改性蘋果廢枝與化肥配施對蘋果根區土壤及根系構型的影響

馮豐 曹輝 荀咪 李萍 岳松青 張瑋瑋 楊洪強

摘要：廢棄果樹枝條富含有機碳，本試驗將蘋果廢枝改性后與化肥配合施于蘋果幼樹根區，結果表明：土壤施入1%的改性蘋果廢枝及其與適量化肥配施，都明顯提高中度干旱時的土壤保水性，增加根區土壤微生物數量，提高細菌與放線菌相對于真菌的比例，提高土壤中蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，也使根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數和根系分形維數明顯增大；改性蘋果廢枝與化肥配施效果最顯著，土壤細菌、放線菌、微生物總數分別提高249.03%、249.31%和248.78%，土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性分別提高33.05%、23.70%和49.86%，根系總長度、表面積、體積和根尖數分別提高51.75%、46.71%、41.84%和99.03%。

關鍵詞：改性蘋果廢枝；土壤微生物；土壤酶；根系構型；化肥

中圖分類號：S141.9 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）09-0083-06

Abstract The abandoned apple branches are rich in organic carbon. In this study， the apple branches were chemically modified and then applied to root zone of young apple trees with chemical fertilizer. The results were as follows. The application of 1% modified apple waste branches in soil and its application with moderate amount of chemical fertilizer could enhance the soil water retention capacity when the soil relative water content （SRWC） was relatively low， increase the amount of soil microorganisms in the root zone， increase the ratios of bacteria and actinomycetes to fungi， increase the activity of sucrase， urease， neutral phosphatase， and catalase in soil， and increase the root activity and total root length， surface area， volume， average diameter， number of root tips and fractal dimension of roots. The effect of combined application of modified apple waste branches and chemical fertilizer was more significant. It increased the total number of soil bacteria， actinomycetes and microbes by 249.03%， 249.31% and 248.78% respectively， increased the soil sucrase， urease and neutral phosphatase activities by 33.05%， 23.70% and 49.86% respectively， and increased the total root length， surface area， volume and number of root tips by 51.75%， 46.71%， 41.84% and 99.03% respectively.

Keywords Modified apple waste branches； Soil microorganisms； Soil enzyme； Root architecture； Chemical fertilizer

長期依賴化肥的生產方式，導致我國農田（包括果園）土壤有機質含量普遍下降，急需大量有機肥的投入[1，2]。有機肥的生產需要富含有機碳的物質做原料，我國是水果生產大國，在果樹整形修剪和老果園更新等過程中，每年都有大批廢棄枝條產生，這些枝條富含有機碳，是重要的有機質來源。但目前在很多地方，大批果樹枝條被焚燒，或被丟棄在果園和周邊，不僅浪費資源還給環境帶來嚴重威脅，因此，廢棄枝條的資源化利用對于果樹生產和環境保護均有重要意義。研究表明，果樹枝條比作物秸稈含有更多的木質素，木質素不易被微生物完全降解而很容易轉化形成胡敏素[3]，胡敏素是與土壤礦物顆粒結合最緊密的腐殖質組分，對土壤結構有更好的穩定作用[4，5]，把果樹枝條返還果園將更有利于提高土壤肥力。但果樹枝條直接應用于果園會對土壤微生物和果樹根系造成一定毒害[6]，而且，枝條攜帶的有害生物未被殺滅，也會給果園病蟲害傳播埋下隱患。堆腐發酵可以殺死有機廢棄物所夾帶的大部分病菌、蟲卵和雜草種子等[7]，將果樹枝條粉碎發酵后施入果園，明顯改善土壤性狀，促進植株生長，提高果實產量和品質[8-10]；將果樹枝條炭化后施于土壤也可提高蘋果根區土壤細菌豐富度，促進根系發育和果樹生長[11，12]，因此枝條的發酵和炭化處理在果樹生產中具有良好的應用前景。但是枝條發酵處理需要時間比較長，炭化處理需要高溫加熱和厭氧條件?；瘜W改性是木材加工的重要技術之一，它能夠高效、快速地處理木材等生物質，在材料工業中有較多應用[13]，目前化學改性木材（包括果樹枝條）在土壤中的應用尚未見報道。本研究以果園修剪下來的蘋果枝條為原料，粉碎、改性后施入蘋果根區，調查根區土壤與根系的變化，明確改性蘋果廢枝與化肥配施的效果，以期為合理應用果樹枝條及改善根區環境提供參考。

1 材料與方法

試驗于2017年春季在山東農業大學國家蘋果工程中心果樹試驗站和山東省高校果樹生物學重點實驗室進行。

1.1 試驗材料

改性蘋果廢枝是將冬季剪下的蘋果枝條粉碎后，按比例加入多元醇和硫酸，混勻后加熱2 h，冷卻后制成，成品總有機碳含量437.76 g/kg，全氮4.59 g/kg，全磷0.56 g/kg，全鉀5.83 g/kg，pH值 2.0～2.3。試驗用復合肥N-P2O5-K2O含量為18%-18%-18%。

試驗用樹為生長勢相近的2年生盆栽‘富士蘋果樹，砧木為平邑甜茶；盆栽容器直徑30 cm、高35 cm、裝土量15 kg；盆栽土壤有機質含量1.08 g/kg，堿解氮112.0 mg/kg，速效磷41.5 mg/kg，速效鉀125.7 mg/kg，pH值 7.33。

1.2 試驗處理

試驗設4個處理，處理G：每盆施入改性蘋果廢枝150 g（土壤質量的1%）；處理F：每盆施入化肥6 g（40 mg/kg）；處理G+F，每盆施入改性蘋果廢枝150 g +化肥6 g；空白對照CK。采用單株小區，隨機區組排列， 重復5次，2017年秋季取樣調查。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性狀 土壤有機碳含量用Elab-TOC型總有機碳分析儀測定；全氮用K1100F型全自動凱氏定氮儀測定；全磷用鉬藍比色法、全鉀用火焰光度法；堿解氮用擴散吸收法；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度計法；土壤pH值用酸度計測定[14]；用TP-SR-1土壤水分傳感器測定土壤相對含水量。

1.3.2 土壤酶活性與微生物數量 土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性用苯酚-次氯酸鈉比色法；土壤中性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法；土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定[15]。

微生物數量采用稀釋平板涂抹培養計數法統計。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，放線菌采用改良的高氏一號培養基（每300 mL培養基中加3%重鉻酸鉀1 mL），真菌采用PDA培養基（每100 mL培養基加1%鏈霉素溶液0.3 mL）[15]。

1.3.3 根系構型 根系構型測定先用ScanMaker i800 plus 掃描儀獲取根系掃描圖像，再用萬深LA-S系列植物圖像分析儀系統測定相關參數。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行處理、作圖，SPSS 19.0 進行方差分析，Duncans新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區土壤pH值和保水力的影響

改性蘋果廢枝為酸性，用量不當可能會導致中性土壤酸化。正式試驗之前，先測試了改性蘋果廢枝對盆土pH值的影響。

在15 kg盆土中分別施入50、100、150、200、250 g和300 g（質量比分別是0.33%、0.67%、1.00%、13.33%、16.67%和2.00%）改性蘋果廢枝，測定結果顯示，盆土pH值由7.33分別下降至7.21、7.07、6.95、6.85、6.73和6.59，即在改性蘋果廢枝用量達到2.00%時，中性土壤變成微酸性，而用量1.00%時，盆栽基質pH值為6.95，雖然稍微偏酸但仍屬于中性土壤，即150 g改性蘋果廢枝不會對土壤pH值造成很大影響，因此，后續試驗均采用每盆施入150 g改性蘋果廢枝（1.00%的用量）。

由表1可見，G、G+F和F三個處理的盆土pH值分別為6.95、7.12和7.34；與對照比較，盡管150 g改性蘋果廢枝處理使盆土pH值下降0.38、150 g改性蘋果廢枝+6 g化肥（G+F）使盆土pH值下降0.21，但都在中性土壤范圍內。

圖1表明，灌水后第1～3 d，處理和對照土壤相對含水量（SRWC）在59.4%～79.3%，處于植物生長發育最適土壤含水量范圍；在此時段，改性蘋果廢枝及其與化肥配施均使SRWC顯著下降，單施化肥和對照之間沒有顯著差異。灌水后第4～5 d，處理和對照SRWC在49.7%～57.7%，土壤處于輕微干旱狀態，此時改性蘋果廢枝與化肥配施對SRWC沒有顯著影響。但第4 d時G處理的SRWC顯著低于CK，第5 d時略高于對照；灌水后第6～7 d，處理和對照SRWC在32.6%～44.2%，土壤處于中度干旱狀態，此時改性蘋果廢枝與化肥配施的SRWC均顯著高于單施化肥和對照，單施化肥和對照之間沒有顯著差異，尤其是灌水后第7 d，G和G+F處理的土壤相對含水量分別為39.9%和38.6%，分別比對照高22.0%和16.3%，此時單施化肥和對照的土壤已接近重度干旱（SRWC為32.7%和33.2%），而施用改性蘋果廢枝的土壤仍處于中度干旱，即改性蘋果廢枝在SRWC較低時可以增強土壤的保水力，減少土壤水分散失。

2.2 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區土壤微生物種群組成結構的影響

從表2可看出，改性蘋果廢枝、化肥及其配施均顯著提高根區土壤細菌、真菌、放線菌數量以及微生物總數，也顯著提高細菌數/真菌數（B/F）、放線菌數/真菌數（S/F）的比值，其中，改性蘋果廢枝與化肥配施的細菌、放線菌、微生物總數最高，分別高出對照249.03%、249.31%和248.78%；其次是改性蘋果廢枝單施，細菌、放線菌、微生物總數分別提高233.46%、226.55%和232.75%。而且， G+F與F相比，也顯著提高了細菌、真菌、放線菌以及微生物總數。表明改性蘋果廢枝施入土壤可促進微生物的繁衍和增殖，與化肥配施時效果更顯著。

土壤細菌和真菌數量比及放線菌和真菌數量比是反映土壤微生物區系結構的兩個重要特征指標。表2顯示，與CK相比，處理G、G+F和F顯著提高了B/F和S/F值，三者之間B/F差異不顯著，但處理G+F的S/F顯著高于處理G。土壤病害主要由真菌引起，較高的B/F和S/F是土壤健康的表現[16]，因此，改性蘋果廢枝與化肥配施對于提高放線菌的相對數量更有利。

2.3 改性蘋果廢枝與化肥配施對根區土壤酶活性的影響

蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶分別參與土壤中碳、氮、磷的循環，其活性與土壤養分轉化有密切關系。由表3可知，處理G及處理G+F均能顯著提高根區土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中，處理G使三種酶活性分別提高18.75%、22.01%和39.49%，G+F使三者分別提高32.50%、23.70%、49.86%；單施化肥（F）僅提高中性磷酸酶活性，效果遠不及單施改性蘋果廢枝及其與化肥配施。處理G+F比處理G略高，但差異不顯著，說明這三種酶的活性變化主要是由改性蘋果廢枝引起。表3還顯示，改性蘋果廢枝與化肥配施顯著提高過氧化氫酶活性，單施改性蘋果廢枝效果不明顯，單施化肥則使之降低。

2.4 改性蘋果廢枝與化肥配施對根系結構的影響

由表4可以看出，改性蘋果廢枝（G）及其與化肥配施（G+F）均顯著提高根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數和根系分形維數；但單施化肥對根系體積和根系分形維數影響不顯著。三種處理中，G+F對根系構型參數影響最大，根系總長度、表面積、體積、平均直徑、根尖數和根系分形維數分別比CK提高51.75%、46.71%、41.84%、4.55%、99.03%和1.90%。G+F的作用效果也顯著高于改性蘋果廢枝與化肥的單獨處理，這表明對于蘋果根量、根系加粗和加長生長以及根系結構的復雜化，150 g改性蘋果廢枝和6 g化肥配施比兩者單施均有更好的促進作用。

3 討論

根系是樹體與土壤進行物質和能量交換的“媒介”，根系的生長發育除與遺傳特性和樹體地上部長勢有關外，更多地受到根區土壤環境的影響[17，18]。土壤pH值作為一項重要的土壤環境指標[19]，其適宜性和相對穩定性對果樹生長，尤其是根系的正常發育有重要意義。由于改性蘋果廢枝在制作過程中添加了硫酸，剩余的H+使其呈酸性，用量過多會使土壤pH值下降，但本試驗在1%的用量下，土壤雖然稍微偏酸但仍處于中性范圍，而且配施化肥減輕了pH值的下降，對根區土壤酸堿度影響不大。用量超過1%的改性蘋果廢枝能使土壤pH值明顯下降，也提示在實際應用中，可以1%的用量為標準，在酸性土壤適當減少施用量，而在堿性土壤可增加用量，這也給鹽堿地土壤改良提供了新的材料。

根區土壤水分條件直接影響果樹的生長發育，施用適量生物質炭可以改良土壤結構，增加土壤團聚體穩定性，提高土壤保水能力[20，21]。本研究結果顯示，在土壤中度干旱時，施用改性蘋果廢枝可提高土壤相對含水量，表明施用改性蘋果廢枝對減緩土壤干旱有一定作用。改性蘋果廢枝富含有機碳，施用有機肥和生物炭可通過改善土壤理化性狀而提高土壤保水性能[22，23]，改性蘋果廢枝也可能通過類似方式改善土壤水分條件。

土壤微生物是表征土壤生態環境質量的重要指標，土壤微生物區系結構越復雜、種群量越大，越有利于土壤物質轉化和能量流動以及根系對養分的有效吸收，合理施肥可以促進土壤微生物代謝和種群繁衍[24-26]。本研究發現，施用改性蘋果廢枝、化肥及二者配合施用均可提高土壤細菌、真菌、放線菌種群數量以及微生物種群總量，尤其在改性蘋果廢枝和化肥配施時，效果更突出。Luo等[27]報道施用生物炭可增加微生物生物量，曹輝等[11]研究認為炭化蘋果枝可通過影響土壤結構而改善土壤微生物多樣性。改性蘋果廢枝影響微生物的狀況可能同生物炭類似，而改性蘋果廢枝和化肥配施還提高了土壤養分含量，因此兩者配施更有利于促進土壤微生物繁衍。由于植物病原微生物多數是真菌，而有益微生物多數是細菌和放線菌，因此，從微生物種類來講，細菌和放線菌數量多更有利于植物健康生長，表現在B/F和S/F值上，即比值越大，土壤中有益菌群越多，對植物生長越有利。本研究施用改性蘋果廢枝及其與化肥配施均提高土壤B/F和S/F值，顯示改性蘋果廢枝對改善土壤微生物種群結構、促進土壤健康是有益的。

土壤酶是表征土壤生化反應方向和強度的重要指標，其活性可在一定程度上反映土壤生物活性和土壤肥力狀況[28]。本研究表明，三種處理均不同程度地提高土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中改性蘋果廢枝與化肥配施的數值最高，其次是單施改性蘋果廢枝，說明改性蘋果廢枝對土壤碳、氮、磷循環均有促進作用，有利于提高土壤肥力，與化肥配施效果更好。生物炭對植物根系生長有促進作用[30]，土壤施用適量炭化蘋果枝明顯增加了蘋果根系數量[13]，施用富含有機碳的改性蘋果廢枝同樣促進了根系生長發育，與化肥配施效果更好，這很大程度上是改性蘋果廢枝增加微生物數量、改善微生物種群結構及提高土壤相關酶活性所帶來的結果。根系分形維數可在整體上反映植物根系結構特征和分支狀況，分形維數值越大，根系分支越多、結構越復雜[31]。在本研究中，根系分形維數值由大到小呈現改性蘋果廢枝配施化肥處理>單施改性蘋果廢枝處理>單施化肥處理>對照，這也是根系復雜程度的排列。改性蘋果廢枝與化肥配施對于改善土壤理化性狀和養分供給有疊加效應，因此對促進根系發育和改善根系構型呈現出最好的效果。

4 結論

1%的改性蘋果廢枝及其與適量化肥配合施用，都可提高中度干旱時的土壤保水性，顯著增加根區土壤微生物數量，增大細菌與放線菌相對于真菌的比例，提高土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性，從而促進根系生長和根系分支，其中改性蘋果廢枝與化肥配施效果最顯著。

參 考 文 獻：

[1] Zhang F S， Chen X P， Vitousek P. Chinese agriculture： an experiment for the world[J]. Nature， 2013， 497（7447）： 33.

[2] 楊世琦， 張愛平， 楊淑靜， 等. 典型區域果園土壤有機質變化特征研究[J]. 中國生態農業學報， 2009， 17（6）： 1124-1127.

[3] Thevenot M， Dignac M， Rumpel C. Fate of lignins in soils： a review[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2010， 42（8）： 1200-1211.

[4] Tadini A M， Nicolodelli G， Mounier S， et al. The importance of humin in soil characterisation： a study on Amazonian soils using different fluorescence techniques[J]. Science of the Total Environment， 2015， 537： 152-158.

[5] Simpson A J， Song G X， Smith E， et al. Unraveling the structural components of soil humin by use of solution-state nuclear magnetic resonance spectroscopy[J]. Environmental Science & Technology， 2007， 41（3）： 876-883.

[6] 張江紅， 彭福田， 蔣曉梅， 等. 桃樹枝條還田對土壤自毒物質、微生物及植株生長的影響[J]. 植物生態學報， 2016， 40（2）： 140-150.

[7] Martin C C G S， Brathwaite R A I. Compost and compost tea： principles and prospects as substrates and soil-borne disease management strategies in soil-less vegetable production[J]. Biological Agriculture & Horticulture， 2012， 28（1）： 1-33.

[8] 趙鵬， 詹國勤， 徐加寬， 等. 梨園秸稈和修剪枝條的還田效果研究[J]. 南京農業大學學報， 2015， 38（4）： 610-616.

[9] 寧留芳， 楊洪強， 曹輝， 等. 發酵果樹枝碎屑對蘋果幼樹根系特征及葉片光合蒸騰的影響[J]. 園藝學報， 2016， 43（10）： 1989-1994.

[10] Gaiotti F， Marcuzzo P， Belfiore N， et al. Influence of compost addition on soil properties， root growth and vine performances of Vitis vinifera cv. Cabernet sauvignon[J]. Scientia Horticulturae， 2017， 225： 88-95.

[11] 曹輝， 李燕歌， 周春然， 等. 炭化蘋果枝對蘋果根區土壤細菌和真菌多樣性的影響[J]. 中國農業科學， 2016， 49（17）： 3413-3424.

[12] 閆麗娟， 楊洪強， 蘇倩， 等. 施用炭化蘋果枝粉末對平邑甜茶生長及根系構型的影響[J]. 園藝學報， 2014， 41（7）： 1436-1442.

[13] Kumar S. Chemical modification of wood[J]. Wood and Fiber Science， 2007， 26（2）： 270-280..

[14] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社， 2000：39-113.

[15] 姚槐應， 黃昌勇. 土壤微生物生態學及其實驗技術[M]. 北京： 科學出版社， 2006：129-137，186-190.

[16] 張乃明， 董艷. 施肥與設施栽培措施對土壤微生物區系的影響[J]. 生態環境， 2004， 13（1）： 61-62.

[17] 范偉國， 楊洪強. 果樹根構型及其與營養和激素的關系[J]. 果樹學報， 2006， 23（4）：587-592.

[18] 楊洪強， 束懷瑞. 蘋果根系研究[M]. 北京： 科學出版社， 2007：1-4.

[19] 駱東奇， 白潔， 謝德體. 論土壤肥力評價指標和方法[J]. 土壤與環境， 2002， 11（2）： 202-205.

[20] Sun F， Lu S. Biochars improve aggregate stability， water retention， and pore-space properties of clayey soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 2014， 177（1）： 26-33.

[21] Daynes C N， Field D J， Saleeba J A， et al. Development and stabilisation of soil structure via interactions between organic matter， arbuscular mycorrhizal fungi and plant roots[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2013， 57（C3）： 683-694.

[22] Glaser B， Lehmann J， Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal—a review[J]. Biology and Fertility of Soils， 2002， 35（4）： 219-230.

[23] Bulluck L， Brosius M， Evanylo G K， et al. Organic and synthetic fertility amendments influence soil microbial， physical and chemical properties on organic and conventional farms[J]. Applied Soil Ecology， 2002， 19（2）： 147-160.

[24] 劉國順， 羅貞寶， 王巖， 等. 綠肥翻壓對煙田土壤理化性狀及土壤微生物量的影響[J]. 水土保持學報， 2006， 20（1）： 95-98.

[25] 章家恩， 劉文高， 胡剛. 不同土地利用方式下土壤微生物數量與土壤肥力的關系[J]. 土壤與環境， 2002， 11（2）： 140-143.

[26] 孫瑞蓮， 朱魯生， 趙秉強， 等. 長期施肥對土壤微生物的影響及其在養分調控中的作用[J]. 應用生態學報， 2004， 15（10）： 1907-1910.

[27] Luo Y， Durenkamp M， Nobili M D， et al. Microbial biomass growth， following incorporation of biochars produced at 350℃ or 700℃， in a silty-clay loam soil of high and low pH[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2013， 57： 513-523.

[28] 張國紅， 任華中， 高麗紅， 等. 京郊日光溫室土壤微生物狀況和酶活性[J]. 中國農業科學， 2005， 38（7）： 1447-1452.

[29] 喬天長， 趙先龍， 張麗芳， 等. 玉米秸稈腐解液對苗期根際土壤酶活性及根系活力的影響[J]. 核農學報， 2015， 29（2）： 383-390.

[30] Lehmann J， Rillig M C， Thies J， et al. Biochar effects on soil biota—a review[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2011， 43（9）： 1812-1836.

[31] 賈全全， 楊曉杰. 根系分形維數及其研究進展[J]. 安徽農業科學， 2011， 39（2）： 652-653， 656.