有机肥替代无机氮对菠菜生长及氮利用效率的影响

李岚坤 吴杰 常会庆 李长青 朱鸿雁 张超

摘要：明确有机肥替代氮肥对菠菜生长及氮素利用的影响，可为菠菜等蔬菜生产过程中减肥增效提供方案和依据。采用盆栽试验，等氮量进行猪粪有机肥（10%、25%、50%、100%）氮素替代研究。结果表明，与单施化肥相比，25%的猪粪有机肥替代氮肥处理后菠菜显著增产36.57%，硝酸盐含量随着氮素替代比例的增加而降低，且当氮素替代达50%时，会显著降低菠菜中的硝酸盐含量；各有机肥替代处理均可提升土壤全氮含量，增量范围为6.69%～27.97%；氮素替代比例为10%和25%时，土壤的铵态氮和硝态氮含量均比单施化肥处理升高。猪粪替代氮肥比例为25%时，氮素收获指数较单施化肥增加3.14%，且在该替代比例下，有利于氮素从地下部向地上部的转移积累，导致土壤氮素生产率、氮肥农学利用率和偏生产力均显著增加。因此，从产量和氮肥利用率等方面综合考虑，25%的猪粪有机肥替代氮肥比例适合在该蔬菜生产上推广。

关键词：菠菜；有机肥；氮肥；替代；氮素利用率

中图分类号：S636.106 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）08-0139-06

基金项目：第四批“智汇郑州·1125聚才计划”；国家重点研发计划（编号：2017YFD0801304）。

作者简介：李岚坤（1998—），男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事环境污染修复研究。E-mail：1362444583@qq.com。

通信作者：常會庆，博士，教授，主要从事环境污染修复与废弃物资源化利用研究。E-mail：hqchang@126.com。

我国农业生产中，由于传统的“高投入高收获”施肥观念，导致化肥用量逐年上升，过量施用氮肥会降低肥料利用率和作物品质，也增加了作物生产成本，对环境造成负面影响［1-2］。我国的肥料利用率相对较低，大多数蔬菜氮肥利用率仅20%左右［3］，谷物更是低于世界平均水平20%～30%［4］。为此，我国制定了到2020年化肥使用量零增长行动方案，目的在于减少农业生产中化肥用量，提高作物对养分的吸收效率，同时减少过量施用化肥所产生的面源污染。

近年来，有机-无机肥配施已经成为降低化肥用量、提高肥料利用率的主要手段［5-6］。研究发现，蔬菜生产中将有机肥适量配合化肥施用，可以提升蔬菜产量、品质和化肥利用率［7］。化肥减施25%～40%并不会对蔬菜产量造成显著影响［8-9］，减施20%～30%的条件下配施有机肥，对作物产量也无影响［10-11］。有机肥的配施还具有提高土壤肥力以及微生物群落多样性等功效［12-13］。

通过测算，我国规模化畜禽养殖粪污年产量39亿t，主要作物秸秆产量达9亿t［14］，丰富的肥源为有机替代提供可能性。2017年我国发布了开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案，鼓励有机肥在上述经济作物的替代施用。但由于有机肥体积大、价格低，运输范围小等缺点，决定了其区域化适用特点。而不同地区有机肥原料各异，施用土壤、作物类型不同，使有机肥替代化肥的合理比例存在差异［15-16］，而确定合理化肥替代比例是决定作物产量、品质及养分利用效率的关键依据。因此，利用当地主要的有机肥源，在等氮条件下，开展有机肥替代氮肥对菠菜生长和氮素利用效率影响研究，以期对当地蔬菜等经济作物生产过程中有机肥合理替代氮肥提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试猪粪有机肥取自洛阳某有机肥厂，其中猪粪是经过立式好氧发酵罐高温发酵的产物；供试土壤为石灰性褐土，取自河南科技大学农场。供试材料性状见表1。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，设不施肥处理（CK），100%化肥处理（NPK），在等氮条件下猪粪氮素替代氮肥的占比分别为10%、25%、50%、100%的4个处理（OZ1、OZ2、OZ3、OZ4），共6个处理。将上述土壤风干、过筛后，取2 kg土壤于高20 cm，直径20 cm塑料盆中，每kg土壤的施肥量为N：0.27 g，P2O5：0.13 g，K2O：0.25 g，按上述氮肥替代比例施用有机肥与化肥并混合均匀。每个处理重复3次，随机排列在温室中。以四季大叶菠菜为供试品种，试验从2019年9月播种，等幼苗生长1周后，每盆留2株，在2019年11月中旬收获。

1.3 样品采集与测定

在菠菜旺产期采集土壤和菠菜样品，其中土壤样品风干后分别过0.85、0.15 mm土筛后备用。土壤基本理化性质的测定参照《土壤农业化学分析方法》［17］。菠菜收获后进行鲜质量测定，硝酸盐含量采用水杨酸比色法测定［18］。剩余植物样品在烘箱105 ℃下杀青30 min后，65 ℃烘干至恒质量，测地上部、地下部干质量。采用叶绿素仪测定叶绿素含量，测定部位为中部叶片的上中下3个部位，取其平均值。

1.4 氮素利用率

氮素收获指数［19］=地上部氮素积累量（mg）/植株氮素积累量（mg）；

土壤氮素生产率［20］（g/g）=地上部鲜质量/播种前土壤总氮；

氮肥农学利用率［21］（g/g）=（施氮处理产量-无氮处理产量）/施氮量；

氮肥偏生产力［19，21］（g/g）=施氮处理产量/施氮量。

1.5 数据分析

利用Excel 2007进行数据处理分析，选用Duncans法进行显著性检验（α=0.05），Origin 2019进行作图。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代氮肥对菠菜产量、叶绿素含量的影响

有机肥替代氮肥的OZ1、OZ2、OZ3处理与NPK相比，菠菜产量分别增产12.74%、36.57%、7.48%，但仅OZ2处理增产效果显著。有机肥100%替代无机氮肥的OZ4处理较CK增产，但与NPK相比显著减产48.95%。试验中当有机替代占比超过25%以后，菠菜产量将会逐渐降低。菠菜叶绿素含量跟产量变化趋势类似。与NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3处理的叶绿素含量分别增加2.81%、4.24%、0.35%，都未达到显著差异。OZ4的叶绿素含量同样较CK增加，而较NPK显著降低21.02%（表2）。

2.2 有机肥替代氮肥对菠菜硝酸盐含量影响

蔬菜品质的高低往往与硝酸盐含量有关，本研究中随着猪粪替代比例的增加，菠菜硝酸盐含量逐渐降低（图1）。与单施化肥NPK相比，有机肥替代部分无机氮肥的OZ1、OZ2、OZ3处理，其硝酸盐含量分别降低0.81%、15.03%、47.51%，其中OZ3处理的硝酸盐含量显著降低，其硝酸盐含量为 1 440.57 mg/kg，但与不施肥CK的硝酸盐含量相比没有显著性差異。与NPK处理相比，有机肥100%替代无机氮肥的OZ4处理，其硝酸盐含量显著降低67.72%。由此可知，当有机肥替代无机氮肥的比例超过50%以后，有利于菠菜中硝酸盐含量降低。

2.3 有机肥替代氮肥对土壤氮素的影响

有机肥替代氮肥会使土壤全氮含量高于CK或NPK处理（图2）。与NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3、OZ4处理的全氮含量分别增加了6.69%、8.49%、8.25%、27.97%，其中仅OZ4处理显著增加。

有机肥替代氮肥后，铵态氮、硝态氮含量比不施肥CK处理均有上升（图3、图4）。与NPK相比，OZ1、OZ2处理的铵态氮含量分别增加15.06%、5.56%，而OZ3处理的铵态氮含量则是减少3.68%。OZ1、OZ2、OZ3处理的土壤硝态氮与铵态氮含量变化趋势相同，其中OZ1、OZ2处理的硝态氮含量较NPK分别增加115.96%、13.82%，而OZ3处理的硝态氮含量则减少9.67%。与NPK相比，有机肥100%替代氮肥的OZ4处理，土壤铵态氮含量增加2.98%；而土壤硝态氮含量则降低13.82%，但未达到显著差异。

2.4 有机肥替代氮肥对氮素利用的影响

由表3可知，有机肥替代氮肥的各处理，菠菜地上部、地下部的氮积累量均比CK高，但与NPK处理相比，地上部、地下部的氮积累量的变化趋势并不相同。其中，OZ1、OZ3处理的氮积累量减少3.98%、13.80%，而OZ2处理的地上部氮积累量则显著增加20.67%。OZ1、OZ2、OZ3处理的地下部氮积累量较NPK处理分别减少13.42%、23.53%、21.93%。OZ4处理的地上部、地下部氮积累量分别较NPK处理显著降低72.37%、54.86%。

氮素收获指数和氮素生产率分别反映了作物吸收氮素后在植株中的分配比例和作物吸收氮素后形成地上部产量的能力［19，22］。由表3可知，与NPK相比，OZ1、OZ2、OZ3处理的氮素收获指数和生产率分别增加1.10%、3.14%、0.76%和12.74%、36.57%、7.48%，其中仅OZ2处理的氮素生产率与NPK处理显著差异。OZ4处理的氮素收获指数、生产率均低于NPK处理，分别显著减量4.49%、48.95%。可见，当有机肥替代部分无机氮肥时，氮素收获指数和生产率均比NPK有所增加，而有机肥100%替代化肥氮处理中，不利于氮素收获指数和生产率的提高。

氮肥农学利用率和氮肥偏生产力可以表征作物对氮肥吸收和利用的程度［21］。与单施化肥NPK处理相比，OZ2、OZ3处理的氮肥农学利用率和偏生产力均有所升高（表3），2个指标的增量分别为64.04%、7.17%和32.80%、3.67%；而OZ1处理的氮肥农学利用率、偏生产力与NPK处理相比，降低了11.37%、5.82%。有机肥100%替代无机氮肥（OZ4）处理与NPK处理相比，氮肥农学利用率、偏生产力分别显著降低77.90%、39.91%。

3 讨论

3.1 有机肥替代氮肥对蔬菜产量及硝酸盐含量的影响

蔬菜施肥过程中，合理的有机肥替代无机氮肥能够更好地促进蔬菜的生长发育，提高产量［15-16］。但过高的有机肥替代化肥比例会使蔬菜的生长受到严重抑制甚至导致植株死亡［23-25］。赵明等在等氮量有机肥替代化肥对大白菜生长影响的研究发现，不高于60%的替代比例能够增加产量，而60%以上的有机肥替代化肥比例则抑制了大白菜的生长［24］。等氮量条件下，有机肥替代氮肥对番茄生长的影响也发现，60%以上的替代比例对番茄产生抑制作用［25］。本试验中有机肥100%替代无机氮肥不利于菠菜的生长，其植株产量和叶绿素含量均较单施化肥NPK处理降低，而10%、25%、50%的替代比例则有利于提高叶绿素含量，促进菠菜干物质积累，尤其在替代比例为25%时，菠菜产量和叶绿素含量最高。原因在于无机氮肥释放快，能够在前期促进植株快速生长，但后期养分供应乏力，而单纯施用有机肥，其养分释放缓慢容易造成植株前期养分供应不足从而导致植株矮小［23，26］；2种肥料的合理配比则保证了菠菜生长过程中的养分供应，提高和维持蔬菜叶片光合性能和叶绿素含量，促进植株干物质累积，从而增加产量［27-28］。

相关研究表明，过量施用化肥往往导致蔬菜中硝酸盐含量增加，在化肥减量的同时进行有机肥替代，能够减少蔬菜中的硝酸盐含量，进而提升蔬菜品质［29］，但过高的有机肥替代比例可能会使蔬菜的产量降低，同时存在着一定的环境污染风险［30］。本试验中，有机肥替代无机氮肥的各处理中，菠菜硝酸盐含量均小于3 000 mg/kg，符合GB 18406.1—2001《农产品安全质量无公害蔬菜安全》要求。当有机替代的比例超过50%时，菠菜中硝酸盐含量较100%化肥处理（NPK）显著降低。蔬菜体内硝酸盐的累积是在氮素供应过量的情况下的奢侈吸收，此时蔬菜会快速吸收硝态氮，开始累积硝酸盐［31］。因此，有机肥代替化肥施用可以作为降低蔬菜植株内硝酸盐含量的有效措施［32］。

3.2 有机肥替代氮肥对土壤氮素含量的影响

研究表明，有机肥可以活化土壤养分、改良土壤理化性状，有机肥和化肥配施后，土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量高于不施肥或单施化肥处理［33-35］。但也有研究表明，有机肥、无机肥配施在作物收获时，土壤硝态氮含量虽会高于不施肥处理，但会低于单施化肥处理［36］。本试验中，10%、25%、50%、100%的有机肥替代无机氮肥处理与不施化肥（CK）和单施化肥（NPK）处理相比，土壤全氮含量均会提升，原因在于有机肥的施用不仅会大量增加土壤有机质含量，还会提升促进养分转化的微生物和酶的活性，从而提高土壤全氮含量［37-38］。当有机替代的比例为10%、25%时，土壤的铵态氮、硝态氮含量均比单施化肥处理升高；当有机替代比例升高时，二者的变化并不相同，原因在于铵态氮、硝态氮在土壤中的含量与作物生长条件、灌溉方式以及土壤性质等有关［39］，另外与有机肥替代部分无机肥增加了土壤团聚化程度，从而降低有效态氮素在土壤中的累积有关［40］。因此，本试验中关于有机肥替代氮肥引起土壤中铵态氮、硝态氮含量的变化机制有待进一步研究阐明。

3.3 有机肥替代氮肥对氮素利用效率的影响

我国作物生产普遍存在氮肥利用率低的问题，而降低氮肥的损失、优化土壤氮素供应和作物氮素吸收的协同关系是提升氮肥利用率的重点［22］。研究表明，在等氮条件下，适量比例的有机替代可以显著提高作物氮肥利用率。赵易艺等在等氮条件下种植小白菜，发现化肥处理的氮肥利用率仅为16.78%，而有机替代处理的氮肥利用率高达56.10%［41］。羅佳等研究了3种有机肥在等氮条件下替代无机肥的氮肥利用率，发现其农学利用效率和氮肥偏生产力均显著高于单施化肥处理［42］。本试验发现，与单施化肥（NPK）处理相比，25%、50%有机替代处理的氮肥农学利用率和偏生产力均有所升高，而10%、100%有机替代处理的氮肥农学利用率、偏生产力有所降低。因此只有在适当比例的有机、无机肥配施条件下，才有利于促进土壤微生物将有机肥中的氮素逐渐转化为速效氮供作物吸收利用，保证作物生长过程中的氮素的供应需求和利用效率［43-44］。

氮素收获指数和氮素生产率同样可以表征植物对氮素的利用效率。有机肥替代化肥进行生产时，氮素收获指数和生产率高于不施肥或单施化肥处理［45］，但100%比例的有机肥替代氮肥处理则是会降低氮素收获指数和生产率［22］。本试验表明，与CK、NPK处理相比，25%的有机肥替代氮肥时的氮素收获指数和生产率最高，而且地上部氮素积累量较高的处理其氮素收获指数和生产率也较高。究其原因，化肥能够在蔬菜生长前期刺激土壤微生物，促进其加快分解有机质，从而给作物带来更多有效的养分促进生长［46］。而有机肥则会在蔬菜生长前期促进土壤微生物对氮素的固持，在土壤中保存更多的氮素以供应蔬菜生长后期的吸收和利用［47］。即适量比例的有机替代施肥方式更能匹配蔬菜在不同生长阶段对养分的需求。另外，由于本试验只是一茬的研究结果，后续还须通过多茬的试验结果来验证合理的有机肥替代氮肥比例，以便更有效提高氮素收获指数和氮素生产率。

4 结论

菠菜施肥中适量比例的有机肥替代氮肥既能提高产量、降低硝酸盐含量，又可提升土壤氮素水平和氮肥利用率。与单施化肥相比，在等氮量的条件下，有机肥替代氮肥比例为25%时，菠菜产量和叶绿素含量最高；替代比例为50%时菠菜硝酸盐含量显著降低；有机肥100%替代氮肥会使菠菜产量降低；各有机肥替代氮肥处理均可以提升土壤全氮含量，当有机肥替代氮肥比例为10%、25%时均可以使土壤中铵态氮、硝态氮含量比单施化肥处理增加。有机肥替代氮肥为25%时，土壤氮素生产率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力显著高于单施化肥的处理。因此，从产量和氮肥利用率等方面考虑，25%的有机肥替代氮肥比例适合在生产上推荐施用，但本结果为盆栽试验，在田间实践推广时有待大田试验的进一步验证。

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