梨樹棄枝粉碎還田對梨園土壤理化性質和梨生長的影響

劉 莉，史 昊，欒曉龍，張倩男，朱立武，賈 兵

(安徽農業大學 園藝學院，合肥 230036)

枝條中含有豐富的纖維素、木質素、蛋白質、糖類和脂肪等有機質，以及各種大中微量無機養分[3]，是寶貴的農業資源，因此，梨樹枝條資源的開發和利用有著非常廣闊的前景。但是由于修剪的廢棄枝條處理費時費力，長期囤積又易產生病蟲害，因此大部分枝條都作為最普通的生物能源被直接燃燒，但這種最直接、最常見的利用方式只利用了有機物所固有的熱量，而有機物本身的C、N和P等元素在燃燒時被氧化而形成揮發性氣體被浪費[4]，這些浪費的營養元素若是用化肥來補充，不但浪費化肥資源本身，還浪費了在開采和加工化肥時所消耗的能量。同時，燃燒枝條還潛伏著危害公眾健康的更大隱患，由于枝條中含有大量的易燃木質素，它在燃燒過程中會產生多種多環芳烴類化合物，是強烈的致癌污染物[5]。可見，修剪枝條的傳統處理方式亟待改善。

枝條還田作為一種新型的土壤管理模式，在不同果園中均有應用。梨園修剪枝條覆蓋還田可增加土壤微生物的碳、氮含量，以及真菌和細菌數量，并提高果實可溶性糖含量，有助于果實提前上市[6]。目前廢棄枝條的再利用方式多以腐熟發酵的工藝來提高土壤肥力，其中君廣斌等利用靜態枝條堆腐技術將蘋果枝條進行腐熟發酵，pH值在8左右[7]，其營養指標檢測值符合中國有機肥料的標準。Lopez-Urrea R等[8]的研究表明將葡萄枝條等修剪廢料制成有機草皮，可能是一種可以大面積使用且可以有效減小土壤蒸發并提高作物水分生產率的方法。寧留芳等研究表明，向土壤中施入發酵蘋果樹樹枝碎屑能有效增加干周增長量和新根數量，促進根系生長發育，并促使根系結構復雜化，進一步提高蘋果樹凈光合速率[9]。盡管果樹枝條腐熟還田是廢棄物肥料化利用的重要途徑，但枝條還田技術不成熟、還田效果不明顯等問題導致果農意愿不強，廢棄的枝條尚未得到充分有效利用。因此，本研究以操作性更強、使用更便捷的枝條直接還田的方式，設置不同的梨樹枝條還田量，分析梨園土壤物理、化學、微生物性質的變化特征和梨樹新生枝條及葉片的生長狀況，以及果實的產量和品質差異，以期得到高效且便捷的利用梨園修剪枝條的方式，并初步確認最佳還田量區間，為枝條還田技術在果樹產業的發展中發揮作用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于武漢市江夏區金水閘湖北省農業科學研究院果樹茶葉研究所國家果樹種質武昌砂梨圃(N30°17′43″，E114°08′37″)。該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均溫度16.8 ℃，年日照時數1 800～2 000 h，10 ℃年積溫4 500～5 200 ℃，年平均降雨量1 100 mm，無霜期266 d，海拔36 m。試驗地土壤為砂質紅壤土，有機質(OM)含量16.84 g·kg-1,全氮(TN)含量1.19 g·kg-1，堿解氮(AN)含量85.44 mg·kg-1，有效磷(AP)含量126.97 mg·kg-1，速效鉀(AK)含量264.46 mg·kg-1，pH 5.73。年灌水量45 000 kg·hm-2。供試梨樹品種為‘金蜜梨’，樹齡12年，株行距2 m×4 m。

1.2 試驗設計

本試驗共設置不還田(CK，園藝地布覆蓋)、低量還田(T1，4 kg·plant-1枝條粉碎物覆蓋)、常規量還田(T2，8 kg·plant-1枝條粉碎物覆蓋)和高量還田(T3，12 kg·plant-1枝條粉碎物覆蓋)4個處理。每個處理選擇長勢一致的5株梨樹予以標記，作為5次重復；于2016年11月將修剪的一年生枝條，使用秸稈粉碎機粉碎成2～3 cm小段，自然晾干；于2017年3月10日，按照試驗設計將不同量的枝條粉碎物均勻覆蓋于梨樹樹盤。參試梨樹按南北向分布在同一行，株距2 m，行距4 m，各處理的其他管理措施保持一致，在不同處理間挖寬100 cm、深60 cm的深溝作為隔斷，并于第2年及之后的每年冬季進行深耕。

1.3 梨樹立地土壤指標的測定

2018年7月中旬(梨果實成熟期)，去除梨樹樹盤表面覆蓋物，在距離樹干30 cm半徑處隨機選取5個點，用土鉆采集0～40 cm土層土壤，剔除石塊、草根、枝條等肉眼可見的雜物，混合均勻后等分為3份，一份于4 ℃冰箱保存，用于測定土壤微生物數量；一份風干后，用于土壤pH、礦質元素含量、有機質含量測定；一份用于土壤過氧化物酶、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性的測定。

1.3.2 土壤微生物數量土壤細菌、放線菌、真菌數量的測定均采用稀釋平板法。細菌采用牛肉蛋白胨培養基，以稀釋度為10-7～10-4土壤稀釋液接種；真菌采用孟加拉紅馬丁氏瓊脂培養基，以稀釋度為10-2～10-5土壤稀釋液接種；放線菌采用淀粉銨鹽瓊脂培養基，以稀釋度為10-6～10-3土壤稀釋液接種。接種后按照不同微生物生長溫度置于恒溫培養箱內培養，細菌、真菌、放線菌分別培養2～3 d、3～5 d、2～4 d，期間檢查記錄微生物數量[12]。

1.3.3 土壤酶活性土壤過氧化物酶、脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性均采用南京建成生物工程研究所生產的酶活性試劑盒進行測定。其中，土壤過氧化物酶以每小時每克土樣在反應體系中使650 nm處吸光值增加0.1為1個酶活力單位，表示為△OD650·h-1·g-1；土壤脲酶以每天每克土樣中產生1 μg NH4+-N為1個酶活力單位，表示為μg·g-1·d-1；土壤過氧化氫酶以每小時每克土樣催化1 μmol H2O2降解定義為1個酶活力單位，表示為μmol·g-1·h-1；土壤蔗糖酶以每天每克土樣中產生1 mg還原糖定義為一個活力單位，表示為mg·g-1·d-1。

（1）政府對通過技術創新開展綠色化生產模式企業的財政補貼措施、優惠的貸款利率不是企業走綠色化生產模式的主要影響因素，而科技研發創新費用是企業進行綠色化生產的主要影響因素，較高的科技研發費用將會降低企業開展綠色化生產模式的意愿；當企業面對綠色化生產需要較大資金時，科技研發和技術創新投入成為企業開展綠色化生產模式的決定因素。

1.4 梨樹相關指標觀測

1.4.1 枝葉生長情況選取各處理的每棵梨樹東、西兩側枝條各2條，總計4條，5次重復，共計20條。以電子游標卡尺測定其長度和直徑；隨機選取各處理的每棵梨樹東、南、西、北及上方5個方位下各10枚葉片，共計50片， 5次重復，總計250片。隨機混樣后以電子分析天平測定其百葉重，以游標卡尺測量其百葉厚，并采用丙酮提取比色法測定其葉綠素含量。

1.4.2 果實品質于2020年9月采集梨果實，在每個處理植株的東、西、南、北、中等5個方位各取1個果實、共5個果實為1個樣品，分別取5株樹，作為5次重復，測定梨果實品質指標。使用電子天平稱量果實質量，并根據平均質量計算總產量。使用硬度計測定果實硬度，使用游標卡尺分別測量果實的縱徑和橫徑，并計算出果形指數。可溶性固形物含量(糖度)用DR401型數顯折射儀測定，可滴定酸含量采用氫氧化鈉中和法測定，還原糖含量采用蒽酮顯色法測定。

1.5 數據分析

試驗數據運用單因素方差分析(ANOVA)的方法，以Duncan多重極差法進行各處理的平均值檢驗，并以 Excel 2019、GraphPad Prism 8和SPSS 23軟件(SPSS Inc.，Chicago, IL, USA)在0.05水平上計算最小顯著性差異(LSD)值，檢測各處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 梨樹枝還田對梨園土壤礦質養分的影響

在微量元素含量方面，各處理梨園土壤Mn和Fe含量明顯較高，Zn、B和Cu含量明顯較低，而Mo含量最低。其中，土壤Mn含量表現為T1> T2>CK> T3，且各處理與對照之間均存在顯著差異；土壤Fe含量在T2處理中顯著高于CK，在其余各處理中均稍高于CK；土壤Cu含量在T1和T3處理中顯著高于CK，而在T2處理中與CK無顯著差異；Zn含量在T1和T2處理中均顯著高于CK，在T3處理中顯著低于CK；土壤B和Mo含量在各處理中均與CK無顯著差異(圖1，A)。可見，樹枝低量還田可以顯著提高梨園土壤Mn、Cu和Zn含量，常規量還田可顯著提高土壤Mn、Fe和Zn含量，高量還田可顯著提高土壤Cu含量，卻顯著降低了土壤中原有的Mn和Zn含量，各還田處理對土壤原有的B和Mo含量均無顯著影響。梨樹在生產過程中經常出現缺鐵黃化現象，嚴重影響梨樹的生長與發育， 常規量還田土壤Fe含量顯著高于其他各處理，這一點對于避免梨樹缺鐵黃化可以起到一定的改善作用[13]。

在土壤中量元素含量方面，Mg和Ca含量遠高于S含量。其中，土壤S含量在T2處理中顯著高于CK及其他各處理，T1處理則顯著低于CK，T3處理與CK、T1均沒有顯著差異；土壤Mg含量在T1和T3處理中均與CK沒有顯著差異，在T2處理下顯著高于CK和T3處理；Ca含量在T2處理中顯著高于CK和其他各處理，其他各處理與CK沒有顯著差異(圖1，B)。即樹枝低量還田顯著降低了土壤原有的S含量，常規量還田顯著提高了土壤中Mg、S和Ca含量，高量還田處理對土壤中量元素沒有產生顯著影響。

CK.0 kg·plant-1；T1.4 kg·plant-1；T2.8 kg·plant-1；T3.12 kg·plant-1;TP.全磷；TK.全鉀;TN.全氮;AP.有效磷；AK.速效鉀；硝態氮；相同指標內不同小寫字母表示處理間在0.05水平存在顯著性差異；下同圖1 不同枝條還田處理下梨園土壤礦質元素含量的變化CK. 0 kg·plant-1； T1. 4 kg·plant-1； T2. 8 kg·plant-1； T3. 12 kg·plant-1. TP. Total phosphorus； TK. Total potassium; TN. Total nitrogen; AP. Available phosphorus; AK. Available potassium; Nitrate nitrogen; Each series is marked with the different normal letters indicating that the difference between treatments in the same column reached 5% significant level; The same as belowFig.1 The content of mineral elements in pear orchard soil under returning branches to field

2.2 梨樹枝還田對土壤有機質含量及pH的影響

圖2顯示，梨園土壤pH值在不同處理間均存在顯著差異，T1處理(6.28)、T2處理(6.17)和T3處理(5.39)均顯著高于對照(5.29)；同時，土壤有機質(OM)含量在各處理中也表現出與pH值相似的變化趨勢，在T1和T2處理中顯著高于CK，在T3處理時與CK差異不顯著。這初步說明適量的枝條還田能有效改善土壤的酸化狀況和有機質含量，但并不是添加廢枝數量越多越好，其中的低量和常規量還田處理的效果較好，而高量還田處理對土壤pH和有機質含量的改善能力下降。

圖2 不同枝條還田處理下梨園土壤pH值和有機質含量的變化Fig.2 The soil pH and organic matter content in pear orchard soil under treatments returning branches to field

2.3 梨樹枝還田對土壤酶活性的影響

從圖3可知，梨園土壤脲酶活性在T3處理下低于CK，但各處理與CK之間均沒有顯著性差異(圖3，A)；土壤蔗糖酶活性在各樹枝還田處理及其對照間均沒有顯著性差異(圖3，B)；土壤過氧化氫酶活性在T1和T2處理下顯著高于CK，在T3處理下與CK差異沒有達到顯著性水平(圖3，C)；土壤過氧化物酶活性在T1、T2和T3處理下均比CK產生不同程度降低，但僅T3處理顯著低于CK和其他處理(圖3，D)。可見，低量和常規量樹枝還田處理僅使梨園土壤過氧化氫酶活性顯著增強，高量還田處理僅使土壤過氧化物酶活性顯著降低，而各還田處理對其他土壤酶活性均無顯著影響。

圖3 不同枝條還田處理下梨園土壤酶活性的變化Fig.3 The enzyme activities in pear orchard soil under treatments returning branches to field

2.4 梨樹枝還田對土壤微生物數量的影響

梨園土壤真菌的數量在T1與T2處理之間無顯著性差異，但它們均顯著高于CK與T3處理，而T3處理與CK之間沒有顯著性差異(圖4，A)；土壤放線菌數量在T1處理顯著高于其他各處理和CK，T2處理又顯著高于T3處理與CK，而后兩者之間沒有顯著性差異(圖4，B)；土壤真菌數量在各枝條還田處理下均不同程度高于CK，但僅T3處理增幅達到顯著水平，而在T1、T2和T3處理之間均無顯著性差異(圖4，C)。以上結果說明低量和常規量還田處理顯著增加了梨園土壤中真菌和放線菌數量，高量還田處理則顯著增加了土壤中細菌數量。

圖4 不同枝條還田處理下梨園土壤微生物數量的變化Fig.4 The microbial number in pear orchard soil under treatments returning branches to field

2.5 梨樹枝還田對梨樹新生樹枝及樹葉生長的影響

梨樹新生樹枝長度在T1和T2處理下比CK有所增加，在T3處理下有所減少，但各處理與CK之間均沒有顯著性差異，而T1處理顯著高于T3處理(圖5，A)；同時，新生樹枝直徑在T1處理下比CK顯著增加，而在T2和與T3處理下與CK之間均沒有顯著性差異，而T1處理同樣顯著高于T3處理(圖5，B)。另外，梨樹新生樹枝百葉厚和百葉重，以及葉片葉綠素含量和類胡蘿卜素含量在各枝條還田量處理下均未發生顯著性變化，且各處理之間也不存在顯著性差異(圖5，C-F)。說明梨樹新枝條直徑和長度在樹枝常規量與高量還田處理下均沒有受到顯著影響，在低量還田處理下受到促進作用最大，但僅對直徑的促進效果達到顯著水平；而新枝百葉厚、百葉重以及葉片葉綠素含量和類胡蘿卜素含量均沒有受到枝條還田處理的顯著影響。

圖5 不同枝條還田處理下梨樹新生枝條及其葉片相關性狀的變化Fig.5 The new branch and its leaves characteristics of pear trees under treatments returning branches to field

2.6 梨樹枝還田對梨果實品質的影響

圖6顯示，梨樹果實單果重、Vc含量、果實縱徑和果實橫徑均在T2處理下最高，并與其他各處理和CK均存在顯著性差異，而其他各處理及CK之間均無顯著性差異，這說明T2處理在果實大小和Vc含量兩方面表現最優；果形指數和可溶性固形物含量在各處理及其對照間均沒有顯著性差異，說明這兩個指標在梨園土壤中施入粉碎枝條后沒有受到顯著影響；果實可滴定酸含量在T1處理下比CK稍有降低，而在T2和T3處理下比CK顯著降低，同時T2和T3也顯著低于T1處理，果實的口感在可滴定酸含量越低時越佳，因此T2與T3處理在可滴定酸含量方面表現較優；果實可溶性糖含量隨著廢枝的施入量增加而逐漸增加，且各處理的增幅均達到顯著水平，而T2和T3處理間無顯著性差異，這說明T2與T3之間的廢枝還田量為最佳處理；果實硬度在T1和T2處理下均與CK間無顯著性差異，但在T3處理下顯著低于CK和T2處理。由于果實硬度決定了果實在運輸過程中的完整性，因此果實硬度較高的為優，尤其是針對酥梨的產品特性，果實硬度的表現顯得更為重要，因此改善硬度方面最優選處理為T2。綜合考慮梨果實的單果重、縱橫徑、果形指數、硬度對運輸性的影響和糖酸比對口感的影響，認定梨果實品質以常規量還田處理表現最佳。

圖6 不同枝條還田處理下梨樹果實品質的變化Fig.6 The fruit quality of pear trees under treatments returning branches to field

3 討 論

在土壤微生物中細菌占總量的70%～90%，他們個體小、代謝強、繁殖快、與土壤接觸表面積大，是土壤中最活躍的因素。而真菌是異養型微生物，其生長離不開有機養料，有機肥料富含有機質，非常適合真菌的繁殖。放線菌主要參與后期有機物質的分解，對木質素的分解起著非常重要的作用[14]。樹枝還田后，由于土壤微生物在分解樹枝過程中，需要同化土壤碳素和吸收速效氮素,以合成新的細胞體[15-16]，因而在樹枝常規量還田和高量還田梨園土壤硝態氮含量下降，同時在高量還田土壤中細菌數量顯著增加也說明了這一點；隨著廢枝還田施用量達到一定程度時，土壤中的微生物無法及時分解廢枝，同時廢棄枝條中的酸性物質也會在一定程度上抑制微生物的繁殖，因此在施用廢枝的量過大時會出現抑制作用，導致本試驗中高量還田土壤放線菌與真菌數量顯著降低，樹枝低量和常規量還田土壤中真菌和放線菌數量均比對照顯著增加。說明在施用低量與常規量枝條還田時可以有效提高梨園土壤肥力；樹枝高量還田土壤中細菌數量顯著增加是由于加入過量還田樹枝導致了細菌快速繁殖，相關還田處理土壤硝態氮含量的測定結果也說明了該現象，同時這一點在很多前人研究中得到了證實。在本試驗中，低量還田、常規量還田和高量還田的梨園土壤pH與對照相比均顯著提高，同時有關葡萄枝條還田的試驗也證明加入枝條后可以增加土壤pH，進而改善土壤肥力[17]。

鈣是影響果樹健康和果品質量的重要營養元素之一，在延緩果樹衰老、調節果實品質和改善果實貯藏性能等方面，具有其他礦質元素無法替代的重要作用[18]。鈣處理的梨果更耐貯藏，皮部花斑麻點少，且果皮不易皺縮。鈣素不足，梨樹體及果實易發生如黑心病等多種生理病害。同時鈣含量較高時可以提高梨樹單果重、果實硬度和Vc含量[19]。在本試驗中，樹枝常規量還田土壤的Ca含量顯著提高，同時其梨果實的單果重、果實縱橫經以及果實硬度等指標都顯著提高，因此，常規量還田為較優處理。

同時，在本試驗中也考慮到了梨枝條還田時產生的病蟲害現象。在胡可等研究中也表明，在施用適量有機肥后，土壤微生物對碳底物利用能力提高，土壤微生物代謝能力加強會使其活性提高，從而改善其功能和結構，以維持土壤微生物生態平衡，并且抑制病蟲害發生[20]。另外，鐘書堂等研究表明施用生物有機肥顯著增加了土壤微生物含碳量以及可培養芽孢桿菌、細菌、放線菌數量，抑制了尖孢鐮刀菌生長繁殖，改善了可培養細菌的群落結構組成[19]，有助于有益細菌數量的增加并抑制土傳病害發生，從而達到防治香蕉枯萎病的發生和實現增產目的。張鵬等研究結果表明，在長期連作辣椒和番茄土壤中施用生物有機肥，能夠調控根際微生物群落結構，改良根際微生物區系，從而得以防治土傳青枯病和促進作物生長[20]。張連忠等[21]指出施用生物有機肥之后，果園根區土壤微生物數量顯著增加，細菌占土壤微生物的絕對優勢，生物有機肥明顯降低Cd、Cu等重金屬對土壤微生物的毒害作用。同時有關研究表明，當枝條還田時，覆蓋于地表的枝條在土著微生物或專用腐熟菌的作用下，分解產生的多種物質可以有效殺滅枝條中夾雜的病蟲害源，同時有機廢棄物可被轉化為有機肥[22]。在本試驗中各樹枝還田處理的梨樹也未有病蟲害發生，因此在梨樹枝條還田時可以直接使用。

近年來對于利用各種農業廢棄物進行土地改良，以期達到增產和增收目的的科學研究工作已經有很多，其中果樹枝條還田作為一種新型的農業廢棄物再利用方式和土壤管理模式，在不同果園中均有應用，同樣的，在多項研究中均表明過量添加果樹枝條會對土壤肥力產生抑制作用。周江濤等[23]的研究證實，蘋果枝條夏季修剪后直接進行地表覆蓋還田、冬季修剪后將枝條成段埋土覆蓋的方式，有利于增加土壤有機質含量、礦質養分含量和土壤酶的活性。張江紅等[24]已經證實，桃樹修剪的枝條以常規量還田對植株生長未產生不利的影響，同時土壤中自毒物質的含量也沒有顯著性增加，但是當還田枝條過量時會嚴重抑制桃樹的生長，不利于桃樹樹勢的增長和桃果果實品質的提高。在本試驗中，施用適量的粉碎梨樹枝條對于梨園土壤產生了有益的影響，其改善了土壤酸化情況，增加了土壤多種礦質元素的含量和土壤有機質含量，增強了土壤酶活性，提高了土壤微生物數量，使得土壤肥力得到提高。適量施用粉碎枝條還能能促進梨樹一年生新枝的生長，顯著增加了梨單果重，提高了梨產量，改善了早酥梨果實品質。而且，常規量還田的效果最顯著，低量還田效果次之，但高量還田時反而會降低土壤肥力。

但是，對于梨樹修剪廢枝的處理和利用還有以下兩點值得進一步探討：一是在粉碎樹枝的施用量上還需再進行研究，本試驗得出粉碎梨樹樹枝的最佳施用量在8 kg· plant-1左右，是否可以進一步精確范圍或是配合氮肥施用改善氮饑餓現象，或是配合貝殼等堿性廢棄資源抑制由于大量枝條產生的酸化，進而可以大量使用廢棄的枝條甚至將無機肥代替。二是本試驗僅進行了一次枝條還田，那么是否可以確定一個施用范圍，在這個范圍內可以連續進行枝條還田？在本試驗中可以發現，當枝條施用量達到12 kg·plant-1時就會由于底物量過大，導致分解緩慢進而在一定程度上抑制土壤肥力，因此可以大致推斷在連續枝條還田時，施用量一定要小于8 kg· plant-1，否則也會導致土壤氮饑餓現象，使得枝條不能及時分解進而產生堆積。