苹果树根系及土壤微生物对局部配施有机肥的响应

闫 敏，朱晓萍，陈晓斌，何永波，李 磊*，赵 琪，李 倩，杨萍果

（1．山西农业大学资源环境学院，山西 太原 030031；2．山西农业大学园艺学院，山西 太原 030031；3．山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041000）

氮素是苹果树生长必不可少的元素，对于苹果树生长和果实品质都有积极的作用［1］。苹果树适宜的根系结构对于土壤营养、水分和养分的吸收具有极为重要的促进意义。除了苹果树根系外，施肥还会影响土壤微生物的含量。微生物与土壤养分的转化息息相关，对均衡土壤肥力、提高作物抗逆性和优化土壤生态环境质量起着至关重要的作用［2］。现实生产中氮素易挥发、淋溶的特性不仅会造成资源的浪费，而且会带来一系列的环境污染问题。使用有机肥替换部分氮肥，减少施肥对环境的影响并在一定程度上提高作物产量成了研究的热点课题。前人研究表明，有机肥能够提高土壤养分与有机碳含量，使土壤微生物数目增多，改善土壤微生物群落结构，促进健康土壤的形成，影响作物根系的生长［3-4］。李艳平等［5］的研究结果表明，施用适量混合有机肥能提高烤烟根系活力，改善根际土壤环境。徐文兵等［6］的研究结果表明，生物有机肥施于根区，可增加烤烟根系长度、体积、直径和分枝数，提高烤烟根系活力。赵娜等［7］的研究结果表明，施用家畜粪便堆肥主要通过改变土壤微生物群落多样性和土壤酶活性，提高番茄植株的抗病性。徐华勤等［8］利用 BIOLOG生态测试板研究长期施肥后茶园土壤微生物群落功能多样性变化，结果表明施肥能不同程度提高微生物整体活性和丰富度，以有机无机肥配施效果最好。商品有机肥养分含量稳定，且有机质含量高，施用方便，日益成为农民的首选，在生产中应用比例较高。目前关于苹果树对有机肥与化肥配施的响应方面尚未有明确的研究结果。本研究针对当前苹果树氮肥过量施用的主要问题，选取2种商品有机肥，对比常规商品有机肥和果枝堆沤有机肥的施用效果，从苹果树根系及果园土壤微生物对不同比例配施肥的响应来进行分析，以期为苹果树栽培种植选择合适的肥料及配施比例提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点和试验材料

试验于2016～2017年在山西省运城市临猗县减肥增效技术集成示范园（110.71° E，34.21° N）进行。试验地海拔高度 513 m，光照充足，年均气温 13.5℃。供试果园面积30 hm2，主栽23年红富士果树，4 m×5 m株行距，地势平坦，有便利的灌溉条件，土壤基本养分含量如表1。

表1 试验地土壤基础养分含量

试验材料包括常规商品有机肥（临汾市力澜生物科技有限公司）、果枝有机肥（运城市临猗县万兴源农业开发有限公司）、化肥［尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O544%）、硫酸钾（K2O 50%）］。试验前分别对供试有机肥养分含量进行了分析，结果见表2。

1.2 试验设计

试验采用优施化肥方案，设计有机肥用量及种类双因素［6］，共7个处理［Y1：单施化肥（对照）、Y2：常规有机肥替代20%氮肥用量、Y3：常规有机肥替代40%氮肥用量、Y4：常规有机肥替代60%氮肥用量、Y5：单施常规有机肥相当于100%氮肥用量、Y6：单施常规有机肥相当于300%氮肥用量、Y7：单施果枝有机肥相当于300%氮肥用量］，每个处理选取生长势基本一致的苹果树5株，随机选择排列。

2016年11月采收后施基肥。基肥采用条状沟施肥法［9］，在距树干50 cm树体两侧行间各挖1条深40 cm、宽40 cm、长1.5 m的条状沟，把有机肥和化肥与沟内20 cm土壤混匀后施入，再回填表土。有机肥一次性全部施用，化肥依照基追肥比例，分次施入，2017年3月中旬萌芽期、6月中旬春稍停长期追施化肥，采用穴施法，在树冠外围的东、西、南、北4个方向各挖1个深40 cm的穴，在穴内施肥，至2017年苹果采收后结束。化肥分期施用配比如表3。

表3 不同时期化肥分配比例 （%）

以目标产量2000 kg和百千克养分需求量N 0.8 kg、P2O50.3 kg、K2O 0.9 kg 计算施肥量，采用氮素实时监控法［10］、磷钾恒量监控法［11］和土壤测定数据确定，养分需求年供应量分别为40、6、18 kg（表4）。

表4 各处理施肥量

1.3 样品采集与测定

1.3.1 苹果树根样的采集及测定

2017年8月按处理各选3株长势较好的健康苹果树，在树干外围主干枝下同一方向，采用根钻法在施肥沟内和沟外（远离树干施肥沟外侧）20 cm处，根钻内径 6.35 cm，样室高 10.00 cm，样室容积316.73 cm3。按0～15、15～30 cm土壤层分层取土，每层各选取2个点采样，收集其中根样，共计84个样品。将所取样品置于筛子上，用小水流缓慢冲洗，防止根系丢失。冲洗完后采用加拿大Regent公司生产的Win RHIZO根系形态分析系统对根系形态进行分析测定［12］，再分别称其鲜重，置于80℃烘箱中烘干至恒量，称干重，计算其含水量。

1.3.2 土壤微生物测定

2017年8月试验园采用5点取样法（取5个重复混匀样），选取每个处理的5个重复耕作层 （0～30 cm，平行树中每个周围采集一个）新鲜土样共35个装袋带回实验室，进行微生物分离［13］。应用BIOLOG生态测试板（美国Matrix Technologies Corporation生产）测定土壤微生物碳源利用多样性。称取相当于10 g烘干土重的新鲜土样加入内有100 mL无菌水的三角瓶中，盖锡箔纸，200 r·min-1振荡30 min，然后按逐步稀释法，依次稀释为10-2、10-3梯度液。用 10-3稀释液接种生态测试板，接种量为 150 μL。每样1板 （3次重复），将接种好的测试板加盖在（25 ±1）℃下培养 10 d，每隔24 h用BIOLOG在590 nm下读数［14］。将平均吸光 （AWCD）值作为微生物整体活性的有效指标［15］。AWCD值的变化速度 （斜率）和最终能达到的 AWCD值反映了土壤微生物利用某一碳源物质的能力。用土壤酶联免疫吸收分析反应144 h的数据计算土壤微生物群落对31种碳源利用能力的不同，分别计算Shannon-Wiener 物种丰富度指数 H、碳源利用丰富度指数 S、Shannon-Wiener 均匀度指数E，并进行主成分分析。

1.4 统计分析

所有数据均采用 Excel 2003和SPSS 24.0进行处理和统计分析及作图。微生物数量与土壤养分进行偏相关性分析，不同处理间根干重、根长、根表面积、根体积进行主体间效应检验。根据培养基利用碳源的丰富度、多样性和均匀度指数，按照计算物种指数的方法［11］计算土壤微生物群落的功能多样性。

Shannon-Wiener 物种丰富度指数H、碳源利用丰富度指数S、Shannon-Wiener 均匀度指数E、Simpson 优势度指数Ds、Pi为第i孔的相对吸光值与所有整个微平板的相对吸光值总和的比值，计算公式如下［16］：

S=被利用碳源的总数

主成分分析研究的是变量之间的相关关系，通过变量相关矩阵内部结构的研究，找出控制所有变量的几个主成分，它的一般步骤［17］为：（1）确定分析变量，收集数据资料；（2）对原始数据进行标准化处理，主要是为了消除量纲不同带来的影响；（3）对标准化后的数据进行相关系数矩阵计算；（4）计算相关系数矩阵的特征值和特征向量，并按照特征值大小排序；（5）计算各主成分的贡献率和累积贡献率；（6）确定主成分个数，一般选取累积贡献率85%以上的主成分；（7）以各主成分的贡献率为权重进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 局部配施有机肥替代化肥对苹果树根系生长的影响

2.1.1 局部配施有机肥替代化肥对苹果树沟内、沟外根系生长的影响

用SPSS 24.0进行主体间效应检验［18-22］，沟内苹果树根干重、根系表面积显著大于沟外（P<0.05） 。沟内取样处理Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7根干重较沟外分别提高50.31%、87.96%、260.16%、595.13%、70.86%、87.88%、0.25%（图1）；沟内取样处理Y3、Y4、Y5、Y7根长较沟外分别提高48.86%、70.00%、71.71%、133.71%，沟 内 取样处理Y1、Y2、Y6根长较沟外分别降低58.70%、8.16%、36.06%（图2）；沟内取样处理Y2、Y3、Y4、Y5、Y7表面积较沟外分别提高28.25%、83.97%、192.19%、86.48%、99.53%，沟 内 取 样处理Y1、Y6表面积较沟外降低15.77%、3.22%（图3）；沟内取样处理Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7根体积较沟外分别提高127.77%、38.51%、228.99%、690.26%、104.87%、19.19%，沟内取样处理Y5根体积较沟外降低36.21%（图4）。试验结果表明，沟内集中施肥可显著提高根干重、根系表面积，改善根的构型，从而增加根吸收养分和水分的能力；沟施肥水方式中最有利于根系生长的常规有机肥替代氮肥比例为40%～60%；果枝有机肥替代化肥也可促进根系生长，没有常规有机肥300%替代效果明显，最佳比例需进一步试验验证。

2.1.2 局部配施有机肥替代化肥对苹果树根系生长的影响

根系形态是影响养分吸收的重要因素，根长、根表面积、根体积均能反映根系吸收能力的 强弱［23-26］。Y5较Y1根体积显著提高，其它处理间根体积无显著性差异；Y1～Y7处理的根干重、根长、根表面积之间无显著性差异（表5）。Y2～Y7处理根干重比Y1分别提高了6.95%、6.95%、9.27%、29.13%、25.83%、14.23%；Y2～Y7处理根长比Y1分别降低了39.97%、32.43%、1.72%、15.31%、10.03%、36.16%；Y4、Y5、Y6处理根表面积比Y1分别提高了33.66%、15.05%、22.89%，Y2、Y3、Y7根表面积比Y1降低了13.32%、0.29%、5.01%；Y2～Y7处理根体积比Y1分别提高了16.59%、22.76%、65.20%、248.60%、49.04%、36.12%。Y7较Y6根干重、根长、根体积有所降低，但根表面积增加明显。

表5 局部配施有机肥替代化肥各处理对根生物量和根系形态指标的影响

试验结果表明，局部配施有机肥处理0～30 cm根系密集区土层根干重、表面积、体积较全量化肥均有不同程度的增长，但是根长有所降低。究其原因，可能是局部配施有机肥处理促进了根系的干物质积累，而单纯化肥处理促进了根系的伸长。各有机肥处理较单施化肥处理增加根干重6.95%～25.83%，降低根长1.72%～39.97%。有机肥替代氮肥表面积、体积均有不同程度地增加，表面积增加了15.05%～33.66%，体积增加了16.59%～248.60%，可见，干重和体积增加最明显，其次是表面积。分析原因，不只是有机肥对根系生长的刺激作用，还可能与根系的土壤环境利于根系伸展有关。尤其替代氮肥40%～100%的处理均明显地增加了根系表面积、根体积，改善根的构型，从而增加根吸收养分和水分的能力。但是大量施用有机肥300%替代化肥氮处理，其根干重、根长、表面积、体积均较有机肥100%替代化肥氮处理有所下降。这是由于大量的有机肥投入，其自身腐解对氮素的吸收，影响了树体的氮供应。因此，从有机肥对氮肥的替代效应和改善根系生长环境，促进苹果树根系生长及根活力的角度综合考虑，有机肥替代氮肥的适宜比例为40%～100%，高替代比例的常规有机肥促根系生长效果比等替代比例的果枝有机肥明显。

2.2 土壤微生物对不同比例有机肥配施的响应

2.2.1 局部配施有机肥替代化肥土壤微生物群落的AWCD值变化

由图5可以看出，各处理的 AWCD值都随着培养时间的增加而增加。在培养最初的 24 h，各处理AWCD值变化均较小，24～48 h，AWCD值增长速度加快，48 h后呈现快速增长并一直延续到144 h， 144 h后则趋于稳定。

在整个培养周期内，除Y4处理外，不同处理AWCD值的变化速率和最终所能达到值均低于Y1。不同处理AWCD值的变化速率和最终所能达到值排序为：Y4>Y1>Y7>Y6>Y2>Y5>Y3，该结果与赵娜等［7］的研究结果相似。其原因可能是局部配施有机肥，土壤有机质含量变高，微生物个体活性增加，但土壤微生物结构发生了不同程度地改变——土壤中微生物的优势种群增加，劣势种群竞争性减弱，微生物结构未达到新的平衡，导致微生物整体活性在短期内降低。具体来看，随着局部配施有机肥比例的增加，土壤有机质含量也随之增加，微生物个体活性增加明显，土壤微生物结构变化更大，土壤微生物整体活性大小为土壤微生物个体活性和土壤微生物结构变化双重因素响应的结果。20%～40%局部配施有机肥比100%、300%高量配施有机肥土壤有机质含量增加量少，微生物个体活性增加不明显，在土壤微生物结构发生改变的情况下，20%～40%局部配施有机肥土壤微生物整体活性更低，因此，40%局部配施有机肥AWCD值的变化速率和最终所能达到的值为不同处理最低；60%局部配施有机肥，土壤微生物个体活性增加效应大于土壤微生物结构改变效应，因此，其AWCD值的变化速率和最终所能达到值均大于Y1。

2.2.2 局部配施有机肥替代化肥土壤微生物群落多样性分析

Maguran指出 Shannon指数受群落物种丰富度影响较大［27］。由表6可知，处理Y2、Y4、Y5、Y6、Y7与Y1无显著性差异，Y3较Y1显著降低。可能是由于局部配施有机肥提高了土壤有机质及激素含量，促进了优势微生物种群快速增殖，造成土壤微生物群落结构的重建，降低了土壤微生物的多样性，这与孔维栋等 ［28］的研究结果相似。

表6 土壤微生物群落多样性指数

Simpson指数反映群落中常见的物种，本试验中处理Y2、Y4、Y5、Y6、Y7与Y1无显著性差异，Y3较Y1显著降低。可能是由于局部配施有机肥促进优势微生物种群快速增殖的同时，也使部分劣势菌种遭到淘汰，表现出土壤微生物物种的调整。

从均匀度Pielou指数来看，与Y1相比，除Y3外，Y2、Y4、Y5、Y6、Y7都有不同程度地提高，说明合适比例的局部有机配施可提高土壤微生物的均匀度，更有益于苹果树根系的生长。

从土壤微生物多样性结果看，20%～40%局部配施有机肥Shannon指数、Simpson指数、Pielou指数更低，这和AWCD值分析结果一致。

2.2.3 局部配施有机肥替代化肥土壤微生物碳源利用多样性的主成分分析

土壤微生物多样性反映了群落总体的变化，但未能反映微生物群落代谢的详细信息，研究土壤微生物对不同碳源利用能力的差异，有助于更加全面地了解微生物群落代谢功能特性［30］。通过对BIOLOG测试所获得的反应 144 h数据进行主成分分析，可以在降维后的主元向量空间中，用点的位置直观地反映出不同土壤微生物群落功能多样性变化。由PCA分析得出前6个主成分累计贡献率为100%，前2个主成分累计贡献率为 57.5%。利用前2个主成分做局部配施有机肥替代化肥土壤对碳源利用的排序（图6），Y2、Y5、Y6、Y7得分值较低且与Y1非常接近，说明单施化肥、20%有机肥局部替代及高量有机肥替代（≥100%有机肥替代）对果园土壤微生物碳源利用的影响较小，可能是由于这4种施肥方式并未达到微生物活动的最佳C/N（约25/1）值［29］。比较 Y3、Y4处理与Y1处理，在主成分1轴上的得分值之间则有很好的分离，也就是说，40%～60%局部有机肥配施微生物对碳源利用与单施化肥有较大差异，说明40%～60%局部有机肥配施可改善土壤微生物生存环境，提供适合土壤微生物生长所需的合适 C/N值，与单施化肥形成明显区别。

与主成分1和主成分2具有较高相关系数的碳源见表7。由表7可以看出，对主成分1贡献率最高的是D-甘露醇，属于醇类物质；而在主成分2中，贡献率最大的是L-天冬酰胺酸，属于氨基酸类物质。因此，对主成分起分异作用的主要碳源是醇类物质和氨基酸类物质。

表7 土壤中与主成分1和主成分2相关显著的主要培养基

3 讨论与结论

本研究表明，局部配施有机肥处理0～30 cm根系密集区土层根干重、表面积、体积较全量化肥均有不同程度的增长，干重和体积增加最明显，其次是表面积；但是根长有所降低。究其原因，可能是局部配施有机肥处理促进了根系的干物质积累，而单纯化肥处理促进了根系的伸长。从有机肥对氮肥的替代效应和改善根系生长环境，促进苹果根系生长及根活力的角度综合考虑，有机肥替代氮肥的适宜比例为40%～100%，高替代比例的常规有机肥促根效果比等替代比例的果枝有机肥明显。

在改善土壤生物学性质方面，利用BIOLOG板测定不同处理土壤微生物多样性发现，在整个培养周期内，除Y4外，其它有机肥替代化肥处理的 AWCD值变化速率和最终所能达到的值均低于Y1。其原因可能是局部配施有机肥，土壤有机质含量增加，微生物个体活性提高，但土壤微生物结构发生了不同程度的改变—土壤中微生物的优势种群增加，劣势种群竞争性减弱，微生物结构未达到新的平衡，导致微生物整体活性在短期内降低。土壤微生物整体活性大小为土壤微生物个体活性和土壤微生物结构变化双重因素响应的结果。土壤微生物群落丰富度降低、多样性差异不显著、均匀度有所提高。合适比例的局部有机配施可提高土壤微生物的均匀度，更有益苹果树根系的生长。对碳源利用主成分起分异作用的主要是醇类物质和氨基酸类物质。

上述研究结果显示，从局部配施有机肥改善苹果树根系生长环境，促进苹果树根系生长及根活力和生物学效应的角度综合考虑，有机肥替代氮肥40%以上效果明显，考虑到有机肥缓释效应及果农的接受度，常规有机肥替代氮肥最佳比例为40%，果枝有机肥最佳替代比例需进一步试验验证。