生物质炭基肥对旱塬区苹果叶片营养和果实品质的影响

李辉，刘小勇,任静，韩富军，陈佰鸿

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院林果花卉研究所，甘肃 兰州 730070)

黄土高原地区是我国苹果优生区，该地出产的苹果品质好、效益高.在甘肃陇东黄土高原苹果产区，果农盲目施肥、经验施肥和过量施肥现象严重，氮、磷肥投入分别高达99.3%、 91.3%，土壤中有效磷、速效钾含量偏高，肥料利用率低[1].胡道春等[2]对300户果农调查的结果显示：氮肥过量施用占调查样本的78.3%；磷肥过量施用占21.8%，不施钾肥占37.6%，过量施钾肥占21.8%.黄土高原半干旱区果园10 a间土壤有机质含量平均下降到0.91 g/kg，降低了8.7%，这与果园有机肥施用量少、偏施化肥、追求高产等有关[3].化肥的大量施用造成了果实品质下降，可溶性糖、可溶性固形物、VC含量等均较低[4].

矿质营养对果树生长发育中产量和品质的改善有重大促进作用[5].各种矿质营养的含量以及它们之间的相互关系，决定着果实维生素C、可滴定酸含量以及果个大小、果实硬度、果形指数等品质[6-7].生物质炭基肥作为一种新型有机肥料，以生物质炭为基质，根据不同区域土壤、作物生长特点以及科学施肥原理，添加了有机质或无机质配制而成的一种生态环保型肥料[8]，其主要成分是生物质炭[9].生物质炭本身具有土壤改良和土壤固碳的作用，是良好的土壤改良剂、肥料缓释材料[10]，也成为一种稳定增产、减少化肥施用量[11]、降低环境污染的长效肥料[12].生物质炭与传统有机肥和化肥相比较，含有大量植物生产所必需的中量元素，这些元素的应用可以促进植物中特定色素和酶的形成，进而催化并增加植物蛋白质的合成和糖分的积累，提高果实品质[13].研究表明，复合肥与炭基肥配施，可显著增加番茄果实可溶性糖含量、糖酸比、维生素C[14]；施用炭基肥可显著提高烤烟N、P、K积累量和产量，增加类胡萝卜素含量、叶绿素含量[15].目前有关炭基肥的研究主要集中在粮食作物和经济作物上.在果园中应用较少，在旱塬区苹果园未见相关研究报道.本试验结合黄土高原半干旱区苹果园的特点，研究生物质炭基肥对苹果树体营养和果实品质的影响，探明其最佳施用量，为黄土高原半干旱苹果产区合理施肥提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省陇东黄土高原旱塬区静宁果树果品研究所(N 35°20′51″ ，E 105°30′0″ )，海拔1 550 m，年均气温7.1 ℃，无霜期159 d，年均日照时数2 238 h，年均降水量450.8 mm，年蒸发量1 469 mm.土壤为黄绵土.果园灌溉采用畦灌和沟灌相结合的方式.试验地土壤养分见表1.

试验园采用密植栽培方式，株行距为1.5 m×4 m，树形为细长纺锤形，树高3～3.5 m，东西行向.试验地行内铺设黑色地布，行间种植黑麦草，树体整齐一致、生长健壮，树体差异小，无病虫害，果园管理水平较高.

1.2 供试材料

供试品种为树龄10 a的寒富苹果，基砧为山定子，中间砧为M26；授粉品种为秦冠.供试生物质炭基肥(河南省拓农生物质新材料有限公司生产)为硫酸钾型炭基肥；常规用肥为果树专用肥.供试肥料见表2.

表1 土壤养分情况

表2 供试肥料的基本情况

1.3 试验设计

试验设置6个处理：4个生物质炭基肥施肥梯度(T1～T4)和两个对照(T5为不施肥，T6为当地常规施用的果树专用肥).T1、T2、T3和T4的总施用量分别为：1 050、1 500、1 950、2 400 g/株，分3次平均施入.施肥时期分别是：幼果期(5月)、果实膨大期(7月)、成熟前期(9月).施肥方法统一，即在树冠外缘下挖深25～30 cm、宽25 cm的直沟，施入肥料，并与表土充分混匀.每个处理选择生长发育一致的样树4株，共24株.

1.4 取样时间和方法

新梢长度和粗度于苹果新梢停长后测定，每个处理选择树冠外围正常生长、同一高度的当年生枝条50个，用数显卡尺测定新梢粗度，用普通卷尺测定新梢长度.

每个处理选择正常发育枝中部叶片150片，标记好样叶并装入加冰瓶的塑料泡沫箱中，尽快送实验室处理.

于果实成熟期进行果实采样.每个处理选择树冠外围1.5～2 m高度、大小均匀、发育良好的果实15个，共90个.

1.5 测定指标及方法

1.5.1 叶片生理指标测定 叶绿素采用丙酮提取法测定[16]；百叶干质量采用烘干法测定；叶片厚度用YH-1型植物叶片厚度仪测量.叶片全氮、全磷和全钾分别用半微量凯氏法、酸溶-钒钼黄比色法、酸溶-火焰光度法测定；钙用火焰原子吸收分光光度法测定[17].

1.5.2 果实品质测定 果实单果质量和纵横径分别用电子天平和游标卡尺测量；用GY-4数显式水果硬度计测定果实硬度；果实可溶性糖、可滴定酸和维生素C分别用蒽酮比色法[18]、NaOH中和滴定法和2，6-二氯靛酚滴定法测定[19].

1.5.3 产量测定 产量(Yield)=M×N

式中：M(g)为平均单果质量；N(个)为单株果实个数.

1.6 数据分析

试验数据采用Excel 2010处理，SPSS 22.0软件对所测数的平均值进行LSD法，使用 Excel 2010对数据作图分析.

2 结果与分析

2.1 生物炭基肥对树体生长的影响

增施了生物质炭基肥后，与对照相比较，苹果新梢长度、粗度、百叶干质量均显著提高，且随着施用量的增加，呈现先上升后下降的趋势，其中以T3处理最好.T3的新梢长度为40.4 cm，比T1、T2、T4、T5、T6分别提高了12.22%、3.33%、4.12%、20.60%、23.93%，其中与T1、T5、T6差异显著.T3的新梢粗度为5.72 cm,比T1、T2、T4、T5、T6分别提高了4.38%、4.00%、1.06%、8.13%、6.72%，除T4外的其他处理差异显著.不同处理间百叶厚度差异不显著.T3的百叶干质量为33.60 g，显著高于T1、T2、T4、T5、T6，分别提高了12.30%、6.84%、10.96%、26.41%、10.60%(表3).

表3 生物质炭基肥对树体生长的影响

2.2 生物质炭基肥对叶片生理指标的影响

叶绿素含量随着生物质炭基肥施肥梯度，呈现先增加后减小的趋势，均以T3处理最高，显著高于对照处理.T3处理的叶绿素a含量为2.28 mg/g，分别比T5、T6提高了8.57%、6.54%，分别比T1、T2、T4提高了5.07%、3.17%、5.07%，且差异显著.T3处理下的叶绿素b含量为0.73 mg/g，比T5处理显著提高了19.67%，比T6显著提高了12.31%，分别比T1、T2、T4提高了10.60%、7.35%、7.35%，且与T1差异显著.T3处理的叶绿素总量为3.01 mg/g，分别比T1、T2、T4、T5、T6显著提高了6.36%、4.15%、5.61%、11.07%、7.89%(表4).

表4 生物质炭基肥对叶绿素含量的影响

施用生物质炭基肥后苹果叶片N、P、K含量均不同程度地提高，各处理间叶片Ca含量无显著差异.T3的N含量最大，为24.90 g/kg，比T5、T6处理显著提高了16.19%、14.22%，分别比T1、T2、T4提高了7.56%、3.45%、0.48%，且与T1差异显著.T3的P含量值最大，为3.01g/kg，比T5、T6处理显著提高了32.60%、15.33%，分别比T1、T2提高了22.36%、6.74%，且与T1差异显著.T3处理的K含量值最大，为11.63 g/kg，比T1、T2、T4、T5、T6处理分别显著提高了14.92%、11.19%、3.93%、19.40%、11.19%(图1).

图1 生物质炭基肥对叶片养分含量的影响Figure 1 Effect of biochar fertilizer on leaf nutrient content

2.3 生物炭基肥对果实品质影响

施用生物质炭基肥后，处理间果实硬度和果形指数无显著差异.而VC含量随着生物质炭基肥施用量的增加而提高，T4处理的VC含量值最大，为12.63 mg/100g，比T1、T2、T3、T5和T6处理分别显著提高了22.86%、12.77%、8.88%、32.40%和18.81%.T4处理的可溶性糖含量最大，达到11.65%，比T1、T2、T3、T5和T6分别显著提高了19.24%、26.49%、29.60%、41.04%和17.32%，T1、T2和T3均与对照无显著差异.T3处理的可滴定酸值最低，为0.27%，显著低于对照，比T5、T6分别降低了25.00%、32.50%，比T1、T2和T4分别降低了28.95%、22.86%、15.63%，T3与T1差异显著，与T2和T4无显著差异，见表5.

表5 生物质炭基肥对果实品质影响

2.4 生物质炭基肥对苹果产量的影响

施用生物质炭基肥后苹果平均单果质量、果实个数和产量均有提高，且随着施用量的增加呈现先增加后减小的趋势.T3处理的平均单果质量最高，为327.28 g，显著高于其他处理，比T1、T2、T4、T5和T6处理分别提高了25.50%、12.94%、14.44%、30.75%和15.08%，T3处理的单株果实个数最多，为48.0个，显著高于除T2外的其他处理，分别比T1、T4、T5和T6提高了37.14%、14.30%、50.00%和23.08%.T3的产量为28.62 t/hm2，显著高于其他处理，分别比T1、T2、T4、T5和T6高76.34%、27.71%、32.13%、113.90%和44.40%(表6).

表6 生物质炭基肥对苹果产量的影响

2.5 经济效益分析

不同处理间新增投入存在差异，随着生物质炭基肥施用量的增加，新增投入逐渐提高，T1、T2、T3和T4低于T6处理的新增投入.各施肥处理的经济效益存在差异，随着生物质炭基肥施用量的增加，经济效益呈现先增加后减小的趋势，T2、T3和T4处理的生物质炭基肥优于果树专用肥.增收效果最好的是T3处理，与T5相比较增收82 431元/hm2，其次是T2处理，增收47 250元/hm2，各施肥处理与T5相比较净产值增加了15.26%～102.68%(表7).

3 讨论与结论

生物质炭对作物生长及产量的效应受生物质炭用量的影响[20].本试验研究表明，增施1 950 g/株的生物质炭基肥能够最大程度地提高树体生长、叶绿素含量、叶片矿质营养、果实品质和产量，增施生物炭基肥2 400 g/株的处理较1 950 g/株的新梢生长量、叶绿素含量、叶片N、K含量、苹果产量和经济效益都有所下降，这与蒋惠等[21]的研究结果相似.生物质炭中含有盐基离子，它们可以交换降低土壤中氢离子及铝离子含量[22]，提高土壤盐基离子的饱和度，导致土壤pH值增高[23]，进而导致土壤养分有效性降低；或者与生物炭矿质养分含量低及土壤高的C/N易降低土壤有效性养分有关[24]，因此过量的生物质炭基肥使得作物的生长与产量出现负效应[10].本试验也在苹果上得到了证明，过量的生物质炭基肥反而对提高苹果的品质、产量和经济效益效果不佳.

表7 不同处理间果树的经济效益

叶片是植物进化过程中对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官[25]，树体的生长状况直接影响苹果产量和品质的形成.本试验研究表明，增施了生物质炭基肥后，树体生长量、叶绿素含量均有效提高，以T3处理表现最好，这与前人的研究报道相似[26-27].植物叶绿素含量和叶片N素营养有关[28]，生物炭具有多孔性和大的比表面积,能够提高土壤对NH4+的吸附，生物质炭基肥施入土壤中，NH4+吸附与固持作用明显增强，氮素损失显著降低[29]，所以根系对氮素的吸收量也就增大，供给树体利用的也就更多.黄土高原半干旱区苹果叶片明显存在缺钾的危机[30]，叶片营养水平直接影响光合作用，进而影响果实产量和品质.本试验研究表明：增施生物质炭基肥能够促进叶片N、P、K等矿质元素的提高，以增施1 950 g/株的生物质炭基肥较其他处理提高最多.张玲等[31]研究发现，经生物质炭处理，叶片氮、磷、钾含量分别较对照提高了22.32%、30.14%、82.33%.说明生物质炭和生物质炭基肥都具有提高叶片氮、磷、钾含量的作用.生物质炭基肥作为一种长效肥料施入土壤后，由于生物质炭是一种良好的土壤改良剂，土壤中腐殖酸等有机质含量增加,土壤微生物和土壤酶活性提高,有利于根际土壤氮、钾养分释放,同时由于土壤疏松度的提高,降低了土壤对钾离子的吸附,使土壤养分对植株的有效性增加,促进植株对营养元素的吸收[32-34]，而且生物质炭可产生正、负电荷，具有吸持土壤磷素养分的作用，还具有多孔性和巨大的阳离子交换量的能力,能够吸附土壤NH4+,减少了土壤氨挥发[23],同时在与肥料混合以后对肥料起到包衣效果,延长了养分的有效性,还可减少养分的淋溶损失，进而显著提高了土壤的保肥供肥能力以及肥料利用率[35].生物质炭基肥就是通过以上机制，提高土壤供应营养元素的吸收和根系对营养元素的吸收，因而提高苹果叶片矿质营养水平.

苹果品质、产量是实现稳产和丰收的重要标志.研究发现，生物质炭基肥可以显著提高土壤有机碳含量，土壤pH值，阳离子交换能力，土壤速效磷，速效钾和矿质氮含量，增强土壤肥力最终提高作物产量[36]，生物质炭与炭基肥混施比传统施肥苹果产量分别增加了30.63%和39.92%，果实品质得到显著提高[37].本试验研究也发现，增施生物炭基肥能有效地提高可溶性含糖量、VC含量，降低可滴定酸，施肥1 950 g/株苹果的产量达到最高，与不施肥相比较增收82 431元/hm2.生物质炭对作物生长与产量的促进作用很少与其直接养分有关，而是通过间接改善土壤理化性质及微生物活性，比如土壤pH影响土壤养分有效性，而土壤养分有效性变化则影响作物生长与产量[10]以及生物质炭通过吸附和负载肥料养分，达到延缓肥料养分在土壤中释放[38]和降低淋洗损失的作用，进而促进作物养分吸收，提高肥料利用率[35]，最终提高土壤养分供应能力以及根系对N、P、K的吸收能力，叶片矿质营养水平也就提高，进而调控了叶绿素含量、CO2的同化过程和碳水化合物转化[32].糖信号与N信号之间有紧密的联系，而K元素有利于糖由叶子向贮存器官运输，对果实中的糖积累有促进作用[39]，而且生物质炭自身含有矿质养分(K、Ca、Mg、S、Si等)[10]，这些矿质元素可以有效提高VC含量[40].国外研究表明，有机肥能促进果树部分生理指标变化，从而提高果实产量、品质[41-42].本试验也证明了生物质炭基肥在苹果生产上的应用效果，显著增加苹果产量，提高苹果含糖量、维生素C含量.

本研究应用生物质炭基肥及其效益符合苹果化肥减量增效和绿色生产的要求，将为同类地区苹果优质高效生产提供依据.施1 950 g/株的生物质炭基肥对改善黄土高原旱塬区苹果叶片营养和果实品质以及提高经济效益具有显著作用.