生物活性素对富士苹果园土壤氮素利用及苹果生长发育的影响

邓明江 费丽彬 王 贺 孔令霞 王 忆 许雪峰 韩振海

(中国农业大学 园艺学院，北京 100193)

自1992年起，中国的苹果产量一直居世界首位[1]，2018年种植面积为193.86×104hm2，产量为3 923.34×104t，分别占世界苹果种植面积和产量的37.42%和51.48%[2]。目前中国已形成两大苹果优势种植区域[3]，其中陕西省是黄土高原苹果优势生产区域中的核心产区。截至2018年，陕西省苹果种植面积为59.76×104hm2，产量1 008.69×104t，已成为中国苹果生产的第一大省[2]。

化肥对增加作物产量和改善农产品品质有着举足轻重的作用[4-5]。为了获得更多的经济产量，大量无机化肥被应用在苹果生产中，其中纯氮施用量高达400～600 kg/hm2，远超苹果生产发达国家的平均水平[6-7]。在我国黄土高原苹果主产区的陕西地区，化肥过量投入现象尤其普遍[8]，以洛川县为例，氮、磷和钾肥投入过量比例依次为99.3%、98.7%和100%[9]。过量使用化肥不仅造成了资源浪费和肥料利用率下降，导致土壤酸化、板结以及危害地下水安全等环境问题，同时也可造成树体生理紊乱和生理性病害加重[10]。因此，建立因地制宜的科学施肥模式，促进肥料高效利用和苹果优质生产，事关我国苹果产业的可持续发展。

科学利用微生物类肥料、有机肥和黄腐酸类新型肥料等均可促进肥料高效利用，提高果实的产量和品质[11-14]。在洛川老龄果园中，施用微生物复混肥与氮磷钾复合肥较只施用无机化肥，果实的产量和品质均有提高[11]；山西省翼城县的红富士果园中，微生物肥料与化肥配施，可显著改善土壤理化性质，促进树体生长，提高果实产量，并且微生物肥料与60%的常用化肥配施即可满足果树正常生长，使果园的净利润达到最大化[12]。渭北旱塬苹果园中，有机肥与化肥配施比例为4∶6～6∶4是较适宜的可持续施肥模式[13]。在山东地区苹果园中，常规减量施肥10%配合黄腐酸类肥料可促进苹果的生长发育，产量和肥料偏生产力分别提高18.21%和31.20%[14]。

本研究以黄土高原苹果集中连片优生区延安为试验点，利用单一变量原则，设置常规施肥(对照)和增施生物活性素2个处理，对苹果树的各个生长发育期进行监测，从而探究生物活性素对苹果产量和品质的影响，以及在提高化肥利用率方面的效应，以期达到肥料高效利用和降低种植成本的目的。

1 材料与方法

1.1 试验园概况

2017—2019年在陕西省延安市宝塔区和宜川县两地，分别选取4年生矮化密植果园(SX-1、SX-2)和17年生乔化稀植果园(SX-3、SX-4)进行试验。SX-1和SX-2果园株行距为2 m×4 m，每亩83株；SX-3和SX-4果园株行距为4 m×4 m，每亩42株。SX-1、SX-2和SX-4果园是以施用化肥为主的生产果园，SX-3果园以施用有机肥为主的生产果园。延安市位于黄土高原腹地，属温带半湿润半干旱大陆性季风气候；全年平均气温9.9 ℃，平均年降水总量507.7 mm，年日照时数2 448.6 h。2017年春季采集4个供试果园的土壤样品并测定其理化性质，如表1所示。

表1 各试点果园土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties in the 4 test orchards

1.2 试验设计

在每个供试果园选取30株树体健康且长势相同的植株，15株予以常规施肥(CK)，另15株在2017—2019年的每年4月上旬除常规施肥外再增施生物活性素处理(BIO)，除此之外的其它管理皆相同。生物活性素(BIO)为本研究团队开发的一类含有机苯炳环为核心的有机物、微生物和矿质元素的复配试剂，施用时间为苹果刚开始萌芽到开花前。生物活性素的施用方式为：在垂直于树冠外围的地表处，挖长宽深均为20 cm的土坑，坑位于树体两侧，将生物活性素与土壤混匀后填平即可。各试验点具体处理如表2所示。

表2 各试验点的具体处理方案Table 2 Specific treatment schemes for each test point

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤指标

2017—2019年的每年春季，在离苹果树施肥点5～10 cm处，运用“Z”字形取样法，采集0～40 cm土层的土壤样品，每3份土样混合为1个重复，每个处理取3次重复。采用电位法测定土壤pH；碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；乙酸铵浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾的含量和凯氏定氮法测定土壤全氮含量。2019年春季，使用环刀法测量土壤容重[15]。

1.3.2树体指标

2018年4月上旬进行施加生物活性素试验处理后，分别在2018年和2019年的12月，进行树体指标的采样。在对照和生物活性素处理组各任选10株苹果树，测定其株高和干周；各任选5株苹果树，统计花芽数量；各任选3株苹果树，每株树选择树冠外围不同方向的10个一年生枝，测量长度与节间个数，计算节间长度。节间长度=枝条长度/节间个数。2018—2019年4月调查苹果树的开花情况，在CK和BIO各任选10株苹果树，每株树任选3个长度为80 cm左右的枝组统计花序数，计算每100 cm枝组的花序数。刚刚进入开花期的果园，统计成花树率。成花树率=成花植株/试验植株×100%。

1.3.3果实品质指标

2019年秋季果实成熟后，在CK和BIO各任选5株树，统计每株树的结果总数；并采集每株树3个不同方向的果实各1个，共计15个果实。测量果实样品的单果重，计算单株产量；测量果实纵横径，计算果形指数；测定果实硬度、可溶性固形物含量、可溶性糖含量(蒽酮比色法)和可滴定酸含量(NaOH中和法)。在CK和BIO中各选择3个果实，邀请20位同学对果实香气浓郁程度进行主观评价，淡(0分)、一般(1分)、浓(2分)、特浓(3分)，得到果实香气评分数据[14]。

1.3.4肥料偏生产力计算方法

肥料偏生产力PFP(kg/kg)= 施肥后作物产量/肥料纯养分投入量

1.4 数据统计

所有数据用Excel 2010进行数据计算和图表处理，SPSS 17.0统计软件进行方差分析和显著性分析(P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著)。

2 结果与分析

2.1 生物活性素对土壤理化性质的影响

2018至2019年连续2年施用生物活性素后，各果园全氮含量的变化如图1所示。在4个试验果园中，经生物活性素处理后的土壤全氮含量相比于对照组的土壤全氮含量均有不同程度的上升，增幅在4.69%～51.35%。与对照相比，SX-1果园增幅为50.00%，差异显著；SX-3果园增幅为51.35%，差异显著；SX-2和SX-4果园增幅分别8.33%和4.69%，无显著差异。

图1 生物活性素处理后土壤全氮含量变化Fig.1 Changes of soil total nitrogen content after bioactive element treatment

2018—2019年连续2年施用生物活性素处理后，各果园的土壤pH、土壤碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量均无明显的变化规律，如表3所示，均在稳定的变化区间内小幅浮动。

2019年春季对试验果园的土壤容重进行测定，结果如图2所示。生物活性素处理后各果园容重数值均有不同程度的降低，但变化不显著，降幅在1.49%～9.02%。其中SX-3果园的土壤容重下降最多，较对照下降了9.02%，说明生物活性素有降低土壤容重的作用，有利于苹果的根系呼吸。

图2 生物活性素处理后土壤容重变化Fig.2 Changes of soil bulk density after bioactive element treatment

2.2 生物活性素对树体生长的影响

连续2年对试验果园施用生物活性素后树体指标的变化如表4 所示。18年和19年各果园施用生物活性素后的树体株高和对照之间没有明显变化；虽19年SX-1果园BIO的干周显著高于CK，但其它3个供试果园的干周变化基本不显著；18年和19年各果园CK与BIO之间的一年生枝条长度和节间长度也呈现出变化不大的趋势。因此，可初步说明生物活性素的施入对树体的基本生长指标无显著影响。

果树成花能力是最终收获果实的基础。经生物活性素连续处理2年后，如表5所示，18和19年幼龄树(SX-1、SX-2)BIO的花芽数量与CK相比均存在不同程度的增加，平均升高58.42%；其中18年SX-1果园BIO的花芽数量与CK相比，表现为显著增加，2019年SX-2果园则表现为极显著增加。除2019年SX-3果园的花序量出现下降外，其它果园BIO与CK相比，均出现了不同程度的提高。因SX-1果园刚进入挂果期，只有部分植株开花，所以统计其成花树的比例，发现SX-1果园BIO的成花树比例与CK相比有连年提高的趋势，表现为2018年、2019年分别提高10%、34%。以上研究结果说明，生物活性素促进树体成花，且在幼龄树上效果更为明显。

表5 生物活性素处理后花芽和花序变化Table 5 Changes of flower buds and inflorescences after bioactive element treatment

2.3 生物活性素对果实产量品质的影响

2019年试验苹果园在生物活性素处理后，果实的产量变化如表6所示。成龄树(SX-3、SX-4)BIO的单果重与CK相比没有显著变化；但幼龄树(SX-1、SX-2)BIO的单果重均有影响。SX-1果园BIO的单果重与CK相比虽下降了15.66%，但结果数量的增多使得单株产量上升；SX-2果园BIO的单果重极显著高于CK，提高了12.61%。此外，多数果园在生物活性素处理后，均可提高单产，SX-1、SX-2、SX-4分别增产8.40%、16.56%、8.95%。说明生物活性素具有增产的作用，且在幼龄树上作用的更加明显。

2019年试验苹果园在生物活性素处理后，如表7 所示，果形指数、可溶性固形物含量、果肉硬度、可溶性糖含量、可滴定酸含量等无显著变化；但生物活性素处理后可使果实香气增加，与对照相比，增幅为5.26%～46.15%，且以SX-3果园最明显。

2.4 生物活性素对肥料偏生产力的影响

在试验的4个果园中，生物活性素处理对肥料偏生产力的变化如表8所示，幼龄果园SX-1、SX-2和成龄果园SX-4 BIO的肥料偏生产力与对照相比，分别提高12.59%、16.55%和8.95%，仅成龄果园SX-3小幅下降0.55%。分析各果园常规施肥措施，发现SX-3果园的肥料施用量最高，但肥料利用率却降低，推测与该果园主要施用有机肥(98.21%)有关；而其他3个果园的化肥施用分别占到果园肥料总施用量的66.67%(SX-1)、96.00%(SX-2)和87.80%(SX-4)。因此，生物活性素能够提高以施用化肥为主的果园肥料利用率，且在幼龄果园效果更显著。

表6 生物活性素处理后果实产量变化Table 6 Changes of fruit yield after bioactive element treatment

表7 生物活性素处理后果实品质变化Table 7 Change of fruit quality after bioactive element treatment

表8 生物活性素处理后果园肥料偏生产力的变化Table 8 Changes of fertilizer utilization after bioactive element treatment

3 讨 论

根系分泌物在养分有效性[16]及养分循环[17]方面发挥重要作用。土壤容重的降低可使得土壤孔隙度增大，改善团粒结构，优化土壤水分及养分的运输[18]。本研究中，陕西地区红富士苹果园在施用生物活性素后，土壤全氮含量上升，土壤容重降低。这与张赛等[19]减氮及配施微生物菌剂后，果园土壤全氮含量上升的结果相似，与韦建玉等[20]增施微生物菌肥后土壤容重降低的结果一致。说明施用生物活性素可能通过促进根系分泌物的产生，改善土壤的微环境从而增强树体对土壤中营养元素的利用能力。此外，本研究施用生物活性素后果实产量显著提高，果实香气与对照相比也有一定的提高。这与张杰等[12]添加微生物肥料后可提高果实产量的结果相似，与刘洋洋等[21]施加含微生物菌剂的有机肥可提高果实香气的结果相似。说明施用生物活性素有助于土壤中养分含量的增加，能促进树体更好地吸收各种微量元素，从而提高苹果产量与品质。因此，对于果园土壤养分含量低于全国平均水平的陕西苹果产区，可适当施用生物活性素来缓解因养分不足而引起的生产问题。

植物花芽的分化受外界环境、矿质元素、碳水化合物和激素等多种因素的影响，其中植株营养是花芽分化的基础[22]。苹果枝条营养生长与花芽分化关系密切，旺盛生长会影响芽营养的积累，以至于影响花芽的生理分化过程，使成花比例降低。枝条的营养生长停止的越早，越有利于花芽生理分化期的营养积累，反之不利于花芽的分化与形成[23-24]。本研究中试验果园的果树经生物活性素施用后，树体的株高、干周、一年生枝长度和节间长度均未出现显著变化，但在幼龄果园成花数量显著增多，说明生物活性素通过促进早花进而促进早果。生物活性素有促进苹果幼树生殖生长而阻碍营养生长的作用，主要原因可能是生物活性素在适当范围内增加了树体对氮素的吸收，进而增加了花量。

4 结 论

本研究发现经生物活性素处理后可以提高土壤全氮含量、降低土壤容重、促进幼树开花、提高果实香气和产量以及提高施用化肥为主的幼龄果园肥料利用率的作用。因此，建议当地可将施用生物活性素作为化肥减施和增产提质的一项有效措施。