保水缓释肥对苹果幼树生长及土壤酶活性的影响

王晋鹏，刘长庆，陈慧玉，程冬冬，刘艳

(1.中北大学材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2.泰安市农业农村局，山东 泰安 271018;3.山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程中心，山东 泰安 271018)

2019年,山东省苹果种植面积24.66万hm2，苹果产量950.23万t[1]。山东省逐渐发展成为北方最大的苹果生产基地[2-3]，然而，由于过量施用化肥、养分比例投入不合理等[4-5]，导致有效养分流失、利用率下降、土壤酸化、水体富营养化、温室气体增加等问题[6-8]，影响苹果园根际微生物生理状况、代谢物活性及土壤酶活性等[9-11]，进而影响苹果的产量及品质，这对苹果的健康可持续生产将造成严重的威胁。施用缓释肥符合可持续农业生产的要求，缓释肥特定的养分释放模式与作物施肥规律相一致，减少养分损失是提高肥料利用效率的重要途径[12-14]。已有研究结果表明，施用缓释肥能够提高果园根系土壤真菌多样性及微生物的利用能力[15-17]；还有研究结果表明，施用缓释肥能够提高果园根域土壤的酶活性[18]。目前，土壤酶已作为土壤肥力、土壤质量及生产力的重要评价指标[19]，土壤酶可以从侧面说明微生物的活性，并且可以有效控制营养物质的释放[20-21]。然而，作为多年生的作物，仅施用缓释肥无法及时地满足苹果树对养分的需求，因此，将缓释肥与普通肥料配合施用是协调作物整个生育期养分供应的有效途径[22]。在“化肥减施、苹果提质”的大背景下，大量的研究表明，在适当的范围内减少肥料的施用量，不仅可以保证苹果树的正常生长，而且可以提高苹果产量、改善果实的品质[23-25]。保水型缓释肥作为一种新型肥料，在苹果减肥应用方面的报道少见，特别不同配施比例对苹果树养分利用现状、生长特性、土壤微生物酶活性的影响尚不清楚。这些问题一旦明确，将可以作为支持农民苹果园养分管理的重要参考。

本研究在目前农民施肥量的基础上降低25%，通过1 a的盆栽试验，研究不同处理下养分利用效率、土壤酶活性及与土壤养分之间的相关性，探讨保水缓释肥与普通肥料在苹果树的主要生长时期配合施用技术，为苹果肥料减施增效技术模式提供新思路，促进苹果产业的绿色健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2019年3月至11月在山东省泰安市山东农业大学资源与环境学院试验站(36°9′40″N，117°9′48″E)进行。该地属于温带大陆性季风气候，年平均气温为13 ℃，降水主要集中在6—9月，6—9月的月平均降雨量为517.5 mm，且年平均降雨量为681.2 mm。

1.2 试验材料

盆栽试验所用的土壤取自中国山东烟台农业科学院果园0～20 cm的表层土壤表面(37°25′44″N，121°24′26″E)。根据中国土壤系统分类，该土壤被划分为典型的普通简育湿润淋溶土。土壤基本理化性质为：pH 6.65、电导率56.04 μS·cm-1、有机质0.85 g·kg-1、硝态氮9.24 mg·kg-1、铵态氮7.50 mg·kg-1、有效磷10.50 mg·kg-1、速效钾93.10 mg·kg-1。所用陶土盆尺寸为40 cm高、50 cm顶部直径、40 cm底部直径。每个陶盆的底部钻一个直径为1.5 cm的孔来渗透雨水。每个陶盆里放置20 kg土壤，土壤深度约为30 cm。

试验所用保水缓释肥为3个月缓释期的缓释复合肥(CRF)(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=20∶10∶20)，由山东农业大学提供。普通肥料由普通尿素(N质量分数为46%)，磷酸二铵(N质量分数为18%,P2O5质量分数为46%)，硫酸钾(K2O质量分数为50%)以m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=20∶10∶20的比例配制成复合肥(CCF)，普通复合肥由山东宝源生物有限公司提供。

供试品种为3 a生的烟富3/M26/平邑甜茶苹果幼树。每盆定植1株，每个处理6次重复。所有的盆栽设置为7行，每行之间的间隔为1 m，每相邻的2个盆栽间隔为0.5 m。

1.3 试验设计

为降低苹果树种植中肥料施用量较多的现状，根据目前山东省苹果产量、农民施肥量及相关资料的调查与分析，本试验以降低肥料施用总量25%为目标，确定在整个生长期成年苹果树需投入的氮、磷、钾量分别为400 kg·hm-2(N)、200 kg·hm-2(P2O5)和400 kg·hm-2(K2O)。通过计算得出每棵试验用的苹果幼树需要9 g(N)，4.5 g(P2O5)和9 g(K2O)。CCF和CRF3分别表示45 g普通复合肥和45 g保水缓释肥。CK为不施肥处理。为获得最佳的施肥措施，从肥料种类的配施比例和施用时期2个角度进行了考察。在施肥时间设置方面，除了3月份春季均施用普通复合肥外，7月和8月份施用保水缓释肥的目的是探寻合适的保水缓释肥追肥时间。具体试验施肥方案如表1所示。

表1 试验施肥设置Table 1 Trial fertilization settings

按照试验设计采用放射穴施肥法，放射穴按照正南正北方向布置2个对称施肥穴，施肥穴深10 cm，施入肥料后覆土填平，并在施肥后每株树立即浇水4 L。另外，在试验期间，除施肥方式不同之外，植物保护、杂草控制等采用相同的管理模式。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 保水缓释肥氮、磷、钾释放特征测定 采用25 ℃下静水释放的方法测定保水缓释肥的养分释放。首先，称取5 g的保水缓释肥置于100目尼龙网袋中，封口后放于盛有100 mL去离子水的玻璃容器中，密封后于25 ℃培养箱中进行培养。在培养的第7、14、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110天分别吸取10 mL浸出液，每次取完后再重新加入10 mL去离子水，继续进行培养与测定。吸取的10 mL浸出液，用H2SO4-H2O2混合液消煮，分别用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定保水缓释肥氮、磷、钾的释放量。

1.4.2 植株样品采集与测定 2019-10-30，对苹果幼树进行完全破坏性取样，每个处理随机选取3株，分别收集地上部(茎和叶)与地下部(根)样品，烘干至质量恒定后，采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定植株氮、磷、钾含量。

1.4.3 植株生长量测定 苹果幼树定植后，用卷尺测定自土壤表层以上5 cm的株高、数字游标卡尺测定自土壤表层以上15 cm的茎粗。6月中旬，用数字游标卡尺测定苹果幼树新梢的长度；手持叶绿素仪测定苹果幼树叶片叶绿素值。植株破坏性取样前，再次测定苹果幼树株高和茎粗。

1.4.4 土壤样品采集与测定 植株破坏性取样时，同时进行土壤采集，在施肥沟附近3 cm收集深度为0～40 cm的土壤，每株共在4个采样点进行采样，随后土壤混合按四分法留取样品。土样自然风干、研磨、过2 mm和0.25 mm筛、装袋待测。

土壤pH值利用pH计(雷磁PHS-25,仪电科学仪器股份有限公司)测定(水土质量比为2.5∶1)；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全氮含量经H2SO4-混合催化剂消煮后凯氏定氮法测定；土壤硝态氮和铵态氮含量采用1 mol·L-1KCl溶液浸提法流动分析仪(AA3,美国Technicon公司)测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提钼蓝比色法测定；土壤速效钾含量采用1 mol·L-1NH4OAc浸提火焰光度法测定。

磷酸酶活性的测定采用硝基苯磷酸二钠(p-NPP)法测定，以1 g土1 h后产生的PNP量表示磷酸酶活性；脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，以1 g土24 h后产生的NH3-N量表示；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以1 g土在24 h 和72 h后产生的葡萄糖量表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定。

1.5 数据计算与统计

肥料利用率/%=(施肥处理植株养分吸收量-空白处理植株养分吸收量)/养分施加量×100%

采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行统计和绘图，SPSS 22.0软件单因素分析方差；LSD法进行差异显著性比较。并用双变量相关分析中的Pearson相关系数法进行相关性分析。所有的数据均以3次重复的平均值加标准误差来表示。

2 结果与分析

2.1 保水缓释肥氮、磷、钾养分释放规律

由图1可以看出，在25 ℃去离子水中，保水缓释肥的养分释放整体呈3个阶段的S形曲线。在0～30 d，氮、钾释放相对缓慢，分别占总释放量的5.69%和4.65%；对于氮元素，在30～60 d出现一个快速释放养分的阶段，累积释放达38.59%；对于钾元素，在30～70 d呈现出一个快速且相对稳定释放的阶段，累积释放39.06%；氮在60～110 d和钾在70～110 d时段内，释放速率逐渐降低，氮和钾的施肥累积率分别为72.94%和67.01%。磷的释放不同于氮和钾，在0～20和20～90 d磷均出现快速释放阶段，这两个时段内分别释放出了8.50%和61.15%的磷，在90～110 d，磷释放速率迅速减小，110 d时累积释放率为69.70%。

图1 保水缓释肥氮、磷、钾养分释放规律Fig.1 Nutrient release rule of N,P and K in water retaining slow-release fertilizer

2.2 保水缓释肥与普通肥料配施方式对苹果幼树生物量的影响

苹果幼树生物量的多少反映了施肥对其生长的影响。由图2可知，不同施肥方式对苹果幼树的生物量有显著的影响，且对地下部干质量和地上部干质量的影响存在差异。与CK相比，所有施肥处理的地上部干质量均大于不施肥处理；施肥处理的苹果幼树总干质量是CK处理的1.25～1.82倍，其中T1处理的总干物质量最大，为525.47 g·株-1。其余处理的总干质量大小顺序为T4>T5>T2>T3>T6。从不同处理的施肥时间及比例的角度分析可知，第二次施肥时间为7月份时，比8月份施肥更有利于促进苹果幼树生物量的积累，且施用保水缓释肥有较好的效果；其中T1处理较T3处理能提高33.98%，T5处理较T6处理能提高19.86%。当在7月份施用保水缓释肥时，保水缓释肥以70%的比例施用能显著提高苹果幼树生物量，其中T1处理较T2处理能提高1.28倍；在8月份施用50%的比例保水缓释肥有利于苹果幼树生物量的积累，其中T4处理较T3处理能提高1.14倍。

注：不同小写字母表示各处理之间差异显著(P<0.05)。下同。Note:The different lowercase letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05).The same as below.图2 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对苹果幼树生物量的影响Fig.2 Effects of different combined application methods of water retaining slow-release fertilizer and common fertilizer on the biomass of young apple trees

2.3 保水缓释肥与普通肥料配施方式对苹果幼树氮磷钾利用率的影响

肥料的养分利用率直接关系到其施用效果及投入产出比。在本研究中，通过考察保水缓释肥与普通肥料搭配施用可知(图3)，保水缓释肥能显著的提高养分利用率，保水缓释肥在7月份施用的效果要优于8月份的施用效果，且70%的保水缓释肥配施比例要比50%保水缓释肥的效果更明显。70%的保水缓释肥配施比的T1处理能明显提高氮磷钾的利用率，氮磷钾的利用率分别达到了36.11%、20.00%和30.89%；与同一时期施肥及比例相同的处理T5相比，T1处理的氮磷钾利用率是普通肥料处理T5的1.45、1.55和1.17倍。同时发现，保水缓释肥的施用后移到8月份有利于磷利用率的提高，保水缓释肥T3处理的磷利用效率达到了22.22%。通过比较施肥时间可知，在所有只施用普通肥料的处理(T5、T6)中，在8月份施用普通肥料能较好地提高氮素利用率，达31.11%，在7月份施用普通肥料对提高磷素和钾素利用率有较好的效果，分别为12.89%和26.33%。

图3 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对苹果幼树氮磷钾利用率的影响Fig.3 Effects of different combined application methods of water retaining slow-release fertilizer and common fertilizer on the utilization rate of nitrogen,phosphorus and potassium in young apple trees

2.4 保水缓释肥与普通肥料配施方式对苹果幼树表观生长指标的影响

通过考察不同的施肥处理对苹果幼树的茎粗、株高、新梢生长量及叶绿素含量的影响可知(图4)，所有施肥处理的植株长势好于不施肥处理CK。在茎粗表现上，普通肥料与保水缓释肥的施用时间以及施用比例明显影响着植株的营养生长，在7月份施用50%比例的保水缓释肥能提高茎粗达64.84%(T2)，而在8月份施用保水缓释肥时对植株茎粗没有显著的影响(T3、T4)；仅施用普通肥料时，在7月份进行第2次施肥能有效地提高46.09%的植株茎粗(T5)。在株高方面，苹果幼树也表现出类似的规律，7月份施用50%比例的保水缓释肥能提高株高达36.09%(T2)；在7月份进行第2次施用普通肥也能明显地提高42.26%的植株株高(T5)。在新梢生长量方面，不同的施肥处理对苹果幼树新梢生长量没有显著的影响，但与CK相比，T1、T2、T4、T6处理能分别平均提高新梢生长量达1.07%、5.23%、6.98%和11.81%。施肥处理的叶绿素含量在生长期内也明显提高，在普通肥料与保水缓释肥以30%和70%的比例施用时表现出最佳效果，并且在7月份进行第2次施肥能有效地改善叶绿素含量(T1)。

图4 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对苹果幼树茎粗、株高、新梢生长量、叶绿素的影响Fig.4 Effects of different combined application methods of water retaining slow-release fertilizer and common fertilizer on stem diameter,plant height,new shoot growth and chlorophyll of young apple trees

2.5 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对土壤酶活性的影响

土壤酶的活性间接反映了施肥措施对土壤的生物作用。由图5可知，不同处理间的差异较大，总体表现为施用保水缓释肥处理的土壤酶活性显著高于普通肥料处理，70%比例保水缓释肥施肥处理土壤酶活性明显高于50%比例控释复合肥处理，并且7月份施肥处理的土壤酶活性高于8月份施肥处理。土壤脲酶、磷酸酶活性与苹果树根系对养分的吸收有很大的关系，与CK相比，T1、T2、T3、T4、T5和T6处理能提高脲酶活性3.46、3.00、3.15、2.46、1.15和1.23倍；普通肥处理T5、T6与相同施肥时间的保水缓释肥处理T1、T3相比，T1、T3处理脲酶活性提高了200.00%和156.25%。土壤磷酸酶活性与脲酶活性规律一致，T1处理的磷酸酶活性最高，达0.29 mg·g-1；其次为T2、T3处理，分别为0.27和0.26 mg·g-1；而T4、T5、T6处理的磷酸酶活性均为0.23 mg·g-1；保水缓释肥比相同时期施用普通肥料处理分别提高磷酸酶活性26.09%和13.04%。

图5 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶与过氧化氢酶活性的影响Fig.5 Effects of different combined application methods of water retaining slow-release fertilizer and common fertilizer on the activities of soil urease,sucrase,phosphatase and catalase

考察蔗糖酶与过氧化氢酶活性指标可知，7月份和8月份施用保水缓释肥能提高土壤蔗糖酶活性(T1和T2)，T1、T2处理的蔗糖酶活性分别为12.44与12.18 mg·g-1，处于较高的水平；然而T4、T5、T6与CK处理之间的土壤蔗糖酶活性没有明显差异。过氧化氢酶活性的差异主要体现在施肥的时间上，7月份施用保水缓释肥能明显提高过氧化氢酶活性(T1和T2)，分别为2.28和2.30 mL·g-1；在8月份施用保水缓释肥也明显地提高过氧化氢酶活性(T3和T4)，分别是CK处理的1.12和1.13倍；单施用普通复合肥对过氧化氢酶活性没有显著的影响(T5和T6)。

2.6 保水缓释肥与普通肥料配施对土壤养分的影响

从表2可以看出，不同的施肥方式对土壤pH值、全氮、铵态氮、有效磷与速效钾有显著的影响，对土壤有机质与硝态氮无明显影响。T1和T2处理的土壤pH值高于其他处理。不同处理的土壤有机质含量在10.80～11.80 g·kg-1之间，没有显著差异；不同处理的土壤硝态氮含量未表现出明显差异，硝态氮含量在10.93～19.51 mg·kg-1范围内；对于铵态氮指标，7月份施用保水缓释肥的处理T1和T2的铵态氮含量显著高于其他处理。这主要是归结于保水缓释肥的养分缓释性能，维持了铵态氮较高的浓度。有效磷和速效钾表现的规律与铵态氮表现规律相似，均为保水缓释肥处理(T1、T2、T3和T4)高于其他处理。

表2 保水缓释肥与普通肥料不同配施方式对土壤养分的影响Table 2 Effects of different combined application methods of water retaining slow-release fertilizer and common fertilizer on soil nutrients

2.7 土壤养分与酶活性的相关性分析

通过苹果树成熟期的土壤养分和酶活性分析可知(表3)，土壤养分与土壤酶活性之间呈现出正相关。脲酶与土壤氮、速效钾呈极显著正相关，与铵态氮呈显著正相关，而与硝态氮、有效磷相关性不显著；蔗糖酶与土壤速效钾呈极显著正相关，与全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷无显著相关性；磷酸酶与土壤全氮呈极显著正相关，与铵态氮、有效磷、速效钾呈显著正相关，与pH值、有机质、硝态氮无显著性相关；过氧化氢酶与土壤全氮、硝态氮、铵态氮、速效钾呈显著正相关，而与有效磷之间无显著相关性。

3 讨论

3.1 保水缓释肥与普通肥料配施促进苹果树生长

苹果树的生长发育具有一定的规律性，若施肥量与施肥时间无法把握将会导致肥料利用率下降，肥料养分的释放与植株的需肥规律相一致有利于植株的生殖生长。因此，制备与植物体养分需求一致的缓控释肥是肥料研发的一个重要目标。在苹果树的整个生长时期，新梢缓慢生长期和停长期是苹果树的重要需肥时期。其中，氮营养的贮藏时期是春芽萌动到5月中下旬；磷素营养在整个生长时期没有吸收的高峰期，但吸收越早利用率越高；钾素营养在7月至9月为吸收高峰时期[26]。本研究中，所有处理的施肥量均在传统施肥量的水平上减少25%，采用初春时期施用普通肥料，果实膨大的前、中期施用保水缓释肥的施肥管理方式。结果表明，将保水缓释肥与普通肥料配施可有效提高养分利用效率，其氮、磷、钾的利用率分别达到了36.11%、22.22%和30.89%，相比在相同的时间里施用普通肥料处理的氮、磷、钾利用率分别提高45.08%、108.25%和17.32%，由此可以表明，保水缓释肥能明显地减少养分的淋失，提高养分利用效率[27]。在7月份施用70%的保水缓释肥比施用50%的保水缓释肥有更高的氮素与钾素利用效率，表明养分的利用效率与保水缓释肥的施用量存在一定的关系；而在8月份施用70%的保水缓释肥比施用50%的保水缓释肥有利于磷素利用效率的提高，这是由于磷素在土壤中易被固定、沉淀，从而降低了磷的有效性，因此较氮素和钾素晚施用磷肥，有助于磷素利用效率的提高。保水缓释肥与普通肥料配合施用时，在7月份施用保水缓释肥处理对茎粗、株高和叶绿素含量的影响最大，而在8月份进行第2次施肥对苹果幼树的新梢生长有较大的影响。自5月中旬起，不仅是是春季新梢迅速生长和第2年花芽分化的关键时期，也是苹果树对养分需求量最多的营养敏感期；并且在7月份后，除了需要给果实发育提供稳定的养分供应，也需要给树体积累一定的养分，为第2年的生长发育提供一定的基础。因此，在这个时期内施用保水缓释肥能够持续地为土壤供应养分，促进苹果树对养分的吸收，并且为了阻止秋季新梢的旺长，选择在7月份施用保水缓释肥是促进苹果树生长发育的最佳选择，且以70%的保水缓释肥比例为最佳。

3.2 保水缓释肥与普通肥料配施提高土壤肥力水平

土壤养分含量和酶活性等指标均可作为评价土壤肥力水平的重要指标[28]。保水缓释肥作为一种新型的高效环保型肥料，具有能够明显提高肥料利用率和土壤酶活性、降低环境污染等特性。本研究中保水缓释肥与普通肥料不同的配施方式对土壤养分与土壤酶活性有明显的影响差异，结果表明，在7月份施用控释复合肥对土壤养分及酶活性有显著的促进作用，这是由于从7月份至收获期，苹果将处于持续需要大量营养元素供应的果实膨大期，因此，在这个时候施用保水缓释肥能够满足苹果生长对养分的持续要求。保水缓释肥的氮磷钾养分释放率分别达到了72.94%、69.70%和67.01%。在苹果树生长的整个时期将保水缓释肥与普通肥料配合施用能够较好地与苹果树各生长阶段对养分的需求规律相吻合，从而保证土壤对苹果树生长所需养分的供应。相比于单施普通肥料处理，保水缓释肥与普通肥料配合施用处理能使土壤养分肥力水平处于较高水平，并且以在7月份施用70%的保水缓释肥的土壤养分含量较高，其次为在8月份施用保水缓释肥处理。各施肥处理中，保水缓释肥与普通肥料配合施用处理脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性也均处于一个较高的水平。这说明土壤酶活性与施肥方式呈现一定的相关性，因此，可将土壤酶活性作为指导苹果树种植中肥料管理的一个重要生物学指标。

土壤酶将会参与土壤肥力形成和演化的全过程。结果也显示，土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶与土壤养分含量存在相应的相关性，其中以与速效钾含量的相关性最好；脲酶活性和蔗糖酶活性与土壤速效钾含量相关性达到极显著正相关；其次，与全氮含量的相关性也较好，脲酶活性和磷酸酶活性与土壤全氮含量相关性也达到极显著正相关；此外，过氧化氢酶与土壤养分含量也具有明显的相关性。因此，将土壤酶与土壤养分含量相结合可作为土壤肥力的一个重要评价指标。

4 结论

在减少25%的肥料用量下，氮磷钾3个月释放率为72.94%、69.70%和67.01%的保水缓释肥与普通肥料配施，以7月份施用70%保水缓释肥的T1处理的氮素、钾素利用效率最大，分别达到36.11%和30.89%；以8月份施用70%保水缓释肥的T3处理有磷素利用效率最大，达22.22%。保水缓释肥与普通肥力配合施用在一定程度上提高了土壤养分含量与土壤酶活性，以7月份施用70%保水缓释肥的施用方式为最佳，并且土壤酶活性与土壤养分之间有较高的相关性。表明施用保水缓释肥是提高苹果种植中提高养分利用效率和综合土壤肥力水平的有效措施。