生物有机肥配施硅钾钙改良剂对酸性红壤梨园土壤肥力及产量的影响

吴文利,康亚龙,曾少敏,王中华,胡小璇,安祥瑞,江尚焘,谢昶琰,黄新忠,董彩霞*,徐阳春

(1.南京农业大学江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室/教育部资源节约型肥料工程技术研究中心/江苏省有机固体废弃物协同创新中心,江苏 南京210095;2.福建省农业科学院果树研究所福建省落叶果树工程技术研究中心,福建 福州350013;3.江苏省农业科学院果树研究所,江苏 南京 210014)

据联合国粮农组织统计,我国梨栽培面积约96万·hm-2,总产量约1 653万t,均居世界第一[1-2]。梨树最适宜生长的土壤pH值为5.5～6.5。我国南方梨产区如福建、江西和浙江等梨园土壤属红壤土,呈酸性且pH值普遍低于5.5,长期单一偏施化肥,土壤酸化严重,土壤板结和肥力降低,极大影响梨树根系生长,导致梨产量和品质下降[3-4]。因此,缓解土壤酸化,提高土壤肥力,对于保障我国梨产业的可持续发展非常重要。土壤改良剂被认为是提高土壤pH值和土壤微生物活性,增加土壤肥力的重要农艺措施。土壤改良剂按照性质可以划分为无机和有机两种类型,其中无机土壤改良剂主要包括石灰、矿物肥料如硅钾钙改良剂等,有机土壤改良剂主要包括有机物料、堆肥、生物质炭和微生物肥料等[5-6]。石灰在短期内可以显著提高土壤pH值,但不可持续,长期施用会导致“复酸化”,而施用硅钾钙改良剂能够缓解土壤酸化,改善土壤物理结构,平衡土壤养分,提高作物产量和品质[7-8]。有机肥作为传统的有机土壤改良剂,在减少化肥用量,增强土壤生物活性,提高养分有效性和稳定作物产量方面具有重要作用[9-10],然而,有机肥中养分配比不均衡,会引起植物与微生物间对养分的争夺,难以保证作物高产的需求[11]。生物有机肥是在普通有机肥的基础上,通过接种有益功能微生物,结合畜禽粪便、农作物秸秆等,经过无害化腐熟混合制得一类具有生物功能和有机肥效应的新型肥料。施用生物有机肥能改善土壤微生物区系,增强土壤酶活性,提高土壤养分有效性,最终增加作物产量并提高品质[11-12]。

有关生物有机肥或与硅钾钙改良剂配施对酸性红壤梨园土壤肥力、土壤微生物活性及产量影响的研究较少。本研究选用生物有机肥和硅钾钙改良剂为主要的有机土壤改良剂,采用连续3年的田间定位试验,通过分析生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂对梨园根际和土体土壤的理化性质、微生物活性(微生物量碳、氮含量和酶活性)及产量影响,明确生物有机肥配施硅钾钙改良剂对酸性红壤梨园土壤肥力的影响效应,为我国南方梨产区的梨园合理施肥和可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年10月—2018年8月在福建省三明市建宁县溪口镇枧头村绿源果业有限公司的梨园试验地(34°04′N,108°10′E)进行。供试材料为20年生‘翠冠’梨树,砧木为杜梨,株、行距均为4 m,试验面积为1 200 m2,梨树种植密度为每公顷600棵。该试验地属山地果园,管理水平中等,地处亚热带季风气候,年平均气温约16.9 ℃,≥10 ℃ 的年活动积温为3 909～5 069 ℃,平均年日照时间1 720 h,无霜期 230～280 d,年降水量1 850 mm。土壤类型为红壤,质地为黏土,土壤有机质含量19.7 g·kg-1,全氮含量0.49 g·kg-1,速效钾含量149.0 mg·kg-1,速效磷含量37.7 mg·kg-1,pH4.45。

1.2 试验设计

设置4个处理:1)对照(CK)为当地习惯施肥,即复合肥3 000 kg·hm-2+普通有机肥9 000 kg·hm-2;2)习惯施肥配施硅钾钙土壤改良剂(CK+SOA),即3 000 kg·hm-2硅钾钙改良剂(SOA)+复合肥3 000 kg·hm-2+普通有机肥9 000 kg·hm-2;3)仅施12 000 kg·hm-2生物有机肥(BIO);4)生物有机肥配施硅钾钙改良剂(BIO+SOA),即12 000 kg·hm-2BIO+3 000 kg·hm-2SOA。选取长势较一致的9棵树,每个处理3个小区,每个小区3棵树,随机区组排列。生物有机肥由江苏联业肥料有限公司提供,以腐熟有机肥接种解淀粉芽胞杆菌SQR9二次发酵而成,肥料中解淀粉芽胞杆菌SQR9含量为1× 108CFU·g-1,养分总量(N+P2O5+K2O)不少于8%,有机质含量不少于40%。硅钾钙土壤改良剂由山西富邦肥业有限公司提供,主要成分中有效钾(K2O)含量不少于4%,有效钙(CaO)含量不少于32%,有效硅(SiO2)含量不少于30%;复合肥(N-P2O5-K2O,18-8-18)与普通有机肥由福建东森宜郡生物科技有限公司生产,总养分含量(N+P2O5+K2O)不少于5%,有机质含量不少于45%。按照当地施肥习惯,全部有机肥或生物有机肥、硅钾钙改良剂和60% 复合肥作为基肥(每年11月中旬),采用环施法在距离供试树体树干100 cm处沿对角线开条状沟,将基肥与土壤混匀后填埋。分别在萌芽期(3月中下旬)和膨大期(6月中旬)采用穴施方式对CK和SOA处理进行复合肥追肥,每次600 kg·hm-2。其他管理按常规进行(表1)。

表1 2015—2018年的施肥方案Table 1 Fertilization protocol from 2015 to 2018 kg·hm-2

1.3 样品采集

于2018年7月(果实成熟期),采用挖掘法在水平方向以距离施肥区20 cm、垂直方向深度为40 cm范围内采集土壤样品,将根系样品取出并轻轻抖动,用毛刷收集紧紧包裹在根表的土壤作为根际土[11]。用铁锹将施肥区土体土壤不断翻动、搅拌、混匀,采用四分法收集土体土样。将收集的根际和土体土壤置于冰盒中带回实验室,过2 mm筛除去土壤中可见动植物残体及石砾等杂质后混匀,一部分样品自然风干,过孔径为830 μm筛后测定土壤理化指标;另一部分保存于-20 ℃ 冰箱,测定土壤微生物量碳、氮含量和土壤酶活性指标。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤理化指标参照文献[13]测定土壤理化指标。采用标准型PB-10 pH计测定土壤pH值(水土质量比为2.5∶1);采用重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机碳含量;采用H2SO4-H2O消煮后,用单通道流动分析仪(型号Auto Analyzer3)测定土壤全氮含量;用2 mol·L-1KCl浸提土壤后,采用流动分析仪(型号Seal AA3)测定土壤铵态氮含量和硝态氮含量;用HCl-NH4F浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量;采用1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。

1.4.2 土壤微生物量采用氯仿灭菌-K2SO4提取法测定土壤微生物量碳、氮含量[14]。用熏蒸与未熏蒸土样的有机碳、氮差值分别除以转换系数(KC=0.38,KN=0.45)计算土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)含量。按照Wardle等[15]的方法计算微生物熵(qMB),qMB=微生物量碳/有机碳。

1.4.3 土壤酶活性参考Deforest等[16]方法,称取1.0 g新鲜土样,放入500 mL玻璃烧杯中,加入 50 mmol·L-1灭菌后冷却的醋酸缓冲液125 mL,在磁力搅拌器上搅拌10 min充分混匀,用多通道移液器将缓冲液、土壤样品悬浊液、10 μmol·L-1标准品和200 μmol·L-1相应底物依次加入到黑底96孔酶标板中,使用多功能酶标仪(Scientific Fluoroskan Ascent FL,Thermo)在激发波长为365 nm、发射波长为450 nm的条件下检测荧光,测定α-葡糖苷酶(αG)、β-葡糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、L-亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(ACP)和N-乙酰基-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)活性。

1.4.4 产量于2018年7月10日(果实成熟期)测定梨产量。沿梨树的东西南北4个方位随机摘取 40个大小相似且均匀、无机械损伤、无病虫害的果实并称总质量,取平均值,计算梨产量。

1.5 经济效益分析

梨经济效益计算方法:产值(元·hm-2)=产量(t·hm-2)×单价(元·kg-1)×1 000;经济效益(元·hm-2)=产值(元·hm-2)-肥料成本(元·t-1)-管理成本(元·hm-2);产投比=产值/(肥料成本+管理成本)。复合肥(含运费)成本为2 500元·t-1,普通有机肥(含运费)成本为900元·t-1,生物有机肥(含运费)成本为2 000元·t-1,硅钾钙改良剂(含运费)成本为3 000元·t-1。管理成本包括人工打药、农药、防草布、施肥、采摘、套袋、修剪、疏花疏果等。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行数据整理与绘图,采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析和主成分分析。所有数据经过正态分布和方差分析。采用R v.3.1.3软件中的CANOCO 4.5软件包[17](Ter Braak and Smilauer 2002)对土壤养分、土壤微生物活性及产量进行冗余分析(RDA)。采用R v.3.1.3软件中的Pearson相关性分析法分析各种环境变量及其产量间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对梨园土壤理化性质的影响

从图1可知:BIO处理梨树根际与土体土壤pH值显著高于CK处理。BIO与BIO+SOA处理梨树根际土的土壤有机质含量分别比CK高30.0%和28.1%(P<0.05);BIO处理梨树根际土壤全氮含量最高,但与CK无显著差异;不同处理对梨树土体土壤全氮含量无显著影响。BIO+SOA处理梨树根际和土体土壤碳氮比均高于其他处理,但差异不显著。CK+SOA、BIO和BIO+SOA处理梨树根际土壤铵态氮含量、硝态氮含量和速效磷含量比CK处理均显著降低(P<0.05),而速效钾含量无显著差异。

图1 不同处理对梨园土壤理化性质的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil physicochemical properties 1)SOM:土壤有机质含量Soil organic matter;TN:全氮Total nitrogen;AP:速效磷Available phosphorus;AK:速效钾Available potassium.2)不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。下同。Different lowercase letters indicate significant difference in different treatments at 0.05 level. The same as follows.

2.2 不同施肥处理对梨园土壤微生物量的影响

由图2可知:BIO+SOA处理梨树根际土壤微生物量碳(SBMC)和土壤微生物量氮(SBMN)含量较CK分别高87.8% 和110.1%,且差异显著(P<0.05)。BIO处理梨树根际土SMBC含量比CK高68.8%,且差异显著(P<0.05)。BIO+SOA处理显著增加梨树土体土SMBN含量。不同处理梨园土壤微生物熵(qMB)无显著差异。不同施肥处理对梨园土壤微生物量碳氮比(SMBC/SMBN)无明显的影响,但BIO+SOA处理最低。

图2 不同施肥处理对土壤微生物量的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil microbial biomass SMBC:土壤微生物量碳Soil microbial biomass carbon;SMBN:土壤微生物量氮Soil microbial biomass nitrogen;qMB:微生物熵Microbial quotient. 下同。The same as follows.

2.3 不同施肥处理对梨园土壤酶活性的影响

由图3可知:与CK相比,BIO和BIO+SOA处理梨树根际土壤中β-葡糖苷酶(βG)活性增加。与CK相比,BIO处理梨树根际土纤维二糖水解酶(CBH)活性和N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性显著增加,而BIO+SOA处理梨树土体土壤L-亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性和NAG活性显著增加(P<0.05)。各处理梨树土壤酸性磷酸酶(ACP)活性无显著差异,但BIO+SOA处理活性最高。

图3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil enzyme activity αG:α-葡糖苷酶α-glucosidase;βG:β-葡糖苷酶β-glucosidase;CBH:纤维二糖水解酶Cellulodiose hydrolase;LAP:L-亮氨酸氨基肽酶L-leucine aminopeptidase;ACP:酸性磷酸酶Acid phosphatase;NAG:N-乙酰基-β-D-葡萄糖苷酶N-acetyl-β-D-glucosaminidase. 下同。The same as follows.

2.4 不同施肥处理对梨产量的影响

由图4可知:不同处理的单果重无显著差异,CK+SOA处理梨产量与CK无显著差异。BIO和BIO+SOA处理梨产量分别为25.0和29.6 t·hm-2,较CK分别增加56%和85%(P<0.05)。

图4 不同施肥处理对梨单果重(A)和产量(B)的影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on pear fruit weight(A)and yield(B)

2.5 土壤理化指标、酶活性和产量相关性分析

图5 土壤理化性质、酶活性和产量之间的相关性Fig.5 Correlation between soil physical and chemical properties,enzyme activity and yield 蓝色阴影的椭圆表示显著负相关,红色阴影的椭圆表示显著正相关,空网格表示相关性不显著。颜色的深浅表示相关系数的高低。The ellipse with blue shadow represents significant negative correlation,the ellipse with red shadow represents significant positive correlation,and the empty grid represents insignificant correlation.The depth of the color indicates the height of the correlation coefficient.

2.6 主成分指标及其贡献

表2 土壤养分和微生物量与酶活性的主成分分析Table 2 Principal component(PC)analysis of soil nutrient content,microbial biomass and enzyme activities

表3 供试土壤主成分的特征向量Table 3 Eigenvectors of principal components of the test soil

2.7 RDA分析土壤理化性质对梨园土壤微生物活性的影响

图6 土壤理化性质对梨园土壤微生物活性的影响Fig.6 Effect of changes in soil physical and chemical properties on soil microbial activities of pear orchard 红色箭头表示土壤理化指标,蓝色箭头表示土壤微生物活性。不同颜色的点表示不同处理对根际和土体土壤的影响。The red arrows indicate soil physical and chemical indexes,and the blue arrows indicate soil microbial activities. Different colored dots indicate the effect of different treatments on rhizosphere and bulk soil.

2.8 不同施肥处理梨园经济效益的变化

由表4可知:BIO+SOA处理梨产量和经济效益最高,是CK的1.9和2.4倍,产投比为2.35;BIO处理梨产量和经济效益次之,产投比最大为2.39;CK+SOA处理虽然能增加产值,但是由于肥料成本和管理成本的增加,反而降低了经济效益,产投比为1.56。可见,BIO+SOA处理果农能获得最佳的经济效益。

表4 不同处理对梨产量与经济效益的影响Table 4 Effect of different treatments on pear yield and economic benefits

3 讨论

3.1 生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂对土壤理化性质的影响

土壤pH值是影响土壤微生物活性和土壤养分有效性的重要因子[18]。前人研究发现,施用生物有机肥可以提高酸性土壤pH值[9,12],因为生物有机肥在矿化过程中发生有机阴离子脱羧基化并释放碱性物质,同时由于其本身含有大量的官能团(如—OH和—COOH),可强化对H+的吸附,从而降低土壤溶液中H+的浓度[19]。本研究中BIO处理梨树根际和土体土壤pH值增加0.8～1.0,使土壤pH值趋近梨树根系最适宜生长的酸碱度,可能有利于梨树根系生长并提高吸收土壤养分的效率,说明生物有机肥对于偏酸性土壤环境有明显改良作用。生物有机肥配施硅钾钙改良剂也能增加酸性红壤梨园土壤pH值,这可能是因为生物有机肥和硅钾钙改良剂不仅可以补充由于果实采摘而损失的盐基离子(如K+、Ca2+、Mg2+),而且增加土壤有机质,能吸附盐基离子,从而增加土壤酸缓冲能力[20]。Li等[21]研究结果表明生物有机肥可以增加土壤有机质、速效磷、全氮、铵态氮和硝态氮含量。本研究中,施用生物有机肥(BIO和BIO+SOA处理)会增加梨园土壤有机质含量,降低铵态氮、硝态氮及速效磷含量。原因可能是:一方面生物有机肥中本身含有大量的有益功能微生物,能够定殖在梨树根系表面[22],刺激根系生长,提高养分吸收能力,从而增加产量,导致土壤中残留的速效养分含量较低;另一方面生物有机肥是一种缓效肥,短期时间内(本试验仅连续施用3年)土壤氮、磷和钾等速效养分含量增加不明显。土壤碳氮比增加意味着微生物与作物对无机氮的竞争,限制作物对氮素吸收,不利于作物产量形成[23-25]。本研究结果表明,生物有机肥配施硅钾钙改良剂能增加土壤碳氮比并没有降低梨产量,可能是因为微生物在满足自身生命活动的同时,加快有机质矿化速率,释放更多的养分以供给梨树生长。因此,生物有机肥与硅钾钙改良剂配施不仅缓解土壤酸化,增加土壤肥力,而且补充梨园土壤流失的矿质元素,从而保证梨树生长所需养分的可持续供应。

3.2 生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂对土壤微生物活性的影响

土壤微生物量的高低反映微生物的活动和养分转化效率[12]。马晓霞等[26]研究表明有机肥配施化肥处理显著增加玉米土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)含量。本研究中BIO及BIO+SOA处理增加梨园土壤SMBC和SMBN含量。这可能是由于施加生物有机肥使土壤中的碳源、氮源增加,促进微生物的繁殖和活动。这与Pearson相关性分析发现的SMBC、SMBN与SOM含量显著正相关的结果相一致。微生物商代表土壤有机碳的周转速度,其范围在1%～4%[27]。本研究发现,BIO+SOA处理增加土壤微生物商,意味着土壤中有机碳的周转速度加快,单位时间内释放的速效养分含量较多,能够被梨树根系吸收与利用的养分含量增加,这可能是梨产量增加的一个重要原因。此外,不同施肥处理中梨树根际土壤微生物量总体大于土体土壤,这是因为根系作为植物与土壤之间最紧密的接触面,对根际的影响较大,其中根系分泌的碳水化合物使根际土壤获得充足的营养物质,能够满足大量的土壤微生物富集和定殖在根际[23],从而促进根系生长和养分吸收。

土壤酶活性是土壤肥力高低的重要表征[28]。本研究测定了与土壤碳、氮、磷循环密切相关的6种酶,其中α-葡糖苷酶(αG)、β-葡糖苷酶(βG)和纤维二糖水解酶(CBH)与土壤碳循环相关,N-乙酰基-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)和L-亮氨酸氨基肽酶(LAP)与土壤氮循环相关[9,13]。Wang等[12]研究结果表明生物有机肥处理显著增加苹果园土壤中βG、αG、CBH和NAG活性;Luo等[29]研究认为施用有机肥能显著增加参与碳、氮循环相关的土壤酶活性。本研究中也有类似的发现,BIO和BIO+SOA处理增加梨树根际土壤αG、βG、CBH、NAG和ACP活性,而梨树土体土壤酶活性无明显变化,即表现出明显的根际效应[30]。这可能是因为生物有机肥改善土壤酸碱度,增加土壤肥力,促进梨树根系生长和提高周转速率,从而增加根系分泌物的种类和数量,促进死亡根细胞脱落与裂解,这为土体微生物向根际迁移提供了丰富的碳源和生存场所,使根际成为物质交流、能量循环的热点微域[30]。此外,BIO+SOA处理显著增加酸性红壤梨园土体土壤LAP和NAG活性,说明生物有机肥配施硅钾钙改良剂能明显促进土壤氮循环,这可能是因为钾硅钙改良剂的质地疏松(容重0.75～0.85 g·cm-3),具有纳米-微米级粒度的独特微孔结构[7],不仅有较高的离子交换能力和吸附性,而且能为微生物提高大量的栖息场所,并且生物有机肥增加土壤有机质,从而保证土壤微生物进行矿化作用所需的碳源。这与NAG活性与土壤有机质显著正相关的结果相一致。因此,生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂能够增加土壤微生物活性,提高土壤肥力。

3.3 生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂对梨产量的影响

从本研究中发现,生物有机肥及其配施硅钾钙改良剂显著增加梨产量。这与前人有关生物有机肥增加苹果[12]和芒果[31]产量的研究结果相一致。Pearson相关分析表明,梨产量的增加主要与SOM、SMBC含量和土壤βG、LAP、NAG及ACP活性有关。主成分分析表明,土壤养分含量的变化占第1,而土壤酶活性占第2,说明土壤酶活性对产量的影响受土壤理化性质的调节。此外,硝态氮和速效磷含量与梨产量呈负相关,可能是因为生物有机肥是一种缓效肥,经矿化作用释放的速效养分被梨树吸收和利用,增加产量,从而降低土壤中残留的速效养分含量。从产投比看,生物有机肥或生物有机肥配施硅钾钙改良剂二者相当,但从经济效益角度看,生物有机肥配施硅钾钙改良剂为最佳选择。因此,生物有机肥或与硅钾钙改良剂配施是有效改良我国南方梨产区酸性红壤土壤的重要施肥措施,对减少化肥施用量和保证梨产业的可持续发展具有重要作用。