化肥减施配施土壤调理剂对草莓品质和土壤养分的影响

黄洁雪, 王晓琳, 邬 劼, 乔玉山, 吉沐祥

(1.江苏丘陵地区镇江农业科学研究所,江苏 镇江 212400; 2.镇江市丰达植保有限公司,江苏 镇江 212404; 3.江苏省农业科学院,江苏 南京 210014)

草莓(Fragariaananassa)是一种深受消费者喜爱的小浆果,中国草莓生产和消费量均位居全球第一。江苏草莓以设施栽培为主,其中以镇江为代表的丘陵地区的草莓每亩经济效益最高[1]。草莓自身需肥特性和人们对经济效益的追求使得草莓生产用肥量逐年增加,江苏在草莓种植过程中肥料投入为每1 hm21.35×104～3.75×104元,其中绝大部分为化肥投入[2]。长期连作、偏施化肥和过量施肥造成土壤酸化、盐渍化、养分失衡,草莓肥料利用率低、植株生长不良、生产效益降低,以及其他环境风险[3-5]。过量施肥会导致草莓品质显著下降,如可溶性蛋白质、维生素C、游离氨基酸含量降低,硝酸盐含量过高[6],可溶性固形物含量降低,总酸含量升高[7]。为了应对化肥施用过量、不均衡等带来的成本高、资源浪费、环境污染和土壤退化等问题,中国在2020年基本实现“化肥使用量零增长”,进一步提出了“减少化肥使用总量”的目标,化肥减施增效、化肥减施配施技术成为研究热点。大量研究结果表明,在蜜柚[8]、西瓜[9]、葡萄[10]、樱桃番茄[11]、柑橘[12]栽培过程中化肥减施或配施有机肥、微生物菌剂、绿肥等,不仅不会降低产量,还能够增加果实中可溶性固形物含量,提高糖酸比,提升果品品质。施用土壤调理剂是改良土壤性质、提高生产力的常用措施。矿物源类硅钙钾镁土壤调理剂可以提高草莓土壤pH值,显著增加土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量,增加单果质量[13]。骨粉作为畜牧业副产品,呈弱碱性,富含钙和磷[14],施用于黑麦草[15]、玉米[16]、小麦[17]中不仅可以调节土壤酸碱度,还能为作物供应钙和磷,降低重金属污染风险,是一种环保经济的土壤调理剂。

化肥减施并配施土壤调理剂改良水果品质和土壤养分的研究较少,目前还未有关于化肥减施配施土壤调理剂对草莓品质和土壤养分影响的报道。本研究在连作20年的草莓地开展试验,以主栽草莓红颊为试验材料,化肥减量50%并配施不同的土壤改良剂,研究对土壤养分、草莓植株生长发育和草莓产量、品质的影响,以期探明化肥减施与土壤调理剂的最佳组合及其增产增优的机制,为大棚草莓化肥减施增效、可持续栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于 2021 年在江苏省镇江市句容市绿健草莓家庭农场(31°94′ N,119°13′ E)开展,土壤为黄棕壤种植水稻后形成的黄白土。土壤基础理化性质为 pH值5.33、电导率261 μS/cm、有机质含量29.68 g/kg、碱解氮含量266.23 mg/kg、有效磷含量256.58 mg/kg、速效钾含量492.58 mg/kg、交换性钙含量2.11 g/kg、交换性镁含量0.38 g/kg。供试草莓品种为红颊。

供试土壤改良剂为硅钙镁土壤调理剂[韩国NOUSBO公司生产,中国农业生产资料集团公司代理进口,有机硅(SiO2)含量≥25%,钙(CaO)含量≥28%,镁(MgO)含量≥2.5%,硼(B)含量≥0.05%,铁(Fe)含量≥0.1%,有机碳含量≥6%,pH值8～10],骨粉由天然动物骨粉制成 (青岛八福仙生物科技有限公司产品,总氮含量2%,总磷含量20%,总钙含量18%),有机肥为紫牛有机肥 (巴彦淖尔市德源肥业有限公司产品,有机质含量≥90%,N+P2O5+K2O总含量≥12%)。菌肥为可施可力 (武汉科诺生物科技股份有限公司产品,每1 g含枯草芽孢杆菌KN-42活菌数5×108、胶冻样芽孢杆菌活菌数5×107,有机质含量60%,腐殖酸含量10%),氮磷钾复合肥(N含量∶P2O5含量∶K2O含量=17∶17∶17)为中化螯合肥(中化山东肥业有限公司产品)。

1.2 试验设计

田间试验为随机区组设计,在底施有机肥1 200 kg/hm2和菌肥1 200 kg/hm2的基础上,试验设 5个处理:不施化肥对照(CK)、常规量施化肥(施N量76.5 kg/hm2、P2O5量76.5 kg/hm2、K2O量76.5 kg/hm2)处理(F100)、化肥减施50%(施N量38.25 kg/hm2、P2O5量38.25 kg/hm2、K2O量38.25 kg/hm2)处理(F50)、化肥减施50%配施硅钙镁土壤调理剂(600 kg/hm2)处理(F50S1)、化肥减施50%配施骨粉(600 kg/hm2)处理(F50S2)。每处理重复3 次,小区面积为10 m2,共15个小区。2021年8月31日(移栽前7 d),将各处理肥料,混合均匀后撒入各小区并与0～20 cm土层土壤翻拌均匀,随后灌水保湿。2021年9月7日,选取生长一致的健壮草莓苗,保留3叶1心移栽。所有处理追肥和田间管理均按照当地常规管理进行。

1.3 样品采集及指标测定

1.3.1 草莓植株生长发育指标测定 2021年10月14日调查幼苗期植株的死苗率,每个处理小区选取具有代表性的5株,3次重复合计15株,用直尺测定株高、倒数第二片完全展开叶中心小叶的长和宽(叶面积=叶长×叶宽×0.73),游标卡尺测茎粗,并调查叶片数。2021年10月25日调查全小区的现蕾率。2021年11月14日每个处理小区选取具有代表性的6株,3次重复合计18株,调查初果期的单株结果数。

1.3.2 土壤理化性质测定 采用 5 点取样法在各小区内取 0～20 cm 耕层土壤样品,剔除石砾和植物残体等杂物,经风干过筛后测定土壤理化性质。土壤 pH值采用赛多利斯PB-10酸度计测定,水土比5∶1(质量比);电导率采用电导法测定;有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;有效磷用氟化铵-盐酸溶液浸提,含量采用钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计测定;交换性钙、交换性镁含量采用乙酸铵浸提,ICP-OES 测定[18]。2021年10月14日取样检测幼苗期土壤pH值和电导率。2021年11月14日取样检测结果期土壤pH值、电导率、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量、可交换性钙含量、可交换性镁含量。

1.3.3 草莓叶片营养元素含量测定 2021年11月14日,每小区选取具有代表性的倒数第二片完全展开叶中心小叶(鲜叶)100 g,105 ℃杀青0.5 h后80 ℃烘干至恒质量,用于检测叶片中全氮、全磷、全钾含量。叶片经 H2SO4-H2O2消煮,全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,全钾含量采用火焰光度法测定[18]。

1.3.4 草莓产量测定 每小区选取具有代表性的3株进行挂牌,每处理共9株,跟踪记录头茬商品果(单果质量10 g以上)产量。每3～4 d记录1次成熟果实个数和单果质量,计算平均单株头茬商品果产量。

1.3.5 草莓果实品质测定 2022年1月14日,每小区选取具有代表性的成熟二级果10个,3次重复合计30个,用于测定单果质量、可溶性固形物含量和硬度。采用自动数字折射仪(日本ATAGO公司产品,型号RX-5000α)测定果实的可溶性固形物含量,利用水果硬度计(意大利Fruit TestTM公司产品,型号FT-02)测定果实硬度,6 mm探头。

1.4 数据分析

图、表中数据均为 3 次重复的平均值±标准差,分别用 Microsoft Excel 和 Origin Pro 8 软件处理数据和作图,用 DPS 软件对数据进行方差分析,并采用 Duncan’s检验法进行多重比较,检验差异显著性 (P<0.05)。相关性分析采用Pearson相关系数表示相关关系的强弱情况。

2 结果与分析

2.1 化肥减施配施土壤调理剂对草莓生长发育的影响

与F100处理相比,不施化肥对照(CK)、F50处理和F50S2处理草莓单株叶片数显著降低了6.91%～10.74%(P<0.05)(表1)。与F100处理相比,F50S1处理草莓株高显著增加了23.65%(P<0.05),叶面积显著增加了19.36%(P<0.05),叶面积为倒数第二完全展开叶中心小叶的叶面积。F100处理和F50S1处理草莓单株叶片数无显著差异。各处理的死苗率、茎粗均无显著差异。结果表明,富营养化的土壤中减施化肥会减缓草莓幼苗的生长,但在减施化肥的同时增施土壤调理剂不仅不会减缓草莓幼苗生长还可以显著促进草莓幼苗生长。

表1 化肥减施配施土壤调理剂对草莓幼苗生长发育的影响

与F100处理相比,不施化肥对照(CK)草莓现蕾率显著降低了23.13%(P<0.05),F50S1处理草莓现蕾率显著提高了25.44%(P<0.05),F50处理、F50S2处理和F100处理相比无显著差异(P>0.05)(图1A)。F50S1处理草莓单株结果数显著高于其他处理,较F100处理显著增加了19.76%(P<0.05)(图1B)。结果表明,富营养化的土壤中不施化肥会显著延迟草莓现蕾,在减施化肥的同时增施适宜的土壤调理剂不仅能够提高草莓现蕾率,还能增加结果初期的单株结果数,从而提早上市。

CK、F100、F50、F50S1、F50S2处理见表1注。不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 化肥减施配施土壤调理剂对草莓叶片矿质营养元素含量的影响

与F100处理相比,不施化肥对照(CK)草莓叶片中全氮含量显著下降了6.45%(P<0.05),F50处理草莓叶片中全氮含量显著下降了6.55%(P<0.05),F50S1处理、F50S2处理与F100处理无显著差异(P>0.05)。叶片中的全磷和全钾含量各处理间无显著差异(P>0.05)(表2)。结果表明,不施化肥对照(CK)和F50处理草莓叶片中的全氮含量会显著降低,而在减施化肥的同时增施土壤调理剂能够保证植株摄入足够量的氮,从而维持草莓正常的生长发育。

表2 化肥减施配施土壤调理剂对草莓叶片矿质营养元素含量的影响

2.3 化肥减施配施土壤调理剂对草莓产量品质的影响

产量调查结果表明,与F100处理相比,不施化肥对照(CK)单株头茬果产量显著下降19.87%(P<0.05),F50处理单株头茬果产量显著下降17.06%(P<0.05),F50S1处理和F50S2处理单株头茬果产量与F100处理无显著差异(P>0.05)(表3)。各处理单株头茬果果数无显著差异(P>0.05),因此头茬果的单果质量与单株产量呈正相关。为进一步调查草莓品质,避免不同等级果实造成差异,统一选取各处理的二茬果的二级果进行品质检测(表4)。与F100处理相比,不施化肥对照(CK)二茬果二级果单果质量显著下降13.10%(P<0.05),F50处理二茬果二级果单果质量显著下降14.39%(P<0.05)。F50S1处理、F50S2处理与F100处理二茬果二级果单果质量无显著差异(P>0.05)。各处理草莓二茬果二级果可溶性固形物含量与F100处理无显著差异(P>0.05),但F50S2处理草莓二茬果二级果可溶性固形物含量比F50S1处理显著提高11.14%(P<0.05)。F50S2处理二茬果二级果果实硬度显著高于其他处理(P<0.05),F50S2处理二茬果二级果果实硬度比F100处理显著提高27.03%(P<0.05)。结果表明,与F100处理相比,不施化肥对照(CK)和F50处理草莓头茬果和二茬果二级果单果质量显著减少,降低草莓效益,而在减施化肥的同时增施土壤调理剂能够维持与施全量化肥相当的头茬果和二茬果二级果单果质量,F50S2处理还能显著提高果实硬度,在减少化肥施用的情况下提高草莓品质,延长货架期。

表3 化肥减施配施土壤调理剂对草莓头茬果的影响

表4 化肥减施配施土壤调理剂对草莓二茬果二级果的影响

2.4 化肥减施配施土壤调理剂对草莓土壤理化性质的影响

幼苗期,F50S1处理土壤pH值显著高于不施化肥对照(CK)、F100处理和F50处理(P<0.05),F50S1处理土壤pH值与F50S2处理无显著差异(P>0.05)。初果期,各处理土壤pH值无显著差异(P>0.05)(图2A)。结果表明,基肥中加入土壤调理剂能够显著提高土壤pH值,缓解土壤酸化对植物造成的胁迫,因此F50S1处理草莓株高、叶面积、现蕾率和单株结果数等指标均显著优于其他处理。然而,随着后期追肥以及土壤的缓冲作用,初果期土壤调理剂的作用逐步消失。

土壤电导率可以反映土壤养分含量。幼苗期,与F100处理相比,不施化肥对照(CK)土壤电导率显著降低31.18%(P<0.05),F50处理土壤电导率显著降低22.91%(P<0.05),而F50S1处理和F50S2处理与F100处理无显著差异(P>0.05);初果期,仅不施化肥对照(CK)土壤电导率显著低于F100处理(P<0.05),其他处理与F100处理无显著差异(P>0.05)(图2B)。结果表明,化肥投入量不足导致苗期土壤电导率显著降低,而化肥减施配施土壤调理剂处理的苗期土壤电导率则下降不显著,与苗期不施化肥对照(CK)和F50处理草莓叶片数显著低于F100处理(P<0.05),而F50S1处理草莓叶片数与F100处理无显著差异的结论相对应。不施化肥对照(CK)土壤电导率幼苗期至初果期均显著低于F100处理(P<0.05),这与不施化肥对照(CK)草莓现蕾率显著低于F100处理的结论相对应。

CK、F100、F50、F50S1、F50S2处理见表1注。不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

各处理土壤有机质含量无显著差异(P>0.05)(表5)。F50S2处理和F50S1处理土壤碱解氮含量与F100处理相比无显著差异(P>0.05),但F50S2处理土壤碱解氮含量比F50处理显著提高了25.88%(P<0.05)。除F50S2处理外,其余化肥减施处理的有效磷和速效钾含量均显著低于F100处理(P<0.05),与F50S2处理头茬单果质量和二茬二级果单果质量与F100处理无显著差异(P>0.05)相对应,而不施化肥对照(CK)和F50处理头茬单果质量和二茬二级果单果质量与F100处理相比显著降低(P<0.05)的结论相对应。 F50S2处理交换性钙含量比F50处理、不施化肥对照(CK)显著提高22.44%(P<0.05)、24.26%(P<0.05),这是由于骨粉中含有大量的钙。

总体而言,富营养化土壤中不施或少施化学基肥仍会导致土壤养分不足,从而显著影响草莓生长发育,进而影响产量。然而,F50S1处理可缓解土壤酸化对幼苗生长的抑制,促进幼苗早期生长发育,维持土壤养分供应以确保单果质量不显著降低,提前上市提高经济效益。F50S2处理可使土壤维持足够的养分供应量,满足草莓生长发育需要,单果质量与F100处理相当,并提供足量的中量元素钙以提高草莓硬度,延长货架期提高效益。总之,草莓生产中在化肥减施的同时配施土壤调理剂可实现化肥减施增效。

2.5 相关性分析

相关性分析发现,草莓叶片数与幼苗期和初果期土壤电导率均呈显著正相关(P<0.05),与有效磷含量呈显著正相关(P<0.05),草莓头茬果单株果数与幼苗期土壤 pH值呈显著正相关(P<0.05),草莓叶片全氮含量则与幼苗期土壤电导率和有效磷含量呈显著正相关(P<0.05)(表6)。草莓果实硬度与初果期土壤电导率、碱解氮含量、速效钾含量呈显著正相关(P<0.05),草莓果实硬度与土壤可交换性钙含量呈极显著正相关(P<0.01)。由此可知,在酸化土壤中提高土壤pH值可以促进草莓早结果,提高土壤电导率、碱解氮含量、速效钾含量和可交换性钙含量,可以显著提高果实硬度。

3 讨 论

过量施肥会导致土壤养分失衡、环境污染以及果实产量和品质下降。因此,化肥减量成为近年的研究热点。本研究中,与F100处理相比,不施化肥对照(CK)、F50处理、F50S2处理草莓叶片数均显著降低(P<0.05)。与F100处理相比,不施化肥对照(CK)草莓现蕾率显著降低(P<0.05),表明即使是土壤养分非常丰富的田块中,大幅减少化肥投入仍会造成草莓植株生长缓慢,这与前人的研究结果相一致。大量研究结果表明,适量减少化肥投入不影响作物生长,大幅减施化肥则会影响作物生长,京津地区苹果化肥减施30%对树体生长无显著影响[19];化肥减施25%不会显著降低设施黄瓜的生物量和产量[20];化肥减量20%、40%配施生物有机肥不仅不会影响香蕉生长,还可以提高产量和品质,而化肥减施60%则会显著降低香蕉单果质量和收获率[21]。

农田长期过量施用化肥还会使土壤快速酸化。在中国,南方土壤酸化速率高于北方,种植经济作物的土壤酸化速率高于种植谷类作物的土壤[22]。土壤酸化会导致土壤养分的有效性降低,有害元素的浓度提高,养分匮缺和金属中毒会遏制植物生长[23-24]。前人研究结果表明,酸化土壤会使水稻分蘖期推迟[25]。本研究中,硅钙镁土壤调理剂提高了幼苗期土壤pH值,草莓株高、叶面积和现蕾率的增加表明草莓生长抑制得到缓解,从而促进了草莓早结果,可以提早上市获得较高收益。有研究结果表明,福建酸性红壤施用1 500 kg/hm2钙镁型土壤调理剂能够提高土壤pH值,花椰菜集中成熟采收时间提早 5 d,花球单球质量增加0.35 kg[26];硅钙钾镁土壤调理剂可以显著提高草莓前期和中期的单果质量以及总产量[13]。

常规施肥配施土壤调理剂能够提高土壤养分含量。苹果园酸化土壤上施用多种土壤调理剂均显著提高了土壤pH值,对有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度的提高[27]。单纯减少肥料投入会导致土壤养分显著减少,化肥减施配施有机肥、有机物料或土壤调理剂则能维持甚至提高土壤养分供应量。茶园化肥减施20%会显著减少土壤中硝态氮含量,化肥减施40%则会显著减少铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量,化肥减施同时配施有机肥则能维持土壤养分供应,甚至提高土壤中速效钾含量[28]。甜瓜栽培过程中氮、磷投入量减少50%,土壤硝态氮、铵态氮、有效磷含量均显著降低;但在化肥减施的同时配施有机肥后,收获期土壤有效磷含量与常规施肥无显著差异[29]。本研究中,与F100处理相比,不施化肥对照(CK)、F50处理、F50S1处理0～20 cm土层的土壤有效磷和速效钾含量均显著降低(P<0.05),而F50S2处理土壤有效磷和速效钾含量与F100处理无显著差异(P>0.05)。这是因为骨粉能够提高土壤有效磷供应量,如酸性土壤中施用含骨粉的土壤调理剂能增加66%～93%的土壤有效磷含量[17],在土壤养分匮缺条件下骨粉可以作为植物磷和钾的有效来源[30]。化肥减施会减少土壤养分供应量,进而影响植株矿质养分的吸收量[31-34]。本研究结果表明,相较于F100处理,大量减少化肥投入如不施化肥对照(CK)和F50处理叶片氮含量会显著降低(P<0.05),而F50S1处理和F50S2处理叶片氮含量则与F100处理无显著差异(P>0.05),这表明土壤调理剂能够促进草莓对氮的吸收。类似的研究结果表明,增施硅钙钾镁土壤调理剂能够显著提高内蒙古马铃薯植株氮素含量[35]。

配施适宜的土壤调理剂不仅能够改善土壤理化性质,还能提高果品品质。骨粉Ca含量高达283.0 g/kg,施入土壤后可显著提高土壤中可交换性钙含量[17]。与F100处理相比,本研究中含有骨粉的F50S2处理土壤交换性钙含量显著提高(P<0.05),果实硬度也显著提高(P<0.05)。大部分试验通过叶面喷施钙肥来提高草莓果实硬度,如喷施240 mg/L Ca+60 ml/L B可以使果实硬度提高14%[36]。但也有研究结果表明,土壤中施入石灰氮(CaCN2)能使草莓果实硬度提高5%～10%[37]。然而,当化肥过量减施,配施土壤调理剂无法保持果实品质。张筠筠等[38]在贺兰山东麓酿酒葡萄中的研究结果表明,化肥和有机肥各减施75%同时配施土壤调理剂处理的葡萄产量较全量施用化肥处理增产了 69.07%,但葡萄浆果中单宁和总酚含量显著下降,综合品质显著降低。这表明,土壤调理剂不能完全替代化肥,化肥适量减施同时配施土壤调理剂是实现化肥减施增效的有效途径。本研究的相关性分析结果表明,在化肥减施前提下,提高土壤电导率、碱解氮含量、速效钾含量和可交换性钙含量可以显著提高果实硬度。而在基础肥力较高的桃园上过多施入氮肥会导致桃果实硬度下降,土壤碱解氮含量与桃果实硬度呈反比[39]。本研究中,2种土壤调理剂分别具有提早上市和延长货架期的作用,为进一步提高综合效能,土壤调理剂的选择和及其与化肥的配比还需进一步研究。

4 结 论

与常规量施化肥处理相比,基施中不施化肥或化肥减施50%处理,土壤养分供应量均会显著降低,植株生长发育和草莓单果质量受到影响。化肥减施50%同时配施硅钙镁土壤调理剂可以显著提高草莓幼苗期土壤pH值,缓解酸化土壤对草莓幼苗生长的抑制,显著增加株高、叶面积和现蕾率,提早结果,提早上市。化肥减施50%同时配施骨粉不仅可以维持与化肥全量施用相当的土壤养分供应量、叶片全氮含量和单果质量,还能提高果实硬度,延长货架期。