不同施肥处理对‘渝城1号’核桃产量、品质和土壤肥力的影响1)

黄小辉 冯大兰 杨华均 王玉书 魏立本 周小舟 唐佳佳 李秀珍

(三峡库区森林生态保护与恢复重庆市市级重点实验室(重庆市林业科学研究院),重庆,400036)

近年来,为增加健康优质的食用植物油供给,切实维护国家粮油安全,我国相继出台了一系列指导文件和政策,迅速促进了以核桃(JuglansregiaL.)为主的木本油料产业的发展。截止2020年,全国核桃栽培面积已达533万hm2,位居世界之首[1]。目前,我国核桃栽植面积大,其中,重庆、贵州、云南等山区地带因脱贫攻坚种植了大量核桃,但该地区多数区域土壤立地条件差、山区施肥难度大、林农施肥意识薄弱,很多核桃园基本不施肥,因此,不仅没得到丰产,反而导致土壤养分消耗,肥力严重下降。而部分有条件的核桃园为了提高产量,大量施肥,但因缺乏科学的施肥技术指导,肥料乱用滥施现象较普遍,造成资源浪费、果园土壤退化及营养失衡[2]等问题。加强核桃施肥技术研究是提高我国核桃产量与品质的关键环节。目前,国内外核桃施肥多以化肥为主,其使用方便、见效快,关于科学混施有机肥、生物菌肥等的研究报道较少[3-4]。在美国加州及周边地区,核桃栽植选地多以土层深厚、肥沃、排水良好的平地为主,通过叶片及土壤的营养分析和可见缺素症状来决定施肥种类、施肥量及是否施肥,并结合滴灌及渗灌系统施入肥料,实现肥水一体化[5]。欧州地区很多核桃园已采用地面灌溉施肥和叶面追肥相结合的方式。核桃种植通常根据不同品种及树龄的呼吸、蒸腾、水分运输作用,结合核桃树体对N、P、K的需求量及其与经济产量的关系,衡量大量元素及微量元素对核桃生长、结实的影响,并通过核桃树体出现缺素症状时的表现开展配方施肥[6]。现阶段我国核桃种植总体还较为粗放,但也有部分区域根据土壤、气候条件及核桃生长发育的需要,设计生产了适合当地的专用肥料,并进行小规模应用。例如,王根宪[7]根据秦巴山区及北方黄土干旱丘陵区的核桃园土壤养分状况,结合当地核桃品种的需肥特点,采用先进工艺配制出高效核桃专用肥,促进核桃增产15%～20%;杨建荣等[8]在分析临沧地区土壤养分后,配制了适合当地的核桃专用肥,配方以有机肥为主,掺入10%的氮、磷、钾及少量硼,使用后不仅提高了核桃的生长量和抗逆性,还对果园土壤环境有一定的改善作用。

配方肥是根据作物需肥规律、土壤供肥性能、肥料田间效应,以氮、磷、钾等化肥为主要原料,有针对性地添加适量中、微量元素或有机肥料后复混(合)或掺混而成的肥料,适合于特定区域及特定作物,其既能增产增效,又促进节能减排,是目前作物栽培和产业发展中必不可少的环节[9-10]。‘渝城1号’核桃是重庆市的主栽品种,树势强旺,分枝力及适应性强,在重庆范围内32个区县均有分布,栽植面积达7.3万hm2。该品种核桃长势快,需肥量大,但由于果农施肥意识落后,科学施肥技术缺乏,导致平均干果每公顷产量不到450 kg,经济效益低下,严重影响增收。因此,本研究以‘渝城1号’核桃为研究对象,设置施用核桃配方肥、单施复合肥、单施有机肥及不施肥4个处理,连续试验2 a,通过测定不同施肥处理的核桃产量、品质及核桃园土壤理化性质、微生物等变化,对核桃配方肥的应用效果进行评价,为核桃配方肥推广及重庆核桃产业发展提供参考。

1 试验地概况

试验地位于重庆市城口县高观镇(地理中心坐标为31°50′59″N、108°54′38″E),属亚热带山地气候,海拔860 m,年均气温13.7 ℃,降水量1 361.1 mm,无霜期235 d,年均日照时间1 357 h。试验核桃园为2015年春季建园,栽植3年生大苗,面积约10 hm2,土壤为黄壤,土层厚度60～80 cm。试验地土壤pH为7.62,土壤密度1.20 g·cm-3,土壤有机质质量分数为9.96 g·kg-1,全氮质量分数为1.01 g·kg-1,全磷质量分数为0.71 g·kg-1,全钾质量分数为29.17 g·kg-1,碱解氮质量分数为44.90 mg·kg-1,有效磷质量分数为18.30 mg·kg-1,速效钾质量分数为43.70 mg·kg-1。

2 研究方法

2.1 试验材料及设计

供试核桃品种为‘渝城1号’,树龄7 a,栽植株行距4 m×5 m。供试肥料分别为核桃配方肥、复合肥、有机肥。核桃配方肥[11]是根据‘渝城1号’核桃需肥规律及试验区域土壤养分状况制定而成的有机无机复混肥,包括基肥(有机质40%,N-P2O5-K2O=5-3-4,含中、微量元素)和追肥(有机质20%,N-P2O5-K2O=10-6-9,含中、微量元素);复合肥为三元复合肥料(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15),购于当地农资公司;有机肥以牛粪堆沤发酵而成,有机质为46.4%、N为0.973%、P2O5为1.96%、K2O为2.23%。试验于2020年9月采收核桃后开始布置,2022年9月核桃采收后结束。根据核桃施肥种类,试验设4个处理,分别为不施肥(CK)、单施复合肥(T1)、单施有机肥(T2)、施用核桃配方肥(T3)。以666.7 m2为1个处理小区,每个小区栽植核桃树33株,每个处理重复3次。T1处理的施肥量和施肥方法源于当地农户调查,施肥量为1 237.5 kg·hm-2;T2处理的施肥量为4 950.0 kg·hm-2,将有机肥作为基肥于当年秋季一次性施入;T3处理按基肥和追肥每年分2次施用,施肥量根据核桃矿质营养需求量及试验核桃树的生产量推算,基肥施肥量约1 485.0 kg·hm-2,施肥时间为11月上旬,追肥施肥量约990.0 kg·hm-2,施肥时间为次年4月下旬。各处理具体施肥养分投入量见表1。施肥方式采用沟施,沿核桃树冠边缘开沟,深度30 cm。连续施肥2 a,于2022年核桃成熟时进行果实产量、品质及土壤理化性状测定。

表1 不同施肥处理的养分投入量

2.2 测定指标及方法

土壤理化性质及微生物的测定：核桃果实成熟后,在各施肥处理的核桃树中随机选取5株,避开施肥点,沿树冠边缘采集40 cm深的土壤混合样。土壤样品采回后,剔除杂物,常规分析土壤pH、有机质、有效氮、磷、钾质量分数[12]。用氯仿熏蒸浓度为-0.5 mol·L-1的K2SO4提取微生物生物量碳、氮质量分数,K2CrO7氧化法测定碳质量分数,靛酚蓝比色法测定氮质量分数[13]。风干另一部分土壤,磨细过筛,采用高锰酸钾滴定法、靛酚比色法、水杨酸比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法分别测定过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性[14],平板计数法测定土壤细菌(牛肉膏蛋白胨培养基)、真菌(马丁氏琼脂培养基)、放线菌(高氏一号培养基)、自生固氮菌(Ashby无氮培养基)、解磷细菌(磷酸钙+植酸培养基)、解钾细菌(铝土矿培养基)、纤维分解菌(赫奇逊氏琼脂培养基)的数量[15]。

核桃产量及品质测定：在果实成熟期进行核桃单株测产,每个处理测10株树,取平均值。测产后,每株随机选取20颗健康果实,测定核桃果实品质。用全自动凯氏定氮仪测定蛋白质质量分数,脂肪酸测定参照国标GB/T 17376-2008[16]。

经济效益分析：参考吴文利等[17]的方法,计算各处理核桃的经济效益,公式如下：

产值=产量×单价×1000;

经济效益=产值-肥料成本-其他管理成本。

式中：复合肥(含运费)肥料成本为4 000元·t-1;有机肥(含运费)肥料成本为850元·t-1;核桃配方肥基肥(含运费)肥料成本为元2 800元·t-1;核桃配方肥追肥(含运费)肥料成本为3 200元·t-1;其他管理成本包括打药、施肥、采摘、修剪等费用,约4 800元·hm-2。

2.3 数据处理

利用Microsoft Excel进行数据统计,SPSS 20.0统计软件进行方差分析、相关性分析、差异显著性检验,显著性水平为P<0.05。

3 结果与分析

3.1 不同施肥处理对核桃园土壤理化性质的影响

3.1.1不同施肥处理对土壤pH、有机质及有效养分质量分数的影响

由表2可知,不同施肥处理时核桃园土壤理化性质发生了明显变化。其中T2及T3处理的土壤pH相比原始土壤(CK)均有明显升高,T1处理的有所降低。T2及T3处理的有机质质量分数均显著增加,T1处理时显著下降(P<0.05)。各处理中,土壤碱解氮质量分数以T3处理最高,T1和T2处理次之,CK最低,且各处理间差异显著(P<0.05)。T1、T2、T3处理的有效磷质量分数分别比CK处理高出17.0%、110.9%、169.9%,且各处理间差异显著(P<0.05)。T1、T2、T3处理的速效钾质量分数显著高于CK处理(P<0.05),但T1与T3处理间差异不显著。

3.1.2 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是影响土壤肥力的重要因素,不同施肥处理对核桃园土壤的各类酶活性影响十分显著(表3)。与CK相比,T1、T2、T3的土壤蔗糖酶活性分别提高了22.4%、33.5%、154.9%,且各处理间差异显著(P<0.05)。对于磷酸酶活性,T2及T3处理较CK分别提高了2.0及5.3倍,且该3个处理间差异显著(P<0.05),T1处理较CK无显著变化。脲酶及过氧化氢酶活性均以T1处理时最高,CK最低,T2、T3处理间无显著差异。

3.2 不同施肥处理对核桃园土壤微生物的影响

3.2.1不同施肥处理对土壤微生物生物量碳、氮的影响

如表4所示,相比于CK,3种施肥处理的土壤微生物生物量碳质量分数和微生物生物量氮质量分数均显著提高(P<0.05)。其中,土壤微生物生物量碳质量分数以T3处理时最高,较CK、T1、T2处理分别提高22.1%、28.9%、51.3%。T2及T3处理的微生物生物量氮质量分数无显著性差异,但较CK及T1处理相比,有所提高。各处理微生物生物量碳氮比为9.29～18.33,各处理间差异显著(P<0.05)。

3.2.2 不同施肥处理对可培养微生物数量的影响

由表5可知,各施肥处理均能显著提高土壤细菌及放线菌数量。其中,T1、T2、T3处理时,土壤细菌数量分别比CK高出108.3%、111.5%、233.1%,T1与T2处理的细菌数量无显著性差异,但T3处理的显著高于T1及T2处理(P<0.05)。T1、T2、T3处理时,土壤放线菌数量分别比CK高出33.4%、33.9%、36.2%,但三者间差异不显著。T1处理时,土壤真菌数量相比于CK有所下降,但两者间无显著差异,T2及T3处理的土壤真菌数量分别比CK高出70.9%及104.1%,且2个处理间差异显著(P<0.05)。

表3 不同施肥处理的土壤酶活性

表4 不同施肥处理的土壤微生物生物量碳、氮质量分数

表5 不同施肥处理中土壤可培养细菌、真菌、放线菌数量

3.2.3不同施肥处理对可培养生理功能微生物数量的影响

综合来看,在核桃根际土壤中,解磷细菌最多,解钾细菌及自生固氮菌次之,纤维分解菌最少(表6)。与CK相比,T1处理的土壤自生固氮菌、纤维分解菌、解磷细菌数量均显著下降(P<0.05),分别比CK低16.32%、22.18%、33.22%。T1处理时解钾细菌数量与CK无显著差异;T2处理的自生固氮菌数量与CK无显著差异,但解磷细菌、解钾细菌、纤维分解菌数量显著上升(P<0.05),分别高出CK12.25%、14.11%、14.95%;T3处理的自生固氮菌、解磷细菌、解钾细菌、纤维分解菌数量均显著高于CK、T1、T2处理,分别是这3种处理的1.6～2.0、1.2～1.9、1.5～2.2、1.9～4.1倍。

表6 不同施肥处理的土壤可培养功能菌数量

3.3 不同施肥处理对核桃品质的影响

核桃果实的品质是决定核桃生产优势的重要因素之一。由表7可知,施肥明显改善了核桃的蛋白质和粗脂肪质量分数。T3处理的核桃蛋白质质量分数相对最高,比CK提高了24.4%,而T1与T2处理间核桃蛋白质质量分数无显著差异。T1及T3处理的核桃脂肪质量分数相对较高,分别较CK处理提高了15.9%及13.8%,且与CK差异显著(P<0.05)。与CK处理相比,T1、T2、T3处理在一定程度均提高了核桃的油酸质量分数,但亚油酸质量分数变化不明显。T2、T3处理的核桃α-亚麻酸质量分数显著高于CK(P<0.05),分别比CK提高了18.52%及21.2%,而T1处理的α-亚麻酸质量分数与CK无显著差异(P>0.05)。与CK相比,T1、T2、T3处理的硬脂酸质量分数均显著下降(P<0.05)。4种处理的核桃果实棕榈酸质量分数无显著差异。

表7 不同施肥处理核桃果实的品质

3.4 不同施肥处理对核桃产量及经济效益的影响

由表8可知,各施肥处理的核桃产量由大到小依次为T3、T1、T2、CK,其中,T3处理的核桃产量分别高出T2、T1、CK处理32.4%、13.6%、103.2%。通过对不同施肥处理时核桃果园的经济效益进行分析,核桃配方肥处理(T3)的投入成本相对较高,略高于单施复合肥(T1)及单施有机肥(T2),但该处理时核桃的产值和经济效益也最高,T1及T2处理次之,CK最低。可见,T3处理时能获得最佳经济效益。

表8 不同施肥处理时核桃产量及经济效益

3.5 核桃产量、果实品质与土壤养分的相关性分析

通过分析核桃产量、品质与土壤理化性质、土壤微生物等的相关性(表9),可以看出,核桃产量与土壤碱解氮质量分数、磷酸酶活性、真菌数量呈显著正相关(P<0.05),与细菌数量呈极显著正相关(P<0.01);核桃蛋白质质量分数与土壤有机质质量分数、碱解氮质量分数、有效磷质量分数、磷酸酶活性、脲酶活性呈显著正相关(P<0.05),与蔗糖酶活性呈显著负相关(P<0.05);核桃粗脂肪质量分数与碱解氮质量分数、细菌数量呈显著正相关(P<0.05),与土壤pH呈显著负相关(P<0.05);核桃亚油酸及油酸质量分数与有效磷质量分数呈显著正相关(P<0.05),与脲酶呈极显著正相关(P<0.01);核桃α-亚麻酸质量分数与磷酸酶活性、过氧化氢酶活性、真菌数量呈显著正相关(P<0.05);核桃棕榈酸质量分数与碱解氮质量分数、有效磷质量分数呈显著正相关(P<0.05)。

表9 核桃产量、品质与土壤指标间的相关系数

4 结论与讨论

好的土壤是果树健康生长的重要前提,土壤养分特征、酶活性及微生物数量对评价土壤质量有重要意义[18]。2 a的施肥试验中,复合肥促进了核桃园土壤有效氮、磷、钾质量分数的增加,出现该现象是由于长期施入速效肥料,但这同时也导致土壤pH及有机质质量分数下降,且渐有土壤酸化及其理化性质恶化的趋势。施用有机肥及核桃配方肥处理的核桃园土壤pH均有所升高,土壤有机质及有效养分均显著增加,尤其以施用核桃配方肥的效果最好,其有效改善了核桃园土壤质量。这是因为核桃配方肥包含大量无机养分和有机质,不仅营养丰富且有机质分解产生的有机酸还能促进土壤矿化,进一步提高土壤有效养分含量[19]。此外,不同的施肥方式对土壤微生物数量也有较大影响。例如,在种植玉米和水稻的土壤中施入有机肥,土壤微生物量碳、氮质量分数显著提高[20];种植棉花时,化肥和有机肥配施使土壤细菌、真菌和放线菌数量均有效增加[21]。本研究发现,对核桃园施肥尤其是施用核桃配方肥能够显著增加微生物数量,提高微生物碳氮比,有益于土壤养分转化供应,提升生物有效性。施用核桃配方肥时土壤自生固氮菌、解磷细菌、解钾细菌、纤维分解菌等功能菌的数量大幅增加;施用有机肥时增幅相对较小;施用复合肥后土壤中功能微生物数量总体显著减少,这是因为化肥无机养分质量分数较高,进入土壤后会抑制微生物生长繁殖,加上缺乏有机质供应,不能为微生物繁殖提供物质保障。核桃配方肥具有丰富的碳源和微量元素,有利于功能微生物的生长繁殖,这些微生物不仅促进土壤矿化,提高土壤有效养分,还能分泌促进植物生长的激素类物质,有效改良土壤[22]。

土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶分别参与土壤中N、P、C循环,过氧化氢酶可分解有害毒物,其活性高低很大程度反映土壤的健康状态[23]。王华等[24]研究表明,油茶专用肥可提高油茶林土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶的活性;周媛等[25]也发现,有机无机专用复混肥显著提高了葡萄种植土壤的蔗糖酶和脲酶活性。本研究中,土壤酶活性因施肥处理的不同存在较大差异,其中,蔗糖酶和磷酸酶活性均以施用核桃配方肥时最高,其原因是配方肥中有机无机肥比例适中,这既能提供有效养分,又能保障充足的有机碳源,为土壤微生物提供适宜的生存环境,有效促进土壤中各类微生物生长,增加胞外酶释放。各施肥处理的脲酶和过氧化氢酶活性也有显著上升,其中以施用复合肥时最高,原因是复合肥中含有大量的氮素,其刺激了土壤中某些微生物分泌大量脲酶,以加速对氮的分解利用。但是施用复合肥会带入许多重金属和有毒物质到土壤中,土壤微生物分泌大量过氧化氢酶是为了减少复合肥对土壤造成的危害,保持土壤健康[26]。

核桃配方肥是在测土配方数据的基础上,对施用化肥及有机肥的比例进行调整,比单施化肥或有机肥时营养成分更加全面,养分配比更加合理。张超等[27]研究表明,与农用惯施肥相比,苹果专用肥可以显著提高苹果产量,增加苹果甜度。还有研究发现,有机、无机配施显著增加柑橘、梨、芒果、葡萄等水果的产量[28-30]。本研究可以看出,相比于不施肥、单施复合肥或有机肥,施用核桃配方肥对核桃的增产效果最明显,核桃产量及经济效益比不施肥分别提高了103.2%、88.1%。对于多年生核桃而言,果仁口感也是影响果实品质和经济效益的重要指标,而施肥是影响果实品质优劣的关键。从本试验中核桃品质与土壤理化状况的相关性也可看出,蛋白质及脂肪质量分数与土壤有机质、碱解氮、有效磷、微生物数量都存在较大的相关性。但很多果农认为,施肥越多,产量越高,品质越好,而实际上,肥料供应过多会使作物“徒长”,施肥太少则会导致养分供给不足,进而影响果实品质。本研究发现,施用有机肥,尤其是施用核桃配方肥,核桃果实的蛋白质、粗脂肪、油酸、α-亚麻酸质量分数均显著提高。核桃配方肥养分均衡且富含各类中、微量元素,各养分在核桃果树生长过程中缓慢释放,同时还能活化土壤中可利用的矿质元素,达到与核桃吸收的养分同步,且配方肥中的Ca、Mg、Zn等还能激发土壤微生物活性,进一步促进土壤有机碳、氮、磷的矿化分解,使植株获得的养分更加均衡,更好地促进核桃树生长发育,达到高产优质[31]。

施用复合肥、有机肥及核桃配方肥均能提高核桃产量,尤其是施用核桃配方肥时增产效果最好,获得的经济效益最高。虽然施用复合肥能促进核桃园土壤有效氮、磷、钾质量分数增加,但也会引起土壤pH及有机质质量分数下降,不利于核桃的生长。施用有机肥和核桃配方肥均能使土壤pH升高,促进土壤有机质及有效养分质量分数显著增加。施核桃配方肥后,核桃果实的蛋白质及脂肪总量显著提高,油酸、亚油酸、α-亚麻酸等不饱和脂肪酸占比增加,硬脂酸、棕榈酸等饱和脂肪酸占比下降,土壤总微生物量增加,固氮菌、解磷菌、解钾菌、纤维降解菌等功能微生物数量明显增多,土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等酶活性大幅升高,更利于土壤养分转化和果园可持续经营。