施用沼液对黄土高原雨养农业区苹果园土壤生态及果实品质的影响

Effects of biogas slurry application on soil ecology and fruit quality of apple orchards in rain-fed agricultural region on Loess Plateau

摘要

目的 探究连续施用沼液对黄土高原雨养农业区苹果园土壤生态改良的作用及对果实品质的影响。 方法 对庄浪县10年生‘惠民短枝富士’园连续施用3 a沼液（T）、以不施沼液为对照（CK），测定不同土层0~20 cm（S₁）、20~40 cm（S₂）、40~60 cm（S₃）的土壤养分状况和苹果果实品质相关指标。 结果 与CK相比，施沼液后各土层土壤全氮含量、有机质含量、土壤孔隙度、土壤蔗糖酶活性、土壤脲酶活性均显著提高，相较于CK，S₁、S₂、S₃土壤全氮含量分别提高16.02%、51.05%、114.16%；土壤有机质含量分别提高69.23%、54.21%、23.76%；土壤孔隙度分别提高7.06%、4.23%、2.67%；土壤蔗糖酶活性分别提高104.45%、533.67%、322.67%；土壤脲酶活性分别提高16.77%、31.05%、250.03%。施沼液后各土层土壤全磷、速效钾含量、pH、电导率、容重均显著降低，相较于CK，S₁、S₂、S₃土壤全磷分别降低7.50%、18.44%、28.17%；土壤速效钾分别降低22.73%、43.97%、47.29%；土壤pH分别降低1.43%、1.58%、0.77%；土壤电导率分别降低7.51%、15.43%、23.63%；土壤容重分别降低6.27%、4.12%、2.18%；此外，施沼液显著提高S₃土壤磷酸酶的活性，显著降低S₁和S₂土壤磷酸酶的活性。S₃土壤碱性磷酸酶的活性提高74.23%；S₁和S₂土壤碱性磷酸酶的活性分别降低40.79%、12.61%。另一方面，沼液处理后单果质量（281.28 g）、果实横径（86.00 mm）、果实平均硬度（7.36 kg/cm²）、果实可溶性固形物含量（15.67）和果实固酸比（6.95）较CK分别提高7.96%、4.05%、7.99%、9.69%、0.59%。 结论 综上所述，在黄土高原雨养农业区苹果园连续增施沼液可显著提高土壤肥力、改善土壤理化性状，调节土壤酶活性、提高果树对土壤养分的利用效率，增强果树对干旱环境的适应性，进而提高苹果单果产量、改善果实品质。

Abstract

Objective In order to explore the effect of continuous application of biogas slurry on soil ecological improvement and fruit quality of apple orchards in rain-fed agricultural areas on the Loess Plateau. Method After applying biogas slurry (T) continuously for three years in 10-year-old ‘Huimin short-branch Fuji’ garden in Zhuanglang County and taking no biogas slurry as control (CK).the soil nutrient status and related indexes of apple fruit quality in different soil layers of 0~20 cm (S₁),20~40 cm (S₂) and 40~60 cm (S₃) were determined. Result Compared with CK.soil total nitrogen content.organic matter content.soil porosity.soil sucrase activity and soil urease activity were significantly increased after biogas slurry application.Compared with CK.soil total nitrogen content in S₁.S₂ and S₃ increased by 16.02%,51.05% and 114.16%.respectively;Soil organic matter content increased by 69.23%,54.21% and 23.76%.respectively.Soil porosity increased by 7.06%,4.23% and 2.67%.respectively.Soil sucrase activity increased by 104.45%,533.67% and 322.67%.respectively.Soil urease activity increased by 16.77%,31.05% and 250.03%.respectively.After biogas slurry application.the contents of total phosphorus.available potassium.pH.electrical conductivity and bulk density of soil decreased significantly.compared with CK.total P in S₁.S₂ and S₃ decreased by 7.50%,18.44% and 28.17%.respectively.Soil available k decreased by 22.73%,43.97% and 47.29%.respectively.Soil pH decreased by 1.43%,1.58% and 0.77%.respectively.The soil conductivity decreased by 7.51%,15.43% and 23.63%.respectively.Soil bulk density decreased by 6.27%,4.12% and 2.18%.respectively.In addition,biogas slurry application significantly increased the activity of soil phosphatase in S₃.and significantly decreased the activity of soil phosphatase in S₁ and S₂.Alkaline phosphatase activity in S₃ soil increased by 74.23%.The activity of alkaline phosphatase in S₁ and S₂ decreased 40.79% and 12.61%.respectively.On the other hand.after biogas slurry treatment.single fruit weight (281.28 g).cross diameter (86.00 mm).average fruit hardness (7.36 kg/cm²).fruit soluble solid content (15.67) and fruit solid to acid ratio (6.95) increased by 7.96%,4.05%,7.99%.9.69% and 0.59% compared with CK.respectively. Conclusion Continuous application of biogas slurry to apple orchards in rain-fed agricultural area of Loess Plateau could significantly improve soil fertility.soil physical and chemical properties.regulate soil enzyme activities.to improve the utilization efficiency of fruit trees to soil nutrients.enhance the adaptability of fruit trees to drought environment.thus increasing apple single fruit yield and improving fruit quality.

Graphical abstract

关键词

沼液 / 雨养农业区 / 土壤养分 / 果实品质 / 土壤酶活性

Key words

biogas slurry / rain-fed agricultural areas / soil nutrients / fruit quality / soil enzyme activity

苹果（Malus domestica Borkh.）是世界温带落叶果树中最重要的树种，也是我国栽植面积最大的果树^［1］。黄土高原是我国唯一具有苹果优生区七项气候指标的地区，已成为我国优质苹果种植的核心产地。但该区属典型雨养农业区，干旱少雨^［2］，苹果根系发达、生物量与产量大，相较于一般大田农作物具有很强的蒸腾作用^［3］，生产中易出现土壤水分失调，致使苹果树水肥营养失调、果树生长量低、果实小且着色差^［4］，因此，提高果树对干旱环境的适应性对于该地区苹果产业发展具有重要意义^［5］。

沼液是厌氧发酵形成的一种营养丰富、易被植物吸收利用、能长久保持肥力的优质有机液肥^［6-7］。沼液因其肥水一体且具有生态保护效益及资源再利用的优势^［8］，应用广泛，前人研究表明，适量浓度的沼液施用可以提高土壤有机质^［9］，调节土壤理化性质^［10］，改善土壤酶活性，提升土壤中营养元素的矿化速率进而提高土壤肥力^［11-12］，达到增产提质的效果^［13］。郑健等^［14］研究发现在开花结果期、果实膨大期分别施用1∶6和1∶4沼液番茄产量和品质维持在相对较高的水平。高刘等^［15］研究发现施用沼液可以改善海南砖红壤，提高酸性土壤pH、增加土壤养分含量，提高香蕉产量、果实品质。孟清波等^［16］研究表明叶喷沼液可提高辣椒根系活力、减轻干旱对其幼苗的伤害。关于沼液在苹果的研究主要以改善叶片质量、促进树体生长、提高果实品质方面较多^［17-18］，而在改善果树对干旱环境的适应性从而提高果实品质方面鲜见报道。

鉴于此，本研究通过田间试验，探讨施用沼液对土壤养分含量、土壤理化性质、土壤酶活性及果实品质的影响，以期为提高树体对干旱环境的适应性、提高果实品质提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试材与取样

试验材料取自于甘肃省平凉市庄浪县朱店镇上朱河村10年生‘惠民短枝富士’果园（N 35°8′33″，E 105°58′13″），砧木为八棱海棠，树形为延迟开心型，株行距为3.5 m×4.5 m，栽植密度为635株/hm²。海拔1 553 m，属于中纬度半干旱半湿润区，温带大陆性季风气候，年均降雨量620.2 mm。采样苹果园的土壤质地为壤土，沼液生产原料为猪粪+农作物废弃秸秆。沼液与土壤基本成分见表1、表2。

1.2 试验设计

试验于2018年4月~2020年11月在庄浪县朱店镇上朱河村刘潘家果园选取12棵长势相近无病虫害的苹果树处理，试验共设2个处理，即不施沼液（CK）和施沼液（T），每个处理6次重复。其中，沼液的施入时间以果树年生长周期中不同生长阶段的需水需肥特点及当地降雨量的分布规律为依据，定于果树坐果期与采收后各1次，施肥量为60 kg/株（4倍稀释的沼液），共6株。从2018年开始连施3年，以树干为中心，在树冠投影半径的中点处向外开出3条宽25 cm×长100 cm的放射状施肥沟将沼液均匀灌入。

1.3 采样与指标测定

1.3.1 样品采集

2020年10月10日苹果采摘前从两个处理的每株树东西南北四个方向随机摘取5个苹果，共240个苹果，每个处理6次重复；在距离树干1~2 m的范围内不同方位随机选取6个点，用土钻采集0~20（S₁）、20~40（S₂）、40~60 cm（S₃）的土壤，筛除杂草、树根和石块后同一取样层土壤混合在一起带回实验室，采集的每个土样风干后过1 mm筛，用于土壤有机质、矿质元素、pH值、EC值、土壤容重、土壤孔隙度及土壤酶活性测定，土壤容重土样在采样点旁边取。

1.3.2 土壤养分及理化性质测定

将过筛后的样品用H₂SO₄-H₂O₂消煮，其中全氮采用半微量凯氏定氮法测定，以0.01 mol/L H₂SO₄ g/kg土表示，全磷采用钼锑抗比色法测定^［19］，以700 nm 吸光值g/kg土（15 ℃，30 min）表示；全钾采用碱熔-火焰光度法测定，以检流计与标曲读数g/kg土表示，碱解氮采用碱解扩散法测定，以0.01 mol/L H₂SO₄ mg/kg土（40 ℃，24 h）表示，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO₃法测定，以700 nm 吸光值mg/kg土表示，速效钾采用NH₄OAc浸提-火焰光度法测定，以检流计与标曲读数mg/kg土表示，有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定^［20］，以0.5 mol/L FeSO₄ g/kg土表示；土壤EC值按水土比5∶1的比例用雷磁DDSJ-308F电导率仪测定、土壤pH按水土比1∶1的比例用Sartorius PB-10酸度计测定^［21］；土壤容重采用环刀法测定^［22］。铁、锰、铜、锌、钙、镁元素测定采用原子吸收光谱法测定^［23］，以吸光度与标曲读数mg/L土表示，所用原子吸收光谱仪型号为ZEEnit700P。

1.3.3 土壤酶活性测定

土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法，以葡萄糖mg/g土（37 ℃，24 h）表示；土壤脲酶采用靛酚蓝比色法^［24］，以NH₃-N mg/g土（37 ℃，24 h）表示；土壤碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法^［25］，以酚mg/g土（37 ℃，12 h）表示；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法^［26］，以0.1 mol/L KMnO₄ mL/g土（25 ℃，20 min）表示。

1.3.4 果实品质测定

果实底色、着色面积参照苹果品质指标评价规范NY/T 2316-2013^［27］，果实可溶性固形物和总酸量采用日本爱拓ATAGO糖酸度计PAL-BX/ACID2测定，果实硬度用艾德堡水果硬度计测定，果实纵横径用数显游标卡尺测量、单果质量用分析天平测量^［28］，果实淀粉指数用淀粉与碘染色法测定^［29］。

1.4 数据处理

用Microsoft Office Excel 2013整理试验数据、用SPSS 20.0进行单因素ANOVA的LSD比较差异水平（α=0.05），并用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 沼液对土壤养分含量的影响

随着土层的加深，土壤全氮呈下降趋势（图1-A）。其中CK全氮各土层间差异显著；施沼液后S₁全氮显著高于S₂与S₃。同一土层下，T处理S₁（0.46 g/kg）、S₂（0.37 g/kg）、S₃（0.35 g/kg）全氮较CK均显著增加，分别提高16.02%、51.05%、114.16%，其中S₃层差异最显著。

土壤碱解氮随着土层的加深逐渐降低（图1-B）。其中CK的S₁碱解氮显著高于S₂、S₃，T碱解氮各土层间差异显著。同一土层下，T处理的S₁（61.45 mg/kg）、S₂（57.17 mg/kg）碱解氮显著高于CK，分别提高8.47%、6.52%；在S₃土层CK与T碱解氮差异不显著。

CK土壤全磷随着土层加深逐渐增多，而T与CK趋势相反（图1-C）。其中CK各土层间全磷含量差异显著；T处理的S₁、S₂全磷显著高于S₃。T处理的S₁（1.35 g/kg）、S₂（1.30 g/kg）、S₃（1.24 g/kg）全磷均较CK显著减少，分别降低7.50%、18.44%、28.17%。

CK土壤有效磷随土层的加深先减后增，T土壤有效磷随着土层加深呈递减趋势（图1-D）。其中CK与T组内各土层间有效磷差异显著。同一土层下，T处理的S₁（10.83 mg/kg）、S₂（6.55 mg/kg）有效磷显著高于CK，分别提高16.24%、100.99%。在S₃土层T有效磷显著低于CK，降低30.79%。

CK土壤全钾各土层间差异不显著，T处理的S₁土壤全钾显著高于S₂、S₃（图1-E）。S₁土层中，T处理的（27.99 g/kg）全钾显著高于CK，较CK提高8.78%。

CK土壤速效钾随着土层加深呈先增后降趋势，而T土壤速效钾随着土层加深呈下降趋势（图1-F）。其中CK处理的S₂速效钾显著高于S₁、S₃；T处理的S₁速效钾显著高于S₂、S₃。同一土层深度下，T处理的S₁（106.45 mg/kg）、S₂（85.37 mg/kg）、S₃（83.40 mg/kg）速效钾较CK显著降低22.72%、43.97%、37.28%。

2.2 沼液对土壤理化性质的影响

随着土层的加深，CK与T土壤有机质均呈下降趋势，且各土层之间存在显著差异（图2-A）。同一土层，T处理的S₁（12.64 g/kg）、S₂（9.68 g/kg）、S₃（7.18 g/kg）有机质显著高于CK，较CK分别提高69.23%、54.21%、23.76%。

CK与T的土壤pH均随着土层的加深而提高（图2-B）。其中CK的S₁土壤pH显著高于S₂和S₃；T各土层间差异显著。同一土层，T处理的S₁（8.48）、S₂（8.52）、S₃（8.59）土壤pH值均显著低于CK，分别降低1.43%、1.58%、0.77%。

CK与T的土壤电导率随着土层加深变化趋势均是先升后降（图2-C）。其中CK土壤电导率S₂显著高于S₁；T处理S₁、S₂土壤电导率显著高于S₃。同一土层深度，T处理的S₁（230.00 μS/cm）、S₂（232.00 μS/cm）、S₃（198.57 μS/cm）土壤电导率较CK相比显著下降，分别降低7.50%、15.43%、23.63%。

T与CK的土壤容重随土层加深均呈现先降后升的趋势（图2-D）。其中CK与T组内各土层土壤容重均差异显著。同一土层，T处理的S₁（1.32 g/cm³）、S₂（1.29 g/cm³）、S₃（1.43 g/cm³）土壤容重较CK均显著下降，分别降低6.26%、4.12%、2.17%。

T与CK土壤孔隙度随着土层加深呈先升后降的趋势（图2-E）。其中CK与T组内各土层土壤孔隙度均差异显著。同一土层，T处理的S₁（0.50 g/cm³）、S₂（0.51 g/cm³）、S₃（0.46 g/cm³）土壤孔隙度较CK均显著增加，分别提高7.06%、4.23%、2.67%。

2.3 施用沼液对土壤酶活性的影响

CK土壤蔗糖酶活性S₁显著高于S₂、S₃；T土壤蔗糖酶活性各土层间差异显著（图3-A）。T处理的S₁（7.35 mg/g）、S₂（8.30 mg/g）、S₃（4.88 mg/g）蔗糖酶活性较CK显著增加，分别提高104.45%、533.67%、322.67%。

CK与T土壤脲酶活性均随着土层的加深呈下降趋势（图3-B）。其中CK土壤脲酶活性各土层间差异显著，T处理的S₁、S₂之间差异不显著，S₁、S₂显著高于S₃。T处理的S₁（0.56 mg/g）、S₂（0.53 mg/g） 、S₃（0.44 mg/g）土壤脲酶活性显著高于CK，与CK相比，分别提高16.77%、31.05%、250.03%。

CK与T土壤碱性磷酸酶活性随着土层的加深均逐渐降低（图3-C）。其中CK土壤碱性磷酸酶活性各土层间差异显著；T处理的S₁、S₂土壤碱性磷酸酶活性显著高于S₃。T处理的S₁（0.53 mg/g）、S₂（0.51 mg/g）土壤碱性磷酸酶活性较CK显著下降，较CK降低40.79%、12.61%，S₃（0.39mg/g）土壤碱性磷酸酶活性显著高于CK，较CK提高74.42% 。

CK与T土壤过氧化氢酶活性都随着土层加深呈先升后降趋势（图3-D）。T土壤过氧化氢酶与CK相比无显著差异。

2.4 施用沼液对果实品质的影响

2.4.1 外观品质

由表4可知，连续施用沼液底色T（2.56）较CK（2.67）降低4.12%；单果质量T（281.28 g）较CK（260.55 g）提高7.96%。果实横径T（86.00 mm）较CK（82.65 mm）提高4.05%，果实纵径T（74.05 mm）较CK（72.15 mm）提高2.63%。

2.4.2 内在品质

从表5可以看出，果实阳面硬度T（7.51 kg/cm²）较CK（6.92 kg/cm²）提高8.60%；果实阴面硬度T（7.22 kg/cm²）较CK（6.72 kg/cm²）提高7.52%；果实平均硬度T（7.36 kg/cm²）较CK（6.82 kg/cm²）提高7.99%；果实可溶性固形物含量T（15.67）较CK（14.29）提高9.69%；果实固酸比T（6.95）较CK（6.82）提高0.59%；淀粉指数T（9.80）较CK（8.49）提高3.71%。

3 讨论

随着西北黄土高原雨养农业区乔化果树人工种植面积逐年增大，使该地区地下水系资源入不敷出，土壤干层厚度不断加深，生态系统稳定性下降，不利于苹果产业可持续发展^［30］。沼液是一种养分种类齐全、速效与缓释养分形态兼备的液体肥料，是养殖业、种植业、农副产品加工业等废弃物再利用的产物之一，可改善土壤环境，使土壤生态循环良性发展^［31-32］。

本试验中，施用沼液显著提高了土壤的全氮含量，这与王卫平等^［33］在青菜上研究一致。冯海萍等^［34］研究发现生物活性有机肥配施化肥可提高土壤中有机质、碱解氮、有效磷含量。本试验发现，施用沼液显著提高S₁与S₂碱解氮含量，显著降低各层土壤全磷的含量，这与罗伟等^［35］对土壤碱解氮、全磷含量的研究结果一致；施沼液显著提高土壤S₁与S₂有效磷的含量，可能是施用沼液促进了土壤全磷向有效磷的转化；增施沼液显著提高S₁土壤全钾含量，这与肖洋等^［36］研究中全钾含量变化趋势类似，可能是土壤水分蒸发的土壤毛管吸力提盐作用所致^［37］；增施沼液显著降低土壤速效钾的含量，这与罗伟等^［35］在水稻田的研究结论基本一致，但与张无敌等^［38］在叶菜上的研究结论不一致，可能是因为苹果生长过程中需要大量的钾去维持生命活动，而叶菜对钾的需求相对较少。

李菊等^［39］研究发现施用羊粪、秸秆有机肥可提高0~20 cm土层有机质含量，提升土壤中微生物含量，加速土壤中难分解物质的矿化。本试验发现施用沼液显著提高各个土层的有机质含量，可能是经微生物分解掉的植物残体随沼液渗透至土壤各层所致。土壤pH与土壤的理化性质、土壤生物学性质、植物生长等息息相关^［39］，本试验发现施用沼液可使土壤pH趋于中性，有利于植物正常生长。土壤电导率过高易造成植物生长受阻，本试验施用沼液显著降低了各土层土壤电导率，可能是施用沼液降低了土壤中营养元素的拮抗作用，提高果树对部分盐分的代谢速率，从而降低土壤电导率^［41］。李丙智等^［42］研究发现施用沼液可降低土壤容重和增加土壤孔隙度，这与本试验中对土壤容重与孔隙度变化的研究结果一致，说明施用沼液可通过改善土壤的团粒结构，增大土壤持水量和土壤有效水库容。

土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性及它们之间的联系对于评估土壤肥沃程度有重要意义^［43］。靳亚忠等^［44］发现化肥减施30%和50%配施木霉菌有机肥明显提高了根际土壤蔗糖酶、多酚氧化酶、脱氢酶、脲酶、碱性磷酸酶活性。本试验中施用沼液显著提高了各土层蔗糖酶活性，这与王桂芳等^［46］的研究结论相一致。张艾明等^［47］研究发现酸性土壤磷酸酶与土壤有效磷呈负相关关系，这和本试验中碱性磷酸酶活性与土壤有效磷的关系一致。施沼液后S₁、S₂碱性磷酸酶活性下降，这可能是土壤中高的无机磷含量对土壤碱性磷酸酶活性产生抑制作用，从而降低土壤微生物和植物根系对碱性磷酸酶的分泌^［48］，而S₃碱性磷酸酶活性相比CK显著升高，可能是施用沼液后该层根系增多，而该层土壤中有效磷含量不能满足根系生长所需，所以刺激土壤中的微生物及植物根系分泌磷酸酶，从而激活土壤磷酸酶活性^［49］。施用沼液对土壤过氧化氢酶活性影响不大，可能是土壤熟化程度对土壤过氧化氢酶活性的影响大于施用沼液，这与耿晨光等^［50］研究结果相似。以上结果表明，施用沼液可显著改善部分土壤酶活性，从而影响土壤中营养物质的转换速率，提高土壤肥力，调节果树根域的物质代谢。

沼液含有作物生长发育所需的多种营养元素、植物激素和维生素等生理活性物质，具有促进作物生长^{［6，31，52］}以及产品品质形成^［18］等积极效应。陈年来等^［13］在香瓜茄研究中发现施用沼液可以增加果实单果重、提高果实硬度与可溶性固形物，改善果实贮运和食用品质。本试验中发现相较于CK，除果实底色与着色面积可能受沼液中丰富的氮含量影响^［51］以外，沼液的施用可不同程度地提高果实的内在与外观品质，这可能是施用沼液提高叶片的光合速率进而增加光合同化物的积累^{［14，18］}，从而改善果实品质。土壤pH的降低使土壤中钾的有效性增加^［52］，而钾可提高树体对糖分的合成与转运速率^［32］，提高果实中的可溶性固形物含量、固酸比和淀粉指数。施用沼液的果实成熟后去皮硬度相比对照明显增大^［13］，可能是苹果坐果期施用沼液，增加了根系生长量与根系活力^［14］，提高根尖对钙的吸收量，增加果实钙吸收高峰期对钙元素的积累量^［54］，从而提高采收后的果实硬度。以上结果说明施用沼液可以改善果实品质，提高苹果产量。

4 结论

1） 施用沼液可显著提高土壤机质含量，降低土壤pH使之趋于利于植物生长的中性，促进土壤营养元素的矿化，改善土壤团粒结构，调节土壤酶活性，提高土壤肥力，提高果树对土壤养分的利用效率，进而增强果树对干旱环境适应性，增加单果质量，改善果实品质。

2） 施用沼液提高了果树对土壤中速效钾的利用率，但其中的氮素对果实着色略有抑制，所以生产中需要适量补充钾肥和减少氮肥满足果树生长与果实品质形成。

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基金资助

甘肃省重大专项计划项目(18ZD2NA006-5)