有机种植条件下水肥管理对番茄品质和土壤硝态氮累积的影响

唐 政,李虎,邱建军*,王立刚,邹国元

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100081;2贺州学院,广西贺州542800;3北京市农林科学院植物营养与资源研究所,北京100097)

近年来,我国有机农业发展迅速,到2008年,全国经认证的有机种植耕地和有机牧场面积达233.8万公顷,已成为亚洲最大的有机食品生产基地[1]。在解决食物总量的同时,如何提高蔬菜等重要食物的品质及保证其安全已经成为全社会关注的热点问题。蔬菜品质性状不仅与其遗传特性有关,同时还在很大程度上受管理措施、栽培环境等的影响,其中以灌溉、施肥对蔬菜品质的影响尤为显著[2]。虽然在有机种植模式中,对有机肥施用量及其有害物质的含量要求都非常严格,但由于各地种植条件、土壤肥力上的差异,对其投入量还没有形成明确的、统一的规定[2]。而且,有机蔬菜的价格一般为其他同类产品的数倍,在高收益的刺激下,过量施肥、灌水现象普遍存在,这种管理措施在北京城郊的有机种植中尤其明显[4]。尽管人们已经认识到过量施肥、灌溉会降低菜田土壤水肥利用效率、对蔬菜品质带来不良影响以及环境污染等问题[5-6],对有机肥安全施用也进行了大量的研究,但多集中在常规种植条件下有机肥的无害化处理、高效利用与环境污染风险评估等方面[7-9],对有机种植条件下有机肥对蔬菜品质的影响、水肥调控以及环境影响等方面的相关报道却相对较少。因此,本研究以北京郊区有机种植条件下的番茄为例,研究了不同有机肥施用量与不同灌溉量组合管理措施对番茄品质、产量以及土壤硝态氮累积的影响,以探求有机蔬菜种植合理的水肥管理措施,在确保产量的前提下,提高蔬菜品质并且降低土壤氮素残留,为有机蔬菜的科学种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2008年3月至7月在北京大兴区某生态农场试验基地进行。该试验地土壤为潮土,耕作层(0—20 cm)土壤有机质含量为23.2 g/kg、pH值为7.68、全氮 1.4 g/kg、有效磷 60.16 mg/kg、速效钾132.68 mg/kg、硝态氮 18.13 mg/kg、铵态氮 3.23 mg/kg。

试验采用裂区设计,以灌溉量为主处理:设常规灌溉(H),为农场的习惯灌溉量,即总灌溉量1200 mm;减量灌溉(L),灌溉总量为700 mm,比农场常规灌溉量少42%。在整个试验期分7次灌溉,均为大水畦间灌溉。以施肥量为副处理:设不施肥对照(CK);减半施肥(N1),即农场习惯施肥量的一半,为35 t/hm2(合干基14 t/hm2,OFDC要求有机肥不超过15 t/hm2[10]);常规施肥(N2),即农场习惯施肥量,为70 t/hm2。小区面积6 m×5 m。每个处理3次重复。供试番茄品种为中农101。灌溉用水为深层地下水,水中硝态氮含量2.96 mg/L,铵态氮含量0.26 mg/L,磷、钾、铬、镉含量未检出。供试肥料是由鸡粪、猪粪、秸秆等经过堆肥处理的精制商品有机肥,其含水量为 40%,N、P2O5、K2O含量分别为1.71%、1.99%、0.45%,有机质含量30.6%。供试土壤与肥料中重金属含量如表1所示,均达到了相应的有机种植对土壤环境和有机肥的要求。

表1 供试土壤与肥料中重金属含量(mg/kg)Table 1 Heavy metal contents in the experimental soil and organic fertilizer

1.2 测定项目与方法

每次采摘时,记录每小区每次采摘的番茄重量,最后累积测产。每小区随机抽取50个番茄,用游标卡尺测量番茄的纵径、直径,并用天平称量其重量。中期穗果采摘时,每小区随机采摘500～1000 g鲜样,用于实验室测定品质。可溶性蛋白用考马斯亮蓝法测定;还原型Vc用2,6-二氯靛酚法;可溶性糖用蒽酮法;可溶性固形物用阿贝折光仪法测定;可滴定酸度含量采用标准滴定法;硝酸盐含量用紫外分光光度法;番茄红素用高效液相色谱法;果实中重金属含量采用石墨炉原子吸收法。

在试验前和收获后的2 d内,于0—20、20—40、40—60、60—90、90—120、120—150、150—180、180—200 cm共8个层次用5点取样法采取土样,每个小区同层的土壤充分混合均匀。过2 mm筛后,用2 mol/L的KCl溶液浸提,过滤后用Flastar 5000 Analyzer型连续流动分析仪测定硝态氮含量。

试验数据用SPSS统计软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 对感观品质及产量的影响

施用有机肥对番茄产量有明显的增产效果,但各施肥处理间未达显著差异水平(表2)。在相同的灌溉条件下,施肥量减半的处理(N1)都低于常规施肥处理(N2)。在相同的施肥条件下,常规灌溉处理(H)的产量较高,而且随施肥量的增加,两者之间的差别也从1.25 t/hm2增至5.2 t/hm2。

表2 不同水肥配置下番茄的外观品质与产量Table 2 Effects of different treatments on the yield and surface quality of tomato

表2表明,施用有机肥明显提高了果实的重量,但施肥的各处理间相差不大;单果大小也呈现类似结果;其中HN1番茄单果的直径和重量最大。说明在习惯施肥的基础上施肥量减半不会明显降低番茄的产量,也不会降低单果的大小与重量。

2.2 对营养品质的影响

表3显示,番茄红素含量表现为:LN1＞HN1＞LN2＞HN2＞LCK ＞HCK的趋势,且与施肥量有密切关系。N1各处理与N2各处理之间差异显著,同一施肥条件下,两种灌溉处理间的差异不显著。说明施肥量对番茄红素的含量有重要影响,适当施肥可以有效提高番茄红素含量,而过量施肥则会降低。Vc含量呈现减量施肥高于常规施肥处理,低量灌溉高于常规灌溉处理的趋势。不同处理的可溶性固形物含量的变化不大,在4%～4.7%之间。在减量灌溉条件下,3种施肥处理间的可溶性蛋白含量差异显著;而在常规灌溉处理下,N2高于N1和CK,且有显著差异,但N1与CK差别不大。说明增加有机肥的施用量对增加可溶性蛋白含量有积极的作用。

从番茄的糖酸比值看,糖酸比值最大的为HN1处理,达8.2,其次是 LN1,为 8.1;LN2与HN2处理的糖酸比最低,分别为6.65和6.55。在相同的灌溉条件下,CK、N1、N2处理间番茄糖酸比存在显著性差异;而在相同的施肥条件下,减量灌溉处理的糖酸比稍低于常规灌溉处理。可见,适量有机肥可以提高番茄果实的糖酸比,过量施肥则降低了番茄果实的糖酸比;施肥量不同可以显著影响番茄糖酸比值。糖酸比相差 1%的果实,其食味就有显著差异[11]。依照这个标准,也可以推断,常规施肥处理下的番茄风味和口感明显不同于减半施肥量处理。

表3 不同水肥配置下番茄的营养品质Table 3 Effects of different treatments on the nurture components of tomato

2.3 对卫生品质的影响

蔬菜的卫生品质主要包括硝酸盐累积、重金属含量等主要指标。如表4所示,从硝酸盐含量上看,除了HN1处理外,其他处理均已超过了国家限量指标(GB19338-2003)。这说明,在常规灌溉条件下,减半有机肥投入量可以抑制番茄中硝酸盐的累积。从重金属的累积上看,各处理的镉、锌含量都超标,而且常规灌溉下各处理大于减量灌溉下相应的各处理。结合表1可以发现,有机肥与土壤中的锌、镉、铬含量较高,可能是造成超标的一个重要因素。常规施肥处理还导致铬含量超标,而且呈现LN2＞HN2的结果,说明在有机肥大量投入下降低灌溉量有促进番茄中铬累积的风险。

表4 不同水肥配置下番茄的卫生品质Table 4 Effects of different treatments on the food sanitation of tomato

2.4 番茄收获后0—200 cm土壤中NO-3-N含量的变化

番茄收获后,在表层0—20 cm的土层中,HN2、LN2处理的NO-3-N浓度迅速增加(图1),分别为58.06和40.43 mg/kg,是试验前的3.2倍和2.23倍;HN1与LN1处理分别为21.34和26.41 mg/kg,与试验前差异不明显。说明在当地农民习惯的常规施肥条件下,在土壤表层0—20 cm处有NO-3-N大量累积;累积量不仅与施肥量呈正相关,也随灌溉量的增加而增大,降低灌溉量在一定程度上也能减少NO-3-N的累积。在常规施肥的基础上减半施肥量,对降低土壤中硝态氮的累积有良好效果。随着施肥量的减少,减量灌溉对土层中NO-3-N浓度的影响也相应降低,HN1与LN1、HCK与LCK处理之间的差异分别为5.07和0.92 mg/kg,远远小于HN2与LN2处理之间的差异17.53 mg/kg。

在20 cm以下的各土层中,各处理间的NO-3-N浓度与试验前差别不大,这与试验时间不够长,施肥灌溉还不足以影响地下层次硝态氮浓度有关。但在持续种植条件下,表层累积的大量NO-3-N为向下淋洗提供了必要条件,成为潜在的污染源。减半施肥量处理与试验前土壤表层中NO-3-N浓度大致保持在相同水平,可以减少持续种植下的氮素淋洗风险。可见,在当前的常规施肥条件下,有机肥施用量减半是比较合适的。

图1 试验前后土壤0—200 cm硝态氮含量变化Fig.1 Dynamics of NO-3-N accumulation in 0-200 cm soil profile under different treatments

3 讨论

在有机种植中能否保持高产量是种植者最关心的问题。谢永利[3]连续4年的试验结果表明,有机种植模式与常规种植模式下,番茄平均产量分别为88.41和81.2 t/hm2,两者无显著差异,而且有机种植模式下产量稳定。刘宏斌等[12]对北京郊区露地栽培大白菜的研究表明,在施用有机肥N 120 kg/hm2的基础上施用化肥的增产效果不明显,反而对土壤中NO-3-N的累积效果显著。本研究结果表明,与农民习惯施肥量相比,施肥量减半处理(35 t/hm2)番茄产量并没有明显降低;同时减少常规灌溉量(华北地区蔬菜种植的一般灌溉量[13])的42%,在同等施肥条件下仍然对番茄产量、品质无显著影响。这说明当地有机种植中常规管理措施下的有机肥施用量和灌溉水量均过量。水肥的过量投入不但没有明显提高产量,反而对环境安全带来了一系列不良影响。本试验表明,常规施肥处理比减量施肥处理土壤中硝态氮的累积量明显增加,易造成氮素的淋溶损失,对水体造成潜在的污染风险。另外,减量施肥也能给种植者带来明显经济效益。依据2008年北京郊区番茄的市场收购价格1 yuan/kg,精制有机肥的价格300 yuan/t计算,减量和常规施肥处理获得的利润分别为96430和96230 yuan/hm2,施肥量减半处理下不仅肥料成本节约了10500 yuan/hm2,还增加了200 yuan/hm2的利润。

蔬菜品质的评价和相互比较向来是复杂而充满争议,即使是同一品种,也会因种植方式的不同而存在较大差异。如在有机种植和常规种植条件下,前者除蛋白质和胡萝卜素含量低于后者外,Vc、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn 等矿物质含量均高于后者[2]。即使在相同的有机种植条件下,增加土壤中微生物或改变电磁环境,都会对蔬菜的Vc和矿物质含量产生影响[14]。本研究看出,在相同灌溉条件下,施肥量减半处理可显著提高有机番茄的营养品质,有机番茄中番茄红素含量、Vc含量、可溶性糖类含量、可溶性固形物、糖酸比、单果重量与大小都优于其他组合。但是,由于蔬菜是易富集硝酸盐的一类植物,即使是在不施肥的情况下,设施蔬菜栽培也容易引起蔬菜硝酸盐大量累积[15]。因此,在常规施肥处理下,过量的有机肥投入会增加番茄中硝酸盐的含量,影响食用安全。由于本研究试验处理有限,要得到有机番茄的有机肥施用量和灌溉量的最优化组合,还有待进一步深入研究。

[1]IFOAM.The world of organic agriculture 2008[M].London:Earthscan,IFPAM and FIBL,2008.22-29,122-129.

[2]王立刚,李维炯,邱建军,等.生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的效应研究[J].土壤肥料,2004,(5):14-16.Wang L G,Li W J,Qiu J J et al.Effects of biological organic fertilizeron crops growth,soil fertility and yield[J].Soils Fert.,2004,(5):14-16.

[3]科技部中国农村技术开发中心组.有机农业在中国[M].北京:中国农业科学技术出版社,2006.Development Center for Rural Technology,Ministry of Science and Technology of China.Organic farming in China[M].Beijing:Chinese Agricultural Scitech Press.2006.

[4]谢永利.有机、无公害与常规蔬菜生产定位试验比较研究[D].北京:中国农业大学博士学位论文,2008.Xie Y L.The compared study on the experiment of organic,low-input and conventional vegetable production systems[D].Beijing:PhD dissertation,China Agricutural University,2008.

[5]李淑仪,郑惠典,廖新荣.有机肥施用量与蔬菜硝酸盐和重金属关系初探[J].生态环境,2006,14(6):307-313.Li S Y,Zheng H D,Liao X R.Relationship between the application rate of organic manure and content nitrate and heavy metals in vegetable[J].Ecol.Environ.,2006,14(6):307-313.

[6]张树清,张夫道,刘秀梅.规模化养殖畜禽粪便主要有害成分测定分析研究[J].植物营养与肥料学报,2005,l1(6):822-829.Zhang S Q,Zhang F D,Liu X M.Determinationand analysis on main harmful composition in excrement of scale livestock and poultry feedlots[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2005,l1(6):822-829.

[7]陆杰,魏晓平,张怀志.面源污染中畜禽有机肥磷的流失形态及其环境效应[J].中国人口·资源与环境,2006,16(5):130-134.Lu J,Wei X P,Zhang H Z.Phosphorus forms in livestock or poultry manure and environment affection[J].China Popul.,Resour.Environ.,2006,16(5):130-134.

[8]苏华,金宝燕,张福墁,任华中.施肥和灌溉对蔬菜品质影响的研究进展[J].中国蔬菜,2005,Z1:49-52.Su H,Jin B Y,Zhang F M,Ren H Z.Review of vegetable quality affected by fertilization and irrigation[J].China Veget.,2005,Z1:49-52.

[9]奚振邦,王寓群,杨佩珍.中国现代农业发展中的有机肥问题[J].中国农业科学,2004,37(12):1874-1878.Xi Z B,Wang Y Q,Yang P Z.The issue on organic manure in developing modern agriculture in China[J].Sci.Agric.Sin.,2004,37(12):1874-1878.

[10]国家环保总局有机产品认证中心.OFDC有机认证标准[DB/OL].2009.http://www.ofdc.org.cn/ofdc/download/product/uploadpic/2009518130354.pdf Organic Food Development and Certification Center.OFDC organic certification standards[DB/OL].2009.http://www.ofdc.org.cn/ofdc/download/product/uploadpic/2009518130354.pdf

[11]张丽华,韩永斌,刘桂玲.原汁比例对复合果蔬汁感官品质的影响[J].南京农业大学学报,2005,28(4):122-125.Zhang L H,Han Y B,Liu G L.Effects of reconstitution of fruit and vegetable juice on the sensory quality of final mixed juice[J].J.Nanjing Agric.Univ.,2005,28(4):122-125.

[12]刘宏斌,李志宏,张维理,林葆.露地栽培条件下大白菜氮肥利用率与硝态氮淋溶损失研究[J].植物营养与肥料学报,2004,10(3):286-291.Liu H B,Li Z H,Zhang H L,Lin B.Study on N use efficiency of Chinese cabbage and nitrate leaching under open field cultivation[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2004,10(3):286-291.

[13]何飞飞,任涛,陈清,等.日光温室蔬菜的氮素平衡及施肥调控潜力分析[J].植物营养与肥料学报,2008,14(4):691-698.He F F,Ren T,Chen Q et al.Nitrogen balance and optimized potential of integrated nitrogen management in greenhouse vegetable system[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2008,14(4):691-698.

[14]Daiss N,Lobo M G,Socorro A R.The effect of three organic preharvest treatments on Swiss chard quality[J].Eur.Food Res.Tech.,2008,226:345-353.

[15]王朝晖,李生秀,田霄鸿.不同氮肥用量对蔬菜硝态氮累积的影响[J].植物营养与肥料学报,1998,4(1):22-28.Wang Z H,Li S X,Tian X H.Influence of nitrogen rate on nitrate accumu1ation in vegetab1es[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,1998,4(1):22-28.