不同有机肥对葡萄根系生长和土壤养分状况的影响

王小龙，刘凤之，史祥宾，王孝娣，冀晓昊，王志强，王宝亮，郑晓翠，王海波

(1.中国农业科学院 果树研究所，辽宁 兴城 125100；2.农业部园艺作物种质资源利用重点实验室，辽宁 兴城 125100；3.辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁 兴城 125100)

随着消费者生活水平的不断提高，对鲜食葡萄的果品品质要求也逐渐升高。消费倾向也开始向有机、绿色和无公害等转移，栽培管理措施和产地环境对此类葡萄的生产具有严格的限制。随着葡萄栽培面积的不断扩大，逐渐暴露出很多葡萄种植肥水管理的不足。大多葡萄园选择持续单一施用化肥，化肥作为一种速效化学肥料，其效果迅速，但长期施用会造成土壤有机质含量降低，甚至板结[1]，影响葡萄正常生长发育，最终导致果实产量和品质下降[2]；同时，化肥施用量越来越大，会严重影响化肥利用率[3]；另外，施用化肥成本高，易随水流失，会引起土壤和水源污染等一系列问题。

为了维持土壤使用的可持续性，人们应该积极改善近年来化肥施入高、有机肥施入低的施肥现状[4]。农业生产中广泛使用的有机肥主要有农家肥、商品生物有机肥和微生物有机肥等[5-6]。在我国传统农业生产中，由绿肥(植物秸秆)、动物粪便(猪粪、鸡粪、牛粪)或各种饼肥为原料的农家肥，施入土壤后可提高植物生长所需的各种营养元素，改善微生物环境和土壤理化性质，提高作物产量[7-8]。然而，由于有机肥原料不同，造成化学组成差别大，如鸡粪或猪粪的C/N为6.5，羊粪C/N小于25(300 ℃炭化温度)，谷物秸秆的C/N为92.0[9]，导致施肥效果的差异较大。生物有机肥含有丰富的有机质、腐殖酸及植物所需的多种营养元素[10]。施用生物有机肥可以有效减少土壤中氮、磷、钾元素的淋溶和氨素的挥发，同时能够增强土壤的保水保肥能力[11]。酿酒葡萄园施用生物有机肥能够提高肥料的利用率，减少化肥的施用量，消除土壤板结，提高葡萄品质[9]。增施有机肥能够提高葡萄光合作用，促进化学物质的积累及转化[12-13]。生物有机肥增产及环境保护作用突出，但肥效时间不及农家肥[14]。目前，关于不同种类有机肥在桃[15]、梨[16]、苹果[17-18]、芦柑、龙眼、荔枝[19]等果树上的研究均有相关的报道。

关于农家肥和生物有机肥在果树上的良好应用效果报道较多，但其对葡萄根系生长状况及土壤中元素含量影响的研究较少。鉴于此，针对辽宁巨峰葡萄主栽区土壤特定环境，通过田间试验和实验室分析，研究3年生鲜食葡萄生物有机肥、猪粪和羊粪的施用效果，为今后结合巨峰葡萄因地制宜选肥施用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验在中国农科院果树研究所2012年定植的葡萄园进行。葡萄园所处位置为温带湿润季风气候，年平均降水量为758 mm，四季分明；年平均温度为9.7 ℃，年极端气温最高为35.5 ℃，最低气温为-26.2 ℃。试验材料为多年生巨峰，株行距0.7 m×4.0 m，露地栽培，斜干水平龙干形配合水平叶幕。供试肥料：生物有机肥由烟台市绿源有机肥有限公司生产，有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%；羊粪和猪粪选用当地材料；3种肥料施用量为22.5 t/hm2。3种有机肥中不同元素含量详见表1。

表1 三种有机肥中不同元素含量Tab.1 The content of different elements in three organic fertilizers

1.2 试验设计

在葡萄园开沟施用生物有机肥、羊粪和猪粪3种不同肥料，以不施肥为对照(CK)，采用单因素随机区组设计。每处理20株鲜食葡萄，各处理均设3次重复，肥料于2015年9月初一次性开沟施完，距离主干两侧30 cm分别人工开沟(20 cm宽、40 cm深)，10～40 cm与土混匀施入，0～10 cm回填园土覆盖；灌溉采用滴灌方式。行间采取自然生草；葡萄树行暨树盘宽1.0 m。葡萄园的田间管理措施均同一般果园。2016年取样时期分别是转色期(8月中旬左右)和收获期(10月中旬左右)，每个处理均挖取根系、土壤样品进行测定。连续2 a施肥并取样。

1.3 土壤与根系样品采集

以葡萄树体作为横向宽度起始点、地表作为纵向深度起始点，葡萄园纵向深度0～40 cm和横向宽度0～30 cm，分别采集葡萄根系和土壤样品，用以测定根系长度和根系表面积。其他指标(根系中矿质元素、土壤有机质和矿质元素含量)样品均来自纵向深度0～40 cm和横向宽度0～30 cm的混合样品。剔除植物残体、石子等杂物，并用速封袋装好，带回实验室进行风干，研磨，过1 mm筛，待测。

1.4 测定指标与方法

土壤有机质采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定；全氮采用凯氏法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；根系形态选择EPSON1680扫描仪，使用黑白二值图像进行扫描，其分辨率和比例尺分别设置为300 dpi和100%。再用WinRhizo 2009根系分析软件进行分析，获得根系总长度、总表面积形态数据。采用ICP等离子体原子发射光谱仪测定土壤和根系样品中全磷(P)、全钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、硼(B)、钼(Mo)等元素含量。

1.5 数据分析

使用Excel 2007和SPASS 23软件进行数据整理、图表绘制和差异显著性检验(Duncan′s)。图表中不同小写字母表示同一时期、不同处理间在P<0.05水平上差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对葡萄根系生长状况的影响

由图1可知，不同施肥条件下葡萄根系长度的变化趋势在转色期和收获期是不同的。转色期的根系长度在不同施肥方式之间具有显著性差异(P<0.05)，其变化趋势表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照，生物有机肥、羊粪、猪粪较对照分别显著升高117.00%，103.06%，36.29%(P<0.05)。而在收获期，生物有机肥、羊粪、猪粪施肥条件下的根系长度均显著高于对照(P<0.05)，分别为1 458.48，1 441.89，1 476.10 cm，但三者之间没有显著性差异。

图中不同小写字母表示同一时期、不同处理间在P<0.05水平上差异显著。图2-7同。

The different lowercase letters in the figure indicate that the significant difference at theP<0.05 level in the same period and different treatments. The same as Fig.2-7.

图1 不同施肥处理的葡萄根系长度
Fig.1 The root length of grape treatedwith fertilizer in the vineyard

由图2可知，转色期时的生物有机肥、羊粪、猪粪施肥条件下的根系表面积均高于对照，从高到低依次为生物有机肥、猪粪和羊粪，分别为229.80，217.14，193.90 cm2。而收获期与转色期不同，施肥处理组的根系表面积均低于对照，生物有机肥、羊粪和猪粪处理组的根系表面积较对照分别减少了17.66%，30.53%，18.07%。

2.2 不同有机肥对葡萄根系中矿质元素含量的影响

由图3可知，园内施用生物有机肥均能引起转色期和收获期的根系全氮含量出现最高值，均表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照。在转色期，根系全氮含量在生物有机肥与羊粪、猪粪和对照之间存在显著性差异(P<0.05)，而猪粪和对照之间不存在显著性差异；生物有机肥条件下的根系全氮含量较羊粪、猪粪和对照分别提高了28.63%，55.14%，76.21%。在收获期，根系全氮含量在生物有机肥条件下显著高于羊粪、猪粪和对照(P<0.05)，分别提高了36.55%，39.50%，55.20%；而羊粪和猪粪之间不存在显著性差异，且分别较对照显著提高了13.66%，11.26%(P<0.05)。

图2 不同施肥处理的葡萄根系表面积Fig.2 The root surface area of grape treated with fertilizer in the vineyard

由表2可知，在转色期的生物有机肥条件下，P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量均高于对照，但只有P、K、Zn和Mo元素显著高于对照(P<0.05)，且分别提高了29.99%，33.75%，42.10%，17.77%；P、Ca、Mg和Fe元素含量在生物有机肥条件下最高；K、B和Mo元素在猪粪条件下含量最高；Mn和Zn元素在羊粪条件下含量最高。在收获期，生物有机肥条件下的Fe、Zn和B元素与对照无显著性差异，而表2中其他元素含量均显著高于对照(P<0.05)；除B元素外，表2中其他所有元素的含量最高值均出现在生物有机肥条件下。

图3 不同施肥处理的葡萄根系全氮含量Fig.3 Total nitrogen content of grape root treated with fertilizer in the vineyard

表2 不同施肥处理的葡萄根系矿质元素含量Tab.2 The content of mineral element in root treated with fertilizer in the vineyard

注： 表中不同小写字母表示同一时期、不同处理间在P<0.05水平上差异显著。表3同。

Note：Different lowercase letters in the table indicate significant differences at theP<0.05 level between the same periods and different treatments.The same as Tab.3.

2.3 不同有机肥对土壤有机质含量的影响

由图4可知，不同施肥条件下均显著提高了土壤有机质含量(P<0.05)，均表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照，但各施肥处理组之间不存在显著性差异。在转色期，生物有机肥、羊粪和猪粪有机质含量分别为27.32，24.59，24.37 g/kg，较对照分别显著提高了70.72%，53.67%，52.31%(P<0.05)。在收获期，生物有机肥、羊粪和猪粪有机质含量分别为28.77，25.83，25.59 g/kg，较对照分别显著提高了51.61%，36.14%，34.84%(P<0.05)。

图4 不同施肥处理的土壤有机质含量Fig.4 The organic matter content of soil treated with fertilizer in the vineyard

2.4 不同有机肥对土壤中植物必需元素含量的影响

由图5可知，生物有机肥、羊粪和猪粪条件均能提高转色期和收获期的土壤中碱解氮含量，均表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照。在转色期，土壤碱解氮含量在生物有机肥条件下较对照显著提高了24.80%(P<0.05)；羊粪和猪粪处理组的土壤碱解氮含量与对照组没有显著性差异，分别为 176.45，166.87 mg/kg。在收获期，生物有机肥处理组的土壤碱解氮含量较羊粪、猪粪和对照组分别显著提高了7.01%，9.69%，12.16%(P<0.05)；与转色期相似，羊粪和猪粪处理组的土壤碱解氮含量与对照组不存在显著性差异。

图5 不同施肥处理的土壤碱解氮含量Fig.5 Soil alkaline nitrogen content of vineyard treated with fertilizer

由图6可知，生物有机肥、羊粪和猪粪均能提高转色期和收获期的土壤全氮含量，表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照。在转色期，生物有机肥、羊粪和猪粪处理组的土壤全氮含量分别为5.63，4.54，3.96 g/kg，较对照分别提高了58.43%，27.72%，11.53%。同样，在收获期土壤全氮含量在生物有机肥和对照之间出现显著性差异(P<0.05)，较对照显著提高了50.42%；而羊粪和猪粪与对照不存在显著性差异。

图6 不同施肥处理的土壤全氮含量Fig.6 Total nitrogen content of soil treated with fertilizer

由图7可知，生物有机肥、羊粪和猪粪均能提高转色期和收获期的土壤有效磷含量，其中生物有机肥和羊粪较对照均有显著性差异(P<0.05)。转色期的土壤有效磷含量在生物有机肥、羊粪和猪粪条件下较对照分别提高了14.44%，13.13%，0.30%。收获期的土壤有效磷含量在生物有机肥、羊粪和猪粪条件下分别为258.25，249.97，180.21 mg/kg，较对照分别提高了48.58%，43.82%，3.68%。

图7 不同施肥处理的土壤有效磷含量Fig.7 Soil available phosphorus content of vineyard treated with fertilizer

由表3可知，在转色期，生物有机肥较对照显著提高了土壤中P、K、Ca、Mg元素含量(P<0.05)，分别提高了23.45%，23.69%，50.00%，33.33%，羊粪较对照显著提高了P和Mg元素含量(P<0.05)，分别提高了23.45%，20.00%；猪粪较对照显著提高了Mg元素含量(P<0.05)，提高了26.67%。在收获期，表3中所有元素含量在生物有机肥条件下较对照均有所提高，其中P、Ca、Mg、Fe、Mn、B和Mo元素与对照存在显著性差异(P<0.05)；羊粪条件下较对照显著提高P和Mo元素含量(P<0.05)，分别提高了50.00%，17.86%；猪粪条件下较对照显著提高Zn和Mo元素含量(P<0.05)，分别为19.05%，21.43%。

表3 不同施肥处理的土壤矿质元素含量Tab.3 The content of mineral element in soil treated with fertilizer

3 结论与讨论

3.1 不同有机肥对葡萄根系生长状况的影响

由于生物有机肥中定殖的功能微生物可在作物根际范围形成优势菌群，从而降低有害病的繁殖能力，同时又可以向作物根际的土壤环境中释放多种代谢产物，从而促进作物生长[20]。在转色期，生物有机肥处理组葡萄根系总长度显著高于羊粪、猪粪和对照(P<0.05)，而根系表面积在上述4个处理组中并无显著性差异，且高于对照。在收获期，生物有机肥、羊粪和猪粪处理条件下葡萄根系总长度不存在显著性差异，且均显著高于对照(P<0.05)，而根系表面积在4组处理中不存在显著性差异，且低于对照。试验说明，生物有机肥、羊粪和猪粪均有效促进了葡萄根系伸长，根系直径小于对照，说明施肥条件增加了细根生长量，由此也扩大了葡萄根系的吸收范围。孙少霞等[21]研究表明，合理使用生物有机肥可增加玫瑰香葡萄根系数量，扩大吸收范围，增加了营养物质的形成、吸收和及时供应。另有研究发现，生物有机肥促进了土壤表层根系的发生与生长[22]。上述研究与本研究结果相同，说明合理使用生物有机肥可促进巨峰葡萄根系生长。

生物有机肥中富含有机氮源，经微生物矿化后以硝态氮、铵态氮等形态被植物吸收所利用，与叶片回送的碳水化合物合成氨基酸，再送到叶片合成叶绿素、蛋白质、核算等化合物，促成树体的生长发育[23]。施肥条件均显著提高了根系中全氮含量(转色期的猪粪处理除外)(P<0.05)，其中生物有机肥最佳，较对照在转色期和收获期分别提高了76.21%，55.20%。施用生物有机肥的前期和后期P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、B、Mo元素含量均高于对照，其中前期P、K、Zn和Mo元素含量显著高于对照(P<0.05)，后期中除Fe、Zn和B元素外，P、K、Ca、Mg、Mn、Mo元素含量均显著高于对照(P<0.05)。这一结果与郭洁等[24]研究施用有机肥对酿酒葡萄叶片、叶柄中氮磷钾等养分积累的影响有相同之处。

3.2 不同有机肥施用对土壤营养状况的影响

生物有机肥施入土壤后可以增加有机质含量，改变土壤物理性状，减少营养元素的固定和损失。有机质可以提高孔隙度，影响空隙的体积分布，增加直径100～200 μm空隙数量，尤其是连续的长空隙，因此会提高土壤持水性[25]。本研究中，施肥处理均显著提高了转色期和收获期的土壤有机质含量(P<0.05)，皆表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照，生物有机肥、羊粪和猪粪在转色期较对照分别提高了70.72%，53.67%，52.31%；在收获期，较对照分别显著提高了51.61%，36.14%，34.84%(P<0.05)。因此，增施有机肥有利于提高葡萄园内土壤有机质含量，从而提高土壤保水能力。

有机肥对农作物的生长具有良好的调控与刺激作用。有机肥中不仅富含氮、磷、钾3种必要元素，而且还含有硼、锌、钙、镁、铁等中微量元素，能够为葡萄植株的生长发育提供较为全面的营养条件。氮素是植物体内细胞分裂素及生长素等主要成分之一，而有机肥中丰富的有机氮源能够有效改善土壤氮素供应状况，对植物的生长具有积极作用[23]。本研究表明，施用有机肥能提高转色期和收获期的土壤中碱解氮和全氮含量，均表现为生物有机肥>羊粪>猪粪>对照，其中只有生物有机肥条件下的碱解氮和全氮含量在不同时期均与对照出现显著性差异(P<0.05)。这与Evanylo等[26]研究结果一致，有机肥能够提高土壤中的全氮含量。生物有机肥和羊粪处理组的土壤有效磷含量在转色期和收获期均显著高于对照(P<0.05)，而猪粪与对照不存在显著性差异。施肥处理均能引起多数元素含量不同程度的提高；其中B和Mo元素在转色期的含量要低于对照，其原因可能是由施肥处理后增强了树体对微量元素的吸收，而有机肥中微量元素释放较慢导致的。根系中B和Mo元素含量在转色期和收获期均高于对照，这与上述假设相一致。与本研究结果相同，有机肥被证实能够增加土壤中的有效磷[26]、钾[27]和微量元素的含量[28]。这些元素是光合作用的必要元素，能够加强光合作用并促进积累干物质；此外，它们可改善土壤的物理性状，提高水势，加强土壤与大气之间的气体交换，有利于根系的生长。

综上所述，3种有机肥料均可改善葡萄根系的生长、提高根系内矿质元素含量，提高土壤内有机质、全氮、有效磷及矿质元素含量，但生物有机肥施用综合效果最佳。