李嵐坤 吳杰 常會慶 李長青 朱鴻雁 張超






摘要:明確有機肥替代氮肥對菠菜生長及氮素利用的影響,可為菠菜等蔬菜生產過程中減肥增效提供方案和依據。采用盆栽試驗,等氮量進行豬糞有機肥(10%、25%、50%、100%)氮素替代研究。結果表明,與單施化肥相比,25%的豬糞有機肥替代氮肥處理后菠菜顯著增產36.57%,硝酸鹽含量隨著氮素替代比例的增加而降低,且當氮素替代達50%時,會顯著降低菠菜中的硝酸鹽含量;各有機肥替代處理均可提升土壤全氮含量,增量范圍為6.69%~27.97%;氮素替代比例為10%和25%時,土壤的銨態氮和硝態氮含量均比單施化肥處理升高。豬糞替代氮肥比例為25%時,氮素收獲指數較單施化肥增加3.14%,且在該替代比例下,有利于氮素從地下部向地上部的轉移積累,導致土壤氮素生產率、氮肥農學利用率和偏生產力均顯著增加。因此,從產量和氮肥利用率等方面綜合考慮,25%的豬糞有機肥替代氮肥比例適合在該蔬菜生產上推廣。
關鍵詞:菠菜;有機肥;氮肥;替代;氮素利用率
中圖分類號:S636.106 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2023)08-0139-06
基金項目:第四批“智匯鄭州·1125聚才計劃”;國家重點研發計劃(編號:2017YFD0801304)。
作者簡介:李嵐坤(1998—),男,河南鄭州人,碩士研究生,主要從事環境污染修復研究。E-mail:1362444583@qq.com。
通信作者:常會慶,博士,教授,主要從事環境污染修復與廢棄物資源化利用研究。E-mail:hqchang@126.com。
我國農業生產中,由于傳統的“高投入高收獲”施肥觀念,導致化肥用量逐年上升,過量施用氮肥會降低肥料利用率和作物品質,也增加了作物生產成本,對環境造成負面影響[1-2]。我國的肥料利用率相對較低,大多數蔬菜氮肥利用率僅20%左右[3],谷物更是低于世界平均水平20%~30%[4]。為此,我國制定了到2020年化肥使用量零增長行動方案,目的在于減少農業生產中化肥用量,提高作物對養分的吸收效率,同時減少過量施用化肥所產生的面源污染。
近年來,有機-無機肥配施已經成為降低化肥用量、提高肥料利用率的主要手段[5-6]。研究發現,蔬菜生產中將有機肥適量配合化肥施用,可以提升蔬菜產量、品質和化肥利用率[7]。化肥減施25%~40%并不會對蔬菜產量造成顯著影響[8-9],減施20%~30%的條件下配施有機肥,對作物產量也無影響[10-11]。有機肥的配施還具有提高土壤肥力以及微生物群落多樣性等功效[12-13]。
通過測算,我國規模化畜禽養殖糞污年產量39億t,主要作物秸稈產量達9億t[14],豐富的肥源為有機替代提供可能性。2017年我國發布了開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案,鼓勵有機肥在上述經濟作物的替代施用。但由于有機肥體積大、價格低,運輸范圍小等缺點,決定了其區域化適用特點。而不同地區有機肥原料各異,施用土壤、作物類型不同,使有機肥替代化肥的合理比例存在差異[15-16],而確定合理化肥替代比例是決定作物產量、品質及養分利用效率的關鍵依據。因此,利用當地主要的有機肥源,在等氮條件下,開展有機肥替代氮肥對菠菜生長和氮素利用效率影響研究,以期對當地蔬菜等經濟作物生產過程中有機肥合理替代氮肥提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試豬糞有機肥取自洛陽某有機肥廠,其中豬糞是經過立式好氧發酵罐高溫發酵的產物;供試土壤為石灰性褐土,取自河南科技大學農場。供試材料性狀見表1。
1.2 試驗設計
采用盆栽試驗,設不施肥處理(CK),100%化肥處理(NPK),在等氮條件下豬糞氮素替代氮肥的占比分別為10%、25%、50%、100%的4個處理(OZ1、OZ2、OZ3、OZ4),共6個處理。將上述土壤風干、過篩后,取2 kg土壤于高20 cm,直徑20 cm塑料盆中,每kg土壤的施肥量為N:0.27 g,P2O5:0.13 g,K2O:0.25 g,按上述氮肥替代比例施用有機肥與化肥并混合均勻。每個處理重復3次,隨機排列在溫室中。以四季大葉菠菜為供試品種,試驗從2019年9月播種,等幼苗生長1周后,每盆留2株,在2019年11月中旬收獲。
1.3 樣品采集與測定
在菠菜旺產期采集土壤和菠菜樣品,其中土壤樣品風干后分別過0.85、0.15 mm土篩后備用。土壤基本理化性質的測定參照《土壤農業化學分析方法》[17]。菠菜收獲后進行鮮質量測定,硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定[18]。剩余植物樣品在烘箱105 ℃下殺青30 min后,65 ℃烘干至恒質量,測地上部、地下部干質量。采用葉綠素儀測定葉綠素含量,測定部位為中部葉片的上中下3個部位,取其平均值。
1.4 氮素利用率
氮素收獲指數[19]=地上部氮素積累量(mg)/植株氮素積累量(mg);
土壤氮素生產率[20](g/g)=地上部鮮質量/播種前土壤總氮;
氮肥農學利用率[21](g/g)=(施氮處理產量-無氮處理產量)/施氮量;
氮肥偏生產力[19,21](g/g)=施氮處理產量/施氮量。
1.5 數據分析
利用Excel 2007進行數據處理分析,選用Duncans法進行顯著性檢驗(α=0.05),Origin 2019進行作圖。
2 結果與分析
2.1 有機肥替代氮肥對菠菜產量、葉綠素含量的影響
有機肥替代氮肥的OZ1、OZ2、OZ3處理與NPK相比,菠菜產量分別增產12.74%、36.57%、7.48%,但僅OZ2處理增產效果顯著。有機肥100%替代無機氮肥的OZ4處理較CK增產,但與NPK相比顯著減產48.95%。試驗中當有機替代占比超過25%以后,菠菜產量將會逐漸降低。菠菜葉綠素含量跟產量變化趨勢類似。與NPK相比,OZ1、OZ2、OZ3處理的葉綠素含量分別增加2.81%、4.24%、0.35%,都未達到顯著差異。OZ4的葉綠素含量同樣較CK增加,而較NPK顯著降低21.02%(表2)。
2.2 有機肥替代氮肥對菠菜硝酸鹽含量影響
蔬菜品質的高低往往與硝酸鹽含量有關,本研究中隨著豬糞替代比例的增加,菠菜硝酸鹽含量逐漸降低(圖1)。與單施化肥NPK相比,有機肥替代部分無機氮肥的OZ1、OZ2、OZ3處理,其硝酸鹽含量分別降低0.81%、15.03%、47.51%,其中OZ3處理的硝酸鹽含量顯著降低,其硝酸鹽含量為 1 440.57 mg/kg,但與不施肥CK的硝酸鹽含量相比沒有顯著性差異。與NPK處理相比,有機肥100%替代無機氮肥的OZ4處理,其硝酸鹽含量顯著降低67.72%。由此可知,當有機肥替代無機氮肥的比例超過50%以后,有利于菠菜中硝酸鹽含量降低。
2.3 有機肥替代氮肥對土壤氮素的影響
有機肥替代氮肥會使土壤全氮含量高于CK或NPK處理(圖2)。與NPK相比,OZ1、OZ2、OZ3、OZ4處理的全氮含量分別增加了6.69%、8.49%、8.25%、27.97%,其中僅OZ4處理顯著增加。
有機肥替代氮肥后,銨態氮、硝態氮含量比不施肥CK處理均有上升(圖3、圖4)。與NPK相比,OZ1、OZ2處理的銨態氮含量分別增加15.06%、5.56%,而OZ3處理的銨態氮含量則是減少3.68%。OZ1、OZ2、OZ3處理的土壤硝態氮與銨態氮含量變化趨勢相同,其中OZ1、OZ2處理的硝態氮含量較NPK分別增加115.96%、13.82%,而OZ3處理的硝態氮含量則減少9.67%。與NPK相比,有機肥100%替代氮肥的OZ4處理,土壤銨態氮含量增加2.98%;而土壤硝態氮含量則降低13.82%,但未達到顯著差異。
2.4 有機肥替代氮肥對氮素利用的影響
由表3可知,有機肥替代氮肥的各處理,菠菜地上部、地下部的氮積累量均比CK高,但與NPK處理相比,地上部、地下部的氮積累量的變化趨勢并不相同。其中,OZ1、OZ3處理的氮積累量減少3.98%、13.80%,而OZ2處理的地上部氮積累量則顯著增加20.67%。OZ1、OZ2、OZ3處理的地下部氮積累量較NPK處理分別減少13.42%、23.53%、21.93%。OZ4處理的地上部、地下部氮積累量分別較NPK處理顯著降低72.37%、54.86%。
氮素收獲指數和氮素生產率分別反映了作物吸收氮素后在植株中的分配比例和作物吸收氮素后形成地上部產量的能力[19,22]。由表3可知,與NPK相比,OZ1、OZ2、OZ3處理的氮素收獲指數和生產率分別增加1.10%、3.14%、0.76%和12.74%、36.57%、7.48%,其中僅OZ2處理的氮素生產率與NPK處理顯著差異。OZ4處理的氮素收獲指數、生產率均低于NPK處理,分別顯著減量4.49%、48.95%。可見,當有機肥替代部分無機氮肥時,氮素收獲指數和生產率均比NPK有所增加,而有機肥100%替代化肥氮處理中,不利于氮素收獲指數和生產率的提高。
氮肥農學利用率和氮肥偏生產力可以表征作物對氮肥吸收和利用的程度[21]。與單施化肥NPK處理相比,OZ2、OZ3處理的氮肥農學利用率和偏生產力均有所升高(表3),2個指標的增量分別為64.04%、7.17%和32.80%、3.67%;而OZ1處理的氮肥農學利用率、偏生產力與NPK處理相比,降低了11.37%、5.82%。有機肥100%替代無機氮肥(OZ4)處理與NPK處理相比,氮肥農學利用率、偏生產力分別顯著降低77.90%、39.91%。
3 討論
3.1 有機肥替代氮肥對蔬菜產量及硝酸鹽含量的影響
蔬菜施肥過程中,合理的有機肥替代無機氮肥能夠更好地促進蔬菜的生長發育,提高產量[15-16]。但過高的有機肥替代化肥比例會使蔬菜的生長受到嚴重抑制甚至導致植株死亡[23-25]。趙明等在等氮量有機肥替代化肥對大白菜生長影響的研究發現,不高于60%的替代比例能夠增加產量,而60%以上的有機肥替代化肥比例則抑制了大白菜的生長[24]。等氮量條件下,有機肥替代氮肥對番茄生長的影響也發現,60%以上的替代比例對番茄產生抑制作用[25]。本試驗中有機肥100%替代無機氮肥不利于菠菜的生長,其植株產量和葉綠素含量均較單施化肥NPK處理降低,而10%、25%、50%的替代比例則有利于提高葉綠素含量,促進菠菜干物質積累,尤其在替代比例為25%時,菠菜產量和葉綠素含量最高。原因在于無機氮肥釋放快,能夠在前期促進植株快速生長,但后期養分供應乏力,而單純施用有機肥,其養分釋放緩慢容易造成植株前期養分供應不足從而導致植株矮小[23,26];2種肥料的合理配比則保證了菠菜生長過程中的養分供應,提高和維持蔬菜葉片光合性能和葉綠素含量,促進植株干物質累積,從而增加產量[27-28]。
相關研究表明,過量施用化肥往往導致蔬菜中硝酸鹽含量增加,在化肥減量的同時進行有機肥替代,能夠減少蔬菜中的硝酸鹽含量,進而提升蔬菜品質[29],但過高的有機肥替代比例可能會使蔬菜的產量降低,同時存在著一定的環境污染風險[30]。本試驗中,有機肥替代無機氮肥的各處理中,菠菜硝酸鹽含量均小于3 000 mg/kg,符合GB 18406.1—2001《農產品安全質量無公害蔬菜安全》要求。當有機替代的比例超過50%時,菠菜中硝酸鹽含量較100%化肥處理(NPK)顯著降低。蔬菜體內硝酸鹽的累積是在氮素供應過量的情況下的奢侈吸收,此時蔬菜會快速吸收硝態氮,開始累積硝酸鹽[31]。因此,有機肥代替化肥施用可以作為降低蔬菜植株內硝酸鹽含量的有效措施[32]。
3.2 有機肥替代氮肥對土壤氮素含量的影響
研究表明,有機肥可以活化土壤養分、改良土壤理化性狀,有機肥和化肥配施后,土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量高于不施肥或單施化肥處理[33-35]。但也有研究表明,有機肥、無機肥配施在作物收獲時,土壤硝態氮含量雖會高于不施肥處理,但會低于單施化肥處理[36]。本試驗中,10%、25%、50%、100%的有機肥替代無機氮肥處理與不施化肥(CK)和單施化肥(NPK)處理相比,土壤全氮含量均會提升,原因在于有機肥的施用不僅會大量增加土壤有機質含量,還會提升促進養分轉化的微生物和酶的活性,從而提高土壤全氮含量[37-38]。當有機替代的比例為10%、25%時,土壤的銨態氮、硝態氮含量均比單施化肥處理升高;當有機替代比例升高時,二者的變化并不相同,原因在于銨態氮、硝態氮在土壤中的含量與作物生長條件、灌溉方式以及土壤性質等有關[39],另外與有機肥替代部分無機肥增加了土壤團聚化程度,從而降低有效態氮素在土壤中的累積有關[40]。因此,本試驗中關于有機肥替代氮肥引起土壤中銨態氮、硝態氮含量的變化機制有待進一步研究闡明。
3.3 有機肥替代氮肥對氮素利用效率的影響
我國作物生產普遍存在氮肥利用率低的問題,而降低氮肥的損失、優化土壤氮素供應和作物氮素吸收的協同關系是提升氮肥利用率的重點[22]。研究表明,在等氮條件下,適量比例的有機替代可以顯著提高作物氮肥利用率。趙易藝等在等氮條件下種植小白菜,發現化肥處理的氮肥利用率僅為16.78%,而有機替代處理的氮肥利用率高達56.10%[41]。羅佳等研究了3種有機肥在等氮條件下替代無機肥的氮肥利用率,發現其農學利用效率和氮肥偏生產力均顯著高于單施化肥處理[42]。本試驗發現,與單施化肥(NPK)處理相比,25%、50%有機替代處理的氮肥農學利用率和偏生產力均有所升高,而10%、100%有機替代處理的氮肥農學利用率、偏生產力有所降低。因此只有在適當比例的有機、無機肥配施條件下,才有利于促進土壤微生物將有機肥中的氮素逐漸轉化為速效氮供作物吸收利用,保證作物生長過程中的氮素的供應需求和利用效率[43-44]。
氮素收獲指數和氮素生產率同樣可以表征植物對氮素的利用效率。有機肥替代化肥進行生產時,氮素收獲指數和生產率高于不施肥或單施化肥處理[45],但100%比例的有機肥替代氮肥處理則是會降低氮素收獲指數和生產率[22]。本試驗表明,與CK、NPK處理相比,25%的有機肥替代氮肥時的氮素收獲指數和生產率最高,而且地上部氮素積累量較高的處理其氮素收獲指數和生產率也較高。究其原因,化肥能夠在蔬菜生長前期刺激土壤微生物,促進其加快分解有機質,從而給作物帶來更多有效的養分促進生長[46]。而有機肥則會在蔬菜生長前期促進土壤微生物對氮素的固持,在土壤中保存更多的氮素以供應蔬菜生長后期的吸收和利用[47]。即適量比例的有機替代施肥方式更能匹配蔬菜在不同生長階段對養分的需求。另外,由于本試驗只是一茬的研究結果,后續還須通過多茬的試驗結果來驗證合理的有機肥替代氮肥比例,以便更有效提高氮素收獲指數和氮素生產率。
4 結論
菠菜施肥中適量比例的有機肥替代氮肥既能提高產量、降低硝酸鹽含量,又可提升土壤氮素水平和氮肥利用率。與單施化肥相比,在等氮量的條件下,有機肥替代氮肥比例為25%時,菠菜產量和葉綠素含量最高;替代比例為50%時菠菜硝酸鹽含量顯著降低;有機肥100%替代氮肥會使菠菜產量降低;各有機肥替代氮肥處理均可以提升土壤全氮含量,當有機肥替代氮肥比例為10%、25%時均可以使土壤中銨態氮、硝態氮含量比單施化肥處理增加。有機肥替代氮肥為25%時,土壤氮素生產率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力顯著高于單施化肥的處理。因此,從產量和氮肥利用率等方面考慮,25%的有機肥替代氮肥比例適合在生產上推薦施用,但本結果為盆栽試驗,在田間實踐推廣時有待大田試驗的進一步驗證。
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