生物有機肥部分替代化肥對生姜產量、養分利用效率及土壤肥力的影響

付麗軍，王永存，張 璐，王 磊，周 禹

（1.唐山市農業科學研究院 河北唐山 063001；2.唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心 河北唐山 063000）

我國是化肥生產和消費大國，單位面積化肥用量超世界平均水平3 倍之多[1]。過量施肥是農田土壤功能退化、養分比例失調、肥料利用率降低的重要原因，由此引發了農作物產量、品質下降，病蟲害加重和環境生態安全等一系列問題[2-3]。合理施肥是農作物增產的基礎，施肥制度不僅影響作物的產量和品質，還會顯著影響土壤的生態環境和生產力，關系到我國現代農業的健康可持續發展[4]。隨著2015 年農業部化肥、農藥“雙減”政策的提出，有關有機類肥料替代化肥的研究成為農業領域的熱點之一。生物有機肥是一類兼具微生物肥和有機肥特點，能夠為作物生長提供必要的養分和營養物質，實現有機、無機養分一體和功能互補的肥料[5]。已有研究結果表明，生物有機肥和化肥合理配施可以顯著提高作物產量，改善土壤理化性狀，提升土壤肥力，促進作物對養分的吸收利用[6-7]。宋以玲等[8]研究發現，增施生物有機肥部分替代化肥有利于提高土壤酶活性和有效養分含量，增加和改善油菜根際土壤微生物群落的數量和結構，增強植株抗逆性。姜蓉等[9]研究表明，化肥減量配施生物有機肥能夠顯著提高設施菊花的株高和花徑，增加產量和觀賞品質，并提高養分在菊花體內的吸收、分配。王成等[10]研究表明，與單施化肥相比，配施生物有機肥顯著提高了韭菜產量，同時提高了氮、磷、鉀肥利用率及其吸收量，氮、磷肥利用率隨著生物有機肥用量的增加而提高。

生姜（Zingiber officinaleRosc.）作為人們日常生活中主要的香辛調味蔬菜之一，近年來由于種植效益較高，產業規模不斷擴大。生姜屬于根莖類作物，對養分需求量大，生產上偏施化肥和過量施肥現象十分嚴重，造成了資源浪費、生產成本增加，顯著降低了生姜的產量和品質[11]。因此，合理施肥是我國生姜產業健康可持續發展急需解決的關鍵問題。目前關于生姜施肥技術的研究多集中在提高生姜產量方面，關于生物有機肥和化肥配施對生姜氮、磷、鉀素吸收利用以及對土壤肥力影響的研究相對較少。為此，筆者通過田間試驗，在等量養分投入下，研究生物有機肥部分替代化肥對生姜產量、養分利用效率和土壤肥力的影響，以期探索適宜的生姜化肥減量施肥技術方法，為實現生姜優質高產和科學合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年4－10 月在河北省唐山市開平區唐山市農業科學研究院生姜試驗田進行，地處北緯39°37′，東經118°13′，年平均氣溫12.4 ℃，年平均降水量1086 mm，無霜期190 d。試驗區土壤為砂壤土，有機質含量（w，后同）1.05%，堿解氮含量32.7 mg·kg-1，速效磷含量48.6 mg·kg-1，速效鉀含量129.6 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 材料

供試生姜品種為冀姜5 號，由唐山市農業科學研究院生姜課題組提供。供試生物有機肥為腐熟牛糞、多種礦質元素和枯草芽孢桿菌、膠凍類芽孢桿菌、巨大芽孢菌等微生物原料加工而成，含有機質≥45%，有效活菌數≥2 億·g-1，N、P2O5、K2O 含量分別為2.0%、1.0%、2.0%；供試化肥為三元復合肥，含N 15%、P2O55%、K2O 18%，均由河北灃田寶農業科技有限公司提供。

1.3 試驗設計

采用田間試驗法，共設置5 個處理：CK（不施肥），CF（常規施肥，100%化肥），T1（10%生物有機肥+90%化肥），T2（20%生物有機肥+80%化肥），T3（30%生物有機肥+70%化肥），CF～T3 處理氮磷鉀總養分相同，各處理肥料用量見表1。生物有機肥分別于播種期、小培土期、大培土期按40%、30%和30%比例施入，化肥于同時期分別按20%、30%和50%比例施入。小區面積39.2 m2，隨機區組排列，3次重復。生姜采用小拱棚覆蓋栽培，播種前整地，試驗田均勻撒施商品有機肥（純羊糞發酵，有機質含量≥45%，N+P2O5+K2O≥6%）15 000 kg·hm-2作為基肥，深翻土壤，按行距70 cm 開溝起壟，4 月13 日播種，株距18 cm，每小區種植310 株（7.905×104株·hm-2），10 月20 日收獲，其他田間管理措施一致，均按當地生姜常規栽培模式管理。

表1 各處理肥料配比及施肥量 （kg·hm-2）Table 1 The fertilizer ratio and application amount of each treatment

1.4 項目測定

1.4.1 產量測定 生姜收獲后，每小區隨機選取3個點，每點隨機取10 株，稱量單株根莖鮮質量，按小區測產并折合單位面積產量。

1.4.2 植株氮、磷、鉀含量測定 收獲后每小區隨機取生姜植株3 株，分別稱量根、地上莖、葉、地下根莖的鮮質量，在鼓風烘箱中90 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒質量。干樣稱質量、粉碎、過篩，采用凱氏定氮法、鉬銻抗吸光光度法和火焰原子吸收分光光度法分別測定植株各器官氮、磷、鉀含量[12]。

1.4.3 土壤養分指標測定 于生姜根莖膨大期（9月28 日），每小區隨機選取5 個點，每個點采集生姜根際、兩株中間和兩行間0～30 cm 土壤，混合、風干、過篩，采用重鉻酸鉀容量法[13]測定土壤有機質含量，電導法[13]測定土壤pH，紫外分光光度法[14]測定土壤硝態氮含量，半微量開氏法[15]測定土壤全氮含量，火焰光度計法[16]測定土壤速效鉀含量，鉬銻抗比色法[17]測定土壤有效磷含量。

1.5 肥料利用效率相關參數計算

參照前人的方法，計算公式如下[18-19]：

氮（磷、鉀）積累量/（kg·hm-2）=氮（磷、鉀）養分含量×干物質質量；（1）

肥料表觀利用率/%=（施肥區植株養分積累量－不施肥區植株養分積累量）／純養分施入量×100%；（2）

肥料農學利用率/（kg·kg-1）＝（施肥區作物產量－不施肥區作物產量）／純養分施入量；（3）

肥料偏生產力/（kg·kg-1）＝施肥區作物產量／純養分施入量。（4）

1.6 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 進行數據處理、分析和作圖；采用SPSS 19.0 軟件進行單因素方差分析，采用Duncan 法進行處理間的多重比較。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥部分替代化肥對生姜產量及經濟效益的影響

由表2 可以看出，與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理提高了生姜根莖鮮質量，顯著提高了生姜產量，其中T2 處理生姜產量最高，顯著高于T1 和T3 處理，較CF 增產25.60%。隨著生物有機肥用量的增加，肥料成本隨之增加，但T1、T2、T3 處理的純收益仍高于CF，其中T2 處理純收益最高，較CF 增加22.57%。說明在等量養分投入下，與單施化肥相比，生物有機肥與化肥配施可以提高生姜產量和純收益，20%生物有機肥配施80%化肥產量最高和效益最佳。

表2 不同施肥處理對生姜產量和經濟效益的影響Table 2 Effect of different fertilizer treatment on yield and economic benefit of ginger

2.2 生物有機肥部分替代化肥對生姜干物質積累的影響

由圖1 可知，T2 和T3 處理生姜干物質積累量顯著高于CF，T2 處理地上部、地下根莖和單株干物質量均最高，分別較CF 顯著提高31.23%、19.45%和22.11%；其次為T3 處理，地上部、地下根莖和單株干物質量分別較CF 顯著提高20.65%、15.48%和16.03%，T2 與T3 處理間差異不顯著。T1 處理地上部、地下根莖和單株干物質量也較CF 有所提高，但均與CF 無顯著性差異。說明生物有機肥與化肥配施能夠增加生姜植株生物量，有助于生姜根莖干物質積累，其中20%生物有機肥配施80%化肥處理效果最佳，顯著優于單施化肥處理。

圖1 不同施肥處理對生姜干物質積累的影響Fig.1 Effect of different fertilizer treatment on dry matter accumulation of ginger

2.3 生物有機肥部分替代化肥對生姜各器官氮素積累和分配的影響

由表3 可知，與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理提高了生姜植株氮素積累量，各處理植株氮素積累量由高到低依次為T2＞T3＞T1＞CF＞CK，T2 和T3 處理與CF 差異顯著，T1 處理與CF 差異不顯著。各器官氮素積累量均以T2 處理最高，其根、根莖、地上莖和葉片氮素積累量分別較CF 顯著增加18.78%、35.29%、27.16%和24.30%；T1處理根和根莖氮素積累量較CF 顯著增加14.88%、21.93%；T3 處理根莖氮素積累量較CF 顯著增加33.90%；T1 和T3 處理地上莖、葉片以及T3 處理根氮素積累量與CF 差異不顯著。

表3 不同施肥處理對生姜各器官氮素積累量與分配比例的影響Table 3 Effect of different fertilizer treatment on nitrogen accumulation and distribution ratio in each organ of ginger

與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理降低了氮素向生姜葉片及地上莖的分配，提高了生姜根莖的氮素分配率，T1、T2、T3 處理生姜根莖氮素分配率分別較CF 提高11.97%、4.28%、10.31%，但差異均不顯著。

2.4 生物有機肥部分替代化肥對生姜各器官磷素積累和分配的影響

由表4 可知，與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理顯著提高了生姜植株磷素積累量，各處理植株磷素積累量以T2 處理最高，T1、T2 和T3 處理間差異不顯著。與CF 相比，T1、T2、T3 處理的根、根莖、地上莖和葉片磷素積累量均顯著增加，其中T2 處理分別較CF 顯著增加79.35%、105.39%、115.04%、95.80%，T1 處理分別較CF 顯著增加67.39%、94.23%、77.82%、52.23%，T3 處理分別較CF 顯著增加53.26%、109.62%、83.83%、76.38%。

表4 不同施肥處理對生姜各器官磷素積累量與分配比例的影響Table 4 Effect of different fertilizer treatment on phosphorus accumulation and distribution ratio in each organ of ginger

與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理抑制了磷素向生姜根和葉片的分配，促進了磷素向生姜根莖的分配，T1、T2、T3 處理生姜根莖磷素分配率分別較CF 提高7.07%、0.96%和7.12%，但差異均不顯著。

2.5 生物有機肥部分替代化肥對生姜各器官鉀素積累和分配的影響

由表5 可知，與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理顯著提高了生姜植株鉀素積累量，各處理植株鉀素積累量以T2 處理最高，T1、T2 和T3處理間差異不顯著。與CF 相比，T2 處理的根、根莖和葉片鉀素積累量分別顯著增加32.93%、75.25%和31.68%；T1 處理的根和根莖鉀素積累量分別顯著增加29.40%和62.31%；T3 處理的根、根莖和葉片鉀素積累量分別顯著增加13.82% 、59.09% 和32.99%。T1、T2、T3 處理的地上莖鉀素積累量和T1處理的葉片鉀素積累量也較CF 有所提高，但差異均不顯著。

表5 不同施肥處理對生姜各器官鉀素積累量與分配比例的影響Table 5 Effect of different fertilizer treatment on potassium accumulation and distribution ratio in each organ of ginger

與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥處理抑制了鉀素向生姜根、地上莖和葉片的分配，促進了鉀素向生姜根莖的分配，其中T2 處理生姜根莖鉀素分配率最高，T1 處理次之，T1、T2、T3 處理分別較CF 顯著提高15.01%、15.11%、11.67%。

2.6 生物有機肥部分替代化肥對肥料利用效率的影響

由表6 可以看出，T1、T2、T3 處理的氮肥農學效率、偏生產力以及磷肥表觀利用率、農學效率均較CF 顯著提高，其中T2 處理表現最好，其氮肥農學效率、偏生產力以及磷肥表觀利用率、農學效率分別較CF 顯著提高64.67%、25.26%、173.93%和49.55%。與CF 相比，T1、T2、T3 處理的氮肥表觀利用率分別提高12.92%、43.25%、30.87%，T2、T3 處理與CF 差異顯著，T1 處理與CF 差異不顯著；T1、T2、T3 處理磷肥偏生產力分別提高6.92%、13.77%、0.26%，T1、T2 處理與CF 差異顯著，T3 處理與CF 差異不顯著。與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥后鉀肥表觀利用率、農學效率和偏生產力均顯著提高，其中T2 處理最高，分別較CF 顯著提高75.74%、70.40%、29.63%。說明生物有機肥部分替代化肥能夠提高肥料利用效率，促進生姜根莖對氮、磷、鉀肥的吸收和利用，其中T2 處理氮、磷、鉀肥料利用率最高，效果優于T1、T3處理。

表6 不同施肥處理對肥料利用效率的影響Table 6 Effect of different fertilizer treatment on fertilizer application rate

2.7 生物有機肥部分替代化肥對土壤肥力的影響

由表7 可知，與單施化肥相比，生物有機肥與化肥配施后土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量均有不同程度地提高。有機質含量以T3處理最高，較CF 顯著增加9.29%，T1、T2 處理有機質含量分別較CF 增加1.24%、4.76%，但差異均不顯著。各處理土壤全氮、有效磷、速效鉀含量均表現為T2＞T3＞T1＞CF＞CK，T2 處理土壤有效磷和速效鉀含量分別較CF 顯著提高31.84%和20.87%，全氮含量較CF 提高8.51%，但差異不顯著。隨著生物有機肥的增加，土壤硝態氮含量呈下降趨勢，T1、T2、T3 處理硝態氮含量分別較CF顯著降低11.62%、16.19%、19.05%，T1、T2、T3 處理間差異不顯著。生物有機肥部分替代化肥處理對土壤pH 無顯著影響。

表7 不同施肥處理下生姜成熟期表層土壤肥力指標Table 7 The fertility index of topsoil of different fertilizer treatment at ginger maturity stage

3 討論與結論

有機無機肥料配施是作物優質、增產的有效途徑[10]。本研究結果表明，增施生物有機肥替代部分化肥能夠顯著提高生姜產量，增加生姜生產效益，其中20%生物有機肥配施80%化肥產量最高，但隨生物有機肥替代比例的增加，生物有機肥對生姜增產效果減弱。李杰等[20]研究表明，80%常規施肥配施生物肥顯著增加了花椰菜單球質量，當生物肥替代比例達到40%，花椰菜的單球質量顯著降低，說明生物有機肥對產量的促進作用與施用量密切相關，生產中應針對不同作物需肥特點，合理配比生物有機肥和化肥用量，以達到最佳增產效果。

養分在植物體內吸收、積累和分配比例，以及生育后期莖葉等營養器官向生殖器官的轉運效率是決定作物產量和品質的重要因素[9]。筆者研究發現，隨著化肥用量的減少，生姜體內氮、磷、鉀養分含量先升高后降低，當生物有機肥替代20%化肥時植株氮磷鉀素積累量最高，這與王赫等[21]和張迎春等［22]的研究結果相似；可能是化肥減量30%與生物有機肥的協同效應降低，對作物生長發育的促進作用減弱，導致土壤養分供應不足，不利于作物養分大量積累［23］。不同施肥模式對氮、磷、鉀的分配有較大的影響。張國顯等[24]研究發現，75%化肥配施25%有機物料促進了盛果期番茄莖、葉中的氮素向果實轉移和分配。柳開樓等[25]研究表明，長期有機無機肥配施可以顯著降低水稻根茬氮、鉀養分占總植株的比例，從而使較多的養分向籽粒供應。筆者同樣發現，生物有機肥部分替代化肥促進了氮、磷、鉀素向根莖中的積累和分配。生姜生育后期對鉀的需求量增多，鉀素營養對促進生姜增產起到了重要作用，生物有機肥部分替代化肥提高了生姜植株氮、磷、鉀累積量，同時促進了鉀素向根莖中的吸收、轉移，為生姜增產奠定了基礎。

肥料表觀利用率、農學效率和偏生產力是肥料利用效率的重要評價指標［26］。本試驗結果表明，生物有機肥與化肥配施提高了氮磷鉀肥的表觀利用率、農學效率和偏生產力，其中20%生物有機肥配施80%化肥處理肥料利用效率最高，顯著高于單施化肥處理。當前我國農民主要依靠施用化肥來提高土壤肥力，有機肥料投入嚴重不足，導致施肥不平衡，肥料利用率下降。生物有機肥含有豐富的促生菌、生理活性物質和多種中微量元素，能補充作物所需各種養分，增強根際微生物和土壤酶活性，活化土壤養分，促進植株對養分的吸收和利用，從而提高作物產量，相應提高了肥料利用效率[27]。

前人研究表明，施用生物有機肥能增加土壤中的有機質含量，改善土壤理化性質，提高土壤養分供給能力，降低土壤硝態氮殘留量[28]。筆者研究發現，生物有機肥替代部分化肥后提高了土壤全氮含量，顯著降低了硝態氮含量。生物有機肥和化肥配施能夠調控土壤氮素的釋放，激發土壤供氮潛力，減少硝態氮向深層土壤的積聚，保證有機和無機養分協調平衡供應[29]。土壤速效養分反映了土壤養分的現實狀況，閆鵬科等[30]研究發現，施用生物有機肥可以顯著提高枸杞土壤有機質和堿解氮、有效磷、速效鉀養分含量。筆者的研究得到了相似結論，生物有機肥替代10%～30%化肥能夠提高土壤有效磷、速效鉀含量，其中20%生物有機肥配施80%化肥處理的有效磷和速效鉀含量最高，顯著高于單施化肥處理。筆者還發現，生物有機肥部分替代化肥后生姜土壤pH 值有所降低，但與對照差異不顯著，說明短期內施用生物有機肥對土壤pH 影響不大。

綜上所述，在等量養分投入下，生物有機肥替代10%～30%化肥能夠提高生姜對氮磷鉀養分的吸收利用率，促進氮磷鉀素向生姜根莖的積累和分配，提高肥料利用效率，提升土壤肥力，有助于生姜增產增收，其中20%生物有機肥+80%化肥（4560 kg·hm-2生物有機肥配施+2400 kg·hm-2化肥）處理效果最好，是適宜生姜生產的良好施肥模式。