施氮对香梨园土壤养分、根系生物量及产量品质的影响

李伟 谢文歌 张曦瑜 冯雷 徐巧 柴仲平

摘 要：【目的】研究库尔勒香梨树体根系生物量及产量、品质如何响应土壤养分的变化。【方法】以5-7 年生库尔勒香梨为试验对象，研究0、150、300 和450 N kg·hm-2（分别表示为N0、N1、N2 和N3）4 个氮肥施用量处理下库尔勒香梨土壤养分与根系生物量及产量、品质的相关性。【结果】随着施氮量的增加，土壤养分、根系生物量、果实产量及果实中可溶性固形物、Vc 含量和糖酸比均表现为先增加后降低的趋势，在N2 处理达最大值。果实中石细胞含量则表现为先降低后增加的趋势，在N2 处理达最小值。果实中总酸含量随着施氮量的增加而不断降低，在N3 处理达最小值。果实产量与土壤中生物氮极显著正相关（P ＜ 0.01），与生物碳、碱解氮、无机碳、全碳显著正相关（P ＜ 0.05）；果实中可溶性固形物、Vc 含量、糖酸比與土壤中生物氮、生物碳和碱解氮均表现为极显著正相关（P ＜ 0.01）；果实糖酸比与土壤全碳间存在显著正相关关系（P ＜ 0.05）；果实中总酸与土壤全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、全碳间显著负相关（P ＜ 0.05）。果实产量、糖酸比与根系生物量间极显著正相关（P ＜ 0.01）；果实总酸与根系生物量表现为极显著负相关（P ＜ 0.01）；可溶性固形物及Vc 均与根系生物量表现出显著正相关（P ＜ 0.05）。在合理的施氮范围内随着库尔勒香梨园土壤养分的提高，香梨树体根系生物量及产量、品质均呈上升态势，产量和品质与树体根系生物量之间同样存在着动态依存关系。【结论】在5-7 年树龄库尔勒香梨的经营管理过程中，可通过提高土壤养分，增加根系生物量来促进香梨增产提质。N2 处理（300kg·hm-2）施肥量可作为最佳施氮量。

关键词：库尔勒香梨；土壤养分；根系生物量；氮肥；产量；品质

中图分类号：S625.5+4 文献标志码：A 文章编号：1003—8981（2023）03—0235—09

库尔勒香梨Pyrus brestschneideri Rehd. 历史悠久，味甜爽滑，酥脆爽口，香味浓郁，营养丰富，在新疆与吐鲁番葡萄、哈密瓜齐名[1]。库尔勒香梨原产自新疆库尔勒地区，是新疆梨与西洋梨的自然杂交后代，种植历史达1 400 年以上[2]。2021 年库尔勒香梨种植面积达到46.7 万hm2，实现了一定的产量和效益，在主产区库尔勒市，库尔勒香梨收入已占到农民人均纯收入的三分之一[3]。但是单位面积的产量与效益与国内外相比还是具有一定的差距[4]。果树的生长离不开外界环境因素的调节。土壤是树体根系能够直接接触到的外界环境[5]。土壤养分供给是林木生长发育重要的物质基础[6]。但香梨果园土壤肥力主要调控因素不明， 施肥不合理，致使香梨树体营养失调严重，不仅造成了香梨果树的非正常减产，还导致香梨树势衰弱，产量不稳定，果实品质下降等问题[7]。为了解决生产水平低的问题，同时最大限度提高土地资源的利用效率，促进果农增收，有必要对香梨园土壤养分、树体根系生物量与果树产量品质的关系进行探究。本研究通过对氮肥施用量的调节，分析土壤养分对不同施氮梯度的响应和对库尔勒香梨树体根系生物量及香梨产量、品质的影响程度，探究树体根系生物量的变化与果树产量、品质的相关关系，为提高库尔勒香梨产量品质提供合理的调控手段与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在新疆巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市南郊阿瓦提农场（41°40′28″N、86°07′12″E）进行。试验地位于天山南坡，塔里木盆地东北边缘，气候类型属于典型的温带大陆性干旱荒漠气候，年均气温在10.5 ～ 11.8 ℃，年降水量50 ～ 55 mm，年最大蒸发量2 788 mm，年均日照时数达2 800 ～3 000 h，日照总辐射为5 700 ～ 6 500 mJ·cm-2，有效积温4 100 ～ 4 400 ℃，无霜期210 ～ 239 d。试验前香梨园土壤各养分含量为：有机质14.11 g·kg-1、碱解氮53.82 mg·kg-1、有效磷22.75 mg·kg-1、速效钾217 mg·kg-1、pH 值7.84。

1.2 试验设计

2018—2020 年的3 年间， 以5 ～ 7 年生库尔勒香梨为试材，株距2×4 m，1 125 株·hm-2。选取长势相仿、未受病虫害侵扰的36 株果树挂牌标记。试验以当地农户常规施肥量为最高施氮处理、减施三分之一为中施氮处理、减施三分之二为低施氮处理、不施氮肥做对照处理共4 个不同施氮处理水平（ 分别记作N0、N1、N2、N3），分别施以N 0、150、300、450 kg·hm-2，相当于每株0、133、267、400 g，每处理选9 株，单株为1 次重复。选尿素（N 46%）作为氮肥，60% 于萌芽前基施，剩余40% 在膨果前期追施，重过磷酸钙（P2O5 46%）和硫酸钾（K2O 51%）在萌芽期前一次性施入，用量分别为300 kg P2O5·hm-2（每株267 g P2O5）和75kg K2O·hm-2（每株67 gK2O）。均采用环状沟施的施肥方式，施肥后实行常规管理，各处理间管理方式一致。

1.3 采样与测定

样品采集均在2020 年进行。对不同施氮处理采取相同的采样方法。

于果实成熟期对库尔勒香梨树体进行整株挖掘取样，以单株为单位，各处理均取3 株。采集树体根系（主根、一级侧根和二级侧根）和果实。样品收集后采取清水→洗涤剂→清水→ 1% 盐酸→ 3 次去离子水顺序冲洗后，在105℃下杀青30 min，再在80℃的条件下烘干至恒质量，并称其干物质的质量。土壤样品于香梨成熟期采集。

在施肥沟两侧，去除地表凋落物后，按0 ～ 20、20 ～ 40 和40 ～ 60 cm 进行分层采集0 ～ 60 cm土层土样，采样时各处理取3 棵果树的土样，每棵果树随机取点重复取土3 次初步进行捣碎混合，保存于一个封口的自封袋中，并放入盛有干冰的保鲜箱中运输至实验室。返回实验室后，挑拣土样除去根、石块后过筛（2 mm）并均匀混合，室内风干，过1 mm 筛，用于土壤理化分析，文中土壤理化性质分析均采用0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm 各土层测得数据的平均值。

1.4 测定方法

土壤微生物量碳（SMBC）测定采用熏蒸提取—容量分析法；生物量氮（SMBN）测定采用熏蒸提取—茚三酮比色法[8]。全氮含量用凯氏定氮法测定[9]，全碳含量使用元素分析仪测定。硝态氮用酚二磺酸比色法[10]；铵态氮含量利用靛酚蓝比色法；碱解氮采用碱解扩散法；土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；可溶性固形物使用手持式折光仪测定；维生素C 含量采用2，6 －二氯靛酚法[11] 测定；总酸含量参照国标法（GB/T 12456-2021）酸碱指示剂滴定法测定；石细胞含量采用冷冻H2SO4 处理法[12] 测定。

计算公式：

单株产量= 单株果实总数× 单果质量；

产量：1 hm2 香梨总产量由单株产量计算得出。

SMBC=Ec/k EC，式中Ec 为熏蒸与未熏蒸土壤的差值，k EC 为转换系数，取值0.38。

SMBN=mEmin-N，式中Emin-N 为熏蒸与未熏蒸土壤的差值，m 为转换系数，取值5.0。

土壤无机碳= 土壤全碳- 土壤有机碳

糖酸比= 可溶性固形物/ 总酸。

1.5 数据分析

利用Microsoft Office Excel 2019 软件初步整理数据后，使用SPSS 27.0 软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和Person 相关性分析；最后采用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮对香梨园土壤养分的影响

2.1.1 不同施氮处理对土壤养分含量的影响

如图1 所示，各处理土壤养分含量基本呈现波动上升，进一步分析养分变化规律可知，成熟期土壤生物碳、生物氮、无机碳、全碳含量均在N2 处理下达到峰值，较N0 处理分别增加了16.3%，61.4％，88.6％，54.5％，且生物氮、全碳和无机碳含量在N2 处理下与其他处理间差异显著（P ＜ 0.05）；全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳含量随施氮量的增加而不断增加，表现为N3 ＞ N2 ＞ N1 ＞ N0。硝态氮、有机碳含量均在N3 处理下显著大于其他处理（P ＜ 0.05）。全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳、无机碳、全碳、生物氮含量各施肥处理均与N0 处理间存在显著差异（P ＜ 0.05）。

2.1.2 土壤养分与施氮量的相关关系

由表1 可知，成熟期土壤全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳、均与施氮量具有极显著的相关性（P ＜ 0.01），全碳与施氮量具有极显著的相关性（P ＜ 0.05），说明香梨成熟期土壤养分含量受到施氮的直接影响，果园管理过程中可以通过控制施氮改善香梨园土壤的养分含量。

2.2 施氮对香梨树体根系生物量的影响

如图2 所示，随着各处理施氮量的增加，香梨树体根系生物量呈现出先增加后减少的趋势，在N2 处理下达到峰值，为3 054.78 g/ 株，较不施氮的N0 处理香梨树体根系生物量增加2.3%，N1，N3 处理下差异不显著，上升趋势不明显；但通过对根系生物量与施氮量的相关性分析得出Pearson 相关性系数为0.623（P ＜ 0.05），说明根系生物量与施氮量整体表现为显著正相关，说明香梨树体根系生物量受到施氮的正向影响。

2.3 施氮对库尔勒香梨产量、品质的影响

2.3.1 施氮对库尔勒香梨产量的影响

如图3 所示，不同施氮处理中香梨单果数、单果质量和产量均表现出显著差异（P ＜ 0.05）。

在不同施氮量处理下，单果质量、单株果数以及总产量随着施氮量的增加而表现为先增加后减少的趋势，且均在N2 处理下达到最大值。N1、N2、N3 处理与N0 处理相比，单果质量分别增加了14.79 g、27.24 g 和16.08 g，增加范围在14.7% ～27.0%，N1、N3 处理下差异不显著。单株果数的增加范围在39.1% ～ 106.2%。香梨总产量N1、N2、N3 处理较N0 处理分别增加3 583.04、9 847.33 和7 094.44 kg/hm2。

2.3.2 施氮对库尔勒香梨品质的影响

如图4，Vc、可溶性固形物量与糖酸比，随着施氮量的增加表现为先增加后减少的趋势，皆在N2 处理下达峰值，较N0 处理，维生素C、可溶性固形物和糖酸比的增加范围分别为5.5% ～ 23.8%、16.8% ～ 31.1%、57.8% ～ 126.8%；而石细胞与总酸随着施氮量的增加表现为先减少后增加的趋势，均在N2 处理下达到最小值，N1、N2、N3 处理较不施肥（N0）处理均表现为减小。减小范围分别为15.2% ～ 52.0%、41.4% ～ 90.4%。

2.4 土壤養分、根系生物量与产量、品质的相关分析

如表2 所示，相关性分析结果显示：根系生物量与成熟期生物碳、碱解氮表现为极显著正相关（P ＜ 0.01），与全氮、硝态氮、铵态氮、无机碳全碳表现为显著正相关（P ＜ 0.05）；产量与成熟期生物氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳、无机碳全碳表现为极显著正相关（P ＜ 0.01），与成熟期生物碳、全氮显著正相关（P ＜ 0.05）；可溶性固形物与成熟期生物氮、全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳、无机碳、全碳极显著正相关（P ＜ 0.01）；Vc 与成熟期生物碳表现为极显著正相关（P ＜ 0.01），与全氮、铵态氮、碱解氮、无机碳、有机碳间呈显著正相关（P ＜ 0.05）；总酸与硝态氮、碱解氮表现为极显著负相关（P ＜ 0.01），与成熟期全氮、铵态氮、有机碳、无机碳以及全碳表现为显著负相关（P ＜ 0.05）；糖酸比与成熟期硝态氮、有机碳存在极显著正相关关系（P ＜ 0.01），与全氮、铵态氮、无机碳、全碳为显著正相关（P ＜ 0.05）。这表明，无论是香梨树体根系生物量的积累还是产量与果实品质的提升，均与香梨园土壤养分间存在着密切的动态依存关系。

由表3 可知，产量和糖酸比与根系生物量间呈极显著正相关（P ＜ 0.01）；总酸与根系生物量间呈极显著负相关（P ＜ 0.01），负相关说明根系生物量的增加能够抑制果肉酸的产出，从而提高香梨品质；可溶性固形物及维生素C 均与根系生物量表现出显著正相关（P ＜ 0.05）。这表明根系生物量对库尔勒香梨的品质与产量均有显著影响，根系生物量的提高在一定程度上可以提高香梨的产量与品质，因此可以通过调节香梨树体根系生物量来促进果实产量与品质的提高。

3 讨 论

3.1 施氮对香梨园土壤养分、根系生物量及产量品质的影响

肥料的供应能够直接影响土壤中养分的积累[13]，根系生物量及产量品质的变化也在一定程度上反映施氮的有效性。通过试验发现，香梨园成熟期土壤养分含量均会因增加施氮量而提高，施氮处理后土壤的养分含量均高于不施氮处理。这与李春梅[14] 等的研究结果一致，说明施氮能够提高土壤中的养分，改善地力。成熟期土壤养分指标中全氮、硝态氮、铵态氮、碱解氮、有机碳含量在施肥范围内会随施氮量的增加而不断增加，说明施氮能够有效提升土壤中氮和有机碳的积累，而土壤生物碳、生物氮、无机碳、全碳含量则在施肥范围内会随施氮量的增加表现为先增加后减少，在N2 处理下达到最大值，这可能是由于过量施氮致使土壤酸化[15]，土壤微环境发生变化，在破坏微生物细胞的同时抑制木质降解酶的活性，从而抑制微生物的生长活性[16]，使得土壤微生物碳、氮等有所下降[17]。因此，施用氮肥虽然可以提高土壤养分含量，但并不是施肥量越多就越好[18]，只有合理施肥才可以改善土壤质量。

根系是植物吸收养分以及水分的最主要器官之一，在土壤养分循环中起着关键作用[19]。本研究表明与未施氮（N0）相比，根系生物量会随施氮量的增加而波动上升，在N2 处理下达到最大值，与N0 差异显著（P ＜ 0.05），N1、N2、N3 处理间差异不显著，这与周玮等[20] 对马尾松苗根系的研究结果相似。施氮量与根系生物量整体表现为显著相关，与张德等[21] 的结果一致，在适量施氮条件下可使果树树体根系生物量提升，但过多的氮肥使用量对根系生物量提升不明显，反而降低了氮肥的利用率，造成浪费。

氮肥是果树生长的主要必须营养元素，氮素与香梨果树的生长发育、产量、品质密切相关。本研究对不同施氮处理下香梨的产量变化进行分析，发现施用氮肥能够明显提高香梨产量，在施氮300 kg N·hm-2 时库尔勒香梨产量达最大值，这与丁邦兴等[22] 的研究结果一致，但当施氮增加到450 kg N·hm-2 時，产量反而有所下降，这与何雪菲[23]、岳文俊等[24] 的研究结果一致。当高施氮量时，反而会延迟果实的成熟，降低果实的呼吸速率和成熟度[25]，说明氮肥的施用需要控制在合理的范围，不宜过高。

香梨果实的口感、风味及品质的好坏主要受到可溶性固形物[26]、石细胞、Vc、总酸含量及糖酸比的影响。本研究发现，施用氮肥能够显著提高可溶性固形物含量，降低总酸量，提高糖酸比，同时提高Vc 含量，降低果肉的石细胞数量，使得果实风味极佳，这与马泽跃等[27] 的研究结果一致。但随着施氮量的增加，可溶性固形物、Vc 含量和糖酸比表现为先增加后减少的趋势，而石细胞与总酸含量表现为先降低后增加的趋势，这表明过量施肥反而导致果实品质降低，与钟冰等[28] 对柑橘施氮研究得出的结果一致。

3.2 土壤养分与根系生物量及产量和品质的相关分析

对香梨园土壤养分与根系生物量及产量、品质做相关性分析，发现根系生物量、产量以及品质均与土壤养分含量密切相关。库尔勒香梨成熟期果园土壤中生物碳与根系生物量、Vc 间存在极显著正相关关系（P ＜ 0.01），与产量显著正相关（P ＜ 0.05）；生物氮与产量、可溶性固形物间极显著正相关（P ＜ 0.01）；全氮、铵态氮与可溶性固形物极显著正相关（P ＜ 0.01），与根系生物量、产量、Vc、糖酸比显著正相关（P ＜ 0.05），与总酸显著负相关（P ＜ 0.05）；硝态氮与产量、可溶性固形物、糖酸比极显著正相关（P ＜ 0.01），与总酸极显著负相关（P ＜ 0.05），与根系生物量显著正相关（P ＜ 0.05）；碱解氮与根系生物量、产量、可溶性固形物、糖酸比极显著正相关（P ＜ 0.01），与总酸极显著负相关（P ＜ 0.01）；有机碳与产量、可溶性固形物糖酸比极显著正相关（P ＜ 0.01），与总酸显著负相关（P ＜ 0.05）；无机碳和全碳与产量、可溶性固形物极显著正相关（P ＜ 0.01）， 与根系生物量、Vc、糖酸比显著正相关（P ＜ 0.05），与总酸显著负相关（P ＜ 0.05）。这些结论与前人[29-32] 对甜柿、猕猴桃、苹果、蜜柑等果树关于土壤养分与果实品质相关性的结论一致，也与王颖姮等[33] 在施氮对优质水稻产量品质影响研究的结果相一致，在合理施氮范围内，根系生物量及产量、品质受到土壤养分的影响，均会随着土壤养分的升高表现为增长的趋势。

相关性分析表明，香梨产量、品质也受到根系生物量的直接调控，根系生物量与产量、糖酸比极显著正相关（P ＜ 0.01），与总酸极显著负相关（P ＜ 0.01），与可溶性固形物、Vc 显著正相关（P ＜ 0.05）。这与许婷婷等[34] 对花生根系生物量与产量间关系研究的结果相反，其原因可能是由于选取试验作物果实的生长位置、植株大小、循环利用、是否存在根瘤菌等不同所造成，与宋俊伟等[35] 的研究结果相一致。香梨树体根系生物量及产量、品质与土壤养分含量间联系紧密，因此可以通过合理施肥提高土壤养分含量，增加香梨树体根系生物量，以达到增加香梨产量与提升果实品质的效果。

综上所述，随着土壤养分对不同施氮梯度的响应，土壤碳、氮养分含量也会产生变化，从而直接影响库尔勒香梨果实的产量和品质，这与徐丽等[36] 在探究核桃土壤养分水平与果实产量品质问题的结果相一致，根系生物量虽与施氮量显著相关，但各处理间差异不显著，这可能是由于施氮处理只进行了3 年，对于树体根系生长而言时间较短。目前土壤中的磷、钾水平在不同氮处理下是否也会存在明显差异、对库尔勒香梨根系生物量以及产量和品质是否存在明显的影响还有待进一步研究。

4 结 论

在合理的施氮范围内，随着库尔勒香梨园土壤养分的提高，香梨树体根系生物量及产量、品质均呈上升态势，产量和品质与树体根系生物量之间同样存在着动态依存关系。土壤养分与施氮量整体表现为极显著正相关关系，提高施氮量能有效提高土壤养分。但过量地施用氮肥会使香梨树体根系生物量、产量和品质受到抑制。根据试验结果，在5 ～ 7 年树龄库尔勒香梨的经营过程中，推荐氮肥施用量为300 kg·hm-2，这样可以达到改善土壤养分、提高根系生物量、促进香梨增产提质的效果。

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[ 本文编校：赵 坤]