有機(jī)肥替代無機(jī)氮對菠菜生長及氮利用效率的影響

李嵐坤 吳杰 常會慶 李長青 朱鴻雁 張超

摘要：明確有機(jī)肥替代氮肥對菠菜生長及氮素利用的影響，可為菠菜等蔬菜生產(chǎn)過程中減肥增效提供方案和依據(jù)。采用盆栽試驗(yàn)，等氮量進(jìn)行豬糞有機(jī)肥（10%、25%、50%、100%）氮素替代研究。結(jié)果表明，與單施化肥相比，25%的豬糞有機(jī)肥替代氮肥處理后菠菜顯著增產(chǎn)36.57%，硝酸鹽含量隨著氮素替代比例的增加而降低，且當(dāng)?shù)靥娲_(dá)50%時(shí)，會顯著降低菠菜中的硝酸鹽含量；各有機(jī)肥替代處理均可提升土壤全氮含量，增量范圍為6.69%～27.97%；氮素替代比例為10%和25%時(shí)，土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均比單施化肥處理升高。豬糞替代氮肥比例為25%時(shí)，氮素收獲指數(shù)較單施化肥增加3.14%，且在該替代比例下，有利于氮素從地下部向地上部的轉(zhuǎn)移積累，導(dǎo)致土壤氮素生產(chǎn)率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均顯著增加。因此，從產(chǎn)量和氮肥利用率等方面綜合考慮，25%的豬糞有機(jī)肥替代氮肥比例適合在該蔬菜生產(chǎn)上推廣。

關(guān)鍵詞：菠菜；有機(jī)肥；氮肥；替代；氮素利用率

中圖分類號：S636.106 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）08-0139-06

基金項(xiàng)目：第四批“智匯鄭州·1125聚才計(jì)劃”；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：2017YFD0801304）。

作者簡介：李嵐坤（1998—），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事環(huán)境污染修復(fù)研究。E-mail：1362444583@qq.com。

通信作者：常會慶，博士，教授，主要從事環(huán)境污染修復(fù)與廢棄物資源化利用研究。E-mail：hqchang@126.com。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于傳統(tǒng)的“高投入高收獲”施肥觀念，導(dǎo)致化肥用量逐年上升，過量施用氮肥會降低肥料利用率和作物品質(zhì)，也增加了作物生產(chǎn)成本，對環(huán)境造成負(fù)面影響［1-2］。我國的肥料利用率相對較低，大多數(shù)蔬菜氮肥利用率僅20%左右［3］，谷物更是低于世界平均水平20%～30%［4］。為此，我國制定了到2020年化肥使用量零增長行動方案，目的在于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥用量，提高作物對養(yǎng)分的吸收效率，同時(shí)減少過量施用化肥所產(chǎn)生的面源污染。

近年來，有機(jī)-無機(jī)肥配施已經(jīng)成為降低化肥用量、提高肥料利用率的主要手段［5-6］。研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜生產(chǎn)中將有機(jī)肥適量配合化肥施用，可以提升蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)和化肥利用率［7］。化肥減施25%～40%并不會對蔬菜產(chǎn)量造成顯著影響［8-9］，減施20%～30%的條件下配施有機(jī)肥，對作物產(chǎn)量也無影響［10-11］。有機(jī)肥的配施還具有提高土壤肥力以及微生物群落多樣性等功效［12-13］。

通過測算，我國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞污年產(chǎn)量39億t，主要作物秸稈產(chǎn)量達(dá)9億t［14］，豐富的肥源為有機(jī)替代提供可能性。2017年我國發(fā)布了開展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動方案，鼓勵(lì)有機(jī)肥在上述經(jīng)濟(jì)作物的替代施用。但由于有機(jī)肥體積大、價(jià)格低，運(yùn)輸范圍小等缺點(diǎn)，決定了其區(qū)域化適用特點(diǎn)。而不同地區(qū)有機(jī)肥原料各異，施用土壤、作物類型不同，使有機(jī)肥替代化肥的合理比例存在差異［15-16］，而確定合理化肥替代比例是決定作物產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分利用效率的關(guān)鍵依據(jù)。因此，利用當(dāng)?shù)刂饕挠袡C(jī)肥源，在等氮條件下，開展有機(jī)肥替代氮肥對菠菜生長和氮素利用效率影響研究，以期對當(dāng)?shù)厥卟说冉?jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)過程中有機(jī)肥合理替代氮肥提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試豬糞有機(jī)肥取自洛陽某有機(jī)肥廠，其中豬糞是經(jīng)過立式好氧發(fā)酵罐高溫發(fā)酵的產(chǎn)物；供試土壤為石灰性褐土，取自河南科技大學(xué)農(nóng)場。供試材料性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，設(shè)不施肥處理（CK），100%化肥處理（NPK），在等氮條件下豬糞氮素替代氮肥的占比分別為10%、25%、50%、100%的4個(gè)處理（OZ1、OZ2、OZ3、OZ4），共6個(gè)處理。將上述土壤風(fēng)干、過篩后，取2 kg土壤于高20 cm，直徑20 cm塑料盆中，每kg土壤的施肥量為N：0.27 g，P2O5：0.13 g，K2O：0.25 g，按上述氮肥替代比例施用有機(jī)肥與化肥并混合均勻。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列在溫室中。以四季大葉菠菜為供試品種，試驗(yàn)從2019年9月播種，等幼苗生長1周后，每盆留2株，在2019年11月中旬收獲。

1.3 樣品采集與測定

在菠菜旺產(chǎn)期采集土壤和菠菜樣品，其中土壤樣品風(fēng)干后分別過0.85、0.15 mm土篩后備用。土壤基本理化性質(zhì)的測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［17］。菠菜收獲后進(jìn)行鮮質(zhì)量測定，硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定［18］。剩余植物樣品在烘箱105 ℃下殺青30 min后，65 ℃烘干至恒質(zhì)量，測地上部、地下部干質(zhì)量。采用葉綠素儀測定葉綠素含量，測定部位為中部葉片的上中下3個(gè)部位，取其平均值。

1.4 氮素利用率

氮素收獲指數(shù)［19］=地上部氮素積累量（mg）/植株氮素積累量（mg）；

土壤氮素生產(chǎn)率［20］（g/g）=地上部鮮質(zhì)量/播種前土壤總氮；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率［21］（g/g）=（施氮處理產(chǎn)量-無氮處理產(chǎn)量）/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力［19，21］（g/g）=施氮處理產(chǎn)量/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，選用Duncans法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），Origin 2019進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代氮肥對菠菜產(chǎn)量、葉綠素含量的影響

有機(jī)肥替代氮肥的OZ1、OZ2、OZ3處理與NPK相比，菠菜產(chǎn)量分別增產(chǎn)12.74%、36.57%、7.48%，但僅OZ2處理增產(chǎn)效果顯著。有機(jī)肥100%替代無機(jī)氮肥的OZ4處理較CK增產(chǎn)，但與NPK相比顯著減產(chǎn)48.95%。試驗(yàn)中當(dāng)有機(jī)替代占比超過25%以后，菠菜產(chǎn)量將會逐漸降低。菠菜葉綠素含量跟產(chǎn)量變化趨勢類似。與NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3處理的葉綠素含量分別增加2.81%、4.24%、0.35%，都未達(dá)到顯著差異。OZ4的葉綠素含量同樣較CK增加，而較NPK顯著降低21.02%（表2）。

2.2 有機(jī)肥替代氮肥對菠菜硝酸鹽含量影響

蔬菜品質(zhì)的高低往往與硝酸鹽含量有關(guān)，本研究中隨著豬糞替代比例的增加，菠菜硝酸鹽含量逐漸降低（圖1）。與單施化肥NPK相比，有機(jī)肥替代部分無機(jī)氮肥的OZ1、OZ2、OZ3處理，其硝酸鹽含量分別降低0.81%、15.03%、47.51%，其中OZ3處理的硝酸鹽含量顯著降低，其硝酸鹽含量為 1 440.57 mg/kg，但與不施肥CK的硝酸鹽含量相比沒有顯著性差異。與NPK處理相比，有機(jī)肥100%替代無機(jī)氮肥的OZ4處理，其硝酸鹽含量顯著降低67.72%。由此可知，當(dāng)有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥的比例超過50%以后，有利于菠菜中硝酸鹽含量降低。

2.3 有機(jī)肥替代氮肥對土壤氮素的影響

有機(jī)肥替代氮肥會使土壤全氮含量高于CK或NPK處理（圖2）。與NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3、OZ4處理的全氮含量分別增加了6.69%、8.49%、8.25%、27.97%，其中僅OZ4處理顯著增加。

有機(jī)肥替代氮肥后，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量比不施肥CK處理均有上升（圖3、圖4）。與NPK相比，OZ1、OZ2處理的銨態(tài)氮含量分別增加15.06%、5.56%，而OZ3處理的銨態(tài)氮含量則是減少3.68%。OZ1、OZ2、OZ3處理的土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量變化趨勢相同，其中OZ1、OZ2處理的硝態(tài)氮含量較NPK分別增加115.96%、13.82%，而OZ3處理的硝態(tài)氮含量則減少9.67%。與NPK相比，有機(jī)肥100%替代氮肥的OZ4處理，土壤銨態(tài)氮含量增加2.98%；而土壤硝態(tài)氮含量則降低13.82%，但未達(dá)到顯著差異。

2.4 有機(jī)肥替代氮肥對氮素利用的影響

由表3可知，有機(jī)肥替代氮肥的各處理，菠菜地上部、地下部的氮積累量均比CK高，但與NPK處理相比，地上部、地下部的氮積累量的變化趨勢并不相同。其中，OZ1、OZ3處理的氮積累量減少3.98%、13.80%，而OZ2處理的地上部氮積累量則顯著增加20.67%。OZ1、OZ2、OZ3處理的地下部氮積累量較NPK處理分別減少13.42%、23.53%、21.93%。OZ4處理的地上部、地下部氮積累量分別較NPK處理顯著降低72.37%、54.86%。

氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)率分別反映了作物吸收氮素后在植株中的分配比例和作物吸收氮素后形成地上部產(chǎn)量的能力［19，22］。由表3可知，與NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3處理的氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率分別增加1.10%、3.14%、0.76%和12.74%、36.57%、7.48%，其中僅OZ2處理的氮素生產(chǎn)率與NPK處理顯著差異。OZ4處理的氮素收獲指數(shù)、生產(chǎn)率均低于NPK處理，分別顯著減量4.49%、48.95%?？梢?，當(dāng)有機(jī)肥替代部分無機(jī)氮肥時(shí)，氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率均比NPK有所增加，而有機(jī)肥100%替代化肥氮處理中，不利于氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率的提高。

氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力可以表征作物對氮肥吸收和利用的程度［21］。與單施化肥NPK處理相比，OZ2、OZ3處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均有所升高（表3），2個(gè)指標(biāo)的增量分別為64.04%、7.17%和32.80%、3.67%；而OZ1處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力與NPK處理相比，降低了11.37%、5.82%。有機(jī)肥100%替代無機(jī)氮肥（OZ4）處理與NPK處理相比，氮肥農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力分別顯著降低77.90%、39.91%。

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代氮肥對蔬菜產(chǎn)量及硝酸鹽含量的影響

蔬菜施肥過程中，合理的有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥能夠更好地促進(jìn)蔬菜的生長發(fā)育，提高產(chǎn)量［15-16］。但過高的有機(jī)肥替代化肥比例會使蔬菜的生長受到嚴(yán)重抑制甚至導(dǎo)致植株死亡［23-25］。趙明等在等氮量有機(jī)肥替代化肥對大白菜生長影響的研究發(fā)現(xiàn)，不高于60%的替代比例能夠增加產(chǎn)量，而60%以上的有機(jī)肥替代化肥比例則抑制了大白菜的生長［24］。等氮量條件下，有機(jī)肥替代氮肥對番茄生長的影響也發(fā)現(xiàn)，60%以上的替代比例對番茄產(chǎn)生抑制作用［25］。本試驗(yàn)中有機(jī)肥100%替代無機(jī)氮肥不利于菠菜的生長，其植株產(chǎn)量和葉綠素含量均較單施化肥NPK處理降低，而10%、25%、50%的替代比例則有利于提高葉綠素含量，促進(jìn)菠菜干物質(zhì)積累，尤其在替代比例為25%時(shí)，菠菜產(chǎn)量和葉綠素含量最高。原因在于無機(jī)氮肥釋放快，能夠在前期促進(jìn)植株快速生長，但后期養(yǎng)分供應(yīng)乏力，而單純施用有機(jī)肥，其養(yǎng)分釋放緩慢容易造成植株前期養(yǎng)分供應(yīng)不足從而導(dǎo)致植株矮?。?3，26］；2種肥料的合理配比則保證了菠菜生長過程中的養(yǎng)分供應(yīng)，提高和維持蔬菜葉片光合性能和葉綠素含量，促進(jìn)植株干物質(zhì)累積，從而增加產(chǎn)量［27-28］。

相關(guān)研究表明，過量施用化肥往往導(dǎo)致蔬菜中硝酸鹽含量增加，在化肥減量的同時(shí)進(jìn)行有機(jī)肥替代，能夠減少蔬菜中的硝酸鹽含量，進(jìn)而提升蔬菜品質(zhì)［29］，但過高的有機(jī)肥替代比例可能會使蔬菜的產(chǎn)量降低，同時(shí)存在著一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)［30］。本試驗(yàn)中，有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥的各處理中，菠菜硝酸鹽含量均小于3 000 mg/kg，符合GB 18406.1—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害蔬菜安全》要求。當(dāng)有機(jī)替代的比例超過50%時(shí)，菠菜中硝酸鹽含量較100%化肥處理（NPK）顯著降低。蔬菜體內(nèi)硝酸鹽的累積是在氮素供應(yīng)過量的情況下的奢侈吸收，此時(shí)蔬菜會快速吸收硝態(tài)氮，開始累積硝酸鹽［31］。因此，有機(jī)肥代替化肥施用可以作為降低蔬菜植株內(nèi)硝酸鹽含量的有效措施［32］。

3.2 有機(jī)肥替代氮肥對土壤氮素含量的影響

研究表明，有機(jī)肥可以活化土壤養(yǎng)分、改良土壤理化性狀，有機(jī)肥和化肥配施后，土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量高于不施肥或單施化肥處理［33-35］。但也有研究表明，有機(jī)肥、無機(jī)肥配施在作物收獲時(shí)，土壤硝態(tài)氮含量雖會高于不施肥處理，但會低于單施化肥處理［36］。本試驗(yàn)中，10%、25%、50%、100%的有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥處理與不施化肥（CK）和單施化肥（NPK）處理相比，土壤全氮含量均會提升，原因在于有機(jī)肥的施用不僅會大量增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，還會提升促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的微生物和酶的活性，從而提高土壤全氮含量［37-38］。當(dāng)有機(jī)替代的比例為10%、25%時(shí)，土壤的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均比單施化肥處理升高；當(dāng)有機(jī)替代比例升高時(shí)，二者的變化并不相同，原因在于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在土壤中的含量與作物生長條件、灌溉方式以及土壤性質(zhì)等有關(guān)［39］，另外與有機(jī)肥替代部分無機(jī)肥增加了土壤團(tuán)聚化程度，從而降低有效態(tài)氮素在土壤中的累積有關(guān)［40］。因此，本試驗(yàn)中關(guān)于有機(jī)肥替代氮肥引起土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的變化機(jī)制有待進(jìn)一步研究闡明。

3.3 有機(jī)肥替代氮肥對氮素利用效率的影響

我國作物生產(chǎn)普遍存在氮肥利用率低的問題，而降低氮肥的損失、優(yōu)化土壤氮素供應(yīng)和作物氮素吸收的協(xié)同關(guān)系是提升氮肥利用率的重點(diǎn)［22］。研究表明，在等氮條件下，適量比例的有機(jī)替代可以顯著提高作物氮肥利用率。趙易藝等在等氮條件下種植小白菜，發(fā)現(xiàn)化肥處理的氮肥利用率僅為16.78%，而有機(jī)替代處理的氮肥利用率高達(dá)56.10%［41］。羅佳等研究了3種有機(jī)肥在等氮條件下替代無機(jī)肥的氮肥利用率，發(fā)現(xiàn)其農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于單施化肥處理［42］。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與單施化肥（NPK）處理相比，25%、50%有機(jī)替代處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力均有所升高，而10%、100%有機(jī)替代處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力有所降低。因此只有在適當(dāng)比例的有機(jī)、無機(jī)肥配施條件下，才有利于促進(jìn)土壤微生物將有機(jī)肥中的氮素逐漸轉(zhuǎn)化為速效氮供作物吸收利用，保證作物生長過程中的氮素的供應(yīng)需求和利用效率［43-44］。

氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)率同樣可以表征植物對氮素的利用效率。有機(jī)肥替代化肥進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率高于不施肥或單施化肥處理［45］，但100%比例的有機(jī)肥替代氮肥處理則是會降低氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率［22］。本試驗(yàn)表明，與CK、NPK處理相比，25%的有機(jī)肥替代氮肥時(shí)的氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率最高，而且地上部氮素積累量較高的處理其氮素收獲指數(shù)和生產(chǎn)率也較高。究其原因，化肥能夠在蔬菜生長前期刺激土壤微生物，促進(jìn)其加快分解有機(jī)質(zhì)，從而給作物帶來更多有效的養(yǎng)分促進(jìn)生長［46］。而有機(jī)肥則會在蔬菜生長前期促進(jìn)土壤微生物對氮素的固持，在土壤中保存更多的氮素以供應(yīng)蔬菜生長后期的吸收和利用［47］。即適量比例的有機(jī)替代施肥方式更能匹配蔬菜在不同生長階段對養(yǎng)分的需求。另外，由于本試驗(yàn)只是一茬的研究結(jié)果，后續(xù)還須通過多茬的試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證合理的有機(jī)肥替代氮肥比例，以便更有效提高氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)率。

4 結(jié)論

菠菜施肥中適量比例的有機(jī)肥替代氮肥既能提高產(chǎn)量、降低硝酸鹽含量，又可提升土壤氮素水平和氮肥利用率。與單施化肥相比，在等氮量的條件下，有機(jī)肥替代氮肥比例為25%時(shí)，菠菜產(chǎn)量和葉綠素含量最高；替代比例為50%時(shí)菠菜硝酸鹽含量顯著降低；有機(jī)肥100%替代氮肥會使菠菜產(chǎn)量降低；各有機(jī)肥替代氮肥處理均可以提升土壤全氮含量，當(dāng)有機(jī)肥替代氮肥比例為10%、25%時(shí)均可以使土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量比單施化肥處理增加。有機(jī)肥替代氮肥為25%時(shí)，土壤氮素生產(chǎn)率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于單施化肥的處理。因此，從產(chǎn)量和氮肥利用率等方面考慮，25%的有機(jī)肥替代氮肥比例適合在生產(chǎn)上推薦施用，但本結(jié)果為盆栽試驗(yàn)，在田間實(shí)踐推廣時(shí)有待大田試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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