生物有機(jī)肥對果園生產(chǎn)的影響研究進(jìn)展

王中華, 楊青松, 李曉剛*, 董彩霞, 徐陽春

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210014;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

生物有機(jī)肥(Bio-organic fertilize)是包含某種或某些特定功能微生物菌種的特殊有機(jī)肥品種,不僅菌種含量高,而且是為外源功能微生物定殖和繁衍提供能源物質(zhì)的有機(jī)載體[1]。據(jù)估計世界各地的生物有機(jī)肥產(chǎn)量超過1000萬t,年增長率為10%～20%。近年來,我國生物有機(jī)肥的研究發(fā)展迅速并取得顯著成效,一批功能性高效菌株成功篩選,肥料產(chǎn)品如雨后春筍般出現(xiàn)。特別是隨著施肥報酬遞減、土壤退化、面源污染、生態(tài)環(huán)境破壞等問題日益突出,生物有機(jī)肥料的生產(chǎn)價值得到重視,商品化生產(chǎn)規(guī)模快速擴(kuò)大,產(chǎn)品品類也不斷豐富。在蘋果、梨、香蕉、葡萄等大宗果樹作物中都有應(yīng)用[2-3],在增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤理化性質(zhì)、優(yōu)化土壤根際環(huán)境、提高果樹產(chǎn)量和品質(zhì)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效方面發(fā)揮了積極作用。

1 生物有機(jī)肥對果園生產(chǎn)的影響

1.1 生物有機(jī)肥對果園土壤環(huán)境及根系的影響

增施有機(jī)肥對提升土壤有機(jī)質(zhì)水平具有重要作用,是耕地土壤培肥的有效途徑[4]。研究表明,增施有機(jī)類肥料不僅可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,改善土壤物理結(jié)構(gòu),提高土壤保肥保水能力,而且長期施用有機(jī)肥能明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和礦質(zhì)元素有效性[5]。張宇沖[6]研究土壤肥力因子測定結(jié)果顯示,施用生物有機(jī)肥處理30、60、90 d,除總氮含量外其余各項土壤肥力因子表現(xiàn)最優(yōu);90 d時生物有機(jī)肥處理土壤總氮、有效磷、有效鉀因子影響分別比復(fù)合肥處理增加了6.34%、37.31%、70.49%。土壤 pH 值是土壤微生物活性和土壤養(yǎng)分有效性的重要影響因子,施用生物有機(jī)肥可以提高酸性土壤 pH 值[7-8],其原因在于礦化過程中發(fā)生有機(jī)陰離子脫羧基化并釋放堿性物質(zhì),同時由于其本身含有大量的官能團(tuán)(如-OH 和-COOH),可強(qiáng)化對 H+的吸附,從而降低土壤溶液中H+的濃度[9]。

生物有機(jī)肥可以通過調(diào)控作物根際土壤環(huán)境影響根系發(fā)育。伍從成等[10]研究表明,梨園連續(xù) 5年施用生物有機(jī)肥,土壤有機(jī)質(zhì)、有效鉀及有效磷含量顯著增加,且與細(xì)根長度、表面積、體積和根尖數(shù)密切相關(guān)。Kang等[11]研究發(fā)現(xiàn),生物有機(jī)肥處理顯著增加梨樹各級側(cè)根生長,其中 3級以上側(cè)根數(shù)量(3rd LRN)和長度(3rd LRL)顯著增加 71%(P<0.05)。Wang等[12]通過不同施肥試驗發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,施用生物有機(jī)肥顯著促進(jìn)梨樹根系生長?？偢L、根表面積、根尖數(shù)分別是化肥處理的4.04、3.14和5.64倍。研究認(rèn)為,施用生物有機(jī)肥可以通過富集到根際的微生物分泌激素或生物活性物質(zhì)誘導(dǎo)根系的發(fā)生和生長[13-14]。以模式植物擬南芥為材料的研究表明,解淀粉芽孢桿菌SQR9通過一種揮發(fā)性化合物刺激側(cè)根原基的發(fā)育,該化合物的作用機(jī)制涉及內(nèi)源激素的生物合成與運(yùn)輸[15]?？梢?生物有機(jī)肥通過調(diào)控根系及根際微生態(tài),對維持植物的健康生長和產(chǎn)量、品質(zhì)的形成具有積極作用。

1.2 生物有機(jī)肥對果園土壤微生物群落的影響

土壤微生物是活躍在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員[16],在土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)以及土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著積極作用[17]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受土壤環(huán)境的直接影響,因此,土壤微生物量、群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)通常被用來評價土壤環(huán)境質(zhì)量[18]。土壤微生物群落多樣性是土壤健康和質(zhì)量的動態(tài)指標(biāo)[3]。吳文利等[19]研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機(jī)肥,梨樹土壤微生物量碳 SMBC比CK高68.8%,且差異顯著。典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期定位試驗發(fā)現(xiàn),單施化肥顯著降低微生物群落穩(wěn)定性,且增加植物潛在致病菌的豐度;化肥配施有機(jī)肥則顯著提高土壤微生物群落的穩(wěn)定性,且減少植物潛在致病菌的豐度,提高作物產(chǎn)量[20]。生物有機(jī)肥因其含有的特定功能微生物而起到較強(qiáng)的抗病、抗逆和促生效能[21]。另一方面,施用生物有機(jī)肥還能有效促進(jìn)土壤有益微生物向作物根際的遷移和富集[22]。由于果園管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和施肥習(xí)慣以及耕作制度的差異性,生物有機(jī)肥對土壤微生物量和群落結(jié)構(gòu)的調(diào)整和微生物群落多樣性變化規(guī)律仍未明確[23]。

根際土壤微生物是根際最為活躍的生命組分,在果樹的生長、發(fā)育和病理等方面扮演著非常重要的角色[24]。深入了解根際微生物群落的結(jié)構(gòu)功能及多樣性,對果樹生產(chǎn)管理及新型生物肥料開發(fā)非常重要。研究表明,果樹根際微生物種類和數(shù)量因物種差異而不同,即使相同品種或同一株樹的不同發(fā)育階段,其根際微生物的發(fā)育、組成都呈現(xiàn)很大的差異。如柑橘根際優(yōu)勢微生物主要集中在變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和擬桿菌門四大類[25],而蘋果根際優(yōu)勢微生物主要集中在變形菌、浮霉菌、放線菌和酸桿菌四大門類,且不同樹齡根際微生物種類和相對豐度存在明顯差異[26]。Lu 等[27]研究發(fā)現(xiàn),根際微生物能夠通過影響土壤氮循環(huán)和植物內(nèi)源激素來調(diào)控植物開花的時間,為人們利用微生物途徑調(diào)控植物的營養(yǎng)與生殖生長提供了參考依據(jù)。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機(jī)肥處理影響根際細(xì)菌群落組成,促進(jìn)芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、鞘氨醇菌屬在根際顯著富集,上調(diào)以Mitsuariasp.和Actinoplanessp.為優(yōu)勢群體的細(xì)菌生態(tài)模塊豐度以及主導(dǎo)能量產(chǎn)生-轉(zhuǎn)化、碳水化合物運(yùn)輸-代謝等基因簇的豐度,促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)形成?；诠δ芪⑸锝M合在番茄、香蕉、西瓜等重要經(jīng)濟(jì)作物土傳病害的防控領(lǐng)域的理論與實踐,有學(xué)者提出了通過調(diào)控根際微生物區(qū)系實現(xiàn)根際免疫的研究思路[28]。含有特種有益菌株的生物有機(jī)肥能夠有效調(diào)整根際微生物群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)植株生長,從而提高產(chǎn)量并改善收獲品質(zhì),這也是有益微生物功效與應(yīng)用的典型案例,因此,調(diào)控或重塑果樹根際微生物群落以提高果樹持續(xù)生產(chǎn)力是一個值得深入研究的問題[29],也是新型生物有機(jī)肥產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的重要方向。

1.3 生物有機(jī)肥對果樹光合生理的影響

光合作用是幾乎所有生物所需要的食物和氧氣的來源,植物干重的90%～95%來自光合作用的產(chǎn)物,是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]。作為果樹最重要的功能活動,光合作用對于果樹的產(chǎn)量和果實品質(zhì)的形成,以及植株對環(huán)境的適應(yīng)能力都具有重要的影響[31]。向青云等[32]通過蘋果不同冠層的光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn)與果實產(chǎn)量、品質(zhì)的回歸分析表明,PAR、Pn值的高低直接影響果實的產(chǎn)量和品質(zhì)。兩個蘋果品種的單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量、可溶性糖含量及糖酸比與Pn及PAR成顯著正相關(guān)。對于梨、蘋果等果樹作物來說,為了提高產(chǎn)量,必須提高光能利用效率或改善光合器官功能。土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響植物生長的主要因素之一,提高土壤有機(jī)質(zhì)水平對植物光合作用有顯著促進(jìn)作用[33]。施用有機(jī)肥是提高土壤有機(jī)質(zhì)水平的重要措施,因此施用有機(jī)肥對提高作物光合速率有積極影響。隨著有機(jī)質(zhì)增加,促進(jìn)了光合器官或組織形成,加強(qiáng)了植株對光的吸收和轉(zhuǎn)化,光合能力顯著提升[34-35]。如在干旱環(huán)境下接種根際促生細(xì)菌(PGPR)能夠有效提高蘋果葉片的葉綠素含量和光合性能,對緩解由于干旱脅迫導(dǎo)致的光合抑制作用顯著[36]。宋曉暉[37]研究表明,施用生物有機(jī)肥可以顯著提高黃冠、碭山酥梨和巴梨葉片凈光合速率和蒸騰速率?？傊?施用生物有機(jī)肥對果樹作物光合有積極影響,并能提升產(chǎn)量和品質(zhì)。但是關(guān)于生物有機(jī)肥這種促進(jìn)效應(yīng)研究大多仍限于效果的評析,對其作用機(jī)理的探索還不夠深入。

1.4 生物有機(jī)肥對果樹產(chǎn)量和果實品質(zhì)的影響

大量研究表明,提升果園土壤有機(jī)質(zhì)可以調(diào)節(jié)果樹作物生長,提高產(chǎn)量并改善果實品質(zhì)[38-39]。生物有機(jī)肥含有特定功能的微生物并產(chǎn)生顯著的促生效應(yīng)[40-41],通過施用一款生物有機(jī)肥(含Bacilluscereus、Bacilluspumilus和Paenibacillusspp.菌種)可以促進(jìn)水稻增產(chǎn)65%。曹剛等[42]連續(xù)生物有機(jī)肥,較化肥處理增產(chǎn)19.78%,且顯著提高了果實可溶性固形物、可溶性糖和維生素C含量。王磊[43]對連續(xù)7年施用生物有機(jī)肥的蘋果園研究發(fā)現(xiàn),與不施肥對照和施化肥相比,施用生物有機(jī)肥的果實可溶性糖含量分別增加了13.2%和6.3%,還原糖含量分別增加了53.9%和5.9%,Vc含量分別增加了6.1%和3.8%。另外,生物類肥料還可以提高果實香氣物質(zhì)含量,豐富香氣物質(zhì)種類,而且對提高果實著色程度和延長貨架期具有重要作用[44-45]。

研究表明,有機(jī)類肥料提高產(chǎn)量和品質(zhì)的原因不僅與對土壤有機(jī)質(zhì)水平的提升有關(guān),而且與根際土壤微生物的響應(yīng)密切相關(guān)。因為土壤微生物被認(rèn)為是有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分元素循環(huán)的引擎[16],有益微生物類群的相互作用網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)量和品質(zhì)提升中扮演重要的角色[43]。有機(jī)類肥料通過提高土壤有機(jī)質(zhì),優(yōu)化根際環(huán)境,有效促進(jìn)了根際有益微生物的聚集和繁衍。而根際微生物能夠活化根際養(yǎng)分,并刺激根系生長發(fā)育,調(diào)控根系構(gòu)型和活力,最終提高產(chǎn)量并改善收獲品質(zhì)[46-47]。

2 果園施用生物有機(jī)肥存在的問題與應(yīng)用策略

近年來,生物有機(jī)肥在果樹上應(yīng)用日漸增多,但作為一種含有“活體生命”的肥料,其與化學(xué)肥料的作用機(jī)制和施用方法存在較大差異。由于條件所限,生物有機(jī)肥在很多果樹品種上的試驗與示范缺乏長期試驗數(shù)據(jù)支撐,應(yīng)用技術(shù)不夠精準(zhǔn),再加上施用區(qū)域生產(chǎn)環(huán)境的差異性,已有的理論基礎(chǔ)對生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)作用有限,生物有機(jī)肥的效用未能充分且廣泛體現(xiàn)。在生產(chǎn)中,使用者對生物有機(jī)肥的特性認(rèn)識不足,施用方法不夠科學(xué),導(dǎo)致其應(yīng)用效果不穩(wěn)定。生物有機(jī)肥攜帶的功能菌群需在土壤中定殖、繁殖后方可發(fā)揮效用,而菌群的生長又具有周期性,其肥效受到施肥方式以及水分、溫度等環(huán)境條件等諸多因素的影響和限制。在有機(jī)質(zhì)極度匱乏,土壤理化性狀惡化的情況下,功能微生物無法有效定殖、繁衍,肥效無法發(fā)揮作用。另外,將生物有機(jī)肥與殺細(xì)菌藥劑混合使用且長時間放置,極易影響菌的活性降低并造成部分菌死亡。

生物有機(jī)肥功能起效是以功能菌繁殖為,繁殖需要時間,應(yīng)避免在果樹已經(jīng)出現(xiàn)脫肥或需肥高峰期“救急”使用。一些果樹在秋季采果后,根系又進(jìn)入一次生長高峰期,此時根系吸收一些養(yǎng)分可以及時補(bǔ)充因結(jié)果造成的養(yǎng)分消耗,有利于儲藏營養(yǎng),對快速恢復(fù)樹勢及第二年生長發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)。所以,生物有機(jī)肥作為基肥施用。由于光照、風(fēng)干等因素影響,粉劑類生物有機(jī)肥施用時不能地表撒施,不僅浪費(fèi)而且減弱肥效。在施用時,應(yīng)根據(jù)樹體根系特征,特別是大量吸收根的區(qū)域分布,設(shè)計施肥位置和深度。在果樹生長發(fā)育期也可以作為追肥,但是要注意施肥過程中,不能損壞根系。另外,蘋果、梨、柑橘等單株樹體較大的果樹作物來說,根系較為龐大,在有機(jī)質(zhì)水平較低的土壤中對有機(jī)質(zhì)需求量較大。雖然生物有機(jī)肥本身含有一定量的有機(jī)質(zhì),但是由于其施用量相對有限,不能滿足果樹的生理需求。而且有機(jī)肥的補(bǔ)充非常有利于生物有機(jī)肥中功能菌的繁殖,起到增效作用。因此,在生產(chǎn)中生物有機(jī)肥與有機(jī)肥的配施是非常有效的方法。有機(jī)肥可以是商品有機(jī)肥,也可以是發(fā)酵腐熟的餅粕和畜禽糞便等。總之,生物有機(jī)肥的應(yīng)用效果的體現(xiàn)不僅僅依靠肥料自身攜帶的功能菌,還有盡可能的創(chuàng)造適宜功能菌繁殖的土壤生態(tài)條件,最大程度發(fā)揮肥效。因此,著眼果品質(zhì)提升與果園生態(tài)改善,在了解生物有機(jī)肥產(chǎn)品特性的基礎(chǔ)上,通過長期深入的生物有機(jī)肥的作用機(jī)制研究,探索適合肥效充分發(fā)揮的條件,明確生物有機(jī)肥及其與有機(jī)、無機(jī)配合協(xié)同增效方法,形成能在果樹生產(chǎn)上有效果、易推廣的關(guān)鍵技術(shù)非常有必要。

3 結(jié)論與展望

果樹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展不僅關(guān)系著農(nóng)民創(chuàng)收和企業(yè)增效,更是協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源和環(huán)境保護(hù),助力鄉(xiāng)村振興、實現(xiàn)果農(nóng)富裕的重要力量。目前,果實品質(zhì)和風(fēng)味屬性與時代消費(fèi)需求出現(xiàn)了較大的差距,難以再現(xiàn)“兒時的味道”。一些產(chǎn)區(qū)優(yōu)質(zhì)果率不高,出園價格不斷走低。特別是在當(dāng)前“不與糧爭地”的前提下,如何做到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和品質(zhì)保障是果樹產(chǎn)業(yè)面臨的重要課題之一。毋庸置疑,化肥對促進(jìn)和支撐我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著巨大作用,讓我們在僅占世界 7% 的耕地上,解決世界 22%人口的食物需求。然而,長期以來對化肥的過分依賴也產(chǎn)生了如農(nóng)田環(huán)境污染、自然資源退化等問題,造成嚴(yán)峻的生態(tài)問題,付出了巨大的代價[48]。作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善在很大程度上依賴于土壤環(huán)境的改善。因此,在當(dāng)前果樹生產(chǎn)中,探索科學(xué)的施肥方法,提升土壤有機(jī)質(zhì)水平,改良根際環(huán)境是果樹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)途經(jīng)。而提高土壤肥力,尤其是生物肥力,是確保果樹高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)、提升和改善水果品質(zhì)和口感的關(guān)鍵之一[49]。目前生物有機(jī)肥對不同果樹或不同發(fā)育期的影響機(jī)理研究和適用方案雖不夠明確,大規(guī)模推廣應(yīng)用技術(shù)仍存在提升空間,但生物有機(jī)肥對低碳農(nóng)業(yè)和果樹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,將成為新時代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要力量。