生物有机肥替代化肥对葡萄生长与土壤肥力的影响

韩秀丽　李嘉伟　张杰　郭艳杰　张丽娟　吉艳芝

摘要：为了明确生物有机肥替代化肥对‘赤霞珠葡萄产量、品质与土壤肥力的影响，于2019—2020年设置传统水肥（CK）、优化水肥（Opt）及优化水肥中化肥氮的20%（B1）和40%（B2）分别由生物有机肥替代，比较不同处理下的土壤养分含量及葡萄的产量和品质。结果表明，优化水肥及施用生物有机肥替代部分化肥能较好地改善土壤理化性质，提升土壤肥力，促进葡萄生长。其中，B1处理可显著增加葡萄园经济效益，2年平均收益较CK提高33.59%；B2处理提升土壤肥力效果较好，与CK相比，成熟期0—40 cm土层的pH与硝态氮含量均有降低，有机质显著增加，与Opt处理相比，成熟期0—40 cm 土层土壤的有效磷、速效钾含量分别显著提升109.90%、32.20%。由此表明，生物有机肥替代部分化肥是实现果园高效、安全、持续生产的有效途径。

关键词：生物有机肥替代；产量；品质；土壤肥力；赤霞珠

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0914

中图分类号：S663.1 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）04019511

我国葡萄栽培面积逐年增加，2020年种植面积为7.31×105 hm2，产量达1.43×108 t，成为农业经济的重要支柱产业[1]。由于过于追求经济效益，河北省果园平均氮素投入量高达438 kg·hm-2，远超国外果园100～150 kg·hm-2 的氮素投入量。过量施用氮素导致土壤肥力下降，同时影响葡萄产量和品质[2]。为使葡萄提质增效、提升园地土壤肥力，合理施用有机肥成为重要途径。

生物有机肥是微生物与有机肥效应兼具的肥料，含有丰富的有机质，能有效促进土壤紧结态腐殖质向松结态腐殖质转化，释放果园土壤中固持的磷、钾等养分，促进土壤有机碳积累[34]，对促进作物生长、提高产量与品质、培肥土壤具有显著效果，在农业生产中广泛应用[5]。研究发现，配施生物有机肥对山核桃和苹果园土壤的碱解氮、有效磷、速效钾具有显著提升作用[67]；申小冉等[8]在20年长期定位试验中发现，生物有机肥处理的土壤全氮含量是单施化肥的2～3倍；生物有机肥更有利于树体吸收养分，降低氮代谢[910]，配施有机肥后氮肥的偏生产力较相同施氮量提高11.29%～49.84%[11]。生物有机肥通过释放养分，满足葡萄生长的养分需求，进而实现稳产优质。周喜荣等[12]研究发现，有机、无机肥配施使葡萄平均果粒质量增加1.25%～9.45%，产量较CK增加1.07%～26.48%；且生物有机肥可提高果实可溶性固形物和总糖含量，糖酸比及花青苷 [1314]、总酚含量[15]明显上升，显著提升品质指数[1617]；谢凯等[18]研究表明，施用生物有机肥替代部分化肥使‘黄冠梨的产量及果实中可溶性糖含量和糖酸比分别较单施化肥提高3.85%～22.83%、10.12%～17.00%、18.68%～23.08%。

河北省的葡萄种植面积与产量分别位居全国第3 和第2 位，2020 年种植面积与产量分别达4.39×104 hm2 与1.19×106 t[1]，化肥投入量逐年升高，导致果园土壤肥力下降、土壤养分累积量增加。研究发现，化肥带入的N、P2O5、K2O是葡萄需求量的3.67、4.20、2.12 倍；有机肥用量下降41.70%，土壤有机质含量降低9.66%，硝态氮、有效磷和速效钾的累积量增加30.02%、69.90% 和50.55%[1920]。因此，开展生物有机肥替代化肥研究对促进葡萄生长、提升土壤肥力具有重要意义。本研究通过生物有机肥部分替代化肥的2年田间试验，分析不同替代量下的葡萄产量、品质及果园土壤肥力特征，明确生物有机肥的适宜替代量，为葡萄园合理施肥与地力提升提供科学依据与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在河北省定州市黄家葡萄酒庄园基地（38°49′ N、115°15′ E）进行。试验地处于冀中南地区，属温带-暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，半湿润暖湿气候区，年均日照2 611.9 h；年均气温12.4 ℃，且年际间气温差异较小；年均降水量503.2 mm，主要集中在7—9月。试验地土壤类型为潮土，质地为中壤土，0—20 cm土层土壤容重1.30 g·cm-3，pH 8.37，有机质13.37 g·kg-1，硝态氮14.99 mg·kg-1，有效磷81.64 mg·kg-1，速效钾359.87 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验酿酒葡萄品种为‘赤霞珠，种植12年，株行距0.4 m×2.0 m。共设置4个处理，分别为传统水肥（CK）、优化水肥（Opt）、优化水肥中化肥氮20%由生物有机肥替代（B1）、优化水肥中化肥氮40% 由生物有机肥替代化肥（B2）。生物有机肥替代处理以氮素为基准进行替代，遵循氮磷钾等养分量施肥，总施氮量与优化水肥保持一致，偏差养分利用磷酸一铵（含N 12%，P2O5 61%）、硫酸钾（含K2O 50%）补齐。每个处理3次重复，共12个小区，每个小区面积150 m2（2.0 m×75.0 m）。4个处理均采用水肥一体化施肥灌水。生物有机肥为河北闰沃生物技术有限公司生产的“地沃润”生物有机肥（N 2.5%、P2O5 2.5%、K2O 1.8%），有机质≥40%，有效菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌，有效活菌数≥0.2亿CFU·g-1。生物有机肥分别于2019和2020年葡萄萌芽期施用，在距离葡萄主干30 cm处，挖40 cm深的沟将生物有机肥施入，覆土后进行灌溉。各处理养分投入量和灌水量详见表1。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

土壤样品：分别于2020年葡萄萌芽期（4月7日）、开花期（5月22日）、膨大期（6月22日）和成熟期（9月24日）采集0—100 cm（间隔20 cm）土层土壤样品。在距离葡萄主干25 cm，用土钻以“S”形采集3个样点，同层土样混匀后，用封口袋带回实验室。一部分鲜样用于测定土壤硝态氮和含水量，另一部分风干去杂，分别过1 mm和0.25 mm筛，用于测定土壤pH及有机质、有效磷、速效钾含量。

植物样品：于2020年葡萄收获期，每个处理取10穗长势均匀一致的果穗，重复3次，在每穗上、中、下部位各取10个果粒，用于测定果实品质。

1.3.2 测定方法

土壤样品：采用ZD-型酸度计（北京卓川电子科技有限公司）测定土壤pH（水土比为2.5∶1）；采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量；采用1 mol·L-1 KCl浸提-Skalar SAN++型流动分析仪（荷兰Skalar分析仪器公司）测定土壤硝态氮含量；采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；采用CH3COONH4浸提-FP6410型火焰光度计（上海奥析科学仪器有限公司）测定土壤速效钾含量 [21]。

葡萄产量：2019年和2020年的收获期，全小区采摘测产。

葡萄品质：采用UV1700PC型分光光度计（上海奥析科学仪器有限公司） 测定总酚含量[22]；采用pH示差法测定花色苷含量[23]；采用比色法测定单宁含量[24]；采用PAL-BX ACID5糖酸一体机（上海硕群电子科技有限公司）测定可滴定酸和可溶性固形物含量。

肥料偏生产力（partial fertilizer productivity，PFP）及经济效益的计算公式如下。

肥料偏生产力（kg·kg-1）=产量/肥料施用量（1）

产值（元·hm-2）=产量×果实价格（2）

投入（元·hm-2）=肥料成本+人工费+柴油费+水电费（3）

收益（元·hm-2）=产值-投入（4）

产投比=产值/投入（5）

通过对试验地农资市场进行调查，各种水溶肥的价格如下，磷酸一铵7 元·kg-1、硫酸钾12 元·kg-1、尿素5元·kg-1，生物有机肥2.5元·kg-1。试验年份酿酒葡萄‘赤霞珠收购平均价格为4元·kg-1。种植葡萄1年的柴油费、人工费为15 600 元·hm-2，CK处理的水电费为1 300元·hm-2，优化水肥处理的水电费为1 000 元·hm-2。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 进行数据整理，采用Origin2018作图，采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析、显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥替代化肥对葡萄产量与肥料偏生产力的影响

由表2可知，2019、2020年Opt、B1、B2处理的葡萄产量较CK均略有增加，其中2020年B1、B2处理显著高于CK。2020年，B1、B2处理葡萄产量较Opt处理分别显著提高24.37%、9.74%，其中B1处理的产量最高，为13 761 kg。从肥料偏生产力来看，2020年B1、B2处理的N、P2O5、K2O肥料偏生产力均显著高于CK和Opt处理，且B1处理显著高于B2处理。由此表明，生物有机肥替代部分化肥能有效提高葡萄产量，提升肥料偏生产力。

2.2 生物有机肥替代化肥对葡萄品质的影响

不同施肥处理的葡萄品质如表3所示。B1、B2处理的总酚含量低于CK和Opt处理，但差异不显著。B2处理籽粒和果皮的单宁含量最高，且显著高于其他处理；而B1处理与CK、Opt处理差异不显著。B2处理果实的花色苷含量分别较CK、Opt处理相比，B1、B2处理果实的可溶性固形物含量呈上升趋势，但差异不显著。葡萄果实中的可滴定酸含量随着生物有机肥替代量的增加呈降低趋势，其中B2处理较CK和Opt处理分别显著降低26.89%和29.27%；且B2处理果实的糖酸比较CK、Opt分别显著增加38.54%和40.81%。综上所述，生物有机肥替代部分化肥能有利于提高酿酒葡萄的品质。

2.3 生物有机肥替代化肥对园地土壤养分含量的影响

2.3.1 对土壤pH 的影响

各生育期土壤pH 如表4所示。各处理土壤的pH随生育进程呈现先降低再升高的趋势。在成熟期，B1、B2处理0—20、20—40 cm土层土壤的pH显著低于CK和Opt处理，且B2处理0—20 cm土层土壤的pH显著低于B1处理。在0—20 cm土层，CK处理在成熟期的土壤pH较萌芽期显著增加0.22个单位；Opt处理显著增加0.17个单位；B1、B2处理有降低趋势，其中B2处理显著降低0.14个单位。在20—40 cm土层，B1和B2处理在成熟期的土壤pH较萌芽期均显著降低0.10个单位。在40—100 cm土层，各处理的pH在整个生育期变化较小。由此表明，生物有机肥部分替代化肥有利于调节土壤pH，使其更适宜葡萄生长，其中生物有机肥替代40%化肥对调节土壤pH效果较佳。

2.3.2 对土壤有机质含量的影响

由表5可知，在20—100 cm土层， B1、B2处理在成熟期的有机质含量较萌芽期增加，而CK、Opt处理略有降低。在0—100 cm土层，各生育期均呈现B1、B2处理的有机质含量高于CK、Opt处理，说明生物有机肥含有丰富的有机碳，可以有效提升土壤有机质含量。在成熟期， B1、B2处理在0—20 cm土层土壤有机质含量较CK处理分别显著增加37.20%、43.15%，较Opt 处理分别显著增加30.85%、36.51%；在20—100 cm土层土壤的有机质含量较Opt处理显著增加。由此表明，生物有机肥替代部分化肥可以有效改善土壤肥力，更好地满足作物生长过程对养分的需求。

2.3.3 对土壤硝态氮含量的影响

不同处理下土壤的硝态氮含量如图1所示。在萌芽期，各处理土壤的硝态氮含量在0—80 cm土层均表现为随着土层深度的增加逐渐降低，而在80—100 cm土层含量升高；在膨大期与成熟期，各处理在0—80 cm土层也表现为随土层深度的增加逐渐降低，但在80—100 cm 土层中，CK、Opt 处理的硝态氮含量较60—80 cm 土层有所增加，而B1、B2 处理较60—80 cm土层硝态氮含量略有降低。

在萌芽期和开花期，各处理硝态氮含量表现为B1

2.3.4 对土壤有效磷的影响

由图2可知，全生育期各处理的土壤有效磷含量均表现为随着土层深度的增加逐渐降低。随着生育进程的推进，CK、Opt处理土壤有效磷含量呈先增加后降低趋势；而B1、B2处理在开花期较萌芽期略有降低，但膨大期与成熟期均呈现增加趋势。在0—20 cm土层，各处理在成熟期的有效磷含量较萌芽期均有所增加；在40—80 cm 土层，CK、Opt处理在成熟期的有效磷含量较萌芽期分别降低42.74%、69.63%， 而B1、B2 处理在成熟期的有效磷含量较萌芽期分别增加96.09%、82.07%。生物有机肥中含有大量枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌与胶质芽孢杆菌，可释放土壤中固持的磷，进而提升土壤有效磷含量。

2.3.5 对土壤速效钾的影响

各生育期土壤速效钾含量均表现为随着土层深度的增加呈逐渐降低趋势（图3）。在萌芽期与开花期，各土层速效钾含量均表现为CK>Opt>B1>B2；在膨大期和成熟期，各土层速效钾含量均表现为B2>B1>Opt>CK。由此表明，生物有机肥有利于硅酸盐类矿物加速分解，释放钾等元素，进而有效提升土壤速效钾含量。

在成熟期，B1、B2处理土壤的速效钾含量较CK、Opt处理有所提高，其中，B1处理在20—80 cm土层的速效钾含量较CK、Opt 处理平均提高67.27%、83.95%；B2处理较CK、Opt处理平均提高166.96%、197.71%。在0—100 cm土层，B1、B2处理在成熟期的土壤速效钾含量较萌芽期分别提高46.36%、120.21%。由此表明，生物有机肥能有效提高土壤速效钾含量。

2.4 土壤指标与葡萄品质指标的关系

酸类物质含量是评价葡萄酒品质的重要指标之一，可促进葡萄皮中色素物质的溶解，其适宜的酸度范围在6～10 g·L-1，酸度过高易致葡萄酒口感酸涩，过低则寡淡无味[25]。由表5 可知，土壤pH与葡萄果实的可滴定酸含量呈极显著正相关；土壤有机质含量与果实可滴定酸含量呈极显著负相关；土壤硝态氮含量与果实可滴定酸含量呈显著正相关。由此可知，生物有机肥通过调节土壤pH、提升土壤肥力，进而使葡萄果实中的可滴定酸含量处于适宜水平，提升葡萄品质。

2.5 经济效益分析

由表7可知，2019、2020年不同处理的平均收益表现为B1>Opt>B2>CK；产投比表现为B1>Opt>B2>CK。与CK相比，Opt、B1、B2处理的平均收益分别提高18.62%、33.59%、16.56%，其中B1 处理的平均收益最高，产投比最大。说明减施20%化肥不仅降低了生产成本的投入，还有效提高了葡萄经济效益。

3 讨论

3.1 生物有机肥替代部分化肥能提升葡萄产量与品质提升

与单施化肥相比，配施生物有机肥能为土壤微生物活动提供更多的能量和养料，有利于加速有机质分解[26]，从而提高葡萄的产量和品质。生物有机肥中的芽孢杆菌可改良根际微环境、促进根系生长、增加叶绿素含量、提高光合速率，从而有效促进糖分积累，降低酸类物质含量[2728]。本研究表明，葡萄中的可滴定酸含量随着生物有机肥替代量的增加呈降低趋势，其中B2处理的糖酸比分别较CK、Opt处理显著提高38.54%、40.81%。施用生物有机肥可促进果实酚类物质含量积累，而酚类物质（包括花色苷类与非花色苷类）又是影响葡萄酒颜色、口感及香气等感官质量的重要指标[29]。本研究表明，生物有机肥处理葡萄果实的总酚含量未显著增加，但花色苷含量有所增加，其中B2处理的花色苷含量较CK、Opt处理分别显著增加7.84%、7.84%。 由此表明，施用生物有机肥有利于提升葡萄产量与品质。

3.2 生物有机肥替代部分化肥能调节土壤pH

研究发现，适宜葡萄生长的土壤pH为5.5～8.3，最适pH为5.8～7.5[30]。土壤pH适宜有利于葡萄成熟，且糖高酸低、酒质轻爽[31]。生物有机肥中含有巨大芽孢杆菌与胶质芽孢杆菌，其在生长过程中会释放有机酸，降低土壤pH[3233]。本研究表明，B1、B2 处理0—20 cm 土层在葡萄成熟期的土壤pH较萌芽期分别降低0.03、0.14个单位，表明生物有机肥可改良土壤质量，有效调节土壤pH，与前人研究结果一致[3435]。

3.3 生物有机肥替代部分化肥对土壤硝态氮累积的影响

土壤剖面硝态氮含量随施氮量的增加而增大，易造成淋失[36]。本研究中，传统施肥处理的氮素投入量是优化施肥处理的1.2倍，导致40—100 cm土层土壤硝态氮含量显著高于优化处理。本研究表明，在0—40 cm土层，B2处理在成熟期的土壤硝态氮含量较Opt 处理显著降低46.85%；在40—100 cm土层，CK、Opt处理在成熟期的土壤硝态氮含量较萌芽期平均增加175.57%、156.49%，但B1与B2处理成熟期与萌芽期无显著差异。这可能是因为施用生物有机肥促进了反硝化细菌的生长[35]，且生物有机肥中含有大量微生物，耗氧量增加，为反硝化细菌提供更加适宜的生存环境，使土壤硝态氮含量降低，从而降低了淋溶风险。

3.4 生物有机肥替代部分化肥可培肥地力

本研究表明，‘赤霞珠葡萄的有机质含量与总酚含量呈显著负相关，与宋建强等[37]研究结果一致，但张筠筠[38]研究发现，土壤有机质含量提高有利于提升葡萄总酚含量。这可能是因为生物有机肥中含有大量有机碳，可迅速提升土壤有机质含量，但葡萄品质提升需要养分进一步分解释放以满足植株生长需求，具体原因有待进一步研究验证。

综上所述，‘赤霞珠葡萄园采用生物有机肥替代20%化肥氮可促进葡萄实现高产、优质，显著增加经济效益；生物有机肥替代40%化肥氮可显著降低土壤硝态氮含量，降低氮素淋溶风险，并能促进土壤固持磷、钾的释放，提高土壤肥力。因此，生物有机肥替代部分化肥是实现果园高效、安全、持续生产的有效途径。

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（责任编辑：张冬玲）

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFD0201307）。