氮肥減施配施有機物料對貴州高山甘藍(lán)生長的影響

魏全全，芶久蘭，張 萌，柳玲玲，顧小鳳，陳 龍

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，貴州 貴陽 550006）

貴州地處高原，錯季冷涼蔬菜成為貴州蔬菜產(chǎn)業(yè)名牌，2021年貴州蔬菜種植總面積123.33萬hm2，產(chǎn)量2 860萬t，其中威寧縣種植面積超過6.67萬hm2。甘藍(lán)（Brassica oleraceaL.）是我國重要的蔬菜作物，也是貴州省脫貧致富的主栽冷涼蔬菜作物之一，發(fā)展高山冷涼蔬菜甘藍(lán)產(chǎn)業(yè)對貴州省蔬菜產(chǎn)業(yè)提升具有重要意義。隨著貴州高山冷涼蔬菜的快速發(fā)展，重化肥輕有機肥、連作障礙等問題愈發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致甘藍(lán)產(chǎn)量、品質(zhì)以及養(yǎng)分利用率降低，嚴(yán)重制約貴州高山冷涼蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。氮是包括甘藍(lán)在內(nèi)農(nóng)作物的重要限制養(yǎng)分因素[1-2]，又是農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的重要污染因子[3]，其合理施用是保障作物高產(chǎn)、養(yǎng)分高效及環(huán)境友好的重要措施。隨著化肥使用量零增長行動[4]的實施，利用有機物料替代化肥、提高肥料利用率及培肥土壤已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研關(guān)注的熱點[5-6]。有機肥是保持土壤生產(chǎn)力和減少化肥施用的一種傳統(tǒng)而有效的方法，可以起到節(jié)約成本和增加養(yǎng)分有效性的雙重作用[7-10]；作為新型材料，生物炭除了能直接提供養(yǎng)分外，還能改善土壤碳庫，改良土壤，提高作物產(chǎn)量[11-13]。因此，探究氮肥配施有機物料對作物生長及肥料利用的影響十分重要。

張萌等[14]關(guān)于貴州黃壤的研究表明，短期內(nèi)施用酒糟生物炭可以提高黃壤氮素養(yǎng)分，改變土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性，并可以通過抑制土壤氨氧化作用和硝化作用，有效阻控土壤氮素淋溶發(fā)生的風(fēng)險，提高土壤氮素有效性；魯偉丹等[15]關(guān)于西北小麥的研究表明，有機氮磷替代率為18%～24%時，可在實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時，增加土壤速效養(yǎng)分含量、提高肥料利用率；馬龍等[16]關(guān)于設(shè)施蔬菜的研究表明，同等氮磷鉀養(yǎng)分投入量下，有機肥/秸稈替代部分化肥，尤其是配施1/4 有機肥及1/4 秸稈模式可顯著降低土壤硝化過程功能基因豐度，增加反硝化、硝酸鹽異化功能基因豐度，促進番茄盛果期的氮素吸收，減少向下淋洗的氮量；侯苗苗等[17]的研究表明，塿土小麥-玉米輪作體系有機氮替代75%化肥氮最好，可以保證作物產(chǎn)量，并實現(xiàn)N2O減排。

貴州是全國唯一沒有平原的省份，全省約50%的土地都是坡耕地，加之其地帶性典型黃壤有機質(zhì)含量偏低、養(yǎng)分含量低、質(zhì)地黏重保水保肥能力相對較差[18]，極不利于甘藍(lán)產(chǎn)量的提高。在化肥減量情況下，如何保障黃壤地力、提高貴州高山冷涼蔬菜甘藍(lán)產(chǎn)量和品質(zhì)的研究鮮有報道。鑒于此，擬采用生物炭和商品有機肥等外源有機物料，研究在氮肥減施情況下，配施外源有機物料對貴州高山冷涼蔬菜甘藍(lán)產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、肥料利用率、品質(zhì)及經(jīng)濟效益的影響，以期為有機物料替代化肥技術(shù)在貴州高山冷涼蔬菜區(qū)及相似地區(qū)推廣和應(yīng)用，以及甘藍(lán)豐產(chǎn)提質(zhì)增效提供理論和實踐基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2021 年3—7 月在貴州省畢節(jié)市威寧縣草海鎮(zhèn)（26°53′5″E、104°10′7″N），該地海拔2 237 m，年平均氣溫11 ℃左右，年日照時間2 000 h 左右，年平均降雨量為900～1 000 mm 進行。供試土壤為黃壤土，基本理化性質(zhì)：pH 值5.5、有機質(zhì)40.0 g/kg、全氮2.33 g/kg、堿解氮123.4 mg/kg、有效磷18.9 mg/kg、速效鉀115.3 mg/kg。

供試甘藍(lán)品種為中甘101，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所培育；供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和硫酸鉀（含K2O 50%）；供試有機物料為生物炭（含全氮0.659%、全磷0.268%、全鉀0.907%）和商品有機肥（含全氮1.653%、全磷0.846%、全鉀0.443%）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置8 個處理：不施氮肥（0N）、單施氮肥（100%N）、100%氮肥+生物炭（100%NB）、85%氮肥+生物炭（85%NB）、70%氮肥+生物炭（70%NB）、100%氮肥+商品有機肥（100%NO）、85%氮肥+商品有機肥（85%NO）、70%氮肥+商品有機肥（70%NO）。

小區(qū)面積為21.6 m2（長6 m×寬3.6 m），3 次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。100%氮肥處理中氮肥用量為225 kg/hm2，各處理除氮肥（N）施用量不同外，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）的用量均為150、225 kg/hm2。不同處理N、P2O5、K2O、生物炭、有機肥施用量見表1。其他田間生產(chǎn)管理均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門的推薦技術(shù)。

表1 不同處理N、P2O5、K2O、生物炭、有機肥施用量Tab.1 Application rates of N，P2O5，K2O，biochar，commercial organic fertilizer in different treatments kg/hm2

商品有機肥和生物炭在甘藍(lán)移栽前翻耕，翻耕后60%氮肥、全部磷肥和鉀肥混勻后一次性施用，施用后覆膜，另外40%氮肥于蓮座期作為追肥施用。甘藍(lán)于3 月18 日育苗，4 月15 日移栽，移栽密度為每小區(qū)128株（16株/行×8行），7月6日收獲。

1.3 測定項目

在甘藍(lán)收獲期，每個小區(qū)分別選擇有代表性且生長一致的植株6株，用于測定甘藍(lán)生物量、養(yǎng)分和品質(zhì)指標(biāo)。取樣后，105 ℃下殺青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒定質(zhì)量，記錄烘干質(zhì)量，折算總生物量[16]；將烘干的植株樣品磨碎后過0.42 mm 篩，用濃H2SO4-H2O2消化后稀釋，采用凱氏定氮法測定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度計法測定全鉀含量[19]；取部分未烘干的新鮮樣品，測定可溶性糖、硝酸鹽、維生素C（Vc）、游離氨基酸、蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)指標(biāo)[20]。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

相關(guān)參數(shù)計算依照文獻[21-23]的方法：

養(yǎng)分累積量=養(yǎng)分含量×生物量；

氮素農(nóng)學(xué)效率=（施肥區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮素吸收利用效率=（施肥區(qū)氮素總累積量-不施肥區(qū)氮素總累積量）/施氮量×100%。

同理，計算磷素和鉀素農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 及DPS 16.05 進行數(shù)據(jù)處理與分析，以LSD法檢驗P＜0.05 水平上的差異顯著性，采用Origin 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施配施有機物料甘藍(lán)產(chǎn)量

由圖1可知，不同處理甘藍(lán)產(chǎn)量不同。與0N 處理相比，100%N 處理能顯著提升甘藍(lán)產(chǎn)量25 594 kg/hm2，增幅為49.36%。與100%N 處理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）均能增加甘藍(lán)產(chǎn)量，分別增加5 544、6 433 kg/hm2，增幅分別為7.16%、8.31%，其中配施商品有機肥處理（100%NO）甘藍(lán)產(chǎn)量高于配施生物炭處理（100%NB）889 kg/hm2。當(dāng)?shù)蕼p施15%時，配施生物炭（85%NB）和商品有機肥（85%NO）均能略微增加甘藍(lán)產(chǎn)量，較100%N 處理分別增加1 114、2 399 kg/hm2，增幅分別為1.44%、3.10%，其中配施商品有機肥效果優(yōu)于配施生物炭。當(dāng)?shù)蕼p施30%時，配施生物炭（70%NB）和商品有機肥（70%NO）的甘藍(lán)產(chǎn)量分別低于100%N 處理4 020、3 002 kg/hm2。以上表明，100%N 配施有機物料（生物炭和商品有機肥）能增加甘藍(lán)產(chǎn)量，當(dāng)?shù)蕼p施15%時，配施2 種有機物料均有穩(wěn)產(chǎn)或小幅增產(chǎn)的效果，其中商品有機肥效果優(yōu)于生物炭。

圖1 氮肥減施配施有機物料不同處理甘藍(lán)產(chǎn)量Fig.1 Cabbage yield under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.2 氮肥減施配施有機物料甘藍(lán)養(yǎng)分累積量

由圖2 可知，不同處理甘藍(lán)養(yǎng)分累積量不同。從氮素（N）累積量來看，0N 處理甘藍(lán)氮素累積量最低，為97.37 kg/hm2，較其他處理顯著降低53.76～81.33 kg/hm2，其中100%NB 和100%NO 處理的甘藍(lán)氮素累積量分別為175.62、178.70 kg/hm2，分別較100%N處理高14.02、17.10 kg/hm2；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB和85%NO處理甘藍(lán)氮素累積量與100%N處理相當(dāng)（差異不顯著）。從磷素（P2O5）累積量來看，100%NO 處理磷素累積量最高，達(dá)到45.08 kg/hm2，較其他處理高1.19～20.16 kg/hm2，其中100%NO 和100%NB 處理的甘藍(lán)磷素累積量較100%N 處理分別高6.92、5.73 kg/hm2；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB和85%NO 處理甘藍(lán)磷素累積量與100%N 處理相當(dāng)。從鉀素（K2O）累積量來看，100%N 處理鉀素累積量為175.04 kg/hm2，配施生物炭和商品有機肥后，鉀素累積量分別增加17.49、21.48 kg/hm2；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB 和85%NO 處理甘藍(lán)鉀素累積量與100%N 處理相當(dāng)；當(dāng)?shù)蕼p施30%時，甘藍(lán)鉀累積量較100%N 處理呈現(xiàn)降低的趨勢。從甘藍(lán)氮磷鉀累積來看，當(dāng)?shù)什粶p施時，配施生物炭和商品有機肥能提高甘藍(lán)養(yǎng)分累積量，以商品有機肥效果較好；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB和85%NO處理甘藍(lán)氮磷鉀累積量與100%N處理相當(dāng)，替代效果明顯。

圖2 氮肥減施配施有機物料不同處理甘藍(lán)養(yǎng)分累積量Fig.2 Nutrient accumulation of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.3 氮肥減施配施有機物料甘藍(lán)品質(zhì)

由表2 可知，不同處理的甘藍(lán)品質(zhì)不同。0N 處理可溶性糖含量最低，為23.83 g/kg，較其他處理顯著降低1.30～3.61 g/kg，其中100%NB 和100%NO 處理甘藍(lán)可溶性糖含量分別為27.31、27.44 g/kg，高于其他處理。硝酸鹽方面，與0N 處理相比，施肥能顯著降低甘藍(lán)硝酸鹽含量14.76～32.79 mg/kg；與100%N 處理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）能顯著降低甘藍(lán)硝酸鹽含量，分別降 低14.61、15.34 mg/kg；當(dāng) 氮 肥 減 施15% 時，85%NB和85%NO處理甘藍(lán)硝酸鹽含量與100%N處理相當(dāng)。Vc含量以0N處理最低，僅為604.33 mg/kg，較其他處理低19.06～46.75 mg/kg，各施肥處理之間差異不顯著。 與100%N 相比，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）分別能提高甘藍(lán)游離氨基酸含量36.78、39.69 mg/kg；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB 和85%NO 處理甘藍(lán)游離氨基酸含量與100%N 處理相當(dāng)。各處理蛋白質(zhì)含量差異不顯著，具體表現(xiàn)為施肥處理高于未施肥處理；同等氮肥用量下，配施有機物料處理高于未配施有機物料處理。綜上，當(dāng)?shù)什粶p施時，配施生物炭和商品有機肥能提高甘藍(lán)品質(zhì)，商品有機肥效果優(yōu)于生物炭；當(dāng)?shù)蕼p施15%后，85%NB 和85%NO 處理甘藍(lán)品質(zhì)與100%N處理相當(dāng)。

表2 氮肥減施配施有機物料不同處理甘藍(lán)品質(zhì)Tab.2 Quality of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.4 氮肥減施配施有機物料甘藍(lán)養(yǎng)分利用效率

農(nóng)學(xué)效率指單位施肥量所增加的作物籽粒產(chǎn)量，是評價肥料增產(chǎn)效應(yīng)較為準(zhǔn)確的指標(biāo)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最關(guān)心的經(jīng)濟指標(biāo)之一。吸收利用效率是指作物對施入土壤中肥料的回收效率，反映了作物對肥料的吸收狀況。由表3 可知，不同處理的氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率不同。從農(nóng)學(xué)效率來看，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）的甘藍(lán)氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率分別為138.39、207.59、138.39 kg/kg 和142.34、213.51、142.34 kg/kg，分別較100%N 處理顯著提高24.64、36.96、24.64 kg/kg 和28.59、42.88、28.59 kg/kg；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB 和85%NO 處理的甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率略高于100%N 處理，但差異不顯著；當(dāng)?shù)蕼p施30%時，70%NB 和70%NO 處理的甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率則低于100%N處理，替代效果為負(fù)效應(yīng)。從吸收利用效率來看，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）的甘藍(lán)氮、磷、鉀吸收利用效率分別為34.78%、12.65%、36.03% 和36.15%、13.44%、37.80%，分別較100%N 處理顯著提高6.23、3.82、7.78 個百分點和7.60、4.61、9.55 個百分點；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB 和85%NO 處理的甘藍(lán)氮磷鉀吸收利用效率略高于100%N 處理，但差異不顯著；當(dāng)?shù)蕼p施30%時，70%NB 和70%NO 處理的甘藍(lán)氮磷鉀吸收利用效率則低于100%N處理，替代效果為負(fù)效應(yīng)。

表3 氮肥減施配施有機物料不同處理甘藍(lán)的肥料利用效率Tab.3 Fertilizer utilization efficiency of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

以上結(jié)果表明，當(dāng)?shù)什粶p施時，配施生物炭和商品有機肥能提高甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率，以商品有機肥效果較好；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NB 和85%NO 處理甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率與100%N處理相當(dāng)，說明有機肥替代15%氮肥效果明顯，能提高肥料利用效率。

2.5 氮肥減施配施有機物料甘藍(lán)經(jīng)濟效益

由表4 可知，不同處理的甘藍(lán)產(chǎn)值和純收益不同。產(chǎn)值方面，與0N 處理相比，施氮處理的甘藍(lán)產(chǎn)值增加23 732～35 230元/hm2，增幅為41.61%～61.77%。與100%N 相比，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）的甘藍(lán)產(chǎn)值分別增加6 099、7 077元/hm2，增幅分別為7.16%、8.31%；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NO 和85%NB 處理甘藍(lán)產(chǎn)值分別為87 826、86 412 元/hm2，與100%N 處理甘藍(lán)產(chǎn)值差別不大；當(dāng)?shù)蕼p施30%時，甘藍(lán)產(chǎn)值表現(xiàn)為降低。

表4 氮肥減施配施有機物料不同處理甘藍(lán)經(jīng)濟效益Tab.4 Economic benefits of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic material

扣除肥料和有機物料（生物炭和商品有機肥）成本后，施氮處理的甘藍(lán)純收益分別較0N 處理高22 247～33 651 元/hm2，增幅為40.68%～61.54%。與100%N 處理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）甘藍(lán)純收益分別增加5 299、6 476元/hm2，增幅為6.47%、7.91%，以商品有機肥為優(yōu)；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，85%NO 和85%NB 處理甘藍(lán)純收益分別為84 045、82 431元/hm2，略高于100%N 處理的甘藍(lán)純收益；當(dāng)?shù)蕼p施30%時，70%NO 和70%NB 處理甘藍(lán)純收益較100%N 處理低3 609、4 928元/hm2。

3 結(jié)論與討論

3.1 有機物料替代的產(chǎn)量效應(yīng)

甘藍(lán)是貴州高山冷涼蔬菜區(qū)的主要蔬菜作物之一，該地區(qū)海拔相對較高，氣候較為冷涼，晝夜溫差較大，特別適合甘藍(lán)生長，因此，甘藍(lán)等反季節(jié)冷涼蔬菜種植面積不斷擴大[24]。作為貴州農(nóng)業(yè)的特色土壤，黃壤有機質(zhì)含量偏低，養(yǎng)分含量低，質(zhì)地黏重，保水保肥能力相對較差。提高糧食作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點，生產(chǎn)者為提高作物產(chǎn)量往往會過量施用氮肥，而長期施用過量氮肥會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量降低、土壤板結(jié)、環(huán)境污染、作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低以及肥料利用率降低[25-27]。養(yǎng)分資源合理利用是推動貴州黃壤農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[28]。生物炭和商品有機肥中不僅含有豐富的氮磷鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分，還為土壤微生物提供碳源，提高微生物活性和多樣性，同時還能增加土壤孔隙度和團聚體含量等，促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和作物對養(yǎng)分的吸收[29-31]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)什粶p量時，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）均能提高甘藍(lán)產(chǎn)量，以配施商品有機肥處理最優(yōu)，較配施生物炭處理高889 kg/hm2；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，配施2種有機物料（85%NO、85%NB）均能起到穩(wěn)產(chǎn)或略微增產(chǎn)的效果，這與前人在黑鈣土[32]、紫色土[33]、灰漠土[15]等不同類型土壤上的研究結(jié)果一致，表明無論在任何類型土壤中配施有機物料，均有替代部分氮肥的效果。但有機物料替代氮肥并非越多越好，本研究條件下，當(dāng)?shù)蕼p施30%時，即使施用生物炭和商品有機肥，甘藍(lán)也出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象。究其原因，一方面是養(yǎng)分未達(dá)到甘藍(lán)生長所需，另一方面是有機物料屬于緩效肥料，養(yǎng)分釋放緩慢，肥效遲緩，導(dǎo)致當(dāng)季作物可利用的有效氮缺乏[34]。

3.2 有機物料配施下的作物養(yǎng)分利用效率

農(nóng)學(xué)效率、吸收利用效率是表達(dá)肥料利用率的常用指標(biāo)，與產(chǎn)量、施肥量和土壤肥力水平關(guān)系最為密切[1，35]。農(nóng)學(xué)效率是表征肥料增加產(chǎn)量效益的參數(shù)，可以很好地反映肥料的利用效率，最大限度地利用肥料農(nóng)學(xué)效率是實現(xiàn)肥料高效利用的重要措施；吸收利用效率是反映作物對肥料吸收與利用的主要指標(biāo)。施肥可有效提高作物產(chǎn)量，但過量施肥則不利于產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率的提高，減少化肥施用是提高養(yǎng)分利用效率的有效途徑?，F(xiàn)代作物生產(chǎn)系統(tǒng)的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素吸收利用效率分別可以達(dá)到20～35 kg/kg 和30%～50%[36]。本研究條件下，當(dāng)?shù)饰礈p施時，配施生物炭（100%NB）和商品有機肥（100%NO）甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率均呈現(xiàn)增加趨勢；當(dāng)?shù)蕼p施15%時，配施有機物料（85%NO、85%NB）的甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率與100%N 處理相當(dāng)，甚至略高，這與前人的研究結(jié)果[37]一致。表明在本研究條件下，外源有機物料替代15%的氮肥是可行的，但當(dāng)?shù)蕼p施30%時，即使施用生物炭（70%NB）和商品有機肥（70%NO），甘藍(lán)氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率和吸收利用效率均存在降低趨勢，替代效果為負(fù)效應(yīng)。商品有機肥和生物炭屬于有機物質(zhì)，施用后養(yǎng)分釋放緩慢，對作物產(chǎn)量的促進程度取決于其性質(zhì)、施用量以及施用年限[38-41]。因此，下一步擬通過多年定位試驗準(zhǔn)確判定有機物料的替代效應(yīng)。

3.3 結(jié)論

基于本試驗，在貴州高山冷涼蔬菜區(qū)，有機物料（生物炭和商品有機肥）配施均能替代15%化學(xué)氮肥且能保障甘藍(lán)產(chǎn)量和品質(zhì)，商品有機肥替代效果優(yōu)于生物炭。建議該地氮肥投入量為191.25 kg/hm2，同時配施6 000 kg/hm2有機物料，且有機物料以商品有機肥為宜。