潘亞杰 朱曉輝 常會(huì)慶 李長(zhǎng)青 朱鴻雁 張超

摘要： 合理比例的有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮可提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，明確有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的合理比例對(duì)菠菜生長(zhǎng)和氮利用效率的影響具有重要意義。本研究采用盆栽試驗(yàn)，以菠菜為供試蔬菜，秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥。共設(shè)置6個(gè)處理，分別為J1（有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的10%），J2（有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的25%），J3（有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的50%），J4（有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的100%），CK（只施化學(xué)氮肥對(duì)照）和CK0（不施化學(xué)氮肥和有機(jī)肥對(duì)照），結(jié)果表明：與施化學(xué)氮肥相比，（1）在低比例有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥條件下，菠菜產(chǎn)量、葉綠素含量和葉片全氮含量有所提高，100%替代條件下則會(huì)顯著降低;（2）土壤養(yǎng)分方面，土壤全氮含量在50%和100%替代比例下顯著提高，土壤堿解氮含量則在25%和50%替代比例下顯著提高;（3）氮素利用率方面，10%替代比例可顯著提高氮肥吸收利用率，當(dāng)有機(jī)肥氮替代比例達(dá)到100%時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率則會(huì)顯著降低。因此，在菠菜種植過(guò)程中，利用秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 25%是維持和提高其產(chǎn)量及氮利用效率的合理比例。

關(guān)鍵詞： 秸稈有機(jī)肥; 化學(xué)氮肥; 菠菜; 產(chǎn)量; 氮利用率

中圖分類號(hào)： S636.1，S141.4?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? 文章編號(hào)： 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

中國(guó)化肥用量約占世界化肥總用量的一半，但利用率較低，其中化學(xué)氮肥利用率不到30% [1-2] 。為追求糧食和蔬菜高產(chǎn)，大量施加化學(xué)氮肥，這是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因之一。因此提高化肥尤其是化學(xué)氮肥的利用率問(wèn)題亟待解決。有機(jī)肥對(duì)提升土壤肥力 [3-4] 、提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量具有明顯效果 [5] ，同時(shí)也可提高土壤微生物群落多樣性 [6-7] ，因此利用有機(jī)肥合理替代化肥，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的農(nóng)作物秸稈總量高達(dá)1.04× 10 9 ?t，可收集的秸稈資源占90% [8] ，同時(shí)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞污年產(chǎn)量達(dá)3.9× 10 9 ?t [9] ，如此豐富的肥源為有機(jī)肥替代化肥提供了巨大潛力。因此有機(jī)肥和化學(xué)氮肥配施是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上減氮、增效的重要手段 [10] 。

由于有機(jī)肥的肥源不同，其養(yǎng)分含量存在差異，因此確定施用過(guò)程中有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的合理比例是實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)和氮利用效率提高的關(guān)鍵 [11-12] 。目前有不少關(guān)于畜禽糞便有機(jī)肥 [13-14] 或生物有機(jī)肥 [15-16] 的應(yīng)用效果報(bào)道，但是針對(duì)秸稈有機(jī)肥在蔬菜生產(chǎn)上替代化學(xué)氮肥的施用效果不夠明確。因此，本研究在菠菜生產(chǎn)上采用以純秸稈發(fā)酵產(chǎn)物為原料的有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥，旨在確定有利于菠菜生產(chǎn)和提高氮素利用率的合理秸稈有機(jī)肥替代比例。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省西部洛陽(yáng)市河南科技大學(xué)（34°41′N，112°27′E），年均氣溫12.2～ 24.6 ℃，無(wú)霜期210 d以上，年均降水量528～ 800 mm，日照和年均濕度分別為2 200～ 2 300 ?h、60%～ 70%。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)供試土壤取自河南科技大學(xué)農(nóng)場(chǎng)，土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.68 g/kg 、0.78 g/kg 、1.94 g/kg 、8.5 g/kg ，土壤pH值為7.61。研究的秸稈有機(jī)肥來(lái)源于本課題組，采用玉米秸稈、水稻秸稈、番茄秸稈按照一定比例混合，調(diào)節(jié)碳氮比在25∶ 1至30∶ 1之間。經(jīng)過(guò)一次、二次共60 d發(fā)酵后的物料，其全氮、全磷、全鉀含量分別為26.69 g/kg 、6.85 g/kg 、25.33 g/kg 。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥設(shè)計(jì)，設(shè)置的6個(gè)處理分別為：J1（秸稈有機(jī)肥氮10%+ 化學(xué)氮肥氮90%）、J2（秸稈有機(jī)肥氮25%+化學(xué)氮肥氮75%）、J3（秸稈有機(jī)肥氮50%+化學(xué)氮肥氮50%）、J4（秸稈有機(jī)肥氮100%），CK（化學(xué)氮肥氮100%）和CK0（不施化學(xué)氮肥和秸稈有機(jī)肥處理），每個(gè)處理重復(fù)3次，各處理施肥量見表1。供試土壤風(fēng)干后過(guò)孔徑2 mm網(wǎng)篩，除去雜草、砂礫等。取2 kg土壤放置于高20 cm，直徑20 cm的塑料盆缽中，每盆按上述比例施用有機(jī)肥與化肥[供試化學(xué)氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（含P2 O5 ?12%），鉀肥為氯化鉀（含K2 O 60%）]，并使化肥、有機(jī)肥和土壤混合均勻，隨機(jī)排列在溫室中。試驗(yàn)于2019年9月11日播種，等菠菜幼苗生長(zhǎng)7 d后，每盆留2株，40 d后收獲。收獲前測(cè)定菠菜的葉綠素含量，收獲時(shí)沿盆內(nèi)土壤表面剪下地上部，用自來(lái)水沖洗粘附土粒，并用蒸餾水沖洗，吸干水分后稱鮮質(zhì)量。將盆內(nèi)根系取出，用水沖洗土粒，再用蒸餾水洗凈，蔬菜樣品置于烘箱105 ℃下殺青0.5 h，后65 ℃烘干到恒質(zhì)量待測(cè)，同時(shí)采集土壤樣品，風(fēng)干后分別過(guò)孔徑為2.00 mm和0.15 mm網(wǎng)篩備用。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

菠菜收獲后測(cè)定其鮮質(zhì)量、干質(zhì)量，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，植株葉綠素含量用便攜式葉綠素儀（SPAD-502 Plus，日本）測(cè)定，植物全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定 [17] 。

收獲指數(shù)=地上部干質(zhì)量/（地上部干質(zhì)量+地下部干質(zhì)量）（1）

土壤氮素生產(chǎn)率=地上部鮮質(zhì)量/播種前土壤總氮（2）

氮素吸收利用率=（施氮區(qū)地上部總吸氮量-無(wú)氮區(qū)地上部總吸氮量）/施氮量×100%（3）

氮素農(nóng)學(xué)利用率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量（4）

氮素偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量（5）

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并制圖，SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)菠菜生長(zhǎng)的影響

秸稈有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥會(huì)影響到菠菜地上、地下部產(chǎn)量，由表2可知，J1處理和J2處理的地上部鮮質(zhì)量比CK分別提高了19.3%和11.2%，J3處理的地上部鮮質(zhì)量較CK降低但差異不顯著，J4處理的地上部鮮質(zhì)量則較CK顯著降低; J1、J2、J3、J4處理地下部鮮質(zhì)量相比CK分別提高了60.7%、58.9%、31.7%和39.1%，J1處理和J2處理的總鮮質(zhì)量相比CK顯著提高了23.2%和15.7%。

J1處理和J2處理地上部干質(zhì)量相比CK提高了15.1%和1.8%， J1、J2、J3、J4處理的地下部干質(zhì)量相比CK分別提高了50.1%、40.7%、18.2%和4.5%;菠菜的產(chǎn)量以總干質(zhì)量計(jì)算，隨著有機(jī)肥氮替代比例的增加，菠菜總干質(zhì)量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，J1處理和J2處理菠菜總干質(zhì)量相比CK提高了18.8%和5.9%。

J4處理的收獲指數(shù)最低為0.85，且顯著低于CK，說(shuō)明當(dāng)秸稈有機(jī)肥氮的替代比例過(guò)大時(shí)，會(huì)引起菠菜的收獲指數(shù)降低。隨著有機(jī)肥氮替代比例的增加，菠菜的株高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中J2處理最有利于菠菜生長(zhǎng)。J1、J2處理相較于CK，株高分別顯著增加了16.1%和21.4%。

2.2 秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)菠菜葉綠素和葉片全氮含量影響

土壤的供肥能力可以通過(guò)蔬菜的葉綠素含量間接得到體現(xiàn)。由圖1可知，CK0的葉綠素含量（SPAD值）最低，只有36.9，J1處理的葉綠素含量（SPAD值）最高為57.9，且J1處理相較CK的葉綠素含量（SPAD值）提高了9.2%，當(dāng)有機(jī)肥氮替代量達(dá)到100%時(shí)，葉綠素含量（SPAD值）相較于CK顯著降低14.9%（ P < 0.05），可見在有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 50%時(shí)不會(huì)對(duì)菠菜的葉綠素含量產(chǎn)生顯著影響。

菠菜葉片全氮含量見圖2，J2處理的葉片全氮含量最高為45.8 g/kg ，其次為J1處理43.4 g/kg ，相較于CK分別提高了10.6%和4.9%，而J3、J4 處理相較于CK，葉片全氮含量則顯著降低了23.0%和45.7%，因此當(dāng)有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 25%時(shí)，不會(huì)影響到菠菜對(duì)氮素的吸收利用。

2.3 秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)土壤氮素養(yǎng)分的影響

由圖3可知，隨著有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例的增加，土壤全氮含量基本上呈增加趨勢(shì)。J4處理的土壤全氮含量顯著高于其他各處理，與CK相比，其土壤全氮含量顯著提高了35.1%。J1、J3處理相較于CK，土壤全氮含量分別提高了2.0%和16.5%。由圖4看出，和土壤全氮含量變化趨勢(shì)不同，隨著有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例的增加，土壤中堿解氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中J2、J3處理相較CK，土壤堿解氮含量顯著增加了28.6%和25.5%。

2.4 秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)氮素利用效率影響

有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮不但會(huì)影響到土壤中的氮素含量而且會(huì)影響菠菜對(duì)氮素的利用效率。由表3可知，J1、J2處理有利于土壤氮素生產(chǎn)率的提高，J4處理的土壤氮素生產(chǎn)率顯著低于CK;隨著有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例的增加，氮肥吸收利用率先增加后降低，其中J1處理的氮肥吸收利用率最高，為55.23%，且顯著高于其他各處理，J2處理與CK的氮肥吸收利用率差異不顯著。當(dāng)有機(jī)肥氮等氮量替代化學(xué)氮肥氮50%～ 100%時(shí)，氮肥吸收利用率顯著低于其他各處理。隨著有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例增加，氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，其中J1處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高，為15.86 g/g ，J4處理和CK之間的氮肥偏生產(chǎn)力差異顯著;J1處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高，為9.14 g/g ，J4處理氮肥的農(nóng)學(xué)利用率為2.48 g/g ，且顯著低于其他各處理。

3 討 論

3.1 有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)蔬菜產(chǎn)量影響

蔬菜生產(chǎn)過(guò)程過(guò)中產(chǎn)量的提高過(guò)多依賴化肥投入，而有機(jī)肥投入嚴(yán)重不足 [18] 。本研究結(jié)果表明：秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例為10%和25%時(shí)，有利于菠菜產(chǎn)量及氮利用效率的維持和提高，陳自雄等 [19] 的研究結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的比例在30%時(shí)，馬鈴薯的產(chǎn)量最高，超過(guò)30%后就會(huì)對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量和其他營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)生負(fù)面影響。楊仁仙 [20] 的研究結(jié)果則表明，油菜在20%的有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例下產(chǎn)量最高，武星魁等 [21] 的研究結(jié)果也說(shuō)明25%的有機(jī)肥氮是合適的替代比例，在此比例下包心菜和小白菜的產(chǎn)量最高。以上研究結(jié)果與本試驗(yàn)秸稈有機(jī)肥10%等氮量替代比例下，菠菜產(chǎn)量最高的結(jié)果存在一定的差異，可能與秸稈中氮素主要為有機(jī)肥氮的形態(tài)存在有關(guān)，相對(duì)于速效養(yǎng)分含量高的畜禽有機(jī)肥養(yǎng)分釋放較慢 [22] ，因此較低比例的秸稈有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮有利于菠菜產(chǎn)量的增加，可見有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)蔬菜或作物產(chǎn)量的影響和有機(jī)肥類型有關(guān) [23-24] 。此外，土壤養(yǎng)分本底值的高低也會(huì)影響到有機(jī)肥氮的替代比例，毛偉等 [25] 研究結(jié)果表明高、中肥力條件下有機(jī)肥等氮量替代10%～ 30%化學(xué)氮肥以及低肥力條件下有機(jī)肥等氮量替代20%～ 30%化學(xué)氮肥是適合小麥生產(chǎn)的替代比例。因此鑒于有機(jī)肥區(qū)域利用特征，有必要針對(duì)本地主要有機(jī)肥類型，研究其農(nóng)用氮素替代比例。

3.2 有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮對(duì)土壤氮素養(yǎng)分及利用效率影響

適當(dāng)比例的有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮有利于土壤氮素的維持和提高。蔣雨洲等 [7] 和王安等 [26] 都認(rèn)為施用有機(jī)肥可以提高土壤堿解氮含量，丁曉娟等 [27] 的研究結(jié)果也說(shuō)明30%有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥能夠顯著提高蔬菜地土壤堿解氮。本研究結(jié)果表明有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥后，土壤中的全氮和堿解氮有增加趨勢(shì)，可見有機(jī)肥的施用有利于土壤氮素的保持和提高 [28-29] 。原因在于施用有機(jī)肥會(huì)將大量有機(jī)質(zhì)帶入土壤中，同時(shí)還可能會(huì)提高土壤中相關(guān)微生物和酶活性，從而提高土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用效率 [30] ，此外有機(jī)肥對(duì)土壤氮素養(yǎng)分的影響還與土壤的類型、蔬菜種植結(jié)構(gòu)等影響因素有關(guān) [31-32] 。因此有必要根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥篮椭饕卟朔N植類型，通過(guò)研究有機(jī)肥施用對(duì)土壤氮素的影響，確定其替代化學(xué)氮肥的合理比例。

養(yǎng)分利用率是衡量施肥合理性最直接的指標(biāo) [33-35] ，合理的有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥可以提高作物對(duì)氮素的利用效率。哈麗哈什·依巴提等 ?[36] 研究結(jié)果表明，有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 30%可以提高棉花的化學(xué)氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率。一定范圍內(nèi)施用有機(jī)肥也可以提高小麥的化學(xué)氮肥利用率，還可以減少氮素的損失 [37] 。喻華等 [38] 研究結(jié)果表明，有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的25%時(shí)，黃瓜的化學(xué)氮肥農(nóng)學(xué)利用率和化學(xué)氮肥偏生產(chǎn)力最高，其主要原因是化肥中氮素釋放比較快，易損失，導(dǎo)致作物后期氮素供應(yīng)不足，不僅影響作物光合作用，而且不利于氮素的吸收積累 [39] 。而有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施能夠滿足作物各個(gè)時(shí)期對(duì)氮素的需求，減少了氮素的流失，提高氮素利用率 [40] 。本試驗(yàn)中，有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮比例在10%～ 25%，有利于氮素生產(chǎn)率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率的維持和提高，超過(guò)上述比例后不利于氮素利用效率的提高，鑒于本研究只是一茬的試驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)還需通過(guò)連續(xù)多茬的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮肥氮的合理比例。

4 結(jié) 論

與常規(guī)施肥相比，秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 25%，有利于菠菜產(chǎn)量的維持和提高;秸稈有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥有利于土壤全氮含量和速效氮含量的維持和提高，并且在秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的25%～ 50%時(shí)，土壤堿解氮含量顯著高于常規(guī)施肥處理;秸稈有機(jī)肥等氮量替代化學(xué)氮肥的10%～ 25%，有利于菠菜氮肥吸收利用率和生產(chǎn)效率的維持和提高。因此利用秸稈有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥進(jìn)行蔬菜種植時(shí)，建議氮素替代比例控制在10%～ 25%。

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（責(zé)任編輯：蔣永忠）

收稿日期：2021-08-27

基金項(xiàng)目：第四批智匯鄭州·1125聚才計(jì)劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0801304）

作者簡(jiǎn)介：潘亞杰（1998-），女，河南開封人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。（E-mail）1975290129@qq.com

通訊作者：常會(huì)慶，（E-mail）hqchang@126.com