不同有機肥對土壤養(yǎng)分及大蒜生長發(fā)育的影響

原寒 徐子雯 岑宇 谷仙 秦天羽 蔣高明

摘要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中人工合成物質(zhì)的大量使用，造成了嚴重的環(huán)境污染問題。我國有機肥資源豐富，充分利用有機肥是緩解當(dāng)前環(huán)境問題的重要途徑之一。本試驗以脫毒蒼山蒜為材料，在長期有機肥養(yǎng)地的基礎(chǔ)上以不施肥為對照，研究了不同有機肥（腐熟牛糞、腐熟兔糞、大豆發(fā)酵肥）處理對土壤養(yǎng)分、大蒜氮素吸收及產(chǎn)量等的影響。結(jié)果表明，腐熟牛糞處理對0～20 cm土層土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量改善作用更好，大豆發(fā)酵肥對20～40 cm土層改善作用較好。土壤碳通量表現(xiàn)為腐熟牛糞處理最高，表明土壤微生物最活躍。大豆發(fā)酵肥處理下大蒜植株體內(nèi)的氮素積累量最高。4種處理對大蒜農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響差異不顯著，CK（不施肥）表現(xiàn)仍較好，說明長期施用有機肥具有養(yǎng)地的重要功能。本研究結(jié)果可為生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有機肥效方面的參考。

關(guān)鍵詞：有機肥;土壤肥力;大蒜;碳通量;產(chǎn)量

中圖分類號：S633.406+.2文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0060-07

進入化學(xué)農(nóng)業(yè)階段以來，化肥、農(nóng)藥、地膜等化學(xué)合成物質(zhì)的過量使用，造成了土壤酸化[1]、肥力下降、土壤板結(jié)[2]、重金屬含量超標(biāo)等嚴重環(huán)境問題[3]。從1971年到1990年間，化肥施用量和糧食產(chǎn)量之間呈線性增長，然而中國1991—2011年間，化肥用量已經(jīng)遠遠超過糧食產(chǎn)量的增長速度[4]。同時，由于農(nóng)作物長期處于農(nóng)藥、化肥污染環(huán)境中，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和食用安全性也受到威脅，農(nóng)藥殘留和重金屬含量超標(biāo)都會嚴重危害人體健康。

中國擁有豐富的有機肥資源。有機肥不僅含有滿足作物生長發(fā)育必需的氮、磷、鉀、有機質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)等養(yǎng)分[5]，還能改善土壤質(zhì)量，培肥地力，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)[6，7]。中國有機肥資源每年可提供30.5×106 ??t氮，比每年氮肥總使用量（27.9×106 ??t）還多，但是有機肥利用率僅為39%[8]。以畜禽糞便為主的大量有機肥堆積變成了環(huán)境污染源[9，10]，必須尋找有機肥利用的合理途徑。有研究表明，有機肥替代化肥能夠使玉米產(chǎn)量保持穩(wěn)定或穩(wěn)定增長[11];紅壤稻田系統(tǒng)增產(chǎn)和穩(wěn)定性均以有機肥替代化肥最好[12];有機肥替代化肥可促進雙季稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，維持系統(tǒng)的可持續(xù)性[13]，提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率，提高氮素累積量，減少環(huán)境污染，培肥土壤[14，15]。在小麥上的研究表明，施用有機肥能顯著改善土壤物理性質(zhì)[16]，并提高土壤養(yǎng)分含量[17-19]，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[20，21]。

大蒜（Allium sativum L.）是百合科（Liliaceae）蔥屬（Allium）二年生草本植物，原產(chǎn)于亞洲西部高原，在中國已有2000多年的栽培歷史，是一種重要的出口創(chuàng)匯蔬菜[22]。以鱗莖、花莖、幼株為主要產(chǎn)品，目前我國已成為全世界最主要的大蒜生產(chǎn)、消費和出口國[23]。大蒜作為重要出口產(chǎn)品，提高大蒜品質(zhì)和產(chǎn)量尤為重要。本試驗以大蒜為材料，結(jié)合我國有機肥資源現(xiàn)狀，探尋有機模式下，如何合理施用有機肥。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2017年10月至2018年10月在山東省臨沂市平邑縣蔣家莊山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（35°26′34″N， 117°49′13″E）進行。該試驗區(qū)地處中緯地區(qū)，年降水量799.1 mm，年平均溫度15.1℃。供試土壤從2006年開始停用化肥，改用牛糞養(yǎng)地11年。土壤類型為棕壤，供試大蒜品種為脫毒蒼山蒜。試驗田土壤養(yǎng)分含量見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理，分別為 CM：施用腐熟牛糞; RM：施用腐熟兔糞;SM：施用大豆發(fā)酵肥;CK：不施肥。隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2。供試大蒜于2017年10月21日播種，株距12 cm，行距21 cm，2018年6月3日收獲。采用等氮量控制施肥方式，年施氮量為290 kg·hm-2，在種植前深耕時將有機肥一次性施入，各有機肥氮含量及施肥量見表2。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集 大蒜收獲后，在各小區(qū)內(nèi)按五點取樣法，采集0～20、20～40 cm 土層土壤樣品。剔除動植物殘體、可見根系、石礫等非土壤部分，自然風(fēng)干后研磨，過0.15 mm篩，備用。

在大蒜成熟期取全部植株，采用5點取樣法，分別在每小區(qū)內(nèi)選取有代表性的1 m2 內(nèi)所有大蒜植株 （含枯葉）將其根、葉身+葉鞘和鱗莖迅速洗凈、擦干，并按3部分進行分樣，樣品經(jīng)105℃殺青30 min，80℃下烘干至恒重。

1.3.2 測定項目 土壤有機碳：重鉻酸鉀容量法;土壤全氮：濃硫酸消煮—凱氏定氮法;土壤全磷、全鉀：高壓罐消解法;土壤碳通量：Li-8100土壤碳通量自動測量系統(tǒng)長期定位監(jiān)測;葉綠素含量及光合速率測定：大蒜抽薹前，用手持式葉綠素檢測儀CM1000測定第三片葉葉綠素含量;用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測量大蒜第三片葉凈光合速率。

株高：大蒜抽薹前，測量植株從土壤表面基部至葉片拉直后最長葉片頂部的高度;葉長：大蒜抽薹前，測量植株第三片葉葉片基部至葉尖的長度;葉寬：大蒜抽薹前，測量植株第三片葉最寬處;鱗莖縱、橫徑：測定鱗莖縱向、橫向最大直徑;單頭重：隨機選取小區(qū)中50頭鱗莖，稱重，取平均值;植株樣品各部分氮含量測定同土壤。

大蒜產(chǎn)量=平均鱗莖重×666.7m2株數(shù);各器官氮素積累量（kg·hm-2）=氮素含量×干物質(zhì)質(zhì)量;各器官氮素分配比例（%）=各器官氮素積累量/單莖氮素積累量×100;氮素收獲指數(shù)（NHI）=鱗莖氮素積累量/植株氮素積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件用LSD法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機肥對蒜田土壤養(yǎng)分的影響

試驗結(jié)果表明，在大蒜季結(jié)束時，各處理土壤有機碳表現(xiàn)為0～20 cm土層與基礎(chǔ)地力無顯著差異，但處理間表現(xiàn)為CM和RM顯著高于SM和CK（P<0.05），20～40 cm土層CM與基礎(chǔ)地力無顯著差異，RM顯著降低，SM和CK顯著升高（P<0.05），處理間表現(xiàn)為SM>CK>CM、RM（圖1A）。土壤全氮表現(xiàn)為0～20 cm土層CM與基礎(chǔ)地力無顯著差異，RM、SM、CK均顯著降低（P<0.05），處理間表現(xiàn)為CM>RM>CK>SM，20～40 cm 土層土壤全氮表現(xiàn)為CM、RM、CK均顯著低于基礎(chǔ)地力，SM顯著高于基礎(chǔ)地力;處理間差異顯著，表現(xiàn)為SM最高，RM最低（P<0.05）（圖1B）。在大蒜生長季結(jié)束時，土壤全磷表現(xiàn)為各處理下0～20、20～40 cm土層均顯著低于基礎(chǔ)地力，處理間在0～20 cm土層表現(xiàn)為CM最高，SM最低，在20～40 cm土層表現(xiàn)為SM最高，CK最低，差異達顯著水平（P<0.05）（圖1C）。與基礎(chǔ)地力相比，土壤全鉀與全磷表現(xiàn)相同，各處理均顯著低于基礎(chǔ)地力（P<0.05），各處理間，0～20 cm土層中無顯著差異，20～40 cm土層中表現(xiàn)為CM顯著高于其他處理（P<0.05）（圖1D）。

由圖2看出，從大蒜春季開始生長到大蒜收獲期，土壤碳通量整體表現(xiàn)為CM最高，SM最低，并且各處理的總體變化狀況基本一致，在4月30日和5月14日之后兩個時間段內(nèi)較其他時間段高;到大蒜收獲期，CK碳通量高于CM。因為CK是連續(xù)養(yǎng)地11年后的土壤，微生物群落已比較穩(wěn)定，分解的土壤有機碳較多。

對大蒜抽薹之前7天的碳通量日變化進行平均，結(jié)果如圖3A。4種處理下土壤碳通量的日變化均呈現(xiàn)對稱的單峰變化，在下午2時左右達到最高，處理間表現(xiàn)為CM最高，且?guī)缀鯙槠渌幚淼膬杀叮琑M、SM、CK處理的峰值表現(xiàn)為CK>SM>RM，在其他時間段土壤碳通量水平相同。在大蒜收獲期，碳通量的日變化結(jié)果如圖3B，CM處理仍最高，SM最低。

2.2 不同有機肥對大蒜農(nóng)藝性狀的影響

如表3所示，各處理的株高和葉寬無顯著差異，SM處理的葉長顯著小于CM處理，CK處理的葉綠素含量顯著高于各施肥處理（P<0.05），3種有機肥處理間葉綠素含量差異不顯著，凈光合速率表現(xiàn)為CK顯著高于CM和RM處理，SM顯著高于CM處理（P<0.05）。

2.3 不同有機肥對大蒜氮素分配的影響

由圖4和表4看出，在大蒜根中，各處理的氮素積累表現(xiàn)為RM和SM顯著高于CM（P<0.05），CK與各施肥處理間無顯著差異;在大蒜鱗莖中，SM處理下的氮素積累顯著高于CK（P<0.05），與SM和RM無顯著差異;在大蒜莖葉中，各處理的氮素積累均無顯著差異;大蒜植株中，總氮素積累表現(xiàn)為SM最高，CK最低（P<0.05）（圖4）。在氮素分配比例方面，收獲鱗莖中的氮素比例最高，氮收獲指數(shù)（NHI）表現(xiàn)為CM顯著高于CK（P<0.05），RM和SM與CM、CK無顯著差異（表4）。

2.4 不同有機肥對大蒜產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

不同處理下大蒜植株各部分干物質(zhì)量均無顯著差異（表5）。從大蒜鱗芽數(shù)、單瓣重、鱗莖橫徑和縱徑等產(chǎn)量構(gòu)成因素和鱗莖產(chǎn)量方面比較，各處理間差異均不顯著（表6）。

3 討論與結(jié)論

土壤是具有生物活性的有機體，土地生產(chǎn)力的高低很大程度上由土壤肥力決定，利用有機肥培肥地力是我國農(nóng)業(yè)的特色之一[24]。土壤有機質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來源，直接影響土壤的保水保肥能力。土壤有機質(zhì)可由土壤有機碳計算得到，與有機碳變化一致。研究表明，經(jīng)過腐熟的有機肥含有大量相對穩(wěn)定的有機質(zhì)，在土壤中不易被分解而積累下來，可顯著增加土壤有機質(zhì)含量[25]。本試驗中，施用牛糞和兔糞顯著提高土壤上層的有機碳含量，施用大豆發(fā)酵肥對下層土壤的有機碳含量作用顯著，即使是對照，有機質(zhì)含量也較高，這與此試驗地已連續(xù)施用11年牛糞有關(guān)，因此，在長期施用有機肥之后，即使不施肥，土壤肥力仍能保持較長時間。

氮磷鉀作為作物三大必需元素，也常用來衡量土壤肥力。研究表明，長期施用有機肥能顯著提高土壤全氮含量[26，27]，增加土壤中磷的有效性[28]。大蒜是需肥較多的蔬菜，整個生育期對氮、鉀兩種元素吸收量較高[29]。本試驗中，4種處理下土壤全氮和全磷都表現(xiàn)為SM在0～20 cm土層含量最低，20～40 cm土層含量最高，CM表現(xiàn)則與SM表現(xiàn)相反。其原因可能與有機肥本身性質(zhì)有關(guān)，牛糞中有機質(zhì)豐富，含作物必需的N、P、K及微量元素，但其肥效遲緩[30]，因此在0～20 cm土層中保留較多;兔糞中的N、P、K含量高于其他畜禽糞便，且肥效快[31];大豆發(fā)酵肥屬植物性肥料，其氮素含量高，養(yǎng)分釋放迅速。因此牛糞對上層土壤的改善效果較好，大豆發(fā)酵肥對下層土壤的改善效果較好，可配合施用。本試驗中氮素在大蒜植株體內(nèi)的積累也表明大豆發(fā)酵肥肥效較好。

碳通量表征土壤呼吸的強弱，通常作為衡量土壤微生物活性、土壤肥力及土壤透氣性的指標(biāo)，并且有效指示著生態(tài)系統(tǒng)演替的過程和方向[32]。土壤呼吸強，表明微生物處于良好狀態(tài)，可儲存并循環(huán)更多養(yǎng)分。在施肥管理方面的研究表明，施用有機肥可以顯著提高土壤微生物呼吸強度和碳氮含量[33，34]。在本試驗中，CM和CK相對較高，SM和RM相對較低，其可能原因是由于CM、RM、SM 3種有機肥保持施氮量一致，但其含水量和含氮量均有差異，實際施肥量并不相同，其中牛糞（CM）施肥量最高，因此其微生物量高于兔糞（RM）和大豆發(fā)酵肥（SM），其次，由于此試驗地在試驗前已連續(xù)11年施用牛糞，少量的牛糞和大豆發(fā)酵肥施用一年并不足以改變其原有的微生物群落，因此CK處理的碳通量仍然較高。

Barraclougha等[35]研究指出，氮素的吸收利用與農(nóng)作物的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成關(guān)系密切。氮素供應(yīng)與光合作用直接相關(guān)，當(dāng)?shù)毓?yīng)不足時，植株表現(xiàn)為矮小黃化，植株干物質(zhì)降低，尤其是葉片干物質(zhì)，而葉片干物質(zhì)影響植株光合生產(chǎn)和再生器官內(nèi)同化物的分配[36]，進而影響作物產(chǎn)量。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量高低在一定范圍內(nèi)與光合能力呈正相關(guān)，是反映葉片生理活性的重要指標(biāo)之一[37]。本試驗中，SM處理下植株氮素積累量最高，CK處理下大蒜葉片的光合速率高于其他處理，鱗莖產(chǎn)量及其構(gòu)成因素各處理無顯著差異，其原因可能與此試驗地基礎(chǔ)地力較高有關(guān)。

綜上所述，不同有機肥對土壤和大蒜植株的影響不同。牛糞中的養(yǎng)分可積累在上層土壤中，緩慢釋放，大豆發(fā)酵肥的肥效較快，可改善下層土壤肥力;連續(xù)多年施用牛糞后，即使不施肥，土壤仍保持較高的肥力和生產(chǎn)力。

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