有機種植條件下水肥管理對番茄品質(zhì)和土壤硝態(tài)氮累積的影響

唐 政,李虎,邱建軍*,王立剛,鄒國元

(1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;2賀州學(xué)院,廣西賀州542800;3北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所,北京100097)

近年來,我國有機農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,到2008年,全國經(jīng)認證的有機種植耕地和有機牧場面積達233.8萬公頃,已成為亞洲最大的有機食品生產(chǎn)基地[1]。在解決食物總量的同時,如何提高蔬菜等重要食物的品質(zhì)及保證其安全已經(jīng)成為全社會關(guān)注的熱點問題。蔬菜品質(zhì)性狀不僅與其遺傳特性有關(guān),同時還在很大程度上受管理措施、栽培環(huán)境等的影響,其中以灌溉、施肥對蔬菜品質(zhì)的影響尤為顯著[2]。雖然在有機種植模式中,對有機肥施用量及其有害物質(zhì)的含量要求都非常嚴格,但由于各地種植條件、土壤肥力上的差異,對其投入量還沒有形成明確的、統(tǒng)一的規(guī)定[2]。而且,有機蔬菜的價格一般為其他同類產(chǎn)品的數(shù)倍,在高收益的刺激下,過量施肥、灌水現(xiàn)象普遍存在,這種管理措施在北京城郊的有機種植中尤其明顯[4]。盡管人們已經(jīng)認識到過量施肥、灌溉會降低菜田土壤水肥利用效率、對蔬菜品質(zhì)帶來不良影響以及環(huán)境污染等問題[5-6],對有機肥安全施用也進行了大量的研究,但多集中在常規(guī)種植條件下有機肥的無害化處理、高效利用與環(huán)境污染風(fēng)險評估等方面[7-9],對有機種植條件下有機肥對蔬菜品質(zhì)的影響、水肥調(diào)控以及環(huán)境影響等方面的相關(guān)報道卻相對較少。因此,本研究以北京郊區(qū)有機種植條件下的番茄為例,研究了不同有機肥施用量與不同灌溉量組合管理措施對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量以及土壤硝態(tài)氮累積的影響,以探求有機蔬菜種植合理的水肥管理措施,在確保產(chǎn)量的前提下,提高蔬菜品質(zhì)并且降低土壤氮素殘留,為有機蔬菜的科學(xué)種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2008年3月至7月在北京大興區(qū)某生態(tài)農(nóng)場試驗基地進行。該試驗地土壤為潮土,耕作層(0—20 cm)土壤有機質(zhì)含量為23.2 g/kg、pH值為7.68、全氮 1.4 g/kg、有效磷 60.16 mg/kg、速效鉀132.68 mg/kg、硝態(tài)氮 18.13 mg/kg、銨態(tài)氮 3.23 mg/kg。

試驗采用裂區(qū)設(shè)計,以灌溉量為主處理:設(shè)常規(guī)灌溉(H),為農(nóng)場的習(xí)慣灌溉量,即總灌溉量1200 mm;減量灌溉(L),灌溉總量為700 mm,比農(nóng)場常規(guī)灌溉量少42%。在整個試驗期分7次灌溉,均為大水畦間灌溉。以施肥量為副處理:設(shè)不施肥對照(CK);減半施肥(N1),即農(nóng)場習(xí)慣施肥量的一半,為35 t/hm2(合干基14 t/hm2,OFDC要求有機肥不超過15 t/hm2[10]);常規(guī)施肥(N2),即農(nóng)場習(xí)慣施肥量,為70 t/hm2。小區(qū)面積6 m×5 m。每個處理3次重復(fù)。供試番茄品種為中農(nóng)101。灌溉用水為深層地下水,水中硝態(tài)氮含量2.96 mg/L,銨態(tài)氮含量0.26 mg/L,磷、鉀、鉻、鎘含量未檢出。供試肥料是由雞糞、豬糞、秸稈等經(jīng)過堆肥處理的精制商品有機肥,其含水量為 40%,N、P2O5、K2O含量分別為1.71%、1.99%、0.45%,有機質(zhì)含量30.6%。供試土壤與肥料中重金屬含量如表1所示,均達到了相應(yīng)的有機種植對土壤環(huán)境和有機肥的要求。

表1 供試土壤與肥料中重金屬含量(mg/kg)Table 1 Heavy metal contents in the experimental soil and organic fertilizer

1.2 測定項目與方法

每次采摘時,記錄每小區(qū)每次采摘的番茄重量,最后累積測產(chǎn)。每小區(qū)隨機抽取50個番茄,用游標(biāo)卡尺測量番茄的縱徑、直徑,并用天平稱量其重量。中期穗果采摘時,每小區(qū)隨機采摘500～1000 g鮮樣,用于實驗室測定品質(zhì)。可溶性蛋白用考馬斯亮藍法測定;還原型Vc用2,6-二氯靛酚法;可溶性糖用蒽酮法;可溶性固形物用阿貝折光儀法測定;可滴定酸度含量采用標(biāo)準(zhǔn)滴定法;硝酸鹽含量用紫外分光光度法;番茄紅素用高效液相色譜法;果實中重金屬含量采用石墨爐原子吸收法。

在試驗前和收獲后的2 d內(nèi),于0—20、20—40、40—60、60—90、90—120、120—150、150—180、180—200 cm共8個層次用5點取樣法采取土樣,每個小區(qū)同層的土壤充分混合均勻。過2 mm篩后,用2 mol/L的KCl溶液浸提,過濾后用Flastar 5000 Analyzer型連續(xù)流動分析儀測定硝態(tài)氮含量。

試驗數(shù)據(jù)用SPSS統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對感觀品質(zhì)及產(chǎn)量的影響

施用有機肥對番茄產(chǎn)量有明顯的增產(chǎn)效果,但各施肥處理間未達顯著差異水平(表2)。在相同的灌溉條件下,施肥量減半的處理(N1)都低于常規(guī)施肥處理(N2)。在相同的施肥條件下,常規(guī)灌溉處理(H)的產(chǎn)量較高,而且隨施肥量的增加,兩者之間的差別也從1.25 t/hm2增至5.2 t/hm2。

表2 不同水肥配置下番茄的外觀品質(zhì)與產(chǎn)量Table 2 Effects of different treatments on the yield and surface quality of tomato

表2表明,施用有機肥明顯提高了果實的重量,但施肥的各處理間相差不大;單果大小也呈現(xiàn)類似結(jié)果;其中HN1番茄單果的直徑和重量最大。說明在習(xí)慣施肥的基礎(chǔ)上施肥量減半不會明顯降低番茄的產(chǎn)量,也不會降低單果的大小與重量。

2.2 對營養(yǎng)品質(zhì)的影響

表3顯示,番茄紅素含量表現(xiàn)為:LN1＞HN1＞LN2＞HN2＞LCK ＞HCK的趨勢,且與施肥量有密切關(guān)系。N1各處理與N2各處理之間差異顯著,同一施肥條件下,兩種灌溉處理間的差異不顯著。說明施肥量對番茄紅素的含量有重要影響,適當(dāng)施肥可以有效提高番茄紅素含量,而過量施肥則會降低。Vc含量呈現(xiàn)減量施肥高于常規(guī)施肥處理,低量灌溉高于常規(guī)灌溉處理的趨勢。不同處理的可溶性固形物含量的變化不大,在4%～4.7%之間。在減量灌溉條件下,3種施肥處理間的可溶性蛋白含量差異顯著;而在常規(guī)灌溉處理下,N2高于N1和CK,且有顯著差異,但N1與CK差別不大。說明增加有機肥的施用量對增加可溶性蛋白含量有積極的作用。

從番茄的糖酸比值看,糖酸比值最大的為HN1處理,達8.2,其次是 LN1,為 8.1;LN2與HN2處理的糖酸比最低,分別為6.65和6.55。在相同的灌溉條件下,CK、N1、N2處理間番茄糖酸比存在顯著性差異;而在相同的施肥條件下,減量灌溉處理的糖酸比稍低于常規(guī)灌溉處理。可見,適量有機肥可以提高番茄果實的糖酸比,過量施肥則降低了番茄果實的糖酸比;施肥量不同可以顯著影響番茄糖酸比值。糖酸比相差 1%的果實,其食味就有顯著差異[11]。依照這個標(biāo)準(zhǔn),也可以推斷,常規(guī)施肥處理下的番茄風(fēng)味和口感明顯不同于減半施肥量處理。

表3 不同水肥配置下番茄的營養(yǎng)品質(zhì)Table 3 Effects of different treatments on the nurture components of tomato

2.3 對衛(wèi)生品質(zhì)的影響

蔬菜的衛(wèi)生品質(zhì)主要包括硝酸鹽累積、重金屬含量等主要指標(biāo)。如表4所示,從硝酸鹽含量上看,除了HN1處理外,其他處理均已超過了國家限量指標(biāo)(GB19338-2003)。這說明,在常規(guī)灌溉條件下,減半有機肥投入量可以抑制番茄中硝酸鹽的累積。從重金屬的累積上看,各處理的鎘、鋅含量都超標(biāo),而且常規(guī)灌溉下各處理大于減量灌溉下相應(yīng)的各處理。結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn),有機肥與土壤中的鋅、鎘、鉻含量較高,可能是造成超標(biāo)的一個重要因素。常規(guī)施肥處理還導(dǎo)致鉻含量超標(biāo),而且呈現(xiàn)LN2＞HN2的結(jié)果,說明在有機肥大量投入下降低灌溉量有促進番茄中鉻累積的風(fēng)險。

表4 不同水肥配置下番茄的衛(wèi)生品質(zhì)Table 4 Effects of different treatments on the food sanitation of tomato

2.4 番茄收獲后0—200 cm土壤中NO-3-N含量的變化

番茄收獲后,在表層0—20 cm的土層中,HN2、LN2處理的NO-3-N濃度迅速增加(圖1),分別為58.06和40.43 mg/kg,是試驗前的3.2倍和2.23倍;HN1與LN1處理分別為21.34和26.41 mg/kg,與試驗前差異不明顯。說明在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的常規(guī)施肥條件下,在土壤表層0—20 cm處有NO-3-N大量累積;累積量不僅與施肥量呈正相關(guān),也隨灌溉量的增加而增大,降低灌溉量在一定程度上也能減少NO-3-N的累積。在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上減半施肥量,對降低土壤中硝態(tài)氮的累積有良好效果。隨著施肥量的減少,減量灌溉對土層中NO-3-N濃度的影響也相應(yīng)降低,HN1與LN1、HCK與LCK處理之間的差異分別為5.07和0.92 mg/kg,遠遠小于HN2與LN2處理之間的差異17.53 mg/kg。

在20 cm以下的各土層中,各處理間的NO-3-N濃度與試驗前差別不大,這與試驗時間不夠長,施肥灌溉還不足以影響地下層次硝態(tài)氮濃度有關(guān)。但在持續(xù)種植條件下,表層累積的大量NO-3-N為向下淋洗提供了必要條件,成為潛在的污染源。減半施肥量處理與試驗前土壤表層中NO-3-N濃度大致保持在相同水平,可以減少持續(xù)種植下的氮素淋洗風(fēng)險?？梢?在當(dāng)前的常規(guī)施肥條件下,有機肥施用量減半是比較合適的。

圖1 試驗前后土壤0—200 cm硝態(tài)氮含量變化Fig.1 Dynamics of NO-3-N accumulation in 0-200 cm soil profile under different treatments

3 討論

在有機種植中能否保持高產(chǎn)量是種植者最關(guān)心的問題。謝永利[3]連續(xù)4年的試驗結(jié)果表明,有機種植模式與常規(guī)種植模式下,番茄平均產(chǎn)量分別為88.41和81.2 t/hm2,兩者無顯著差異,而且有機種植模式下產(chǎn)量穩(wěn)定。劉宏斌等[12]對北京郊區(qū)露地栽培大白菜的研究表明,在施用有機肥N 120 kg/hm2的基礎(chǔ)上施用化肥的增產(chǎn)效果不明顯,反而對土壤中NO-3-N的累積效果顯著。本研究結(jié)果表明,與農(nóng)民習(xí)慣施肥量相比,施肥量減半處理(35 t/hm2)番茄產(chǎn)量并沒有明顯降低;同時減少常規(guī)灌溉量(華北地區(qū)蔬菜種植的一般灌溉量[13])的42%,在同等施肥條件下仍然對番茄產(chǎn)量、品質(zhì)無顯著影響。這說明當(dāng)?shù)赜袡C種植中常規(guī)管理措施下的有機肥施用量和灌溉水量均過量。水肥的過量投入不但沒有明顯提高產(chǎn)量,反而對環(huán)境安全帶來了一系列不良影響。本試驗表明,常規(guī)施肥處理比減量施肥處理土壤中硝態(tài)氮的累積量明顯增加,易造成氮素的淋溶損失,對水體造成潛在的污染風(fēng)險。另外,減量施肥也能給種植者帶來明顯經(jīng)濟效益。依據(jù)2008年北京郊區(qū)番茄的市場收購價格1 yuan/kg,精制有機肥的價格300 yuan/t計算,減量和常規(guī)施肥處理獲得的利潤分別為96430和96230 yuan/hm2,施肥量減半處理下不僅肥料成本節(jié)約了10500 yuan/hm2,還增加了200 yuan/hm2的利潤。

蔬菜品質(zhì)的評價和相互比較向來是復(fù)雜而充滿爭議,即使是同一品種,也會因種植方式的不同而存在較大差異。如在有機種植和常規(guī)種植條件下,前者除蛋白質(zhì)和胡蘿卜素含量低于后者外,Vc、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn 等礦物質(zhì)含量均高于后者[2]。即使在相同的有機種植條件下,增加土壤中微生物或改變電磁環(huán)境,都會對蔬菜的Vc和礦物質(zhì)含量產(chǎn)生影響[14]。本研究看出,在相同灌溉條件下,施肥量減半處理可顯著提高有機番茄的營養(yǎng)品質(zhì),有機番茄中番茄紅素含量、Vc含量、可溶性糖類含量、可溶性固形物、糖酸比、單果重量與大小都優(yōu)于其他組合。但是,由于蔬菜是易富集硝酸鹽的一類植物,即使是在不施肥的情況下,設(shè)施蔬菜栽培也容易引起蔬菜硝酸鹽大量累積[15]。因此,在常規(guī)施肥處理下,過量的有機肥投入會增加番茄中硝酸鹽的含量,影響食用安全。由于本研究試驗處理有限,要得到有機番茄的有機肥施用量和灌溉量的最優(yōu)化組合,還有待進一步深入研究。

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