肥水蚓坑措施下不同施肥對土壤養分和山地蘋果生產的影響

邵發琦, 李改民, 柯 斧, 張文慧, 李 夏,白崗栓, 孫本華, 高明霞, 馮 浩,5,

(1.安康市農業科學研究院, 陜西 安康 725021; 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.河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院,鄭州 450001; 4.西北農林科技大學 水土保持研究所, 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 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

目前我國蘋果產業由原來的四大主產區向蘋果優生區發展，逐漸呈現“西進北擴”的趨勢[1]。近年來陜北黃土丘陵溝壑區已成為陜西省山地蘋果發展的新區域，蘋果栽植面積已超過23.1萬hm2。陜北黃土丘陵溝壑區山地蘋果多栽植于坡地，土壤貧瘠且無灌溉水源，且當地果農重施化肥，輕施有機肥，基肥和追肥比例及施肥時間不合理，尤其是以尿素為主的大量氮肥投入，導致土壤硝態氮向深層土壤遷移并累積，嚴重污染土壤環境及樹體營養平衡[2-3]。果園土壤養分的高低以及施肥狀況好壞是決定果園生產力的基本要素，不僅影響樹體的健康生長，而且還影響蘋果品質和產量[4]。大量研究表明施用化肥可以及時供給作物速效養分，但長期單施化肥會增加土壤容重，降低田間持水量，導致土壤物理性質趨劣[5-7]。采用有機無機肥配施可以結合化肥的速效性和有機肥的長效性，既能夠顯著提高土壤肥力、水分和養分的保持和供應，同時也能夠保證作物產量的提高和品質的改善[8-9]，從而避免長期單施化肥對土壤產生的不良影響[10-11]。許多研究均表明，有機無機肥配施能有效提高蘋果產量和果實維生素C含量、果形指數、可溶性固形物含量以及糖酸比，降低果實可滴定酸含量[12-14]。此外，采用有機無機肥配施時，用有機肥或有機固體廢棄物代替部分化肥，能夠加快養分的快速轉化和利用，對于山地蘋果達到高產、優質和高效等具有重要意義。

為了解決山地果園水肥供需矛盾，近年來，延安當地推廣一種節水施肥技術—肥水坑施[15]，該技術在山地果園保水保肥方面取得了良好的效果，但對園地周邊廢棄物的利用和快速轉化的研究報道較少。在前人的研究和設計基礎上，對“肥水坑施”進行較大的優化和改進，通過接種蚯蚓加快有機廢棄物的轉化，形成具有施肥、集雨、保水和保肥為一體的干旱半干旱區山地蘋果園農業固體廢棄物原位快速轉化的 “肥水蚓坑”技術[16]。基于“肥水蚓坑”技術，本研究探討不同施肥對山地果園土壤養分、葉片營養、蘋果產量和品質的影響，為陜北丘陵溝壑區山地果園可持續發展提供理論依據與實踐指導，促使該技術得到進一步推廣應用。

1 材料與方法

1.1 試驗園基本概況

試驗園位于陜北黃土丘陵溝壑區的延安市寶塔區河莊坪鎮余家溝村(36°11′—37°09′N，109°21′—110°03′E)，海拔1 300 m。該區屬于干旱半干旱季風氣候帶，年降水量大約為500 mm，春季降雨很少，夏季多暴雨，降水主要集中在7—9月份且年際變化較大，年平均氣溫為9.4℃，無霜期170～186 d。試驗園為典型的山地雨養果園，面積1 500 m2，樹齡為25 a(2019年)，品種紅富士，砧木為海棠(Malusprunifolia)，株行距4 m×5 m。試驗園土壤為黃綿土，0—20 cm土層有機質8.01 g/kg，全氮0.63 g/kg，堿解氮39.13 mg/kg，速效磷11.81 mg/kg，速效鉀130 mg/kg；20—40 cm土層有機質6.87 g/kg，全氮0.29 g/kg，堿解氮28.34 mg/kg，速效磷9.36 mg/kg，速效鉀109 mg/kg。

1.2 “肥水蚓坑”技術簡介

“肥水蚓坑”技術(有機固體廢棄物+集水措施+蚯蚓+集雨坑)是一種具有集水、保水、施肥和保肥為一體的干旱半干旱區山地蘋果園有機固體廢棄物原位快速轉化的復合技術[16]。該技術以每棵果樹的樹干為中心，在果樹樹冠外緣投影邊緣向主干方向20 cm處，東西南北對稱各挖一個集雨坑(坑口為長方形，長100 cm、寬40 cm、深60 cm)，在集雨坑中央放置一根帶有PVC配套地漏的PVC多孔透水管(管長60 cm，直徑11 cm，每個管面設置4排15個透水孔，透水孔直徑為1 cm)，在透水管周圍填埋調配有機固體廢棄物(由秸稈、樹枝、菌渣、畜禽糞便等有機固體廢棄物中的2種或2種以上組成)，并用回填土在表面進行覆蓋壓實，集雨坑表面修成凹面狀并用加厚型黑色塑料膜覆蓋于凹坑面(坑面最深處為10 cm，整個坑面呈凹形)之上，四周邊緣部位用土壓蓋固定，并將PVC多孔透水管的朝上一端露出地面1 cm，每個集雨坑各引種活蚯蚓(品種為赤子愛勝蚓，1.0 kg/棵)，以坑內調配有機固體廢棄物為食，加快腐解(圖1)。

注：圖A為肥水蚓坑正視圖；圖B為圖1A處的向局部放大圖；圖C為圖A俯視圖；1.PVC配套地漏；2.黑色塑料膜；3.凹坑面；4.集雨坑；5.調配有機固體廢棄物；6.PVC多孔透水管；7.蚯蚓；8.樹干；9.樹冠投影正下方。

1.3 試驗設計

試驗共設置5個處理，分別為：(1) 對照不施肥，(2) 單施化肥，(3) 牛糞+化肥,(4) 菇渣+化肥,(5) 牛糞+菇渣+化肥(牛糞：菌渣=1∶1)。所使用化肥分別為尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P2O5含量16%)和硫酸鉀(K2O含量50%)，有機物料為牛糞(水分含量51.94%，有機碳17.12 g/kg，N 1.69%，P2O50.89%，K2O 0.76%)和菇渣(水分含量65.99%，有機碳38.26 g/kg，N 1.70%，P2O50.51%，K2O 2.12%)，各有機物料按照濕重施100 kg/棵，有機物料和化肥混合均勻施于坑內0～60 cm，有機物料和過磷酸鈣作為基肥在秋季一次性施入。由于不同有機物料養分含量差異較大且施用量不能滿足果樹的正常生長，不足的養分均以單施化肥為標準，用化肥來補齊。化肥中的氮肥和鉀肥分2次施用，氮肥和鉀肥 60%作為基肥在秋季施入，剩余40%在幼果膨大期以追肥方式施入(表1)。蚯蚓種的投放時間在2020年3月左右，在坑內0—20 cm土層之間，每株樹投放蚯蚓大約1.0 kg。選擇樹勢健壯，生長狀況一致果樹共25株，采用單株小區試驗，一個單株為一個小區，每個處理重復5次。不同處理果園的除草、果樹修剪、疏花疏果、病蟲防治和果實套袋等其他田間管理措施均一致。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤樣品的采集與測定 土壤樣品在2020年10月蘋果成熟期進行采集，在肥水蚓坑內，用土鉆分別采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土層土樣，分層混合后風干備用。土壤有機質用重鉻酸鉀容量法(外加熱)測定；全氮采用硫酸消煮—凱氏定氮法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用NaHCO3浸提—鉬藍比色法測定；土壤速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定[17]。

表1 不同施肥處理結合肥水蚓坑措施的試驗方案

1.4.2 葉片樣品的采集與測定 分別在幼果期、果實采前膨大期和成熟期采集蘋果葉片，每個處理從樹冠東西南北上中下4個方向12處采集100片葉子，混合均勻。采集的葉片分為兩部分，一部分用于測定葉片的生長情況，其中葉片干重和濕重采用XY500-2C天平測定；百葉厚用游標卡尺測定；葉面積采用葉面積儀(SHY-150)測定；葉綠素采用便攜式葉綠素儀測定。另一部分葉片用于測定葉片養分，葉片先用自來水沖洗，再用蒸餾水清洗，然后置于烘箱在105℃條件下殺青30 min，調節溫度至60～70℃條件下直至烘干，用粉碎機磨細過篩，保存備用。葉片全氮、磷、鉀使用濃 H2SO4-H2O2消煮，全氮和磷含量采用流動注射分析儀測定，全鉀采用火焰光度計測定[17]。

1.4.3 果實樣品的采集與測定 蘋果成熟后期，每個小區(單株)進行采摘，測定蘋果產量。從每棵樹的東西南北4個方向隨機選取6個大小均勻的蘋果樣品，用于果實品質的測定。其中果實縱橫徑用游標卡尺測定；硬度用艾德堡邵氏硬度計測定；可溶性固形物用WYT系列優質糖度計測定；可溶性糖用蒽酮比色法測定；可滴定酸用NaOH滴定法測定；Vc用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定[18]。

1.5 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，p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同施肥對土壤養分的影響

肥水蚓坑措施下，0—20 cm土層，有機無機肥配施(牛糞+化肥、菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)處理的土壤有機質含量顯著高于單施化肥和不施肥，單施化肥的與不施肥之間無顯著差異。堿解氮、有效磷和速效鉀含量均表現為牛糞+菇渣+化肥>牛糞+化肥≈菇渣+化肥>單施化肥>不施肥。20—40 cm土層，有機無機肥配施(牛糞+化肥、菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)處理的土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著高于單施化肥和不施肥，單施化肥與不施肥之間無顯著差異。40—60 cm土層，有機無機肥配施(菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)處理的土壤有機質含量顯著高于不施肥，牛糞+化肥、單施化肥和不施肥之間無顯著差異；堿解氮含量表現為菇渣+化肥和牛糞+菇渣+化肥的顯著高于單施化肥和不施肥，單施化肥、牛糞+化肥與不施肥之間無顯著差異；各處理的土壤速效磷和速效鉀含量均無顯著差異(圖1)。

2.2 不同施肥對葉片養分的影響

2.2.1 全 氮 對照不施肥和單施化肥處理蘋果葉片全氮含量總體表現為幼果期>采前膨大期>成熟期，有機無機配施肥處理總體趨勢表現為幼果期>成熟期>采前膨大期。幼果期單施化肥、牛糞+化肥、菇渣+化肥和牛糞+菇渣+化肥的葉片全氮含量分別較對照不施肥提高了37.7%，31.4%，32.0%，45.3%，各施肥處理均顯著高于(p<0.05)對照，但不同施肥處理之間無顯著差異；果實采前膨大期分別提高了47.8%，34.9%，36.6%，52.4%，均顯著高于(p<0.05)對照，且菇渣+化肥和牛糞+菇渣+化肥處理顯著高于(p<0.05)單施化肥和牛糞+化肥處理；成熟期分別提高了35.8%，44.3%，49.0%，62.8%，均顯著高于(p<0.05)對照，其中牛糞+菇渣+化肥顯著高于(p<0.05)其他施肥處理(表2)。

2.2.2 全磷 對照不施肥和單施化肥處理蘋果葉片全磷含量總體趨勢表現為成熟期>幼果期>采前膨大期，有機無機配施肥處理(牛糞+化肥、菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)總體趨勢表現為成熟期>采前膨大期>幼果期。幼果期單施化肥、牛糞+化肥、菇渣+化肥和牛糞+菇渣+化肥的葉片磷含量分別較對照不施肥提高了5.3%，6.8%，7.6%，20.5%，均顯著高于(p<0.05)對照，其中牛糞+菇渣+化肥處理顯著高于(p<0.05)其他施肥處理；果實采前膨大期分別提高了6.2%，11.6%，13.2%，25.6%，不同處理之間的差異與幼果期相同；果實成熟期分別提高了10.2%，18.8%，19.5%，29.7%，有機無機配施肥處理顯著高于(p<0.05)單施化肥處理，單施化肥處理顯著高于(p<0.05)對照不施肥(表2)。

注:圖中小寫字母表示同一土層不同處理間存在顯著(p<0.05)差異。

表2 不同處理對山地蘋果不同生育期葉片營養的影響 g/kg

2.2.3 全鉀 不同處理蘋果葉片全鉀含量總體表現為幼果期>成熟期>采前膨大期，但對照不施肥處理表現為幼果期>采前膨大期>成熟期。幼果期單施化肥、牛糞+化肥、菇渣+化肥和牛糞+菇渣+化肥的葉片鉀含量分別較對照不施肥提高了15.6%，14.6%，18.4%，22.4%，不同施肥處理的葉片全鉀含量均顯著高于(p<0.05)對照，但不同施肥處理之間無顯著差異；果實采前膨大期分別提高了7.0%，13.1%，15.5%，21.4%，成熟期分別提高了17.3%，29.7%，30.3%，33.5%，果實采前膨大期和成熟期有機無機配施肥處理均顯著高于(p<0.05)單施化肥，單施化肥顯著高于(p<0.05)對照，但有機無機肥配施處理之間無顯著差異(表2)。

2.3 不同施肥對蘋果葉片生長的影響

不同處理對成熟期葉片百葉厚影響差異不顯著。與對照不施肥相比，不同施肥處理均顯著增加(p<0.05)了葉面積和比葉重，但單施化肥與有機無機配施肥處理之間無顯著差異。施肥均顯著增加(p<0.05)了百葉鮮重、和葉綠素含量，單施化肥和有機無機配施肥(牛糞+化肥和菇渣+化肥)處理間無顯著差異，但三者均顯著低于(p<0.05)牛糞+菇渣+化肥處理。施肥均顯著增加(p<0.05)了百葉干重，有機無機配施肥顯著(p<0.05)高于單施化肥，但有機無機配施肥處理之間無顯著差異(表3)。

2.4 不同施肥對蘋果產量和品質的影響

施肥處理的果實硬度和果形指數均略高于對照，相互之間無顯著差異。不同施肥處理均顯著增加了(p<0.05)果實可溶性固形物含量和維生素C含量，其中牛糞+菇渣+化肥處理維生素C含量顯著高于(p<0.05)其他施肥處理。單施化肥可顯著提高(p<0.05)果實的可滴定酸含量，而有機無機配施肥處理則與對照不施肥之間無顯著差異。不同施肥處理均顯著提高(p<0.05)了果實可溶性糖含量，其中牛糞+菇渣+化肥處理顯著高于(p<0.05)其他施肥處理。有機無機配施肥處理(牛糞+化肥、菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)糖酸比和產量顯著高于單施化肥和對照處理，且牛糞+菇渣+化肥處理最高(表4)。

表3 不同施肥結合肥水蚓坑措施對山地蘋果葉片的影響

表4 不同施肥結合肥水蚓坑措施對山地蘋果產量和果實品質的影響

3 討論與結論

土壤肥力的高低是作物是否高產穩產的決定性因素，其中，土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀養分含量作為評價土壤肥力的重要指標[19-20]。蘋果作為多年生植物，由于其生長位置固定且根系較深，吸收土壤養分的位置也相對固定，因此，施肥位置、種類、施肥量都會影響果樹對養分的吸收利用[21-23]。增施有機肥是有效提高果園土壤肥力和增產的主要措施[24]，本研究通過不施肥、單施化肥、有機無機配施肥比較研究，土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量基本表現為表層(0—20 cm)>中層(20—40 cm)>下層(40—60 cm)，有機無機配施效果優于化肥處理，其中牛糞+菇渣+化肥效果最明顯，這與張超等[25]和趙佐平等[26]研究結果較為一致，表明菌渣的腐解速率低于牛糞的腐解速率，菌渣在蘋果生長后期可以繼續補充養分，促進果樹生長發育[27]；同時果園樹盤下接種蚯蚓可以增加土壤有機質和速效養分的含量[28]，這與吳迪等[29]在設施菜地上施用3種不同的有機物料(商品有機肥、腐熟牛糞、腐熟牛糞+菌渣)接種蚯蚓后，腐熟牛糞+菌渣對提高土壤肥力效果最優研究結果一致，因而本試驗各施肥處理均提高了土壤堿解氮和有效鉀的含量，其中牛糞+菌渣+化肥處理最好。

葉片作為蘋果光合作用和合成養分的主要器官，對樹體從外界所吸收的礦質營養最為敏感，氮、磷、鉀三大礦質元素作為蘋果生長重要的物質基礎，對蘋果的周年不同生育期生長、發育等一系列生理活動具有十分重要的意義[30]。趙佐平等[26]研究表明，萌芽期單施化肥(NPK)處理葉片N，P，K養分含量高于有機無機肥配施(MNPK)和單施有機肥(M)處理，而果實膨大期至成熟期，有機無機肥配施(MNPK)及單施有機肥(M)處理的葉片N，P，K含量顯著高于單施化肥(NPK和PK)處理。陳倩等[31]研究表明，與不施有機肥相比，有機無機肥配施顯著提高了單株葉片總氮量，且有機無機肥分次配施的效果要優于有機無機肥一次性配施。本研究結果表明，在蘋果樹秋季施肥的基礎上，次年春季追施化肥，從幼果期到果實成熟期有機無機肥配施(牛糞+化肥、菇渣+化肥、牛糞+菇渣+化肥)優于單施化肥(NPK)處理，其中牛糞+菌渣+化肥處理最好，其主要原因是由于蘋果是多年生植物，根系較深且固定，施肥水平、施肥位置和管理措施都會影響樹體的生長和發育[21,32]。本研究結合肥水蚓坑措施，蚯蚓的引種會改善土壤結構，分解和轉化有牛糞和菌渣等有機固體廢棄物，加快土壤養分的循環與轉化，提高土壤中磷素的利用率，再加上集雨坑具有收集地表徑流和雨水的作用，兩者結合形成水肥耦合效應，從而促進果樹對養分的吸收和利用，導致蘋果葉片礦質營養元素含量的增加[33]。

施肥不僅影響葉片礦質養分含量外，還影響葉片的鮮重、干重、葉面積、厚度、葉綠素含量等方面[13]。評價蘋果口感、風味及品質的好壞是受果實硬度、糖酸比和果形指數等指標的綜合影響[34]。大量研究表明，有機無機配施肥可以促進果樹根系、枝條、葉片等器官的生長和養分的吸收[14-15,35]。本研究結果表明，各施肥處理均提高了葉片鮮重、干重、葉面積、葉綠素含量，有機無機配施肥效果均優于單施化肥，施用牛糞+化肥和菌渣+化肥兩者效果相當，但施用牛糞或菌渣沒有兩者混合(牛糞+菌渣+化肥)施用效果好，這與吳迪等[29]人研究結果基本一致。在肥水蚓坑措施下，施用牛糞+化肥和菌渣+化肥對果實品質影響總體一致，且牛糞+菌渣+化肥處理對提高果實品質和產量效果最優。產生這些結果的原因可能包括以下幾方面：(1) 蘋果在生長初期，養分消耗較少，隨著生育期的進行，菌渣同牛糞的作用相似，可以作為有機肥料為后期蘋果的生殖生長作為養分的補充[27]；(2) 蚯蚓作為土壤生態系統的工程師，可以促進土壤養分循環、改善土壤物理結構，生成的蚯蚓糞和一些分泌物可以增加果樹對養分的吸收和利用，彌補有機肥緩效的特點[36]，在施肥坑內接種的蚯蚓，以牛糞和菌渣為食，經過蚯蚓的消化系統，在體內多種酶的作用下，牛糞和菌渣可以迅速分解、轉化成為蚯蚓自身或其他土壤生物易利用的營養物質，而這些營養物質為菌渣中大量的有益微生物生長提供良好的環境。(3) 肥水蚓坑措施的應用，可以減少地表徑流量，廣泛收集雨水，達到以水調肥，水肥耦合，加強了土壤蓄水保墑的能力，另外，食用菌渣相對牛糞較疏松，可以改善土壤物理結構和持水性能，從而增加果樹對土壤養分和水分的充分利用，另外，食用菌渣相對牛糞較疏松，還能改善土壤結構[27]。

綜上，“肥水蚓坑”結合有機無機肥配施可以減少化肥的施用，提高土壤養分含量，確保蘋果提質增產，牛糞+菇渣+化肥(牛糞：菇渣=1∶1)是山地蘋果提質增產的優質管理模式，值得在陜北黃土丘陵溝壑區山地果園推廣應用。