化肥有机肥配施对土壤性质、樱桃果实品质和产量的影响

岳宗伟,李嘉骁,孙向阳,*,刘国梁,李素艳,王晨晨,查贵超,魏宁娴

(北京林业大学 a. 林学院,森林培育与保护教育部重点实验室;b. 水土保持学院,北京 100083)

化肥具有肥效好、价格低廉、施用方便等优点,果农为了追求更高的经济效益,往往会选择加大化肥的施用量,但过量的化肥施入会导致土壤退化[1-3],以及环境污染等问题[4-5]。有机肥可以改良土壤结构,改善作物品质[6-7],提高土壤微生物和酶活性[8];但若有机肥施用比例过高,可能会由于速效肥力不足而导致果树减产和果实品质下降,同时也有引致土壤重金属含量超标[9]和地下水污染[10]的风险。在我国部分地区,果园化肥施用不合理的问题突出,土壤酸化、面源污染时有发生,果品质量难以得到保证;但与此同时,果品质量安全和环境问题日益受到社会各界的广泛关注与重视[11]。研究表明,有机无机肥配合施用不仅能够满足植物在生长发育各个时期对养分的需求,还可以较好地维持和提高土壤的肥力水平[12]。

土壤酶活性是表征土壤肥力和质量的重要评价指标[13],对土壤环境的变化较为敏感。有机无机肥配施可以通过提高土壤中微生物的种群数量,改变其群系组成,进而间接影响土壤酶的活性[14];同时,有机无机肥配施带入的有机质等,可以为土壤酶提供底物,从而直接影响土壤酶的活性。赵佐平等[15]发现,有机无机肥配施可以提高苹果的果实品质;杜春燕等[16]发现,有机无机肥配施在保持樱桃稳产和高产的前提下,显著提高了樱桃果实的可溶性固形物和维生素C含量,但不同品种对配施的响应并不一致。综上可知,有机无机肥配施的效果受作物类型、品种特性、栽培条件、有机肥种类等多因素的共同影响。

樱桃是北京市通州区的特产,在当地被广泛种植,每年消耗大量化肥。通州作为北京的城市副中心,每年都有大量的园林绿化废弃物产出,但却未能得到有效利用。为实现“十四五”规划中化肥减量的目标,同时保证果园收益不下降和园林绿化废弃物得到资源化再利用,本研究特以樱桃为研究对象,在北京市通州区进行大田试验,研究化肥与园林绿化废弃物堆肥配施对果园土壤养分含量、土壤酶活性,以及果实品质的影响,以期为相关研究和樱桃生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验于2020年在北京市通州区进行。当地属大陆性季风气候,全年平均气温12.7 ℃,年均降水量445.6 mm,年均日照时数2 541.8 h。选用10年生红灯樱桃[Cerasusavium(L.) Moench.]作为试验材料,供试果园的株行距为4 m×4 m。土壤质地为砂质壤土,肥力中等,有机质含量24.96 g·kg-1,全氮含量3.30 g·kg-1,碱解氮含量114.27 mg·kg-1,有效磷含量226.66 mg·kg-1,速效钾含量368.68 mg·kg-1,pH值7.83,呈弱碱性。

1.2 试验设计

试验共设6个处理:CK,不施肥;T1,100%化肥;T2,75%(以纯氮投入量计,下同)化肥+25%有机肥;T3,50%化肥+50%有机肥;T4,25%化肥+75%有机肥;T5,100%有机肥。施肥量根据供试果园的土壤养分状况和当地常规施肥量确定,T1处理下单株果树的化肥施入总量为1 kg,其中尿素0.3 kg,过磷酸钙0.3 kg,氯化钾0.4 kg。除CK外,保持各处理的养分(N、P2O5、K2O)投入量相同,有机肥带入的养分不足的,由过磷酸钙和氯化钾补充。将各处理下每种肥料的施用量整理于表1。每个处理设置3个重复,随机区组排列。有机肥、化肥于2019年11月一次性基施,在距果树1 m处挖20 cm深环状沟施肥。灌溉、杀虫、除草等采用常规田间管理方法。

表1 各处理的单株施肥量

供试化肥包括尿素(N质量分数46%,生产厂家为安阳中盈化肥有限公司)、过磷酸钙(P2O5质量分数12%,生产厂家为荆门市宏运肥业有限公司)、氯化钾(K2O质量分数60%,生产厂家为中化化肥有限公司)。供试有机肥为园林绿化废弃物堆肥,原料取自香山修剪枝叶和自然枯落物,N含量15.52 g·kg-1,P2O5含量2.25 g·kg-1,K2O含量7.14 g·kg-1,有机质含量245.25 g·kg-1。

1.3 样品采集与指标测定

于2020年6月采集土壤样品、果实样品:利用土钻采集环状沟内0～20 cm土层的土壤样品,在选定的樱桃树的东西南北4个方向共摘取16个果实。

采集的土壤样品经风干后,研磨,过筛,用于指标测定。

土壤pH值采用Starter 3C型pH计(美国Ohaus)测定,有机质含量采用重铬酸钾容量法-热稀释法测定,全氮含量采用K1306型全自动凯氏定氮仪(上海晟声自动化分析仪器有限公司)测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,有效磷含量采用钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用FP6410型火焰光度计(上海精密科学仪器有限公司)测定。

土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定,蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定,碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定,脱氢酶活性采用TTC(氯化三苯基四氮唑)比色法测定,过氧化氢酶活性采用容量法测定[17],比色均使用UV6100型紫外可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)。土壤蔗糖酶活性以1 d时间1 g土壤生成的葡萄糖的质量表示,土壤蛋白酶活性以1 d时间1 g土壤生成的氨基氮的质量表示,土壤脲酶活性以1 d时间1 g土壤生成的NH3-N的质量表示,土壤碱性磷酸酶活性以1 d时间1 g土壤生成的酚的质量表示,土壤脱氢酶活性以1 d时间1 g土壤生成的H+的体积表示,土壤过氧化氢酶活性以1 h时间1 g土壤消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液的体积表示。

用MASTER-20M型折射仪(日本爱拓株式会社)测定果实样品的可溶性固形物含量,采用蒽酮比色定糖法测定果实样品的可溶性糖含量,采用氢氧化钠中和滴定法测定果实样品的可滴定酸含量,采用LC-1100型高效液相色谱仪(美国Agilent)测定果实样品的维生素C(VC)含量[18]。

1.4 数据分析

采用Excel 2016软件整理数据。采用SPSS 20.0软件进行统计分析,对有显著(P<0.05)差异的,用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理的效果

2.1.1 对土壤基本理化性质的影响

试验后,各处理的土壤pH值在7.63～8.01(图1),系中性偏弱碱性,各处理间差异不显著。T3、T4、T5处理的土壤有机质含量显著高于CK、T1、T2处理,分别较T1处理增加38.1%、34.0%和30.8%。T3、T4、T5处理的全氮含量显著高于CK,其中T3、T4处理的全氮含量还显著高于T1处理,但CK与T1、T2处理之间差异不显著。T3处理的碱解氮(除T4处理外)、有效磷、速效钾含量显著高于其他处理,分别为202.8、356.6、768.6 mg·kg-1,分别是T1的1.76、1.56、1.80倍。总体而言,相较于单施化肥的T1处理,T3处理可有效提高土壤养分含量。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同处理的土壤理化性质Fig.1 Soil physical and chemical properties under treatments

2.1.2 对土壤酶活性的影响

各处理的土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性无显著差异(图2)。T2、T3、T4、T5处理的土壤脲酶活性均显著高于CK和T1处理,分别较T1处理增加了133.1%、174.5%、159.2%、129.3%。T2和T3处理的土壤蛋白酶活性显著高于CK和T1处理,T4、T5处理的土壤蛋白酶活性与其他处理均无显著差异,与T1处理相比,T2和T3处理的土壤蛋白酶活性分别增加了44.6%、48.1%。T3、T4、T5处理的土壤碱性磷酸酶活性显著高于CK和T1处理,分别为4.60、4.49、3.68 mg·g-1·d-1,分别为T1的4.03、4.94、3.23倍。T3处理的土壤脱氢酶活性显著高于CK和T1处理,其余处理之间差异不显著。总的来看,各处理中,以T3处理的土壤酶活性最高。

图2 不同处理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzymes activities under treatments

2.1.3 对果实品质和产量的影响

各处理的果实可溶性固形物含量间差异不显著(图3)。T3处理的果实可溶性糖含量显著高于CK,其他处理之间均无显著差异。T3处理的果实可滴定酸含量显著低于CK和T1处理。T2、T3、T4处理的果实维生素C含量显著高于CK和T1,分别为246.77、266.07、242.90 mg·kg-1,相较于T1处理分别增加了38.1%、49.0%、36.0%。T3处理的果实糖酸比显著高于其他处理,达44.18,分别为CK和T1处理的1.77、1.81倍。各施肥处理(T1～T5)的产量均显著高于CK,除T5处理的产量显著低于T1外,其余施肥处理的产量差异不显著。总体判断,相较于单施化肥的处理,T3处理在产量没有显著下降的前提下提高了果实品质。

2.2 相关性分析

相关性分析结果(表2)显示,土壤pH值、有效磷含量与土壤酶活性之间无显著相关性,土壤过氧化氢酶活性与测定的土壤理化指标(土壤pH,及有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量)之间均无显著相关性。土壤蔗糖酶活性与碱解氮含量呈极显著(P<0.01)正相关。土壤脲酶活性与土壤有机质、全氮、碱解氮含量呈极显著正相关,与土壤速效钾含量呈显著正相关。土壤蛋白酶活性与土壤速效钾含量呈极显著正相关,与土壤有机质含量呈显著正相关。土壤碱性磷酸酶活性与土壤有机质、全氮含量呈极显著正相关,与土壤碱解氮、速效钾含量呈显著正相关。土壤脱氢酶活性与土壤碱解氮含量呈极显著正相关,与土壤有机质含量呈显著正相关。

表2 土壤理化性质与土壤酶活性的相关分析

测定的果实品质指标(可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸、维生素C含量,及糖酸比)与土壤pH和土壤过氧化氢酶活性无显著相关性(表3)。果实的可溶性糖含量与土壤速效钾含量、脲酶活性、蛋白酶活性呈极显著正相关,与土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量,以及碱性磷酸酶活性呈显著正相关。果实的可溶性固形物含量与土壤速效钾含量呈显著正相关。果实的可滴定酸含量与土壤碱解氮、有效磷含量,以及脲酶活性呈极显著负相关,与土壤速效钾含量呈显著负相关。果实的维生素C含量与土壤有机质、速效钾含量,以及脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶活性呈极显著正相关,与土壤全氮、碱解氮含量,以及蔗糖酶、脱氢酶活性呈显著正相关。果实的糖酸比与土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量,以及脲酶活性呈极显著正相关,与土壤有机质、全氮含量,以及蛋白酶、碱性磷酸酶、脱氢酶活性呈显著正相关。

表3 土壤性质与果实品质、产量的相关性

对化肥施用量与本文测定的土壤指标、果实品质指标和产量做相关性分析,结果显示,化肥施用量与果实产量呈极显著正相关,与土壤有机质含量、土壤碱性磷酸酶活性呈极显著负相关,与土壤全氮含量、土壤脲酶活性呈显著负相关。

3 讨论

3.1 化肥有机肥配施对土壤养分的影响

果园施肥不仅要关注当季肥料的利用率,更要关注土壤肥力的维持。本试验中,与试验前的土壤相比,单施化肥处理对土壤养分含量的提升效果不明显,但可以基本维持土壤肥力,这与吕家珑等[19]的结论一致。本研究中,T3、T4、T5处理的土壤有机质含量显著高于其他处理,这是因为有机肥的施入带入了大量的有机质,土壤有机质的增加主要取决于外源有机质的投入[20]。T3、T4处理还显著增加了土壤的全氮含量,这与高洪军等[21]的研究结果一致,表明化肥和有机肥配施对于提高土壤氮素含量、长期保持氮素水平来说具有积极意义。同时,T3处理的土壤速效养分含量也均较高,这与许小伟等[22]的研究结果类似,表明该处理在经过一个生长季后仍能保持较强的养分供给能力。这可能是由于有机肥不仅能够提供大量的缓释养分,同时还有助于减缓化肥中养分的流失,而单施的化肥易随降水淋溶等流失[23-24]。然而,单施有机肥也存在着养分释放缓慢的缺陷。本试验中,T5处理土壤中的速效养分含量低于T3,表明单施化肥或单施有机肥均不能持续有效地为果树生长发育提供足够的速效养分[25]。刘国梁等[26]的研究表明,当配施比例为50%化肥+50%有机肥时,土壤肥力的提升效果最为明显,且该配施比例能够改善土壤结构,提高土壤腐殖质含量,更利于土壤培肥。综上,采用适当比例的有机无机肥配施,既可满足作物生长发育对养分的需求,也不会导致土壤退化和肥力下降。

3.2 化肥有机肥配施对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来源于土壤中微生物的活动、根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶[27],土壤系统中复杂的生化过程都有土壤酶的参与[28],土壤酶活性可以作为评判土壤肥力的一项重要指标[29]。在本研究中,单施化肥处理的土壤酶活性与不施肥处理之间并无显著差异,说明化肥单施并不能提高土壤中的酶活性。这与刘术新等[30]的研究结果一致。但也有研究证明,长期单施化肥会导致土壤酶活性降低[31]。这是由于,化肥单施并没有提高土壤的养分含量,且会导致土壤酸化板结。相关性分析结果显示,土壤养分含量和酶活性之间存在一定的相关性,土壤有机质含量和部分酶活性之间呈显著正相关。这与郑勇等[14]在旱地红壤上种植油料作物的研究结果一致。土壤全氮、碱解氮和速效钾的含量与部分土壤酶活性之间也存在一定的显著相关性,这进一步说明了土壤酶活性作为土壤肥力评价指标的可靠性。随着有机肥配比的增大,其对土壤酶活性的促进作用也随之增强。这与Mandal等[32]的研究结果一致。出现这种现象的原因是,土壤酶活性与土壤微生物密切相关,有机肥为土壤微生物提供了大量生命活动所需的物质。本研究中,化肥有机肥配施对土壤蔗糖酶活性无显著提升,这是由于蔗糖酶是源于植物根茬微生物的胞外酶,在土壤中很少受土壤微生物增殖的影响。T3处理下土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性显著提高。这主要是由于这两种酶受土壤养分的影响较大[33]。本研究的相关性分析结果也显示,土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性与多项土壤理化性状指标存在显著正相关性。脱氢酶多存在于土壤微生物内部,参与微生物体内的氧化还原反应。T3处理的土壤脱氢酶活性较CK和T1处理显著升高,说明T3处理提高了土壤微生物的数量和活跃度。

3.3 化肥有机肥配施对果实品质的影响

可溶性固形物、可滴定酸、维生素C、可溶性糖含量,及糖酸比是表征樱桃果实内在品质的重要指标[34]。有机无机肥配施能够显著提高果实品质,这在不同水果的研究中均已得到证实[35-37]。本试验中,化肥有机肥配施相较于化肥单施的处理可以提高果实含糖量,降低果实酸度,从而提高果实糖酸比。这与前人的研究结果一致[38]。关于施肥对果实可溶性固形物含量的影响,不同研究者的结论不尽相同:李憑峰等[39]的研究表明,相较于灌溉,施肥并不影响果实可溶性固形物的含量。这与本研究的结果一致。但也有研究表明,有机肥可以提高果实可溶性固形物的含量[40-41],推测与配施有机肥的种类和用量有关。在配施有机肥的处理中, T3处理在保证产量相较于单施化肥处理没有显著下降的前提下,可溶性糖、维生素C含量,及糖酸比等指标均显著提高,效果最好。Lohar等[42]的研究也发现,当化肥与有机肥的配比为50%+50%时,对姜黄产量和品质的提升效果最好。但不同研究中,由于土壤、作物、有机肥类型的差异,所得到的最佳配比也并不完全相同。侯红乾等[43]在红壤上进行的研究就表明,30%化肥+70%有机肥对水稻产量的提升效果最好。这可能是由于在水田中化肥更易流失,同时淹水环境中大量的微生物和土壤动物会加快有机肥的分解,更快地释放出养分。但针对其他一年生经济作物,通常都会采取更高的化肥占比来为作物提供所需的养分。例如:陶磊等[44]的研究表明,只有当有机肥替代比例在20%～40%时,棉花才能达到与单施化肥相同的产量;唐莉娜等[45]在烤烟上开展的试验也表明,当有机肥替代比例为25%时效果最好,且不同有机肥配施的效果不尽相同。因此,最佳配施比例的确定,不仅应考虑土壤状况,还要结合作物需要和有机肥种类等具体分析。

4 结论

在本试验条件下,当樱桃果园中化肥和有机肥的施用比例(以氮计)为50∶50时,土壤全氮、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量显著提升,土壤脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、脱氢酶活性显著升高,在产量不显著下降的前提下,樱桃品质显著提升。该有机无机肥配施方法可在试验区内推荐使用。