【研究意义】我国是世界最大的化肥生产国和消费国^[1-2]，但是施肥不科学和肥料利用率低仍是“三农”领域的突出短板，其中，受经济利益驱动香蕉种植中施肥不科学问题尤为突出，主要体现在施肥量、施肥结构和施肥方法等方面。施肥不科学造成的资源和环境负担不断加剧^[3-4]。有机替代在农业与环境中的应用一直是国内外研究的热点，有机物料施入土壤后不仅能改良土壤性质（如提高土壤有机质和pH、增加保水性、降低土壤容重），还能直接或间接减少土壤CO₂等温室气体的排放、增加土壤碳汇、增加土壤碳固存与碳捕集潜力，是加快实现碳中和的重要途径之一^[5]。因此，在香蕉产业中采用有机肥料替代部分化肥进行施用，形成广东珠三角新植香蕉的化肥减量增效模式，优化香蕉施肥、改善香蕉生产中土壤障碍问题是本研究的重点。【前人研究进展】香蕉的产量和品质受品种和生长环境的双重影响^[6]，合理施肥可以改善土壤环境、提高作物产量和品质^[7-9]。有机物料尤其是炭基有机肥能有效改善土壤环境^[10]，研究表明，有机物料和生物炭能够改善酸性土壤理化性质和微生物活性，其通过碱性基团消耗质子进而提升土壤pH值，增加土壤有机碳、全氮含量和土壤交换性盐基数量^[11]。宁瑜等^[6]研究表明，适当减少施肥量可使香蕉抽蕾开花期推迟，但对香蕉茎叶生长、果实产量及品质无负面影响；且有机肥和炭基有机肥对养分有很强的持留功能，不仅节约资源，还能促进作物生长、延缓植株衰老、提高作物产量^[12]。对甘薯的研究结果表明，炭基有机肥处理的甘薯地上部发育早、发育速度快，在生育高峰期叶面积系数和干物质积累量显著高于化肥处理，而且在生长后期群体衰退缓慢^[13]。有机替代技术在水稻、蔬菜等作物中应用较为广泛，合理的有机肥配施可为作物生长提供速效养分、弥补化肥减量带来的负效应。然而，也有研究表明，炭基有机肥对土壤蔗糖酶与土壤过氧化氢酶活性有抑制作用。可见，炭基有机肥对作物生长和土壤性质的影响与施用量和作物种类密切相关。目前国内针对有机替代改良土壤的研究集中在单一有机替代上，其与化肥减量施用结合技术如何影响产量和土壤性质还缺乏系统研究。本研究将有机替代与化肥减量施用相结合，以实现作物产量和品质的同步提升为目标，既能对农业废弃物进行资源化利用，为蕉园土壤改良和香蕉稳产开辟新的途径，同时可减少化肥过度使用对环境的影响。【本研究切入点】通过化肥减量配施有机肥或炭基有机肥，探究其对土壤pH、有机质含量、香蕉稳产增产的影响，减轻蕉园连作导致的土壤问题，改善蕉园土壤性质；减少化肥施用量，建立珠三角地区蕉园化肥绿色施用技术体系。【拟解决的关键问题】以有机替代和减量施肥为主要措施，通过大田小区试验，探明在减量施肥（10%~20%）的情况下配合有机肥对香蕉生长情况和土壤理化性质的影响，为珠三角区域蕉园土壤合理施肥和土壤肥力提升提供重要参考依据。

1　材料与方法 1.1　试验材料

试验于2021年3月在广东省江门市现代农业综合示范基地开展。试验地土壤有机质含量6.4 g/kg（极缺乏水平）、碱解氮含226.8 mg/kg（高水平）、速效磷66.3 mg/kg（中下水平）、速效钾533.0 mg/kg（高水平）；土壤类型为砖红壤、旱地，土壤pH为4.03、呈强酸性。试验地土壤为典型华南酸性土壤，有机肥施用较少，化肥施用较多。

供试肥料：常规复合肥（N-P₂O₅-K₂O：15-15-15）和高钾肥料（N-P₂O₅-K₂O：18-7-25）；有机肥（N-P₂O₅-K₂O：2.90-1.85-4.15，有机质52%）；生物炭（N-P₂O₅-K₂O：1.28-0.59-3.51）；炭基有机肥（有机肥∶生物炭=2∶1）。

供试香蕉品种为巴西蕉（Musa acuminata AAA Cavendish cv. Brazil），种植时间为2021年3月10日，行距2.00 m、株距1.80 m，收获时间为2022年3月。

1.2　试验方法

设置常规施肥（CK）、减施化肥10%+低量有机肥（T1）、减施化肥20%+高量有机肥（T2）、减施化肥10%+低量炭基有机肥（T3）和减施化肥20%+高量炭基有机肥（T4）5个处理，每个处理4次重复，共20个小区，每个小区种植香蕉15~20株。其中，有机替代模式为减去有机肥/炭基有机肥中的氮后再常规施肥减量10%~20%（以氮肥为准），配施低量（每667 m² 400 kg）和高量（每667 m² 800 kg）的有机肥/炭基有机肥，各处理肥料施用量见表 1。试验区田间管理与当地香蕉园管理一致，有机肥和炭基有机肥均一次性深挖施入，化肥于4~7月每月施用2次、7~12月每月施用1次，施用方法为在植株周边20~30 cm处开沟（深10 cm），将肥料施入沟中，然后覆土。其中T2~T4处理7月以前采用常规复合肥，7~12月采用高钾肥料。

1.3　测定项目及方法

1.3.1 土壤理化指标测定　参照鲁如坤^[14]方法，在香蕉抽蕾期和成熟期利用5点采样法采集土样，5个点土壤混合均匀后分成4份，带回实验室风干处理，用于测定土壤理化性质。其中，土壤有机质含量测定采用高温外热重络酸钾容量法^[14]，全氮含量测定采用凯氏蒸馏法，碱解氮含量测定采用碱解扩散中和滴定法^[14]，有效磷含量采用氟化铵-盐酸浸提钼锑抗比色法^[14]，速效钾含量测定采用乙酸铵交换1∶10原子吸收分光光度法^[14]，pH值测定采用水（去CO₂）浸提电位法（水∶土＝ 1∶2.5）^[14]。

1.3.2 香蕉生长情况测定　每个处理分别在香蕉抽蕾期和成熟期随机采集倒数第3张叶片进行养分含量分析。其中，香蕉叶片全氮含量测定采用H₂SO₄-H₂O₂消煮、凯氏定氮法^[15]，全磷、全钾、全钙、全镁含量采用HNO₃-HClO₄消解电感耦合等离子体发射光谱法测定^[16]。每小区选定长势一致、健康的香蕉5株，在香蕉抽蕾期调查假茎高度、假茎基维度、中围度和叶片数；成熟期调查香蕉假茎高度、假茎基维度、中围度和叶片长宽，并记录每株产量。

1.3.3 香蕉果实品质测定　每个处理随机选择3株香蕉，在成熟期各取其果实粉碎匀浆后待用。可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量参照GB/5009.8-2016测定。

1.4　数据处理及统计分析

利用WPS软件进行数据统计分析，用SPSS软件中的单因素ANOVA法对调查结果平均值进行方差分析。

2　结果与分析 2.1　有机替代+减量施肥对蕉园不同时期土壤理化性质的影响

本研究结果（表 2）表明，在香蕉抽蕾期，有机替代+减量施肥（T1~T4）处理对土壤pH均有提高作用，其中T4处理最为显著（提高0.6个单位），处理间表现为T4 > T3 > T2 > T1，表明生物炭对提高土壤pH的效果更好；T1~T4处理的土壤有机质含量与对照相比均有增加，其中T2~T4处理显著提升，分别提高37.29%、45.56% 和56.09%，表明在香蕉种植前期施加有机肥料可显著增加蕉园土壤的有机质含量，且随着用量的增加而增加。土壤速效养分氮磷钾方面，T1~T4处理的碱解氮含量比对照增加23.59%、36.70%、26.87% 和38.97%，高剂量的有机肥和炭基有机肥比低剂量的增加幅度更为显著；T1~T4处理土壤的速效钾含量比对照增加84.40%、86.24%、47.71% 和21.72%，其中有机肥的效果要好于炭基有机肥；T1~T4处理的钙、镁含量均高于对照，分别是对照的52.67%~112.472% 和43.06%~111.54%。

香蕉成熟期的土壤性质与抽蕾期总体趋势一致，土壤pH分别比对照提高0.61、0.38、0.77和0.62，处理间表现为T3 > T4 > T1 > T2，且随着时间的推移，各处理的pH值均有升高趋势，炭基有机肥的持久效果更为突出；T1~T4处理蕉园土壤的有机质含量比对照分别提升41.68%、22.97%、25.55% 和24.26%，且一直维持在较高水平，但剂量效应随时间的延长而逐渐减弱；T1~T4处理的碱解氮含量均显著高于对照，有效磷和速效钾含量则与对照差异不显著；各处理的阳离子交换量和钙镁含量均高于对照，但差异不显著。此外，土壤大量元素含量整体上表现为成熟期高于抽蕾期，但是处理间的差异均不显著，表明虽然减少了10%~20% 的化肥用量，但是施加有机肥和炭基有机肥对土壤的有效态营养元素并无显著影响。

2.2　有机替代+减量施肥对香蕉生长、产量、品质及营养元素的影响

2.2.1 香蕉生长　从表 3可以看出，T1~T4处理香蕉抽蕾期的假茎高度均高于对照，其中T2和T3增加显著，分别比对照增加7.18% 和6.61%，但假茎基围度与对照相比无显著差异，仅T1处理的假茎基围度显著高于对照。T1~T4处理香蕉成熟期的假茎高度和假茎基围度与对照相比没有显著差异；而T1、T3和T4处理的中围度高于对照，其中T4与对照相比差异显著。在两个时期统计绿叶数发现，T1~T4处理香蕉的绿叶数均显著高于对照，但处理间无显著差异。上述结果表明，有机替代+减量施肥（10%~20%）处理并未影响香蕉的假茎高度、假茎基围度、中围度和绿叶数。

2.2.2 香蕉叶片养分含量情况　不同时期各处理香蕉叶片养分含量情况如表 4。结果表明，香蕉抽蕾期不同处理间叶片的含水率、氮含量、磷含量差异不显著，表明有机替代+减量施肥（10%~20%）处理并没有影响香蕉前期的营养元素积累。而在成熟期，T2和T4处理香蕉叶片含水率显著高于对照。T1~T4处理叶片钾含量在两个时期均显著高于对照，表明高钾化肥的施用可以增加叶片中的钾含量。T1~T4处理的叶片钙、镁含量在两个时期均高于对照，其中抽蕾期炭基有机肥处理香蕉叶片的钙含量显著增加、且显著高于成熟期，有机肥和炭基有机肥处理镁含量均显著增加；成熟期T3处理叶片钙含量增加最为显著，同时镁含量也显著高于对照，且显著高于抽蕾期。

2.2.3 香蕉产量　不同处理香蕉的产量情况如 图 1所示，T1、T2处理的香蕉产量与对照相比无显著差异，而T3、T4处理的香蕉产量显著高于对照，分别提高14.57% 和13.43%。可见，有机替代+减量施肥（10%~20%）处理不影响香蕉果实的生长发育，可以维持较高的单株产量。

2.2.4 香蕉果实品质　香蕉品质主要取决于可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量，合理的有机、无机肥配施可以在保障产量的同时，改变香蕉果实的风味组分及其含量，使香蕉风味进一步提升。表 5显示，有机替代+减量施肥（10%~20%）处理增加了香蕉可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量。其中T2和T4处理香蕉上述3个指标上均显著高于对照，表明高量的有机替代可提升香蕉果实品质，其中以有机肥和生物炭配施效果更佳。

3　讨论

化肥在香蕉生产中具有重要作用，但我国蕉园传统施肥管理上多凭经验施肥，施肥用量及氮磷钾比例较随意，同时过量施用化肥使土壤养分含量过高，植物未能吸收利用，造成化肥资源浪费^[17-18]、土壤板结、酸化和环境污染等问题^[19]。国务院发布的《“十四五”推进农业农村现代化规划》指出深入开展测土配方施肥，持续优化肥料投入品结构，增加有机肥使用，推广肥料高效施用技术。本研究利用有机替代+减量施肥技术，减少香蕉园化肥用量，旨在改变香蕉传统的施肥管理模式，为建立试验区香蕉化肥减量与提质增效联合技术，推进当地香蕉产业绿色高效发展提供技术和依据。

3.1　有机替代+减量施肥对蕉园土壤养分含量的影响

近年来广东省土壤整体处于酸性水平，土壤pH下降比例有所增加，其中酸雨及肥料的过量施用是引起土壤酸化的主要因素^[20]。蕉园由于长期大量施用氮肥、过磷酸钙、硫酸钾等酸性或生理酸性化肥，导致土壤酸化加剧^[21]。香蕉最适宜生长的pH为5.8~6.5^[22]，但广东、海南和福建蕉园土壤pH普遍在5.8以下^[23]。pH过低会显著抑制香蕉生长^[24]，因此保持适宜的蕉园土壤pH有利于香蕉生长。本研究表明，利用有机肥和炭基有机肥替代10%~20% 化肥的情况下，蕉园土壤的pH在成熟期仍然表现出较高的提升效果，而且与抽蕾期相比，各处理的pH均显著提高。主要原因在于有机肥和生物炭均有较高pH（7.5~10.0），其成分中含有较多碱性物质^[25]，可以中和土壤中由于化肥长期施用产生的质子，因此有机肥和炭基有机肥替代部分化肥可以有效缓解土壤酸化^[26]；而且有机肥和炭基有机肥中的有机质含有大量羧基和酚羟基官能团，具有较强的缓冲能力，能缓冲土壤pH^[27-28]。这与本研究的结果一致。

土壤有机质在维持土壤肥力、提升作物生产力方面发挥着重要作用，一定程度上决定了土壤的生产潜力^[29]，而香蕉适宜在富含有机物质的土壤中生长。李继明等^[30]研究表明，在华南红壤稻田系统中施用有机肥是加速土壤有机质积累的有效方法，这与本研究采用有机肥和炭基有机肥替代部分化肥，处理后的土壤有机质含量均显著高于对照，而且从抽蕾期持续到成熟期的研究结果一致。作物残体形成的有机肥和生物炭是酸性土壤较好的改良剂，施用后可以改变细菌群落结构^[31]，显著增加土壤中有益菌数量，有效减少土壤病原菌的数量^[32-33]，有助于香蕉植株健康生长和土壤长期的良性循环。

钾元素是香蕉生长的重要影响元素，化肥中的钾元素在土壤中的移动性小，而氮、磷肥的过度施用会加剧土壤中钾的消耗^[34]。本研究表明，有机替代+减量施肥处理的土壤钾含量增加显著，这一方面与试验采用的高钾化肥相关，另一方面也与匡石滋等^[35]对香蕉减肥配施氨基酸水溶肥的结果相同。表明有机替代+减量施肥并不会使土壤中的速效氮磷钾元素减少，且有利于促进土壤碳、氮、磷转化相关酶活性。虽然本研究采用的是低磷化肥，但前人研究表明，有机肥与氮磷钾化肥配施可显著提升土壤有效磷、速效钾含量^[30]。同时，有机肥和炭基有机肥均对土壤微生物有正面效应，可以激发微生物活性、改善土壤原有微生物群落结构及其功能，对土壤的理化性质产生积极影响^[33]。T2处理下蕉园土壤中pH以及氮、钾、钙含量在香蕉成熟期为最高，可能是由于生物炭的存在对营养元素进行吸附固定缓慢释放，从而保障了香蕉土壤的肥力，减少养分流失^[36]。同时，有机质可减少磷的固定、促进无机磷的溶解^[37]，因此蕉园土壤中有效磷的含量变化较小。

3.2　有机替代+减量施肥处理对香蕉生长和养分含量的影响

香蕉的农艺性状能在一定程度上反映香蕉生长状况，也是香蕉产量形成的重要因素。作物残体形成的有机肥和生物炭是酸性土壤较好的改良剂，可以改变土壤细菌群落结构^[38]，显著增加芽孢杆菌、链霉菌等有益菌的数量，有效减少土壤病原菌（如镰刀菌）的数量^[36-37]，有助于香蕉植株健康生长和土壤长期的良性循环。前人对芒果、苹果、香蕉等的研究表明，化肥配施有机肥有利于树体、根系的生长^[38]；而生物质炭基肥能够提高香蕉的光合作用，增加根、茎、叶氮素的积累^[39]；生物炭有机肥部分替代化肥处理苋菜株高、茎粗、地上部干鲜质量、地下部干鲜质量均有所提高^[40]，这与本研究结果一致。有机替代+减量施肥处理后香蕉叶片中的氮磷钾含量在成熟期表现出一定的增加趋势，其中各处理叶片中的钾含量均高于对照，表明有机替代+减量施肥（10%~20%）处理能促进作物生长。

本研究中，有机替代+减量施肥（10%~20%）处理对香蕉生长、产量、品质以及叶片营养元素方面有正向效果，其中炭基有机肥的效果更佳，香蕉产量提高14.44%~13.43%；可溶性固形物、可溶性糖、维生素C含量也显著提升。有机肥和炭基有机肥施入土壤后，营养物质释放缓慢，其中有机氮元素多以NH₄⁺或氨基酸形式供给植物，直接参与植物细胞物质的合成，因此植物生长快，积累的糖分物质较多，形成的香蕉品质更好。炭基有机肥与普通有机肥相比具有更高的阳离子交换量和更发达的孔隙，因此有很强的吸附特性^[41]，可以吸附固定土壤中的营养元素，起到长期释放养分的作用，为作物生长提供长效营养。有机替代+减量施肥在满足香蕉氮、钾养分需求的同时，也会增加土壤中的微量元素供应，对水果品质提高有显著效果^[42]，这与本研究结果一致。王文生^[43]研究表明，在不减少化肥施用量的情况下，炭基肥能够显著增加巴西蕉的假茎高度、假茎粗、叶片数、叶长和叶宽，对单株产量有显著影响。而本研究虽然减少了化肥的施用量，但是炭基有机肥的施用量较大，因此减量施肥没有造成减产。香蕉生长发育期间对营养元素的需求并不一致，其中对钾的需求量最高^[44]，对氮肥、磷肥供应量的反应并不显著^[45]，因此采用低磷高钾化肥替代农户常用的常规复合肥并未影响香蕉生长。

4　结论

有机替代+减量施肥（10%~20%）可有效减少香蕉种植中化肥的施用量，对香蕉的生长无显著影响。利用炭基有机肥进行替代时香蕉产量和品质显著提高，其中产量提高13.43%~14.44%，可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量分别提升13.09%~21.99%、3.98%~17.32%、28.09%~ 41.57%。同时有机肥替代化肥可显著改善土壤性状，使土壤pH提高0.38~0.77，有机质含量提升6.62%~56.09%。综合香蕉产量、土壤性质改良情况，有机替代+减量施肥（10%~20%）是适宜广东珠三角新植香蕉的化肥减量增效模式。