秸稈有機肥替代化學氮肥對菠菜生長和氮利用率的影響

潘亞杰 朱曉輝 常會慶 李長青 朱鴻雁 張超

摘要： 合理比例的有機肥氮替代化學氮肥氮可提高作物的產量和品質，明確有機肥氮替代化學氮肥氮的合理比例對菠菜生長和氮利用效率的影響具有重要意義。本研究采用盆栽試驗，以菠菜為供試蔬菜，秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥。共設置6個處理，分別為J1（有機肥氮替代化學氮肥氮的10%），J2（有機肥氮替代化學氮肥氮的25%），J3（有機肥氮替代化學氮肥氮的50%），J4（有機肥氮替代化學氮肥氮的100%），CK（只施化學氮肥對照）和CK0（不施化學氮肥和有機肥對照），結果表明：與施化學氮肥相比，（1）在低比例有機肥等氮量替代化學氮肥條件下，菠菜產量、葉綠素含量和葉片全氮含量有所提高，100%替代條件下則會顯著降低;（2）土壤養分方面，土壤全氮含量在50%和100%替代比例下顯著提高，土壤堿解氮含量則在25%和50%替代比例下顯著提高;（3）氮素利用率方面，10%替代比例可顯著提高氮肥吸收利用率，當有機肥氮替代比例達到100%時，氮肥偏生產力和氮肥農學利用率則會顯著降低。因此，在菠菜種植過程中，利用秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 25%是維持和提高其產量及氮利用效率的合理比例。

關鍵詞： 秸稈有機肥; 化學氮肥; 菠菜; 產量; 氮利用率

中圖分類號： S636.1，S141.4?? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 1000-4440（2022）03-0650-07

Effects of replacing chemical nitrogen fertilizer with straw organic fertilizer on the growth and nitrogen use efficiency of spinach

PAN Ya-jie 1 ， ZHU Xiao-hui 1 ， CHANG Hui-qing 1，2 ， LI Chang-qing 2 ， ZHU Hong-yan 2 ?， ZHANG Chao 2

（1.College of Agriculture， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China; 2.Henan Xinda Animal Husbandry Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： Replacing chemical nitrogen fertilizer with reasonable proportion of organic fertilizer can improve crop yield and quality， and it is of great significance to clarify its impact on spinach growth and nitrogen use efficiency. In this study， a pot experiment was conducted with spinach as the test vegetable. Under equal nitrogen fertilization， straw organic fertilizer was used to replace chemical nitrogen fertilizer. A total of six treatments were set up， which were J1 （replacing 10% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer）， J2 （replacing 25% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer）， J3 （replacing 50% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer）， J4 （replacing 100% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer）， CK （chemical nitrogen fertilizer） and CK0 （no chemical nitrogen fertilizer and organic fertilizer）. The results showed that compared with the treatment of chemical nitrogen fertilizer， the yield， chlorophyll content and total leaf nitrogen content of spinach were increased under low proportion substitution conditions， and significantly decreased under the condition of 100% replacement. In terms of soil nutrients， soil total nitrogen content increased significantly under the conditions of 50% replacement and 100% replacement， and soil alkali-hydrolyzed nitrogen content increased significantly under the conditions of 25% replacement and 50% replacement. In terms of nitrogen use efficiency， the nitrogen absorption and use efficiency could be significantly improved under the condition of 10% replacement. When the replacement ratio of organic fertilizer reached 100%， the partial productivity of nitrogen fertilizer and the agronomic utilization rate of nitrogen fertilizer would be significantly reduced. Therefore， it is reasonable to replace 10%- 25% of chemical nitrogen fertilizer with straw organic fertilizer in process of spinach planting for the maintenance and improvement of yield and nitrogen use efficiency.

Key words： straw organic fertilizer; chemical nitrogen fertilizer; spinach; yield; nitrogen use efficiency

中國化肥用量約占世界化肥總用量的一半，但利用率較低，其中化學氮肥利用率不到30% [1-2] 。為追求糧食和蔬菜高產，大量施加化學氮肥，這是造成農業面源污染的重要原因之一。因此提高化肥尤其是化學氮肥的利用率問題亟待解決。有機肥對提升土壤肥力 [3-4] 、提高作物品質和產量具有明顯效果 [5] ，同時也可提高土壤微生物群落多樣性 [6-7] ，因此利用有機肥合理替代化肥，是實現中國化肥零增長目標的重要途徑。據統計，中國的農作物秸稈總量高達1.04× 10 9 ?t，可收集的秸稈資源占90% [8] ，同時規模化畜禽養殖糞污年產量達3.9× 10 9 ?t [9] ，如此豐富的肥源為有機肥替代化肥提供了巨大潛力。因此有機肥和化學氮肥配施是目前農業生產上減氮、增效的重要手段 [10] 。

由于有機肥的肥源不同，其養分含量存在差異，因此確定施用過程中有機肥等氮量替代化學氮肥的合理比例是實現作物增產和氮利用效率提高的關鍵 [11-12] 。目前有不少關于畜禽糞便有機肥 [13-14] 或生物有機肥 [15-16] 的應用效果報道，但是針對秸稈有機肥在蔬菜生產上替代化學氮肥的施用效果不夠明確。因此，本研究在菠菜生產上采用以純秸稈發酵產物為原料的有機肥替代化學氮肥，旨在確定有利于菠菜生產和提高氮素利用率的合理秸稈有機肥替代比例。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗地點位于河南省西部洛陽市河南科技大學（34°41′N，112°27′E），年均氣溫12.2～ 24.6 ℃，無霜期210 d以上，年均降水量528～ 800 mm，日照和年均濕度分別為2 200～ 2 300 ?h、60%～ 70%。

1.2 試驗材料

試驗供試土壤取自河南科技大學農場，土壤全氮、全磷、全鉀、有機質含量分別為0.68 g/kg 、0.78 g/kg 、1.94 g/kg 、8.5 g/kg ，土壤pH值為7.61。研究的秸稈有機肥來源于本課題組，采用玉米秸稈、水稻秸稈、番茄秸稈按照一定比例混合，調節碳氮比在25∶ 1至30∶ 1之間。經過一次、二次共60 d發酵后的物料，其全氮、全磷、全鉀含量分別為26.69 g/kg 、6.85 g/kg 、25.33 g/kg 。

1.3 試驗設計

試驗采用秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥設計，設置的6個處理分別為：J1（秸稈有機肥氮10%+ 化學氮肥氮90%）、J2（秸稈有機肥氮25%+化學氮肥氮75%）、J3（秸稈有機肥氮50%+化學氮肥氮50%）、J4（秸稈有機肥氮100%），CK（化學氮肥氮100%）和CK0（不施化學氮肥和秸稈有機肥處理），每個處理重復3次，各處理施肥量見表1。供試土壤風干后過孔徑2 mm網篩，除去雜草、砂礫等。取2 kg土壤放置于高20 cm，直徑20 cm的塑料盆缽中，每盆按上述比例施用有機肥與化肥[供試化學氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2 O5 ?12%），鉀肥為氯化鉀（含K2 O 60%）]，并使化肥、有機肥和土壤混合均勻，隨機排列在溫室中。試驗于2019年9月11日播種，等菠菜幼苗生長7 d后，每盆留2株，40 d后收獲。收獲前測定菠菜的葉綠素含量，收獲時沿盆內土壤表面剪下地上部，用自來水沖洗粘附土粒，并用蒸餾水沖洗，吸干水分后稱鮮質量。將盆內根系取出，用水沖洗土粒，再用蒸餾水洗凈，蔬菜樣品置于烘箱105 ℃下殺青0.5 h，后65 ℃烘干到恒質量待測，同時采集土壤樣品，風干后分別過孔徑為2.00 mm和0.15 mm網篩備用。

1.4 測定指標及方法

菠菜收獲后測定其鮮質量、干質量，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，植株葉綠素含量用便攜式葉綠素儀（SPAD-502 Plus，日本）測定，植物全氮含量采用凱氏定氮法測定 [17] 。

收獲指數=地上部干質量/（地上部干質量+地下部干質量）（1）

土壤氮素生產率=地上部鮮質量/播種前土壤總氮（2）

氮素吸收利用率=（施氮區地上部總吸氮量-無氮區地上部總吸氮量）/施氮量×100%（3）

氮素農學利用率=（施氮區產量-無氮區產量）/施氮量（4）

氮素偏生產力=施氮區產量/施氮量（5）

1.5 數據分析

數據采用Microsoft Excel 2019進行數據處理并制圖，SPSS 17.0軟件進行數據統計分析。

2 結果分析

2.1 秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮對菠菜生長的影響

秸稈有機肥替代化學氮肥會影響到菠菜地上、地下部產量，由表2可知，J1處理和J2處理的地上部鮮質量比CK分別提高了19.3%和11.2%，J3處理的地上部鮮質量較CK降低但差異不顯著，J4處理的地上部鮮質量則較CK顯著降低; J1、J2、J3、J4處理地下部鮮質量相比CK分別提高了60.7%、58.9%、31.7%和39.1%，J1處理和J2處理的總鮮質量相比CK顯著提高了23.2%和15.7%。

J1處理和J2處理地上部干質量相比CK提高了15.1%和1.8%， J1、J2、J3、J4處理的地下部干質量相比CK分別提高了50.1%、40.7%、18.2%和4.5%;菠菜的產量以總干質量計算，隨著有機肥氮替代比例的增加，菠菜總干質量呈現降低趨勢，J1處理和J2處理菠菜總干質量相比CK提高了18.8%和5.9%。

J4處理的收獲指數最低為0.85，且顯著低于CK，說明當秸稈有機肥氮的替代比例過大時，會引起菠菜的收獲指數降低。隨著有機肥氮替代比例的增加，菠菜的株高呈現先增加后降低的趨勢，其中J2處理最有利于菠菜生長。J1、J2處理相較于CK，株高分別顯著增加了16.1%和21.4%。

2.2 秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮對菠菜葉綠素和葉片全氮含量影響

土壤的供肥能力可以通過蔬菜的葉綠素含量間接得到體現。由圖1可知，CK0的葉綠素含量（SPAD值）最低，只有36.9，J1處理的葉綠素含量（SPAD值）最高為57.9，且J1處理相較CK的葉綠素含量（SPAD值）提高了9.2%，當有機肥氮替代量達到100%時，葉綠素含量（SPAD值）相較于CK顯著降低14.9%（ P < 0.05），可見在有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 50%時不會對菠菜的葉綠素含量產生顯著影響。

菠菜葉片全氮含量見圖2，J2處理的葉片全氮含量最高為45.8 g/kg ，其次為J1處理43.4 g/kg ，相較于CK分別提高了10.6%和4.9%，而J3、J4 處理相較于CK，葉片全氮含量則顯著降低了23.0%和45.7%，因此當有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 25%時，不會影響到菠菜對氮素的吸收利用。

2.3 秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮對土壤氮素養分的影響

由圖3可知，隨著有機肥氮替代化學氮肥氮比例的增加，土壤全氮含量基本上呈增加趨勢。J4處理的土壤全氮含量顯著高于其他各處理，與CK相比，其土壤全氮含量顯著提高了35.1%。J1、J3處理相較于CK，土壤全氮含量分別提高了2.0%和16.5%。由圖4看出，和土壤全氮含量變化趨勢不同，隨著有機肥氮替代化學氮肥氮比例的增加，土壤中堿解氮含量呈現先增加后降低的趨勢，其中J2、J3處理相較CK，土壤堿解氮含量顯著增加了28.6%和25.5%。

2.4 秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮對氮素利用效率影響

有機肥氮替代化學氮肥氮不但會影響到土壤中的氮素含量而且會影響菠菜對氮素的利用效率。由表3可知，J1、J2處理有利于土壤氮素生產率的提高，J4處理的土壤氮素生產率顯著低于CK;隨著有機肥氮替代化學氮肥氮比例的增加，氮肥吸收利用率先增加后降低，其中J1處理的氮肥吸收利用率最高，為55.23%，且顯著高于其他各處理，J2處理與CK的氮肥吸收利用率差異不顯著。當有機肥氮等氮量替代化學氮肥氮50%～ 100%時，氮肥吸收利用率顯著低于其他各處理。隨著有機肥氮替代化學氮肥氮比例增加，氮肥偏生產力和氮肥農學利用率呈現先增后降趨勢，其中J1處理的氮肥偏生產力最高，為15.86 g/g ，J4處理和CK之間的氮肥偏生產力差異顯著;J1處理的氮肥農學利用率最高，為9.14 g/g ，J4處理氮肥的農學利用率為2.48 g/g ，且顯著低于其他各處理。

3 討 論

3.1 有機肥氮替代化學氮肥氮對蔬菜產量影響

蔬菜生產過程過中產量的提高過多依賴化肥投入，而有機肥投入嚴重不足 [18] 。本研究結果表明：秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮比例為10%和25%時，有利于菠菜產量及氮利用效率的維持和提高，陳自雄等 [19] 的研究結果表明，當有機肥氮替代化學氮肥氮的比例在30%時，馬鈴薯的產量最高，超過30%后就會對馬鈴薯的產量和其他營養成分產生負面影響。楊仁仙 [20] 的研究結果則表明，油菜在20%的有機肥氮替代化學氮肥氮比例下產量最高，武星魁等 [21] 的研究結果也說明25%的有機肥氮是合適的替代比例，在此比例下包心菜和小白菜的產量最高。以上研究結果與本試驗秸稈有機肥10%等氮量替代比例下，菠菜產量最高的結果存在一定的差異，可能與秸稈中氮素主要為有機肥氮的形態存在有關，相對于速效養分含量高的畜禽有機肥養分釋放較慢 [22] ，因此較低比例的秸稈有機肥氮替代化學氮肥氮有利于菠菜產量的增加，可見有機肥氮替代化學氮肥氮對蔬菜或作物產量的影響和有機肥類型有關 [23-24] 。此外，土壤養分本底值的高低也會影響到有機肥氮的替代比例，毛偉等 [25] 研究結果表明高、中肥力條件下有機肥等氮量替代10%～ 30%化學氮肥以及低肥力條件下有機肥等氮量替代20%～ 30%化學氮肥是適合小麥生產的替代比例。因此鑒于有機肥區域利用特征，有必要針對本地主要有機肥類型，研究其農用氮素替代比例。

3.2 有機肥氮替代化學氮肥氮對土壤氮素養分及利用效率影響

適當比例的有機肥氮替代化學氮肥氮有利于土壤氮素的維持和提高。蔣雨洲等 [7] 和王安等 [26] 都認為施用有機肥可以提高土壤堿解氮含量，丁曉娟等 [27] 的研究結果也說明30%有機肥等氮量替代化學氮肥能夠顯著提高蔬菜地土壤堿解氮。本研究結果表明有機肥替代化學氮肥后，土壤中的全氮和堿解氮有增加趨勢，可見有機肥的施用有利于土壤氮素的保持和提高 [28-29] 。原因在于施用有機肥會將大量有機質帶入土壤中，同時還可能會提高土壤中相關微生物和酶活性，從而提高土壤養分的轉化和利用效率 [30] ，此外有機肥對土壤氮素養分的影響還與土壤的類型、蔬菜種植結構等影響因素有關 [31-32] 。因此有必要根據當地的土壤和主要蔬菜種植類型，通過研究有機肥施用對土壤氮素的影響，確定其替代化學氮肥的合理比例。

養分利用率是衡量施肥合理性最直接的指標 [33-35] ，合理的有機肥替代化學氮肥可以提高作物對氮素的利用效率。哈麗哈什·依巴提等 ?[36] 研究結果表明，有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 30%可以提高棉花的化學氮肥偏生產力和農學效率。一定范圍內施用有機肥也可以提高小麥的化學氮肥利用率，還可以減少氮素的損失 [37] 。喻華等 [38] 研究結果表明，有機肥等氮量替代化學氮肥的25%時，黃瓜的化學氮肥農學利用率和化學氮肥偏生產力最高，其主要原因是化肥中氮素釋放比較快，易損失，導致作物后期氮素供應不足，不僅影響作物光合作用，而且不利于氮素的吸收積累 [39] 。而有機肥無機肥配施能夠滿足作物各個時期對氮素的需求，減少了氮素的流失，提高氮素利用率 [40] 。本試驗中，有機肥氮替代化學氮肥氮比例在10%～ 25%，有利于氮素生產率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率的維持和提高，超過上述比例后不利于氮素利用效率的提高，鑒于本研究只是一茬的試驗結果，后續還需通過連續多茬的試驗來驗證有機肥氮替代化學氮肥氮的合理比例。

4 結 論

與常規施肥相比，秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 25%，有利于菠菜產量的維持和提高;秸稈有機肥替代化學氮肥有利于土壤全氮含量和速效氮含量的維持和提高，并且在秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥的25%～ 50%時，土壤堿解氮含量顯著高于常規施肥處理;秸稈有機肥等氮量替代化學氮肥的10%～ 25%，有利于菠菜氮肥吸收利用率和生產效率的維持和提高。因此利用秸稈有機肥替代化學氮肥進行蔬菜種植時，建議氮素替代比例控制在10%～ 25%。

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（責任編輯：蔣永忠）

收稿日期：2021-08-27

基金項目：第四批智匯鄭州·1125聚才計劃創新領軍人才項目;國家重點研發計劃項目（2017YFD0801304）

作者簡介：潘亞杰（1998-），女，河南開封人，碩士研究生，主要從事農業廢棄物資源化利用研究。（E-mail）1975290129@qq.com

通訊作者：常會慶，（E-mail）hqchang@126.com