肥水蚓坑措施下不同施肥对土壤养分和山地苹果生产的影响

邵发琦, 李改民, 柯 斧, 张文慧, 李 夏,白岗栓, 孙本华, 高明霞, 冯 浩,5,

(1.安康市农业科学研究院, 陕西 安康 725021; 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.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院,郑州 450001; 4.西北农林科技大学 水土保持研究所, 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 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

目前我国苹果产业由原来的四大主产区向苹果优生区发展，逐渐呈现“西进北扩”的趋势[1]。近年来陕北黄土丘陵沟壑区已成为陕西省山地苹果发展的新区域，苹果栽植面积已超过23.1万hm2。陕北黄土丘陵沟壑区山地苹果多栽植于坡地，土壤贫瘠且无灌溉水源，且当地果农重施化肥，轻施有机肥，基肥和追肥比例及施肥时间不合理，尤其是以尿素为主的大量氮肥投入，导致土壤硝态氮向深层土壤迁移并累积，严重污染土壤环境及树体营养平衡[2-3]。果园土壤养分的高低以及施肥状况好坏是决定果园生产力的基本要素，不仅影响树体的健康生长，而且还影响苹果品质和产量[4]。大量研究表明施用化肥可以及时供给作物速效养分，但长期单施化肥会增加土壤容重，降低田间持水量，导致土壤物理性质趋劣[5-7]。采用有机无机肥配施可以结合化肥的速效性和有机肥的长效性，既能够显著提高土壤肥力、水分和养分的保持和供应，同时也能够保证作物产量的提高和品质的改善[8-9]，从而避免长期单施化肥对土壤产生的不良影响[10-11]。许多研究均表明，有机无机肥配施能有效提高苹果产量和果实维生素C含量、果形指数、可溶性固形物含量以及糖酸比，降低果实可滴定酸含量[12-14]。此外，采用有机无机肥配施时，用有机肥或有机固体废弃物代替部分化肥，能够加快养分的快速转化和利用，对于山地苹果达到高产、优质和高效等具有重要意义。

为了解决山地果园水肥供需矛盾，近年来，延安当地推广一种节水施肥技术—肥水坑施[15]，该技术在山地果园保水保肥方面取得了良好的效果，但对园地周边废弃物的利用和快速转化的研究报道较少。在前人的研究和设计基础上，对“肥水坑施”进行较大的优化和改进，通过接种蚯蚓加快有机废弃物的转化，形成具有施肥、集雨、保水和保肥为一体的干旱半干旱区山地苹果园农业固体废弃物原位快速转化的 “肥水蚓坑”技术[16]。基于“肥水蚓坑”技术，本研究探讨不同施肥对山地果园土壤养分、叶片营养、苹果产量和品质的影响，为陕北丘陵沟壑区山地果园可持续发展提供理论依据与实践指导，促使该技术得到进一步推广应用。

1 材料与方法

1.1 试验园基本概况

试验园位于陕北黄土丘陵沟壑区的延安市宝塔区河庄坪镇余家沟村(36°11′—37°09′N，109°21′—110°03′E)，海拔1 300 m。该区属于干旱半干旱季风气候带，年降水量大约为500 mm，春季降雨很少，夏季多暴雨，降水主要集中在7—9月份且年际变化较大，年平均气温为9.4℃，无霜期170～186 d。试验园为典型的山地雨养果园，面积1 500 m2，树龄为25 a(2019年)，品种红富士，砧木为海棠(Malusprunifolia)，株行距4 m×5 m。试验园土壤为黄绵土，0—20 cm土层有机质8.01 g/kg，全氮0.63 g/kg，碱解氮39.13 mg/kg，速效磷11.81 mg/kg，速效钾130 mg/kg；20—40 cm土层有机质6.87 g/kg，全氮0.29 g/kg，碱解氮28.34 mg/kg，速效磷9.36 mg/kg，速效钾109 mg/kg。

1.2 “肥水蚓坑”技术简介

“肥水蚓坑”技术(有机固体废弃物+集水措施+蚯蚓+集雨坑)是一种具有集水、保水、施肥和保肥为一体的干旱半干旱区山地苹果园有机固体废弃物原位快速转化的复合技术[16]。该技术以每棵果树的树干为中心，在果树树冠外缘投影边缘向主干方向20 cm处，东西南北对称各挖一个集雨坑(坑口为长方形，长100 cm、宽40 cm、深60 cm)，在集雨坑中央放置一根带有PVC配套地漏的PVC多孔透水管(管长60 cm，直径11 cm，每个管面设置4排15个透水孔，透水孔直径为1 cm)，在透水管周围填埋调配有机固体废弃物(由秸秆、树枝、菌渣、畜禽粪便等有机固体废弃物中的2种或2种以上组成)，并用回填土在表面进行覆盖压实，集雨坑表面修成凹面状并用加厚型黑色塑料膜覆盖于凹坑面(坑面最深处为10 cm，整个坑面呈凹形)之上，四周边缘部位用土压盖固定，并将PVC多孔透水管的朝上一端露出地面1 cm，每个集雨坑各引种活蚯蚓(品种为赤子爱胜蚓，1.0 kg/棵)，以坑内调配有机固体废弃物为食，加快腐解(图1)。

注：图A为肥水蚓坑正视图；图B为图1A处的向局部放大图；图C为图A俯视图；1.PVC配套地漏；2.黑色塑料膜；3.凹坑面；4.集雨坑；5.调配有机固体废弃物；6.PVC多孔透水管；7.蚯蚓；8.树干；9.树冠投影正下方。

1.3 试验设计

试验共设置5个处理，分别为：(1) 对照不施肥，(2) 单施化肥，(3) 牛粪+化肥,(4) 菇渣+化肥,(5) 牛粪+菇渣+化肥(牛粪：菌渣=1∶1)。所使用化肥分别为尿素(N含量46%)、过磷酸钙(P2O5含量16%)和硫酸钾(K2O含量50%)，有机物料为牛粪(水分含量51.94%，有机碳17.12 g/kg，N 1.69%，P2O50.89%，K2O 0.76%)和菇渣(水分含量65.99%，有机碳38.26 g/kg，N 1.70%，P2O50.51%，K2O 2.12%)，各有机物料按照湿重施100 kg/棵，有机物料和化肥混合均匀施于坑内0～60 cm，有机物料和过磷酸钙作为基肥在秋季一次性施入。由于不同有机物料养分含量差异较大且施用量不能满足果树的正常生长，不足的养分均以单施化肥为标准，用化肥来补齐。化肥中的氮肥和钾肥分2次施用，氮肥和钾肥 60%作为基肥在秋季施入，剩余40%在幼果膨大期以追肥方式施入(表1)。蚯蚓种的投放时间在2020年3月左右，在坑内0—20 cm土层之间，每株树投放蚯蚓大约1.0 kg。选择树势健壮，生长状况一致果树共25株，采用单株小区试验，一个单株为一个小区，每个处理重复5次。不同处理果园的除草、果树修剪、疏花疏果、病虫防治和果实套袋等其他田间管理措施均一致。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤样品的采集与测定 土壤样品在2020年10月苹果成熟期进行采集，在肥水蚓坑内，用土钻分别采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土层土样，分层混合后风干备用。土壤有机质用重铬酸钾容量法(外加热)测定；全氮采用硫酸消煮—凯氏定氮法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用NaHCO3浸提—钼蓝比色法测定；土壤速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定[17]。

表1 不同施肥处理结合肥水蚓坑措施的试验方案

1.4.2 叶片样品的采集与测定 分别在幼果期、果实采前膨大期和成熟期采集苹果叶片，每个处理从树冠东西南北上中下4个方向12处采集100片叶子，混合均匀。采集的叶片分为两部分，一部分用于测定叶片的生长情况，其中叶片干重和湿重采用XY500-2C天平测定；百叶厚用游标卡尺测定；叶面积采用叶面积仪(SHY-150)测定；叶绿素采用便携式叶绿素仪测定。另一部分叶片用于测定叶片养分，叶片先用自来水冲洗，再用蒸馏水清洗，然后置于烘箱在105℃条件下杀青30 min，调节温度至60～70℃条件下直至烘干，用粉碎机磨细过筛，保存备用。叶片全氮、磷、钾使用浓 H2SO4-H2O2消煮，全氮和磷含量采用流动注射分析仪测定，全钾采用火焰光度计测定[17]。

1.4.3 果实样品的采集与测定 苹果成熟后期，每个小区(单株)进行采摘，测定苹果产量。从每棵树的东西南北4个方向随机选取6个大小均匀的苹果样品，用于果实品质的测定。其中果实纵横径用游标卡尺测定；硬度用艾德堡邵氏硬度计测定；可溶性固形物用WYT系列优质糖度计测定；可溶性糖用蒽酮比色法测定；可滴定酸用NaOH滴定法测定；Vc用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定[18]。

1.5 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，p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥对土壤养分的影响

肥水蚓坑措施下，0—20 cm土层，有机无机肥配施(牛粪+化肥、菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)处理的土壤有机质含量显著高于单施化肥和不施肥，单施化肥的与不施肥之间无显著差异。碱解氮、有效磷和速效钾含量均表现为牛粪+菇渣+化肥>牛粪+化肥≈菇渣+化肥>单施化肥>不施肥。20—40 cm土层，有机无机肥配施(牛粪+化肥、菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)处理的土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著高于单施化肥和不施肥，单施化肥与不施肥之间无显著差异。40—60 cm土层，有机无机肥配施(菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)处理的土壤有机质含量显著高于不施肥，牛粪+化肥、单施化肥和不施肥之间无显著差异；碱解氮含量表现为菇渣+化肥和牛粪+菇渣+化肥的显著高于单施化肥和不施肥，单施化肥、牛粪+化肥与不施肥之间无显著差异；各处理的土壤速效磷和速效钾含量均无显著差异(图1)。

2.2 不同施肥对叶片养分的影响

2.2.1 全 氮 对照不施肥和单施化肥处理苹果叶片全氮含量总体表现为幼果期>采前膨大期>成熟期，有机无机配施肥处理总体趋势表现为幼果期>成熟期>采前膨大期。幼果期单施化肥、牛粪+化肥、菇渣+化肥和牛粪+菇渣+化肥的叶片全氮含量分别较对照不施肥提高了37.7%，31.4%，32.0%，45.3%，各施肥处理均显著高于(p<0.05)对照，但不同施肥处理之间无显著差异；果实采前膨大期分别提高了47.8%，34.9%，36.6%，52.4%，均显著高于(p<0.05)对照，且菇渣+化肥和牛粪+菇渣+化肥处理显著高于(p<0.05)单施化肥和牛粪+化肥处理；成熟期分别提高了35.8%，44.3%，49.0%，62.8%，均显著高于(p<0.05)对照，其中牛粪+菇渣+化肥显著高于(p<0.05)其他施肥处理(表2)。

2.2.2 全磷 对照不施肥和单施化肥处理苹果叶片全磷含量总体趋势表现为成熟期>幼果期>采前膨大期，有机无机配施肥处理(牛粪+化肥、菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)总体趋势表现为成熟期>采前膨大期>幼果期。幼果期单施化肥、牛粪+化肥、菇渣+化肥和牛粪+菇渣+化肥的叶片磷含量分别较对照不施肥提高了5.3%，6.8%，7.6%，20.5%，均显著高于(p<0.05)对照，其中牛粪+菇渣+化肥处理显著高于(p<0.05)其他施肥处理；果实采前膨大期分别提高了6.2%，11.6%，13.2%，25.6%，不同处理之间的差异与幼果期相同；果实成熟期分别提高了10.2%，18.8%，19.5%，29.7%，有机无机配施肥处理显著高于(p<0.05)单施化肥处理，单施化肥处理显著高于(p<0.05)对照不施肥(表2)。

注:图中小写字母表示同一土层不同处理间存在显著(p<0.05)差异。

表2 不同处理对山地苹果不同生育期叶片营养的影响 g/kg

2.2.3 全钾 不同处理苹果叶片全钾含量总体表现为幼果期>成熟期>采前膨大期，但对照不施肥处理表现为幼果期>采前膨大期>成熟期。幼果期单施化肥、牛粪+化肥、菇渣+化肥和牛粪+菇渣+化肥的叶片钾含量分别较对照不施肥提高了15.6%，14.6%，18.4%，22.4%，不同施肥处理的叶片全钾含量均显著高于(p<0.05)对照，但不同施肥处理之间无显著差异；果实采前膨大期分别提高了7.0%，13.1%，15.5%，21.4%，成熟期分别提高了17.3%，29.7%，30.3%，33.5%，果实采前膨大期和成熟期有机无机配施肥处理均显著高于(p<0.05)单施化肥，单施化肥显著高于(p<0.05)对照，但有机无机肥配施处理之间无显著差异(表2)。

2.3 不同施肥对苹果叶片生长的影响

不同处理对成熟期叶片百叶厚影响差异不显著。与对照不施肥相比，不同施肥处理均显著增加(p<0.05)了叶面积和比叶重，但单施化肥与有机无机配施肥处理之间无显著差异。施肥均显著增加(p<0.05)了百叶鲜重、和叶绿素含量，单施化肥和有机无机配施肥(牛粪+化肥和菇渣+化肥)处理间无显著差异，但三者均显著低于(p<0.05)牛粪+菇渣+化肥处理。施肥均显著增加(p<0.05)了百叶干重，有机无机配施肥显著(p<0.05)高于单施化肥，但有机无机配施肥处理之间无显著差异(表3)。

2.4 不同施肥对苹果产量和品质的影响

施肥处理的果实硬度和果形指数均略高于对照，相互之间无显著差异。不同施肥处理均显著增加了(p<0.05)果实可溶性固形物含量和维生素C含量，其中牛粪+菇渣+化肥处理维生素C含量显著高于(p<0.05)其他施肥处理。单施化肥可显著提高(p<0.05)果实的可滴定酸含量，而有机无机配施肥处理则与对照不施肥之间无显著差异。不同施肥处理均显著提高(p<0.05)了果实可溶性糖含量，其中牛粪+菇渣+化肥处理显著高于(p<0.05)其他施肥处理。有机无机配施肥处理(牛粪+化肥、菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)糖酸比和产量显著高于单施化肥和对照处理，且牛粪+菇渣+化肥处理最高(表4)。

表3 不同施肥结合肥水蚓坑措施对山地苹果叶片的影响

表4 不同施肥结合肥水蚓坑措施对山地苹果产量和果实品质的影响

3 讨论与结论

土壤肥力的高低是作物是否高产稳产的决定性因素，其中，土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾养分含量作为评价土壤肥力的重要指标[19-20]。苹果作为多年生植物，由于其生长位置固定且根系较深，吸收土壤养分的位置也相对固定，因此，施肥位置、种类、施肥量都会影响果树对养分的吸收利用[21-23]。增施有机肥是有效提高果园土壤肥力和增产的主要措施[24]，本研究通过不施肥、单施化肥、有机无机配施肥比较研究，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量基本表现为表层(0—20 cm)>中层(20—40 cm)>下层(40—60 cm)，有机无机配施效果优于化肥处理，其中牛粪+菇渣+化肥效果最明显，这与张超等[25]和赵佐平等[26]研究结果较为一致，表明菌渣的腐解速率低于牛粪的腐解速率，菌渣在苹果生长后期可以继续补充养分，促进果树生长发育[27]；同时果园树盘下接种蚯蚓可以增加土壤有机质和速效养分的含量[28]，这与吴迪等[29]在设施菜地上施用3种不同的有机物料(商品有机肥、腐熟牛粪、腐熟牛粪+菌渣)接种蚯蚓后，腐熟牛粪+菌渣对提高土壤肥力效果最优研究结果一致，因而本试验各施肥处理均提高了土壤碱解氮和有效钾的含量，其中牛粪+菌渣+化肥处理最好。

叶片作为苹果光合作用和合成养分的主要器官，对树体从外界所吸收的矿质营养最为敏感，氮、磷、钾三大矿质元素作为苹果生长重要的物质基础，对苹果的周年不同生育期生长、发育等一系列生理活动具有十分重要的意义[30]。赵佐平等[26]研究表明，萌芽期单施化肥(NPK)处理叶片N，P，K养分含量高于有机无机肥配施(MNPK)和单施有机肥(M)处理，而果实膨大期至成熟期，有机无机肥配施(MNPK)及单施有机肥(M)处理的叶片N，P，K含量显著高于单施化肥(NPK和PK)处理。陈倩等[31]研究表明，与不施有机肥相比，有机无机肥配施显著提高了单株叶片总氮量，且有机无机肥分次配施的效果要优于有机无机肥一次性配施。本研究结果表明，在苹果树秋季施肥的基础上，次年春季追施化肥，从幼果期到果实成熟期有机无机肥配施(牛粪+化肥、菇渣+化肥、牛粪+菇渣+化肥)优于单施化肥(NPK)处理，其中牛粪+菌渣+化肥处理最好，其主要原因是由于苹果是多年生植物，根系较深且固定，施肥水平、施肥位置和管理措施都会影响树体的生长和发育[21,32]。本研究结合肥水蚓坑措施，蚯蚓的引种会改善土壤结构，分解和转化有牛粪和菌渣等有机固体废弃物，加快土壤养分的循环与转化，提高土壤中磷素的利用率，再加上集雨坑具有收集地表径流和雨水的作用，两者结合形成水肥耦合效应，从而促进果树对养分的吸收和利用，导致苹果叶片矿质营养元素含量的增加[33]。

施肥不仅影响叶片矿质养分含量外，还影响叶片的鲜重、干重、叶面积、厚度、叶绿素含量等方面[13]。评价苹果口感、风味及品质的好坏是受果实硬度、糖酸比和果形指数等指标的综合影响[34]。大量研究表明，有机无机配施肥可以促进果树根系、枝条、叶片等器官的生长和养分的吸收[14-15,35]。本研究结果表明，各施肥处理均提高了叶片鲜重、干重、叶面积、叶绿素含量，有机无机配施肥效果均优于单施化肥，施用牛粪+化肥和菌渣+化肥两者效果相当，但施用牛粪或菌渣没有两者混合(牛粪+菌渣+化肥)施用效果好，这与吴迪等[29]人研究结果基本一致。在肥水蚓坑措施下，施用牛粪+化肥和菌渣+化肥对果实品质影响总体一致，且牛粪+菌渣+化肥处理对提高果实品质和产量效果最优。产生这些结果的原因可能包括以下几方面：(1) 苹果在生长初期，养分消耗较少，随着生育期的进行，菌渣同牛粪的作用相似，可以作为有机肥料为后期苹果的生殖生长作为养分的补充[27]；(2) 蚯蚓作为土壤生态系统的工程师，可以促进土壤养分循环、改善土壤物理结构，生成的蚯蚓粪和一些分泌物可以增加果树对养分的吸收和利用，弥补有机肥缓效的特点[36]，在施肥坑内接种的蚯蚓，以牛粪和菌渣为食，经过蚯蚓的消化系统，在体内多种酶的作用下，牛粪和菌渣可以迅速分解、转化成为蚯蚓自身或其他土壤生物易利用的营养物质，而这些营养物质为菌渣中大量的有益微生物生长提供良好的环境。(3) 肥水蚓坑措施的应用，可以减少地表径流量，广泛收集雨水，达到以水调肥，水肥耦合，加强了土壤蓄水保墒的能力，另外，食用菌渣相对牛粪较疏松，可以改善土壤物理结构和持水性能，从而增加果树对土壤养分和水分的充分利用，另外，食用菌渣相对牛粪较疏松，还能改善土壤结构[27]。

综上，“肥水蚓坑”结合有机无机肥配施可以减少化肥的施用，提高土壤养分含量，确保苹果提质增产，牛粪+菇渣+化肥(牛粪：菇渣=1∶1)是山地苹果提质增产的优质管理模式，值得在陕北黄土丘陵沟壑区山地果园推广应用。