綠肥種植配施減量氮肥對橘園土壤肥力及果實質(zhì)量的影響

田 想，張 威，伍玉鵬，胡榮桂，羅 越，姜炎彬

（華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430070）

氮素是果實生長發(fā)育的基礎(chǔ)，對果實產(chǎn)量和品質(zhì)形成發(fā)揮著重要作用［1］。有研究表明，對柑橘生長發(fā)育影響最大的肥料是氮肥［2］。因此，保證氮肥充足是柑橘果樹獲得高產(chǎn)的保證，但氮素過量會對果園生態(tài)環(huán)境造成不良影響。如：土壤板結(jié)且肥力下降，環(huán)境污染，果樹早衰最終導致果樹單產(chǎn)低、果品品質(zhì)下降等問題［3-4］。長期依賴于化肥和農(nóng)藥的投入獲得高產(chǎn)存在諸多弊端，而頻繁的清耕不僅會破壞土壤的理化性狀，造成土壤養(yǎng)分流失，而且會破壞果樹根系的生長環(huán)境［5］。果園種植綠肥可以調(diào)節(jié)果園小氣候，抑制雜草生長和防治病蟲害，從而使果樹優(yōu)產(chǎn)高產(chǎn)，減少環(huán)境污染及土壤侵蝕［6］。因此，改變傳統(tǒng)的果園種植模式，利用果樹行間空地種植綠肥作物，能夠在一定程度上解決中國柑橘產(chǎn)業(yè)面臨的品質(zhì)較低及可持續(xù)生產(chǎn)等 問題。

綠肥作為一種有機肥源，在果園種植后不僅可以減少化肥的使用，還可以培肥土壤肥力，改善土壤質(zhì)量［7-8］，提高果樹根系活力和養(yǎng)分吸收的能力，從而促進果樹生長發(fā)育，提升產(chǎn)量和品 質(zhì)［9-10］。果園綠肥的種植模式主要分為自然生草和人工生草。自然生草是指從當?shù)毓麍@常見的雜草中挑選出適合當?shù)貧夂驐l件，生殖能力強的無害雜草，多年種植后達到覆蓋果園的目的。人工生草則是根據(jù)當?shù)毓麍@性質(zhì)、土壤條件和氣候條件等在果園內(nèi)有選擇地種植一些生殖能力強的草種，如在渭北蘋果園種植白三葉，江蘇常熟蘋果園種植鼠茅草等，都取得了良好的生態(tài)和經(jīng)濟效益［11-13］。豆科綠肥有較強的生物固氮作用，是常用的人工生草種類；有研究表明光葉苕子是適合于華中地區(qū)柑橘園的優(yōu)良綠肥品種［14］。綠肥刈割覆蓋土壤或翻壓入土，在土壤微生物的作用下腐解，會向土壤中釋放出大量的氮磷鉀等營養(yǎng)元素，從而提高土壤肥力和生產(chǎn)力，影響果樹生長發(fā)育和改善果實品質(zhì)［15-16］。相關(guān)研究表明，翻壓光葉苕子，減少化肥用量15%，土壤肥力得到顯著改善，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮等含量顯著提高［17］；綠肥配施減量40%的化肥，蜜柚產(chǎn)量提高10.0%，可食率提高14.5%［18］；種植光葉苕子減少化肥用量1/3，柑橘產(chǎn)量未顯著降低，果實可食率、可溶性固形物等品質(zhì)得到提高［19］。

在我國有關(guān)果園綠肥的研究起步較晚，大部分果園管理方式仍以傳統(tǒng)清耕制度為主，長期依靠大量的化肥投入以達到高產(chǎn)的目的。果園行間種植綠肥在減少化肥施用的同時，一定程度上可以解決果實的品質(zhì)較低及可持續(xù)生產(chǎn)等問題。目前，柑橘園綠肥種植依然處于小面積試驗和小規(guī)模推廣階段，多數(shù)試驗僅是簡單的指標對比分析，沒有從整體上系統(tǒng)地研究“土壤-柑橘-環(huán)境”生態(tài)體系。本研究作為“土壤-柑橘-環(huán)境”生態(tài)體系的一部分，重點關(guān)注氮肥減施下綠肥種植對土壤環(huán)境和柑橘果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為柑橘園綠肥種植的推廣以及氮肥的減施提供理論依據(jù)和技術(shù) 參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2017～2018年在湖北省宜昌市當陽市鳳凰山柑橘基地（N30°39′48.98″，E111°48′24.82″）進行。該地屬亞熱帶季風氣候，平均日照數(shù)為 1 850 h，年均氣溫16.4 ℃，年均降水量936～ 1 048 mm，降水多集中于4～7月。試驗地平均海拔79 m，坡度24°，土壤類型為典型黃棕壤，基本性質(zhì)見表1；柑橘品種為無核椪柑，樹齡15年，冠幅3 m×2.5 m，樹高2.5 m，樹勢中等，均處于盛果期。供試綠肥為光葉苕子（Vicia villosavar.glabrescens），由云南省農(nóng)業(yè)科學院提供。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理：（1）N100：當?shù)赝扑]施氮量，不種植綠肥，自然生草；（2）GN0：不施氮肥，種植綠肥；（3）GN70：當?shù)赝扑]施氮量的70%，種植綠肥；（4）GN85：當?shù)赝扑]施氮量的85%，種植綠肥；（5）GN100：當?shù)赝扑]施氮量，種植綠肥。具體施肥情況如表2所示，各處理磷肥和鉀肥用量保持一致，分別以過磷酸鈣和硫酸鉀施用，氮肥以尿素施用。3次重復，小區(qū)面積為35 m2。于2017年11月7日在果樹行株間撒播光葉苕子，播種量為 75 kg·hm-2，樹盤1 m內(nèi)不種植綠肥，2017年12月6日和2018年6月23日分兩次施肥，單次施用總肥料用量的50%。果樹田間管理按照當?shù)爻Ｒ?guī)管理措施進行，各小區(qū)保持一致。綠肥作物于2018年6月10日刈割，刈割后綠肥殘體直接覆蓋地面還田。

表2 試驗處理及化肥用量和綠肥播種量（kg·hm-2）

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集與制備

綠肥樣品：分別于光葉苕子初花期（2018年 4月17日）、盛花期（2018年5月19日）、終花期（2018年6月10日）采集地上部分以測定產(chǎn)量和養(yǎng)分含量。

土壤樣品：本研究中綠肥刈割覆蓋還田后，腐解期持續(xù)時間為6～9月；土壤樣品的采集時期除綠肥的各生育期以外，還增加了綠肥腐解期（2018年6月24日，以下簡稱“腐解期”）；在每個試驗小區(qū)以五點法采集0～20 cm土樣。土壤自然風干后，挑除植物殘體和石塊等雜物，測定土壤pH、有效磷、速效鉀、堿解氮、微量元素含量以及土壤全氮和有機質(zhì)的含量。

柑橘果實樣品：于柑橘成熟期（2018年12月16日）采集柑橘果實樣品。

1.3.2 測定指標及方法

綠肥樣品：樣品經(jīng)清洗、殺青、烘干并碾磨粉碎后，將不同時期采集的光葉苕子樣品經(jīng)硫酸－雙氧水消煮，分別用半微量開氏法測定全氮含量；鉬銻抗比色法測定全磷含量；火焰光度法測定全鉀含量；重鉻酸鉀容量法測定全碳含量，用原子吸收分光光度計測定有效Fe、Mn、Cu、Zn含量。

土壤樣品：半微量凱氏法測定全氮含量，堿解-擴散法測定堿解氮含量，重鉻酸鉀容量-外加熱法測定有機質(zhì)含量，0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量，1 mol·L-1醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量［20］；乙酸銨交換-AAS測定有效Fe、Mn、Cu、Zn含量。

柑橘果實樣品：測定柑橘果實重量；果實樣品的橫縱徑及果皮厚度均用游標數(shù)顯卡尺（日本，Mitutoyo）測定；柑橘剝?nèi)スび谜ブ瓩C榨汁后，采用氫氧化鈉中和滴定法測定可滴定酸含量，2，6-二氯酚靛酚滴定法測定維生素C含量，手持數(shù)顯糖量計（日本，PAL-1）測定可溶性固形物 含量。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析（One-Way ANOVA，LSD）比較不同處理間的數(shù)據(jù)差異顯著性，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。方差分析在SPSS 19.0中進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥量下光葉苕子的產(chǎn)量和養(yǎng)分累積量

不同比例的氮肥配施作用下綠肥作物光葉苕子的鮮草產(chǎn)量在各個生育期內(nèi)的差異不顯著，初花期產(chǎn)量在6 577～8 012 kg·hm-2之間，盛花期產(chǎn)量在14 592～16 853 kg·hm-2之間，終花期產(chǎn)量在16 156～17 864 kg·hm-2之間；各生育期間產(chǎn)量有一定的差異，盛花期和終花期無顯著差異。總體而言，各處理的鮮草產(chǎn)量均在終花期達到最高，而施氮量的影響并不顯著。

不同施肥量下光葉苕子的氮素累積量在95.58～220.05 kg·hm-2之 間；碳 素 累 積 量 在 1 019.68～2 424.37 kg·hm-2之 間；磷 素 累 積量在11.90～29.71 kg·hm-2之間；鉀素累積量在79.20～172.41 kg·hm-2之間；隨著生育期進行，各元素累積量均逐漸升高，在終花期達到最大值。在光葉苕子的終花期，其碳素累積量最高的是GN85，顯著高于GN0，但與GN70和GN100相比差異不顯著；氮素累積量最高為GN100處理，但與其他處理相比差異不顯著（P>0.05）；磷素和鉀素累積量最高的分別是GN85和GN100處理。

表3 不同施氮量下光葉苕子不同 生育期的地上部鮮草產(chǎn)量 （kg·hm-2）

表4 不同施肥處理下綠肥養(yǎng)分累積量 （kg·hm-2）

2.2 光葉苕子與減量氮肥配施對土壤肥力的影響

終花期光葉苕子的養(yǎng)分累積量達到最高值，且為盡量減少徑流引起的養(yǎng)分流失，本試驗在光葉苕子的終花期對其地上部分進行刈割覆蓋還田為橘園提供養(yǎng)分。為分析光葉苕子種植對土壤肥力的影響，選擇兩段時期的土壤樣品進行分析和比較：終花期和腐解期。從圖1可看出，綠肥腐解后土壤有機質(zhì)、總氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量等均有一定程度的提升。下面主要比較腐解期各個處理的養(yǎng)分含量差異。腐解期土壤有機質(zhì)和總氮含量均高于N100處理。其中，土壤有機質(zhì)含量最高的是GN100處理，為25.11 g·kg-1，其次是GN0和GN70處理，均顯著高于N100處理（P<0.05）；土壤總氮含量最高的也是GN100處理，為1.67 g·kg-1；其次是GN70處理，為1.61 g·kg-1；N100處理最低，為1.44 g·kg-1，各處理間差異不顯著（P>0.05）。土壤堿解氮含量各處理均高于N100，除GN70處理外，其他處理與N100間的差異均顯著（P<0.05）。土壤有效磷含量最高的是GN85處理，為73.06 mg·kg-1，其次是GN70處理，為71.15 mg·kg-1，各處理間無顯著差異（P>0.05）。土壤速效鉀含量最高的是GN85處理，為250.09 mg·kg-1，其次為GN100處理，為243.77 mg·kg-1，N100含量最低，為235.66 mg·kg-1，各處理間差異不顯著（P>0.05）。

圖1 種植光葉苕子配施不同比例氮肥對土壤養(yǎng)分含量的影響

腐解期土壤有效鐵和有效錳的含量較高，有效鐵含量最高的是GN0處理，為78.52 mg·kg-1，N100處理最低，為60.35 mg·kg-1，兩者差異顯著（P<0.05）。有效錳含量最高的是GN100處理，為214.15 mg·kg-1，顯著高于N100處理（165.86 mg·kg-1）（P<0.05）。土壤有效銅含量最高的是GN0處 理，為1.02 mg·kg-1，顯著 高于N100處理；土壤有效鋅含量最高的是GN70處理，為1.46 mg·kg-1，各處理間無顯著性差異（P>0.05）。

根據(jù)以上結(jié)果，種植綠肥一定程度上增加了土壤的有機質(zhì)、總氮、堿解氮、有效磷、速效鉀以及土壤有效鐵、有效錳和有效銅含量；不同氮肥施用量下光葉苕子種植后對土壤養(yǎng)分的影響不盡相同，但總體上使各種養(yǎng)分含量呈不變或升高趨勢，說明種植綠肥對土壤養(yǎng)分含量有積極作用，且替代氮肥用量至30%，不會對土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生不利 影響。

2.3 光葉苕子與減量氮肥配施對柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表5可知，種植光葉苕子配施減量30%、15%和0%的氮肥，三者相比較，柑橘的產(chǎn)量略有波動，但總體來說，柑橘產(chǎn)量與N100相比無顯著差異，可以達到當?shù)爻Ｒ?guī)產(chǎn)量水平。

與總產(chǎn)量變化相似，GN0處理的單果重與其他處理差異顯著，且相比N100降低11.5%，各添加氮肥處理間無明顯差異；果皮厚度所有種植綠肥處理（GN0、GN70、GN85和GN100）與N100間 均無顯著差異；各處理間果實縱徑和果型指數(shù)均無顯著差異（表6）。因此，減少氮肥用量15%～30%，對柑橘外觀品質(zhì)無明顯影響。

表5 種植光葉苕子與不同比例化肥配施下柑橘的產(chǎn)量

表6 綠肥與不同比例化肥配施下柑橘的外在品質(zhì)

就柑橘果實的內(nèi)在品質(zhì)而言，與N100相比，GN100處理對維生素C含量改善最好，提高了6.54%；GN85處理對可溶性固形物改善效果最好，提高了2.72%；可滴定酸、固酸比和出汁率各處理間無明顯規(guī)律；相較N100而言，各種植綠肥處理的可食率均有所提高；所有這些內(nèi)在品質(zhì)指標在各處理間的差異不顯著。因此，減少氮肥用量15%～30%對柑橘內(nèi)在品質(zhì)亦無顯著影響。

表7 綠肥與不同比例化肥配施下柑橘的內(nèi)在品質(zhì)

3 討論

3.1 綠肥與減量氮肥配施對果園土壤肥力的影響

果園生產(chǎn)在綠肥與化肥配合施用的基礎(chǔ)上，適當降低化肥用量，不僅不會減少土壤養(yǎng)分狀況，而且可以改良土壤性狀，提高土壤肥力［7，17］。主要原因有以下幾個方面：首先，豆科綠肥有較強的生物固氮作用，可直接固定空氣中的氮，從而增加土壤中的氮素；其次，各種綠肥莖葉也含有豐富的養(yǎng)分，其植物體腐解后會增加土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀以及各種微量元素的積累；同時，綠肥作物在生長過程中的分泌物以及腐解產(chǎn)生的有機酸能使土壤中難溶性的磷、鉀等轉(zhuǎn)化為能利用的有效磷、鉀；再則，綠肥種植和腐解后，微生物活性大大增加，它們能吸收固定化肥磷、鉀，促進無機磷鉀向有機轉(zhuǎn)化；綠肥還可通過其發(fā)達的根系富集深層土壤中的磷、鉀到土壤耕層中［8，18，21-23］。已有大量研究表明，在果園種植綠肥可以顯著提高土壤肥力，隨著種植年限的增加，土壤有機質(zhì)含量和氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量也逐年增加［24-28］。本試驗中，在橘園種植豆科綠肥光葉苕子后，減少當?shù)赝扑]施氮量的30%，土壤中有機質(zhì)、微量元素鐵、錳、銅以及其它各種養(yǎng)分含量，如氮、磷、鉀等都有一定程度的提升或無顯著變化，說明種植光葉苕子確實一定程度上能替代部分氮肥施用，而不會降低土壤養(yǎng)分，從而達到減施化學氮肥的作用；但由于綠肥種植年限尚短，其對土壤性質(zhì)的改良效果還有待進行連續(xù)多年的觀測。

3.2 綠肥與減量氮肥配施對果實產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

已有大量的研究表明果園種植綠肥可以提高果實產(chǎn)量，促進品質(zhì)的提升［21，29-32］。但綠肥與減量氮肥配施對果實產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究較少。吳杰等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在紅壤地區(qū)的柚園和雪柑園中綠肥配施減量化肥與常規(guī)施肥相比，蜜柚園減少化肥用量40%，蜜柚平均產(chǎn)量提高了10.0%，果樹含酸量和總糖量無明顯差異，可食率提高了14.5%；雪柑園減少化肥用量50%，雪柑平均產(chǎn)量提高了6.0%，果實可食率提高了5.1%，果皮厚度降低了0.4 mm。張久東等［33］通過在小麥地減施化肥和復種毛葉苕子試驗研究，發(fā)現(xiàn)在施用綠肥75 000 kg·hm-2（綠肥干物質(zhì)產(chǎn)量全部還田），降低化肥施用量10%～40%，均不會降低小麥產(chǎn)量，還一定程度上較當?shù)爻Ｒ?guī)施肥提高了經(jīng)濟效益60%以上。綠肥對果實產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在其對樹體長勢的影響，良好的樹體長勢能提高果實單果重、果實硬度、可溶性固形物含量等方面的綜合質(zhì)量。綠肥對樹體長勢的影響在于其一方面可在降雨時期儲蓄水分、防止水土流失，在干旱、高溫季節(jié)能顯著降低果園土壤溫度，保持土壤濕度；另一方面通過自身分泌或分解釋放出大量的有效養(yǎng)分以供果樹利用［34-38］。礦質(zhì)和非礦質(zhì)營養(yǎng)元素對果實的品質(zhì)影響很大，氮是果樹生長發(fā)育的必需元素，對植株生長及果實品質(zhì)起到十分重要的作用；磷是細胞分裂中合成DNA必需的成分之一，缺磷的果實細胞數(shù)目減少，生長受到影響；鉀能促進細胞體積增大和糖分向果實體內(nèi)運輸，果肉細胞中糖分的積累可有效促進果實的著色，有機酸是決定水果味感的重要成分，柑橘中的有機酸主要為檸檬酸，促進了果實的可食性；因此，綠肥的種植通過直接或間接的影響，在提高果實產(chǎn)量的同時，提升果實的品質(zhì)。本研究中，在橘園種植綠肥并減少15%～30%的氮肥施用量時，與常規(guī)施肥相比，柑橘的果實品質(zhì)和產(chǎn)量無顯著差異或略有提高，說明在綠肥的保土培肥作用下，減施30%氮肥用量不會導致柑橘減產(chǎn)和果實品質(zhì)變差。

4 結(jié)論

本研究在現(xiàn)有橘園化肥施肥量條件下，進行綠肥種植配施減量氮肥試驗，得出結(jié)論：與常規(guī)施肥相比，種植豆科綠肥光葉苕子，可以減少30%的化學氮肥施用，還可為柑橘園土壤提供充足的肥源，以保證柑橘果實品質(zhì)和產(chǎn)量，因此，可以在光葉苕子適生區(qū)嘗試推廣柑橘園間種光葉苕子，以減少氮肥的施用，提高生態(tài)和經(jīng)濟效益。