of tomato

2.3 對衛生品質的影響

蔬菜的衛生品質主要包括硝酸鹽累積、重金屬含量等主要指標。如表4所示,從硝酸鹽含量上看,除了HN1處理外,其他處理均已超過了國家限量指標(GB19338-2003)。這說明,在常規灌溉條件下,減半有機肥投入量可以抑制番茄中硝酸鹽的累積。從重金屬的累積上看,各處理的鎘、鋅含量都超標,而且常規灌溉下各處理大于減量灌溉下相應的各處理。結合表1可以發現,有機肥與土壤中的鋅、鎘、鉻含量較高,可能是造成超標的一個重要因素。常規施肥處理還導致鉻含量超標,而且呈現LN2＞HN2的結果,說明在有機肥大量投入下降低灌溉量有促進番茄中鉻累積的風險。

表4 不同水肥配置下番茄的衛生品質Table 4 Effects of different treatments on the food sanitation of tomato

2.4 番茄收獲后0—200 cm土壤中NO-3-N含量的變化

番茄收獲后,在表層0—20 cm的土層中,HN2、LN2處理的NO-3-N濃度迅速增加(圖1),分別為58.06和40.43 mg/kg,是試驗前的3.2倍和2.23倍;HN1與LN1處理分別為21.34和26.41 mg/kg,與試驗前差異不明顯。說明在當地農民習慣的常規施肥條件下,在土壤表層0—20 cm處有NO-3-N大量累積;累積量不僅與施肥量呈正相關,也隨灌溉量的增加而增大,降低灌溉量在一定程度上也能減少NO-3-N的累積。在常規施肥的基礎上減半施肥量,對降低土壤中硝態氮的累積有良好效果。隨著施肥量的減少,減量灌溉對土層中NO-3-N濃度的影響也相應降低,HN1與LN1、HCK與LCK處理之間的差異分別為5.07和0.92 mg/kg,遠遠小于HN2與LN2處理之間的差異17.53 mg/kg。

在20 cm以下的各土層中,各處理間的NO-3-N濃度與試驗前差別不大,這與試驗時間不夠長,施肥灌溉還不足以影響地下層次硝態氮濃度有關。但在持續種植條件下,表層累積的大量NO-3-N為向下淋洗提供了必要條件,成為潛在的污染源。減半施肥量處理與試驗前土壤表層中NO-3-N濃度大致保持在相同水平,可以減少持續種植下的氮素淋洗風險。可見,在當前的常規施肥條件下,有機肥施用量減半是比較合適的。

圖1 試驗前后土壤0—200 cm硝態氮含量變化Fig.1 Dynamics of NO-3-N accumulation in 0-200 cm soil profile under different treatments

3 討論

在有機種植中能否保持高產量是種植者最關心的問題。謝永利[3]連續4年的試驗結果表明,有機種植模式與常規種植模式下,番茄平均產量分別為88.41和81.2 t/hm2,兩者無顯著差異,而且有機種植模式下產量穩定。劉宏斌等[12]對北京郊區露地栽培大白菜的研究表明,在施用有機肥N 120 kg/hm2的基礎上施用化肥的增產效果不明顯,反而對土壤中NO-3-N的累積效果顯著。本研究結果表明,與農民習慣施肥量相比,施肥量減半處理(35 t/hm2)番茄產量并沒有明顯降低;同時減少常規灌溉量(華北地區蔬菜種植的一般灌溉量[13])的42%,在同等施肥條件下仍然對番茄產量、品質無顯著影響。這說明當地有機種植中常規管理措施下的有機肥施用量和灌溉水量均過量。水肥的過量投入不但沒有明顯提高產量,反而對環境安全帶來了一系列不良影響。本試驗表明,常規施肥處理比減量施肥處理土壤中硝態氮的累積量明顯增加,易造成氮素的淋溶損失,對水體造成潛在的污染風險。另外,減量施肥也能給種植者帶來明顯經濟效益。依據2008年北京郊區番茄的市場收購價格1 yuan/kg,精制有機肥的價格300 yuan/t計算,減量和常規施肥處理獲得的利潤分別為96430和96230 yuan/hm2,施肥量減半處理下不僅肥料成本節約了10500 yuan/hm2,還增加了200 yuan/hm2的利潤。

蔬菜品質的評價和相互比較向來是復雜而充滿爭議,即使是同一品種,也會因種植方式的不同而存在較大差異。如在有機種植和常規種植條件下,前者除蛋白質和胡蘿卜素含量低于后者外,Vc、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn 等礦物質含量均高于后者[2]。即使在相同的有機種植條件下,增加土壤中微生物或改變電磁環境,都會對蔬菜的Vc和礦物質含量產生影響[14]。本研究看出,在相同灌溉條件下,施肥量減半處理可顯著提高有機番茄的營養品質,有機番茄中番茄紅素含量、Vc含量、可溶性糖類含量、可溶性固形物、糖酸比、單果重量與大小都優于其他組合。但是,由于蔬菜是易富集硝酸鹽的一類植物,即使是在不施肥的情況下,設施蔬菜栽培也容易引起蔬菜硝酸鹽大量累積[15]。因此,在常規施肥處理下,過量的有機肥投入會增加番茄中硝酸鹽的含量,影響食用安全。由于本研究試驗處理有限,要得到有機番茄的有機肥施用量和灌溉量的最優化組合,還有待進一步深入研究。

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