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作者简介:

田想(1997-),男,湖北蕲春人,硕士研究生,从事环境生态学研究。E-mail:Ricardo_tian@163.com。

通讯作者:

姜炎彬,E-mail:jiangyanbin@mail.hzau.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    果园种植绿肥可以改善土壤理化特性,减少养分流失,从而改善树体营养状况,提高果实产量和品质,因此可以一定程度上替代矿质化肥的施用。通过在湖北省当阳市凤凰山柑橘基地进行田间小区试验,设置 5 个施肥处理:当地常规施氮量(N100),种植绿肥但不施氮肥(GN0),种植绿肥配施当地常规施氮量的 70% (GN70),种植绿肥配施当地常规施氮量的 85%(GN85)和种植绿肥配施当地常规施氮量(GN100),探究减施氮肥下种植绿肥对橘园土壤肥力、果实产量和品质的影响。研究结果表明:与 N100 相比,在橘园种植光叶苕子 75 kg·hm-2,并减施 30% 以内的氮肥处理(GN70、GN85、GN100),对橘园土壤肥力(总氮、碱解氮、有效磷和速效钾、微量元素 Fe、Mn、Cu 和 Zn 等)、柑橘果实产量和品质(果实纵径、皮厚、可溶性固形物、可滴定酸、维生素 C、可食率等)均无显著影响。该研究说明在当阳橘园种植绿肥 75 kg·hm-2 可以替代 30% 氮肥的施用,且不会降低土壤肥力以及柑橘的产量和品质,研究结果可为柑橘园绿肥种植的推广以及氮肥的减施提供理论依据和技术参考。

    Abstract

    Planting green manure in orchard can improve soil physical and chemical properties,then reduce nutrient loss, improve tree nutrition as well as fruit yield and quality.Therefore,the use of mineral fertilizers can be replaced partially by planting green manure.Five fertilization treatments were set up in Fenghuangshan Citrus Base of Dangyang City, Hubei Province,namely,the local conventional nitrogen fertilizer application(N100),planting green manure without N application(GN0),planting green manure with 70% of the local conventional nitrogen fertilizer application(GN70),planting green manure with 85% of the local conventional nitrogen fertilizer application(GN85),planting green manure with local conventional nitrogen fertilizer application(GN100).The effects of Vicia villosa var.glabrescens planting with reduced nitrogen fertilization on soil fertility,fruit yield and quality in citrus orchard were investigated.The results showed that in the first year of planting V.villosa var.glabrescens of 75 kg·hm-2 in the citrus orchard,the soil fertility(total nitrogen,alkalihydrolyzed nitrogen,available phosphorus and available potassium,trace elements Fe,Mn,Cu and Zn),the fruit yield and quality(fruit longitudinal diameter,peel thickness,soluble solids,titratable acid,vitamin C and edible rate)were not significantly affected by reducing the amount of nitrogen fertilizer by 30%.This study indicates that green manure planting of 75 kg·hm-2 in citrus orchards can replace the application of chemical fertilizer at 30%,and it will not reduce the soil fertility and the yield and quality of citrus fruits.The results can provide theoretical basis and technical reference for the promotion of green manure planting and the reduction of nitrogen fertilizer application in citrus orchards.

    关键词

    绿肥氮肥土壤养分柑橘产量柑橘品质

  • 氮素是果实生长发育的基础,对果实产量和品质形成发挥着重要作用[1]。有研究表明,对柑橘生长发育影响最大的肥料是氮肥[2]。因此,保证氮肥充足是柑橘果树获得高产的保证,但氮素过量会对果园生态环境造成不良影响。如:土壤板结且肥力下降,环境污染,果树早衰最终导致果树单产低、果品品质下降等问题[3-4]。长期依赖于化肥和农药的投入获得高产存在诸多弊端,而频繁的清耕不仅会破坏土壤的理化性状,造成土壤养分流失,而且会破坏果树根系的生长环境[5]。果园种植绿肥可以调节果园小气候,抑制杂草生长和防治病虫害,从而使果树优产高产,减少环境污染及土壤侵蚀[6]。因此,改变传统的果园种植模式,利用果树行间空地种植绿肥作物,能够在一定程度上解决中国柑橘产业面临的品质较低及可持续生产等问题。

  • 绿肥作为一种有机肥源,在果园种植后不仅可以减少化肥的使用,还可以培肥土壤肥力,改善土壤质量[7-8],提高果树根系活力和养分吸收的能力,从而促进果树生长发育,提升产量和品质[9-10]。果园绿肥的种植模式主要分为自然生草和人工生草。自然生草是指从当地果园常见的杂草中挑选出适合当地气候条件,生殖能力强的无害杂草,多年种植后达到覆盖果园的目的。人工生草则是根据当地果园性质、土壤条件和气候条件等在果园内有选择地种植一些生殖能力强的草种,如在渭北苹果园种植白三叶,江苏常熟苹果园种植鼠茅草等,都取得了良好的生态和经济效益[11-13]。豆科绿肥有较强的生物固氮作用,是常用的人工生草种类;有研究表明光叶苕子是适合于华中地区柑橘园的优良绿肥品种[14]。绿肥刈割覆盖土壤或翻压入土,在土壤微生物的作用下腐解,会向土壤中释放出大量的氮磷钾等营养元素,从而提高土壤肥力和生产力,影响果树生长发育和改善果实品质[15-16]。相关研究表明,翻压光叶苕子,减少化肥用量15%,土壤肥力得到显著改善,土壤有机质、全氮、碱解氮等含量显著提高[17];绿肥配施减量40%的化肥,蜜柚产量提高10.0%,可食率提高14.5%[18];种植光叶苕子减少化肥用量1/3,柑橘产量未显著降低,果实可食率、可溶性固形物等品质得到提高[19]

  • 在我国有关果园绿肥的研究起步较晚,大部分果园管理方式仍以传统清耕制度为主,长期依靠大量的化肥投入以达到高产的目的。果园行间种植绿肥在减少化肥施用的同时,一定程度上可以解决果实的品质较低及可持续生产等问题。目前,柑橘园绿肥种植依然处于小面积试验和小规模推广阶段,多数试验仅是简单的指标对比分析,没有从整体上系统地研究“土壤-柑橘-环境”生态体系。本研究作为“土壤-柑橘-环境”生态体系的一部分,重点关注氮肥减施下绿肥种植对土壤环境和柑橘果实产量和品质的影响,以期为柑橘园绿肥种植的推广以及氮肥的减施提供理论依据和技术参考。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验地概况及材料

  • 试验于2017 ~ 2018 年在湖北省宜昌市当阳市凤凰山柑橘基地(N30°39′48.98″,E111°48′24.82″) 进行。该地属亚热带季风气候,平均日照数为1 850 h, 年均气温16.4℃, 年均降水量936 ~ 1 048 mm,降水多集中于4 ~ 7 月。试验地平均海拔79 m,坡度24°,土壤类型为典型黄棕壤,基本性质见表1;柑橘品种为无核椪柑,树龄15 年, 冠幅3 m×2.5 m,树高2.5 m,树势中等,均处于盛果期。供试绿肥为光叶苕子(Vicia villosa var. glabrescens),由云南省农业科学院提供。

  • 表1 供试土壤的理化性质

  • 1.2 试验设计

  • 试验共设5 个处理:(1)N100:当地推荐施氮量,不种植绿肥,自然生草;(2)GN0:不施氮肥, 种植绿肥;(3)GN70:当地推荐施氮量的70%,种植绿肥;(4)GN85:当地推荐施氮量的85%,种植绿肥;(5)GN100:当地推荐施氮量,种植绿肥。 具体施肥情况如表2 所示,各处理磷肥和钾肥用量保持一致,分别以过磷酸钙和硫酸钾施用,氮肥以尿素施用。3 次重复,小区面积为35 m2。于2017 年11 月7 日在果树行株间撒播光叶苕子,播种量为75 kg·hm-2,树盘1 m内不种植绿肥,2017 年12 月6 日和2018 年6 月23 日分两次施肥,单次施用总肥料用量的50%。果树田间管理按照当地常规管理措施进行,各小区保持一致。绿肥作物于2018 年6 月10 日刈割,刈割后绿肥残体直接覆盖地面还田。

  • 表2 试验处理及化肥用量和绿肥播种量(kg·hm-2

  • 1.3 研究方法

  • 1.3.1 样品采集与制备

  • 绿肥样品:分别于光叶苕子初花期(2018 年4 月17 日)、盛花期(2018 年5 月19 日)、终花期(2018 年6 月10 日)采集地上部分以测定产量和养分含量。

  • 土壤样品:本研究中绿肥刈割覆盖还田后,腐解期持续时间为6 ~ 9 月;土壤样品的采集时期除绿肥的各生育期以外,还增加了绿肥腐解期(2018 年6 月24 日,以下简称“腐解期”);在每个试验小区以五点法采集0 ~ 20 cm土样。土壤自然风干后,挑除植物残体和石块等杂物,测定土壤pH、 有效磷、速效钾、碱解氮、微量元素含量以及土壤全氮和有机质的含量。

  • 柑橘果实样品:于柑橘成熟期(2018 年12 月16 日)采集柑橘果实样品。

  • 1.3.2 测定指标及方法

  • 绿肥样品:样品经清洗、杀青、烘干并碾磨粉碎后,将不同时期采集的光叶苕子样品经硫酸-双氧水消煮,分别用半微量开氏法测定全氮含量;钼锑抗比色法测定全磷含量;火焰光度法测定全钾含量;重铬酸钾容量法测定全碳含量,用原子吸收分光光度计测定有效Fe、Mn、Cu、Zn含量。

  • 土壤样品:半微量凯氏法测定全氮含量,碱解-扩散法测定碱解氮含量,重铬酸钾容量-外加热法测定有机质含量,0.5 mol·L-1 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量,1 mol·L-1 醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量[20];乙酸铵交换-AAS测定有效Fe、Mn、Cu、Zn含量。

  • 柑橘果实样品:测定柑橘果实重量;果实样品的横纵径及果皮厚度均用游标数显卡尺(日本,Mitutoyo)测定;柑橘剥去果皮用榨汁机榨汁后,采用氢氧化钠中和滴定法测定可滴定酸含量, 2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量,手持数显糖量计(日本,PAL-1)测定可溶性固形物含量。

  • 1.3.3 数据分析

  • 采用单因素方差分析(One-Way ANOVA, LSD)比较不同处理间的数据差异显著性,显著性水平设定为 P< 0.05。方差分析在SPSS 19.0 中进行。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同施肥量下光叶苕子的产量和养分累积量

  • 不同比例的氮肥配施作用下绿肥作物光叶苕子的鲜草产量在各个生育期内的差异不显著,初花期产量在6 577 ~ 8 012 kg·hm-2 之间,盛花期产量在14 592 ~ 16 853 kg·hm-2 之间,终花期产量在16 156 ~ 17 864 kg·hm-2 之间;各生育期间产量有一定的差异,盛花期和终花期无显著差异。总体而言,各处理的鲜草产量均在终花期达到最高,而施氮量的影响并不显著。

  • 不同施肥量下光叶苕子的氮素累积量在95.58 ~ 220.05 kg·hm-2 之间; 碳素累积量在1 019.68 ~ 2 424.37 kg·hm-2 之间; 磷素累积量在11.90 ~ 29.71 kg·hm-2 之间; 钾素累积量在79.20 ~ 172.41 kg·hm-2 之间;随着生育期进行,各元素累积量均逐渐升高,在终花期达到最大值。在光叶苕子的终花期,其碳素累积量最高的是GN85,显著高于GN0,但与GN70 和GN100 相比差异不显著;氮素累积量最高为GN100 处理,但与其他处理相比差异不显著(P>0.05);磷素和钾素累积量最高的分别是GN85 和GN100 处理。

  • 表3 不同施氮量下光叶苕子不同生育期的地上部鲜草产量(kg·hm-2

  • 注:按照果园实际面积的60%计算;同列中小写字母不同表示同一时期不同施肥处理间差异显著(P< 0.05),同行中大写字母不同表示同一处理不同时期差异显著(P< 0.05)。

  • 表4 不同施肥处理下绿肥养分累积量(kg·hm-2

  • 注:同列中不同的小写字母表示同一处理不同时期的差异显著(P<0.05),同行中大写字母不同表示同一时期不同处理间的差异显著(P<0.05)。

  • 2.2 光叶苕子与减量氮肥配施对土壤肥力的影响

  • 终花期光叶苕子的养分累积量达到最高值,且为尽量减少径流引起的养分流失,本试验在光叶苕子的终花期对其地上部分进行刈割覆盖还田为橘园提供养分。为分析光叶苕子种植对土壤肥力的影响,选择两段时期的土壤样品进行分析和比较:终花期和腐解期。从图1 可看出,绿肥腐解后土壤有机质、总氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量等均有一定程度的提升。下面主要比较腐解期各个处理的养分含量差异。腐解期土壤有机质和总氮含量均高于N100 处理。其中,土壤有机质含量最高的是GN100 处理,为25.11 g·kg-1,其次是GN0 和GN70 处理,均显著高于N100 处理(P< 0.05);土壤总氮含量最高的也是GN100 处理,为1.67 g·kg-1;其次是GN70 处理,为1.61 g·kg-1;N100 处理最低,为1.44 g·kg-1,各处理间差异不显著(P>0.05)。土壤碱解氮含量各处理均高于N100,除GN70 处理外, 其他处理与N100 间的差异均显著(P< 0.05)。土壤有效磷含量最高的是GN85 处理,为73.06 mg·kg-1, 其次是GN70 处理,为71.15 mg·kg-1,各处理间无显著差异(P>0.05)。土壤速效钾含量最高的是GN85 处理,为250.09 mg·kg-1,其次为GN100 处理,为243.77 mg·kg-1,N100 含量最低,为235.66 mg·kg-1,各处理间差异不显著(P>0.05)。

  • 图1 种植光叶苕子配施不同比例氮肥对土壤养分含量的影响

  • 注:图中柱子上方字母不同代表处理之间具有显著性差异(P<0.05),未标注字母的表示各处理间的养分含量无显著差异。

  • 腐解期土壤有效铁和有效锰的含量较高,有效铁含量最高的是GN0 处理,为78.52 mg·kg-1, N100 处理最低,为60.35 mg·kg-1,两者差异显著(P< 0.05)。有效锰含量最高的是GN100 处理, 为214.15 mg·kg-1,显著高于N100 处理(165.86 mg·kg-1)(P< 0.05)。土壤有效铜含量最高的是GN0 处理, 为1.02 mg·kg-1, 显著高于N100 处理;土壤有效锌含量最高的是GN70 处理,为1.46 mg·kg-1,各处理间无显著性差异(P>0.05)。

  • 根据以上结果,种植绿肥一定程度上增加了土壤的有机质、总氮、碱解氮、有效磷、速效钾以及土壤有效铁、有效锰和有效铜含量;不同氮肥施用量下光叶苕子种植后对土壤养分的影响不尽相同, 但总体上使各种养分含量呈不变或升高趋势,说明种植绿肥对土壤养分含量有积极作用,且替代氮肥用量至30%,不会对土壤养分含量产生不利影响。

  • 2.3 光叶苕子与减量氮肥配施对柑橘产量和品质的影响

  • 由表5 可知,种植光叶苕子配施减量30%、 15%和0%的氮肥,三者相比较,柑橘的产量略有波动,但总体来说,柑橘产量与N100 相比无显著差异,可以达到当地常规产量水平。

  • 与总产量变化相似,GN0 处理的单果重与其他处理差异显著,且相比N100 降低11.5%,各添加氮肥处理间无明显差异;果皮厚度所有种植绿肥处理(GN0、GN70、GN85 和GN100) 与N100 间均无显著差异;各处理间果实纵径和果型指数均无显著差异(表6)。因此,减少氮肥用量15%~ 30%, 对柑橘外观品质无明显影响。

  • 表5 种植光叶苕子与不同比例化肥配施下柑橘的产量

  • 表6 绿肥与不同比例化肥配施下柑橘的外在品质

  • 就柑橘果实的内在品质而言, 与N100 相比,GN100 处理对维生素C含量改善最好,提高了6.54%;GN85 处理对可溶性固形物改善效果最好,提高了2.72%;可滴定酸、固酸比和出汁率各处理间无明显规律;相较N100 而言,各种植绿肥处理的可食率均有所提高;所有这些内在品质指标在各处理间的差异不显著。因此,减少氮肥用量15%~ 30%对柑橘内在品质亦无显著影响。

  • 表7 绿肥与不同比例化肥配施下柑橘的内在品质

  • 3 讨论

  • 3.1 绿肥与减量氮肥配施对果园土壤肥力的影响

  • 果园生产在绿肥与化肥配合施用的基础上,适当降低化肥用量,不仅不会减少土壤养分状况,而且可以改良土壤性状,提高土壤肥力[717]。主要原因有以下几个方面:首先,豆科绿肥有较强的生物固氮作用,可直接固定空气中的氮,从而增加土壤中的氮素;其次,各种绿肥茎叶也含有丰富的养分,其植物体腐解后会增加土壤有机质和氮、磷、 钾以及各种微量元素的积累;同时,绿肥作物在生长过程中的分泌物以及腐解产生的有机酸能使土壤中难溶性的磷、钾等转化为能利用的有效磷、钾; 再则,绿肥种植和腐解后,微生物活性大大增加, 它们能吸收固定化肥磷、钾,促进无机磷钾向有机转化;绿肥还可通过其发达的根系富集深层土壤中的磷、钾到土壤耕层中[81821-23]。已有大量研究表明,在果园种植绿肥可以显著提高土壤肥力,随着种植年限的增加,土壤有机质含量和氮、磷、钾等养分含量也逐年增加[24-28]。本试验中,在橘园种植豆科绿肥光叶苕子后,减少当地推荐施氮量的30%,土壤中有机质、微量元素铁、锰、铜以及其它各种养分含量,如氮、磷、钾等都有一定程度的提升或无显著变化,说明种植光叶苕子确实一定程度上能替代部分氮肥施用,而不会降低土壤养分, 从而达到减施化学氮肥的作用;但由于绿肥种植年限尚短,其对土壤性质的改良效果还有待进行连续多年的观测。

  • 3.2 绿肥与减量氮肥配施对果实产量和品质的影响

  • 已有大量的研究表明果园种植绿肥可以提高果实产量,促进品质的提升[2129-32]。但绿肥与减量氮肥配施对果实产量和品质影响的研究较少。吴杰等[18]研究发现,在红壤地区的柚园和雪柑园中绿肥配施减量化肥与常规施肥相比,蜜柚园减少化肥用量40%,蜜柚平均产量提高了10.0%,果树含酸量和总糖量无明显差异,可食率提高了14.5%; 雪柑园减少化肥用量50%,雪柑平均产量提高了6.0%,果实可食率提高了5.1%,果皮厚度降低了0.4 mm。张久东等[33] 通过在小麦地减施化肥和复种毛叶苕子试验研究,发现在施用绿肥75 000 kg·hm-2(绿肥干物质产量全部还田),降低化肥施用量10%~ 40%,均不会降低小麦产量,还一定程度上较当地常规施肥提高了经济效益60%以上。绿肥对果实产量的影响主要体现在其对树体长势的影响,良好的树体长势能提高果实单果重、果实硬度、可溶性固形物含量等方面的综合质量。绿肥对树体长势的影响在于其一方面可在降雨时期储蓄水分、防止水土流失,在干旱、高温季节能显著降低果园土壤温度,保持土壤湿度;另一方面通过自身分泌或分解释放出大量的有效养分以供果树利用[34-38]。矿质和非矿质营养元素对果实的品质影响很大,氮是果树生长发育的必需元素,对植株生长及果实品质起到十分重要的作用;磷是细胞分裂中合成DNA必需的成分之一,缺磷的果实细胞数目减少,生长受到影响;钾能促进细胞体积增大和糖分向果实体内运输,果肉细胞中糖分的积累可有效促进果实的着色,有机酸是决定水果味感的重要成分,柑橘中的有机酸主要为柠檬酸,促进了果实的可食性;因此,绿肥的种植通过直接或间接的影响,在提高果实产量的同时,提升果实的品质。本研究中,在橘园种植绿肥并减少15%~ 30%的氮肥施用量时,与常规施肥相比,柑橘的果实品质和产量无显著差异或略有提高,说明在绿肥的保土培肥作用下,减施30%氮肥用量不会导致柑橘减产和果实品质变差。

  • 4 结论

  • 本研究在现有橘园化肥施肥量条件下,进行绿肥种植配施减量氮肥试验,得出结论:与常规施肥相比,种植豆科绿肥光叶苕子,可以减少30%的化学氮肥施用,还可为柑橘园土壤提供充足的肥源,以保证柑橘果实品质和产量,因此,可以在光叶苕子适生区尝试推广柑橘园间种光叶苕子,以减少氮肥的施用,提高生态和经济效益。

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