郭志剛,胡山鷹,金 涌,張麗平,崔同華,李冬蓮,陳怡彤
(1.清華大學化工系 北京 100084;2.北京市平谷區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣站 北京 101207;3.浙江清華長三角研究院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術研究所 浙江嘉興 314000)
豌豆是糧、飼、菜兼用作物[1],是重要的食用豆類作物之一,具有較全面而均衡的營養(yǎng),既是人們的主食或副食品,也是各種畜禽飼料的添加劑,是一種良好的蛋白及能量食品原料[2]。豌豆具有生長周期短、抗旱耐瘠、適應性和耐寒力強、生長周期短等優(yōu)點[3],可以在早春主要作物種植前或在主要作物收獲后的晚秋,利用剩余的光、熱、水等資源完成其栽培過程,是輪作中的好茬口[4-5]。此外,豌豆的根瘤可以進行生物固氮,1 hm2豌豆田可固定空氣中的氮素75~90 kg[6]。種植豌豆不僅能促進土壤中氮素的積累,而且能改善土壤的物理性質,是改良土壤的先鋒作物[7],有利于土壤改良和促進下茬非豆科作物增產(chǎn)。
豌豆是谷物中少有的健康食品,具有調(diào)顏養(yǎng)生、抗菌消炎、清涼解暑、益中氣、止瀉、利尿、通便、解毒等功效[8]。豌豆富含各種維生素,其中維生素B1的含量是豆腐的18倍,維生素B2和維生素PP的含量分別是豆腐的2.5倍和14倍;含有較多的類胡蘿卜素類物質,如葉黃素,α、β、γ-胡蘿卜素,隱黃素等,在人體內(nèi)轉化成維生素A后,能促進視網(wǎng)膜上的視紫質再生,可預防或緩解近視,保護和提高視力。
我國是豌豆種植大國,年種植面積約為1 100 000 hm2,但單產(chǎn)不到德國和法國的一半,平均單產(chǎn)只有1 545 kg/hm2,總產(chǎn)量不到1 700 kt/a,遠不能滿足國內(nèi)市場的需求,因此每年還需大量進口豌豆。同時,我國在豌豆栽培中存在施肥不科學現(xiàn)象,不僅大大增加了生產(chǎn)成本,而且影響了豌豆的品質和產(chǎn)量。為了提高豌豆單產(chǎn)和品質,增強其抗倒伏能力,同時改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,根據(jù)豌豆生長發(fā)育過程中對各種營養(yǎng)元素的需求,設計了豌豆均衡營養(yǎng)肥,并在北京市平谷區(qū)興谷街道杜辛莊和峪口鎮(zhèn)峪口村開展了大田肥效試驗。
供試豌豆:杜辛莊為“中豌6號”,峪口村為“長壽仁”。
供試肥料:豌豆均衡營養(yǎng)肥,N-P2O5-K2O=12.00∶1.68∶13.80,浙江清華長三角研究院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術研究所設計,北京水木沃土生物科技有限公司配制并提供;復合肥,N-P2O5-K2O=15-15-15,市售;尿素,w(N)=46.7%,市售。
杜辛莊的對照田和試驗田面積均為3.33 hm2。對照田底施復合肥300 kg/hm2,中耕追施尿素300 kg/hm2,氮、磷、鉀總施用量為185.10+45.00+45.00=275.10(kg/hm2)。試驗田底施豌豆均衡營養(yǎng)肥600 kg/hm2,不追肥,氮、磷、鉀總施用量為72.00+10.08+82.80=164.88(kg/hm2)。
峪口村的對照田和試驗田面積也均為3.33 hm2。對照田底施復合肥495 kg/hm2,中耕追施尿素300 kg/hm2,氮、磷、鉀總施用量為214.35+74.25+74.25=362.85(kg/hm2)。試驗田底施豌豆均衡營養(yǎng)肥600 kg/hm2,不追肥,氮、磷、鉀總施用量為72.00+10.08+82.80=164.88(kg/hm2)。
1.3.1 土壤樣品采集
施肥前后分別在試驗區(qū)域內(nèi)選取10個代表性樣點,按照隨機、等量的原則,避開地角、田埂等位置,鏟去表層3 mm左右表土,然后用取土器垂直取樣法取0~30 cm土壤樣本,將土樣混勻放入取樣袋并做好標記,每個試驗處理取3份土樣。取回的土樣自然風干,篩出根系、石子等雜物,采用四分法處理,分別取適量土樣再過篩,用于測定各項養(yǎng)分指標。
1.3.2 豌豆樣品采集
用于品質檢測的豌豆樣品于7月上旬取樣。每個處理隨機選擇3條壟各取3株豌豆秧,即每個處理采集9株豌豆秧,裝入牛皮紙袋并做好標記,帶回實驗室后將豆秧、豆莢和豌豆分開晾曬,分別用于測定豌豆品質相關指標。
豌豆品質相關指標測定方法參考文獻[9]和文獻[10]。
豌豆干物質含量測定:新鮮豌豆稱量后置于烘箱中105 ℃處理30 min,80 ℃烘干至恒質量,冷卻稱量后計算干物質含量。百粒質量測定:隨機取100粒豌豆稱取質量,取3組計算平均值。可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定;淀粉含量采用雙波長法測定;可溶性總糖含量采用蒽酮比色法測定;黃酮含量采用三氯化鋁法測定。
豌豆和豆秧中的全氮含量采用凱氏定氮法進行測定;全磷和全鉀含量采用JN-QYF型全項目土壤肥料養(yǎng)分檢測儀進行測定,測定方法參考該儀器配套的植株干基中全氮、全磷、全鉀含量快速檢測方法包。
土壤養(yǎng)分含量采用JN-QYF型全項目土壤肥料養(yǎng)分檢測儀測定,各項指標測定方法均采用該儀器配套的快速檢測方法包。
采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理,SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行差異顯著性分析。
杜辛莊第1年的試驗結果(表1)表明:施用豌豆均衡營養(yǎng)肥的豌豆干物質、百粒質量、產(chǎn)量以及可溶性總糖、總淀粉和支鏈淀粉含量與對照田的相比均有所增加;可溶性總糖、總淀粉和支鏈淀粉含量與對照田的差異達到了顯著水平(p<0.05),分別提高了7.6%、40.8%和46.0%;產(chǎn)量與對照田的相比提高了2.7%。德國是世界上豌豆單產(chǎn)最高的國家,其產(chǎn)量為4 035 kg/hm2;杜辛莊試驗田的產(chǎn)量達到了3 322.5 kg/hm2,遠高于我國平均水平。綜上所述,豌豆均衡營養(yǎng)肥處理不但減少了氮、磷的使用量,而且能夠提高產(chǎn)量,并大幅度改善豌豆的品質。
峪口村第1年的試驗結果(表2)表明:施用豌豆均衡營養(yǎng)肥的豌豆干物質、百粒質量以及可溶性總糖、總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量與對照田的相比均有所增加,黃酮和可溶性蛋白含量有所下降;產(chǎn)量與對照田的相比提高了2.8%。豌豆均衡營養(yǎng)肥在氮、磷投入較少的前提下,不僅沒有減產(chǎn),還提高了豌豆的品質。
杜辛莊第2年試驗結果(表3)表明:施用豌豆均衡營養(yǎng)肥的豌豆干物質、百粒質量與對照田的相比無顯著性差異,可溶性蛋白、可溶性總糖和黃酮含量顯著高于對照田的,粗蛋白含量比對照田的高3.9%左右;總淀粉、支鏈淀粉含量與對照田的相比有所降低;產(chǎn)量比對照田的提高了8.4%;與第1年試驗結果相比,豌豆均衡營養(yǎng)肥處理的產(chǎn)量提高了3.1%,其可溶性蛋白和直鏈淀粉含量也有所增加。
表1 杜辛莊第1年不同施肥處理對豌豆產(chǎn)量和品質的影響
表2 峪口村第1年不同施肥處理對豌豆產(chǎn)量和品質的影響
表3 杜辛莊第2年不同施肥處理對豌豆產(chǎn)量和品質的影響
如表4所示:“長壽仁”豌豆中的氮、磷含量遠超過豆秧,而豆秧中的鉀含量高于豌豆中的;對照田豌豆和豆秧中的氮、磷、鉀含量與施用豌豆均衡營養(yǎng)肥處理的基本相同,其氮磷鉀總量分別為155.10、165.90 kg/hm2。盡管對照田施入的氮磷鉀總量遠大于試驗田的,但被豌豆和豆秧吸收的氮磷鉀總量相差不大,這表明豌豆所能吸收利用的氮磷鉀總量基本上是一個常數(shù),與產(chǎn)量成正相關。
表4 不同施肥處理對“長壽仁”豌豆和豆秧中氮、磷、鉀含量的影響
不同施肥處理“長壽仁”豌豆對氮、磷、鉀利用率的影響見表5。對照田豌豆對氮、磷、鉀的利用率分別為53.32%、9.70%、45.25%。而施用豌豆均衡營養(yǎng)肥處理的豌豆對氮的利用率大于100%,表明施肥中的氮不足而從土壤中吸收了部分氮;對磷的利用率高達62.50%,遠高于對照田的;對鉀的利用率為36.78%,低于對照田的。試驗田豌豆對鉀的利用率不高的主要原因是為了增強抗倒伏能力,在豌豆均衡營養(yǎng)肥中提高了鉀的比例,但從試驗結果來看,豆秧中的鉀含量并沒有增加,表明豌豆對鉀的需求量不大,同時也表明豌豆均衡營養(yǎng)肥中氮的比例過低。
表5 不同施肥處理“長壽仁”豌豆對氮、磷、鉀利用率的影響
第2年不同施肥處理對“中豌6號”豌豆和豆秧中氮、磷、鉀含量的影響見表6。豌豆中的氮、磷、鉀含量均高于豆秧中的;盡管對照田和試驗田養(yǎng)分施用量不同,但2個處理的豌豆和豆秧中的氮、磷、鉀含量相差不大;由于豌豆均衡營養(yǎng)肥處理的豌豆產(chǎn)量相對較高,其消耗的氮、磷、鉀量也相對較多;對照田和試驗田的氮、磷、鉀總消耗量為207.9~242.55 kg/hm2;與“長壽仁”豌豆相比,“中豌6號”豌豆的產(chǎn)量較高,也消耗了較多的氮、磷、鉀。
表6 第2年不同施肥處理對“中豌6號”豌豆和豆秧中氮、磷、鉀含量的影響
施肥前后杜辛莊和峪口村豌豆田的土壤養(yǎng)分含量分析結果見表7和表8。
從表7可以看出:施肥前后杜辛莊豌豆田土壤的pH變化不大,但栽培后的可溶性鹽濃度(EC)值均有所降低,表明豌豆收獲之后土壤中的養(yǎng)分已經(jīng)處于較低水平;全氮和P2O5含量均有所下降,但2個處理之間沒有顯著性差異;盡管豌豆均衡營養(yǎng)肥中的P2O5含量較低,但基本滿足了豌豆生長發(fā)育的需求,這表明豌豆生長過程中并不需要過多的磷;與土壤本底相比,2個處理的土壤中K2O含量有所升高,但由于偏差較大,三者之間沒有顯著性差異;與本底相比,2個處理的土壤中Ca2+、Mg2+含量均有所增加,表明豌豆均衡營養(yǎng)肥和復合肥中的Ca2+、Mg2+過量,豌豆均衡營養(yǎng)肥配方還有調(diào)整的余地,但2個處理之間沒有顯著性差異;2個處理的土壤中S6+含量均有所降低,但差異不顯著;在收獲期2個處理的土壤中有機質含量均有所升高,其原因可能是取樣時豌豆的枯枝、根系等殘留物提高了土壤中有機質含量。
從表8可以看出:施肥后峪口村豌豆田土壤的pH均有所下降,但均處于正常值范圍;栽培后期土壤的EC值與本底相比均有所降低,表明栽培過程中營養(yǎng)物質被消耗,土壤的營養(yǎng)水平下降;與本底值相比,2個處理的土壤中全氮、P2O5含量均有所降低,但2個處理之間沒有顯著性差異;施用豌豆均衡營養(yǎng)肥的土壤中K2O含量雖然有所增加,但是與本底和對照田的相比并沒有顯著性差異;2個處理的土壤中Ca2+、Mg2+含量均有所增加,表明所施肥料中的Ca2+、Mg2+較多,可以適當減量;由于豌豆均衡營養(yǎng)肥含有較多的硫酸根,因此土壤中S6+含量有所提高,這對于高鈣土壤中鈣的固定以及調(diào)節(jié)土壤pH有利;2個處理的土壤有機質含量均有所增加,是由所取土樣中含有較多的豌豆根系所致。
表7 施肥前后杜辛莊豌豆田土壤養(yǎng)分含量分析結果
表8 施肥前后峪口村豌豆田土壤養(yǎng)分含量分析結果
2個試驗點的對照田中施入的氮肥最多,但栽培后并沒有多余的氮保留在表層土壤中。無論施肥量多少,豌豆對氮肥的吸收量基本穩(wěn)定在某個范圍內(nèi),與產(chǎn)量成正相關。豌豆均衡營養(yǎng)肥中的氮素含量較低,試驗中的純氮施用量為72.00 kg/hm2,而2個對照田中的施用量分別為185.10、214.35 kg/hm2,但對照田的豌豆產(chǎn)量和蛋白質含量并沒有顯著提高。豌豆消耗氮素的量為114.30~183.90 kg/hm2,豌豆均衡營養(yǎng)肥提供的氮素無法滿足豌豆生長發(fā)育的需求,但在試驗過程中并未發(fā)現(xiàn)豌豆出現(xiàn)缺氮現(xiàn)象,其原因是供試土壤中氮含量基本達到了飽和,豆科植物又有固氮功能,即使大幅減少氮肥用量,豌豆植株可從土壤中吸收過量貯存的氮素。2個試驗點的對照田盡管施用了大量的氮素,但栽培后并沒有多余的氮保留在表層土壤中,可能已轉化成氨氣揮發(fā)或隨澆水滲入到地下。
試驗結果表明,施用豌豆均衡營養(yǎng)肥的豌豆百粒質量以及干物質、可溶性總糖、蛋白質、黃酮、直鏈淀粉或支鏈淀粉的含量與對照田的相比均有所增加,單產(chǎn)也有一定程度的提高。從試驗前后土壤養(yǎng)分含量分析結果看,種植后土壤中的氮、磷含量比本底有所下降,其原因是所施肥料大部分被豌豆吸收利用,也有部分氮、磷隨澆水或降雨滲入地下或揮發(fā)。雖然豌豆均衡營養(yǎng)肥中的氮素含量較低,但可以從土壤中得到部分補充,可以滿足豌豆生長發(fā)育對氮素的需求,這有利于吸收利用土壤中過多的氮、磷,進而修復土壤板結硬化。種植豌豆后,杜辛莊和峪口村的土壤中保留的鉀含量雖有所增加,但與本底相比沒有顯著性差異,表明豌豆均衡營養(yǎng)肥中稍高的鉀含量維持了土壤中鉀的平衡。試驗前后土壤中的Ca2+、Mg2+含量均有所增加,但并不顯著。為了增強抗倒伏能力,豌豆均衡營養(yǎng)肥中增大了鉀、鈣、鎂的比例,但因豌豆莖桿特殊的中空結構,并未達到預期目的,需作進一步的研究探討。
豌豆均衡營養(yǎng)肥基本滿足了豌豆整個生育周期對氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等元素的需求,實現(xiàn)了大幅度減氮、減磷的目標,減輕了氮、磷過量對土壤和地下水的污染;同時能相對提高豌豆產(chǎn)量以及豌豆中可溶性總糖、蛋白質、黃酮、直鏈淀粉或支鏈淀粉的含量,改善了豌豆的品質,提高了豌豆的營養(yǎng)價值。