腐植酸等碳替代有机肥对葡萄产量、品质及土壤养分的影响

宋 挚，郭新送，范仲卿，洪丕征，陈士更，刘同信，张 晶，张 宏，丁方军，赵锦彪

(1.山东农大肥业科技有限公司，山东 泰安 271000；2.农业部腐植酸类肥料重点实验室，山东 泰安 271000；3.山东合泰检测技术服务有限公司，山东 泰安 271000；4.临沂市土壤肥料工作站，山东 临沂 276000)

葡萄作为我国重要的水果之一，产量稳居世界第一，种植面积位列世界第二[1]。我国葡萄主栽区土壤普遍存在养分充足而有机质缺乏的情况[2]。因此，通过化肥配施有机物料成了提高葡萄产量和品质、改善土壤环境和理化性质的有效途径。腐植酸是一类含有酚羟基、羧基、醇羟基、羟基醌、烯醇基、磺酸基、胺基、醌基和半醌基等多种官能团的天然有机高分子物质，大量存在于褐煤、风化煤和泥炭中[3]。腐植酸可以刺激植物根系生长及其对养分的吸收、增强植物抗逆性、调控土壤与肥料中的养分转化、调控土壤微生物及酶活性[4]。因此，国内外学者针对腐植酸在作物促生抗逆、增产提质、土壤改良上的应用开展了大量研究[5-8]。生物有机肥是指以畜禽粪便、农作物秸秆、农副产品等有机物料为基质加入一种或多种有益微生物经发酵、腐熟、除臭、干燥后加工而成的一种新型、高效、安全的微生物有机复合肥料[9]。生物有机肥兼具菌肥和有机肥的双重功效，已成为减肥增效、增产提质、土壤改良等方面的研究重点[10]。目前，多数研究报道集中在有机肥配施化肥[11-13]、腐植酸配施化肥[14-16]或生物炭配施化肥[17-19]。关于腐植酸与生物有机肥协同配施化肥的研究鲜有报道。刘继培等[20]在草莓上进行的研究表明，腐植酸与生物有机肥配合施用较单独施用腐植酸或生物有机肥显著提高了草莓品质，改善了土壤理化性质。

本研究在化肥配施生物有机肥的基础上，采用腐植酸等碳量替代生物有机肥，研究不同替代比例对葡萄产量、品质、土壤养分等指标的影响，以期为葡萄高效施肥提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东省曲阜市吴村镇隆旺葡萄基地(35°44′N，117°17′E)，属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.0～14.1 ℃，年平均降水量695 mm，平均无霜期为178 d。土壤为棕壤土，试验前0～40 cm土层土壤pH值6.13，有机质含量18.64 g/kg，全氮含量1.69 g/kg，碱解氮63.54 mg/kg，有效磷89.25 mg/kg，速效钾206.57 mg/kg。

1.2 供试材料

供试葡萄品种为3年生夏黑葡萄，露天栽培，株行距为0.8 m×1.6 m，每株留4穗。供试肥料生物有机肥(总碳≥26.1%，有效态养分：N≥1.46%、P2O5≥1.43%、K2O≥1.29%)，腐植酸钾(总碳≥40.3%，K2O≥10%)，尿素(N≥46%)，磷酸一铵(N≥12%，P2O5≥60%)，硫酸钾(K2O≥50%)。

1.3 试验设计

试验于2018年10月12日至2020年10月20日进行，设置4个处理，以纯化肥处理为对照(CK)，以50%生物有机肥等养分配施化肥为常规施肥(FFP)，腐植酸钾中碳含量替代10%，20%，30%生物有机肥碳量分别标记为T1、T2、T3处理。每个处理重复3次，每个小区面积62 m2，每个小区48棵葡萄，随机区组排列，肥料于10月初作基肥在距果树主干30 cm处开沟一次性施入。各处理间基肥纯养分量保持一致(N=160 kg/hm2，P2O5=300 kg/hm2，K2O=220 kg/hm2)，后期通过滴灌设施追施相同水溶肥，田间管理保持一致，具体施肥见表1。

1.4 样品采集及测定方法

1.4.1 土壤样品的测定 在基肥施用前和葡萄采摘后，从每小区采集5个点0～40 cm 土层的土样混合后测定土壤理化性质。土壤常规理化指标测定参照鲍士旦[21]的《土壤农化分析》，采用重铬酸钾容量法-外加热法测定有机碳含量；采用重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机质含量；采用半微量开氏法测定全氮含量；采用酸熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定有效磷含量；采用醋酸铵-火焰光度计法测定速效钾含量；采用电位法(土水比1.0∶2.5)测定pH值。土壤酶活性指标测定参照关松荫[22]的《土壤酶及其研究法》，采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶；采用靛酚蓝比色法测定脲酶；采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶；采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶。

1.4.2 葡萄产量性状的测定 葡萄收获时，在每个小区随机选取10株，每株取2穗，测定单穗质量。然后从每穗的上中下部分别随机取下5粒测定单粒质量，并用游标卡尺测定果横径、果纵径；产量根据单穗质量与小区内总穗数计算。

1.4.3 葡萄品质性状的测定 采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[23]；采用手持式数显糖度计测定可溶性固形物含量；采用酸碱滴定法测定可滴定酸含量；采用2，6-二氯酚靛酚钠滴定法测定维生素C含量。

1.5 数据处理

采用Excel 2016软件进行数据处理并绘制图表，采用SPSS 23.0软件进行数据统计和方差分析，单因素方差分析及多重比较采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 腐植酸等碳替代有机肥对葡萄产量的影响

从表2可以看出，2019年施用生物有机肥的处理产量均显著高于纯施化肥的CK处理。其中，T2处理的产量最高，为19 347.64 kg/hm2，显著高于FFP和T1处理(P<0.05)，但与T3处理差异不显著。2020年试验地受多雨气候影响导致葡萄产量普遍低于2019年，但T2处理仍为最高产量，为17 525.09 kg/hm2，显著高于CK和FFP处理(P<0.05)，但与T1、T3处理差异不显著。FFP处理产量显著高于CK处理(P<0.05)，但与T1处理差异不显著。由此可见，腐植酸等碳替代生物有机肥具有增产作用，但替代量低于10%效果不明显。

表2 不同处理对葡萄产量及其构成的影响Tab.2 Effect of different treatments on grape yield and its composition

综合2 a的数据来看，施用腐植酸替代生物有机肥对于葡萄的单穗质量、单粒质量、果粒纵径等指标无显著影响，但相较于CK处理有提升趋势。果粒横径连续2 a各处理间均无显著差异。说明施用生物有机肥对于葡萄外观品质有一定提升作用，当腐植酸替代生物有机肥后没有进一步提升的潜力。

2.2 腐植酸等碳替代有机肥对葡萄品质的影响

从图1可以看出，CK处理的可溶性固形物含量低于其他处理，且随着腐植酸替代量的增加，可溶性固形物含量有升高的趋势。T2和T3处理的可溶性固形物含量连续2 a均显著高于其他处理(P<0.05)，但二者之间差异不显著。因此，施用腐植酸等碳替代不低于10%的生物有机肥可以增加葡萄的可溶性固形物。

不同小写字母代表同一年限不同处理间差异达5%显著水平。Different small letters indicated significant difference among different treatments in the same year at 0.05 level.

2019，2020年不同处理的可滴定酸含量均表现出相同的趋势(图1)，施用腐植酸可以降低可滴定酸的含量，其中T2处理含量均为最低。2019年T2处理的可滴定酸含量与T1处理差异不显著，CK处理与FFP和T3处理的差异也不显著。2020年施用腐植酸的T1、T2处理的可滴定酸均显著低于FFP和CK处理(P<0.05)，但T3处理虽然较FFP和CK处理降低了13.27%～15.84%，差异未达显著水平。因此，施用腐植酸等碳替代生物有机肥可以降低葡萄可滴定酸含量，但替代量不宜超过20%。

从图1可以看出，施用腐植酸有提高葡萄可溶性糖含量的趋势。从2019年的结果来看，T2处理的可溶性糖含量最高，为188.13 g/kg，与T3处理的差异不显著，但显著高于其他处理。2020年的T1、T2、T3处理可溶性糖含量均显著高于其他处理(P<0.05)，其中T3处理含量最高，但与T2处理无显著差异。因此，施用腐植酸等碳替代生物有机肥可以提高葡萄可溶性糖含量，替代量超过10%后效果明显。

总体来看，施用生物有机肥具有提高葡萄维生素C的趋势，但2 a的试验结果有较大差异(图1)。2019年CK处理的维生素C含量最低，但与FFP处理无显著差异。T1、T2、T3处理的维生素C含量高于FFP处理，其中仅T2处理与FFP处理差异显著。2020年的T3处理维生素C的含量最高，但和T1处理差异不显著。FFP、T1、T2处理维生素C的含量显著高于CK处理，但三者间差异不显著。因此，施用生物有机肥可以提高维生素C的含量，但施用腐植酸等碳替代生物有机肥对于维生素C的含量提高不明显。

2.3 腐植酸等碳替代有机肥对土壤养分的影响

如表3所示，2019，2020年不同处理的碱解氮的变化趋势一致，T2、T3处理显著高于其他处理，T1和FFP处理显著高于CK处理(P<0.05)，但它们之间无显著差异。2019年T2和T3处理的有效磷含量显著高于其他处理(P<0.05)，分别比FFP处理高了30.47%，33.18%，其他处理间差异不显著。2020年施用生物有机肥的处理(FFP、T1、T2、T3)的有效磷含量显著高于CK处理(P<0.05)，T2处理的有效磷含量最高，为99.76 mg/kg，但与FFP、T1、T3处理无显著差异(P<0.05)。2019，2020年施用生物有机肥的处理(FFP、T1、T2、T3)速效钾含量显著高于CK处理，2019年的T2和T3处理显著高于FFP处理(P<0.05)，T1处理与FFP处理差异不显著，2020年施用腐植酸的处理间(T1、T2、T3)差异不显著，显著高于FFP和CK处理(P<0.05)。2019，2020年不同处理施用生物有机肥的处理(FFP、T1、T2、T3)有机质含量显著高于CK处理(P<0.05)，但施用腐植酸等碳替代生物有机肥对有机质含量无显著影响。2019，2020年各处理间的土壤pH值无明显变化规律，且无显著差异。2019，2020年各处理间的脲酶活性和蔗糖酶活性均无显著差异。2019年FFP处理和T1处理的过氧化氢酶显著高于CK处理(P<0.05)，但T2和T3 处理与CK无显著差异。2020年各处理间的过氧化氢酶均无显著差异。2019年T2和T3处理的酸性磷酸酶活性显著高于其他处理(P<0.05)，FFP和T1处理与CK处理差异不显著。2020年T3处理的酸性磷酸酶活性最高，且显著高于其他处理(P<0.05)，CK处理的酸性磷酸酶活性最低，显著低于其他处理，而FFP、T1和T2处理间无显著差异。

表3 不同处理对葡萄收获后土壤养分的影响Tab.3 Effect on soil nutrients after grape harvest of different fertilization treatments

2.4 土壤养分与葡萄产量、品质指标的相关性

相关性分析表明(表4)，不同的产量、品质指标受土壤养分、酶活性的影响不同。单穗质量与碱解氮呈显著负相关(P<0.05)，与有机质、蔗糖酶活性呈显著正相关(P<0.05)。单粒质量与有机质、蔗糖酶活性呈显著正相关(P<0.05)，与速效钾和酸性磷酸酶活性呈极显著正相关(P<0.01)。产量与速效钾、有机质、酸性磷酸酶活性均呈极显著正相关(P<0.01)，与有效磷呈显著正相关。土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、酸性磷酸酶均与葡萄可溶性固形物呈极显著正相关(P<0.01)，脲酶活性与葡萄可溶性固形物呈显著正相关。可滴定酸与土壤养分均无显著关系，与蔗糖酶活性呈极显著负相关(P<0.01)，与酸性磷酸酶呈显著负相关(P<0.05)。葡萄可溶性糖含量与有效磷、速效钾、有机质、酸性磷酸酶活性均呈极显著正相关(P<0.01)，与脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性呈显著正相关。葡萄维生素C含量与有效磷、速效钾、有机质、酸性磷酸酶活性呈极显著正相关，与碱解氮、脲酶、过氧化氢酶活性呈显著正相关(P<0.05)，与其他指标相关性不显著。

表4 土壤养分与葡萄产量、品质指标的相关性Tab.4 Correlation between soil nutrients and grape yield and quality indexes

2.5 土壤和葡萄各项指标的主成分分析

为了综合分析腐植酸等碳替代生物有机肥对葡萄产量、品质、土壤养分的影响，对葡萄产量、品质、土壤养分等各项指标进行了主因素分析。从表5可以看出，2019，2020年均提取了2个主因素。2019年2个主因素的方差累积贡献率达到了91.470%，2020年2个主因素的方差累积贡献率达到了88.864%。因此，2 a的主因素均可以解释葡萄产量、品质、土壤养分等指标的变异。

表5 主成分分析的特征根与方差贡献率Tab.5 Characteristic root and variance contribution rate of principal component analysis

根据表6可以看出，2019，2020年均为CK处理得分最低，T2处理的得分最高。表明采用腐植酸替代生物有机肥20%的碳量为最佳配施比例。

表6 不同施肥处理综合得分Tab.6 Comprehensive scores of different fertilization treatments

3 结论与讨论

3.1 腐植酸等碳替代有机肥对葡萄产量和品质的影响

大量研究表明，有机肥配施化肥可以显著提高葡萄产量和品质[11，24-27]。同样，腐植酸配合化肥施用也具有显著的增产和提质效果[14]。提高葡萄产量和品质的关键在于肥料的合理施用[25]。

本研究结果表明，在氮磷钾养分一致的情况下，腐植酸等碳替代有机肥处理的产量和品质优于其他处理。一方面，有机肥不仅可以提供有机质，还能提供多种微量元素[24]；另一方面，腐植酸可以稳定氮素的释放，提高磷肥的有效性，减少钾元素的流失[15]，提高土壤中微量元素的有效性[28]。相较于纯施化肥处理，腐植酸与有机肥协同作用下，不仅向土壤中补充了中微量元素，还能提高土壤中各种养分元素的有效性，促进养分的平衡供应。此外，腐植酸还具有促进植物生长的作用。首先，腐植酸具有类生长素作用刺激植物根系生长及对养分的吸收利用；腐植酸还能通过调控细胞激肽类、多肽和脱落酸的分布影响植物地上部生长；腐植酸还可以刺激植物各器官中蛋白质和酶的合成，增强植物体内活性氧代谢相关的酶活性，从而促进植物生长[4]。

本研究中，连续2 a T2处理的产量最高，说明腐植酸等碳替代有机肥到达一定比例后对产量是无增益的。同样，葡萄的可滴定酸、可溶性糖、维生素C的含量结果也能得出相同结论。但葡萄的可溶性固形物含量却随着腐植酸替代比例的增加呈增长的趋势，这可能与腐植酸可以促进葡萄碳水化合物代谢有关。

3.2 腐植酸等碳替代有机肥对土壤养分的影响

大量的研究已经表明，施用有机肥可以有效地提高土壤肥力[9，13，25]。腐植酸等碳替代有机肥施用对土壤养分具有一定的协同增效作用[20，29]。腐植酸所具有的官能团能调控土壤与肥料中的氮磷钾元素，提高土壤供肥能力[4]。首先，腐植酸具有抑制土壤脲酶、提高土壤含氮量的作用[30]。孙倩等[31]研究表明，当腐植酸施用量低于600 kg/hm2时对于脲酶的抑制不明显。本研究中，当腐植酸的替代比例超过20%后显著地提高了土壤中碱解氮的含量。此外，腐植酸可以通过分解和复分解反应将不溶磷转换成可溶性磷，还可以通过腐植酸-金属-磷酸盐的络合作用减少磷在土壤中的固定[32]。本研究结果表明，随着腐植酸替代比例的增加土壤有效磷含量也随之增加，尤其是2019年替代比例超过20%后显著高于其他处理。这可能是由于增加腐植酸用量，更多的结合位点和官能团参与了分解、复分解、络合反应。腐植酸对土壤钾的影响主要是腐植酸形成的海绵状胶凝体可以有效吸附钾离子，降低钾离子的流失[33]。腐植酸作为一种有机物质，使用后本身就具有增加土壤有机质的作用，但按30%等碳比例替代有机肥后得出T3处理有机质含量达到最高，这可能是由于一定比例的腐植酸与有机肥配施可以丰富微生物碳源。

土壤酶活性可以反映生物活性和土壤肥力[34]，施用有机肥可以有效地增加土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性[35-36]，但本研究采用腐植酸等碳替代有机肥后的结果与此不同。脲酶作为土壤氮素转化的重要酶，其活性可以反映土壤供氮能力[37]。虽然本研究各处理之间的脲酶活性无显著差异，但随着腐植酸替代比例的增加脲酶活性呈下降的趋势，这与孙海燕等[38]的研究结果一致。这是因为腐植酸中的不饱和键可以抑制脲酶中有效官能团的氧化，从而抑制了脲酶的活性[39]。但王平等[40]的研究结果表明，施用腐植酸可以提高脲酶活性，而刘兰兰等[37]研究结果显示，施用腐植酸后脲酶活性呈先降低后升高的趋势。这可能与所施用的腐植酸是否活化及活化工艺有关。

土壤过氧化氢酶是腐殖质合成的重要酶，其活性可以反映土壤有机质积累程度。孙启祥等[41]的研究结果表明，土壤过氧化氢酶与土壤有机质呈极显著正相关。这也解释了本研究中连续2 a CK处理的过氧化氢酶均为最低的原因。

土壤蔗糖酶与土壤有机质代谢有关，其活性一定程度上可以反映土壤肥力水平。蔗糖酶活性与土壤腐殖质、微生物活动、水溶性有机质黏粒含量等因素呈正相关。因此，本研究中施碳处理(FFP、T1、T2、T3)的蔗糖酶活性却高于CK处理。但各处理间的蔗糖酶活性无显著规律，这可能是腐植酸等碳替代有机肥的比例对于蔗糖酶的影响较小。

磷酸酶以酸性磷酸酶为主[41]，酸性磷酸酶对于有机磷矿化具有重要作用[42]，本研究结果显示，施用腐植酸处理(T1、T2、T3)的酸性磷酸酶活性高于其他处理，这与刘兰兰等[37]的研究结果类似，且随着腐植酸替代比例的增加酸性磷酸酶活性呈升高的趋势。这可能与腐植酸具有促生植物根系的作用有关，一方面是因为土壤中酸性磷酸酶主要由植物根系分泌而来[43]；另一方面，根系生物量的提高也增加了土壤中根系分泌物，土壤微生物数量增加，导致酶代谢活动增强[44]。此外，使用有机肥和腐植酸对于土壤孔隙度、透气性、微生态环境等方面的改良作用，间接地通过促进微生物活动影响土壤酸性磷酸酶活性[45]。

3.3 土壤养分与葡萄产量、品质指标的相关性

本研究结果显示，速效钾、有机质、酸性磷酸酶是对葡萄产量、品质影响较大的因素，与葡萄产量、可溶性固形物、可溶性糖、维生素C均呈极显著正相关。李建和等[46]研究表明，土壤速效钾、有机质含量呈显著正相关关系，土壤速效钾还与葡萄含糖量、可溶性固形物含量呈显著正相关关系。说明腐植酸等碳替代有机肥可以通过改变土壤速效钾、酸性磷酸酶的途径来提高葡萄产量和品质。此外，土壤有效磷对于葡萄产量、品质影响也比较大，与葡萄产量呈显著相关，与可溶性固形物、可溶性糖、维生素C均呈极显著相关。这是因为在葡萄成熟时，对于磷素的需求依然很高[47]。本研究中，各种酶活性对于葡萄产量的影响主要是蔗糖酶和酸性磷酸酶，土壤酶对葡萄品质影响最大的是可溶性糖和维生素C的活性。土壤酶对葡萄品质的影响机制与土壤酶参与的土壤代谢活动有关，其中蔗糖酶与土壤有机质代谢及氮磷含量密切相关，其活性代表了土壤肥力水平，这可能是与葡萄产量品质相关性强的主要原因[48]。酸性磷酸酶对葡萄产量、品质等指标相关性较高的原因一方面是通过酸性磷酸酶增加土壤磷的生物有效性[37]；另一方面是因为酸性磷酸酶可以侧面反映葡萄的根系状况[36]。

采用腐植酸等碳替代有机肥可以显著提高葡萄产量、可溶性固形物含量、可溶性糖含量，降低可滴定酸含量。还可以提高土壤中碱解氮、速效钾含量及酸性磷酸酶活性。腐植酸等碳替代有机肥可以通过提高速效钾、酸性磷酸酶等指标显著影响葡萄的产量、品质。综合考虑葡萄产量、品质、土壤养分等因素，推荐采用腐植酸等碳替代20%有机肥的施肥方式。