起壟覆膜壟溝覆草對山地果樹氮肥吸收利用的影響

郭 偉，王延平，韓明玉，張林森，穆 艷，李生光

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.陜西省榆林市米脂縣果業(yè)辦，陜西 榆林 718100)

陜北黃土丘陵區(qū)土層深厚，海拔高，光照充足，晝夜溫差大，生產(chǎn)的蘋果色艷質(zhì)佳，深受國內(nèi)外市場青睞。目前，該地區(qū)山地蘋果面積達(dá)12.67 萬hm2，已成為頗具影響的區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)。但是，干旱少雨，土壤貧瘠，蘋果樹生長發(fā)育的水分養(yǎng)分供需矛盾十分突出，嚴(yán)重影響果實的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-5]。強(qiáng)化水肥管理、提高自然降水和肥料利用率是山地果園提質(zhì)增效的關(guān)鍵所在。一些學(xué)者開展了旱地蘋果園集雨保墑條件下的水熱效應(yīng)，樹體生長、生理，果實發(fā)育，產(chǎn)量品質(zhì)等方面研究[6-12]，有效改善了旱地蘋果樹的土壤水分狀況，提高了水分利用率。果樹根系只能吸收到根系所能夠接觸到的區(qū)域(根區(qū))的礦質(zhì)養(yǎng)分，根區(qū)外部的肥料養(yǎng)分的溶解和養(yǎng)分在土壤中的遷移、擴(kuò)散，均離不開水的參與，在干旱情況下，肥料養(yǎng)分難以通過遷移和擴(kuò)散的方式到達(dá)果樹根區(qū)，進(jìn)而被根系吸收。氮素是果樹生長所必需的大量營養(yǎng)元素，其吸收、利用和分配直接或間接影響樹體的器官分化、形成及建造，與蘋果樹體的生長發(fā)育、果實產(chǎn)量和品質(zhì)形成密切相關(guān)[13,14]。氮肥供應(yīng)不足，樹體生長和果實發(fā)育不良，產(chǎn)量降低；過量施氮，果樹營養(yǎng)生長過旺，導(dǎo)致落花落果，果實品質(zhì)降低，也會造成氮素利用率降低和環(huán)境污染。周恩達(dá)等[15]研究了過量灌溉條件下起壟栽培對富士蘋果生長和15N-尿素利用、分配的影響，張大鵬等[16]研究了滴灌施肥對蘋果氮素吸收和利用的影響，李丙智等[17]研究了渭北蘋果園滴灌施氮肥對土壤氮遷移的影響。目前，對集雨保墑條件下肥料的利用狀況研究報道少見。起壟覆膜-壟溝覆草是近年來在陜北黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)雨養(yǎng)果園大力推廣的一項集雨保墑新技術(shù)，能使雨水集聚點和施肥點重疊，有助于旱地果園土壤水分養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)果樹葉面積增大、壽命延長，從而提高果樹產(chǎn)量和品質(zhì)。為給起壟覆膜壟溝覆草集雨條件下氮肥的施用提供科學(xué)依據(jù)，本文以米脂縣黨塔基地山地蘋果園7年生果樹為研究對象，布設(shè)起壟覆膜壟溝覆草及施肥試驗，利用15N示蹤技術(shù)，研究了該技術(shù)條件下山地蘋果樹氮肥吸收、利用、產(chǎn)量和品質(zhì)狀況，對提高陜北黃土高原雨養(yǎng)果園的水肥利用效率，強(qiáng)化果園的水肥管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及處理

試驗于2016年4-10月在米脂縣石溝鎮(zhèn)黨塔村山地蘋果科技示范果園(109°57′20″E，38°08′32″ N)進(jìn)行，地處海拔986～1 012 m。該地區(qū)降雨季節(jié)性分布不均，4-6月降雨量少，且多為10 mm以下的無效降雨， 6-9月則占到降雨量的60%以上。年平均降雨量451.6 mm，最大年降雨量704.8 mm，最小年降雨量186.1 mm。年平均氣溫8.9 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-25.5 ℃，無霜期162 d。果園地形主要為臺地及梯田，局部為坡地，土壤為黃綿土，土質(zhì)疏松，土壤貧瘠；有機(jī)質(zhì)含量5.13 g/kg，全氮0.38 g/kg，速效磷16.18 mg/kg，速效鉀91.98 mg/kg， pH值為8.6。果樹定植于2010年春，株行距4 m× 5 m，主栽品種紅富士，授粉品種嘎啦、秦冠。

試驗選取樹勢生長基本一致、管理措施相同、無病蟲害的紅富士果樹為試材。采用裂區(qū)設(shè)計，設(shè)主處理2個，即：起壟覆膜壟溝覆草(FS)和常規(guī)管理(對照CK)，設(shè)副處理3個，即3個氮肥施用水平。施氮水平根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定[18]，按不足：合理：過量為1∶2∶3設(shè)計，分201.53、403.05、604.58 kg/hm2(以下簡用N1、N2、N3)3個水平布設(shè)，每個處理重復(fù)3次。起壟覆膜壟溝覆草(FS)是以果樹主干為中心，沿行向在樹干兩側(cè)各起中間高兩邊低、寬100 cm的拱形壟，壟上沿行向覆蓋寬120 cm、厚0.01 mm的黑色地膜， 溝內(nèi)覆蓋10～15 cm厚度玉米秸稈。尿素肥料均勻撒施于溝下0～20 cm處，與土拌勻。常規(guī)管理是樹盤裸露，其施肥位置、種類、方法與FS一致。供施氮肥為尿素(含氮量46%)，N1、N2、N3施肥量分別為447.8、895.6、1 343.4 g/株，同時每株施15N-尿素5 g(北京百靈威提供，豐度10%)，過磷酸鈣1.04 kg，硫酸鉀895.6 g，其他田間管理一致。

1.2 取樣及測定計算

在5月30日(新梢旺長期)、7月2日(新梢緩長期)、9月2日(果實膨大期)，采集果樹樹冠外圍(東南西北4個方向)當(dāng)年正常發(fā)育枝的中部各12片葉，共48個果樹葉片進(jìn)行分析，每處理取3株，單株重復(fù)，重復(fù)3次。樣品取回后，按去雜→洗滌劑→清水→0.1%鹽酸→3次去離子水順序沖洗后，105 ℃殺青30 min，隨后在80 ℃下烘干至恒重，電磨粉碎后過0.25 mm篩，混勻后裝袋備用。

于10月15日(果實采收期)采集新梢枝條(每株采集不同部位的8個枝條，單株重復(fù)，重復(fù)3次)、葉片(本次采集的新梢上的所有葉片，單株重復(fù)，重復(fù)3次)、多年生枝(每株采集臨時性主枝上的多年生枝1個，在其不同部位采集3個樣品，取平均值，單株重復(fù)，重復(fù)3次)、主枝(每株采集臨時性主枝1個，在其不同部位采集3個樣品，單株重復(fù)，重復(fù)3次)、主干(每株樹在樹干基部取截面1 cm2，深2 cm的樣品，單株重復(fù)，重復(fù)3次)及果實(樹冠外圍中部東南西北4個方向、上中下3個方位各取1個)。樣品取回后，按去雜→洗滌劑→清水→0.1%鹽酸→3次去離子水順序沖洗后，105 ℃殺青30 min，隨后在80 ℃下烘干至恒重，電磨粉碎后過0.25 mm篩，混勻后裝袋備用。

于11月28日(落葉后)，用手鋸鋸取一株蘋果樹(非試驗樹)當(dāng)中的1個長勢中等有代表性的主枝，然后按主枝、側(cè)枝和營養(yǎng)枝剪開，再截成小段，分別測定其干物質(zhì)重量和體積(排水法測定)，建立枝干體積與干物重的關(guān)系，關(guān)系式為：Y= 0.626 3X+1.725 8，R2=0.997 5 (見圖1)。

圖1 枝條體積與其干物重的關(guān)系Fig.1 Relationship between the volume and dry weight of branches

試驗樹地上部分干物質(zhì)重量根據(jù)以上測得的枝干體積與干物重的關(guān)系計算確定[19]。試驗樹的枝干體積 = 主干體積 + 主枝體積 + 側(cè)枝體積 + 營養(yǎng)枝體積。主干體積為主干周長(從離基部20 cm開始，每隔20 cm測定1個數(shù))和高度計算所得；主枝體積為主枝周長(從離基部20 cm開始，每隔20 cm測定1個數(shù))和長度計算出單一主枝體積，然后乘以主枝數(shù)所得；側(cè)枝體積為側(cè)枝周長(從離基部20 cm開始，每隔20 cm測定1個數(shù))和長度計算出單一側(cè)枝體積，然后乘以側(cè)枝數(shù)所得；營養(yǎng)枝(長度<5 cm的忽略不計)體積為營養(yǎng)枝周長(基部5 cm處)和長度計算出單一營養(yǎng)枝體積，然后乘以營養(yǎng)枝數(shù)所得。

樣品的全氮含量用凱氏定氮法測定[20]；15N豐度用MAT253型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(楊凌，中科院水保所)測定。計算公式如下：

Ndff(%)=(樣品中的15N豐度-自然豐度)/

(肥料中的15N豐度-自然豐度) × 100

(1)

總氮含量(g)= 干物重(g)× N%

(2)

器官15N吸收量 = 器官干物重(g)× N% ×

[樣品中的15N豐度% - 自然豐度%]

(3)

15N肥料利用率(%)=

15N吸收量(g)/15N施入量(g)×100

(4)

式中：Ndff值為植株器官從肥料中吸收分配到的15N含量對該器官全氮含量的貢獻(xiàn)率，反映植株器官對肥料氮的吸收征調(diào)能力[21]；自然豐度為0.366 5%[22]；肥料中的15N豐度為10%。

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2003軟件處理，并繪制圖表，SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 起壟覆膜壟溝覆草對山地蘋果樹不同物候期葉片含氮量的影響

蘋果葉片氮(N)素含量是反映其生長質(zhì)量高低的重要因素。由表1可以看出， FS對蘋果樹葉片含氮量有明顯的影響，在4個生育階段，蘋果樹葉片含氮量均高于對照處理，說明FS促進(jìn)了樹體對氮肥的吸收利用。其中，春梢旺長期葉片含氮量較CK提高4.95%～11.68%，差異達(dá)到顯著水平，但在春梢緩長期、果實膨大期和果實采收期，差異不顯著。這是由于春季降雨較少，且小于10 mm的無效降雨多，果園土壤干旱，水分虧缺嚴(yán)重， FS能將有限的雨水集聚于施肥處，改善土壤水分環(huán)境，一方面有助于肥料的溶解和養(yǎng)分的遷移、擴(kuò)散，另一方面促進(jìn)了樹體蒸騰，進(jìn)而提高了樹體對土壤養(yǎng)分的吸收利用；相反，對照處理的土壤含水量較低，制約了樹體對氮肥的吸收。進(jìn)入雨季后，F(xiàn)S與CK的土壤水分差異變小，果樹對氮肥吸收利用能力相近，因此葉片含氮量差異不顯著。

表1 不同處理下蘋果生長期葉片氮含量 %

注：不同小寫字母表示同一列中不同施氮水平在同一時期處理間差異顯著(P<0.05)。

從表1還可以看出，在蘋果樹生長季內(nèi)，葉片中氮含量隨葉齡的增加而降低，在春梢旺長期葉片含氮量最高，春梢緩長期、果實膨大期有所下降，到果實采收期葉片含氮量降至最低，年周期內(nèi)葉片中氮含量的變化范圍為1.80%～2.58%。這是由于葉片早期的氮素養(yǎng)分主要來源于上年根系貯藏營養(yǎng)，隨著枝葉的迅速生長，消耗大量氮素養(yǎng)分，同時氮素養(yǎng)分的分配隨生長中心的轉(zhuǎn)移而變化，更多地向果實轉(zhuǎn)移，造成葉片氮含量下降[23]。

不同氮肥施用水平對蘋果樹的葉片含氮量也有一定影響，氮肥施用量合理(N2)時葉片含氮量最高，氮肥施用量不足(N1)時葉片含氮量較低，這與曾艷娟等[24]人研究結(jié)果一致。這里需要說明的是，本試驗中氮肥施用過量(N3)時的葉片含氮量也一直低于N2，這可能是N3導(dǎo)致新稍徒長，葉片數(shù)量增多，進(jìn)而稀釋了葉片的含氮量所致。

2.2 起壟覆膜壟溝覆草對山地蘋果樹不同物候期葉片Ndff值的影響

由圖2可以看出，在蘋果樹生長季的4個不同的物候階段FS的葉片Ndff值高于CK，其中，新稍旺長期FS的Ndff值比CK高52.26%～65.18%，新稍緩長期高39.64%～49.17%，果實膨大期高55.74%～82.17%，果實采收期高47.57%～92.57%。說明起FS能夠提高蘋果樹葉片對肥料氮素養(yǎng)分的吸收征調(diào)能力，促進(jìn)果樹對肥料氮的吸收利用。

圖2 不同物候期蘋果葉片的Ndff值Fig.2 Ndff % of apple leaves under condition of different treatment in different growth stages

蘋果樹生長季內(nèi)葉片的Ndff值呈現(xiàn)“先增后降”的趨勢，春夏新稍旺長和幼果膨大階段，Ndff值逐漸增大，至果實膨大期達(dá)到最大值，3個施肥水平下，F(xiàn)S和CK的Ndff值分別達(dá)到0.236 8%～0.386 5%和0.130 0%～0.246 3%，到果實采收期有所下降，說明隨生長時期推移，蘋果樹對肥料氮的吸收利用不斷增加；生長季末，新生枝葉氮素向多年生枝干器官回流，為下一年生長積累養(yǎng)分，這與趙林[25]、丁寧[26]等人研究結(jié)果一致。

由圖2還可以看出，不同施氮水平對蘋果葉片的Ndff值有明顯的影響，在4個不同的物候期，F(xiàn)S和CK兩種處理下N2水平的Ndff值始終高于N1和N3水平，且除春梢旺長期外，其他3個時期N2水平的Ndff值與N1和N3水平相比，均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明合理的施肥水平有利于蘋果樹對肥料氮素養(yǎng)分的吸收利用，施肥不足或者過量施肥都會降低氮肥的吸收利用率。這與巨曉棠等[27]人的研究認(rèn)為氮肥利用率在達(dá)到一定施肥量后隨施肥量的增加而降低的結(jié)論相符。

2.3 不同處理對蘋果樹地上部各器官中Ndff值的影響

表2是試驗地蘋果采收期不同處理條件下地上部不同器官的Ndff值的計算結(jié)果。由表2可知，在果實采收期，起壟覆膜壟溝覆草處理(FS)下，果樹地上部各器官的Ndff值均明顯高于CK處理，葉片、新稍、多年生枝、主枝、主干和果實的Ndff平均值比CK的Ndff平均值分別高76.76%、26.09%、38.37%、39.48%、38.52%、69.78%，說明FS處理能夠增強(qiáng)蘋果樹各個器官對肥料氮素養(yǎng)分的吸收征調(diào)能力，促進(jìn)果樹對肥料氮的吸收利用。

表2 果采收期不同處理條件下地上部不同器官的Ndff值 %

注：不同小寫字母表示同一列中不同施氮處理在同一時期處理間差異顯著(P<0.05)。

由表2還可看出，在果實采收期，果實的Ndff值最大，多年生枝、主枝和主干等舊器官的Ndff值次之，而葉片、新稍等新生器官的Ndff值相對較低。說明在果實成熟期蘋果樹吸收的15N主要分配給果實，而新生枝葉器官中氮素則向多年生枝干中回流，進(jìn)行營養(yǎng)積累。

到果實采收期，F(xiàn)S和CK兩種處理下N2水平的各種器官的Ndff值始終高于N1和N3水平。說明合理施肥有助于蘋果樹對氮肥的吸收利用，而施肥不足或施肥過量都會導(dǎo)致蘋果果樹對肥料氮素的吸收利用能力降低。

2.4 不同處理對 15N-尿素利用率的影響

由表3可知， 在蘋果果實成熟期，蘋果樹地上部分各器官的含氮量為主干 > 主枝 > 果實 > 枝梢 > 葉片，經(jīng)方差分析，主干、主枝的含氮量顯著高于果實、枝梢和葉片(P<0.05)，說明養(yǎng)分主要貯藏于多年生器官(主干、主枝和多年生枝)；起壟覆膜壟溝覆草處理(FS)下，果樹地上部的15N-尿素利用率明顯高于CK處理，其N1、N2、N3水平的15N-尿素利用率分別比對照高6.65%、13.41%、10.24%；從施肥水平看，不同施肥水平對氮肥利用率有著不同程度的影響， FS的N2水平的氮肥利用率顯著高于N1、N3水平(P<0.05)，對照N2水平的氮肥利用率顯著高于N1、N3水平(P<0.05)。這也說明施肥量合理則肥料利用率高，而施肥量不足或者過量都會導(dǎo)致氮肥肥料利用率降低。綜合來看，F(xiàn)S-N2組合的15N-尿素利用率最高。

表3 不同處理下蘋果樹的 15N利用率Tab.3 15N utilization rate of aboveground organs under condition of different treatment

2.5 起壟覆膜壟溝覆草對果實成熟期產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表4可以看出，F(xiàn)S的單株產(chǎn)量和單果質(zhì)量均高于CK，且不同施氮水平差異顯著(P<0.05)，均為N2處理最大，N3處理次之，N1處理最小。果徑大小是當(dāng)前市場銷售價格和銷售渠道最重要的影響因素，F(xiàn)S的優(yōu)果(橫徑>80 mm)率明顯高于CK，不同施氮水平差異顯著(P<0.05)，均為N2處理最大，N3處理次之，N1處理最小。從反映蘋果內(nèi)在品質(zhì)的主要指標(biāo)可溶性固形物、硬度、可滴定酸來看，F(xiàn)S和CK接近，但不同施氮水平也都表現(xiàn)為N2處理最大，N3處理次之，N1處理最小。說明起壟覆膜壟溝覆草處理(FS)進(jìn)行合理施肥顯著提高了果實產(chǎn)量，改善了果實品質(zhì)。

3 討論與結(jié)論

表4 不同處理的果實產(chǎn)量和品質(zhì)Tab.4 Fruit yield and quality of‘ Fuji’ apple under condition of different treatment

土壤水分虧缺，養(yǎng)分貧瘠，水分養(yǎng)分利用率低是制約黃土高原山地果樹生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸問題。土壤水分與養(yǎng)分在許多方面具有耦合作用，水分不同，直接影響肥料的施用效果，水分脅迫的土壤環(huán)境下，施肥少難以發(fā)揮土壤有效水分的作用，施肥多容易導(dǎo)致肥料浪費，也易產(chǎn)生不良后果。試驗果園春季降雨少，且小于10 mm的無效降雨多，日曬強(qiáng)烈，大風(fēng)頻繁，土壤干旱，水分虧缺嚴(yán)重，對肥料養(yǎng)分的吸收利用造成很大的影響。起壟覆膜壟溝覆草(FS)能將有限的雨水集聚于果樹根區(qū)，改善土壤水分環(huán)境。研究表明，起壟覆膜壟溝覆草能夠顯著提高果園的土壤水分含量，在干旱季節(jié)0～60 cm土層可比對照提高20.94%，秋雨季節(jié)可比對照提高11.78%[8]。FS將雨水集聚于施肥點，實現(xiàn)了水肥位置的耦合，一方面有助于肥料的溶解和養(yǎng)分的遷移、擴(kuò)散，另一方面促進(jìn)了樹體蒸騰，進(jìn)而提高了樹體對土壤養(yǎng)分的吸收利用。本試驗研究表明，起壟覆膜壟溝覆草能夠提高蘋果樹各個器官對肥料氮素養(yǎng)分的吸收征調(diào)能力，促進(jìn)果樹對肥料氮的吸收利用，提高氮素肥料的吸收利用率。

氮素是果樹生長發(fā)育所必需的大量礦質(zhì)元素，對果樹的器官建造、物質(zhì)代謝、生化過程、 果實產(chǎn)量及品質(zhì)的形成等都具有不可替代的作用[4]，土壤中的氮素不能滿足果樹需求， 要靠施肥來補(bǔ)充和調(diào)節(jié)，適量施氮不僅能增加光合葉面積[28]，還能促進(jìn)花芽分化[29]、提高坐果率，增加產(chǎn)量[30]。我國果樹多種植在土壤貧瘠的丘陵地，土壤有機(jī)質(zhì)普遍較低。蘋果栽培過程中偏施氮肥，施肥不足和超量并存，肥料利用率低，施肥時期不合理，后期脫肥，貯藏營養(yǎng)不足等問題嚴(yán)重[4]。趙佐平等[17]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，陜西蘋果園果農(nóng)化肥平均純氮用量為671.71 kg/hm2，而適宜的化肥用量為240～360 kg/hm2，全省有78.3%的果園氮肥投入過量。本試驗研究表明，蘋果樹不同物候期FS的葉片氮含量和Ndff值均高于CK，果實采收期， FS的葉片、新稍、多年生枝、主枝、主干和果實的Ndff值均明顯高于CK，這與FS改善了土壤水分環(huán)境有關(guān)。不同施N水平對蘋果樹不同物候期FS的葉片氮含量、Ndff值以及果實采收期各器官的Ndff值有明顯差異，不隨著施氮水平增加而提高，而是N2水平始終高于N1和N3，說明合理的施肥水平有利于蘋果樹對肥料氮素養(yǎng)分的吸收利用，施肥不足或者過量施肥都會降低氮肥的吸收利用率。這與巨曉棠等[27]人的研究認(rèn)為氮肥利用率在達(dá)到一定施肥量后隨施肥量的增加而降低的結(jié)論相符。

本是研究表明，起壟覆膜壟溝覆草處理(FS)下，果樹地上部的15N-尿素利用率明顯高于CK處理，不同施肥水平對氮肥利用率有著不同程度的影響，F(xiàn)S的N2水平的氮肥利用率顯著高于N1、N3水平(P<0.05)，對照N2水平的氮肥利用率顯著高于N1、N3水平(P<0.05)。說明施肥量合理則肥料利用率高，而施肥量不足或者過量都會導(dǎo)致氮肥肥料利用率降低。綜合來看，F(xiàn)S-N2組合的15N-尿素利用率最高。這是由于合理施氮促進(jìn)了植株根系的生長，從而增大了根系的有效吸收面積，增加了根系對土壤氮素的吸收，提高了氮肥利用率。

本試驗研究表明，F(xiàn)S的單株產(chǎn)量、單果質(zhì)量和優(yōu)果率均高于CK，且不同施氮水平差異顯著(P<0.05)。充足的氮素供應(yīng)能夠促進(jìn)蘋果樹成花、坐果及果實膨大，利于產(chǎn)量提高[13]。

N2水平的最大，N3次之，N1最小，表明適宜的氮水平提高了果實產(chǎn)量和品質(zhì)，氮肥不足或過量在一定程度上降低了果實產(chǎn)量和品質(zhì)，本研究中 403.05 kg/hm2為陜北山地蘋果園最佳的施氮水平。

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