化肥減施配施土壤調理劑對草莓品質和土壤養分的影響

黃潔雪, 王曉琳, 鄔 劼, 喬玉山, 吉沐祥

(1.江蘇丘陵地區鎮江農業科學研究所,江蘇 鎮江 212400; 2.鎮江市豐達植保有限公司,江蘇 鎮江 212404; 3.江蘇省農業科學院,江蘇 南京 210014)

草莓(Fragariaananassa)是一種深受消費者喜愛的小漿果,中國草莓生產和消費量均位居全球第一。江蘇草莓以設施栽培為主,其中以鎮江為代表的丘陵地區的草莓每畝經濟效益最高[1]。草莓自身需肥特性和人們對經濟效益的追求使得草莓生產用肥量逐年增加,江蘇在草莓種植過程中肥料投入為每1 hm21.35×104～3.75×104元,其中絕大部分為化肥投入[2]。長期連作、偏施化肥和過量施肥造成土壤酸化、鹽漬化、養分失衡,草莓肥料利用率低、植株生長不良、生產效益降低,以及其他環境風險[3-5]。過量施肥會導致草莓品質顯著下降,如可溶性蛋白質、維生素C、游離氨基酸含量降低,硝酸鹽含量過高[6],可溶性固形物含量降低,總酸含量升高[7]。為了應對化肥施用過量、不均衡等帶來的成本高、資源浪費、環境污染和土壤退化等問題,中國在2020年基本實現“化肥使用量零增長”,進一步提出了“減少化肥使用總量”的目標,化肥減施增效、化肥減施配施技術成為研究熱點。大量研究結果表明,在蜜柚[8]、西瓜[9]、葡萄[10]、櫻桃番茄[11]、柑橘[12]栽培過程中化肥減施或配施有機肥、微生物菌劑、綠肥等,不僅不會降低產量,還能夠增加果實中可溶性固形物含量,提高糖酸比,提升果品品質。施用土壤調理劑是改良土壤性質、提高生產力的常用措施。礦物源類硅鈣鉀鎂土壤調理劑可以提高草莓土壤pH值,顯著增加土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量,增加單果質量[13]。骨粉作為畜牧業副產品,呈弱堿性,富含鈣和磷[14],施用于黑麥草[15]、玉米[16]、小麥[17]中不僅可以調節土壤酸堿度,還能為作物供應鈣和磷,降低重金屬污染風險,是一種環保經濟的土壤調理劑。

化肥減施并配施土壤調理劑改良水果品質和土壤養分的研究較少,目前還未有關于化肥減施配施土壤調理劑對草莓品質和土壤養分影響的報道。本研究在連作20年的草莓地開展試驗,以主栽草莓紅頰為試驗材料,化肥減量50%并配施不同的土壤改良劑,研究對土壤養分、草莓植株生長發育和草莓產量、品質的影響,以期探明化肥減施與土壤調理劑的最佳組合及其增產增優的機制,為大棚草莓化肥減施增效、可持續栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于 2021 年在江蘇省鎮江市句容市綠健草莓家庭農場(31°94′ N,119°13′ E)開展,土壤為黃棕壤種植水稻后形成的黃白土。土壤基礎理化性質為 pH值5.33、電導率261 μS/cm、有機質含量29.68 g/kg、堿解氮含量266.23 mg/kg、有效磷含量256.58 mg/kg、速效鉀含量492.58 mg/kg、交換性鈣含量2.11 g/kg、交換性鎂含量0.38 g/kg。供試草莓品種為紅頰。

供試土壤改良劑為硅鈣鎂土壤調理劑[韓國NOUSBO公司生產,中國農業生產資料集團公司代理進口,有機硅(SiO2)含量≥25%,鈣(CaO)含量≥28%,鎂(MgO)含量≥2.5%,硼(B)含量≥0.05%,鐵(Fe)含量≥0.1%,有機碳含量≥6%,pH值8～10],骨粉由天然動物骨粉制成 (青島八福仙生物科技有限公司產品,總氮含量2%,總磷含量20%,總鈣含量18%),有機肥為紫牛有機肥 (巴彥淖爾市德源肥業有限公司產品,有機質含量≥90%,N+P2O5+K2O總含量≥12%)。菌肥為可施可力 (武漢科諾生物科技股份有限公司產品,每1 g含枯草芽孢桿菌KN-42活菌數5×108、膠凍樣芽孢桿菌活菌數5×107,有機質含量60%,腐殖酸含量10%),氮磷鉀復合肥(N含量∶P2O5含量∶K2O含量=17∶17∶17)為中化螯合肥(中化山東肥業有限公司產品)。

1.2 試驗設計

田間試驗為隨機區組設計,在底施有機肥1 200 kg/hm2和菌肥1 200 kg/hm2的基礎上,試驗設 5個處理:不施化肥對照(CK)、常規量施化肥(施N量76.5 kg/hm2、P2O5量76.5 kg/hm2、K2O量76.5 kg/hm2)處理(F100)、化肥減施50%(施N量38.25 kg/hm2、P2O5量38.25 kg/hm2、K2O量38.25 kg/hm2)處理(F50)、化肥減施50%配施硅鈣鎂土壤調理劑(600 kg/hm2)處理(F50S1)、化肥減施50%配施骨粉(600 kg/hm2)處理(F50S2)。每處理重復3 次,小區面積為10 m2,共15個小區。2021年8月31日(移栽前7 d),將各處理肥料,混合均勻后撒入各小區并與0～20 cm土層土壤翻拌均勻,隨后灌水保濕。2021年9月7日,選取生長一致的健壯草莓苗,保留3葉1心移栽。所有處理追肥和田間管理均按照當地常規管理進行。

1.3 樣品采集及指標測定

1.3.1 草莓植株生長發育指標測定 2021年10月14日調查幼苗期植株的死苗率,每個處理小區選取具有代表性的5株,3次重復合計15株,用直尺測定株高、倒數第二片完全展開葉中心小葉的長和寬(葉面積=葉長×葉寬×0.73),游標卡尺測莖粗,并調查葉片數。2021年10月25日調查全小區的現蕾率。2021年11月14日每個處理小區選取具有代表性的6株,3次重復合計18株,調查初果期的單株結果數。

1.3.2 土壤理化性質測定 采用 5 點取樣法在各小區內取 0～20 cm 耕層土壤樣品,剔除石礫和植物殘體等雜物,經風干過篩后測定土壤理化性質。土壤 pH值采用賽多利斯PB-10酸度計測定,水土比5∶1(質量比);電導率采用電導法測定;有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;堿解氮含量采用堿解擴散法測定;有效磷用氟化銨-鹽酸溶液浸提,含量采用鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度計測定;交換性鈣、交換性鎂含量采用乙酸銨浸提,ICP-OES 測定[18]。2021年10月14日取樣檢測幼苗期土壤pH值和電導率。2021年11月14日取樣檢測結果期土壤pH值、電導率、有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、可交換性鈣含量、可交換性鎂含量。

1.3.3 草莓葉片營養元素含量測定 2021年11月14日,每小區選取具有代表性的倒數第二片完全展開葉中心小葉(鮮葉)100 g,105 ℃殺青0.5 h后80 ℃烘干至恒質量,用于檢測葉片中全氮、全磷、全鉀含量。葉片經 H2SO4-H2O2消煮,全氮含量采用凱氏定氮法測定,全磷含量采用鉬銻抗比色法測定,全鉀含量采用火焰光度法測定[18]。

1.3.4 草莓產量測定 每小區選取具有代表性的3株進行掛牌,每處理共9株,跟蹤記錄頭茬商品果(單果質量10 g以上)產量。每3～4 d記錄1次成熟果實個數和單果質量,計算平均單株頭茬商品果產量。

1.3.5 草莓果實品質測定 2022年1月14日,每小區選取具有代表性的成熟二級果10個,3次重復合計30個,用于測定單果質量、可溶性固形物含量和硬度。采用自動數字折射儀(日本ATAGO公司產品,型號RX-5000α)測定果實的可溶性固形物含量,利用水果硬度計(意大利Fruit TestTM公司產品,型號FT-02)測定果實硬度,6 mm探頭。

1.4 數據分析

圖、表中數據均為 3 次重復的平均值±標準差,分別用 Microsoft Excel 和 Origin Pro 8 軟件處理數據和作圖,用 DPS 軟件對數據進行方差分析,并采用 Duncan’s檢驗法進行多重比較,檢驗差異顯著性 (P<0.05)。相關性分析采用Pearson相關系數表示相關關系的強弱情況。

2 結果與分析

2.1 化肥減施配施土壤調理劑對草莓生長發育的影響

與F100處理相比,不施化肥對照(CK)、F50處理和F50S2處理草莓單株葉片數顯著降低了6.91%～10.74%(P<0.05)(表1)。與F100處理相比,F50S1處理草莓株高顯著增加了23.65%(P<0.05),葉面積顯著增加了19.36%(P<0.05),葉面積為倒數第二完全展開葉中心小葉的葉面積。F100處理和F50S1處理草莓單株葉片數無顯著差異。各處理的死苗率、莖粗均無顯著差異。結果表明,富營養化的土壤中減施化肥會減緩草莓幼苗的生長,但在減施化肥的同時增施土壤調理劑不僅不會減緩草莓幼苗生長還可以顯著促進草莓幼苗生長。

表1 化肥減施配施土壤調理劑對草莓幼苗生長發育的影響

與F100處理相比,不施化肥對照(CK)草莓現蕾率顯著降低了23.13%(P<0.05),F50S1處理草莓現蕾率顯著提高了25.44%(P<0.05),F50處理、F50S2處理和F100處理相比無顯著差異(P>0.05)(圖1A)。F50S1處理草莓單株結果數顯著高于其他處理,較F100處理顯著增加了19.76%(P<0.05)(圖1B)。結果表明,富營養化的土壤中不施化肥會顯著延遲草莓現蕾,在減施化肥的同時增施適宜的土壤調理劑不僅能夠提高草莓現蕾率,還能增加結果初期的單株結果數,從而提早上市。

CK、F100、F50、F50S1、F50S2處理見表1注。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 化肥減施配施土壤調理劑對草莓葉片礦質營養元素含量的影響

與F100處理相比,不施化肥對照(CK)草莓葉片中全氮含量顯著下降了6.45%(P<0.05),F50處理草莓葉片中全氮含量顯著下降了6.55%(P<0.05),F50S1處理、F50S2處理與F100處理無顯著差異(P>0.05)。葉片中的全磷和全鉀含量各處理間無顯著差異(P>0.05)(表2)。結果表明,不施化肥對照(CK)和F50處理草莓葉片中的全氮含量會顯著降低,而在減施化肥的同時增施土壤調理劑能夠保證植株攝入足夠量的氮,從而維持草莓正常的生長發育。

表2 化肥減施配施土壤調理劑對草莓葉片礦質營養元素含量的影響

2.3 化肥減施配施土壤調理劑對草莓產量品質的影響

產量調查結果表明,與F100處理相比,不施化肥對照(CK)單株頭茬果產量顯著下降19.87%(P<0.05),F50處理單株頭茬果產量顯著下降17.06%(P<0.05),F50S1處理和F50S2處理單株頭茬果產量與F100處理無顯著差異(P>0.05)(表3)。各處理單株頭茬果果數無顯著差異(P>0.05),因此頭茬果的單果質量與單株產量呈正相關。為進一步調查草莓品質,避免不同等級果實造成差異,統一選取各處理的二茬果的二級果進行品質檢測(表4)。與F100處理相比,不施化肥對照(CK)二茬果二級果單果質量顯著下降13.10%(P<0.05),F50處理二茬果二級果單果質量顯著下降14.39%(P<0.05)。F50S1處理、F50S2處理與F100處理二茬果二級果單果質量無顯著差異(P>0.05)。各處理草莓二茬果二級果可溶性固形物含量與F100處理無顯著差異(P>0.05),但F50S2處理草莓二茬果二級果可溶性固形物含量比F50S1處理顯著提高11.14%(P<0.05)。F50S2處理二茬果二級果果實硬度顯著高于其他處理(P<0.05),F50S2處理二茬果二級果果實硬度比F100處理顯著提高27.03%(P<0.05)。結果表明,與F100處理相比,不施化肥對照(CK)和F50處理草莓頭茬果和二茬果二級果單果質量顯著減少,降低草莓效益,而在減施化肥的同時增施土壤調理劑能夠維持與施全量化肥相當的頭茬果和二茬果二級果單果質量,F50S2處理還能顯著提高果實硬度,在減少化肥施用的情況下提高草莓品質,延長貨架期。

表3 化肥減施配施土壤調理劑對草莓頭茬果的影響

表4 化肥減施配施土壤調理劑對草莓二茬果二級果的影響

2.4 化肥減施配施土壤調理劑對草莓土壤理化性質的影響

幼苗期,F50S1處理土壤pH值顯著高于不施化肥對照(CK)、F100處理和F50處理(P<0.05),F50S1處理土壤pH值與F50S2處理無顯著差異(P>0.05)。初果期,各處理土壤pH值無顯著差異(P>0.05)(圖2A)。結果表明,基肥中加入土壤調理劑能夠顯著提高土壤pH值,緩解土壤酸化對植物造成的脅迫,因此F50S1處理草莓株高、葉面積、現蕾率和單株結果數等指標均顯著優于其他處理。然而,隨著后期追肥以及土壤的緩沖作用,初果期土壤調理劑的作用逐步消失。

土壤電導率可以反映土壤養分含量。幼苗期,與F100處理相比,不施化肥對照(CK)土壤電導率顯著降低31.18%(P<0.05),F50處理土壤電導率顯著降低22.91%(P<0.05),而F50S1處理和F50S2處理與F100處理無顯著差異(P>0.05);初果期,僅不施化肥對照(CK)土壤電導率顯著低于F100處理(P<0.05),其他處理與F100處理無顯著差異(P>0.05)(圖2B)。結果表明,化肥投入量不足導致苗期土壤電導率顯著降低,而化肥減施配施土壤調理劑處理的苗期土壤電導率則下降不顯著,與苗期不施化肥對照(CK)和F50處理草莓葉片數顯著低于F100處理(P<0.05),而F50S1處理草莓葉片數與F100處理無顯著差異的結論相對應。不施化肥對照(CK)土壤電導率幼苗期至初果期均顯著低于F100處理(P<0.05),這與不施化肥對照(CK)草莓現蕾率顯著低于F100處理的結論相對應。

CK、F100、F50、F50S1、F50S2處理見表1注。不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

各處理土壤有機質含量無顯著差異(P>0.05)(表5)。F50S2處理和F50S1處理土壤堿解氮含量與F100處理相比無顯著差異(P>0.05),但F50S2處理土壤堿解氮含量比F50處理顯著提高了25.88%(P<0.05)。除F50S2處理外,其余化肥減施處理的有效磷和速效鉀含量均顯著低于F100處理(P<0.05),與F50S2處理頭茬單果質量和二茬二級果單果質量與F100處理無顯著差異(P>0.05)相對應,而不施化肥對照(CK)和F50處理頭茬單果質量和二茬二級果單果質量與F100處理相比顯著降低(P<0.05)的結論相對應。 F50S2處理交換性鈣含量比F50處理、不施化肥對照(CK)顯著提高22.44%(P<0.05)、24.26%(P<0.05),這是由于骨粉中含有大量的鈣。

總體而言,富營養化土壤中不施或少施化學基肥仍會導致土壤養分不足,從而顯著影響草莓生長發育,進而影響產量。然而,F50S1處理可緩解土壤酸化對幼苗生長的抑制,促進幼苗早期生長發育,維持土壤養分供應以確保單果質量不顯著降低,提前上市提高經濟效益。F50S2處理可使土壤維持足夠的養分供應量,滿足草莓生長發育需要,單果質量與F100處理相當,并提供足量的中量元素鈣以提高草莓硬度,延長貨架期提高效益?？傊?草莓生產中在化肥減施的同時配施土壤調理劑可實現化肥減施增效。

2.5 相關性分析

相關性分析發現,草莓葉片數與幼苗期和初果期土壤電導率均呈顯著正相關(P<0.05),與有效磷含量呈顯著正相關(P<0.05),草莓頭茬果單株果數與幼苗期土壤 pH值呈顯著正相關(P<0.05),草莓葉片全氮含量則與幼苗期土壤電導率和有效磷含量呈顯著正相關(P<0.05)(表6)。草莓果實硬度與初果期土壤電導率、堿解氮含量、速效鉀含量呈顯著正相關(P<0.05),草莓果實硬度與土壤可交換性鈣含量呈極顯著正相關(P<0.01)。由此可知,在酸化土壤中提高土壤pH值可以促進草莓早結果,提高土壤電導率、堿解氮含量、速效鉀含量和可交換性鈣含量,可以顯著提高果實硬度。

3 討 論

過量施肥會導致土壤養分失衡、環境污染以及果實產量和品質下降。因此,化肥減量成為近年的研究熱點。本研究中,與F100處理相比,不施化肥對照(CK)、F50處理、F50S2處理草莓葉片數均顯著降低(P<0.05)。與F100處理相比,不施化肥對照(CK)草莓現蕾率顯著降低(P<0.05),表明即使是土壤養分非常豐富的田塊中,大幅減少化肥投入仍會造成草莓植株生長緩慢,這與前人的研究結果相一致。大量研究結果表明,適量減少化肥投入不影響作物生長,大幅減施化肥則會影響作物生長,京津地區蘋果化肥減施30%對樹體生長無顯著影響[19];化肥減施25%不會顯著降低設施黃瓜的生物量和產量[20];化肥減量20%、40%配施生物有機肥不僅不會影響香蕉生長,還可以提高產量和品質,而化肥減施60%則會顯著降低香蕉單果質量和收獲率[21]。

農田長期過量施用化肥還會使土壤快速酸化。在中國,南方土壤酸化速率高于北方,種植經濟作物的土壤酸化速率高于種植谷類作物的土壤[22]。土壤酸化會導致土壤養分的有效性降低,有害元素的濃度提高,養分匱缺和金屬中毒會遏制植物生長[23-24]。前人研究結果表明,酸化土壤會使水稻分蘗期推遲[25]。本研究中,硅鈣鎂土壤調理劑提高了幼苗期土壤pH值,草莓株高、葉面積和現蕾率的增加表明草莓生長抑制得到緩解,從而促進了草莓早結果,可以提早上市獲得較高收益。有研究結果表明,福建酸性紅壤施用1 500 kg/hm2鈣鎂型土壤調理劑能夠提高土壤pH值,花椰菜集中成熟采收時間提早 5 d,花球單球質量增加0.35 kg[26];硅鈣鉀鎂土壤調理劑可以顯著提高草莓前期和中期的單果質量以及總產量[13]。

常規施肥配施土壤調理劑能夠提高土壤養分含量。蘋果園酸化土壤上施用多種土壤調理劑均顯著提高了土壤pH值,對有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度的提高[27]。單純減少肥料投入會導致土壤養分顯著減少,化肥減施配施有機肥、有機物料或土壤調理劑則能維持甚至提高土壤養分供應量。茶園化肥減施20%會顯著減少土壤中硝態氮含量,化肥減施40%則會顯著減少銨態氮、硝態氮、有效磷和速效鉀含量,化肥減施同時配施有機肥則能維持土壤養分供應,甚至提高土壤中速效鉀含量[28]。甜瓜栽培過程中氮、磷投入量減少50%,土壤硝態氮、銨態氮、有效磷含量均顯著降低;但在化肥減施的同時配施有機肥后,收獲期土壤有效磷含量與常規施肥無顯著差異[29]。本研究中,與F100處理相比,不施化肥對照(CK)、F50處理、F50S1處理0～20 cm土層的土壤有效磷和速效鉀含量均顯著降低(P<0.05),而F50S2處理土壤有效磷和速效鉀含量與F100處理無顯著差異(P>0.05)。這是因為骨粉能夠提高土壤有效磷供應量,如酸性土壤中施用含骨粉的土壤調理劑能增加66%～93%的土壤有效磷含量[17],在土壤養分匱缺條件下骨粉可以作為植物磷和鉀的有效來源[30]?；蕼p施會減少土壤養分供應量,進而影響植株礦質養分的吸收量[31-34]。本研究結果表明,相較于F100處理,大量減少化肥投入如不施化肥對照(CK)和F50處理葉片氮含量會顯著降低(P<0.05),而F50S1處理和F50S2處理葉片氮含量則與F100處理無顯著差異(P>0.05),這表明土壤調理劑能夠促進草莓對氮的吸收。類似的研究結果表明,增施硅鈣鉀鎂土壤調理劑能夠顯著提高內蒙古馬鈴薯植株氮素含量[35]。

配施適宜的土壤調理劑不僅能夠改善土壤理化性質,還能提高果品品質。骨粉Ca含量高達283.0 g/kg,施入土壤后可顯著提高土壤中可交換性鈣含量[17]。與F100處理相比,本研究中含有骨粉的F50S2處理土壤交換性鈣含量顯著提高(P<0.05),果實硬度也顯著提高(P<0.05)。大部分試驗通過葉面噴施鈣肥來提高草莓果實硬度,如噴施240 mg/L Ca+60 ml/L B可以使果實硬度提高14%[36]。但也有研究結果表明,土壤中施入石灰氮(CaCN2)能使草莓果實硬度提高5%～10%[37]。然而,當化肥過量減施,配施土壤調理劑無法保持果實品質。張筠筠等[38]在賀蘭山東麓釀酒葡萄中的研究結果表明,化肥和有機肥各減施75%同時配施土壤調理劑處理的葡萄產量較全量施用化肥處理增產了 69.07%,但葡萄漿果中單寧和總酚含量顯著下降,綜合品質顯著降低。這表明,土壤調理劑不能完全替代化肥,化肥適量減施同時配施土壤調理劑是實現化肥減施增效的有效途徑。本研究的相關性分析結果表明,在化肥減施前提下,提高土壤電導率、堿解氮含量、速效鉀含量和可交換性鈣含量可以顯著提高果實硬度。而在基礎肥力較高的桃園上過多施入氮肥會導致桃果實硬度下降,土壤堿解氮含量與桃果實硬度呈反比[39]。本研究中,2種土壤調理劑分別具有提早上市和延長貨架期的作用,為進一步提高綜合效能,土壤調理劑的選擇和及其與化肥的配比還需進一步研究。

4 結 論

與常規量施化肥處理相比,基施中不施化肥或化肥減施50%處理,土壤養分供應量均會顯著降低,植株生長發育和草莓單果質量受到影響?；蕼p施50%同時配施硅鈣鎂土壤調理劑可以顯著提高草莓幼苗期土壤pH值,緩解酸化土壤對草莓幼苗生長的抑制,顯著增加株高、葉面積和現蕾率,提早結果,提早上市?；蕼p施50%同時配施骨粉不僅可以維持與化肥全量施用相當的土壤養分供應量、葉片全氮含量和單果質量,還能提高果實硬度,延長貨架期。