冯丰 曹辉 荀咪 李萍 岳松青 张玮玮 杨洪强

摘要：废弃果树枝条富含有机碳，本试验将苹果废枝改性后与化肥配合施于苹果幼树根区，结果表明：土壤施入1%的改性苹果废枝及其与适量化肥配施，都明显提高中度干旱时的土壤保水性，增加根区土壤微生物数量，提高细菌与放线菌相对于真菌的比例，提高土壤中蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶的活性，也使根系总长度、表面积、体积、平均直径、根尖数和根系分形维数明显增大；改性苹果废枝与化肥配施效果最显著，土壤细菌、放线菌、微生物总数分别提高249.03%、249.31%和248.78%，土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性分别提高33.05%、23.70%和49.86%，根系总长度、表面积、体积和根尖数分别提高51.75%、46.71%、41.84%和99.03%。

关键词：改性苹果废枝；土壤微生物；土壤酶；根系构型；化肥

中图分类号：S141.9 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）09-0083-06

Abstract The abandoned apple branches are rich in organic carbon. In this study， the apple branches were chemically modified and then applied to root zone of young apple trees with chemical fertilizer. The results were as follows. The application of 1% modified apple waste branches in soil and its application with moderate amount of chemical fertilizer could enhance the soil water retention capacity when the soil relative water content （SRWC） was relatively low， increase the amount of soil microorganisms in the root zone， increase the ratios of bacteria and actinomycetes to fungi， increase the activity of sucrase， urease， neutral phosphatase， and catalase in soil， and increase the root activity and total root length， surface area， volume， average diameter， number of root tips and fractal dimension of roots. The effect of combined application of modified apple waste branches and chemical fertilizer was more significant. It increased the total number of soil bacteria， actinomycetes and microbes by 249.03%， 249.31% and 248.78% respectively， increased the soil sucrase， urease and neutral phosphatase activities by 33.05%， 23.70% and 49.86% respectively， and increased the total root length， surface area， volume and number of root tips by 51.75%， 46.71%， 41.84% and 99.03% respectively.

Keywords Modified apple waste branches； Soil microorganisms； Soil enzyme； Root architecture； Chemical fertilizer

長期依赖化肥的生产方式，导致我国农田（包括果园）土壤有机质含量普遍下降，急需大量有机肥的投入[1，2]。有机肥的生产需要富含有机碳的物质做原料，我国是水果生产大国，在果树整形修剪和老果园更新等过程中，每年都有大批废弃枝条产生，这些枝条富含有机碳，是重要的有机质来源。但目前在很多地方，大批果树枝条被焚烧，或被丢弃在果园和周边，不仅浪费资源还给环境带来严重威胁，因此，废弃枝条的资源化利用对于果树生产和环境保护均有重要意义。研究表明，果树枝条比作物秸秆含有更多的木质素，木质素不易被微生物完全降解而很容易转化形成胡敏素[3]，胡敏素是与土壤矿物颗粒结合最紧密的腐殖质组分，对土壤结构有更好的稳定作用[4，5]，把果树枝条返还果园将更有利于提高土壤肥力。但果树枝条直接应用于果园会对土壤微生物和果树根系造成一定毒害[6]，而且，枝条携带的有害生物未被杀灭，也会给果园病虫害传播埋下隐患。堆腐发酵可以杀死有机废弃物所夹带的大部分病菌、虫卵和杂草种子等[7]，将果树枝条粉碎发酵后施入果园，明显改善土壤性状，促进植株生长，提高果实产量和品质[8-10]；将果树枝条炭化后施于土壤也可提高苹果根区土壤细菌丰富度，促进根系发育和果树生长[11，12]，因此枝条的发酵和炭化处理在果树生产中具有良好的应用前景。但是枝条发酵处理需要时间比较长，炭化处理需要高温加热和厌氧条件。化学改性是木材加工的重要技术之一，它能够高效、快速地处理木材等生物质，在材料工业中有较多应用[13]，目前化学改性木材（包括果树枝条）在土壤中的应用尚未见报道。本研究以果园修剪下来的苹果枝条为原料，粉碎、改性后施入苹果根区，调查根区土壤与根系的变化，明确改性苹果废枝与化肥配施的效果，以期为合理应用果树枝条及改善根区环境提供参考。

1 材料与方法

试验于2017年春季在山东农业大学国家苹果工程中心果树试验站和山东省高校果树生物学重点实验室进行。

1.1 试验材料

改性苹果废枝是将冬季剪下的苹果枝条粉碎后，按比例加入多元醇和硫酸，混匀后加热2 h，冷却后制成，成品总有机碳含量437.76 g/kg，全氮4.59 g/kg，全磷0.56 g/kg，全钾5.83 g/kg，pH值 2.0～2.3。试验用复合肥N-P2O5-K2O含量为18%-18%-18%。

试验用树为生长势相近的2年生盆栽‘富士苹果树，砧木为平邑甜茶；盆栽容器直径30 cm、高35 cm、装土量15 kg；盆栽土壤有机质含量1.08 g/kg，碱解氮112.0 mg/kg，速效磷41.5 mg/kg，速效钾125.7 mg/kg，pH值 7.33。

1.2 试验处理

试验设4个处理，处理G：每盆施入改性苹果废枝150 g（土壤质量的1%）；处理F：每盆施入化肥6 g（40 mg/kg）；处理G+F，每盆施入改性苹果废枝150 g +化肥6 g；空白对照CK。采用单株小区，随机区组排列， 重复5次，2017年秋季取样调查。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性状 土壤有机碳含量用Elab-TOC型总有机碳分析仪测定；全氮用K1100F型全自动凯氏定氮仪测定；全磷用钼蓝比色法、全钾用火焰光度法；碱解氮用扩散吸收法；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-硫酸钼锑抗比色法；速效钾用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度计法；土壤pH值用酸度计测定[14]；用TP-SR-1土壤水分传感器测定土壤相对含水量。

1.3.2 土壤酶活性與微生物数量 土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法；土壤脲酶活性用苯酚-次氯酸钠比色法；土壤中性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法；土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定[15]。

微生物数量采用稀释平板涂抹培养计数法统计。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良的高氏一号培养基（每300 mL培养基中加3%重铬酸钾1 mL），真菌采用PDA培养基（每100 mL培养基加1%链霉素溶液0.3 mL）[15]。

1.3.3 根系构型 根系构型测定先用ScanMaker i800 plus 扫描仪获取根系扫描图像，再用万深LA-S系列植物图像分析仪系统测定相关参数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理、作图，SPSS 19.0 进行方差分析，Duncans新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 改性苹果废枝与化肥配施对根区土壤pH值和保水力的影响

改性苹果废枝为酸性，用量不当可能会导致中性土壤酸化。正式试验之前，先测试了改性苹果废枝对盆土pH值的影响。

在15 kg盆土中分别施入50、100、150、200、250 g和300 g（质量比分别是0.33%、0.67%、1.00%、13.33%、16.67%和2.00%）改性苹果废枝，测定结果显示，盆土pH值由7.33分别下降至7.21、7.07、6.95、6.85、6.73和6.59，即在改性苹果废枝用量达到2.00%时，中性土壤变成微酸性，而用量1.00%时，盆栽基质pH值为6.95，虽然稍微偏酸但仍属于中性土壤，即150 g改性苹果废枝不会对土壤pH值造成很大影响，因此，后续试验均采用每盆施入150 g改性苹果废枝（1.00%的用量）。

由表1可见，G、G+F和F三个处理的盆土pH值分别为6.95、7.12和7.34；与对照比较，尽管150 g改性苹果废枝处理使盆土pH值下降0.38、150 g改性苹果废枝+6 g化肥（G+F）使盆土pH值下降0.21，但都在中性土壤范围内。

图1表明，灌水后第1～3 d，处理和对照土壤相对含水量（SRWC）在59.4%～79.3%，处于植物生长发育最适土壤含水量范围；在此时段，改性苹果废枝及其与化肥配施均使SRWC显著下降，单施化肥和对照之间没有显著差异。灌水后第4～5 d，处理和对照SRWC在49.7%～57.7%，土壤处于轻微干旱状态，此时改性苹果废枝与化肥配施对SRWC没有显著影响。但第4 d时G处理的SRWC显著低于CK，第5 d时略高于对照；灌水后第6～7 d，处理和对照SRWC在32.6%～44.2%，土壤处于中度干旱状态，此时改性苹果废枝与化肥配施的SRWC均显著高于单施化肥和对照，单施化肥和对照之间没有显著差异，尤其是灌水后第7 d，G和G+F处理的土壤相对含水量分别为39.9%和38.6%，分别比对照高22.0%和16.3%，此时单施化肥和对照的土壤已接近重度干旱（SRWC为32.7%和33.2%），而施用改性苹果废枝的土壤仍处于中度干旱，即改性苹果废枝在SRWC较低时可以增强土壤的保水力，减少土壤水分散失。

2.2 改性苹果废枝与化肥配施对根区土壤微生物种群组成结构的影响

从表2可看出，改性苹果废枝、化肥及其配施均显著提高根区土壤细菌、真菌、放线菌数量以及微生物总数，也显著提高细菌数/真菌数（B/F）、放线菌数/真菌数（S/F）的比值，其中，改性苹果废枝与化肥配施的细菌、放线菌、微生物总数最高，分别高出对照249.03%、249.31%和248.78%；其次是改性苹果废枝单施，细菌、放线菌、微生物总数分别提高233.46%、226.55%和232.75%。而且， G+F与F相比，也显著提高了细菌、真菌、放线菌以及微生物总数。表明改性苹果废枝施入土壤可促进微生物的繁衍和增殖，与化肥配施时效果更显著。

土壤细菌和真菌数量比及放线菌和真菌数量比是反映土壤微生物区系结构的两个重要特征指标。表2显示，与CK相比，处理G、G+F和F显著提高了B/F和S/F值，三者之间B/F差异不显著，但处理G+F的S/F显著高于处理G。土壤病害主要由真菌引起，较高的B/F和S/F是土壤健康的表现[16]，因此，改性苹果废枝与化肥配施对于提高放线菌的相对数量更有利。

2.3 改性苹果废枝与化肥配施对根区土壤酶活性的影响

蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶分别参与土壤中碳、氮、磷的循环，其活性与土壤养分转化有密切关系。由表3可知，处理G及处理G+F均能显著提高根区土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中，处理G使三种酶活性分别提高18.75%、22.01%和39.49%，G+F使三者分别提高32.50%、23.70%、49.86%；单施化肥（F）仅提高中性磷酸酶活性，效果远不及单施改性苹果废枝及其与化肥配施。处理G+F比处理G略高，但差异不显著，说明这三种酶的活性变化主要是由改性苹果废枝引起。表3还显示，改性苹果废枝与化肥配施显著提高过氧化氢酶活性，单施改性苹果废枝效果不明显，单施化肥则使之降低。

2.4 改性苹果废枝与化肥配施对根系结构的影响

由表4可以看出，改性苹果废枝（G）及其与化肥配施（G+F）均显著提高根系总长度、表面积、体积、平均直径、根尖数和根系分形维数；但单施化肥对根系体积和根系分形维数影响不显著。三种处理中，G+F对根系构型参数影响最大，根系总长度、表面积、体积、平均直径、根尖数和根系分形维数分别比CK提高51.75%、46.71%、41.84%、4.55%、99.03%和1.90%。G+F的作用效果也显著高于改性苹果废枝与化肥的单独处理，这表明对于苹果根量、根系加粗和加长生长以及根系结构的复杂化，150 g改性苹果废枝和6 g化肥配施比两者单施均有更好的促进作用。

3 讨论

根系是树体与土壤进行物质和能量交换的“媒介”，根系的生长发育除与遗传特性和树体地上部长势有关外，更多地受到根区土壤环境的影响[17，18]。土壤pH值作为一项重要的土壤环境指标[19]，其适宜性和相对稳定性对果树生长，尤其是根系的正常发育有重要意义。由于改性苹果废枝在制作过程中添加了硫酸，剩余的H+使其呈酸性，用量过多会使土壤pH值下降，但本试验在1%的用量下，土壤虽然稍微偏酸但仍处于中性范围，而且配施化肥减轻了pH值的下降，对根区土壤酸碱度影响不大。用量超过1%的改性苹果废枝能使土壤pH值明显下降，也提示在实际应用中，可以1%的用量为标准，在酸性土壤适当减少施用量，而在碱性土壤可增加用量，这也给盐碱地土壤改良提供了新的材料。

根区土壤水分条件直接影响果树的生长发育，施用适量生物质炭可以改良土壤结构，增加土壤团聚体稳定性，提高土壤保水能力[20，21]。本研究结果显示，在土壤中度干旱时，施用改性苹果废枝可提高土壤相对含水量，表明施用改性苹果废枝对减缓土壤干旱有一定作用。改性苹果废枝富含有机碳，施用有机肥和生物炭可通过改善土壤理化性状而提高土壤保水性能[22，23]，改性苹果废枝也可能通过类似方式改善土壤水分条件。

土壤微生物是表征土壤生态环境质量的重要指标，土壤微生物区系结构越复杂、种群量越大，越有利于土壤物质转化和能量流动以及根系对养分的有效吸收，合理施肥可以促进土壤微生物代谢和种群繁衍[24-26]。本研究发现，施用改性苹果废枝、化肥及二者配合施用均可提高土壤细菌、真菌、放线菌种群数量以及微生物种群总量，尤其在改性苹果废枝和化肥配施时，效果更突出。Luo等[27]报道施用生物炭可增加微生物生物量，曹辉等[11]研究认为炭化苹果枝可通过影响土壤结构而改善土壤微生物多样性。改性苹果废枝影响微生物的状况可能同生物炭类似，而改性苹果废枝和化肥配施还提高了土壤养分含量，因此两者配施更有利于促进土壤微生物繁衍。由于植物病原微生物多数是真菌，而有益微生物多数是细菌和放线菌，因此，从微生物种类来讲，细菌和放线菌数量多更有利于植物健康生长，表现在B/F和S/F值上，即比值越大，土壤中有益菌群越多，对植物生长越有利。本研究施用改性苹果废枝及其与化肥配施均提高土壤B/F和S/F值，显示改性蘋果废枝对改善土壤微生物种群结构、促进土壤健康是有益的。

土壤酶是表征土壤生化反应方向和强度的重要指标，其活性可在一定程度上反映土壤生物活性和土壤肥力状况[28]。本研究表明，三种处理均不同程度地提高土壤蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性，其中改性苹果废枝与化肥配施的数值最高，其次是单施改性苹果废枝，说明改性苹果废枝对土壤碳、氮、磷循环均有促进作用，有利于提高土壤肥力，与化肥配施效果更好。生物炭对植物根系生长有促进作用[30]，土壤施用适量炭化苹果枝明显增加了苹果根系数量[13]，施用富含有机碳的改性苹果废枝同样促进了根系生长发育，与化肥配施效果更好，这很大程度上是改性苹果废枝增加微生物数量、改善微生物种群结构及提高土壤相关酶活性所带来的结果。根系分形维数可在整体上反映植物根系结构特征和分支状况，分形维数值越大，根系分支越多、结构越复杂[31]。在本研究中，根系分形维数值由大到小呈现改性苹果废枝配施化肥处理>单施改性苹果废枝处理>单施化肥处理>对照，这也是根系复杂程度的排列。改性苹果废枝与化肥配施对于改善土壤理化性状和养分供给有叠加效应，因此对促进根系发育和改善根系构型呈现出最好的效果。

4 结论

1%的改性苹果废枝及其与适量化肥配合施用，都可提高中度干旱时的土壤保水性，显著增加根区土壤微生物数量，增大细菌与放线菌相对于真菌的比例，提高土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶活性，从而促进根系生长和根系分支，其中改性苹果废枝与化肥配施效果最显著。

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