减施氮肥对富士苹果园土壤养分及酶活性的影响

Effects of reduced nitrogen application on soil nutrient and enzyme activities in Fuji apple orchard

摘要

目的 以20 a树龄的富士苹果树为试验对象，研究减少氮肥，配合施用微生物菌肥对富士苹果园土壤养分及微生物活性的影响。 方法 试验设置传统施肥（CK）、减少施氮10%（T₁）、20%（T₂）、30%（T₃）和40%（T₄），配合施用8 kg/棵的微生物菌肥5种试验处理，以传统施肥为对照CK，分析富士苹果园土壤的全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾和有机质含量等土壤肥力指标，土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶等土壤微生物活性指标，并对土壤肥力指标和微生物活性指标进行相关性分析。 结果 所有处理的土壤含水率和土壤养分，20~40 cm的土层深度比0~20 cm土层高，其中T₂和T₄ 0~20 cm的土层深度明显高于CK的土壤含水率高，所有处理20~40 cm的土层深度土壤含水率低于CK；所有处理的土壤养分，0~20 cm土层深度比20~40 cm高。0~20 cm和20~40 cm的土壤全氮含量、全磷含量、全钾含量、速效氮含量、有效磷含量和速效钾含量以T₂最高。所有处理0~20 cm和20~40 cm土层深度的土壤有机质含量和pH以T₂最高，且显著高于对照CK。T₂处理苹果园的土壤蛋白酶和蔗糖酶含量最高，所有处理的富士苹果园土壤脲酶和碱性磷酸酶含量均比CK高，T₂处理富士苹果园土壤脲酶和碱性磷酸酶含量最高。 结论 在本研究区域内减氮20%配施8 kg/棵的微生物菌肥的肥效最佳。

Abstract

Objective With the 20-year-old apple trees employed，this study was conducted to investigate the impact of reducing nitrogen fertilizer in conjunction with microbial fertilizer application on soil nutrients and microbial activities in Fuji apple orchard. Method The five experimental treatments treatments of traditional application and reducing nitrogen application by 10%，20%，30% and 40%,combined with microbial fertilizer application of 8 kg/tree，with traditional fertilization serving as the control （CK）.Soil fertility parameters such as total nitrogen，total phosphorus，total potassium，available nitrogen，available phosphorus，available potassium，and organic matter content in the Fuji apple orchard soil were analyzed.Soil microbial activity indicators including soil protease，urease，and alkaline phosphatase were assessed，with a correlation analysis conducted between soil fertility parameters and microbial activities in the Fuji apple orchard. Result Soil moisture and nutrient levels in the 20~40 cm soil depth surpassed those in the 0~20 cm soil layer，with significantly higher levels observed in the 0~20 cm layer in treatments T₂ and T₄ compared to CK，while moisture content in the 20~40 cm layer was lower than in CK.Across all treated soil nutrients，the 0~20 cm depth exhibited higher levels than the 20~40 cm depth.The highest concentrations of total nitrogen，total phosphorus，total potassium，available nitrogen，available phosphorus，and available potassium were found in both the 0~20 cm and 20~40 cm soils in treatment T₂.Soil organic matter content and pH were highest in the 0~20 cm and 20~40 cm soil depths in T₂，significantly exceeding CK.Protease and sucrase contents in the Fuji apple orchard soil were highest in treatment T₂，while urease and alkaline phosphatase levels were elevated in all treated soils compared to CK，with T₂ exhibiting the highest levels. Conclusion The treatment T₂，i.e.，the 20% reduction in nitrogen combined with 8 kg/tree of microbial fertilizer，demonstrated the most favorable effects of fertilizing.

Graphical abstract

关键词

减氮 / 微生物菌肥 / 苹果 / 土壤养分 / 微生物活性

Key words

nitrogen reduction / microbial fertilizer / apple / soil nutrients / activity of microorganism

Author summay

王爱玲，高级农艺师，硕士，主要从事果树育种与栽培技术研究。E-mail：[e-mail]

中国是苹果生产和消费的第一大国，种植面积和产量位于世界首位，富士苹果是我国主栽苹果品种，约占全国苹果种植面积的70%以上^［1］。苹果品质日益提升，深受果树种植者和消费者的青睐^［2-4］。但在追求果实品质和经济效益的同时，大量使用化肥，其他营养元素的施用量缺少，对苹果园产生了许多负面效应^［5-7］。如土壤板结、土壤酸化、盐碱化现象严重，土壤含水量降低，土壤水分利用率下降，树体无法吸收到充足的营养元素，导致树体衰弱，果实品质下降，最终导致果农经济效益降低^［8-9］。微生物菌肥中含有大量的有益微生物，配施微生物菌肥，可以增加土壤微生物的含量，同时微生物的各种分泌物可以改善土壤质量和结构，从而提高土壤肥力^［10-13］。王宏武等^［14］认为化肥配施有机肥可以使土壤的总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量均得到提高。张强等^［1］认为氮含量降低是提高富士果实品质的重要技术措施。本试验旨在以传统施肥为对照，研究减氮施肥配施微生物菌肥对富士苹果园土壤养分及微生物活性的影响，最终筛选出一种微生物菌肥和化肥同时施用，有利于提高富士苹果园土壤养分及微生物活性的最佳适宜方式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省运城市万荣县乌停村苹果试验基地，该区属于暖温带大陆性季风气候，夏季温度高，雨水多，冬季寒冷，干燥。E 110^。70’，N 35^。31´。土壤呈中性或微碱性，pH为7.0~8.5。土壤全氮和全磷含量为1.0~2.0 g/kg，全钾含量为17.0~18.0 g/kg。

1.2 试验材料

试验基地为20 a树龄的乔化富士园。行距4 m，株距3 m，树形为自由纺锤型。试验材料为富士苹果园的土壤。在试验的富士苹果树周围随机选取3个点的新鲜土壤，采集0~20 cm和20~40 cm土层的土壤，把相同试验处理相同深度的土壤混合均匀，每个处理重复3次。

1.3 试验设计

试验于2021年3月~2021年10月进行。2021年3月施萌芽肥，2021年6月施膨大肥，减氮10%、减氮20%、减氮30%和减氮40%为处理，配施8 kg/棵的微生物菌肥，以传统施肥为对照，具体施肥量见表1。供试微生物菌肥购买自山西土秀才生物科技有限公司，全N含量1.6%，有机质含量为45%。尿素、磷酸一铵和硫酸钾均购买自湖北兴发化工集团股份有限公司。施肥方式为条形沟施，距离树干70 cm处开30 cm条状沟，肥料均匀施入条状沟内，施完后覆土。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 苹果园土壤含水率的测定

土壤含水率的测定采用烘干法^［15］。从田间苹果树周围随机采集3个点的新鲜土样，相同深度的土壤混合均匀，每个处理重复3次。把采集的新鲜土样放置于铝盒中，用精度为0.01 g的电子天平称质量。称质量后，放入烘箱，先105 ℃，30 min，再恒温至80 ℃。土壤烘干至天平称质量无差异为止。

土壤含水量=烘干前土壤质量-烘干后土壤质量

土壤含水率（%）=\frac{(\mathrm{烘干}\mathrm{前土}\mathrm{壤质}\mathrm{量}-\mathrm{烘干}\mathrm{后土}\mathrm{壤质}\mathrm{量})}{\mathrm{烘干}\mathrm{前土}\mathrm{壤质}\mathrm{量}}×100

1.4.2 苹果园土壤氮磷钾养分与有机质的测定

风干土样的全氮含量采用凯氏定氮法测定^［15］；土样的全磷含量采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定^［15］；土样的全钾含量采用火焰光度法测定^［15］；土样的碱解性氮含量采用扩散吸收法测定^［15］；土样的有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定^［15］；土样的速效钾含量采用醋酸铵浸提火焰光度计法测定^［15］；土样的有机质含量采用铬酸氧还滴定法测定^［15］；土样的酸度采用电位法测定^［15］。

1.4.3 土壤微生物活性的测定

土壤蛋白酶采用茚三酮比色法测定^［16］；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定^［16］；土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定^［16］。

1.5 数据处理

用Excel 2010进行数据的统计分析与图表制作，用SPSS 21.0软件进行差异显著性分析并对试验数据进行方差分析、主成分分析、相关性分析及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 减氮配施微生物菌肥对富士苹果园土壤含水率的影响

由表2可知，富士苹果园所有处理的土壤含水率，20~40 cm的土层深度比0~20 cm高，其中T₂和T₄ 0~20 cm的土层深度比CK的土壤含水率高，并与CK存在明显的差异，T₂和T₄ 0~20 cm的土层深度土壤含水率分别为13.22%和13.39%，比CK分别高出3.44%和4.77%，T₁和T₃ 0~20 cm土层深度的土壤含水率分别为12.38%和11.44%，比CK分别低3.13%和10.48%；所有处理的20~40 cm的土层深度比CK的土壤含水率均低，但T₁和T₂ 20~40 cm的土层深度的土壤含水率与CK不存在明显的差异。T₁和T₂ 20~40 cm的土层深度土壤含水率分别为15.62%和15.38%，所有处理20~40 cm土层深度的土壤含水率由高到低的顺序为CK>T₁>T₂>T₃>T₄。

2.2 减氮配施微生物菌肥对富士苹果园土壤肥力的影响

2.2.1 对富士苹果园土壤全氮、全磷和全钾含量的影响

由图1可知，减氮配施微生物菌肥的试验中，富士苹果园0~20 cm所有处理的土壤全氮含量、全磷含量和全钾含量均比20~40 cm的土层高。富士苹果园0~20 cm的土壤全氮含量、全磷含量和全钾含量以T₂处理最高，分别为1.53、1.62、17.99 g/kg。T₂与T₄的全氮含量之间不存在明显的差异，且T₁与T₃的全氮含量之间也不存在明显的差异，全氮含量由高到低的顺序为T₂>T₄>T₃>T₁>CK；T₁与CK的全磷含量明显低于其他处理，且T₁与CK之间也存在明显的差异，全磷含量由高到低的顺序为T₂>T₄>T₃>T₁>CK；除T₃处理，其他处理之间没有明显的差异，且T₃的全钾含量明显低于其他处理，全钾含量由高到低的顺序为T₂>T₁>CK>T₄>T₃。

富士苹果园20~40 cm的土壤以T₂处理的全氮含量、全磷含量和全钾含量最高，分别为0.88、1.48 和18.59 g/kg。T₁与T₂的全氮含量没有明显的差异，且两个处理明显高于CK，T₃与T₄全氮含量也没有明显的差异，且两个处理明显低于CK，全氮含量由高到低的顺序为T₂>T₁>CK>T₃>T₄；各处理的全磷含量均明显高于CK，全磷含量由高到低的顺序为T₂>T₁>T₄>T₃>CK；除T₁处理，其余处理的全钾含量均明显高于CK，全钾含量由高到低的顺序为T₂>T₃>T₄>CK>T₁。

2.2.2 对富士苹果园土壤速效氮、速效磷和速效钾含量的影响

由图2可知，富士苹果园0~20 cm土壤所有处理的速效氮含量、有效磷含量和速效钾含量均比20~40 cm土层高。富士苹果园0~20 cm土壤速效氮含量、有效磷含量和速效钾含量均以T₂最高，分别为103.70、92.75、320.39 mg/kg。T₄的速效氮含量和有效磷含量与T₂不存在明显的差异，T₂和T₄处理速效氮含量和有效磷含量均比CK高，且与其余处理存在明显的差异，速效氮含量由高到低的顺序为T₂>T₄>CK>T₁>T₃，有效磷含量由高到低的顺序为T₂>T₄>CK>T₃>T₁；速效钾含量T₂、T₃和T₄之间没有明显的差异，但与CK和T₁存在明显的差异，速效钾含量由高到低的顺序为T₂>T₄>T₃>CK>T₁。

富士苹果园20~40 cm土壤以T₂的速效氮含量、有效磷含量和速效钾含量最高，分别为81.38、55.26、264.94 mg/kg。T₂的土壤速效氮与其余处理均存在明显的差异，从高到低的顺序为T₂>T₁>CK>T₃>T₄；T₁与T₂的有效磷含量不存在明显的差异，但与其余处理存在明显的差异，从高到低的顺序为T₂>T₁>T₃>T₄>CK；T₂与T₃的速效氮含量不存在明显的差异，但与其余处理存在明显的差异，从高到低的顺序为T₂>T₃>T₄>CK>T₁。

2.2.3 对富士苹果园土壤有机质含量和pH的影响

由图3可知，各处理0~20 cm的土壤有机质含量和pH以T₂处理最高，且显著高于对照CK。T₂处理的土壤有机质含量和pH分别为25.23g/kg和8.23，比CK高出21.65%和3.52%。土壤有机质含量从高到低的顺序为T₂>T₄>T₃>T₁>CK，pH从高到低的顺序为T₂>T₁>CK>T₄>T₃。土壤有机质含量T₃和T₄处理之间没有显著的差异，但与其余处理均有明显的差异。所有处理的土壤有机质含量均明显高于对照CK；T₂与T₁的pH显著高于CK，但两者之间没有显著的差异，T₃的pH显著低于CK。T₄的pH与CK之间不存在明显的差异。

20~40 cm的土壤有机质含量和pH以T₂处理最高，且显著高于CK。T₂处理的土壤有机质含量和pH分别为10.28 g/kg和8.44，比CK高出14.48%和0.24%。所有处理的土壤有机质含量显著高于CK。T₂与T₃处理的pH之间不存在明显的差异，T₃与T₄处理的pH显著低于其余处理，且两者之间也存在明显的差异。

2.3 减氮配施微生物菌肥对富士苹果园土壤微生物活性的影响

2.3.1 对富士苹果园土壤蛋白酶和蔗糖酶的影响

T₂处理的富士苹果园0~20 cm和20~40 cm土壤深度的土壤蛋白酶和蔗糖酶含量最高，且显著高于其余处理，0~20 cm土壤深度的蛋白酶和蔗糖酶含量分别为91.2 mg/（g·d）和89.8 mg/（g·d），比CK分别高出88.04%和18.00%。T₁和T₂处理的富士苹果园的土壤蛋白酶和蔗糖酶含量均高于CK，而T₃和T₄处理则低于CK，且T₃和T₄处理的土壤蛋白酶和蔗糖酶含量均不存在明显的差异。T₁处理的土壤蛋白酶含量与CK有明显的差异，而蔗糖酶含量与CK没有明显的差异。富士苹果园的土壤蛋白酶和蔗糖酶含量各处理从高到低的顺序分别为T₂>T₁>CK>T₃=T₄，T₂>CK>T₁>T₃=T₄（图4）。

2.3.2 对富士苹果园土壤脲酶和碱性磷酸酶的影响

0~20 cm富士苹果园土壤深度的脲酶和碱性磷酸酶含量均高于20~40 cm土壤深度。0~20 cm和20~40 cm的土壤深度所有处理的富士苹果园土壤脲酶和碱性磷酸酶含量均比CK高，且与CK均存在明显的差异。0~20 cm土壤深度T₂处理的富士苹果园土壤脲酶和碱性磷酸酶含量最高，且除T₁处理的土壤脲酶含量外，明显高于其余处理，分别为0.60、9.20 mg/（g·h），比CK高出33.33%和33.92%。各处理的土壤脲酶和碱性磷酸酶含量从高到低的顺序均为T₂>T₁>T₃>T₄>CK。T₃与T₄的土壤脲酶含量不存在明显的差异；T₂、T₃与T₄的碱性磷酸酶含量之间不存在明显的差异（图5）。

2.4 减氮配施微生物菌肥对富士苹果园指标的综合效果评价

在减氮配施微生物菌肥试验中，对富士苹果园土壤含水量、土壤养分含量和土壤酶活性共13项指标数据进行主成分分析，最终提取出特征值大于0.1的3个主成分F₁、F₂和F₃。由表4可知，3个主成分F₁、F₂和F₃所产生的特征值分别为7.649、3.491和1.425，方差贡献率分别为58.835%、26.851%和10.959%，累积方差贡献率达到96.644%，说明3个主成分总体上可以反映这13个指标的所有信息。

结合水肥一体化施用苹果套餐肥对富士苹果果实品质和光合特性的影响指标进行主成分分析，得出各处理综合评价方程为F=0.59×FAC₁+0.27×FAC₂+0.11×FAC₃，其中每个处理主成分1（F₁）、主成分2（F₂）和主成分3（F₃）的得分分别为FAC₁、FAC₂和FAC₃。由表4可知，施用苹果套餐肥的各处理的综合得分和综合排名由高到低依次是T₂>T₄>T₃>T₁>CK，可见，T₂处理即减氮20%配合施用8 kg/棵的微生物菌肥肥效最佳。

3 讨论与结论

苹果种植者在施肥的过程中，为了降低种植成本，追求更多的产量或者效益，通常施用大量的化肥，尤其是氮肥的使用，化肥过量施用导致了许多负面影响，如土壤板结、土壤酸化、盐渍化现象严重，土壤有机质的含量降低等。这些均不利于苹果对土壤养分的吸收，也不利于土壤酶活性的发挥^［9］。

微生物菌肥不仅可以有效地增加土壤的微生物菌，而且有益于解决土壤板结和土壤酸化等问题，有利于提高树体对土壤水分和养分的利用率。减少氮肥的施用，配施微生物菌肥，改变果农传统施肥的观念，减轻大量施用化肥带给土壤和生态环境的危害。微生物菌肥替代化肥施用的研究，有相关报道认为施用含微生物菌肥的有机肥可以提高土壤养分含量和酶活性，同时增加作物产量^［17-21］。颜安等^［22］认为减少化肥的施用，配施微生物菌肥可以提高土壤养分含量和棉花的产量，降低土壤盐分，提高土壤的含水率。石美娟等^［23］认为有机肥代替化肥可以提高作物氮素利用率和产量。有机肥替代化肥显著提高土壤的全氮、有机质和土壤pH^［24］。有机无机肥配施是最好的施用方法，可以增加土壤微生物，提高土壤养分和酶活性^［25-29］。本试验研究结果与微生物菌肥配施研究结果保持一致。试验研究结果表明，每棵树施用8 kg的微生物菌肥并减氮20%的施肥方式，可以提高富士苹果园0~20 cm土层深度的土壤含水率，同时可以增加其0~20 cm和20~40 cm土层深度的土壤养分和微生物活性指标含量。

综上所述，在减氮配施微生物菌肥对富士苹果园土壤养分及微生物活性的影响的研究试验中，结合土壤含水率、土壤养分和微生物活性指标，综合分析该试验认为减氮20%配施8 kg/棵的微生物菌肥的肥效最佳，该处理不仅可以提高土壤含水率，同时提高了土壤养分和微生物活性指标。

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基金资助

十四五国家重点研发计划资助项目(2021YFD1901102)

山西省农业科学院科技创新工程项目(YGC2019TD08)

山西省重点研发计划项目(201903D211001-2)