猪粪有机肥替代化肥对黄淮地区油麦菜品质及养分利用的影响

刘沙沙，李 兵，张古彬，冯 翔，杨 坡，郭 林，李自涛，李志娟

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

【研究意义】随着社会需求的日益增长和农业的快速发展，化肥投入量逐年增加。据统计，2015年我国化肥使用量达6 022万 t，约占世界总量的1/3，然而有效利用率较低，仅为35.2%［1］。长期过量施用化肥不仅造成作物品质下降，影响人类健康，还会造成土壤板结、酸化、养分盐渍化等肥力障碍。我国农业面源污染调查结果显示，黄淮地区化肥导致的环境影响处于中高风险水平，远高于西部地区［2-3］。沙颍河是黄淮地区的较大直流，陈云增等［4］在此区域内的调查研究表明施用化肥导致饮用水和灌溉用水硝酸盐水平不断上升，水质不断恶化；特别是癌病高发村庄的蔬菜、土壤及地下水硝酸盐积累均明显高于平均水平，严重危害身体健康。因此，优化施肥和提高肥料利用率是黄淮地区农村地区生态环境保护的迫切需求。

【前人研究进展】对小麦、玉米和水稻等粮食作物施肥研究表明畜禽粪便有机肥替代化肥可显著提高作物产量、吸收养分量及养分利用率，降低氮磷淋溶的环境风险［5-7］。在养殖业快速发展的黄淮地区，畜禽粪便量大、营养成分丰富，不合理的处理处置破坏周边生态环境，还造成氮磷资源的浪费［8-9］。畜禽粪便有机肥替代化肥，是实现化肥零增长、解决畜禽养殖污染以及发展种养结合模式的重要途径。蔬菜作为城郊区的主要作物类型，具有根系浅、生长周期短、肥料用量高和灌水量大等特点，养分更易流失［10-11］。因此，加强对蔬菜有机肥替代研究是减少氮磷流失，防治面源污染的重要组成部分。【本研究切入点】有机肥替代效果还受气候条件、作物类型及土壤理化性质等多种因素的影响，具有很强的区域性［12-14］。油麦菜作为黄淮地区广泛种植的蔬菜作物，如何合理利用有机肥，对于黄淮地区有效降低肥料成本和防控养殖业环境污染风险具有至关重要的作用。【拟解决的关键问题】本研究选择位于黄淮地区的典型种养结合区作为基地，应用田间小区试验方法，系统研究了不同有机肥施肥量及替代比例条件下油麦菜产量、品质、氮磷利用率的变化特征，探讨适合于该区域的有机肥最佳施用量及替代化肥的比例，以期为推动该区有机肥可持续消纳和农业面源污染防控工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河南省开封市祥符区种养结合公司的蔬菜种植基地（34.80°N，114.48°E）。该区地处淮河流域惠济河段，属于引黄灌区。区内为温带季风气候，年平均气温14.5 ℃，年积温4 700 ℃，年降水量627.5 mm，无霜期221 d。试验区土壤类型为淡色潮湿雏形土（潮土），土壤母质为黄河冲积物，耕层土壤质地多以轻壤为主，深层（100 cm以下）则为砂质土壤。由于项目区距离黄河较近（15 km左右），加之长期引黄灌溉，试验区地下水位较浅，一般为150～200 cm。试验区土壤分布均匀，试验开始前采集0～20 cm耕层土壤测试其基本理化性质，pH 8.0、有机质14.7 g/kg、全氮1.1 g/kg、全磷1.1 g/kg、碱解氮118.5 mg/kg、速效磷192.5 mg/kg。

1.2 试验材料

根据当地种植情况及蔬菜类型，选择当地主栽叶菜品种油麦菜（抗热无斑001品种）作为供试材料。化肥采用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60.0%），有机肥采用蔬菜基地所属公司的养猪场中温快速腐熟无害化处理制造的猪粪有机肥，有效成分含量为：有机质57.2%，总氮（以N计）2.2%，总磷（以P2O5计）1.0%，总钾（以K计）1.6%，pH 8.1。

1.3 试验方法

试验设不施肥（CK）、施0.5倍有机肥（M1）、1.0倍有机肥（M2）、2.0倍有机肥（M3）、施加化肥（NPK）、施25%化肥+75%有机肥（75M）、施50%化肥+50%有机肥（50M）、施75%化肥+25%有机肥（25M）8个处理（表1），其中M2、NPK、75M、50M、25M处理施肥量相同，每个处理3次重复，随机排列，小区面积9.0 m2（1.0 m×9.0 m）。各小区周边设置田埂（宽50 cm，高20 cm）将相邻小区隔开。施肥量根据营养平衡并参考当地常规肥料用量，本试验确定参照施肥量为：施N 200.0 kg /hm2，施 P2O596.8 kg/hm2，施K 1 50.0 kg/hm2。磷肥、钾肥和有机肥全部以基施方式施入小区，氮肥则预留50%用作后期追肥，结合灌水采用撒施方式施入。试验采用直播方式种植，于2017年9月13日播种，9月25日间苗，11月2日采收测产，整个生长期51 d。

表1 试验处理设置与施肥量分配Table 1 Test treatment setting and fertilization amount allocation

1.4 样品采集与分析

蔬菜收获时，对每个小区进行称重测产，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品质分析。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。硝酸盐和亚硝酸盐含量测试采用紫外分光光度法，可溶性糖含量采用铜还原碘量法测定［15］。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，用半微量凯氏定氮法测定植株氮含量，用钒钼黄比色法测定磷含量［16］。氮、磷吸收量及表观利用率计算公式如下［17］：

式中，Ai为第i组蔬菜对N或P的吸收量（kg/hm2），ACK为不施肥对照蔬菜N或P的吸收量（kg/hm2），Yi为第i组蔬菜产量（t/hm2）；Ci为第i组蔬菜N或P含量（g/kg）；Ri为第i组蔬菜N或P表观利用率（%），Di为第i组N或P的施加量（kg/hm2）。

试验数据采用Origin8.0作图和SPSS10.0进行统计分析，采用一维方差分析(ANOVA)进行差异显著性测验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对油麦菜产量的影响

不同施肥处理油麦菜产量统计结果见图1。试验结果显示，与不施肥对照相比，无论施用化肥还是有机肥均可显著增加油麦菜产量，增产幅度为7.1%～61.1%。单施有机肥对比试验结果（图1A）表明：随着施肥量增加（M1～M3），产量表现为先增加后稳定的变化趋势，但总体上低于单施化肥处理（NPK）。当有机肥施用量达到M2处理后，产量不再随施肥量的增加而增加；M2、M3处理产量差异不显著。在氮磷施用量相同条件下（图1B），有机肥替代比例为75.0%（75M）时油麦菜产量最高，但是除了显著高于纯有机肥处理（M2）外，均与其他处理差异不显著。

图1 不同施肥处理油麦菜产量对比Fig.1 Comparison of yield of lettuces among different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对油麦菜品质的影响

不同有机肥施用量试验结果（图2A）表明，施肥能显著提高油麦菜可溶性糖含量，与不施肥对照相比，提高幅度达到59.4%～200.0%，差异显著。油麦菜可溶性糖含量随着有机肥施用量的增加而上升，其中2倍有机肥施用量（M3）处理可溶性糖含量最高。施肥量相同条件下（图2B），有机肥替代比例25.0%～75.0%处理油麦菜可溶性糖含量均较100%化肥（NPK）处理提高58.8%～88.2%，差异显著，其中有机肥替代比例75%（75M）处理可溶性糖含量最高。相同施肥量条件下，有机肥（M2）与化肥（NPK）处理差异不显著。

图2 不同施肥处理油麦菜可溶性糖含量对比Fig.2 Comparison of the soluble sugar content of lettuces among different fertilization treatments

有机肥梯度处理结果（图3A、图3C）显示，硝酸盐和亚硝酸盐含量随施肥量增加呈现增加趋势。M1处理较对照亚硝酸盐含量增加13.0%，M2较M1处理增加30.8%；因此，施肥量越大亚硝酸盐含量增加量越大。施用化肥（NPK）处理硝酸盐和亚硝酸盐含量最高，分别达到2.7 g/kg和12.0 mg/kg。

蔬菜硝酸盐测定结果显示，总体上无论是施用化肥还是有机肥均会显著增加蔬菜硝酸盐含量（图3A、图3B），但是有机肥处理对硝酸盐增加的幅度显著低于纯化肥处理（图3B）。亚硝酸盐含量测定结果表明，有机肥施用均会显著降低蔬菜亚硝酸盐含量（图3C、图3D），降低幅度高达52.5%～87.3%。

图3 不同施肥处理油麦菜硝酸盐含量和亚硝酸盐含量对比Fig.3 Comparison of nitrate content and nitrite content of lettuces among different fertilization treatments

2.3 不同施肥处理对油麦菜氮、磷含量的影响

供试蔬菜氮、磷含量见表2。施肥会显著增加油麦菜氮、磷含量，增幅分别为52.6%～125.1%和31.6%～80.6%，施肥提高植株氮含量更明显。单施有机肥处理油麦菜氮、磷含量随施肥量的增加而增加，但增加幅度呈降低趋势。此外，同一施肥水平不同有机肥替代比例对植株氮、磷含量的影响较小。

表2 不同施肥处理油麦菜氮含量和磷含量比较Table 2 Comparison of nitrogen and phosphorus contents of lettuces among different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对油麦菜氮、磷表观利用率的影响

供试蔬菜氮、磷吸收量及表观利用率如表3所示。有机肥梯度试验结果表明，氮、磷吸收量随施肥量的增加呈先增加后稳定趋势；氮、磷表观利用率先升高后降低。施肥量由M至2M，氮、磷吸收量变化不显著，氮、磷表观利用率较M2处理分别下降8.8%和5.1%。不同有机肥替代比例（75M～50M）的磷吸收量显著高干100%化肥处理，而25M相关结果与NPK处理差异不显著。有机肥替代比例为75%（75M）的氮、磷吸收量及利用率最高，吸收量较100%化肥处理提高21.3%和21.5%，利用率较100%化肥处理提高30.4%和44.9%。

表3 不同施肥处理油麦菜氮、磷吸收量及表观利用率比较Table 3 Comparison of nitrogen / phosphorus uptake and utilization rate of lettuces among different fertilization treatment

3 讨论

3.1 有机肥替代对油麦菜产量与品质的影响

肥料供给与蔬菜产量、品质密切相关［18］。本研究结果表明，施肥不足影响油麦菜生长，但过量施肥不能显著增加油麦菜产量，还造成硝酸盐和亚硝酸盐含量增加。相关研究证实施N 150 kg/hm2条件下黄秋葵产量最高，进一步增加氮肥用量，产量会有所下降，此外，黄秋葵株高、茎粗和可溶性蛋白等外观及内在品质也呈现相似变化规律［19］。施肥量与蔬菜品质研究表明过量施肥降低蔬菜体内可溶性糖、维生素C和氨基酸等有效成分含量，硝酸盐和亚硝酸盐含量与施氮量呈正相关［20-21］。植物主要吸收硝酸盐形式氮，硝酸盐进入植物体内在硝酸还原酶和亚硝酸还原酶作用下还原为氨，进而合成机体所需的蛋白质。氮元素超量供应，植物将以超过自身需求的速度吸收并储存硝酸盐，因此造成硝酸盐含量增加，降低蔬菜品质［22］。兰翔等研究表明，0～375 kg/m3施磷量范围内，粉质黏土中大白菜产量随施肥量的增加而增加，而粘壤土中产量随施肥量增加呈先增加后稳定趋势［23］。以上结果说明供试作物产量与施肥量有关外，还受土壤肥力、类型等因素影响。

除施肥量外，肥料种类也是影响蔬菜产量和品质的重要因素。本研究结果表明，有机肥替代化肥保障产量的同时可显著提高蔬菜品质。相关研究也表明，有机肥替代可提高甘蓝、小白菜等蔬菜可溶性糖含量，降低硝酸盐含量，提高蔬菜产量和品质［24-26］。有机肥部分替代化肥可提高作物产量、品质原因有以下几点：（1）有机肥含有作物生长所需常规养分外，还含有大量微量元素、有机物和微生物等，营养供给全面、均衡，可提高蔬菜产量，促进可溶性糖、氨基酸等物质的合成；（2）有机肥氮以有机形态为主，硝酸盐含量较少，且土壤中有机氮转化速度较慢，硝酸盐不易被植物大量吸收积累［27］；（3）过量化肥容易造成土壤板结、盐渍化等不良影响，而有机肥所含有的有机物、微生物等可改善土壤性质，提高土壤肥力，从而提高作物的产量及品质［28］；（4）肥料供给与作物养分需求规律的关系也是影响作物产量和品质的重要因素。有机肥释放速度较慢，前期养分浓度低，无法满足作物营养需求；有机肥部分替代化肥可发挥二者的互补作用，保证全过程营养需求，产品高产优质［29］。朱菜红等［30］采用15N示踪技术和盆栽试验对水稻生长期间不同施肥处理氮的动态变化发现，有机肥增加了氮素供应与水稻氮需求时间上的同步性是提高产量和肥料利用率的重要原因。

3.2 有机肥替代对油麦菜养分利用率的影响

本试验结果表明，养分利用率与施肥量及肥料种类密切相关，一定范围内增加施肥量可提高氮磷吸收量，但施肥量超过N 200.0 kg/hm2、P2O596.8 kg/hm2，继续增加施肥量不能增加油麦菜吸收氮磷量，氮、磷利用率显著下降；相同施肥量条件下，有机肥替代可增加肥料利用率。有关施肥量与养分利用率的研究也表明过量施用氮肥，氮肥利用率大幅下降［31-32］。杨晓梅等［33］有关不同有机肥替代比例条件下华北地区冬小麦产量和氮肥利用率的研究表明，有机肥部分替代化肥可增加氮肥利用率，替代比例为50%处理产量和氮肥利用率最高。在山东滨海地区有机肥替代比例为70%条件下水稻产量最优，磷肥利用率最大［34］。不同作物、不同地区的有机肥最佳替代比例不同，本研究中有机肥替代比例为75%条件下产量和养分利用率最高。

有机肥替代可增加蔬菜产量，增加土壤微生物种群数量、丰度，提高酶活，从而加速了氮、磷等营养物质的活化，增强蔬菜对氮、磷的吸收能力，从而增加养分利用率［35-36］。王玉胜等［37］研究表明，施加生物有机肥有利于根际细菌、真菌和放线菌的增殖，提高土壤代谢强度，促进植物吸收。此外，化肥中氮、磷多以无机形式存在，易被淋失也是有机肥替代可增加肥料利用率的原因之一。张凤华等［38］在蔬菜种植过程中连续过量施肥，土壤Olsen-P含量持续增加，土壤磷素大量积累，雨季地表径流流失负荷达0.3 kg/hm2，是造成周边水体富营养化的主要来源之一，而减少化肥磷和配施有机肥可显著消减养分流失量。作为农作物和畜禽产品重要产区之一的黄淮地区，环境形势严峻，合理利用有机肥、推进有机肥替代化肥是防治化肥和禽畜粪便造成的面源污染的重要途径之一。

4 结论

（1）单独施加有机肥，施N 200.0 kg/hm2、施P2O596.8 kg/hm2可保证较高的油麦菜产量和氮、磷利用率，然而施肥量过大不仅对产量没有增加作用，还造成硝酸盐和亚硝酸盐含量不断上升，蔬菜品质下降；氮、磷利用率也大幅下降。

（2）在不增加氮、磷总量条件下，有机肥替代在保障作物高产优质的基础上，提高氮、磷利用率；其中替代比例为75%，油麦菜产量、品质及氮、磷利用率均可达到较高水平。

（3）有机肥合理替代化肥不仅有效合理利用禽畜粪便，还可减少化肥施用。本研究可为种植业和养殖业分布广泛的黄淮地区防治面源污染，保障环境质量提供依据。