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热带作物学报

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2022 , Vol. 43 >Issue 5: 1032 - 1044

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.018

植物保护与生物安全

协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例

  • 周维杰 1 ,
  • 李钟淏 1 ,
  • 李婷玉 , 1, * ,
  • 巫和义 2 ,
  • 刘斌 3 ,
  • 高伟 1 ,
  • 阮云泽 1
展开
  • 1.海南大学热带作物学院,海南海口 570228
  • 2.攀枝花市农业农村局,四川攀枝花 617000
  • 3.攀枝花市农林科学研究院,四川攀枝花 617000
* 李婷玉 E-mail： 。

周维杰（1994—）,男,硕士,研究方向：热带经济作物施肥管理。

收稿日期: 2021-09-09

  修回日期: 2022-01-04

  网络出版日期: 2022-05-30

基金资助

国家自然科学基金项目(31672239)

国家重点基础研究发展计划（973计划）(2015CB150503)

攀枝花芒果有机肥应用与提质增效项目(RH2000003385)

收起

Optimal Nitrogen Organic Replacement Ratio for Synergistic Crop Quality and Efficiency Enhancement and Soil Fertility Enhancement- Taking Panzhihua Mango as an Example

  • ZHOU Weijie 1 ,
  • LI Zhonghao 1 ,
  • LI Tingyu , 1, * ,
  • WU Heyi 2 ,
  • LIU Bin 3 ,
  • GAO Wei 1 ,
  • RUAN Yunze 1
Expand
  • 1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
  • 2. Bureau of Agriculture and Rural Affairs, Panzhihua, Sichuan 617000, China
  • 3. Institute of Agriculture and Forestry Science, Panzhihua, Sichuan 617000, China
* LI Tingyu E-mail： .

Received date: 2021-09-09

  Revised date: 2022-01-04

  Online published: 2022-05-30

Fold

摘要

晚熟芒果是攀枝花市重要的支柱产业,但近年由于生产中重化肥轻有机肥,导致果园质量退化,酸化现象严重、芒果品质下降。在前期研究和调研的基础上,根据攀枝花晚熟芒果及果园土壤的特点,选择了低、中、高3个肥力等级的芒果园,通过两年田间试验探索了晚熟芒果在不同氮素有机替代比例及优化施肥技术的作物产量、品质及土壤地力提升效果。结果表明：1）总体来说,当氮素有机替代比例为40%时,所有果园芒果产量和果实品质最佳,产量和氮肥偏生产力显著高于传统、氮磷钾优化及100%全量替代处理,Vc含量显著高于其他处理。而替代比例为100%时,低肥力和高肥力果园产量显著下降,氮肥偏生产力显著低于其他替代比例处理,同时会导致土壤磷养分的过量累积。2）随着替代比例的升高,土壤有机质含量增加,土壤pH增加。通过主成分分析得出,各处理的土壤地力水平,随着有机替代的比例增加而逐渐增加,替代比例为100%时,综合得分最高,其次是部分替代处理,传统施肥和优化施肥处理低于有机替代处理。3）综合作物产量、品质及土壤地力,不同土壤肥力下最佳的有机替代比例不同,低肥力和高肥力土壤短期内有机替代比例不宜较高,否则产量显著下降。通过芒果的产量、品质、土壤地力水平等因素综合分析,攀枝花晚熟‘凯特'芒果最优氮素有机替代比例为40%,替代比例过低无法有效提高土壤地力并改善作物品质,而替代比例过高容易导致养分供给不足,作物减产,特别是在土壤养分含量及有机质较低的低肥力果园,由于土壤保肥能力低,须在增施有机肥的同时保证充足的无机养分供应,着重碳氮协同优化。

关键词： 芒果; 有机氮素; 无机氮素; 果实产量; 果实品质; 土壤地力

本文引用格式

周维杰 , 李钟淏 , 李婷玉 , 巫和义 , 刘斌 , 高伟 , 阮云泽 . 协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例[J]. 热带作物学报, 2022 , 43(5) : 1032 -1044 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.018

Abstract

Late-ripening mango is an important pillar industry in Panzhihua. In recent years, due to heavy chemical fertilizer application and light organic fertilizer application, the orchard quality degrades, acidification phenomenon is serious and mango quality declines. In this paper, on the basis of research and investigation, according to the characteristics of the mature mango orchard soil in Panzhihua, low, medium and high fertility level of mango orchards were treated with different nitrogen organic replacement ratio for two years to optimize the fertilization technology for crop yield, quality and soil fertility promotion effect. In general, the fruit yield and fruit quality were the best in all orchards when the nitrogen organic replacement ratio was 40%, significantly higher than those of traditional, NPK optimization and 100% total replacement treatments, and the Vc content was significantly higher than those in other treatments. When the replacement ratio was 100%, the yield of low-fertility orchards and high-fertility orchards decreased significantly, and nitrogen partial productivity was significantly lower than that of other replacement ratios, which also resulted in excessive accumulation of soil phosphorus. Soil organic matter content and soil pH increased with the increase of substitution ratio. Through principal component analysis, the soil fertility level of each treatment increased gradually with the increase of the proportion of organic replacement. When the proportion of organic replacement was 100%, the comprehensive score was the highest, followed by the partial replacement, and the traditional and optimized fertilization treatments were lower than than those of the organic replacement treatments. Considering crop yield, quality and soil fertility, the optimal ratio of organic replacement was different under different soil fertility. Low and high fertility soil should not have a high ratio of organic replacement in the short term, otherwise the yield would decrease significantly. By yield, quality, comprehensive analysis of the factors such as soil fertility levels, the organic replacement ratio of Panzhihua late ‘Keitt' mango is 40%, too low organic replacement ratio can't effectively improve the soil fertility and improve fruit quality, and high replacement ratio can easily lead to crop failures in nutrient supply, especially in orchards of low content of soil nutrients and organic matter. Due to the low capacity of soil fertilizer conservation, it is necessary to ensure sufficient inorganic nutrient supply while increasing organic fertilizer application, and emphasizing the coordinated optimization of carbon and nitrogen.

Key words： mango; organic nitrogen; inorganic nitrogen; fruit yield; fruit quality; soil fertility

四川省攀枝 花市地处南亚干热河谷气候带,该地区种植的芒果具有纤维少、味甜芳香,质地腻滑、营养丰富等优良品质,占据国内100%的晚熟芒果市场,被国家列为重点扶持发展的优质农产品生产基地[1-2]。截至2016年底,全市芒果种植面积约3.2万hm2,产量12.5万t[3],2020年种植面积超过4.0万hm2,其中超过70%的果园种植品种为‘凯特'（Keitt）[4],该品种原产于美国佛罗里达州,1995年通过以色列专家引入攀西地区试种,该品种果实大、产量高、生长快、坐果率高,是最重要的栽培品种。
通过在前期实地调研的结果数据显示：目前攀西芒果生产过程中高强度施用化肥现象严重,如56%的农户每年氮肥投入量超过309 kg/hm2,56%的农户每年氮素盈余超过161 kg/hm2。商品有机肥使用率低于55%,18%的农户不施用有机肥,或在施用有机肥后不会减少化肥的使用量,缺乏养分总量调控的意识。重施化肥、轻施甚至不施有机肥导致芒果园土壤肥力下降,产量不稳定,作物品质下滑,严重制约了攀枝花芒果产业的发展。目前超过80%的果园土壤有机质含量低于2.0%,高肥力果园占比不足20%。而全国农产品品质突出的果园基地,其土壤有机质多在2.0%以上[4⇓-6],且施用有机肥替代比例也超过年均施肥总量的20%。因此,亟需针对本地土壤和作物养分需求规律,建立有机肥替代化肥的施肥技术体系,指导果农合理施肥,促进攀西晚熟‘凯特'芒果产业可持续发展。
施用有机肥能显著改善土壤结构、增加有机质含量并补充有机氮素营养和植物所需的活性物质,促进植物对养分和水分的吸收,从而改善土壤地力和作物品质[7⇓⇓⇓⇓⇓-13]。但有机肥替代比例对作物产量有较大影响,研究表明,在有机肥全量替代情况下,作物产量会减少5%~34%,同时产量稳定性较差[14],而有机无机互作即部分替代无机可以达到比单独施有机或者无机更好的效果,且在一定的替代比例时作物氮素利用效率最高[15]。此外,土壤条件如土壤养分和有机质含量等都会影响有机肥替代的施用效果,需因地制宜地设计有机肥施用方案,才能达到作物提质增效的目标[16⇓⇓-19]。
目前,有机肥的精准化施用养分管理的难点也是未来重要的突破方向。本研究以攀枝花晚熟‘凯特'芒果为研究对象,在攀枝花市的盐边县、米易县、仁和区开展了不同氮素有机替代比例对芒果产量、品质和土壤地力的综合影响,以期为芒果实际生产上的提质增效、有机肥精准管理以及化肥减施提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验连续开展两年（2018年9月至2020年12月）,以四川省攀枝花市芒果主产区3个代表不同土壤地力的果园为试验点,包括二十六度果园（26°28'54"N,101°46'32"E,海拔1308 m）、沃尔森庄园（26°42'37"N,101°48'30"E,海拔1262 m）和苏国虎基地（26°49'90"N,102°08'13"E,海拔1518 m）,见图1。年平均日照时数2762.7 h,年平均气温21.2℃,最热月平均气温26.4℃（5月）,最冷月平均气温13.1℃（12月）,年平均降水量714.8 mm,6—10月降水占全年的90.1%,年平均相对湿度54%[20]。
图1 田间试验田的点位分布情况

Fig. 1 Distribution of point locations in experiment field sites

3个试验点 供试土壤属性见表1,在四川省攀枝花市芒果种植区域内,挑选3个种植基地,挑选标准为3个基地土壤肥力存在明显的梯度差异,其中仁和区二十六度果园为低肥力果园,土壤有机质含量11 g/kg,全氮含量为0.59 g/kg;攀枝花市盐边县沃尔森庄园为中等肥力果园,土壤有机质含量14 g/kg,全氮含量为0.71 g/kg;攀枝花市米易县苏国虎基地为高肥力果园,土壤有机质含量23 g/kg,全氮含量为1.15 g/kg。
表1 田间试验田实验前土壤理化性质

Tab. 1 Physical and chemical properties of soil before field experiment

试验田
Experimental field		 pH 有机质OM
/(g·kg-1)		 全氮N
/(g·kg-1)		 碱解氮AN
/(mg·kg-1)		 速效磷AP
/(mg·kg-1)		 速效钾AK
/(mg·kg-1)		 有效硼AB
/(mg·kg-1)		 交换性钙ECa
/(mg·kg-1)		 交换性镁EMg
/(mg·kg-1)		 肥力
Fertility
二十六度果园 6.81 11.80 0.59 37.80 39.90 98.27 0.37 5302.50 339.58 低
沃尔森农庄 7.00 14.28 0.71 94.96 27.64 151.97 0.15 2078.24 639.97 中
苏国虎基地 5.20 23.05 1.15 83.15 19.28 172.79 0.57 988.90 126.90 高

1.2 材料

1.2.1 供试芒果树

芒果品种为‘凯特',属于攀西晚熟品种,树龄在10~15年,种植密度825株/hm2。

1.2.2 供试肥料

本试验施用的肥料种类：供试的化肥,氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%）、钾肥为硫酸钾（K2O 60%）,由四川龙蟒大地农业有限公司生产提供。供试有机肥为鸡粪商品有机肥（N 3.0%,P2O5 1.8%,K2O 1%,有机质45%,pH 7.58）,由攀枝花立新养殖开发有限公司生产提供。

1.3 实验设计

试验共设置6个处理,各处理及肥料用量见表2。Conv.为农民常规施肥处理：株施15:15:15的氮磷钾复合肥2.5 kg,总氮和磷钾等大量元素投入量均为374.6 g/株（309 kg/hm2）;NPKopt.为试验优化配方肥处理：株施20:5:25的氮磷钾配方肥1.6 kg,总氮用量为320 g/株（264 kg/hm2）,磷（P2O5）、钾（K2O）用量分别为80.0 g/株（66 kg/hm2）和400.0 g/株（330 kg/hm2）;20%M、40%M和100%M三个处理是在NPKopt.处理基础上进行不同程度的等氮有机替代处理,其中,20%M和40%M的磷钾用量与试验优化配方肥处理相同,100%M的磷钾用量分别为138.1 g/株（113.9 kg/hm2）和400 g/株（330 kg/hm2）,CK为肥料空白处理。
表2 各处理肥料施用量

Tab. 2 Amount of fertilizer applied to each treatment kg/hm2

处理
Treatment		 有机养分
Organic nutrients		 无机养分
Inorganic nutrients		 基肥
Base fertilizer		 花肥
Flower fertilizer		 果肥
Fruit fertilizer		 总氮
Total nitrogen
N P2O5 K2O N P2O5 K2O N1 N2 N3 N total
CK 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Conv. 0 0 0 309 309 309 154.5 92.7 61.8 309
NPKopt. 0 0 0 264 66 330 132 79.2 52.8 264
20%M 52.8 22.8 16.5 211.2 43.2 313.5 132 79.2 52.8 264
40%M 105.6 45.6 33.0 158.4 20.4 297.0 132 79.2 52.8 264
100%M 264.0 113.9 82.5 0 0 247.5 132 79.2 52.8 264
试验基地种植密度为3 m×4 m,每666.7 m2种植55株,小区总面积648 m2,每个小区选18株,每个处理共3次重复,试验符合随机分布,试验区外设置保护行。有机肥全部作为基肥,在芒果摘果期（摘果后、修枝前,一般是指摘果后的2个月以内）一次性施入,施肥方式为树冠滴水线,挖20~30 cm深环状沟施肥。无机肥料在芒果摘果期的基肥、抽梢期的花肥和挂果期的果肥按照5:3:2比例分3次施入。2018年和2019年两年均为同样处理施肥。

1.4 评价指标及方法

本研究针对作物产量和品质、养分利用效率及土壤地力对不同优化处理施用效果及差异开展综合性评价。其中作物产量指作物成熟期收获的鲜果实际产量（剔除不可食用的劣果）,作物品质包括糖度、有机酸、可食率、维生素C含量、含水率等;养分利用效率采用氮肥偏生产力指标来评估,土壤地力评价指标包括有机质（OM）、全氮（N）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、交换性钙（ECa）、交换性镁（EMg）、有效硼（AB）、细菌（B）、真菌（F）、细菌真菌比值（B/F）。

1.4.1 作物产量和品质的测定

作物产量：2019—2020年芒果成熟期时,分别对3个果园的所有处理和小区进行整株摘果测产,测每株芒果果实数量和质量,以及最大和最小单果重,记录商品率。
作物品质：每株选取东、南、西、北及树冠中部5个方位9个无明显病变、大小和成熟度一致的果实进行芒果品质的测定。可溶性固形物测定,将芒果果肉粉碎搅匀后使用糖度计（LB32T）测量。可食率测定,将芒果果实的果皮、果核、果肉分开并测量这三部分的质量。含水率测定,测出芒果鲜果质量以及烘干后的质量而得到。总酸和Vc的测定参照《土壤农化分析》[21]。

1.4.2 土壤质量指标及测定方法

土壤样品采集：在芒果成熟期采集土样。每个处理选取3株芒果树,用土钻于树冠滴水线附近随机选取3点钻取距地表0~40 cm耕作层土壤,3个土混成一个样,每个处理分3个重复,剔除石砾、树枝、枯草等杂物后过2 mm筛,部分样品置于4℃下保存备用供于土壤微生物测定,部分样品风干后用于土壤化学特性的测定。土壤可培养细菌及真菌的数量均通过稀释涂布法测定[22]。土壤理化性质测定方法参照《土壤农化分析》[21]。测定指标包括土壤pH、有机质含量、碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙镁。

1.4.3 微生物培养基配方

LB培养基（1L）：酵母粉10 g、蛋白胨20 g、琼脂20 g、NaCl 20 g,并用NaOH将pH调至7.0,121℃高压灭菌20 min。
马丁氏培养基（1L）：蛋白胨5 g、葡萄糖10 g、琼脂20 g、KH2PO4 1.0 g、MgSO4 0.5 g、孟加拉红0.033 g、氯霉素0.1 g,121℃高压灭菌20 min。

1.4.4 养分利用效率

肥料偏生产力（PFP）,指施用某一特定肥料下作物产量与施肥量的比值,它是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用效应的重要指标。
氮肥偏生产力[23-24]=施氮产量/施氮量。
试验数据使用IBM Statistics SPSS 25.0软件进行分析。其中显著性分析采用单因素方差分析,多重比较采用LSD（P<0.05）[25];聚类分析采用系统聚类分析;主成分分析（PCA）,先对数据进行标准化,然后使用因子分析,经过计算得到相关坐标和主成分得分。试验数据处理和图表使用Excel 2016软件、Origin 2018软件和Arc Map 10.5软件。

2 结果与分析

2.1 不同土壤肥力下不同施肥处理对芒果产量及养分利用效率的影响

不同土壤肥力下各处理对芒果产量的影响如图2所示,施肥能显著增加不同肥力果园的产量,且土壤肥力越高,有机无机配合施用后的产量增幅越大。低、中、高肥力果园年平均产量分别为28.4、32.5、37.7 kg/株。3个果园均在有机替代比例40%时,芒果产量增幅最大,此时低、中、高肥力果园年平均产量较农户常规施肥分别增加76.6%、89.3%、65.1%。当替代比例为100%时,芒果产量最低,其中低肥力果园年平均产量较农户常规施肥仅增加1.5%,高肥力果园不增反减,其年平均产量较农户常规施肥降低19.4%,这主要由于以缓效形态为主的有机氮素养分有效性低,在一定程度上限制了当季作物对养分的充分利用,导致在100%有机替代时作物减产,尤其在供氮能力较低的低肥力果园和产量较高、需肥较高的高肥力果园上表现尤为明显。
图2 不同土壤肥力下各处理的芒果产量

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Mango yield under different soil fertility treatment

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

不同土壤肥力下各处理对氮肥偏生产力的影响如图3所示,相同的施肥处理在不同土壤肥力下,土壤肥力越高的氮肥偏生产力越高,且土壤肥力越高,有机无机配合施用后的氮肥偏生产力增幅越大。低、中、高肥力果园年平均氮肥偏生产力分别为89.9、105.3、124.5。3个果园均在有机替代比例40%时氮肥偏生产力增幅最大,此时低、中、高肥力果园年平均氮肥偏生产力较农户常规施肥分别增加106.7%、121.6%、93.2%,中肥力果园年平均氮肥偏生产力增幅最大。当替代比例为100%时年平均氮肥偏生产力最低,此时低肥力果园和高肥力果园降幅最大,中肥力果园降幅最小。
图3 不同土壤肥力下各处理的氮肥偏生产力

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 3 Partial yield of nitrogen under different soil fertility treatment

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

通过对连续两年的数据分析发现,低肥力果园,第1年不同施肥处理间芒果产量和氮肥偏生产力无显著差异,第2年不同施肥处理间开始出现显著差异,在有机替代比例40%时芒果产量和氮肥偏生产力显著高于其他处理;中肥力果园表现稳定,芒果产量和氮肥偏生产力在不同施肥处理下,连续2年差异性表现一致,在有机替代比例40%时芒果产量和氮肥偏生产力最高;高肥力果园各处理间差异较大,且第2年比第1年的差异更大,在有机替代比例40%时,芒果产量和氮肥偏生产力最高。在不同土壤肥力下,40%的有机替代比例均可显著增加芒果产量和养分利用效率（氮肥偏生产力）。

2.2 不同氮素有机替代比例对芒果产量及养分利用效率的影响

有机无机配合施用的情况下施氮量减少45 kg/hm2,芒果产量反而显著增加,但不同有机替代比例下芒果的产量水平不同,其中40%有机替代比例下作物产量、果实数量最高。如表3所示,综合所有果园两年试验结果,20%和40%的有机肥替代处理均能提高芒果的产量和个数,而替代比例为100%时,芒果产量和数量显著下降。芒果产量显著性差异从高到低依次为40%M、20%M> NPKopt.、100%M>Conv.。芒果数量显著性差异从高到底依次为40%M >20%M、Conv.、NPKopt.、100%M。40%的有机替代处理较农户习惯和氮磷钾优化处理果实产量分别增加75.3%、45.0%,较20%和100%有机替代处理增加产量23.3%和55.1%。果实数量中40%有机替代处理较传统处理和氮磷钾优化处理果实数量分别增加76.8%、和46.8%,较20%和100%有机替代处理果实数量增加34.1%和55.2%。氮肥偏生产力是反映当地土壤基础养分水平和氮肥利用情况的有效评价指标,两年中不同有机替代比例氮肥偏生产力不同,显著性差异从高到低依次为40%M>20%M、NPKopt.、100%M > Conv.。可见,合理的有机加无机替代施肥模式有利于提高芒果产量及氮肥偏生产力,而40%的替代比例最理想。
表3 不同氮素有机替代比例下的芒果产量及养分利用效率

Tab. 3 Yield and nutrient use efficiency of mango under different nitrogen organic replacement ratio

年份
Year		 处理
Treatment		 每株产量
Yield per plant/kg		 每株果实数量
Number of fruit per plant		 氮肥偏生产力
Partial yield of nitrogen
2019 Conv. 26.1±6.4c 34.4±9.6bc 69.7c
NPKopt. 31.7±9.6bc 41.3±12.3bc 99.1bc
20%M 37.7±16.8ab 48.2±26.9ab 117.8ab
40%M 46.0±13.2a 60.1±16.8a 143.9a
100%M 29.1±8.6bc 36.6±14.5bc 91.0bc
CK 22.7±5.8c 27.3±10.3c
2020 Conv. 27.4±6.5cd 35.7±9.8bc 73.3c
NPKopt. 33.0±6.0bc 43.1±8.1b 103.2b
20%M 38.5±11.0b 44.6±13.6b 120.2b
40%M 47.8±11.5a 63.9±14.1a 149.4a
100%M 31.5±7.3bc 43.8±7.4b 98.3bc
CK 22.9±3.4d 31.2±4.8c

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

2.3 不同氮素有机替代比例对芒果品质的影响

不同处理间果实品质如表4所示。其中果实商品率各处理间没有显著性差异,但是可以看到随着氮素有机替代比例的升高,芒果商品率也有所提升。Vc含量中40%有机替代处理显著高于其他处理,较传统和氮磷钾优化处理Vc含量分别增加了34.6%和33.3%,较20%和100%有机替代处理分别增加27.3%和22.6%。糖酸比中有机替代与传统及氮磷钾优化处理间无显著差异。有机替代20%~40%能显著提高芒果可食率、降低含水量,有机替代40%能显著提高芒果Vc含量,同时有机替代的3个处理均会增加芒果总酸的含量,降低芒果糖酸比,增加食用风味。
表4 不同氮素有机替代比例下的芒果品质

Tab. 4 Mango quality under different nitrogen organic replacement ratio

年份Year 处理Treatment 商品率Commodity rate/% 还原性Vc Reducing Vc/(mg·kg-1) 糖酸比Sugar-acid ratio
2019 Conv. 91.7±6.6a 150.0±9.7c 151.1±6.2ab
NPKopt. 91.3±5.6a 150.8±5.6c 157.4±14.3ab
20%M 91.0±6.6a 158.4±7.5bc 158.9±8.8ab
40%M 92.6±5.2a 200.9±14.1a 143.3±9.8ab
100%M 95.4±4.4a 164.1±14.7b 139.4±42.3b
CK 89.5±6.1a 140.4±2.4d 160.8±5.0a
2020 Conv. 92.2±6.3a 149.9±9.9c 151.2±6.3a
NPKopt. 91.9±5.5a 152.1±6.6c 158.8±13.0a
20%M 91.4±6.6a 158.6±8.2bc 161.3±7.3a
40%M 92.6±5.2a 202.6±14.2a 147.0±9.8a
100%M 95.8±3.9a 165.3±14.7b 143.7±4.5a
CK 91.0±5.2a 139.9±3.1d 161.7±4.8a

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

2.4 不同氮素有机替代比例对土壤地力的影响

2.4.1 不同氮素有机肥替代比例对土壤养分和微生物的影响

土壤是一个由生物和非生物组成的复杂综合体。土壤地力水平是土壤的本质和属性,是土壤生产力的主要表征。有机无机氮素配合施用有利于提高土壤有机质含量,改善土壤微生物环境及群落结构,进而提升土壤地力水平,但是单一的评价指标并不能全面体现土壤地力的改变。本研究综合土壤养分、pH、有机质及生物活性如微生物数量和结构等指标来反映土壤地力条件,并采用主成分分析和聚类分析综合评价了不同处理对以上指标的影响。
不同氮素有机替代比例对土壤养分和微生物数量的影响如表5、6所示。40%和100%有机替代处理的土壤有机质含量整体显著高于无机肥料处理和不施肥处理,但20%有机替代无法显著提高土壤有机质含量。土壤pH值随着有机替代比例增加而升高,说明有机肥可有效减缓土壤酸化。有机替代处理土壤中的可培养细菌和真菌的数量显著高于无机处理和不施肥处理,且随着替代比例的增加而升高,同时有机替代也能提高土壤细菌与真菌的比值。土壤氮磷钾总养分各处理间无显著差异。
表5 不同有机替代比例下的土壤养分情况

Tab. 5 Soil nutrients under different organic replacement ratios mg/kg

年份Year 处理Treatment pH 有机质OM 碱解氮AN 速效磷AP 速效钾AK
2019 Conv. 6.02±0.76a 14.1±4.3c 62.1±24.1a 79.0±56.9a 122.7±32.9a
NPKopt. 6.04±0.76a 14.0±4.6c 61.2±23.6a 73.6±63.3a 125.6 ±33.4a
20%M 6.28±0.81a 16.8±4.9bc 67.5±25.3a 77.4±65.5a 130.3±35.0a
40%M 6.34±0.80a 19.5±5.3ab 75.0±25.5a 79.1±66.6a 133.3±34.4a
100%M 6.41±0.77a 21.9±5.3a 78.2±26.5a 83.0±70.3a 138.9±38.2a
CK 6.06±0.70a 13.8±4.6c 58.1±23.5a 66.6±56.1a 113.2±29.0a
2020 Conv. 6.07±0.76a 14.0±4.5c 62.3±24.2a 79.1±55.5a 122.9±32.9a
NPKopt. 6.11±0.75a 13.8±4.7c 61.4±23.3a 73.4±62.4a 126.0±33.2a
20%M 6.37±0.81a 16.9±4.5bc 67.9±25.3a 77.9±65.1a 130.3±35.0a
40%M 6.41±0.77a 19.8±5.3ab 75.5±25.3a 79.4±66.6a 133.9±34.5a
100%M 6.47±0.75a 22.1±5.9a 79.1±26.0a 83.2±70.2a 139.4±38.3a
CK 6.02±0.69a 13.6±4.5c 57.2±23.3a 66.1±56.0a 112.9±28.9a

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

表6 不同有机替代比例下的土壤微生物数量

Tab. 6 Soil microbial population under different organic replacement ratios

年份
Year		 处理
Treatment		 细菌数量
Bacterial quantity/(×104CFU·g-1)		 真菌数量
Fungi quantity/(×102 CFU·g-1)		 细菌真菌比值B/F
Bacterial fungal ratio
2019 Conv. 331.1±19.3d 226.1±40.4cd 149.4±19.4b
NPKopt. 323.3±17.7d 227.8±35.5cd 144.0±14.9b
20%M 435.6±29.9c 267.2±53.6bc 167.4±28.6ab
40%M 510.6±17.4b 284.4±58.6ab 185.4±37.2a
100%M 563.3±18.5a 326.1±73.1a 179.3±33.8a
CK 287.8±28.2e 197.8±32.2d 147.4±17.8b
2020 Conv. 334.4±18.1d 230.6±39.3cd 147.6±17.7b
NPKopt. 323.9±19.0d 232.8±32.6cd 140.7±13.3b
20%M 438.9±31.7c 270.6±52.7bc 166.2±26.0ab
40%M 514.4±17.2b 287.8±54.5ab 184.2±33.7a
100%M 566.1±16.5a 336.1±73.2a 174.6±32.4a
CK 286.7±30.0e 208.9±46.3d 141.1±23.3b

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

2.4.2 综合评价

通过对8个土壤化学性质指标和3种土壤可培养微生物指标组成的土壤生物肥力指标进行主成分分析,利用主成分评分来表示不同处理的土壤地力水平综合得分排序。如表7所示,主成分P1在pH值、有机质、速效磷、速效钾、真菌6个指标上有较高的载荷,说明因子1主要反映了这6个指标的信息,与pH值呈负相关关系;主成分P2在碱解氮、交换性镁2个指标上有较高的载荷,说明因子2主要反映了这2个指标的信息。根据主成分分析的变换矩阵：Ai=Pi/λi（A：主成分载荷矩阵,P：因子载荷矩阵,λ：特征值）。得到特征向量A后,将得到的特征向量与标准化后的数据相乘,得出主成分F得分表达式：
F1=-0.337 zpH+0.363 zOM+0.226 zAN+ 0.378 zAP+0.338 zAK-0.303 zECa-0.241 zEMg+ 0.324 zAB+0.134 zB+0.340 zF-0.241 zB/F
F2=0.316 zpH+0.148 zOM+0.468 zAN-0.182 zAP+0.274 zAK-0.193 zEMg+0.476 zEMg-0.239 zAB+0.366 zB+0.195 zF+0.242zB/F
式中：zpH~zB/F为标准化的pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷、交换性钙、交换性镁、细菌数量、真菌数量、细菌真菌比值。
表7 因子载荷矩阵、累计贡献及特征向量

Tab. 7 Factor load matrix, cumulative contribution and eigenvector

项目
Item		 主成分P 特征向量A
P1 P2 A1 A2
pH -0.848 0.499 -0.337 0.316
OM 0.915 0.233 0.363 0.148
AN 0.569 0.738 0.226 0.468
AP 0.951 -0.287 0.378 -0.182
AK 0.850 0.432 0.338 0.274
ECa -0.764 -0.304 -0.303 -0.193
EMg -0.608 0.751 -0.241 0.476
AB 0.816 -0.377 0.324 -0.239
B 0.338 0.577 0.134 0.366
F 0.856 0.308 0.340 0.195
B/F -0.607 0.382 -0.241 0.242
特征值λ 6.342 2.490
方差贡献率w 57.654 22.641
累积方差贡献率 57.654 80.295
将各土壤生物肥力指标标准化的数据分别代入相应的主成分函数表达式中,得到 6 种不同施肥处理在各自2个主成分上的得分情况（图4）。结果显示,各施肥处理在以PC1（PC1反映的指标）和PC2（反映的指标）所代表的土壤地力指标上,均随着有机替代比例的增加而升高,各施肥处理土壤地力水平大小依次为100%M> 40%M>20%M>Conv.≥NPKopt.>CK。在本研究中具体模型为：F总= 0.57654 F1+0.22641 F2。结果显示（图5）,有机肥100替代处理土壤的综合得分（F总）最大,20%和40%有机替代处理依次递减,传统和氮磷钾优化处理相差不大,不施肥处理最小。
图4 不同施肥处理土壤在PC1和PC2的得分分布图

Fig. 4 Distribution of soil scores in PC1 and PC2 under different fertilization treatments

图5 不同施肥处理土壤地力水平的主成分综合得分

Fig. 5 Comprehensive scores of principal components of soil under different fertilization treatments

通过计算得出各处理的F综合得分,以欧氏距离为衡量土壤养分差异大小的依据,采用组间联接法将土壤养分水平的亲疏相似程度进行系统聚类,通过聚类分析得出的树状图（图6）可以看出,不同有机替代比例的处理聚合为一簇,不施肥或者单施化肥的处理聚合为一簇。在有机替代的处理中全量替代处理单独为一簇,部分有机替代处理聚合在一起;在不施肥或者单施化肥的处理中不施肥的CK处理单独为一簇,施用化肥处理聚合在一起。这与试验不同处理土壤的主成分分析结果一致。
图6 不同施肥处理土壤地力水平的聚类分析

Fig. 6 Cluster analysis of soil quality levels under different fertilization treatments

通过主成分综合得分（图5）结果和聚类分析（图6）,按照等距d = (F综max|+|F综min|)/4计算将土壤地力水平划分为4个质量等级。通过计算得等距d = 0.395,土壤地力系统划分为如下4个质量等级：一等{100%有机替代处理},综合得分范围为（0.505,0.900）;二等{20%和40%有机替代处理},综合得分范围为（0.110,0.505）;三等{传统和氮磷钾优化处理},综合得分范围为（-0.285,0.110）);四等{不施肥处理},综合得分范围为（-0.680,-0.285）。

3 讨论

由于长期过量施用化肥,导致土壤质量退化和生产能力降低、作物产量和品质下降[26⇓⇓⇓⇓⇓⇓-33],因此利用有机无机肥配合施用并优化施肥量和施肥方式,是指导我国农业生产合理施肥、维持土壤可持续利用以及农业可持续发展的必然趋势[17⇓-19]。早在18世纪土壤化学研究者就已经发现作物可以有效利用土壤中有机形态氮素,特别是在矿化速率很低的自然生态系统中,研究发现氨基酸态有机氮对植物的氮营养贡献高达50%以上（FINZI[34];NASHOLM[35];NORDIN[36]）。但是有机肥分解缓慢长效,单纯施用有机肥并不能满足作物生长前期的养分需求,且全量替代情况下会增加作物减产的风险[37],结合巨晓棠等[38]合理施氮原则,需要在不同土壤肥力下,探索其合适的有机替代比例来指导生产。

3.1 氮素有机替代对作物产量和品质的影响

本研究通过田间实地研究发现40%的氮素有机替代比例作物增产提质效果最好,与传统处理和其他有机替代处理相比可以有效增加芒果的产量22%~103%,增加果实数量25%~120%,2019年平均株产量为46.1 kg和2020年平均株产量为47.8 kg,均高于秦达逵等[39]对凯特芒果的平均测产结果35.7 kg/株,而替代比例为100%时,2019年平均株产量为29.1 kg和2020年平均株产量为22.9 kg,均低于平均测产结果,产量显著下降。尤其是对于低肥力果园,当替代比例为100%时,不但没有增产反而造成减产,而高肥力果园替代比例100%时相较替代比例40%时的产量也显著下降。这一结果与ZHANG[16]2020年的研究一致,该研究发现有机肥替代比例≤40%时作物氮素利用率最高,增产潜力最大。本试验中,当有机替代比例为40%时,氮肥偏生产力显著高于其他处理,而当有机替代比例为100%时,氮肥偏生产力显著低于替代比例20%和40%,说明过高的有机替代比例会降低氮肥的利用效率。
目前很多有机替代无机的研究都是在同一肥力水平下展开的,而在不同肥力水平下,其适宜的替代比例是否存在差异,即低、中、高肥力的土壤是否应该采取不同的替代比例,这一类的研究较少。本研究根据作物需求优化了氮磷钾的施用量,化肥用量减少36%,优化后的施肥方案施氮量为264 kg/hm2。研究结果表明,低肥力果园由于土壤养分和有机质本底值较低,如果直接将全部的速效无机养分替换成缓释的有机养分,会导致当季作物养分供应不足,产量下降,固应该施以适量的化肥保证当季作物的速效养分供给,然后再增施有机肥,来提升土壤肥力,以保证和提高芒果产量。对于产量较高的高肥力果园,全量有机替代同样会大幅度降低芒果产量,可以选择20%~40%有机替代无机,来减少化肥的投入量,同时保证高产并显著提高作物品质如可食率和还原性Vc的含量。但本研究目前仅为两年的结果,有机肥料长期持续还田的增产、增效和提质效果有待进一步探究,也有研究指出在高量有机肥持续还田情况下,作物产量水平并不低于传统处理[40⇓⇓⇓⇓-45]。这可能由于有机氮素矿化形成的无机氮素随着施用年限的增加得到累积,显著地提高了土壤中养分的有效性。

3.2 氮素有机替代对土壤地力的影响

不同地力对优化施肥的响应程度不同,肥力越高的果园在有机无机配合施用后产量增幅越高,这与杜盼等[46]研究结果一致。因此对于果园来说,提升土壤地力水平是非常重要的。施用有机肥可以有效提高土壤有机质含量,但本研究发现有机替代比例超过20%才能显著增加有机质含量,这与王一鸣等[21]和GUO等[47]研究相一致。此外,有机肥的施用可以缓解土壤酸化,且土壤pH随着替代比例的增加而增大,有效缓解土壤酸化导致的重金属毒害、作物根系发育不良、土壤微生物多样性下降以及线虫等病害[40-41]。目前不同类型和替代比例的有机肥施用对改善土壤pH的研究缺乏系统性,但已有的研究多次证明了这一效果,如汪吉东等[48]在水稻土上的研究表明增施鸡粪可使土壤pH及酸碱缓冲容量上升[49],主要与土壤盐基累积量及有机质含量的提高有关。
当下的养分管理中,有机肥全量替代化肥并非最佳方案,一方面会造成作物减产,同时有机肥全量替代会造成磷素的大量累积和污染[43⇓-45]。如本研究中有机肥的全量替代,选取的有机肥为鸡粪,含磷量为1.8%,当有机肥全量替代时,磷素养分的投入量高达113.9 kg/hm2,是优化施肥磷投入量的2倍,带来磷素的过量盈余,因此有机肥最适宜的投入比例须根据作物对氮磷养分的需求规律综合判断。

4 结论

本研究在有机氮肥替代20%、40%和100%的无机氮肥情况下,探索了芒果产量、品质和土壤地力的改变。主要发现点如下：
1）当替代比例为40%时芒果产量和果实品质产量显著高于传统、氮磷钾优化及100%全量替代处理,Vc含量最高。
2）在低、中、高肥力果园上,都是替代比例为40%时作物产量最高,同时氮肥偏生产力最高,当替代比例为100%时,低肥力和高肥力果园产量显著下降,氮肥偏生产力显著低于其他替代比例处理。
3）随着有机替代比例的升高,土壤有机质含量增加且土壤pH升高。但只有替代比例超过20%时土壤有机质才得以显著提升。从主成分综合得分分析,各处理的土壤地力水平随着有机替代的比例增加而增加,替代比例为100%时综合得分最高。
通过对芒果产量、品质、土壤地力水平等因素综合分析,攀西晚熟凯特芒果最优氮素有机替代比例为40%,综合效果显著优于无机肥优化处理及其他有机替代比例处理,不建议采用全量有机替代,一方面会导致作物减产,同时作物品质也不优于部分替代,且容易造成磷素累积和污染。对于不同肥力果园,低肥力果园由于土壤保肥能力低,须在增施有机肥的同时保证充足的无机养分供应,才能保证当季的芒果产量不下降,但随着土壤地力的提升,或有充足碳源供应时可以适当增加替代比例。

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