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秸秆有机肥替代化学氮肥对菠菜生长和氮利用率的影响

2022-07-16潘亚杰朱晓辉常会庆李长青朱鸿雁张超

江苏农业学报 2022年3期
关键词:菠菜产量

潘亚杰 朱晓辉 常会庆 李长青 朱鸿雁 张超

摘要: 合理比例的有機肥氮替代化学氮肥氮可提高作物的产量和品质,明确有机肥氮替代化学氮肥氮的合理比例对菠菜生长和氮利用效率的影响具有重要意义。本研究采用盆栽试验,以菠菜为供试蔬菜,秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥。共设置6个处理,分别为J1(有机肥氮替代化学氮肥氮的10%),J2(有机肥氮替代化学氮肥氮的25%),J3(有机肥氮替代化学氮肥氮的50%),J4(有机肥氮替代化学氮肥氮的100%),CK(只施化学氮肥对照)和CK0(不施化学氮肥和有机肥对照),结果表明:与施化学氮肥相比,(1)在低比例有机肥等氮量替代化学氮肥条件下,菠菜产量、叶绿素含量和叶片全氮含量有所提高,100%替代条件下则会显著降低;(2)土壤养分方面,土壤全氮含量在50%和100%替代比例下显著提高,土壤碱解氮含量则在25%和50%替代比例下显著提高;(3)氮素利用率方面,10%替代比例可显著提高氮肥吸收利用率,当有机肥氮替代比例达到100%时,氮肥偏生产力和氮肥农学利用率则会显著降低。因此,在菠菜种植过程中,利用秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 25%是维持和提高其产量及氮利用效率的合理比例。

关键词: 秸秆有机肥; 化学氮肥; 菠菜; 产量; 氮利用率

中图分类号: S636.1,S141.4   文献标识码: A   文章编号: 1000-4440(2022)03-0650-07

Effects of replacing chemical nitrogen fertilizer with straw organic fertilizer on the growth and nitrogen use efficiency of spinach

PAN Ya-jie 1 , ZHU Xiao-hui 1 , CHANG Hui-qing 1,2 , LI Chang-qing 2 , ZHU Hong-yan 2  , ZHANG Chao 2

(1.College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China; 2.Henan Xinda Animal Husbandry Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract: Replacing chemical nitrogen fertilizer with reasonable proportion of organic fertilizer can improve crop yield and quality, and it is of great significance to clarify its impact on spinach growth and nitrogen use efficiency. In this study, a pot experiment was conducted with spinach as the test vegetable. Under equal nitrogen fertilization, straw organic fertilizer was used to replace chemical nitrogen fertilizer. A total of six treatments were set up, which were J1 (replacing 10% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer), J2 (replacing 25% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer), J3 (replacing 50% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer), J4 (replacing 100% chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer), CK (chemical nitrogen fertilizer) and CK0 (no chemical nitrogen fertilizer and organic fertilizer). The results showed that compared with the treatment of chemical nitrogen fertilizer, the yield, chlorophyll content and total leaf nitrogen content of spinach were increased under low proportion substitution conditions, and significantly decreased under the condition of 100% replacement. In terms of soil nutrients, soil total nitrogen content increased significantly under the conditions of 50% replacement and 100% replacement, and soil alkali-hydrolyzed nitrogen content increased significantly under the conditions of 25% replacement and 50% replacement. In terms of nitrogen use efficiency, the nitrogen absorption and use efficiency could be significantly improved under the condition of 10% replacement. When the replacement ratio of organic fertilizer reached 100%, the partial productivity of nitrogen fertilizer and the agronomic utilization rate of nitrogen fertilizer would be significantly reduced. Therefore, it is reasonable to replace 10%- 25% of chemical nitrogen fertilizer with straw organic fertilizer in process of spinach planting for the maintenance and improvement of yield and nitrogen use efficiency.

Key words: straw organic fertilizer; chemical nitrogen fertilizer; spinach; yield; nitrogen use efficiency

中国化肥用量约占世界化肥总用量的一半,但利用率较低,其中化学氮肥利用率不到30% [1-2] 。为追求粮食和蔬菜高产,大量施加化学氮肥,这是造成农业面源污染的重要原因之一。因此提高化肥尤其是化学氮肥的利用率问题亟待解决。有机肥对提升土壤肥力 [3-4] 、提高作物品质和产量具有明显效果 [5] ,同时也可提高土壤微生物群落多样性 [6-7] ,因此利用有机肥合理替代化肥,是实现中国化肥零增长目标的重要途径。据统计,中国的农作物秸秆总量高达1.04× 10 9  t,可收集的秸秆资源占90% [8] ,同时规模化畜禽养殖粪污年产量达3.9× 10 9  t [9] ,如此丰富的肥源为有机肥替代化肥提供了巨大潜力。因此有机肥和化学氮肥配施是目前农业生产上减氮、增效的重要手段 [10] 。

由于有机肥的肥源不同,其养分含量存在差异,因此确定施用过程中有机肥等氮量替代化学氮肥的合理比例是实现作物增产和氮利用效率提高的关键 [11-12] 。目前有不少关于畜禽粪便有机肥 [13-14] 或生物有机肥 [15-16] 的应用效果报道,但是针对秸秆有机肥在蔬菜生产上替代化学氮肥的施用效果不够明确。因此,本研究在菠菜生产上采用以纯秸秆发酵产物为原料的有机肥替代化学氮肥,旨在确定有利于菠菜生产和提高氮素利用率的合理秸秆有机肥替代比例。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验地点位于河南省西部洛阳市河南科技大学(34°41′N,112°27′E),年均气温12.2~ 24.6 ℃,无霜期210 d以上,年均降水量528~ 800 mm,日照和年均湿度分别为2 200~ 2 300  h、60%~ 70%。

1.2 试验材料

试验供试土壤取自河南科技大学农场,土壤全氮、全磷、全钾、有机质含量分别为0.68 g/kg 、0.78 g/kg 、1.94 g/kg 、8.5 g/kg ,土壤pH值为7.61。研究的秸秆有机肥来源于本课题组,采用玉米秸秆、水稻秸秆、番茄秸秆按照一定比例混合,调节碳氮比在25∶ 1至30∶ 1之间。经过一次、二次共60 d发酵后的物料,其全氮、全磷、全钾含量分别为26.69 g/kg 、6.85 g/kg 、25.33 g/kg 。

1.3 试验设计

试验采用秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥设计,设置的6个处理分别为:J1(秸秆有机肥氮10%+ 化学氮肥氮90%)、J2(秸秆有机肥氮25%+化学氮肥氮75%)、J3(秸秆有机肥氮50%+化学氮肥氮50%)、J4(秸秆有机肥氮100%),CK(化学氮肥氮100%)和CK0(不施化学氮肥和秸秆有机肥处理),每个处理重复3次,各处理施肥量见表1。供试土壤风干后过孔径2 mm网筛,除去杂草、砂砾等。取2 kg土壤放置于高20 cm,直径20 cm的塑料盆钵中,每盆按上述比例施用有机肥与化肥[供试化学氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2 O5  12%),钾肥为氯化钾(含K2 O 60%)],并使化肥、有机肥和土壤混合均匀,随机排列在温室中。试验于2019年9月11日播种,等菠菜幼苗生长7 d后,每盆留2株,40 d后收获。收获前测定菠菜的叶绿素含量,收获时沿盆内土壤表面剪下地上部,用自來水冲洗粘附土粒,并用蒸馏水冲洗,吸干水分后称鲜质量。将盆内根系取出,用水冲洗土粒,再用蒸馏水洗净,蔬菜样品置于烘箱105 ℃下杀青0.5 h,后65 ℃烘干到恒质量待测,同时采集土壤样品,风干后分别过孔径为2.00 mm和0.15 mm网筛备用。

1.4 测定指标及方法

菠菜收获后测定其鲜质量、干质量,土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定,土壤碱解氮采用碱解扩散法测定,植株叶绿素含量用便携式叶绿素仪(SPAD-502 Plus,日本)测定,植物全氮含量采用凯氏定氮法测定 [17] 。

收获指数=地上部干质量/(地上部干质量+地下部干质量)(1)

土壤氮素生产率=地上部鲜质量/播种前土壤总氮(2)

氮素吸收利用率=(施氮区地上部总吸氮量-无氮区地上部总吸氮量)/施氮量×100%(3)

氮素农学利用率=(施氮区产量-无氮区产量)/施氮量(4)

氮素偏生产力=施氮区产量/施氮量(5)

1.5 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2019进行数据处理并制图,SPSS 17.0软件进行数据统计分析。

2 结果分析

2.1 秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮对菠菜生长的影响

秸秆有机肥替代化学氮肥会影响到菠菜地上、地下部产量,由表2可知,J1处理和J2处理的地上部鲜质量比CK分别提高了19.3%和11.2%,J3处理的地上部鲜质量较CK降低但差异不显著,J4处理的地上部鲜质量则较CK显著降低; J1、J2、J3、J4处理地下部鲜质量相比CK分别提高了60.7%、58.9%、31.7%和39.1%,J1处理和J2处理的总鲜质量相比CK显著提高了23.2%和15.7%。

J1处理和J2处理地上部干质量相比CK提高了15.1%和1.8%, J1、J2、J3、J4处理的地下部干质量相比CK分别提高了50.1%、40.7%、18.2%和4.5%;菠菜的产量以总干质量计算,随着有机肥氮替代比例的增加,菠菜总干质量呈现降低趋势,J1处理和J2处理菠菜总干质量相比CK提高了18.8%和5.9%。

J4处理的收获指数最低为0.85,且显著低于CK,说明当秸秆有机肥氮的替代比例过大时,会引起菠菜的收获指数降低。随着有机肥氮替代比例的增加,菠菜的株高呈现先增加后降低的趋势,其中J2处理最有利于菠菜生长。J1、J2处理相较于CK,株高分别显著增加了16.1%和21.4%。

2.2 秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮对菠菜叶绿素和叶片全氮含量影响

土壤的供肥能力可以通过蔬菜的叶绿素含量间接得到体现。由图1可知,CK0的叶绿素含量(SPAD值)最低,只有36.9,J1处理的叶绿素含量(SPAD值)最高为57.9,且J1处理相较CK的叶绿素含量(SPAD值)提高了9.2%,当有机肥氮替代量达到100%时,叶绿素含量(SPAD值)相较于CK显著降低14.9%( P < 0.05),可见在有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 50%时不会对菠菜的叶绿素含量产生显著影响。

菠菜叶片全氮含量见图2,J2处理的叶片全氮含量最高为45.8 g/kg ,其次为J1处理43.4 g/kg ,相较于CK分别提高了10.6%和4.9%,而J3、J4 处理相较于CK,叶片全氮含量则显著降低了23.0%和45.7%,因此当有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 25%时,不会影响到菠菜对氮素的吸收利用。

2.3 秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮对土壤氮素养分的影响

由图3可知,随着有机肥氮替代化学氮肥氮比例的增加,土壤全氮含量基本上呈增加趋势。J4处理的土壤全氮含量显著高于其他各处理,与CK相比,其土壤全氮含量显著提高了35.1%。J1、J3處理相较于CK,土壤全氮含量分别提高了2.0%和16.5%。由图4看出,和土壤全氮含量变化趋势不同,随着有机肥氮替代化学氮肥氮比例的增加,土壤中碱解氮含量呈现先增加后降低的趋势,其中J2、J3处理相较CK,土壤碱解氮含量显著增加了28.6%和25.5%。

2.4 秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮对氮素利用效率影响

有机肥氮替代化学氮肥氮不但会影响到土壤中的氮素含量而且会影响菠菜对氮素的利用效率。由表3可知,J1、J2处理有利于土壤氮素生产率的提高,J4处理的土壤氮素生产率显著低于CK;随着有机肥氮替代化学氮肥氮比例的增加,氮肥吸收利用率先增加后降低,其中J1处理的氮肥吸收利用率最高,为55.23%,且显著高于其他各处理,J2处理与CK的氮肥吸收利用率差异不显著。当有机肥氮等氮量替代化学氮肥氮50%~ 100%时,氮肥吸收利用率显著低于其他各处理。随着有机肥氮替代化学氮肥氮比例增加,氮肥偏生产力和氮肥农学利用率呈现先增后降趋势,其中J1处理的氮肥偏生产力最高,为15.86 g/g ,J4处理和CK之间的氮肥偏生产力差异显著;J1处理的氮肥农学利用率最高,为9.14 g/g ,J4处理氮肥的农学利用率为2.48 g/g ,且显著低于其他各处理。

3 讨 论

3.1 有机肥氮替代化学氮肥氮对蔬菜产量影响

蔬菜生产过程过中产量的提高过多依赖化肥投入,而有机肥投入严重不足 [18] 。本研究结果表明:秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮比例为10%和25%时,有利于菠菜产量及氮利用效率的维持和提高,陈自雄等 [19] 的研究结果表明,当有机肥氮替代化学氮肥氮的比例在30%时,马铃薯的产量最高,超过30%后就会对马铃薯的产量和其他营养成分产生负面影响。杨仁仙 [20] 的研究结果则表明,油菜在20%的有机肥氮替代化学氮肥氮比例下产量最高,武星魁等 [21] 的研究结果也说明25%的有机肥氮是合适的替代比例,在此比例下包心菜和小白菜的产量最高。以上研究结果与本试验秸秆有机肥10%等氮量替代比例下,菠菜产量最高的结果存在一定的差异,可能与秸秆中氮素主要为有机肥氮的形态存在有关,相对于速效养分含量高的畜禽有机肥养分释放较慢 [22] ,因此较低比例的秸秆有机肥氮替代化学氮肥氮有利于菠菜产量的增加,可见有机肥氮替代化学氮肥氮对蔬菜或作物产量的影响和有机肥类型有关 [23-24] 。此外,土壤养分本底值的高低也会影响到有机肥氮的替代比例,毛伟等 [25] 研究结果表明高、中肥力条件下有机肥等氮量替代10%~ 30%化学氮肥以及低肥力条件下有机肥等氮量替代20%~ 30%化学氮肥是适合小麦生产的替代比例。因此鉴于有机肥区域利用特征,有必要针对本地主要有机肥类型,研究其农用氮素替代比例。

3.2 有机肥氮替代化学氮肥氮对土壤氮素养分及利用效率影响

适当比例的有机肥氮替代化学氮肥氮有利于土壤氮素的维持和提高。蒋雨洲等 [7] 和王安等 [26] 都认为施用有机肥可以提高土壤碱解氮含量,丁晓娟等 [27] 的研究结果也说明30%有机肥等氮量替代化学氮肥能够显著提高蔬菜地土壤碱解氮。本研究结果表明有机肥替代化学氮肥后,土壤中的全氮和碱解氮有增加趋势,可见有机肥的施用有利于土壤氮素的保持和提高 [28-29] 。原因在于施用有机肥会将大量有机质带入土壤中,同时还可能会提高土壤中相关微生物和酶活性,从而提高土壤养分的转化和利用效率 [30] ,此外有机肥对土壤氮素养分的影响还与土壤的类型、蔬菜种植结构等影响因素有关 [31-32] 。因此有必要根据当地的土壤和主要蔬菜种植类型,通过研究有机肥施用对土壤氮素的影响,确定其替代化学氮肥的合理比例。

养分利用率是衡量施肥合理性最直接的指标 [33-35] ,合理的有机肥替代化学氮肥可以提高作物对氮素的利用效率。哈丽哈什·依巴提等  [36] 研究结果表明,有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 30%可以提高棉花的化学氮肥偏生产力和农学效率。一定范围内施用有机肥也可以提高小麦的化学氮肥利用率,还可以减少氮素的损失 [37] 。喻华等 [38] 研究结果表明,有机肥等氮量替代化学氮肥的25%时,黄瓜的化学氮肥农学利用率和化学氮肥偏生产力最高,其主要原因是化肥中氮素释放比较快,易损失,导致作物后期氮素供应不足,不仅影响作物光合作用,而且不利于氮素的吸收积累 [39] 。而有机肥无机肥配施能够满足作物各个时期对氮素的需求,减少了氮素的流失,提高氮素利用率 [40] 。本试验中,有机肥氮替代化学氮肥氮比例在10%~ 25%,有利于氮素生产率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力和氮肥农学利用率的维持和提高,超过上述比例后不利于氮素利用效率的提高,鉴于本研究只是一茬的试验结果,后续还需通过连续多茬的试验来验证有机肥氮替代化学氮肥氮的合理比例。

4 结 论

与常规施肥相比,秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 25%,有利于菠菜产量的维持和提高;秸秆有机肥替代化学氮肥有利于土壤全氮含量和速效氮含量的维持和提高,并且在秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥的25%~ 50%时,土壤碱解氮含量显著高于常规施肥处理;秸秆有机肥等氮量替代化学氮肥的10%~ 25%,有利于菠菜氮肥吸收利用率和生产效率的维持和提高。因此利用秸秆有机肥替代化学氮肥进行蔬菜种植时,建议氮素替代比例控制在10%~ 25%。

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(责任编辑:蒋永忠)

收稿日期:2021-08-27

基金项目:第四批智汇郑州·1125聚才计划创新领军人才项目;国家重点研发计划项目(2017YFD0801304)

作者簡介:潘亚杰(1998-),女,河南开封人,硕士研究生,主要从事农业废弃物资源化利用研究。(E-mail)1975290129@qq.com

通讯作者:常会庆,(E-mail)hqchang@126.com

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