山地果园“肥水蚓坑”有机肥替代化肥的效应研究

王建平，邵发琦，高明霞，孙本华，冯浩,5,6

(1.陕西省延安市宝塔区果业局，陕西延安 716000；2.西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北旱地农业绿色低碳重点实验室，陕西杨凌 712100；3.安康市农业科学研究院，陕西安康 725021；4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；5.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；6.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

陕北黄土高原丘陵沟壑区是陕西省山地苹果重要产区，是苹果的优生区，近年来苹果发展较快。但该区域土壤疏松，保水保肥性差，肥力低，养分匮乏。长期以来重施化肥，轻施有机肥，易造成土壤结构恶化，持水性能降低[1，2]，苹果树体非正常发育和“大小年”现象频发[3]。严重影响到苹果产业的健康、绿色、高效可持续发展。提高山地果园土壤肥力是解决山地苹果产业发展问题的重中之重。

研究表明，长期单纯施用化肥，会增加土壤容重，降低田间持水量，导致土壤性质恶化[4-6]。施用有机肥可以改善土壤的结构和性质，提高水分养分的保持和供应能力。但有机肥中的氮磷钾等大量营养元素养分含量相对较低，单施有机肥在果树生长发育关键时期养分供应往往不能及时满足，会造成产量降低[7-9]。有机无机肥配合施用可以达到优势互补，既能够保持元素的多样性，又能满足果树的需求量，保证产量和品质[10,11]。许多研究表明，有机无机肥配施能有效提高果实维生素C含量、可溶性固形物含量以及糖酸比，降低可滴定酸含量[12-15]。

“肥水坑施”技术是近年来陕西延安山地果园推广和应用的一项节水技术[16，17]，在其基础上进一步改进，通过接种蚯蚓加快有机废弃物转化，形成集施肥、集雨、保水和保肥为一体的干旱半干旱区山地苹果园 “肥水蚓坑”技术[18]。基于“肥水蚓坑”技术，笔者探讨了不同施肥对山地果园土壤肥力、水分分布和储量、苹果产量和品质的影响，为该技术的进一步推广应用提供参考。

1 试验地概况

试验地点位于延安市宝塔区河庄坪镇余家沟村(北纬36°11'～37°09' ，东经109°21'～110°03' )。为黄土丘陵沟壑区，黄绵土(Loessial soil)，疏松多孔，透水性良好。0～20 cm土层的土壤有机质8.01 g/kg，全氮0.63 g/kg，碱解氮39.1 mg/kg，有效磷11.8 mg/kg，速效钾130 mg/kg。果园面积1 500 m2，栽植红富士，砧木海棠(Malusprunifolia)，栽植密度450 株/hm2。树龄25年生。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

尿素，N≥46.0%(陕西陕化煤化工集团有限公司)，过磷酸钙，有效P2O5≥16.0%(云南云天化国际化工股份有限公司)，硫酸钾，K2O≥50.0%(山东海化股份有限公司)；有机废弃物，含有机碳38.3%、全N 1.70%、P2O50.51%、K2O 2.12%、水分66.0%(当地食用菌菌渣)。

蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)成蚓。

2.2 试验设计

试验设置2个施肥处理和对照，如表1。处理①MF有机废弃物替代部分化肥。基肥施入湿菌渣每株100 kg，其中的N、P2O5和K2O纯量分别为0.58 kg、0.17 kg、0.72 kg)，施入化肥的N、P2O5、K2O纯量分别为每株0.49 kg、0.33 kg、0.41 kg；蚯蚓投入量处理和对照均为每株250 g；追肥施入化肥的N、P2O5、K2O纯量分别为每株0.33 kg、0 kg、0.27 kg。处理②CF单施化肥，常规施肥量[16]。基肥施入化肥的N、P2O5、K2O纯量分别为每株0.84 kg、0.50 kg、0.84 kg；追肥施入化肥的N、P2O5、K2O纯量分别为每株0.56 kg、0 kg、0.56 kg。对照CK为不施肥。

试验选择树势健壮，生长状况一致果树进行。每处理和对照均为单株小区，重复3次，田间随机区组排列。

处理①各养分(N、P2O5和K2O)的有机替代率计算：

有机替代率(%)=施入的有机废弃物的养分量/施入的总养分量×100。经计算可得，N的有机替代率为41.4%，磷为34.0%，钾为51.4%。

表1 每株不同处理的养分施用量

2.3 试验方法

肥水蚓坑技术，处理和对照每株树均以树干为中心，沿树冠投影外缘向内挖坑，坑长100 cm、宽40 cm、深60 cm，每株树挖坑4个，东西南北向各1个。坑中央放置1个直径11 cm、长60 cm的PVC透水管，管面排布透水孔 4排60孔，孔径1 cm。

2019年10月施基肥，处理和对照坑内均放入透水管。处理透水管的周围填入挖出土与相应基肥的混合物，对照CK透水管的周围只回填挖出的土，透水管上口盖地漏盖。坑表面呈凹面状，覆盖加厚的黑色塑料膜，四周用土压实[18]。2020 年3月20日投放蚯蚓，每坑250 g。揭开坑上覆盖的黑色塑料膜，将蚯蚓撒在坑表面，盖好黑色塑料膜。2020年7月果实膨大期追肥，揭开透水管上的地漏盖，施入肥料后再将地漏盖盖好。处理与对照的其他管理相同。

2.4 样品采集与指标测定

土壤肥力指标测定：2020年10 月苹果成熟期采集土壤样品。由肥水蚓坑向树干方向15 cm 处用土钻分别钻取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三个土层的土样，分别混合，运回实验室，风干备用。

土壤基本理化性质的测定参照土壤农业化学分析方法[19]。测定土壤有机碳采用重铬酸钾容量法(外加热)；全氮采用硫酸消煮-凯氏定氮法；有效磷采用NaHCO3浸提-钼蓝比色法；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法。

土壤含水量测定采用烘干法。于2020年7月(膨果期)采集土壤剖面土样，取样深度2 m，共20 层，每层10 cm，采样装袋密封待测。

苹果产量和品质指标测定。苹果成熟后期，各小区(单株)的东西南北4个方向随机选取6个长势均匀的苹果装箱，运回实验室测定果形指数(游标卡尺法)、果实硬度(硬度计)、可溶性固形物含量(糖度计)、可溶性糖含量(蒽酮比色法)、Vc含量(2,6-二氯靛酚法)、可滴定酸含量(0.1 mol/L NaOH滴定法)。分别采摘，测定株产量、单果重。

2.5 数据分析和统计

使用Excel进行数据计算和作图，使用SPSS软件进行单因素方差分析和多重比较(LSD法)。

3 结果与分析

3.1 不同施肥对土壤肥力的影响

在0～20 cm土层，处理①有机替代的土壤有机质含量(12.61 g/kg)显著高于处理②单施化肥(9.29 g/kg)和对照CK不施肥(8.24 g/kg)，处理②与对照CK间无显著差异。处理①的碱解氮(62.1 mg/kg)、有效磷(20.4 mg/kg)、速效钾(183 mg/kg)含量均显著高于处理②(52.6 mg/kg、15.4 mg/kg、151 mg/kg)和对照CK(40.4 mg/kg、12.2 mg/kg、132 mg/kg)，处理①也显著高于对照CK。

在20～40 cm土层，处理①的土壤有机质含量(10.49 g/kg)、碱解氮(46.5 mg/kg)、有效磷(15.1 mg/kg)和速效钾(148 mg/kg)均显著高于处理②(8.25 g/kg、38.8 mg/kg、12.5 mg/kg、124 mg/kg)和对照CK(7.58 g/kg、33.1 mg/kg、10.1 mg/kg、112 mg/kg)，处理②与对照CK的各成分间无显著差异。

在40～60 cm土层，处理①土壤有机质含量(8.81 g/kg)显著高于对照CK(6.83 g/kg)，与处理②(7.30 g/kg)无显著差异。处理①碱解氮(31.1 mg/kg)显著高于处理②(28.9 mg/kg)和对照CK(25.5 mg/kg)。处理①和②的有效磷含量(7.6、7.3 mg/kg)与对照CK(7.6 mg/kg)间无显著差异。处理①的速效钾含量(112 mg/kg)显著高于处理②(78 mg/kg)和对照CK(75 mg/kg)，处理②与对照CK无显著差异。

表2 不同处理0～60 cm剖面的土壤养分含量

3.2 不同施肥对土壤水分的影响

在0～200 cm土层，不同处理的含水量分布存在明显差异。0～100 cm土层，各处理土壤含水量差异较大，且处理①和②各层次的土壤含水量显著高于对照CK；100～200 cm土层，土壤含水量差异较小(图1)。0～200 cm剖面土壤含水量平均值表现为处理①(15.4%)>处理②(13.2%)>对照CK(10.8%)，处理①和②分别比对照提高了42.6%和22.2%。差异显著。

不同处理的0～200 cm剖面土壤储水量差异显著(P<0.05)，表现为处理①(450.7 mm)>处理②(407.6 mm)>对照CK(320.4 mm)，处理①和②分别比对照CK提高了40.7%和27.2%。

3.3 不同施肥对苹果产量和品质的影响

如表3，苹果产量，处理①(47.3 t/hm2)与处理②(46.1 t/hm2)间无显著差异，但均显著高于对照CK(38.5 t/hm2)。果实硬度，处理(7.22、7.10 kg/cm2)和对照(6.98 kg/cm2)间均无显著差异。果形指数，处理(0.87、0.86)和对照CK(0.85)间也无显著差异。可溶性固形物含量(15.58%、13.82%、11.84%)，可溶性糖含量(13.58%、12.46%、10.33%)，维生素C含量(52.7、51.3、41.4 g/kg)，3个指标均是处理①和处理②间无显著差异，而都显著高于对照CK。可滴定酸含量，处理②CF(0.41%)显著高于处理①MF(0.38%)和对照CK(0.38%)，处理①与对照CK间无差异。糖酸比，处理①(35.4)显著高于处理②(30.7)和对照CK(27.2)，而处理②与对照CK间无显著差异。

图1 不同处理土壤剖面水分分布和储量

表3 不同处理的苹果产量和品质

4 小结与讨论

土壤肥力的高低是作物能否高产稳产的决定性因素，土壤有机质、速效氮、磷、钾养分是评价土壤肥力的重要指标[20，21]。陕北黄土高原丘陵沟壑区黄绵土的有机质含量低，长期以来农户重施化肥而轻施有机肥，造成土壤贫瘠，养分不均衡。增施有机肥提高果园土壤肥力，是保证苹果提质增产的重要途径之一[13,15,22]。本研究结果表明，有机替代部分化肥提高土壤肥力的效果优于单施化肥，更高于不施肥的，这与赵佐平等[10]和张超等[23]研究结果一致。

采用化肥平衡施用，能够满足苹果对大量营养元素的需求和保证产量[10，11]。单施有机肥的苹果产量明显低于氮磷钾肥配施[10,24]，有机无机肥配施效果较好，一方面，化肥能够迅速提供果树所需的氮磷钾养分，另一方面，有机肥具有长效缓释养分的特点，可促进苹果各生育期均衡吸收和充分利用土壤中的各种矿质营养，此外，有机物在腐解过程中可释放有机酸，提高土壤中部分养分溶解性和作物可利用性[25]。利用有机废弃物菌渣替代了41.4%的尿素、34.0%的过磷酸钙和51.4%的硫酸钾，这对于实现化肥零增长以及化肥减施增效等国家行动具有重要的推动作用和积极意义。

施肥与否对苹果硬度和果形指数无显著影响，但施肥处理可显著提高果实的可溶性固形物、可溶性糖和维生素C含量，即使是单纯施用化肥也比不施肥改善苹果的部分内在品质。单施化肥的可滴定酸含量显著高于不施肥和有机替代，单施化肥的糖酸比与不施肥无显著差异，但显著低于有机替代，表明有机替代在降低可滴定酸和提高糖酸比方面效果较好，这与许多研究结果相一致[10，11，13，14]。

本研究采用的集雨和土壤培肥复合技术“肥水蚓坑”[18]，与“肥水坑施”技术一样，可将降水收集并保蓄在果树根系周围[16，17]。研究结果表明，“肥水蚓坑”措施下，有机替代处理明显提高了土壤持水和蓄水保墒性能，水肥的耦合作用促进了果树对土壤养分和水分的充分利用[26]。并且接种蚯蚓加速了有机废弃物的转化，跳过有机废弃物的堆肥过程，不仅能减少堆腐过程产生的环境问题，还可以节约有机废弃物处理成本。

综上，黄土高原丘陵沟壑区山地果园，“肥水蚓坑”结合有机替代可减少化肥的施用，提高土壤肥力和保水性能，实现水肥耦合，保证苹果产量和提高品质，是一种优化的集水和施肥技术措施，对于山地果园实现化肥减施和可持续发展具有重要作用。