氮肥减施配施有机物料对贵州高山甘蓝生长的影响

2022-09-03魏全全芶久兰柳玲玲顾小凤

河南农业科学 2022年6期

魏全全，芶久兰，张萌，柳玲玲，顾小凤，陈龙

（贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州贵阳 550006）

贵州地处高原，错季冷凉蔬菜成为贵州蔬菜产业名牌，2021年贵州蔬菜种植总面积123.33万hm2，产量2 860万t，其中威宁县种植面积超过6.67万hm2。甘蓝（Brassica oleraceaL.）是我国重要的蔬菜作物，也是贵州省脱贫致富的主栽冷凉蔬菜作物之一，发展高山冷凉蔬菜甘蓝产业对贵州省蔬菜产业提升具有重要意义。随着贵州高山冷凉蔬菜的快速发展，重化肥轻有机肥、连作障碍等问题愈发严重，导致甘蓝产量、品质以及养分利用率降低，严重制约贵州高山冷凉蔬菜产业的健康发展。氮是包括甘蓝在内农作物的重要限制养分因素[1-2]，又是农田生态环境的重要污染因子[3]，其合理施用是保障作物高产、养分高效及环境友好的重要措施。随着化肥使用量零增长行动[4]的实施，利用有机物料替代化肥、提高肥料利用率及培肥土壤已经成为现代农业生产和科研关注的热点[5-6]。有机肥是保持土壤生产力和减少化肥施用的一种传统而有效的方法，可以起到节约成本和增加养分有效性的双重作用[7-10]；作为新型材料，生物炭除了能直接提供养分外，还能改善土壤碳库，改良土壤，提高作物产量[11-13]。因此，探究氮肥配施有机物料对作物生长及肥料利用的影响十分重要。

张萌等[14]关于贵州黄壤的研究表明，短期内施用酒糟生物炭可以提高黄壤氮素养分，改变土壤细菌群落结构和多样性，并可以通过抑制土壤氨氧化作用和硝化作用，有效阻控土壤氮素淋溶发生的风险，提高土壤氮素有效性；鲁伟丹等[15]关于西北小麦的研究表明，有机氮磷替代率为18%～24%时，可在实现作物高产稳产的同时，增加土壤速效养分含量、提高肥料利用率；马龙等[16]关于设施蔬菜的研究表明，同等氮磷钾养分投入量下，有机肥/秸秆替代部分化肥，尤其是配施1/4 有机肥及1/4 秸秆模式可显著降低土壤硝化过程功能基因丰度，增加反硝化、硝酸盐异化功能基因丰度，促进番茄盛果期的氮素吸收，减少向下淋洗的氮量；侯苗苗等[17]的研究表明，塿土小麦-玉米轮作体系有机氮替代75%化肥氮最好，可以保证作物产量，并实现N2O减排。

贵州是全国唯一没有平原的省份，全省约50%的土地都是坡耕地，加之其地带性典型黄壤有机质含量偏低、养分含量低、质地黏重保水保肥能力相对较差[18]，极不利于甘蓝产量的提高。在化肥减量情况下，如何保障黄壤地力、提高贵州高山冷凉蔬菜甘蓝产量和品质的研究鲜有报道。鉴于此，拟采用生物炭和商品有机肥等外源有机物料，研究在氮肥减施情况下，配施外源有机物料对贵州高山冷凉蔬菜甘蓝产量、养分吸收、肥料利用率、品质及经济效益的影响，以期为有机物料替代化肥技术在贵州高山冷凉蔬菜区及相似地区推广和应用，以及甘蓝丰产提质增效提供理论和实践基础。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

试验于2021 年3—7 月在贵州省毕节市威宁县草海镇（26°53′5″E、104°10′7″N），该地海拔2 237 m，年平均气温11 ℃左右，年日照时间2 000 h 左右，年平均降雨量为900～1 000 mm 进行。供试土壤为黄壤土，基本理化性质：pH 值5.5、有机质40.0 g/kg、全氮2.33 g/kg、碱解氮123.4 mg/kg、有效磷18.9 mg/kg、速效钾115.3 mg/kg。

供试甘蓝品种为中甘101，由中国农业科学院蔬菜花卉研究所培育；供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和硫酸钾（含K2O 50%）；供试有机物料为生物炭（含全氮0.659%、全磷0.268%、全钾0.907%）和商品有机肥（含全氮1.653%、全磷0.846%、全钾0.443%）。

1.2 试验设计

试验共设置8 个处理：不施氮肥（0N）、单施氮肥（100%N）、100%氮肥+生物炭（100%NB）、85%氮肥+生物炭（85%NB）、70%氮肥+生物炭（70%NB）、100%氮肥+商品有机肥（100%NO）、85%氮肥+商品有机肥（85%NO）、70%氮肥+商品有机肥（70%NO）。

小区面积为21.6 m2（长6 m×宽3.6 m），3 次重复，随机区组排列。100%氮肥处理中氮肥用量为225 kg/hm2，各处理除氮肥（N）施用量不同外，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）的用量均为150、225 kg/hm2。不同处理N、P2O5、K2O、生物炭、有机肥施用量见表1。其他田间生产管理均采用当地农业技术推广部门的推荐技术。

表1 不同处理N、P2O5、K2O、生物炭、有机肥施用量Tab.1 Application rates of N，P2O5，K2O，biochar，commercial organic fertilizer in different treatments kg/hm2

商品有机肥和生物炭在甘蓝移栽前翻耕，翻耕后60%氮肥、全部磷肥和钾肥混匀后一次性施用，施用后覆膜，另外40%氮肥于莲座期作为追肥施用。甘蓝于3 月18 日育苗，4 月15 日移栽，移栽密度为每小区128株（16株/行×8行），7月6日收获。

1.3 测定项目

在甘蓝收获期，每个小区分别选择有代表性且生长一致的植株6株，用于测定甘蓝生物量、养分和品质指标。取样后，105 ℃下杀青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒定质量，记录烘干质量，折算总生物量[16]；将烘干的植株样品磨碎后过0.42 mm 筛，用浓H2SO4-H2O2消化后稀释，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用钒钼黄比色法测定全磷含量，采用火焰光度计法测定全钾含量[19]；取部分未烘干的新鲜样品，测定可溶性糖、硝酸盐、维生素C（Vc）、游离氨基酸、蛋白质含量等品质指标[20]。

1.4 相关参数计算

相关参数计算依照文献[21-23]的方法：

养分累积量=养分含量×生物量；

氮素农学效率=（施肥区产量-不施肥区产量）/施氮量；

氮素吸收利用效率=（施肥区氮素总累积量-不施肥区氮素总累积量）/施氮量×100%。

同理，计算磷素和钾素农学效率和吸收利用效率。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010 及DPS 16.05 进行数据处理与分析，以LSD法检验P＜0.05 水平上的差异显著性，采用Origin 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施配施有机物料甘蓝产量

由图1可知，不同处理甘蓝产量不同。与0N 处理相比，100%N 处理能显著提升甘蓝产量25 594 kg/hm2，增幅为49.36%。与100%N 处理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）均能增加甘蓝产量，分别增加5 544、6 433 kg/hm2，增幅分别为7.16%、8.31%，其中配施商品有机肥处理（100%NO）甘蓝产量高于配施生物炭处理（100%NB）889 kg/hm2。当氮肥减施15%时，配施生物炭（85%NB）和商品有机肥（85%NO）均能略微增加甘蓝产量，较100%N 处理分别增加1 114、2 399 kg/hm2，增幅分别为1.44%、3.10%，其中配施商品有机肥效果优于配施生物炭。当氮肥减施30%时，配施生物炭（70%NB）和商品有机肥（70%NO）的甘蓝产量分别低于100%N 处理4 020、3 002 kg/hm2。以上表明，100%N 配施有机物料（生物炭和商品有机肥）能增加甘蓝产量，当氮肥减施15%时，配施2 种有机物料均有稳产或小幅增产的效果，其中商品有机肥效果优于生物炭。

图1 氮肥减施配施有机物料不同处理甘蓝产量Fig.1 Cabbage yield under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.2 氮肥减施配施有机物料甘蓝养分累积量

由图2 可知，不同处理甘蓝养分累积量不同。从氮素（N）累积量来看，0N 处理甘蓝氮素累积量最低，为97.37 kg/hm2，较其他处理显著降低53.76～81.33 kg/hm2，其中100%NB 和100%NO 处理的甘蓝氮素累积量分别为175.62、178.70 kg/hm2，分别较100%N处理高14.02、17.10 kg/hm2；当氮肥减施15%时，85%NB和85%NO处理甘蓝氮素累积量与100%N处理相当（差异不显著）。从磷素（P2O5）累积量来看，100%NO 处理磷素累积量最高，达到45.08 kg/hm2，较其他处理高1.19～20.16 kg/hm2，其中100%NO 和100%NB 处理的甘蓝磷素累积量较100%N 处理分别高6.92、5.73 kg/hm2；当氮肥减施15%时，85%NB和85%NO 处理甘蓝磷素累积量与100%N 处理相当。从钾素（K2O）累积量来看，100%N 处理钾素累积量为175.04 kg/hm2，配施生物炭和商品有机肥后，钾素累积量分别增加17.49、21.48 kg/hm2；当氮肥减施15%时，85%NB 和85%NO 处理甘蓝钾素累积量与100%N 处理相当；当氮肥减施30%时，甘蓝钾累积量较100%N 处理呈现降低的趋势。从甘蓝氮磷钾累积来看，当氮肥不减施时，配施生物炭和商品有机肥能提高甘蓝养分累积量，以商品有机肥效果较好；当氮肥减施15%时，85%NB和85%NO处理甘蓝氮磷钾累积量与100%N处理相当，替代效果明显。

图2 氮肥减施配施有机物料不同处理甘蓝养分累积量Fig.2 Nutrient accumulation of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.3 氮肥减施配施有机物料甘蓝品质

由表2 可知，不同处理的甘蓝品质不同。0N 处理可溶性糖含量最低，为23.83 g/kg，较其他处理显著降低1.30～3.61 g/kg，其中100%NB 和100%NO 处理甘蓝可溶性糖含量分别为27.31、27.44 g/kg，高于其他处理。硝酸盐方面，与0N 处理相比，施肥能显著降低甘蓝硝酸盐含量14.76～32.79 mg/kg；与100%N 处理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）能显著降低甘蓝硝酸盐含量，分别降低14.61、15.34 mg/kg；当氮肥减施15% 时，85%NB和85%NO处理甘蓝硝酸盐含量与100%N处理相当。Vc含量以0N处理最低，仅为604.33 mg/kg，较其他处理低19.06～46.75 mg/kg，各施肥处理之间差异不显著。与100%N 相比，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）分别能提高甘蓝游离氨基酸含量36.78、39.69 mg/kg；当氮肥减施15%时，85%NB 和85%NO 处理甘蓝游离氨基酸含量与100%N 处理相当。各处理蛋白质含量差异不显著，具体表现为施肥处理高于未施肥处理；同等氮肥用量下，配施有机物料处理高于未配施有机物料处理。综上，当氮肥不减施时，配施生物炭和商品有机肥能提高甘蓝品质，商品有机肥效果优于生物炭；当氮肥减施15%后，85%NB 和85%NO 处理甘蓝品质与100%N处理相当。

表2 氮肥减施配施有机物料不同处理甘蓝品质Tab.2 Quality of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

2.4 氮肥减施配施有机物料甘蓝养分利用效率

农学效率指单位施肥量所增加的作物籽粒产量，是评价肥料增产效应较为准确的指标，也是农业生产中最关心的经济指标之一。吸收利用效率是指作物对施入土壤中肥料的回收效率，反映了作物对肥料的吸收状况。由表3 可知，不同处理的氮磷钾农学效率和吸收利用效率不同。从农学效率来看，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）的甘蓝氮、磷、钾农学效率分别为138.39、207.59、138.39 kg/kg 和142.34、213.51、142.34 kg/kg，分别较100%N 处理显著提高24.64、36.96、24.64 kg/kg 和28.59、42.88、28.59 kg/kg；当氮肥减施15%时，85%NB 和85%NO 处理的甘蓝氮磷钾农学效率略高于100%N 处理，但差异不显著；当氮肥减施30%时，70%NB 和70%NO 处理的甘蓝氮磷钾农学效率则低于100%N处理，替代效果为负效应。从吸收利用效率来看，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）的甘蓝氮、磷、钾吸收利用效率分别为34.78%、12.65%、36.03% 和36.15%、13.44%、37.80%，分别较100%N 处理显著提高6.23、3.82、7.78 个百分点和7.60、4.61、9.55 个百分点；当氮肥减施15%时，85%NB 和85%NO 处理的甘蓝氮磷钾吸收利用效率略高于100%N 处理，但差异不显著；当氮肥减施30%时，70%NB 和70%NO 处理的甘蓝氮磷钾吸收利用效率则低于100%N处理，替代效果为负效应。

表3 氮肥减施配施有机物料不同处理甘蓝的肥料利用效率Tab.3 Fertilizer utilization efficiency of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic materials

以上结果表明，当氮肥不减施时，配施生物炭和商品有机肥能提高甘蓝氮磷钾农学效率和吸收利用效率，以商品有机肥效果较好；当氮肥减施15%时，85%NB 和85%NO 处理甘蓝氮磷钾农学效率和吸收利用效率与100%N处理相当，说明有机肥替代15%氮肥效果明显，能提高肥料利用效率。

2.5 氮肥减施配施有机物料甘蓝经济效益

由表4 可知，不同处理的甘蓝产值和纯收益不同。产值方面，与0N 处理相比，施氮处理的甘蓝产值增加23 732～35 230元/hm2，增幅为41.61%～61.77%。与100%N 相比，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）的甘蓝产值分别增加6 099、7 077元/hm2，增幅分别为7.16%、8.31%；当氮肥减施15%时，85%NO 和85%NB 处理甘蓝产值分别为87 826、86 412 元/hm2，与100%N 处理甘蓝产值差别不大；当氮肥减施30%时，甘蓝产值表现为降低。

表4 氮肥减施配施有机物料不同处理甘蓝经济效益Tab.4 Economic benefits of cabbage under different treatments of nitrogen reduction combined with organic material

扣除肥料和有机物料（生物炭和商品有机肥）成本后，施氮处理的甘蓝纯收益分别较0N 处理高22 247～33 651 元/hm2，增幅为40.68%～61.54%。与100%N 处理相比，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）甘蓝纯收益分别增加5 299、6 476元/hm2，增幅为6.47%、7.91%，以商品有机肥为优；当氮肥减施15%时，85%NO 和85%NB 处理甘蓝纯收益分别为84 045、82 431元/hm2，略高于100%N 处理的甘蓝纯收益；当氮肥减施30%时，70%NO 和70%NB 处理甘蓝纯收益较100%N 处理低3 609、4 928元/hm2。

3 结论与讨论

3.1 有机物料替代的产量效应

甘蓝是贵州高山冷凉蔬菜区的主要蔬菜作物之一，该地区海拔相对较高，气候较为冷凉，昼夜温差较大，特别适合甘蓝生长，因此，甘蓝等反季节冷凉蔬菜种植面积不断扩大[24]。作为贵州农业的特色土壤，黄壤有机质含量偏低，养分含量低，质地黏重，保水保肥能力相对较差。提高粮食作物产量是农业生产的重点，生产者为提高作物产量往往会过量施用氮肥，而长期施用过量氮肥会导致土壤有机质含量降低、土壤板结、环境污染、作物产量和品质降低以及肥料利用率降低[25-27]。养分资源合理利用是推动贵州黄壤农业可持续发展的重要途径[28]。生物炭和商品有机肥中不仅含有丰富的氮磷钾等矿质养分，还为土壤微生物提供碳源，提高微生物活性和多样性，同时还能增加土壤孔隙度和团聚体含量等，促进土壤养分的转化和作物对养分的吸收[29-31]。本研究结果表明，当氮肥不减量时，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）均能提高甘蓝产量，以配施商品有机肥处理最优，较配施生物炭处理高889 kg/hm2；当氮肥减施15%时，配施2种有机物料（85%NO、85%NB）均能起到稳产或略微增产的效果，这与前人在黑钙土[32]、紫色土[33]、灰漠土[15]等不同类型土壤上的研究结果一致，表明无论在任何类型土壤中配施有机物料，均有替代部分氮肥的效果。但有机物料替代氮肥并非越多越好，本研究条件下，当氮肥减施30%时，即使施用生物炭和商品有机肥，甘蓝也出现减产现象。究其原因，一方面是养分未达到甘蓝生长所需，另一方面是有机物料属于缓效肥料，养分释放缓慢，肥效迟缓，导致当季作物可利用的有效氮缺乏[34]。

3.2 有机物料配施下的作物养分利用效率

农学效率、吸收利用效率是表达肥料利用率的常用指标，与产量、施肥量和土壤肥力水平关系最为密切[1，35]。农学效率是表征肥料增加产量效益的参数，可以很好地反映肥料的利用效率，最大限度地利用肥料农学效率是实现肥料高效利用的重要措施；吸收利用效率是反映作物对肥料吸收与利用的主要指标。施肥可有效提高作物产量，但过量施肥则不利于产量、养分利用效率的提高，减少化肥施用是提高养分利用效率的有效途径。现代作物生产系统的氮肥农学效率和氮素吸收利用效率分别可以达到20～35 kg/kg 和30%～50%[36]。本研究条件下，当氮肥未减施时，配施生物炭（100%NB）和商品有机肥（100%NO）甘蓝氮磷钾农学效率和吸收利用效率均呈现增加趋势；当氮肥减施15%时，配施有机物料（85%NO、85%NB）的甘蓝氮磷钾农学效率和吸收利用效率与100%N 处理相当，甚至略高，这与前人的研究结果[37]一致。表明在本研究条件下，外源有机物料替代15%的氮肥是可行的，但当氮肥减施30%时，即使施用生物炭（70%NB）和商品有机肥（70%NO），甘蓝氮磷钾农学效率和吸收利用效率均存在降低趋势，替代效果为负效应。商品有机肥和生物炭属于有机物质，施用后养分释放缓慢，对作物产量的促进程度取决于其性质、施用量以及施用年限[38-41]。因此，下一步拟通过多年定位试验准确判定有机物料的替代效应。