石灰對蘋果園土壤改良和植株生長的影響

孟璐， 范敬文， 賽欣娛， 曾路生， 宋祥云， 崔德杰

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109）

我國蘋果種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1-2]，果樹產(chǎn)業(yè)是我國種植業(yè)中僅次于糧食和蔬菜的第三大產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)民增收、脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要作用[3]。施肥有利于提高蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)。對山東蘋果主產(chǎn)區(qū)煙臺、威海主要縣市的1 105個土壤樣品分析表明，膠東半島地區(qū)蘋果園土壤的有機(jī)質(zhì)平均含量為1.14%，堿解氮含量為74.97 mg·kg-1，速效磷含量為40.97 mg·kg-1，速效鉀含量為122.7 mg·kg-1；即土壤養(yǎng)分表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量偏低、堿解氮呈兩極分化、速效磷偏高，而速效鉀偏低且土壤酸化嚴(yán)重，容易造成元素缺乏，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)缺素癥[4]。李宗耕等[5]調(diào)查也表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量低和酸化是蘋果產(chǎn)區(qū)存在的主要問題。土壤酸化會影響果樹根系的生長以及對養(yǎng)分的吸收。因此，提高土壤pH、改良土壤的理化性狀對促進(jìn)果樹的生長發(fā)育及果實(shí)品質(zhì)提升具有重要意義。

研究表明，大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[6]。而施入石灰可以中和土壤，提高土壤pH，改善土壤理化特性，提高養(yǎng)分有效性，降低農(nóng)作物被重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。國艷春等[7]研究表明，石灰、綠肥和生物有機(jī)肥不僅可以提高土壤養(yǎng)分含量，也是常用的土壤改良劑。施用石灰可以緩解土壤酸化，促進(jìn)植株養(yǎng)分吸收；提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于果樹穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，改良果實(shí)品質(zhì)[8-9]；還可以有效提高果樹的光合作用[10]。石灰中的鈣離子作為第二信使參與植物的光合作用，能促進(jìn)葉綠素和胡蘿卜素含量，提高光合速率和氣孔導(dǎo)度，有利于吸收CO2，提高光合作用[11]。

已有研究多采用施入生石灰或有機(jī)肥與土壤調(diào)節(jié)劑配施等方法調(diào)節(jié)土壤pH，而有機(jī)肥與石灰配施進(jìn)行土壤酸度調(diào)節(jié)的方法尚未見報(bào)道。因此，本研究在田間試驗(yàn)條件下，探討施用有機(jī)肥基礎(chǔ)上配施不同質(zhì)量的石灰對土壤pH等理化性狀的影響，以及對蘋果樹光合作用等生理指標(biāo)的影響，以期為改良蘋果園土壤性狀、提高蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)提供技術(shù)指導(dǎo)，為促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展保駕護(hù)航。

1 地區(qū)概況和研究方法

1.1 地區(qū)概況

試驗(yàn)蘋果園位于膠東半島西部的青島平度市舊店鎮(zhèn)（36°28′—37°02′ N， 119°31′—120°19′ E），該地區(qū)是山東省重要的蘋果產(chǎn)地。平度市蘋果園多分布于低山丘陵和傾斜平原地帶，土壤類型以棕壤為主，多含粗砂礫石，養(yǎng)分含量低。同時(shí)平度市屬暖溫帶東亞半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)氣候四季分明，春季干旱多風(fēng)、夏季高溫多雨、秋季秋高氣爽、冬季寒冷干燥。年平均氣溫11.9 ℃，無霜期195.5 d，日照時(shí)數(shù)約2 700 h，年平均降水量680 mm。

1.2 試驗(yàn)處理

2020年6月根據(jù)蘋果園土壤的酸化狀況，設(shè)置石灰撒施量分別為0（CK）、4 500（T4500）、6 000（T6000）和7 500 kg·hm-2（T7500）共4個處理，將石灰均勻撒施于地表后翻壓入土，與0—30 cm土壤充分混合均勻。每處理3次重復(fù)，每個小區(qū)100 m2。所有處理均于前一年（2019年）11月地表撒施有機(jī)肥4 830 kg·hm-2作基肥，并翻壓入土；2020年3和9月分別施入復(fù)合肥800和860 kg·hm-2。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定 于蘋果收獲期，采用“S”型5點(diǎn)取樣法，按0—20和20—40 cm分層取樣，每個小區(qū)每層選取10個點(diǎn)位的土樣充分混合，以確保樣品的代表性?；靹蚝蟛捎谩八姆址ā比⊥寥罉悠? kg，風(fēng)干過篩處理，用于土壤基本理化性質(zhì)測定。土壤堿解氮（alkaline hydrolysis nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）、速效鉀 （available potassium，AK）和有機(jī)質(zhì)（organic matter，OM）含量的測定采用常規(guī)分析方法，參考《土壤農(nóng)化分析》[12]。

采用干篩法[13]對土壤團(tuán)聚體進(jìn)行分級，采用Rrez-Boem F H 等計(jì)算模型統(tǒng)計(jì)平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GWD）和分形維數(shù)（fractal dimension, D），計(jì)算公式如下。

式中，xi為徑級平均直徑（mm）；wi為重量百分含量，為平均直徑（mm）；ωi為某級重量百分含量。

1.3.2 蘋果葉片生理性狀的測定 在蘋果成熟期，于相同枝干取葉片10片，烘干研磨后，過1 mm篩，測定葉片全氮、全磷和全鉀含量。其中，全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用釩鉬黃比色法測定；全鉀含量采用火焰光度計(jì)法測定。于蘋果成熟期，選擇晴天采用CIRAD-3光合儀（漢莎公司）測定長梢中部6片功能葉片的光合作用指標(biāo)，包括凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）。同時(shí)標(biāo)記所測葉片，于正午陽光充足時(shí)，利用美國漢莎公司生產(chǎn)的MPEA儀器測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括初始熒光值（initial fluorescence value，F(xiàn)o）、最大熒光值（maximum fluorescence value，F(xiàn)m）、可變熒光值（variable fluorescence valueFv）和以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（PIabs）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用不同量石灰對蘋果園土壤理化性質(zhì)的影響

施用石灰對土壤理化性質(zhì)有顯著影響（表1）。在0—20 cm土層，施用石灰處理的pH均顯著高于CK，其中T6000和T7500處理又顯著高于T4500處理。在20—40 cm土層，T7500處理的pH顯著高于其他處理；T4500和T6000處理與CK差異不顯著。施用石灰后，土壤養(yǎng)分含量狀況得到改善，堿解氮、速效磷和速效鉀含量增加。其中，T7500處理0—20和20—40 cm土層土壤的堿解氮與速效磷含量均顯著高于CK；且施用石灰處理0—20 cm土層的速效鉀含量均顯著高于CK。0—20 cm土層土壤的有機(jī)質(zhì)含量高于20—40 cm土層；但同一土層中不同處理間無顯著差異。

2.2 施用不同質(zhì)量石灰對蘋果園土壤團(tuán)聚體的影響

由圖1可知， 在CK處理中，0.5～0.25 mm的土粒占比最大，為24.78%，2～5 mm土粒占比最少，僅12.63%；在T4500、T6000和T7500處理中，＞5 mm土粒占比最大，分別為43.64%、26.80%和53.26%，＜0.25 mm土粒占比最少，分別為8.68%、10.89%和6.01%。土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）越大，團(tuán)聚體越穩(wěn)定。由圖2可知，施用石灰處理后，土壤平均重量直徑和幾何直徑都有所提高，其中T7500處理增幅最大。

圖1 不同處理土壤團(tuán)聚體粒徑分級Fig. 1 Particle size classification of soil aggregates under different treatments

圖2 不同處理土壤的平均重量直徑、幾何重量直徑、分形維數(shù)Fig. 2 Mean weight diameter， geometric mean diameter and fractal dimension of soil under different treatments

2.3 施用不同質(zhì)量石灰對土壤水溶性陰陽離子含量的影響

與CK相比圖3，石灰處理下0—20 cm土層土壤的鈣離子含量顯著增加；鎂離子含量顯著下降；鉀離子含量也有不同程度的下降；T7500處理土壤中的鈉離子含量較CK顯著降低?？傮w而言，各處理0—20 cm土層的陽離子含量高于20—40 cm土層。由圖4可知，陰離子中以硫酸根離子占優(yōu)勢；與CK相比，T7500處理土壤中的碳酸氫根和氯離子顯著增加，而硫酸根離子顯著降低。

圖3 不同處理下土壤的陽離子含量Fig. 3 Contents of positive ions in soil under different treatments

圖4 不同處理下土壤的陰離子含量Fig. 4 Contents of anions in soil under different treatments

2.4 施用不同質(zhì)量石灰對蘋果樹葉片熒光值的影響

由表2可知，石灰處理對蘋果樹葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)有顯著影響，其中，對最大量子產(chǎn)率影響較小。T4500、T6000和T7500處理的初始熒光值（Fo）分別較CK提高3.92%、19.78%和11.99%。T7500處理的最大熒光值（Fm）和可變熒光值（Fv）分別較CK顯著提升8.55%和9.81%，其他處理與CK差異不顯著。

表2 不同處理下葉片的熒光值Table 2 Fluorescence values of leaves under different treatments

2.5 施用不同質(zhì)量石灰對蘋果樹葉片光合作用的影響

施用石灰對果樹葉片的光合作用指標(biāo)具有促進(jìn)作用（表3）。T4500、T6000和T7500處理蘋果樹葉片的凈光合速率均較CK顯著提高，其中，T7500處理的凈光合速率提高69.7%。與CK相比，施用石灰處理蘋果樹葉片的蒸騰速率顯著提高，其中T4500處理又顯著高于T6000和T7500處理。施用石灰處理蘋果樹葉片的氣孔導(dǎo)度也顯著高于CK，T6000和T7500處理又顯著高于T4500處理。T7500處理蘋果樹葉片的細(xì)胞間隙CO2濃度顯著高于其他處理。

表3 不同處理下果樹葉片的光合作用Table 3 Photosynthesis of fruit tree leaves under different treatments

2.6 施用不同質(zhì)量石灰對蘋果樹葉片氮、磷、鉀含量的影響

由圖5可知，施用石灰后，蘋果樹葉片中的氮含量較CK均顯著增加，其中T4500處理最高；T6000處理葉片中磷含量顯著高于CK，T4500和T7500處理與CK差異不顯著；T4500和T6000處理葉片的鉀含量顯著低于對照，而T7500處理與CK差異不顯著。

圖5 不同處理下葉片的氮、磷、鉀含量Fig. 5 Contents of N， P and K in leaves under different treatments

3 討論

3.1 石灰可以有效改善土壤的理化性質(zhì)

石灰的施入可有效改善土壤理化性質(zhì)。本研究表明，不同石灰用量時(shí)蘋果園不同土層土壤的pH和土壤養(yǎng)分含量存在差異。其中，施用7 500 kg·hm-2石灰處理0—20 cm土層土壤的pH和堿解氮含量增幅最大，且土壤速效磷和速效鉀含量也有所增加，但對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響較小。石灰對表層土壤的作用效果更為明顯，堿性的石灰中和了土壤酸度，使得土壤pH上升，而pH升高有利于土壤中微生物活性升高，從而促進(jìn)堿解氮的產(chǎn)生[14]。酸度的降低還可減輕鋁對植物的毒害作用，促進(jìn)植物根系對鉀和磷的吸收。對于20—40 cm土層，由于深度增加受石灰影響稍弱，pH變化較小，礦化程度低使有機(jī)質(zhì)含量增多，王偉妮等[15]研究證明，土壤有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量間呈顯著正相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。

石灰可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性。李瑋等[16]研究表明土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其質(zhì)量和數(shù)量與土壤肥力的高低密切相關(guān)。土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒通過凝聚膠結(jié)作用等自然過程而形成的土壤結(jié)構(gòu)，一般可以分為大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和微團(tuán)聚體(＜0.25 mm)。張玥琦[17]研究表明，石灰可以增加土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，并提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這是因?yàn)橥寥乐锈}離子含量的增多可以提高陰陽離子結(jié)合能力，增加土壤中離子間的相互作用，進(jìn)而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。在本研究中，施用石灰后大團(tuán)聚體含量顯著增加，同時(shí)MWD和GMD較CK也有不同程度的增加。由此表明，施用石灰有利于提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

3.2 石灰可以促進(jìn)果樹生理活動的進(jìn)行

石灰可有效改善果樹葉片的各項(xiàng)生理指標(biāo)。石灰的主要成分是碳酸鈣，施用石灰增加了土壤中的鈣離子含量，而植物中的鈣離子有利于增加葉綠素含量，從而提高光合作用。鎂是葉綠素的重要組成部分，也是葉綠體結(jié)構(gòu)必不可少的元素之一[18]，施用石灰促進(jìn)了植株對鎂離子的吸收，使土壤中鎂離子濃度減少。植物可通過碳酸酐酶的作用利用碳酸氫根離子為原料進(jìn)行光合作用[19]。碳酸鈣遇水緩慢水解生成碳酸氫根離子，使其在土壤中的含量增加，便于植物吸收利用，同時(shí)也改變了土壤酸堿性。

本研究表明，蘋果樹葉片的初始熒光值、最大熒光值、可變熒光值、以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)在施用石灰處理后均有所提升，使葉片的凈光合速率等得到顯著提升，有利于增強(qiáng)光合作用。且施用石灰后，葉片的蒸騰作用也有所提高，石灰施用量為7 500 kg·hm-2時(shí)增幅最大。陳德偉等[20]研究表明，鈣離子調(diào)控可增強(qiáng)植株對不良環(huán)境的抗逆性，使蘋果樹在逆境脅迫下維持正常生長發(fā)育。本研究表明，石灰配合有機(jī)肥施用使蘋果樹葉片的凈光合速率增加，有利于積累更多的有機(jī)物，從而提高蘋果的品質(zhì)與產(chǎn)量。

綜上所述，施用石灰不僅改善了土壤的各項(xiàng)理化性質(zhì)，還對蘋果樹的生長有明顯的促進(jìn)作用。綜合各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果表明，石灰施用量為7 500 kg·hm-2時(shí)，土壤pH顯著升高，堿解氮和速效鉀含量顯著增加，土壤團(tuán)聚體狀況及穩(wěn)定性更優(yōu)，且對果樹各項(xiàng)生理活動的促進(jìn)作用更強(qiáng)。因此，在有機(jī)肥作基肥的前提下，配施7 500 kg·hm-2石灰能顯著促進(jìn)蘋果樹生長，提高蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。