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        果樹枝條掩埋發(fā)酵最佳模式研究

        2021-10-05 14:03:12王永平柯希恒孫喜軍郭學(xué)軍褚春年王耀鳳胡月莉
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年8期

        李 祥,王永平,柯希恒,孫喜軍,郭學(xué)軍,褚春年,王耀鳳,胡月莉,曾 橋

        (1.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院/中國輕工業(yè)輕工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院,陜西 西安 710021;3.西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,陜西 西安 710061;4.白水縣蘋果試驗(yàn)站,陜西 白水 715600;5.西安市農(nóng)機(jī)監(jiān)理與推廣總站,陜西 西安 710065)

        【研究意義】近年來,隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化,昔日作為燃料的果樹枝條已淡出人們視野,變成了隨意丟棄、堆積如山的廢物,造成河道堵塞、果園環(huán)境惡化、火災(zāi)隱患發(fā)生等后果,嚴(yán)重制約果業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[1]。果樹枝條中含有機(jī)碳4.7%、N 0.5%~0.67%、P 0.09%~0.15%、K 0.44%~0.50%,還含有大量合成果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)、花青素輔酶的微量元素[2]。盡管枝條栽培食用菌[3]、制備飼料[4]的技術(shù)已經(jīng)成熟,但由于枝條纖維化程度不同、成分差異較大等原因制約了這些技術(shù)的推廣應(yīng)用,目前,枝條基質(zhì)化、飼料化不足20%,肥料化是枝條利用的主要途徑[5]。枝條堆肥雖然是枝條利用的主要方式,但由于枝條撿拾、搬運(yùn)、粉碎、堆肥、施肥過程中勞動(dòng)力消耗大,致使枝條肥料化成本高。因此,探索農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏大背景下,省時(shí)、省力的枝條肥料化模式成為研究焦點(diǎn)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】趙鵬[6]研究了枝條覆蓋技術(shù)對(duì)果園土壤性狀、果品質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)枝條覆蓋能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、鉀及有效鐵、錳、銅、鋅的含量,果樹葉片葉綠素含量比對(duì)照增加7.7%~19.8%,產(chǎn)量比對(duì)照提高47.3%,果品中可溶性固形物含量較對(duì)照增加6.6%。李志剛等[7]研究了枝條翻埋、覆蓋對(duì)土壤性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)枝條翻埋、覆蓋均能提高土壤總孔隙度、田間持水率、有機(jī)碳、有效磷和速效鉀含量,提高了土壤呼吸強(qiáng)度、微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)數(shù)量和酶(脲酶、過氧化氫酶)活性,降低了土壤密度?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】通過開溝機(jī)械開溝,研究枝條掩埋方式對(duì)枝條腐解率、果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率、果園CO2濃度、土壤溫度、水分含量的影響?!緮M解決的關(guān)鍵問題】研究結(jié)果為果樹枝條的肥料化利用提供技術(shù)支撐,探索省時(shí)省力的枝條肥料化利用模式,以適應(yīng)農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏的狀況。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)蘋果園位于陜西省渭南市白水縣境內(nèi)(109°16′~109°45′E,35°4′~35°27′N),平均海拔約850 m,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,光照充足,晝夜溫差大;年平均降水540 mm,無霜期217 d,年日照時(shí)數(shù)2 397~2 641 h;土壤為黃綿土,土層深厚,中性偏堿。

        供試FT有機(jī)肥發(fā)酵菌種(有效活菌數(shù)大于2×1010 CFU/g),武漢豐甜生物科技有限公司產(chǎn)品;土壤調(diào)理劑,陜西科技大學(xué)農(nóng)林技術(shù)推廣中心自制;尿素,陜西陜化化肥股份有限公司產(chǎn)品;豬糞尿來自白水縣天順養(yǎng)豬專業(yè)合作社。

        HF-LDKGJ 38馬力柴油履帶開溝回填機(jī),山東浩發(fā)機(jī)械有限公司;USafe 3000手持式CO2檢測儀,山盾科技(深圳)有限公司;CWS20插入型溫濕度變送器,北京星儀傳感器技術(shù)有限公司;YMJ-D手持活體葉面積儀,浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司。

        1.2 試驗(yàn)方法

        枝條開溝掩埋發(fā)酵試驗(yàn)于2018—2020年在白水美好家園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)8年生蘋果試驗(yàn)園進(jìn)行。2018年3月1日進(jìn)行冬剪,冬剪時(shí)先確定作業(yè)行,將作業(yè)行的果樹枝條放在相鄰兩行,3月5日用開溝機(jī)在作業(yè)行開寬30~35 cm、深35~40 cm的溝,將相鄰3~5行(視枝條數(shù)量而定)的枝條、落葉、枯草整齊地填入溝內(nèi),將養(yǎng)殖企業(yè)的沼液或干濕分離后的尿液均勻噴灑在枝條表面,枝條的位置控制在離地面10 cm,以免回填時(shí)將枝條翻出。

        試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理:處理1,按75 kg/hm2自帶營養(yǎng)的FT有機(jī)肥菌種、50 kg/hm2尿素的比例,均勻撒在枝條表面;處理2,按75 kg/hm2自帶營養(yǎng)的微生物菌劑、50 kg/hm2尿素及20 kg/hm2土壤調(diào)理劑的比例,均勻地撒在枝條表面;處理3,按750 kg/hm2尿素的比例將其均勻撒在枝條表面,不加自帶營養(yǎng)的微生物菌劑及土壤調(diào)理劑;以不進(jìn)行開溝掩埋發(fā)酵枝條為對(duì)照。枝條長度與溝的方向一致,每個(gè)處理間隔3~5行。處理后4~7 d,用多功能田園管理機(jī)進(jìn)行覆土填平,果樹枝條覆土厚度為10 cm,7~10 d后澆灌水1次,翌年按計(jì)劃在其上栽種三葉草。在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)標(biāo)記1~12捆枝條,每隔3個(gè)月測定枝條腐解率,計(jì)算周年累計(jì)腐解率,并測定試驗(yàn)區(qū)近地層CO2的濃度;2019—2020年在蘋果樹越冬期(2019年12月15日)、花期(2020年5月15日)、果實(shí)膨大期(2020年8月15日)、成熟期(2020年10月15日)分別測定各處理地下20 cm處土壤含水量及10、20、30 cm處的溫度。2020年8月份調(diào)查果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率。

        枝條腐解率測定:將直徑2~3 cm的枝條收集后分60份,稱量干重并標(biāo)記,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別埋入處理1、2、3的土中,每季度取1份水洗后干燥稱重,重復(fù)3次,1年測4次,計(jì)算枝條腐解率[8-9]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)枝條腐解率的影響

        由表1可知,處理1、2、3枝條周年累計(jì)腐解率隨發(fā)酵時(shí)間的推移呈“小-大-小”的變化趨勢,其原因是枝條腐解率受枝條腐解產(chǎn)物濃度及發(fā)酵溫度的雙重影響。一方面枝條剛開始腐解時(shí)產(chǎn)物濃度較小對(duì)枝條腐解反應(yīng)的抑制作用?。?0-11],另一方面是3—6月的發(fā)酵溫度相對(duì)較低,枝條腐解酶(纖維素酶、木質(zhì)素酶、半纖維素酶)的活性較低,因而枝條腐解率較??;隨著溫度升高,酶活性增加,但枝條腐解產(chǎn)物的濃度高而影響枝條的腐解速度。處理2枝條周年腐解率最高、為40.1%,處理3枝條周年腐解率最低、為29%,處理1介于兩者之間,其原因是微生物菌種的加入增加了土壤中微生物的數(shù)量,在外源土壤微生物的共同作用下,枝條腐解率增加;枝條的碳氮比一般為80~100∶1[12],不適合微生物繁殖,加入尿素調(diào)節(jié)了枝條發(fā)酵物的碳氮比,使其更適合微生物菌劑的生長、繁殖,增加了枝條腐解酶的活性[13],從而加速枝條腐解;土壤調(diào)理劑的Ca2+、Mg2+促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成[14],增強(qiáng)了土壤的透氣、透水性,為微生物的生長繁殖創(chuàng)造了條件??梢?,微生物菌劑、尿素、土壤調(diào)理劑的復(fù)合作用,加速了枝條的腐解,因此處理2的枝條周年腐解率比處理1、3高。

        表1 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)枝條腐解率的影響Table 1 Effect of burying fermentation modes on decomposition rate of branches

        一般枝條堆肥發(fā)酵時(shí)枝條的腐解率為50%以上[15],而枝條掩埋發(fā)酵枝條的腐解率最高僅為40.1%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高溫堆肥發(fā)酵,其原因可能與高溫發(fā)酵時(shí)溫度高、酶促反應(yīng)速度快有關(guān)。以枝條腐解率為評(píng)價(jià)指標(biāo),處理2為枝條掩埋發(fā)酵的最佳模式,鑒于處理2枝條周年腐解率僅為40.1%,建議采用枝條掩埋發(fā)酵技術(shù)每3~5年還田1次。

        2.2 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率的影響

        2020年8月,按每個(gè)處理隨機(jī)選5顆果樹75個(gè)枝干的方法,調(diào)查3個(gè)處理及對(duì)照果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率;按照東南西北中5點(diǎn)取樣法,每點(diǎn)隨機(jī)取10片葉子,采用質(zhì)量法、YMJ-B型葉面掃描儀測定葉面積,結(jié)果見表2。由表2可知,處理1、2、3果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率均顯著低于對(duì)照,其原因是果樹輪紋病、腐爛病由梨生囊孢殼菌[16]、蘋果黑腐皮殼菌[17]引起,梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌均屬真菌,以菌絲及分生孢子器寄生在病枝、落葉、枯草上越冬,通過枝條修剪由創(chuàng)傷口浸染果樹,引起果樹疾病。由于梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌為好氧菌,生長需要一定的氧氣,而枝條掩埋發(fā)酵隔絕了氧氣,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌逐漸死亡,減少了果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率。果樹腐爛病對(duì)果樹生長造成嚴(yán)重的影響,俗稱果樹“癌癥”,枝條掩埋發(fā)酵不僅不會(huì)引起腐爛病、輪紋病傳播,還降低了發(fā)病率。冬季清園、保持果園清潔是防止果樹疾病的有效措施。

        表2 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)果樹腐爛病、輪紋病發(fā)病率的影響Table 2 Effects of burying fermentation modes of branches on the incidence of rotten disease and ring rot disease of fruit trees

        處理1、2、3果樹的平均百葉重、葉面積均顯著高于對(duì)照,其原因是,枝條掩埋發(fā)酵實(shí)際上是枝條肥料化的過程,枝條中大分子的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素在微生物酶的作用下降解成小分子有機(jī)物,同時(shí)釋放出CO2,小分子有機(jī)物如酸、醛、酮等都是植物生長的刺激素[18],能刺激果樹生長,CO2是光合作用的原料(表2)。

        處理2果樹腐爛病、輪紋病的發(fā)病率低于處理1、3,而百葉重、葉面積高于處理1、3,其原因是處理2中的土壤調(diào)理劑促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,增加了土壤的孔隙率及氧氣濃度,抑制了土壤中一些厭氧微生物對(duì)果樹生長的影響。進(jìn)一步說明處理2為枝條掩埋發(fā)酵的最佳模式,也說明枝條掩埋發(fā)酵過程中添加尿素、微生物菌劑、土壤調(diào)理劑的重要性。

        2.3 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)果園大氣中CO2濃度的影響

        由表3可知,處理1、2、3行間近氣層CO2濃度明顯高于對(duì)照,其原因是埋入地下的枝條、落葉、枯草在微生物酶的作用下,其中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在降解為小分子糖類、苯酚類物質(zhì)的同時(shí),向大氣中釋放了CO2,增加了園區(qū)內(nèi)CO2濃度。CO2是植物光合作用的主要原料,同時(shí)又是C3植物進(jìn)行光合作用的主要限制因子之一,空氣中CO2的濃度直接影響植物葉片中水分調(diào)節(jié)氣孔的張開程度[19]。

        表3 枝條掩埋方式對(duì)果園近氣層CO2濃度的影響Table 3 Effects of burying modes of branches on CO2 concentration in near-atmosphere of orchard

        2.4 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)果園土壤溫度、濕度的影響

        不同處理、果樹不同生長時(shí)期土壤的水分含量和溫度測定結(jié)果見表4、表5。從表4可以看出,處理1、2、3蘋果不同生長期20 cm處土壤的水分含量均高于對(duì)照,說明枝條掩埋溝具有蓄水保墑的作用,能將有限的雨水貯藏于發(fā)酵坑中。處理2蘋果生長各個(gè)時(shí)期土壤的含水量均大于處理1和處理3,主要原因是處理2中枝條的腐解率大于處理1和處理3,枝條在腐解過程中形成了親水性更強(qiáng)的酸、醛類物質(zhì),增加了土壤的持水力,而且土壤調(diào)理劑增加了土壤團(tuán)聚體,更有利于雨水下滲。

        表4 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)20cm處土壤水分含量(%)的影響Table 4 Effects of burying fermentation modes of branches on moisture content in 20 cm soil layer

        表5 枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)土壤溫度的影響Table 5 Effects of buryingfermentation modes of branches on soil temperature

        從表5可以看出,當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)(2019年12月15日),處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度分別比對(duì)照高1.6、1.9、1.0 ℃和1.1、1.4、0.7 ℃,利于果樹越冬;當(dāng)夏季氣溫較高時(shí)(2020年8月15日),處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度分別比對(duì)照低8.4、8.8、7.9 ℃和5.8、6.0、6.2 ℃,避免了高溫對(duì)果樹根系的影響。一般認(rèn)為,蘋果根系的最適生長溫度為7~20 ℃,土壤溫度大于5.4 ℃蘋果根系就開始生長,20 ℃時(shí)根系生長最快[21],說明枝條掩埋發(fā)酵對(duì)保護(hù)果樹根系具有一定的積極意義。

        3 討論

        果樹枝條掩埋發(fā)酵方式對(duì)枝條腐解有一定影響,原因有多個(gè)方面。一方面埋在土壤中枝條腐解速率取決于枝條本身,枝條中的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等[22]化學(xué)物質(zhì)的含量相對(duì)高低及纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的相互結(jié)合的方式;另一方面枝條腐解率的快慢主要取決于影響枝條掩埋發(fā)酵的外部因素,如水分、溫度、微生物、土壤離子濃度等。本研究中,處理2枝條周年腐解率最高、為40.1%,處理3最低、為29%,這是由于處理2通過微生物菌種的添加,使得土壤微生物數(shù)量增多,在一定程度上對(duì)枝條的腐解起到“催化劑”的作用。

        果樹枝條修剪留下的創(chuàng)傷口會(huì)增加患果樹輪紋病、腐爛病等的風(fēng)險(xiǎn)。將果樹裁剪下的枝條進(jìn)行堆肥掩埋處理,不僅減少了果園枝條廢物的堆砌,還能有效降低果樹患果樹輪紋病、腐爛病等病害的風(fēng)險(xiǎn),這是由于通過開溝掩埋枝條,使得梨生囊孢殼菌、蘋果黑腐皮殼菌的生長條件受到抑制,從而降低正常果樹生病的風(fēng)險(xiǎn)。果樹枝條通過開溝掩埋,最終會(huì)被分解成有機(jī)物小分子,供給果樹的根系,在一定程度上促進(jìn)果樹生長。本研究處理1、2、3果樹的平均百葉重、葉面積顯著高于對(duì)照,也從側(cè)面反映果樹枝條掩埋是很好的處理方式,這是一種良好的果樹枝條循環(huán)利用技術(shù)。

        一般情況下,植物進(jìn)行光合作用的最適CO2濃度為1 000 μmol/mol[20]。本研究中,處理1、2、3行間近地層CO2的濃度均低于1 000 μmol/mol,但處理2的CO2濃度最高,可使植物的光合速率加快,其原因是CO2濃度升高不僅為植物光合作用提供了更多的反應(yīng)原料,還提高了l,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶的活性,增強(qiáng)了對(duì)CO2的固定能力,同時(shí)抑制了RuBP加氧酶的活性,降低了植物的光呼吸強(qiáng)度,從而提高了植物的光合作用效率。

        果樹枝條掩埋在一定程度上會(huì)蓄水保墑,其原因可能是在枝條的腐解需要大量水分來促進(jìn)枝條腐解,枝條腐解會(huì)形成各種有機(jī)物小分子,水分的存在會(huì)促進(jìn)有機(jī)物小分子更容易進(jìn)入果樹的根系部位從而被吸收利用。本研究中,處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度均比對(duì)照高,說明果樹枝條掩埋發(fā)酵對(duì)于果樹過冬具有保溫作用,其原因可能是枝條在土壤進(jìn)行腐解的過程中,會(huì)釋放一定的熱量,加之冬天土壤中流動(dòng)水分含量相對(duì)降低;而在夏天時(shí),處理1、2、3地下10、20 cm處的土壤溫度均比對(duì)照低,形成這種現(xiàn)象的原因是夏天土壤中的流動(dòng)水分含量較多,土壤的“呼吸作用”較強(qiáng),果樹枝條開溝掩埋的蓄水保墑作用,對(duì)于夏季果樹的生長具有一定好處。

        4 結(jié)論

        本研究結(jié)果表明,采用果樹枝條掩埋技術(shù)處理枝條,枝條平均腐解率為34.6%,低于高溫堆肥的枝條腐解率[11],但可省去撿拾、搬運(yùn)、粉碎、堆肥、施肥環(huán)節(jié),降低了枝條肥料化的成本,十分適合在農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏的時(shí)代背景下推廣,建議果園每3~5年輪作1次;果樹枝條掩埋技術(shù)不僅不會(huì)引起果樹腐爛病、輪紋病的傳播,而且阻斷了腐爛病、輪紋病的傳播渠道,大大降低了果樹疾病的發(fā)病率;果樹枝條掩埋技術(shù)增加了近地層CO2的濃度,有利于果樹進(jìn)行光合作用。果樹枝條開溝掩埋發(fā)酵具有蓄水保墑的作用,能夠緩和溫度對(duì)根系生長的影響。尿素、微生物菌劑是枝條掩埋發(fā)酵的必要條件。按每公頃75 kg自帶營養(yǎng)的微生物菌劑、50 kg尿素及20 kg土壤調(diào)理劑的比例,將它們均勻地撒在枝條表面,是果樹枝條開溝掩埋發(fā)酵的最佳模式。

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