生物有机肥部分替代化肥对莴笋生长、产量及品质的影响

张迎春, 颉建明, 郁继华, 唐超男, 王 成

(甘肃农业大学园艺学院, 甘肃 兰州 730070)

莴笋(Lactucasativavar.Angustana)是一种营养丰富、含有多种维生素、在我国种植比较普遍的短季节蔬菜[1]。莴笋叶可食用, 但主要食用部分是肉质茎。肥料在作物生产中起着关键作用, 合理施用化肥是作物在生产中获得较高产量的重要措施。农民为追求高产, 化肥用量大幅增加, 有机肥施用减少, 造成蔬菜品质下降和环境污染, 已成为蔬菜生产中普遍存在的问题[2-3]。合理减少化肥施用量, 配施适宜的生物有机肥, 是提高肥料利用率和发展可持续农业的必要选择。

减少化肥、配施有机肥在经济上是可行的, 也是发展可持续农业的环保方法[4]。长期施用生物有机肥能增加土壤有机质含量, 提高土壤肥力和作物产量[5]。施用有机肥可以改善有机碳的固存, 并保持其在土壤中的稳定性, 而化肥增加的有机碳稳定性较低[6]。Huang等[7]研究发现, 生物有机肥通过改善土壤理化性质和土壤微生物群落的组成, 从而有效地抑制了黄瓜枯萎病的发生。张云伟等[8]研究发现, 化肥减量配施生物有机肥, 增加了根际土壤中微生物的数量, 与常规施肥相比, 烟草产量增加了17.1%。Wu等[9]在辣椒上的研究表明, 施用生物有机肥可以促进辣椒生长, 增加产量。徐明岗等[10]通过长期田间定位试验证明有机肥化肥配施能培肥土壤, 提高水稻产量和肥料利用率。Shukla等[11]研究表明, 生物肥和化肥配施能显著提高鹰嘴豆的产量。盖霞普等[12]认为, 在施用化肥的基础上增施有机肥, 在提高产量的同时也会增加氮素淋失的风险。生物肥能显著提高黄瓜植株叶片叶绿素含量和光合能力, 同时增强植株根系活力及养分吸收能力[13]。张恩平等[14]研究发现, 氮磷钾肥配施有机肥能提高土壤酶活性, 改善番茄品质。以往研究大多关注化肥与定量生物有机肥组合对作物生长的影响, 但不同施肥特别是不同水平生物有机肥与化肥减量配施对蔬菜生长和产量的影响报道较少。本次试验选择在甘肃省武山县洛门镇蔬菜种植区, 研究化肥减量并配施不同水平的生物有机肥对莴笋生长生理、光合作用、品质和产量的影响, 旨在研究分析部分生物有机肥替代化肥对莴笋生长的影响机理, 筛选出适宜试验区莴笋生产的生物有机肥替代量, 为当地莴笋的高效优质和可持续发展提供科学合理的施肥方案和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年12月在甘肃省天水市武山县洛门镇王家庄村一农户的责任田内进行, 塑料大棚长42.5 m, 宽9.5 m, 面积406 m2, 土壤类型为沙壤土。试验田地势平坦, 肥力中等均匀, 灌溉方便, 前茬为蒜苗。试验点地处甘肃省东南部, 属温带大陆性半湿润季风气候, 位于东经105°4′25″, 北纬34°35′10″,平均海拔为1 415 m。年平均气温9.95℃, 年均降水量570 mm, 年蒸发量1 500 mm, 无霜期175 d。

试验前耕层0～20 cm土层土壤理化性状：有机质15.73 g·kg-1, 碱解氮85.63 mg·kg-1, 速效磷91.60 mg·kg-1, 速效钾139.67 mg·kg-1, 电导率426.85 μs·cm-1。

1.2 供试材料

供试蔬菜是尖叶莴笋, 供试生物有机肥为“绿能瑞奇”精制活性有机肥(有效活菌数≥0.2×109·g-1, N 2.88%, P2O51.28%, K2O 1.80%, 有机质≥50%, 腐植酸≥25%)；化肥为尿素(N46%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 52%)。

1.3 试验设计

莴笋于2017年12月20日播种, 采用一垄双行垄面覆膜栽培, 垄宽50 cm, 沟宽30 cm, 株距35 cm, 生物有机肥作为底肥一次性施入, 化肥分三次追施, 追肥采用沟施覆土方式, 每次施肥后灌水, 田间管理与当地种植方式相同, 且严格控制一致。经过调研, 考虑作物需肥规律, 兼顾肥料利用率, 在当地农户普通化肥常规施肥的基础上, 化肥施肥总量较常规施肥减量20%(氮、磷、钾分别减施17%、18%和25.5%)和30%(氮、磷、钾分别减施30%、26%和35%)。本试验共设6个处理：不施肥(CK1)、常规施肥(CK2)、80%常规施肥+200 kg·667m-2生物有机肥(T1)、80%常规施肥+400 kg·667m-2生物有机肥(T2)、70%常规施肥+400 kg·667m-2生物有机肥(T3)、70%常规施肥+200 kg·667m-2生物有机肥(T4)。试验采用随机区组设计, 3次重复, 小区面积为22 m2, 各处理施肥量见表1。

表1 试验各处理的施肥量

1.4 测定项目与方法

1.4.1 叶片光合作用的测定 莴笋莲座期每小区随机选取3株, 于晴天上午9∶00-11∶00, 采用CIRAS-2型便携式光合仪(英国PP-System公司生产)测定莴笋植株心叶下第4片完全叶的光合特性：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr)。光合色素含量(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)用80%丙酮提取, TU-1900型分光光度计比色。

1.4.2 生长性状与根系活力的测定 成熟期每小区随机选取3株莴笋,用卷尺测定植株株高(茎基部到生长点的高度,cm)、茎长(茎基部到茎顶端生长点的高度,cm)、根长(主根长度,cm),用游标卡尺测定最大部茎粗(茎基部至第一片真叶叶痕节间中部的直径,cm)、顶端茎粗(茎顶端生长点往下2 cm处的直径,cm)、根粗(根基部直径,cm)。采用红四氮唑(TTC)法测定根系活力[15]。

1.4.3 产量和营养品质的测定 成熟期按小区进行产量测定。成熟期每小区随机选取3株莴笋测定其茎、叶各项品质指标。可溶性蛋白含量用考马斯-G250染色法测定；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定；硝酸盐含量用水杨酸-硫酸法测定；维生素C含量用2, 6-二氯酚靛酚比色法测定[16]。

1.4.4 计算方法[17-18]肥料贡献率(FCR)是肥料对作物产量的贡献率, 是把不施肥处理(CK1)的产量视为地力对产量的贡献, 以其为基准进行计算反映投入肥料生产能力的指标。

肥料贡献率=(施肥处理产量-不施肥处理产量)/施肥处理产量×100%

增产率=(施肥产量-对照产量)/对照产量×100%

1.5 数据处理

数据处理和作图采用Microsoft Excel 2010, 统计分析采用SPSS 17.0, 并采用Duncan法检验处理间显著水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥部分替代化肥对莴笋生长的影响

生物有机肥部分替代化肥处理的株高较CK2处理均有所提高(表2), 且T2、T3、T4显著(P<0.05)高于CK2, 其中T2最高, 与CK2相比提高了4.56%。在相同的化肥施用量下, 增施400 kg·667m-2生物有机肥的处理株高均高于增施200 kg·667m-2的处理。

由表2可知, 各施肥处理中CK2茎长最短,为43.77 cm, T1和T2处理莴笋茎长最长, 显著高于CK2处理。在相同生物有机肥施用量下, 化肥减量20%的处理茎长均高于减量30%的处理。

各处理最大部茎粗和顶端茎粗分别以T2处理和T1处理最高, 较CK2处理分别提高了7.88%和14.98%。通过对最大部茎粗和顶端茎粗的综合评价, 得出各处理莴笋茎粗表现为T2>T1>T3>T4>CK2>CK1。

从表2中看出, 增施生物有机肥的各处理根长较CK2处理均显著提高, 增加了6.05%～15.55%。各施肥处理的根粗以T2处理最大, 较CK2处理增加了7.12%。生物有机肥施用量相同时, 化肥减施20%的处理根粗均显著高于化肥减施30%的处理。

表2 不同施肥处理对莴笋生长的影响/cm

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different letters are significantly different among treatments atP<0.05. The same below.

2.2 生物有机肥部分替代化肥对莴笋生理性状的影响

2.2.1 根系活力 图1为不同施肥处理下莴笋的根系活力。增施生物有机肥的各处理根系活力较CK2处理均有所提高, 且T1、T2、T3处理与CK2差异显著。同一化肥施用量处理下, 生物有机肥施用量为400 kg·667m-2的处理较施用量为200 kg·667m-2的处理根系活力强, 差异未达显著水平。在相同的生物有机肥施用量下, 化肥减施20%的处理根系活力较减施30%的处理强, 且差异显著。

2.2.2 光合色素含量 不同施肥水平下(表3), 叶绿素总量随着化肥施用量的减少先增加后降低, 以T1和T2处理最高。在相同化肥施用量下, 生物有机肥增施400 kg·667m-2的处理叶绿素总量皆高于增施200 kg·667m-2的处理, 但差异未达显著水平。

由表3可知, 各施肥处理叶绿素a的含量均显著高于不施肥处理。叶绿素a含量变化和叶绿素总量变化趋势基本一致。叶绿素b的含量以T2处理为最高, 达到0.659 mg·g-1, 比CK2增加了1.38%。增施生物有机肥的量相同时, 化肥减量20%的处理叶绿b的含量皆高于减量30%的处理, 但差异不显著。在相同的化肥施用水平下, 增施生物有机肥的量为400 kg·667m-2时叶绿素b的含量均高于施用量为200 kg·667m-2的处理, 但差异不显著。

如表3所示, 各处理类胡萝卜素含量以T4为最高, 与CK2相比达到显著水平。T1、T2、T3处理类胡萝卜素含量相差不大, 且处理间差异不显著。

表3 不同施肥处理对莴笋叶片光合色素含量的影响/(mg·g-1)

2.3 生物有机肥部分替代化肥对莴笋叶片光合参数的影响

由表4可知, 各施肥处理的净光合速率(Pn)均显著高于CK1。在同一化肥施用水平下, 生物有机肥用量为400 kg·667m-2的处理Pn均高于用量为200 kg·667m-2的处理；增施生物有机肥的量相同时, 随化肥施用量的减少, 莴笋叶片Pn降低。各处理间气孔导度(Gs)与Pn的变化趋势相似, T2处理的Gs值显著高于其他处理, 较CK2增加45.64%。增施生物有机肥的各处理蒸腾速率(Tr)较CK2处理均有所提高, 且T2显著高于CK2, 增加18.39%。施用生物有机肥的处理胞间CO2浓度(Ci)较CK2均有所降低, CK2的Ci显著高于其他处理。

2.4 生物有机肥部分替代化肥对莴笋产量的影响

由表5可知, 各施肥处理的产量均显著高于不施肥处理(CK1), 施用生物有机肥的处理产量分别比单施化肥的处理(CK2)增产4.76%、15.31%、11.06%和4.11%, 其中T2产量最高, 达8 277.00 kg·667m-2。T1与T4相比、T2与T3相比均无显著差异。在相同化肥施用水平下, 增施生物有机肥的量为400 kg·667m-2的处理增产率显著高于施用量为200 kg·667m-2的处理。肥料贡献率以T2最高, T3次之, CK2最小。T1处理与T4处理的肥料贡献率无显著差异, 但显著高于CK2处理。

2.5 生物有机肥部分替代化肥对莴笋品质的影响

与CK2相比, 减施化肥的处理莴笋茎、叶中硝酸盐含量均显著降低(表6), 且随着化肥施用量的减少而降低。茎中T3处理的硝酸盐含量显著低于T2处理, 叶中T4处理的硝酸盐含量显著低于T1处理。同一处理下莴笋茎中硝酸盐含量均高于叶。

表4 不同施肥处理对莴笋叶片光合参数的影响

在同一处理下, 莴笋茎中维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量均低于叶。茎、叶中维生素C均以T2处理最高, T1次之, 且两者之间差异显著, 并显著高于CK2。生物有机肥施用量相同时, 化肥减量20%的处理维生素C含量皆高于减量30%的处理, 且差异显著。相同化肥施肥水平下, 生物有机肥施用量为400 kg·667m-2的处理维生素C的含量均显著高于用量为200 kg·667m-2的处理。

表5 不同施肥处理对莴笋产量和肥料贡献率的影响

表6 不同施肥处理对莴笋茎叶品质的影响

不同施肥处理下, 莴笋茎、叶中的可溶性糖含量均以T2处理最高, 分别较CK2同部位提高了41.91%和27.34%, 且差异显著。莴笋茎中T1与T2、T4与T3相比, 后者可溶性糖含量均高于前者, 且差异显著。相同生物有机肥施用量下, 茎中可溶性糖含量表现为T1>T4, T2>T3, 且差异显著。叶中可溶性糖含量和茎中表现趋势相似, 但差异不显著。

莴笋茎中可溶性蛋白含量以T2最高, 显著高于CK2。4个增施生物有机肥的处理可溶性蛋白含量较CK2均有所提高, 分别提高了23.99%、38.88%、9.38%和6.43%。莴笋叶中以T2处理可溶性蛋白含量最高, T1次之。

2.6 生物有机肥部分替代化肥对莴笋经济效益的影响

由表7可知, 不同施肥处理的莴笋产值、肥料成本投入和经济效益有差异。以试验进行当年当地的莴笋价格为标准, 计算莴笋单位面积的经济效益。配施生物有机肥的各处理莴笋经济效益较CK2处理明显增加, 其中T2处理经济效益最优, 净收益为19 570.73元·667m-2, 比CK2增收2 040.00元·667m-2,提高11.64%。

表7 不同施肥处理对莴笋经济效益的影响/(元·667m-2)

注：N、P2O5和K2O的价格分别为2.50、0.75元·kg-1和6.00元·kg-1；生物有机肥的价格为2.00元·kg-1；莴笋价格为2.50元·kg-1。

Note: The prices of N, P2O5, and K2O were 2.50, 0.75 yuan·kg-1and 6.00 yuan·kg-1, respectively; Bio-organic fertilizer was 2.00 yuan·kg-1; The prices of asparagus lettuce was 2.50 yuan·kg-1.

3 讨 论

3.1 生物有机肥部分替代化肥对莴笋生长与产量的影响

农民为提高作物产量过量施用化肥, 而长期偏施化肥会导致土壤有机质含量减少、土壤板结、作物品质下降、环境污染和肥料利用率降低等问题, 不能为作物创造有利的生长环境[19-21]。生物有机肥的施入可增加土壤中有机质含量, 改变土壤理化性状, 培肥土壤, 有利于作物根系的伸展和对养分的吸收[22-23]。

刘星等[24]、Yuan等[25]在马铃薯、烟草上的研究结果表明, 生物有机肥能促进作物生长, 增加植株叶片数量。本研究发现, 化肥减量20%并配施生物有机肥使莴笋各项生长指标均有不同程度的增加, 说明生物有机肥替代20%的化肥能提供充足的养分以促进莴笋植株的生长。但化肥减量30%+200 kg·667m-2生物有机肥降低了莴笋最大部茎粗和根粗, 这与前人在甘蓝[26]上的研究结果一致。可能是因为化肥减量较多加之生物有机肥替代量较少的原因, 对其生长有所影响。

张雪艳等[27]通过给基质添加生物有机肥发现, 添加适量的生物有机肥能显著促进黄瓜根系的生长。本试验中, 增施生物有机肥后莴笋的根长平均提高11.81%, 根系活力平均增加17.45%, 主要是因为增施生物有机肥, 在很大程度上改善了根系周围的环境, 从而提高了植株根系活力[28]。说明生物有机肥的增施能够促进莴笋植株根系扩大, 随着土壤有效养分的增加进而促进了根系的生长和根系活力的提高。

肥料是作物增产的物质保证[29], 本试验结果表明, 施肥处理可显著提高莴笋产量, 较不施肥处理增产18.91%～37.12%。增施生物有机肥增产率在4.11%～15.31%之间, 增产效果显著。张钧恒等[30]、Wei等[31]的研究结果与此一致。增施生物有机肥虽然使成本投入提高, 但产量显著高于常规施肥, 因此产出能力提升, 收益增加。T2产量显著高于T1, 说明莴笋产量随着生物有机肥施用量的增加而提升。T3与T4差异不显著, 可能是化肥减量较多的缘故。T1与T4, T2与T3均无显著差异。说明化肥减量20%和30%对产量无明显影响, 增施生物有机肥有利于提高莴笋产量。引起这一结果的原因可能是生物有机肥中含有的活菌和腐殖酸能有效改善根际土壤生态环境, 促进土壤中微生物的繁殖, 提高根系活力, 促进根系发育, 进而提高养分的吸收利用。

本试验中,减施化肥并增施生物有机肥显著提高了肥料贡献率。说明常规施肥供大于求, 部分养分不能被植株吸收利用, 使肥料贡献率降低, 造成资源的浪费, 甚至成为污染环境的危险因素。宇万太等[32]的研究结果也与本试验结果一致。

3.2 生物有机肥部分替代化肥对莴笋光合特性及品质的影响

植株产量的高低取决于光合作用的效率, 而植物的光合作用又离不开光合色素的参与[33]。本试验中, 增施生物有机肥通过提高光合色素含量, 可提高功能叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率, 降低胞间CO2浓度, 从而促进莴笋生长期光合产物的积累。Agegnehu等[34]研究结果显示, 生物有机肥配施对花生叶片叶绿素含量的增加有促进作用。叶片中光合色素含量的升高, 就意味着可以将更多的光能转为化学能, 进而提高植株光合作用的效率, 说明生物有机肥与化肥配施在一定程度上能提高植株的光合效率[35]。本试验中, 增施生物有机肥后, 莴笋叶片气孔导度较单施化肥增高, 400 kg·667m-2生物有机肥替代20%的化肥植株光合速率显著提高。本试验结果与许小伟等[36]在花生上的结论大致相同。说明化肥减施并配施生物有机肥对光合作用有促进效果, 光合速率和气孔开度升高, 其原因可能是增施生物有机肥有利于保持较高的气孔开度, CO2易进入叶肉细胞, 保证了充足的CO2供应量。化肥减量30%时, 莴笋叶片的光合速率有所下降，说明化肥减量过多时会造成植株叶片光合速率的降低, 可能原因是钾肥减量过多, 因缺钾导致叶片光合速率下降[37]。本试验中, 光合速率和气孔导度的变化与胞间CO2浓度的变化趋势相反, 说明莴笋光合速率下降并非由气孔导度下降导致CO2的供应量减少所致, 而是由非气孔因素阻碍了CO2的利用[38]。

硝酸盐含量是蔬菜安全卫生标准的重要评价指标之一, 本试验所有处理中莴笋硝酸盐含量处于226.360～492.325 mg·kg-1之间(表6)。当化肥施用过多时, 植物奢侈吸收, 硝酸盐在植株体内积累, 造成硝酸盐含量超标。本试验结果表明, 莴笋茎、叶中硝酸盐含量随着化肥施用量的减少而降低, 说明化肥减施可有效降低莴笋可食用部分中硝酸盐的积累, 提高莴笋食用安全性。这与李杰等[39]的研究结果一致。施用生物有机肥可以增加莴笋可食用部分中的维生素C的含量。施肥量过多或过少都会降低莴笋茎、叶中可溶性糖的含量[40], 400 kg·667m-2生物有机肥替代20%的化肥时茎、叶中可溶性糖含量最高, 说明生物有机肥替代适宜的化肥可显著提高可食用部分的可溶性糖含量, 改善风味品质。T4处理可溶性糖和可溶性蛋白含量有所降低, 可能是因为化肥减量过多, 同时配施的生物有机肥也较少的原因。说明生物有机肥部分替代化肥可以提高莴笋可食用部分中维生素C、可溶性糖和可溶性蛋白的含量, 从而提高莴笋的品质。冉烈[41]等的研究表明, 适当的钾肥水平可以改善莴笋品质。本试验中, 对莴笋茎、叶营养品质的研究表明, 莴笋叶所含可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C均高于茎,而硝酸盐的含量低于茎, 说明叶的营养品质优于茎, 应提倡食用莴笋叶, 以充分发挥茎、叶的营养价值。

4 结 论

400 kg·667m-2生物有机肥替代20%的化肥(T2)可显著促进莴笋植株的生长, 增强叶片光合速率, 增加产量, 并改善可食用部分的营养品质, 同时还可降低莴笋茎、叶中硝酸盐的含量。所以, 化肥减施20%并配施400 kg·667m-2生物有机肥, 实现了肥料资源的合理配置和利用,可作为莴笋种植中较为科学经济的施肥方式。