沼渣肥替代化肥對蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

王思齊， 張忠蘭， 史淑一， 楊守軍

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院， 山東 煙臺 264670)

農(nóng)業(yè)面源污染作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的負(fù)面伴隨產(chǎn)物，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的桎梏性日益凸顯，因不合理使用化肥所帶來的養(yǎng)分流失已成為現(xiàn)階段中國農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一[1]。在國家開展《果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動方案》的背景下，如何科學(xué)推進(jìn)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄資源循環(huán)利用與減少化肥農(nóng)田投入相耦合，轉(zhuǎn)變目前以透支農(nóng)業(yè)環(huán)境為代價的化肥投入方式已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。沼渣是農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵能源化的殘留物，富含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)和多種營養(yǎng)元素，滿足農(nóng)作物生長對肥料速緩兼?zhèn)涞男枨蟆Ｕ釉嘁曰适┯?，研究表明沼渣能改善土壤的理化性狀，提高土壤的通透性，增加土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素的含量，使蘋果的果形指數(shù)增大0.2～0.4，可溶性固形物含量增加4%～6%[2-3]。然而也有研究指出雖然根施沼渣有利于蘋果樹的營養(yǎng)生長，但對果樹生殖生長和果形指數(shù)的影響均不明顯[4]。因此，本研究以蘋果樹為試材，研究沼渣替代不同比例的化肥對蘋果樹生長、土壤質(zhì)地和果實(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，以期集成可推廣、可持續(xù)的沼渣肥替代化肥農(nóng)田應(yīng)用技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)日期于2016年11月～2017年10月。試驗(yàn)地點(diǎn)為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院果園基地。試驗(yàn)地土壤為棕壤，其堿解氮、速效磷、速效鉀分別為171.11 mg·kg-1，157.76 mg·kg-1，243.46 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為1.24%，pH值為5.02。實(shí)驗(yàn)所用的沼渣為山東某厭氧發(fā)酵工程產(chǎn)生的沼渣，其全氮、全磷、全鉀含量分別為24.1 g·kg-1，5.9 g·kg-1和6.2 g·kg-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個處理重復(fù)3次，共6個處理：處理1：CK (無任何肥料施用)；處理2 ：100%HF(純化肥)； 處理3：40%ZF+60%HF(40%沼渣與60%化肥配施)； 處理4：60%ZF+40%HF(60%沼渣與40%化肥配施)； 處理5：80%ZF+20%HF(80%沼渣與20%化肥配施)； 處理 6：100%ZF(純沼渣)。實(shí)驗(yàn)材料為生長正常、長勢相近的10年生紅富士蘋果樹(Malus×domesticaBorkh.)，株行距3 m×3 m，地徑 21 cm，株高2.3 m。果樹目標(biāo)產(chǎn)量為3000 kg·667m-2；肥料施入量：N為30 kg·667m-2，P2O5為35.87 kg·667m-2，K2O為25.74 kg·667m-2。肥料共分4次施入，分別為基肥(2016年11月)、萌芽肥(2017年3月26號)、新梢速長肥(2017年5月20號)、果實(shí)速長肥(2017年7月25號)。沼渣用量以氮含量進(jìn)行折算，所缺磷、鉀養(yǎng)分用化肥補(bǔ)齊。基肥和追肥情況見表1～4。

1.3 樣品采集與測定方法

分別于蘋果樹的花期、幼果期、果實(shí)膨大期、成熟期采集南部外圍成熟葉片和0～20 cm深度土壤用來進(jìn)行葉片養(yǎng)分、土壤理化性狀分析；于果實(shí)成熟期進(jìn)行果實(shí)產(chǎn)量測定和品質(zhì)分析。葉片全氮、全磷和全鉀含量的測定分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法[5]；葉片葉綠素含量測定采用蒽酮提取法[6]；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量的測定分別采用堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法、火焰光度法和重鉻酸鉀外加熱法[7]；土壤微生物總量(細(xì)菌+真菌+放線菌)測定采用平板擴(kuò)散法[8]。果實(shí)中可溶性糖含量測定采用手持折光儀法，果實(shí)VC含量測定采用2，6二氯靛酚滴定法，果實(shí)總酸含量測定采用氫氧化鈉滴定法，果實(shí)硬度采用硬度計(jì)法[9]。

表1 基 肥 (kg·667m-2)

表2 萌芽肥 (kg·667m-2)

表3 新梢速長肥 (kg·667m-2)

表4 果實(shí)速長肥 (kg·667m-2)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行處理間差異性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼渣替代化肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由表5可知，花期和幼果期以及果實(shí)膨大期和成熟期土壤有機(jī)質(zhì)變化趨勢相似。與對照相比，雖然各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均有增加，但方差分析表明，100%HF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)含量的最大值均出現(xiàn)在100%ZF處理，分別在花期、幼果期、果實(shí)膨大期和成熟期比對照增加了60.16%，84.17%，125.69%和104.67%。從蘋果樹生育期看，CK和100%HF處理土壤有機(jī)質(zhì)含量隨果樹生長期的延長而逐漸下降，不同沼渣處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量從花期至果實(shí)膨大期逐漸增加，果實(shí)成熟期略有降低。

表5 沼渣替代化肥對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響 (%)

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 5% 顯著水平(p<0.05，下同) 。

2.2 沼渣替代化肥對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

沼渣替代化肥對土壤速效養(yǎng)分含量的影響如圖1～圖3所示。在蘋果樹的花期，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀的含量均以100%HF處理最高，其次為40%ZF+60%HF，60%ZF+40%HF，80%ZF+20%HF，100%ZF，CK。與沼渣處理相比，100%HF處理土壤速效養(yǎng)分含量下降幅度較大，從蘋果樹的花期至果實(shí)成熟期，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別下降了48.59%，60.90%和43.82%。

2.3 沼渣替代化肥對土壤微生物數(shù)量的影響

由表6可知，CK和100%HF處理土壤微生物總量的最低值出現(xiàn)在果實(shí)成熟期，而沼渣處理的最低值出現(xiàn)在花期；各處理土壤微生物總量的最高值均出現(xiàn)在果實(shí)膨大期。從數(shù)據(jù)可以看出，80%ZF+20%HF處理對土壤微生物總量促進(jìn)作用最為顯著，在果實(shí)的成熟期分別是CK，100%HF，40%ZF+60%HF，100%ZF處理的2.41倍，2.18倍，1.41倍，1.33倍和1.07倍。與沼渣處理相比，100%HF處理對土壤微生物總量呈較為強(qiáng)烈的抑制效應(yīng)。

注：圖中柱上方不同小寫字母表示處理間在5%水平下差異顯著。下同。圖1 沼渣替代化肥對土壤堿解氮含量的影響

圖2 沼渣替代化肥對土壤速效磷含量的影響

圖3 沼渣替代化肥對土壤速效鉀含量的影響

表6 沼渣替代化肥對土壤微生物總量的影響 (106 cfu·g-1)

2.4 沼渣替代化肥對蘋果葉片葉綠素含量的影響

由表7可知，花期葉片葉綠素含量以全化肥處理最高，其次是40%ZF+60%HF，60%ZF+40%HF，80%ZF+20%HF，100%ZF和CK，并且100%HF處理與其它處理差異明顯。隨著果樹生長期的延長，100%HF處理葉片葉綠素含量與沼渣處理間差異逐漸縮小。至果樹幼果期，100%HF與40%ZF+60%HF處理葉片葉綠素含量無顯著差異；至果實(shí)成熟期，100%HF處理葉片葉綠素含量則明顯低于40%ZF+60%HF處理和60%ZF+40%HF處理。

表7 沼渣替代化肥對葉片葉綠素含量的影響 (mg·g-1 FW)

2.5 沼渣替代化肥對蘋果葉片全氮磷鉀含量的影響

在蘋果的花期和幼果期，葉片全氮含量均以100%HF處理為最高；在果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期，葉片全氮含量則以40%ZF+60%HF處理為最高，分別比100%HF處理增加了5.37%和10.08%。與沼渣處理相比，100%HF處理葉片全磷含量在蘋果花期分別比40%ZF+60%HF，60%ZF+40%HF，80%ZF+20%HF和100%ZF處理提高了6.52%，25.68%，44.80%和61.05%，至果實(shí)成熟期則分別提高了-5.26%，-0.28%，7.59%和8.91%。沼渣替代化肥對葉片全鉀含量的影響與葉片全氮、全磷含量相似，但在果樹的花期80%ZF+20%HF處理與100%ZF處理差異不明顯(見圖4～圖6)。

圖4 沼渣替代化肥對蘋果葉片全氮含量的影響

圖5 沼渣替代化肥對蘋果葉片全磷含量的影響

圖6 沼渣替代化肥對蘋果葉片全鉀含量的影響

2.6 沼渣替代化肥對果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表8可知，蘋果產(chǎn)量以40%ZF+60%HF處理為最高，分別是CK，60%ZF+40%HF，80%ZF+20%HF，100%ZF和100%HF處理的1.67倍，1.01倍，1.10倍，1.17倍和1.03倍。表8可以看出，果實(shí)糖度和VC含量與沼渣用量呈正相關(guān)關(guān)系，但100%ZF，80%ZF+20%HF和60%ZF+40%HF處理間無差異。果實(shí)酸度以CK處理為最高，分別比40%ZF+60%HF，60%ZF+40%HF，80%ZF+20%HF，100%ZF和100%HF處理提高了40.99%，60.74%，72.29%，81.72%和15.18%。100%ZF處理果實(shí)硬度最高，但隨著沼渣施用量的減少，果實(shí)硬度相應(yīng)的降低。

表8 沼渣替代化肥對果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

注: 蘋果畝產(chǎn)量 = 畝栽株數(shù) × 單株結(jié)果數(shù) × 平均單果重 × 縮值系數(shù)( 0.9)。

3 討論

沼渣中含有大量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)，經(jīng)一系列的微生物分解過程轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，同時沼渣對土壤團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性又具有促進(jìn)作用，為有機(jī)質(zhì)提供了穩(wěn)定的保持場所，使沼渣處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯升高[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沼渣處理土壤的速效養(yǎng)分在果樹的花期均低于100%HF處理，但在果實(shí)的膨大期40%ZF+60%HF處理和60%ZF+40%HF處理土壤的速效養(yǎng)分則高于100%HF處理，這主要是因?yàn)檎釉懈缓乘岷蜕L素等物質(zhì)，促進(jìn)了土壤膠體和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，同時沼肥中的微生物群團(tuán)又加速土壤養(yǎng)分的分解、轉(zhuǎn)化和釋放，減少養(yǎng)分尤其是氮素的流失，提高無機(jī)磷的含量，進(jìn)而提高了土壤有效養(yǎng)分的供給水平[11-12]。

葉綠素在光合作用的光吸收中起核心作用，對作物產(chǎn)量影響顯著?；ㄆ谌~片葉綠素含量以100%HF處理為最高，但隨著果樹生長時間的延續(xù)，沼渣處理葉片的葉綠素含量與100%HF處理間差異逐漸縮小，尤其是40%ZF+60%HF和60%ZF+40%HF處理葉片葉綠素高于或接近于100%HF處理，這與李娟[13]等研究結(jié)果“土壤中氮素含量與葉片葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系”相吻合。另外，沼渣中含有的養(yǎng)分較全面、均衡，與化肥配施既能提高根系對肥料養(yǎng)分的吸收速率，又能促進(jìn)葉綠素的合成[14-16]。

細(xì)菌、真菌、放線菌是組成微生物群落的三大菌群，是土壤分解系統(tǒng)的主要成分，參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和能量流動，其數(shù)量受土壤肥力和土壤環(huán)境狀況等因素的影響[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，80%ZF+20%HF處理土壤微生物總量顯著高于其他處理。這說明80%ZF+20%HF處理不僅增加了土壤中碳含量，而且為微生物生長提供了合理的碳氮比，促進(jìn)了微生物生長[19]。

本研究數(shù)據(jù)表明，沼渣與化肥配施可提高蘋果果實(shí)中的糖和VC含量，降低有機(jī)酸含量，且比單施化肥或單施沼渣效果更好，這與楊順強(qiáng)、劉雯盈[20-21]等研究結(jié)果相一致。蘋果品質(zhì)的改善是因?yàn)檎釉欣诠麑?shí)中有機(jī)酸再轉(zhuǎn)化為可溶性糖，促進(jìn)可溶性固形物的累積[22]。沼渣施入土壤后，在其腐解過程中形成腐殖質(zhì)，能改善土壤結(jié)構(gòu)和增進(jìn)土壤的保肥保水作用，提高土壤養(yǎng)分供給能力。另一方面，沼渣中還含有氨基酸、蛋白質(zhì)、糖、脂肪等各種有機(jī)養(yǎng)分，有的可直接為根系吸收，有的經(jīng)分解后才能為作物利用，也是重要的營養(yǎng)源[23]。因此，土壤環(huán)境的改善和養(yǎng)分供應(yīng)能力的提高，導(dǎo)致了40%ZF+60%HF和60%ZF+40%HF處理葉片全氮磷鉀含量的增加。

產(chǎn)量是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的因素之一。40%ZF+60%HF和60%ZF+40%HF處理蘋果產(chǎn)量明顯高于其它處理，可能因?yàn)檎釉娲侠肀壤幕侍岣吡送寥乐叙B(yǎng)分含量和根系生長，促進(jìn)根系對養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸能力，使光和作用和光合產(chǎn)物得到提高，進(jìn)而提高蘋果產(chǎn)量[24]。

4 結(jié)論

沼渣與化肥配施提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了土壤生態(tài)環(huán)境，滿足蘋果生長對養(yǎng)分的需求，具有單施化肥所不具有的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮蘋果產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)，認(rèn)為60%ZF與40%HF配施在有效利用沼渣養(yǎng)分資源的背景下，為沼渣廢棄物的循環(huán)利用提供切實(shí)可行的技術(shù)模式。