生物有机肥替代化肥对土壤及荠菜产量、品质的影响

殷琳毅，李 进，，袁春新，孙正国，黄步高

（1.南通科技职业学院 江苏南通 226007； 2.南通市农村专业技术协会 江苏南通 226000；3.南通市白龙有机肥科技有限公司 江苏南通 226013）

荠菜［Capsella bursa-pastoris（Linn.）Medic.］，又名护生草、地菜、地米菜等，为十字花科荠菜属的一、二年生草本植物，以嫩叶供食，是野菜中的珍品[1]，深受长三角地区消费者的喜爱。受季节限制，野生荠菜已不能满足城乡居民的消费需求，因而荠菜人工栽培蓬勃兴起[2]。施用化肥是农民提高作物产量最有效的手段，为了提高荠菜产量，农民往往过量施用化肥，特别是氮肥。过量施用化肥一方面造成土壤中微生物数量及活性明显下降，导致肥料吸收利用率下降，生产成本增加；另一方面污染水体、大气和土壤等，导致环境恶化问题加重[3-5]。生物有机肥依靠微生物的代谢活动为植物提供养分和必需物质，兼具微生物肥和有机肥的优点，可以增加土壤有效养分及有机质含量，改善土壤结构，增加土壤微生物活性，促进根系生长，提高肥料利用率，提高产品品质和产量[6]。在生物有机肥替代部分化肥、减少化肥用量的同时，优化土壤理化性状、土壤团粒结构，增强土壤蓄肥、保水能力，缓解化肥对土壤的不良效应。适量的生物有机肥替代化肥应用于生姜、番茄、茄子等蔬菜生产中，显著提高了产量，也显著提升了可溶性蛋白、维生素C 等品质指标的含量[5，7-8]。但荠菜栽培中应用生物有机肥的研究鲜见报道，生物有机肥替代化肥的研究也未见涉及。基于当前产业对化肥减量增效及有机肥替代化肥的迫切需求，笔者开展生物有机肥替代化肥对土壤及荠菜产量、品质影响的试验研究，应用主成分分析法评价土壤质量，探讨生物有机肥、化肥施用的适宜量，以期为荠菜科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年在江苏省如皋市长江镇南通科技职业学院薛窑基地进行，土壤为潮土，前茬种植丝瓜。试验开始前0～20 cm 土壤的理化性状为有机质含量（w，后同）19.1 g·kg-1、全氮含量1.85 g·kg-1、全磷含量1.22 g·kg-1、全钾含量14.32 g·kg-1、碱解氮含量124.30 mg·kg-1、速效磷含量128.16 mg·kg-1、速效钾含量167.51 mg·kg-1、pH 值6.4。

1.2 材料

供试荠菜品种为南通地方品种板叶荠菜，由南通科技职业学院在薛窑基地采集。供试化肥为叶菜用复合肥（N∶P2O5∶K2O 质量比为28∶8∶8），由江苏威尔盛肥料有限公司生产。供试生物有机肥由南通市白龙有机肥科技有限公司生产，其中有机质含量≥40%，有效活菌数≥0.2×108CFU·g-1，全氮、全磷、全钾含量分别为0.82%、0.23%、0.19%。

1.3 试验设计

2020 年5 月中旬将采集的荠菜种子，挑选出大小一致、颗粒饱满、无病虫害、结构完整的种子置于冰箱冷藏室，2021 年10 月18 日播种，播种量1 g·m-2。每处理15 m2，随机区组排列，3 次重复，每个小区间挖沟隔离，防止肥、水互串，四周设置保护行。试验采取有机氮（生物有机肥中氮）等量替代化肥氮（复合肥），不设磷和钾等量替代处理，以本地常见施100%复合肥900 kg·hm-2（CK）为对照，设置有机氮依次替代20%（T1）、40%（T2）、60%（T3）、80%（T4）、100%（T5）化肥氮等处理。肥料分为基肥和追肥，基肥在2021 年10 月10 日一次性施入，生物有机肥和2/3 化肥作基肥施入，剩余肥料在11 月22 日施入，其他田间管理措施与当地一致[9-10]。

1.4 测定指标

采收后（2021 年12 月31 日）采集表层（0～20 cm）土壤样品，每小区按照S 形采样法采集。每小区重复采样5 次，重复样品均匀混合，过2 mm筛，置于4 ℃冰箱冷藏保存待测。参照鲍士旦[11]《土壤农化分析》中的方法测定有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量等指标。其中，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，采用半微量开氏法测定全氮含量，采用HClO2-H2SO4法测定全磷含量，采用火焰光度法测定全钾含量，采用碱解扩散法测定速效氮含量，采用钼锑钪比色法测定速效磷含量，采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。参照关松荫[12]《土壤酶及其研究法》中的方法测定脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性等指标。其中，采用苯酚一次氯酸钠比色法测定脲酶活性，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性，采用0.4 mol·L-1KMnO4滴定法测定过氧化氢酶活性。

采收时每处理随机挖取10 株荠菜测定可溶性蛋白、硝酸盐、维生素C、总糖、纤维素含量等指标，参照李合生[13]《植物生理生化实验原理和技术》中的方法测定。其中，采用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白质含量，采用紫外分光光度法测定硝酸盐含量，采用高效液相色谱法测定维生素C 含量，采用微量法测定总糖含量、纤维素含量。

荠菜2021 年12 月27 日一次性采收，测定各处理的产量。计算小区平均产量，折算成1 hm2产量。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2010 软件统计分析数据，用SPSS 9.50 软件对数据进行方差分析及显著性分析。用SPSS 9.50 软件对2021 年12 月31 日采集土壤样本的养分、酶活性进行主成分分析，并对不同处理进行排序和评价[9]。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥替代化肥对土壤养分含量的影响

由表1 可以看出，随生物有机肥替代化肥比例的增大，荠菜采收后土壤有机质含量随之不断增加，而土壤中的氮、磷、钾含量均呈先增加后降低趋势。T1、T2 处理土壤中有机质含量分别比CK 增加3.28%、4.92%，T3、T4、T5 处理分别比CK 显著增加16.39%、18.58%、24.59%。T1 处理土壤中全氮比CK 增加6.32%，全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别比CK 显著增加6.78%、2.25%、7.68%、3.15%、9.48%。T2 处理土壤中全磷、全钾、碱解氮、速效磷含量最高，分别比CK 显著增加9.32%、5.94%、10.02%、5.22%，全氮、速效钾含量仅次于T3处理，分别比CK 显著增加10.92%、15.93%。T3 处理土壤中全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别比CK 显著增加13.79%、8.47%、5.39%、9.54%、3.30%、17.69%。T4 处理土壤中全氮、碱解氮分别比CK 增加4.60%、2.06%，全磷、全钾、速效磷、速效钾含量分别比CK 显著增加6.78%、2.46%、4.43%、3.98%。T5 处理土壤中全氮、速效磷含量分别比CK 减少4.60%、3.78%，全磷、全钾、碱解氮含量分别比CK 显著减少3.39%、3.96%、5.58%，速效钾含量比CK 增加0.78%。

表1 生物有机肥替代化肥对土壤养分的影响

2.2 生物有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

从表2 可以看出，荠菜采收后T1、T2、T3、T4、T5 处理土壤中酶活性总体呈现先增加后降低趋势。T1 处理土壤中过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性分别比CK 显著增加6.49%、12.77%、9.79%，蔗糖酶活性比CK 增加4.71%。T2 处理土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性最高，分别比CK 显著增加11.25%、39.13%、19.57%，过氧化氢酶活性仅低于T3 处理，比CK 显著增加20.78%。T3 处理土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性分别比CK 显著增加22.08%、7.56%、38.04%、16.60%。T4 处理土壤中过氧化氢酶、脲酶活性分别比CK 显著增加14.29%、36.14%，磷酸酶活性比CK 增加0.85%，而蔗糖酶活性比CK 显著减少2.45%。T5 处理土壤中过氧化氢酶活性比CK 显著增加10.39%，而蔗糖酶、脲酶活性分别比CK 显著减少9.04%、5.43%，磷酸酶活性比CK 减少3.40%。

表2 生物有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

2.3 土壤养分含量与酶活性主成分分析

将荠菜采收后土壤中主要养分及酶活性作主成分分析并进行分权计算，计算出各因子在各主成分上的载荷。由表3 看出，第一主成分的方差贡献率最大为78.3860%，即涵盖了原始数据信息量的78.3860%，能基本反映生物有机肥替代化肥对荠菜采收后土壤养分含量和土壤酶活性的变化。从表4分权系数看，全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性等均在第一主成分内，证明这几个指标可以代表不同处理土壤的变化信息。通过主成分分析计算不同处理综合得分并对其进行排序，由表5 所示，不同处理综合得分及排序依次为T2＞T3＞T4＞T1＞CK＞T5，生物有机肥替代化肥能改善土壤养分含量和酶活性，且其改善程度与生物有机肥替代化肥的使用量有密切关系。

表3 土壤养分含量与酶活性主成分分析

表4 土壤养分含量与酶活性主成分的特征向量分析

表5 不同处理土壤评价指标综合成分得分及排序

2.4 生物有机肥替代化肥对荠菜产量的影响

从表6 可以看出，各处理随着化肥施入量的减少及配施生物有机肥的增加，荠菜产量呈先增加后降低的趋势。T1 处理产量比CK 增产2.21%，T2、T3、T4 处理产量分别比CK 显著增产22.11%、15.16%、6.87%。T2 处理产量最高，达19 920.0 kg·hm-2；T5 处理产量最低，为15 126.7 kg·hm-2，比CK 显著减产7.27%。各处理根据生物有机肥和化肥N、P、K 的含量，按每生产1000 kg 荠菜计算，T1、T2、T3、T4 处理纯氮、纯磷、纯钾用量均少于CK，T2处理纯氮、纯磷、纯钾用量分别比CK 减少18.12%、18.59%、24.26%。

表6 不同处理纯N、P、K 荠菜施用量和产量

2.5 生物有机肥替代化肥对荠菜品质的影响

从表7 可以看出，T1、T2、T3、T4、T5 处理荠菜品质的各个指标均比CK 改善。T2 处理可溶性蛋白、可溶性糖含量最高，分别比CK 显著增加22.00%、8.80%；T3 处理维生素C 含量最高，比CK显著增加5.00%。T2 处理维生素C 含量仅次于T3处理，比CK 显著增加4.30%，且与T3 处理差异不显著。随着各处理生物有机肥用量的增加荠菜硝酸盐含量不断下降，T1 处理比CK 减少3.43%，T2、T3、T4、T5 处理比CK 显著减少10.50%、13.33%、16.33%、17.36%。综合考虑，T2 处理对荠菜品质改善效果最好。

表7 生物有机肥替代化肥对荠菜品质的影响

3 讨论与结论

化肥对农作物增产见效快，但过量施用化肥，导致养分利用率和生产率下降，对农作物生长、产量及品质产生不利影响[14]。生物有机肥营养元素齐全，适量化肥与生物有机肥配合使用有利于培肥土壤[15]。在笔者的研究中，与土壤初始理化性质相比，适当进行有机氮（有机肥中氮）等量替代化肥氮（复合肥）有机肥的施用，增加了有机质及氮、磷、钾的积累，提高土壤的供肥和保肥能力，但过量的有机肥施用量会起到相反的作用[16]。

酶作为一种蛋白质，能催化一系列化学反应，推动土壤的代谢[17]。土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性与有害物降解、碳循环、氮转换和磷利用密切相关，酶活性可作为衡量土壤肥力水平的指标[18]。土壤酶在很大程度上起源于土壤微生物，生物有机肥含有大量有益微生物，施入土壤后能显著提升土壤酶活性。但笔者发现不是生物有机肥施用量越多，化肥施用量越少土壤酶活性越高，这与生物有机肥对小白菜、番茄影响结果相似[19-20]，可能是生物有机肥中微生物生命活动需利用土壤中氮、磷、钾等养分，而生物有机肥的养分释放缓慢，微生物因没有及时获得足够养分，从而抑制土壤酶活性的提升[21]。

适量生物有机肥料替代化肥可迅速地调节土壤代谢的特性，改善土壤结构，提高土壤中养分的利用效率，从而促进农作物生长，达到提高作物产量和改善农产品质量的目的[14]。笔者的试验中，T1、T2、T3、T4 处理均提高了肥料利用效率，其中T2 处理产量最高，达19 920.0 kg·hm-2，比CK 显著增加22.11%，每生产1000 kg 荠菜纯氮、纯磷、纯钾用量最少，比CK 分别减少18.12%、18.59%、24.26%，且可溶性蛋白、可溶性糖含量最高，而过度增大有机氮肥施用比例却对产量及可溶性蛋白、维生素C、可溶性糖积累起负面作用。前人通过不同有机、无机氮肥比例对小白菜硝酸盐含量的影响研究表明，增加有机氮肥施用比例能减少土壤硝态氮，土壤硝态氮含量较低的条件下小白菜硝酸盐含量也较低[22]。笔者的试验结果验证了这一结论，随着各处理生物有机肥用量的增加荠菜硝酸盐含量不断下降。生物有机肥替代化肥在一定程度上可以提高土壤的生产能力，而过量施用有机肥会起反作用[23]。

综上所述，适量的生物有机肥替代化肥有助于实现农业生产中化肥的合理施用，促进农业生产的可持续发展。笔者综合土壤性状及荠菜产量、品质等进行分析，有机氮替代40%化肥氮（N∶P2O5∶K2O质量比为28∶8∶8 的复合肥900 kg·hm-2）效果最好。