有机肥替代化肥减量配施对甘蓝养分利用及产量的影响

马 贵，杨彩玲，买自珍，张倩男，宋永红，于奴哈，杨 骞

（1.宁夏师范学院化学化工学院 宁夏固原 756000；2.宁夏农林科学院固原分院 宁夏固原 756000；3.宁夏西吉县农业技术推广服务中心 宁夏西吉 756200；4.宁夏泾源县农业农村局 宁夏泾源 756400；5.宁夏泾源县农业技术推广服务中心 宁夏泾源 756400）

长期施用化肥会造成农田土壤板结、肥力低下、农田生态系统功能衰减、作物品质低劣等不良现象[1]。蔬菜种植是一种集约化农业生产方式，常以连续种植为主，种植模式单一[2]。由于长期增施化肥，蔬菜种植地土壤酸化、板结和微生物活性降低等问题日益严重，蔬菜产量不高，品质下降[3]。因此，开展蔬菜种植化肥“减量”、有机肥替代部分化肥配施技术研究十分必要[4]。

有机肥替代部分化肥是实现化肥减量增效的主要途径[5]。许多研究表明，有机肥替代部分化肥在改善土壤肥力、提高蔬菜产量和品质等方面效果显著[6]。王圣泽等[7]通过化肥与有机肥配施，提高了青花菜的品质和青花菜对钾肥的吸收利用率。张迎春等[8]研究发现，生物有机肥部分替代化肥施用，可使莴笋株高、茎长及茎粗不同程度增加。耿川雄等[2]在蔬菜种植过程中发现，采用有机肥替代30%的化肥配施，能使大白菜和甘蓝达到最佳的商品特性，实现了“减肥提质”的双优目标。李菊等[9]研究发现，化肥减量30%并配施适量的生物有机肥能提高松花菜养分的吸收积累量并促进其合理分配，其中磷肥利用率从当地常规施肥时的3.7%增加到25.9%～26.0%，钾肥利用率从43.5%增加到72.9%～73.4%，松花菜经济产量显著提高9.50%～18.8%。甘蓝属十字花科芸薹属植物，因其富含20 多种营养元素，是世界上公认的保健蔬菜之一。目前，对甘蓝的相关研究大多注重肥料类型及其施肥量等方面[10]，而以氮肥为基础的有机肥替代部分化肥配施对土壤酶活性及甘蓝各器官营养元素吸收、分配影响方面的研究报道不多。

固原市地处宁夏南部山区，属于典型的冷凉气候区。甘蓝因生育期短、适应能力强，已成为宁南山区主要种植蔬菜品种之一。近年来，由于长期盲目施用化肥和超量施药，使得该区甘蓝品质不佳，种植效益提升缓慢。氮素是影响蔬菜品质和产量的主要因子，施用氮肥是提高蔬菜产量的主要途径。为实现宁南冷凉山区甘蓝标准化生产，提升甘蓝生产经济效益，助推该区乡村振兴，笔者通过大田试验，分析了以氮肥为基础的不同有机肥替代化肥配施处理对土壤理化性状、酶活性、甘蓝各器官中养分（氮、磷、钾）吸收特性和甘蓝产量的影响，以期找到适宜的有机/无机肥配施比，为实现甘蓝生产“减肥提质”提供科学合理的生产方案。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021 年在宁夏回族自治区固原市泾源县兴盛乡上金村进行，该区位于六盘山东麓腹地，海拔1740 m，属温带半湿润区，森林草原类型气候，具有“春寒、夏凉、秋短、冬长”的气候特点，2016—2021 年年均降水量为890.8 mm，1991—2021 年年平均气温为6.62 ℃，属宁南山区气候冷凉区，具备冷凉蔬菜生产的气候条件。试验地为旱地（基本理化性状及酶活性见表1），前茬作物为玉米。

表1 供试土壤的基本理化性状及土壤酶活性

1.2 材料

供试甘蓝品种为抗病夏盛，由广东金皓进出口贸易有限公司提供，中熟，直立株型，近圆叶球，生育期65 d。试验栽培株距33 cm，行距60 cm，密度为50 500 株·hm-2，覆盖白色地膜（膜幅宽80 cm）。2021 年3 月20 日育苗，5 月24 日定植（5 叶1 心），8 月21 日采收。有机肥含量为充分发酵腐熟牛粪堆肥，其中全氮含量（w，下同）0.98%、全磷含量1.06%、全钾含量0.91%、有机质含量22.50%、速效钾含量6116 mg·kg-1、速效磷含量1654 mg·kg-1；化肥为氮肥（尿素，N 含量46%）、磷肥（过磷酸钙，P2O5含量46%）和钾肥（硫酸钾，K2O 含量52%）。

1.3 试验设计

试验设5 个处理，即不施肥（CK）；单施化肥（CF）；有机肥氮30%+化肥氮70%（OF1）；有机肥氮50%+化肥氮50%（OF2）；有机肥氮70%+化肥氮30%（OF3）。随机区组排列，3 次重复，小区面积24 m2（长5 m、宽4.8 m）。除CK 外，其余4 个处理中的氮、磷、钾用量均为N（600 kg·hm-2）、P2O5（180 kg·hm-2）、K2O（270 kg·hm-2），若牛粪带入的氮、磷、钾养分不足时，用化学肥料补足。各处理有机肥和化肥使用量如表2 所示，有机肥、80%氮磷钾肥以基肥方式撒施（机械旋耕12～15 cm），20%氮磷钾肥于甘蓝莲座期一次性追施。其他田间管理措施与当地常规一致。

表2 各处理有机肥与化肥用量

1.4 测定项目与方法

1.4.1 植株氮、磷、钾含量的测定 甘蓝收获期，测定甘蓝叶球、外叶片、叶柄、茎及根中的氮、磷、钾含量。采用对角线五点选样法，在每个小区选取5 株甘蓝，分别剪取叶球、外叶片、叶柄、茎和根，并称量鲜质量，在105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘至恒质量，测定干质量。分别称取甘蓝各器官干质量200 g，粉碎，过筛，用硫酸-过氧化氢消煮后，制备待测液，分别采用凯氏定氮法、钒钼酸铵比色法及火焰光度计法测定全氮、全磷、全钾的含量[11]，以上测定均3次重复。

1.4.2 土壤养分及土壤酶活性的测定 甘蓝收获期，采用S 型取样法采集小区耕层土样（0～20 cm）3份，测定土壤铵态氮（扩散吸收法）、硝态氮（二磺酸酚比色法）、速效磷（钼锑抗比色法）、速效钾（火焰光度计法）及有机质含量（高温外加热-重铬酸钾容量法）；测定土壤蔗糖酶活性（3，5-二硝基水杨酸比色法）、过氧化氢酶活性（高锰酸钾滴定法）、脲酶活性（苯酚钠-次氯酸钠比色法）和磷酸酶活性（磷酸苯二钠比色法）[12]。

1.4.3 相关指标计算 分别根据式1～4 计算甘蓝器官中氮、磷、钾累积量，氮、磷、钾素吸收效率，氮、磷、钾肥利用效率和氮磷钾肥农学效率[13]。

式1～4 中，AN/P/K代表甘蓝器官中氮/磷/钾累积量（kg·hm-2）；Wd为甘蓝各器官干物质量（kg）；CN/P/K为甘蓝各器官氮、磷、钾含量（%）；AEN/P/K、UEN/P/K、AGEN/P/K分别表示氮、磷、钾肥吸收效率、利用效率和农学效率（kg·kg-1）；FAN/P/K表示施肥处理下甘蓝各器官氮、磷、钾吸收量（kg·hm-2）；FN/P/K表示各施肥处理氮、磷、钾施用量（kg·hm-2）；FY表示各施肥处理下甘蓝叶球产量（kg·hm-2）；FfY表示不施肥处理甘蓝叶球产量（kg·hm-2）。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 进行数据处理，采用SPSS 16.0 进行统计分析并进行单因素方差分析（ANOVA）、多重比较（Duncan 法）和Pearson 相关性分析。表和图中的数据均为3 次重复的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤营养元素及酶活性的变化

由表3 可知，在各配施处理下，土壤速效钾含量均显著大于CF，且在OF1 达到最高，较CF 增加18.57%。土壤有效磷含量在OF2 和OF3 处理下均显著低于CF，但在OF1 处理下较CF 显著增加37.85%。土壤硝态氮含量的变化趋势与铵态氮相同，均在OF1 处理下达到最高，土壤硝态氮含量较CF 显著增加5.92%，土壤铵态氮含量较CF 增加2.50%，但与CF 无显著差异。不同处理下的土壤有机质含量大小依次为OF1＞OF2＞OF3＞CK＞CF。

表3 不同处理对土壤养分含量的影响

由图1 可以看出，与CK 相比，施肥处理均有效提高了土壤酶活性。土壤蔗糖酶活性在OF1 处理下达到最高，为13.91 mg·g-1·24 h-1，较CF 显著提高2.88%。有机肥配施处理下，OF1、OF2、OF3 土壤中碱性磷酸酶活性分别较CF 增加56.25%、25.00%和2.08%。OF1 处理下土壤中脲酶和过氧化氢酶活性均达到最大，分别较CF 增加8.33%和5.69%。以上结果表明，与单施化肥相比，合理配施有机肥处理能有效提高土壤养分、有机质含量和土壤酶活性，OF1 处理下效果最好。

图1 不同处理对土壤酶活性的影响

2.2 不同处理下甘蓝各器官对氮、磷、钾的吸收

由图2 可知，甘蓝叶球氮含量在不同处理下的大小顺序为OF1＞CF＞OF2＞OF3＞CK。与CF 相比，各配施有机肥处理下的外叶片和叶柄中氮含量均显著降低，而茎和根中的氮含量均显著提高，且分别在OF2 和OF1 处理下达到最高，分别较CF 增加83.51%和70.27%。甘蓝外叶片和叶柄氮素积累量最大值均出现在CF 处理。叶球、茎和根氮素积累量最大值分别出现在OF1、OF2 和OF1 处理。OF1和OF2 处理下，叶球中氮素分配率分别比CF 高0.62 和3.83 个百分点。而甘蓝叶柄、茎及根中氮分配率的最大值分别出现在CF、OF2 和OF1 处理。

图2 不同处理下甘蓝各器官氮吸收

由图3 可知，叶球中磷含量在OF1、OF2 和OF3 处理下为0.456%、0.443%和0.387%，分别较CF 显著提高25.59%、21.92%和6.42%。外叶片中磷含量在不同处理下的大小顺序为OF2＞OF1＞CF＞OF3＞CK，叶柄中磷含量的大小顺序为OF2＞OF1＞OF3＞CF＞CK。甘蓝茎和根的磷含量均在OF3 处理下达到最高，分别较CF 显著增加5.10%和20.75%。配施处理下甘蓝叶球、外叶片及叶柄磷素积累量较CF 变化不显著。总体上看，配施处理下甘蓝茎和根中磷素积累量低于CF（OF2 除外）。甘蓝叶球磷素分配率在各配施处理下均高于CF。

图3 不同处理下甘蓝各器官磷吸收

由图4 可以看出，与CF 相比，甘蓝叶球、外叶片、叶柄和茎中钾素含量均在OF1 处理后达到最高，分别为2.84、1.78、3.41、3.19 g·100 g-1，较CF 分别增加22.38%、47.99%、17.00%和26.08%。OF1 处理下，甘蓝叶球钾素积累量最大，达189.87 kg·hm-2，显著高于其他处理。外叶片钾素积累量在OF1 处理下最大，OF3 次之，分别较CF 显著提高31.85%和25.46%。叶柄及茎中钾素积累量均在OF2 处理时达到最大值，分别为39.82、17.05 kg·hm-2，均与CF差异不显著。所有处理下，钾素在甘蓝叶球中分配率均为最大，为51.29%～62.51%，外叶片次之，为15.49%～22.67%。

图4 不同处理下甘蓝各器官钾吸收

以上结果表明，相比CK 和CF，OF1 处理能提高甘蓝功能叶球中养分含量、积累量和分配率（磷素积累量除外）。

2.3 不同处理下甘蓝氮、磷、钾素的利用率

各处理下甘蓝各器官氮、磷、钾素输入和输出平衡情况及利用率如表4、表5 所示。与CF 相比，所有配施处理下甘蓝叶球、外叶片和叶柄的氮素输出均产生显著变化。各处理下甘蓝植株氮素输出大小顺序为CF＞OF3＞OF2＞OF1＞CK，而氮素盈余大小顺序为OF1＞OF2＞OF3＞CF＞CK。甘蓝氮素吸收效率在OF1 处理时最大，CF 时最小。氮素利用效率在配施处理下均大于CF，且在OF1 处理后达到最高。氮素农学效率在OF1 处理下最大，OF2 和OF3 处理时均小于CF。

表4 不同处理下甘蓝各器官氮、磷、钾素收支平衡

表5 不同处理下甘蓝对氮、磷、钾的利用率

与CF 相比，配施处理下甘蓝叶球、外叶片、叶柄及根中磷素输出均未发生显著变化。甘蓝磷素盈余在各处理下的大小顺序为OF1＞OF3＞CF＞OF2＞CK。甘蓝磷素吸收效率在OF1 处理时最大，CF 次之，OF2 时最小。甘蓝磷素利用效率在OF1处理下较CF 显著提高11.12%；磷素农学效率在OF1处理时最大，OF3 次之，CF 最小，且变化显著。

各配施处理下，甘蓝叶球钾素输出较CF 降低7.89%（OF1）～26.71%（OF2），根的钾素输出最大值出现在CF 处理后，外叶片、叶柄、茎的钾素输出最大值均出现在配施处理后OF1、OF2、OF2。甘蓝钾素盈余在所有处理下均小于0，且在CK 时负盈余最高，CF次之。钾素吸收效率OF1 处理时最高，OF2 最低。钾素利用效率在OF1 处理后达到最大，较CF 增加4.86%。甘蓝钾素农学效率在各施肥处理下的大小顺序为OF1＞OF3＞OF2＞CF，且变化显著。可见，有机肥/化肥配施能提高甘蓝对肥料的利用效率。

2.4 不同施肥处理下的甘蓝产量

由图5 可知，各配施处理下OF1、OF2、OF3 的甘蓝产量分别为97 482.6、80 212.6、83 316.1 kg·hm-2，均显著高于CK（61 766.5 kg·hm-2）。OF1 处理下的甘蓝产量较CF 显著提高0.93%，而OF2 和OF3 处理下的甘蓝产量均显著低于CF，但显著高于CK（61 766.5 kg·hm-2）。

图5 不同施肥处理下的甘蓝产量

为了分析不同处理下土壤养分和甘蓝功能叶中氮磷钾含量等对甘蓝产量的影响，对甘蓝产量和土壤养分等指标进行了相关性分析。由表6 可知，土壤有效磷、铵态氮、叶球钾含量、叶球钾积累量、叶球氮含量、叶球氮积累量、叶球磷含量、叶球磷积累量均与产量呈显著或极显著正相关。由此可知，配施处理能调节土壤有效磷和铵态氮含量、促进甘蓝叶球养分吸收和积累，进而提高甘蓝产量。

表6 甘蓝产量 与养分指标之 间的相关关系

3 讨论与结论

有机肥/化肥配施能提高土壤中有机质含量以及全量养分和速效养分含量，减少土壤养分损失，提高作物对土壤养分的利用率[14]。在本研究中，与CF 相比，不同有机肥/化肥配施处理下土壤养分含量和土壤酶活性呈不同的变化趋势，其中OF1 处理不仅显著提高了土壤养分含量，而且显著提高了土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶的活性，这说明有机肥替代化肥减量配施对土壤养分含量和酶活性的影响与其配施比例密切相关，这与王凯等[15]的研究结果相似，主要是因为适当比例的有机肥替代化肥，能较大程度维持土壤养分平衡，改善微生物群落结构，增强土壤酶活性，促进土壤养分利用和固定[16-18]。

本研究结果表明，叶球氮素积累量最大值出现在OF1 处理后，OF1 和OF2 处理下，叶球中氮素分配率分别比CF 高0.62%和3.83%，这说明有机肥/化肥配施（OF1 和OF2）提高了甘蓝功能叶球中氮的吸收量和分配率，进而促进了甘蓝体内氮素的转移，这和前人研究结果相似[19-21]。Yuan 等[22]研究发现，当氮素投入量较高时（300 kg·hm-2），有机肥/化肥配施下的芸薹含氮量比单施化肥时高，而当氮素投入量较低时（中剂量和低剂量），单施化肥处理反而最高，本试验中的氮素投入量为600 kg·hm-2，但OF2 和OF3 处理下的甘蓝功能器官（叶球、外叶片、叶柄）中的氮含量反而低于单施化肥，这可能是因为冷凉区雨热同期时，肥力较高的土壤反而不利于有机肥的分解和养分的释放，氮素投入量过高不利于作物对养分的吸收，导致土壤中无机态氮大量累积或淋溶损失[23]，最终降低了甘蓝对氮素的吸收。此外，有机肥对土壤氮素具有固持作用，进而能调节土壤供氮水平[24]，笔者的研究试验周期较短，有机肥施入使得土壤中部分氮素没有及时释放，也是甘蓝体内氮含量减少的原因之一。

与氮元素相比，磷素的土壤移动性较差，因此被植物吸收的难度较大[25]。在笔者的研究中，甘蓝叶球中磷含量和分配率在各配施处理下均高于CF，但叶球磷素积累量较CF 变化不显著，这说明有机肥/化肥配施能提高甘蓝各器官的磷含量，有效增加磷在叶球中分配比，这是因为有机肥不仅含有可溶性磷素，其分解后产生的有机酸能促进土壤微生物生长和磷素转运，还可通过溶解、络合、阴离子代换等作用释放磷素，进而促进作物对磷的吸收[26-27]。

与CF 相比，甘蓝叶球、外叶片、叶柄和茎中钾素含量均在OF1 处理后达到最高，甘蓝叶球和外叶片钾素积累量均在OF1 处理后最大，叶柄及茎中钾素积累量均在OF2 处理时达到最大，这说明，与CF相比，OF1 处理有效提高了甘蓝各器官钾含量（根除外），提高了钾素在叶球及外叶片中分配比，同时增加了叶球和外叶片的钾素积累量，这可能是因为添加有机肥可以提高土壤有效磷含量，改善土壤理化性质与微生物群落结构，强化微生物对作物根系刺激作用，增加作物根系长度、根表面积和根密度，进而使得作物能够吸收更多的磷素，最终提高植株磷含量[28]。

本研究结果表明，与CK 相比，有机肥配施提高了甘蓝地上部对氮、磷、钾的利用效率，这与前人研究结果一致[29-31]，主要是因为有机肥施入土壤后能改善土壤结构，提高土壤通透性，促进了甘蓝对养分的吸收和利用[32]。此外，本试验各处理下的钾素盈余均为负值，说明本地甘蓝土壤钾库处于亏缺状态，后期研究将在保持较高钾肥利用率和甘蓝产量的同时，更多关注土壤对钾素固持作用，以期为甘蓝种植地钾素的可持续管理提供科学依据。

另外，OF1 处理下的甘蓝产量较CF 高0.93%，而OF2 和OF3 处理下甘蓝产量均低于CF，但高于CK（61 766.5 kg·hm-2），这主要是因为适当的牛粪有机肥施配，一方面能满足当季作物对养分的需求，另一方面能提升土壤肥力，改善土壤结构，增强土壤微生物活性，促进甘蓝对养分吸收，进而提高甘蓝产量，这与王凯等[15]、林治安等[33]的研究结果相似。同时，相关性分析结果表明，配施处理能调节土壤有效磷和铵态氮含量、促进甘蓝叶球养分吸收和积累，进而提高甘蓝产量。而OF1 处理下土壤有效磷、铵态氮含量和甘蓝叶球养分吸收和积累等的指标均为最高（叶球磷素积累量除外），故有机肥氮30%+化肥氮70%（OF1）为固原冷凉区最佳配施方式。

有机肥/化肥配施能有效提高土壤养分、有机质含量和土壤酶活性，增加甘蓝功能叶球中养分含量和积累量，同时提高甘蓝地上部对氮、磷、钾的利用效率，进而实现冷凉区甘蓝的增产。其中，有机肥氮30%+化肥氮70%（OF1）能显著增加土壤养分含量，促进甘蓝对养分吸收，增产效果最显著，是一种适于当地生产需要、提高甘蓝产量的最佳施肥方式。研究结果可为当地实现甘蓝生产“减肥提质”提供参考。