生物質炭基肥對旱塬區(qū)蘋果葉片營養(yǎng)和果實品質的影響

李輝，劉小勇,任靜，韓富軍，陳佰鴻

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院林果花卉研究所，甘肅 蘭州 730070)

黃土高原地區(qū)是我國蘋果優(yōu)生區(qū)，該地出產(chǎn)的蘋果品質好、效益高.在甘肅隴東黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)，果農(nóng)盲目施肥、經(jīng)驗施肥和過量施肥現(xiàn)象嚴重，氮、磷肥投入分別高達99.3%、 91.3%，土壤中有效磷、速效鉀含量偏高，肥料利用率低[1].胡道春等[2]對300戶果農(nóng)調查的結果顯示：氮肥過量施用占調查樣本的78.3%；磷肥過量施用占21.8%，不施鉀肥占37.6%，過量施鉀肥占21.8%.黃土高原半干旱區(qū)果園10 a間土壤有機質含量平均下降到0.91 g/kg，降低了8.7%，這與果園有機肥施用量少、偏施化肥、追求高產(chǎn)等有關[3].化肥的大量施用造成了果實品質下降，可溶性糖、可溶性固形物、VC含量等均較低[4].

礦質營養(yǎng)對果樹生長發(fā)育中產(chǎn)量和品質的改善有重大促進作用[5].各種礦質營養(yǎng)的含量以及它們之間的相互關系，決定著果實維生素C、可滴定酸含量以及果個大小、果實硬度、果形指數(shù)等品質[6-7].生物質炭基肥作為一種新型有機肥料，以生物質炭為基質，根據(jù)不同區(qū)域土壤、作物生長特點以及科學施肥原理，添加了有機質或無機質配制而成的一種生態(tài)環(huán)保型肥料[8]，其主要成分是生物質炭[9].生物質炭本身具有土壤改良和土壤固碳的作用，是良好的土壤改良劑、肥料緩釋材料[10]，也成為一種穩(wěn)定增產(chǎn)、減少化肥施用量[11]、降低環(huán)境污染的長效肥料[12].生物質炭與傳統(tǒng)有機肥和化肥相比較，含有大量植物生產(chǎn)所必需的中量元素，這些元素的應用可以促進植物中特定色素和酶的形成，進而催化并增加植物蛋白質的合成和糖分的積累，提高果實品質[13].研究表明，復合肥與炭基肥配施，可顯著增加番茄果實可溶性糖含量、糖酸比、維生素C[14]；施用炭基肥可顯著提高烤煙N、P、K積累量和產(chǎn)量，增加類胡蘿卜素含量、葉綠素含量[15].目前有關炭基肥的研究主要集中在糧食作物和經(jīng)濟作物上.在果園中應用較少，在旱塬區(qū)蘋果園未見相關研究報道.本試驗結合黃土高原半干旱區(qū)蘋果園的特點，研究生物質炭基肥對蘋果樹體營養(yǎng)和果實品質的影響，探明其最佳施用量，為黃土高原半干旱蘋果產(chǎn)區(qū)合理施肥提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省隴東黃土高原旱塬區(qū)靜寧果樹果品研究所(N 35°20′51″ ，E 105°30′0″ )，海拔1 550 m，年均氣溫7.1 ℃，無霜期159 d，年均日照時數(shù)2 238 h，年均降水量450.8 mm，年蒸發(fā)量1 469 mm.土壤為黃綿土.果園灌溉采用畦灌和溝灌相結合的方式.試驗地土壤養(yǎng)分見表1.

試驗園采用密植栽培方式，株行距為1.5 m×4 m，樹形為細長紡錘形，樹高3～3.5 m，東西行向.試驗地行內鋪設黑色地布，行間種植黑麥草，樹體整齊一致、生長健壯，樹體差異小，無病蟲害，果園管理水平較高.

1.2 供試材料

供試品種為樹齡10 a的寒富蘋果，基砧為山定子，中間砧為M26；授粉品種為秦冠.供試生物質炭基肥(河南省拓農(nóng)生物質新材料有限公司生產(chǎn))為硫酸鉀型炭基肥；常規(guī)用肥為果樹專用肥.供試肥料見表2.

表1 土壤養(yǎng)分情況

表2 供試肥料的基本情況

1.3 試驗設計

試驗設置6個處理：4個生物質炭基肥施肥梯度(T1～T4)和兩個對照(T5為不施肥，T6為當?shù)爻Ｒ?guī)施用的果樹專用肥).T1、T2、T3和T4的總施用量分別為：1 050、1 500、1 950、2 400 g/株，分3次平均施入.施肥時期分別是：幼果期(5月)、果實膨大期(7月)、成熟前期(9月).施肥方法統(tǒng)一，即在樹冠外緣下挖深25～30 cm、寬25 cm的直溝，施入肥料，并與表土充分混勻.每個處理選擇生長發(fā)育一致的樣樹4株，共24株.

1.4 取樣時間和方法

新梢長度和粗度于蘋果新梢停長后測定，每個處理選擇樹冠外圍正常生長、同一高度的當年生枝條50個，用數(shù)顯卡尺測定新梢粗度，用普通卷尺測定新梢長度.

每個處理選擇正常發(fā)育枝中部葉片150片，標記好樣葉并裝入加冰瓶的塑料泡沫箱中，盡快送實驗室處理.

于果實成熟期進行果實采樣.每個處理選擇樹冠外圍1.5～2 m高度、大小均勻、發(fā)育良好的果實15個，共90個.

1.5 測定指標及方法

1.5.1 葉片生理指標測定 葉綠素采用丙酮提取法測定[16]；百葉干質量采用烘干法測定；葉片厚度用YH-1型植物葉片厚度儀測量.葉片全氮、全磷和全鉀分別用半微量凱氏法、酸溶-釩鉬黃比色法、酸溶-火焰光度法測定；鈣用火焰原子吸收分光光度法測定[17].

1.5.2 果實品質測定 果實單果質量和縱橫徑分別用電子天平和游標卡尺測量；用GY-4數(shù)顯式水果硬度計測定果實硬度；果實可溶性糖、可滴定酸和維生素C分別用蒽酮比色法[18]、NaOH中和滴定法和2，6-二氯靛酚滴定法測定[19].

1.5.3 產(chǎn)量測定 產(chǎn)量(Yield)=M×N

式中：M(g)為平均單果質量；N(個)為單株果實個數(shù).

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理，SPSS 22.0軟件對所測數(shù)的平均值進行LSD法，使用 Excel 2010對數(shù)據(jù)作圖分析.

2 結果與分析

2.1 生物炭基肥對樹體生長的影響

增施了生物質炭基肥后，與對照相比較，蘋果新梢長度、粗度、百葉干質量均顯著提高，且隨著施用量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中以T3處理最好.T3的新梢長度為40.4 cm，比T1、T2、T4、T5、T6分別提高了12.22%、3.33%、4.12%、20.60%、23.93%，其中與T1、T5、T6差異顯著.T3的新梢粗度為5.72 cm,比T1、T2、T4、T5、T6分別提高了4.38%、4.00%、1.06%、8.13%、6.72%，除T4外的其他處理差異顯著.不同處理間百葉厚度差異不顯著.T3的百葉干質量為33.60 g，顯著高于T1、T2、T4、T5、T6，分別提高了12.30%、6.84%、10.96%、26.41%、10.60%(表3).

表3 生物質炭基肥對樹體生長的影響

2.2 生物質炭基肥對葉片生理指標的影響

葉綠素含量隨著生物質炭基肥施肥梯度，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，均以T3處理最高，顯著高于對照處理.T3處理的葉綠素a含量為2.28 mg/g，分別比T5、T6提高了8.57%、6.54%，分別比T1、T2、T4提高了5.07%、3.17%、5.07%，且差異顯著.T3處理下的葉綠素b含量為0.73 mg/g，比T5處理顯著提高了19.67%，比T6顯著提高了12.31%，分別比T1、T2、T4提高了10.60%、7.35%、7.35%，且與T1差異顯著.T3處理的葉綠素總量為3.01 mg/g，分別比T1、T2、T4、T5、T6顯著提高了6.36%、4.15%、5.61%、11.07%、7.89%(表4).

表4 生物質炭基肥對葉綠素含量的影響

施用生物質炭基肥后蘋果葉片N、P、K含量均不同程度地提高，各處理間葉片Ca含量無顯著差異.T3的N含量最大，為24.90 g/kg，比T5、T6處理顯著提高了16.19%、14.22%，分別比T1、T2、T4提高了7.56%、3.45%、0.48%，且與T1差異顯著.T3的P含量值最大，為3.01g/kg，比T5、T6處理顯著提高了32.60%、15.33%，分別比T1、T2提高了22.36%、6.74%，且與T1差異顯著.T3處理的K含量值最大，為11.63 g/kg，比T1、T2、T4、T5、T6處理分別顯著提高了14.92%、11.19%、3.93%、19.40%、11.19%(圖1).

圖1 生物質炭基肥對葉片養(yǎng)分含量的影響Figure 1 Effect of biochar fertilizer on leaf nutrient content

2.3 生物炭基肥對果實品質影響

施用生物質炭基肥后，處理間果實硬度和果形指數(shù)無顯著差異.而VC含量隨著生物質炭基肥施用量的增加而提高，T4處理的VC含量值最大，為12.63 mg/100g，比T1、T2、T3、T5和T6處理分別顯著提高了22.86%、12.77%、8.88%、32.40%和18.81%.T4處理的可溶性糖含量最大，達到11.65%，比T1、T2、T3、T5和T6分別顯著提高了19.24%、26.49%、29.60%、41.04%和17.32%，T1、T2和T3均與對照無顯著差異.T3處理的可滴定酸值最低，為0.27%，顯著低于對照，比T5、T6分別降低了25.00%、32.50%，比T1、T2和T4分別降低了28.95%、22.86%、15.63%，T3與T1差異顯著，與T2和T4無顯著差異，見表5.

表5 生物質炭基肥對果實品質影響

2.4 生物質炭基肥對蘋果產(chǎn)量的影響

施用生物質炭基肥后蘋果平均單果質量、果實個數(shù)和產(chǎn)量均有提高，且隨著施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢.T3處理的平均單果質量最高，為327.28 g，顯著高于其他處理，比T1、T2、T4、T5和T6處理分別提高了25.50%、12.94%、14.44%、30.75%和15.08%，T3處理的單株果實個數(shù)最多，為48.0個，顯著高于除T2外的其他處理，分別比T1、T4、T5和T6提高了37.14%、14.30%、50.00%和23.08%.T3的產(chǎn)量為28.62 t/hm2，顯著高于其他處理，分別比T1、T2、T4、T5和T6高76.34%、27.71%、32.13%、113.90%和44.40%(表6).

表6 生物質炭基肥對蘋果產(chǎn)量的影響

2.5 經(jīng)濟效益分析

不同處理間新增投入存在差異，隨著生物質炭基肥施用量的增加，新增投入逐漸提高，T1、T2、T3和T4低于T6處理的新增投入.各施肥處理的經(jīng)濟效益存在差異，隨著生物質炭基肥施用量的增加，經(jīng)濟效益呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，T2、T3和T4處理的生物質炭基肥優(yōu)于果樹專用肥.增收效果最好的是T3處理，與T5相比較增收82 431元/hm2，其次是T2處理，增收47 250元/hm2，各施肥處理與T5相比較凈產(chǎn)值增加了15.26%～102.68%(表7).

3 討論與結論

生物質炭對作物生長及產(chǎn)量的效應受生物質炭用量的影響[20].本試驗研究表明，增施1 950 g/株的生物質炭基肥能夠最大程度地提高樹體生長、葉綠素含量、葉片礦質營養(yǎng)、果實品質和產(chǎn)量，增施生物炭基肥2 400 g/株的處理較1 950 g/株的新梢生長量、葉綠素含量、葉片N、K含量、蘋果產(chǎn)量和經(jīng)濟效益都有所下降，這與蔣惠等[21]的研究結果相似.生物質炭中含有鹽基離子，它們可以交換降低土壤中氫離子及鋁離子含量[22]，提高土壤鹽基離子的飽和度，導致土壤pH值增高[23]，進而導致土壤養(yǎng)分有效性降低；或者與生物炭礦質養(yǎng)分含量低及土壤高的C/N易降低土壤有效性養(yǎng)分有關[24]，因此過量的生物質炭基肥使得作物的生長與產(chǎn)量出現(xiàn)負效應[10].本試驗也在蘋果上得到了證明，過量的生物質炭基肥反而對提高蘋果的品質、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益效果不佳.

表7 不同處理間果樹的經(jīng)濟效益

葉片是植物進化過程中對環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官[25]，樹體的生長狀況直接影響蘋果產(chǎn)量和品質的形成.本試驗研究表明，增施了生物質炭基肥后，樹體生長量、葉綠素含量均有效提高，以T3處理表現(xiàn)最好，這與前人的研究報道相似[26-27].植物葉綠素含量和葉片N素營養(yǎng)有關[28]，生物炭具有多孔性和大的比表面積,能夠提高土壤對NH4+的吸附，生物質炭基肥施入土壤中，NH4+吸附與固持作用明顯增強，氮素損失顯著降低[29]，所以根系對氮素的吸收量也就增大，供給樹體利用的也就更多.黃土高原半干旱區(qū)蘋果葉片明顯存在缺鉀的危機[30]，葉片營養(yǎng)水平直接影響光合作用，進而影響果實產(chǎn)量和品質.本試驗研究表明：增施生物質炭基肥能夠促進葉片N、P、K等礦質元素的提高，以增施1 950 g/株的生物質炭基肥較其他處理提高最多.張玲等[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)生物質炭處理，葉片氮、磷、鉀含量分別較對照提高了22.32%、30.14%、82.33%.說明生物質炭和生物質炭基肥都具有提高葉片氮、磷、鉀含量的作用.生物質炭基肥作為一種長效肥料施入土壤后，由于生物質炭是一種良好的土壤改良劑，土壤中腐殖酸等有機質含量增加,土壤微生物和土壤酶活性提高,有利于根際土壤氮、鉀養(yǎng)分釋放,同時由于土壤疏松度的提高,降低了土壤對鉀離子的吸附,使土壤養(yǎng)分對植株的有效性增加,促進植株對營養(yǎng)元素的吸收[32-34]，而且生物質炭可產(chǎn)生正、負電荷，具有吸持土壤磷素養(yǎng)分的作用，還具有多孔性和巨大的陽離子交換量的能力,能夠吸附土壤NH4+,減少了土壤氨揮發(fā)[23],同時在與肥料混合以后對肥料起到包衣效果,延長了養(yǎng)分的有效性,還可減少養(yǎng)分的淋溶損失，進而顯著提高了土壤的保肥供肥能力以及肥料利用率[35].生物質炭基肥就是通過以上機制，提高土壤供應營養(yǎng)元素的吸收和根系對營養(yǎng)元素的吸收，因而提高蘋果葉片礦質營養(yǎng)水平.

蘋果品質、產(chǎn)量是實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和豐收的重要標志.研究發(fā)現(xiàn)，生物質炭基肥可以顯著提高土壤有機碳含量，土壤pH值，陽離子交換能力，土壤速效磷，速效鉀和礦質氮含量，增強土壤肥力最終提高作物產(chǎn)量[36]，生物質炭與炭基肥混施比傳統(tǒng)施肥蘋果產(chǎn)量分別增加了30.63%和39.92%，果實品質得到顯著提高[37].本試驗研究也發(fā)現(xiàn)，增施生物炭基肥能有效地提高可溶性含糖量、VC含量，降低可滴定酸，施肥1 950 g/株蘋果的產(chǎn)量達到最高，與不施肥相比較增收82 431元/hm2.生物質炭對作物生長與產(chǎn)量的促進作用很少與其直接養(yǎng)分有關，而是通過間接改善土壤理化性質及微生物活性，比如土壤pH影響土壤養(yǎng)分有效性，而土壤養(yǎng)分有效性變化則影響作物生長與產(chǎn)量[10]以及生物質炭通過吸附和負載肥料養(yǎng)分，達到延緩肥料養(yǎng)分在土壤中釋放[38]和降低淋洗損失的作用，進而促進作物養(yǎng)分吸收，提高肥料利用率[35]，最終提高土壤養(yǎng)分供應能力以及根系對N、P、K的吸收能力，葉片礦質營養(yǎng)水平也就提高，進而調控了葉綠素含量、CO2的同化過程和碳水化合物轉化[32].糖信號與N信號之間有緊密的聯(lián)系，而K元素有利于糖由葉子向貯存器官運輸，對果實中的糖積累有促進作用[39]，而且生物質炭自身含有礦質養(yǎng)分(K、Ca、Mg、S、Si等)[10]，這些礦質元素可以有效提高VC含量[40].國外研究表明，有機肥能促進果樹部分生理指標變化，從而提高果實產(chǎn)量、品質[41-42].本試驗也證明了生物質炭基肥在蘋果生產(chǎn)上的應用效果，顯著增加蘋果產(chǎn)量，提高蘋果含糖量、維生素C含量.

本研究應用生物質炭基肥及其效益符合蘋果化肥減量增效和綠色生產(chǎn)的要求，將為同類地區(qū)蘋果優(yōu)質高效生產(chǎn)提供依據(jù).施1 950 g/株的生物質炭基肥對改善黃土高原旱塬區(qū)蘋果葉片營養(yǎng)和果實品質以及提高經(jīng)濟效益具有顯著作用.