有機肥替代化肥對設施蔬菜土壤有效態Fe、Mn、Cu含量的影響

貝凱月,向春陽,趙 秋,譚英愛,董家僖,岳 露,田秀平

(1.天津農學院 農學與資源環境學院,天津 300384,2.天津市農業資源與環境研究所,天津 300192)

Fe、Mn、Cu等微量元素是植物生長必需營養元素,雖然植物所需量遠少于大量元素[1],但它們對植物的作用與大量元素同等重要。這些微量元素是植物生長各種酶的輔助因子,并且參與了植物生理代謝過程,對人體健康也具有重要作用[2]。但由于土壤中微量元素含量和有效性受土壤環境條件影響較大,使土壤中微量元素有效性降低,導致微量元素缺乏成為一種普遍現象[3-4]。

直接施用微量元素肥料來提高土壤微量元素含量,其成本較高,而且有效性通常僅限于特定的土壤條件[5]。隨著現代農業的發展及人們對農產品品質要求的提高,有機肥的施用被人們廣泛利用[6]。Rutkowska等[7]發現,在pH值最低的土壤中,銅、鐵、錳和鋅的有效態含量最高,施用有機肥增加了鐵和鋅的濃度。丁少男等[8]指出,單獨施用化肥的土壤微量元素的有效含量較低,而單獨施用有機肥土壤微量元素有效含量顯著增加。Dhaliwal等[9]通過一項長期田間試驗表明,綠肥和稻草殘渣的摻入使土壤中DTPA的可提取量以及總鋅、銅、鐵和錳的含量均有所增加。Wang等[10]研究發現,施用有機肥增加了土壤中有效鐵、鋅和錳的含量,而土壤中有效銅含量減少。

近年來,我國設施栽培發展迅速,番茄作為設施蔬菜的其中一種,起到果蔬兼用的作用,深受百姓喜愛,種植面積越來越大。然而,由于設施栽培番茄時存在大量施用化肥等情況,造成一系列土壤健康問題,進而影響番茄產量和品質[11]。農業部在2015年制定了《到2020年化肥使用零增長行動方案》,要求2020年實現化肥不增長或者負增長,如何在減少化肥投入情況下,農作物產量和品質不受影響,有機肥替代化肥是首選方式。鑒于此,在天津地區設施番茄內設有機肥替代化肥試驗,研究有機肥對設施番茄土壤中微量元素有效態Fe、Mn、Cu含量的影響,以期為增加該地區土壤微量元素有效態含量、減少化肥投入,為該區設施番茄合理施肥及土壤可持續利用提供理論依據和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于天津市西青區水高莊村和小沙沃村的2個日光蔬菜大棚里,水高莊村日光大棚(SFQ),供試蔬菜為番茄(歐凱萊);小沙沃村日光大棚(XFQ),供試蔬菜為番茄(AK-19)。2個棚的供試土壤均為潮土,大棚SFQ有機質含量18.98 g/kg,pH值8.46,EC值248.50 μS/cm;大棚XFQ有機質含量56.35 g/kg,pH值8.13,EC值279.50 μS/cm。試驗田 0～30 cm土壤養分含量見表1。供試商品有機肥是恒潤(天津)生物科技開發有限公司生產的精制有機肥,為養牛場的牛糞及天津市種植的玉米秸稈,N+P2O5+K2O≥5%,有機質≥45%;供試化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%),追肥為芭田復合肥(15-10-23)。

表1 試驗田 0～30 cm土壤養分含量

1.2 試驗設計

大棚SFQ面積862 m2,試驗于2017年12月14日育苗,2018年2月1日移栽定植;大棚XFQ面積288 m2,于2017年12月19日育苗,2018年2月9日移栽定植。2個大棚栽培方式均為傳統的畦栽,行距50 cm,株距40 cm。每個大棚試驗設4個處理,即大棚SFQ為SCK(常規施100%化肥)、SDY(有機肥替代10%化肥)、SMY(有機肥替代20%化肥)和SGY(有機肥替代30%化肥);大棚XFQ為XCK(常規施100%化肥)、XDY(有機肥替代10%化肥)、XMY(有機肥替代20%化肥)和XGY(有機肥替代30%化肥),每個處理3次重復。采用棚內小區試驗,隨機區組排列,2個大棚均以有機肥和化肥混施作為基肥,各處理間的追肥均為芭田復合肥。基肥在整地移栽前一次性施入,追肥在番茄生長過程中分5次施到土壤中,大棚SFQ每次小區用量1.6 kg,大棚XFQ每次小區用量0.55 kg,每小區追肥施用量相同。大棚SFQ和XFQ小區面積分別是71.8,24.0 m2,施肥量見表2。

表2 試驗田化肥和有機肥用量

1.3 測定項目與方法

分別于番茄種植前和收獲后,采用多點法在每個試驗小區取混合土樣,風干后,測定土壤理化性質、大量養分及有效態鐵、錳和銅含量,測定方法[12]見表3。番茄成熟收獲時按小區計產,折算公頃產量。

表3 土壤指標測定方法

1.4 數據處理

試驗采用Excel 2019和Origin 9.1軟件對數據進行分析與作圖處理,利用SPSS 21.0對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代化肥對設施蔬菜土壤中有效態Fe、Mn和Cu的影響

2.1.1 有效態Fe 有機肥含有豐富的有機質,其礦化分解過程中產生有機酸,有機酸可使土壤中礦物質發生風化作用,釋放鐵元素,另外,有機肥料本身含有鐵,施用后可增加土壤中全鐵含量,其礦化分解后使土壤有效態Fe含量增加[4]。從圖1可以看出,有機肥替代化肥對設施蔬菜土壤有效態Fe含量有一定影響。在大棚SFQ中,不同量有機肥替代化肥處理的土壤有效態Fe含量均高于對照處理,但各個處理間差異不顯著;在大棚XFQ中,有機肥替代化肥的3個處理土壤有效態Fe含量均顯著高于對照處理,其中XGY((17.46±0.30)mg/kg)處理最高,較XCK((15.55±0.25)mg/kg)處理提高了12.28%,也顯著高于XDY((15.72±0.66)mg/kg)和XMY((16.25±0.59)mg/kg)處理,XDY和XMY處理之間差異不顯著。

不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05)。圖2-3同。

2.1.2 有效態Mn 由圖2可知,有機肥替代化肥對設施蔬菜土壤有效態Mn含量有顯著影響。在大棚SFQ中,SMY((17.62±0.16)mg/kg)和SGY((18.65±1.31)mg/kg)處理的土壤有效態Mn含量均顯著高于SCK((7.74±0.17)mg/kg)處理,其中,SGY處理的土壤有效態Mn含量最高,比SCK處理提高了140.95%;在大棚XFQ中,XGY((17.15±2.05)mg/kg)處理的土壤有效態Mn含量顯著高于XCK((9.29±0.40)mg/kg)處理,提高了84.60%,而XCK、XDY和XMY處理之間差異不顯著。

圖2 不同處理下土壤有效態Mn含量

2.1.3 有效態Cu 如圖3所示,有機肥替代化肥對土壤有效態Cu含量也有顯著影響。在大棚SFQ中,SMY和SGY處理顯著提高了土壤有效態Cu含量,分別為SMY((8.82±0.51)mg/kg)和SGY((10.73±0.81)mg/kg),較SCK((2.39±0.10)mg/kg)處理分別提高了269.03%,348.95%,而SDY處理與SCK處理之間差異不顯著;在大棚XFQ中,XGY((6.63±1.36)mg/kg)處理的土壤有效態Cu含量最高，且顯著高于XCK((2.10±0.44)mg/kg)處理,較XCK處理提高了215.71%,而XCK、XDY、XMY處理之間差異不顯著。

圖3 不同處理下土壤有效態Cu含量

2.2 有機肥替代化肥對番茄品質和產量的影響

Vc是人體的重要維生素,由于人體內無法合成Vc,食物攝取是人體獲得Vc的唯一途徑,Vc含量也是蔬菜產品的主要品質指標。從表4看出,2個大棚番茄果肉Vc含量從高到低的排列順序都是：高量有機肥替代化肥>中量有機肥替代化肥>低量有機肥替代化肥>對照，其中，SFQ大棚的SGY處理極顯著高于SCK和SDY處理，與SMY處理之間差異不顯著，SMY處理也極顯著高于SCK，與SDY處理間差異達顯著水平；XFQ大棚番茄果肉Vc含量在不同施肥處理之間均達到極顯著差異水平；硝酸鹽因在人體內轉化為亞硝酸鹽后會增加致癌風險,危害人體健康,近年來硝酸鹽含量已成為無公害蔬菜的重要指標,降低蔬菜中硝酸鹽含量意義重大,本研究2個大棚中番茄果肉NO3-N含量高低順序與Vc相反，且2個大棚不同施肥處理之間差異均達極顯著水平。以上說明，有機肥替代化肥可提高番茄果實的Vc含量，降低番茄果實硝酸鹽含量，改善番茄品質。

表4 SFQ和XFQ不同施肥處理番茄品質和產量的差異

有機肥替代化肥對番茄產量影響較大,2個大棚中，SGY、XGY處理均顯著高于SCK、XCK處理，SGY、XGY和SMY、XMY處理之間,SCK、XCK和SDY、XDY處理之間差異均不顯著。施肥是設施番茄提高產量的關鍵技術,適當增加有機肥用量,減少化肥用量更有助于提高番茄的產量和品質。

2.3 土壤有效態Fe、Mn和Cu與番茄品質和產量的關系

從表5相關性分析可以看出,2個大棚土壤有效態Fe、Mn和Cu與番茄果實Vc之間均呈極顯著正相關,與NO3-N含量之間都呈極顯著負相關;大棚SFQ中土壤有效態Fe與大棚XFQ中土壤有效態Fe、Mn和Cu均與產量呈顯著正相關;2個大棚土壤有效態Fe、Mn和Cu之間極顯著或呈顯著正相關。植物中Fe、Mn和Cu都參與硝酸和亞硝酸還原作用,缺少這些元素,會造成植物體內硝酸鹽積累。另外,3種元素都參與植物體內氧化還原系統的調控,影響到植物體的Vc轉化。土壤有效態Fe、Mn和Cu會影響光合作用,從而影響到番茄的產量。

表5 土壤有效態微量元素與番茄品質和產量相關性分析

3 結論與討論

本試驗中,有機肥替代化肥提高了土壤中有效態Fe、Mn、Cu含量。其中,有機肥替代處理的土壤有效態Fe含量有不同程度的提升,但對大棚SFQ影響不顯著，而對土壤中有效態Mn、Cu含量影響較大,其中，大棚SFQ和大棚XFQ高量有機肥替代處理較對照處理相比均顯著提高了有效態Mn、Cu含量。一方面可能是由于長期單施化肥使土壤養分大量耗減,增施有機肥在一定程度上緩解了土壤微量元素的輸出[4];另一方面,有機肥中含有豐富的有機質和大量養分,腐解產物可絡合微量元素,有利于微量元素的活化,發生土壤生化反應,進而影響微量元素的有效性,避免了元素的流失[13-14]。Chen等[15]發現,施用糞肥會增加土壤中有效態Fe含量,而且施肥對微量元素有效含量的影響因種植系統而異。Zhang等[16]通過長期試驗表明,有機肥處理的土壤中有效態Mn含量顯著提高,證明了施用有機肥會改變土壤的特性,同時也在改善微量元素有效性方面有重要作用。李本銀等[17]指出,長期施用有機肥增加了土壤有效態Cu含量,尤其是糞肥處理。土壤中有效態微量元素的含量受多種因素影響,不僅與成土母質、土壤類型、施肥方式和人類活動有關,而且其主要影響因素是土壤的性質,包括pH值、有機質和其他養分含量[18-19]。有研究表明,土壤中微量元素有效性與pH值表現負相關關系,即pH值越低微量元素的有效性越高[20-21]。也有研究報道,微量元素的有效性與土壤有機碳密切相關,強調了有機碳在維持土壤肥力方面的重要作用[22]。

本試驗結果表明,有機肥替代化肥對提高番茄產量和改良品質方面有顯著影響,且土壤有效態Fe、Mn、Cu與番茄品質和產量之間存在顯著相關關系。有研究表明[23-24],有機改良劑可提高番茄產量和番茄紅素、可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸和維生素C的含量,能有效改善番茄品質和增加口感。張春明等[25]研究發現,噴施微量元素葉面肥能明顯改善小麥旗葉的生理功能,提高旗葉的抗氧化能力, 加大籽粒灌漿能力, 從而提高小麥產量。微量元素對植株產量和品質均有一定的促進作用,不同的微量元素由于其對植物的作用機制及過程不同而具有不同的效應[26],從而對其產量和品質有很大影響。

有機肥作為土壤微量元素輸入的重要來源,也為植株的生長發育提供了較為全面的營養條件。而長期施用可能會使土壤中鐵、錳、銅等元素出現富集情況,造成土壤重金屬污染問題及增加作物吸收積累重金屬的風險。有研究發現[27],長期施用有機肥加大了土壤受重金屬污染的風險,特別是中、高量有機肥處理明顯提高了Zn、Cu、Cd 和 Pb有效態含量。土壤中微量元素缺乏或過量都會對土壤環境及作物生長產生一定影響,使土壤中微量元素處于適宜水平,不僅要滿足植物的需求,同時也要防止某些元素的潛在積累。因此,選擇安全優質的有機肥,保持土壤中微量元素平衡,這對養分利用率、環境保護和植物生長發育具有重要意義[28]。

通過在設施蔬菜內長期施用有機肥發現,添加有機肥增加了2個日光大棚中土壤有效態Fe、Mn、Cu含量,其中,對大棚SFQ中土壤有效態Fe含量影響不顯著。有機肥替代化肥可提高番茄果實Vc含量,降低硝酸鹽含量,提高番茄產量。因此,可以通過增施有機肥來緩解設施土壤中微量元素短缺和流失的現狀,同時也對提高農產品的產量和改良品質方面有一定的作用,而且有機肥還在改善土壤性質、維持土壤養分平衡等方面具有顯著優勢,為設施土壤可持續利用及設施栽培高質量發展提供有效保障。