基施沼渣替代化肥氮对葡萄生长发育及品质的影响

王桂良，朱凌宇，张家宏，王守红*，寇祥明，徐 荣，韩光明，吴雷鸣，唐鹤军，毕建花

（1.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏 扬州 225007；2.江苏省生态农业工程技术研究中心，江苏 扬州 225008）

沼渣是沼气工程的副产物，其含有丰富的腐殖质等有机物质以及氮、磷、钾等大量元素和铜、锌等微量元素，无法满足直接排放的要求［1-2］。随着沼气工程的快速发展，沼渣产生量越来越大，如何处理沼渣的问题日益突出。以循环农业理念为指导，农田施用沼渣，一方面可减少或避免沼渣排放带来的环境风险；另一方面可利用沼渣资源，减少化肥的施用［3-5］。因此，研究沼渣作为有机肥施用及其施用方法，最大程度消纳沼渣，对促进农牧结合的生态循环农业的发展和农村生态文明建设具有十分重要的意义。葡萄的经济效益较高，但是由于大量施用化肥导致葡萄品质下降，如何在维持葡萄产量的同时，减少化肥施用量，提高品质，进一步提高经济效益，是广大葡萄生产者关心的问题［6］。在施用等量化肥基础上，增施沼渣液肥的研究表明，增施沼液肥可提高葡萄产量和浆果中可溶性固形物含量与果粒硬度，改善葡萄品质［7-8］。另外，用沼渣液肥完全替代化肥的研究表明，与常规施化肥相比，施用沼渣液肥可提高葡萄产量、含糖量和果胶质含量［9-10］。然而，由于各沼气工程产生的沼渣液肥养分的差异性较大［11-12］，等量沼液肥含有的养分含量则不同，因此，以上这些研究无法定量化，并提供可用于广泛推广的推荐沼渣液肥的施用量。本研究以氮元素含量为定量指标，探讨基施沼渣替代化肥氮对葡萄生长发育及品质的影响，以期为大面积生产上葡萄园基肥施用沼渣技术的推广和应用提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2016～2017年在江苏省扬州市江都区郭村葡萄园（N32°26.57′，E119°48.93′）进行，该地区属亚热带湿润气候区，季风显著，四季分明，平均海拔5 m。年平均气温14.9℃，平均降水量为978.7 mm。年均日照时数为2 140 h，年无霜期为220 d。试验地土壤类型为砂壤土，土壤pH为7.0、有机质含量19.1 g/kg、全氮1.3 g/kg、碱解氮95.1 mg/kg、有效磷46.8 mg/kg、速效钾154.4 mg/kg，重金属元素含量：Cu 2.571 mg/kg、Zn 5.987 mg/kg、Cd 0.121 mg/kg、Cr 19.319 mg/kg、Pb 1.020 mg/kg、As 13.172 mg/kg。

供试葡萄为6年树龄，品种为“夏黑”。试验所用沼渣来源于邻近葡萄园的年出栏约2.5万头猪场的沼气池下层流出的沼渣与沼液的混合液，其在大棚中自然堆放，含水量为78%、pH为7.42、有机质含量为5.5%、全氮为2.7 g/kg、全磷0.4 g/kg、全钾1.6 g/kg，重金属元素含量：Cu 29.028 mg/kg、Zn 58.559 mg/kg、Cd 0.042 mg/kg、Cr 0.946 mg/kg、Pb 0.642 mg/kg、As 0.586 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设置6个处理（表1），包括1个全施化肥处理和5个基施沼渣替代化肥氮处理。根据生产100 kg葡萄果实所需NPK养分量，计算目标产量为18 750 kg/hm2葡萄整个生育期施肥量为N 225 kg/hm2、P2O5188 kg/hm2、K2O 338 kg/hm2。 其中60%的氮磷肥和10%的钾肥用于基肥，基肥养分投入量见表1。5个基施沼渣替代化肥氮处理（沼渣中氮含量替代30%、50%、70%、100%和150%化肥氮施用，分别标记为30%NZ、50%NZ、70%NZ、100%NZ和150%NZ）。基施沼渣替代化肥氮处理中磷钾养分不足的部分，分别用过磷酸钙和硫酸钾补充至全施化肥处理量。施用化肥为尿素（N 46.4%）、过磷酸钙（P2O512%）和硫酸钾（K2O 50%）。各处理追肥一致，都施用化肥。葡萄株行距为2 m×2.5 m，每行葡萄共24株。每个处理小区面积为48 m×2.5 m=120 m2。各处理随机区组排列，重复3次。

于2016年12月18日施用基肥，用小型开沟机械，在葡萄株行两侧，距离株距70 cm处挖20 cm深，30 cm宽沟，施肥入沟后随即覆土。

表1 各处理基施沼渣、化肥及氮磷钾养分投入量

1.3 样品采集与测定方法

葡萄采收时，每小区每株取大穗1个，小穗1个，中穗1个，计算平均单穗重。统计每株穗数，计算单株产量和单位面积产量；同时统计每穗果粒数，单穗上摘取果粒测定百粒重，计算平均单粒重。在葡萄成熟期用卷尺测量新梢各节间长度，用游标卡尺测量新梢基部第一节粗度。按照5点取样法选择小区长势均匀5株，选每株基部3～4节位5片叶，量叶长宽，用方格法测叶面积；同时用SPAD仪测定SPAD值，并采取测定百叶鲜重。于采果日，每处理随机选取果穗上中下部位共18个果粒测定葡萄品质。果粒的氨基酸用茚三酮显色—分光光度法测定，可溶性固形物含量用WYT-4型手持糖量测定仪进行测定，有机酸用酸碱中和滴定法测定，Vc用2，6-二氯靛酚滴定法测定［13］。葡萄果粒的Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As含量用Agilent 7500a 型电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer，ICP-MS，美国）测定［14］。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据处理并绘制图表，采用SPSS 19.0 软件进行数据间多重比较（LSD法）和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 基施沼渣替代化肥氮对葡萄产量及产量构成的影响

等氮量条件下（CK、30%NZ、50%NZ、70%NZ、100%NZ），随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄产量呈现先增加后下降的趋势（表2）。70%NZ处理产量最高，为19 684.0 kg/hm2，比CK处理增产27.2%；100%NZ处理产量比CK处理高22.3%。沼渣替代化肥氮比例继续增加至150%（150%NZ），葡萄产量呈现继续下降的趋势。由于按照统一标准进行疏花序和果穗整形，各处理的穗粒数和株穗数差异不显著。而粒重和穗重随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，呈现先增加后下降的趋势，都以70%NZ处理最高。

表2 各处理葡萄产量及产量构成

2.2 基施沼渣替代化肥氮对葡萄生长发育的影响

各处理葡萄萌芽至成熟天数平均为143 d（表3）。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，从葡萄萌芽至成熟天数呈现先减少后增加的趋势，其中70%NZ处理天数最少，为141 d，150%NZ处理天数最多，为146 d。可见，基施沼渣替代适量化肥氮可促进葡萄早熟，而过量施肥会导致葡萄晚熟。

表3 各处理葡萄生育期进程

葡萄于成熟期叶片SPAD值最高，平均为46.2（图1）。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，各生育期葡萄叶片SPAD值都呈现逐渐上升的趋势。葡萄采收后叶片SPAD值有所下降，平均从成熟期的46.2下降至42.6；CK处理叶片SPAD值下降5.8，基施沼渣替代化肥氮处理平均下降3.2，其中150%NZ处理下降最小，为1.1。

葡萄成熟期新梢节间长、粗度、百叶鲜重及单叶面积平均分别为13.6 cm、11.8 mm、1 235.2 g和419.3 cm2（表4）。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄新梢节间长、粗度、百叶鲜重及单叶面积都呈现逐渐增加的趋势，其中以150%NZ处理最高，分别比CK处理增加13.7%、6.3%、19.9%和6.4%。

图1 各处理葡萄叶片SPAD值动态变化

表4 各处理葡萄新梢节间长、粗度、百叶鲜重及单叶面积

2.3 基施沼渣替代化肥氮对葡萄果粒品质及重金属含量的影响

基施沼渣替代化肥氮可改善葡萄果粒品质（表5）。与CK处理相比，基施沼渣替代化肥氮处理的氨基酸含量平均增加22.3%。可溶性固形物、Vc和固酸比，随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，呈现先增加后下降的趋势；其中，可溶性固形物以70%NZ处理最高，为15.5%，Vc以50%NZ处理最高，为45.95 μg/g，固酸比以50%NZ处理最高，为36.94。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，有机酸含量呈现先下降后增加的趋势，以50%NZ处理最低，为0.40%。

由表6可见，随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄果粒Cu、Zn、Cd、Pb和As含量都呈现递增的趋势，各处理中，以150%NZ处理含量最高，分别为2.331、0.817、0.004、0.052、0.012 mg/kg。而葡萄果粒Cr含量，则随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加呈现递减趋势，各处理中，以150%NZ处理含量最低，为0.030 mg/kg。

表5 各处理葡萄果粒品质

表6 各处理葡萄果粒重金属含量 （mg/kg）

3 讨论

本研究表明，基施沼渣替代70%化肥氮处理，葡萄产量最高（表2），70%的替代率远远大于前人研究认为的固体有机肥替代30%～50%化肥氮的适宜比例［15-17］。其主要原因是，沼渣除含有大量的速效氮、磷、钾等养分外，还含有丰富的有机质和腐殖酸，是迟效速效兼备的无公害肥料［18-19］，而固体堆沤有机肥的养分释放缓慢，当季只能替代少部分化肥。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄产量呈现先增加后下降的趋势（表2）。当基施沼渣替代化肥氮比例超过70%时，可能导致葡萄后期养分供应充足，植株生长过旺，叶片SPAD值、新梢节间长、粗度、百叶鲜重及单叶面积等生长指标都显著增加（图1，表4），使葡萄成熟期延迟，影响产量（表3）。这与周敏等［20］研究的过量施用不同有机肥对葡萄产量影响的结论相似。

相关研究表明施用有机肥能够提高葡萄产量，改善葡萄品质，但是有机肥施用量不同，对葡萄品质的影响也有所差异［21-23］。本研究表明，当基施沼渣替代化肥氮比例超过70%时，果粒可溶性固形物、Vc和固酸比等品质指标都呈现下降的趋势。这可能由于，100%NZ和150%NZ处理沼渣用量较多，养分释放较慢，葡萄生长后期养分供应充足，从而导致葡萄植株生长过旺（图1，表4），生育期延迟（表3），果实的成熟度下降，从而降低果实品质；同样，由于果实的成熟度下降，导致有机酸含量增加（表5）。另外，本研究中，除了不同形态氮投入比例，P、K和沼渣中其他有益物质，也是影响葡萄产量和品质的原因。在等氮量条件下，50%NZ、70%NZ和100%NZ处理的K2O投入量大于CK（表1）；沼渣中还有中、微量元素、丰富的有机物质和微生物，这些都是CK处理所无法补充的［1-2］。因此，基施沼渣替代化肥氮促使葡萄增产提质的作用机理，还需从P、K、微量元素、有机物质和微生物等方面进一步深入探讨。当前，由于过量施用化肥引起环境污染，增加有机肥，减少化肥施用符合当前生产实际，本试验提出葡萄基施沼渣替代70%化肥氮可供推广应用。

随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄果粒Cu、Zn、Cd、Pb和As含量都有所增加（表6）。其主要原因可能是沼渣施入量增加，为植株吸收这些元素提供了更多来源［3］。施用沼渣后，葡萄果粒Cr含量则有下降趋势，这与秦文弟等［24］研究结果相似，可能是沼渣中大量有机质官能团强力吸附重金属Cr离子，和腐殖质分解形成的腐殖酸与土壤中Cr离子形成络合物，从而降低植株对重金属Cr的吸收。

各处理中葡萄果粒重金属含量均低于相应的污染物限量标准（GB 2762—2005）［25］。相关研究表明，连续多年施用沼渣不会造成重金属在土壤的大量积累而引起土壤中重金属含量的超标［26-27］。但表层土壤中Cu、Zn和Pb等重金属含量有增加的趋势，依然存在超标的风险［28-29］。为了确保农田长期施用沼液的安全性，避免二次污染，一方面应考虑从源头科学控制畜禽养殖配合饲料中重金属元素含量，从而减少沼气工程发酵原料中重金属元素含量；另一方面要长期定位监测土壤重金属含量，评估重金属污染风险，以此调整农田施用沼渣量，确保沼渣的安全使用。

通过农田系统消纳沼渣是目前最简单有效的处理沼渣的方法之一［3-5］。目前，从沼气池下层流出的沼渣与沼液混合液，经自然沉降降低含水量至70%～80%，被沼气工程临近的农户直接拖运至田头施入土壤中的模式最为广泛。然而，随着大型沼气工程的建设和运行，通常周边并没有配套足够面积的农田，用于消纳沼渣。而且，经自然沉降的沼渣含水量较大，使其运输和施用过程极为不便。沼渣脱水后制作成颗粒有机肥将大大有利于沼渣肥的运输和施用。然而，目前沼气工程中基本上还没有采用成熟的沼渣制肥技术的范例［27］，这主要是受固液分离、渣滓干化、经济效益不确定等因素的制约。因此，在推广农田消纳沼渣循环农业模式过程中，除了要制定科学的田间施用技术，还要进一步完善沼渣制肥技术，以促进畜禽养殖废弃物的无害化处理，并使这一有机肥料资源得以充分利用。

4 结论

随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄产量呈现先增加后下降的趋势，以70%NZ处理最高；而萌芽至成熟天数、叶片SPAD值、新梢节间长、粗度、百叶鲜重及单叶面积等生长指标都呈现逐渐增加的趋势；过量施用沼渣，表现出成熟期延迟，贪青晚熟，影响产量。基施沼渣替代化肥氮可改善葡萄果粒品质，以50%NZ和70%NZ处理较好。随着基施沼渣替代化肥氮比例的增加，葡萄果粒重金属Cu、Zn、Cd、Pb和As含量都有所增加，Cr含量则有所下降，但均低于相应的污染物限量标准（GB 2762—2005）。综合葡萄产量和品质指标，沼渣替代70%化肥氮可作为葡萄园定量化基施沼渣的参考。