生物質(zhì)有機(jī)肥對(duì)酸性紅壤區(qū)人參果病害與產(chǎn)量的影響

王豪吉，李 彥，李銳明，陳歐保，楊 云，徐武美，官會(huì)林**

(1.云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南 昆明 650500；2.云南省農(nóng)村能源管理總站，云南 昆明 650233；3.石林彝族自治縣農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)工作站，云南 昆明 652200)

耕地土壤退化已成為全球性問題.有效開展耕地土壤改良，提升土壤肥力，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵途徑[1].中國(guó)耕地土壤正面臨鹽漬化、酸化與肥力下降等問題，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展[2].云南是中國(guó)重要的果蔬種植區(qū)，由于長(zhǎng)期連作使土壤養(yǎng)分失衡、板結(jié)酸化與病原微生物積累，導(dǎo)致作物病害加劇，產(chǎn)量降低[3].近年來，通過調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、科學(xué)灌溉、水肥一體化等措施，有效緩解了耕地土壤質(zhì)量退化問題[4-5].此外，通過施加有機(jī)(類)與礦質(zhì)肥料，亦可有效調(diào)節(jié)土壤pH 值，提升土壤肥力，恢復(fù)土壤生產(chǎn)力[6]，如施用炭基生物肥料可有效調(diào)節(jié)退化土壤pH 值，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，提升土壤肥力[7].此外，通過施加鈣鎂磷肥等礦質(zhì)肥料，亦可有效提高土壤中無機(jī)養(yǎng)分含量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[8].施用有機(jī)肥可有效增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤保肥能力與微生物活性，有利于提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[9-10]；在退化嚴(yán)重的連作土壤中施加生物質(zhì)有機(jī)肥，能顯著改善土壤肥力狀況，緩解作物病害[11].

人參果(Solanummuricatum)是云南特色經(jīng)濟(jì)作物，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.由于人參果主產(chǎn)區(qū)土壤酸性強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)含量低、肥力不均，導(dǎo)致作物產(chǎn)量不高、病害嚴(yán)重.當(dāng)前，利用生物質(zhì)有機(jī)肥改良人參果連作土壤的相關(guān)研究還鮮見報(bào)道.因此，本研究通過田間試驗(yàn)，探索不同施加量的創(chuàng)制生物質(zhì)有機(jī)肥對(duì)人參果病害率與產(chǎn)量的影響，通過對(duì)土壤理化性質(zhì)與酶活性的定量分析，對(duì)內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行探索，旨在為云南特色經(jīng)濟(jì)作物人參果產(chǎn)量提升與酸性紅壤區(qū)耕地土壤改良提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料創(chuàng)制生物質(zhì)有機(jī)肥：以玉米、煙草與辣椒秸稈為原材料，經(jīng)粉碎后等比混合，添加腐熟劑進(jìn)行高溫發(fā)酵(≥65 ℃)，多次翻堆充分腐熟，制成生物質(zhì)原料，再將復(fù)合微生物菌劑、秸稈生物炭與生物質(zhì)原料按一定比例混制而成，其基本特征見表1.

表1 供試土壤和有機(jī)肥基本特征Tab.1 Basic characteristics of soil and organic fertilizer for experiment

人參果種苗：利用扦插的方式培育人參果種苗，由昆明石林人參果種植合作社提供.

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)置本研究在云南省石林縣鹿阜鎮(zhèn)清水塘試驗(yàn)基地進(jìn)行(24°76′14″N，103°22′19″E).試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，土壤類型為酸性紅壤，人參果連作3 a，因長(zhǎng)期施用化學(xué)肥料和農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤酸化、板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量低、土壤肥力退化、作物病害嚴(yán)重、掛果率低等障礙因素突出，試驗(yàn)地土壤基本理化特征見表1.

選擇土地相對(duì)平整的試驗(yàn)地塊，用旋耕機(jī)將試驗(yàn)區(qū)耕層土壤(0～20 cm)翻耕均勻.創(chuàng)制的生物質(zhì)有機(jī)肥施加量分別為9 (T1)、12 (T2)、15 t/hm2(T3)和18 t/hm2(T4)，以傳統(tǒng)單施化學(xué)N 肥(尿素)150 kg/hm2為對(duì)照(CK).采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積為1 m×5 m，種植40 株長(zhǎng)勢(shì)均一的人參果幼苗，株間距為35 cm×25 cm，每個(gè)處理重復(fù)4 次，共計(jì)20 個(gè)試驗(yàn)小區(qū).處理區(qū)T1、T2、T3、T4只施用對(duì)應(yīng)量的創(chuàng)制有機(jī)肥料，其中70%做底肥，30%在第1 次采果后1 次性追肥施用，覆土5 cm左右.對(duì)照(CK)全生育期單施化學(xué)N 肥(尿素)150 kg/hm2，以30%做底肥，初花期和第1 次采果后各追施N 肥35%，并覆土5 cm 左右.

1.3 土壤樣品采集于2022 年4 月6 日移栽人參果幼苗，8 月中旬(人參果掛果末期果實(shí)采收前)采集各小區(qū)耕層(0～20 cm)根際土，每小區(qū)采五點(diǎn)混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨分別過20 目（孔徑0.85 mm）和100 目篩（孔徑0.15 mm），用于土壤理化特征與酶活性分析.

1.4 作物發(fā)病率與產(chǎn)量調(diào)查將有1/3 葉片出現(xiàn)黑色斑塊或幼尖枯死的人參果植株記為枯葉病病株[圖1 (a) ]，參照王佳寧等[12]描述的方法統(tǒng)計(jì)人參果主要病害枯葉病發(fā)病率.具體為：發(fā)病率=小區(qū)發(fā)病植株數(shù)/小區(qū)總植株數(shù)×100%.人參果產(chǎn)量從采收第1 批人參果(5 月28 日)開始記錄，以所有達(dá)標(biāo)出售的總量計(jì).

圖1 人參果枯葉病株(a)與健康植株(b)Fig.1 Leaf disease plant (a) and healthy plants (b) of S.muricatum

1.5 土樣分析土壤理化指標(biāo)的測(cè)定根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行，土壤pH 值用pH 計(jì)進(jìn)行測(cè)定(雷磁 PHS-25)，水土質(zhì)量比為2.5∶1；土壤電導(dǎo)率用EC 計(jì)進(jìn)行測(cè)定(COMBI 5000)，水土質(zhì)量比5∶1；土壤容重用100 cm3環(huán)刀采樣，用烘干法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-硫酸消解液消解，用硫酸亞鐵溶液進(jìn)行滴定；土壤水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷用0.03 mol/L 氟化銨溶液浸提，用鉬銻抗顯色法測(cè)定(UV-8000，上海元析)；速效鉀用0.5 mol/L 乙酸銨浸提，用火焰光度計(jì)測(cè)定(AA3，Model 410 Flame Photometer，Germany).土壤陽離子代換量參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T—1995，用1 mol/L 乙酸銨浸泡土壤，95%乙醇洗滌過量乙酸銨后蒸餾，用硼酸吸收氨氣，再用標(biāo)準(zhǔn)酸進(jìn)行滴定.土壤酶活性的測(cè)定和表示方法參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行，以鄰苯二甲酸氫鉀為基質(zhì)培養(yǎng)12 h，測(cè)定土壤酸性磷酸酶活性；以尿素為基質(zhì)培養(yǎng)24 h，測(cè)定土壤脲酶活性，以鄰苯三酚為基質(zhì)培養(yǎng)24 h，測(cè)定多酚氧化酶.3 種酶活性的單位分別以單位質(zhì)量的土壤分解產(chǎn)生的酚氨態(tài)氮和淡紫色沒食子酸的質(zhì)量比表示.

1.6 數(shù)據(jù)分析用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)分析本研究中各變量的正態(tài)性，不同處理下各變量均服從正態(tài)分布(P＞0.05)，故無需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.用ANOVA 分析檢驗(yàn)不同生物質(zhì)有機(jī)肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)與作物產(chǎn)量的影響，并用Duncan法進(jìn)行多重比較分析.用Pearson 相關(guān)分析探究土壤理化因子與作物產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性，并參照王亞妮等[15]對(duì)土壤理化因子進(jìn)行分類，用vegan 軟件包進(jìn)行方差分解(variance partitioning analysis，VPA)，分析不同類型土壤因子對(duì)人參果產(chǎn)量的相對(duì)影響.

2 結(jié)果

2.1 不同有機(jī)肥施加量對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響單因素方差分析表明，不同施加量的生物質(zhì)有機(jī)肥處理顯著影響了土壤pH、EC、CEC、容重、有機(jī)質(zhì)、水解氮、有效磷與速效鉀質(zhì)量比(P＜0.05) (表2).土壤pH、EC 與CEC 隨生物質(zhì)有機(jī)肥施加量的增加而升高，土壤容重則相反(P＜0.05)(圖2).T4 處理下的土壤pH 值最高，為5.13，較CK 增加了1.09；此外，該處下土壤CEC 與EC 分別為14.45 cmol·kg-1和3.55 mS·cm-1，較CK 增加了68%和275%.T4處理下土壤容重最低，為0.82 g·cm-3，較CK 降低了33%.此外，土壤中有機(jī)質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量比均隨生物質(zhì)有機(jī)肥施加量的增加呈上升趨勢(shì)(圖3).T4 處理下土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷與速效鉀質(zhì)量比最高，分別為18.16、51.32 mg·kg-1和222.04 mg·kg-1，較CK 分別增加了70%、135%和47%.T1 和T2 處理下土壤水解氮質(zhì)量比較CK 無顯著差異(P＞0.05)，而T3 和T4 處理下，土壤水解氮質(zhì)量比顯著升高(P＜0.05)，且T3 處理下最高，較CK 增加了75%[圖3 (b)].

圖2 不同有機(jī)肥施用量處理下土壤物理特性的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation of soil physical properties under different organic fertilizer treatments

圖3 不同有機(jī)肥施用量處理下土壤養(yǎng)分質(zhì)量比的變化趨勢(shì)Fig.3 Variation of soil nutrients under different organic fertilizer treatments

表2 不同生物質(zhì)有機(jī)肥施用量處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Tab.2 Effects of different organic fertilizer treatments on soil physicochemical properties

2.2 不同有機(jī)肥施加量對(duì)土壤酶活性的影響單因素方差分析表明，不同生物質(zhì)有機(jī)肥處理顯著影響了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性(P＜0.01)(表3).與CK 相比較，施用有機(jī)肥顯著提高了土壤磷酸酶與脲酶活性(P＜0.05)，均為T4 處理下酶活性最高，分別為3.03 mg·g-1和2.91 mg·g-1，較CK分別增加了3.10 倍和2.45 倍.T1 與T2 處理對(duì)土壤多酚氧化酶活性影響不顯著(P＞0.05)，而T3 與T4 處理顯著提高了土壤多酚氧化酶活性(P＞0.05)，且T4 處理下最高，為1.24 mg·g-1，較CK 提高了1.64 倍(圖4).

圖4 不同有機(jī)肥施用量處理下土壤酶活性的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of soil enzyme activities under different organic fertilizer treatments

表3 不同有機(jī)肥施用量處理對(duì)土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of different organic fertilizer treatments on soil enzyme activities

2.3 不同有機(jī)肥施加量對(duì)人參果病害率與產(chǎn)量的影響單因素方差分析表明，不同有機(jī)肥施加量處理顯著影響了人參果株高、產(chǎn)量與枯葉病發(fā)病率(P＜0.01) (表4).與CK 相比，T4 處理下人參果平均株高增加了19.16 cm [圖5(a)]，且產(chǎn)量最高，達(dá)到39.7 t/hm2，是CK 的3.32 倍[圖5(b)].人參果枯葉病發(fā)病率隨有機(jī)肥施加量的增加而降低(P＜0.05)，T4 處理下作物發(fā)病率最低(＜10%)，較CK 降低了73% [圖6 (a)].相關(guān)分析表明，作物發(fā)病率與人參果產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，且以負(fù)對(duì)數(shù)曲線模型擬合效果最佳(R2=0.794) [圖6 (b)].

圖5 不同有機(jī)肥施用量處理下人參果株高和產(chǎn)量的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of S.muricatum height and yield under different organic fertilizer treatments

圖6 不同有機(jī)肥施加量處理下人參果發(fā)病率及其與人參果產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性Fig.6 The correlations between S.muricatum disease incidence and crop yield under different treatments

表4 不同有機(jī)肥施用量對(duì)作物株高、病害率及產(chǎn)量的影響Tab.4 Effects of different organic fertilizer treatments on plant height,disease incidence and crop yield

2.4 影響作物產(chǎn)量的主要土壤因子Pearson 相關(guān)分析（表5）表明，人參果產(chǎn)量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比、CEC、EC、脲酶和磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與水解氮、速效鉀質(zhì)量比和多酚氧化酶活性呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05).此外，土壤理化特性和酶活性變化均與作物發(fā)病率存在顯著相關(guān)性(P＜0.05).VPA 分析表明，土壤理化與生物肥力指標(biāo)變化是影響人參果產(chǎn)量的主要因素，土壤物理特征、養(yǎng)分質(zhì)量比和酶活性對(duì)作物產(chǎn)量變化的解釋率依次為8.69%、4.82%和2.61%，綜合解釋率為87.40%，殘差為12.60%(圖7).

圖7 不同土壤因子類型影響作物產(chǎn)量的VPA 分析Fig.7 VPA analysis for the effects of different soil factors on crop yield

表5 土壤理化特征、酶活性與人參果產(chǎn)量的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between soil physicochemical characteristics,enzyme activities,and crop yield

3 討論

3.1 施用生物質(zhì)有機(jī)肥改良人參果種植土壤理化特征土壤理化特征是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素.本研究表明，施用生物質(zhì)有機(jī)肥增加了土壤pH、CEC、EC，降低了土壤容重.有機(jī)肥中大量官能團(tuán)能置換酸性土壤中的H+和Al3+，降低酸根離子濃度，從而提升土壤pH[16].施用有機(jī)肥可顯著增加土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比[圖3(a)][17]，而土壤的酸堿緩沖能力隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增強(qiáng)[18].土壤電導(dǎo)率和陽離子代換量是影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的重要指標(biāo)[19]，本研究創(chuàng)制的生物有機(jī)肥含有較高的EC和CEC(表1)，施用后可向土壤中補(bǔ)充無機(jī)離子，從而使土壤電導(dǎo)率升高[20-21].土壤容重反映了土壤孔隙率，本研究中土壤容重隨有機(jī)肥施加量的增加而降低，由于有機(jī)肥增加了土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比[圖3(a)]，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成而增加土壤孔隙度[22].此外，本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨有機(jī)肥施加量的增加而增加.一方面，有機(jī)肥具有豐富的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)養(yǎng)分(表1)，施用后直接補(bǔ)充了土壤速效養(yǎng)分；另一方面，施用有機(jī)肥可能提升土壤中微生物活性和酶活性，從而促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化和養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化[23-24].

3.2 施用生物質(zhì)有機(jī)肥增加人參果種植土壤酶活性土壤酶活性影響著土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，間接影響著土壤肥力和生產(chǎn)力[25].長(zhǎng)期連作會(huì)導(dǎo)致土壤肥力和酶活性降低[26].脲酶和磷酸酶是促進(jìn)土壤中氮、磷轉(zhuǎn)化的重要酶類，本研究表明施加有機(jī)肥顯著提高了其活性，這可能與施用有機(jī)肥增加土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比有關(guān).施夢(mèng)馨等[27]研究表明，土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比與磷酸酶、脲酶活性呈顯著正相關(guān).此外，土壤中豐富的有機(jī)質(zhì)為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而微生物在快速生長(zhǎng)繁殖過程中分泌大量胞外酶以促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化[28].多酚氧化酶是促進(jìn)土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)的重要酶類.錢瑞雪等[29]研究表明，秸稈還田增加了土壤中纖維素和木質(zhì)素含量，微生物為利用這部分碳水化合物而分泌相應(yīng)氧化酶類，導(dǎo)致土壤多酚氧化酶活性顯著升高.本研究創(chuàng)制的生物質(zhì)有機(jī)肥以農(nóng)作物秸稈為主要原料，可增加土壤中纖維素和木質(zhì)素含量，進(jìn)而使土壤多酚氧化酶活性升高.結(jié)合相關(guān)分析，脲酶和磷酸酶分別與土壤中堿解氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(脲酶：r=0.836,P＜0.01；磷酸酶：r=0.957,P＜0.01)，表明有機(jī)肥的施加增加了酶活性而增加土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[25].

3.3 施用生物質(zhì)有機(jī)肥增加人參果產(chǎn)量作物產(chǎn)量受土壤肥力、植株生長(zhǎng)和病害等多種因素的影響，長(zhǎng)期施用化肥可能導(dǎo)致土壤退化，土壤中的養(yǎng)分難以被植物吸收利用，從而使土壤肥力降低[30].有機(jī)肥在改善土壤肥力狀況，消除植物缺素病害，促進(jìn)作物的健康生長(zhǎng)，增強(qiáng)作物對(duì)病害的抵抗能力等方面具有明顯的作用功能[31-34].本研究表明，施用生物質(zhì)有機(jī)肥各處理與對(duì)照CK 相比，均能顯著改善土壤理化性能、提高土壤pH、提高土壤酶活性和降低人參果枯葉病病害率，且這些指標(biāo)與人參果產(chǎn)量具有較強(qiáng)的相關(guān)性(表5)，表明其通過影響土壤特征和病害率而提高人參果產(chǎn)量(圖7).云南省石林縣非種植障礙區(qū)人參果的平均產(chǎn)量為24～30 t/hm2[35]，本研究中創(chuàng)制有機(jī)肥以15 t/hm2處理連作土壤即可獲得較高產(chǎn)量(31.6 t/hm2)，且18 t/hm2處理效果最優(yōu)(39.7 t/hm2).結(jié)合近2 a 的示范應(yīng)用，在土壤肥力較低的粘性紅壤區(qū)當(dāng)季生物質(zhì)有機(jī)肥施用量15～18 t/hm2為宜，在中等肥力的砂質(zhì)輕粘性紅壤區(qū)當(dāng)季生物質(zhì)有機(jī)肥施用量12～15 t/hm2為宜，施用生物質(zhì)有機(jī)肥后的化肥施用量較常規(guī)宜減少60%～70%.

4 結(jié)論

施加生物質(zhì)有機(jī)肥改善了人參果種植土壤物理特征，調(diào)節(jié)了土壤pH，降低了土壤容重，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，從而提升了土壤肥力.同時(shí)，施用有機(jī)肥增加了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性，可促進(jìn)土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化.VPA 分析揭示施用生物質(zhì)有機(jī)肥對(duì)土壤物理特征、養(yǎng)分質(zhì)量比和酶活性的影響是增加人參果產(chǎn)量的主要原因，其解釋率高達(dá)87.40%，其產(chǎn)量隨施用量的增加而增加.此外，施加生物質(zhì)有機(jī)肥顯著降低了人參果枯葉病發(fā)病率，且其與人參果產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性符合負(fù)對(duì)數(shù)線性模型.與非種植障礙區(qū)相比，創(chuàng)制的生物質(zhì)有機(jī)肥以15～18 t/hm2的施用量處理即可獲得較高產(chǎn)量.本研究為云南特色經(jīng)濟(jì)作物人參果產(chǎn)量提升與高原酸性紅壤區(qū)耕地土壤改良提供了科學(xué)依據(jù).