不同施肥處理對‘渝城1號’核桃產量、品質和土壤肥力的影響1)

黃小輝 馮大蘭 楊華均 王玉書 魏立本 周小舟 唐佳佳 李秀珍

(三峽庫區森林生態保護與恢復重慶市市級重點實驗室(重慶市林業科學研究院),重慶,400036)

近年來,為增加健康優質的食用植物油供給,切實維護國家糧油安全,我國相繼出臺了一系列指導文件和政策,迅速促進了以核桃(JuglansregiaL.)為主的木本油料產業的發展。截止2020年,全國核桃栽培面積已達533萬hm2,位居世界之首[1]。目前,我國核桃栽植面積大,其中,重慶、貴州、云南等山區地帶因脫貧攻堅種植了大量核桃,但該地區多數區域土壤立地條件差、山區施肥難度大、林農施肥意識薄弱,很多核桃園基本不施肥,因此,不僅沒得到豐產,反而導致土壤養分消耗,肥力嚴重下降。而部分有條件的核桃園為了提高產量,大量施肥,但因缺乏科學的施肥技術指導,肥料亂用濫施現象較普遍,造成資源浪費、果園土壤退化及營養失衡[2]等問題。加強核桃施肥技術研究是提高我國核桃產量與品質的關鍵環節。目前,國內外核桃施肥多以化肥為主,其使用方便、見效快,關于科學混施有機肥、生物菌肥等的研究報道較少[3-4]。在美國加州及周邊地區,核桃栽植選地多以土層深厚、肥沃、排水良好的平地為主,通過葉片及土壤的營養分析和可見缺素癥狀來決定施肥種類、施肥量及是否施肥,并結合滴灌及滲灌系統施入肥料,實現肥水一體化[5]。歐州地區很多核桃園已采用地面灌溉施肥和葉面追肥相結合的方式。核桃種植通常根據不同品種及樹齡的呼吸、蒸騰、水分運輸作用,結合核桃樹體對N、P、K的需求量及其與經濟產量的關系,衡量大量元素及微量元素對核桃生長、結實的影響,并通過核桃樹體出現缺素癥狀時的表現開展配方施肥[6]?，F階段我國核桃種植總體還較為粗放,但也有部分區域根據土壤、氣候條件及核桃生長發育的需要,設計生產了適合當地的專用肥料,并進行小規模應用。例如,王根憲[7]根據秦巴山區及北方黃土干旱丘陵區的核桃園土壤養分狀況,結合當地核桃品種的需肥特點,采用先進工藝配制出高效核桃專用肥,促進核桃增產15%～20%;楊建榮等[8]在分析臨滄地區土壤養分后,配制了適合當地的核桃專用肥,配方以有機肥為主,摻入10%的氮、磷、鉀及少量硼,使用后不僅提高了核桃的生長量和抗逆性,還對果園土壤環境有一定的改善作用。

配方肥是根據作物需肥規律、土壤供肥性能、肥料田間效應,以氮、磷、鉀等化肥為主要原料,有針對性地添加適量中、微量元素或有機肥料后復混(合)或摻混而成的肥料,適合于特定區域及特定作物,其既能增產增效,又促進節能減排,是目前作物栽培和產業發展中必不可少的環節[9-10]?！宄?號’核桃是重慶市的主栽品種,樹勢強旺,分枝力及適應性強,在重慶范圍內32個區縣均有分布,栽植面積達7.3萬hm2。該品種核桃長勢快,需肥量大,但由于果農施肥意識落后,科學施肥技術缺乏,導致平均干果每公頃產量不到450 kg,經濟效益低下,嚴重影響增收。因此,本研究以‘渝城1號’核桃為研究對象,設置施用核桃配方肥、單施復合肥、單施有機肥及不施肥4個處理,連續試驗2 a,通過測定不同施肥處理的核桃產量、品質及核桃園土壤理化性質、微生物等變化,對核桃配方肥的應用效果進行評價,為核桃配方肥推廣及重慶核桃產業發展提供參考。

1 試驗地概況

試驗地位于重慶市城口縣高觀鎮(地理中心坐標為31°50′59″N、108°54′38″E),屬亞熱帶山地氣候,海拔860 m,年均氣溫13.7 ℃,降水量1 361.1 mm,無霜期235 d,年均日照時間1 357 h。試驗核桃園為2015年春季建園,栽植3年生大苗,面積約10 hm2,土壤為黃壤,土層厚度60～80 cm。試驗地土壤pH為7.62,土壤密度1.20 g·cm-3,土壤有機質質量分數為9.96 g·kg-1,全氮質量分數為1.01 g·kg-1,全磷質量分數為0.71 g·kg-1,全鉀質量分數為29.17 g·kg-1,堿解氮質量分數為44.90 mg·kg-1,有效磷質量分數為18.30 mg·kg-1,速效鉀質量分數為43.70 mg·kg-1。

2 研究方法

2.1 試驗材料及設計

供試核桃品種為‘渝城1號’,樹齡7 a,栽植株行距4 m×5 m。供試肥料分別為核桃配方肥、復合肥、有機肥。核桃配方肥[11]是根據‘渝城1號’核桃需肥規律及試驗區域土壤養分狀況制定而成的有機無機復混肥,包括基肥(有機質40%,N-P2O5-K2O=5-3-4,含中、微量元素)和追肥(有機質20%,N-P2O5-K2O=10-6-9,含中、微量元素);復合肥為三元復合肥料(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15),購于當地農資公司;有機肥以牛糞堆漚發酵而成,有機質為46.4%、N為0.973%、P2O5為1.96%、K2O為2.23%。試驗于2020年9月采收核桃后開始布置,2022年9月核桃采收后結束。根據核桃施肥種類,試驗設4個處理,分別為不施肥(CK)、單施復合肥(T1)、單施有機肥(T2)、施用核桃配方肥(T3)。以666.7 m2為1個處理小區,每個小區栽植核桃樹33株,每個處理重復3次。T1處理的施肥量和施肥方法源于當地農戶調查,施肥量為1 237.5 kg·hm-2;T2處理的施肥量為4 950.0 kg·hm-2,將有機肥作為基肥于當年秋季一次性施入;T3處理按基肥和追肥每年分2次施用,施肥量根據核桃礦質營養需求量及試驗核桃樹的生產量推算,基肥施肥量約1 485.0 kg·hm-2,施肥時間為11月上旬,追肥施肥量約990.0 kg·hm-2,施肥時間為次年4月下旬。各處理具體施肥養分投入量見表1。施肥方式采用溝施,沿核桃樹冠邊緣開溝,深度30 cm。連續施肥2 a,于2022年核桃成熟時進行果實產量、品質及土壤理化性狀測定。

表1 不同施肥處理的養分投入量

2.2 測定指標及方法

土壤理化性質及微生物的測定：核桃果實成熟后,在各施肥處理的核桃樹中隨機選取5株,避開施肥點,沿樹冠邊緣采集40 cm深的土壤混合樣。土壤樣品采回后,剔除雜物,常規分析土壤pH、有機質、有效氮、磷、鉀質量分數[12]。用氯仿熏蒸濃度為-0.5 mol·L-1的K2SO4提取微生物生物量碳、氮質量分數,K2CrO7氧化法測定碳質量分數,靛酚藍比色法測定氮質量分數[13]。風干另一部分土壤,磨細過篩,采用高錳酸鉀滴定法、靛酚比色法、水楊酸比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法分別測定過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性[14],平板計數法測定土壤細菌(牛肉膏蛋白胨培養基)、真菌(馬丁氏瓊脂培養基)、放線菌(高氏一號培養基)、自生固氮菌(Ashby無氮培養基)、解磷細菌(磷酸鈣+植酸培養基)、解鉀細菌(鋁土礦培養基)、纖維分解菌(赫奇遜氏瓊脂培養基)的數量[15]。

核桃產量及品質測定：在果實成熟期進行核桃單株測產,每個處理測10株樹,取平均值。測產后,每株隨機選取20顆健康果實,測定核桃果實品質。用全自動凱氏定氮儀測定蛋白質質量分數,脂肪酸測定參照國標GB/T 17376-2008[16]。

經濟效益分析：參考吳文利等[17]的方法,計算各處理核桃的經濟效益,公式如下：

產值=產量×單價×1000;

經濟效益=產值-肥料成本-其他管理成本。

式中：復合肥(含運費)肥料成本為4 000元·t-1;有機肥(含運費)肥料成本為850元·t-1;核桃配方肥基肥(含運費)肥料成本為元2 800元·t-1;核桃配方肥追肥(含運費)肥料成本為3 200元·t-1;其他管理成本包括打藥、施肥、采摘、修剪等費用,約4 800元·hm-2。

2.3 數據處理

利用Microsoft Excel進行數據統計,SPSS 20.0統計軟件進行方差分析、相關性分析、差異顯著性檢驗,顯著性水平為P<0.05。

3 結果與分析

3.1 不同施肥處理對核桃園土壤理化性質的影響

3.1.1不同施肥處理對土壤pH、有機質及有效養分質量分數的影響

由表2可知,不同施肥處理時核桃園土壤理化性質發生了明顯變化。其中T2及T3處理的土壤pH相比原始土壤(CK)均有明顯升高,T1處理的有所降低。T2及T3處理的有機質質量分數均顯著增加,T1處理時顯著下降(P<0.05)。各處理中,土壤堿解氮質量分數以T3處理最高,T1和T2處理次之,CK最低,且各處理間差異顯著(P<0.05)。T1、T2、T3處理的有效磷質量分數分別比CK處理高出17.0%、110.9%、169.9%,且各處理間差異顯著(P<0.05)。T1、T2、T3處理的速效鉀質量分數顯著高于CK處理(P<0.05),但T1與T3處理間差異不顯著。

3.1.2 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是影響土壤肥力的重要因素,不同施肥處理對核桃園土壤的各類酶活性影響十分顯著(表3)。與CK相比,T1、T2、T3的土壤蔗糖酶活性分別提高了22.4%、33.5%、154.9%,且各處理間差異顯著(P<0.05)。對于磷酸酶活性,T2及T3處理較CK分別提高了2.0及5.3倍,且該3個處理間差異顯著(P<0.05),T1處理較CK無顯著變化。脲酶及過氧化氫酶活性均以T1處理時最高,CK最低,T2、T3處理間無顯著差異。

3.2 不同施肥處理對核桃園土壤微生物的影響

3.2.1不同施肥處理對土壤微生物生物量碳、氮的影響

如表4所示,相比于CK,3種施肥處理的土壤微生物生物量碳質量分數和微生物生物量氮質量分數均顯著提高(P<0.05)。其中,土壤微生物生物量碳質量分數以T3處理時最高,較CK、T1、T2處理分別提高22.1%、28.9%、51.3%。T2及T3處理的微生物生物量氮質量分數無顯著性差異,但較CK及T1處理相比,有所提高。各處理微生物生物量碳氮比為9.29～18.33,各處理間差異顯著(P<0.05)。

3.2.2 不同施肥處理對可培養微生物數量的影響

由表5可知,各施肥處理均能顯著提高土壤細菌及放線菌數量。其中,T1、T2、T3處理時,土壤細菌數量分別比CK高出108.3%、111.5%、233.1%,T1與T2處理的細菌數量無顯著性差異,但T3處理的顯著高于T1及T2處理(P<0.05)。T1、T2、T3處理時,土壤放線菌數量分別比CK高出33.4%、33.9%、36.2%,但三者間差異不顯著。T1處理時,土壤真菌數量相比于CK有所下降,但兩者間無顯著差異,T2及T3處理的土壤真菌數量分別比CK高出70.9%及104.1%,且2個處理間差異顯著(P<0.05)。

表3 不同施肥處理的土壤酶活性

表4 不同施肥處理的土壤微生物生物量碳、氮質量分數

表5 不同施肥處理中土壤可培養細菌、真菌、放線菌數量

3.2.3不同施肥處理對可培養生理功能微生物數量的影響

綜合來看,在核桃根際土壤中,解磷細菌最多,解鉀細菌及自生固氮菌次之,纖維分解菌最少(表6)。與CK相比,T1處理的土壤自生固氮菌、纖維分解菌、解磷細菌數量均顯著下降(P<0.05),分別比CK低16.32%、22.18%、33.22%。T1處理時解鉀細菌數量與CK無顯著差異;T2處理的自生固氮菌數量與CK無顯著差異,但解磷細菌、解鉀細菌、纖維分解菌數量顯著上升(P<0.05),分別高出CK12.25%、14.11%、14.95%;T3處理的自生固氮菌、解磷細菌、解鉀細菌、纖維分解菌數量均顯著高于CK、T1、T2處理,分別是這3種處理的1.6～2.0、1.2～1.9、1.5～2.2、1.9～4.1倍。

表6 不同施肥處理的土壤可培養功能菌數量

3.3 不同施肥處理對核桃品質的影響

核桃果實的品質是決定核桃生產優勢的重要因素之一。由表7可知,施肥明顯改善了核桃的蛋白質和粗脂肪質量分數。T3處理的核桃蛋白質質量分數相對最高,比CK提高了24.4%,而T1與T2處理間核桃蛋白質質量分數無顯著差異。T1及T3處理的核桃脂肪質量分數相對較高,分別較CK處理提高了15.9%及13.8%,且與CK差異顯著(P<0.05)。與CK處理相比,T1、T2、T3處理在一定程度均提高了核桃的油酸質量分數,但亞油酸質量分數變化不明顯。T2、T3處理的核桃α-亞麻酸質量分數顯著高于CK(P<0.05),分別比CK提高了18.52%及21.2%,而T1處理的α-亞麻酸質量分數與CK無顯著差異(P>0.05)。與CK相比,T1、T2、T3處理的硬脂酸質量分數均顯著下降(P<0.05)。4種處理的核桃果實棕櫚酸質量分數無顯著差異。

表7 不同施肥處理核桃果實的品質

3.4 不同施肥處理對核桃產量及經濟效益的影響

由表8可知,各施肥處理的核桃產量由大到小依次為T3、T1、T2、CK,其中,T3處理的核桃產量分別高出T2、T1、CK處理32.4%、13.6%、103.2%。通過對不同施肥處理時核桃果園的經濟效益進行分析,核桃配方肥處理(T3)的投入成本相對較高,略高于單施復合肥(T1)及單施有機肥(T2),但該處理時核桃的產值和經濟效益也最高,T1及T2處理次之,CK最低?？梢?T3處理時能獲得最佳經濟效益。

表8 不同施肥處理時核桃產量及經濟效益

3.5 核桃產量、果實品質與土壤養分的相關性分析

通過分析核桃產量、品質與土壤理化性質、土壤微生物等的相關性(表9),可以看出,核桃產量與土壤堿解氮質量分數、磷酸酶活性、真菌數量呈顯著正相關(P<0.05),與細菌數量呈極顯著正相關(P<0.01);核桃蛋白質質量分數與土壤有機質質量分數、堿解氮質量分數、有效磷質量分數、磷酸酶活性、脲酶活性呈顯著正相關(P<0.05),與蔗糖酶活性呈顯著負相關(P<0.05);核桃粗脂肪質量分數與堿解氮質量分數、細菌數量呈顯著正相關(P<0.05),與土壤pH呈顯著負相關(P<0.05);核桃亞油酸及油酸質量分數與有效磷質量分數呈顯著正相關(P<0.05),與脲酶呈極顯著正相關(P<0.01);核桃α-亞麻酸質量分數與磷酸酶活性、過氧化氫酶活性、真菌數量呈顯著正相關(P<0.05);核桃棕櫚酸質量分數與堿解氮質量分數、有效磷質量分數呈顯著正相關(P<0.05)。

表9 核桃產量、品質與土壤指標間的相關系數

4 結論與討論

好的土壤是果樹健康生長的重要前提,土壤養分特征、酶活性及微生物數量對評價土壤質量有重要意義[18]。2 a的施肥試驗中,復合肥促進了核桃園土壤有效氮、磷、鉀質量分數的增加,出現該現象是由于長期施入速效肥料,但這同時也導致土壤pH及有機質質量分數下降,且漸有土壤酸化及其理化性質惡化的趨勢。施用有機肥及核桃配方肥處理的核桃園土壤pH均有所升高,土壤有機質及有效養分均顯著增加,尤其以施用核桃配方肥的效果最好,其有效改善了核桃園土壤質量。這是因為核桃配方肥包含大量無機養分和有機質,不僅營養豐富且有機質分解產生的有機酸還能促進土壤礦化,進一步提高土壤有效養分含量[19]。此外,不同的施肥方式對土壤微生物數量也有較大影響。例如,在種植玉米和水稻的土壤中施入有機肥,土壤微生物量碳、氮質量分數顯著提高[20];種植棉花時,化肥和有機肥配施使土壤細菌、真菌和放線菌數量均有效增加[21]。本研究發現,對核桃園施肥尤其是施用核桃配方肥能夠顯著增加微生物數量,提高微生物碳氮比,有益于土壤養分轉化供應,提升生物有效性。施用核桃配方肥時土壤自生固氮菌、解磷細菌、解鉀細菌、纖維分解菌等功能菌的數量大幅增加;施用有機肥時增幅相對較小;施用復合肥后土壤中功能微生物數量總體顯著減少,這是因為化肥無機養分質量分數較高,進入土壤后會抑制微生物生長繁殖,加上缺乏有機質供應,不能為微生物繁殖提供物質保障。核桃配方肥具有豐富的碳源和微量元素,有利于功能微生物的生長繁殖,這些微生物不僅促進土壤礦化,提高土壤有效養分,還能分泌促進植物生長的激素類物質,有效改良土壤[22]。

土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶分別參與土壤中N、P、C循環,過氧化氫酶可分解有害毒物,其活性高低很大程度反映土壤的健康狀態[23]。王華等[24]研究表明,油茶專用肥可提高油茶林土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶的活性;周媛等[25]也發現,有機無機專用復混肥顯著提高了葡萄種植土壤的蔗糖酶和脲酶活性。本研究中,土壤酶活性因施肥處理的不同存在較大差異,其中,蔗糖酶和磷酸酶活性均以施用核桃配方肥時最高,其原因是配方肥中有機無機肥比例適中,這既能提供有效養分,又能保障充足的有機碳源,為土壤微生物提供適宜的生存環境,有效促進土壤中各類微生物生長,增加胞外酶釋放。各施肥處理的脲酶和過氧化氫酶活性也有顯著上升,其中以施用復合肥時最高,原因是復合肥中含有大量的氮素,其刺激了土壤中某些微生物分泌大量脲酶,以加速對氮的分解利用。但是施用復合肥會帶入許多重金屬和有毒物質到土壤中,土壤微生物分泌大量過氧化氫酶是為了減少復合肥對土壤造成的危害,保持土壤健康[26]。

核桃配方肥是在測土配方數據的基礎上,對施用化肥及有機肥的比例進行調整,比單施化肥或有機肥時營養成分更加全面,養分配比更加合理。張超等[27]研究表明,與農用慣施肥相比,蘋果專用肥可以顯著提高蘋果產量,增加蘋果甜度。還有研究發現,有機、無機配施顯著增加柑橘、梨、芒果、葡萄等水果的產量[28-30]。本研究可以看出,相比于不施肥、單施復合肥或有機肥,施用核桃配方肥對核桃的增產效果最明顯,核桃產量及經濟效益比不施肥分別提高了103.2%、88.1%。對于多年生核桃而言,果仁口感也是影響果實品質和經濟效益的重要指標,而施肥是影響果實品質優劣的關鍵。從本試驗中核桃品質與土壤理化狀況的相關性也可看出,蛋白質及脂肪質量分數與土壤有機質、堿解氮、有效磷、微生物數量都存在較大的相關性。但很多果農認為,施肥越多,產量越高,品質越好,而實際上,肥料供應過多會使作物“徒長”,施肥太少則會導致養分供給不足,進而影響果實品質。本研究發現,施用有機肥,尤其是施用核桃配方肥,核桃果實的蛋白質、粗脂肪、油酸、α-亞麻酸質量分數均顯著提高。核桃配方肥養分均衡且富含各類中、微量元素,各養分在核桃果樹生長過程中緩慢釋放,同時還能活化土壤中可利用的礦質元素,達到與核桃吸收的養分同步,且配方肥中的Ca、Mg、Zn等還能激發土壤微生物活性,進一步促進土壤有機碳、氮、磷的礦化分解,使植株獲得的養分更加均衡,更好地促進核桃樹生長發育,達到高產優質[31]。

施用復合肥、有機肥及核桃配方肥均能提高核桃產量,尤其是施用核桃配方肥時增產效果最好,獲得的經濟效益最高。雖然施用復合肥能促進核桃園土壤有效氮、磷、鉀質量分數增加,但也會引起土壤pH及有機質質量分數下降,不利于核桃的生長。施用有機肥和核桃配方肥均能使土壤pH升高,促進土壤有機質及有效養分質量分數顯著增加。施核桃配方肥后,核桃果實的蛋白質及脂肪總量顯著提高,油酸、亞油酸、α-亞麻酸等不飽和脂肪酸占比增加,硬脂酸、棕櫚酸等飽和脂肪酸占比下降,土壤總微生物量增加,固氮菌、解磷菌、解鉀菌、纖維降解菌等功能微生物數量明顯增多,土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等酶活性大幅升高,更利于土壤養分轉化和果園可持續經營。