岳宗偉,李嘉驍,孫向陽,*,劉國梁,李素艷,王晨晨,查貴超,魏寧嫻

(北京林業(yè)大學 a. 林學院,森林培育與保護教育部重點實驗室;b. 水土保持學院,北京 100083)

化肥具有肥效好、價格低廉、施用方便等優(yōu)點,果農(nóng)為了追求更高的經(jīng)濟效益,往往會選擇加大化肥的施用量,但過量的化肥施入會導致土壤退化[1-3],以及環(huán)境污染等問題[4-5]。有機肥可以改良土壤結(jié)構(gòu),改善作物品質(zhì)[6-7],提高土壤微生物和酶活性[8];但若有機肥施用比例過高,可能會由于速效肥力不足而導致果樹減產(chǎn)和果實品質(zhì)下降,同時也有引致土壤重金屬含量超標[9]和地下水污染[10]的風險。在我國部分地區(qū),果園化肥施用不合理的問題突出,土壤酸化、面源污染時有發(fā)生,果品質(zhì)量難以得到保證;但與此同時,果品質(zhì)量安全和環(huán)境問題日益受到社會各界的廣泛關(guān)注與重視[11]。研究表明,有機無機肥配合施用不僅能夠滿足植物在生長發(fā)育各個時期對養(yǎng)分的需求,還可以較好地維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質(zhì)量的重要評價指標[13],對土壤環(huán)境的變化較為敏感。有機無機肥配施可以通過提高土壤中微生物的種群數(shù)量,改變其群系組成,進而間接影響土壤酶的活性[14];同時,有機無機肥配施帶入的有機質(zhì)等,可以為土壤酶提供底物,從而直接影響土壤酶的活性。趙佐平等[15]發(fā)現(xiàn),有機無機肥配施可以提高蘋果的果實品質(zhì);杜春燕等[16]發(fā)現(xiàn),有機無機肥配施在保持櫻桃穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的前提下,顯著提高了櫻桃果實的可溶性固形物和維生素C含量,但不同品種對配施的響應(yīng)并不一致。綜上可知,有機無機肥配施的效果受作物類型、品種特性、栽培條件、有機肥種類等多因素的共同影響。

櫻桃是北京市通州區(qū)的特產(chǎn),在當?shù)乇粡V泛種植,每年消耗大量化肥。通州作為北京的城市副中心,每年都有大量的園林綠化廢棄物產(chǎn)出,但卻未能得到有效利用。為實現(xiàn)“十四五”規(guī)劃中化肥減量的目標,同時保證果園收益不下降和園林綠化廢棄物得到資源化再利用,本研究特以櫻桃為研究對象,在北京市通州區(qū)進行大田試驗,研究化肥與園林綠化廢棄物堆肥配施對果園土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性,以及果實品質(zhì)的影響,以期為相關(guān)研究和櫻桃生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗于2020年在北京市通州區(qū)進行。當?shù)貙俅箨懶约撅L氣候,全年平均氣溫12.7 ℃,年均降水量445.6 mm,年均日照時數(shù)2 541.8 h。選用10年生紅燈櫻桃[Cerasusavium(L.) Moench.]作為試驗材料,供試果園的株行距為4 m×4 m。土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,肥力中等,有機質(zhì)含量24.96 g·kg-1,全氮含量3.30 g·kg-1,堿解氮含量114.27 mg·kg-1,有效磷含量226.66 mg·kg-1,速效鉀含量368.68 mg·kg-1,pH值7.83,呈弱堿性。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理:CK,不施肥;T1,100%化肥;T2,75%(以純氮投入量計,下同)化肥+25%有機肥;T3,50%化肥+50%有機肥;T4,25%化肥+75%有機肥;T5,100%有機肥。施肥量根據(jù)供試果園的土壤養(yǎng)分狀況和當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量確定,T1處理下單株果樹的化肥施入總量為1 kg,其中尿素0.3 kg,過磷酸鈣0.3 kg,氯化鉀0.4 kg。除CK外,保持各處理的養(yǎng)分(N、P2O5、K2O)投入量相同,有機肥帶入的養(yǎng)分不足的,由過磷酸鈣和氯化鉀補充。將各處理下每種肥料的施用量整理于表1。每個處理設(shè)置3個重復,隨機區(qū)組排列。有機肥、化肥于2019年11月一次性基施,在距果樹1 m處挖20 cm深環(huán)狀溝施肥。灌溉、殺蟲、除草等采用常規(guī)田間管理方法。

表1 各處理的單株施肥量

供試化肥包括尿素(N質(zhì)量分數(shù)46%,生產(chǎn)廠家為安陽中盈化肥有限公司)、過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分數(shù)12%,生產(chǎn)廠家為荊門市宏運肥業(yè)有限公司)、氯化鉀(K2O質(zhì)量分數(shù)60%,生產(chǎn)廠家為中化化肥有限公司)。供試有機肥為園林綠化廢棄物堆肥,原料取自香山修剪枝葉和自然枯落物,N含量15.52 g·kg-1,P2O5含量2.25 g·kg-1,K2O含量7.14 g·kg-1,有機質(zhì)含量245.25 g·kg-1。

1.3 樣品采集與指標測定

于2020年6月采集土壤樣品、果實樣品:利用土鉆采集環(huán)狀溝內(nèi)0～20 cm土層的土壤樣品,在選定的櫻桃樹的東西南北4個方向共摘取16個果實。

采集的土壤樣品經(jīng)風干后,研磨,過篩,用于指標測定。

土壤pH值采用Starter 3C型pH計(美國Ohaus)測定,有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-熱稀釋法測定,全氮含量采用K1306型全自動凱氏定氮儀(上海晟聲自動化分析儀器有限公司)測定,堿解氮含量采用堿解擴散法測定,有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定,速效鉀含量采用FP6410型火焰光度計(上海精密科學儀器有限公司)測定。

土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,脲酶活性采用靛酚藍比色法測定,蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定,堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定,脫氫酶活性采用TTC(氯化三苯基四氮唑)比色法測定,過氧化氫酶活性采用容量法測定[17],比色均使用UV6100型紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)。土壤蔗糖酶活性以1 d時間1 g土壤生成的葡萄糖的質(zhì)量表示,土壤蛋白酶活性以1 d時間1 g土壤生成的氨基氮的質(zhì)量表示,土壤脲酶活性以1 d時間1 g土壤生成的NH3-N的質(zhì)量表示,土壤堿性磷酸酶活性以1 d時間1 g土壤生成的酚的質(zhì)量表示,土壤脫氫酶活性以1 d時間1 g土壤生成的H+的體積表示,土壤過氧化氫酶活性以1 h時間1 g土壤消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液的體積表示。

用MASTER-20M型折射儀(日本愛拓株式會社)測定果實樣品的可溶性固形物含量,采用蒽酮比色定糖法測定果實樣品的可溶性糖含量,采用氫氧化鈉中和滴定法測定果實樣品的可滴定酸含量,采用LC-1100型高效液相色譜儀(美國Agilent)測定果實樣品的維生素C(VC)含量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)。采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析,對有顯著(P<0.05)差異的,用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的效果

2.1.1 對土壤基本理化性質(zhì)的影響

試驗后,各處理的土壤pH值在7.63～8.01(圖1),系中性偏弱堿性,各處理間差異不顯著。T3、T4、T5處理的土壤有機質(zhì)含量顯著高于CK、T1、T2處理,分別較T1處理增加38.1%、34.0%和30.8%。T3、T4、T5處理的全氮含量顯著高于CK,其中T3、T4處理的全氮含量還顯著高于T1處理,但CK與T1、T2處理之間差異不顯著。T3處理的堿解氮(除T4處理外)、有效磷、速效鉀含量顯著高于其他處理,分別為202.8、356.6、768.6 mg·kg-1,分別是T1的1.76、1.56、1.80倍?？傮w而言,相較于單施化肥的T1處理,T3處理可有效提高土壤養(yǎng)分含量。

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同處理的土壤理化性質(zhì)Fig.1 Soil physical and chemical properties under treatments

2.1.2 對土壤酶活性的影響

各處理的土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性無顯著差異(圖2)。T2、T3、T4、T5處理的土壤脲酶活性均顯著高于CK和T1處理,分別較T1處理增加了133.1%、174.5%、159.2%、129.3%。T2和T3處理的土壤蛋白酶活性顯著高于CK和T1處理,T4、T5處理的土壤蛋白酶活性與其他處理均無顯著差異,與T1處理相比,T2和T3處理的土壤蛋白酶活性分別增加了44.6%、48.1%。T3、T4、T5處理的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于CK和T1處理,分別為4.60、4.49、3.68 mg·g-1·d-1,分別為T1的4.03、4.94、3.23倍。T3處理的土壤脫氫酶活性顯著高于CK和T1處理,其余處理之間差異不顯著?？偟膩砜?各處理中,以T3處理的土壤酶活性最高。

圖2 不同處理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzymes activities under treatments

2.1.3 對果實品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

各處理的果實可溶性固形物含量間差異不顯著(圖3)。T3處理的果實可溶性糖含量顯著高于CK,其他處理之間均無顯著差異。T3處理的果實可滴定酸含量顯著低于CK和T1處理。T2、T3、T4處理的果實維生素C含量顯著高于CK和T1,分別為246.77、266.07、242.90 mg·kg-1,相較于T1處理分別增加了38.1%、49.0%、36.0%。T3處理的果實糖酸比顯著高于其他處理,達44.18,分別為CK和T1處理的1.77、1.81倍。各施肥處理(T1～T5)的產(chǎn)量均顯著高于CK,除T5處理的產(chǎn)量顯著低于T1外,其余施肥處理的產(chǎn)量差異不顯著?？傮w判斷,相較于單施化肥的處理,T3處理在產(chǎn)量沒有顯著下降的前提下提高了果實品質(zhì)。

2.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表2)顯示,土壤pH值、有效磷含量與土壤酶活性之間無顯著相關(guān)性,土壤過氧化氫酶活性與測定的土壤理化指標(土壤pH,及有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量)之間均無顯著相關(guān)性。土壤蔗糖酶活性與堿解氮含量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。土壤脲酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關(guān),與土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。土壤蛋白酶活性與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關(guān),與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮含量呈極顯著正相關(guān),與土壤堿解氮、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。土壤脫氫酶活性與土壤堿解氮含量呈極顯著正相關(guān),與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。

表2 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的相關(guān)分析

測定的果實品質(zhì)指標(可溶性糖、可溶性固形物、可滴定酸、維生素C含量,及糖酸比)與土壤pH和土壤過氧化氫酶活性無顯著相關(guān)性(表3)。果實的可溶性糖含量與土壤速效鉀含量、脲酶活性、蛋白酶活性呈極顯著正相關(guān),與土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量,以及堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)。果實的可溶性固形物含量與土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。果實的可滴定酸含量與土壤堿解氮、有效磷含量,以及脲酶活性呈極顯著負相關(guān),與土壤速效鉀含量呈顯著負相關(guān)。果實的維生素C含量與土壤有機質(zhì)、速效鉀含量,以及脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān),與土壤全氮、堿解氮含量,以及蔗糖酶、脫氫酶活性呈顯著正相關(guān)。果實的糖酸比與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量,以及脲酶活性呈極顯著正相關(guān),與土壤有機質(zhì)、全氮含量,以及蛋白酶、堿性磷酸酶、脫氫酶活性呈顯著正相關(guān)。

表3 土壤性質(zhì)與果實品質(zhì)、產(chǎn)量的相關(guān)性

對化肥施用量與本文測定的土壤指標、果實品質(zhì)指標和產(chǎn)量做相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,化肥施用量與果實產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),與土壤有機質(zhì)含量、土壤堿性磷酸酶活性呈極顯著負相關(guān),與土壤全氮含量、土壤脲酶活性呈顯著負相關(guān)。

3 討論

3.1 化肥有機肥配施對土壤養(yǎng)分的影響

果園施肥不僅要關(guān)注當季肥料的利用率,更要關(guān)注土壤肥力的維持。本試驗中,與試驗前的土壤相比,單施化肥處理對土壤養(yǎng)分含量的提升效果不明顯,但可以基本維持土壤肥力,這與呂家瓏等[19]的結(jié)論一致。本研究中,T3、T4、T5處理的土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他處理,這是因為有機肥的施入帶入了大量的有機質(zhì),土壤有機質(zhì)的增加主要取決于外源有機質(zhì)的投入[20]。T3、T4處理還顯著增加了土壤的全氮含量,這與高洪軍等[21]的研究結(jié)果一致,表明化肥和有機肥配施對于提高土壤氮素含量、長期保持氮素水平來說具有積極意義。同時,T3處理的土壤速效養(yǎng)分含量也均較高,這與許小偉等[22]的研究結(jié)果類似,表明該處理在經(jīng)過一個生長季后仍能保持較強的養(yǎng)分供給能力。這可能是由于有機肥不僅能夠提供大量的緩釋養(yǎng)分,同時還有助于減緩化肥中養(yǎng)分的流失,而單施的化肥易隨降水淋溶等流失[23-24]。然而,單施有機肥也存在著養(yǎng)分釋放緩慢的缺陷。本試驗中,T5處理土壤中的速效養(yǎng)分含量低于T3,表明單施化肥或單施有機肥均不能持續(xù)有效地為果樹生長發(fā)育提供足夠的速效養(yǎng)分[25]。劉國梁等[26]的研究表明,當配施比例為50%化肥+50%有機肥時,土壤肥力的提升效果最為明顯,且該配施比例能夠改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤腐殖質(zhì)含量,更利于土壤培肥。綜上,采用適當比例的有機無機肥配施,既可滿足作物生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求,也不會導致土壤退化和肥力下降。

3.2 化肥有機肥配施對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤中微生物的活動、根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶[27],土壤系統(tǒng)中復雜的生化過程都有土壤酶的參與[28],土壤酶活性可以作為評判土壤肥力的一項重要指標[29]。在本研究中,單施化肥處理的土壤酶活性與不施肥處理之間并無顯著差異,說明化肥單施并不能提高土壤中的酶活性。這與劉術(shù)新等[30]的研究結(jié)果一致。但也有研究證明,長期單施化肥會導致土壤酶活性降低[31]。這是由于,化肥單施并沒有提高土壤的養(yǎng)分含量,且會導致土壤酸化板結(jié)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,土壤養(yǎng)分含量和酶活性之間存在一定的相關(guān)性,土壤有機質(zhì)含量和部分酶活性之間呈顯著正相關(guān)。這與鄭勇等[14]在旱地紅壤上種植油料作物的研究結(jié)果一致。土壤全氮、堿解氮和速效鉀的含量與部分土壤酶活性之間也存在一定的顯著相關(guān)性,這進一步說明了土壤酶活性作為土壤肥力評價指標的可靠性。隨著有機肥配比的增大,其對土壤酶活性的促進作用也隨之增強。這與Mandal等[32]的研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,土壤酶活性與土壤微生物密切相關(guān),有機肥為土壤微生物提供了大量生命活動所需的物質(zhì)。本研究中,化肥有機肥配施對土壤蔗糖酶活性無顯著提升,這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響。T3處理下土壤脲酶和堿性磷酸酶的活性顯著提高。這主要是由于這兩種酶受土壤養(yǎng)分的影響較大[33]。本研究的相關(guān)性分析結(jié)果也顯示,土壤脲酶和堿性磷酸酶的活性與多項土壤理化性狀指標存在顯著正相關(guān)性。脫氫酶多存在于土壤微生物內(nèi)部,參與微生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)。T3處理的土壤脫氫酶活性較CK和T1處理顯著升高,說明T3處理提高了土壤微生物的數(shù)量和活躍度。

3.3 化肥有機肥配施對果實品質(zhì)的影響

可溶性固形物、可滴定酸、維生素C、可溶性糖含量,及糖酸比是表征櫻桃果實內(nèi)在品質(zhì)的重要指標[34]。有機無機肥配施能夠顯著提高果實品質(zhì),這在不同水果的研究中均已得到證實[35-37]。本試驗中,化肥有機肥配施相較于化肥單施的處理可以提高果實含糖量,降低果實酸度,從而提高果實糖酸比。這與前人的研究結(jié)果一致[38]。關(guān)于施肥對果實可溶性固形物含量的影響,不同研究者的結(jié)論不盡相同:李憑峰等[39]的研究表明,相較于灌溉,施肥并不影響果實可溶性固形物的含量。這與本研究的結(jié)果一致。但也有研究表明,有機肥可以提高果實可溶性固形物的含量[40-41],推測與配施有機肥的種類和用量有關(guān)。在配施有機肥的處理中, T3處理在保證產(chǎn)量相較于單施化肥處理沒有顯著下降的前提下,可溶性糖、維生素C含量,及糖酸比等指標均顯著提高,效果最好。Lohar等[42]的研究也發(fā)現(xiàn),當化肥與有機肥的配比為50%+50%時,對姜黃產(chǎn)量和品質(zhì)的提升效果最好。但不同研究中,由于土壤、作物、有機肥類型的差異,所得到的最佳配比也并不完全相同。侯紅乾等[43]在紅壤上進行的研究就表明,30%化肥+70%有機肥對水稻產(chǎn)量的提升效果最好。這可能是由于在水田中化肥更易流失,同時淹水環(huán)境中大量的微生物和土壤動物會加快有機肥的分解,更快地釋放出養(yǎng)分。但針對其他一年生經(jīng)濟作物,通常都會采取更高的化肥占比來為作物提供所需的養(yǎng)分。例如:陶磊等[44]的研究表明,只有當有機肥替代比例在20%～40%時,棉花才能達到與單施化肥相同的產(chǎn)量;唐莉娜等[45]在烤煙上開展的試驗也表明,當有機肥替代比例為25%時效果最好,且不同有機肥配施的效果不盡相同。因此,最佳配施比例的確定,不僅應(yīng)考慮土壤狀況,還要結(jié)合作物需要和有機肥種類等具體分析。

4 結(jié)論

在本試驗條件下,當櫻桃果園中化肥和有機肥的施用比例(以氮計)為50∶50時,土壤全氮、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量顯著提升,土壤脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶、脫氫酶活性顯著升高,在產(chǎn)量不顯著下降的前提下,櫻桃品質(zhì)顯著提升。該有機無機肥配施方法可在試驗區(qū)內(nèi)推薦使用。