蘋果枝條堆肥對蘋果根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物多樣性的影響

摘要：本研究探討了蘋果枝條堆肥對蘋果根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及土壤微生物多樣性的影響，以期為蘋果修剪廢棄枝條的資源化利用提供理論依據(jù)。以果園修剪的枝條為試材，研究添加腐熟發(fā)酵枝條（T1）、腐熟發(fā)酵兔子糞（T2）、枝條堆肥（T3）以及商品有機肥（CK）對蘋果根區(qū)土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響，并采用高通量測序技術(shù)，分析土壤細(xì)菌、真菌的群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性的差異。結(jié)果表明：施加枝條堆肥后土壤有機質(zhì)、有效磷、有效鉀、有效鋅含量較T1、T2均顯著增加；土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性分別比CK顯著提高40.43%、78. 37%、52. 36%、83.87%。土壤細(xì)菌、真菌的Chaol指數(shù)、Shannon指數(shù)均較CK顯著增加，Simpson指數(shù)較CK顯著降低，變形菌門、放線菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢細(xì)菌，其相對豐度共占76.76%～82.23%；真菌由子囊菌門、接合菌門和擔(dān)子菌門等門類組成，子囊菌門為絕對優(yōu)勢真菌門，其相對豐度在50.20%～67.24%之間。蘋果根區(qū)細(xì)菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)主要受到土壤中有效鐵含量影響，而真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)主要受土壤中有效氮含量的影響。綜上，在果園中添加枝條堆肥可顯著提高土壤有效養(yǎng)分含量，提高土壤酶活性，增加土壤細(xì)菌、真菌群落物種豐富度和多樣性，改善果園土壤環(huán)境。

關(guān)鍵詞：蘋果；枝條堆肥：土壤環(huán)境；高通量測序

中圖分類號：S661.1 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2025） 03-0095-07

中國蘋果栽培面積和產(chǎn)量均居世界第一，已形成環(huán)渤海灣和黃土高原優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)、黃河故道重要產(chǎn)區(qū)以及西南冷涼區(qū)、新疆等特色蘋果產(chǎn)區(qū)。每年數(shù)以百萬噸的蘋果修剪枝條隨之產(chǎn)生，枝條中蘊含大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素以及豐富的木質(zhì)素、粗纖維等。大量修剪枝條堆積在果園中，不僅是火災(zāi)的重大隱患，而且會誘發(fā)病蟲害。傳統(tǒng)處理方式大多將其堆棄或焚燒，不僅對環(huán)境造成污染，而且造成資源的極大浪費。隨著生態(tài)環(huán)境保護要求的提高，對修剪枝條的資源化利用已成為一項亟待解決的問題。

近年來，關(guān)于作物秸稈有效利用的研究越來越多，利用方式也趨于多樣化。研究表明，番茄、黃瓜殘株堆肥處理后還田可降低土壤容重，提高土壤有機質(zhì)含量、微生物生物量和酶活性，促進蔬菜植株生長，增加蔬菜產(chǎn)量：作物秸稈與氮肥長期配施有利于秸稈資源的肥料化利用，顯著提高玉米生物產(chǎn)量、產(chǎn)量和氮素累積：施用枝條堆肥可促進梨樹根系的生長及分布，增加梨產(chǎn)量，改善果實品質(zhì)：將梨樹枝條粉碎后直接還田，可改善作物營養(yǎng)狀況，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。在蘋果樹方面，寧留芳等將蘋果枝干粉碎后進行短期發(fā)酵后還田，可提高蘋果根系活力和葉片光合速率；曹輝等研究發(fā)現(xiàn)，施用炭化蘋果枝條可改變蘋果根區(qū)土壤細(xì)菌組成，提高細(xì)菌和真菌的豐富度和多樣性。然而，關(guān)于蘋果枝條堆肥使用的研究較少。

本試驗響應(yīng)國家減肥減排的號召，將蘋果枝條與動物糞肥混合進行堆肥處理，分析施用堆肥與商品有機肥后土壤環(huán)境的差異，以期為蘋果修剪枝條的合理利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于山東省果樹研究所天平湖試驗基地進行，土壤質(zhì)地為砂壤土。土壤和肥料的化學(xué)特性見表1。供試蘋果樹為3年生的‘沂水紅’，砧木為平邑甜茶（Malus hupehensis），株行距1.5 m×3.5 m，果樹長勢一致。2021年5月將修剪的枝條粉碎至3 cm左右，堆積厚度為100 cm左右，避光透氣腐熟發(fā)酵120 d；另設(shè)枝條堆肥發(fā)酵處理，將枝條與兔子糞按體積比為4：1混合拌勻后同等條件下腐熟。

1.2 試驗設(shè)計

2021年12月選取40株長勢一致的樹木，在正常肥水管理基礎(chǔ)上分別進行如下處理：每株施加0.05 m3商品有機肥（CK）、0.05 m3腐熟發(fā)酵枝條（TI）、0.05 m3腐熟發(fā)酵兔子糞（T2）和0.05 m3枝條和兔子糞混合的枝條堆肥（T3），采用穴施方式，每處理10株。

次年8月進行取樣，在距樹干約1m半徑處避開施肥點，去除表層土壤和覆蓋物，取5～20 cm土層的土樣，多點取樣混勻后過1 mm鋼篩，充分混勻后分裝2份，一份置于-80℃冰箱保存，用于土壤微生物總DNA的提取，一份置于4℃冰箱保存，用于土壤理化性狀的測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分

參照《土壤農(nóng)化分析》中的方法測定。土壤有效氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉萃取法測定；有效鉀含量采用乙酸銨萃取火焰光度計測定：有機質(zhì)含量采用稀釋熱法測定；有效鐵、有效鋅和有效鈣含量采用原子吸收光譜法測定。

1.3.2 土壤酶活性

參照關(guān)松蔭的方法測定。土壤蔗糖酶活性采用3，5-=硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1g土壤中葡萄糖的質(zhì)量表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定容量法測定，以1h后1g風(fēng)干土壤所消耗0.1 mol/L高錳酸鉀溶液的體積數(shù)表示：磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，以1g土壤中酚的mg數(shù)表示；脲酶活性測定采用比色法，以24 h后1g土壤中NH3-N的質(zhì)量表示。

1.3.3 土壤微生物多樣性

參考E.Z.N.A.⑩SoilDNA Kit（OMEGA，美國）試劑盒的方法，稱0.5 g于-80℃保存的土壤樣品，按試驗步驟進行土壤微生物總DNA的提取，DNA樣品于- 20℃冰箱保存待用。提取樣品總DNA后，使用細(xì)菌V3+V4（F：5＇-ARACTYCTACGGRAGGCWG-3＇；R：5＇-GACTACNVGGGTATCTAATCC -3’）對 V3-V4 區(qū)進行PCR擴增；使用真菌ITSI（F：5，- AACCT-GCGGAAGGATCATT-3＇：R：5＇- GARCCAAGAG-ATCCRTTG-3＇）對ITS區(qū)進行PCR擴增。對PCR產(chǎn)物進行純化、定量和均一化形成測序文庫，質(zhì)檢合格后，用Illumina MiSeq PE300平臺，由上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司完成測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用fastp（https：//github. com/OpenGene/fastp，version 0.20.0）軟件對原始測序序列進行質(zhì)控，使用FLASH（http：//www. cbcb. umd. edu/software/flash，version l.2.7）軟件進行拼接；使用UPARSE軟件（http：//drive5. com/uparse/，ver-sion 7.1）根據(jù)97%的相似度對序列進行OTU聚類并剔除嵌合體；利用RDP classifier軟件（ht-tp：//rdp.cme. msu. edu/，version 2.2）對每條序列進行物種分類注釋：利用Mothur軟件計算豐富度指數(shù)Chaol，多樣性指數(shù)Simpson和Shannon。

使用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和制圖：采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（ANOVA），采用Canoc0 5.0軟件分析土壤理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌群落多樣性之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 枝條堆肥對土壤養(yǎng)分的影響

從表2中可以看出，與CK相比，T1處理土壤有機質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鋅含量顯著增加；T2處理土壤有效鈣、有效鋅含量變化不顯著，其余土壤養(yǎng)分含量均顯著增加；T3處理土壤有機質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鈣、有效鋅含量均最高，較T1、T2處理分別增加18. 64%和19. 62%、4.25%和1.99%、20. 24%和9.94%、14. 77%和9.53%、54.10%和17.99%、43.00%和95.89% T1、T2、T3處理均顯著增加了土壤中有機質(zhì)、有效氮、有效磷的含量。

2.2 枝條堆肥對土壤酶活性的影響

由表3可知，T1、T2、T3處理土壤酶活性均高于CK，其中T3處理土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶4種土壤酶活性均最高，分別比CK顯著提高40.43%、78.37%、52.36%和83. 87%。

2.3 枝條堆肥對土壤微生物多樣性的影響

12個土壤樣品共獲得7 048個細(xì)菌OTUs和1 624個真菌OTUs。由表4可知，T1、T2、T3處理土壤細(xì)菌Chaol指數(shù)顯著增加，分別比CK增加5.66%、6.67%、14.19%；土壤真菌Chaol指數(shù)均高于CK，增加幅度分別為7.06%、3.90%、9.38%。表明土壤細(xì)菌和真菌物種豐富度因施用發(fā)酵枝條、兔子糞堆肥、枝條堆肥產(chǎn)生明顯變化。其中，T3處理的Chaol指數(shù)增幅最大，可顯著增加土壤細(xì)菌、真菌群落豐富度。T1、T2、T3處理均提高土壤細(xì)菌Shannon指數(shù)，分別比CK增加2.52%、1.10%、7.03%，且T1、T3與CK差異顯著；土壤真菌Shannon指數(shù)有所提高，提高幅度分別為1.65%、1.65%、8.99%；均以T3處理最高。Simp-son指數(shù)的變化趨勢與Shannon指數(shù)相反。由此可見，果園土壤中施用枝條堆肥可顯著提高土壤細(xì)菌和真菌的物種多樣性。

2.4 枝條堆肥對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，在門水平上，蘋果根區(qū)土壤細(xì)菌主要包含變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）和酸桿菌門（Ac-idobacteria）等，各處理間群落結(jié)構(gòu)相似。變形菌門、放線菌門和擬桿菌門的相對豐度較高，分別為42.38%～52. 16%、13.50%～18. 12%和12. 67%～19. 20%，屬于優(yōu)勢菌門，總豐度為76. 76%～82.23%。圖中顯示，T1、T2、T3處理均不同程度降低根區(qū)土壤變形菌門和酸桿菌門的相對豐度，分別比CK降低3.67%、8.50%、10.79%和11.11%、23.02%、43.60%：可顯著提高擬桿菌門的相對豐度，分別較CK增加12.46%、26.39%、33.42%。在屬水平上共檢測到661個細(xì)菌屬，主要由MNDI、黃桿菌屬（Flavobacterium）、侏囊菌屬（Haliangi-um）、Gaiella、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和硝化螺旋菌屬（Nitro-spira）等組成。T1、T2、T3處理改變了土壤細(xì)菌在屬水平上相對豐度，其中，與CK相比，鞘氨醇單胞菌屬和硝化螺旋菌屬的相對豐度顯著增加，分別提高11.53%、26.29%、50.13%和43. 10%、58.33%、81.09%：假單胞菌屬的相對豐度顯著降低，分別降低12.96%、29.96%、39.91%。

2.5 枝條堆肥對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知，在門水平上，蘋果根區(qū)土壤真菌主要由子囊菌門（Ascomycota）、接合菌門（Zygo-mycota）和擔(dān)子菌門（Basidiomycota）等組成，其中子囊菌門為絕對優(yōu)勢菌門，相對豐度為50. 20%～67.24070：其次為接合菌門和擔(dān)子菌門，相對豐度分別為6.59%～13.39%和4.93%～10. 80%。T1、T2、T3處理均降低土壤子囊菌門的相對豐度，降幅分別為4.02%、13.43%、19.20%；增加接合菌門和擔(dān)子菌門的相對豐度，增幅分別為24. 52%、36. 39%、58. 57%和10. 97%、42.36%、82. 48%。在屬水平上，被孢霉屬（Mortierella）和鐮孢霉屬（Fu-sarium）相對豐度在各處理中均最高；施用枝條堆肥顯著增加青霉屬（Penicillium）、木霉屬（Tri-choderma）和腐質(zhì)霉屬（Humicola）的相對豐度，增幅分別為33.14%、52.54%和111.56%。

2.6 土壤微生物群落特征與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

選取各處理土壤中的優(yōu)勢細(xì)菌屬、真菌屬和土壤肥力指標(biāo)進行冗余分析（RDA），結(jié)果如圖3所示。在土壤細(xì)菌方面，前兩個排序軸累積貢獻率為50. 5%，第1軸和第2軸的貢獻率分別為30.7%和19. 8%。土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受有效鐵（Fe）含量影響最大，且鞘氨醇單胞菌屬和硝化螺旋菌屬與土壤有效鈣（Ca）、有效磷（AP）、有效氮（AN）、有效鉀（AK）、有機質(zhì)（SOM）、有效鐵（Fe）均呈顯著正相關(guān)（圖3A）。在土壤真菌方面，前兩個排序軸累積貢獻率為66.4%，第1軸和第2軸的貢獻率分別為45.0％和21.4%：土壤真菌群落結(jié)構(gòu)受AN含量影響最大，鐮孢霉屬與土壤Ca、AP、AN、AK、SOM、Fe含量均呈顯著負(fù)相關(guān)；青霉屬、木霉屬和腐質(zhì)霉屬與土壤Ca、AP、AN、AK、SOM、Fe含量均呈顯著正相關(guān)（圖3B）。

3 討論與結(jié)論

關(guān)于秸稈腐熟還田的研究很多，Bastian等研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈腐解過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量發(fā)生顯著變化。李逢雨、戴志剛等均發(fā)現(xiàn)，不同有機物還田后其腐解速率不同，對土壤速效養(yǎng)分的貢獻也不同，秸稈堆肥能夠改良土壤質(zhì)量，增加根際土壤碳氮磷庫容量。添加蘋果枝條碎片可增加土壤養(yǎng)分含量，促進平邑甜茶幼苗生長。本研究結(jié)果表明，添加發(fā)酵枝條（T1）、兔子糞（T2）、枝條堆肥（T3）處理土壤SOM、AN、AP含量均顯著高于對照；相比發(fā)酵枝條和兔子糞處理，枝條堆肥處理SOM、AP、AK和Zn含量均顯著增加。

土壤酶在土壤有機質(zhì)分解方面起著至關(guān)重要的作用，可以將有機質(zhì)分解為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。玉米秸稈還田與豬糞配施可提高土壤養(yǎng)分含量和土壤磷酸酶活性，進而顯著增強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于對土壤中氮磷鉀等養(yǎng)分的吸附，降低土壤養(yǎng)分的流失。本研究通過添加枝條、堆肥、枝條堆肥處理提高了果園土壤酶活性，以枝條堆肥處理后土壤酶的水平最高。這可能是由于土壤中施入枝條堆肥后，引起了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，土壤酶活性隨之升高，進而改善了土壤養(yǎng)分狀況。

微生物群落是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的部分，有機物料的添加對農(nóng)田土壤微生物群落的組成有顯著影響。陸海飛等在長期定位施肥試驗中發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施顯著提高土壤細(xì)菌多樣性，改變土壤細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)。馬玉穎等研究指出，有機物料會顯著影響土壤細(xì)菌的群落組成并提升細(xì)菌的多樣性，而糞肥和秸稈還田都會造成土壤真菌群落的生態(tài)功能分化并提高其多樣性。外源有機物料的投入改變了土壤微生物生長所需能量物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量，進而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性。本研究中，施用枝條堆肥可顯著增加土壤細(xì)菌、真菌群落物種豐富度，土壤細(xì)菌和真菌多樣性均有所提高：細(xì)菌中鞘氨醇單胞菌屬和硝化螺旋菌屬的相對豐度顯著增加，假單胞菌屬的相對豐度顯著降低：真菌中青霉屬和木霉屬的相對豐度顯著增加。

有研究認(rèn)為，鞘氨醇單胞菌可以促進作物根際營養(yǎng)吸收、抵抗多種病原菌：該屬的某些菌株還具有固氮和脫氫特性，在維持植物土壤氮平衡方面起著重要作用。假單胞菌屬是目前世界上最復(fù)雜的細(xì)菌屬之一，其中的丁香假單胞菌是一種重要的植物病原細(xì)菌，可為害多種植物，包括糧食作物、蔬菜、果樹、花卉和藥材等。假單胞菌屬相對豐度的降低可能對蘋果樹的生長是一個有利的消息。多種青霉都能抑制植物病原體的生長，對預(yù)防和控制植物疾病具有極其重要的意義。木霉作為土壤中一類習(xí)居真菌，不僅對不同植物病原菌引起的土傳病害具有良好的防控效果，還能促進植物生長、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。腐質(zhì)霉屬是一種常見的腐生真菌，可引起植物殘留物的生物轉(zhuǎn)化和分解。本研究中施入枝條堆肥后，顯著增加土壤中腐質(zhì)霉屬的相對豐度，可促進植物殘留物的轉(zhuǎn)化與分解，進而提高土壤有效養(yǎng)分含量。

植物根區(qū)土壤微生物群落的多樣性和組成受土壤物理和化學(xué)性質(zhì)等因素的影響。堆肥是一個生物氧化過程，其中的微生物，包括細(xì)菌和真菌，可將有機物質(zhì)分解為穩(wěn)定、可用的有機物。本研究發(fā)現(xiàn)，蘋果根區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)主要受到土壤中有效鐵含量影響，而真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)主要受到土壤中有效氮含量的影響。在堆肥過程中，大量降解脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素等的細(xì)菌富集繁殖，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟衫玫奶荚春偷矗┯弥l堆肥后刺激土壤中鞘氨醇單胞菌屬和硝化螺旋菌屬的大量定殖，這有利于果園土壤碳氮循環(huán)，改變細(xì)菌群落內(nèi)部的相互作用。同時，在堆肥過程中真菌也發(fā)揮重要作用，它們能產(chǎn)生多種胞外酶并分解不同的蛋白質(zhì)化合物，甚至還能夠分解有毒化合物，產(chǎn)生大量刺激植物生長的物質(zhì)。

綜上，在果園中添加枝條堆肥可顯著提高土壤有效養(yǎng)分含量，提高土壤酶活性，增加土壤細(xì)菌、真菌群落豐富度和物種多樣性，改善果園土壤環(huán)境。添加枝條堆肥可將果園廢棄物中可降解的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，是一種高效、普遍、可控的沃土培肥方法。

基金項目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-27）；泰安市科技創(chuàng)新發(fā)展項目（2022NS134）；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項目（CXGC2024D20）