氮肥減量配施有機肥對蘋果產量品質及土壤生物學特性的影響

楊莉莉，王永合，韓穩社，馬林英，楊乖成，韓艷云，同延安*

（1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省旬邑縣土肥站，陜西 旬邑 711300）

農作物的收獲，每年從土壤中帶走大量養分，這些養分主要靠施肥進行補充。化學肥料的使用，在增加產量的同時也帶來了其他問題，如作物品質下降、土壤板結、土壤肥力降低、肥料利用率低、土壤和水體污染等。當前化學肥料的過量施用主要是氮肥的過量施用[1-2]，其中果樹、蔬菜等經濟作物施用氮肥過量較為突出。陜西省是我國的蘋果生產大省，果園化學氮肥施用過量現象嚴重，王小英等[3]調查2005—2009年陜西省蘋果施肥狀況發現化學氮肥投入過量比例為72%，數量達12.83萬t；楊莉莉等[4]通過估算認為目前陜西省蘋果園N、P2O5、K2O 施用量分別過量15.12萬、4.46 萬、1.19 萬 t；趙帥翔等[5]對黃土高原蘋果園的調查發現，氮肥過量施用的果農比例高達90%以上。過量氮肥投入導致果實品質下降、果園氮素累積、硝酸鹽淋溶風險增加、土壤酸化加劇，造成資源浪費和環境氮負荷[6]。因此，如何有效減少化學氮肥用量對陜西省果園可持續發展至關重要。

有機肥料含有豐富的有機質和各種養分，它不僅能直接為作物提供養分，而且能活化土壤中的養分并增強土壤生物學活性，促進物質轉化，提高土壤肥力，改善作物品質等。為了保持農業的可持續發展，有機肥被認為是化學肥料的有效替代品[7]。已有大量研究證明有機肥替代化肥可以增加作物產量[8]、改善作物品質[9-10]、增加土壤有機質和養分含量[11]、降低土壤容重[12]、提高微生物數量以及酶活性[13]。有機肥替代化肥大多是在常規施肥的基礎上進行，對于減量施肥后再進行有機肥替代化肥的研究較少。本研究在優化減氮基礎上用有機肥替代部分氮肥，通過對蘋果最重要的產量、品質的分析以及對土壤肥力影響較大的土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的研究，確定最佳施肥措施，以期為陜西省蘋果園的減肥高效、綠色可持續發展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西省旬邑縣張洪鎮新豐村（35°06′N，108°16′E），該地屬黃土高原溝壑區塬地，海拔1 150 m，年平均日照2 390 h，年平均氣溫9.1 ℃，年降水量約600 mm。供試材料為紅富士，砧木為八棱海棠，2004 年栽植，株行距3 m×4 m，果園共0.2 hm2。土壤類型為黑塿土，試驗地基礎土壤肥力：有機質13.9 g·kg-1，堿解氮56.0 mg·kg-1，速效磷 22.7 mg·kg-1，速效鉀338.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗從2017 年10 月31 日秋季施肥開始進行兩年。共4 個處理，分別為：常規施肥（化肥N 800 kg·hm-2，T1）、優化減氮（化肥N 400 kg·hm-2，T2）、有機肥替代25%氮肥（有機肥N 100 kg·hm-2+化肥N 300 kg·hm-2，T3）、有機肥替代50%氮肥（有機肥N 200 kg·hm-2+化肥N 200 kg·hm-2，T4），每個處理 3 次重復，隨機區組排列，每6 棵果樹為一個小區。除常規處理氮肥為800 kg·hm-2，其余3 個處理的氮肥用量均為400 kg·hm-2，有機肥替代25%氮肥和有機肥替代50%氮肥均是在減氮的基礎上進行；所有處理的磷鉀養分投入一致，P2O5為 300 kg·hm-2，K2O 為 400 kg·hm-2。化學氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O516%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 52%）；有機肥為商品有機肥，有機質含量為488.8 g·kg-1，N、P2O5、K2O 含量分別為1.65%、1.40%、1.36%。在果樹一個生長周期（果實收獲后至下一個果實收獲）內僅施肥兩次，即基肥和追肥。有機肥和化學磷肥作為基肥在每年10 月下旬一次性施入，化學氮鉀肥60%作為基肥，40%作為追肥在6 月初膨果期施入。追肥和基肥均是開溝施入，溝寬30～40 cm，深約30 cm，基肥是行間條施，追肥是株間條施。所有試驗果樹長勢一致，其他田間管理，如病蟲害防治、灌溉等與農戶一致。

1.3 測定項目和方法

在2018 年和2019 年10 月果實收獲時，分別從果樹的東西南北4個方向各摘取果實樣品5個，每小區采摘20 個果實，帶回實驗室測定果實品質；同時計量每小區的所有果實質量，作為小區的產量。為了試驗效果更顯著，試驗的第二年，即2019年10月在果實收獲的同時分層采集土壤樣品，每20 cm為一層，共取3層（0～20、20～40、40～60 cm），每小區采集6 個點（不施肥區、施肥區、株間各取2個點），混勻后作為一個土壤樣品帶回實驗室，用于土壤指標測定。

果實品質的測定參考曹建康等[14]的方法，可溶性固形物用糖度儀測定，可溶性糖用蒽酮試劑法測定，可滴定酸用NaOH 中和滴定法測定，維生素C 用2，6-二氯靛酚滴定法測定，單果質量測定是隨機選取100個果實的平均質量，果實果徑分級用分級圈，品質結果為2019年數據。土壤酶（堿性磷酸酶AKP、β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶NAG、β-1，4-葡萄糖苷酶βG、纖維二糖水解酶CBH）活性測定采用微孔板熒光法[15]，土壤樣品4 次重復，標準和陰性4 次重復，空白和淬火3 次重復，該方法是在低底物濃度條件下，通過檢測酶裂解釋放熒光基團（4-甲基傘形酮酰）所發出的熒光強度進行測定，能直接、快速、靈敏地反映微生物胞外酶活性。4-甲基傘形酮酰激發波長為365 nm，檢測波長為450 nm。計算公式為：

式中：Ab為土壤樣品的酶活性，nmol·g-1·h-1；F為校正后的樣品熒光值；V為土壤懸濁液的總體積；e為熒光釋放系數；v1為微孔板每孔中加入的樣品懸濁液的體積；t為暗培養時間；m為鮮土樣換算成干土樣的結果；f為酶標儀讀取樣品微孔的熒光值；fb為空白微孔的熒光值；q為淬火系數；fs為陰性對照微孔的熒光值；fr為參考標準微孔的熒光值；cs為參考標準微孔的濃度；v2為加入參考標準物的體積；fq為淬火標準微孔的熒光值。

酶活性綜合指標GME為土壤酶活性的幾何平均值，常被用來反映酶活性的綜合指標，計算公式為：

式中：Ai表示不同酶的活性（i=1，2，3，…，n）。

土壤微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，新鮮土壤經氯仿熏蒸24 h 后，用0.5 mol·L-1K2SO4溶液（液土比4∶1）浸提1 h，濾液分別用TOC-L分析儀和流動分析儀測定。

N 肥偏生產力=施 N 產量（kg·hm-2）/施N 量（kg·hm-2）。

1.4 數據處理

采用 Excel 2007 和 IBM SPSS stastistics 20.0 軟件對數據進行統計分析，采用單因素AVNOVA（P＜0.05）進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥減量配施有機肥對蘋果產量的影響

由表1可以看出，2019年的單果質量和產量整體優于2018年，這是由于2018年4月7日果園遭遇了嚴重的凍害。在試驗進行第一年，不同處理對果實單果質量的影響無顯著差異，但T4 處理的產量顯著高于T1、T2、T3 處理，分別高出27.5%、25.9%、27.2%。試驗第二年，T1 處理的單果質量和產量均顯著低于T4處理。T4 處理的偏生產力最高，是T1 處理的兩倍以上，減氮施肥3個處理的氮肥偏生產力均高于常規施肥。

表1 氮肥減量配施有機肥對蘋果單果質量、產量和氮肥偏生產力的影響Table 1 Response of apple single fruit weight，yield and partial productivity of nitrogen fertilizer to reducing nitrogen fertilizer and applying organic fertilizer

2.2 氮肥減量配施有機肥對果實品質的影響

不同果實直徑所占比例見表2，減氮處理的大果所占比例較高，且T4 處理的大果（直徑＞80 mm）所占比例最高，達32.7%。各處理對果實維生素C 含量的影響差異不顯著（表3），T4處理的可溶性固形物含量顯著高于僅施化肥處理，常規施肥處理的可溶性糖和糖酸比顯著低于減氮處理，有機肥替代氮肥處理的可滴定酸含量顯著（P＜0.05）低于優化減氮處理，糖/酸比高于優化減氮處理，表明施氮過高不利于果實品質的提升，優化減氮基礎上有機肥替代部分氮肥利于改善果實品質。

2.3 氮肥減量配施有機肥對微生物量碳氮的影響

除常規施肥處理，SMBC 隨著土壤深度的增加而減少，不同處理對SMBC 的影響主要在0～40 cm 土層（圖1）。T2 處理的 0～20 cm 土層 SMBC 顯著高于 T1處理，而顯著低于T4 處理；3 個減氮處理的20～40 cm土層SMBC 比常規施肥處理分別高出61%、63%和75%。

所有處理的SMBN 隨著土層加深而減少，不同處理SMBN在各個土層內均有顯著差異（圖2）。常規施肥的 SMBN 在 20～40 cm 和 40～60 cm 土層顯著低于有機肥替代部分氮肥的處理，T3 處理SMBN 在0～20 cm土層顯著低于T2處理（P＜0.05），在0～60 cm 土層顯著低于T4處理。

表2 氮肥減量配施有機肥對果實不同果徑占比（%）的影響Table 2 Effects of different treatments on the percentage（%）of different fruit diameters

2.4 氮肥減量配施有機肥對土壤酶活性的影響

不同處理之間4 種土壤酶活性均有差異，除AKP外，其他3種酶活性均是T4處理的最高（圖3）。T1處理的 AKP 活性在 20～40 cm 土層顯著低于 T4 處理，在40～60 cm 土層顯著低于 T3 和 T4 處理，即施用有機肥處理的AKP 酶活性隨土層加深而增加。施用有機肥的兩個處理的NAG 活性均顯著高于常規施肥處理，在20～40、40～60 cm 土層顯著高于優化減氮處理；T1處理的 βG 和 CBH 活性在 0～60 cm 土層均顯著低于T4 處理，與T2 處理差異不顯著。僅施用化肥的兩個處理的4種土壤酶活性在上下土層中的變化較小，T4處理40～60 cm 土層與0～20 cm 土層相比，AKP、NAG活性分別增加了66%、58%，βG、CBH 活性分別降低了33%、34%。

表3 氮肥減量配施有機肥對果實內在品質的影響（2019年）Table 3 The internal fruit quality of different treatments with nitrogen fertilizer and organic fertilizer（2019）

從4 種酶的綜合指標分析，0～60 cm 土層中均是T1 處理最低；減氮的3 個處理中，有機肥替代部分氮肥處理的20～60 cm 土層酶活性綜合指標顯著高于僅施化肥的處理。表明優化減氮基礎上有機肥替代部分氮肥利于增加土壤酶活性。

2.5 各指標之間的相關性分析

土壤酶和土壤微生物量均與土壤微生物活動關系密切，微生物量碳氮和各種土壤酶活性及果實產量的相關性見表4。在0～20 cm土層，SMBC與產量呈顯著正相關關系，與SMBN、NAG、βG、CBH 呈極顯著正相關關系，SBMN 與產量呈顯著正相關關系；在20～40 cm 土層，SMBC 與除 AKP 之外的其他 3 種酶呈顯著或極顯著正相關關系，SMBN 與4 種酶活性之間均呈顯著或極顯著正相關關系；在40～60 cm 土層，SMBN 與產量、SMBC、4 種酶活性均呈顯著或極顯著正相關關系。總體來看，4 種酶之間除AKP 活性與其他酶的關系不顯著，其他3 種酶活性相互之間呈顯著或極顯著正相關關系；SMBC 主要在0～20 cm 與酶活性關系密切，而SMBN主要在20～60 cm與酶活性關系密切。

表4 產量、微生物量碳氮、土壤酶活性的相關性分析Table 4 Correlation analysis of yield，SMBC and SMBN，soil enzyme activity

3 討論

3.1 氮肥減量配施有機肥利于增加蘋果產量

當前陜西省蘋果園普遍存在施氮過量的情況，過量施用氮肥對作物增產不利。本試驗條件下，氮肥減半基礎上有機肥替代50%氮肥處理兩年的產量均顯著高于常規施肥處理，特別是第一年的增產效果非常顯著，這可能與有機肥增加了樹體的抗性有關[16]；2018 年遭遇了嚴重的凍害，造成果園大幅減產，而有機肥替代50%氮肥處理施入土壤中的有機肥較多，增強了樹體的抗性，減少了損失。優化減氮處理的氮用量比常規施肥減少一半，但產量并未減少，這與彭福田等[17]的研究結果一致，高氮水平反而不利于產量的增加，這可能與常規施肥施入的氮過量有關。過量施氮導致果樹營養生長過剩，生殖生長受到抑制，同時造成養分吸收不平衡，從而影響樹體生長和產量形成[18-19]。本研究在減氮施肥的3 個處理中，有機肥替代部分氮肥處理的增產作用較好，并且隨有機肥替代量的增加增產效果更顯著，這與張迎春等[20]對萵筍的研究結果一致，但與錢銀飛等[21]對不同豬糞用量與化肥配施的研究結果不同，隨著豬糞用量的增加，水稻產量先增加后降低，這可能是作物種類和試驗條件不同造成有機肥與化肥配施的效果不同。適量有機肥配施化肥可以改變土壤微生物特性、促進根系生長等，從而促進作物生長[20，22-23]，增加作物產量。

3.2 減氮配施有機肥促進果實品質的提升

不同施肥處理對果實品質的影響不同，減氮施肥處理的大果率、可溶性固形物、可溶性糖、糖酸比均比常規施肥處理增加，可滴定酸含量降低，增加了果實的商品率和風味。這與任靜等[24]和陳磊等[25]的研究結果一致，過高的施氮量降低果實可溶性固形物和糖含量、增加可滴定酸含量，果實品質下降。原因可能是過量施氮導致氮代謝旺盛，消耗了更多的碳骨架和還原力，降低了植物同化速率，影響光合產物輸出，最終使果實中糖含量降低[26]。有機肥替代部分氮肥的處理對蘋果果實品質的影響更顯著，且和有機肥替代化肥的比例有關，本研究有機肥替代50%化肥處理的品質最佳。伍曉軒等[27]對小麥的研究認為，有機氮無機氮比例為1∶1 時利于小麥產量品質的協同提升，這與本研究結論相似。有機肥可以通過調節養分平衡、植物內源激素平衡、碳氮代謝平衡等來改善作物品質[28]。

3.3 氮肥減量配施有機肥增加土壤微生物量碳氮

土壤微生物生物量是指土壤中體積小于5 μm3的活微生物總量，是土壤有機質中最活躍和最易變化的部分。微生物量碳氮是反映土壤微生物生物量的重要微生物學指標[29]。微生物量碳氮與土壤養分循環密切相關，是反映土壤肥力和土壤質量高低的指標之一，受有機肥的影響較大。本研究中同一施氮水平下，有機肥替代50%氮肥處理的土壤微生物量碳氮高于不施有機肥的優化減氮處理，這與前人研究結果類似[30]，有機肥與化肥配合施用增加土壤微生物量碳氮。曲成闖等[31]和郭振等[32]研究認為土壤微生物量碳氮的增加與施入有機肥的量呈正相關關系，本研究結果與之相同，有機肥替代50%氮肥處理的微生物量碳氮高于有機肥替代25%氮肥處理。原因是有機肥的投入提供了碳源，使土壤微生物增殖，并分解有機物質，提供植物所需的養分，養分的增加又促進土壤微生物數量和種群豐富度極大增加；無機氮肥又能提供大量氮源，從而使土壤微生物生物量碳氮增加[33]。優化減氮處理微生物量氮與常規施肥處理之間無顯著差異，0～40 cm 微生物量碳顯著高于常規施肥處理，原因與施入高氮使土壤氮增加，C/N 下降，加速土壤原有有機碳分解，導致土壤有機質含量下降有關，并且施用高量化肥可能破壞微生物生存環境，使微生物數量減少[33-34]。

3.4 氮肥減量配施有機肥促進土壤酶活性增加

土壤酶是有機物分解和養分循環的主要生物學機制，它可以作為生物多樣性、生態系統功能和土壤肥力的指標，測定酶活性是了解土壤生物學過程的有效工具[15]。本研究選取國內外最廣泛測定的[35]4種與有機質密切相關的酶（AKP、NAG、βG、CBH）進行研究。磷酸酶可以將磷從不可用的、有機結合的形式轉化為可被微生物和植物吸收的磷酸根離子，從而提高土壤磷的有效性；乙酰氨基葡萄糖苷酶是參與氮循環的重要物質，可降解幾丁質和肽聚糖，水解來自殼二糖的氨基葡萄糖；β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶屬于可降解纖維素的水解酶，可以表征碳代謝活性。本研究中有機肥替代化肥處理的4 種酶活性高于僅施化肥處理，且有機肥用量越高的處理酶活性越強，這與大多數研究結果一致[13，36]，原因是有機肥的施用增加了土壤微生物可利用碳源，使微生物保持較高活性，增加了微生物多樣性和數量[37-38]，從而促使土壤酶活性的增加。但也有研究認為過多的有機肥反而會使土壤酶活性降低[39]，這可能與不同土壤性質有關。

土壤的生物學指標通常比化學、物理特性對土壤條件變化的反應更快，本研究發現優化減氮和有機肥替代部分氮肥在施氮量減少一半的情況下，有機肥替代50%氮肥的效果更顯著。可能是當地常年的常規施肥使土壤氮過量，導致土壤養分不平衡、微生物數量和種群豐富度降低，而優化減氮以及優化減氮后有機肥替代部分氮肥改變了土壤中的碳氮比例，引起土壤微生物的活性改變，增加了土壤微生物量碳氮以及土壤酶活性，促進作物根系的代謝增強和樹體對土壤養分的吸收[27]，從而提升果實產量和品質。

4 結論

（1）優化減氮基礎上有機肥替代50%氮肥顯著增加果實產量和果實大果率、可溶性固形物、可溶性糖、糖酸比，降低果實可滴定酸含量。

（2）優化減氮基礎上有機肥替代50%氮肥顯著增加土壤微生物量碳氮和土壤β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶活性。

因此，在陜西省蘋果園建議推薦化學肥料減半的基礎上用有機肥替代50%氮肥，以節省化肥用量，增加產量，改善品質，提升土壤質量，利于果園的可持續發展。