劉沙沙，李 兵，張古彬，馮 翔，楊 坡，郭 林，李自濤，李志娟

（1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院/河南省地球化學(xué)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

【研究意義】隨著社會(huì)需求的日益增長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，化肥投入量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)化肥使用量達(dá)6 022萬(wàn) t，約占世界總量的1/3，然而有效利用率較低，僅為35.2%［1］。長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥不僅造成作物品質(zhì)下降，影響人類(lèi)健康，還會(huì)造成土壤板結(jié)、酸化、養(yǎng)分鹽漬化等肥力障礙。我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查結(jié)果顯示，黃淮地區(qū)化肥導(dǎo)致的環(huán)境影響處于中高風(fēng)險(xiǎn)水平，遠(yuǎn)高于西部地區(qū)［2-3］。沙潁河是黃淮地區(qū)的較大直流，陳云增等［4］在此區(qū)域內(nèi)的調(diào)查研究表明施用化肥導(dǎo)致飲用水和灌溉用水硝酸鹽水平不斷上升，水質(zhì)不斷惡化；特別是癌病高發(fā)村莊的蔬菜、土壤及地下水硝酸鹽積累均明顯高于平均水平，嚴(yán)重危害身體健康。因此，優(yōu)化施肥和提高肥料利用率是黃淮地區(qū)農(nóng)村地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的迫切需求。

【前人研究進(jìn)展】對(duì)小麥、玉米和水稻等糧食作物施肥研究表明畜禽糞便有機(jī)肥替代化肥可顯著提高作物產(chǎn)量、吸收養(yǎng)分量及養(yǎng)分利用率，降低氮磷淋溶的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［5-7］。在養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的黃淮地區(qū)，畜禽糞便量大、營(yíng)養(yǎng)成分豐富，不合理的處理處置破壞周邊生態(tài)環(huán)境，還造成氮磷資源的浪費(fèi)［8-9］。畜禽糞便有機(jī)肥替代化肥，是實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)、解決畜禽養(yǎng)殖污染以及發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合模式的重要途徑。蔬菜作為城郊區(qū)的主要作物類(lèi)型，具有根系淺、生長(zhǎng)周期短、肥料用量高和灌水量大等特點(diǎn)，養(yǎng)分更易流失［10-11］。因此，加強(qiáng)對(duì)蔬菜有機(jī)肥替代研究是減少氮磷流失，防治面源污染的重要組成部分?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】有機(jī)肥替代效果還受氣候條件、作物類(lèi)型及土壤理化性質(zhì)等多種因素的影響，具有很強(qiáng)的區(qū)域性［12-14］。油麥菜作為黃淮地區(qū)廣泛種植的蔬菜作物，如何合理利用有機(jī)肥，對(duì)于黃淮地區(qū)有效降低肥料成本和防控養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)具有至關(guān)重要的作用?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選擇位于黃淮地區(qū)的典型種養(yǎng)結(jié)合區(qū)作為基地，應(yīng)用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究了不同有機(jī)肥施肥量及替代比例條件下油麥菜產(chǎn)量、品質(zhì)、氮磷利用率的變化特征，探討適合于該區(qū)域的有機(jī)肥最佳施用量及替代化肥的比例，以期為推動(dòng)該區(qū)有機(jī)肥可持續(xù)消納和農(nóng)業(yè)面源污染防控工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河南省開(kāi)封市祥符區(qū)種養(yǎng)結(jié)合公司的蔬菜種植基地（34.80°N，114.48°E）。該區(qū)地處淮河流域惠濟(jì)河段，屬于引黃灌區(qū)。區(qū)內(nèi)為溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.5 ℃，年積溫4 700 ℃，年降水量627.5 mm，無(wú)霜期221 d。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為淡色潮濕雛形土（潮土），土壤母質(zhì)為黃河沖積物，耕層土壤質(zhì)地多以輕壤為主，深層（100 cm以下）則為砂質(zhì)土壤。由于項(xiàng)目區(qū)距離黃河較近（15 km左右），加之長(zhǎng)期引黃灌溉，試驗(yàn)區(qū)地下水位較淺，一般為150～200 cm。試驗(yàn)區(qū)土壤分布均勻，試驗(yàn)開(kāi)始前采集0～20 cm耕層土壤測(cè)試其基本理化性質(zhì)，pH 8.0、有機(jī)質(zhì)14.7 g/kg、全氮1.1 g/kg、全磷1.1 g/kg、堿解氮118.5 mg/kg、速效磷192.5 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植情況及蔬菜類(lèi)型，選擇當(dāng)?shù)刂髟匀~菜品種油麥菜（抗熱無(wú)斑001品種）作為供試材料?；什捎媚蛩兀∟ 46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60.0%），有機(jī)肥采用蔬菜基地所屬公司的養(yǎng)豬場(chǎng)中溫快速腐熟無(wú)害化處理制造的豬糞有機(jī)肥，有效成分含量為：有機(jī)質(zhì)57.2%，總氮（以N計(jì)）2.2%，總磷（以P2O5計(jì)）1.0%，總鉀（以K計(jì)）1.6%，pH 8.1。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)不施肥（CK）、施0.5倍有機(jī)肥（M1）、1.0倍有機(jī)肥（M2）、2.0倍有機(jī)肥（M3）、施加化肥（NPK）、施25%化肥+75%有機(jī)肥（75M）、施50%化肥+50%有機(jī)肥（50M）、施75%化肥+25%有機(jī)肥（25M）8個(gè)處理（表1），其中M2、NPK、75M、50M、25M處理施肥量相同，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積9.0 m2（1.0 m×9.0 m）。各小區(qū)周邊設(shè)置田?。▽?0 cm，高20 cm）將相鄰小區(qū)隔開(kāi)。施肥量根據(jù)營(yíng)養(yǎng)平衡并參考當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)肥料用量，本試驗(yàn)確定參照施肥量為：施N 200.0 kg /hm2，施 P2O596.8 kg/hm2，施K 1 50.0 kg/hm2。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥全部以基施方式施入小區(qū)，氮肥則預(yù)留50%用作后期追肥，結(jié)合灌水采用撒施方式施入。試驗(yàn)采用直播方式種植，于2017年9月13日播種，9月25日間苗，11月2日采收測(cè)產(chǎn)，整個(gè)生長(zhǎng)期51 d。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置與施肥量分配Table 1 Test treatment setting and fertilization amount allocation

1.4 樣品采集與分析

蔬菜收獲時(shí)，對(duì)每個(gè)小區(qū)進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)產(chǎn)，同時(shí)每個(gè)小區(qū)選取200 g均一、成熟的蔬菜，沿土面剪取地上部分用作品質(zhì)分析。采集至實(shí)驗(yàn)室的蔬菜樣品使用自來(lái)水沖洗干凈，再使用去離子水反復(fù)沖洗2～3遍，使用吸水濾紙吸干植物樣表面水分。硝酸鹽和亞硝酸鹽含量測(cè)試采用紫外分光光度法，可溶性糖含量采用銅還原碘量法測(cè)定［15］。植物樣品經(jīng)105 ℃烘干2 h，85 ℃烘干24 h以上，測(cè)定干重及含水率。樣品經(jīng)濃硫酸-過(guò)氧化氫混合液消煮后，用半微量凱氏定氮法測(cè)定植株氮含量，用釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量［16］。氮、磷吸收量及表觀利用率計(jì)算公式如下［17］：

式中，Ai為第i組蔬菜對(duì)N或P的吸收量（kg/hm2），ACK為不施肥對(duì)照蔬菜N或P的吸收量（kg/hm2），Yi為第i組蔬菜產(chǎn)量（t/hm2）；Ci為第i組蔬菜N或P含量（g/kg）；Ri為第i組蔬菜N或P表觀利用率（%），Di為第i組N或P的施加量（kg/hm2）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin8.0作圖和SPSS10.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用一維方差分析(ANOVA)進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)油麥菜產(chǎn)量的影響

不同施肥處理油麥菜產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖1。試驗(yàn)結(jié)果顯示，與不施肥對(duì)照相比，無(wú)論施用化肥還是有機(jī)肥均可顯著增加油麥菜產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為7.1%～61.1%。單施有機(jī)肥對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果（圖1A）表明：隨著施肥量增加（M1～M3），產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，但總體上低于單施化肥處理（NPK）。當(dāng)有機(jī)肥施用量達(dá)到M2處理后，產(chǎn)量不再隨施肥量的增加而增加；M2、M3處理產(chǎn)量差異不顯著。在氮磷施用量相同條件下（圖1B），有機(jī)肥替代比例為75.0%（75M）時(shí)油麥菜產(chǎn)量最高，但是除了顯著高于純有機(jī)肥處理（M2）外，均與其他處理差異不顯著。

圖1 不同施肥處理油麥菜產(chǎn)量對(duì)比Fig.1 Comparison of yield of lettuces among different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對(duì)油麥菜品質(zhì)的影響

不同有機(jī)肥施用量試驗(yàn)結(jié)果（圖2A）表明，施肥能顯著提高油麥菜可溶性糖含量，與不施肥對(duì)照相比，提高幅度達(dá)到59.4%～200.0%，差異顯著。油麥菜可溶性糖含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而上升，其中2倍有機(jī)肥施用量（M3）處理可溶性糖含量最高。施肥量相同條件下（圖2B），有機(jī)肥替代比例25.0%～75.0%處理油麥菜可溶性糖含量均較100%化肥（NPK）處理提高58.8%～88.2%，差異顯著，其中有機(jī)肥替代比例75%（75M）處理可溶性糖含量最高。相同施肥量條件下，有機(jī)肥（M2）與化肥（NPK）處理差異不顯著。

圖2 不同施肥處理油麥菜可溶性糖含量對(duì)比Fig.2 Comparison of the soluble sugar content of lettuces among different fertilization treatments

有機(jī)肥梯度處理結(jié)果（圖3A、圖3C）顯示，硝酸鹽和亞硝酸鹽含量隨施肥量增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。M1處理較對(duì)照亞硝酸鹽含量增加13.0%，M2較M1處理增加30.8%；因此，施肥量越大亞硝酸鹽含量增加量越大。施用化肥（NPK）處理硝酸鹽和亞硝酸鹽含量最高，分別達(dá)到2.7 g/kg和12.0 mg/kg。

蔬菜硝酸鹽測(cè)定結(jié)果顯示，總體上無(wú)論是施用化肥還是有機(jī)肥均會(huì)顯著增加蔬菜硝酸鹽含量（圖3A、圖3B），但是有機(jī)肥處理對(duì)硝酸鹽增加的幅度顯著低于純化肥處理（圖3B）。亞硝酸鹽含量測(cè)定結(jié)果表明，有機(jī)肥施用均會(huì)顯著降低蔬菜亞硝酸鹽含量（圖3C、圖3D），降低幅度高達(dá)52.5%～87.3%。

圖3 不同施肥處理油麥菜硝酸鹽含量和亞硝酸鹽含量對(duì)比Fig.3 Comparison of nitrate content and nitrite content of lettuces among different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對(duì)油麥菜氮、磷含量的影響

供試蔬菜氮、磷含量見(jiàn)表2。施肥會(huì)顯著增加油麥菜氮、磷含量，增幅分別為52.6%～125.1%和31.6%～80.6%，施肥提高植株氮含量更明顯。單施有機(jī)肥處理油麥菜氮、磷含量隨施肥量的增加而增加，但增加幅度呈降低趨勢(shì)。此外，同一施肥水平不同有機(jī)肥替代比例對(duì)植株氮、磷含量的影響較小。

表2 不同施肥處理油麥菜氮含量和磷含量比較Table 2 Comparison of nitrogen and phosphorus contents of lettuces among different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理對(duì)油麥菜氮、磷表觀利用率的影響

供試蔬菜氮、磷吸收量及表觀利用率如表3所示。有機(jī)肥梯度試驗(yàn)結(jié)果表明，氮、磷吸收量隨施肥量的增加呈先增加后穩(wěn)定趨勢(shì)；氮、磷表觀利用率先升高后降低。施肥量由M至2M，氮、磷吸收量變化不顯著，氮、磷表觀利用率較M2處理分別下降8.8%和5.1%。不同有機(jī)肥替代比例（75M～50M）的磷吸收量顯著高干100%化肥處理，而25M相關(guān)結(jié)果與NPK處理差異不顯著。有機(jī)肥替代比例為75%（75M）的氮、磷吸收量及利用率最高，吸收量較100%化肥處理提高21.3%和21.5%，利用率較100%化肥處理提高30.4%和44.9%。

表3 不同施肥處理油麥菜氮、磷吸收量及表觀利用率比較Table 3 Comparison of nitrogen / phosphorus uptake and utilization rate of lettuces among different fertilization treatment

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代對(duì)油麥菜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

肥料供給與蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)密切相關(guān)［18］。本研究結(jié)果表明，施肥不足影響油麥菜生長(zhǎng)，但過(guò)量施肥不能顯著增加油麥菜產(chǎn)量，還造成硝酸鹽和亞硝酸鹽含量增加。相關(guān)研究證實(shí)施N 150 kg/hm2條件下黃秋葵產(chǎn)量最高，進(jìn)一步增加氮肥用量，產(chǎn)量會(huì)有所下降，此外，黃秋葵株高、莖粗和可溶性蛋白等外觀及內(nèi)在品質(zhì)也呈現(xiàn)相似變化規(guī)律［19］。施肥量與蔬菜品質(zhì)研究表明過(guò)量施肥降低蔬菜體內(nèi)可溶性糖、維生素C和氨基酸等有效成分含量，硝酸鹽和亞硝酸鹽含量與施氮量呈正相關(guān)［20-21］。植物主要吸收硝酸鹽形式氮，硝酸鹽進(jìn)入植物體內(nèi)在硝酸還原酶和亞硝酸還原酶作用下還原為氨，進(jìn)而合成機(jī)體所需的蛋白質(zhì)。氮元素超量供應(yīng)，植物將以超過(guò)自身需求的速度吸收并儲(chǔ)存硝酸鹽，因此造成硝酸鹽含量增加，降低蔬菜品質(zhì)［22］。蘭翔等研究表明，0～375 kg/m3施磷量范圍內(nèi)，粉質(zhì)黏土中大白菜產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，而粘壤土中產(chǎn)量隨施肥量增加呈先增加后穩(wěn)定趨勢(shì)［23］。以上結(jié)果說(shuō)明供試作物產(chǎn)量與施肥量有關(guān)外，還受土壤肥力、類(lèi)型等因素影響。

除施肥量外，肥料種類(lèi)也是影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥替代化肥保障產(chǎn)量的同時(shí)可顯著提高蔬菜品質(zhì)。相關(guān)研究也表明，有機(jī)肥替代可提高甘藍(lán)、小白菜等蔬菜可溶性糖含量，降低硝酸鹽含量，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)［24-26］。有機(jī)肥部分替代化肥可提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)原因有以下幾點(diǎn)：（1）有機(jī)肥含有作物生長(zhǎng)所需常規(guī)養(yǎng)分外，還含有大量微量元素、有機(jī)物和微生物等，營(yíng)養(yǎng)供給全面、均衡，可提高蔬菜產(chǎn)量，促進(jìn)可溶性糖、氨基酸等物質(zhì)的合成；（2）有機(jī)肥氮以有機(jī)形態(tài)為主，硝酸鹽含量較少，且土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化速度較慢，硝酸鹽不易被植物大量吸收積累［27］；（3）過(guò)量化肥容易造成土壤板結(jié)、鹽漬化等不良影響，而有機(jī)肥所含有的有機(jī)物、微生物等可改善土壤性質(zhì)，提高土壤肥力，從而提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)［28］；（4）肥料供給與作物養(yǎng)分需求規(guī)律的關(guān)系也是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。有機(jī)肥釋放速度較慢，前期養(yǎng)分濃度低，無(wú)法滿(mǎn)足作物營(yíng)養(yǎng)需求；有機(jī)肥部分替代化肥可發(fā)揮二者的互補(bǔ)作用，保證全過(guò)程營(yíng)養(yǎng)需求，產(chǎn)品高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)［29］。朱菜紅等［30］采用15N示蹤技術(shù)和盆栽試驗(yàn)對(duì)水稻生長(zhǎng)期間不同施肥處理氮的動(dòng)態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥增加了氮素供應(yīng)與水稻氮需求時(shí)間上的同步性是提高產(chǎn)量和肥料利用率的重要原因。

3.2 有機(jī)肥替代對(duì)油麥菜養(yǎng)分利用率的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)分利用率與施肥量及肥料種類(lèi)密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)增加施肥量可提高氮磷吸收量，但施肥量超過(guò)N 200.0 kg/hm2、P2O596.8 kg/hm2，繼續(xù)增加施肥量不能增加油麥菜吸收氮磷量，氮、磷利用率顯著下降；相同施肥量條件下，有機(jī)肥替代可增加肥料利用率。有關(guān)施肥量與養(yǎng)分利用率的研究也表明過(guò)量施用氮肥，氮肥利用率大幅下降［31-32］。楊曉梅等［33］有關(guān)不同有機(jī)肥替代比例條件下華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量和氮肥利用率的研究表明，有機(jī)肥部分替代化肥可增加氮肥利用率，替代比例為50%處理產(chǎn)量和氮肥利用率最高。在山東濱海地區(qū)有機(jī)肥替代比例為70%條件下水稻產(chǎn)量最優(yōu)，磷肥利用率最大［34］。不同作物、不同地區(qū)的有機(jī)肥最佳替代比例不同，本研究中有機(jī)肥替代比例為75%條件下產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率最高。

有機(jī)肥替代可增加蔬菜產(chǎn)量，增加土壤微生物種群數(shù)量、豐度，提高酶活，從而加速了氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的活化，增強(qiáng)蔬菜對(duì)氮、磷的吸收能力，從而增加養(yǎng)分利用率［35-36］。王玉勝等［37］研究表明，施加生物有機(jī)肥有利于根際細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的增殖，提高土壤代謝強(qiáng)度，促進(jìn)植物吸收。此外，化肥中氮、磷多以無(wú)機(jī)形式存在，易被淋失也是有機(jī)肥替代可增加肥料利用率的原因之一。張鳳華等［38］在蔬菜種植過(guò)程中連續(xù)過(guò)量施肥，土壤Olsen-P含量持續(xù)增加，土壤磷素大量積累，雨季地表徑流流失負(fù)荷達(dá)0.3 kg/hm2，是造成周邊水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要來(lái)源之一，而減少化肥磷和配施有機(jī)肥可顯著消減養(yǎng)分流失量。作為農(nóng)作物和畜禽產(chǎn)品重要產(chǎn)區(qū)之一的黃淮地區(qū)，環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，合理利用有機(jī)肥、推進(jìn)有機(jī)肥替代化肥是防治化肥和禽畜糞便造成的面源污染的重要途徑之一。

4 結(jié)論

（1）單獨(dú)施加有機(jī)肥，施N 200.0 kg/hm2、施P2O596.8 kg/hm2可保證較高的油麥菜產(chǎn)量和氮、磷利用率，然而施肥量過(guò)大不僅對(duì)產(chǎn)量沒(méi)有增加作用，還造成硝酸鹽和亞硝酸鹽含量不斷上升，蔬菜品質(zhì)下降；氮、磷利用率也大幅下降。

（2）在不增加氮、磷總量條件下，有機(jī)肥替代在保障作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)上，提高氮、磷利用率；其中替代比例為75%，油麥菜產(chǎn)量、品質(zhì)及氮、磷利用率均可達(dá)到較高水平。

（3）有機(jī)肥合理替代化肥不僅有效合理利用禽畜糞便，還可減少化肥施用。本研究可為種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)分布廣泛的黃淮地區(qū)防治面源污染，保障環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。