果樹枝條掩埋發(fā)酵最佳模式研究

李 祥，王永平，柯希恒，孫喜軍，郭學(xué)軍，褚春年，王耀鳳，胡月莉，曾 橋

（1.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院/中國輕工業(yè)輕工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西 西安 710021；3.西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 西安 710061；4.白水縣蘋果試驗站，陜西 白水 715600；5.西安市農(nóng)機監(jiān)理與推廣總站，陜西 西安 710065）

【研究意義】近年來，隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化，昔日作為燃料的果樹枝條已淡出人們視野，變成了隨意丟棄、堆積如山的廢物，造成河道堵塞、果園環(huán)境惡化、火災(zāi)隱患發(fā)生等后果，嚴(yán)重制約果業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展［1］。果樹枝條中含有機碳4.7%、N 0.5%～0.67%、P 0.09%～0.15%、K 0.44%～0.50%，還含有大量合成果實風(fēng)味物質(zhì)、花青素輔酶的微量元素［2］。盡管枝條栽培食用菌［3］、制備飼料［4］的技術(shù)已經(jīng)成熟，但由于枝條纖維化程度不同、成分差異較大等原因制約了這些技術(shù)的推廣應(yīng)用，目前，枝條基質(zhì)化、飼料化不足20%，肥料化是枝條利用的主要途徑［5］。枝條堆肥雖然是枝條利用的主要方式，但由于枝條撿拾、搬運、粉碎、堆肥、施肥過程中勞動力消耗大，致使枝條肥料化成本高。因此，探索農(nóng)村勞動力缺乏大背景下，省時、省力的枝條肥料化模式成為研究焦點?！厩叭搜芯窟M展】趙鵬［6］研究了枝條覆蓋技術(shù)對果園土壤性狀、果品質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)枝條覆蓋能顯著提高土壤有機質(zhì)、速效磷、鉀及有效鐵、錳、銅、鋅的含量，果樹葉片葉綠素含量比對照增加7.7%～19.8%，產(chǎn)量比對照提高47.3%，果品中可溶性固形物含量較對照增加6.6%。李志剛等［7］研究了枝條翻埋、覆蓋對土壤性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)枝條翻埋、覆蓋均能提高土壤總孔隙度、田間持水率、有機碳、有效磷和速效鉀含量，提高了土壤呼吸強度、微生物（細菌、真菌和放線菌）數(shù)量和酶（脲酶、過氧化氫酶）活性，降低了土壤密度。【本研究切入點】通過開溝機械開溝，研究枝條掩埋方式對枝條腐解率、果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率、果園CO2濃度、土壤溫度、水分含量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究結(jié)果為果樹枝條的肥料化利用提供技術(shù)支撐，探索省時省力的枝條肥料化利用模式，以適應(yīng)農(nóng)村勞動力缺乏的狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗蘋果園位于陜西省渭南市白水縣境內(nèi)（109°16′～109°45′E，35°4′～35°27′N），平均海拔約850 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，晝夜溫差大；年平均降水540 mm，無霜期217 d，年日照時數(shù)2 397～2 641 h；土壤為黃綿土，土層深厚，中性偏堿。

供試FT有機肥發(fā)酵菌種（有效活菌數(shù)大于2×1010 CFU/g），武漢豐甜生物科技有限公司產(chǎn)品；土壤調(diào)理劑，陜西科技大學(xué)農(nóng)林技術(shù)推廣中心自制；尿素，陜西陜化化肥股份有限公司產(chǎn)品；豬糞尿來自白水縣天順養(yǎng)豬專業(yè)合作社。

HF-LDKGJ 38馬力柴油履帶開溝回填機，山東浩發(fā)機械有限公司；USafe 3000手持式CO2檢測儀，山盾科技（深圳）有限公司；CWS20插入型溫濕度變送器，北京星儀傳感器技術(shù)有限公司；YMJ-D手持活體葉面積儀，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司。

1.2 試驗方法

枝條開溝掩埋發(fā)酵試驗于2018—2020年在白水美好家園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)8年生蘋果試驗園進行。2018年3月1日進行冬剪，冬剪時先確定作業(yè)行，將作業(yè)行的果樹枝條放在相鄰兩行，3月5日用開溝機在作業(yè)行開寬30～35 cm、深35～40 cm的溝，將相鄰3～5行（視枝條數(shù)量而定）的枝條、落葉、枯草整齊地填入溝內(nèi)，將養(yǎng)殖企業(yè)的沼液或干濕分離后的尿液均勻噴灑在枝條表面，枝條的位置控制在離地面10 cm，以免回填時將枝條翻出。

試驗設(shè)3個處理：處理1，按75 kg/hm2自帶營養(yǎng)的FT有機肥菌種、50 kg/hm2尿素的比例，均勻撒在枝條表面；處理2，按75 kg/hm2自帶營養(yǎng)的微生物菌劑、50 kg/hm2尿素及20 kg/hm2土壤調(diào)理劑的比例，均勻地撒在枝條表面；處理3，按750 kg/hm2尿素的比例將其均勻撒在枝條表面，不加自帶營養(yǎng)的微生物菌劑及土壤調(diào)理劑；以不進行開溝掩埋發(fā)酵枝條為對照。枝條長度與溝的方向一致，每個處理間隔3～5行。處理后4～7 d，用多功能田園管理機進行覆土填平，果樹枝條覆土厚度為10 cm，7～10 d后澆灌水1次，翌年按計劃在其上栽種三葉草。在每個試驗區(qū)內(nèi)隨機選擇5個點，每點標(biāo)記1～12捆枝條，每隔3個月測定枝條腐解率，計算周年累計腐解率，并測定試驗區(qū)近地層CO2的濃度；2019—2020年在蘋果樹越冬期（2019年12月15日）、花期（2020年5月15日）、果實膨大期（2020年8月15日）、成熟期（2020年10月15日）分別測定各處理地下20 cm處土壤含水量及10、20、30 cm處的溫度。2020年8月份調(diào)查果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率。

枝條腐解率測定：將直徑2～3 cm的枝條收集后分60份，稱量干重并標(biāo)記，按試驗設(shè)計分別埋入處理1、2、3的土中，每季度取1份水洗后干燥稱重，重復(fù)3次，1年測4次，計算枝條腐解率［8-9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 枝條掩埋發(fā)酵方式對枝條腐解率的影響

由表1可知，處理1、2、3枝條周年累計腐解率隨發(fā)酵時間的推移呈“小-大-小”的變化趨勢，其原因是枝條腐解率受枝條腐解產(chǎn)物濃度及發(fā)酵溫度的雙重影響。一方面枝條剛開始腐解時產(chǎn)物濃度較小對枝條腐解反應(yīng)的抑制作用小［10-11］，另一方面是3—6月的發(fā)酵溫度相對較低，枝條腐解酶（纖維素酶、木質(zhì)素酶、半纖維素酶）的活性較低，因而枝條腐解率較?。浑S著溫度升高，酶活性增加，但枝條腐解產(chǎn)物的濃度高而影響枝條的腐解速度。處理2枝條周年腐解率最高、為40.1%，處理3枝條周年腐解率最低、為29%，處理1介于兩者之間，其原因是微生物菌種的加入增加了土壤中微生物的數(shù)量，在外源土壤微生物的共同作用下，枝條腐解率增加；枝條的碳氮比一般為80～100∶1［12］，不適合微生物繁殖，加入尿素調(diào)節(jié)了枝條發(fā)酵物的碳氮比，使其更適合微生物菌劑的生長、繁殖，增加了枝條腐解酶的活性［13］，從而加速枝條腐解；土壤調(diào)理劑的Ca2+、Mg2+促進了土壤團聚體的形成［14］，增強了土壤的透氣、透水性，為微生物的生長繁殖創(chuàng)造了條件?？梢?，微生物菌劑、尿素、土壤調(diào)理劑的復(fù)合作用，加速了枝條的腐解，因此處理2的枝條周年腐解率比處理1、3高。

表1 枝條掩埋發(fā)酵方式對枝條腐解率的影響Table 1 Effect of burying fermentation modes on decomposition rate of branches

一般枝條堆肥發(fā)酵時枝條的腐解率為50%以上［15］，而枝條掩埋發(fā)酵枝條的腐解率最高僅為40.1%，遠遠低于高溫堆肥發(fā)酵，其原因可能與高溫發(fā)酵時溫度高、酶促反應(yīng)速度快有關(guān)。以枝條腐解率為評價指標(biāo)，處理2為枝條掩埋發(fā)酵的最佳模式，鑒于處理2枝條周年腐解率僅為40.1%，建議采用枝條掩埋發(fā)酵技術(shù)每3～5年還田1次。

2.2 枝條掩埋發(fā)酵方式對果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率的影響

2020年8月，按每個處理隨機選5顆果樹75個枝干的方法，調(diào)查3個處理及對照果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率；按照東南西北中5點取樣法，每點隨機取10片葉子，采用質(zhì)量法、YMJ-B型葉面掃描儀測定葉面積，結(jié)果見表2。由表2可知，處理1、2、3果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率均顯著低于對照，其原因是果樹輪紋病、腐爛病由梨生囊孢殼菌［16］、蘋果黑腐皮殼菌［17］引起，梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌均屬真菌，以菌絲及分生孢子器寄生在病枝、落葉、枯草上越冬，通過枝條修剪由創(chuàng)傷口浸染果樹，引起果樹疾病。由于梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌為好氧菌，生長需要一定的氧氣，而枝條掩埋發(fā)酵隔絕了氧氣，隨著發(fā)酵的進行，梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌逐漸死亡，減少了果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率。果樹腐爛病對果樹生長造成嚴(yán)重的影響，俗稱果樹“癌癥”，枝條掩埋發(fā)酵不僅不會引起腐爛病、輪紋病傳播，還降低了發(fā)病率。冬季清園、保持果園清潔是防止果樹疾病的有效措施。

表2 枝條掩埋發(fā)酵方式對果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率的影響Table 2 Effects of burying fermentation modes of branches on the incidence of rotten disease and ring rot disease of fruit trees

處理1、2、3果樹的平均百葉重、葉面積均顯著高于對照，其原因是，枝條掩埋發(fā)酵實際上是枝條肥料化的過程，枝條中大分子的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素在微生物酶的作用下降解成小分子有機物，同時釋放出CO2，小分子有機物如酸、醛、酮等都是植物生長的刺激素［18］，能刺激果樹生長，CO2是光合作用的原料（表2）。

處理2果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率低于處理1、3，而百葉重、葉面積高于處理1、3，其原因是處理2中的土壤調(diào)理劑促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，增加了土壤的孔隙率及氧氣濃度，抑制了土壤中一些厭氧微生物對果樹生長的影響。進一步說明處理2為枝條掩埋發(fā)酵的最佳模式，也說明枝條掩埋發(fā)酵過程中添加尿素、微生物菌劑、土壤調(diào)理劑的重要性。

2.3 枝條掩埋發(fā)酵方式對果園大氣中CO2濃度的影響

由表3可知，處理1、2、3行間近氣層CO2濃度明顯高于對照，其原因是埋入地下的枝條、落葉、枯草在微生物酶的作用下，其中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在降解為小分子糖類、苯酚類物質(zhì)的同時，向大氣中釋放了CO2，增加了園區(qū)內(nèi)CO2濃度。CO2是植物光合作用的主要原料，同時又是C3植物進行光合作用的主要限制因子之一，空氣中CO2的濃度直接影響植物葉片中水分調(diào)節(jié)氣孔的張開程度［19］。

表3 枝條掩埋方式對果園近氣層CO2濃度的影響Table 3 Effects of burying modes of branches on CO2 concentration in near-atmosphere of orchard

2.4 枝條掩埋發(fā)酵方式對果園土壤溫度、濕度的影響

不同處理、果樹不同生長時期土壤的水分含量和溫度測定結(jié)果見表4、表5。從表4可以看出，處理1、2、3蘋果不同生長期20 cm處土壤的水分含量均高于對照，說明枝條掩埋溝具有蓄水保墑的作用，能將有限的雨水貯藏于發(fā)酵坑中。處理2蘋果生長各個時期土壤的含水量均大于處理1和處理3，主要原因是處理2中枝條的腐解率大于處理1和處理3，枝條在腐解過程中形成了親水性更強的酸、醛類物質(zhì)，增加了土壤的持水力，而且土壤調(diào)理劑增加了土壤團聚體，更有利于雨水下滲。

表4 枝條掩埋發(fā)酵方式對20cm處土壤水分含量（%）的影響Table 4 Effects of burying fermentation modes of branches on moisture content in 20 cm soil layer

表5 枝條掩埋發(fā)酵方式對土壤溫度的影響Table 5 Effects of buryingfermentation modes of branches on soil temperature

從表5可以看出，當(dāng)冬季氣溫較低時（2019年12月15日），處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度分別比對照高1.6、1.9、1.0 ℃和1.1、1.4、0.7 ℃，利于果樹越冬；當(dāng)夏季氣溫較高時（2020年8月15日），處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度分別比對照低8.4、8.8、7.9 ℃和5.8、6.0、6.2 ℃，避免了高溫對果樹根系的影響。一般認為，蘋果根系的最適生長溫度為7～20 ℃，土壤溫度大于5.4 ℃蘋果根系就開始生長，20 ℃時根系生長最快［21］，說明枝條掩埋發(fā)酵對保護果樹根系具有一定的積極意義。

3 討論

果樹枝條掩埋發(fā)酵方式對枝條腐解有一定影響，原因有多個方面。一方面埋在土壤中枝條腐解速率取決于枝條本身，枝條中的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等［22］化學(xué)物質(zhì)的含量相對高低及纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的相互結(jié)合的方式；另一方面枝條腐解率的快慢主要取決于影響枝條掩埋發(fā)酵的外部因素，如水分、溫度、微生物、土壤離子濃度等。本研究中，處理2枝條周年腐解率最高、為40.1%，處理3最低、為29%，這是由于處理2通過微生物菌種的添加，使得土壤微生物數(shù)量增多，在一定程度上對枝條的腐解起到“催化劑”的作用。

果樹枝條修剪留下的創(chuàng)傷口會增加患果樹輪紋病、腐爛病等的風(fēng)險。將果樹裁剪下的枝條進行堆肥掩埋處理，不僅減少了果園枝條廢物的堆砌，還能有效降低果樹患果樹輪紋病、腐爛病等病害的風(fēng)險，這是由于通過開溝掩埋枝條，使得梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌的生長條件受到抑制，從而降低正常果樹生病的風(fēng)險。果樹枝條通過開溝掩埋，最終會被分解成有機物小分子，供給果樹的根系，在一定程度上促進果樹生長。本研究處理1、2、3果樹的平均百葉重、葉面積顯著高于對照，也從側(cè)面反映果樹枝條掩埋是很好的處理方式，這是一種良好的果樹枝條循環(huán)利用技術(shù)。

一般情況下，植物進行光合作用的最適CO2濃度為1 000 μmol/mol［20］。本研究中，處理1、2、3行間近地層CO2的濃度均低于1 000 μmol/mol，但處理2的CO2濃度最高，可使植物的光合速率加快，其原因是CO2濃度升高不僅為植物光合作用提供了更多的反應(yīng)原料，還提高了l,5-二磷酸核酮糖（RuBP）羧化酶的活性，增強了對CO2的固定能力，同時抑制了RuBP加氧酶的活性，降低了植物的光呼吸強度，從而提高了植物的光合作用效率。

果樹枝條掩埋在一定程度上會蓄水保墑，其原因可能是在枝條的腐解需要大量水分來促進枝條腐解，枝條腐解會形成各種有機物小分子，水分的存在會促進有機物小分子更容易進入果樹的根系部位從而被吸收利用。本研究中，處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度均比對照高，說明果樹枝條掩埋發(fā)酵對于果樹過冬具有保溫作用，其原因可能是枝條在土壤進行腐解的過程中，會釋放一定的熱量，加之冬天土壤中流動水分含量相對降低；而在夏天時，處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度均比對照低，形成這種現(xiàn)象的原因是夏天土壤中的流動水分含量較多，土壤的“呼吸作用”較強，果樹枝條開溝掩埋的蓄水保墑作用，對于夏季果樹的生長具有一定好處。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，采用果樹枝條掩埋技術(shù)處理枝條，枝條平均腐解率為34.6%，低于高溫堆肥的枝條腐解率［11］，但可省去撿拾、搬運、粉碎、堆肥、施肥環(huán)節(jié)，降低了枝條肥料化的成本，十分適合在農(nóng)村勞動力缺乏的時代背景下推廣，建議果園每3～5年輪作1次；果樹枝條掩埋技術(shù)不僅不會引起果樹腐爛病、輪紋病的傳播，而且阻斷了腐爛病、輪紋病的傳播渠道，大大降低了果樹疾病的發(fā)病率；果樹枝條掩埋技術(shù)增加了近地層CO2的濃度，有利于果樹進行光合作用。果樹枝條開溝掩埋發(fā)酵具有蓄水保墑的作用，能夠緩和溫度對根系生長的影響。尿素、微生物菌劑是枝條掩埋發(fā)酵的必要條件。按每公頃75 kg自帶營養(yǎng)的微生物菌劑、50 kg尿素及20 kg土壤調(diào)理劑的比例，將它們均勻地撒在枝條表面，是果樹枝條開溝掩埋發(fā)酵的最佳模式。