生物質有機肥對酸性紅壤區人參果病害與產量的影響

王豪吉，李 彥，李銳明，陳歐保，楊 云，徐武美，官會林**

(1.云南師范大學 高原特色中藥材種植土壤質量演變退化與修復云南省野外科學觀測研究站，云南 昆明 650500；2.云南省農村能源管理總站，云南 昆明 650233；3.石林彝族自治縣農村能源環境保護工作站，云南 昆明 652200)

耕地土壤退化已成為全球性問題.有效開展耕地土壤改良，提升土壤肥力，是實現農業可持續生產的關鍵途徑[1].中國耕地土壤正面臨鹽漬化、酸化與肥力下降等問題，嚴重影響農業生產和可持續發展[2].云南是中國重要的果蔬種植區，由于長期連作使土壤養分失衡、板結酸化與病原微生物積累，導致作物病害加劇，產量降低[3].近年來，通過調整作物種植結構、科學灌溉、水肥一體化等措施，有效緩解了耕地土壤質量退化問題[4-5].此外，通過施加有機(類)與礦質肥料，亦可有效調節土壤pH 值，提升土壤肥力，恢復土壤生產力[6]，如施用炭基生物肥料可有效調節退化土壤pH 值，補充土壤養分，提升土壤肥力[7].此外，通過施加鈣鎂磷肥等礦質肥料，亦可有效提高土壤中無機養分含量，促進作物生長[8].施用有機肥可有效增加土壤中有機質含量，增強土壤保肥能力與微生物活性，有利于提高作物產量與品質[9-10]；在退化嚴重的連作土壤中施加生物質有機肥，能顯著改善土壤肥力狀況，緩解作物病害[11].

人參果(Solanummuricatum)是云南特色經濟作物，具有重要的經濟價值.由于人參果主產區土壤酸性強、有機質含量低、肥力不均，導致作物產量不高、病害嚴重.當前，利用生物質有機肥改良人參果連作土壤的相關研究還鮮見報道.因此，本研究通過田間試驗，探索不同施加量的創制生物質有機肥對人參果病害率與產量的影響，通過對土壤理化性質與酶活性的定量分析，對內在機理進行探索，旨在為云南特色經濟作物人參果產量提升與酸性紅壤區耕地土壤改良提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料創制生物質有機肥：以玉米、煙草與辣椒秸稈為原材料，經粉碎后等比混合，添加腐熟劑進行高溫發酵(≥65 ℃)，多次翻堆充分腐熟，制成生物質原料，再將復合微生物菌劑、秸稈生物炭與生物質原料按一定比例混制而成，其基本特征見表1.

表1 供試土壤和有機肥基本特征Tab.1 Basic characteristics of soil and organic fertilizer for experiment

人參果種苗：利用扦插的方式培育人參果種苗，由昆明石林人參果種植合作社提供.

1.2 田間試驗設置本研究在云南省石林縣鹿阜鎮清水塘試驗基地進行(24°76′14″N，103°22′19″E).試驗區屬亞熱帶季風氣候區，土壤類型為酸性紅壤，人參果連作3 a，因長期施用化學肥料和農藥，導致土壤酸化、板結、有機質含量低、土壤肥力退化、作物病害嚴重、掛果率低等障礙因素突出，試驗地土壤基本理化特征見表1.

選擇土地相對平整的試驗地塊，用旋耕機將試驗區耕層土壤(0～20 cm)翻耕均勻.創制的生物質有機肥施加量分別為9 (T1)、12 (T2)、15 t/hm2(T3)和18 t/hm2(T4)，以傳統單施化學N 肥(尿素)150 kg/hm2為對照(CK).采用隨機區組設計，每個小區面積為1 m×5 m，種植40 株長勢均一的人參果幼苗，株間距為35 cm×25 cm，每個處理重復4 次，共計20 個試驗小區.處理區T1、T2、T3、T4只施用對應量的創制有機肥料，其中70%做底肥，30%在第1 次采果后1 次性追肥施用，覆土5 cm左右.對照(CK)全生育期單施化學N 肥(尿素)150 kg/hm2，以30%做底肥，初花期和第1 次采果后各追施N 肥35%，并覆土5 cm 左右.

1.3 土壤樣品采集于2022 年4 月6 日移栽人參果幼苗，8 月中旬(人參果掛果末期果實采收前)采集各小區耕層(0～20 cm)根際土，每小區采五點混合樣，帶回實驗室自然風干，研磨分別過20 目（孔徑0.85 mm）和100 目篩（孔徑0.15 mm），用于土壤理化特征與酶活性分析.

1.4 作物發病率與產量調查將有1/3 葉片出現黑色斑塊或幼尖枯死的人參果植株記為枯葉病病株[圖1 (a) ]，參照王佳寧等[12]描述的方法統計人參果主要病害枯葉病發病率.具體為：發病率=小區發病植株數/小區總植株數×100%.人參果產量從采收第1 批人參果(5 月28 日)開始記錄，以所有達標出售的總量計.

圖1 人參果枯葉病株(a)與健康植株(b)Fig.1 Leaf disease plant (a) and healthy plants (b) of S.muricatum

1.5 土樣分析土壤理化指標的測定根據文獻[13]進行，土壤pH 值用pH 計進行測定(雷磁 PHS-25)，水土質量比為2.5∶1；土壤電導率用EC 計進行測定(COMBI 5000)，水土質量比5∶1；土壤容重用100 cm3環刀采樣，用烘干法測定；土壤有機質用重鉻酸鉀-硫酸消解液消解，用硫酸亞鐵溶液進行滴定；土壤水解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷用0.03 mol/L 氟化銨溶液浸提，用鉬銻抗顯色法測定(UV-8000，上海元析)；速效鉀用0.5 mol/L 乙酸銨浸提，用火焰光度計測定(AA3，Model 410 Flame Photometer，Germany).土壤陽離子代換量參照標準NY/T—1995，用1 mol/L 乙酸銨浸泡土壤，95%乙醇洗滌過量乙酸銨后蒸餾，用硼酸吸收氨氣，再用標準酸進行滴定.土壤酶活性的測定和表示方法參照文獻[14]進行，以鄰苯二甲酸氫鉀為基質培養12 h，測定土壤酸性磷酸酶活性；以尿素為基質培養24 h，測定土壤脲酶活性，以鄰苯三酚為基質培養24 h，測定多酚氧化酶.3 種酶活性的單位分別以單位質量的土壤分解產生的酚氨態氮和淡紫色沒食子酸的質量比表示.

1.6 數據分析用Shapiro-Wilk 檢驗分析本研究中各變量的正態性，不同處理下各變量均服從正態分布(P＞0.05)，故無需進行數據轉換，直接進行統計分析.用ANOVA 分析檢驗不同生物質有機肥處理對土壤理化性質與作物產量的影響，并用Duncan法進行多重比較分析.用Pearson 相關分析探究土壤理化因子與作物產量的關聯性，并參照王亞妮等[15]對土壤理化因子進行分類，用vegan 軟件包進行方差分解(variance partitioning analysis，VPA)，分析不同類型土壤因子對人參果產量的相對影響.

2 結果

2.1 不同有機肥施加量對土壤理化性質的影響單因素方差分析表明，不同施加量的生物質有機肥處理顯著影響了土壤pH、EC、CEC、容重、有機質、水解氮、有效磷與速效鉀質量比(P＜0.05) (表2).土壤pH、EC 與CEC 隨生物質有機肥施加量的增加而升高，土壤容重則相反(P＜0.05)(圖2).T4 處理下的土壤pH 值最高，為5.13，較CK 增加了1.09；此外，該處下土壤CEC 與EC 分別為14.45 cmol·kg-1和3.55 mS·cm-1，較CK 增加了68%和275%.T4處理下土壤容重最低，為0.82 g·cm-3，較CK 降低了33%.此外，土壤中有機質、水解氮、有效磷和速效鉀質量比均隨生物質有機肥施加量的增加呈上升趨勢(圖3).T4 處理下土壤有機質、有效磷與速效鉀質量比最高，分別為18.16、51.32 mg·kg-1和222.04 mg·kg-1，較CK 分別增加了70%、135%和47%.T1 和T2 處理下土壤水解氮質量比較CK 無顯著差異(P＞0.05)，而T3 和T4 處理下，土壤水解氮質量比顯著升高(P＜0.05)，且T3 處理下最高，較CK 增加了75%[圖3 (b)].

圖2 不同有機肥施用量處理下土壤物理特性的變化趨勢Fig.2 Variation of soil physical properties under different organic fertilizer treatments

圖3 不同有機肥施用量處理下土壤養分質量比的變化趨勢Fig.3 Variation of soil nutrients under different organic fertilizer treatments

表2 不同生物質有機肥施用量處理對土壤理化性質的影響Tab.2 Effects of different organic fertilizer treatments on soil physicochemical properties

2.2 不同有機肥施加量對土壤酶活性的影響單因素方差分析表明，不同生物質有機肥處理顯著影響了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性(P＜0.01)(表3).與CK 相比較，施用有機肥顯著提高了土壤磷酸酶與脲酶活性(P＜0.05)，均為T4 處理下酶活性最高，分別為3.03 mg·g-1和2.91 mg·g-1，較CK分別增加了3.10 倍和2.45 倍.T1 與T2 處理對土壤多酚氧化酶活性影響不顯著(P＞0.05)，而T3 與T4 處理顯著提高了土壤多酚氧化酶活性(P＞0.05)，且T4 處理下最高，為1.24 mg·g-1，較CK 提高了1.64 倍(圖4).

圖4 不同有機肥施用量處理下土壤酶活性的變化趨勢Fig.4 Variation of soil enzyme activities under different organic fertilizer treatments

表3 不同有機肥施用量處理對土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of different organic fertilizer treatments on soil enzyme activities

2.3 不同有機肥施加量對人參果病害率與產量的影響單因素方差分析表明，不同有機肥施加量處理顯著影響了人參果株高、產量與枯葉病發病率(P＜0.01) (表4).與CK 相比，T4 處理下人參果平均株高增加了19.16 cm [圖5(a)]，且產量最高，達到39.7 t/hm2，是CK 的3.32 倍[圖5(b)].人參果枯葉病發病率隨有機肥施加量的增加而降低(P＜0.05)，T4 處理下作物發病率最低(＜10%)，較CK 降低了73% [圖6 (a)].相關分析表明，作物發病率與人參果產量呈極顯著負相關(P＜0.01)，且以負對數曲線模型擬合效果最佳(R2=0.794) [圖6 (b)].

圖5 不同有機肥施用量處理下人參果株高和產量的變化趨勢Fig.5 Variation of S.muricatum height and yield under different organic fertilizer treatments

圖6 不同有機肥施加量處理下人參果發病率及其與人參果產量的關聯性Fig.6 The correlations between S.muricatum disease incidence and crop yield under different treatments

表4 不同有機肥施用量對作物株高、病害率及產量的影響Tab.4 Effects of different organic fertilizer treatments on plant height,disease incidence and crop yield

2.4 影響作物產量的主要土壤因子Pearson 相關分析（表5）表明，人參果產量與土壤pH、有機質質量比、CEC、EC、脲酶和磷酸酶活性呈極顯著正相關(P＜0.01)，與水解氮、速效鉀質量比和多酚氧化酶活性呈顯著正相關(P＜0.05)，與容重呈顯著負相關(P＜0.05).此外，土壤理化特性和酶活性變化均與作物發病率存在顯著相關性(P＜0.05).VPA 分析表明，土壤理化與生物肥力指標變化是影響人參果產量的主要因素，土壤物理特征、養分質量比和酶活性對作物產量變化的解釋率依次為8.69%、4.82%和2.61%，綜合解釋率為87.40%，殘差為12.60%(圖7).

圖7 不同土壤因子類型影響作物產量的VPA 分析Fig.7 VPA analysis for the effects of different soil factors on crop yield

表5 土壤理化特征、酶活性與人參果產量的相關性分析Tab.5 Correlation analysis between soil physicochemical characteristics,enzyme activities,and crop yield

3 討論

3.1 施用生物質有機肥改良人參果種植土壤理化特征土壤理化特征是影響作物生長的關鍵因素.本研究表明，施用生物質有機肥增加了土壤pH、CEC、EC，降低了土壤容重.有機肥中大量官能團能置換酸性土壤中的H+和Al3+，降低酸根離子濃度，從而提升土壤pH[16].施用有機肥可顯著增加土壤中有機質質量比[圖3(a)][17]，而土壤的酸堿緩沖能力隨有機質含量增加而增強[18].土壤電導率和陽離子代換量是影響土壤養分供應能力的重要指標[19]，本研究創制的生物有機肥含有較高的EC和CEC(表1)，施用后可向土壤中補充無機離子，從而使土壤電導率升高[20-21].土壤容重反映了土壤孔隙率，本研究中土壤容重隨有機肥施加量的增加而降低，由于有機肥增加了土壤中有機質質量比[圖3(a)]，促進土壤團聚體的形成而增加土壤孔隙度[22].此外，本研究發現土壤有機質和速效氮、磷質量分數隨有機肥施加量的增加而增加.一方面，有機肥具有豐富的有機質和無機養分(表1)，施用后直接補充了土壤速效養分；另一方面，施用有機肥可能提升土壤中微生物活性和酶活性，從而促進土壤中有機質的礦化和養分形態轉化[23-24].

3.2 施用生物質有機肥增加人參果種植土壤酶活性土壤酶活性影響著土壤養分轉化，間接影響著土壤肥力和生產力[25].長期連作會導致土壤肥力和酶活性降低[26].脲酶和磷酸酶是促進土壤中氮、磷轉化的重要酶類，本研究表明施加有機肥顯著提高了其活性，這可能與施用有機肥增加土壤中有機質質量比有關.施夢馨等[27]研究表明，土壤中有機質質量比與磷酸酶、脲酶活性呈顯著正相關.此外，土壤中豐富的有機質為微生物提供了營養物質，而微生物在快速生長繁殖過程中分泌大量胞外酶以促進土壤中有機質轉化[28].多酚氧化酶是促進土壤有機物轉化形成腐殖質的重要酶類.錢瑞雪等[29]研究表明，秸稈還田增加了土壤中纖維素和木質素含量，微生物為利用這部分碳水化合物而分泌相應氧化酶類，導致土壤多酚氧化酶活性顯著升高.本研究創制的生物質有機肥以農作物秸稈為主要原料，可增加土壤中纖維素和木質素含量，進而使土壤多酚氧化酶活性升高.結合相關分析，脲酶和磷酸酶分別與土壤中堿解氮和有效磷質量分數呈顯著正相關(脲酶：r=0.836,P＜0.01；磷酸酶：r=0.957,P＜0.01)，表明有機肥的施加增加了酶活性而增加土壤養分供應能力[25].

3.3 施用生物質有機肥增加人參果產量作物產量受土壤肥力、植株生長和病害等多種因素的影響，長期施用化肥可能導致土壤退化，土壤中的養分難以被植物吸收利用，從而使土壤肥力降低[30].有機肥在改善土壤肥力狀況，消除植物缺素病害，促進作物的健康生長，增強作物對病害的抵抗能力等方面具有明顯的作用功能[31-34].本研究表明，施用生物質有機肥各處理與對照CK 相比，均能顯著改善土壤理化性能、提高土壤pH、提高土壤酶活性和降低人參果枯葉病病害率，且這些指標與人參果產量具有較強的相關性(表5)，表明其通過影響土壤特征和病害率而提高人參果產量(圖7).云南省石林縣非種植障礙區人參果的平均產量為24～30 t/hm2[35]，本研究中創制有機肥以15 t/hm2處理連作土壤即可獲得較高產量(31.6 t/hm2)，且18 t/hm2處理效果最優(39.7 t/hm2).結合近2 a 的示范應用，在土壤肥力較低的粘性紅壤區當季生物質有機肥施用量15～18 t/hm2為宜，在中等肥力的砂質輕粘性紅壤區當季生物質有機肥施用量12～15 t/hm2為宜，施用生物質有機肥后的化肥施用量較常規宜減少60%～70%.

4 結論

施加生物質有機肥改善了人參果種植土壤物理特征，調節了土壤pH，降低了土壤容重，增加了土壤中有機質和速效氮、磷、鉀養分含量，從而提升了土壤肥力.同時，施用有機肥增加了土壤磷酸酶、脲酶和多酚氧化酶活性，可促進土壤中養分轉化.VPA 分析揭示施用生物質有機肥對土壤物理特征、養分質量比和酶活性的影響是增加人參果產量的主要原因，其解釋率高達87.40%，其產量隨施用量的增加而增加.此外，施加生物質有機肥顯著降低了人參果枯葉病發病率，且其與人參果產量的關聯性符合負對數線性模型.與非種植障礙區相比，創制的生物質有機肥以15～18 t/hm2的施用量處理即可獲得較高產量.本研究為云南特色經濟作物人參果產量提升與高原酸性紅壤區耕地土壤改良提供了科學依據.