不同有機肥對土壤養分及大蒜生長發育的影響

原寒 徐子雯 岑宇 谷仙 秦天羽 蔣高明

摘要：現代農業中人工合成物質的大量使用，造成了嚴重的環境污染問題。我國有機肥資源豐富，充分利用有機肥是緩解當前環境問題的重要途徑之一。本試驗以脫毒蒼山蒜為材料，在長期有機肥養地的基礎上以不施肥為對照，研究了不同有機肥（腐熟牛糞、腐熟兔糞、大豆發酵肥）處理對土壤養分、大蒜氮素吸收及產量等的影響。結果表明，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，大豆發酵肥對20～40 cm土層改善作用較好。土壤碳通量表現為腐熟牛糞處理最高，表明土壤微生物最活躍。大豆發酵肥處理下大蒜植株體內的氮素積累量最高。4種處理對大蒜農藝性狀及產量的影響差異不顯著，CK（不施肥）表現仍較好，說明長期施用有機肥具有養地的重要功能。本研究結果可為生態農業發展提供有機肥效方面的參考。

關鍵詞：有機肥;土壤肥力;大蒜;碳通量;產量

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

進入化學農業階段以來，化肥、農藥、地膜等化學合成物質的過量使用，造成了土壤酸化[1]、肥力下降、土壤板結[2]、重金屬含量超標等嚴重環境問題[3]。從1971年到1990年間，化肥施用量和糧食產量之間呈線性增長，然而中國1991—2011年間，化肥用量已經遠遠超過糧食產量的增長速度[4]。同時，由于農作物長期處于農藥、化肥污染環境中，農產品品質和食用安全性也受到威脅，農藥殘留和重金屬含量超標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育必需的氮、磷、鉀、有機質、氨基酸、蛋白質等養分[5]，還能改善土壤質量，培肥地力，提高作物產量，改善作物品質[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量保持穩定或穩定增長[11];紅壤稻田系統增產和穩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穩產，維持系統的可持續性[13]，提高水稻產量和肥料利用率，提高氮素累積量，減少環境污染，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[16]，并提高土壤養分含量[17-19]，進而提高作物產量和品質[20，21]。

大蒜（Allium sativum L.）是百合科（Liliaceae）蔥屬（Allium）二年生草本植物，原產于亞洲西部高原，在中國已有2000多年的栽培歷史，是一種重要的出口創匯蔬菜[22]。以鱗莖、花莖、幼株為主要產品，目前我國已成為全世界最主要的大蒜生產、消費和出口國[23]。大蒜作為重要出口產品，提高大蒜品質和產量尤為重要。本試驗以大蒜為材料，結合我國有機肥資源現狀，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業大學農業生態系統定位研究站（35°26′34″N， 117°49′13″E）進行。該試驗區地處中緯地區，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。試驗田土壤養分含量見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置4個處理，分別為 CM：施用腐熟牛糞; RM：施用腐熟兔糞;SM：施用大豆發酵肥;CK：不施肥。隨機區組排列，重復3次，小區面積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，在各小區內按五點取樣法，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，分別在每小區內選取有代表性的1 m2 內所有大蒜植株 （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長期定位監測;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。

大蒜產量=平均鱗莖重×666.7m2株數;各器官氮素積累量（kg·hm-2）=氮素含量×干物質質量;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（NHI）=鱗莖氮素積累量/植株氮素積累量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0對數據進行處理和繪圖，采用SPSS 20.0統計分析軟件用LSD法對數據進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥對蒜田土壤養分的影響

試驗結果表明，在大蒜季結束時，各處理土壤有機碳表現為0～20 cm土層與基礎地力無顯著差異，但處理間表現為CM和RM顯著高于SM和CK（P<0.05），20～40 cm土層CM與基礎地力無顯著差異，RM顯著降低，SM和CK顯著升高（P<0.05），處理間表現為SM>CK>CM、RM（圖1A）。土壤全氮表現為0～20 cm土層CM與基礎地力無顯著差異，RM、SM、CK均顯著降低（P<0.05），處理間表現為CM>RM>CK>SM，20～40 cm 土層土壤全氮表現為CM、RM、CK均顯著低于基礎地力，SM顯著高于基礎地力;處理間差異顯著，表現為SM最高，RM最低（P<0.05）（圖1B）。在大蒜生長季結束時，土壤全磷表現為各處理下0～20、20～40 cm土層均顯著低于基礎地力，處理間在0～20 cm土層表現為CM最高，SM最低，在20～40 cm土層表現為SM最高，CK最低，差異達顯著水平（P<0.05）（圖1C）。與基礎地力相比，土壤全鉀與全磷表現相同，各處理均顯著低于基礎地力（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是連續養地11年后的土壤，微生物群落已比較穩定，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，結果如圖3A。4種處理下土壤碳通量的日變化均呈現對稱的單峰變化，在下午2時左右達到最高，處理間表現為CM最高，且幾乎為其他處理的兩倍，RM、SM、CK處理的峰值表現為CK>SM>RM，在其他時間段土壤碳通量水平相同。在大蒜收獲期，碳通量的日變化結果如圖3B，CM處理仍最高，SM最低。

2.2 不同有機肥對大蒜農藝性狀的影響

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（NHI）表現為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量及產量構成因素的影響

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

3 討論與結論

土壤是具有生物活性的有機體，土地生產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業的特色之一[24]。土壤有機質是土壤養分的重要來源，直接影響土壤的保水保肥能力。土壤有機質可由土壤有機碳計算得到，與有機碳變化一致。研究表明，經過腐熟的有機肥含有大量相對穩定的有機質，在土壤中不易被分解而積累下來，可顯著增加土壤有機質含量[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，有機質含量也較高，這與此試驗地已連續施用11年牛糞有關，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為SM在0～20 cm土層含量最低，20～40 cm土層含量最高，CM表現則與SM表現相反。其原因可能與有機肥本身性質有關，牛糞中有機質豐富，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];大豆發酵肥屬植物性肥料，其氮素含量高，養分釋放迅速。因此牛糞對上層土壤的改善效果較好，大豆發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的積累也表明大豆發酵肥肥效較好。

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，并且有效指示著生態系統演替的過程和方向[32]。土壤呼吸強，表明微生物處于良好狀態，可儲存并循環更多養分。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）和大豆發酵肥（SM），其次，由于此試驗地在試驗前已連續11年施用牛糞，少量的牛糞和大豆發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作物的干物質積累和產量形成關系密切。氮素供應與光合作用直接相關，當氮素供應不足時，植株表現為矮小黃化，植株干物質降低，尤其是葉片干物質，而葉片干物質影響植株光合生產和再生器官內同化物的分配[36]，進而影響作物產量。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與光合能力呈正相關，是反映葉片生理活性的重要指標之一[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，鱗莖產量及其構成因素各處理無顯著差異，其原因可能與此試驗地基礎地力較高有關。

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

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