不同有机肥对土壤养分及大蒜生长发育的影响

原寒 徐子雯 岑宇 谷仙 秦天羽 蒋高明

摘要：现代农业中人工合成物质的大量使用，造成了严重的环境污染问题。我国有机肥资源丰富，充分利用有机肥是缓解当前环境问题的重要途径之一。本试验以脱毒苍山蒜为材料，在长期有机肥养地的基础上以不施肥为对照，研究了不同有机肥（腐熟牛粪、腐熟兔粪、大豆发酵肥）处理对土壤养分、大蒜氮素吸收及产量等的影响。结果表明，腐熟牛粪处理对0～20 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量改善作用更好，大豆发酵肥对20～40 cm土层改善作用较好。土壤碳通量表现为腐熟牛粪处理最高，表明土壤微生物最活跃。大豆发酵肥处理下大蒜植株体内的氮素积累量最高。4种处理对大蒜农艺性状及产量的影响差异不显著，CK（不施肥）表现仍较好，说明长期施用有机肥具有养地的重要功能。本研究结果可为生态农业发展提供有机肥效方面的参考。

关键词：有机肥;土壤肥力;大蒜;碳通量;产量

中图分类号：S633.406+.2文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）07-0060-07

进入化学农业阶段以来，化肥、农药、地膜等化学合成物质的过量使用，造成了土壤酸化[1]、肥力下降、土壤板结[2]、重金属含量超标等严重环境问题[3]。从1971年到1990年间，化肥施用量和粮食产量之间呈线性增长，然而中国1991—2011年间，化肥用量已经远远超过粮食产量的增长速度[4]。同时，由于农作物长期处于农药、化肥污染环境中，农产品品质和食用安全性也受到威胁，农药残留和重金属含量超标都会严重危害人体健康。

中国拥有丰富的有机肥资源。有机肥不仅含有满足作物生长发育必需的氮、磷、钾、有机质、氨基酸、蛋白质等养分[5]，还能改善土壤质量，培肥地力，提高作物产量，改善作物品质[6，7]。中国有机肥资源每年可提供30.5×106   t氮，比每年氮肥总使用量（27.9×106   t）还多，但是有机肥利用率仅为39%[8]。以畜禽粪便为主的大量有机肥堆积变成了环境污染源[9，10]，必须寻找有机肥利用的合理途径。有研究表明，有机肥替代化肥能够使玉米产量保持稳定或稳定增长[11];红壤稻田系统增产和稳定性均以有机肥替代化肥最好[12];有机肥替代化肥可促进双季稻高产稳产，维持系统的可持续性[13]，提高水稻产量和肥料利用率，提高氮素累积量，减少环境污染，培肥土壤[14，15]。在小麦上的研究表明，施用有机肥能显著改善土壤物理性质[16]，并提高土壤养分含量[17-19]，进而提高作物产量和品质[20，21]。

大蒜（Allium sativum L.）是百合科（Liliaceae）葱属（Allium）二年生草本植物，原产于亚洲西部高原，在中国已有2000多年的栽培历史，是一种重要的出口创汇蔬菜[22]。以鳞茎、花茎、幼株为主要产品，目前我国已成为全世界最主要的大蒜生产、消费和出口国[23]。大蒜作为重要出口产品，提高大蒜品质和产量尤为重要。本试验以大蒜为材料，结合我国有机肥资源现状，探寻有机模式下，如何合理施用有机肥。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验于2017年10月至2018年10月在山东省临沂市平邑县蒋家庄山东农业大学农业生态系统定位研究站（35°26′34″N， 117°49′13″E）进行。该试验区地处中纬地区，年降水量799.1 mm，年平均温度15.1℃。供试土壤从2006年开始停用化肥，改用牛粪养地11年。土壤类型为棕壤，供试大蒜品种为脱毒苍山蒜。试验田土壤养分含量见表1。

1.2 试验设计

试验设置4个处理，分别为 CM：施用腐熟牛粪; RM：施用腐熟兔粪;SM：施用大豆发酵肥;CK：不施肥。随机区组排列，重复3次，小区面积4 m×5 m=20 m2。供试大蒜于2017年10月21日播种，株距12 cm，行距21 cm，2018年6月3日收获。采用等氮量控制施肥方式，年施氮量为290 kg·hm-2，在种植前深耕时将有机肥一次性施入，各有机肥氮含量及施肥量见表2。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集 大蒜收获后，在各小区内按五点取样法，采集0～20、20～40 cm 土层土壤样品。剔除动植物残体、可见根系、石砾等非土壤部分，自然风干后研磨，过0.15 mm筛，备用。

在大蒜成熟期取全部植株，采用5点取样法，分别在每小区内选取有代表性的1 m2 内所有大蒜植株 （含枯叶）将其根、叶身+叶鞘和鳞茎迅速洗净、擦干，并按3部分进行分样，样品经105℃杀青30 min，80℃下烘干至恒重。

1.3.2 测定项目 土壤有机碳：重铬酸钾容量法;土壤全氮：浓硫酸消煮—凯氏定氮法;土壤全磷、全钾：高压罐消解法;土壤碳通量：Li-8100土壤碳通量自动测量系统长期定位监测;叶绿素含量及光合速率测定：大蒜抽薹前，用手持式叶绿素检测仪CM1000测定第三片叶叶绿素含量;用Li-6400便携式光合作用测定系统测量大蒜第三片叶净光合速率。

株高：大蒜抽薹前，测量植株从土壤表面基部至叶片拉直后最长叶片顶部的高度;叶长：大蒜抽薹前，测量植株第三片叶叶片基部至叶尖的长度;叶宽：大蒜抽薹前，测量植株第三片叶最宽处;鳞茎纵、横径：测定鳞茎纵向、横向最大直径;单头重：随机选取小区中50头鳞茎，称重，取平均值;植株样品各部分氮含量测定同土壤。

大蒜产量=平均鳞茎重×666.7m2株数;各器官氮素积累量（kg·hm-2）=氮素含量×干物质质量;各器官氮素分配比例（%）=各器官氮素积累量/单茎氮素积累量×100;氮素收获指数（NHI）=鳞茎氮素积累量/植株氮素积累量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0对数据进行处理和绘图，采用SPSS 20.0统计分析軟件用LSD法对数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对蒜田土壤养分的影响

试验结果表明，在大蒜季结束时，各处理土壤有机碳表现为0～20 cm土层与基础地力无显著差异，但处理间表现为CM和RM显著高于SM和CK（P<0.05），20～40 cm土层CM与基础地力无显著差异，RM显著降低，SM和CK显著升高（P<0.05），处理间表现为SM>CK>CM、RM（图1A）。土壤全氮表现为0～20 cm土层CM与基础地力无显著差异，RM、SM、CK均显著降低（P<0.05），处理间表现为CM>RM>CK>SM，20～40 cm 土层土壤全氮表现为CM、RM、CK均显著低于基础地力，SM显著高于基础地力;处理间差异显著，表现为SM最高，RM最低（P<0.05）（图1B）。在大蒜生长季结束时，土壤全磷表现为各处理下0～20、20～40 cm土层均显著低于基础地力，处理间在0～20 cm土层表现为CM最高，SM最低，在20～40 cm土层表现为SM最高，CK最低，差异达显著水平（P<0.05）（图1C）。与基础地力相比，土壤全钾与全磷表现相同，各处理均显著低于基础地力（P<0.05），各处理间，0～20 cm土层中无显著差异，20～40 cm土层中表现为CM显著高于其他处理（P<0.05）（图1D）。

由图2看出，从大蒜春季开始生长到大蒜收获期，土壤碳通量整体表现为CM最高，SM最低，并且各处理的总体变化状况基本一致，在4月30日和5月14日之后两个时间段内较其他时间段高;到大蒜收获期，CK碳通量高于CM。因为CK是连续养地11年后的土壤，微生物群落已比较稳定，分解的土壤有机碳较多。

对大蒜抽薹之前7天的碳通量日变化进行平均，结果如图3A。4种处理下土壤碳通量的日变化均呈现对称的单峰变化，在下午2时左右达到最高，处理间表现为CM最高，且几乎为其他处理的两倍，RM、SM、CK处理的峰值表现为CK>SM>RM，在其他时间段土壤碳通量水平相同。在大蒜收获期，碳通量的日变化结果如图3B，CM处理仍最高，SM最低。

2.2 不同有机肥对大蒜农艺性状的影响

如表3所示，各处理的株高和叶宽无显著差异，SM处理的叶长显著小于CM处理，CK处理的叶绿素含量显著高于各施肥处理（P<0.05），3种有机肥处理间叶绿素含量差异不显著，净光合速率表现为CK显著高于CM和RM处理，SM显著高于CM处理（P<0.05）。

2.3 不同有机肥对大蒜氮素分配的影响

由图4和表4看出，在大蒜根中，各处理的氮素积累表现为RM和SM显著高于CM（P<0.05），CK与各施肥处理间无显著差异;在大蒜鳞茎中，SM处理下的氮素积累显著高于CK（P<0.05），与SM和RM无显著差异;在大蒜茎叶中，各处理的氮素积累均无显著差异;大蒜植株中，总氮素积累表现为SM最高，CK最低（P<0.05）（图4）。在氮素分配比例方面，收获鳞茎中的氮素比例最高，氮收获指数（NHI）表现为CM显著高于CK（P<0.05），RM和SM与CM、CK无显著差异（表4）。

2.4 不同有机肥对大蒜产量及产量构成因素的影响

不同处理下大蒜植株各部分干物质量均无显著差异（表5）。从大蒜鳞芽数、单瓣重、鳞茎横径和纵径等产量构成因素和鳞茎产量方面比较，各处理间差异均不显著（表6）。

3 讨论与结论

土壤是具有生物活性的有机体，土地生产力的高低很大程度上由土壤肥力决定，利用有机肥培肥地力是我国农业的特色之一[24]。土壤有机质是土壤养分的重要来源，直接影响土壤的保水保肥能力。土壤有机质可由土壤有机碳计算得到，与有机碳变化一致。研究表明，经过腐熟的有机肥含有大量相对稳定的有机质，在土壤中不易被分解而积累下来，可显著增加土壤有机质含量[25]。本试验中，施用牛粪和兔粪显著提高土壤上层的有机碳含量，施用大豆发酵肥对下层土壤的有机碳含量作用显著，即使是对照，有机质含量也较高，这与此试验地已连续施用11年牛粪有关，因此，在长期施用有机肥之后，即使不施肥，土壤肥力仍能保持较长时间。

氮磷钾作为作物三大必需元素，也常用来衡量土壤肥力。研究表明，长期施用有机肥能显著提高土壤全氮含量[26，27]，增加土壤中磷的有效性[28]。大蒜是需肥较多的蔬菜，整个生育期对氮、钾两种元素吸收量较高[29]。本试验中，4种处理下土壤全氮和全磷都表现为SM在0～20 cm土层含量最低，20～40 cm土层含量最高，CM表现则与SM表现相反。其原因可能与有机肥本身性质有关，牛粪中有机质丰富，含作物必需的N、P、K及微量元素，但其肥效迟缓[30]，因此在0～20 cm土层中保留较多;兔粪中的N、P、K含量高于其他畜禽粪便，且肥效快[31];大豆發酵肥属植物性肥料，其氮素含量高，养分释放迅速。因此牛粪对上层土壤的改善效果较好，大豆发酵肥对下层土壤的改善效果较好，可配合施用。本试验中氮素在大蒜植株体内的积累也表明大豆发酵肥肥效较好。

碳通量表征土壤呼吸的强弱，通常作为衡量土壤微生物活性、土壤肥力及土壤透气性的指标，并且有效指示着生态系统演替的过程和方向[32]。土壤呼吸强，表明微生物处于良好状态，可储存并循环更多养分。在施肥管理方面的研究表明，施用有机肥可以显著提高土壤微生物呼吸强度和碳氮含量[33，34]。在本试验中，CM和CK相对较高，SM和RM相对较低，其可能原因是由于CM、RM、SM 3种有机肥保持施氮量一致，但其含水量和含氮量均有差异，实际施肥量并不相同，其中牛粪（CM）施肥量最高，因此其微生物量高于兔粪（RM）和大豆发酵肥（SM），其次，由于此试验地在试验前已连续11年施用牛粪，少量的牛粪和大豆发酵肥施用一年并不足以改变其原有的微生物群落，因此CK处理的碳通量仍然较高。

Barraclougha等[35]研究指出，氮素的吸收利用与农作物的干物质积累和产量形成关系密切。氮素供应与光合作用直接相关，当氮素供应不足时，植株表现为矮小黄化，植株干物质降低，尤其是叶片干物质，而叶片干物质影响植株光合生产和再生器官内同化物的分配[36]，进而影响作物产量。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量高低在一定范围内与光合能力呈正相关，是反映叶片生理活性的重要指标之一[37]。本试验中，SM处理下植株氮素积累量最高，CK处理下大蒜叶片的光合速率高于其他处理，鳞茎产量及其构成因素各处理无显著差异，其原因可能与此试验地基础地力较高有关。

综上所述，不同有机肥对土壤和大蒜植株的影响不同。牛粪中的养分可积累在上层土壤中，缓慢释放，大豆发酵肥的肥效较快，可改善下层土壤肥力;连续多年施用牛粪后，即使不施肥，土壤仍保持较高的肥力和生产力。

参 考 文 献：

[1]Guo J H， Liu X J， Zhang Y， et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science， 2010， 327： 1008-1010.

[2] Ju X T， Xing G X， Chen X P， et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2009， 106： 3041-3046.

[3] Tang W Z， Shan B Q， Zhang H， et al. Heavy metal sources and associated risk in response to agricultural intensification in the estuarine sediments of Chaohu Lake Valley， East China[J]. Journal of Hazardous Materials， 2010， 176： 945-951.

[4] Jiao X Q，Lu Y， Wu X B， et al. Grain production versus resource and environmental costs： towards increasing sustainability of nutrient use in China[J]. Journal of Experimental Botany， 2016， 67： 4935-4949.

[5] 莫淑勛， 钱菊芳， 钱承梁. 猪粪等有机肥料中磷素养分循环再利用的研究[J].土壤学报， 1991，28（3）： 309-316.

[6] Zhang H，Xu M， Zhang F. Long-term effects of manure application on grain yield under different cropping systems and ecological conditions in China[J]. Journal of Agricultural Science，2009， 147： 31-42.

[7] 徐阳春， 沈其荣. 有机肥和化肥长期配合施用对土壤及不同粒级供氮特性的影响[J]. 土壤学报， 2004， 41（1）：87-92.

[8] 巨晓棠， 谷保静. 我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J]. 植物营养与肥料学报， 2014， 20（4）： 783-795.

[9] 朱兆良， Davidnorse， 孙波. 我国农业面源污染控制措施[M]. 北京：中国环境科学出版社， 2006.

[10]Novak S M， FiorelliI J L. Greenhouse gases and ammonia emissions from organic mixed crop-dairy systems： a critical review of mitigation options[J]. Agronomy for Sustainable Development， 2010， 30： 215-236.

[11]蔡泽江， 孙楠， 王伯仁， 等. 长期施肥对红壤pH、作物产量及氮、磷、钾养分吸收的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2011， 17（1）： 71-78.

[12]侯红乾， 刘秀梅， 刘光荣， 等. 有机无机肥配施比例对红壤稻田水稻产量和土壤肥力的影响[J]. 中国农业科学， 2011， 44（3）： 516-523.

[13]冀建华， 侯红乾， 刘益仁， 等. 长期施肥对双季稻产量变化趋势、稳定性和可持续性的影响[J]. 土壤学报， 2015， 52（3）： 607-618.

[14]徐明岗， 李冬初， 李菊梅， 等. 化肥有机肥配施对水稻养分吸收和产量的影响[J]. 中国农业科学， 2008， 41（10）： 3133-3139.

[15]孟琳， 张小莉， 蒋小芳， 等. 有机肥料氮替代部分化肥氮对稻谷产量的影响及替代率[J]. 中国农业科学， 2009， 42（2）： 532-542.

[16]李静. 不同施肥方式对土壤质量、作物产量及温室气体排放的影响[D]. 北京： 中国科学院植物研究所， 2011.

[17]博文静， 有机农田害虫和杂草综合防治及其对产量的影响[D]. 北京： 中国科学院植物研究所， 2012.

[18]唐海龙. 有机肥与化肥配施对土壤环境质量影响的研究[D]. 泰安：山东农业大学，2012.

[19]甄珍. 堆肥处理对农田土壤微生物特性、土壤肥力和作物产量的影响[D]. 北京： 中国科学院植物研究所，2014.

[20]吴光磊. 夏季氮肥运筹调控冬小麦-夏玉米两作体系氮素利用及氮肥残效研究[D]. 泰安： 山东农业大学， 2008.

[21]李占. 有机肥和化肥不同配施比例对冬小麦-夏玉米产量和品质的影响[D]. 泰安： 山东农业大学， 2013.

[22]刘世琦. 蔬菜栽培学[M]. 北京： 化学工业出版社，2007： 173-178.

[23]刘灿玉， 陆信娟， 樊继德， 等. 不同地膜覆盖对大蒜生长特性及产量的影响[J]. 山东农业大学学报（自然科学版）， 2019，50（1）： 1-3.

[24]龚伟， 颜晓元， 王景燕. 长期施肥对土壤肥力的影响[J]. 土壤， 2011， 43（3）： 336-342.

[25]吴庆标， 王效科， 郭然. 土壤有机碳稳定性及其影响因素[J]. 土壤通报， 2005， 36（5）： 743-747.

[26]王立刚， 李维炯， 邱建军， 等. 生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的效应研究[J]. 土壤肥料， 2004（5）： 12-16.

[27]张鹏， 贾志宽， 陆文涛， 等. 不同有机肥施用量对宁南旱区土壤养分、酶活性及作物生产力的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2011， 17（5）： 1122-1130.

[28]Yan Z J， Chen S， Li J L， et al. Manure and nitrogen application enhances soil phosphorus mobility in calcareous soil in greenhouses[J]. Journal of Environmental Management， 2016，181： 26-35.

[29]张翔， 朱洪勋. 大蒜氮磷钾营养吸收规律与平衡施肥研究[J]. 土壤肥料， 1998（2）： 10-13.

[30]高云航， 勾長龙， 王雨琼， 等. 低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵影响的研究[J]. 环境科学学报， 2014， 34（12）：3166-3170.

[31]谷子林， 薛家宾. 现代养兔实用百科全书[M]. 北京： 中国农业出版社， 2007：328.

[32]赵吉. 土壤健康的生物学监测与评价[J]. 土壤， 2006， 38（2）： 136-142.

[33]贾伟， 周怀平， 解文艳， 等. 长期有机无机肥配施对褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2008， 14（4）： 700-705.

[34]胡诚， 曹志平， 胡婵娟， 等. 不同施肥管理措施对土壤碳含量及基础呼吸的影响[J]. 中国生态农业学报， 2007， 15（5）： 63-66.

[35]Barraclougha P B， Howartha J R， Jones J， et al. Nitrogen efficiency of wheat：genotypic and environmental variation and prospects for improvement[J]. European Journal of Agronomy， 2010， 33： 1-11.

[36]Dordas C A， Lithourgidis A S， Matsi T， et al. Application of liquid cattle manure and inorganic fertilizers affect dry matter， nitrogen accumulation， and partitioning in maize[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2008， 80： 893-896.

[37]郑光华. 植物栽培生理[M]. 济南： 山东科技出版社， 1980： 24-26.