有机肥替代化肥对豫东地区上海青生长及氮磷利用的影响

刘沙沙，李 兵，张古彬，冯 翔，郭 林，李自涛，李志娟，王唯锦

（1河南省地质科学研究所，郑州450001；2河南省地球化学生态修复工程技术研究中心，郑州450001；3河南省地质调查院，郑州450001）

0 引言

种植和养殖是农村的支柱性产业，化肥过量使用、农产品品质下降和禽畜废弃物大量堆存等引起的问题逐渐显现[1-3]。以有机肥逐步替代化肥，实现种养结合，是实现化肥零增长和循环农业发展目标的重要途径[4-6]。蔬菜种植过程中施肥量多、灌溉量大，施肥不当容易造成土壤质量下降，影响农产品质量，大量养分流失还会对水环境构成严重威胁[7-8]。在保证蔬菜产量、质量和防治环境污染的前提下，如何合理利用有机肥，提高肥料利用率是急需解决的关键问题。

大量研究表明，有机肥替代化肥对农作物生长及品质具有促进作用[9-11]。刘苹等[12]调查结果显示，施加有机肥可显著提高蔬菜产量。沈明星等[13]研究表明，相比单施化肥，有机氮肥替代化肥可有效提高小白菜产量和品质，降低硝酸盐含量，提高维生素C含量。此外，有机肥替代效果受气候、土地利用类型和土壤理化性质等地域性因素影响[14-16]。胡留杰等[17]盆栽试验结果显示，上海青硝酸盐含量与土壤类型、猪粪施用量密切相关，黄壤的猪粪环境安全容量较紫色土高。韩晓飞等[18]针对紫色土旱坡地进行施加磷肥方式研究，认为化肥配施猪粪可使磷素流失消减48%。豫东地区是重要的种植区和禽畜养殖区，如何合理解决化肥过量和养殖废弃物有机肥合理利用问题至关重要。本研究选择当地典型种养结合区作为研究基地，采用田间小区方法，分析不同有机肥替代比例条件下蔬菜产量、品质、氮磷含量及利用率的变化特征，确定有机肥最佳替代比例，旨在为建立该区有机肥可持续消纳、减少面源污染提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在豫东地区某种养结合公司的蔬菜种植区(34.80°N、114.48°E)，引黄灌区；温带季风气候，平均气温14.50℃，年积温4700℃，年降水量627.50 mm，无霜期221 天。试验土壤类型以淡色潮湿雏形土为主，土壤母质为黄河冲积物，耕层多以轻壤土为主，80 cm以下以砂土为主。试验小区间土壤均匀，理化性质相似，分别采取0～20 cm耕层土壤测试理化性质，结果如表1所示。

表1 供试土壤理化性质表

根据当地叶菜种植情况，选择该地区种植范围较广的上海青作为试验对象，种植品种为郑州蔬菜研究所选育的高产品种‘002’。化肥采用氯化钾（K 含量60%）、过磷酸钙（P2O5含量12%）和尿素（N含量46%），有机肥采用蔬菜基地所属公司的养猪场猪粪经中温快速腐熟工艺无害化制造的有机肥，有效成分含量为2.07%N，1.05%P2O5和1.63%K。

1.2 试验方法

试验共设置6组处理，试验组施N量为20.00 gN/m2、9.68 gP2O5/m2和15.00 gK/m2。磷肥、钾肥和有机肥全部以基施的方式施入小区，50%尿素做基肥，50%尿素后期用做追肥。各组试验设置氮磷肥料种类所占比例分别为：CK 组不施肥，H1 组为 100%有机肥组，H2 组为25%化肥+75%有机肥，H3组为50%化肥+50%有机肥，H4 组为75%化肥+25%有机肥，H5 组为100%化肥组。

每组处理设置3 个平行，共18 个小区，每个小区面积9.0 m2(1.0 m×9.0 m)，随机排列。各小区周边采用土块夯实垒成宽50 cm、高20 cm 的田埂，将相邻小区隔开，也可作为菜田管理的人行过道。

1.3 样品采集与测试

2017 年 9 月 13 日播种，11 月 2 日采收测产。蔬菜收获时，对每一个小区的产量进行称重测产，同时，每个小区选取200 g均一成熟的蔬菜，沿土面剪取地上部分用作测试样品。采集至实验室的蔬菜样品使用自来水冲洗干净，再使用去离子水反复冲洗2～3遍，使用吸水滤纸吸干植物样表面水分。洗净后的植物样品经105℃烘干2 h，85℃烘干24 h 以上，测定干重及含水率。样品经浓硫酸-过氧化氢混合液消煮后，使用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，使用钒钼黄比色法测定全磷含量[19]。植物鲜样中硝酸盐和亚硝酸盐含量测试采用紫外分光光度法，可溶性糖含量采用沸水浸提蒽酮比色法测定[20-21]。

1.4 数据分析

数据处理采用Excel 作图和SPSS 10.0 进行统计分析，所列数据均为平均数。氮素/磷素吸收量及利用率计算如(1)～(2)[15]。

式中，Ai为第i组蔬菜对氮或磷元素的吸收量(g/m2)；Yi为第i组蔬菜产量，(kg/m2)；Ci为第i组蔬菜氮或磷元素含量(g/kg)；Ri为第i组蔬菜氮或磷元素表观利用率(%)；Di第i组氮或磷元素施加量(g/m2)；ACK为不施肥组的蔬菜氮或磷元素的吸收量(g/m2)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对上海青产量的影响

不同有机肥替代比例试验组的上海青产量如图1所示。未施加肥料的CK组产量为2.32 kg/m2，不同施肥组上海青增产范围为81.03%～102.59%。上海青产量的大小顺序依次为CK＜H1＜H5＜H4＜H3＜H2，施肥组间上海青产量差异较小。75%有机肥替代比例(H2)产量显著高于其他组(P＜0.05)，可达到4.70 kg/m2。

图1 上海青产量对比图

2.2 不同施肥处理对上海青品质影响

施肥方式是影响蔬菜营养品质的重要因素，可溶性糖含量是蔬菜营养品质的重要指标。各施肥组可溶性糖含量（图2）比对照组提高47.62%～128.57%。有机肥替代可显著提高可溶性糖含量。施加有机肥组(H1～H4)可溶性糖含量均高于单独施加化肥组(H5)，差异显著(P＜0.05)。其中，有机肥替代比例为75%(H2)时，上海青可溶性糖含量为0.64%，比化肥组提高54.96%。

图2 上海青可溶性糖含量对比图

各试验组上海青的硝酸盐及亚硝酸盐含量见图3所示。有机肥替代可显著降低蔬菜硝酸盐、亚硝酸盐含量。不同有机肥替代比例(H1～H4)上海青硝酸盐和亚硝酸盐含量较100%化肥组(H5)均显著降低(P＜0.05)。其中，H1～H4硝酸盐含量较化肥组最大可降低28.13%，但组间差异不显著。施肥组中H3 组亚硝酸盐含量最低，较化肥降低83.64%。

2.3 不同施肥处理对上海青氮磷含量影响

不同有机肥替代比例试验组上海青氮磷含量变化范围（图4）分别为26.85～49.08、6.27～10.57 g/kg。有机肥部分替代组(H2～H4)上海青氮磷含量显著高于化肥组(P＜0.05)。其中，75%有机肥替代比例组(H2)氮含量最高，较化肥组提高28.72%；50%有机肥替代比例组(H3)磷含量最高，较化肥组提高16.28%。

2.4 氮磷利用率对比

供试蔬菜氮肥和磷肥的吸收量及利用率见表2所示。相同施肥水平的H1～H5 组氮磷利用率大小顺序依次为配施组＞化肥组＞有机肥组。其中，配施组中H2 组有机肥替代比例为75%，氮肥利用率最大，可达到36.48%，为化肥组(H5)氮利用率的1.64倍。有机肥替代比例为50%组(H3)吸磷量及磷肥利用率分别为2.07 g/m2和33.99%，为化肥组(H5)磷利用率的1.34倍，与H2组无显著差异。

图3 上海青硝酸盐含量和亚硝酸盐含量

图4 上海青氮磷含量图

表2 供试蔬菜氮磷吸收量及利用率

3 结论

在不增加施肥量的基础上，有机肥替代条件下上海青产量大，可溶性糖含量高，硝酸盐及亚硝酸盐含量大幅度降低。有机肥部分替代可提高氮磷表观利用率，减少氮磷流失，有机肥替代比例为75%时效果最优。因此，有机肥部分替代化肥，可有效合理利用禽畜粪便，减少豫东地区地化肥施用量，降低氮磷流失造成面源污染的风险。

4 讨论

禽畜粪便有机肥具有存储量大、营养丰富和来源广泛等优点，合理利用有机肥资源是解决化肥施用量大和禽畜废弃物污染等问题的重要途径之一[22]。本试验结果表明，在等氮磷施用量情况下，有机肥替代条件下上海青产量较高。Lee 等[23]研究表明化肥组和有机肥-化肥配施组洋葱产量无明显差异。黄东风等的研究发现有机肥替代较单施化肥有效提高小白菜产量[24]。以上结果与肥料性质、作物生长过程养分需求特征有关。有机肥养分释放速度较慢，营养丰富，有机、无机营养和微生物共存；而化肥成分单一，养分释放速度快。因此，有机肥部分替代化肥发挥两者的互补作用，可保证蔬菜全过程的营养需求，增加蔬菜产量[25]。

可溶性糖和硝酸盐、亚硝酸盐分别作为蔬菜典型的营养和卫生指标，受到社会高度关注。本研究结果表明有机肥替代组可溶性糖含量均高于化肥组。不同施肥模式下甘蓝研究结果表明，可溶性糖含量均随有机肥的施加而提高，有机肥营养供给均衡，有利于保持和改善土壤条件，提高蔬菜的营养价值[26]。此外，相关研究表明化学氮肥和土壤肥力对叶类蔬菜硝酸盐含量存在明显的影响；土壤肥力越高，化肥施加量越大，硝酸盐含量越高[27]。胡留杰等[14]认为蔬菜硝酸盐含量的变化，除与肥料施加量有关外，受土壤类型和养分组成的影响也较大。

氮磷含量、肥料吸收量以及肥料利用率均符合有机肥部分替代组大于化肥组的规律。有机肥替代化肥能够增加蔬菜吸收氮磷量，提高肥料利用率，减少养分的积累、流失，可有效预防面源污染。朱菜红等[28]采用15N 示踪技术对水稻生长期间不同施肥处理氮的动态变化进行研究，发现配施有机肥组增加了化肥氮素供应与作物养分需求的同步性，是提高肥料利用率的关键。有机肥所含物质种类丰富，也是增加氮磷利用率的重要原因之一。有机肥所含微生物种群数量大、丰度高，可提高酶活，加速氮磷等营养物质的活化，增强植物对氮磷的吸收能力[29-30]。此外，有机肥料含有的羧基和糖、醛、酚等化合物，可有效抑制硝化反应，减少硝态氮的形成，还能够固定和吸附肥料中的铵和有效磷的作用，减少营养流失[31]。因此，有机肥部分替代化肥能够显著提高肥料的利用率，减少流失风险。