【研究意义】2015年2月17日农业部颁布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，指出我国化肥施用存在4个方面问题：一是亩均施用量偏高，二是施肥不均衡现象突出，三是有机肥资源利用率低，四是施肥结构不平衡。重化肥、轻有机肥，重大量元素肥料、轻中微量元素肥料，重氮肥、轻磷钾肥“三重三轻”问题突出。因此，在实现化肥减施的前提下，如何保障农产品产量和品质是当下种植业亟待解决的问题。
【前人研究进展】广州市南沙区作为“粤港澳大湾区”的核心区域，得益于充足的水热资源条件，菜地耕作频繁，其中菜心由于收获周期短，种植效益高，在经济利益驱动下，菜地高投入高产出的生产模式十分普遍。据《广州市2017年国民经济和社会发展统计公报》，2017年广州市蔬菜种植面积15.10万hm2，其中南沙区蔬菜播种面积2.15万hm2。2017年广州市南沙区复合肥施用量高达1 831.05 kg/hm2，其中氮素施用量253.97 kg/hm2［1］，菜地年用肥量居高不下。蔬菜化肥用量是其他农作物养分用量的3倍多［2］。
【本研究的切入点】菜地N、P2O5、K2O普遍使用15-15-15或17-17-17的均衡性高浓度复合肥［3］。大量元素养分之间的不平衡，导致化肥施用环境风险指数总体呈现上升的趋势［4］。多茬连作和周年生产是南沙区蔬菜生产的主要特点，其中产量占蔬菜总产量一半以上的菜心，年均种植频率高达8～10茬［5］。因此本试验研究通过“有机肥部分替代化肥”和“化肥减施”探索菜地养分优化管理模式，以期为蔬菜科学施肥及菜地土壤改良、实现蔬菜生产的提质增效目标提供参考。
【拟解决的关键问题】化肥尤其是氮肥对菜地的大量投入，导致土壤酸化日趋严重，菜地土壤退化，菜品质量下降。针对这些问题，提出4项技术路径：一是精，即是推进精准施肥；二是调，即是调整化肥使用结构；三是改，即是改进施肥方式；四是替，即是有机肥替代化肥。其中有机肥替代化肥技术措施，对于菜心等作物，究竟代替的比例多少合适；此外，单纯化肥减量施用，对菜心等作物的产量和品质是否有负面影响等是必须解决的问题。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地点设在南沙区东涌镇勤家园蔬果农民专业合作社（113°26′33″E，22°53′46″N），年日照时数1 635.1 h，平均气温22.6℃，年降雨量1 673.1 mm。
供试土壤类型为熟化程度较高的菜园土，常年以甜玉米-蔬菜的轮作方式。土壤pH5.03、有机质25.1 g/kg、碱解氮160 mg/kg、有效磷317 mg/kg、速效钾409 mg/kg。土壤呈弱酸性，有机质含量属中等偏低水平，碱解氮、有效磷和速效钾含量均属极丰富水平，尤其是速效钾含量极高，说明该菜园土养分含量不平衡，呈现富营养化的趋势。
供试菜心品种为“合欢（HO-HUAN）”品牌的台优一号甜菜苔，适宜珠江三角洲地区冬季种植，品种主要性状：杂交一代，中迟熟，株型直立，叶卵圆形，梗淡绿色，较耐寒，产量较高，食用口感少渣，商品性状良好。
供试化肥为尿素（含N 46%），磷酸氢二铵（含N 21%、P2O5 53%），氯化钾（含K2O 60%）和复混肥（含N21%、P2O5 6%、K2O 13%）。有机肥基本性质为：pH 6.5，有机质45%，氮（N）2.0%，含水率36%。
1.2 试验方法
田间小区试验设无肥对照（CK）、常规施肥（CF）、10%化肥减量（RF）、15%N有机肥替代化肥（T15）、30%N有机肥替代化肥（T30）5个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积24 m2。各处理有机肥和化肥施用量见表1。常规施肥处理化肥采用复混肥，化肥减量处理、有机肥部分替代化肥处理采用单质肥料和有机肥。有机肥和单质磷肥全部用作基肥，在整地起畦时施下，化肥分2次追施，第1次追肥占总量的40%，第2次追肥占总量的60%。
菜心采用大棚育苗移栽的方式：2019年1月10日整地施用基肥，2018年12月11日播种，2019年1月15日移栽，种植规格为株行距20 cm×25 cm。2019年1月21日施第1次追肥，1月31日施第2次追肥，2月19日收获，整个生育期70 d。统一灌溉、除草和喷洒农药防治病虫害等田间管理。
表1 各处理有机肥和化肥施用量
Table 1 Application rates of organic and chemical fertilizers under different treatments
化肥K2O Chemical fertilizer-K2O无肥对照CK 0 0 0 0常规施肥CF 0 105.0 30 60 10%化肥减量RF 0 94.5 27 54 15%有机替代T15 15.8 89.2 30 60 30%有机替代T30 31.5 73.5 30 60处理Treatment施肥量Application rate（kg/hm2）有机肥N Organic fertilizer-N化肥N Chemical fertilizer-N化肥P2O5 Chemical fertilizer-P2O5
1.3 分析方法
土壤样品分析主要采用《土壤农化分析》方法：土壤pH值按V（水）∶m（土）=2.5∶1，采用电位法测定；土壤有机质含量采用高温外加热-重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮含量测定采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L 的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用l mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度法测定。菜心新鲜植株样维生素C含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法测定［6］。菜心新鲜植株样可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定［7］。菜心新鲜植株样硝酸盐含量采用硝基水杨酸比色法测定［8］。
2 结果与分析
2.1 不同处理对菜心产量的影响
菜心收获时，每处理小区单独收获测产，折算每公顷产量。对产量结果进行方差分析和显著性测验，结果见图1。从图1可以看出，有机肥15%N替代化肥处理T15，菜心产量最高达15 007 kg/hm2，高于有机肥30%N替代化肥处理T30产量13 385 kg/hm2。有机肥N替代化肥处理，无论替代比例为15%还是30%，产量均高于常规施肥处理CF，分别增产43.32%和27.82%，均达显著水平。化肥减施10%处理RF，菜心产量为7 756 kg/hm2，与常规施肥处理CF比较，降低25.93%（P＞0.05）。
图1 不同处理菜心产量
Fig. 1 Yields of flowering Chinese cabbages under different treatments
柱上小写英文字母不同者表示差异显著
Different lowercase letters above the columns represent significant differences
2.2 不同处理对菜心品质的影响
菜心收获时，每处理小区随机取10棵菜心鲜样，进行维生素C、可溶性糖和硝酸盐氮含量品质分析，结果见表2。从表2可以看出，与常规施肥处理CF比较，10%化肥减量处理RF菜心维生素C含量略有增加，而可溶糖含量和硝酸盐氮含量略有下降；15%N有机肥替代化肥处理T15菜心维生素C含量略有降低，而可溶性糖含量和硝酸盐氮含量均略有增加（P＞0.05）；30%N有机肥替代化肥处理T30菜心维生素C含量基本持平，而可溶性糖含量和硝酸盐氮含量均略有减少（P＞0.05）。
表2 不同处理菜心品质分析测定结果
Table 2 Determination results of quality of flowering Chinese cabbages under different treatments
注：同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。
Note: Different lowercase letters in the same column represent significant differences.
硝酸盐Nitrate（mg/kg）无肥对照CK 47.96±8.24a 1.47±0.22a 969±29.9a常规施肥CF 53.43±5.12a 1.42±0.25a 1058±36.5a 10%化肥减量RF 56.34±6.05a 1.17±0.20a 992±29.6a 15%有机替代T15 51.98±6.93a 1.56±0.61a 1076±70.6a 30%有机替代T30 53.77±4.86a 1.12±0.06a 1031±63.4a处理Treatment维生素C Vitamin C（mg/100g）可溶性糖Soluble sugar（%）
2.3 不同处理对土壤性状的影响
2.3.1 不同处理对土壤酸碱度（pH）的影响 菜心收获时，分别采取各处理小区耕层土壤样品，风干、粉碎、过筛，测定土样酸碱度（pH），结果见图2。从图2可以看出，与常规施肥处理CF相比，30%N有机肥替代化肥处理T30经过种植一造菜心后，耕层土壤pH值提高0.26个单位，达到显著水平。而15%N有机肥替代化肥处理T15、化肥减量10%处理RF，经过种植一造菜心后，耕层土壤pH值与常规施肥处理CF差异不显著，均维持在一个较低水平。
2.3.2 不同处理对土壤养分含量的影响 菜心收获时，分别采取各处理小区耕层土壤样品，风干、粉碎、过筛，分别测定土样有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量，并对数据进行分析处理，结果见表3。从表3可以看出，经过种植一造菜心，收获期菜地土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，各处理变化不显著。
图2 收获期不同处理土壤pH值
Fig. 2 Soil pH under different treatments at harvest stage
柱上小写英文字母不同者表示差异显著
Different lowercase letters above the columns represent significant differences
表3 菜心收获期不同处理土壤养分含量
Table 3 Soil nutrient contents at harvest stage of flowering Chinese cabbages under different treatments
注：同列数据后小写英文字母不同者表示差异显著。
Note: Different lowercase letters in the same column represent significant differences.
速效钾Available-K（mg/kg）无肥对照CK 25.1±2.6a 160±28a 317±158a 409±166a常规施肥CF 24.1±1.6a 219±34a 395±110a 694±149a 10%化肥减量RF 25.7±2.3a 220±66a 393±100a 682±198a 15%有机替代T15 26.1±3.7a 197±78a 361±151a 570±313a 30%有机替代T30 23.7±0.6a 174±28a 371±65a 553±151a处理Treatment有机质O.M.（g/kg）碱解氮Alkali-N（mg/kg）有效磷Olsen-P（mg/kg）
2.4 不同处理对菜心植株养分含量的影响
菜心收获时，每处理小区随机取20棵菜心带回实验室，烘干、粉碎、过筛，进行氮、磷、钾含量分析，结果见图3。从图3 可以看出，菜心植株全氮、全磷含量不同处理之间均无显著差异；与常规施肥处理CF比较，有机肥15%N替代化肥处理T15和有机肥30%N替代化肥处理T30菜心植株全钾含量均有显著提高。
图3 收获期不同处理菜心植株养分含量
Fig. 3 Nutrient contents of flowering Chinese cabbages at harvest stage under different treatments
柱上小写英文字母不同者表示差异显著
Different lowercase letters above the columns represent significant differences
3 讨论
化肥超量投入、有机肥用量不足、氮磷钾（N、P2O5、K2O）比例和有机、无机养分比例失调是目前蔬菜施肥中普遍存在的主要问题［5］。依据以往“3414”测土配方施肥在珠三角的试验结果，菜心N养分每公顷推荐施用量为199.5～97.5 kg［9］。依据不同地区土壤肥力水平，叶菜类蔬菜氮磷钾养分推荐施用量N∶P2O5∶K2O比例为1 ∶ 0.11～0.53 ∶ 0.37～1.29［10］。本试验中，结合土壤养分含量，常规施肥采用N105 kg/hm2、P2O5 30 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2处理的施肥方案。在此基础上，减少10%的N+P2O5+K2O用量，菜心产量降低25.93%，但差异不显著。说明在常规施肥的前提下，单纯以减少10%以下化肥施用量的方式，对菜心产量不会造成明显的影响。
有机肥对于增加作物产量的作用已有诸多研究和报道［11-13］。本试验中，与纯化肥的常规施肥处理相比，15%N和30%N不同比例有机替代化肥处理菜心产量均显著增加，这与宋以玲等［12］的研究相吻合。而且，在产量上30%N替代比例不及15%N替代比例处理有优势，两者虽存在一定差异，但差异不显著，这可能与菜心生长期较短，有机肥养分释放较慢，还没有充分发挥有机肥的肥效有关。由此说明，化肥N养分只能部分的减施，而且这部分亏缺的养分可以通过有机肥得到有效的补充。有机肥15%N替代化肥结合85%N的无机养分，这种比例的有机N和无机N养分的结合，长效和速效兼顾，符合菜心对土壤的生长条件和养分需求，菜心产量得到显著提高。
维生素C、可溶性糖、硝酸盐含量等均为菜心品质的重要指标，这些物质在植物中的合成和累积与光照、水分及养分等环境因素有关［13-14］。李会合等［15］报道施用无机肥与禽畜粪肥配施提高芹菜可溶糖含量，但降低生菜可溶糖含量。本试验中，与常规施肥比较，15%有机氮替代化肥，菜心可溶性糖含量有一定程度的增加；而30%有机氮替代化肥，可溶性糖含量反而有下降的趋势。姚丽贤等［16］报道单施或配施鸡、鸽粪处理对第 1茬菜心维生素C含量影响不大。在本试验中，无论是有机替代化肥，或者单独化肥减施的方式对菜心维生素C、硝酸盐含量均无显著影响。这可能与有机肥用量相对较少有关，具体原因还需进一步研究。
有机物料表面的含氧官能团是碱的一个重要来源，其羧基和酚羟基在较高pH下以阴离子存在，是有机物料中碱的存在形态，它们可以与H+发生缔和反应，中和土壤酸性。本试验中，与常规施肥相比，有机肥N替代化肥达到30%幅度时，可以有效抑制土壤由于过量施用化肥导致的酸化，这与Yuan等［17］研究结果一致。另外，不施肥的空白对照，经过种植一造菜心，同样可以让菜地土壤过度酸化得到一定程度的缓解。说明过度施用化肥，尤其是氮肥可能是引发菜地土壤酸化的主要因素［18］。试验证明，通过部分有机肥替代化肥，不但可以提高菜心产量，还能有效改良酸化的菜地土壤。
与常规施肥处理比较，无论是15%N还是30%N有机肥替代化肥处理的菜心地上部分钾含量均明显提高。姚德贵等［19］研究了有机肥对烤烟各器官钾含量的影响，表明有机肥能在移栽后第5周显著增加烤烟茎和下部叶片的钾含量。菜心从移栽到收获刚好为35 d，这与本试验菜心的生长时期基本吻合。有机肥的输入，促进了土壤的保水保肥性，同时与菜地土壤速效钾含量极为丰富有关。
4 结论
菜心是生长期短、养分需求集中的作物，采用化学肥料提供菜心氮磷钾速效养分是必须的。为了降低环境风险，减缓菜地土壤酸化，达到用地养地的目的，采用减少化肥的施用量10%以下的技术模式，而菜心亏缺的这部分养分，可以通过有机肥部分替代化肥的方式得到补充。
菜心是典型的叶菜类蔬菜，氮磷钾大量元素营养中以氮为主。由于南沙区菜地多数采用连作的方式，土壤有效磷和速效钾含量较高，因此，菜心生产上有机肥氮以15%～30%的比例代替化肥氮、同时减少化肥施用量的方案是可行的［20］，但各菜场需要根据土壤的理化性状确定有机氮替代的具体比重，以达到最佳的效果。
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