生物菌肥和钾肥配施对苹果钾素吸收及果实品质的影响

郭志刚,李文芳,马宗桓,曹雪璟,毛 娟,左存武,陈佰鸿

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.天水师范学院，甘肃 天水 741000)

肥料利用率是衡量施肥效果的主要指标，果园肥料的不合理施用造成土壤中有益微生物数量减少、根系环境和土壤结构破坏、环境污染以及农产品品质下降[1]。微生物菌肥是近年发展起来的一种新型肥料，含有微生物菌群、活性酶、有机质和多种微量元素，主要通过微生物菌群的活动，间接或直接分解、合成等方式来改善植物生长环境及营养条件，促进作物的生长，提高农产品的产量和品质[2]。钾是植物所需的重要营养元素之一，也是苹果产量形成、品质提高的物质基础，果园钾的充分供应是果树优质丰产的前提[3-4]。通过生物菌肥和钾肥配合施用处理研究生物菌肥和钾肥的协同作用，对提高钾肥利用效率及生物菌的功效等方面具有重要意义。

庞强强等[5]研究表明施用微生物菌肥对蔬菜生长、品质和土壤酶活性都有一定的促进作用。陈建明等[6]研究表明施用微生物菌肥能够促进苹果花脸病植株氮素吸收和提高果实品质。Neilsen、姜学玲[7-8]等研究发现施用钾肥具有促进苹果果实膨大、提高产量和改善品质的效果。以往研究大多在肥料单一施用的情况下探讨施肥的效果，对微生物菌肥和钾肥的协同作用研究较少，本研究利用微生物菌肥和钾肥配合施肥试验，通过对钾肥利用效率、根系形态、树体钾素积累、土壤微生物数量及果实品质分析，探究微生物菌肥和钾肥配合施肥的协同效果，以期为苹果园合理施用肥料、提高钾素利用效率、生产优质果品提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2018年在甘肃省天水市秦州区玉泉镇杨河村苹果园(34°54′N, 105°70′E)进行，该区海拔1 350 m，年均气温10.7℃，年最高气温38℃左右，最低气温-19℃，无霜期170 d左右，年降水量530 mm，其中7—10月降雨占年降雨量的70%左右，春旱比较明显。果园土壤为黄绵土，采用栅格采样方法对土壤进行采样[9]，测定了试验前果园土壤(取样深度0～50 cm)的基本营养状况：有机质15.80 g·kg-1，全氮1.43 g·kg-1，全磷1.25 g·kg-1，全钾34.06 g·kg-1，碱解氮135.80 mg·kg-1，速效磷54.83 g·kg-1，速效钾388.00 g·kg-1，pH 8.17。

1.2 试验材料

供试苹果品种为7 a生元帅系‘瓦里短枝’(Vallee spur Del)，砧木为‘山定子’(Malusbaccata)，株行距3 m×4 m，树形为自由纺锤形。供试生物菌肥为山东农夫生物科技有限公司生产的农夫喜力复合微生物菌肥(枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌、解磷解钾菌，有效活菌数≥2×108cfu·g-1)，有机质≥20%。钾肥为中农国际化肥进出口集团(烟台)有限公司生产的硫酸钾(K2O≥50%)。

1.3 试验方法

试验设6个处理，T1(K2O 420 kg·hm-2)、T2(生物菌肥2 520 kg·hm-2)、T3(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 294 kg·hm-2)、T4(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 420 kg·hm-2)、T5(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 546 kg·hm-2)，以不施生物菌肥和K2O为对照(CK)。肥料分两次施入，分别为前一年秋季果实采后(9月30日)和当年果实膨大期(7月30日)各施50%。在树盘下开挖4条深度为30 cm的放射状施肥沟，将肥料与一半土壤拌匀后施入，然后将50 kg水均匀灌于施肥沟内。每年各处理试验果树保持不变，同期施等量的肥料。试验采用随机区组设计，每个处理5株，3次重复，区组间、处理间均设有隔离行和隔离株。

1.4 样品采集及测定

采用根钻法(根钻直径φ为7 cm)对苹果树根系进行取样。每30 cm为一层钻取土样，直至120 cm，取样点设在各施肥沟中间距树干100 cm的位置。取根时间定于果树基本停止生长的9月30日，将取出的根系放进无菌塑料袋密封带回实验室，放于0.149 mm 的筛子，在小水流下缓慢仔细冲洗，然后用吸水纸吸干后测定根系活力。

土样取样时间设在(4月15日)、果实膨大期(7月15日)、采果期(9月20日)，取样方法参照王秀等[9]方法，将钻取土样分层均匀混合，去除大块不含根系的土壤，轻轻抖动出附着在根系表面的根际土壤，分层混匀，装入无菌袋中，一部分鲜土带回实验室放入4℃冰箱进行微生物培养，另一部分自然风干后用于土壤酶活性测定。

根系活力测定：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定根系的活力[10]。

土壤酶的活性参照关松荫[11]的方法测定，其中蔗糖酶测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法；多酚氧化酶测定采用邻苯三酚比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；脲酶采用苯酚次氯酸钠比色法。

微生物用平板涂抹法[12]测定，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌用马丁(Martin)培养基、放线菌用改良高氏一号培养基。

分别于幼果期(4月30日)、果实膨大期(7月30日)和采收期(9月20日)用修枝剪在每株树上东、西、南、北4个方位各采集果实、叶片和新梢样品，称量各器官的鲜重(每个处理生物量为3株树的平均值)，然后将样品置于信封袋带回实验室，于105℃下杀青15 min，然后于80℃下烘干至恒量。样品粉碎后，用H2SO4-H2O2消解，火焰分光光度计测定钾含量。钾累积量=器官生物量×钾含量。

苹果采收期在每株树的东、西、南、北4个方位各采集10个果实，分别测定果实单果重、硬度(HP-230型硬度仪测定)、可滴定酸(NaOH滴定法)、Vc含量(2，6-二氯酚靛酚滴定法测定)、可溶性固形物含量(WYT-4型糖量计测定)。

土样采集后装入干净的塑料袋中带回实验室[9]，待土样风干后研磨，过1 mm筛后待测。采用凯氏定氮法测定土壤中碱解氮，采用高温重铬酸钾氧化-容量法测定有机质，采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定速效磷，采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾的含量[13]。

1.5 数据统计分析

用SPSS 21.0软件进行方差分析和多重比较。采用Excel 2013软件作图，图表中数据为平均数±标准差。

钾肥农学效率=(施钾区产量-不施钾区产量)/施K2O量[14]

钾肥贡献率=(施钾区产量-不施钾区产量)/施钾区产量×100%[15]

钾肥偏生产力=施钾后苹果产量/施K2O量[16]

2 结果与分析

2.1 微生物菌肥和钾肥配施对果园钾肥利用效率、树体钾累积量及土壤养分含量的影响

表1结果表明，与T1相比，微生物菌肥和钾肥配施显著提高了果园钾肥农学效率、钾肥贡献率和钾肥偏生产力(P<0.05)，但T4和T5之间差异不显著。2016年试验结果显示，T3农学效率、肥料贡献率和肥料偏生产力比T1分别提高了4.9%、8.5%和4.0%，T4分别提高了15.5%、13.7%和6.8%，T5分别提高了17.5%、15.3%和6.7%。2017年T3农学效率、肥料贡献率和肥料偏生产力比T1分别提高了5.6%、7.1%和3.7%，T4分别提高了15.1%、16.7%和9.3%，T5分别提高了13.6%、18.3%和9.1%。

表1 微生物菌肥和钾肥配施对果园K2O利用效率的影响

由表2可知，在不同生育期，各处理苹果树不同器官中钾累积量大小顺序依次为:T5>T4>T3>T1>T2>CK。从不同施肥处理来看，T5和T4差异不显著，但均显著高于其它处理(P<0.05)。叶片对钾的吸收、储存主要集中在生育前期。萌芽后期叶片中钾含量均处于高值，随着时间的推移，叶片中吸收储藏的营养物质逐渐转移到果实枝条等其他部位，供其生长发育需要，其含量逐渐降低，这与樊红柱等[17]的研究结果基本一致。

表2 不同处理对苹果树体不同器官K2O累积量的影响/(g·kg-1)

表3结果表明，2016年T1、T2、T3、T4和T5土壤有机质的含量较CK依次增加了10.00%、43.84%、54.55%、68.04%及68.41%，2017年依次增加了20.51%、58.65%、72.63%、80.01%及81.45%。2016年和2017年T2土壤速效钾的含量较CK分别下降了6.32%和9.07%，T4土壤速效钾的含量较T1分别下降了4.54%和6.27%，说明施用微生物菌肥促进了果树对土壤钾素的吸收利用。

表3 不同施肥处理对果园土壤养分含量的影响Table 3 Effect of different fertilization treatments on soil nutrient content in orchard

2.2 生物菌肥和钾肥配施对果园土壤酶活性和根际微生物数量的影响

图1结果表明，土壤酶活性随季节变化和施肥种类的不同有很大的差异性。与CK相比，各施肥处理均提高了土壤酶活性，生物菌肥和钾肥配施后土壤酶活性显著高于单一施肥(P<0.05)，但T3、T4及T5之间土壤蔗糖酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶及脲酶活性差异不显著(P<0.05)。

表4结果表明， 与CK相比，2016年各施肥处理土壤细菌数量提高了16.46%～72.52%,放线菌数量提高了27.55%～169.85%,真菌数量提高了9.85%～50.42%;2017年土壤细菌数量提高了16.41%～89.91%,放线菌数量提高了48.03%～169.13%,真菌数量提高了9.09%～50.00%。微生物菌肥和钾肥配施后土壤微生物数量显著高于单一施肥(P<0.05)，但T3、T4和T5之间差异不显著(P<0.05)。

表4 不同施肥处理下土壤微生物类群数量

2.3 微生物菌肥和钾肥配施对苹果根系活力和果实品质的影响

图2结果表明，各处理根系活力均随土层的加深呈现逐渐减小的趋势。在0～30 cm土层内，2016年各施肥处理根系活力较CK提高了14.35%～34.46%，2017年提高了18.43%～38.72%。而在60～90 cm和90～120 cm土层内，各处理差异不显著。

由表5可知，各施肥处理果实的单果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度均高于CK，而各处理可滴定酸含量均低于CK。生物菌肥和钾肥配施后果实的单果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度显著高于单一施肥(P<0.05)，但T4和T5之间差异不显著(P<0.05)。2016年T4果实单果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度较T1分别提高了24.04%、8.04%、11.62%、0.35%，2017年分别提高了18.37%、6.19%、10.59%、1.41%。

表5 施肥对苹果果实品质的影响

2.4 土壤微生物数量和土壤酶活性与果实品质的相关性分析

表6结果表明，果实单果重与细菌数量、真菌数量及蔗糖酶呈显著正相关(P<0.05)，与放线菌数量及碱性磷酸酶呈极显著正相关(P<0.01)。可滴定酸含量与细菌数量、多酚氧化酶呈显著负相关(P<0.05)。可溶性固形物含量与细菌数量、放线菌数量、脲酶及多酚氧化酶呈显著正相关(P<0.05)。Vc含量与真菌数量、蔗糖酶呈显著正相关(P<0.05)，与细菌数量、放线菌数量及碱性磷酸酶呈极显著正相关(P<0.01)。果实硬度与土壤微生物数量和土壤酶活性相关性不显著。

表6 土壤微生物数量和土壤酶活性与果实品质的相关分析结果

3 讨 论

土壤微生物是陆地生态系统中最活跃的组分，能敏感地反映气候以及土壤微生态环境的变化[18]。土壤微生物分泌的胞外聚合物(多糖和蛋白质)与细菌形成细菌-矿物复合体[19]，能逐步溶蚀释放离子，而且微生物分泌的胞外物质堆积成生物膜，增加了矿物表面的持水作用，从而影响水岩反应速率，改善土壤肥力状况。微生物菌肥主要通过功能微生物提高对氮素的固持能力，使土壤中被固定的磷、钾重新释放利用，活化土壤养分，调节pH，参与腐殖质形成[20]，但微生物肥是一种辅助肥料，不能全部代替化肥和有机肥。本研究结果表明，微生物菌肥和钾肥配施有效提高了钾肥农学效率、钾肥贡献率以及钾肥偏生产力，这是因为土壤微生物将土壤中植物难以直接利用的物质分解或转化为作物能吸收利用的形态，使植物根系更容易吸收利用，从而有利于植物生长发育[21]。同时，硅酸盐细菌也能使土壤中难溶钾转化为有效钾，使养分能够持续释放，钾肥得到了充分的吸收利用。冯敬涛等[22]研究表明，施用微生物菌肥(有机质含量≥35.1%、有效活菌数≥2 ×108cfu·g-1)能显著提高苹果园土壤脲酶、磷酸酶及蔗糖酶的活性，增加土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量，能够提高苹果‘M9T337’幼苗的生长。陶伟等[23]施用复合微生物菌肥(有机质含量≥20.0%、菌种为枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，有效活菌数≥2 ×108cfu·g-1)+85%化肥能提高芥菜园土壤酶活性，提高菜地速效钾的吸收利用，本研究结果与以上研究结果一致。本研究中T4和T5钾肥农学效率、钾肥贡献率和钾肥偏生产力差异不显著(P<0.05)，这是由于施钾量达到临界值时钾肥利用效率并没有随着施钾量的增高呈现随之增高的趋势。

根系是植物吸收水分和养分的主要部位，其生长状态与获取土壤中矿质养分和水分能力有关，扩大作物根系系统能够增强根系综合能力[24]。施肥对作物的影响是通过调控根系的形态来实现的[25]，根系活力会影响到根对钾的吸收或钾向根表的移动[26]。吴林坤等[27]研究表明，植物的根系生长与土壤微生物存在相互促进关系，陈伟等[28]研究表明微生物菌肥可显著改善植株的根系生长状况。本研究结果表明，单施钾肥和微生物菌肥均能提高苹果的根系活力、提高苹果的品质，这与Neilsen GH、谌琛等[29-30]的研究结果一致，但钾肥与微生物菌肥配施后表现出很好的协同作用，能显著增加钾素在树体内的积累量，改善苹果果实的品质。这是因为首先施钾有利于果树根系的生长发育[31]，其次微生物菌肥中的枯草芽孢杆菌等大量活体微生物菌不仅能使土壤中被固定的养分活化，还能改善土壤的理化性质，提高土壤中微生物量和土壤酶活性[32]，加速土壤有机质的分解，提高土壤肥力，为根系的生长发育创造了良好的土壤微生态环境。第三微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，它们参与土壤养分转化和循环等过程[33]，将土壤中难以被利用的钾元素转化为易于作物吸收的钾，两者的协同作用使肥效稳定，有效地促进了钾素的吸收和转化利用。但T4和T5单果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度差异不显著(P<0.05)，这是由于施钾量达到临界值时果实品质并没有随着施钾量的增高而增高，因此，钾肥用量在适宜的范围内能提高果实的品质和产量，卢精林等[34]在‘红地球’葡萄田间试验中得出相似的结论。本研究中微生物菌肥和钾肥配施后提高了果实硬度，这与李书田等[35]、Zhang 等[36]的研究结果一致，而 Fallahi等[37]、谌琛等[30]研究认为施钾降低了果实硬度，是由于施钾使果实钙含量降低，因而降低了采收时果实硬度，然而施钾后果实硬度的变化还可能受到施钾时期、浓度、方式等因素的影响，其具体机制还需进一步研究。

土壤酶和土壤微生物是根际土壤生态系统的重要组成部分，能够有效促进土壤物质的代谢、有机质的分解及养分的转化、循环等多种生理生化过程，平衡土壤养分供应，为植物生长提供需要的营养物质，因此，土壤酶活性的动态变化及微生物数量在一定程度上可以作为衡量土壤肥力与健康的生物指示剂[33]。施用生物菌肥后，其中的有机质腐熟会产生大量的能量物质，不仅为微生物的生命活动提供了能量和保障，还极大地提高了土壤酶活性和微生物数量[38,40]。本试验微生物菌肥和钾肥配施比二者单施显著增加了土壤微生物数量，单施钾肥对碱性磷酸酶有微弱的抑制作用，而生物菌肥和钾肥配施后能显著降低其抑制作用(P<0.05)，生物菌肥和钾肥单施和配施对多酚氧化酶影响不显著，而配施后能显著提高脲酶和蔗糖酶活性(P<0.05)，这是由于两者配施后极大地促进了微生物的生长，增加了分泌到土壤中的酶含量，同时微生物菌剂以及酶制剂的加入也改善了土壤的理化性质，有利于果树根系对土壤养分的吸收，提高了根系活力，果树根系又通过自身活动以及向根际释放分泌物来加快根际微生物繁殖和提高土壤酶活性[41]，使果园根际土壤形成了一个良性的循环状态，平衡了土壤养分供应，提高了土壤肥力，满足果树生育期对养分的需求，最终表现为土壤酶活性的升高、土壤微生物数量的增加以及果树的良好生长。王丹等[42]采用自主研发菌肥(有机质含量200.54 g·L-1)能显著增加盐碱地枸杞土壤脲酶和蔗糖酶活性，与本研究结果一致。水分是微生物与周围土壤进行物质交换的媒介，是微生物体内生理生化反应的溶剂,土壤水分降低会影响微生物活性,当土壤干旱时,底物的扩散受到限制,微生物也由于资源不足减缓生化进程[43]。土壤水分含量也会通过影响微生物量及活性间接影响酶活性。本研究中，每次施肥后浇灌一定量的水，增加土壤含水量，调节微生物和土壤酶的活性，使微生物菌肥较好地发挥作用，提高肥料的利用率。

土壤肥力的高低对苹果果实品质有直接的影响，而土壤肥力是多方面因素综合作用的结果，其中土壤酶和土壤微生物均是影响土壤肥力的重要因素，肥料种类及施肥方法会影响土壤酶活性和土壤微生物数量，微生物菌肥和钾肥配施可以使土壤形成无机-有机-生物复合体的良性动态变化，为果树提供良好的生长环境，为改善果实品质打下基础。土壤微生物与土壤酶共同影响土壤的生物化学过程，共同参与转化土壤中植物所需的营养物质，土壤微生物的种类和数量在一定程度上决定土壤酶的来源，因此，土壤微生物数量、酶活性和土壤养分之间存在一定的相关关系[44]。张承[45]等研究认为套种吉祥草能提高猕猴桃根际土壤微生物数量和酶活性，提高果实产量和改善果实品质，根际土壤微生物数量和土壤酶活性与猕猴桃果实单果重和品质间存在显著的相关性，此结论与本研究结果一致。

4 结 论

微生物菌肥和钾肥配施后，果园钾肥农学效率、钾肥贡献率及钾肥偏生产力较单施钾肥分别提高了4.9%～17.5%、8.5%～15.3%及4.0%～6.7%，土壤细菌、放线菌及真菌数量分别提高了27.61%～63.14%、30.54%～111.56%、30.04%～37.50%，同时，显著提高了土壤酶活性和根系活力，果实单果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度分别提高了18.37%～24.04%、6.19%～8.04%、10.59%～11.62%、0.35%～1.41%，但当施钾量达到临界值时钾肥利用效率和果实品质并没有随着施钾量的增高而增高，因此，T4(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 420 kg·hm-2)是试验区合理的施肥量，能有效提高钾肥利用效率、提高土壤肥力和改善果实品质。