生物质有机肥对酸性红壤区人参果病害与产量的影响

王豪吉，李 彦，李锐明，陈欧保，杨 云，徐武美，官会林**

(1.云南师范大学 高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站，云南 昆明 650500；2.云南省农村能源管理总站，云南 昆明 650233；3.石林彝族自治县农村能源环境保护工作站，云南 昆明 652200)

耕地土壤退化已成为全球性问题.有效开展耕地土壤改良，提升土壤肥力，是实现农业可持续生产的关键途径[1].中国耕地土壤正面临盐渍化、酸化与肥力下降等问题，严重影响农业生产和可持续发展[2].云南是中国重要的果蔬种植区，由于长期连作使土壤养分失衡、板结酸化与病原微生物积累，导致作物病害加剧，产量降低[3].近年来，通过调整作物种植结构、科学灌溉、水肥一体化等措施，有效缓解了耕地土壤质量退化问题[4-5].此外，通过施加有机(类)与矿质肥料，亦可有效调节土壤pH 值，提升土壤肥力，恢复土壤生产力[6]，如施用炭基生物肥料可有效调节退化土壤pH 值，补充土壤养分，提升土壤肥力[7].此外，通过施加钙镁磷肥等矿质肥料，亦可有效提高土壤中无机养分含量，促进作物生长[8].施用有机肥可有效增加土壤中有机质含量，增强土壤保肥能力与微生物活性，有利于提高作物产量与品质[9-10]；在退化严重的连作土壤中施加生物质有机肥，能显著改善土壤肥力状况，缓解作物病害[11].

人参果(Solanummuricatum)是云南特色经济作物，具有重要的经济价值.由于人参果主产区土壤酸性强、有机质含量低、肥力不均，导致作物产量不高、病害严重.当前，利用生物质有机肥改良人参果连作土壤的相关研究还鲜见报道.因此，本研究通过田间试验，探索不同施加量的创制生物质有机肥对人参果病害率与产量的影响，通过对土壤理化性质与酶活性的定量分析，对内在机理进行探索，旨在为云南特色经济作物人参果产量提升与酸性红壤区耕地土壤改良提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料创制生物质有机肥：以玉米、烟草与辣椒秸秆为原材料，经粉碎后等比混合，添加腐熟剂进行高温发酵(≥65 ℃)，多次翻堆充分腐熟，制成生物质原料，再将复合微生物菌剂、秸秆生物炭与生物质原料按一定比例混制而成，其基本特征见表1.

表1 供试土壤和有机肥基本特征Tab.1 Basic characteristics of soil and organic fertilizer for experiment

人参果种苗：利用扦插的方式培育人参果种苗，由昆明石林人参果种植合作社提供.

1.2 田间试验设置本研究在云南省石林县鹿阜镇清水塘试验基地进行(24°76′14″N，103°22′19″E).试验区属亚热带季风气候区，土壤类型为酸性红壤，人参果连作3 a，因长期施用化学肥料和农药，导致土壤酸化、板结、有机质含量低、土壤肥力退化、作物病害严重、挂果率低等障碍因素突出，试验地土壤基本理化特征见表1.

选择土地相对平整的试验地块，用旋耕机将试验区耕层土壤(0～20 cm)翻耕均匀.创制的生物质有机肥施加量分别为9 (T1)、12 (T2)、15 t/hm2(T3)和18 t/hm2(T4)，以传统单施化学N 肥(尿素)150 kg/hm2为对照(CK).采用随机区组设计，每个小区面积为1 m×5 m，种植40 株长势均一的人参果幼苗，株间距为35 cm×25 cm，每个处理重复4 次，共计20 个试验小区.处理区T1、T2、T3、T4只施用对应量的创制有机肥料，其中70%做底肥，30%在第1 次采果后1 次性追肥施用，覆土5 cm左右.对照(CK)全生育期单施化学N 肥(尿素)150 kg/hm2，以30%做底肥，初花期和第1 次采果后各追施N 肥35%，并覆土5 cm 左右.

1.3 土壤样品采集于2022 年4 月6 日移栽人参果幼苗，8 月中旬(人参果挂果末期果实采收前)采集各小区耕层(0～20 cm)根际土，每小区采五点混合样，带回实验室自然风干，研磨分别过20 目（孔径0.85 mm）和100 目筛（孔径0.15 mm），用于土壤理化特征与酶活性分析.

1.4 作物发病率与产量调查将有1/3 叶片出现黑色斑块或幼尖枯死的人参果植株记为枯叶病病株[图1 (a) ]，参照王佳宁等[12]描述的方法统计人参果主要病害枯叶病发病率.具体为：发病率=小区发病植株数/小区总植株数×100%.人参果产量从采收第1 批人参果(5 月28 日)开始记录，以所有达标出售的总量计.

图1 人参果枯叶病株(a)与健康植株(b)Fig.1 Leaf disease plant (a) and healthy plants (b) of S.muricatum

1.5 土样分析土壤理化指标的测定根据文献[13]进行，土壤pH 值用pH 计进行测定(雷磁 PHS-25)，水土质量比为2.5∶1；土壤电导率用EC 计进行测定(COMBI 5000)，水土质量比5∶1；土壤容重用100 cm3环刀采样，用烘干法测定；土壤有机质用重铬酸钾-硫酸消解液消解，用硫酸亚铁溶液进行滴定；土壤水解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷用0.03 mol/L 氟化铵溶液浸提，用钼锑抗显色法测定(UV-8000，上海元析)；速效钾用0.5 mol/L 乙酸铵浸提，用火焰光度计测定(AA3，Model 410 Flame Photometer，Germany).土壤阳离子代换量参照标准NY/T—1995，用1 mol/L 乙酸铵浸泡土壤，95%乙醇洗涤过量乙酸铵后蒸馏，用硼酸吸收氨气，再用标准酸进行滴定.土壤酶活性的测定和表示方法参照文献[14]进行，以邻苯二甲酸氢钾为基质培养12 h，测定土壤酸性磷酸酶活性；以尿素为基质培养24 h，测定土壤脲酶活性，以邻苯三酚为基质培养24 h，测定多酚氧化酶.3 种酶活性的单位分别以单位质量的土壤分解产生的酚氨态氮和淡紫色没食子酸的质量比表示.

1.6 数据分析用Shapiro-Wilk 检验分析本研究中各变量的正态性，不同处理下各变量均服从正态分布(P＞0.05)，故无需进行数据转换，直接进行统计分析.用ANOVA 分析检验不同生物质有机肥处理对土壤理化性质与作物产量的影响，并用Duncan法进行多重比较分析.用Pearson 相关分析探究土壤理化因子与作物产量的关联性，并参照王亚妮等[15]对土壤理化因子进行分类，用vegan 软件包进行方差分解(variance partitioning analysis，VPA)，分析不同类型土壤因子对人参果产量的相对影响.

2 结果

2.1 不同有机肥施加量对土壤理化性质的影响单因素方差分析表明，不同施加量的生物质有机肥处理显著影响了土壤pH、EC、CEC、容重、有机质、水解氮、有效磷与速效钾质量比(P＜0.05) (表2).土壤pH、EC 与CEC 随生物质有机肥施加量的增加而升高，土壤容重则相反(P＜0.05)(图2).T4 处理下的土壤pH 值最高，为5.13，较CK 增加了1.09；此外，该处下土壤CEC 与EC 分别为14.45 cmol·kg-1和3.55 mS·cm-1，较CK 增加了68%和275%.T4处理下土壤容重最低，为0.82 g·cm-3，较CK 降低了33%.此外，土壤中有机质、水解氮、有效磷和速效钾质量比均随生物质有机肥施加量的增加呈上升趋势(图3).T4 处理下土壤有机质、有效磷与速效钾质量比最高，分别为18.16、51.32 mg·kg-1和222.04 mg·kg-1，较CK 分别增加了70%、135%和47%.T1 和T2 处理下土壤水解氮质量比较CK 无显著差异(P＞0.05)，而T3 和T4 处理下，土壤水解氮质量比显著升高(P＜0.05)，且T3 处理下最高，较CK 增加了75%[图3 (b)].

图2 不同有机肥施用量处理下土壤物理特性的变化趋势Fig.2 Variation of soil physical properties under different organic fertilizer treatments

图3 不同有机肥施用量处理下土壤养分质量比的变化趋势Fig.3 Variation of soil nutrients under different organic fertilizer treatments

表2 不同生物质有机肥施用量处理对土壤理化性质的影响Tab.2 Effects of different organic fertilizer treatments on soil physicochemical properties

2.2 不同有机肥施加量对土壤酶活性的影响单因素方差分析表明，不同生物质有机肥处理显著影响了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性(P＜0.01)(表3).与CK 相比较，施用有机肥显著提高了土壤磷酸酶与脲酶活性(P＜0.05)，均为T4 处理下酶活性最高，分别为3.03 mg·g-1和2.91 mg·g-1，较CK分别增加了3.10 倍和2.45 倍.T1 与T2 处理对土壤多酚氧化酶活性影响不显著(P＞0.05)，而T3 与T4 处理显著提高了土壤多酚氧化酶活性(P＞0.05)，且T4 处理下最高，为1.24 mg·g-1，较CK 提高了1.64 倍(图4).

图4 不同有机肥施用量处理下土壤酶活性的变化趋势Fig.4 Variation of soil enzyme activities under different organic fertilizer treatments

表3 不同有机肥施用量处理对土壤酶活性的影响Tab.3 Effects of different organic fertilizer treatments on soil enzyme activities

2.3 不同有机肥施加量对人参果病害率与产量的影响单因素方差分析表明，不同有机肥施加量处理显著影响了人参果株高、产量与枯叶病发病率(P＜0.01) (表4).与CK 相比，T4 处理下人参果平均株高增加了19.16 cm [图5(a)]，且产量最高，达到39.7 t/hm2，是CK 的3.32 倍[图5(b)].人参果枯叶病发病率随有机肥施加量的增加而降低(P＜0.05)，T4 处理下作物发病率最低(＜10%)，较CK 降低了73% [图6 (a)].相关分析表明，作物发病率与人参果产量呈极显著负相关(P＜0.01)，且以负对数曲线模型拟合效果最佳(R2=0.794) [图6 (b)].

图5 不同有机肥施用量处理下人参果株高和产量的变化趋势Fig.5 Variation of S.muricatum height and yield under different organic fertilizer treatments

图6 不同有机肥施加量处理下人参果发病率及其与人参果产量的关联性Fig.6 The correlations between S.muricatum disease incidence and crop yield under different treatments

表4 不同有机肥施用量对作物株高、病害率及产量的影响Tab.4 Effects of different organic fertilizer treatments on plant height,disease incidence and crop yield

2.4 影响作物产量的主要土壤因子Pearson 相关分析（表5）表明，人参果产量与土壤pH、有机质质量比、CEC、EC、脲酶和磷酸酶活性呈极显著正相关(P＜0.01)，与水解氮、速效钾质量比和多酚氧化酶活性呈显著正相关(P＜0.05)，与容重呈显著负相关(P＜0.05).此外，土壤理化特性和酶活性变化均与作物发病率存在显著相关性(P＜0.05).VPA 分析表明，土壤理化与生物肥力指标变化是影响人参果产量的主要因素，土壤物理特征、养分质量比和酶活性对作物产量变化的解释率依次为8.69%、4.82%和2.61%，综合解释率为87.40%，残差为12.60%(图7).

图7 不同土壤因子类型影响作物产量的VPA 分析Fig.7 VPA analysis for the effects of different soil factors on crop yield

表5 土壤理化特征、酶活性与人参果产量的相关性分析Tab.5 Correlation analysis between soil physicochemical characteristics,enzyme activities,and crop yield

3 讨论

3.1 施用生物质有机肥改良人参果种植土壤理化特征土壤理化特征是影响作物生长的关键因素.本研究表明，施用生物质有机肥增加了土壤pH、CEC、EC，降低了土壤容重.有机肥中大量官能团能置换酸性土壤中的H+和Al3+，降低酸根离子浓度，从而提升土壤pH[16].施用有机肥可显著增加土壤中有机质质量比[图3(a)][17]，而土壤的酸碱缓冲能力随有机质含量增加而增强[18].土壤电导率和阳离子代换量是影响土壤养分供应能力的重要指标[19]，本研究创制的生物有机肥含有较高的EC和CEC(表1)，施用后可向土壤中补充无机离子，从而使土壤电导率升高[20-21].土壤容重反映了土壤孔隙率，本研究中土壤容重随有机肥施加量的增加而降低，由于有机肥增加了土壤中有机质质量比[图3(a)]，促进土壤团聚体的形成而增加土壤孔隙度[22].此外，本研究发现土壤有机质和速效氮、磷质量分数随有机肥施加量的增加而增加.一方面，有机肥具有丰富的有机质和无机养分(表1)，施用后直接补充了土壤速效养分；另一方面，施用有机肥可能提升土壤中微生物活性和酶活性，从而促进土壤中有机质的矿化和养分形态转化[23-24].

3.2 施用生物质有机肥增加人参果种植土壤酶活性土壤酶活性影响着土壤养分转化，间接影响着土壤肥力和生产力[25].长期连作会导致土壤肥力和酶活性降低[26].脲酶和磷酸酶是促进土壤中氮、磷转化的重要酶类，本研究表明施加有机肥显著提高了其活性，这可能与施用有机肥增加土壤中有机质质量比有关.施梦馨等[27]研究表明，土壤中有机质质量比与磷酸酶、脲酶活性呈显著正相关.此外，土壤中丰富的有机质为微生物提供了营养物质，而微生物在快速生长繁殖过程中分泌大量胞外酶以促进土壤中有机质转化[28].多酚氧化酶是促进土壤有机物转化形成腐殖质的重要酶类.钱瑞雪等[29]研究表明，秸秆还田增加了土壤中纤维素和木质素含量，微生物为利用这部分碳水化合物而分泌相应氧化酶类，导致土壤多酚氧化酶活性显著升高.本研究创制的生物质有机肥以农作物秸秆为主要原料，可增加土壤中纤维素和木质素含量，进而使土壤多酚氧化酶活性升高.结合相关分析，脲酶和磷酸酶分别与土壤中碱解氮和有效磷质量分数呈显著正相关(脲酶：r=0.836,P＜0.01；磷酸酶：r=0.957,P＜0.01)，表明有机肥的施加增加了酶活性而增加土壤养分供应能力[25].

3.3 施用生物质有机肥增加人参果产量作物产量受土壤肥力、植株生长和病害等多种因素的影响，长期施用化肥可能导致土壤退化，土壤中的养分难以被植物吸收利用，从而使土壤肥力降低[30].有机肥在改善土壤肥力状况，消除植物缺素病害，促进作物的健康生长，增强作物对病害的抵抗能力等方面具有明显的作用功能[31-34].本研究表明，施用生物质有机肥各处理与对照CK 相比，均能显著改善土壤理化性能、提高土壤pH、提高土壤酶活性和降低人参果枯叶病病害率，且这些指标与人参果产量具有较强的相关性(表5)，表明其通过影响土壤特征和病害率而提高人参果产量(图7).云南省石林县非种植障碍区人参果的平均产量为24～30 t/hm2[35]，本研究中创制有机肥以15 t/hm2处理连作土壤即可获得较高产量(31.6 t/hm2)，且18 t/hm2处理效果最优(39.7 t/hm2).结合近2 a 的示范应用，在土壤肥力较低的粘性红壤区当季生物质有机肥施用量15～18 t/hm2为宜，在中等肥力的砂质轻粘性红壤区当季生物质有机肥施用量12～15 t/hm2为宜，施用生物质有机肥后的化肥施用量较常规宜减少60%～70%.

4 结论

施加生物质有机肥改善了人参果种植土壤物理特征，调节了土壤pH，降低了土壤容重，增加了土壤中有机质和速效氮、磷、钾养分含量，从而提升了土壤肥力.同时，施用有机肥增加了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性，可促进土壤中养分转化.VPA 分析揭示施用生物质有机肥对土壤物理特征、养分质量比和酶活性的影响是增加人参果产量的主要原因，其解释率高达87.40%，其产量随施用量的增加而增加.此外，施加生物质有机肥显著降低了人参果枯叶病发病率，且其与人参果产量的关联性符合负对数线性模型.与非种植障碍区相比，创制的生物质有机肥以15～18 t/hm2的施用量处理即可获得较高产量.本研究为云南特色经济作物人参果产量提升与高原酸性红壤区耕地土壤改良提供了科学依据.