有機肥替代化肥對設(shè)施蔬菜土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu含量的影響

貝凱月,向春陽,趙 秋,譚英愛,董家僖,岳 露,田秀平

(1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,天津 300384,2.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,天津 300192)

Fe、Mn、Cu等微量元素是植物生長必需營養(yǎng)元素,雖然植物所需量遠少于大量元素[1],但它們對植物的作用與大量元素同等重要。這些微量元素是植物生長各種酶的輔助因子,并且參與了植物生理代謝過程,對人體健康也具有重要作用[2]。但由于土壤中微量元素含量和有效性受土壤環(huán)境條件影響較大,使土壤中微量元素有效性降低,導(dǎo)致微量元素缺乏成為一種普遍現(xiàn)象[3-4]。

直接施用微量元素肥料來提高土壤微量元素含量,其成本較高,而且有效性通常僅限于特定的土壤條件[5]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展及人們對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高,有機肥的施用被人們廣泛利用[6]。Rutkowska等[7]發(fā)現(xiàn),在pH值最低的土壤中,銅、鐵、錳和鋅的有效態(tài)含量最高,施用有機肥增加了鐵和鋅的濃度。丁少男等[8]指出,單獨施用化肥的土壤微量元素的有效含量較低,而單獨施用有機肥土壤微量元素有效含量顯著增加。Dhaliwal等[9]通過一項長期田間試驗表明,綠肥和稻草殘渣的摻入使土壤中DTPA的可提取量以及總鋅、銅、鐵和錳的含量均有所增加。Wang等[10]研究發(fā)現(xiàn),施用有機肥增加了土壤中有效鐵、鋅和錳的含量,而土壤中有效銅含量減少。

近年來,我國設(shè)施栽培發(fā)展迅速,番茄作為設(shè)施蔬菜的其中一種,起到果蔬兼用的作用,深受百姓喜愛,種植面積越來越大。然而,由于設(shè)施栽培番茄時存在大量施用化肥等情況,造成一系列土壤健康問題,進而影響番茄產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。農(nóng)業(yè)部在2015年制定了《到2020年化肥使用零增長行動方案》,要求2020年實現(xiàn)化肥不增長或者負增長,如何在減少化肥投入情況下,農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)不受影響,有機肥替代化肥是首選方式。鑒于此,在天津地區(qū)設(shè)施番茄內(nèi)設(shè)有機肥替代化肥試驗,研究有機肥對設(shè)施番茄土壤中微量元素有效態(tài)Fe、Mn、Cu含量的影響,以期為增加該地區(qū)土壤微量元素有效態(tài)含量、減少化肥投入,為該區(qū)設(shè)施番茄合理施肥及土壤可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于天津市西青區(qū)水高莊村和小沙沃村的2個日光蔬菜大棚里,水高莊村日光大棚(SFQ),供試蔬菜為番茄(歐凱萊);小沙沃村日光大棚(XFQ),供試蔬菜為番茄(AK-19)。2個棚的供試土壤均為潮土,大棚SFQ有機質(zhì)含量18.98 g/kg,pH值8.46,EC值248.50 μS/cm;大棚XFQ有機質(zhì)含量56.35 g/kg,pH值8.13,EC值279.50 μS/cm。試驗田 0～30 cm土壤養(yǎng)分含量見表1。供試商品有機肥是恒潤(天津)生物科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的精制有機肥,為養(yǎng)牛場的牛糞及天津市種植的玉米秸稈,N+P2O5+K2O≥5%,有機質(zhì)≥45%;供試化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%),追肥為芭田復(fù)合肥(15-10-23)。

表1 試驗田 0～30 cm土壤養(yǎng)分含量

1.2 試驗設(shè)計

大棚SFQ面積862 m2,試驗于2017年12月14日育苗,2018年2月1日移栽定植;大棚XFQ面積288 m2,于2017年12月19日育苗,2018年2月9日移栽定植。2個大棚栽培方式均為傳統(tǒng)的畦栽,行距50 cm,株距40 cm。每個大棚試驗設(shè)4個處理,即大棚SFQ為SCK(常規(guī)施100%化肥)、SDY(有機肥替代10%化肥)、SMY(有機肥替代20%化肥)和SGY(有機肥替代30%化肥);大棚XFQ為XCK(常規(guī)施100%化肥)、XDY(有機肥替代10%化肥)、XMY(有機肥替代20%化肥)和XGY(有機肥替代30%化肥),每個處理3次重復(fù)。采用棚內(nèi)小區(qū)試驗,隨機區(qū)組排列,2個大棚均以有機肥和化肥混施作為基肥,各處理間的追肥均為芭田復(fù)合肥?；试谡匾圃郧耙淮涡允┤?追肥在番茄生長過程中分5次施到土壤中,大棚SFQ每次小區(qū)用量1.6 kg,大棚XFQ每次小區(qū)用量0.55 kg,每小區(qū)追肥施用量相同。大棚SFQ和XFQ小區(qū)面積分別是71.8,24.0 m2,施肥量見表2。

表2 試驗田化肥和有機肥用量

1.3 測定項目與方法

分別于番茄種植前和收獲后,采用多點法在每個試驗小區(qū)取混合土樣,風(fēng)干后,測定土壤理化性質(zhì)、大量養(yǎng)分及有效態(tài)鐵、錳和銅含量,測定方法[12]見表3。番茄成熟收獲時按小區(qū)計產(chǎn),折算公頃產(chǎn)量。

表3 土壤指標(biāo)測定方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗采用Excel 2019和Origin 9.1軟件對數(shù)據(jù)進行分析與作圖處理,利用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥替代化肥對設(shè)施蔬菜土壤中有效態(tài)Fe、Mn和Cu的影響

2.1.1 有效態(tài)Fe 有機肥含有豐富的有機質(zhì),其礦化分解過程中產(chǎn)生有機酸,有機酸可使土壤中礦物質(zhì)發(fā)生風(fēng)化作用,釋放鐵元素,另外,有機肥料本身含有鐵,施用后可增加土壤中全鐵含量,其礦化分解后使土壤有效態(tài)Fe含量增加[4]。從圖1可以看出,有機肥替代化肥對設(shè)施蔬菜土壤有效態(tài)Fe含量有一定影響。在大棚SFQ中,不同量有機肥替代化肥處理的土壤有效態(tài)Fe含量均高于對照處理,但各個處理間差異不顯著;在大棚XFQ中,有機肥替代化肥的3個處理土壤有效態(tài)Fe含量均顯著高于對照處理,其中XGY((17.46±0.30)mg/kg)處理最高,較XCK((15.55±0.25)mg/kg)處理提高了12.28%,也顯著高于XDY((15.72±0.66)mg/kg)和XMY((16.25±0.59)mg/kg)處理,XDY和XMY處理之間差異不顯著。

不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05)。圖2-3同。

2.1.2 有效態(tài)Mn 由圖2可知,有機肥替代化肥對設(shè)施蔬菜土壤有效態(tài)Mn含量有顯著影響。在大棚SFQ中,SMY((17.62±0.16)mg/kg)和SGY((18.65±1.31)mg/kg)處理的土壤有效態(tài)Mn含量均顯著高于SCK((7.74±0.17)mg/kg)處理,其中,SGY處理的土壤有效態(tài)Mn含量最高,比SCK處理提高了140.95%;在大棚XFQ中,XGY((17.15±2.05)mg/kg)處理的土壤有效態(tài)Mn含量顯著高于XCK((9.29±0.40)mg/kg)處理,提高了84.60%,而XCK、XDY和XMY處理之間差異不顯著。

圖2 不同處理下土壤有效態(tài)Mn含量

2.1.3 有效態(tài)Cu 如圖3所示,有機肥替代化肥對土壤有效態(tài)Cu含量也有顯著影響。在大棚SFQ中,SMY和SGY處理顯著提高了土壤有效態(tài)Cu含量,分別為SMY((8.82±0.51)mg/kg)和SGY((10.73±0.81)mg/kg),較SCK((2.39±0.10)mg/kg)處理分別提高了269.03%,348.95%,而SDY處理與SCK處理之間差異不顯著;在大棚XFQ中,XGY((6.63±1.36)mg/kg)處理的土壤有效態(tài)Cu含量最高，且顯著高于XCK((2.10±0.44)mg/kg)處理,較XCK處理提高了215.71%,而XCK、XDY、XMY處理之間差異不顯著。

圖3 不同處理下土壤有效態(tài)Cu含量

2.2 有機肥替代化肥對番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

Vc是人體的重要維生素,由于人體內(nèi)無法合成Vc,食物攝取是人體獲得Vc的唯一途徑,Vc含量也是蔬菜產(chǎn)品的主要品質(zhì)指標(biāo)。從表4看出,2個大棚番茄果肉Vc含量從高到低的排列順序都是：高量有機肥替代化肥>中量有機肥替代化肥>低量有機肥替代化肥>對照，其中，SFQ大棚的SGY處理極顯著高于SCK和SDY處理，與SMY處理之間差異不顯著，SMY處理也極顯著高于SCK，與SDY處理間差異達顯著水平；XFQ大棚番茄果肉Vc含量在不同施肥處理之間均達到極顯著差異水平；硝酸鹽因在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽后會增加致癌風(fēng)險,危害人體健康,近年來硝酸鹽含量已成為無公害蔬菜的重要指標(biāo),降低蔬菜中硝酸鹽含量意義重大,本研究2個大棚中番茄果肉NO3-N含量高低順序與Vc相反，且2個大棚不同施肥處理之間差異均達極顯著水平。以上說明，有機肥替代化肥可提高番茄果實的Vc含量，降低番茄果實硝酸鹽含量，改善番茄品質(zhì)。

表4 SFQ和XFQ不同施肥處理番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的差異

有機肥替代化肥對番茄產(chǎn)量影響較大,2個大棚中，SGY、XGY處理均顯著高于SCK、XCK處理，SGY、XGY和SMY、XMY處理之間,SCK、XCK和SDY、XDY處理之間差異均不顯著。施肥是設(shè)施番茄提高產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù),適當(dāng)增加有機肥用量,減少化肥用量更有助于提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.3 土壤有效態(tài)Fe、Mn和Cu與番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)系

從表5相關(guān)性分析可以看出,2個大棚土壤有效態(tài)Fe、Mn和Cu與番茄果實Vc之間均呈極顯著正相關(guān),與NO3-N含量之間都呈極顯著負相關(guān);大棚SFQ中土壤有效態(tài)Fe與大棚XFQ中土壤有效態(tài)Fe、Mn和Cu均與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);2個大棚土壤有效態(tài)Fe、Mn和Cu之間極顯著或呈顯著正相關(guān)。植物中Fe、Mn和Cu都參與硝酸和亞硝酸還原作用,缺少這些元素,會造成植物體內(nèi)硝酸鹽積累。另外,3種元素都參與植物體內(nèi)氧化還原系統(tǒng)的調(diào)控,影響到植物體的Vc轉(zhuǎn)化。土壤有效態(tài)Fe、Mn和Cu會影響光合作用,從而影響到番茄的產(chǎn)量。

表5 土壤有效態(tài)微量元素與番茄品質(zhì)和產(chǎn)量相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本試驗中,有機肥替代化肥提高了土壤中有效態(tài)Fe、Mn、Cu含量。其中,有機肥替代處理的土壤有效態(tài)Fe含量有不同程度的提升,但對大棚SFQ影響不顯著，而對土壤中有效態(tài)Mn、Cu含量影響較大,其中，大棚SFQ和大棚XFQ高量有機肥替代處理較對照處理相比均顯著提高了有效態(tài)Mn、Cu含量。一方面可能是由于長期單施化肥使土壤養(yǎng)分大量耗減,增施有機肥在一定程度上緩解了土壤微量元素的輸出[4];另一方面,有機肥中含有豐富的有機質(zhì)和大量養(yǎng)分,腐解產(chǎn)物可絡(luò)合微量元素,有利于微量元素的活化,發(fā)生土壤生化反應(yīng),進而影響微量元素的有效性,避免了元素的流失[13-14]。Chen等[15]發(fā)現(xiàn),施用糞肥會增加土壤中有效態(tài)Fe含量,而且施肥對微量元素有效含量的影響因種植系統(tǒng)而異。Zhang等[16]通過長期試驗表明,有機肥處理的土壤中有效態(tài)Mn含量顯著提高,證明了施用有機肥會改變土壤的特性,同時也在改善微量元素有效性方面有重要作用。李本銀等[17]指出,長期施用有機肥增加了土壤有效態(tài)Cu含量,尤其是糞肥處理。土壤中有效態(tài)微量元素的含量受多種因素影響,不僅與成土母質(zhì)、土壤類型、施肥方式和人類活動有關(guān),而且其主要影響因素是土壤的性質(zhì),包括pH值、有機質(zhì)和其他養(yǎng)分含量[18-19]。有研究表明,土壤中微量元素有效性與pH值表現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,即pH值越低微量元素的有效性越高[20-21]。也有研究報道,微量元素的有效性與土壤有機碳密切相關(guān),強調(diào)了有機碳在維持土壤肥力方面的重要作用[22]。

本試驗結(jié)果表明,有機肥替代化肥對提高番茄產(chǎn)量和改良品質(zhì)方面有顯著影響,且土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu與番茄品質(zhì)和產(chǎn)量之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。有研究表明[23-24],有機改良劑可提高番茄產(chǎn)量和番茄紅素、可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸和維生素C的含量,能有效改善番茄品質(zhì)和增加口感。張春明等[25]研究發(fā)現(xiàn),噴施微量元素葉面肥能明顯改善小麥旗葉的生理功能,提高旗葉的抗氧化能力, 加大籽粒灌漿能力, 從而提高小麥產(chǎn)量。微量元素對植株產(chǎn)量和品質(zhì)均有一定的促進作用,不同的微量元素由于其對植物的作用機制及過程不同而具有不同的效應(yīng)[26],從而對其產(chǎn)量和品質(zhì)有很大影響。

有機肥作為土壤微量元素輸入的重要來源,也為植株的生長發(fā)育提供了較為全面的營養(yǎng)條件。而長期施用可能會使土壤中鐵、錳、銅等元素出現(xiàn)富集情況,造成土壤重金屬污染問題及增加作物吸收積累重金屬的風(fēng)險。有研究發(fā)現(xiàn)[27],長期施用有機肥加大了土壤受重金屬污染的風(fēng)險,特別是中、高量有機肥處理明顯提高了Zn、Cu、Cd 和 Pb有效態(tài)含量。土壤中微量元素缺乏或過量都會對土壤環(huán)境及作物生長產(chǎn)生一定影響,使土壤中微量元素處于適宜水平,不僅要滿足植物的需求,同時也要防止某些元素的潛在積累。因此,選擇安全優(yōu)質(zhì)的有機肥,保持土壤中微量元素平衡,這對養(yǎng)分利用率、環(huán)境保護和植物生長發(fā)育具有重要意義[28]。

通過在設(shè)施蔬菜內(nèi)長期施用有機肥發(fā)現(xiàn),添加有機肥增加了2個日光大棚中土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu含量,其中,對大棚SFQ中土壤有效態(tài)Fe含量影響不顯著。有機肥替代化肥可提高番茄果實Vc含量,降低硝酸鹽含量,提高番茄產(chǎn)量。因此,可以通過增施有機肥來緩解設(shè)施土壤中微量元素短缺和流失的現(xiàn)狀,同時也對提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和改良品質(zhì)方面有一定的作用,而且有機肥還在改善土壤性質(zhì)、維持土壤養(yǎng)分平衡等方面具有顯著優(yōu)勢,為設(shè)施土壤可持續(xù)利用及設(shè)施栽培高質(zhì)量發(fā)展提供有效保障。