微生物肥料对贺兰山东麓土壤盐渍化特征及酿酒葡萄品质的影响

程昱润,肖国举,毕江涛,刘 鹏,王 静

(1.宁夏大学农学院,银川 750021;2.宁夏大学生态环境学院,银川 750021;3.西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地,银川 750021)

【研究意义】宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄产区因独特的地理环境与气候特征使该地区成为种植优质酿酒葡萄的主栽产区[1-3],其位于酿酒葡萄种植的“黄金地带”,是我国酿酒葡萄最大的集中连片产区。土壤的环境对酿酒葡萄的生长有重要的影响。贺兰山东麓葡萄产区土壤 C、N、P含量水平整体不高,在全国属于中下水平[4]。其土壤类型以灰钙土为主,并包含风沙土、灌淤土、淡灰钙土、砾质砂土和少量灰漠土等多种土壤类型,该地区土壤有机质含量低且pH一般大于8.5,各种营养元素亏缺,土壤贫瘠。另一方面,由于果农盲目施肥的现象比较普遍,对施肥量无法正确把控,导致土壤理化性质变差,如:土壤硬化、不合理耕作灌溉而造成土壤盐渍化等问题[5-7],盐渍化土壤较差的结构性、透气以及透水性,严重影响酿酒葡萄生长及农业生产的可持续发展[8]。目前,关于施用微生物肥料修复改良盐渍化土壤的研究不断增加,微生物肥料包含较多有机质和有益微生物,是改良盐碱土壤的有效方法。【前人研究进展】微生物肥料中富含大量的有机物质可以分泌有机酸,可以改良盐渍土较差的理化性质,提高土壤酶活性[9],同时微生物肥料可以抑制土壤积盐,提高土壤肥力,改善土壤微生态系统,对改良盐渍化土壤有积极作用。卢建男等[10]和汪立梅等[11]研究发现,微生物肥料能降低土壤全盐含量,提高盐渍土有机质、有效养分含量及土壤蔗糖酶、过氧化氢酶等酶活性。于占东等[12]研究认为,在土壤中增施微生物菌剂可降低土壤全盐含量,改善土壤微生物系统。刘璐等[13]发现施用微生物肥料可以改善葡萄种植土壤的理化性质,降低土壤容重、增加孔隙度,速效钾、碱解氮与有机质含量均有不同程度提高。陈国品等[14]研究表明,生物有机肥与化肥配施可增加葡萄单穗重、果实单果重和可溶性固形物含量,降低可滴定酸含量,提高品质、产量和经济效益。胡诚等[15]研究显示,微生物肥料的施入可以显著影响土壤酶活性,能有效提高土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶等酶的活性。姜莉莉等[16]研究指出,在葡萄发芽期,施用生物有机肥部分替代和完全替代化肥,能够显著提高葡萄果实的着色度和可溶性固形物含量,同时对葡萄的裂果率、病果率和土壤全盐含量有显著降低的作用,能有效改善酿酒葡萄品质。王婧等[17]通过试验证明,施用微生物肥料产品可降低土层盐分含量,改善土壤微生态系统,增加土壤微生物数目,还可以促进土壤细菌和放线菌的繁殖。张朝轩等[18]研究表明,葡萄种植土壤在施用微生物肥料后能够提高土壤微生物群落多样性,使细菌、真菌、放线菌等数量增加,从而改善土壤理化性质,提高土壤肥力。【本研究切入点】鉴于微生物肥料对盐渍化土壤具有改良潜力,经由盐渍土中筛选出功能微生物,制备微生物肥料并应用于盐渍化土壤改良,可为贺兰山东麓产地酿酒葡萄种植合理施肥以及土壤培肥改良提供依据。目前,关于微生物菌肥对酿酒葡萄品质和产量的研究较多,但是,酿酒葡萄种植地盐渍土的培肥和改良及培肥改良后对果实品质的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究以酿酒葡萄“梅鹿辄”种植地盐渍化土壤为研究对象,分析不同微生物肥料对盐渍化土壤理化性状及酶活性的影响,揭示微生物肥料作用下土壤理化性质和酶活性与酿酒葡萄品质的相互关系,筛选出适宜该地区的微生物肥料,以期为宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄盐渍化土壤的改良和葡萄产业的永续发展提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2020年在宁夏省银川市园林场(38°39′18″ N,106°9′50″ E)进行,试验地属于贺兰山洪积扇三级阶梯,成土母质以洪积物为主。该地区为中温带干旱气候,气候特点为典型的大陆性,降雨量少,光照较为丰富,年均日照数2800 h以上。年均气温8.8 ℃,昼夜温差在10～15 ℃,无霜期160～170 d,年均降水量198 mm。试验地土壤质地松软,透气性好,但土壤相对贫瘠,土壤富含砾石,有机质含量低,pH 8.5以上,各种营养元素亏缺严重。

1.2 试验材料与试验设计

供试材料酿酒葡萄品种为“梅鹿辄”。为确保肥料尽可能得充分利用,所有肥料分3次施入。首次为4月中旬,在葡萄行两侧30 cm处开宽20 cm、深40 cm的施肥沟,施入量占总量一半,施入后覆土。接着为5月中旬葡萄开花后,施入所有肥料的1/4,施肥方式同上。最后为7月中旬葡萄开始着色后,施入所有肥料的1/4,施肥方式同上。在9月下旬葡萄收获时采集不同施肥处理区域葡萄果实样品和0～20和20～40 cm的土壤样品。

采用多因素随机区组设计,行长80 m,行距3.0 m,株距0.7 m。各处理小区12株,均选健康且长势较一致植株,前后设保护株。参照肥料合理使用准则微生物肥料(NY/T 1535—2007)设置试验,共设置9个处理,每个处理重复3次。施肥方式为距葡萄行两侧30 cm处开施肥沟。所有处理均采取滴灌的灌溉方式,田间管理及栽培措施一致。不同类型微生物肥料的田间试验设计方案如下。

试验分为9个处理,T1为不施肥,T2为常量化肥(磷酸二铵28.5 kg/667 m2),T3为生物有机肥(灭活)+减量施肥、T4为生物有机肥+减量施肥,T5为粉末微生物菌剂+常量施肥,T6为粉末微生物菌剂(灭活)+常量施肥,T7为液体微生物改良剂(灭活)+常量施肥,T8为液体微生物改良剂+常量施肥,T9为市售有机肥(其中常量施肥为磷酸二铵28.5 kg/667 m2;减量施肥为磷酸二铵14.25 kg/667 m2+生物有机肥100 kg/667 m2)。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤样品的采集与测定 于葡萄收获时采集土样,每个处理随机选取5处肥力均一的地块,先将土壤表层的杂物去除,采用土钻采集距离树体20 cm处土层0～20和20～40 cm的土壤样品,混合均匀后用四分法弃去多余部分,留500～1000 g装入自封袋带回实验室。土样去除杂物后将土样风干后过1 mm筛用于测定土壤理化性质以及土壤酶活性。

pH计测定pH;电导率仪测定全盐。EDTA滴定法测定钙镁离子;火焰光度法测定钾钠离子;双指示剂滴定法测定碳酸根、碳酸氢根离子;AgNO3滴定法测定氯离子;EDTA间接铬合滴定法测定硫酸根离子。钠吸附比法计算碱化度。高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶;3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶。

1.3.2 酿酒葡萄的采集与品质测定 葡萄收获时,每个处理随机选取5株。采集同一部位果穗,选择适量大小均一果实压碎、过滤测定品质。

NaOH滴定法测定可滴定酸含量;直接滴定法测定还原糖含量。选取适量果实用超纯水洗净去籽、烘干、粉碎、过筛,采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定微量元素。

1.3.3 酿酒葡萄产量测定 单株产量由每个处理随机采取12株果实计算平均值得出。其产量为小区总株数与单株产量的乘积。

1.4 数据处理及分析

试验数据以Excel 2016软件整理,采用SPSS 22.0软件进行统计分析,用Origin 2021、Canoco 5.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同微生物肥料对土壤盐渍化特征的影响

2.1.1 不同微生物肥料对土壤盐碱特征的影响 土壤pH能够反应土壤的碱化程度,从表1可以看出,在不同土层上不施肥处理的pH最高,土壤pH大于8.5属于强碱性土壤,化肥施用对土壤的pH影响不显著。生物有机肥和灭活微生物菌剂能在一定程度上降低土壤pH,在0～20与20～40 cm土层,灭活微生物菌剂处理较对照分别降低1.42%和0.67%,生物有机肥处理较对照分别降低1.1%和0.2%,说明灭活微生物菌剂对于降低土壤pH效果最好。

表1 不同微生物肥料对土壤盐渍化特征及酶活性的影响Table 1 Effects of different microbial fertilizers on soil salinization and enzyme activities

土壤盐分由各种可溶性盐离子组成,根据种类不同,盐分离子的组成具有明显差异,其组成决定土壤脱盐的难易程度。通过土壤中八大离子含量来明确盐分的种类,从而分析土壤的盐碱状况。由表1可知,灭活生物有机肥处理下的全盐含量与其他处理有显著差异,大部分盐基离子累积到表层土壤。在0～20和20～40 cm土层,生物有机肥处理较对照分别降低9.11%和10.00%;液体微生物改良剂处理较对照分别降低5.52%和10.67%,说明生物有机肥与液体微生物改良剂处理能使土壤全盐含量有所降低,其中生物有机肥的效果更好。

碱化度是盐渍土分类、利用和改良的重要参考指标。一般把碱化度>20%定为碱土,5%～20%定为碱化土(15%～20%为强碱化土,10%～15%为中度碱化土,5%～10%为轻度碱化土)[19]。由表1可知,化肥处理和灭活微生物菌剂处理下的土壤碱化度偏高,在0～20和20～40 cm土层,灭活液体微生物改良剂处理下碱化度较对照分别降低24.4%和8.3%;液体微生物改良剂处理下碱化度较对照分别降低16.7%和18.3%,说明在不同土层灭活液体微生物改良剂和液体微生物改良剂对降低碱化度都有一定效果,整体来看液体微生物改良剂效果更好。

图1 不同微生物肥料对土壤盐分离子的影响Fig.1 Effects of different microbial fertilizers on soil salt ions

2.1.2 土壤主要可溶性盐离子组成与全盐量相关性分析 土壤全盐代表的是离子总量,不能反映个别离子的浓度变化情况。因此,建立全盐量与八大离子浓度间的关系,可以反映各离子浓度的变化与全盐量的关系,离子间的浓度相关性分析也可以揭示土壤离子的来源。不同土层土壤可溶性离子浓度与全盐量的相关性如表2～3所示,在20～40 cm土层上,Ca2+与Mg2+、Na+与Cl-在0.01水平上呈显著正相关,以Cl-和Na+浓度的相关性为最好。

表2 0～20 cm土壤可溶性离子浓度和全盐量的相关性Table 2 Correlation between soluble ion concentration and total salt content in 0-20 cm soil

表3 20～40 cm土壤可溶性离子浓度和全盐量之间的相关性Table 3 Correlation between soluble ion concentration and total salt content in 20-40 cm soil

图2 土壤主要离子组成Piper图Fig.2 Piper diagram of soil main ion composition

2.2 不同微生物肥料对土壤酶活性的影响

土壤酶(如过氧化氢酶、蔗糖酶等)作为土壤中最活跃的有机成分之一,在各种生化反应过程中均有参与。其不仅是土壤肥力高低的评价指标,还是土壤环境质量及生态系统变化的敏感指标。由表1可知,液体微生物改良剂处理下的土壤过氧化氢酶含量增长最显著,在0～20和20～40 cm土层较对照分别增长4.72%和1.38%,化肥处理与灭活液体微生物改良剂处理下的过氧化氢酶含量最低,说明液体微生物改良剂对提高土壤过氧化氢酶含量效果理想。在0～20 cm土层,灭活微生物菌剂处理下的土壤蔗糖酶含量增长最显著,较对照增长34.2%;在20～40 cm土层,灭活生物有机肥处理对土壤蔗糖酶含量的影响程度最显著,较对照增长7.3%,其他各处理蔗糖酶含量较对照(CK)处理较低。说明在不同土层,灭活微生物菌剂与灭活生物有机肥能提高土壤蔗糖酶含量,其中灭活微生物菌剂对提高土壤蔗糖酶含量效果更好。

2.3 不同微生物肥料对酿酒葡萄产量的影响

不同微生物肥料对酿酒葡萄平均单粒重及单穗重的影响不同,由表4可知,市售有机肥处理的平均单粒重和平均单穗重略低于对照,其他处理均高于对照,其中灭活生物有机肥和生物有机肥处理与对照之间的差异显著。施肥可增加酿酒葡萄产量,灭活生物有机肥处理和灭活液体微生物改良剂处理的增产效果最显著,分别较对照增加10.2%和11.2%。灭活微生物菌剂处理和市售有机肥处理较对照有略微的减产,分别较对照降低2.9%和1.2%。其他处理较对照均有不同程度的增产。

表4 不同微生物肥料对酿酒葡萄产量的影响Table 4 Effects of different microbial fertilizers on the yield of wine grape

2.4 不同微生物肥料对酿酒葡萄品质的影响

施肥可以提高酿酒葡萄还原糖以及微量元素的含量,对于降低可滴定酸含量也有一定效果。由表5可知,各施肥处理下葡萄还原糖含量较对照(CK)处理均有不同程度增长,生物有机肥处理下葡萄还原糖含量增长最显著,较对照增加43.3%,对照(CK)处理下葡萄还原糖含量最低,说明生物有机肥对于提高酿酒葡萄还原糖含量效果最好。各施肥处理下葡萄可滴定酸含量较对照均有所降低,其中液体微生物改良剂处理下葡萄可滴定酸含量降低最显著,较对照降低27.5%,说明液体微生物改良剂对于降低酿酒葡萄可滴定酸含量效果最好。灭活微生物菌剂处理和灭活液体微生物改良剂处理下葡萄Na含量较对照(CK)处理分别降低24.3%和22.7%,其他处理较对照(CK)处理均有不同程度增长。生物有机肥处理和灭活液体微生物改良剂处理下葡萄K含量较对照(CK)处理分别降低2.9%和11.7%,其他处理较对照(CK)处理均有所增长。灭活生物有机肥处理下葡萄Ca含量较对照(CK)处理增长3.4%,其他处理均低于对照(CK)处理,粉末微生物菌剂处理和灭活微生物菌剂处理较对照(CK)处理则显著降低。灭活生物有机肥处理下葡萄Mg含量为各处理最高,但Fe含量为各处理最低。灭活液体微生物改良剂处理下葡萄Mg含量最低,生物有机肥处理下葡萄Fe含量最高。对照(CK)处理下葡萄Zn、Cu、B含量为各处理最低,粉末微生物菌剂处理下葡萄Cu、B含量为各处理最高,分别较对照增长60.8%和129.9%。灭活微生物菌剂处理下葡萄Al、Sr含量为各处理最高,分别较对照增长441.8%和51.0%。

表5 不同微生物肥料对酿酒葡萄品质的影响Table 5 Effects of different microbial fertilizers on wine grape quality

2.5 基于主成分分析不同微生物肥料对宁夏贺兰山东麓土壤盐渍化特征及酿酒葡萄品质的影响

通过主成分分析不同微生物肥料对土壤性状及酿酒葡萄品质的影响差异(图3)发现,20～40 cm土层全盐与pH对酿酒葡萄品质及产量的影响较高,同时酿酒葡萄的还原糖含量和可滴定酸含量与土壤理化性质及酶活性的相关性较高而产量较小,说明土壤理化性质及酶活性对酿酒葡萄品质的影响更显著。此外,0～20 cm土层过氧化氢酶与还原糖含量的相关性较高,说明过氧化氢酶的提高能同时影响葡萄还原糖含量。进一步结合土壤理化指标与酿酒葡萄品质及产量指标分析说明,生物有机肥处理较对照在0～20和20～40 cm土层全盐含量分别降低9.11%和10%,pH分别降低1.1%和0.2%,土壤过氧化氢酶含量分别提高1.89%和1.38%。生物有机肥处理下葡萄还原糖含量最高,较对照增加43.3%,Fe含量最高,较对照增加60.6%,产量较对照提高8.9%。除此之外,微生物菌剂对于降低土壤pH与提高土壤酶活性有较好的效果,对于盐渍化土壤的改良可以深入研究。

3 讨 论

随着贺兰山东麓酿酒葡萄产业的大力发展,在酿酒葡萄种植过程中,由于对肥料施用无法正确把控以及较差的土壤环境状况,导致葡萄的产量和品质与国外相比仍然存在较大的差距[20-22]。过量投入化学肥料是加速设施土壤盐渍化程度的主要原因之一[23],不利于酿酒葡萄产业的可持续性发展。针对以上问题,微生物肥料与化肥配施是一项有效的解决方法,微生物菌肥能使土壤微生态趋于平衡,改善理化性质和养分状况,提高酿酒葡萄土壤酶活性,促进酿酒葡萄生长,提高产量和改善品质[24-25]。同时,有机肥富含有机质及多种果树所需的营养元素,合理施用有机肥可以增加葡萄产量,提高葡萄品质[26-29],并有效改善土壤生态环境,提高肥料的利用率[30-33]。

TS.全盐;IT.蔗糖酶;CAT.过氧化氢酶;TA.可滴定酸;WR.产量;RS.还原糖TS.Total salt;IT.Sucrase;CAT.Catalase;TA.Titratable acid;WR.Output;RS.Reducing sugar图3 PCA分析不同微生物肥料处理下酿酒葡萄产量及品质与土壤性状因子的关系Fig.3 PCA analysis of the relationship between wine grape yield and quality and soil property factors under different microbial fertilizer treatments

土壤理化性质对土壤肥力的评判具有重要依据,在土壤中添加有特殊功能的微生物菌肥能有效提高土壤营养元素,从而改善土壤肥力。研究表明,生物有机肥施用较长时间可以显著提高土壤肥力[34]。本研究得出,生物有机肥和灭活微生物菌剂处理能有效降低土壤pH,同时生物有机肥和液体微生物改良剂能显著降低土壤全盐含量。

土壤酶来源于土壤动植物活体或残留物及土壤微生物,其活性大小可以体现土壤肥力高低。在0～20和20～40 cm土层,灭活微生物菌剂和灭活生物有机肥处理对土壤蔗糖酶含量分别较对照提高34.2%和7.3%。

酿酒葡萄还原糖、可滴定酸是评价果实品质的主要指标,是果实成熟度的重要标志。且葡萄喜钾,对钙镁的需求也较高。施肥有利于酿酒葡萄还原糖的积累,同时降低可滴定酸含量。通过本研究发现,生物有机肥处理下葡萄还原糖含量最高,较对照增加43.3%;液体微生物改良剂处理下葡萄可滴定酸含量最低,较对照降低27.5%。同时,灭活生物有机肥处理下葡萄Ca、Mg含量增长最显著,分别较对照(CK)增加3.4%和31.1%。

王其传等[35]及张志刚等[36]研究表明,微生物肥料能有效改善土壤理化性质,调节土壤微生态平衡,促进作物生长、增加产量。生物有机肥不仅对提高酿酒葡萄的品质效果显著,能显著提高葡萄还原糖以及部分微量元素的含量;与化肥配施还能达到增产的效果。由于微生物肥料肥效较缓,单施的增产效果没有配施化肥明显。因此在生物有机肥基础上配施化肥有助于促进植株生长,增加可溶性糖含量,降低总酸,由此改善果实的品质[37-38]。

生物有机肥是一种兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。在贺兰山东麓的贫瘠土壤上,生物有机肥与化肥配施能改善土壤环境,降低土壤pH和全盐含量,提高土壤培肥和改良能力。其原因一方面是由于微生物肥料含有大量功能微生物,施入土壤后会分泌酸性代谢物质与土壤中的碱中和,由此降低土壤盐碱度;更主要是因为微生物肥料中丰富的有机质与有益微生物,能够驱使土壤有机物质分解,参与物质循环过程[39],在改善土壤环境的同时提高果实品质和产量,在保证经济效益的同时能够实现贺兰山东麓酿酒葡萄产业的可持续发展。

4 结 论

(1)生物有机肥对降低土壤pH与全盐均有一定效果,在0～20和20～40 cm土层分别降低1.1%和0.2%,9.11%和10.0%,土壤过氧化氢酶含量分别提高1.89%和1.38%。同时生物有机肥处理下葡萄还原糖含量最高,较对照增加43.3%,产量较对照提高8.9%,同时对部分微量元素的提高也效果显著,尤其Fe含量最高,较对照增加60.6%。

(2)灭活的液体微生物改良剂、生物有机肥、微生物菌剂对降低土壤八大离子含量均有一定效果。对于酶活性的提高,灭活微生物菌剂效果较显著。

(3)土壤盐离子类型以及与全盐量相关性分析表明,该研究区土壤主要以氯化盐与钠盐为主,且Na+与Cl-能很好的反映土壤盐分浓度变化情况。

(4)在宁夏贺兰山东麓的盐渍化土壤上,不同微生物肥料对土壤培肥和改良效果显著,尤其以生物有机肥配施减半化肥效果表现最佳。