化肥减量配施增效剂对土壤理化性质及菜心产量、品质的影响

胡绮琪，余炜敏，梁嘉伟，王荣萍，杨祁云，林壁润，葛百一，白豫博

（1.广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650；2.广东省农业科学院植物保护研究所/农业农村部华南果蔬绿色防控重点实验室/广东省植物保护新技术重点实验室，广东 广州 510640；3.广东供销绿色农产品生产供应基地运营有限公司，广东 惠州 516166）

【研究意义】蔬菜是人类重要的基础食物来源之一，在我国居民饮食中占有重要地位，是农民重要的经济来源。目前蔬菜生产盲目追求产量，普遍过量施用化肥，导致土壤肥力下降、农作物产量和品质下降等问题。同时，不合理施肥还会引起一系列环境污染问题，影响农业的可持续发展。在保证蔬菜产量稳定的基础上减少化肥投入、实现化肥减量增效，是当前蔬菜生产中亟待解决的问题。【前人研究进展】有机肥与化肥配施已成为减肥增效的重要手段之一。前人研究结果表明，化肥减量配施有机肥可以改善土壤微生物量、提高土壤肥力［1-5］，还可以改善作物品质和提高作物产量［6-7］。周喜荣等［8］研究表明，60%生物有机肥+40%化肥处理可显著改善葡萄园的土壤肥力以及葡萄的产量和品质，与对照相比，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别增加45.99%、14.95%、53.80% 和5.80%。泮张彬等［9］研究发现，在化肥氮减量25%的情况下，配施茭白秸秆堆肥可以促进番茄生长，番茄单果质量提高13.92%，同时土壤容重降低3.51%，改良土壤结构。相关研究表明，化肥与有机肥配施能改善芹菜品质、提高土壤肥力［10］；也有研究发现，化肥减量30%配施生物有机肥可使大白菜产量增加20.9%、经济效益提高10 749元/hm2［11］，减少40%化肥施用量可使小白菜产量提高24.8%、硝酸盐含量降低39.0%、Vc 含量提高35.8%［12］。对水稻的研究发现，绿肥与化肥减量配施可以促进水稻生长［13］，在化肥减量配施有机肥的基础上，可以增加双季稻产量1.3%～6.0%，稻田有机质含量提高2.8%～4.0%，提高了土壤肥力［14］。刘兴林［15］对南方双季稻区水稻的研究发现，20%～40%有机肥纯氮供应比例的施肥处理能够增加水稻的有效穗数，秸秆干质量降低6.1%～6.9%，能使土壤有机质含量提高6.9%～31.5%。【本研究切入点】随着过量施肥导致的作物产量和品质下降、环境污染问题日益突出，寻求可行的化肥减施增效方案，对实现农业可持续发展具有重要意义。前人研究主要集中在化肥减量配施有机肥方面，而关于增效剂的应用研究鲜见报道。增效剂作为一种微生物菌剂，主要成分为添加微生物代谢产物的黏土纳米材料，施入土壤后形成氢键可在植物根系周围形成保水保肥的纳米网，减少养分的淋溶流失，从而达到减少施肥、提高肥料利用率的目的。【拟解决的关键问题】本研究主要针对广东省蔬菜地肥料高施低效及其引发的面源污染问题，以华南地区代表性的蔬菜作物菜心为研究对象，采用田间小区试验，研究化肥减量配施增效剂对土壤环境以及作物产量和品质的影响，以期为广东特色农业绿色发展及珠三角面源污染控制提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021 年在广东省惠州市博罗县公庄镇绿宝源蔬菜专业合作社基地开展。供试土壤为红壤，基本理化性质如下：pH 5.2、有机质含量22.8 g/kg、全氮1.52 g/kg、碱解氮145 mg/kg、有效磷133 mg/kg、速效钾243 mg/kg。供试有机肥为当地农民自制肥料：pH 7.43、有机质含量36.4%、总氮含量0.75%、含磷量（以P2O5计）1.6%、含钾量（以K2O 计）0.56%。供试复合肥（含腐植酸水溶肥料，N+K2O ≥20.0%）由广州护地肥料科技有限公司提供。

供试蔬菜品种为尖叶49 菜心。供试增效剂由中国科学研究院微生物研究所提供，养分含量如下：有机质0.73%、总氮0.36%、含磷量（以P2O5计）0.12%、含钾量（以K2O 计）0.26%。供试增效剂养分含量低，对本试验土壤的养分影响比较小。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，共设置4 个处理，分别为：T1（CK），当地施肥处理，复合肥施用量750 kg/hm2；T2，当地施肥+增效剂处理，复合肥施用量750 kg/hm2、增效剂用量225 kg/hm2；T3，减肥20%处理，复合肥施用量600 kg/hm2；T4，减肥20%+增效剂处理，复合肥施用量600 kg/hm2、增效剂用量225 kg/hm2（表1）。每个处理3 次重复，共12 个小区，每个小区面积为50 m2。试验于2021 年2 月1 日育苗、2 月23—24 日移栽，移栽前3 d 将增效剂与有机肥混合均匀全部作为基肥施入耕层。在菜心生育期将复合肥作为追肥分3 次施入种植沟内，分别在移栽后第7、14、28 d 各追施30%、40%和30%，追肥随水施用，常规田间管理。

表1 菜心化肥减量配施增效剂试验施肥方案Table 1 Fertilization scheme of chemical fertilizer reduction combined with synergist for Chinese flowering cabbage

1.3 测定指标及方法

2021 年3 月16—26 日采收每个小区的菜心，菜心可食部分记作产量，共采收菜心可食部分3 次，累计计产。菜心用蒸馏水洗净，整株装入信封袋，放置烘箱内，105℃杀青30 min，然后75℃烘干至恒重计算其干物质量，粉碎，用于测定植株全氮、全磷和全钾含量。取菜心50 g 两份，用蒸馏水洗净晾干后切断粉碎，其中一份采用紫外分光光度法［16］测定硝酸盐含量（紫外分光光度计为上海元析仪器有限公司产品，型号UV-6000，精度±0.3%T）；另外一份加入50 mL 草酸制成匀浆，采用2,6-二氯靛酚法［16］测定Vc 含量。

土壤容重、毛管持水量、田间持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度等指标采用环刀法［17］测定，土壤pH 以及有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量参照鲁如坤［17］方法进行测定。

土壤微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷采用氯仿熏蒸法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠-比色法测定［18］。

植株经H2SO4-H2O2消煮后，全氮含量采用扩散法测定、全磷含量采用钒钼黄比色法测定、全钾含量采用火焰光度计法测定［17］。

养分吸收量=植株干质量×植株养分含量。

数据采用Excel 2010 和SPSS 22.0 软件进行统计分析，使用单因素方差分析（ANOVA）进行数据比较，最小显著差异法（Least significant difference，LSD）检验进行多重比较（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对菜地土壤物理性状的影响

由表2 可知，各施肥处理菜地土壤的毛管持水量、田间持水量、非毛管孔隙度与总孔隙度均比当地施肥T1（CK）有不同程度的提高，其中T3 处理土壤毛管持水量、田间持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度分别比T1（CK）提高13.3%、43.1%、29.4% 和9.2%，且差异均达显著水平。不同施肥水平间，减肥水平的T3、T4 处理总孔隙度分别比T1（CK）、T2处理显著增加9.2% 与9.8%，表明减量施肥措施对改善菜地土壤结构具有明显效果。同一施肥水平下，田间持水量在施用增效剂后均有显著提高，T2 处理比T1（CK）提高45.7%，T4处理比T3 处理提高15.1%，且T2 处理的毛管持水量比T1（CK）显著提高10.9%。表明化肥减量配施增效剂对菜地土壤的物理性状有一定的改善作用。

表2 不同施肥处理对菜地土壤物理性状的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil physical properties in vegetable field

2.2 不同施肥处理对菜地土壤微生物量碳、氮、磷及酸性磷酸酶活性的影响

由表3 可知，土壤微生物量碳、微生物量氮、酸性磷酸酶活性在各处理间的变化趋势基本相同，表现为T3（减肥20%）＞T1（CK）、T2（当地施肥+增效剂）＞T1（CK）、T4（减肥20%+增效剂）＞T3（减肥20%）。T3 处理菜地土壤微生物量碳、氮含量分别比T1（CK）显著增加35.9%、43.1%。T1（CK）与T2 相 比、T3 与T4相比发现，配施肥料增效剂对土壤微生物量碳、氮含量有显著提升效果，T2处理的土壤微生物量碳、氮含量分别比T1（CK）提高39.8%和25.7%，T4 处理的土壤微生物量碳、氮含量分别比T3 处理提高31.1%和47.5%。在当地施肥条件下，施用增效剂（T2）也可使土壤酸性磷酸酶活性显著提升27.0%，在化肥减量20%配施增效剂（T4）的条件下，酸性磷酸酶活性并未降低，比T1（CK）显著增加24.3%。土壤微生物量磷含量在各处理间呈不同的变化趋势，T3 处理显著低于T1（CK），比较T1（CK）、T2 两个处理发现在当地施肥水平下增效剂作用不明显，但在减肥处理水平下配施增效剂可显著增加微生物量磷的含量，且T4 处理与其他处理均差异显著，分别比T3、T2、T1 处理提高118.8%、84.5%、49.1%。综合而言，化肥减量配施增效剂对土壤微生物量碳、氮、磷和酸性磷酸酶活性均有提升作用。

表3 不同施肥处理对菜地土壤微生物量及酸性磷酸酶活性的影响Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil microbial biomass and acid phosphatase activity in vegetable field

2.3 不同施肥处理对菜地土壤肥力的影响

由图1 可知，T2、T3、T4 处理土壤pH 值均比T1（CK）有不同程度提升，其中T3 处理土壤pH 与T1 处理差异达显著水平，其余处理间差异不显著；各施肥处理间的土壤有机质含量、全氮含量均未表现出显著差异。表明减肥20%处理可以提高土壤pH 值，但对土壤有机质和全氮含量的影响甚微，配施增效剂对土壤有机质、全氮含量的影响在本试验中亦不明显。

图1 不同施肥处理对菜地土壤pH 值、有机质含量和全氮含量的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH value,organic matter and total nitrogen contents in vegetable field

从图2 可以看出，在不同施肥处理下，土壤速效养分指标呈现出不同的变化趋势。T3 处理的土壤碱解氮、速效钾含量与T1（CK）基本相同，减肥20%并未使二者含量下降；T4处理土壤碱解氮含量得到显著提升、达228.0 mg/kg，分别比T1（CK）、T2、T3 处理提高33.3%、29.5%、32.6%；T2 处理土壤速效钾含量比T1（CK）显著提升31.2%，T4和T3 处理间土壤速效钾含量也表现出显著差异、前者比后者含量显著提升13.9%。土壤有效磷含量在各处理间差异不显著，T3 处理与T1（CK）相比土壤有效磷含量并未显著下降，T4处理与T2 处理之间土壤有效磷含量亦未表现出显著差异。表明减肥20%在配施增效剂的条件下，不会降低土壤速效养分含量。

图2 不同施肥处理对菜地土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil alkali-hydrolyzable N,available P and available K contents in vegetable field

2.4 不同施肥处理对菜心养分吸收量的影响

由表4 可知，不同施肥处 理的菜心各营养元素吸收量变化趋势一致，均为T4（减肥20%+增效剂）＞T3（减肥20%）＞T2（当地施肥+增效剂）＞T1（CK），T3 处理菜心的氮、磷、钾吸收量均比T1（CK）有显著提升，分别比T1（CK）提高22.1%、11.3%、17.8%；T4 处理菜心的氮、磷、钾吸收量显著高于T1（CK）、T2 处理，分别提高33.0%、28.5%、30.0%，比T2 处理提高22.1%、25.0%、26.3%。减肥20%并不会影响菜心生长，同时配施增效剂还可以促进菜心对氮、磷、钾养分的吸收。

表4 不 同施肥处理对菜心养分吸收量的影响Table 4 Effects of different fertilization treatments on nutrient absorption of Chinese flowering cabbage

2.5 不同施肥处理对菜心产量和品质的影响

由表5 可知，各施肥处理间菜心的产量差异显著，各处理产量大小排序为T4（减肥20%+增效剂）＞T3（减肥20%）＞T2（当地施肥+增效剂）＞T1（CK），T3 处理比T1（CK）增产19.4%，可见化肥减量并不会降低菜心产量。T4 处理分别比T2、T3 处理增产16.2%、7.3%，表明在减肥条件下配施增效剂不会影响菜心的增产效果。

表5 不同施肥处理对菜心产量和品质的影响Table 5 Effects of different fertilization treatments on the yield and quality of Chinese flowering cabbage

与T1（CK）相比，T2、T3、T4 处理菜心硝酸盐含量显著降低，分别降低6.9%、13.6%、12.1%；T4 处理与T2 处理相比，菜心硝酸盐含量显著下降5.6%。T3 处理与T1（CK）相比，菜心Vc 含量有轻微提升，但差异不显著；T2 处理菜心Vc 含量显著高于T1（CK）5.6%，T4 处理与T2 处理相比菜心 Vc 含量的差异不显著，T4 处理与T1（CK）相比，Vc 含量显著提高4.2%。表明化肥减量配施增效剂可以降低菜心硝酸盐含量、提高Vc 含量，最终改善菜心品质。

3 讨论

盲目施用化肥容易导致土壤板结、肥力下降，使作物根系吸收养分难度增加，不利于植物生长。提升土壤肥力的前提是改善土壤结构，前人研究发现在减肥基础上加入有机辅料能更好地改善土壤结构，秸秆生物炭与减量氮肥配施可有效减轻玉米地土壤酸化问题，促使土壤结构良性循环［19］，使用改性生物炭可以改善土壤结构和土壤微生态环境［20］。在本试验中，减肥20%处理（T3）的土壤毛管持水量、田间持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均显著高于当地施肥处理（T1，CK），减肥20%+增效剂处理（T4）的田间持水量显著高于当地施肥处理（T1，CK）。配施增效剂改善了土壤的物理性状，减肥20%配施增效剂也提高了土壤碱解氮和速效钾含量，但并未降低土壤有机质、全氮和有效磷含量。在研究减肥对玉米产量的影响中发现，氮肥减量对土壤中有机质含量影响不显著，化肥的减量对土壤表层有效磷含量基本无影响，且减肥25%产量最高［21］，这与本试验结果基本一致。减肥20%+增效剂处理（T4）土壤酸性磷酸酶活性高于减肥20%处理（T3），这是由于肥料减量配施增效剂可有效改善土壤理化性质，为微生物提供适宜环境，从而提高了酸性磷酸酶活性。也有研究结果表明，化肥减量和配施有机肥能够提高土壤微生物量和土壤肥力［22-24］。

土壤微生物量与土壤肥力之间存在相关性，且可灵敏地反映出土壤肥力的变化，因此土壤微生物量是衡量土壤养分变化的一个重要指标。在本试验中，微生物量碳、氮和磷含量均在减肥20%+增效剂处理（T4）下显著高于当地施肥处理（T1，CK），也高于单独减肥20%处理（T3）。有研究表明，土壤微生物量碳、氮与土壤碱解氮含量呈正相关关系、相关系数分别为0.5292 和0.8133；土壤微生物量碳含量与土壤全氮、铵态氮、全钾和速效钾含量间呈极显著正相关关系，微生物量氮与土壤全氮、铵态氮、全钾和速效钾含量也达到极显著相关关系［25］。表明在本试验条件下化肥减量配施增效剂可以提高菜地土壤微生物量和肥力。

土壤微生物量碳、氮是土壤碳素和氮素养分转化和循环过程中的重要参数，可以反映土壤微生物和土壤肥力状况。土壤微生物C/N 的高低能够反映土壤氮素的供应能力，在微生物C/N 较小时，土壤氮素具有较高的生物有效性，从而促进土壤氮素利用率提高［26］。生物质炭与氮肥配施后可以提高土壤pH 值、孔隙度、微生物量碳和微生物量氮含量［27-28］。本试验中，与当地施肥处理（T1，CK）相比，土壤微生物量C/N 在减肥20%处理（T3）下显著下降，减肥20%+增效剂处理（T4）也能降低土壤微生物量C/N，表明增效剂可以促进土壤氮素的周转。

土壤微生物量磷含量在减量施肥处理中显著下降，推测与土壤pH 值升高有关。研究表明，土壤微生物量磷含量会随土壤pH值上升而下降，而土壤微生物量C/P 则会随着pH 值的上升而升高［29］。在本试验中土壤微生物量磷与土壤pH值的变化趋势趋同，但相关性不明显，土壤微生物量C/P 则与pH 值呈正相关关系，相关系数为0.5958。本试验中减肥20%处理土壤微生物量C/P 显著高于当地施肥处理（T1，CK），在此条件下配施增效剂可降低微生物量C/P，有利于土壤磷素周转与利用。

前人研究结果表明，仅减肥处理不会导致农作物产量显著减产，且有改善作物品质的效果［30-31］。研究发现，化肥减量20%配施生物肥可显著增加花椰菜单球质量，显著降低硝酸盐含量，提高Vc、可溶糖含量以及氮、磷、钾肥利用率［32］；番茄大棚水肥调节试验结果表明，减肥20%条件下番茄的Vc 含量并无显著下降［33］。本试验研究发现，在当地施肥条件下，施用增效剂处理（T2）可有效缓解菜心硝酸盐的积累，在减肥20%处理（T3、T4）情况下，菜心硝酸盐含量显著下降12.1%～13.6%，Vc 含量提高，且在施用增效剂时Vc 含量提升幅度较明显。单独减量施肥20%处理（T3）菜心产量显著提高19.4%，减肥20%同时配施增效剂处理（T4）可以使菜心产量再显著增产7.3%，表明减肥20%配施增效剂可以促进菜心生长、减少菜心硝酸盐累积、提高Vc 含量，同时可以改善土壤理化性状、促进植物生长。从经济效益方面考虑，增效剂价格为2 000 元/t，复合肥价格为3 200 元/t，在本试验条件下，增效剂施用量为225 kg/hm2、成本为450 元/hm2，复合肥减少20%的处理，复合肥减少的成本为480 元/hm2，由此可见增效剂在经济效益上也具有优势。

4 结论

合理减少肥料投入仍可以维持或提高土壤肥力、菜心产量和品质。减肥20%配施增效剂 处理的土壤毛管持水量、田间持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度分别比当地习惯施肥处理提高13.9%、64.7%、42.1%、13.0%，土壤pH 值提高13.4%，碱解氮、速效钾、微生物总量和酸性磷酸酶活性分别提高33.3%、15.8%、37.8%和24.3%。表明化肥减量配施增效剂可改善土壤理化性状、提高土壤微生物含量与活性，有利于作物根系对养分的吸收，为菜心生长提供合适的水分和养分供应，进而提高菜心产量和品质。综合来看，化肥减施20%配施增效剂在生产上是可行的。