郭志剛,李文芳,馬宗桓,曹雪璟,毛 娟,左存武,陳佰鴻
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.天水師范學(xué)院,甘肅 天水 741000)
肥料利用率是衡量施肥效果的主要指標(biāo),果園肥料的不合理施用造成土壤中有益微生物數(shù)量減少、根系環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)破壞、環(huán)境污染以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降[1]。微生物菌肥是近年發(fā)展起來的一種新型肥料,含有微生物菌群、活性酶、有機質(zhì)和多種微量元素,主要通過微生物菌群的活動,間接或直接分解、合成等方式來改善植物生長環(huán)境及營養(yǎng)條件,促進(jìn)作物的生長,提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。鉀是植物所需的重要營養(yǎng)元素之一,也是蘋果產(chǎn)量形成、品質(zhì)提高的物質(zhì)基礎(chǔ),果園鉀的充分供應(yīng)是果樹優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的前提[3-4]。通過生物菌肥和鉀肥配合施用處理研究生物菌肥和鉀肥的協(xié)同作用,對提高鉀肥利用效率及生物菌的功效等方面具有重要意義。
龐強強等[5]研究表明施用微生物菌肥對蔬菜生長、品質(zhì)和土壤酶活性都有一定的促進(jìn)作用。陳建明等[6]研究表明施用微生物菌肥能夠促進(jìn)蘋果花臉病植株氮素吸收和提高果實品質(zhì)。Neilsen、姜學(xué)玲[7-8]等研究發(fā)現(xiàn)施用鉀肥具有促進(jìn)蘋果果實膨大、提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)的效果。以往研究大多在肥料單一施用的情況下探討施肥的效果,對微生物菌肥和鉀肥的協(xié)同作用研究較少,本研究利用微生物菌肥和鉀肥配合施肥試驗,通過對鉀肥利用效率、根系形態(tài)、樹體鉀素積累、土壤微生物數(shù)量及果實品質(zhì)分析,探究微生物菌肥和鉀肥配合施肥的協(xié)同效果,以期為蘋果園合理施用肥料、提高鉀素利用效率、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果品提供科學(xué)依據(jù)。
試驗于2015—2018年在甘肅省天水市秦州區(qū)玉泉鎮(zhèn)楊河村蘋果園(34°54′N, 105°70′E)進(jìn)行,該區(qū)海拔1 350 m,年均氣溫10.7℃,年最高氣溫38℃左右,最低氣溫-19℃,無霜期170 d左右,年降水量530 mm,其中7—10月降雨占年降雨量的70%左右,春旱比較明顯。果園土壤為黃綿土,采用柵格采樣方法對土壤進(jìn)行采樣[9],測定了試驗前果園土壤(取樣深度0~50 cm)的基本營養(yǎng)狀況:有機質(zhì)15.80 g·kg-1,全氮1.43 g·kg-1,全磷1.25 g·kg-1,全鉀34.06 g·kg-1,堿解氮135.80 mg·kg-1,速效磷54.83 g·kg-1,速效鉀388.00 g·kg-1,pH 8.17。
供試蘋果品種為7 a生元帥系‘瓦里短枝’(Vallee spur Del),砧木為‘山定子’(Malusbaccata),株行距3 m×4 m,樹形為自由紡錘形。供試生物菌肥為山東農(nóng)夫生物科技有限公司生產(chǎn)的農(nóng)夫喜力復(fù)合微生物菌肥(枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、側(cè)孢芽孢桿菌、解磷解鉀菌,有效活菌數(shù)≥2×108cfu·g-1),有機質(zhì)≥20%。鉀肥為中農(nóng)國際化肥進(jìn)出口集團(tuán)(煙臺)有限公司生產(chǎn)的硫酸鉀(K2O≥50%)。
試驗設(shè)6個處理,T1(K2O 420 kg·hm-2)、T2(生物菌肥2 520 kg·hm-2)、T3(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 294 kg·hm-2)、T4(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 420 kg·hm-2)、T5(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 546 kg·hm-2),以不施生物菌肥和K2O為對照(CK)。肥料分兩次施入,分別為前一年秋季果實采后(9月30日)和當(dāng)年果實膨大期(7月30日)各施50%。在樹盤下開挖4條深度為30 cm的放射狀施肥溝,將肥料與一半土壤拌勻后施入,然后將50 kg水均勻灌于施肥溝內(nèi)。每年各處理試驗果樹保持不變,同期施等量的肥料。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理5株,3次重復(fù),區(qū)組間、處理間均設(shè)有隔離行和隔離株。
采用根鉆法(根鉆直徑φ為7 cm)對蘋果樹根系進(jìn)行取樣。每30 cm為一層鉆取土樣,直至120 cm,取樣點設(shè)在各施肥溝中間距樹干100 cm的位置。取根時間定于果樹基本停止生長的9月30日,將取出的根系放進(jìn)無菌塑料袋密封帶回實驗室,放于0.149 mm 的篩子,在小水流下緩慢仔細(xì)沖洗,然后用吸水紙吸干后測定根系活力。
土樣取樣時間設(shè)在(4月15日)、果實膨大期(7月15日)、采果期(9月20日),取樣方法參照王秀等[9]方法,將鉆取土樣分層均勻混合,去除大塊不含根系的土壤,輕輕抖動出附著在根系表面的根際土壤,分層混勻,裝入無菌袋中,一部分鮮土帶回實驗室放入4℃冰箱進(jìn)行微生物培養(yǎng),另一部分自然風(fēng)干后用于土壤酶活性測定。
根系活力測定:采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系的活力[10]。
土壤酶的活性參照關(guān)松蔭[11]的方法測定,其中蔗糖酶測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法;多酚氧化酶測定采用鄰苯三酚比色法;堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法;脲酶采用苯酚次氯酸鈉比色法。
微生物用平板涂抹法[12]測定,細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌用馬丁(Martin)培養(yǎng)基、放線菌用改良高氏一號培養(yǎng)基。
分別于幼果期(4月30日)、果實膨大期(7月30日)和采收期(9月20日)用修枝剪在每株樹上東、西、南、北4個方位各采集果實、葉片和新梢樣品,稱量各器官的鮮重(每個處理生物量為3株樹的平均值),然后將樣品置于信封袋帶回實驗室,于105℃下殺青15 min,然后于80℃下烘干至恒量。樣品粉碎后,用H2SO4-H2O2消解,火焰分光光度計測定鉀含量。鉀累積量=器官生物量×鉀含量。
蘋果采收期在每株樹的東、西、南、北4個方位各采集10個果實,分別測定果實單果重、硬度(HP-230型硬度儀測定)、可滴定酸(NaOH滴定法)、Vc含量(2,6-二氯酚靛酚滴定法測定)、可溶性固形物含量(WYT-4型糖量計測定)。
土樣采集后裝入干凈的塑料袋中帶回實驗室[9],待土樣風(fēng)干后研磨,過1 mm篩后待測。采用凱氏定氮法測定土壤中堿解氮,采用高溫重鉻酸鉀氧化-容量法測定有機質(zhì),采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷,采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀的含量[13]。
用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。采用Excel 2013軟件作圖,圖表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。
鉀肥農(nóng)學(xué)效率=(施鉀區(qū)產(chǎn)量-不施鉀區(qū)產(chǎn)量)/施K2O量[14]
鉀肥貢獻(xiàn)率=(施鉀區(qū)產(chǎn)量-不施鉀區(qū)產(chǎn)量)/施鉀區(qū)產(chǎn)量×100%[15]
鉀肥偏生產(chǎn)力=施鉀后蘋果產(chǎn)量/施K2O量[16]
表1結(jié)果表明,與T1相比,微生物菌肥和鉀肥配施顯著提高了果園鉀肥農(nóng)學(xué)效率、鉀肥貢獻(xiàn)率和鉀肥偏生產(chǎn)力(P<0.05),但T4和T5之間差異不顯著。2016年試驗結(jié)果顯示,T3農(nóng)學(xué)效率、肥料貢獻(xiàn)率和肥料偏生產(chǎn)力比T1分別提高了4.9%、8.5%和4.0%,T4分別提高了15.5%、13.7%和6.8%,T5分別提高了17.5%、15.3%和6.7%。2017年T3農(nóng)學(xué)效率、肥料貢獻(xiàn)率和肥料偏生產(chǎn)力比T1分別提高了5.6%、7.1%和3.7%,T4分別提高了15.1%、16.7%和9.3%,T5分別提高了13.6%、18.3%和9.1%。
表1 微生物菌肥和鉀肥配施對果園K2O利用效率的影響
由表2可知,在不同生育期,各處理蘋果樹不同器官中鉀累積量大小順序依次為:T5>T4>T3>T1>T2>CK。從不同施肥處理來看,T5和T4差異不顯著,但均顯著高于其它處理(P<0.05)。葉片對鉀的吸收、儲存主要集中在生育前期。萌芽后期葉片中鉀含量均處于高值,隨著時間的推移,葉片中吸收儲藏的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)移到果實枝條等其他部位,供其生長發(fā)育需要,其含量逐漸降低,這與樊紅柱等[17]的研究結(jié)果基本一致。
表2 不同處理對蘋果樹體不同器官K2O累積量的影響/(g·kg-1)
表3結(jié)果表明,2016年T1、T2、T3、T4和T5土壤有機質(zhì)的含量較CK依次增加了10.00%、43.84%、54.55%、68.04%及68.41%,2017年依次增加了20.51%、58.65%、72.63%、80.01%及81.45%。2016年和2017年T2土壤速效鉀的含量較CK分別下降了6.32%和9.07%,T4土壤速效鉀的含量較T1分別下降了4.54%和6.27%,說明施用微生物菌肥促進(jìn)了果樹對土壤鉀素的吸收利用。
表3 不同施肥處理對果園土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effect of different fertilization treatments on soil nutrient content in orchard
圖1結(jié)果表明,土壤酶活性隨季節(jié)變化和施肥種類的不同有很大的差異性。與CK相比,各施肥處理均提高了土壤酶活性,生物菌肥和鉀肥配施后土壤酶活性顯著高于單一施肥(P<0.05),但T3、T4及T5之間土壤蔗糖酶、多酚氧化酶、堿性磷酸酶及脲酶活性差異不顯著(P<0.05)。
表4結(jié)果表明, 與CK相比,2016年各施肥處理土壤細(xì)菌數(shù)量提高了16.46%~72.52%,放線菌數(shù)量提高了27.55%~169.85%,真菌數(shù)量提高了9.85%~50.42%;2017年土壤細(xì)菌數(shù)量提高了16.41%~89.91%,放線菌數(shù)量提高了48.03%~169.13%,真菌數(shù)量提高了9.09%~50.00%。微生物菌肥和鉀肥配施后土壤微生物數(shù)量顯著高于單一施肥(P<0.05),但T3、T4和T5之間差異不顯著(P<0.05)。
表4 不同施肥處理下土壤微生物類群數(shù)量
圖2結(jié)果表明,各處理根系活力均隨土層的加深呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。在0~30 cm土層內(nèi),2016年各施肥處理根系活力較CK提高了14.35%~34.46%,2017年提高了18.43%~38.72%。而在60~90 cm和90~120 cm土層內(nèi),各處理差異不顯著。
由表5可知,各施肥處理果實的單果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度均高于CK,而各處理可滴定酸含量均低于CK。生物菌肥和鉀肥配施后果實的單果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度顯著高于單一施肥(P<0.05),但T4和T5之間差異不顯著(P<0.05)。2016年T4果實單果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度較T1分別提高了24.04%、8.04%、11.62%、0.35%,2017年分別提高了18.37%、6.19%、10.59%、1.41%。
表5 施肥對蘋果果實品質(zhì)的影響
表6結(jié)果表明,果實單果重與細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量及蔗糖酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與放線菌數(shù)量及堿性磷酸酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)??傻味ㄋ岷颗c細(xì)菌數(shù)量、多酚氧化酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)??扇苄怨绦挝锖颗c細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、脲酶及多酚氧化酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。Vc含量與真菌數(shù)量、蔗糖酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量及堿性磷酸酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。果實硬度與土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性相關(guān)性不顯著。
表6 土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性與果實品質(zhì)的相關(guān)分析結(jié)果
土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分,能敏感地反映氣候以及土壤微生態(tài)環(huán)境的變化[18]。土壤微生物分泌的胞外聚合物(多糖和蛋白質(zhì))與細(xì)菌形成細(xì)菌-礦物復(fù)合體[19],能逐步溶蝕釋放離子,而且微生物分泌的胞外物質(zhì)堆積成生物膜,增加了礦物表面的持水作用,從而影響水巖反應(yīng)速率,改善土壤肥力狀況。微生物菌肥主要通過功能微生物提高對氮素的固持能力,使土壤中被固定的磷、鉀重新釋放利用,活化土壤養(yǎng)分,調(diào)節(jié)pH,參與腐殖質(zhì)形成[20],但微生物肥是一種輔助肥料,不能全部代替化肥和有機肥。本研究結(jié)果表明,微生物菌肥和鉀肥配施有效提高了鉀肥農(nóng)學(xué)效率、鉀肥貢獻(xiàn)率以及鉀肥偏生產(chǎn)力,這是因為土壤微生物將土壤中植物難以直接利用的物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化為作物能吸收利用的形態(tài),使植物根系更容易吸收利用,從而有利于植物生長發(fā)育[21]。同時,硅酸鹽細(xì)菌也能使土壤中難溶鉀轉(zhuǎn)化為有效鉀,使養(yǎng)分能夠持續(xù)釋放,鉀肥得到了充分的吸收利用。馮敬濤等[22]研究表明,施用微生物菌肥(有機質(zhì)含量≥35.1%、有效活菌數(shù)≥2 ×108cfu·g-1)能顯著提高蘋果園土壤脲酶、磷酸酶及蔗糖酶的活性,增加土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量,能夠提高蘋果‘M9T337’幼苗的生長。陶偉等[23]施用復(fù)合微生物菌肥(有機質(zhì)含量≥20.0%、菌種為枯草芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌,有效活菌數(shù)≥2 ×108cfu·g-1)+85%化肥能提高芥菜園土壤酶活性,提高菜地速效鉀的吸收利用,本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果一致。本研究中T4和T5鉀肥農(nóng)學(xué)效率、鉀肥貢獻(xiàn)率和鉀肥偏生產(chǎn)力差異不顯著(P<0.05),這是由于施鉀量達(dá)到臨界值時鉀肥利用效率并沒有隨著施鉀量的增高呈現(xiàn)隨之增高的趨勢。
根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要部位,其生長狀態(tài)與獲取土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分和水分能力有關(guān),擴大作物根系系統(tǒng)能夠增強根系綜合能力[24]。施肥對作物的影響是通過調(diào)控根系的形態(tài)來實現(xiàn)的[25],根系活力會影響到根對鉀的吸收或鉀向根表的移動[26]。吳林坤等[27]研究表明,植物的根系生長與土壤微生物存在相互促進(jìn)關(guān)系,陳偉等[28]研究表明微生物菌肥可顯著改善植株的根系生長狀況。本研究結(jié)果表明,單施鉀肥和微生物菌肥均能提高蘋果的根系活力、提高蘋果的品質(zhì),這與Neilsen GH、諶琛等[29-30]的研究結(jié)果一致,但鉀肥與微生物菌肥配施后表現(xiàn)出很好的協(xié)同作用,能顯著增加鉀素在樹體內(nèi)的積累量,改善蘋果果實的品質(zhì)。這是因為首先施鉀有利于果樹根系的生長發(fā)育[31],其次微生物菌肥中的枯草芽孢桿菌等大量活體微生物菌不僅能使土壤中被固定的養(yǎng)分活化,還能改善土壤的理化性質(zhì),提高土壤中微生物量和土壤酶活性[32],加速土壤有機質(zhì)的分解,提高土壤肥力,為根系的生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的土壤微生態(tài)環(huán)境。第三微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動力,它們參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程[33],將土壤中難以被利用的鉀元素轉(zhuǎn)化為易于作物吸收的鉀,兩者的協(xié)同作用使肥效穩(wěn)定,有效地促進(jìn)了鉀素的吸收和轉(zhuǎn)化利用。但T4和T5單果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度差異不顯著(P<0.05),這是由于施鉀量達(dá)到臨界值時果實品質(zhì)并沒有隨著施鉀量的增高而增高,因此,鉀肥用量在適宜的范圍內(nèi)能提高果實的品質(zhì)和產(chǎn)量,盧精林等[34]在‘紅地球’葡萄田間試驗中得出相似的結(jié)論。本研究中微生物菌肥和鉀肥配施后提高了果實硬度,這與李書田等[35]、Zhang 等[36]的研究結(jié)果一致,而 Fallahi等[37]、諶琛等[30]研究認(rèn)為施鉀降低了果實硬度,是由于施鉀使果實鈣含量降低,因而降低了采收時果實硬度,然而施鉀后果實硬度的變化還可能受到施鉀時期、濃度、方式等因素的影響,其具體機制還需進(jìn)一步研究。
土壤酶和土壤微生物是根際土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,能夠有效促進(jìn)土壤物質(zhì)的代謝、有機質(zhì)的分解及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、循環(huán)等多種生理生化過程,平衡土壤養(yǎng)分供應(yīng),為植物生長提供需要的營養(yǎng)物質(zhì),因此,土壤酶活性的動態(tài)變化及微生物數(shù)量在一定程度上可以作為衡量土壤肥力與健康的生物指示劑[33]。施用生物菌肥后,其中的有機質(zhì)腐熟會產(chǎn)生大量的能量物質(zhì),不僅為微生物的生命活動提供了能量和保障,還極大地提高了土壤酶活性和微生物數(shù)量[38,40]。本試驗微生物菌肥和鉀肥配施比二者單施顯著增加了土壤微生物數(shù)量,單施鉀肥對堿性磷酸酶有微弱的抑制作用,而生物菌肥和鉀肥配施后能顯著降低其抑制作用(P<0.05),生物菌肥和鉀肥單施和配施對多酚氧化酶影響不顯著,而配施后能顯著提高脲酶和蔗糖酶活性(P<0.05),這是由于兩者配施后極大地促進(jìn)了微生物的生長,增加了分泌到土壤中的酶含量,同時微生物菌劑以及酶制劑的加入也改善了土壤的理化性質(zhì),有利于果樹根系對土壤養(yǎng)分的吸收,提高了根系活力,果樹根系又通過自身活動以及向根際釋放分泌物來加快根際微生物繁殖和提高土壤酶活性[41],使果園根際土壤形成了一個良性的循環(huán)狀態(tài),平衡了土壤養(yǎng)分供應(yīng),提高了土壤肥力,滿足果樹生育期對養(yǎng)分的需求,最終表現(xiàn)為土壤酶活性的升高、土壤微生物數(shù)量的增加以及果樹的良好生長。王丹等[42]采用自主研發(fā)菌肥(有機質(zhì)含量200.54 g·L-1)能顯著增加鹽堿地枸杞土壤脲酶和蔗糖酶活性,與本研究結(jié)果一致。水分是微生物與周圍土壤進(jìn)行物質(zhì)交換的媒介,是微生物體內(nèi)生理生化反應(yīng)的溶劑,土壤水分降低會影響微生物活性,當(dāng)土壤干旱時,底物的擴散受到限制,微生物也由于資源不足減緩生化進(jìn)程[43]。土壤水分含量也會通過影響微生物量及活性間接影響酶活性。本研究中,每次施肥后澆灌一定量的水,增加土壤含水量,調(diào)節(jié)微生物和土壤酶的活性,使微生物菌肥較好地發(fā)揮作用,提高肥料的利用率。
土壤肥力的高低對蘋果果實品質(zhì)有直接的影響,而土壤肥力是多方面因素綜合作用的結(jié)果,其中土壤酶和土壤微生物均是影響土壤肥力的重要因素,肥料種類及施肥方法會影響土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量,微生物菌肥和鉀肥配施可以使土壤形成無機-有機-生物復(fù)合體的良性動態(tài)變化,為果樹提供良好的生長環(huán)境,為改善果實品質(zhì)打下基礎(chǔ)。土壤微生物與土壤酶共同影響土壤的生物化學(xué)過程,共同參與轉(zhuǎn)化土壤中植物所需的營養(yǎng)物質(zhì),土壤微生物的種類和數(shù)量在一定程度上決定土壤酶的來源,因此,土壤微生物數(shù)量、酶活性和土壤養(yǎng)分之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[44]。張承[45]等研究認(rèn)為套種吉祥草能提高獼猴桃根際土壤微生物數(shù)量和酶活性,提高果實產(chǎn)量和改善果實品質(zhì),根際土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性與獼猴桃果實單果重和品質(zhì)間存在顯著的相關(guān)性,此結(jié)論與本研究結(jié)果一致。
微生物菌肥和鉀肥配施后,果園鉀肥農(nóng)學(xué)效率、鉀肥貢獻(xiàn)率及鉀肥偏生產(chǎn)力較單施鉀肥分別提高了4.9%~17.5%、8.5%~15.3%及4.0%~6.7%,土壤細(xì)菌、放線菌及真菌數(shù)量分別提高了27.61%~63.14%、30.54%~111.56%、30.04%~37.50%,同時,顯著提高了土壤酶活性和根系活力,果實單果重、可溶性固形物含量、Vc含量及硬度分別提高了18.37%~24.04%、6.19%~8.04%、10.59%~11.62%、0.35%~1.41%,但當(dāng)施鉀量達(dá)到臨界值時鉀肥利用效率和果實品質(zhì)并沒有隨著施鉀量的增高而增高,因此,T4(生物菌肥2 520 kg·hm-2+K2O 420 kg·hm-2)是試驗區(qū)合理的施肥量,能有效提高鉀肥利用效率、提高土壤肥力和改善果實品質(zhì)。