改性蘋果廢枝與化肥配施對蘋果根區(qū)土壤及根系構(gòu)型的影響

馮豐 曹輝 荀咪 李萍 岳松青 張瑋瑋 楊洪強(qiáng)

摘要：廢棄果樹枝條富含有機(jī)碳，本試驗(yàn)將蘋果廢枝改性后與化肥配合施于蘋果幼樹根區(qū)，結(jié)果表明：土壤施入1%的改性蘋果廢枝及其與適量化肥配施，都明顯提高中度干旱時(shí)的土壤保水性，增加根區(qū)土壤微生物數(shù)量，提高細(xì)菌與放線菌相對于真菌的比例，提高土壤中蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，也使根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)和根系分形維數(shù)明顯增大；改性蘋果廢枝與化肥配施效果最顯著，土壤細(xì)菌、放線菌、微生物總數(shù)分別提高249.03%、249.31%和248.78%，土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性分別提高33.05%、23.70%和49.86%，根系總長度、表面積、體積和根尖數(shù)分別提高51.75%、46.71%、41.84%和99.03%。

關(guān)鍵詞：改性蘋果廢枝；土壤微生物；土壤酶；根系構(gòu)型；化肥

中圖分類號：S141.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號：A 文章編號：1001-4942（2018）09-0083-06

Abstract The abandoned apple branches are rich in organic carbon. In this study， the apple branches were chemically modified and then applied to root zone of young apple trees with chemical fertilizer. The results were as follows. The application of 1% modified apple waste branches in soil and its application with moderate amount of chemical fertilizer could enhance the soil water retention capacity when the soil relative water content （SRWC） was relatively low， increase the amount of soil microorganisms in the root zone， increase the ratios of bacteria and actinomycetes to fungi， increase the activity of sucrase， urease， neutral phosphatase， and catalase in soil， and increase the root activity and total root length， surface area， volume， average diameter， number of root tips and fractal dimension of roots. The effect of combined application of modified apple waste branches and chemical fertilizer was more significant. It increased the total number of soil bacteria， actinomycetes and microbes by 249.03%， 249.31% and 248.78% respectively， increased the soil sucrase， urease and neutral phosphatase activities by 33.05%， 23.70% and 49.86% respectively， and increased the total root length， surface area， volume and number of root tips by 51.75%， 46.71%， 41.84% and 99.03% respectively.

Keywords Modified apple waste branches； Soil microorganisms； Soil enzyme； Root architecture； Chemical fertilizer

長期依賴化肥的生產(chǎn)方式，導(dǎo)致我國農(nóng)田（包括果園）土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍下降，急需大量有機(jī)肥的投入[1，2]。有機(jī)肥的生產(chǎn)需要富含有機(jī)碳的物質(zhì)做原料，我國是水果生產(chǎn)大國，在果樹整形修剪和老果園更新等過程中，每年都有大批廢棄枝條產(chǎn)生，這些枝條富含有機(jī)碳，是重要的有機(jī)質(zhì)來源。但目前在很多地方，大批果樹枝條被焚燒，或被丟棄在果園和周邊，不僅浪費(fèi)資源還給環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅，因此，廢棄枝條的資源化利用對于果樹生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)均有重要意義。研究表明，果樹枝條比作物秸稈含有更多的木質(zhì)素，木質(zhì)素不易被微生物完全降解而很容易轉(zhuǎn)化形成胡敏素[3]，胡敏素是與土壤礦物顆粒結(jié)合最緊密的腐殖質(zhì)組分，對土壤結(jié)構(gòu)有更好的穩(wěn)定作用[4，5]，把果樹枝條返還果園將更有利于提高土壤肥力。但果樹枝條直接應(yīng)用于果園會(huì)對土壤微生物和果樹根系造成一定毒害[6]，而且，枝條攜帶的有害生物未被殺滅，也會(huì)給果園病蟲害傳播埋下隱患。堆腐發(fā)酵可以殺死有機(jī)廢棄物所夾帶的大部分病菌、蟲卵和雜草種子等[7]，將果樹枝條粉碎發(fā)酵后施入果園，明顯改善土壤性狀，促進(jìn)植株生長，提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[8-10]；將果樹枝條炭化后施于土壤也可提高蘋果根區(qū)土壤細(xì)菌豐富度，促進(jìn)根系發(fā)育和果樹生長[11，12]，因此枝條的發(fā)酵和炭化處理在果樹生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。但是枝條發(fā)酵處理需要時(shí)間比較長，炭化處理需要高溫加熱和厭氧條件。化學(xué)改性是木材加工的重要技術(shù)之一，它能夠高效、快速地處理木材等生物質(zhì)，在材料工業(yè)中有較多應(yīng)用[13]，目前化學(xué)改性木材（包括果樹枝條）在土壤中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。本研究以果園修剪下來的蘋果枝條為原料，粉碎、改性后施入蘋果根區(qū)，調(diào)查根區(qū)土壤與根系的變化，明確改性蘋果廢枝與化肥配施的效果，以期為合理應(yīng)用果樹枝條及改善根區(qū)環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2017年春季在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家蘋果工程中心果樹試驗(yàn)站和山東省高校果樹生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料

改性蘋果廢枝是將冬季剪下的蘋果枝條粉碎后，按比例加入多元醇和硫酸，混勻后加熱2 h，冷卻后制成，成品總有機(jī)碳含量437.76 g/kg，全氮4.59 g/kg，全磷0.56 g/kg，全鉀5.83 g/kg，pH值 2.0～2.3。試驗(yàn)用復(fù)合肥N-P2O5-K2O含量為18%-18%-18%。

試驗(yàn)用樹為生長勢相近的2年生盆栽‘富士蘋果樹，砧木為平邑甜茶；盆栽容器直徑30 cm、高35 cm、裝土量15 kg；盆栽土壤有機(jī)質(zhì)含量1.08 g/kg，堿解氮112.0 mg/kg，速效磷41.5 mg/kg，速效鉀125.7 mg/kg，pH值 7.33。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，處理G：每盆施入改性蘋果廢枝150 g（土壤質(zhì)量的1%）；處理F：每盆施入化肥6 g（40 mg/kg）；處理G+F，每盆施入改性蘋果廢枝150 g +化肥6 g；空白對照CK。采用單株小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列， 重復(fù)5次，2017年秋季取樣調(diào)查。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤理化性狀 土壤有機(jī)碳含量用Elab-TOC型總有機(jī)碳分析儀測定；全氮用K1100F型全自動(dòng)凱氏定氮儀測定；全磷用鉬藍(lán)比色法、全鉀用火焰光度法；堿解氮用擴(kuò)散吸收法；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法；土壤pH值用酸度計(jì)測定[14]；用TP-SR-1土壤水分傳感器測定土壤相對含水量。

1.3.2 土壤酶活性與微生物數(shù)量 土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性用苯酚-次氯酸鈉比色法；土壤中性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法；土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定[15]。

微生物數(shù)量采用稀釋平板涂抹培養(yǎng)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏一號培養(yǎng)基（每300 mL培養(yǎng)基中加3%重鉻酸鉀1 mL），真菌采用PDA培養(yǎng)基（每100 mL培養(yǎng)基加1%鏈霉素溶液0.3 mL）[15]。

1.3.3 根系構(gòu)型 根系構(gòu)型測定先用ScanMaker i800 plus 掃描儀獲取根系掃描圖像，再用萬深LA-S系列植物圖像分析儀系統(tǒng)測定相關(guān)參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、作圖，SPSS 19.0 進(jìn)行方差分析，Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區(qū)土壤pH值和保水力的影響

改性蘋果廢枝為酸性，用量不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致中性土壤酸化。正式試驗(yàn)之前，先測試了改性蘋果廢枝對盆土pH值的影響。

在15 kg盆土中分別施入50、100、150、200、250 g和300 g（質(zhì)量比分別是0.33%、0.67%、1.00%、13.33%、16.67%和2.00%）改性蘋果廢枝，測定結(jié)果顯示，盆土pH值由7.33分別下降至7.21、7.07、6.95、6.85、6.73和6.59，即在改性蘋果廢枝用量達(dá)到2.00%時(shí)，中性土壤變成微酸性，而用量1.00%時(shí)，盆栽基質(zhì)pH值為6.95，雖然稍微偏酸但仍屬于中性土壤，即150 g改性蘋果廢枝不會(huì)對土壤pH值造成很大影響，因此，后續(xù)試驗(yàn)均采用每盆施入150 g改性蘋果廢枝（1.00%的用量）。

由表1可見，G、G+F和F三個(gè)處理的盆土pH值分別為6.95、7.12和7.34；與對照比較，盡管150 g改性蘋果廢枝處理使盆土pH值下降0.38、150 g改性蘋果廢枝+6 g化肥（G+F）使盆土pH值下降0.21，但都在中性土壤范圍內(nèi)。

圖1表明，灌水后第1～3 d，處理和對照土壤相對含水量（SRWC）在59.4%～79.3%，處于植物生長發(fā)育最適土壤含水量范圍；在此時(shí)段，改性蘋果廢枝及其與化肥配施均使SRWC顯著下降，單施化肥和對照之間沒有顯著差異。灌水后第4～5 d，處理和對照SRWC在49.7%～57.7%，土壤處于輕微干旱狀態(tài)，此時(shí)改性蘋果廢枝與化肥配施對SRWC沒有顯著影響。但第4 d時(shí)G處理的SRWC顯著低于CK，第5 d時(shí)略高于對照；灌水后第6～7 d，處理和對照SRWC在32.6%～44.2%，土壤處于中度干旱狀態(tài)，此時(shí)改性蘋果廢枝與化肥配施的SRWC均顯著高于單施化肥和對照，單施化肥和對照之間沒有顯著差異，尤其是灌水后第7 d，G和G+F處理的土壤相對含水量分別為39.9%和38.6%，分別比對照高22.0%和16.3%，此時(shí)單施化肥和對照的土壤已接近重度干旱（SRWC為32.7%和33.2%），而施用改性蘋果廢枝的土壤仍處于中度干旱，即改性蘋果廢枝在SRWC較低時(shí)可以增強(qiáng)土壤的保水力，減少土壤水分散失。

2.2 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區(qū)土壤微生物種群組成結(jié)構(gòu)的影響

從表2可看出，改性蘋果廢枝、化肥及其配施均顯著提高根區(qū)土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量以及微生物總數(shù)，也顯著提高細(xì)菌數(shù)/真菌數(shù)（B/F）、放線菌數(shù)/真菌數(shù)（S/F）的比值，其中，改性蘋果廢枝與化肥配施的細(xì)菌、放線菌、微生物總數(shù)最高，分別高出對照249.03%、249.31%和248.78%；其次是改性蘋果廢枝單施，細(xì)菌、放線菌、微生物總數(shù)分別提高233.46%、226.55%和232.75%。而且， G+F與F相比，也顯著提高了細(xì)菌、真菌、放線菌以及微生物總數(shù)。表明改性蘋果廢枝施入土壤可促進(jìn)微生物的繁衍和增殖，與化肥配施時(shí)效果更顯著。

土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量比及放線菌和真菌數(shù)量比是反映土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要特征指標(biāo)。表2顯示，與CK相比，處理G、G+F和F顯著提高了B/F和S/F值，三者之間B/F差異不顯著，但處理G+F的S/F顯著高于處理G。土壤病害主要由真菌引起，較高的B/F和S/F是土壤健康的表現(xiàn)[16]，因此，改性蘋果廢枝與化肥配施對于提高放線菌的相對數(shù)量更有利。

2.3 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區(qū)土壤酶活性的影響

蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶分別參與土壤中碳、氮、磷的循環(huán)，其活性與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系。由表3可知，處理G及處理G+F均能顯著提高根區(qū)土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中，處理G使三種酶活性分別提高18.75%、22.01%和39.49%，G+F使三者分別提高32.50%、23.70%、49.86%；單施化肥（F）僅提高中性磷酸酶活性，效果遠(yuǎn)不及單施改性蘋果廢枝及其與化肥配施。處理G+F比處理G略高，但差異不顯著，說明這三種酶的活性變化主要是由改性蘋果廢枝引起。表3還顯示，改性蘋果廢枝與化肥配施顯著提高過氧化氫酶活性，單施改性蘋果廢枝效果不明顯，單施化肥則使之降低。

2.4 改性蘋果廢枝與化肥配施對根系結(jié)構(gòu)的影響

由表4可以看出，改性蘋果廢枝（G）及其與化肥配施（G+F）均顯著提高根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)和根系分形維數(shù)；但單施化肥對根系體積和根系分形維數(shù)影響不顯著。三種處理中，G+F對根系構(gòu)型參數(shù)影響最大，根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)和根系分形維數(shù)分別比CK提高51.75%、46.71%、41.84%、4.55%、99.03%和1.90%。G+F的作用效果也顯著高于改性蘋果廢枝與化肥的單獨(dú)處理，這表明對于蘋果根量、根系加粗和加長生長以及根系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，150 g改性蘋果廢枝和6 g化肥配施比兩者單施均有更好的促進(jìn)作用。

3 討論

根系是樹體與土壤進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的“媒介”，根系的生長發(fā)育除與遺傳特性和樹體地上部長勢有關(guān)外，更多地受到根區(qū)土壤環(huán)境的影響[17，18]。土壤pH值作為一項(xiàng)重要的土壤環(huán)境指標(biāo)[19]，其適宜性和相對穩(wěn)定性對果樹生長，尤其是根系的正常發(fā)育有重要意義。由于改性蘋果廢枝在制作過程中添加了硫酸，剩余的H+使其呈酸性，用量過多會(huì)使土壤pH值下降，但本試驗(yàn)在1%的用量下，土壤雖然稍微偏酸但仍處于中性范圍，而且配施化肥減輕了pH值的下降，對根區(qū)土壤酸堿度影響不大。用量超過1%的改性蘋果廢枝能使土壤pH值明顯下降，也提示在實(shí)際應(yīng)用中，可以1%的用量為標(biāo)準(zhǔn)，在酸性土壤適當(dāng)減少施用量，而在堿性土壤可增加用量，這也給鹽堿地土壤改良提供了新的材料。

根區(qū)土壤水分條件直接影響果樹的生長發(fā)育，施用適量生物質(zhì)炭可以改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高土壤保水能力[20，21]。本研究結(jié)果顯示，在土壤中度干旱時(shí)，施用改性蘋果廢枝可提高土壤相對含水量，表明施用改性蘋果廢枝對減緩?fù)寥栏珊涤幸欢ㄗ饔?。改性蘋果廢枝富含有機(jī)碳，施用有機(jī)肥和生物炭可通過改善土壤理化性狀而提高土壤保水性能[22，23]，改性蘋果廢枝也可能通過類似方式改善土壤水分條件。

土壤微生物是表征土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、種群量越大，越有利于土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)以及根系對養(yǎng)分的有效吸收，合理施肥可以促進(jìn)土壤微生物代謝和種群繁衍[24-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用改性蘋果廢枝、化肥及二者配合施用均可提高土壤細(xì)菌、真菌、放線菌種群數(shù)量以及微生物種群總量，尤其在改性蘋果廢枝和化肥配施時(shí)，效果更突出。Luo等[27]報(bào)道施用生物炭可增加微生物生物量，曹輝等[11]研究認(rèn)為炭化蘋果枝可通過影響土壤結(jié)構(gòu)而改善土壤微生物多樣性。改性蘋果廢枝影響微生物的狀況可能同生物炭類似，而改性蘋果廢枝和化肥配施還提高了土壤養(yǎng)分含量，因此兩者配施更有利于促進(jìn)土壤微生物繁衍。由于植物病原微生物多數(shù)是真菌，而有益微生物多數(shù)是細(xì)菌和放線菌，因此，從微生物種類來講，細(xì)菌和放線菌數(shù)量多更有利于植物健康生長，表現(xiàn)在B/F和S/F值上，即比值越大，土壤中有益菌群越多，對植物生長越有利。本研究施用改性蘋果廢枝及其與化肥配施均提高土壤B/F和S/F值，顯示改性蘋果廢枝對改善土壤微生物種群結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤健康是有益的。

土壤酶是表征土壤生化反應(yīng)方向和強(qiáng)度的重要指標(biāo)，其活性可在一定程度上反映土壤生物活性和土壤肥力狀況[28]。本研究表明，三種處理均不同程度地提高土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中改性蘋果廢枝與化肥配施的數(shù)值最高，其次是單施改性蘋果廢枝，說明改性蘋果廢枝對土壤碳、氮、磷循環(huán)均有促進(jìn)作用，有利于提高土壤肥力，與化肥配施效果更好。生物炭對植物根系生長有促進(jìn)作用[30]，土壤施用適量炭化蘋果枝明顯增加了蘋果根系數(shù)量[13]，施用富含有機(jī)碳的改性蘋果廢枝同樣促進(jìn)了根系生長發(fā)育，與化肥配施效果更好，這很大程度上是改性蘋果廢枝增加微生物數(shù)量、改善微生物種群結(jié)構(gòu)及提高土壤相關(guān)酶活性所帶來的結(jié)果。根系分形維數(shù)可在整體上反映植物根系結(jié)構(gòu)特征和分支狀況，分形維數(shù)值越大，根系分支越多、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[31]。在本研究中，根系分形維數(shù)值由大到小呈現(xiàn)改性蘋果廢枝配施化肥處理>單施改性蘋果廢枝處理>單施化肥處理>對照，這也是根系復(fù)雜程度的排列。改性蘋果廢枝與化肥配施對于改善土壤理化性狀和養(yǎng)分供給有疊加效應(yīng)，因此對促進(jìn)根系發(fā)育和改善根系構(gòu)型呈現(xiàn)出最好的效果。

4 結(jié)論

1%的改性蘋果廢枝及其與適量化肥配合施用，都可提高中度干旱時(shí)的土壤保水性，顯著增加根區(qū)土壤微生物數(shù)量，增大細(xì)菌與放線菌相對于真菌的比例，提高土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性，從而促進(jìn)根系生長和根系分支，其中改性蘋果廢枝與化肥配施效果最顯著。

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