山地果園“肥水蚓坑”有機肥替代化肥的效應研究

王建平，邵發琦，高明霞，孫本華，馮浩,5,6

(1.陜西省延安市寶塔區果業局，陜西延安 716000；2.西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北旱地農業綠色低碳重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.安康市農業科學研究院，陜西安康 725021；4.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；5.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西楊凌 712100；6.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

陜北黃土高原丘陵溝壑區是陜西省山地蘋果重要產區，是蘋果的優生區，近年來蘋果發展較快。但該區域土壤疏松，保水保肥性差，肥力低，養分匱乏。長期以來重施化肥，輕施有機肥，易造成土壤結構惡化，持水性能降低[1，2]，蘋果樹體非正常發育和“大小年”現象頻發[3]。嚴重影響到蘋果產業的健康、綠色、高效可持續發展。提高山地果園土壤肥力是解決山地蘋果產業發展問題的重中之重。

研究表明，長期單純施用化肥，會增加土壤容重，降低田間持水量，導致土壤性質惡化[4-6]。施用有機肥可以改善土壤的結構和性質，提高水分養分的保持和供應能力。但有機肥中的氮磷鉀等大量營養元素養分含量相對較低，單施有機肥在果樹生長發育關鍵時期養分供應往往不能及時滿足，會造成產量降低[7-9]。有機無機肥配合施用可以達到優勢互補，既能夠保持元素的多樣性，又能滿足果樹的需求量，保證產量和品質[10,11]。許多研究表明，有機無機肥配施能有效提高果實維生素C含量、可溶性固形物含量以及糖酸比，降低可滴定酸含量[12-15]。

“肥水坑施”技術是近年來陜西延安山地果園推廣和應用的一項節水技術[16，17]，在其基礎上進一步改進，通過接種蚯蚓加快有機廢棄物轉化，形成集施肥、集雨、保水和保肥為一體的干旱半干旱區山地蘋果園 “肥水蚓坑”技術[18]。基于“肥水蚓坑”技術，筆者探討了不同施肥對山地果園土壤肥力、水分分布和儲量、蘋果產量和品質的影響，為該技術的進一步推廣應用提供參考。

1 試驗地概況

試驗地點位于延安市寶塔區河莊坪鎮余家溝村(北緯36°11'～37°09' ，東經109°21'～110°03' )。為黃土丘陵溝壑區，黃綿土(Loessial soil)，疏松多孔，透水性良好。0～20 cm土層的土壤有機質8.01 g/kg，全氮0.63 g/kg，堿解氮39.1 mg/kg，有效磷11.8 mg/kg，速效鉀130 mg/kg。果園面積1 500 m2，栽植紅富士，砧木海棠(Malusprunifolia)，栽植密度450 株/hm2。樹齡25年生。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

尿素，N≥46.0%(陜西陜化煤化工集團有限公司)，過磷酸鈣，有效P2O5≥16.0%(云南云天化國際化工股份有限公司)，硫酸鉀，K2O≥50.0%(山東海化股份有限公司)；有機廢棄物，含有機碳38.3%、全N 1.70%、P2O50.51%、K2O 2.12%、水分66.0%(當地食用菌菌渣)。

蚯蚓為赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)成蚓。

2.2 試驗設計

試驗設置2個施肥處理和對照，如表1。處理①MF有機廢棄物替代部分化肥。基肥施入濕菌渣每株100 kg，其中的N、P2O5和K2O純量分別為0.58 kg、0.17 kg、0.72 kg)，施入化肥的N、P2O5、K2O純量分別為每株0.49 kg、0.33 kg、0.41 kg；蚯蚓投入量處理和對照均為每株250 g；追肥施入化肥的N、P2O5、K2O純量分別為每株0.33 kg、0 kg、0.27 kg。處理②CF單施化肥，常規施肥量[16]。基肥施入化肥的N、P2O5、K2O純量分別為每株0.84 kg、0.50 kg、0.84 kg；追肥施入化肥的N、P2O5、K2O純量分別為每株0.56 kg、0 kg、0.56 kg。對照CK為不施肥。

試驗選擇樹勢健壯，生長狀況一致果樹進行。每處理和對照均為單株小區，重復3次，田間隨機區組排列。

處理①各養分(N、P2O5和K2O)的有機替代率計算：

有機替代率(%)=施入的有機廢棄物的養分量/施入的總養分量×100。經計算可得，N的有機替代率為41.4%，磷為34.0%，鉀為51.4%。

表1 每株不同處理的養分施用量

2.3 試驗方法

肥水蚓坑技術，處理和對照每株樹均以樹干為中心，沿樹冠投影外緣向內挖坑，坑長100 cm、寬40 cm、深60 cm，每株樹挖坑4個，東西南北向各1個。坑中央放置1個直徑11 cm、長60 cm的PVC透水管，管面排布透水孔 4排60孔，孔徑1 cm。

2019年10月施基肥，處理和對照坑內均放入透水管。處理透水管的周圍填入挖出土與相應基肥的混合物，對照CK透水管的周圍只回填挖出的土，透水管上口蓋地漏蓋。坑表面呈凹面狀，覆蓋加厚的黑色塑料膜，四周用土壓實[18]。2020 年3月20日投放蚯蚓，每坑250 g。揭開坑上覆蓋的黑色塑料膜，將蚯蚓撒在坑表面，蓋好黑色塑料膜。2020年7月果實膨大期追肥，揭開透水管上的地漏蓋，施入肥料后再將地漏蓋蓋好。處理與對照的其他管理相同。

2.4 樣品采集與指標測定

土壤肥力指標測定：2020年10 月蘋果成熟期采集土壤樣品。由肥水蚓坑向樹干方向15 cm 處用土鉆分別鉆取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三個土層的土樣，分別混合，運回實驗室，風干備用。

土壤基本理化性質的測定參照土壤農業化學分析方法[19]。測定土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法(外加熱)；全氮采用硫酸消煮-凱氏定氮法；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬藍比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法。

土壤含水量測定采用烘干法。于2020年7月(膨果期)采集土壤剖面土樣，取樣深度2 m，共20 層，每層10 cm，采樣裝袋密封待測。

蘋果產量和品質指標測定。蘋果成熟后期，各小區(單株)的東西南北4個方向隨機選取6個長勢均勻的蘋果裝箱，運回實驗室測定果形指數(游標卡尺法)、果實硬度(硬度計)、可溶性固形物含量(糖度計)、可溶性糖含量(蒽酮比色法)、Vc含量(2,6-二氯靛酚法)、可滴定酸含量(0.1 mol/L NaOH滴定法)。分別采摘，測定株產量、單果重。

2.5 數據分析和統計

使用Excel進行數據計算和作圖，使用SPSS軟件進行單因素方差分析和多重比較(LSD法)。

3 結果與分析

3.1 不同施肥對土壤肥力的影響

在0～20 cm土層，處理①有機替代的土壤有機質含量(12.61 g/kg)顯著高于處理②單施化肥(9.29 g/kg)和對照CK不施肥(8.24 g/kg)，處理②與對照CK間無顯著差異。處理①的堿解氮(62.1 mg/kg)、有效磷(20.4 mg/kg)、速效鉀(183 mg/kg)含量均顯著高于處理②(52.6 mg/kg、15.4 mg/kg、151 mg/kg)和對照CK(40.4 mg/kg、12.2 mg/kg、132 mg/kg)，處理①也顯著高于對照CK。

在20～40 cm土層，處理①的土壤有機質含量(10.49 g/kg)、堿解氮(46.5 mg/kg)、有效磷(15.1 mg/kg)和速效鉀(148 mg/kg)均顯著高于處理②(8.25 g/kg、38.8 mg/kg、12.5 mg/kg、124 mg/kg)和對照CK(7.58 g/kg、33.1 mg/kg、10.1 mg/kg、112 mg/kg)，處理②與對照CK的各成分間無顯著差異。

在40～60 cm土層，處理①土壤有機質含量(8.81 g/kg)顯著高于對照CK(6.83 g/kg)，與處理②(7.30 g/kg)無顯著差異。處理①堿解氮(31.1 mg/kg)顯著高于處理②(28.9 mg/kg)和對照CK(25.5 mg/kg)。處理①和②的有效磷含量(7.6、7.3 mg/kg)與對照CK(7.6 mg/kg)間無顯著差異。處理①的速效鉀含量(112 mg/kg)顯著高于處理②(78 mg/kg)和對照CK(75 mg/kg)，處理②與對照CK無顯著差異。

表2 不同處理0～60 cm剖面的土壤養分含量

3.2 不同施肥對土壤水分的影響

在0～200 cm土層，不同處理的含水量分布存在明顯差異。0～100 cm土層，各處理土壤含水量差異較大，且處理①和②各層次的土壤含水量顯著高于對照CK；100～200 cm土層，土壤含水量差異較小(圖1)。0～200 cm剖面土壤含水量平均值表現為處理①(15.4%)>處理②(13.2%)>對照CK(10.8%)，處理①和②分別比對照提高了42.6%和22.2%。差異顯著。

不同處理的0～200 cm剖面土壤儲水量差異顯著(P<0.05)，表現為處理①(450.7 mm)>處理②(407.6 mm)>對照CK(320.4 mm)，處理①和②分別比對照CK提高了40.7%和27.2%。

3.3 不同施肥對蘋果產量和品質的影響

如表3，蘋果產量，處理①(47.3 t/hm2)與處理②(46.1 t/hm2)間無顯著差異，但均顯著高于對照CK(38.5 t/hm2)。果實硬度，處理(7.22、7.10 kg/cm2)和對照(6.98 kg/cm2)間均無顯著差異。果形指數，處理(0.87、0.86)和對照CK(0.85)間也無顯著差異。可溶性固形物含量(15.58%、13.82%、11.84%)，可溶性糖含量(13.58%、12.46%、10.33%)，維生素C含量(52.7、51.3、41.4 g/kg)，3個指標均是處理①和處理②間無顯著差異，而都顯著高于對照CK。可滴定酸含量，處理②CF(0.41%)顯著高于處理①MF(0.38%)和對照CK(0.38%)，處理①與對照CK間無差異。糖酸比，處理①(35.4)顯著高于處理②(30.7)和對照CK(27.2)，而處理②與對照CK間無顯著差異。

圖1 不同處理土壤剖面水分分布和儲量

表3 不同處理的蘋果產量和品質

4 小結與討論

土壤肥力的高低是作物能否高產穩產的決定性因素，土壤有機質、速效氮、磷、鉀養分是評價土壤肥力的重要指標[20，21]。陜北黃土高原丘陵溝壑區黃綿土的有機質含量低，長期以來農戶重施化肥而輕施有機肥，造成土壤貧瘠，養分不均衡。增施有機肥提高果園土壤肥力，是保證蘋果提質增產的重要途徑之一[13,15,22]。本研究結果表明，有機替代部分化肥提高土壤肥力的效果優于單施化肥，更高于不施肥的，這與趙佐平等[10]和張超等[23]研究結果一致。

采用化肥平衡施用，能夠滿足蘋果對大量營養元素的需求和保證產量[10，11]。單施有機肥的蘋果產量明顯低于氮磷鉀肥配施[10,24]，有機無機肥配施效果較好，一方面，化肥能夠迅速提供果樹所需的氮磷鉀養分，另一方面，有機肥具有長效緩釋養分的特點，可促進蘋果各生育期均衡吸收和充分利用土壤中的各種礦質營養，此外，有機物在腐解過程中可釋放有機酸，提高土壤中部分養分溶解性和作物可利用性[25]。利用有機廢棄物菌渣替代了41.4%的尿素、34.0%的過磷酸鈣和51.4%的硫酸鉀，這對于實現化肥零增長以及化肥減施增效等國家行動具有重要的推動作用和積極意義。

施肥與否對蘋果硬度和果形指數無顯著影響，但施肥處理可顯著提高果實的可溶性固形物、可溶性糖和維生素C含量，即使是單純施用化肥也比不施肥改善蘋果的部分內在品質。單施化肥的可滴定酸含量顯著高于不施肥和有機替代，單施化肥的糖酸比與不施肥無顯著差異，但顯著低于有機替代，表明有機替代在降低可滴定酸和提高糖酸比方面效果較好，這與許多研究結果相一致[10，11，13，14]。

本研究采用的集雨和土壤培肥復合技術“肥水蚓坑”[18]，與“肥水坑施”技術一樣，可將降水收集并保蓄在果樹根系周圍[16，17]。研究結果表明，“肥水蚓坑”措施下，有機替代處理明顯提高了土壤持水和蓄水保墑性能，水肥的耦合作用促進了果樹對土壤養分和水分的充分利用[26]。并且接種蚯蚓加速了有機廢棄物的轉化，跳過有機廢棄物的堆肥過程，不僅能減少堆腐過程產生的環境問題，還可以節約有機廢棄物處理成本。

綜上，黃土高原丘陵溝壑區山地果園，“肥水蚓坑”結合有機替代可減少化肥的施用，提高土壤肥力和保水性能，實現水肥耦合，保證蘋果產量和提高品質，是一種優化的集水和施肥技術措施，對于山地果園實現化肥減施和可持續發展具有重要作用。