垂直孔施有機物對土壤硝酸鹽代*謝及蘋果葉片光合作用的影響

黃 萍 紀 拓 岳松青 李 萍 荀 咪 曹 輝 楊洪強

（山東農業大學園藝科學與工程學院，作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

土壤是果樹栽培的基礎，“氣”是構成土壤肥力的四大要素之一。土壤黏重、緊實度大、孔隙度小以及積水等常導致土壤通氣性變差、氧氣含量不足等問題出現，進而影響土壤微生物代謝、土壤酶活性和土壤養分轉化，抑制根系有氧呼吸，限制對養分和水分的吸收利用，不利于植物健康生長以及作物產量形成［1-2］等。耕翻松土、黏土摻沙和加氧灌溉等措施可改善農田土壤通氣狀況［2-3］，施用生物炭能夠增強土壤通氣性［4］。土壤鉆孔可明顯改善草坪土壤通氣性，提高土壤微生物活性，促進土壤有機物分解以及根系對養分的吸收［5］。氮素是限制植物生長發育和產量形成的首要因素，氮素代謝需要呼吸產生的能量，呼吸離不開氧氣，因此，土壤鉆孔在影響土壤通氣性、增強土壤含氧量的同時，必然影響土壤氮素代謝。

硝酸鹽易被吸收利用也易隨水流失，在土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等的作用下可轉化為氮氧化物，或者通過異化還原成銨態氮（NH4+），或者最終形成氮氣（N2）而逸散［6］。果樹枝條和作物秸稈是典型的農業廢棄物，將果樹枝條制成發酵果木屑，施入土壤可降低土壤容重，促進根系生長［7］；秸稈還田能有效提高土壤有機質含量，改良土壤結構，增加速效養分含量，提高土壤氮素有效性［8］；將秸稈等轉化成生物炭施入土壤，能夠降低土壤容重，增加土壤持水量，減少氮氧化物排放［9-10］，這些有機物通過影響養分組成等土壤理化性狀直接或間接地影響了土壤硝酸鹽代謝，進而影響植物生長發育。但在常規應用中，無論是作物秸稈、生物炭或發酵果木屑等均被埋在土壤淺層、壓在底層或覆蓋在土壤表層，目前很少有將它們垂直施入土壤的應用，也不清楚它們對土壤硝酸鹽代謝以及對果樹光合、蒸騰等影響的差異性。在鉆孔改善土壤通氣性的條件下，本研究擬將土壤鉆孔通氣和施用有機物料結合起來，即在根區土壤鉆出深而窄的垂直小孔后，分別向孔內施入玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發酵果木屑，探討垂直施有機物對土壤硝酸鹽代謝和蘋果葉片光合速率、蒸騰速率、水分利用效率及植株生長的影響，明確土壤鉆孔與施用有機物相結合的效果和作用特點，以期為蘋果根區土壤管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年11月—2016年9月在山東省高校果樹生物學重點實驗室和山東農業大學南校區的果樹試驗站進行。供試植株為2012年春季栽培于蘋果根窖樹穴中的紅富士蘋果（砧木為平邑甜茶Malus hupehensis Rehd.）。根窖是一種根系觀察系統，即在地面挖深3.5 m、寬3.0 m的壕溝，在溝面上每間隔2.0 m挖長1.4 m、寬1.2 m、深2.5 m樹穴，樹穴靠壕溝的一側為玻璃面，樹穴內填滿土，壕溝用水泥澆注封頂，壕溝內處于黑暗狀態。根窖樹穴內土壤為褐土，pH 6.9，有機質9.8 g·kg-1，全氮1.26 g·kg-1，堿解氮81.20 mg·kg-1，全磷1.01 g·kg-1，有效磷60.34 mg·kg-1，全鉀12.65 g·kg-1，速效鉀116.50 mg·kg-1。

1.2 試驗處理

2015年秋季（11月10日）從上述材料中選擇長勢一致的植株，參照專利“果園土壤通氣施肥方法”［11］進行垂直孔施有機物處理，即在每株樹四個方向（東西南北）距樹干50 cm的土壤處，用上海本田GX-390型汽油機改裝的土壤鉆孔機均勻鉆四個孔，每孔直徑15 cm、深度50 cm；以單株為單位，分別將玉米秸稈（Corn stalk，CS）、果樹枝（Fruit tree branches，FTB）、生物炭（Biochar，BC）和發酵果木屑（Fermented sawdust of fruit tree branches，FFB）填入四個孔內。玉米秸稈和果樹枝被截成55 cm長，按照每4～5根一束垂直插到孔的底部，用園土填滿縫隙，玉米秸稈和果樹枝露出地面5 cm；生物炭和發酵果木屑分別與園土按照1:1比例混合后填滿每株樹的四個孔，孔口不覆土；以每株樹鉆四個孔后回填土壤為對照（CK）。每5棵樹為一個處理單位，重復三次。生物炭是將玉米秸稈洗凈、風干、粉碎后在600℃下厭氧加熱制成；發酵果木屑是將蘋果枝干粉碎為粒徑0.5～1 cm的顆粒，經過127℃、0.25 MP壓力下處理后拌入EM（有效微生物群，Effective microorganisms）發酵40 d而成。四種有機物養分含量等基本性狀見表1。

為使各處理及與對照間的有機質和主要養分含量相近，設置試驗時根據所試有機物養分含量及用量向處理及對照各孔內分別施入一定量的肥料，其中，CS各孔施入82 g尿素和109 g磷酸二氫鉀，FTB各孔施入93 g尿素、175 g磷酸二氫鉀和123 g硫酸鉀；BC各孔施入90 g尿素、151 g磷酸二氫鉀和119 g硫酸鉀；FFB各孔施入91 g尿素、154 g磷酸二氫鉀和124 g硫酸鉀；CK（對照）各孔施入800 g有機肥（有機質含量450.0 g·kg-1、N+P2O5+K2O總含量50.00 g·kg-1）、61 g尿素、113 g磷酸二氫鉀和22 g硫酸鉀。施肥后測定顯示：每孔內全氮、全磷、全鉀和有機質含量在CS處理中分別為6.00、5.65、5.33和51.39 kg·m-3，在FTB處理中分別為6.04、5.56、5.16和51.74 kg·m-3，在BC處理中分別為6.00、5.05、5.67和51.87 kg·m-3，FFB處理分別為6.04、4.99、5.57和51.61 kg·m-3，對照（CK）中分別為6.06、5.67、5.13和51.81 kg·m-3。

處理后第6個月（在2016年5月4日，前后5天的平均氣溫為20.7℃）和第10個月（2016年9月20日，前后5天的平均氣溫為20.4℃）取樣測定。取樣時刮掉孔周邊的表層浮土，用洛陽鏟在距孔壁10 cm處挖取0～20 cm層土壤，剔除雜物、混勻，裝入自封袋中，放入帶有冰塊的保溫瓶中，帶回實驗室置于4℃冰箱內待測。9月20日土壤取樣前測定葉片葉綠素相對含量、新梢粗度和長度、光合蒸騰參數以及孔內距地表20 cm和40 cm處的土壤含水量

1.3 測定方法

土壤硝化和反硝化強度的測定參照文獻［12］：稱取10 g新鮮土壤，置于三角瓶中，加入培養液，并用帶孔的橡皮塞（或脫脂棉）塞住，置于水浴恒溫振蕩器上振蕩、過濾，分析濾液中的硝態氮含量，每次取樣后補足培養液。用培養前后濃度的變化來計算土壤硝化強度（以1 kg烘干填料在1 h內產生的量（mg）表示）。測定土壤反硝化強度時用培養液替換培養液，培養液由0.2 mol·L-1磷酸二氫鉀溶液、0.2 mol·L-1磷酸氫二鉀溶液、0.03 mol·L-1硝酸鉀溶液和0.02 mol·L-1葡萄糖按體積比3︰7︰30︰10配制而成，其他同土壤硝化強度測定。土壤硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶（NiR）活性以及土壤銨態氮、亞硝態氮、硝態氮含量測定參照文獻［13-14］進行。堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別用擴散皿法、NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提—火焰光度法測定；全氮、全磷、全鉀含量采用H2SO2-H2O2消煮后分別用凱氏定氮儀（K9860，濟南海能）、分光光度計（UV-5200，上海元析）和火焰光度計（F-300，上海元析）測定；有機碳含量采用總有機碳分析儀（Elab-TOC，江蘇埃蘭）測定。

葉片光合、蒸騰參數在上午9時選枝條中部功能葉，用便攜式光合儀（CIRAS-2，PP Systems，美國）測定；水分利用效率（WUE）由葉片凈光合速率（Pn）除以對應的蒸騰速率（Tr）得出。葉綠素相對含量用葉綠素測定儀（SPAD-502PLUS，Spectrum，美國）測定；土壤含水量用土壤水分速測儀（TZS-1K，浙江托普）測定。

1.4 數據處理

數據分析采用Excel 2007和DPS 7.05統計軟件進行，多重比較采用Tukey（圖基）法(α=0.05)。

2 結 果

2.1 垂直孔施有機物對根區土壤硝化—反硝化作用的影響

由圖1可見，無論處理6個月還是10個月，垂直孔施玉米秸稈和發酵果木屑后，土壤硝化強度和反硝化強度均顯著提高；在處理10個月時，玉米秸稈使土壤硝化強度和反硝化強度分別提高52.68%和45.81%，發酵果木屑使土壤硝化強度和反硝化強度分別提高45.55%和35.44%。在垂直孔施生物炭6個月和10個月時，土壤硝化強度均顯著提高，而反硝化強度僅在施生物炭6個月時顯著提高。垂直孔施果樹枝在處理6個月時對土壤硝化強度和反硝化強度的影響不明顯，在處理10個月時使土壤硝化強度和反硝化強度分別提高18.88%和27.06%，差異顯著。

2.2 垂直孔施有機物對根區土壤硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性的影響

由圖2可知，無論在處理后6個月還是10個月，垂直孔施玉米秸稈、生物炭和發酵果木屑均顯著提高土壤NR和NiR活性，其中，垂直孔施玉米秸稈在6個月時土壤NR和NiR活性提高幅度最大（分別提高46.43%、18.02%），而垂直孔施發酵果木屑在10個月時土壤NR和NiR活性提高幅度最大（分別提高48.00%、9.30%）。垂直孔施果樹枝在6個月時降低土壤NiR活性，在10個月時提高土壤NiR活性而降低NR活性。

2.3 垂直孔施有機物對根區土壤無機氮的影響

圖1 垂直孔施有機物處理下根區土壤硝化強度和反硝化強度Fig. 1 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil nitrification and denitrification intensities

圖2 垂直孔施有機物處理下土壤硝酸還原酶和亞硝酸還原酶Fig. 2 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil NR and NiR activities

由圖3可知，在處理6個月時，垂直孔施玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發酵果木屑均降低了土壤銨態氮和亞硝態氮含量，而使硝態氮含量顯著提高，提高幅度分別為144.9%、28.36%、71.95%和102.1%。處理10個月時，垂直孔施四種有機物均使土壤亞硝態氮含量降低，而使硝態氮含量顯著提高，提高幅度分別為39.18%、18.23%、10.38%、25.65%；垂直孔施玉米秸稈、果樹枝和發酵果木屑后，土壤銨態氮含量均顯著提高，三者使銨態氮含量的提高幅度分別為41.41%、27.44%和21.60%。

2.4 垂直孔施有機物對土壤相對含水量的影響

由圖4可知，垂直孔施有機物6個月后，玉米秸稈、生物炭和發酵果木屑均顯著提高了孔內20 cm和40 cm處的土壤相對含水量（SRWC），其中，玉米秸稈處理最顯著，分別提高了26.70%、13.90%；果樹枝處理僅提高了孔內40 cm處的SRWC。

處理10個月后，垂直孔施4種有機物均明顯降低了孔內20 cm處SRWC而明顯提高了40 cm處的SRWC，孔內20 cm處的SRWC由低至高以及40 cm處的SRWC由高至低均依次是玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發酵果木屑處理。可見，玉米秸稈對孔內SRWC的作用效果最顯著，它使孔內20 cm 處的SRWC降低了15.2%，使孔內40 cm處的SRWC提高了7.80%（圖4）。

圖3 垂直孔施有機物處理下土壤無機氮含量Fig. 3 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil inorganic nitrogen content

圖4 垂直孔施有機物處理下孔內20 cm和40 cm土壤相對含水量Fig. 4 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil water content at 20 and 40 cm in the hole

2.5 垂直孔施有機物對蘋果葉綠素相對含量和新梢生長量的影響

由表2可以看出，垂直孔施四種有機物均提高了葉綠素相對含量、新梢粗度和新梢長度，其中，玉米秸稈使新梢粗度提高幅度最大（達17.19%），其次是果樹枝和發酵果木屑，它們使新梢粗度分別提高14.06%、7.81%，而生物炭僅使新梢粗度提高5.47%。使新梢長度提高程度最大的也是垂直孔施玉米秸稈，提高幅度為11.63%，其次是果樹枝和生物炭，提高幅度分別為7.68%、5.79%。

2.6 垂直孔施有機物對蘋果葉片光合參數的影響

由表3可以看出，垂直孔施四種有機物后，葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率均有不同程度的提高，其中，玉米秸稈使葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率的提高幅度最大，分別達57.32%、22.22%、29.12%；生物炭使葉片凈光合速率和蒸騰速率的提高程度僅次于玉米秸稈，其次是果樹枝。果樹枝和生物炭使葉片水分利用效率的提高幅度相近，均介于玉米秸稈和發酵果木屑之間。

表2 垂直孔施有機物對蘋果葉綠素、新梢粗度和長度的影響Table 2 Effects of organic materials applied into vertical holes on chlorophyll, diameter and length of new shoots of apple trees

表3 垂直孔施有機物對蘋果葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率的影響Table 3 Effects of organic materials applied into vertical holes on Pn, Tr and WUE of apple leaves

3 討 論

硝化—反硝化作用是自然界氮素循環的重要環節，硝化作用需要較充足的氧氣，反硝化作用在無氧或缺氧條件下較容易進行［15-16］。鉆孔為土壤氣體擴散和交換提供通道，鉆孔后填充有機物料較填土（對照）能更好地維持地這一通道，更利于改善土壤通氣狀況，促進好氣微生物活動，從而有利于硝化作用。銨態氮和硝態氮累積（圖3）能為土壤硝化和反硝化細菌提供底物和能源，促進土壤微生物代謝和有機質分解，增強土壤呼吸作用，加快土壤耗氧［17］，因而導致土壤局部產生厭氧微區，改變微生物群落結構，使反硝化細菌活性增強和反硝化強度提高，尤其是處理后10個月。因此，垂直孔施用四種有機物在提高土壤硝化強度的同時，也相應提高了土壤反硝化強度。秸稈深還田能夠提高土壤的飽和導水率，增強土壤的持水能力［18］，隨著土壤水分增加，微生物硝化作用逐漸加強［19］，同時，玉米秸稈碳氮比高、易于分解，施入土壤可快速轉化，能夠為異養微生物提供電子受體和能量，有利于硝化—反硝化微生物尤其是反硝化細菌大量繁殖［20］，從而促進了土壤反硝化作用，因而，無論在處理后6個月還是10個月，垂直孔施玉米秸稈均最顯著提高了土壤硝化強度和反硝化強度（圖1）。

單獨鉆孔能夠改善土壤通氣性，提高土壤微生物活性，促進土壤有機物分解［5,21］；生物炭施入土壤也能夠改善土壤通氣性，提高土壤微生物活性，促進土壤有機物分解，增強土壤對水分和營養元素的吸持［4,22］；秸稈還田可有效改善土壤結構，增強通氣與保水能力［23］。硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶（NiR）是反硝化作用過程中的重要酶，均來自土壤微生物所產生的活性蛋白，其活性非常容易受到土壤含氧量、溫濕度、養分等因素影響［24］。土壤鉆孔施入有機物料會對土壤的含氧量、溫濕度、養分以及土壤微生物的群落數量、活性和組成等造成一定的影響，而土壤中的NR和NiR活性也必然會受到影響，這些均會改變土壤硝化—反硝化作用，并最終影響土壤硝酸鹽代謝。

在草坪管理中已經證明，打孔（鉆孔）可以疏松土壤，促進土壤有機物分解，增加根系對養分的吸收，改善草坪質量［5］，而且土壤鉆孔可吸引根系向孔穴集中，提高大豆、小麥和玉米等作物生產力［27］。鉆孔的作用主要在于促進土壤氣體交換，改善土壤滲透性，增加深層土壤蓄水量［21］，從而改善土壤環境，促進根系發育。鉆孔通氣的效果依賴于孔穴結構的維持、孔內填料及其分解狀況等［21］，玉米秸稈和果樹枝分解需要一定時間，能較長時間保持土壤孔穴的完整性，有利于改善根際氣體條件，促進水分和養分吸收，提高葉片光合性能，促進代謝產物轉運和積累［28］，因而也會提高蘋果葉片光合速率、水分利用效率和新梢生長量（表2和表3）。此外，生物炭和發酵果木屑是粉末和顆粒狀，容易堆積沉實；玉米秸稈和果樹枝與地面大氣連通，并且分解慢、能夠支撐孔穴結構，更便于氣體交換，因而整體效果也更好。

鉆孔施入四種有機物改善了孔穴內的通氣性，使淺層土壤水分較快蒸發，從而降低了孔內淺層SRWC，使孔穴內及其周邊淺層土壤處于輕度干旱狀態，而輕度干旱有利于提高葉片WUE［29］。同時，土壤鉆孔施入有機物便于水分向土壤較深層下滲，且有機物有較好的持水性，可提高孔內及其周邊較深層SRWC；而較深層土壤水分更有利于保證果樹水分需求，改善葉片光合性能和水分利用效率［30］；在四種有機物中，玉米秸稈對孔中20 cm和40 cm處的SRWC影響最顯著（圖4），因此，它對葉片光合速率和水分利用效率的提高也最顯著。

傳統施肥方法通常僅考慮向土壤補充營養物質，未注意土壤通氣性問題；土壤深翻熟化雖兼顧土壤結構改良和補充營養物質，但需要對土壤進行大規模擾動，工程量大、成本高，對根系損傷也大，不適于結果期果園、密植果園和山區果園。鉆孔施有機物采用“小型土壤鉆孔機”，操作簡單、工程量低，對果樹根系損傷小，能夠增進土壤通氣性，促進土壤硝酸鹽代謝、增強葉片光合作用、提高葉片水分利用效率，有利于植株生長和產量提高。鉆孔施有機物用小型鉆孔機取代常規施肥時慣常采用的人工挖坑或開溝，提高了勞動效率，減少了用工量，而且操作方便，非常適合山區果園和密植果園。

4 結 論

土壤垂直孔施四種有機物對土壤硝化與反硝化作用、土壤硝酸還原酶、土壤相對含水量、葉片光合與蒸騰作用、葉片水分利用效率及植株生長均有不同程度的影響，其中玉米秸稈的促進效果最顯著，它在處理第10個月時，使土壤硝化強度和反硝化強度分別提高52.68%和45.81%，使葉片凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率以及新梢粗度分別提高57.32%、22.22%、29.12%和17.19%。