含量之间呈极显著负相关。大棚SFQ中土壤有效态Fe与大棚XFQ中土壤有效态Fe、Mn和Cu均与产量呈显著正相关。高量有机肥替代化肥可极显著提高番茄果实Vc含量,降低硝酸盐含量,显著提高番茄产量。因此,可通过添加有机肥来缓解设施土壤中微量元素短缺的状况,为土壤可持续利用及设施农业发展提供参考。摘要：为改善设施土壤中微量元素短缺问题,减少化肥施用,提高设施番茄产量,在水高庄村日光大棚(SFQ)和小沙沃村日光大棚(XFQ)内,以不同量有机肥替代化肥为处理,研究了设施大棚土壤中有效态Fe、Mn、Cu含量的变化情况及与番茄品质和产量的关系。结果表明,有机肥替代化肥均不同程度提高了土壤有效态Fe、Mn、Cu含量。大棚SFQ中,SGY土壤中有效态Mn、Cu含量较对照处理分别提高了140.95%,348.95%;大棚XFQ中,XGY处理显著提高了土壤有效态Fe含量,较对照处理高出12.28%,XGY处理的有效态Mn、Cu含量比对照处理分别高出84.60%,215.71%。2个大棚中有效态Fe、Mn、Cu与番茄果实Vc含量之间呈极显著正相关,与含量之间呈极显著负相关。大棚SFQ中土壤有效态Fe与大棚XFQ中土壤有效态Fe、Mn和Cu均与产量呈显著正相关。高量有机肥替代化肥可极显著提高番茄果实Vc含量,降低硝酸盐含量,显著提高番茄产量。因此,可通过添加有机肥来缓解设施土壤中微量元素短缺的状况,为土壤可持续利用及设施农业发展提供参考。
Fe、Mn、Cu等微量元素是植物生长必需营养元素,虽然植物所需量远少于大量元素[1],但它们对植物的作用与大量元素同等重要。这些微量元素是植物生长各种酶的辅助因子,并且参与了植物生理代谢过程,对人体健康也具有重要作用[2]。但由于土壤中微量元素含量和有效性受土壤环境条件影响较大,使土壤中微量元素有效性降低,导致微量元素缺乏成为一种普遍现象[3-4]。
直接施用微量元素肥料来提高土壤微量元素含量,其成本较高,而且有效性通常仅限于特定的土壤条件[5]。随着现代农业的发展及人们对农产品品质要求的提高,有机肥的施用被人们广泛利用[6]。Rutkowska等[7]发现,在pH值最低的土壤中,铜、铁、锰和锌的有效态含量最高,施用有机肥增加了铁和锌的浓度。丁少男等[8]指出,单独施用化肥的土壤微量元素的有效含量较低,而单独施用有机肥土壤微量元素有效含量显著增加。Dhaliwal等[9]通过一项长期田间试验表明,绿肥和稻草残渣的掺入使土壤中DTPA的可提取量以及总锌、铜、铁和锰的含量均有所增加。Wang等[10]研究发现,施用有机肥增加了土壤中有效铁、锌和锰的含量,而土壤中有效铜含量减少。
近年来,我国设施栽培发展迅速,番茄作为设施蔬菜的其中一种,起到果蔬兼用的作用,深受百姓喜爱,种植面积越来越大。然而,由于设施栽培番茄时存在大量施用化肥等情况,造成一系列土壤健康问题,进而影响番茄产量和品质[11]。农业部在2015年制定了《到2020年化肥使用零增长行动方案》,要求2020年实现化肥不增长或者负增长,如何在减少化肥投入情况下,农作物产量和品质不受影响,有机肥替代化肥是首选方式。鉴于此,在天津地区设施番茄内设有机肥替代化肥试验,研究有机肥对设施番茄土壤中微量元素有效态Fe、Mn、Cu含量的影响,以期为增加该地区土壤微量元素有效态含量、减少化肥投入,为该区设施番茄合理施肥及土壤可持续利用提供理论依据和实践指导。
试验地位于天津市西青区水高庄村和小沙沃村的2个日光蔬菜大棚里,水高庄村日光大棚(SFQ),供试蔬菜为番茄(欧凯莱);小沙沃村日光大棚(XFQ),供试蔬菜为番茄(AK-19)。2个棚的供试土壤均为潮土,大棚SFQ有机质含量18.98 g/kg,pH值8.46,EC值248.50 μS/cm;大棚XFQ有机质含量56.35 g/kg,pH值8.13,EC值279.50 μS/cm。试验田 0～30 cm土壤养分含量见表1。供试商品有机肥是恒润(天津)生物科技开发有限公司生产的精制有机肥,为养牛场的牛粪及天津市种植的玉米秸秆,N+P2O5+K2O≥5%,有机质≥45%;供试化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、氯化钾(K2O 60%)、磷酸二铵(N 18%、P2O5 46%),追肥为芭田复合肥(15-10-23)。
表1 试验田 0～30 cm土壤养分含量
Tab.1 Experiment field 0-30 cm soil physical and chemical properties and nutrient content
大棚Greenhouse全氮/(g/kg)Totalnitrogen全磷/(g/kg)Totalphosphorus全钾/(g/kg)Totalpotassium硝态氮/(mg/kg)Nitratenitrogen碱解氮/(mg/kg)Alkalinenitrogen有效磷/(mg/kg)Availablephosphorus速效钾/(mg/kg)Availablepotassium有效态Fe/(mg/kg)Availableiron有效态Mn/(mg/kg)Availablemanganese有效态Cu/(mg/kg)AvailablecopperSFQ1.300.870.5028.64165.7850.4949.9116.857.892.65XFQ1.555.561.4049.05190.45208.58118.5214.088.652.25
大棚SFQ面积862 m2,试验于2017年12月14日育苗,2018年2月1日移栽定植;大棚XFQ面积288 m2,于2017年12月19日育苗,2018年2月9日移栽定植。2个大棚栽培方式均为传统的畦栽,行距50 cm,株距40 cm。每个大棚试验设4个处理,即大棚SFQ为SCK(常规施100%化肥)、SDY(有机肥替代10%化肥)、SMY(有机肥替代20%化肥)和SGY(有机肥替代30%化肥);大棚XFQ为XCK(常规施100%化肥)、XDY(有机肥替代10%化肥)、XMY(有机肥替代20%化肥)和XGY(有机肥替代30%化肥),每个处理3次重复。采用棚内小区试验,随机区组排列,2个大棚均以有机肥和化肥混施作为基肥,各处理间的追肥均为芭田复合肥。基肥在整地移栽前一次性施入,追肥在番茄生长过程中分5次施到土壤中,大棚SFQ每次小区用量1.6 kg,大棚XFQ每次小区用量0.55 kg,每小区追肥施用量相同。大棚SFQ和XFQ小区面积分别是71.8,24.0 m2,施肥量见表2。
表2 试验田化肥和有机肥用量
Tab.2 Experiment field chemical and organic fertilizer application amount
处理Treatment化肥用量/(kg/hm2)Chemicalfertilizerapplicationamount有机肥(干基)用量/(kg/hm2)OrganicfertilizerapplicationamountSCK885.005250.00SDY809.106675.00SMY701.108700.00SGY610.3510350.00XCK750.004500.00XDY675.005925.00XMY600.007425.00XGY525.308700.00
分别于番茄种植前和收获后,采用多点法在每个试验小区取混合土样,风干后,测定土壤理化性质、大量养分及有效态铁、锰和铜含量,测定方法[12]见表3。番茄成熟收获时按小区计产,折算公顷产量。
表3 土壤指标测定方法
Tab.3 Soil index determination method
测定指标Determinationindex测定方法Determinationmethod有机质Organicmatter丘林法全氮Totalnitrogen开氏法全磷TotalphosphorusH2SO4和HClO4消解,分光光度计测定全钾TotalpotassiumHNO3和HClO4消解,火焰光度计测定碱解氮AlkalinenitrogenNaOH扩散法速效磷AvailablephosphorusNaCO3浸提,分光光度计测定速效钾AvailablepotassiumCH3COONa浸提,火焰光度计测定pHH2O浸提,酸度计测定ECH2O浸提,电导率仪测定有效态Fe、Mn、CuAvailableFe,Mn,CuDTPA浸提,原子吸收法测定
试验采用Excel 2019和Origin 9.1软件对数据进行分析与作图处理,利用SPSS 21.0对数据进行方差分析。
2.1.1 有效态Fe 有机肥含有丰富的有机质,其矿化分解过程中产生有机酸,有机酸可使土壤中矿物质发生风化作用,释放铁元素,另外,有机肥料本身含有铁,施用后可增加土壤中全铁含量,其矿化分解后使土壤有效态Fe含量增加[4]。从图1可以看出,有机肥替代化肥对设施蔬菜土壤有效态Fe含量有一定影响。在大棚SFQ中,不同量有机肥替代化肥处理的土壤有效态Fe含量均高于对照处理,但各个处理间差异不显著;在大棚XFQ中,有机肥替代化肥的3个处理土壤有效态Fe含量均显著高于对照处理,其中XGY((17.46±0.30)mg/kg)处理最高,较XCK((15.55±0.25)mg/kg)处理提高了12.28%,也显著高于XDY((15.72±0.66)mg/kg)和XMY((16.25±0.59)mg/kg)处理,XDY和XMY处理之间差异不显著。
不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)。图2-3同。
Different lowercase letters represent significant differences between treatments(P<0.05).The same as Fig.2-3.
图1 不同处理下土壤有效态Fe含量
Fig.1 Soil available Fe content under different treatments
2.1.2 有效态Mn 由图2可知,有机肥替代化肥对设施蔬菜土壤有效态Mn含量有显著影响。在大棚SFQ中,SMY((17.62±0.16)mg/kg)和SGY((18.65±1.31)mg/kg)处理的土壤有效态Mn含量均显著高于SCK((7.74±0.17)mg/kg)处理,其中,SGY处理的土壤有效态Mn含量最高,比SCK处理提高了140.95%;在大棚XFQ中,XGY((17.15±2.05)mg/kg)处理的土壤有效态Mn含量显著高于XCK((9.29±0.40)mg/kg)处理,提高了84.60%,而XCK、XDY和XMY处理之间差异不显著。
图2 不同处理下土壤有效态Mn含量
Fig.2 Soil available Mn content under different treatments
2.1.3 有效态Cu 如图3所示,有机肥替代化肥对土壤有效态Cu含量也有显著影响。在大棚SFQ中,SMY和SGY处理显著提高了土壤有效态Cu含量,分别为SMY((8.82±0.51)mg/kg)和SGY((10.73±0.81)mg/kg),较SCK((2.39±0.10)mg/kg)处理分别提高了269.03%,348.95%,而SDY处理与SCK处理之间差异不显著;在大棚XFQ中,XGY((6.63±1.36)mg/kg)处理的土壤有效态Cu含量最高，且显著高于XCK((2.10±0.44)mg/kg)处理,较XCK处理提高了215.71%,而XCK、XDY、XMY处理之间差异不显著。
图3 不同处理下土壤有效态Cu含量
Fig.3 Soil available Cu content under different treatments
Vc是人体的重要维生素,由于人体内无法合成Vc,食物摄取是人体获得Vc的唯一途径,Vc含量也是蔬菜产品的主要品质指标。从表4看出,2个大棚番茄果肉Vc含量从高到低的排列顺序都是：高量有机肥替代化肥>中量有机肥替代化肥>低量有机肥替代化肥>对照，其中，SFQ大棚的SGY处理极显著高于SCK和SDY处理，与SMY处理之间差异不显著，SMY处理也极显著高于SCK，与SDY处理间差异达显著水平；XFQ大棚番茄果肉Vc含量在不同施肥处理之间均达到极显著差异水平；硝酸盐因在人体内转化为亚硝酸盐后会增加致癌风险,危害人体健康,近年来硝酸盐含量已成为无公害蔬菜的重要指标,降低蔬菜中硝酸盐含量意义重大,本研究2个大棚中番茄果肉NO3-N含量高低顺序与Vc相反，且2个大棚不同施肥处理之间差异均达极显著水平。以上说明，有机肥替代化肥可提高番茄果实的Vc含量，降低番茄果实硝酸盐含量，改善番茄品质。
表4 SFQ和XFQ不同施肥处理番茄品质和产量的差异
Tab.4 Differences of tomato quality and yield in different fertilization treatments of SFQ and XFQ
处理TreatmentVc/(mg/kg)VitaminCNO-3-N/(mg/kg)Nitrate产量/(kg/hm2)YieldSCK97.86±1.23bC64.58±0.36aA83547.60±20.23bABSDY99.61±1.35bBC61.58±0.50bB81694.35±12.51bBSMY103.36±1.54aAB53.81±0.49cC88112.70±31.47aASGY106.11±1.67aA50.77±0.60dD88964.55±17.73aAXCK61.85±0.43dD75.23±0.78aA73114.65±2.62bAXDY64.01±0.63cC72.27±0.74bB73962.00±14.23bAXMY73.76±1.32bB68.22±0.33cC85476.30±34.03abAXGY77.49±1.12aA64.46±0.18dD89546.10±5.76aA
注:不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)；不同大写字母代表处理间差异极显著(P<0.01)。
Note:Different lowercase letters represent significant differences between treatments(P<0.05);Different capital letters represent extremely significant differences between treatments(P<0.01).
有机肥替代化肥对番茄产量影响较大,2个大棚中，SGY、XGY处理均显著高于SCK、XCK处理，SGY、XGY和SMY、XMY处理之间,SCK、XCK和SDY、XDY处理之间差异均不显著。施肥是设施番茄提高产量的关键技术,适当增加有机肥用量,减少化肥用量更有助于提高番茄的产量和品质。
从表5相关性分析可以看出,2个大棚土壤有效态Fe、Mn和Cu与番茄果实Vc之间均呈极显著正相关,与NO3-N含量之间都呈极显著负相关;大棚SFQ中土壤有效态Fe与大棚XFQ中土壤有效态Fe、Mn和Cu均与产量呈显著正相关;2个大棚土壤有效态Fe、Mn和Cu之间极显著或呈显著正相关。植物中Fe、Mn和Cu都参与硝酸和亚硝酸还原作用,缺少这些元素,会造成植物体内硝酸盐积累。另外,3种元素都参与植物体内氧化还原系统的调控,影响到植物体的Vc转化。土壤有效态Fe、Mn和Cu会影响光合作用,从而影响到番茄的产量。
表5 土壤有效态微量元素与番茄品质和产量相关性分析
Tab.5 Correlation analysis of soil available trace elements and tomato quality and yield
微量元素Micronutrients有效态FeAvailableFe有效态MnAvailableMn有效态CuAvailableCuVcVitaminCNO-3-NNitrate产量YieldSFQ有效态FeAvailableFe10.647∗0.759∗∗0.788∗∗-0.787∗∗0.689∗有效态MnAvailableMn10.709∗∗0.761∗∗-0.811∗∗0.530有效态CuAvailableCu10.889∗∗-0.982∗∗0.322XFQ有效态FeAvailableFe10.814∗∗0.833∗∗0.865∗∗-0.905∗∗0.581∗有效态MnAvailableMn10.966∗∗0.851∗∗-0.913∗∗0.626∗有效态CuAvailableCu10.817∗∗-0.892∗∗0.587∗
注:*.在P<0.05水平上显著相关；**.在P<0.01水平上极显著相关.
Note:*.Significant correlation at the P<0.05 level;**.Extremely significant correlation at the P<0.01 level.
本试验中,有机肥替代化肥提高了土壤中有效态Fe、Mn、Cu含量。其中,有机肥替代处理的土壤有效态Fe含量有不同程度的提升,但对大棚SFQ影响不显著，而对土壤中有效态Mn、Cu含量影响较大,其中，大棚SFQ和大棚XFQ高量有机肥替代处理较对照处理相比均显著提高了有效态Mn、Cu含量。一方面可能是由于长期单施化肥使土壤养分大量耗减,增施有机肥在一定程度上缓解了土壤微量元素的输出[4];另一方面,有机肥中含有丰富的有机质和大量养分,腐解产物可络合微量元素,有利于微量元素的活化,发生土壤生化反应,进而影响微量元素的有效性,避免了元素的流失[13-14]。Chen等[15]发现,施用粪肥会增加土壤中有效态Fe含量,而且施肥对微量元素有效含量的影响因种植系统而异。Zhang等[16]通过长期试验表明,有机肥处理的土壤中有效态Mn含量显著提高,证明了施用有机肥会改变土壤的特性,同时也在改善微量元素有效性方面有重要作用。李本银等[17]指出,长期施用有机肥增加了土壤有效态Cu含量,尤其是粪肥处理。土壤中有效态微量元素的含量受多种因素影响,不仅与成土母质、土壤类型、施肥方式和人类活动有关,而且其主要影响因素是土壤的性质,包括pH值、有机质和其他养分含量[18-19]。有研究表明,土壤中微量元素有效性与pH值表现负相关关系,即pH值越低微量元素的有效性越高[20-21]。也有研究报道,微量元素的有效性与土壤有机碳密切相关,强调了有机碳在维持土壤肥力方面的重要作用[22]。
本试验结果表明,有机肥替代化肥对提高番茄产量和改良品质方面有显著影响,且土壤有效态Fe、Mn、Cu与番茄品质和产量之间存在显著相关关系。有研究表明[23-24],有机改良剂可提高番茄产量和番茄红素、可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸和维生素C的含量,能有效改善番茄品质和增加口感。张春明等[25]研究发现,喷施微量元素叶面肥能明显改善小麦旗叶的生理功能,提高旗叶的抗氧化能力, 加大籽粒灌浆能力, 从而提高小麦产量。微量元素对植株产量和品质均有一定的促进作用,不同的微量元素由于其对植物的作用机制及过程不同而具有不同的效应[26],从而对其产量和品质有很大影响。
有机肥作为土壤微量元素输入的重要来源,也为植株的生长发育提供了较为全面的营养条件。而长期施用可能会使土壤中铁、锰、铜等元素出现富集情况,造成土壤重金属污染问题及增加作物吸收积累重金属的风险。有研究发现[27],长期施用有机肥加大了土壤受重金属污染的风险,特别是中、高量有机肥处理明显提高了Zn、Cu、Cd 和 Pb有效态含量。土壤中微量元素缺乏或过量都会对土壤环境及作物生长产生一定影响,使土壤中微量元素处于适宜水平,不仅要满足植物的需求,同时也要防止某些元素的潜在积累。因此,选择安全优质的有机肥,保持土壤中微量元素平衡,这对养分利用率、环境保护和植物生长发育具有重要意义[28]。
通过在设施蔬菜内长期施用有机肥发现,添加有机肥增加了2个日光大棚中土壤有效态Fe、Mn、Cu含量,其中,对大棚SFQ中土壤有效态Fe含量影响不显著。有机肥替代化肥可提高番茄果实Vc含量,降低硝酸盐含量,提高番茄产量。因此,可以通过增施有机肥来缓解设施土壤中微量元素短缺和流失的现状,同时也对提高农产品的产量和改良品质方面有一定的作用,而且有机肥还在改善土壤性质、维持土壤养分平衡等方面具有显著优势,为设施土壤可持续利用及设施栽培高质量发展提供有效保障。
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Abstract：In order to improve the shortage of micronutrients in the facility soil, reduce the application of chemical fertilizers, increase the yield of tomatoes.In the sunlight greenhouse in Shuigaozhuang village(SFQ)and the sunlight greenhouse in Xiaoshawo village(XFQ), different amounts of organic fertilizers were used instead of chemical fertilizers as treatments to study the changes of available Fe, Mn, Cu content in the soil of facility greenhouses and relationship with tomato quality and yield.The results showed that the substitution of organic fertilizers for chemical fertilizers increased the content of available Fe, Mn and Cu in the soil to varying degrees.In the greenhouse SFQ, the available Mn and Cu contents in the SGY soil increased by 140.95% and 348.95% respectively compared with the control treatment; in the greenhouse XFQ, the XGY treatment significantly increased the soil available Fe content, which was 12.28% higher than the control treatment, the available Mn and Cu contents of XGY treatment were 84.60% and 215.71% higher than the control treatment, respectively.The available Fe, Mn, Cu in the two greenhouses were extremely significantly positively correlated with Vc and yield of tomato fruits, and were extremely significantly negatively correlated with the 
content.Soil available Fe in the greenhouse SFQ and available Fe, Mn and Cu in soil in the greenhouse XFQ were all significantly correlated with yield.Replacement of chemical fertilizers with high amounts of organic fertilizers could extremely significantly increased the Vc content, reduced nitrate content of tomato fruits, and significantly increased tomato yield.Therefore, organic fertilizers can alleviate the shortage of micronutrients in the facility soil, which provide references for the sustainable utilization of soil and the development of facility agriculture.
向春阳(1965-),男,湖北武汉人,教授,博士,主要从事作物营养遗传育种教学和研究。
赵 秋(1977-),女,辽宁阜新人,副研究员,博士,主要从事植物营养与施肥研究。