果树枝条掩埋发酵最佳模式研究

李 祥，王永平，柯希恒，孙喜军，郭学军，褚春年，王耀凤，胡月莉，曾 桥

（1.陕西科技大学化学与化工学院/中国轻工业轻工助剂重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西农产品加工技术研究院，陕西 西安 710021；3.西安市农业技术推广中心，陕西 西安 710061；4.白水县苹果试验站，陕西 白水 715600；5.西安市农机监理与推广总站，陕西 西安 710065）

【研究意义】近年来，随着农村能源结构的变化，昔日作为燃料的果树枝条已淡出人们视野，变成了随意丢弃、堆积如山的废物，造成河道堵塞、果园环境恶化、火灾隐患发生等后果，严重制约果业的高质量发展［1］。果树枝条中含有机碳4.7%、N 0.5%～0.67%、P 0.09%～0.15%、K 0.44%～0.50%，还含有大量合成果实风味物质、花青素辅酶的微量元素［2］。尽管枝条栽培食用菌［3］、制备饲料［4］的技术已经成熟，但由于枝条纤维化程度不同、成分差异较大等原因制约了这些技术的推广应用，目前，枝条基质化、饲料化不足20%，肥料化是枝条利用的主要途径［5］。枝条堆肥虽然是枝条利用的主要方式，但由于枝条捡拾、搬运、粉碎、堆肥、施肥过程中劳动力消耗大，致使枝条肥料化成本高。因此，探索农村劳动力缺乏大背景下，省时、省力的枝条肥料化模式成为研究焦点。【前人研究进展】赵鹏［6］研究了枝条覆盖技术对果园土壤性状、果品质量的影响，发现枝条覆盖能显著提高土壤有机质、速效磷、钾及有效铁、锰、铜、锌的含量，果树叶片叶绿素含量比对照增加7.7%～19.8%，产量比对照提高47.3%，果品中可溶性固形物含量较对照增加6.6%。李志刚等［7］研究了枝条翻埋、覆盖对土壤性质的影响，发现枝条翻埋、覆盖均能提高土壤总孔隙度、田间持水率、有机碳、有效磷和速效钾含量，提高了土壤呼吸强度、微生物（细菌、真菌和放线菌）数量和酶（脲酶、过氧化氢酶）活性，降低了土壤密度。【本研究切入点】通过开沟机械开沟，研究枝条掩埋方式对枝条腐解率、果树腐烂病、轮纹病发病率、果园CO2浓度、土壤温度、水分含量的影响。【拟解决的关键问题】研究结果为果树枝条的肥料化利用提供技术支撑，探索省时省力的枝条肥料化利用模式，以适应农村劳动力缺乏的状况。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验苹果园位于陕西省渭南市白水县境内（109°16′～109°45′E，35°4′～35°27′N），平均海拔约850 m，属暖温带大陆性季风气候，光照充足，昼夜温差大；年平均降水540 mm，无霜期217 d，年日照时数2 397～2 641 h；土壤为黄绵土，土层深厚，中性偏碱。

供试FT有机肥发酵菌种（有效活菌数大于2×1010 CFU/g），武汉丰甜生物科技有限公司产品；土壤调理剂，陕西科技大学农林技术推广中心自制；尿素，陕西陕化化肥股份有限公司产品；猪粪尿来自白水县天顺养猪专业合作社。

HF-LDKGJ 38马力柴油履带开沟回填机，山东浩发机械有限公司；USafe 3000手持式CO2检测仪，山盾科技（深圳）有限公司；CWS20插入型温湿度变送器，北京星仪传感器技术有限公司；YMJ-D手持活体叶面积仪，浙江托普云农科技股份有限公司。

1.2 试验方法

枝条开沟掩埋发酵试验于2018—2020年在白水美好家园现代农业园区8年生苹果试验园进行。2018年3月1日进行冬剪，冬剪时先确定作业行，将作业行的果树枝条放在相邻两行，3月5日用开沟机在作业行开宽30～35 cm、深35～40 cm的沟，将相邻3～5行（视枝条数量而定）的枝条、落叶、枯草整齐地填入沟内，将养殖企业的沼液或干湿分离后的尿液均匀喷洒在枝条表面，枝条的位置控制在离地面10 cm，以免回填时将枝条翻出。

试验设3个处理：处理1，按75 kg/hm2自带营养的FT有机肥菌种、50 kg/hm2尿素的比例，均匀撒在枝条表面；处理2，按75 kg/hm2自带营养的微生物菌剂、50 kg/hm2尿素及20 kg/hm2土壤调理剂的比例，均匀地撒在枝条表面；处理3，按750 kg/hm2尿素的比例将其均匀撒在枝条表面，不加自带营养的微生物菌剂及土壤调理剂；以不进行开沟掩埋发酵枝条为对照。枝条长度与沟的方向一致，每个处理间隔3～5行。处理后4～7 d，用多功能田园管理机进行覆土填平，果树枝条覆土厚度为10 cm，7～10 d后浇灌水1次，翌年按计划在其上栽种三叶草。在每个试验区内随机选择5个点，每点标记1～12捆枝条，每隔3个月测定枝条腐解率，计算周年累计腐解率，并测定试验区近地层CO2的浓度；2019—2020年在苹果树越冬期（2019年12月15日）、花期（2020年5月15日）、果实膨大期（2020年8月15日）、成熟期（2020年10月15日）分别测定各处理地下20 cm处土壤含水量及10、20、30 cm处的温度。2020年8月份调查果树腐烂病、轮纹病的发病率。

枝条腐解率测定：将直径2～3 cm的枝条收集后分60份，称量干重并标记，按试验设计分别埋入处理1、2、3的土中，每季度取1份水洗后干燥称重，重复3次，1年测4次，计算枝条腐解率［8-9］。

2 结果与分析

2.1 枝条掩埋发酵方式对枝条腐解率的影响

由表1可知，处理1、2、3枝条周年累计腐解率随发酵时间的推移呈“小-大-小”的变化趋势，其原因是枝条腐解率受枝条腐解产物浓度及发酵温度的双重影响。一方面枝条刚开始腐解时产物浓度较小对枝条腐解反应的抑制作用小［10-11］，另一方面是3—6月的发酵温度相对较低，枝条腐解酶（纤维素酶、木质素酶、半纤维素酶）的活性较低，因而枝条腐解率较小；随着温度升高，酶活性增加，但枝条腐解产物的浓度高而影响枝条的腐解速度。处理2枝条周年腐解率最高、为40.1%，处理3枝条周年腐解率最低、为29%，处理1介于两者之间，其原因是微生物菌种的加入增加了土壤中微生物的数量，在外源土壤微生物的共同作用下，枝条腐解率增加；枝条的碳氮比一般为80～100∶1［12］，不适合微生物繁殖，加入尿素调节了枝条发酵物的碳氮比，使其更适合微生物菌剂的生长、繁殖，增加了枝条腐解酶的活性［13］，从而加速枝条腐解；土壤调理剂的Ca2+、Mg2+促进了土壤团聚体的形成［14］，增强了土壤的透气、透水性，为微生物的生长繁殖创造了条件。可见，微生物菌剂、尿素、土壤调理剂的复合作用，加速了枝条的腐解，因此处理2的枝条周年腐解率比处理1、3高。

表1 枝条掩埋发酵方式对枝条腐解率的影响Table 1 Effect of burying fermentation modes on decomposition rate of branches

一般枝条堆肥发酵时枝条的腐解率为50%以上［15］，而枝条掩埋发酵枝条的腐解率最高仅为40.1%，远远低于高温堆肥发酵，其原因可能与高温发酵时温度高、酶促反应速度快有关。以枝条腐解率为评价指标，处理2为枝条掩埋发酵的最佳模式，鉴于处理2枝条周年腐解率仅为40.1%，建议采用枝条掩埋发酵技术每3～5年还田1次。

2.2 枝条掩埋发酵方式对果树腐烂病、轮纹病发病率的影响

2020年8月，按每个处理随机选5颗果树75个枝干的方法，调查3个处理及对照果树腐烂病、轮纹病发病率；按照东南西北中5点取样法，每点随机取10片叶子，采用质量法、YMJ-B型叶面扫描仪测定叶面积，结果见表2。由表2可知，处理1、2、3果树腐烂病、轮纹病的发病率均显著低于对照，其原因是果树轮纹病、腐烂病由梨生囊孢壳菌［16］、苹果黑腐皮壳菌［17］引起，梨生囊孢壳菌、苹果黑腐皮壳菌均属真菌，以菌丝及分生孢子器寄生在病枝、落叶、枯草上越冬，通过枝条修剪由创伤口浸染果树，引起果树疾病。由于梨生囊孢壳菌、苹果黑腐皮壳菌为好氧菌，生长需要一定的氧气，而枝条掩埋发酵隔绝了氧气，随着发酵的进行，梨生囊孢壳菌、苹果黑腐皮壳菌逐渐死亡，减少了果树腐烂病、轮纹病的发病率。果树腐烂病对果树生长造成严重的影响，俗称果树“癌症”，枝条掩埋发酵不仅不会引起腐烂病、轮纹病传播，还降低了发病率。冬季清园、保持果园清洁是防止果树疾病的有效措施。

表2 枝条掩埋发酵方式对果树腐烂病、轮纹病发病率的影响Table 2 Effects of burying fermentation modes of branches on the incidence of rotten disease and ring rot disease of fruit trees

处理1、2、3果树的平均百叶重、叶面积均显著高于对照，其原因是，枝条掩埋发酵实际上是枝条肥料化的过程，枝条中大分子的纤维素、木质素、半纤维素在微生物酶的作用下降解成小分子有机物，同时释放出CO2，小分子有机物如酸、醛、酮等都是植物生长的刺激素［18］，能刺激果树生长，CO2是光合作用的原料（表2）。

处理2果树腐烂病、轮纹病的发病率低于处理1、3，而百叶重、叶面积高于处理1、3，其原因是处理2中的土壤调理剂促进了土壤团粒结构的形成，增加了土壤的孔隙率及氧气浓度，抑制了土壤中一些厌氧微生物对果树生长的影响。进一步说明处理2为枝条掩埋发酵的最佳模式，也说明枝条掩埋发酵过程中添加尿素、微生物菌剂、土壤调理剂的重要性。

2.3 枝条掩埋发酵方式对果园大气中CO2浓度的影响

由表3可知，处理1、2、3行间近气层CO2浓度明显高于对照，其原因是埋入地下的枝条、落叶、枯草在微生物酶的作用下，其中的纤维素、半纤维素、木质素在降解为小分子糖类、苯酚类物质的同时，向大气中释放了CO2，增加了园区内CO2浓度。CO2是植物光合作用的主要原料，同时又是C3植物进行光合作用的主要限制因子之一，空气中CO2的浓度直接影响植物叶片中水分调节气孔的张开程度［19］。

表3 枝条掩埋方式对果园近气层CO2浓度的影响Table 3 Effects of burying modes of branches on CO2 concentration in near-atmosphere of orchard

2.4 枝条掩埋发酵方式对果园土壤温度、湿度的影响

不同处理、果树不同生长时期土壤的水分含量和温度测定结果见表4、表5。从表4可以看出，处理1、2、3苹果不同生长期20 cm处土壤的水分含量均高于对照，说明枝条掩埋沟具有蓄水保墒的作用，能将有限的雨水贮藏于发酵坑中。处理2苹果生长各个时期土壤的含水量均大于处理1和处理3，主要原因是处理2中枝条的腐解率大于处理1和处理3，枝条在腐解过程中形成了亲水性更强的酸、醛类物质，增加了土壤的持水力，而且土壤调理剂增加了土壤团聚体，更有利于雨水下渗。

表4 枝条掩埋发酵方式对20cm处土壤水分含量（%）的影响Table 4 Effects of burying fermentation modes of branches on moisture content in 20 cm soil layer

表5 枝条掩埋发酵方式对土壤温度的影响Table 5 Effects of buryingfermentation modes of branches on soil temperature

从表5可以看出，当冬季气温较低时（2019年12月15日），处理1、2、3地下10、20 cm处的土壤温度分别比对照高1.6、1.9、1.0 ℃和1.1、1.4、0.7 ℃，利于果树越冬；当夏季气温较高时（2020年8月15日），处理1、2、3地下10、20 cm处的土壤温度分别比对照低8.4、8.8、7.9 ℃和5.8、6.0、6.2 ℃，避免了高温对果树根系的影响。一般认为，苹果根系的最适生长温度为7～20 ℃，土壤温度大于5.4 ℃苹果根系就开始生长，20 ℃时根系生长最快［21］，说明枝条掩埋发酵对保护果树根系具有一定的积极意义。

3 讨论

果树枝条掩埋发酵方式对枝条腐解有一定影响，原因有多个方面。一方面埋在土壤中枝条腐解速率取决于枝条本身，枝条中的纤维素、木质素、半纤维素等［22］化学物质的含量相对高低及纤维素、木质素、半纤维素的相互结合的方式；另一方面枝条腐解率的快慢主要取决于影响枝条掩埋发酵的外部因素，如水分、温度、微生物、土壤离子浓度等。本研究中，处理2枝条周年腐解率最高、为40.1%，处理3最低、为29%，这是由于处理2通过微生物菌种的添加，使得土壤微生物数量增多，在一定程度上对枝条的腐解起到“催化剂”的作用。

果树枝条修剪留下的创伤口会增加患果树轮纹病、腐烂病等的风险。将果树裁剪下的枝条进行堆肥掩埋处理，不仅减少了果园枝条废物的堆砌，还能有效降低果树患果树轮纹病、腐烂病等病害的风险，这是由于通过开沟掩埋枝条，使得梨生囊孢壳菌、苹果黑腐皮壳菌的生长条件受到抑制，从而降低正常果树生病的风险。果树枝条通过开沟掩埋，最终会被分解成有机物小分子，供给果树的根系，在一定程度上促进果树生长。本研究处理1、2、3果树的平均百叶重、叶面积显著高于对照，也从侧面反映果树枝条掩埋是很好的处理方式，这是一种良好的果树枝条循环利用技术。

一般情况下，植物进行光合作用的最适CO2浓度为1 000 μmol/mol［20］。本研究中，处理1、2、3行间近地层CO2的浓度均低于1 000 μmol/mol，但处理2的CO2浓度最高，可使植物的光合速率加快，其原因是CO2浓度升高不仅为植物光合作用提供了更多的反应原料，还提高了l,5-二磷酸核酮糖（RuBP）羧化酶的活性，增强了对CO2的固定能力，同时抑制了RuBP加氧酶的活性，降低了植物的光呼吸强度，从而提高了植物的光合作用效率。

果树枝条掩埋在一定程度上会蓄水保墒，其原因可能是在枝条的腐解需要大量水分来促进枝条腐解，枝条腐解会形成各种有机物小分子，水分的存在会促进有机物小分子更容易进入果树的根系部位从而被吸收利用。本研究中，处理1、2、3地下10、20 cm处的土壤温度均比对照高，说明果树枝条掩埋发酵对于果树过冬具有保温作用，其原因可能是枝条在土壤进行腐解的过程中，会释放一定的热量，加之冬天土壤中流动水分含量相对降低；而在夏天时，处理1、2、3地下10、20 cm处的土壤温度均比对照低，形成这种现象的原因是夏天土壤中的流动水分含量较多，土壤的“呼吸作用”较强，果树枝条开沟掩埋的蓄水保墒作用，对于夏季果树的生长具有一定好处。

4 结论

本研究结果表明，采用果树枝条掩埋技术处理枝条，枝条平均腐解率为34.6%，低于高温堆肥的枝条腐解率［11］，但可省去捡拾、搬运、粉碎、堆肥、施肥环节，降低了枝条肥料化的成本，十分适合在农村劳动力缺乏的时代背景下推广，建议果园每3～5年轮作1次；果树枝条掩埋技术不仅不会引起果树腐烂病、轮纹病的传播，而且阻断了腐烂病、轮纹病的传播渠道，大大降低了果树疾病的发病率；果树枝条掩埋技术增加了近地层CO2的浓度，有利于果树进行光合作用。果树枝条开沟掩埋发酵具有蓄水保墒的作用，能够缓和温度对根系生长的影响。尿素、微生物菌剂是枝条掩埋发酵的必要条件。按每公顷75 kg自带营养的微生物菌剂、50 kg尿素及20 kg土壤调理剂的比例，将它们均匀地撒在枝条表面，是果树枝条开沟掩埋发酵的最佳模式。