化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄生长、品质及土壤肥力的影响

郭艳兰, 牟德生, 张勤德, 赵连鑫, 李 栋, 王 鑫

(武威市林业科学研究院,甘肃 武威 733000)

甘肃河西走廊位于36～40°N,是中国较好的酿酒葡萄产区之一[1-2]。武威地处河西走廊最东端,也是全国唯一的“中国葡萄酒城”。随着区域酿酒葡萄种植的产业化,加上土壤本身贫瘠且偏碱性,使得土壤有机质匮乏,保水保肥能力差[3]。为了追求经济效益的最大化,企业和葡萄种植户在生产中普遍存在过度施用化肥的现象[4],不仅造成生产成本过高,而且会造成土壤板结、盐化、微生物群落失衡等问题[5],严重阻碍武威葡萄酒产业的健康可持续发展。

化肥减量施用是实现农业健康可持续发展的有效途径[6-7]。微生物菌肥是一种新型有机肥料,其中含有大量有益微生物菌群、微量元素及活性酶等,不仅能促进作物生长、提高产量,还能提高土壤中微生物的数量和整体活性,有助于改善土壤结构、提升土壤肥力[8-9]。目前,化肥减量配施不同用量微生物菌肥的研究已在粮食[10]、蔬菜[11]及经济类作物[12]中大量开展,且研究结果表明,在适量减施化肥的情况下增施微生物菌肥,不仅能提高化学肥料的利用率、减轻因过度施肥对环境造成的污染,还可以提高土壤肥力,提升作物产量和品质,达到化肥减量增效的目标[13-14]。为此,本研究以黑比诺葡萄为对象,研究化肥减量配施微生物菌肥对其生长、品质及土壤肥力的影响,探寻适宜的化肥减量及配施的微生物菌肥用量,以期为该地区化肥的科学合理使用和酿酒葡萄产业的健康发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省武威市林业科学研究院综合试验站内,属大陆温带干旱半干旱气候区,海拔1 484 m,年平均气温7.9 ℃,无霜期158～173 d,年平均降水量161 mm,年平均蒸发量2 020 mm,年平均日照时数2 968 h,土壤以沙质土为主,基础理化性质如下:pH值8.73,碱解氮含量17.14 mg/kg,有效磷含量3.83 mg/kg,速效钾含量184.33 mg/kg,有机质含量6.35 g/kg。

1.2 试验材料

供试品种为黑比诺,于2014年定植,南北行向,株距×行距为3.0 m×1.0 m,架型为倾斜主干水平龙干(单篱架“厂”字形),沟灌,冬季机械埋土越冬。

供试微生物菌肥由河南漯效王生物科技股份有限公司生产(有效菌种为褐球固氮菌,1 ml有效活菌数≥2.0×108);尿素(N含量≥46.4%)由甘肃刘化(集团)有限责任公司生产;磷酸二铵(N含量∶P2O5含量=16∶46)由中磷(云南)农业科技有限公司生产;复合肥(N含量∶P2O5含量∶K2O含量=18∶5∶25)由四川眉山凯尔化工有限公司生产;硫酸钾(K2O含量≥52%)由巴彦卓尔市蒙润钾肥有限公司生产。

1.3 试验设计

试验于2021年5-9月进行,采用随机区组设计,参考葡萄基地的正常施肥水平(CK),设置5个处理,每个处理设3次重复,共计15个小区,单行为1个处理,每个小区长40 m,田间管理同正常葡萄园管理。各处理的施肥种类及肥料投入量见表1。

1.4 指标的测定

1.4.1 叶片生理指标的测定 于果实成熟期采集当年生新梢上第4～6节位功能成熟叶片,带回室内后用叶面积仪(产自浙江托普云农科技股份有限公司,YMJ-B)测量叶面积(LA),用叶绿素测定仪(产自浙江托普云农科技股份有限公司,TYS-A)测定叶绿素含量(SPAD值)。

1.4.2 果实品质的测定 每个处理随机取6个标准果穗,带回室内后用电子天平(精度为0.1 g)测定果穗质量,随后剪取全部果粒,随机取30粒果粒,用游标卡尺(精度为0.01 mm)测量果粒纵横径,用电子天平测定果粒质量,用糖度计(产自日本爱拓科技有限公司,PAL-1)测定可溶性固形物含量,用蒽酮比色法[15]测定可溶性糖含量,用NaOH中和滴定法[15]测定可滴定酸含量,分别用Folin-Ciocalteu法[16]、Folin-Denis[17]法测定总酚、单宁含量,用盐酸甲醇比色法测定花青素、总类黄酮含量,均以U表示[18]。1 g果皮中的花青素含量=OD530-OD600,1 g果皮中的总类黄酮含量=OD325[19]。每个指标的测定设置3个重复。

1.4.3 土壤理化指标及土壤酶活性的测定 于果实成熟期分别采集各处理0～20.0 cm、20.1～40.0 cm、40.1～60.0 cm 3层土壤样品,分层混合均匀后带回室内测定土壤理化性质和土壤酶活性。土壤pH值、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量参考鲍士旦[20]的方法进行测定。土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶及脲酶活性均采用酶联免疫分析(ELISA)试剂盒进行测定。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行数据整理,用SPSS 25.0统计软件进行显著性分析。

表1 黑比诺葡萄各生长期不同化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理的肥料种类及投入量

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄叶片生理指标的影响

如表2所示,与CK相比,T2、T3处理的叶面积有所减少,其余各处理的黑比诺葡萄叶面积均增加,以T4处理的叶面积最大;叶片长度以T1处理最长,叶片宽度以T5处理最宽,叶片长宽比以T1处理最大,但各处理间均无显著差异。此外,化肥减量配施不同用量微生物菌肥可以提高黑比诺葡萄叶片的SPAD值,与CK相比,各处理黑比诺葡萄叶片的SPAD值提高了16.93%～69.38%,其中T4处理黑比诺葡萄叶片的SPAD值最高,达67.75,且显著高于CK,其余各处理间黑比诺葡萄叶片SPAD值无显著差异。

2.2 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄果实品质的影响

由表3可知,与CK相比,不同化肥减量配施微生物菌肥处理对黑比诺葡萄果实纵径、横径及穗质量的影响不大;与CK相比,T4、T5处理的单果质量增加,且T5处理增加显著,T2、T3处理有所降低,但与CK之间差异不显著;与CK相比,各处理黑比诺葡萄果实的可溶性固形物含量显著增加,以T4处理增加得最多,增幅为31.49%,而T5处理较T4处理略有下降,但差异不显著。

由表4可以看出,与CK相比,化肥减量配施微生物菌肥能够降低黑比诺葡萄果实中的可滴定酸含量,但各处理间的差异不显著;与CK相比,黑比诺葡萄果实的可溶性糖含量均有所增加,其中T5处理增幅最大,为17.30%,且与CK间差异显著,T1处理增幅最小,仅为3.49%,且与CK间差异不显著;与CK相比,各处理的糖酸比提高了17.48%～90.15%,其中T4处理的糖酸比最高,为35.90,显著高于CK,其余各处理的糖酸比与CK相比虽然均有所提高,但差异不显著。化肥减量施用不利于黑比诺葡萄果实中总酚、单宁的积累,与CK相比,各处理果实中总酚、单宁含量均显著降低(除T1处理的单宁含量与CK无显著差异外),且均以T5处理最低,其总酚、单宁含量分别较CK降低了30.35%、45.67%。化肥减量配施微生物菌肥处理能够促进黑比诺葡萄中花青素、总类黄酮的积累,其中花青素含量除了T1、T2处理与CK间无显著差异外,T3、T4、T5处理的花青素含量与CK相比均显著增加,以T3处理最高,为1.54 U/g,其次为T4处理,为1.52 U/g;与CK相比,各处理的总类黄酮含量均显著增加,以T2、T4、T5处理最高,为1 g果皮中1.85OD325,比CK提高了20.13%。

表3 不同化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理的黑比诺葡萄果实外观品质及可溶性固形物含量

表4 不同化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理的黑比诺葡萄果实内在品质

2.3 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄园土壤肥力的影响

由表5可以看出,与CK相比,除T1、T3处理的黑比诺葡萄园土壤pH值无明显差异外,其余处理的黑比诺葡萄园土壤pH值均显著降低,其中T5处理的黑比诺葡萄园土壤pH值最低,为8.23,其次为T4处理,pH值为8.47。黑比诺葡萄园土壤的碱解氮含量以T3、T5处理较高,显著高于CK,较CK分别提高了117.44%、117.06%,T1、T4处理黑比诺葡萄园土壤的碱解氮含量虽有提高,但与CK相比差异不显著。黑比诺葡萄园土壤的有效磷含量以T1处理最高,其次为T5处理,均显著高于CK,其余各处理黑比诺葡萄园土壤的有效磷含量虽均较CK有所增加,但差异不明显。黑比诺葡萄园土壤的速效钾含量以T5处理最高,比CK提高了40.31%,其次为T2、T4处理,均与CK有显著差异,而T1、T3处理黑比诺葡萄园土壤的速效钾含量与CK差异不显著。黑比诺葡萄园土壤的有机质含量以T5处理增加得最显著,比CK提高了185.11%,其次为T4处理,提高了134.24%,其他各处理的黑比诺葡萄园土壤有机质含量与CK差异均不明显。

2.4 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄园土壤酶活性的影响

如表6所示,化肥减量配施微生物菌肥能提高黑比诺葡萄园土壤酶活性。与CK相比,各处理的黑比诺葡萄园土壤蔗糖酶活性提高了12.60%～40.94%,其中T4处理的土壤蔗糖酶活性最高,达1.79 U/g,显著高于CK;相较于CK,各处理的黑比诺葡萄园土壤过氧化氢酶活性除T5处理略有下降外,其余各处理均增加,其中T3、T2处理的葡萄园土壤过氧化氢酶活性显著增加,分别增加了17.50%、10.26%,而T1、T4处理的葡萄园土壤过氧化氢酶活性增加不显著。与CK相比,各处理黑比诺葡萄园土壤的脲酶、碱性磷酸酶活性均以T4处理提高最明显,分别提高了40.09%、37.44%,其余各处理的土壤脲酶活性除T1处理与CK差异不显著外,T2、T3、T5处理的土壤脲酶活性均显著高于CK,而土壤碱性磷酸酶活性除T3、T4处理显著高于CK外,T1、T2、T5处理的土壤碱性磷酸酶活性与CK均无显著差异。

表5 不同化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理的黑比诺葡萄园土壤理化指标

表6 不同化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理的黑比诺葡萄园土壤酶活性

3 讨 论

3.1 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄生长的影响

叶片是植物进行光合作用的关键器官,叶面积、叶绿素含量等对植物的生产能力均有直接影响[21]。本研究结果表明,化肥减量配施不同用量微生物菌肥处理整体上可以增加葡萄的叶面积,提高叶片的SPAD值,在化肥减量40%配施微生物菌肥(T4处理)下,叶片增大及SPAD值增加得最明显,这与马忠明等[22]的研究结果略有差异,可能与微生物菌肥的种类、施肥量有关[23]。

3.2 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对黑比诺葡萄果实品质的影响

优质酿酒葡萄的生产主要取决于其浆果品质,其品质的优劣又受到施肥方式、施肥种类等因素的影响[24]。研究发现,增施有机肥可使葡萄单果质量增加,并能提高果实中可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比、总酚含量、单宁含量及花色苷含量,降低其可滴定酸含量[25-26],但在有机肥替代化肥施用的相关研究中,不同研究者对酿酒葡萄果实品质指标的研究结果各有差异。马忠明等[22]研究发现,有机肥无机肥配施能显著影响酿酒葡萄品质,随着有机肥配施比例的提高,可溶性固形物含量、还原性糖含量、糖酸比、单宁含量、总酚含量及花色苷含量的变化呈“单峰状”,先增加后减小,总酸含量先减小后增加,以50%化肥+有机肥处理的葡萄品质最优。张筠筠等[23]研究发现,化肥减量施用提高了酿酒葡萄果实中可溶性糖、花色苷含量及糖酸比,但不利于总酚、单宁的积累,相较于不施肥和全量施用化肥处理,各化肥减量施用及使用有机肥处理的总酚、单宁含量均明显降低。本研究结果显示,在化肥减量配施微生物菌肥处理下,黑比诺葡萄的单果质量增加,可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比、花青素含量、总类黄酮含量整体均明显提高,以T4处理较明显;总酚含量和单宁含量均不同程度地降低,以T5处理降低得较明显。这可能与各研究中选择的栽培品种、栽培环境及施用的化肥、微生物菌肥种类等因素有关[27-28]。

3.3 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对土壤肥力的影响

土壤养分是土壤肥力的重要组成因素,也是植物生长发育必不可少的物质基础[29-30]。研究发现,施用微生物肥料可以提高土壤中速效钾、碱解氮等速效养分与有机质的含量[31]。本试验结果表明,化肥减量配施微生物菌肥降低了土壤的pH值,提高了土壤中碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量,以T5处理pH值最低,为8.23,其碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量较CK均显著增加,分别增加了117.06%、228.43%、40.31%、185.11%,说明微生物菌肥中的有益微生物促进了土壤中矿质养分以及土壤中残枝、残根及落叶等有机物的分解转化,使土壤养分和有机质得到补充,从而提升了土壤的肥力水平[32-33]。这与方成等[34-35]的研究结果一致,但与张筠筠等[23,36]的研究结果有一定差异,可能与使用的肥料种类、种植环境、气候条件等因素有关。

3.4 化肥减量配施不同用量微生物菌肥对土壤酶活性的影响

土壤酶是生态系统中最为活跃的生物活性物质,土壤酶活性的高低与土壤肥力高低相对应[37-38]。研究发现,施用微生物肥料能提高土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶等酶的活性[39]。本研究中,化肥减量配施微生物菌肥处理提高了土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶的活性,其中蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性均以T4处理最高,分别较CK提高了40.94%、40.09%、37.44%,过氧化氢酶活性以T3处理增加得最明显,较CK增加了17.50%。这与前人研究结果一致[10-11],表明微生物菌肥中含有的大量有益微生物菌群可以改善葡萄园土壤的微生态结构,从而促进土壤酶活性的提升[40]。

4 结 论

本试验结果表明,化肥减量配施微生物菌肥处理能增加黑比诺葡萄叶面积及SPAD值,提高葡萄果实中可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比、花青素含量和总类黄酮含量,降低总酚和单宁含量,同时能提高土壤中碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量以及土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶的活性,降低土壤pH值,其中以60%化肥+40%微生物菌肥处理效果最明显。说明化肥减量配施微生物菌肥可以通过改善酿酒葡萄园土壤的微生态结构,促进土壤酶活性的提升,从而活化土壤的有效养分和养分供应能力,改善土壤肥力,促进酿酒葡萄植株生长以及果实品质改善,以化肥减量40%配施微生物菌肥处理的综合效果最好,但此施肥模式对黑比诺葡萄产量、果实香气成分以及酿酒特性等的影响还有待进一步研究。