柑橘作为我国南方农村重要的经济作物，近几年来种植规模发展迅速，2019 年中国柑橘产量首次超过苹果，2020 年中国柑橘种植面积约占整个园林水果种植面积的 1/4，产量为 5121.87 万 t ^[1]，三峡重庆库区奉节县是我国柑橘最适宜的生态区之一，其脐橙种植面积 2.23 万 hm²，年产量 31.5 万 t，综合产值 5.53 亿元^[2]。柑橘作为我国重要的经济作物，是南方多数农村乡村振兴的主要产业，但是农户为了追求高产往往过量施用化肥，我国柑橘主产区的氮肥、磷肥和钾肥年投入量分别过量了 36.2、42.5 和 35.5 万 t，而有机肥投入不足，仅占 47.8% ^[3]。柑橘园中化肥投入过量和有机肥投入不足导致了柑橘果实产量和品质的下降，伴随而来的果园土壤板结、酸化和有机质下降，还会引发生态环境风险，如碳排放加剧，Yang 等^[4]调研发现橘园碳排放量高达 CO₂eq 11665 kg/hm²，因此优化果园养分管理是降低碳排放，达到柑橘环境可持续发展的前提。

优化施肥尤其是有机肥替代部分化肥是协同实现化肥减量、柑橘产量提高和品质提升的关键，也是脐橙绿色生产的有效措施。研究发现施用有机肥可提高果实产量、内在品质，改善果实风味，增加可溶性固形物、总糖、维生素 C（Vc）和糖酸比，并降低总酸含量^[5-6]。据报道，施用有机肥使椪柑产量分别提高 19.4%～26.9%、23.1%～34.0%，果实品质也得到明显改善，同时与单施化肥相比，果面亮度提高了 5.00%～25.88%，改善了果实的颜色和亮度，提高了商品率^[7-8]。在土壤肥力方面，研究表明有机肥的有机质含量高、养分全面、肥效长，施用有机肥替代化肥能够提高土壤养分含量^[9-10]，温延臣等^[11]发现，有机肥替代化肥能够提高土壤肥力，土壤有机碳和全氮含量分别增加了 19.5% 和 12.3%。同时研究也发现施用有机肥替代化肥能够显著降低土壤 N₂O 排放与果园温室气体排放^[12]。马艳婷等^[13]发现有机肥替代 50% 化肥氮后果园温室气体排放强度显著降低，相较于单施化肥降低了 22.8%。

目前，多数学者认为有机肥替代化肥的比例并不是越高越好，而是不同的种植体系中需要寻找最佳的有机替代比例^[14-15]。同时优化施肥条件下有机肥替代比例仍需进一步明确，为此本研究以脐橙为研究对象，根据柑橘养分需求规律，探究优化施肥并使用有机肥氮替代化肥氮措施对柑橘的产量、品质、土壤肥力和环境代价的影响，通过主成分分析和评价筛选最适的有机肥替代化肥氮比例，试验结果将为奉节地区脐橙绿色生产、提质增效提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于 2019—2020 年连续两年在重庆市奉节县永乐镇大坝村俊硕农业发展有限责任公司果园内开展（31°6′ N；109°60′ E），气候类型为亚热带季风气候，年均降水量 1200～1300 mm，年均温度 17.8℃，常年无霜期 299 d，海拔高 210 m。试验地块坡向北，土壤类型为黄色石灰土，橘园表层土壤（0～20 cm）pH 为 3.45，碱解氮含量 86.4 mg/ kg，有效磷含量 44.1 mg/kg，速效钾含量 129 mg/ kg，有机质含量 11.0 g/kg，交换性钙 882 mg/kg，交换性镁 120 mg/kg。柑橘品种为福本脐橙，树龄 17 年，种植密度为 750 株/hm²。

1.2 试验设计与测定方法

试验设置 5 个处理：农户常规施肥（FP）、优化施肥（OPT）、有机肥替代 20% 的优化施氮量（OPT+N20）、有机肥替代 30% 的优化施氮量（OPT+N30）、有机肥替代 50% 的优化施氮量 （OPT+N50）。每个处理有 3 次重复，每个重复有 6 棵柑橘树。供试化肥为尿素（N 46%）、磷酸二铵 （N 18%，P₂O₅ 46%）、硫酸钾（K₂O 50%）；有机肥为商品有机肥（pH 8.20，有机质含量 45%，氮、磷、钾含量分别为 1.7%、1.7%、2.1%，含水量 19.5%）。

优化施肥量根据柑橘周年养分需求特征所得，有机肥为当地生产，作为基肥秋季一次性施入，化肥分别于秋季收获后、萌芽期、坐果期和膨果期施用；秋季基肥采用穴施，追肥撒施后覆土。具体养分投入情况见表1，试验小区管理遵循“最适”和“一致”的原则，除施肥措施以外，其他灌溉、病虫害防治和中耕除草等各项管理措施均保持一致。

1.3 施肥方法

9月下旬在树冠滴水线外侧开挖两条深 15～20、20～30 cm，长 1.0～1.5 m 的条（半环）形沟，然后将混匀的有机肥、复合肥施入沟中并回填一半左右的土壤；春肥和夏肥也施入沟中并适量覆土，直至将所剩土壤全部回填；第二年轮换施肥位置并稍向外扩展。

1.4 样品采集

在果实成熟期，同时采集土壤和果实样品，在树冠滴水线内侧 10 cm 的位置，避开施肥沟，按“S”形采集 5 点以上的 0～40 cm 土层的原状土样，尽量避免挤压，保持原状土壤结构。另外，按四分法采集混合土样，每处理采集 1 kg 左右，于室内风干，混匀、磨细，分别过 0.85 和 0.15 mm 筛，用于测定土壤基本理化性质。在土壤取样树的树冠东、南、西、北方向各采集 1 个大小均匀且长势良好的成熟果实，每个处理共取果实 20 个左右，带回实验室测定果实品质，具体方法参考赖多等^[6]的研究。

1.5 测定项目

（1）土壤理化指标测定。采用电位法测定土壤的 pH（土水比为 1∶2.5）；采用重铬酸钾容量法测定土壤的有机质含量；用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；用氟化铵-碳酸氢钠-盐酸浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。

（2）果实品质测定。使用称重法测定可食率，用百分之一天平称量单果重；用 TZ-62 手持折光仪测定可溶性固形物含量；用 0.1 mol/L NaOH 中和滴定法测定可滴定酸含量；用 0.01 mol/L 碘液测定果实 Vc 含量；总糖含量用菲林试剂滴定法测定。固酸比是果实可溶性固形物含量与可滴定酸含量之比。采用色差仪（CM-2500d/CM²600d，KONICA MINOL-TA，日本）测定果皮、海绵层和汁胞的色泽，并通过 L 值（亮度）、a 值（红绿度）和 b 值（黄蓝度）的模式进行测定和评价。采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮法制备待测液；凯氏蒸馏法测定果实全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测全钾含量^[16]。

（3）果实产量测定。在脐橙收获期，每个小区中随机选取 5 株果树统计挂果量，同时在每株果树任意方向的对角方向上各采集 1 个中等大小无病害的果实，用电子天平称单果重。产量按以下公式计算：单株产量（kg）= 挂果数 × 平均单果重（kg）； 每公顷产量（kg）= 单株产量（kg）×750，750 为种植密度（株 /hm²）。

（4）肥料偏生产力和经济效益。肥力偏生产力 （PFP）指施用某一特定肥料下的作物产量和施肥量的比值。

式中 Y 是指作物的产量，单位为 kg/hm²，F 是指纯养分（N、P₂O₅ 和 K₂O）的投入量，单位为 kg/hm²。

经济效益按照当年当地的物价水平对各试验地点的经济效益进行评价。生产过程的成本主要包括化肥和有机肥的投入成本，产值 = 鲜果产量 × 单价。

（5）碳排放核算方法。生命周期评估（LCA），是一种对产品从原材料提取到生产、使用和处置的所有生命周期阶段的环境性能进行系统和定量评价的方法。根据 ISO 14040（2006），LCA 评估方法包括 4 个基本阶段：目标和范围定义、清单分析（输入和输出）、影响评估和解释^[4，17]。

本研究旨在评价中国西南部重庆市奉节县脐橙生产的生命周期。针对柑橘生产链，以柑橘生产所需的原料开采为起始边界，以果实收获为终止边界，即生命周期评价所包含的系统边界为两个阶段：农业原料生产阶段（AMS）和果园管理阶段（OMS）。AMS 包括化肥、有机肥的生产和运输； OMS 包括化肥和有机肥的施用，为了更好地了解该地区柑橘生产的环境代价，功能单位以生产每公顷和每吨新鲜柑橘产量表示^[4]。

生命周期中环境代价的计算依据国际标准化组织的标准 ISO 14040 和 ISO 14044，温室气体排放 （GHG）计算公式如下：

式中：GHG_AMS 和 GHG_OMS 分别代表农业原料生产阶段 AMS 和果园管理阶段 OMS 中的温室气体排放。

式中：AM_i 代表项目投入，包括 N（kg/hm²）、P₂O₅ （kg/hm²）、K₂O（kg/hm²），EFi 为相应的排放系数， N、P₂O₅、K₂O 分别为 8.28、0.79、0.55。

式中：N₂O_D 和 NH₃ 分别代表 N₂O 排放和 NH₃ 挥发， ${\mathrm{E}\mathrm{F}}_{{\mathrm{N}\mathrm{H}}_3}$和 EF _淋洗是 NH₃ 挥发和硝酸盐淋洗的排放因子。

式中：GHGI 为温室气体排放强度（CO₂eq kg/t）；GWP 为综合温室效应（CO₂eq kg/hm²）；Y 为产量（t/hm²）。

1.6 数据分析

利用 Excel 2013 进行数据处理，SPSS 19.0 进行数据差异显著性检验（单因素方差分析-LSD， P<0.05）；Origin 2017 进行作图分析；主成分分析，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^[18]。

2 结果与分析

2.1 不同处理对柑橘产量及品质的影响

优化施肥处理和各有机无机配施在柑橘产量上均高于 FP，在 2018 年，各有机无机配施均高于 FP，分别提高了 12.0%、13.4%、27.2%，但增产并不显著。在 2019 年，与 FP 相比，优化施肥和有机替代处理能够显著提高柑橘产量，在 2019 年优化施肥增产率达 22.3%；各有机无机配施分别提高 27.3%、28.3%、34.1% （图1），在试验期内，柑橘产量随着有机肥替代比例的增加而增加。类似地，这一趋势出现在氮肥偏生产力上，优化施肥处理和各有机无机配施均高于 FP，2018 年优化施肥和各有机无机配施显著提高了氮肥偏生产力，分别提高 52.8%、55.3%、56.6% 和 75.9%，在 2019 年，优化施肥和各有机无机配施显著提高了氮肥偏生产力，分别提高 63.3% 和 69.4%、70.4%、78.6% （图2）。

两年试验期内，与 FP 相比，各有机无机配施显著提高了果皮亮度（L 值）和果实真实色泽（a/ b 值），其中以 OPT+N30 处理最高，有机无机配施各处理平均分别增加 26% 和 26.3% （表2）。与 FP 相比，优化施肥和有机无机配施均显著提高了果皮红绿色差（a 值），色泽更红，以 OPT+N20 和 OPT+N30 处理增加幅度最高，其中优化施肥平均提高 10.2%，各有机无机配施显著提高 16.1%～2 1.3%。优化施肥和有机无机配施均降低了果皮黄蓝色差（b 值），色泽更黄，但各处理间无显著差异；同时有机无机配施的果实真实色泽稍优于优化施肥处理，但三者之间无明显差别，综合来看有机无机配施处理果实更加橙红，外观品质更优。

注：同一年份柱上字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

由表3 可知，在果实成熟期，各处理 2019 年柑橘果实相比 2018 年柑橘果实均表现较高的可溶性固形物、可滴定酸和总糖含量。在两年内，有机无机配施处理和优化施肥处理可食率、Vc 含量、可溶性固形物含量、总糖含量、固酸比均高于 FP，而可滴定酸均低于 FP。其中有机无机配施处理在可食率、可溶性固形物和固酸比上显著高于 FP，两年平均分别增加 16.2% 和 23.5%；与 FP 相比， OPT+N20 和 OPT+N30 处理在可滴定酸上显著降低，两年平均分别降低 28.5% 和 24.0%。

注：同一年份数据后字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

在 2018 年，与 FP 相比，优化施肥和各有机无机配施在固酸比上显著提高，各处理分别提高 29.9% 和 23.4%、34.4%、28.6%；在 2019 年，与 FP 相比，OPT+N20 处理固酸比显著提高 94.2%。

2.2 不同处理对柑橘产量及品质的影响

表4 展示了果实成熟期各处理果实养分含量，与 FP 相比，有机无机配施显著降低了鲜果中氮和磷的含量，两年内各有机无机配施在鲜果中氮平均下降 0.22 g/kg，其中 OPT+N50 处理下降最为明显，而各有机无机配施在鲜果中磷平均下降 0.02 g/kg。但是优化施肥处理和有机替代处理均提高了鲜果中的钾含量，与 FP 相比，OPT+N30 处理显著提高，增幅平均达到 0.27 g/kg。

2.3 不同处理对土壤肥力的影响

两年试验期内各处理橘园土壤的性质如表6 所示，各有机无机配施处理全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量均高于 FP 处理；但各处理间土壤全氮、碱解氮、有效磷含量和阳离子交换量均无显著差异。

优化施肥和配合施用有机肥可以提高土壤 pH，与 FP 相比，其中 OPT 处理平均提高 0.43， OPT+N20 处理平均提高 0.33，OPT+N30 处理平均提高 0.12，OPT+N50 处理平均提高 0.99。同时优化施肥和有机无机配施处理土壤速效钾均高于 FP，其中 OPT+N50 处理在土壤速效钾上显著提高，幅度达 13.0%。

2.4 不同有机肥替代氮肥比例对脐橙产量和果实品质综合评价影响

选取影响脐橙产量和内外果实品质的主要指标，并将其主要指标数据标准化，之后进行主成分分析，如表6 所示，3 个主成分累计方差贡献率达 92.955%，包含了指标数据的绝大部分信息。主成分 1 的方差贡献率达 69.730%，主要综合了产量、含水量、可食率、可溶性固形物、固酸比、总糖、果皮色泽 L、果皮亮度 a、果皮红绿色差 a/b 这 9 个指标，与可滴定酸、单果重、果皮黄蓝色差 b 呈负相关关系；主成分 2 的方差贡献率达 13.713%，P2 在单果重上有较高的载荷，说明因子 2 主要反映了单果重的信息。

结果显示（图3）各施肥处理的果实品质水平综合得分（F 总）大小顺序为 OPT+N30>OPT+N50>OPT+N20>OPT>FP。本研究中的具体模型为 F 总 = 0.6973F1+0.13713F2+ 0.09513F3。结果显示（图3），有机替代 30% 的 F 总最大， 50% 和 20% 有机替代处理依次递减。

2.5 不同有机肥替代氮肥比例对脐橙生产的碳排放和经济效益的影响

有机无机配施显著降低了脐橙生产的碳排放和碳足迹（ 图4），其中 FP 处理 2018 和 2019 年平均碳排放量高达 CO₂eq 7692 kg/hm²，优化施肥和有机替代处理的年均碳排放量较 FP 处理分别下降了 23.99% 和 32.83%、37.25%、46.07% （图4a）。在 2018 和 2019 年，优化施肥和有机替代处理碳足迹均显著低于 FP，其中 FP 处理 2018 和 2019 年碳足迹分别为 CO₂eq 209.811 和 165.87 kg/t，优化施肥和有机替代处理的年均碳足迹较 FP 处理分别下降了 36.16% 和 44.20%、48.10%、59.23% （图4b）。优化施肥和有机无机配施能够显著提高脐橙生产的经济效益（表7），OPT 处理的农资成本较 FP 处理降低了 38.66%。进而净利润提高了 16.32%，机无机配施处理较 FP 净利润分别提高了 17.72%、17.72% 和 23.86%，各处理产投比由高到低依次为 OPT、OPT+N20、OPT+N30、OPT+N50、 FP 处理，其中 OPT+N20、OPT+N30、OPT+N50 处理分别比 FP 处理产投比增加 63.64%、51.82%、 39.70%。

注：FP-N 866 kg/hm²、P₂O₅ 718 kg/hm²、K₂O 858 kg/hm²；OPT-N 382 kg/hm²、P₂O₅ 431 kg/hm²、K₂O 660 kg/hm²；OPT+N20-N 333 kg/hm²、 P₂O₅ 256 kg/hm²、K₂O 454 kg/hm²、有机肥 4780 kg/hm²；OPT+N30-N 309 kg/hm²、P₂O₅ 168 kg/hm²、K₂O 352 kg/hm²、有机肥 7170 kg/hm²； OPT+N50-N 360 kg/hm²、P₂O₅ 185 kg/hm²、K₂O 294 kg/hm²、有机肥 11950 kg/hm²；农资成本（元 /kg）为 N 2.50、P₂O₅ 3.60、K₂O 3.20、有机肥 0.50；脐橙平均收购价为 3.00 元 /kg，产值 = 单价 × 鲜果产量。

3 讨论

3.1 优化施肥和氮素有机替代提高了脐橙产量和品质

优化施肥并配施有机肥是指导我国农业绿色发展的重要方式，也是奉节脐橙绿色生产的重要措施。本研究显示，与常规施肥相比，优化施肥在两年内能够显著提高果实产量，有机肥替代氮肥在 2018 年增产效果并不显著，但在 2019 年各有机替代处理分别增产 27.3%、28.3%、34.1%，其中有机肥氮替代 50% 化肥氮（OPT+N50）增产效果最为明显，同时与 FP 相比，OPT+N50 氮肥偏生产力显著提高 102%，这与有机肥特性有关，有机肥中氮能够改善土壤中氮素的供应过程，在土壤养分中缓慢释放，同时提高氮素利用效率^[19]。这一结果与谢军等^[20]的研究一致，该研究发现有机肥氮替代化肥氮 50% 时增产效果最为明显，氮肥偏生产力最高。但是在有机肥替代化肥氮最适比例上也有不同，裴宇等^[21]研究发现，通过施用有机肥减少化学氮肥 30% 的用量是可行的，同时万连杰等^[22]发现随着有机替代 15%～20% 的氮肥效果最好，这是因为在各区域不同土壤肥力下，都有合适的有机替代比例用作指导生产^[23]。

从果实综合品质来看，本研究中 OPT+N20、 OPT+N30 处理的可溶性固形物、可食率显著高于 FP，而可滴定酸显著低于 FP，增加了果实的商品率和风味。有机肥在改善果实品质、提高果实香气和外观方面已成为共识，同时也是其商品价值的重要体现，施用有机肥可以提高果实可溶形固形物、可食率、Vc 含量及固酸比，降低可滴定酸含量^[24]。从果实外在品质来看，各有机替代处理果皮色泽 L、a、a/b 显著高于农户常规，其中有机肥替代氮肥 30% （OPT+N30）果实外观品质提升最大，说明有机替代的色泽更亮和橙红，口感更佳，综合品质显著提升。有机肥替代部分氮肥的处理对果实品质的影响显著，同时和有机肥替代化肥的比例有关，本研究通过主成分分析各处理果实综合品质从小到大的顺序为 OPT+N30>OPT+N50>OPT+N20>OPT>FP，有机肥替代 30% 氮肥时果实综合品质最佳，这结果与杜春燕^[25]和胡小璇等^[26]的研究结果一致，这是因为施用有机肥抑制高氮对品质的副作用，使供氮性能与作物需求趋向协调，是作物高产高效的重要措施^[27]。

3.2 优化施肥和氮素有机肥替代对土壤肥力的影响

土壤肥力是影响作物产量、品质的重要因素，有机肥施用可以提高土壤肥力，表现为有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等速效养分含量的提高^[28-29]。本研究发现有机无机配施处理可以增加土壤中的全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，其中 OPT+N50 处理在土壤速效钾上显著提高，幅度达 13.0%，这可能与有机肥可以活化土壤养分，提高土壤养分含量，增强土壤供肥能力有关^[30]。另外，有机肥能够缓慢提高土壤 pH，有效缓解土壤酸化，其中 OPT+N30 处理与 FP 相比显著提高土壤 pH，平均增加 0.99。汪吉东等^[31]发现在使用有机肥替代化肥氮 25%～50% 时，能够改善土壤 pH 和提高土壤肥力，土壤 pH 上升和酸碱缓冲容量的提高可能与盐基离子和有机质含量随有机肥施用比例上升有关。

3.3 优化施肥和有机肥替代对脐橙生产的碳排放和经济效益的影响

本研究发现，优化施肥配合氮肥替代有机肥在脐橙生产过程中能提升产量和品质、降低温室气体排放、降低生产成本和提高经济效益，其中优化施肥和有机无机配施处理的年均碳排放量较 FP 处理分别下降了 36.16% 和 44.20%、48.10%、 59.23%。这与 Chen 等^[32] 和 Yang 等^[4] 的研究类似，氮肥减量施用和有机肥施用可以减少温室气体的排放，同时发现氮肥对橘园产生的碳足迹贡献率高达 84.6%，在丹棱发现橘园减肥优化处理的温室气体排放与农户常规处理相比减少了 13%～35%。本研究还发现有机无机配施处理较 FP 产投比分别增加 63.64%、51.82% 和 39.70%，利润分别增加 17.72%、17.72% 和 23.86。优化施肥和有机肥在提高果园产量、品质的同时，显著减少碳排放总量、减少化肥成本，优化施肥相比农户常规净利润提高了 12.8% ^[33-34]。

4 结论

重庆奉节脐橙生产中存在长期过量施肥的问题，通过合理降低氮磷钾化肥用量、调整氮磷钾比例，在优化施肥的基础上配合有机肥替代 30% 化肥氮，不仅能够显著提高果树产量，改善果实品质，还能显著降低果园碳排放和提高经济效益。优化施肥、有机替代措施在当地有较大的推广潜力，可以取得较高的经济效益和环境生态效应，有助于柑橘高产高效和绿色发展。

参考文献