起垄覆膜垄沟覆草对山地果树氮肥吸收利用的影响

郭 伟，王延平，韩明玉，张林森，穆 艳，李生光

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100；4.陕西省榆林市米脂县果业办，陕西 榆林 718100)

陕北黄土丘陵区土层深厚，海拔高，光照充足，昼夜温差大，生产的苹果色艳质佳，深受国内外市场青睐。目前，该地区山地苹果面积达12.67 万hm2，已成为颇具影响的区域特色产业。但是，干旱少雨，土壤贫瘠，苹果树生长发育的水分养分供需矛盾十分突出，严重影响果实的产量和品质[1-5]。强化水肥管理、提高自然降水和肥料利用率是山地果园提质增效的关键所在。一些学者开展了旱地苹果园集雨保墒条件下的水热效应，树体生长、生理，果实发育，产量品质等方面研究[6-12]，有效改善了旱地苹果树的土壤水分状况，提高了水分利用率。果树根系只能吸收到根系所能够接触到的区域(根区)的矿质养分，根区外部的肥料养分的溶解和养分在土壤中的迁移、扩散，均离不开水的参与，在干旱情况下，肥料养分难以通过迁移和扩散的方式到达果树根区，进而被根系吸收。氮素是果树生长所必需的大量营养元素，其吸收、利用和分配直接或间接影响树体的器官分化、形成及建造，与苹果树体的生长发育、果实产量和品质形成密切相关[13,14]。氮肥供应不足，树体生长和果实发育不良，产量降低；过量施氮，果树营养生长过旺，导致落花落果，果实品质降低，也会造成氮素利用率降低和环境污染。周恩达等[15]研究了过量灌溉条件下起垄栽培对富士苹果生长和15N-尿素利用、分配的影响，张大鹏等[16]研究了滴灌施肥对苹果氮素吸收和利用的影响，李丙智等[17]研究了渭北苹果园滴灌施氮肥对土壤氮迁移的影响。目前，对集雨保墒条件下肥料的利用状况研究报道少见。起垄覆膜-垄沟覆草是近年来在陕北黄土高原苹果产区雨养果园大力推广的一项集雨保墒新技术，能使雨水集聚点和施肥点重叠，有助于旱地果园土壤水分养分的吸收利用，促进果树叶面积增大、寿命延长，从而提高果树产量和品质。为给起垄覆膜垄沟覆草集雨条件下氮肥的施用提供科学依据，本文以米脂县党塔基地山地苹果园7年生果树为研究对象，布设起垄覆膜垄沟覆草及施肥试验，利用15N示踪技术，研究了该技术条件下山地苹果树氮肥吸收、利用、产量和品质状况，对提高陕北黄土高原雨养果园的水肥利用效率，强化果园的水肥管理具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及处理

试验于2016年4-10月在米脂县石沟镇党塔村山地苹果科技示范果园(109°57′20″E，38°08′32″ N)进行，地处海拔986～1 012 m。该地区降雨季节性分布不均，4-6月降雨量少，且多为10 mm以下的无效降雨， 6-9月则占到降雨量的60%以上。年平均降雨量451.6 mm，最大年降雨量704.8 mm，最小年降雨量186.1 mm。年平均气温8.9 ℃，极端最高气温38.2 ℃，极端最低气温-25.5 ℃，无霜期162 d。果园地形主要为台地及梯田，局部为坡地，土壤为黄绵土，土质疏松，土壤贫瘠；有机质含量5.13 g/kg，全氮0.38 g/kg，速效磷16.18 mg/kg，速效钾91.98 mg/kg， pH值为8.6。果树定植于2010年春，株行距4 m× 5 m，主栽品种红富士，授粉品种嘎啦、秦冠。

试验选取树势生长基本一致、管理措施相同、无病虫害的红富士果树为试材。采用裂区设计，设主处理2个，即：起垄覆膜垄沟覆草(FS)和常规管理(对照CK)，设副处理3个，即3个氮肥施用水平。施氮水平根据目标产量确定[18]，按不足：合理：过量为1∶2∶3设计，分201.53、403.05、604.58 kg/hm2(以下简用N1、N2、N3)3个水平布设，每个处理重复3次。起垄覆膜垄沟覆草(FS)是以果树主干为中心，沿行向在树干两侧各起中间高两边低、宽100 cm的拱形垄，垄上沿行向覆盖宽120 cm、厚0.01 mm的黑色地膜， 沟内覆盖10～15 cm厚度玉米秸秆。尿素肥料均匀撒施于沟下0～20 cm处，与土拌匀。常规管理是树盘裸露，其施肥位置、种类、方法与FS一致。供施氮肥为尿素(含氮量46%)，N1、N2、N3施肥量分别为447.8、895.6、1 343.4 g/株，同时每株施15N-尿素5 g(北京百灵威提供，丰度10%)，过磷酸钙1.04 kg，硫酸钾895.6 g，其他田间管理一致。

1.2 取样及测定计算

在5月30日(新梢旺长期)、7月2日(新梢缓长期)、9月2日(果实膨大期)，采集果树树冠外围(东南西北4个方向)当年正常发育枝的中部各12片叶，共48个果树叶片进行分析，每处理取3株，单株重复，重复3次。样品取回后，按去杂→洗涤剂→清水→0.1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后，105 ℃杀青30 min，随后在80 ℃下烘干至恒重，电磨粉碎后过0.25 mm筛，混匀后装袋备用。

于10月15日(果实采收期)采集新梢枝条(每株采集不同部位的8个枝条，单株重复，重复3次)、叶片(本次采集的新梢上的所有叶片，单株重复，重复3次)、多年生枝(每株采集临时性主枝上的多年生枝1个，在其不同部位采集3个样品，取平均值，单株重复，重复3次)、主枝(每株采集临时性主枝1个，在其不同部位采集3个样品，单株重复，重复3次)、主干(每株树在树干基部取截面1 cm2，深2 cm的样品，单株重复，重复3次)及果实(树冠外围中部东南西北4个方向、上中下3个方位各取1个)。样品取回后，按去杂→洗涤剂→清水→0.1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后，105 ℃杀青30 min，随后在80 ℃下烘干至恒重，电磨粉碎后过0.25 mm筛，混匀后装袋备用。

于11月28日(落叶后)，用手锯锯取一株苹果树(非试验树)当中的1个长势中等有代表性的主枝，然后按主枝、侧枝和营养枝剪开，再截成小段，分别测定其干物质重量和体积(排水法测定)，建立枝干体积与干物重的关系，关系式为：Y= 0.626 3X+1.725 8，R2=0.997 5 (见图1)。

图1 枝条体积与其干物重的关系Fig.1 Relationship between the volume and dry weight of branches

试验树地上部分干物质重量根据以上测得的枝干体积与干物重的关系计算确定[19]。试验树的枝干体积 = 主干体积 + 主枝体积 + 侧枝体积 + 营养枝体积。主干体积为主干周长(从离基部20 cm开始，每隔20 cm测定1个数)和高度计算所得；主枝体积为主枝周长(从离基部20 cm开始，每隔20 cm测定1个数)和长度计算出单一主枝体积，然后乘以主枝数所得；侧枝体积为侧枝周长(从离基部20 cm开始，每隔20 cm测定1个数)和长度计算出单一侧枝体积，然后乘以侧枝数所得；营养枝(长度<5 cm的忽略不计)体积为营养枝周长(基部5 cm处)和长度计算出单一营养枝体积，然后乘以营养枝数所得。

样品的全氮含量用凯氏定氮法测定[20]；15N丰度用MAT253型稳定同位素质谱仪(杨凌，中科院水保所)测定。计算公式如下：

Ndff(%)=(样品中的15N丰度-自然丰度)/

(肥料中的15N丰度-自然丰度) × 100

(1)

总氮含量(g)= 干物重(g)× N%

(2)

器官15N吸收量 = 器官干物重(g)× N% ×

[样品中的15N丰度% - 自然丰度%]

(3)

15N肥料利用率(%)=

15N吸收量(g)/15N施入量(g)×100

(4)

式中：Ndff值为植株器官从肥料中吸收分配到的15N含量对该器官全氮含量的贡献率，反映植株器官对肥料氮的吸收征调能力[21]；自然丰度为0.366 5%[22]；肥料中的15N丰度为10%。

试验数据用Microsoft Excel 2003软件处理，并绘制图表，SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 起垄覆膜垄沟覆草对山地苹果树不同物候期叶片含氮量的影响

苹果叶片氮(N)素含量是反映其生长质量高低的重要因素。由表1可以看出， FS对苹果树叶片含氮量有明显的影响，在4个生育阶段，苹果树叶片含氮量均高于对照处理，说明FS促进了树体对氮肥的吸收利用。其中，春梢旺长期叶片含氮量较CK提高4.95%～11.68%，差异达到显著水平，但在春梢缓长期、果实膨大期和果实采收期，差异不显著。这是由于春季降雨较少，且小于10 mm的无效降雨多，果园土壤干旱，水分亏缺严重， FS能将有限的雨水集聚于施肥处，改善土壤水分环境，一方面有助于肥料的溶解和养分的迁移、扩散，另一方面促进了树体蒸腾，进而提高了树体对土壤养分的吸收利用；相反，对照处理的土壤含水量较低，制约了树体对氮肥的吸收。进入雨季后，FS与CK的土壤水分差异变小，果树对氮肥吸收利用能力相近，因此叶片含氮量差异不显著。

表1 不同处理下苹果生长期叶片氮含量 %

注：不同小写字母表示同一列中不同施氮水平在同一时期处理间差异显著(P<0.05)。

从表1还可以看出，在苹果树生长季内，叶片中氮含量随叶龄的增加而降低，在春梢旺长期叶片含氮量最高，春梢缓长期、果实膨大期有所下降，到果实采收期叶片含氮量降至最低，年周期内叶片中氮含量的变化范围为1.80%～2.58%。这是由于叶片早期的氮素养分主要来源于上年根系贮藏营养，随着枝叶的迅速生长，消耗大量氮素养分，同时氮素养分的分配随生长中心的转移而变化，更多地向果实转移，造成叶片氮含量下降[23]。

不同氮肥施用水平对苹果树的叶片含氮量也有一定影响，氮肥施用量合理(N2)时叶片含氮量最高，氮肥施用量不足(N1)时叶片含氮量较低，这与曾艳娟等[24]人研究结果一致。这里需要说明的是，本试验中氮肥施用过量(N3)时的叶片含氮量也一直低于N2，这可能是N3导致新稍徒长，叶片数量增多，进而稀释了叶片的含氮量所致。

2.2 起垄覆膜垄沟覆草对山地苹果树不同物候期叶片Ndff值的影响

由图2可以看出，在苹果树生长季的4个不同的物候阶段FS的叶片Ndff值高于CK，其中，新稍旺长期FS的Ndff值比CK高52.26%～65.18%，新稍缓长期高39.64%～49.17%，果实膨大期高55.74%～82.17%，果实采收期高47.57%～92.57%。说明起FS能够提高苹果树叶片对肥料氮素养分的吸收征调能力，促进果树对肥料氮的吸收利用。

图2 不同物候期苹果叶片的Ndff值Fig.2 Ndff % of apple leaves under condition of different treatment in different growth stages

苹果树生长季内叶片的Ndff值呈现“先增后降”的趋势，春夏新稍旺长和幼果膨大阶段，Ndff值逐渐增大，至果实膨大期达到最大值，3个施肥水平下，FS和CK的Ndff值分别达到0.236 8%～0.386 5%和0.130 0%～0.246 3%，到果实采收期有所下降，说明随生长时期推移，苹果树对肥料氮的吸收利用不断增加；生长季末，新生枝叶氮素向多年生枝干器官回流，为下一年生长积累养分，这与赵林[25]、丁宁[26]等人研究结果一致。

由图2还可以看出，不同施氮水平对苹果叶片的Ndff值有明显的影响，在4个不同的物候期，FS和CK两种处理下N2水平的Ndff值始终高于N1和N3水平，且除春梢旺长期外，其他3个时期N2水平的Ndff值与N1和N3水平相比，均达到显著水平(P<0.05)。说明合理的施肥水平有利于苹果树对肥料氮素养分的吸收利用，施肥不足或者过量施肥都会降低氮肥的吸收利用率。这与巨晓棠等[27]人的研究认为氮肥利用率在达到一定施肥量后随施肥量的增加而降低的结论相符。

2.3 不同处理对苹果树地上部各器官中Ndff值的影响

表2是试验地苹果采收期不同处理条件下地上部不同器官的Ndff值的计算结果。由表2可知，在果实采收期，起垄覆膜垄沟覆草处理(FS)下，果树地上部各器官的Ndff值均明显高于CK处理，叶片、新稍、多年生枝、主枝、主干和果实的Ndff平均值比CK的Ndff平均值分别高76.76%、26.09%、38.37%、39.48%、38.52%、69.78%，说明FS处理能够增强苹果树各个器官对肥料氮素养分的吸收征调能力，促进果树对肥料氮的吸收利用。

表2 果采收期不同处理条件下地上部不同器官的Ndff值 %

注：不同小写字母表示同一列中不同施氮处理在同一时期处理间差异显著(P<0.05)。

由表2还可看出，在果实采收期，果实的Ndff值最大，多年生枝、主枝和主干等旧器官的Ndff值次之，而叶片、新稍等新生器官的Ndff值相对较低。说明在果实成熟期苹果树吸收的15N主要分配给果实，而新生枝叶器官中氮素则向多年生枝干中回流，进行营养积累。

到果实采收期，FS和CK两种处理下N2水平的各种器官的Ndff值始终高于N1和N3水平。说明合理施肥有助于苹果树对氮肥的吸收利用，而施肥不足或施肥过量都会导致苹果果树对肥料氮素的吸收利用能力降低。

2.4 不同处理对 15N-尿素利用率的影响

由表3可知， 在苹果果实成熟期，苹果树地上部分各器官的含氮量为主干 > 主枝 > 果实 > 枝梢 > 叶片，经方差分析，主干、主枝的含氮量显著高于果实、枝梢和叶片(P<0.05)，说明养分主要贮藏于多年生器官(主干、主枝和多年生枝)；起垄覆膜垄沟覆草处理(FS)下，果树地上部的15N-尿素利用率明显高于CK处理，其N1、N2、N3水平的15N-尿素利用率分别比对照高6.65%、13.41%、10.24%；从施肥水平看，不同施肥水平对氮肥利用率有着不同程度的影响， FS的N2水平的氮肥利用率显著高于N1、N3水平(P<0.05)，对照N2水平的氮肥利用率显著高于N1、N3水平(P<0.05)。这也说明施肥量合理则肥料利用率高，而施肥量不足或者过量都会导致氮肥肥料利用率降低。综合来看，FS-N2组合的15N-尿素利用率最高。

表3 不同处理下苹果树的 15N利用率Tab.3 15N utilization rate of aboveground organs under condition of different treatment

2.5 起垄覆膜垄沟覆草对果实成熟期产量和品质的影响

由表4可以看出，FS的单株产量和单果质量均高于CK，且不同施氮水平差异显著(P<0.05)，均为N2处理最大，N3处理次之，N1处理最小。果径大小是当前市场销售价格和销售渠道最重要的影响因素，FS的优果(横径>80 mm)率明显高于CK，不同施氮水平差异显著(P<0.05)，均为N2处理最大，N3处理次之，N1处理最小。从反映苹果内在品质的主要指标可溶性固形物、硬度、可滴定酸来看，FS和CK接近，但不同施氮水平也都表现为N2处理最大，N3处理次之，N1处理最小。说明起垄覆膜垄沟覆草处理(FS)进行合理施肥显著提高了果实产量，改善了果实品质。

3 讨论与结论

表4 不同处理的果实产量和品质Tab.4 Fruit yield and quality of‘ Fuji’ apple under condition of different treatment

土壤水分亏缺，养分贫瘠，水分养分利用率低是制约黄土高原山地果树生产发展的瓶颈问题。土壤水分与养分在许多方面具有耦合作用，水分不同，直接影响肥料的施用效果，水分胁迫的土壤环境下，施肥少难以发挥土壤有效水分的作用，施肥多容易导致肥料浪费，也易产生不良后果。试验果园春季降雨少，且小于10 mm的无效降雨多，日晒强烈，大风频繁，土壤干旱，水分亏缺严重，对肥料养分的吸收利用造成很大的影响。起垄覆膜垄沟覆草(FS)能将有限的雨水集聚于果树根区，改善土壤水分环境。研究表明，起垄覆膜垄沟覆草能够显著提高果园的土壤水分含量，在干旱季节0～60 cm土层可比对照提高20.94%，秋雨季节可比对照提高11.78%[8]。FS将雨水集聚于施肥点，实现了水肥位置的耦合，一方面有助于肥料的溶解和养分的迁移、扩散，另一方面促进了树体蒸腾，进而提高了树体对土壤养分的吸收利用。本试验研究表明，起垄覆膜垄沟覆草能够提高苹果树各个器官对肥料氮素养分的吸收征调能力，促进果树对肥料氮的吸收利用，提高氮素肥料的吸收利用率。

氮素是果树生长发育所必需的大量矿质元素，对果树的器官建造、物质代谢、生化过程、 果实产量及品质的形成等都具有不可替代的作用[4]，土壤中的氮素不能满足果树需求， 要靠施肥来补充和调节，适量施氮不仅能增加光合叶面积[28]，还能促进花芽分化[29]、提高坐果率，增加产量[30]。我国果树多种植在土壤贫瘠的丘陵地，土壤有机质普遍较低。苹果栽培过程中偏施氮肥，施肥不足和超量并存，肥料利用率低，施肥时期不合理，后期脱肥，贮藏营养不足等问题严重[4]。赵佐平等[17]调查研究发现，陕西苹果园果农化肥平均纯氮用量为671.71 kg/hm2，而适宜的化肥用量为240～360 kg/hm2，全省有78.3%的果园氮肥投入过量。本试验研究表明，苹果树不同物候期FS的叶片氮含量和Ndff值均高于CK，果实采收期， FS的叶片、新稍、多年生枝、主枝、主干和果实的Ndff值均明显高于CK，这与FS改善了土壤水分环境有关。不同施N水平对苹果树不同物候期FS的叶片氮含量、Ndff值以及果实采收期各器官的Ndff值有明显差异，不随着施氮水平增加而提高，而是N2水平始终高于N1和N3，说明合理的施肥水平有利于苹果树对肥料氮素养分的吸收利用，施肥不足或者过量施肥都会降低氮肥的吸收利用率。这与巨晓棠等[27]人的研究认为氮肥利用率在达到一定施肥量后随施肥量的增加而降低的结论相符。

本是研究表明，起垄覆膜垄沟覆草处理(FS)下，果树地上部的15N-尿素利用率明显高于CK处理，不同施肥水平对氮肥利用率有着不同程度的影响，FS的N2水平的氮肥利用率显著高于N1、N3水平(P<0.05)，对照N2水平的氮肥利用率显著高于N1、N3水平(P<0.05)。说明施肥量合理则肥料利用率高，而施肥量不足或者过量都会导致氮肥肥料利用率降低。综合来看，FS-N2组合的15N-尿素利用率最高。这是由于合理施氮促进了植株根系的生长，从而增大了根系的有效吸收面积，增加了根系对土壤氮素的吸收，提高了氮肥利用率。

本试验研究表明，FS的单株产量、单果质量和优果率均高于CK，且不同施氮水平差异显著(P<0.05)。充足的氮素供应能够促进苹果树成花、坐果及果实膨大，利于产量提高[13]。

N2水平的最大，N3次之，N1最小，表明适宜的氮水平提高了果实产量和品质，氮肥不足或过量在一定程度上降低了果实产量和品质，本研究中 403.05 kg/hm2为陕北山地苹果园最佳的施氮水平。

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