石灰對蘋果園土壤改良和植株生長的影響

孟璐， 范敬文， 賽欣娛， 曾路生， 宋祥云， 崔德杰

（青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266109）

我國蘋果種植面積和產量均居世界首位[1-2]，果樹產業是我國種植業中僅次于糧食和蔬菜的第三大產業，在農民增收、脫貧攻堅和鄉村振興中發揮著重要作用[3]。施肥有利于提高蘋果產量和品質。對山東蘋果主產區煙臺、威海主要縣市的1 105個土壤樣品分析表明，膠東半島地區蘋果園土壤的有機質平均含量為1.14%，堿解氮含量為74.97 mg·kg-1，速效磷含量為40.97 mg·kg-1，速效鉀含量為122.7 mg·kg-1；即土壤養分表現為有機質含量偏低、堿解氮呈兩極分化、速效磷偏高，而速效鉀偏低且土壤酸化嚴重，容易造成元素缺乏，嚴重時會出現缺素癥[4]。李宗耕等[5]調查也表明，土壤有機質含量低和酸化是蘋果產區存在的主要問題。土壤酸化會影響果樹根系的生長以及對養分的吸收。因此，提高土壤pH、改良土壤的理化性狀對促進果樹的生長發育及果實品質提升具有重要意義。

研究表明，大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[6]。而施入石灰可以中和土壤，提高土壤pH，改善土壤理化特性，提高養分有效性，降低農作物被重金屬污染的風險，從而提高和改善農產品的產量和品質。國艷春等[7]研究表明，石灰、綠肥和生物有機肥不僅可以提高土壤養分含量，也是常用的土壤改良劑。施用石灰可以緩解土壤酸化，促進植株養分吸收；提高土壤有機質含量，有利于果樹穩產、高產，改良果實品質[8-9]；還可以有效提高果樹的光合作用[10]。石灰中的鈣離子作為第二信使參與植物的光合作用，能促進葉綠素和胡蘿卜素含量，提高光合速率和氣孔導度，有利于吸收CO2，提高光合作用[11]。

已有研究多采用施入生石灰或有機肥與土壤調節劑配施等方法調節土壤pH，而有機肥與石灰配施進行土壤酸度調節的方法尚未見報道。因此，本研究在田間試驗條件下，探討施用有機肥基礎上配施不同質量的石灰對土壤pH等理化性狀的影響，以及對蘋果樹光合作用等生理指標的影響，以期為改良蘋果園土壤性狀、提高蘋果產量和品質提供技術指導，為促進蘋果產業的健康發展保駕護航。

1 地區概況和研究方法

1.1 地區概況

試驗蘋果園位于膠東半島西部的青島平度市舊店鎮（36°28′—37°02′ N， 119°31′—120°19′ E），該地區是山東省重要的蘋果產地。平度市蘋果園多分布于低山丘陵和傾斜平原地帶，土壤類型以棕壤為主，多含粗砂礫石，養分含量低。同時平度市屬暖溫帶東亞半濕潤大陸性季風氣候區，境內氣候四季分明，春季干旱多風、夏季高溫多雨、秋季秋高氣爽、冬季寒冷干燥。年平均氣溫11.9 ℃，無霜期195.5 d，日照時數約2 700 h，年平均降水量680 mm。

1.2 試驗處理

2020年6月根據蘋果園土壤的酸化狀況，設置石灰撒施量分別為0（CK）、4 500（T4500）、6 000（T6000）和7 500 kg·hm-2（T7500）共4個處理，將石灰均勻撒施于地表后翻壓入土，與0—30 cm土壤充分混合均勻。每處理3次重復，每個小區100 m2。所有處理均于前一年（2019年）11月地表撒施有機肥4 830 kg·hm-2作基肥，并翻壓入土；2020年3和9月分別施入復合肥800和860 kg·hm-2。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質的測定 于蘋果收獲期，采用“S”型5點取樣法，按0—20和20—40 cm分層取樣，每個小區每層選取10個點位的土樣充分混合，以確保樣品的代表性。混勻后采用“四分法”取土壤樣品1 kg，風干過篩處理，用于土壤基本理化性質測定。土壤堿解氮（alkaline hydrolysis nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）、速效鉀 （available potassium，AK）和有機質（organic matter，OM）含量的測定采用常規分析方法，參考《土壤農化分析》[12]。

采用干篩法[13]對土壤團聚體進行分級，采用Rrez-Boem F H 等計算模型統計平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GWD）和分形維數（fractal dimension, D），計算公式如下。

式中，xi為徑級平均直徑（mm）；wi為重量百分含量，為平均直徑（mm）；ωi為某級重量百分含量。

1.3.2 蘋果葉片生理性狀的測定 在蘋果成熟期，于相同枝干取葉片10片，烘干研磨后，過1 mm篩，測定葉片全氮、全磷和全鉀含量。其中，全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用釩鉬黃比色法測定；全鉀含量采用火焰光度計法測定。于蘋果成熟期，選擇晴天采用CIRAD-3光合儀（漢莎公司）測定長梢中部6片功能葉片的光合作用指標，包括凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）。同時標記所測葉片，于正午陽光充足時，利用美國漢莎公司生產的MPEA儀器測定葉綠素熒光參數，包括初始熒光值（initial fluorescence value，Fo）、最大熒光值（maximum fluorescence value，Fm）、可變熒光值（variable fluorescence valueFv）和以吸收光能為基礎的性能指數（PIabs）。

1.4 數據分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 施用不同量石灰對蘋果園土壤理化性質的影響

施用石灰對土壤理化性質有顯著影響（表1）。在0—20 cm土層，施用石灰處理的pH均顯著高于CK，其中T6000和T7500處理又顯著高于T4500處理。在20—40 cm土層，T7500處理的pH顯著高于其他處理；T4500和T6000處理與CK差異不顯著。施用石灰后，土壤養分含量狀況得到改善，堿解氮、速效磷和速效鉀含量增加。其中，T7500處理0—20和20—40 cm土層土壤的堿解氮與速效磷含量均顯著高于CK；且施用石灰處理0—20 cm土層的速效鉀含量均顯著高于CK。0—20 cm土層土壤的有機質含量高于20—40 cm土層；但同一土層中不同處理間無顯著差異。

2.2 施用不同質量石灰對蘋果園土壤團聚體的影響

由圖1可知， 在CK處理中，0.5～0.25 mm的土粒占比最大，為24.78%，2～5 mm土粒占比最少，僅12.63%；在T4500、T6000和T7500處理中，＞5 mm土粒占比最大，分別為43.64%、26.80%和53.26%，＜0.25 mm土粒占比最少，分別為8.68%、10.89%和6.01%。土壤團聚體的平均重量直徑（MWD）越大，團聚體越穩定。由圖2可知，施用石灰處理后，土壤平均重量直徑和幾何直徑都有所提高，其中T7500處理增幅最大。

圖1 不同處理土壤團聚體粒徑分級Fig. 1 Particle size classification of soil aggregates under different treatments

圖2 不同處理土壤的平均重量直徑、幾何重量直徑、分形維數Fig. 2 Mean weight diameter， geometric mean diameter and fractal dimension of soil under different treatments

2.3 施用不同質量石灰對土壤水溶性陰陽離子含量的影響

與CK相比圖3，石灰處理下0—20 cm土層土壤的鈣離子含量顯著增加；鎂離子含量顯著下降；鉀離子含量也有不同程度的下降；T7500處理土壤中的鈉離子含量較CK顯著降低。總體而言，各處理0—20 cm土層的陽離子含量高于20—40 cm土層。由圖4可知，陰離子中以硫酸根離子占優勢；與CK相比，T7500處理土壤中的碳酸氫根和氯離子顯著增加，而硫酸根離子顯著降低。

圖3 不同處理下土壤的陽離子含量Fig. 3 Contents of positive ions in soil under different treatments

圖4 不同處理下土壤的陰離子含量Fig. 4 Contents of anions in soil under different treatments

2.4 施用不同質量石灰對蘋果樹葉片熒光值的影響

由表2可知，石灰處理對蘋果樹葉片的葉綠素熒光參數有顯著影響，其中，對最大量子產率影響較小。T4500、T6000和T7500處理的初始熒光值（Fo）分別較CK提高3.92%、19.78%和11.99%。T7500處理的最大熒光值（Fm）和可變熒光值（Fv）分別較CK顯著提升8.55%和9.81%，其他處理與CK差異不顯著。

表2 不同處理下葉片的熒光值Table 2 Fluorescence values of leaves under different treatments

2.5 施用不同質量石灰對蘋果樹葉片光合作用的影響

施用石灰對果樹葉片的光合作用指標具有促進作用（表3）。T4500、T6000和T7500處理蘋果樹葉片的凈光合速率均較CK顯著提高，其中，T7500處理的凈光合速率提高69.7%。與CK相比，施用石灰處理蘋果樹葉片的蒸騰速率顯著提高，其中T4500處理又顯著高于T6000和T7500處理。施用石灰處理蘋果樹葉片的氣孔導度也顯著高于CK，T6000和T7500處理又顯著高于T4500處理。T7500處理蘋果樹葉片的細胞間隙CO2濃度顯著高于其他處理。

表3 不同處理下果樹葉片的光合作用Table 3 Photosynthesis of fruit tree leaves under different treatments

2.6 施用不同質量石灰對蘋果樹葉片氮、磷、鉀含量的影響

由圖5可知，施用石灰后，蘋果樹葉片中的氮含量較CK均顯著增加，其中T4500處理最高；T6000處理葉片中磷含量顯著高于CK，T4500和T7500處理與CK差異不顯著；T4500和T6000處理葉片的鉀含量顯著低于對照，而T7500處理與CK差異不顯著。

圖5 不同處理下葉片的氮、磷、鉀含量Fig. 5 Contents of N， P and K in leaves under different treatments

3 討論

3.1 石灰可以有效改善土壤的理化性質

石灰的施入可有效改善土壤理化性質。本研究表明，不同石灰用量時蘋果園不同土層土壤的pH和土壤養分含量存在差異。其中，施用7 500 kg·hm-2石灰處理0—20 cm土層土壤的pH和堿解氮含量增幅最大，且土壤速效磷和速效鉀含量也有所增加，但對土壤有機質含量影響較小。石灰對表層土壤的作用效果更為明顯，堿性的石灰中和了土壤酸度，使得土壤pH上升，而pH升高有利于土壤中微生物活性升高，從而促進堿解氮的產生[14]。酸度的降低還可減輕鋁對植物的毒害作用，促進植物根系對鉀和磷的吸收。對于20—40 cm土層，由于深度增加受石灰影響稍弱，pH變化較小，礦化程度低使有機質含量增多，王偉妮等[15]研究證明，土壤有機質含量和堿解氮含量間呈顯著正相關，與本研究結果一致。

石灰可以促進土壤團聚體的分布和穩定性。李瑋等[16]研究表明土壤團聚體作為土壤結構的基本組成單元，其質量和數量與土壤肥力的高低密切相關。土壤團聚體是土壤顆粒通過凝聚膠結作用等自然過程而形成的土壤結構，一般可以分為大團聚體（＞0.25 mm）和微團聚體(＜0.25 mm)。張玥琦[17]研究表明，石灰可以增加土壤中水穩性團聚體的含量，并提高團聚體的穩定性，這是因為土壤中鈣離子含量的增多可以提高陰陽離子結合能力，增加土壤中離子間的相互作用，進而促進大團聚體的形成。在本研究中，施用石灰后大團聚體含量顯著增加，同時MWD和GMD較CK也有不同程度的增加。由此表明，施用石灰有利于提高土壤團聚體的穩定性。

3.2 石灰可以促進果樹生理活動的進行

石灰可有效改善果樹葉片的各項生理指標。石灰的主要成分是碳酸鈣，施用石灰增加了土壤中的鈣離子含量，而植物中的鈣離子有利于增加葉綠素含量，從而提高光合作用。鎂是葉綠素的重要組成部分，也是葉綠體結構必不可少的元素之一[18]，施用石灰促進了植株對鎂離子的吸收，使土壤中鎂離子濃度減少。植物可通過碳酸酐酶的作用利用碳酸氫根離子為原料進行光合作用[19]。碳酸鈣遇水緩慢水解生成碳酸氫根離子，使其在土壤中的含量增加，便于植物吸收利用，同時也改變了土壤酸堿性。

本研究表明，蘋果樹葉片的初始熒光值、最大熒光值、可變熒光值、以吸收光能為基礎的性能指數在施用石灰處理后均有所提升，使葉片的凈光合速率等得到顯著提升，有利于增強光合作用。且施用石灰后，葉片的蒸騰作用也有所提高，石灰施用量為7 500 kg·hm-2時增幅最大。陳德偉等[20]研究表明，鈣離子調控可增強植株對不良環境的抗逆性，使蘋果樹在逆境脅迫下維持正常生長發育。本研究表明，石灰配合有機肥施用使蘋果樹葉片的凈光合速率增加，有利于積累更多的有機物，從而提高蘋果的品質與產量。

綜上所述，施用石灰不僅改善了土壤的各項理化性質，還對蘋果樹的生長有明顯的促進作用。綜合各項指標結果表明，石灰施用量為7 500 kg·hm-2時，土壤pH顯著升高，堿解氮和速效鉀含量顯著增加，土壤團聚體狀況及穩定性更優，且對果樹各項生理活動的促進作用更強。因此，在有機肥作基肥的前提下，配施7 500 kg·hm-2石灰能顯著促進蘋果樹生長，提高蘋果產量和品質，可廣泛應用于生產實踐。