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西南地区是我国蔬菜生产的优势主产区之一，蔬菜播种面积占全国的 23%，而且露地蔬菜作为该地区重要的经济作物，近年来种植面积持续增加[1]。但在该地区蔬菜实际生产中“重化肥、轻有机肥”的现象普遍存在，并且西南地区高温多雨，菜田换茬耕作频繁，土壤有机碳含量呈逐年下降的趋势。先前课题组研究结果表明，种植 1～3 年的菜地土壤有机碳含量下降 1.9 g/kg，5～10 年的菜地下降 4.6 g/kg。因此，由于常年不合理施肥管理，该地区菜地土壤质量退化问题逐渐突出，严重制约蔬菜产业的可持续发展[2-4]。
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有机碳作为土壤肥力的核心，对促进作物生长、改善土壤基础理化性质和提高土壤综合质量具有重要作用[5-7]。自 2017 年开始，随着果茶菜有机肥替代化肥政策的不断推进，有机肥在菜地生产中逐渐受到重视。当前研究发现西南地区菜地系统普遍施用的有机肥为粪肥，粪肥有机碳含量较低，土壤碳固持效率仅为 10%，土壤有机碳提升效果缓慢，同时氮、磷含量较高，长期大量施用导致土壤氮、磷盈余量偏高，进而导致土壤碳氮比、碳磷比失衡，对土壤微生物活动、作物生长造成不利影响，破坏生态系统平衡[8-10]。因此，选用合适的有机肥通过提高土壤有机碳含量来提高土壤肥力，同时保障蔬菜生产，减少环境风险至关重要。秸秆作为农田系统常见的有机肥之一，资源丰富，有机碳含量高，具有显著的固碳效果。王维[11]研究表明，施用秸秆能提高当季白菜系统土壤有机碳 1.33 g/kg，相比粪肥处理增加有机碳 0.41 g/kg。生物炭作为常用的有机肥之一，具有稳定碳结构和强的吸附能力，可以将不稳定的有机碳转化为稳定的有机碳，在提升土壤有机碳的同时将碳源固定。施用生物炭于豆科作物上显著提高 >2 mm 大团聚体和闭蓄态微团聚体中有机碳含量 29.4%～53.3% 和 24.0%～35.9%，总有机碳含量提高 16.5%～32.4%[12-14]。餐厨废弃物有机肥的成分复杂，有机物含量高，各种营养元素丰富，是一种新型的有机肥源。研究发现，施用餐厨有机肥于柑橘园可以改善土壤团聚体结构，增加土壤团聚体稳定性，进而促进土壤有机碳固定，改善团聚体中有机碳的分布状况，能够提升土壤有机碳含量 7.1%～10.6%[15-17]。这些有机肥受本身物理化学性质、区域气候土壤特征、作物特点、田间管理等多方面影响，对不同区域和作物系统的效果不同。然而在高温高湿、高强度耕种的西南露地蔬菜系统中这些不同类型有机肥对蔬菜产量、土壤肥力和养分平衡影响的综合比较研究尚缺乏。
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大白菜是西南地区种植面积最大的蔬菜，当前种植面积高达 470×103 hm2[2]。因此，本试验以西南地区典型露地大白菜系统为研究对象，系统研究分析不同类型有机肥（鸡粪、秸秆、生物炭和餐厨废弃物资源化）对蔬菜产量、土壤有机质提升、氮磷养分平衡和肥料利用率的影响，旨在为西南地区菜田有机肥施用管理提供理论依据，同时助力西南地区蔬菜产业可持续发展。
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1 材料和方法
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1.1 试验设计
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试验位于重庆市北碚区国家紫色土试验基地 （29°48′45″N，106°24′31″E），供试菜田土壤类型为紫色土，属亚热带季风性湿润气候，年降水量 1161 mm，年均气温 18.3℃，种植作物为大白菜。试验开始于 2019 年 9 月新开垦的农田，初始 0～20 cm 耕层土壤有机碳含量为 4.69 g/kg，全氮含量为 0.37 g/kg，有效磷含量为 14.1 mg/kg，速效钾含量为 211 mg/kg，pH 值为 8.44。
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试验小区采用随机区组方式进行，共设计 6 个处理，每个处理 3 次重复。试验处理包括：（1）CK：对照，不施肥处理；（2）CONV：农民习惯施肥处理；（3）BC：生物炭处理；（4）CM：鸡粪处理；（5） KW：餐厨废弃物资源化处理；（6）ST：秸秆处理。CONV 处理施肥用量与当地农民习惯保持一致，碳、氮、磷、钾肥投入量分别为 C 1200 kg/hm2、N 450 kg/hm2、P2O5 450 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2，其中有机肥类型为鸡粪。其他有机施肥处理基于作物养分吸收规律，优化有机肥和化肥用量，等量碳、氮、磷养分添加，有机肥养分不足通过化肥补充，有机碳、氮、磷和钾肥投入量分别 C 1700 kg/hm2、 N 250 kg/hm2、P2O5 160 kg/hm2 和 K2O 300 kg/hm2。
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本试验中化肥类型包括尿素、过磷酸钙和硫酸钾。尿素（N 46.2%）由四川天华股份有限公司生产；过磷酸钙（P2O5 12%）由汉中唐枫化工有限责任公司生产，硫酸钾（K2O 50.0%）由国投新疆罗布泊钾盐有限公司生产。餐厨资源化处理废弃物有机肥由北京嘉博文生物科技有限公司生产；生物炭有机肥由勤丰众成生物质新材料有限公司生产；鸡粪有机肥由重庆西山坪生物有机肥厂生产；秸秆来自试验基地内的玉米秸秆资源。其基本性状见表1。
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每个试验小区的面积为 15.75 m2，株行间距为 40 cm×40 cm，供试大白菜品种为丰抗 70。有机肥作为基肥在移栽前撒施后翻土覆盖，氮、磷、钾肥作基肥和追肥施入，基肥与追肥比例为 4∶6，分别在大白菜莲座期和结球期进行追肥，施肥方式为穴施，除 CK 处理不施肥外，其他田间管理按照常规方法进行。
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1.2 植株样品采集与测定
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大白菜收获时各小区单独测产，分别选 3 排相连的 12 株连续、长势均匀的大厦白菜，以各小区实际收获产量计产。同样，选取 6 株大白菜用来分析测定植株的干物质量和氮、磷含量。大白菜分为根、叶两部分，各取一部分装袋，称鲜重，去离子水冲洗，晾干水分，装信封，105℃ 杀青，75℃烘干至恒重，称重，粉碎，待测。全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用 H2SO4-H2O2 联合消煮，ICP-AES 电感耦合原子发射光谱仪测定[18-20]。
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1.3 土壤样品采集与测定
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每季作物收获后，在每个小区的取样区用土钻按梅花形布点法在 0～20 cm 土层取样，各取 5 钻，混合成 1 个土样，去除杂草和碎石屑，装袋，放置阴凉、通风处风干，磨碎，过筛，待测。土壤基础性质按常规测定方法测定，具体为：有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用钒钼黄比色法测定[21-23]。
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1.4 计算方法
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土壤固碳量（t/hm2）：
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式中，SOCt为土壤碳库总量，Ct 为耕层土壤有机碳含量（g/kg），d 为耕层厚度（0.2 m），BDt 为土壤容重（t/m3），10 为单位转换系数。
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各项处理的氮（磷）素盈余量、肥料利用率和土壤固碳量按以下计算方法计算，公式如下：
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式中 N 吸收为作物吸收氮（ 磷） 总量，N 表观盈余为氮（磷）素表观盈余量，Ni 吸收为各项处理的氮（磷）吸收总量，N0 吸收为对照的氮（磷）吸收量。
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1.5 数据分析
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采用 Excel 2019 和 SPSS 20.0 结果统计与分析。不同处理间采用最小显著差异法（LSD）进行差异显性检验（P <0.05）。
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2 结果与分析
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2.1 不同类型有机肥对产量的影响
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2019 和 2020 年试验地大白菜产量如图1 所示，不同类型有机肥处理两年平均产量相比 CK 处理增加 125%～152%。除 CM 处理外，其他 3 项有机肥处理的两年大白菜平均产量与 CONV 处理间没有显著差异。BC 和 KW 处理产量相比 ST 处理分别增产 4.3% 和 14.2%，相比 CM 处理分别增产 1.26% 和 10.5%。2020 年冬季气温降低，导致整体大白菜产量相较 2019 年偏低。
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图1 不同处理对不同年份大白菜产量的影响
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注：图中数据为平均值（n=3），柱上相同字母表示处理间在 0.05 水平差异不显著。下同。
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2.2 不同类型有机肥对土壤有机碳、全氮和全磷含量的影响
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由表2 可知，各项有机肥处理相比 CK 和 CONV 处理，两年平均土壤有机碳含量分别显著增加 55.2%～78.3% 和 14.3%～31.2%；几种有机肥处理中， BC 处理土壤有机碳含量最高，相比 KW、ST 和 CM 处理分别显著提高 7.17%、10.1% 和 14.9%；KW 处理土壤有机碳相比 ST 和 CM 处理分别提高 2.75% 和 7.18%。 2020 年各项有机肥处理间土壤全氮、全磷含量没有显著差异。由于受土壤有机碳含量的影响，4 种不同类型有机肥处理相比 CONV 处理，碳氮比和碳磷比分别显著提高 27.0%～56.5% 和 34.0%～41.9%。由双因素方差分析可得，不同处理和施用年份均对土壤有机碳、全氮含量、碳磷比和氮磷比存在着显著影响，且两个因子之间存在交互作用，相互影响。
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2.3 不同类型有机肥对土壤固碳量的影响
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向农田中施加不同类型有机肥后，各项有机肥处理的土壤固碳量均有不同程度的提高。如图2 所示，2020 年 CK 处理相比 2019 年，土壤固碳量降低 1.87 t/hm2；2020 年 CONV、BC、CM、KW 和 ST 处理的固碳量分别为 8.50、11.1、9.40、10.3 和 9.70 t/hm2；相比 CK 和 CONV 处理，各项有机肥处理分别显著提高土壤固碳量 3.82～5.52 和 0.90～2.60 t/hm2。不同有机肥处理间存在显著差异，BC 处理土壤固碳量相比 CM、KW 和 ST 处理分别显著提高 18.1%、7.77% 和 14.4%；KW 处理相比 CM 和 ST 处理分别显著提高 9.57% 和 6.19%。
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注：表中数据为平均值（n=3），同一列同一年份相同字母表示处理间在 0.05 水平差异不显著。* 代表在 0.05 水平差异显著，** 代表在 0.01 水平差异显著，ns 代表没有显著性差异（P >0.05）。下同。
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图2 不同处理对不同年份土壤固碳量的影响
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2.4 不同类型有机肥对氮磷平衡和利用率的影响
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如表3 所示，各项有机施肥处理相比 CONV 处理显著降低氮盈余量，显著提高氮吸收在施肥量的占比，显著降低氮盈余在施肥量的占比。各项有机肥处理在氮肥利用率方面存在差异，CONV、BC、 CM、KW 和 ST 处理两年平均氮肥利用率分别为 27.1%、43.4%、34.7%、40.6% 和 39.0%，有机肥处理相比 CONV 处理提高氮肥利用率 7.60～16.3 个百分点。BC 处理相比 CM 和 ST 处理，氮肥利用率分别显著提高 8.70 和 4.35 个百分点，KW 处理相比 CM 和 ST 处理，氮肥利用率分别显著提高 5.90 和 1.60 个百分点。由双因素方差分析可得，不同有机肥处理对氮吸收、氮吸收在施肥量的占比、氮盈余在施肥量的占比、氮肥利用率存在显著影响，不同年份对氮吸收、氮盈余、氮吸收在施肥量的占比、氮盈余在施肥量的占比存在显著影响。
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如表4 所示，BC 和 KW 处理与 CONV 处理间，对植株磷吸收无显著差异；各项有机肥处理显著降低磷盈余量，提高磷吸收在施肥量的占比，降低磷盈余在施肥量的占比，从而提高氮肥利用率。4 种类型有机肥处理在植株磷吸收、磷盈余量、磷吸收在施肥量的占比和磷盈余在施肥量的占比间没有显著差异。然而各项有机肥处理在磷肥利用率方面存在差异，CONV、BC、CM、KW 和 ST 处理两年平均磷肥利用率分别为 7.5%、17.0%、13.2%、15.8% 和 14.8%，各有机肥处理相比 CONV 处理提高磷肥利用率 7.72～9.52 个百分点；BC 处理相比 CM 和 ST 处理，磷肥利用率分别显著提高 3.79 和 2.20 个百分点，KW 处理相比 CM 和 ST 处理，磷肥利用率分别显著提高 2.60 和 1.00 个百分点。由双因素方差分析可得，不同有机肥处理和施用年份均对磷吸收量、磷盈余量、磷吸收在施肥量的占比、磷盈余在施肥量的占比、磷肥利用率存在着极显著影响。
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3 讨论
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有机肥施用对提升土壤有机碳含量尤为重要。本研究中优化施肥条件下 BC、KW、ST 和 CM 处理与 CONV 处理相比能够提升土壤有机碳含量 22.4%～40.0%，其中 BC 和 KW 处理效果最佳。导致此差异的原因有 2 个方面：一方面，随着有机肥碳投入量的增加，土壤有机碳含量不断增加[24]，相较于 CONV 处理，4 种有机肥处理的碳投入量提高了 29.4%，进而导致这几种有机肥处理的土壤碳含量增加；另一方面，有机肥固碳效率是影响土壤碳含量提升的关键[25]。不同类型有机肥的固碳效率存在差异，对土壤有机碳含量提升的效果不同[26]。 BC、KW、ST 处理的固碳效率高于 CONV 和 CM 处理，BC 处理的固碳效率高达 95% 左右，KW 处理的固碳效率为 55%，相比其他有机肥，ST 和 CM 处理的固碳效率分别为 13% 和 10%[27-29]。本研究中等碳量不同类型有机肥施用农田后，对土壤有机碳含量提升存在显著差异，BC 和 KW 处理与 ST 和 CM 处理相比，分别显著提高土壤有机碳含量 7.17%、14.9% 和 2.75%、7.18%。一方面，BC 与 KW 处理的固碳效率高；另一方面，土壤碳氮比是影响土壤微生物活动的主要驱动因子，而土壤微生物是影响不同类型有机肥中有机碳分解的关键[30-32]。先前的研究表明，土壤中碳的矿化速率与有机肥的碳氮比呈负相关关系，BC 与 KW 处理本身的碳氮比高，进而导致土壤碳矿化速率慢，对土壤有机质提升效果更好[33]。同时，适宜的碳氮比和碳磷比对土壤微生物活动以及作物生长至关重要，合适的碳氮比和碳磷比有利于调节生态环境，促进作物的养分吸收和生长发育。
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有机肥可以通过增加土壤离子交换位点，提高对营养元素的吸附能力，进而提高养分有的效性，对作物生长产生积极影响[34-37]。本研究中，BC、 KW 和 ST 处理在降低氮、磷肥投入的条件下，与 CONV 处理间的产量无显著差异。一方面，BC、KW 和 ST 处理的养分投入基于作物生育期的养分吸收规律和土壤养分的供应规律，能够满足作物生长时期对氮、磷、钾元素的吸收。CONV 处理施肥量远高于作物养分需求量，过量的施肥不会提高作物的产量[2]。另一方面，优化施肥条件下的这几种有机肥管理能够通过有机、无机配施来提高作物对养分的吸收效率。BC 和 KW 处理在优化施肥管理条件下降低了氮、磷养分投入，提高了作物对氮、磷的养分吸收，进而相比 CONV 处理分别降低土壤氮和磷盈余 27.6%～30.4% 和 18.6%～20.1%，分别提高氮和磷肥利用率 13.5%～16.3% 和 8.32%～9.52%。
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综合考虑，不同类型有机肥对土壤有机碳、产量、土壤氮磷盈余、土壤碳氮比、土壤碳磷比和肥料利用率存在显著影响。本研究中生物炭和餐厨废弃物资源化有机肥对于土壤有机碳提升效果显著，能够有效提高氮、磷肥利用率，同时降低土壤氮、磷失衡的风险，对西南地区菜地土壤健康培育尤为关键。但是考虑到经济因素，生物炭成本较高，蔬菜种植户接受比较困难，因此综合考虑，餐厨废弃物资源化有机肥更加实用。同时，本研究仅考虑了不同类型有机肥处理对土壤有机碳提升和氮磷养分平衡、肥料利用率等指标的影响，没有关注对生态环境（活性氮损失和温室气体排放）、蔬菜品质、农户经济效益的影响，接下来还需进一步的研究。
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4 结论
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基于不同类型有机肥在优化氮、磷肥施用量的条件下，能够在稳定蔬菜系统产量的基础上，提升土壤有机碳水平，显著降低氮、磷素盈余，提高肥料利用率，其中生物炭和餐厨废弃物资源化有机肥相较其他有机肥效果显著，本研究结果为保障西南地区菜地土壤健康、蔬菜绿色高产高效生产提供了重要科学理论依据。
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摘要
快速提升土壤有机碳对蔬菜绿色健康发展具有重要意义。不同类型有机肥对土壤有机碳提升存在差异。以西南地区露地大白菜为研究对象，于 2019 ～ 2020 年开展不同类型有机肥对西南地区菜地系统作物产量、土壤有机碳含量和氮磷平衡的影响，明确该地区适合施用的有机肥类型。试验设不施肥（CK）、农民习惯施肥 （CONV）、生物炭（BC）、鸡粪（CM）、餐厨废弃物资源化（KW）、秸秆（ST）6 个处理，每个处理 3 次重复，其中 CK 处理不施肥，CONV 处理施肥量为 C 1200 kg/hm2 、N 450 kg/hm2 、P2O5 450 kg/hm2 ，其余 4 个有机肥处理等碳、氮、磷优化施肥处理，为 C 1700 kg/hm2 、N 250 kg/hm2 、P2O5 160 kg/hm2 。结果显示：与 CONV 处理相比， BC、KW 和 ST 处理在降低 44.4% 氮肥和 64.4% 磷肥用量的条件下对产量没有显著影响；在土壤有机碳方面，不同类型有机肥处理相比 CK 和 CONV 处理，土壤有机碳含量分别显著增加 55.2% ～ 78.3% 和 14.3% ～ 31.2%，其中 BC 和 KW 处理土壤有机碳含量最高，BC 处理相比 ST 和 CM 处理分别显著提高 10.1% 和 14.9%，KW 处理相比 ST 和 CM 处理分别提高 2.75% 和 7.18%。有机肥处理间土壤全氮、全磷含量未出现显著差异；有机肥处理的氮和磷肥利用率均高于 CONV 处理，分别提高 7.6% ～ 16.3% 和 7.72% ～ 9.52%，其中 BC 处理的氮、磷肥利用率最高， KW 处理次之。综上所述，综合考虑土壤有机碳提升、产量、土壤养分含量和肥料利用率，BC 和 KW 处理的综合效果最佳。同时研究结果表明，在优化施肥管理条件下添加生物炭和餐厨废弃物资源化有机肥是保障西南地区菜地土壤健康、蔬菜绿色高产高效的重要举措。
Abstract
Improvement of soil organic carbon is key to the sustainable development of vegetables in China．There is large difference in the increase of soil organic carbon among different organic fertilizers．Taking the Chinese cabbage in southwest China as the research object，the study was carried out to compare the effects of different organic fertilizers on crop yield， soil organic carbon content and nitrogen and phosphorus balance for new open-field vegetable system in Southwest China during 2019 ～ 2020，furtherly identify the suitable types of organic fertilizer in this region．The field experiment was conducted with six treatments：no fertilizer（CK），conventional practice（CONV），biochar（BC），chicken manure compost（CM），kitchen waste compost（KW）and maize straw（ST）．Each treatment was repeated for three times．CK treatment didn’t apply fertilizer，and the input of soil carbon，nitrogen，phosphorus fertilizer in of CONV treatment was C 1200 kg/hm2 ，N 450 kg/hm2 ，P2O5 450 kg/hm2 ，respectively．The input of soil carbon，nitrogen，phosphorus fertilizer in other four organic fertilizer treatments was C 1700 kg/hm2 ，N 250 kg/hm2 ，P2O5 160 kg/hm2 ，respectively．Our results indicated that compared with CONV treatment，when the rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in BC，KW and ST treatments were reduced by 44.4% and 64.4%，respectively，the yield maintained the same level．Meanwhile the soil organic carbon of optimized treatments was significantly increased by 55.2% ～ 78.3% and 14.3% ～ 31.2% compared with that of CK and CONV treatments，respectively．The content of soil organic carbon in BC and KW treatments was the highest among those four optimized treatments．The organic carbon content of BC treatment was 10.1% and 14.9% higher than that of ST and CM treatments，and the corresponding value in KW treatment was 2.75% and 7.18% higher than that of ST and CM treatments，respectively．There was no significant difference in soil nitrogen and phosphorus content among different organic fertilizer treatments．The use efficiencies of nitrogen and phosphorus fertilizer in optimized organic fertilizer treatment were higher by 7.6% ～ 16.3% and 7.72% ～ 9.52% than those of CONV treatment，respectively；the highest use efficiency of nitrogen and phosphorus fertilizer was observed in BC treatment，and followed by KW treatment．In conclusion，BC and KW treatment performed best based on comprehensively considering the soil organic carbon increase，yield，soil nutrient content and fertilizer use efficiencies，compared to other treatments．At the same time，these results show that the addition of biochar and kitchen waste recycling organic fertilizer under the optimized fertilizer management conditions is an important measure to ensure the soil health and sustainable production for open-field vegetable system in Southwest China.
Keywords
organic fertilizer ； Chinese cabbage ； soil organic carbon ； southwest China