王中華, 楊青松, 李曉剛*, 董彩霞, 徐陽春

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室,江蘇 南京 210014;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

生物有機肥(Bio-organic fertilize)是包含某種或某些特定功能微生物菌種的特殊有機肥品種,不僅菌種含量高,而且是為外源功能微生物定殖和繁衍提供能源物質(zhì)的有機載體[1]。據(jù)估計世界各地的生物有機肥產(chǎn)量超過1000萬t,年增長率為10%～20%。近年來,我國生物有機肥的研究發(fā)展迅速并取得顯著成效,一批功能性高效菌株成功篩選,肥料產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)。特別是隨著施肥報酬遞減、土壤退化、面源污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問題日益突出,生物有機肥料的生產(chǎn)價值得到重視,商品化生產(chǎn)規(guī)?？焖贁U大,產(chǎn)品品類也不斷豐富。在蘋果、梨、香蕉、葡萄等大宗果樹作物中都有應(yīng)用[2-3],在增加土壤有機質(zhì)、改善土壤理化性質(zhì)、優(yōu)化土壤根際環(huán)境、提高果樹產(chǎn)量和品質(zhì)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效方面發(fā)揮了積極作用。

1 生物有機肥對果園生產(chǎn)的影響

1.1 生物有機肥對果園土壤環(huán)境及根系的影響

增施有機肥對提升土壤有機質(zhì)水平具有重要作用,是耕地土壤培肥的有效途徑[4]。研究表明,增施有機類肥料不僅可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,改善土壤物理結(jié)構(gòu),提高土壤保肥保水能力,而且長期施用有機肥能明顯提高土壤有機質(zhì)含量和礦質(zhì)元素有效性[5]。張宇沖[6]研究土壤肥力因子測定結(jié)果顯示,施用生物有機肥處理30、60、90 d,除總氮含量外其余各項土壤肥力因子表現(xiàn)最優(yōu);90 d時生物有機肥處理土壤總氮、有效磷、有效鉀因子影響分別比復(fù)合肥處理增加了6.34%、37.31%、70.49%。土壤 pH 值是土壤微生物活性和土壤養(yǎng)分有效性的重要影響因子,施用生物有機肥可以提高酸性土壤 pH 值[7-8],其原因在于礦化過程中發(fā)生有機陰離子脫羧基化并釋放堿性物質(zhì),同時由于其本身含有大量的官能團(tuán)(如-OH 和-COOH),可強化對 H+的吸附,從而降低土壤溶液中H+的濃度[9]。

生物有機肥可以通過調(diào)控作物根際土壤環(huán)境影響根系發(fā)育。伍從成等[10]研究表明,梨園連續(xù) 5年施用生物有機肥,土壤有機質(zhì)、有效鉀及有效磷含量顯著增加,且與細(xì)根長度、表面積、體積和根尖數(shù)密切相關(guān)。Kang等[11]研究發(fā)現(xiàn),生物有機肥處理顯著增加梨樹各級側(cè)根生長,其中 3級以上側(cè)根數(shù)量(3rd LRN)和長度(3rd LRL)顯著增加 71%(P<0.05)。Wang等[12]通過不同施肥試驗發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,施用生物有機肥顯著促進(jìn)梨樹根系生長?？偢L、根表面積、根尖數(shù)分別是化肥處理的4.04、3.14和5.64倍。研究認(rèn)為,施用生物有機肥可以通過富集到根際的微生物分泌激素或生物活性物質(zhì)誘導(dǎo)根系的發(fā)生和生長[13-14]。以模式植物擬南芥為材料的研究表明,解淀粉芽孢桿菌SQR9通過一種揮發(fā)性化合物刺激側(cè)根原基的發(fā)育,該化合物的作用機制涉及內(nèi)源激素的生物合成與運輸[15]。可見,生物有機肥通過調(diào)控根系及根際微生態(tài),對維持植物的健康生長和產(chǎn)量、品質(zhì)的形成具有積極作用。

1.2 生物有機肥對果園土壤微生物群落的影響

土壤微生物是活躍在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員[16],在土壤有機質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)以及土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著積極作用[17]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受土壤環(huán)境的直接影響,因此,土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)通常被用來評價土壤環(huán)境質(zhì)量[18]。土壤微生物群落多樣性是土壤健康和質(zhì)量的動態(tài)指標(biāo)[3]。吳文利等[19]研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機肥,梨樹土壤微生物量碳 SMBC比CK高68.8%,且差異顯著。典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期定位試驗發(fā)現(xiàn),單施化肥顯著降低微生物群落穩(wěn)定性,且增加植物潛在致病菌的豐度;化肥配施有機肥則顯著提高土壤微生物群落的穩(wěn)定性,且減少植物潛在致病菌的豐度,提高作物產(chǎn)量[20]。生物有機肥因其含有的特定功能微生物而起到較強的抗病、抗逆和促生效能[21]。另一方面,施用生物有機肥還能有效促進(jìn)土壤有益微生物向作物根際的遷移和富集[22]。由于果園管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和施肥習(xí)慣以及耕作制度的差異性,生物有機肥對土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu)的調(diào)整和微生物群落多樣性變化規(guī)律仍未明確[23]。

根際土壤微生物是根際最為活躍的生命組分,在果樹的生長、發(fā)育和病理等方面扮演著非常重要的角色[24]。深入了解根際微生物群落的結(jié)構(gòu)功能及多樣性,對果樹生產(chǎn)管理及新型生物肥料開發(fā)非常重要。研究表明,果樹根際微生物種類和數(shù)量因物種差異而不同,即使相同品種或同一株樹的不同發(fā)育階段,其根際微生物的發(fā)育、組成都呈現(xiàn)很大的差異。如柑橘根際優(yōu)勢微生物主要集中在變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和擬桿菌門四大類[25],而蘋果根際優(yōu)勢微生物主要集中在變形菌、浮霉菌、放線菌和酸桿菌四大門類,且不同樹齡根際微生物種類和相對豐度存在明顯差異[26]。Lu 等[27]研究發(fā)現(xiàn),根際微生物能夠通過影響土壤氮循環(huán)和植物內(nèi)源激素來調(diào)控植物開花的時間,為人們利用微生物途徑調(diào)控植物的營養(yǎng)與生殖生長提供了參考依據(jù)。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機肥處理影響根際細(xì)菌群落組成,促進(jìn)芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、鞘氨醇菌屬在根際顯著富集,上調(diào)以Mitsuariasp.和Actinoplanessp.為優(yōu)勢群體的細(xì)菌生態(tài)模塊豐度以及主導(dǎo)能量產(chǎn)生-轉(zhuǎn)化、碳水化合物運輸-代謝等基因簇的豐度,促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)形成?；诠δ芪⑸锝M合在番茄、香蕉、西瓜等重要經(jīng)濟作物土傳病害的防控領(lǐng)域的理論與實踐,有學(xué)者提出了通過調(diào)控根際微生物區(qū)系實現(xiàn)根際免疫的研究思路[28]。含有特種有益菌株的生物有機肥能夠有效調(diào)整根際微生物群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)植株生長,從而提高產(chǎn)量并改善收獲品質(zhì),這也是有益微生物功效與應(yīng)用的典型案例,因此,調(diào)控或重塑果樹根際微生物群落以提高果樹持續(xù)生產(chǎn)力是一個值得深入研究的問題[29],也是新型生物有機肥產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的重要方向。

1.3 生物有機肥對果樹光合生理的影響

光合作用是幾乎所有生物所需要的食物和氧氣的來源,植物干重的90%～95%來自光合作用的產(chǎn)物,是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]。作為果樹最重要的功能活動,光合作用對于果樹的產(chǎn)量和果實品質(zhì)的形成,以及植株對環(huán)境的適應(yīng)能力都具有重要的影響[31]。向青云等[32]通過蘋果不同冠層的光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn)與果實產(chǎn)量、品質(zhì)的回歸分析表明,PAR、Pn值的高低直接影響果實的產(chǎn)量和品質(zhì)。兩個蘋果品種的單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量、可溶性糖含量及糖酸比與Pn及PAR成顯著正相關(guān)。對于梨、蘋果等果樹作物來說,為了提高產(chǎn)量,必須提高光能利用效率或改善光合器官功能。土壤有機質(zhì)含量是影響植物生長的主要因素之一,提高土壤有機質(zhì)水平對植物光合作用有顯著促進(jìn)作用[33]。施用有機肥是提高土壤有機質(zhì)水平的重要措施,因此施用有機肥對提高作物光合速率有積極影響。隨著有機質(zhì)增加,促進(jìn)了光合器官或組織形成,加強了植株對光的吸收和轉(zhuǎn)化,光合能力顯著提升[34-35]。如在干旱環(huán)境下接種根際促生細(xì)菌(PGPR)能夠有效提高蘋果葉片的葉綠素含量和光合性能,對緩解由于干旱脅迫導(dǎo)致的光合抑制作用顯著[36]。宋曉暉[37]研究表明,施用生物有機肥可以顯著提高黃冠、碭山酥梨和巴梨葉片凈光合速率和蒸騰速率?？傊?施用生物有機肥對果樹作物光合有積極影響,并能提升產(chǎn)量和品質(zhì)。但是關(guān)于生物有機肥這種促進(jìn)效應(yīng)研究大多仍限于效果的評析,對其作用機理的探索還不夠深入。

1.4 生物有機肥對果樹產(chǎn)量和果實品質(zhì)的影響

大量研究表明,提升果園土壤有機質(zhì)可以調(diào)節(jié)果樹作物生長,提高產(chǎn)量并改善果實品質(zhì)[38-39]。生物有機肥含有特定功能的微生物并產(chǎn)生顯著的促生效應(yīng)[40-41],通過施用一款生物有機肥(含Bacilluscereus、Bacilluspumilus和Paenibacillusspp.菌種)可以促進(jìn)水稻增產(chǎn)65%。曹剛等[42]連續(xù)生物有機肥,較化肥處理增產(chǎn)19.78%,且顯著提高了果實可溶性固形物、可溶性糖和維生素C含量。王磊[43]對連續(xù)7年施用生物有機肥的蘋果園研究發(fā)現(xiàn),與不施肥對照和施化肥相比,施用生物有機肥的果實可溶性糖含量分別增加了13.2%和6.3%,還原糖含量分別增加了53.9%和5.9%,Vc含量分別增加了6.1%和3.8%。另外,生物類肥料還可以提高果實香氣物質(zhì)含量,豐富香氣物質(zhì)種類,而且對提高果實著色程度和延長貨架期具有重要作用[44-45]。

研究表明,有機類肥料提高產(chǎn)量和品質(zhì)的原因不僅與對土壤有機質(zhì)水平的提升有關(guān),而且與根際土壤微生物的響應(yīng)密切相關(guān)。因為土壤微生物被認(rèn)為是有機質(zhì)轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分元素循環(huán)的引擎[16],有益微生物類群的相互作用網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)量和品質(zhì)提升中扮演重要的角色[43]。有機類肥料通過提高土壤有機質(zhì),優(yōu)化根際環(huán)境,有效促進(jìn)了根際有益微生物的聚集和繁衍。而根際微生物能夠活化根際養(yǎng)分,并刺激根系生長發(fā)育,調(diào)控根系構(gòu)型和活力,最終提高產(chǎn)量并改善收獲品質(zhì)[46-47]。

2 果園施用生物有機肥存在的問題與應(yīng)用策略

近年來,生物有機肥在果樹上應(yīng)用日漸增多,但作為一種含有“活體生命”的肥料,其與化學(xué)肥料的作用機制和施用方法存在較大差異。由于條件所限,生物有機肥在很多果樹品種上的試驗與示范缺乏長期試驗數(shù)據(jù)支撐,應(yīng)用技術(shù)不夠精準(zhǔn),再加上施用區(qū)域生產(chǎn)環(huán)境的差異性,已有的理論基礎(chǔ)對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)作用有限,生物有機肥的效用未能充分且廣泛體現(xiàn)。在生產(chǎn)中,使用者對生物有機肥的特性認(rèn)識不足,施用方法不夠科學(xué),導(dǎo)致其應(yīng)用效果不穩(wěn)定。生物有機肥攜帶的功能菌群需在土壤中定殖、繁殖后方可發(fā)揮效用,而菌群的生長又具有周期性,其肥效受到施肥方式以及水分、溫度等環(huán)境條件等諸多因素的影響和限制。在有機質(zhì)極度匱乏,土壤理化性狀惡化的情況下,功能微生物無法有效定殖、繁衍,肥效無法發(fā)揮作用。另外,將生物有機肥與殺細(xì)菌藥劑混合使用且長時間放置,極易影響菌的活性降低并造成部分菌死亡。

生物有機肥功能起效是以功能菌繁殖為,繁殖需要時間,應(yīng)避免在果樹已經(jīng)出現(xiàn)脫肥或需肥高峰期“救急”使用。一些果樹在秋季采果后,根系又進(jìn)入一次生長高峰期,此時根系吸收一些養(yǎng)分可以及時補充因結(jié)果造成的養(yǎng)分消耗,有利于儲藏營養(yǎng),對快速恢復(fù)樹勢及第二年生長發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)。所以,生物有機肥作為基肥施用。由于光照、風(fēng)干等因素影響,粉劑類生物有機肥施用時不能地表撒施,不僅浪費而且減弱肥效。在施用時,應(yīng)根據(jù)樹體根系特征,特別是大量吸收根的區(qū)域分布,設(shè)計施肥位置和深度。在果樹生長發(fā)育期也可以作為追肥,但是要注意施肥過程中,不能損壞根系。另外,蘋果、梨、柑橘等單株樹體較大的果樹作物來說,根系較為龐大,在有機質(zhì)水平較低的土壤中對有機質(zhì)需求量較大。雖然生物有機肥本身含有一定量的有機質(zhì),但是由于其施用量相對有限,不能滿足果樹的生理需求。而且有機肥的補充非常有利于生物有機肥中功能菌的繁殖,起到增效作用。因此,在生產(chǎn)中生物有機肥與有機肥的配施是非常有效的方法。有機肥可以是商品有機肥,也可以是發(fā)酵腐熟的餅粕和畜禽糞便等?？傊?生物有機肥的應(yīng)用效果的體現(xiàn)不僅僅依靠肥料自身攜帶的功能菌,還有盡可能的創(chuàng)造適宜功能菌繁殖的土壤生態(tài)條件,最大程度發(fā)揮肥效。因此,著眼果品質(zhì)提升與果園生態(tài)改善,在了解生物有機肥產(chǎn)品特性的基礎(chǔ)上,通過長期深入的生物有機肥的作用機制研究,探索適合肥效充分發(fā)揮的條件,明確生物有機肥及其與有機、無機配合協(xié)同增效方法,形成能在果樹生產(chǎn)上有效果、易推廣的關(guān)鍵技術(shù)非常有必要。

3 結(jié)論與展望

果樹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展不僅關(guān)系著農(nóng)民創(chuàng)收和企業(yè)增效,更是協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展、資源和環(huán)境保護(hù),助力鄉(xiāng)村振興、實現(xiàn)果農(nóng)富裕的重要力量。目前,果實品質(zhì)和風(fēng)味屬性與時代消費需求出現(xiàn)了較大的差距,難以再現(xiàn)“兒時的味道”。一些產(chǎn)區(qū)優(yōu)質(zhì)果率不高,出園價格不斷走低。特別是在當(dāng)前“不與糧爭地”的前提下,如何做到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和品質(zhì)保障是果樹產(chǎn)業(yè)面臨的重要課題之一。毋庸置疑,化肥對促進(jìn)和支撐我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著巨大作用,讓我們在僅占世界 7% 的耕地上,解決世界 22%人口的食物需求。然而,長期以來對化肥的過分依賴也產(chǎn)生了如農(nóng)田環(huán)境污染、自然資源退化等問題,造成嚴(yán)峻的生態(tài)問題,付出了巨大的代價[48]。作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善在很大程度上依賴于土壤環(huán)境的改善。因此,在當(dāng)前果樹生產(chǎn)中,探索科學(xué)的施肥方法,提升土壤有機質(zhì)水平,改良根際環(huán)境是果樹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)途經(jīng)。而提高土壤肥力,尤其是生物肥力,是確保果樹高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)、提升和改善水果品質(zhì)和口感的關(guān)鍵之一[49]。目前生物有機肥對不同果樹或不同發(fā)育期的影響機理研究和適用方案雖不夠明確,大規(guī)模推廣應(yīng)用技術(shù)仍存在提升空間,但生物有機肥對低碳農(nóng)業(yè)和果樹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,將成為新時代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要力量。