石灰对苹果园土壤改良和植株生长的影响

孟璐， 范敬文， 赛欣娱， 曾路生， 宋祥云， 崔德杰

（青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109）

我国苹果种植面积和产量均居世界首位[1-2]，果树产业是我国种植业中仅次于粮食和蔬菜的第三大产业，在农民增收、脱贫攻坚和乡村振兴中发挥着重要作用[3]。施肥有利于提高苹果产量和品质。对山东苹果主产区烟台、威海主要县市的1 105个土壤样品分析表明，胶东半岛地区苹果园土壤的有机质平均含量为1.14%，碱解氮含量为74.97 mg·kg-1，速效磷含量为40.97 mg·kg-1，速效钾含量为122.7 mg·kg-1；即土壤养分表现为有机质含量偏低、碱解氮呈两极分化、速效磷偏高，而速效钾偏低且土壤酸化严重，容易造成元素缺乏，严重时会出现缺素症[4]。李宗耕等[5]调查也表明，土壤有机质含量低和酸化是苹果产区存在的主要问题。土壤酸化会影响果树根系的生长以及对养分的吸收。因此，提高土壤pH、改良土壤的理化性状对促进果树的生长发育及果实品质提升具有重要意义。

研究表明，大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[6]。而施入石灰可以中和土壤，提高土壤pH，改善土壤理化特性，提高养分有效性，降低农作物被重金属污染的风险，从而提高和改善农产品的产量和品质。国艳春等[7]研究表明，石灰、绿肥和生物有机肥不仅可以提高土壤养分含量，也是常用的土壤改良剂。施用石灰可以缓解土壤酸化，促进植株养分吸收；提高土壤有机质含量，有利于果树稳产、高产，改良果实品质[8-9]；还可以有效提高果树的光合作用[10]。石灰中的钙离子作为第二信使参与植物的光合作用，能促进叶绿素和胡萝卜素含量，提高光合速率和气孔导度，有利于吸收CO2，提高光合作用[11]。

已有研究多采用施入生石灰或有机肥与土壤调节剂配施等方法调节土壤pH，而有机肥与石灰配施进行土壤酸度调节的方法尚未见报道。因此，本研究在田间试验条件下，探讨施用有机肥基础上配施不同质量的石灰对土壤pH等理化性状的影响，以及对苹果树光合作用等生理指标的影响，以期为改良苹果园土壤性状、提高苹果产量和品质提供技术指导，为促进苹果产业的健康发展保驾护航。

1 地区概况和研究方法

1.1 地区概况

试验苹果园位于胶东半岛西部的青岛平度市旧店镇（36°28′—37°02′ N， 119°31′—120°19′ E），该地区是山东省重要的苹果产地。平度市苹果园多分布于低山丘陵和倾斜平原地带，土壤类型以棕壤为主，多含粗砂砾石，养分含量低。同时平度市属暖温带东亚半湿润大陆性季风气候区，境内气候四季分明，春季干旱多风、夏季高温多雨、秋季秋高气爽、冬季寒冷干燥。年平均气温11.9 ℃，无霜期195.5 d，日照时数约2 700 h，年平均降水量680 mm。

1.2 试验处理

2020年6月根据苹果园土壤的酸化状况，设置石灰撒施量分别为0（CK）、4 500（T4500）、6 000（T6000）和7 500 kg·hm-2（T7500）共4个处理，将石灰均匀撒施于地表后翻压入土，与0—30 cm土壤充分混合均匀。每处理3次重复，每个小区100 m2。所有处理均于前一年（2019年）11月地表撒施有机肥4 830 kg·hm-2作基肥，并翻压入土；2020年3和9月分别施入复合肥800和860 kg·hm-2。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤理化性质的测定 于苹果收获期，采用“S”型5点取样法，按0—20和20—40 cm分层取样，每个小区每层选取10个点位的土样充分混合，以确保样品的代表性。混匀后采用“四分法”取土壤样品1 kg，风干过筛处理，用于土壤基本理化性质测定。土壤碱解氮（alkaline hydrolysis nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）、速效钾 （available potassium，AK）和有机质（organic matter，OM）含量的测定采用常规分析方法，参考《土壤农化分析》[12]。

采用干筛法[13]对土壤团聚体进行分级，采用Rrez-Boem F H 等计算模型统计平均重量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GWD）和分形维数（fractal dimension, D），计算公式如下。

式中，xi为径级平均直径（mm）；wi为重量百分含量，为平均直径（mm）；ωi为某级重量百分含量。

1.3.2 苹果叶片生理性状的测定 在苹果成熟期，于相同枝干取叶片10片，烘干研磨后，过1 mm筛，测定叶片全氮、全磷和全钾含量。其中，全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用钒钼黄比色法测定；全钾含量采用火焰光度计法测定。于苹果成熟期，选择晴天采用CIRAD-3光合仪（汉莎公司）测定长梢中部6片功能叶片的光合作用指标，包括净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）。同时标记所测叶片，于正午阳光充足时，利用美国汉莎公司生产的MPEA仪器测定叶绿素荧光参数，包括初始荧光值（initial fluorescence value，Fo）、最大荧光值（maximum fluorescence value，Fm）、可变荧光值（variable fluorescence valueFv）和以吸收光能为基础的性能指数（PIabs）。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 施用不同量石灰对苹果园土壤理化性质的影响

施用石灰对土壤理化性质有显著影响（表1）。在0—20 cm土层，施用石灰处理的pH均显著高于CK，其中T6000和T7500处理又显著高于T4500处理。在20—40 cm土层，T7500处理的pH显著高于其他处理；T4500和T6000处理与CK差异不显著。施用石灰后，土壤养分含量状况得到改善，碱解氮、速效磷和速效钾含量增加。其中，T7500处理0—20和20—40 cm土层土壤的碱解氮与速效磷含量均显著高于CK；且施用石灰处理0—20 cm土层的速效钾含量均显著高于CK。0—20 cm土层土壤的有机质含量高于20—40 cm土层；但同一土层中不同处理间无显著差异。

2.2 施用不同质量石灰对苹果园土壤团聚体的影响

由图1可知， 在CK处理中，0.5～0.25 mm的土粒占比最大，为24.78%，2～5 mm土粒占比最少，仅12.63%；在T4500、T6000和T7500处理中，＞5 mm土粒占比最大，分别为43.64%、26.80%和53.26%，＜0.25 mm土粒占比最少，分别为8.68%、10.89%和6.01%。土壤团聚体的平均重量直径（MWD）越大，团聚体越稳定。由图2可知，施用石灰处理后，土壤平均重量直径和几何直径都有所提高，其中T7500处理增幅最大。

图1 不同处理土壤团聚体粒径分级Fig. 1 Particle size classification of soil aggregates under different treatments

图2 不同处理土壤的平均重量直径、几何重量直径、分形维数Fig. 2 Mean weight diameter， geometric mean diameter and fractal dimension of soil under different treatments

2.3 施用不同质量石灰对土壤水溶性阴阳离子含量的影响

与CK相比图3，石灰处理下0—20 cm土层土壤的钙离子含量显著增加；镁离子含量显著下降；钾离子含量也有不同程度的下降；T7500处理土壤中的钠离子含量较CK显著降低。总体而言，各处理0—20 cm土层的阳离子含量高于20—40 cm土层。由图4可知，阴离子中以硫酸根离子占优势；与CK相比，T7500处理土壤中的碳酸氢根和氯离子显著增加，而硫酸根离子显著降低。

图3 不同处理下土壤的阳离子含量Fig. 3 Contents of positive ions in soil under different treatments

图4 不同处理下土壤的阴离子含量Fig. 4 Contents of anions in soil under different treatments

2.4 施用不同质量石灰对苹果树叶片荧光值的影响

由表2可知，石灰处理对苹果树叶片的叶绿素荧光参数有显著影响，其中，对最大量子产率影响较小。T4500、T6000和T7500处理的初始荧光值（Fo）分别较CK提高3.92%、19.78%和11.99%。T7500处理的最大荧光值（Fm）和可变荧光值（Fv）分别较CK显著提升8.55%和9.81%，其他处理与CK差异不显著。

表2 不同处理下叶片的荧光值Table 2 Fluorescence values of leaves under different treatments

2.5 施用不同质量石灰对苹果树叶片光合作用的影响

施用石灰对果树叶片的光合作用指标具有促进作用（表3）。T4500、T6000和T7500处理苹果树叶片的净光合速率均较CK显著提高，其中，T7500处理的净光合速率提高69.7%。与CK相比，施用石灰处理苹果树叶片的蒸腾速率显著提高，其中T4500处理又显著高于T6000和T7500处理。施用石灰处理苹果树叶片的气孔导度也显著高于CK，T6000和T7500处理又显著高于T4500处理。T7500处理苹果树叶片的细胞间隙CO2浓度显著高于其他处理。

表3 不同处理下果树叶片的光合作用Table 3 Photosynthesis of fruit tree leaves under different treatments

2.6 施用不同质量石灰对苹果树叶片氮、磷、钾含量的影响

由图5可知，施用石灰后，苹果树叶片中的氮含量较CK均显著增加，其中T4500处理最高；T6000处理叶片中磷含量显著高于CK，T4500和T7500处理与CK差异不显著；T4500和T6000处理叶片的钾含量显著低于对照，而T7500处理与CK差异不显著。

图5 不同处理下叶片的氮、磷、钾含量Fig. 5 Contents of N， P and K in leaves under different treatments

3 讨论

3.1 石灰可以有效改善土壤的理化性质

石灰的施入可有效改善土壤理化性质。本研究表明，不同石灰用量时苹果园不同土层土壤的pH和土壤养分含量存在差异。其中，施用7 500 kg·hm-2石灰处理0—20 cm土层土壤的pH和碱解氮含量增幅最大，且土壤速效磷和速效钾含量也有所增加，但对土壤有机质含量影响较小。石灰对表层土壤的作用效果更为明显，碱性的石灰中和了土壤酸度，使得土壤pH上升，而pH升高有利于土壤中微生物活性升高，从而促进碱解氮的产生[14]。酸度的降低还可减轻铝对植物的毒害作用，促进植物根系对钾和磷的吸收。对于20—40 cm土层，由于深度增加受石灰影响稍弱，pH变化较小，矿化程度低使有机质含量增多，王伟妮等[15]研究证明，土壤有机质含量和碱解氮含量间呈显著正相关，与本研究结果一致。

石灰可以促进土壤团聚体的分布和稳定性。李玮等[16]研究表明土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单元，其质量和数量与土壤肥力的高低密切相关。土壤团聚体是土壤颗粒通过凝聚胶结作用等自然过程而形成的土壤结构，一般可以分为大团聚体（＞0.25 mm）和微团聚体(＜0.25 mm)。张玥琦[17]研究表明，石灰可以增加土壤中水稳性团聚体的含量，并提高团聚体的稳定性，这是因为土壤中钙离子含量的增多可以提高阴阳离子结合能力，增加土壤中离子间的相互作用，进而促进大团聚体的形成。在本研究中，施用石灰后大团聚体含量显著增加，同时MWD和GMD较CK也有不同程度的增加。由此表明，施用石灰有利于提高土壤团聚体的稳定性。

3.2 石灰可以促进果树生理活动的进行

石灰可有效改善果树叶片的各项生理指标。石灰的主要成分是碳酸钙，施用石灰增加了土壤中的钙离子含量，而植物中的钙离子有利于增加叶绿素含量，从而提高光合作用。镁是叶绿素的重要组成部分，也是叶绿体结构必不可少的元素之一[18]，施用石灰促进了植株对镁离子的吸收，使土壤中镁离子浓度减少。植物可通过碳酸酐酶的作用利用碳酸氢根离子为原料进行光合作用[19]。碳酸钙遇水缓慢水解生成碳酸氢根离子，使其在土壤中的含量增加，便于植物吸收利用，同时也改变了土壤酸碱性。

本研究表明，苹果树叶片的初始荧光值、最大荧光值、可变荧光值、以吸收光能为基础的性能指数在施用石灰处理后均有所提升，使叶片的净光合速率等得到显著提升，有利于增强光合作用。且施用石灰后，叶片的蒸腾作用也有所提高，石灰施用量为7 500 kg·hm-2时增幅最大。陈德伟等[20]研究表明，钙离子调控可增强植株对不良环境的抗逆性，使苹果树在逆境胁迫下维持正常生长发育。本研究表明，石灰配合有机肥施用使苹果树叶片的净光合速率增加，有利于积累更多的有机物，从而提高苹果的品质与产量。

综上所述，施用石灰不仅改善了土壤的各项理化性质，还对苹果树的生长有明显的促进作用。综合各项指标结果表明，石灰施用量为7 500 kg·hm-2时，土壤pH显著升高，碱解氮和速效钾含量显著增加，土壤团聚体状况及稳定性更优，且对果树各项生理活动的促进作用更强。因此，在有机肥作基肥的前提下，配施7 500 kg·hm-2石灰能显著促进苹果树生长，提高苹果产量和品质，可广泛应用于生产实践。