蘋果樹根系及土壤微生物對局部配施有機肥的響應

閆 敏，朱曉萍，陳曉斌，何永波，李 磊*，趙 琪，李 倩，楊萍果

（1．山西農業大學資源環境學院，山西 太原 030031；2．山西農業大學園藝學院，山西 太原 030031；3．山西師范大學生命科學學院，山西 臨汾 041000）

氮素是蘋果樹生長必不可少的元素，對于蘋果樹生長和果實品質都有積極的作用［1］。蘋果樹適宜的根系結構對于土壤營養、水分和養分的吸收具有極為重要的促進意義。除了蘋果樹根系外，施肥還會影響土壤微生物的含量。微生物與土壤養分的轉化息息相關，對均衡土壤肥力、提高作物抗逆性和優化土壤生態環境質量起著至關重要的作用［2］。現實生產中氮素易揮發、淋溶的特性不僅會造成資源的浪費，而且會帶來一系列的環境污染問題。使用有機肥替換部分氮肥，減少施肥對環境的影響并在一定程度上提高作物產量成了研究的熱點課題。前人研究表明，有機肥能夠提高土壤養分與有機碳含量，使土壤微生物數目增多，改善土壤微生物群落結構，促進健康土壤的形成，影響作物根系的生長［3-4］。李艷平等［5］的研究結果表明，施用適量混合有機肥能提高烤煙根系活力，改善根際土壤環境。徐文兵等［6］的研究結果表明，生物有機肥施于根區，可增加烤煙根系長度、體積、直徑和分枝數，提高烤煙根系活力。趙娜等［7］的研究結果表明，施用家畜糞便堆肥主要通過改變土壤微生物群落多樣性和土壤酶活性，提高番茄植株的抗病性。徐華勤等［8］利用 BIOLOG生態測試板研究長期施肥后茶園土壤微生物群落功能多樣性變化，結果表明施肥能不同程度提高微生物整體活性和豐富度，以有機無機肥配施效果最好。商品有機肥養分含量穩定，且有機質含量高，施用方便，日益成為農民的首選，在生產中應用比例較高。目前關于蘋果樹對有機肥與化肥配施的響應方面尚未有明確的研究結果。本研究針對當前蘋果樹氮肥過量施用的主要問題，選取2種商品有機肥，對比常規商品有機肥和果枝堆漚有機肥的施用效果，從蘋果樹根系及果園土壤微生物對不同比例配施肥的響應來進行分析，以期為蘋果樹栽培種植選擇合適的肥料及配施比例提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點和試驗材料

試驗于2016～2017年在山西省運城市臨猗縣減肥增效技術集成示范園（110.71° E，34.21° N）進行。試驗地海拔高度 513 m，光照充足，年均氣溫 13.5℃。供試果園面積30 hm2，主栽23年紅富士果樹，4 m×5 m株行距，地勢平坦，有便利的灌溉條件，土壤基本養分含量如表1。

表1 試驗地土壤基礎養分含量

試驗材料包括常規商品有機肥（臨汾市力瀾生物科技有限公司）、果枝有機肥（運城市臨猗縣萬興源農業開發有限公司）、化肥［尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O544%）、硫酸鉀（K2O 50%）］。試驗前分別對供試有機肥養分含量進行了分析，結果見表2。

1.2 試驗設計

試驗采用優施化肥方案，設計有機肥用量及種類雙因素［6］，共7個處理［Y1：單施化肥（對照）、Y2：常規有機肥替代20%氮肥用量、Y3：常規有機肥替代40%氮肥用量、Y4：常規有機肥替代60%氮肥用量、Y5：單施常規有機肥相當于100%氮肥用量、Y6：單施常規有機肥相當于300%氮肥用量、Y7：單施果枝有機肥相當于300%氮肥用量］，每個處理選取生長勢基本一致的蘋果樹5株，隨機選擇排列。

2016年11月采收后施基肥?；什捎脳l狀溝施肥法［9］，在距樹干50 cm樹體兩側行間各挖1條深40 cm、寬40 cm、長1.5 m的條狀溝，把有機肥和化肥與溝內20 cm土壤混勻后施入，再回填表土。有機肥一次性全部施用，化肥依照基追肥比例，分次施入，2017年3月中旬萌芽期、6月中旬春稍停長期追施化肥，采用穴施法，在樹冠外圍的東、西、南、北4個方向各挖1個深40 cm的穴，在穴內施肥，至2017年蘋果采收后結束?；史制谑┯门浔热绫?。

表3 不同時期化肥分配比例 （%）

以目標產量2000 kg和百千克養分需求量N 0.8 kg、P2O50.3 kg、K2O 0.9 kg 計算施肥量，采用氮素實時監控法［10］、磷鉀恒量監控法［11］和土壤測定數據確定，養分需求年供應量分別為40、6、18 kg（表4）。

表4 各處理施肥量

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 蘋果樹根樣的采集及測定

2017年8月按處理各選3株長勢較好的健康蘋果樹，在樹干外圍主干枝下同一方向，采用根鉆法在施肥溝內和溝外（遠離樹干施肥溝外側）20 cm處，根鉆內徑 6.35 cm，樣室高 10.00 cm，樣室容積316.73 cm3。按0～15、15～30 cm土壤層分層取土，每層各選取2個點采樣，收集其中根樣，共計84個樣品。將所取樣品置于篩子上，用小水流緩慢沖洗，防止根系丟失。沖洗完后采用加拿大Regent公司生產的Win RHIZO根系形態分析系統對根系形態進行分析測定［12］，再分別稱其鮮重，置于80℃烘箱中烘干至恒量，稱干重，計算其含水量。

1.3.2 土壤微生物測定

2017年8月試驗園采用5點取樣法（取5個重復混勻樣），選取每個處理的5個重復耕作層 （0～30 cm，平行樹中每個周圍采集一個）新鮮土樣共35個裝袋帶回實驗室，進行微生物分離［13］。應用BIOLOG生態測試板（美國Matrix Technologies Corporation生產）測定土壤微生物碳源利用多樣性。稱取相當于10 g烘干土重的新鮮土樣加入內有100 mL無菌水的三角瓶中，蓋錫箔紙，200 r·min-1振蕩30 min，然后按逐步稀釋法，依次稀釋為10-2、10-3梯度液。用 10-3稀釋液接種生態測試板，接種量為 150 μL。每樣1板 （3次重復），將接種好的測試板加蓋在（25 ±1）℃下培養 10 d，每隔24 h用BIOLOG在590 nm下讀數［14］。將平均吸光 （AWCD）值作為微生物整體活性的有效指標［15］。AWCD值的變化速度 （斜率）和最終能達到的 AWCD值反映了土壤微生物利用某一碳源物質的能力。用土壤酶聯免疫吸收分析反應144 h的數據計算土壤微生物群落對31種碳源利用能力的不同，分別計算Shannon-Wiener 物種豐富度指數 H、碳源利用豐富度指數 S、Shannon-Wiener 均勻度指數E，并進行主成分分析。

1.4 統計分析

所有數據均采用 Excel 2003和SPSS 24.0進行處理和統計分析及作圖。微生物數量與土壤養分進行偏相關性分析，不同處理間根干重、根長、根表面積、根體積進行主體間效應檢驗。根據培養基利用碳源的豐富度、多樣性和均勻度指數，按照計算物種指數的方法［11］計算土壤微生物群落的功能多樣性。

Shannon-Wiener 物種豐富度指數H、碳源利用豐富度指數S、Shannon-Wiener 均勻度指數E、Simpson 優勢度指數Ds、Pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值，計算公式如下［16］：

S=被利用碳源的總數

主成分分析研究的是變量之間的相關關系，通過變量相關矩陣內部結構的研究，找出控制所有變量的幾個主成分，它的一般步驟［17］為：（1）確定分析變量，收集數據資料；（2）對原始數據進行標準化處理，主要是為了消除量綱不同帶來的影響；（3）對標準化后的數據進行相關系數矩陣計算；（4）計算相關系數矩陣的特征值和特征向量，并按照特征值大小排序；（5）計算各主成分的貢獻率和累積貢獻率；（6）確定主成分個數，一般選取累積貢獻率85%以上的主成分；（7）以各主成分的貢獻率為權重進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 局部配施有機肥替代化肥對蘋果樹根系生長的影響

2.1.1 局部配施有機肥替代化肥對蘋果樹溝內、溝外根系生長的影響

用SPSS 24.0進行主體間效應檢驗［18-22］，溝內蘋果樹根干重、根系表面積顯著大于溝外（P<0.05） 。溝內取樣處理Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7根干重較溝外分別提高50.31%、87.96%、260.16%、595.13%、70.86%、87.88%、0.25%（圖1）；溝內取樣處理Y3、Y4、Y5、Y7根長較溝外分別提高48.86%、70.00%、71.71%、133.71%，溝 內 取樣處理Y1、Y2、Y6根長較溝外分別降低58.70%、8.16%、36.06%（圖2）；溝內取樣處理Y2、Y3、Y4、Y5、Y7表面積較溝外分別提高28.25%、83.97%、192.19%、86.48%、99.53%，溝 內 取 樣處理Y1、Y6表面積較溝外降低15.77%、3.22%（圖3）；溝內取樣處理Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7根體積較溝外分別提高127.77%、38.51%、228.99%、690.26%、104.87%、19.19%，溝內取樣處理Y5根體積較溝外降低36.21%（圖4）。試驗結果表明，溝內集中施肥可顯著提高根干重、根系表面積，改善根的構型，從而增加根吸收養分和水分的能力；溝施肥水方式中最有利于根系生長的常規有機肥替代氮肥比例為40%～60%；果枝有機肥替代化肥也可促進根系生長，沒有常規有機肥300%替代效果明顯，最佳比例需進一步試驗驗證。

2.1.2 局部配施有機肥替代化肥對蘋果樹根系生長的影響

根系形態是影響養分吸收的重要因素，根長、根表面積、根體積均能反映根系吸收能力的 強弱［23-26］。Y5較Y1根體積顯著提高，其它處理間根體積無顯著性差異；Y1～Y7處理的根干重、根長、根表面積之間無顯著性差異（表5）。Y2～Y7處理根干重比Y1分別提高了6.95%、6.95%、9.27%、29.13%、25.83%、14.23%；Y2～Y7處理根長比Y1分別降低了39.97%、32.43%、1.72%、15.31%、10.03%、36.16%；Y4、Y5、Y6處理根表面積比Y1分別提高了33.66%、15.05%、22.89%，Y2、Y3、Y7根表面積比Y1降低了13.32%、0.29%、5.01%；Y2～Y7處理根體積比Y1分別提高了16.59%、22.76%、65.20%、248.60%、49.04%、36.12%。Y7較Y6根干重、根長、根體積有所降低，但根表面積增加明顯。

表5 局部配施有機肥替代化肥各處理對根生物量和根系形態指標的影響

試驗結果表明，局部配施有機肥處理0～30 cm根系密集區土層根干重、表面積、體積較全量化肥均有不同程度的增長，但是根長有所降低。究其原因，可能是局部配施有機肥處理促進了根系的干物質積累，而單純化肥處理促進了根系的伸長。各有機肥處理較單施化肥處理增加根干重6.95%～25.83%，降低根長1.72%～39.97%。有機肥替代氮肥表面積、體積均有不同程度地增加，表面積增加了15.05%～33.66%，體積增加了16.59%～248.60%，可見，干重和體積增加最明顯，其次是表面積。分析原因，不只是有機肥對根系生長的刺激作用，還可能與根系的土壤環境利于根系伸展有關。尤其替代氮肥40%～100%的處理均明顯地增加了根系表面積、根體積，改善根的構型，從而增加根吸收養分和水分的能力。但是大量施用有機肥300%替代化肥氮處理，其根干重、根長、表面積、體積均較有機肥100%替代化肥氮處理有所下降。這是由于大量的有機肥投入，其自身腐解對氮素的吸收，影響了樹體的氮供應。因此，從有機肥對氮肥的替代效應和改善根系生長環境，促進蘋果樹根系生長及根活力的角度綜合考慮，有機肥替代氮肥的適宜比例為40%～100%，高替代比例的常規有機肥促根系生長效果比等替代比例的果枝有機肥明顯。

2.2 土壤微生物對不同比例有機肥配施的響應

2.2.1 局部配施有機肥替代化肥土壤微生物群落的AWCD值變化

由圖5可以看出，各處理的 AWCD值都隨著培養時間的增加而增加。在培養最初的 24 h，各處理AWCD值變化均較小，24～48 h，AWCD值增長速度加快，48 h后呈現快速增長并一直延續到144 h， 144 h后則趨于穩定。

在整個培養周期內，除Y4處理外，不同處理AWCD值的變化速率和最終所能達到值均低于Y1。不同處理AWCD值的變化速率和最終所能達到值排序為：Y4>Y1>Y7>Y6>Y2>Y5>Y3，該結果與趙娜等［7］的研究結果相似。其原因可能是局部配施有機肥，土壤有機質含量變高，微生物個體活性增加，但土壤微生物結構發生了不同程度地改變——土壤中微生物的優勢種群增加，劣勢種群競爭性減弱，微生物結構未達到新的平衡，導致微生物整體活性在短期內降低。具體來看，隨著局部配施有機肥比例的增加，土壤有機質含量也隨之增加，微生物個體活性增加明顯，土壤微生物結構變化更大，土壤微生物整體活性大小為土壤微生物個體活性和土壤微生物結構變化雙重因素響應的結果。20%～40%局部配施有機肥比100%、300%高量配施有機肥土壤有機質含量增加量少，微生物個體活性增加不明顯，在土壤微生物結構發生改變的情況下，20%～40%局部配施有機肥土壤微生物整體活性更低，因此，40%局部配施有機肥AWCD值的變化速率和最終所能達到的值為不同處理最低；60%局部配施有機肥，土壤微生物個體活性增加效應大于土壤微生物結構改變效應，因此，其AWCD值的變化速率和最終所能達到值均大于Y1。

2.2.2 局部配施有機肥替代化肥土壤微生物群落多樣性分析

Maguran指出 Shannon指數受群落物種豐富度影響較大［27］。由表6可知，處理Y2、Y4、Y5、Y6、Y7與Y1無顯著性差異，Y3較Y1顯著降低?？赡苁怯捎诰植颗涫┯袡C肥提高了土壤有機質及激素含量，促進了優勢微生物種群快速增殖，造成土壤微生物群落結構的重建，降低了土壤微生物的多樣性，這與孔維棟等 ［28］的研究結果相似。

表6 土壤微生物群落多樣性指數

Simpson指數反映群落中常見的物種，本試驗中處理Y2、Y4、Y5、Y6、Y7與Y1無顯著性差異，Y3較Y1顯著降低?？赡苁怯捎诰植颗涫┯袡C肥促進優勢微生物種群快速增殖的同時，也使部分劣勢菌種遭到淘汰，表現出土壤微生物物種的調整。

從均勻度Pielou指數來看，與Y1相比，除Y3外，Y2、Y4、Y5、Y6、Y7都有不同程度地提高，說明合適比例的局部有機配施可提高土壤微生物的均勻度，更有益于蘋果樹根系的生長。

從土壤微生物多樣性結果看，20%～40%局部配施有機肥Shannon指數、Simpson指數、Pielou指數更低，這和AWCD值分析結果一致。

2.2.3 局部配施有機肥替代化肥土壤微生物碳源利用多樣性的主成分分析

土壤微生物多樣性反映了群落總體的變化，但未能反映微生物群落代謝的詳細信息，研究土壤微生物對不同碳源利用能力的差異，有助于更加全面地了解微生物群落代謝功能特性［30］。通過對BIOLOG測試所獲得的反應 144 h數據進行主成分分析，可以在降維后的主元向量空間中，用點的位置直觀地反映出不同土壤微生物群落功能多樣性變化。由PCA分析得出前6個主成分累計貢獻率為100%，前2個主成分累計貢獻率為 57.5%。利用前2個主成分做局部配施有機肥替代化肥土壤對碳源利用的排序（圖6），Y2、Y5、Y6、Y7得分值較低且與Y1非常接近，說明單施化肥、20%有機肥局部替代及高量有機肥替代（≥100%有機肥替代）對果園土壤微生物碳源利用的影響較小，可能是由于這4種施肥方式并未達到微生物活動的最佳C/N（約25/1）值［29］。比較 Y3、Y4處理與Y1處理，在主成分1軸上的得分值之間則有很好的分離，也就是說，40%～60%局部有機肥配施微生物對碳源利用與單施化肥有較大差異，說明40%～60%局部有機肥配施可改善土壤微生物生存環境，提供適合土壤微生物生長所需的合適 C/N值，與單施化肥形成明顯區別。

與主成分1和主成分2具有較高相關系數的碳源見表7。由表7可以看出，對主成分1貢獻率最高的是D-甘露醇，屬于醇類物質；而在主成分2中，貢獻率最大的是L-天冬酰胺酸，屬于氨基酸類物質。因此，對主成分起分異作用的主要碳源是醇類物質和氨基酸類物質。

表7 土壤中與主成分1和主成分2相關顯著的主要培養基

3 討論與結論

本研究表明，局部配施有機肥處理0～30 cm根系密集區土層根干重、表面積、體積較全量化肥均有不同程度的增長，干重和體積增加最明顯，其次是表面積；但是根長有所降低。究其原因，可能是局部配施有機肥處理促進了根系的干物質積累，而單純化肥處理促進了根系的伸長。從有機肥對氮肥的替代效應和改善根系生長環境，促進蘋果根系生長及根活力的角度綜合考慮，有機肥替代氮肥的適宜比例為40%～100%，高替代比例的常規有機肥促根效果比等替代比例的果枝有機肥明顯。

在改善土壤生物學性質方面，利用BIOLOG板測定不同處理土壤微生物多樣性發現，在整個培養周期內，除Y4外，其它有機肥替代化肥處理的 AWCD值變化速率和最終所能達到的值均低于Y1。其原因可能是局部配施有機肥，土壤有機質含量增加，微生物個體活性提高，但土壤微生物結構發生了不同程度的改變—土壤中微生物的優勢種群增加，劣勢種群競爭性減弱，微生物結構未達到新的平衡，導致微生物整體活性在短期內降低。土壤微生物整體活性大小為土壤微生物個體活性和土壤微生物結構變化雙重因素響應的結果。土壤微生物群落豐富度降低、多樣性差異不顯著、均勻度有所提高。合適比例的局部有機配施可提高土壤微生物的均勻度，更有益蘋果樹根系的生長。對碳源利用主成分起分異作用的主要是醇類物質和氨基酸類物質。

上述研究結果顯示，從局部配施有機肥改善蘋果樹根系生長環境，促進蘋果樹根系生長及根活力和生物學效應的角度綜合考慮，有機肥替代氮肥40%以上效果明顯，考慮到有機肥緩釋效應及果農的接受度，常規有機肥替代氮肥最佳比例為40%，果枝有機肥最佳替代比例需進一步試驗驗證。