生物有機肥替代化肥對櫻桃番茄產量、品質及土壤理化性質的影響

蔣 強，劉子凡，王燕武，楊謹瑛，廖道龍，鐘 勇，曹元鑫，黃慧俐

（1.百色市現代農業技術研究推廣中心 廣西百色 533612； 2.海南大學熱帶作物學院 海口 570228；3.海南省農業科學院蔬菜研究所 海口 571100）

百色市右江河谷地區是廣西番茄的主要種植區，番茄生產是當地農民經濟收入的主要來源。櫻桃番茄（Lycopersicon esculentumvar.cerasiforme）是廣西“南菜北運”的主要蔬菜之一，在生長過程中需肥量大，為了獲得高額的經濟效益，農民普遍盲目增加化肥用量，導致土壤養分的內在平衡遭到破壞，土壤肥力衰退，并造成環境污染[1]，嚴重影響番茄產業的健康發展。生物有機肥兼具傳統有機肥和功能微生物的雙重作用，所含的大量有機質可為土壤微生物提供充足能源，施用后有利于土壤微生物生長和繁殖，促進微生物介導的土壤中難溶性養分轉化[2]，生物有機肥替代化肥可改良土壤環境[3]，保障農業的可持續發展[4]。但是，在櫻桃番茄生產中如何降低化肥用量、提高肥料利用率，尚無明確的依據。因此，探究生物有機肥替代化肥對櫻桃番茄產量、品質和土壤理化性質的影響，對我國蔬菜化肥減量與提質增效技術的實施具有重要意義。有機肥部分替代氮肥可提高番茄葉片的相對葉綠素含量和氮素含量，促進番茄生長[5]，增加土壤有益微生物數量、酶活性及改善團粒結構[6]，提高番茄產量和品質[7-8]。有機肥替代化肥的比例并非越高越好，適宜比例的有機肥替代有利于氮、磷、鉀元素的礦化釋放，有利于植物吸收利用土壤養分[9]，不當比例的替代會造成土壤脲酶活性和供氮能力降低，從而造成作物減產[10]。趙躍等[10]研究發現，生物有機肥部分替代化肥相對常規施肥雖能減弱番茄前期長勢，但對番茄全生育期生長無明顯影響；土壤的速效氮、磷、鉀含量雖有所降低，但土壤pH 和電導率顯著提高，有利于番茄果實品質改善[11]。溫延臣等[12]研究認為，在等量養分投入條件下進行有機肥替代化肥，作物產量與單施化肥無明顯差異，但土壤有機碳和全氮含量顯著提高。有機肥替代化肥的施肥措施，能減少在同等養分投入條件下化肥施用造成的土壤污染[13]。適宜比例的有機肥替代化肥對作物有穩產、增產和提質的作用[14-15]，但有機肥替代化肥比例過高，則會造成作物減產[16]。王西亞等[17]研究發現，低比例有機肥替代化肥對馬鈴薯產量沒有影響，而高比例替代會降低馬鈴薯產量。研究表明，有機肥替代化肥的比例在20%或30%時，番茄產量可顯著提升[18-19]。以作物產量來確定替代比例毋庸置疑，但是實際生產中還需考慮產品的品質和高產的可持續性。土壤肥力是保障作物高產穩產的前提，因此，在保證作物產量的基礎上，研究提升產品品質和土壤肥力的最佳有機肥替代比例就顯得尤為重要。孫加亮等[20]研究發現，有機肥替代化肥的比例在20%時，促進水稻生長和養分吸收、提高土壤質量的作用最好。目前，有關有機肥替代等量氮、磷、鉀養分對番茄產量、品質及土壤肥力等方面影響的研究鮮見報道。筆者以櫻桃番茄為研究對象，在氮、磷、鉀養分等量的前提下，設置18%和36% 2 種生物有機肥替代化肥比例，以常規施肥和不施肥為對照，分析其對產量、品質和土壤肥力的影響，以期篩選出一種既可保障番茄產量又能提升品質和維持或改善土壤肥力的最佳生物有機肥替代比例，為我國蔬菜化肥減量與提質增效技術實施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年8 月至2021 年7 月在廣西百色市現代農業技術研究推廣中心（簡稱：研究推廣中心）試驗基地進行，屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫23 ℃，全年日照1 906.6 h，年均降水量1 114.9 mm。試驗地土壤基本性質：pH 6.20，有機質含量（w，后同）10.40 g·kg-1，全氮含量0.72 g·kg-1，全磷含量0.59 g ·kg-1，全鉀含量3.96 g·kg-1，堿解氮含量57.26 mg·kg-1，速效磷含量36.92 mg·kg-1，速效鉀含量165.84 mg·kg-1。

1.2 材料

供試番茄品種為樂粉3 號，屬粉紅色櫻桃番茄品種，種子購自廣西百色市田陽區當地市場，所種植嫁接苗由廣西田陽忠信農業科技有限公司培育。尿素（N 含量≥46.0%，中海石油化學股份有限公司）、稀土磷肥（P2O5含量≥18.0%，湖南百田新型肥料化工有限公司）、氯化鉀（K2O 含量≥60.0%，中化化肥有限公司）和生物有機肥（有益活菌數≥0.2 億個·g-1，有機質含量≥45%，氨基酸含量≥10%，腐殖酸含量≥10%，氮含量1.8%，磷含量1.4%，鉀含量1.8%，湖南百田新型肥料化工有限公司），均購自廣西百色市田陽區當地市場。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 共設4 個處理，分別為不施肥（NF）、常規施肥（CF，全部施用化肥）、有機替代率為氮18.0%、磷19.3%、鉀15.1%（18%BF）和有機替代率為氮36.0%、磷38.6%、鉀30.2%（36%BF），CF處理的施肥量由研究推廣中心番茄栽培課題組長期調研獲得，18%BF 和36%BF 處理設置是依據課題組前期預試驗研究結果，除NF 處理外，其余各處理施氮、磷、鉀量一致（表1）。各處理均設4 次重復，小區隨機區組排列，每小區間設寬0.6 m 隔離帶，防止串水串肥。

表1 生物有機肥部分替代化肥各處理的養分投入量Table 1 The nutrient input of each treatment of bio-organic fertilizer partially replaced chemical fertilizer（kg·hm-2）

2020 年10 月21 日種植櫻桃番茄種苗，種植方式與當地習慣保持一致，為大壟雙行，壟寬100 cm，壟上種植2 行，行距為80 cm，壟間行距為130 cm，株距為25 cm。各施肥處理分別扣除生物有機肥氮、磷和鉀含量后用相應的化肥補足。基肥一次性施入全部的有機肥、磷肥及30%氮肥和鉀肥，起壟后挖溝條施；追肥分別在2020 年11 月12 日、2020年12 月8 日和2021 年1 月19 日進行，氮肥和鉀肥的施用量按總量的20%、30%、20%計算，肥料均為溶水后澆施，如果基肥中含氮或鉀超過基肥應施氮、鉀的30%時，則在第一次的氮、鉀追肥量中減去基肥中超出施用量的氮或鉀30%。其他管理按生產上常規進行。

1.3.2 土壤樣品采集 以五點采樣法采集土壤樣品，分別在結果初期（2021 年1 月5 日）、結果盛期（2021 年2 月25 日）和結果末期（2021 年3 月26日）于壟上2 株番茄正中位置采集0～20 cm 耕層土壤，自然風干后，剔除雜物，過篩后用于土壤養分的測定。同時，每個處理選取3 株番茄，挖出，去除根系附近較大的土壤團塊，小心抖動并收集黏附在根表面的土壤，用于土壤酶活性測定。

1.3.3 測定指標及方法 產量測定：果實成熟后開始采摘，分小區分批次記錄，稱質量獲得各小區產量。

品質測定：于番茄結果盛期，每小區采取成熟度基本一致且無病蟲害的番茄2 穗果約500 g，帶回實驗室。果實維生素C 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[21]，可溶性糖含量采用硫酸-蒽酮比色法測定[22]，可滴定酸含量采用NaOH 滴定法測定[23]，硝酸鹽含量采用紫外分光光度法測定[24]，糖酸比=可溶性糖含量/可滴定酸含量。

土壤理化性質測定：參考鮑士旦[25]的方法，土壤容重采用環刀法測定，pH 采用電極法測定（水土質量比為1∶2.5）；有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度計法測定。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；酸性磷酸酶活性采用試劑盒法測定；蔗糖酶活性采用硝基水楊酸法測定。

1.4 統計分析

采用Excel 2010 進行數據整理；采用DPS 9.01進行相關性分析和主成分分析；采用Duncan’s 新復極差法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥替代化肥對番茄產量與品質的影響

由表2 可知，CF、18%BF 和36%BF 處理的產量和維生素C 含量均顯著高于NF 處理，但三者之間無顯著差異；CF 與36%BF 和18%BF 處理的糖酸比均無顯著差異，但三者均顯著高于NF 處理，且36%BF 和18%BF 處理之間差異顯著；NF、CF 和18%BF 處理間的硝酸鹽含量無顯著差異，但三者均顯著高于36%BF 處理。說明與單施化肥相比，生物有機肥部分替代化肥對番茄產量無負面影響，而其中有機肥替代化肥氮36.0%、磷38.6%、鉀30.2%能降低果實硝酸鹽含量，提升果實品質。

表2 不同處理對番茄產量與品質的影響Table 2 Effect of different treatments on yield and quality of tomato

2.2 生物有機肥替代化肥對土壤理化性質的影響

由表3 可知，不同處理間的容重和pH 均無顯著差異；有機肥替代處理的有機質和速效磷含量均顯著高于NF 處理，而NF 和CF 處理之間及CF、18%BF 和36%BF 之間均無顯著差異；36%BF 和CF 處理的堿解氮含量顯著大于NF 處理，而18%BF 和NF 處理間及18%BF、CF 和36%BF 處理之間均無顯著差異；36%BF 和CF 處理的速效鉀含量顯著高于NF 處理，而18%BF 與NF 和CF 處理的速效鉀含量均無顯著差異。除土壤容重的變異系數小于5.00%及pH 的變異系數接近5.00%外，有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量的變異系數均明顯大于5.00%，說明不同處理對土壤理化性質的影響存在差異。

表3 有機肥部分替代化肥對土壤理化性質的影響Table 3 Effect of bio-organic fertilizer partially replaced chemical fertilizer on physical and chemical properties of soil

2.3 生物有機肥替代化肥對土壤酶活性的影響

由表4 可知，脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性的變異系數均大于10.00%，其中蔗糖酶活性的變異系數最大，為31.75%，而過氧化氫酶活性的變異系數最小，僅為9.03%；36%BF 處理的脲酶活性顯著高于CF 處理，而36%BF、18%BF 和NF 處理間及NF、CF 和18%BF 處理間的脲酶活性均無顯著差異；36%BF 處理的酸性磷酸酶活性顯著高于NF 和CF 處理，而NF、CF 和18%BF 處理間及18%BF 與36%BF 處理間的酸性磷酸酶活性均無顯著差異；18%BF 和36%BF 處理的蔗糖酶活性均顯著高于NF 和CF 處理，36%BF 處理的蔗糖酶活性顯著高于18%BF 處理，而NF 和CF 處理間的蔗糖酶活性無顯著差異；有機肥部分替代化肥對土壤中過氧化氫酶活性的影響不一致。由此可見，生物有機肥部分替代化肥可提高土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性，促進土壤有機質轉化。

表4 有機肥部分替代化肥對土壤酶活性的影響Table 4 Effect of bio-organic fertilizer partially replaced chemical fertilizer on enzymatic activity of soil

2.4 土壤肥力指標的相關性分析

選取變異系數遠大于5.00%的有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量及4 個土壤酶活性指標進行相關性分析。由表5 可知，有機質含量與堿解氮和速效磷含量呈極顯著正相關；堿解氮含量與速效磷含量呈極顯著正相關，與速效鉀含量呈顯著正相關；速效磷含量與速效鉀含量呈極顯著正相關，與蔗糖酶活性呈顯著正相關；速效鉀含量與酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈顯著正相關；脲酶活性與蔗糖酶活性呈顯著正相關；酸性磷酸酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關。說明各肥力指標在土壤物質代謝與能量轉化過程中密切相關，也說明各數據反映的信息存在一定程度的重疊，若直接用這些數據評價土壤綜合肥力，必然會影響評價結果的客觀性。

表5 土壤主要指標的相關性分析Table 5 Correlation analysis of soil main indexes

2.5 土壤肥力的綜合評價

選取變異系數大于5.00%的8 個指標進行標準化后再進行主成分分析（PCA），提煉出影響土壤綜合肥力的主要因子群進行土壤肥力綜合評價。由表6 可知，前3 個主成分的累計方差貢獻率為89.380%，說明前3 個主成分已基本能反映原始數據的信息量，其中，第一主成分（PC1）的方差貢獻率達54.490%，占主導地位，第二主成分（PC2）的方差貢獻率為22.650%，第三主成分（PC3）的方差貢獻率為12.230%。

以3 個主成分對應特征值的方差貢獻率建立主成分綜合模型F=0.255X1+0.130X2+0.260X3+0.172X4+0.339X5+0.202X6+0.225X7+0.263X8。該綜合模型8 個指標的權重系數均為正數，說明為正效應，平均值為0.231，大于平均值的指標依次為脲酶活性、蔗糖酶活性、速效磷含量和有機質含量（表6）。

根據主成分分析原理，綜合得分值F=（54.49×F1+22.65×F2+12.23×F3）/89.38。由表7 可知，4 個處理土壤的綜合肥力排名為36%BF＞18%BF＞CF＞NF。可見，不施肥和常規施肥會使土壤肥力退化，而有機肥替代化肥氮18.0%、磷19.3%、鉀15.1%和有機肥替代化肥氮36.0%、磷38.6%、鉀30.2%均可使土壤肥力得到改善。

表7 土壤綜合肥力評價Table 7 Comprehensive fertility evaluation of soil

3 討論與結論

筆者的研究結果表明，18%BF 和36%BF 處理與常規施肥CF 相比，番茄產量無顯著差異，有機肥對番茄產量的提升效果取決于土壤地力水平[26]，可能與生物有機肥替代后土壤速效養分含量未增加有關，但36%BF 處理能顯著降低果實的硝酸鹽含量，說明生物有機肥替代量必須達到一定程度方能顯著降低硝酸鹽含量，提升果實品質，這一點與殷琳毅等[27]在薺菜上的研究結果基本一致。

化肥富含速效養分，能迅速提高土壤速效養分含量，但易淋溶[28]；有機肥為緩效肥，可持續提高土壤速效養分含量[29]。說明化肥與有機肥的作用存在差異，二者配合施用能產生一定的互作效應，使得土壤養分相互協調，但只有合適的比例，才能一方面有效富集化肥中的速效養分，另一方面又能由有機肥緩慢腐解釋放養分，滿足作物生長發育需要的養分供給[29]。前人研究發現，有機肥與化肥配施能提高土壤pH[30]，提升土壤酸堿緩沖量[31]。筆者在研究中發現，相對常規施肥，有機肥替代部分化肥對土壤pH 無顯著影響，可能與外來有機質進入土壤后分解較多的有機酸有關[32]；對土壤有機質含量也無明顯影響，原因主要是試驗地有機質含量豐富，外來有機物料施入土壤后引起正激發效應，促進土壤原來的有機質礦化和更新[33]；但與不施肥處理相比，有機肥替代部分化肥處理會使土壤有機質含量明顯提升。

生物有機肥中雖含有一定量的速效養分，但筆者研究中的有機肥是等量替代化肥氮、磷、鉀，因此在一定程度上不會因有機肥的直接施用而增加土壤速效養分含量。有機肥替代化肥相對于常規施肥CF 未能提高土壤堿解氮含量，原因可能是生物有機肥雖然對土壤養分轉化有一定促進作用，但是有機肥施入土壤帶來的大量新鮮有機質利于土壤微生物活動，土壤微生物活性增強可能吸取了有機肥中的養分，造成養分損失，從而導致土壤速效養分下降[34]；外來有機物料進入土壤使得微生物大量繁殖[35-36]，繼而爭搶氮素。施加的有機肥分解會產生有機酸，對土壤磷具有明顯的“活化”作用，有機肥對磷也有明顯的固持作用，因此，有機肥替代化肥可促使土壤中速效磷含量提高[37]，但提升效果不明顯，與前人研究結果不一致[38]，可能與有機肥對土壤養分的響應存在地區差異有關[39]；有機肥替代18%化肥處理未能增加土壤速效鉀含量，替代36%化肥處理可顯著提高速效鉀含量，主要是由于有機肥施用量達到一定程度后土壤陽離子交換量得到明顯提高，繼而減少鉀素固定量[32]。

土壤酶是土壤的重要組成部分，在一定程度上可反映土壤肥力狀況。土壤脲酶活性可表征微生物代謝氮素的能力，反映土壤微生物活力[40]，其中，蔗糖酶活性與土壤有機質含量緊密相關，能表征土壤肥力狀況。生物有機肥含有功能微生物和大量有機質，其中所含的微生物能分泌一定數量的酶，為土壤微生物提供充足的營養物質，促進其繁殖，進而增強土壤酶活性。有機肥配施比例越大，土壤酶活性越高[41]。筆者的研究中，有機肥替代部分化肥與常規施肥CF 處理的土壤脲酶活性相對不施肥處理未明顯提高，主要原因是施用尿素后，底物的存在一定程度上抑制了脲酶活性[3]；有機肥替代36%化肥處理相對不施肥和常規施肥處理，土壤酸性磷酸酶活性顯著提高，這與施用有機肥促進作物根系代謝，使根系分泌物增多，微生物繁殖速率加快，繼而有利于土壤酸性磷酸酶活性的提升有關[42]。主成分分析結果表明，生物有機肥替代化肥對土壤綜合肥力影響的主要因子為脲酶活性、蔗糖酶活性、速效磷含量和有機質含量，與李司童等[28]的研究結果存在差異，可能與筆者施用的有機肥種類不同有關。此外，從主成分分析的綜合得分來看，生物有機肥替代化肥能提高土壤肥力，其中36%BF處理的綜合得分最高，說明該處理能明顯提升番茄地的土壤肥力，保障番茄產業的健康可持續發展。

綜上所述，采用生物有機肥替代化肥中的36.0%氮、38.6%磷和30.2%鉀，能在保障櫻桃番茄產量的前提下改善果實品質，提高土壤肥力，可作為適合櫻桃番茄生產的化肥減施模式在生產中推廣應用。