陇东地区苹果园应用生物活性素的效应

胡化涛，费丽彬，邓明江，王 忆，许雪峰，韩振海

(中国农业大学园艺学院，北京 100193)

苹果(MalusdomesticaBorkh.)是世界四大水果之一，在我国多省广泛种植。经过多年发展，中国已成为世界最大的苹果生产国，苹果种植面积超190万公顷，2019年苹果产量达4 242.5万吨，种植面积和产量均占世界50%以上[1]。黄土高原苹果优势产区是我国苹果四大产区之一，也是面积和产量最大的产区[2]，其中陇东地区(甘肃省东部，主要包括庆阳、平凉两市)作为全国知名的优质红富士苹果出口基地，是西北黄土高原苹果优势产业带中的新兴产区[3-4]。但该地区降水季节分配不均，水分供应是限制该地苹果生产的主要因素之一[5]，施肥时期通常降水较少，不利于树体对肥料的吸收，缺水会影响土壤营养物质的累积、矿化、吸收和转运，最终导致大部分施入的肥料无法被根系吸收，造成树体养分失衡或肥料损失[6]。另外该地区化肥施用过量的问题也较为突出，有调查显示平凉市苹果园施肥量为氮(N) 918.02 kg·hm-2、磷(P2O5) 655.09 kg·hm-2、钾(K2O) 274.89 kg·hm-2[7]，而该地区的合理施肥量为(N)240～420 kg·hm-2、磷(P2O5) 180～330 hm2、钾(K2O)150～375 kg·hm-2[8]，氮肥和磷肥的施入均为过量状态。

20世纪80年代到21世纪初，化肥施用对我国种植业产量的实际贡献率高达58.91%[9]，然而如今农业已成为我国最大的面源污染产业，其中化肥的施入影响尤为严重[10]。在果园中化学肥料的不合理施用带来了严重的生态环境问题，过量的肥料使得土壤累积过多无机盐导致环境污染[11-12]，同时肥料通过径流、淋失、挥发等途径使得土壤中元素分布不均衡，影响了果树的生长并降低果实品质。鉴于此，研究者们开始探讨果园不同的施肥管理手段，并开发出绿色环保的减肥促产技术[13]。例如，果园生草可以提高果园土壤养分含量[14]、水分含量[15-16]、土壤各有机碳组分含量[17]，并改善土壤微生物群落状况，减少氮素流失[18]，从而改善土壤肥力、提高果园的产量等。同样，在苹果园的多项试验也显示，滴灌条件下磷钾施肥配比为7∶10(70 kg·hm-2∶100 kg·hm-2)或者采用渗灌施氮的方式施用有利于提高果实产量与品质[19-20]；施用有机肥后可以提升果实品质，连年只施用化肥的果园中果实可溶性糖含量则呈现逐年下降的现象[21]；施用生物炭基肥[22]可以通过降低土壤容重、提高有机质含量等途径提高土壤肥力，促进树体生长，同时提升了果实中可溶性糖、可溶性固形物以及维生素C等物质的含量，改善果实品质；减施化肥25%并配施生物有机肥可以提高果实糖酸比，改善果实口感[23]。合理的施肥方式和用量可以起到提质增效的作用，综合来看，在果园管理中采用减施化肥结合生草、优化施肥方案[24]、配施有机肥[25]或者施用其他土壤改良剂[26-27]等技术措施，可以增加土壤的养分含量及有效性，降低因减施化肥给果园带来的不良影响。但是在实际生产过程中，由于有机肥见效慢，分次施用化肥、配施土壤改良剂或者采用水肥一体化技术的成本过高，导致这些措施所产生的效益不明显，使得部分果农对此类技术不认可，故在生产中推广程度有限[28]。因此建立一套简便易行、不增加成本，且可以为果农实现提质增效作用的施肥管理措施十分必要。

本研究在甘肃陇东地区选取典型苹果园进行施用生物活性素与减施化肥叠加效应的研究，探讨当地苹果生产中减施化肥的可行性，期望在一定程度上解决黄土高原苹果产区氮磷化肥投入过量问题，最终为苹果减肥增效提供技术与案例支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在甘肃陇东平凉市的4个果园进行，平凉市海拔890～2 857 m，全年平均气温在10℃左右，年降水量450～550 mm，年均日照时数1 981 h。G1果园位于泾川县飞云镇(E105°68′,N35°33′)、G2果园位于崆峒区草峰镇(E106°53′,N35°36′)、G3果园位于静宁县威戎镇(E105°44′,N35°24′)、G4果园位于静宁县威戎镇(E105°44′,N35°24′)。 4个果园所在的3个乡镇纬度位置相似，经度间隔均匀，果园基本情况如表1。

表1 果园基本情况Table 1 Basic information of orchard

1.2 试验设计

在每个果园中分别选取树体健壮、长势一致的富士苹果树进行试验，成龄树(G1、G3)每个处理10株，幼龄树(G2、G4)每个处理25株。2018年分别选取成龄和幼龄各一个果园(G1和G2)进行试验，每个果园都设置常规施肥(CK)、常规施肥配施生物活性素(B)两个处理，探究施用生物活性素的效应。2019年在施加生物活性素的基础上增设减施化肥处理，化肥施用总量减少30%，有机肥施用量保持不变，4个果园的施肥情况如表2。在4个果园分别设置常规施肥(CK)、常规施肥配施生物活性素(B)、减施化肥30%配施生物活性素(RB)和减施化肥30%(R)4个处理，其中G1、G2果园在2018年的基础上继续进行CK和B处理，并新增RB与R处理；同时增加G3、G4两个试验果园。生物活性素为本实验室开发的一类含有机苯炳环为核心的有机物、微生物和矿质元素的复配试剂，在苹果春季萌芽前于树冠外围10 cm处挖若干20 cm深的穴，施用生物活性素，每株施用250 g。

表2 果园施肥情况Table 2 Fertilization in orchard

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤指标测定方法 土壤理化指标参考鲍士旦[30]土壤农化分析方法测定。测定指标包括土壤pH值、全氮含量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量。在每年的春季(春季施肥前)、秋季(果实收获时)各采集一次土样，用环刀按照“Z”字型取样法采集0～30 cm土层的土样，每个处理3次重复。

1.3.2 树体指标测定方法 处理后当年11月，幼龄树每个处理随机选取10株，成龄树选择所有株，用来测量株高、干周、一年生枝条长度和一年生枝芽点数，每个处理随机选取5株树测量全株花芽量。并于2019年7月在每个处理小区随机选取代表性苹果树3株，在树冠周围不着果的中庸枝采集50片树叶作为1个样本，每个处理3次重复[31]，使用凯氏定氮仪(美国FOSS 8400)测定叶片全氮含量。

1.3.3 果实指标测定方法 在果实成熟时记录单株结果量，并在树冠外围不同方向采集有代表性的果实，每个处理10次重复。果实称重并测量纵横径，邀请15人对果实的香气进行评分(评定标准：香气极浓郁记3分，香气浓郁记2分，香气一般记1分，香气轻微或无香气记0分)。测定果实可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸含量和果实硬度。可溶性固形物含量使用日本爱拓PAL-1数显糖度计测定，可溶性糖含量使用蒽酮比色法测定[32]，可滴定酸含量使用酸碱中和滴定法测定，果实硬度使用TA.XT Express Texture果实品质分析仪测定。

1.4 数据处理

所有数据用Microsoft Office Excel 2016进行初级统计分析，采用SPSS Statistics 26.0进行单因素方差分析，并用Duncan法进行多重比较，显著性水平为P<0.05，图表中数据为平均值±标准误(SE)。

2 结果与分析

2.1 苹果园施用生物活性素当年效果分析

2.1.1 施加生物活性素对果园土壤理化性质的影响 2018年施用生物活性素后，果园土壤pH值未受到影响，土壤全氮、碱解氮、有效磷含量有所降低，但两处理间差异不显著(表3)。

表3 施用生物活性素对土壤理化性质的影响Table 3 Effect of bioactive agents’ application on soil physical and chemical properties

2.1.2 施加生物活性素对苹果树生长发育的影响 G1、G2两个果园中施加生物活性素(B)后，株高、干周均有所升高，其中G2的干周显著高于对照(图1)。而最为明显的差异体现在花芽数上，两果园的花芽量均出现了不同程度升高，较对照组分别增多64.7%、45.4%，差异显著。这种结果对于幼龄树更为重要，幼树的早花早果可使果园提前增收。

注：“*”表示处理与对照之间存在显著差异(P<0.05)，下同。Note：“*” indicates that there are significant differences among treatments (P<0.05)，the same below.图1 施用生物活性素对树体生长发育的影响Fig.1 Effects of bioactive agents’ application on tree growth and development

2.2 苹果园减施化肥及配施生物活性素效果分析

2.2.1 不同处理对果园土壤理化性质的影响 在2019年试验中，在4个果园中分别进行了4个处理，如表4所示，施用生物活性素处理(B)后，土壤pH值无显著变化规律，全氮和碱解氮含量除G3果园外，其他各果园的各处理均低于对照组，土壤速效钾的含量无明显变化。减施化肥30%处理(R)与减施化肥30%配施生物活性素(RB)处理，除G2果园外其他各果园土壤pH值均出现不同程度降低，其中G1果园土壤pH值显著低于对照。结合果园的施肥状况分析，G1、G3、G4果园施肥量过量现象严重，每年累积施肥量均在200 kg·667m-2以上，由此可以看出减施化肥可以减轻果园土壤的盐碱化程度。果园土壤全氮含量除G3外在RB处理后也有所降低；除G3外碱解氮含量均低于对照；土壤有效磷除G3外，各果园在RB处理下含量降低，而速效钾含量变化无明显规律。

表4 减施化肥与配施生物活性素对土壤理化性质的影响Table 4 Effect of bioactive agents’ application and fertilizer reduction on soil physical and chemical properties

2.2.2 不同处理对苹果树生长发育的影响 由图2可以看到，施用生物活性素后G2果园的干周显著升高；减施化肥30%后，成龄树的株高和干周不受影响，而幼树株高和干周显著低于对照组，说明幼树时期减施化肥30%会影响幼树营养生长；而配施生物活性素后可以在一定程度上降低减施化肥对树体生长的影响，RB处理幼树的株高均高于R处理。减施化肥30%配施生物活性素后，除G2果园外各果园的树体一年生枝长度和节间长度均低于对照。减施化肥后，除G3果园外，各果园树体花芽量有不同程度增加，在之前测定的土壤数据中G3果园RB、R处理的矿质元素含量出现上升现象，尤其是氮素含量上升，可能是土壤中的氮素过量导致树体徒长不利于花芽分化。施用生物活性素处理(B)，各果园的叶片氮含量均高于对照，其中G1叶片氮素含量较对照高11.2%，表现为差异显著。减施化肥30%配施生物活性素的叶片氮含量高于对照，其中G1、G3、G4果园表现为显著升高，分别提高了15.0%、6.4%、3.0%，推测施用生物活性素能够促进树体对氮素的吸收。

图2 不同处理对苹果树体生长的影响Fig.2 Effects of different treatments on the growth of apple tree

2.2.3 不同处理对果实品质的影响 对2019年采集的果实进行分析，发现B和RB处理果实香气出现了明显提升，在G1、G4果园中施用生物素的果实香气显著高于对照，另外G1、G4果园中的R处理果实香气也有了一定程度上升(表5)。减施化肥后不同树龄果实硬度呈现相反趋势，G1、G3成龄果园的果实硬度上升，G2、G4幼龄果园中的果实硬度下降，减施化肥配施生物活性素处理下的果实硬度普遍比减肥处理的果实硬度低。化肥减施有利于果实可溶性固形物含量的提高，提升程度在2.2%～14.1%；可溶性糖和可滴定酸含量略有下降；但若施加生物活性素，则可以提高果实的可滴定酸含量。总体来看化肥施用量的减少使得果实可溶性固形物含量提高、可滴定酸含量降低，同时果实的糖酸比也有所提高，说明减施化肥能在一定程度上提高果实品质。

表5 施用生物活性素与减施化肥对果实品质的影响Table 5 Effect of bioactive agents’ application and fertilizer reduction on fruit quality

2.3 连续两年施用生物活性素的累积效应分析

在G1、G2果园连续两年施用了生物活性素，株高、干周变化主要体现在幼龄树果园G2中。G2果园2018年施用生物活性素后株高变化不明显，在连续两年施用后较对照提高4.7%。在G2果园中2018年B处理的干周较对照组高13.2%，在2019年较对照组高出17.5%。连续施用生物活性素后只有G1果园促进成花效果较明显，较对照高出5.2%。而G3、G4果园在2019年第一次施用生物活性素后，株高和干周变化不明显，与2018年G1、G2果园相同(图3)。

图3 连续两年施用生物活性素对苹果树体的影响Fig.3 Effect of bioactive agents’ application on apple tree for two consecutive years

在2018—2019年间，与初始值相比G1果园的土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾总体上呈下降趋势，其中全氮和碱解氮的变化规律较明显(表6)，从土壤全氮和碱解氮含量来看，对照区的全氮和碱解氮含量分别下降23.8%、12.8%，而施用生物活性素试验区的全氮含量下降35.7%、44.8%。G2果园的全氮含量呈下降趋势，对照区和生物活性素处理区土壤全氮含量分别下降9.8%、17.6%，但是土壤碱解氮含量呈上升趋势，对照和处理分别升高了8.8%、4.8%。总体来看施用生物活性素可能提高了树体对土壤营养元素的吸收能力，增加了树体对氮素的吸收量。

表6 连续两年施用生物活性素对土壤理化性质的影响Table 6 Effect of bioactive agents’ application for two consecutive years on soil physical and chemical properties

2.4 施用生物活性素和减施化肥的经济效益分析

施加生物活性素在G1果园中效果比较好，较对照增产40.5%。减施化肥30%和减施化肥30%配施生物活性素处理G1、G4果园的产量有所增加， G1果园产量分别提升35.8%、26.0 %，G4果园产量分别提升40.5%、31.8%，可能是前几年存在化肥投入过量的问题，土壤中的营养元素含量较高，一年的减施处理对果树生长发育基本不会产生影响，甚至适度减施可以刺激树体增产，G4果园各处理产量差异不大(表7)。从G2、G4的幼龄树果园来看，施用生物活性素虽然促进了树体的生长，但是花芽量和产量出现下降现象，尤其是G2果园经营年限较短，且没有施用有机肥，减施化肥后产量下降较多。总的来看，在成龄树的果园减施化肥30%不会对果园的产量造成不良影响，甚至可以达到增产的效果。

表7 不同处理对果园产量的影响Table 7 Effects of different treatments on apple yield

3 讨论与结论

近年来研究者们通过多种途径探究苹果减肥增效的技术措施，通常是通过覆盖、生草[14]、施加有机肥[24]或土壤改良剂[25]等措施改善苹果园土壤质量，增强土壤保肥能力，减少营养元素的流失，或者通过改良施肥技术[20,23]、调整施肥配比[19]等手段来提高肥料利用效率。也有研究者通过施用微生物菌肥[26]改良土壤微环境，促进根系的生长，以增加树体对矿质元素的吸收，本研究通过开发生物活性素施用于树体，促进树体活化，以此来增强树体对矿质元素的吸收能力，提高肥料的利用效率，进而为生产上减肥不减产奠定基础。

在生产上人们通过多种施肥措施来改善果园土壤肥力，提高果树的产量与品质。研究发现通过施用活化腐殖酸[33]、喷施沼液[34]和乙酰丙酸[35]等方式，可以改善土壤状况，提高树体蔗糖合成相关酶的活性，从而促进果树生长发育。本研究使用的生物活性素含有多种活性物质，施用后苹果树体的株高、干周、特别是花芽量均有所提升，推测是由于此类活性物质促进了树体的生长发育。生物活性素中的微生物也可以参与固氮、硝化、解磷等过程[38]以提高土壤中养分的有效性，进一步提高植物对营养元素的利用效率。本研究中施用生物活性素后提高了叶片中的氮素含量，与郭志刚等[39]研究发现施用生物菌肥可以提高苹果树体对营养元素的吸收水平的结果一致。苹果园中施用生物活性素后土壤中的氮元素(全氮与速效氮)含量明显下降，可能是由于生物活性素提高了树体对氮素的吸收能力，增加了根系对氮素的吸收。在本研究中，施用生物活性素后果园的养分变化与叶片养分的变化有协同关系，具体表现在2018年两果园试验中，土壤全氮含量分别下降了约5%～10%，而此时的叶片中氮素含量同样分别较对照增加了约5%～10%，在一定程度上说明施加生物活性素可以促进树体对氮素的吸收，这一结果与陈建明等[40]的研究结果一致。施用生物活性素后，果园土壤氮素含量下降同时土壤pH值上升，而赵晶等[41]发现土壤氮素含量下降后pH值会有所升高，试验结果与该研究一致。施用生物活性素后，微生物在果园土壤中繁殖，参与土壤中养分的循环与转化，可能通过促进根系分泌物的产生，改善土壤的微环境，从而增强了树体对土壤中营养元素的利用能力[41]。在苹果幼龄期树体的生长以营养生长为主，若缺少营养元素供应，则可能会延缓树体的正常生长[43]，所以G2果园中幼龄树减施化肥后株高、干周明显低于对照。苹果花芽量受到各种因素的影响[44-45]，生物活性素提高花芽量，可能是由于生物活性素促进了树体对各类营养元素的吸收，增强了树体的营养水平。同时果树的营养生长与生殖生长处于动态平衡，减少肥料供应影响了树体的营养生长，植物通过停止生长来减少养分消耗，并向生殖生长倾斜，花芽量出现了增多的现象。在成龄果园中施用生物活性素可以提高果实产量，且减施化肥后产量未出现大幅下降，部分果园产量反而有所上升，这一现象与蒯佳琳等[46]研究结果一致，而G2果园均为幼龄树且施肥量少，未施用有机肥，在减施化肥后产量出现了大幅度下降，这一结果与赵佐平等[21]的发现类似。

有研究表明，某些果园在生产中会投入较多有机肥、菌肥或进行覆盖、生草[47]，随着生产年限的增加，土壤的有机碳含量[48]、团聚体状况[49]及稳定性[50]等理化性质会得到改善，化肥减施30%后使用有机肥的果园表现为增产或者无明显变化，可见减施化肥要依据果园的实际情况进行，若只单一施用化肥，减施化肥会对产量造成不良影响。通过对比株高和产量可以发现，幼树果园G2、G4中常规施肥处理的株高均低于常规施肥配施生物活性素，且减施化肥处理的株高均低于减施化肥配施生物活性素；成龄树果园G1、G2中常规施肥处理的产量均低于常规施肥配施生物活性素处理，另外减施化肥处理的产量均低于减施化肥配施生物活性素。在同一施肥水平，施用生物活性素的产量高于不施用生物活性素，因此可以推断出施用生物活性素减少了减施化肥对果树生产的不良影响。

另外，通过查询文献可知，甘肃省平均化肥投入量为85.58 kg·667m-2，化肥投入成本为761.86元·667m-2[1]，则化肥平均投入成本约为8.90元·kg-1，4个果园按照现有量减施化肥之后分别可以节约化肥成本1 121.4、117.48、664.83、1 644.72元·667m-2。而2019年甘肃省苹果种植面积达31.9万公顷，若在全省推广化肥减施，按照减施30%来计算，可以节省肥料投入成本约11.94亿元。

施用生物活性素可以提高苹果叶片全氮含量和果实的香气，有研究表明叶片全氮含量与果实香气、品质存在相关关系，使用生物活性素后促进树体对营养元素尤其是氮素的吸收，进而影响芳香物质的合成量，达到提升果实香气的效果。施用生物活性素降低了果实的糖酸比，这一结果与梁敬等[22]发现施用有机肥可以提高果实品质一致。而减施化肥后环境和树体发生一系列复杂的反应，其内在机理、联系，化肥氮磷钾的最佳减施配比和生物活性素对各种元素的促进吸收程度等仍需要进一步探究。

综上，在陇东地区各果园中施用生物活性素可以增强树体对氮素的吸收，增加幼树的花芽量，提高果实香气。减施化肥后未对果实品质产生较大影响，在施用有机肥为主的情况下减施化肥30%不会对产量产生影响。因此在陇东地区苹果生产中可根据果园的管理情况，适度减少化肥的施用，以达到提质增效的目的。