隴東地區蘋果園應用生物活性素的效應

胡化濤，費麗彬，鄧明江，王 憶，許雪峰，韓振海

(中國農業大學園藝學院，北京 100193)

蘋果(MalusdomesticaBorkh.)是世界四大水果之一，在我國多省廣泛種植。經過多年發展，中國已成為世界最大的蘋果生產國，蘋果種植面積超190萬公頃，2019年蘋果產量達4 242.5萬噸，種植面積和產量均占世界50%以上[1]。黃土高原蘋果優勢產區是我國蘋果四大產區之一，也是面積和產量最大的產區[2]，其中隴東地區(甘肅省東部，主要包括慶陽、平涼兩市)作為全國知名的優質紅富士蘋果出口基地，是西北黃土高原蘋果優勢產業帶中的新興產區[3-4]。但該地區降水季節分配不均，水分供應是限制該地蘋果生產的主要因素之一[5]，施肥時期通常降水較少，不利于樹體對肥料的吸收，缺水會影響土壤營養物質的累積、礦化、吸收和轉運，最終導致大部分施入的肥料無法被根系吸收，造成樹體養分失衡或肥料損失[6]。另外該地區化肥施用過量的問題也較為突出，有調查顯示平涼市蘋果園施肥量為氮(N) 918.02 kg·hm-2、磷(P2O5) 655.09 kg·hm-2、鉀(K2O) 274.89 kg·hm-2[7]，而該地區的合理施肥量為(N)240～420 kg·hm-2、磷(P2O5) 180～330 hm2、鉀(K2O)150～375 kg·hm-2[8]，氮肥和磷肥的施入均為過量狀態。

20世紀80年代到21世紀初，化肥施用對我國種植業產量的實際貢獻率高達58.91%[9]，然而如今農業已成為我國最大的面源污染產業，其中化肥的施入影響尤為嚴重[10]。在果園中化學肥料的不合理施用帶來了嚴重的生態環境問題，過量的肥料使得土壤累積過多無機鹽導致環境污染[11-12]，同時肥料通過徑流、淋失、揮發等途徑使得土壤中元素分布不均衡，影響了果樹的生長并降低果實品質。鑒于此，研究者們開始探討果園不同的施肥管理手段，并開發出綠色環保的減肥促產技術[13]。例如，果園生草可以提高果園土壤養分含量[14]、水分含量[15-16]、土壤各有機碳組分含量[17]，并改善土壤微生物群落狀況，減少氮素流失[18]，從而改善土壤肥力、提高果園的產量等。同樣，在蘋果園的多項試驗也顯示，滴灌條件下磷鉀施肥配比為7∶10(70 kg·hm-2∶100 kg·hm-2)或者采用滲灌施氮的方式施用有利于提高果實產量與品質[19-20]；施用有機肥后可以提升果實品質，連年只施用化肥的果園中果實可溶性糖含量則呈現逐年下降的現象[21]；施用生物炭基肥[22]可以通過降低土壤容重、提高有機質含量等途徑提高土壤肥力，促進樹體生長，同時提升了果實中可溶性糖、可溶性固形物以及維生素C等物質的含量，改善果實品質；減施化肥25%并配施生物有機肥可以提高果實糖酸比，改善果實口感[23]。合理的施肥方式和用量可以起到提質增效的作用，綜合來看，在果園管理中采用減施化肥結合生草、優化施肥方案[24]、配施有機肥[25]或者施用其他土壤改良劑[26-27]等技術措施，可以增加土壤的養分含量及有效性，降低因減施化肥給果園帶來的不良影響。但是在實際生產過程中，由于有機肥見效慢，分次施用化肥、配施土壤改良劑或者采用水肥一體化技術的成本過高，導致這些措施所產生的效益不明顯，使得部分果農對此類技術不認可，故在生產中推廣程度有限[28]。因此建立一套簡便易行、不增加成本，且可以為果農實現提質增效作用的施肥管理措施十分必要。

本研究在甘肅隴東地區選取典型蘋果園進行施用生物活性素與減施化肥疊加效應的研究，探討當地蘋果生產中減施化肥的可行性，期望在一定程度上解決黃土高原蘋果產區氮磷化肥投入過量問題，最終為蘋果減肥增效提供技術與案例支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年在甘肅隴東平涼市的4個果園進行，平涼市海拔890～2 857 m，全年平均氣溫在10℃左右，年降水量450～550 mm，年均日照時數1 981 h。G1果園位于涇川縣飛云鎮(E105°68′,N35°33′)、G2果園位于崆峒區草峰鎮(E106°53′,N35°36′)、G3果園位于靜寧縣威戎鎮(E105°44′,N35°24′)、G4果園位于靜寧縣威戎鎮(E105°44′,N35°24′)。 4個果園所在的3個鄉鎮緯度位置相似，經度間隔均勻，果園基本情況如表1。

表1 果園基本情況Table 1 Basic information of orchard

1.2 試驗設計

在每個果園中分別選取樹體健壯、長勢一致的富士蘋果樹進行試驗，成齡樹(G1、G3)每個處理10株，幼齡樹(G2、G4)每個處理25株。2018年分別選取成齡和幼齡各一個果園(G1和G2)進行試驗，每個果園都設置常規施肥(CK)、常規施肥配施生物活性素(B)兩個處理，探究施用生物活性素的效應。2019年在施加生物活性素的基礎上增設減施化肥處理，化肥施用總量減少30%，有機肥施用量保持不變，4個果園的施肥情況如表2。在4個果園分別設置常規施肥(CK)、常規施肥配施生物活性素(B)、減施化肥30%配施生物活性素(RB)和減施化肥30%(R)4個處理，其中G1、G2果園在2018年的基礎上繼續進行CK和B處理，并新增RB與R處理；同時增加G3、G4兩個試驗果園。生物活性素為本實驗室開發的一類含有機苯炳環為核心的有機物、微生物和礦質元素的復配試劑，在蘋果春季萌芽前于樹冠外圍10 cm處挖若干20 cm深的穴，施用生物活性素，每株施用250 g。

表2 果園施肥情況Table 2 Fertilization in orchard

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤指標測定方法 土壤理化指標參考鮑士旦[30]土壤農化分析方法測定。測定指標包括土壤pH值、全氮含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量。在每年的春季(春季施肥前)、秋季(果實收獲時)各采集一次土樣，用環刀按照“Z”字型取樣法采集0～30 cm土層的土樣，每個處理3次重復。

1.3.2 樹體指標測定方法 處理后當年11月，幼齡樹每個處理隨機選取10株，成齡樹選擇所有株，用來測量株高、干周、一年生枝條長度和一年生枝芽點數，每個處理隨機選取5株樹測量全株花芽量。并于2019年7月在每個處理小區隨機選取代表性蘋果樹3株，在樹冠周圍不著果的中庸枝采集50片樹葉作為1個樣本，每個處理3次重復[31]，使用凱氏定氮儀(美國FOSS 8400)測定葉片全氮含量。

1.3.3 果實指標測定方法 在果實成熟時記錄單株結果量，并在樹冠外圍不同方向采集有代表性的果實，每個處理10次重復。果實稱重并測量縱橫徑，邀請15人對果實的香氣進行評分(評定標準：香氣極濃郁記3分，香氣濃郁記2分，香氣一般記1分，香氣輕微或無香氣記0分)。測定果實可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸含量和果實硬度。可溶性固形物含量使用日本愛拓PAL-1數顯糖度計測定，可溶性糖含量使用蒽酮比色法測定[32]，可滴定酸含量使用酸堿中和滴定法測定，果實硬度使用TA.XT Express Texture果實品質分析儀測定。

1.4 數據處理

所有數據用Microsoft Office Excel 2016進行初級統計分析，采用SPSS Statistics 26.0進行單因素方差分析，并用Duncan法進行多重比較，顯著性水平為P<0.05，圖表中數據為平均值±標準誤(SE)。

2 結果與分析

2.1 蘋果園施用生物活性素當年效果分析

2.1.1 施加生物活性素對果園土壤理化性質的影響 2018年施用生物活性素后，果園土壤pH值未受到影響，土壤全氮、堿解氮、有效磷含量有所降低，但兩處理間差異不顯著(表3)。

表3 施用生物活性素對土壤理化性質的影響Table 3 Effect of bioactive agents’ application on soil physical and chemical properties

2.1.2 施加生物活性素對蘋果樹生長發育的影響 G1、G2兩個果園中施加生物活性素(B)后，株高、干周均有所升高，其中G2的干周顯著高于對照(圖1)。而最為明顯的差異體現在花芽數上，兩果園的花芽量均出現了不同程度升高，較對照組分別增多64.7%、45.4%，差異顯著。這種結果對于幼齡樹更為重要，幼樹的早花早果可使果園提前增收。

注：“*”表示處理與對照之間存在顯著差異(P<0.05)，下同。Note：“*” indicates that there are significant differences among treatments (P<0.05)，the same below.圖1 施用生物活性素對樹體生長發育的影響Fig.1 Effects of bioactive agents’ application on tree growth and development

2.2 蘋果園減施化肥及配施生物活性素效果分析

2.2.1 不同處理對果園土壤理化性質的影響 在2019年試驗中，在4個果園中分別進行了4個處理，如表4所示，施用生物活性素處理(B)后，土壤pH值無顯著變化規律，全氮和堿解氮含量除G3果園外，其他各果園的各處理均低于對照組，土壤速效鉀的含量無明顯變化。減施化肥30%處理(R)與減施化肥30%配施生物活性素(RB)處理，除G2果園外其他各果園土壤pH值均出現不同程度降低，其中G1果園土壤pH值顯著低于對照。結合果園的施肥狀況分析，G1、G3、G4果園施肥量過量現象嚴重，每年累積施肥量均在200 kg·667m-2以上，由此可以看出減施化肥可以減輕果園土壤的鹽堿化程度。果園土壤全氮含量除G3外在RB處理后也有所降低；除G3外堿解氮含量均低于對照；土壤有效磷除G3外，各果園在RB處理下含量降低，而速效鉀含量變化無明顯規律。

表4 減施化肥與配施生物活性素對土壤理化性質的影響Table 4 Effect of bioactive agents’ application and fertilizer reduction on soil physical and chemical properties

2.2.2 不同處理對蘋果樹生長發育的影響 由圖2可以看到，施用生物活性素后G2果園的干周顯著升高；減施化肥30%后，成齡樹的株高和干周不受影響，而幼樹株高和干周顯著低于對照組，說明幼樹時期減施化肥30%會影響幼樹營養生長；而配施生物活性素后可以在一定程度上降低減施化肥對樹體生長的影響，RB處理幼樹的株高均高于R處理。減施化肥30%配施生物活性素后，除G2果園外各果園的樹體一年生枝長度和節間長度均低于對照。減施化肥后，除G3果園外，各果園樹體花芽量有不同程度增加，在之前測定的土壤數據中G3果園RB、R處理的礦質元素含量出現上升現象，尤其是氮素含量上升，可能是土壤中的氮素過量導致樹體徒長不利于花芽分化。施用生物活性素處理(B)，各果園的葉片氮含量均高于對照，其中G1葉片氮素含量較對照高11.2%，表現為差異顯著。減施化肥30%配施生物活性素的葉片氮含量高于對照，其中G1、G3、G4果園表現為顯著升高，分別提高了15.0%、6.4%、3.0%，推測施用生物活性素能夠促進樹體對氮素的吸收。

圖2 不同處理對蘋果樹體生長的影響Fig.2 Effects of different treatments on the growth of apple tree

2.2.3 不同處理對果實品質的影響 對2019年采集的果實進行分析，發現B和RB處理果實香氣出現了明顯提升，在G1、G4果園中施用生物素的果實香氣顯著高于對照，另外G1、G4果園中的R處理果實香氣也有了一定程度上升(表5)。減施化肥后不同樹齡果實硬度呈現相反趨勢，G1、G3成齡果園的果實硬度上升，G2、G4幼齡果園中的果實硬度下降，減施化肥配施生物活性素處理下的果實硬度普遍比減肥處理的果實硬度低?；蕼p施有利于果實可溶性固形物含量的提高，提升程度在2.2%～14.1%；可溶性糖和可滴定酸含量略有下降；但若施加生物活性素，則可以提高果實的可滴定酸含量?？傮w來看化肥施用量的減少使得果實可溶性固形物含量提高、可滴定酸含量降低，同時果實的糖酸比也有所提高，說明減施化肥能在一定程度上提高果實品質。

表5 施用生物活性素與減施化肥對果實品質的影響Table 5 Effect of bioactive agents’ application and fertilizer reduction on fruit quality

2.3 連續兩年施用生物活性素的累積效應分析

在G1、G2果園連續兩年施用了生物活性素，株高、干周變化主要體現在幼齡樹果園G2中。G2果園2018年施用生物活性素后株高變化不明顯，在連續兩年施用后較對照提高4.7%。在G2果園中2018年B處理的干周較對照組高13.2%，在2019年較對照組高出17.5%。連續施用生物活性素后只有G1果園促進成花效果較明顯，較對照高出5.2%。而G3、G4果園在2019年第一次施用生物活性素后，株高和干周變化不明顯，與2018年G1、G2果園相同(圖3)。

圖3 連續兩年施用生物活性素對蘋果樹體的影響Fig.3 Effect of bioactive agents’ application on apple tree for two consecutive years

在2018—2019年間，與初始值相比G1果園的土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀總體上呈下降趨勢，其中全氮和堿解氮的變化規律較明顯(表6)，從土壤全氮和堿解氮含量來看，對照區的全氮和堿解氮含量分別下降23.8%、12.8%，而施用生物活性素試驗區的全氮含量下降35.7%、44.8%。G2果園的全氮含量呈下降趨勢，對照區和生物活性素處理區土壤全氮含量分別下降9.8%、17.6%，但是土壤堿解氮含量呈上升趨勢，對照和處理分別升高了8.8%、4.8%。總體來看施用生物活性素可能提高了樹體對土壤營養元素的吸收能力，增加了樹體對氮素的吸收量。

表6 連續兩年施用生物活性素對土壤理化性質的影響Table 6 Effect of bioactive agents’ application for two consecutive years on soil physical and chemical properties

2.4 施用生物活性素和減施化肥的經濟效益分析

施加生物活性素在G1果園中效果比較好，較對照增產40.5%。減施化肥30%和減施化肥30%配施生物活性素處理G1、G4果園的產量有所增加， G1果園產量分別提升35.8%、26.0 %，G4果園產量分別提升40.5%、31.8%，可能是前幾年存在化肥投入過量的問題，土壤中的營養元素含量較高，一年的減施處理對果樹生長發育基本不會產生影響，甚至適度減施可以刺激樹體增產，G4果園各處理產量差異不大(表7)。從G2、G4的幼齡樹果園來看，施用生物活性素雖然促進了樹體的生長，但是花芽量和產量出現下降現象，尤其是G2果園經營年限較短，且沒有施用有機肥，減施化肥后產量下降較多?？偟膩砜矗诔升g樹的果園減施化肥30%不會對果園的產量造成不良影響，甚至可以達到增產的效果。

表7 不同處理對果園產量的影響Table 7 Effects of different treatments on apple yield

3 討論與結論

近年來研究者們通過多種途徑探究蘋果減肥增效的技術措施，通常是通過覆蓋、生草[14]、施加有機肥[24]或土壤改良劑[25]等措施改善蘋果園土壤質量，增強土壤保肥能力，減少營養元素的流失，或者通過改良施肥技術[20,23]、調整施肥配比[19]等手段來提高肥料利用效率。也有研究者通過施用微生物菌肥[26]改良土壤微環境，促進根系的生長，以增加樹體對礦質元素的吸收，本研究通過開發生物活性素施用于樹體，促進樹體活化，以此來增強樹體對礦質元素的吸收能力，提高肥料的利用效率，進而為生產上減肥不減產奠定基礎。

在生產上人們通過多種施肥措施來改善果園土壤肥力，提高果樹的產量與品質。研究發現通過施用活化腐殖酸[33]、噴施沼液[34]和乙酰丙酸[35]等方式，可以改善土壤狀況，提高樹體蔗糖合成相關酶的活性，從而促進果樹生長發育。本研究使用的生物活性素含有多種活性物質，施用后蘋果樹體的株高、干周、特別是花芽量均有所提升，推測是由于此類活性物質促進了樹體的生長發育。生物活性素中的微生物也可以參與固氮、硝化、解磷等過程[38]以提高土壤中養分的有效性，進一步提高植物對營養元素的利用效率。本研究中施用生物活性素后提高了葉片中的氮素含量，與郭志剛等[39]研究發現施用生物菌肥可以提高蘋果樹體對營養元素的吸收水平的結果一致。蘋果園中施用生物活性素后土壤中的氮元素(全氮與速效氮)含量明顯下降，可能是由于生物活性素提高了樹體對氮素的吸收能力，增加了根系對氮素的吸收。在本研究中，施用生物活性素后果園的養分變化與葉片養分的變化有協同關系，具體表現在2018年兩果園試驗中，土壤全氮含量分別下降了約5%～10%，而此時的葉片中氮素含量同樣分別較對照增加了約5%～10%，在一定程度上說明施加生物活性素可以促進樹體對氮素的吸收，這一結果與陳建明等[40]的研究結果一致。施用生物活性素后，果園土壤氮素含量下降同時土壤pH值上升，而趙晶等[41]發現土壤氮素含量下降后pH值會有所升高，試驗結果與該研究一致。施用生物活性素后，微生物在果園土壤中繁殖，參與土壤中養分的循環與轉化，可能通過促進根系分泌物的產生，改善土壤的微環境，從而增強了樹體對土壤中營養元素的利用能力[41]。在蘋果幼齡期樹體的生長以營養生長為主，若缺少營養元素供應，則可能會延緩樹體的正常生長[43]，所以G2果園中幼齡樹減施化肥后株高、干周明顯低于對照。蘋果花芽量受到各種因素的影響[44-45]，生物活性素提高花芽量，可能是由于生物活性素促進了樹體對各類營養元素的吸收，增強了樹體的營養水平。同時果樹的營養生長與生殖生長處于動態平衡，減少肥料供應影響了樹體的營養生長，植物通過停止生長來減少養分消耗，并向生殖生長傾斜，花芽量出現了增多的現象。在成齡果園中施用生物活性素可以提高果實產量，且減施化肥后產量未出現大幅下降，部分果園產量反而有所上升，這一現象與蒯佳琳等[46]研究結果一致，而G2果園均為幼齡樹且施肥量少，未施用有機肥，在減施化肥后產量出現了大幅度下降，這一結果與趙佐平等[21]的發現類似。

有研究表明，某些果園在生產中會投入較多有機肥、菌肥或進行覆蓋、生草[47]，隨著生產年限的增加，土壤的有機碳含量[48]、團聚體狀況[49]及穩定性[50]等理化性質會得到改善，化肥減施30%后使用有機肥的果園表現為增產或者無明顯變化，可見減施化肥要依據果園的實際情況進行，若只單一施用化肥，減施化肥會對產量造成不良影響。通過對比株高和產量可以發現，幼樹果園G2、G4中常規施肥處理的株高均低于常規施肥配施生物活性素，且減施化肥處理的株高均低于減施化肥配施生物活性素；成齡樹果園G1、G2中常規施肥處理的產量均低于常規施肥配施生物活性素處理，另外減施化肥處理的產量均低于減施化肥配施生物活性素。在同一施肥水平，施用生物活性素的產量高于不施用生物活性素，因此可以推斷出施用生物活性素減少了減施化肥對果樹生產的不良影響。

另外，通過查詢文獻可知，甘肅省平均化肥投入量為85.58 kg·667m-2，化肥投入成本為761.86元·667m-2[1]，則化肥平均投入成本約為8.90元·kg-1，4個果園按照現有量減施化肥之后分別可以節約化肥成本1 121.4、117.48、664.83、1 644.72元·667m-2。而2019年甘肅省蘋果種植面積達31.9萬公頃，若在全省推廣化肥減施，按照減施30%來計算，可以節省肥料投入成本約11.94億元。

施用生物活性素可以提高蘋果葉片全氮含量和果實的香氣，有研究表明葉片全氮含量與果實香氣、品質存在相關關系，使用生物活性素后促進樹體對營養元素尤其是氮素的吸收，進而影響芳香物質的合成量，達到提升果實香氣的效果。施用生物活性素降低了果實的糖酸比，這一結果與梁敬等[22]發現施用有機肥可以提高果實品質一致。而減施化肥后環境和樹體發生一系列復雜的反應，其內在機理、聯系，化肥氮磷鉀的最佳減施配比和生物活性素對各種元素的促進吸收程度等仍需要進一步探究。

綜上，在隴東地區各果園中施用生物活性素可以增強樹體對氮素的吸收，增加幼樹的花芽量，提高果實香氣。減施化肥后未對果實品質產生較大影響，在施用有機肥為主的情況下減施化肥30%不會對產量產生影響。因此在隴東地區蘋果生產中可根據果園的管理情況，適度減少化肥的施用，以達到提質增效的目的。