有机肥替代化学氮肥对叶用芥菜产量品质及土壤肥力的影响

杨柳 周清华 王东歧 张振 付宏阳 张文秀

(十堰市农业科学院，湖北 十堰 442000)

化肥是蔬菜优质高产的物质基础，据联合国粮农组织(FAO)统计，化肥对农作物增产的贡献率达40%～60%[1]。然而在蔬菜需求量增加和经济利益的驱动下，部分菜农为追求高产量，导致化肥过量和不合理施用。化肥过量和不合理施用不仅会造成化肥利用率和生产效益低下，还会导致土壤有机质含量降低、速效养分(氮、磷等)大量富集、次生盐渍化、重金属积累、蔬菜可食部分和地下水硝酸盐超标等[2]。根据第一次全国污染源普查公报，我国农业面源氮、磷流失量占总面源污染的1/3[3]。化肥过量或不合理使用导致的一系列问题，严重制约着我国蔬菜产业的可持续发展，随着生活水平的提高，人们越来越关注环境污染和食用安全等问题。2017年国家发布的中央一号文件明确提出了绿色生产，推动化肥施用零增长行动，用有机肥替代化肥就是一种有效途径。有机肥除拥有作物所需的基本养分外，还含有微量元素和微生物，能够改善作物土壤环境，促进其生长发育[4]。所以，增施有机肥，用有机肥替代化肥对提高蔬菜产量，提升蔬菜品质，改善土壤理化性状具有重要作用。前人对有机肥替代化学氮肥在叶用芥菜上应用报道比较少，而且其应用效果也会因土壤类型不同、肥力不同而有差异，本试验以叶用芥菜为材料，研究有机肥替代化学氮肥的可行性及其对叶用芥菜产量、品质及土壤理化性质的影响，为探索适合鄂西北黄棕壤地区叶用芥菜高产优质的科学施肥技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验地点位于湖北省十堰市郧阳区青曲镇十堰绿普蔬菜种植合作社(N31°43′14.03″，E118°46′12.28″，H-318m)，属于亚热带湿润气候，土壤类型为黄棕壤。试验用地土壤理化性质：容重1.22g·cm-3、pH值6.52、有机质含量18.26g·kg-1、碱解氮92.23mg·kg-1、有效磷27.04mg·kg-1、速效钾117mg·kg-1。

1.2 试验材料

1.2.1 供试作物

叶用芥菜，购置于当地市场。

1.2.2 供试肥料

化肥为尿素(N46.4%)、过磷酸钙(P2O512%)、硫酸钾(52%)；有机肥为秸秆堆肥，主要养分含量有机质为85.67%，N为2.29%，P2O5为0.88%，K2O为3.36%。

1.3 试验设计

试验设置6个处理，采用等N量设计，N、P、K素施用总量依据科学施肥单施化肥用量确定，其中N为300kg·hm-2、P2O5为210kg·hm-2、K2O为270kg·hm-2。具体处理：处理1为空白对照(CK)，不施任何肥料；处理2为100%化肥N素(CF)；处理3为化肥N素1/3有机替代(1/3MF)；处理4为化肥N素1/2有机替代(1/2MF)；处理5为化肥N素2/3有机替代(2/3MF))；处理6为100%有机肥N素(OM)。以CF为参考，有机肥替代化肥的处理不足的P素用过磷酸钙补充。每个处理3次重复，小区面积5m×2m，采用随机区组排列。芥菜于2021年8月26日播种，9月25日移栽，12月16日收获测产。有机肥用作基肥于移栽前一次性施入；化肥70%作基肥，30%追肥，追肥分2次进行，第1次追肥时间10月9日，第2次追肥时间11月6日。

1.4 项目测定与数据处理

1.4.1 芥菜产量及单株性状测定

收获时，按小区收割测产量。单株性状采用随机取样法，每小区随机取5株，计算相应性状的平均值。

1.4.2 土壤样品采集与测定

分别在芥菜播种前及芥菜收获后采用“S”型采样法采集试验地0～20cm的土壤混合样品。土壤容重采用环刀法测定；pH采用电位法(水∶土=2.5∶1)；有机质采用重铬酸钾滴定法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提—钼蓝比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定[5]。

1.4.3 植株样品采集与测定

芥菜收获时每小区随机取样3株，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝比色法测定，维生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定[6]；硝酸盐采用水杨酸硝化法，亚硝酸盐采用磺胺比色法测定[7]。

采用Microsoft Excel软件整理数据，利用SASS 8.1软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对芥菜产量及单株性状的影响

作物的产量是衡量施肥效果和土壤肥力水平的重要指标。由图1可以看出，本次试验芥菜产量大小为1/2MF>1/3MF>CF>2/3MF>OM>CK。CK处理产量最低，与其它处理之间差异显著。有机肥替代化学氮肥的各处理中1/3MF、1/2MF处理显著高于CF，2/3MF、OM处理与CF之间无显著差异。1/2MF处理的产量高于其它各个处理，说明本次试验条件下，化肥N素1/2有机替代的施肥方案对芥菜的增产效果最好。

图1 不同施肥处理对芥菜产量影响(平均值±标准差，n=3)

单株性状是构成产量和感官品质的重要因素，由表1可以看出，不同施肥处理芥菜的株高、株幅、叶长、叶宽、单株重等性状存在差异。其中CK处理与其它处理之间差异显著，CF处理单株重与1/2MF有显著差异，其它性状与有机肥替代化学氮肥各处理之间差异均不显著。综合来看单株性状好的处理，尤其是单株重较大的处理，其对应的芥菜产量也较高。

表1 不同处理对芥菜产量及单株性状的影响

2.2 不同处理对芥菜品质的影响

2.2.1 维生素C

维生素C不仅影响蔬菜自身的生长发育，而且也是蔬菜重要品质指标之一。由表2可以看出，相比于CK与CF，有机肥替代化学氮肥的各处理维生素C含量均得到不同程度提升。1/3MF、1/2MF、2/3MF、OM处理维生素C含量比CK高12.69%、15.88%、19.29%、41.20%，比CF高21.78%、25.23%、28.92%、52.59%，差异显著。说明有机肥替代化学氮肥可以明显提高芥菜维生素C含量。

表2 不同处理对芥菜品质的影响

2.2.2 可溶性糖

可溶性糖含量是反映蔬菜品质的重要指标，在植物生长发育过程中，可溶性糖不仅提供能量和代谢中间产物，而且会通过调节基因的表达影响植物生长。由表2可以看出，有机肥替代化学氮肥的各处理可溶性糖含量显著高于CF及CK，1/2MF、OM、2/3MF及1/3MF处理比CK分别高74.53%、67.92%、52.83%、34.91%，比CF分别高44.53%、39.06%、26.56%、11.72%，说明有机肥替代化学氮肥可以显著改善芥菜可溶性糖品质。

2.2.3 可溶性蛋白

可溶性蛋白是评价食物品质的重要指标，与食物的营养价值密切相关，在一定程度上影响着食物的风味。由表2可以看出，有机肥替代化学氮肥的各个处理可溶性蛋白含量与CK相比无显著差异，但显著高于CF，其中1/3MF、OM、2/3MF、1/2MF处理分别比CF高出36.36%、32.47%、31.17%、24.16%，说明有机肥替代化学氮肥可以显著提高芥菜可溶性蛋白的含量。

2.3 不同处理对芥菜食用安全性的影响

硝酸盐及亚硝盐含量影响着蔬菜的食用安全性，尤其是亚硝盐具有强烈的致癌作用，叶菜类蔬菜允许摄入的硝酸盐含量应低于3000mg·kg-1[8]，亚硝酸盐应低于4mg·kg-1[9]。由图2可以看出，本次试验芥菜各处理硝酸盐及亚硝盐含量均在允许摄入量内，硝酸盐及亚硝盐含量CF处理最高，CK处理最低。相比于CF，有机肥替代化学氮肥的各个处理硝酸盐及亚硝盐含量均显著降低，1/3MF、1/2MF、2/3MF以及OM处理硝酸盐含量比CF分别降低了18.01%、16.80%、19.84%和24.13%，亚硝盐含量比CF分别降低了27.18%、29.61%、31.04%和33.87%，说明有机肥替代化学氮肥可以降低芥菜硝酸盐及亚硝盐含量，提高芥菜的食用安全性。

图2 不同施肥处理对芥菜硝酸盐、亚硝酸盐含量的影响

2.4 不同处理对土壤理化性质影响

由表3可以看出，土壤容重有随有机肥施用量增加而下降的趋势，但各处理间差异不显著。不同施肥处理下，CF处理土壤pH显著低于CK及有机肥替代化学氮肥的各处理。土壤有机质含量以OM处理最高，CK处理最低，相对于CK及CF，施用有机肥的各个处理土壤有机质含量均有不同程度的提高。土壤碱解氮含量CF处理最高，CK处理最低，CF、CK处理与其它处理之间差异显著，有机肥替代化学氮肥的各处理之间差异不显著。土壤有效磷含量2/3MF处理最高，CK处理最低，CK处理与其它各处理间差异显著，其它各处理之间差异不显著。土壤速效钾含量1/2MF处理最高，CK处理最低，CK处理与其它各处理间差异显著，1/3MF与1/2MF处理之间差异不显著，但二者与其它处理之间差异显著。

表3 不同处理对土壤理化性质的影响

3 讨论

作物生长会消耗土壤中的养分，若消耗的养分得不到补充，土壤生产力将会下降，因此施肥是保持土壤肥力的重要手段，但盲目大量的施用化肥不仅不会使作物产量持续增加，还容易带来氮、磷等农业面源污染物流失的风险。因此，既要保持土壤生产力又要减少化肥使用量，有机肥替代化肥是一种重要方式。有研究表明，在化肥适当减量的情况下配施有机肥能够显著提高蔬菜产量。钟德春[10]研究表明，减施化肥配施有机肥能有效地增加芥菜的产量。郑培土等[11]研究表明，在芥菜等蔬菜田施用有机肥和有机无机复混肥有明显的增产作用。武星魁等[12]对包心菜和小青菜进行等氮水平下不同比例有机肥替代化肥处理研究表明，在25%替代比例是增产效果最显著。本试验结果表明，在等氮水平下不同比例有机肥替代化肥处理时，1/3及1/2替代比例对芥菜有显著的增产效果；2/3及100%替代比例时，芥菜的产量有略微下降，但差异不显著。本试验条件下，芥菜产量有随有机肥替代比例的升高先增加后减少的趋势，这可能是在芥菜生长前期，有机肥释放养分缓慢，芥菜更容易通过化肥的吸收来满足其生长所需；在芥菜生长中后期，随着有机肥释放养分增多，在满足芥菜正常营养需求的同时还改善了土壤微生物菌落结构及微环境，进而促进了芥菜生长。

本试验结果表明，在等氮水平下有机肥替代化学氮肥可以显著提高芥菜维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白等品质指标的含量，说明有机肥替代化学氮肥可以提升芥菜的营养品质，这与前人在不同品类的蔬菜上的研究结果类似。文静等[13]研究表明，化肥减量、增施有机复合肥能显著提高莴笋的茎长、茎粗和单株鲜重，增加可溶性糖、蛋白质、维生素C、氨基酸的含量。罗佳等[14]研究表明，有机肥替代化肥时随有机肥配施比例增加，生菜维生素C含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量增加。本试验条件下，不同营养品质对应的最佳有机肥替代比例不同，维生素C含量在100%有机肥替代(OM处理)时最高，可溶性糖含量在1/2有机肥替代(1/2MF处理)时最高，而可溶性蛋白含量在1/3有机肥替代(1/3MF处理)时最高，这可能与土壤的养分供给及芥菜营养自身合成特性有关。

硝酸盐及亚硝酸盐含量是衡量蔬菜卫生安全品质的重要指标。王冰清等[15]研究表明，随着化肥施用量的提高，蔬菜硝酸盐含量也显著增加，而有机肥替代部分化肥处理可以降低蔬菜的硝酸盐含量。李鹏[16]在菠菜上研究结果显示，单施尿素与单施有机肥和有机无机肥料配施相比，菠菜可食部分的硝酸盐含量显著偏高。郑培土等[11]研究表明，在芥菜等叶菜上使用有机肥能有效地控制硝酸盐和亚硝酸盐的积累。本试验结果表明，有机肥替代化学氮肥的各个处理芥菜硝酸盐及亚硝酸含量均显著低于单施化肥的处理，说明有机肥替代化学氮肥可以提高芥菜的食用安全性，这与前人的研究结果相同。本次试验条件下，有机肥替代化学氮肥的各处理间硝酸盐及亚硝酸含量差异虽然并不显著，但其含量有随着有机肥替代比例增加而减少的趋势，这与郭春铭[17]研究结果相似；郭春铭研究表明，有机无机肥配施时空心菜硝酸盐含量有随有机肥施用比例升高而明显下降的趋势。

本试验结果表明，不施肥处理(CK)土壤的各项养分指标均低于施肥处理，说明作物生长会消耗土壤中的养分，若消耗的养分得不到补充，将会导致土壤肥力下降。Kaje等[18]研究发现，施用有机肥会使土壤表层容重降低。张然等[19]研究表明，有机无机肥配施较单施化肥能显著降低0～10cm，20～40cm土壤容重。本研究结果显示，相对于单施化肥(CF)，有机肥替代化学氮肥的各个处理土壤容重有所下降，说明施用有机肥可以改良土壤物理状况，这与前人的研究结果一致。单施化肥(CF)处理，土壤pH有所下降，显著低于其它处理，有潜在的土壤酸化趋势，这与前人研究结果类似。前人研究结果表明，长期施用化肥会使土壤酸化，并且随着施氮量的增加pH降低越显著[20]，化肥减量配施有机肥对土壤酸化有明显的缓解作用[21]。有机肥替代化学氮肥的各处理土壤有机质含量有所提升，有机质得到了一定的积累，这与Mukta等[22]的研究结果一致。相对于不施肥处理(CK)，有机肥替代化学氮肥的各处理土壤各项速效养分都显著提升，但与单施化肥(CF)相比，有机肥替代化学氮肥的处理碱解氮显著低于CF，但部分处理的有效磷、速效钾高于CF。吕真真等[23]的研究结果表明，化肥配施有机肥处理，土壤有机质增加，全氮、碱解氮、全磷、有效磷都有所提高。本试验结果与前人的研究结果不完全相同，这可能与不同土壤类型、不同作物的营养特性以及试验年限不同有关。

4 结论

本试验表明，在等氮水平下有机肥替代化学氮肥时，替代比例在1/3、1/2时有显著增产效果。相对于单施化肥，有机肥替代化学氮肥时，芥菜维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白等指标显著提高，提升了芥菜的营养品质；芥菜中硝酸盐及亚硝酸盐含量显著降低，提高了芥菜的食用安全性。有机肥替代化学氮肥能够改善土壤理化性质，显著促进土壤有机质的提升。由于本试验只开展了一季，关于有机肥替代化学氮肥对叶用芥菜的产量、营养品质、安全性和土壤肥力的长期效应还应持续地深入探究。