生物有機肥對果園生產的影響研究進展

王中華, 楊青松, 李曉剛*, 董彩霞, 徐陽春

(1.江蘇省農業科學院果樹研究所/江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室,江蘇 南京 210014;2.南京農業大學資源與環境科學學院,江蘇 南京 210095)

生物有機肥(Bio-organic fertilize)是包含某種或某些特定功能微生物菌種的特殊有機肥品種,不僅菌種含量高,而且是為外源功能微生物定殖和繁衍提供能源物質的有機載體[1]。據估計世界各地的生物有機肥產量超過1000萬t,年增長率為10%～20%。近年來,我國生物有機肥的研究發展迅速并取得顯著成效,一批功能性高效菌株成功篩選,肥料產品如雨后春筍般出現。特別是隨著施肥報酬遞減、土壤退化、面源污染、生態環境破壞等問題日益突出,生物有機肥料的生產價值得到重視,商品化生產規?？焖贁U大,產品品類也不斷豐富。在蘋果、梨、香蕉、葡萄等大宗果樹作物中都有應用[2-3],在增加土壤有機質、改善土壤理化性質、優化土壤根際環境、提高果樹產量和品質、促進農業增效方面發揮了積極作用。

1 生物有機肥對果園生產的影響

1.1 生物有機肥對果園土壤環境及根系的影響

增施有機肥對提升土壤有機質水平具有重要作用,是耕地土壤培肥的有效途徑[4]。研究表明,增施有機類肥料不僅可以促進土壤團粒結構的形成,改善土壤物理結構,提高土壤保肥保水能力,而且長期施用有機肥能明顯提高土壤有機質含量和礦質元素有效性[5]。張宇沖[6]研究土壤肥力因子測定結果顯示,施用生物有機肥處理30、60、90 d,除總氮含量外其余各項土壤肥力因子表現最優;90 d時生物有機肥處理土壤總氮、有效磷、有效鉀因子影響分別比復合肥處理增加了6.34%、37.31%、70.49%。土壤 pH 值是土壤微生物活性和土壤養分有效性的重要影響因子,施用生物有機肥可以提高酸性土壤 pH 值[7-8],其原因在于礦化過程中發生有機陰離子脫羧基化并釋放堿性物質,同時由于其本身含有大量的官能團(如-OH 和-COOH),可強化對 H+的吸附,從而降低土壤溶液中H+的濃度[9]。

生物有機肥可以通過調控作物根際土壤環境影響根系發育。伍從成等[10]研究表明,梨園連續 5年施用生物有機肥,土壤有機質、有效鉀及有效磷含量顯著增加,且與細根長度、表面積、體積和根尖數密切相關。Kang等[11]研究發現,生物有機肥處理顯著增加梨樹各級側根生長,其中 3級以上側根數量(3rd LRN)和長度(3rd LRL)顯著增加 71%(P<0.05)。Wang等[12]通過不同施肥試驗發現,與單施化肥相比,施用生物有機肥顯著促進梨樹根系生長?？偢L、根表面積、根尖數分別是化肥處理的4.04、3.14和5.64倍。研究認為,施用生物有機肥可以通過富集到根際的微生物分泌激素或生物活性物質誘導根系的發生和生長[13-14]。以模式植物擬南芥為材料的研究表明,解淀粉芽孢桿菌SQR9通過一種揮發性化合物刺激側根原基的發育,該化合物的作用機制涉及內源激素的生物合成與運輸[15]?？梢?生物有機肥通過調控根系及根際微生態,對維持植物的健康生長和產量、品質的形成具有積極作用。

1.2 生物有機肥對果園土壤微生物群落的影響

土壤微生物是活躍在土壤生態系統中的重要成員[16],在土壤有機質分解、養分循環以及土壤結構的形成和穩定性等方面發揮著積極作用[17]。土壤微生物群落結構受土壤環境的直接影響,因此,土壤微生物量、群落結構等指標通常被用來評價土壤環境質量[18]。土壤微生物群落多樣性是土壤健康和質量的動態指標[3]。吳文利等[19]研究發現,施用生物有機肥,梨樹土壤微生物量碳 SMBC比CK高68.8%,且差異顯著。典型農田生態系統長期定位試驗發現,單施化肥顯著降低微生物群落穩定性,且增加植物潛在致病菌的豐度;化肥配施有機肥則顯著提高土壤微生物群落的穩定性,且減少植物潛在致病菌的豐度,提高作物產量[20]。生物有機肥因其含有的特定功能微生物而起到較強的抗病、抗逆和促生效能[21]。另一方面,施用生物有機肥還能有效促進土壤有益微生物向作物根際的遷移和富集[22]。由于果園管理系統的復雜性和施肥習慣以及耕作制度的差異性,生物有機肥對土壤微生物量和群落結構的調整和微生物群落多樣性變化規律仍未明確[23]。

根際土壤微生物是根際最為活躍的生命組分,在果樹的生長、發育和病理等方面扮演著非常重要的角色[24]。深入了解根際微生物群落的結構功能及多樣性,對果樹生產管理及新型生物肥料開發非常重要。研究表明,果樹根際微生物種類和數量因物種差異而不同,即使相同品種或同一株樹的不同發育階段,其根際微生物的發育、組成都呈現很大的差異。如柑橘根際優勢微生物主要集中在變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和擬桿菌門四大類[25],而蘋果根際優勢微生物主要集中在變形菌、浮霉菌、放線菌和酸桿菌四大門類,且不同樹齡根際微生物種類和相對豐度存在明顯差異[26]。Lu 等[27]研究發現,根際微生物能夠通過影響土壤氮循環和植物內源激素來調控植物開花的時間,為人們利用微生物途徑調控植物的營養與生殖生長提供了參考依據。Wang等[12]研究發現,施用生物有機肥處理影響根際細菌群落組成,促進芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、鞘氨醇菌屬在根際顯著富集,上調以Mitsuariasp.和Actinoplanessp.為優勢群體的細菌生態模塊豐度以及主導能量產生-轉化、碳水化合物運輸-代謝等基因簇的豐度,促進產量和品質形成?；诠δ芪⑸锝M合在番茄、香蕉、西瓜等重要經濟作物土傳病害的防控領域的理論與實踐,有學者提出了通過調控根際微生物區系實現根際免疫的研究思路[28]。含有特種有益菌株的生物有機肥能夠有效調整根際微生物群落結構,促進植株生長,從而提高產量并改善收獲品質,這也是有益微生物功效與應用的典型案例,因此,調控或重塑果樹根際微生物群落以提高果樹持續生產力是一個值得深入研究的問題[29],也是新型生物有機肥產品設計和開發的重要方向。

1.3 生物有機肥對果樹光合生理的影響

光合作用是幾乎所有生物所需要的食物和氧氣的來源,植物干重的90%～95%來自光合作用的產物,是作物產量形成的物質基礎[30]。作為果樹最重要的功能活動,光合作用對于果樹的產量和果實品質的形成,以及植株對環境的適應能力都具有重要的影響[31]。向青云等[32]通過蘋果不同冠層的光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn)與果實產量、品質的回歸分析表明,PAR、Pn值的高低直接影響果實的產量和品質。兩個蘋果品種的單株產量、單果質量、可溶性糖含量及糖酸比與Pn及PAR成顯著正相關。對于梨、蘋果等果樹作物來說,為了提高產量,必須提高光能利用效率或改善光合器官功能。土壤有機質含量是影響植物生長的主要因素之一,提高土壤有機質水平對植物光合作用有顯著促進作用[33]。施用有機肥是提高土壤有機質水平的重要措施,因此施用有機肥對提高作物光合速率有積極影響。隨著有機質增加,促進了光合器官或組織形成,加強了植株對光的吸收和轉化,光合能力顯著提升[34-35]。如在干旱環境下接種根際促生細菌(PGPR)能夠有效提高蘋果葉片的葉綠素含量和光合性能,對緩解由于干旱脅迫導致的光合抑制作用顯著[36]。宋曉暉[37]研究表明,施用生物有機肥可以顯著提高黃冠、碭山酥梨和巴梨葉片凈光合速率和蒸騰速率?？傊?施用生物有機肥對果樹作物光合有積極影響,并能提升產量和品質。但是關于生物有機肥這種促進效應研究大多仍限于效果的評析,對其作用機理的探索還不夠深入。

1.4 生物有機肥對果樹產量和果實品質的影響

大量研究表明,提升果園土壤有機質可以調節果樹作物生長,提高產量并改善果實品質[38-39]。生物有機肥含有特定功能的微生物并產生顯著的促生效應[40-41],通過施用一款生物有機肥(含Bacilluscereus、Bacilluspumilus和Paenibacillusspp.菌種)可以促進水稻增產65%。曹剛等[42]連續生物有機肥,較化肥處理增產19.78%,且顯著提高了果實可溶性固形物、可溶性糖和維生素C含量。王磊[43]對連續7年施用生物有機肥的蘋果園研究發現,與不施肥對照和施化肥相比,施用生物有機肥的果實可溶性糖含量分別增加了13.2%和6.3%,還原糖含量分別增加了53.9%和5.9%,Vc含量分別增加了6.1%和3.8%。另外,生物類肥料還可以提高果實香氣物質含量,豐富香氣物質種類,而且對提高果實著色程度和延長貨架期具有重要作用[44-45]。

研究表明,有機類肥料提高產量和品質的原因不僅與對土壤有機質水平的提升有關,而且與根際土壤微生物的響應密切相關。因為土壤微生物被認為是有機質轉化與養分元素循環的引擎[16],有益微生物類群的相互作用網絡在產量和品質提升中扮演重要的角色[43]。有機類肥料通過提高土壤有機質,優化根際環境,有效促進了根際有益微生物的聚集和繁衍。而根際微生物能夠活化根際養分,并刺激根系生長發育,調控根系構型和活力,最終提高產量并改善收獲品質[46-47]。

2 果園施用生物有機肥存在的問題與應用策略

近年來,生物有機肥在果樹上應用日漸增多,但作為一種含有“活體生命”的肥料,其與化學肥料的作用機制和施用方法存在較大差異。由于條件所限,生物有機肥在很多果樹品種上的試驗與示范缺乏長期試驗數據支撐,應用技術不夠精準,再加上施用區域生產環境的差異性,已有的理論基礎對生產實踐的指導作用有限,生物有機肥的效用未能充分且廣泛體現。在生產中,使用者對生物有機肥的特性認識不足,施用方法不夠科學,導致其應用效果不穩定。生物有機肥攜帶的功能菌群需在土壤中定殖、繁殖后方可發揮效用,而菌群的生長又具有周期性,其肥效受到施肥方式以及水分、溫度等環境條件等諸多因素的影響和限制。在有機質極度匱乏,土壤理化性狀惡化的情況下,功能微生物無法有效定殖、繁衍,肥效無法發揮作用。另外,將生物有機肥與殺細菌藥劑混合使用且長時間放置,極易影響菌的活性降低并造成部分菌死亡。

生物有機肥功能起效是以功能菌繁殖為,繁殖需要時間,應避免在果樹已經出現脫肥或需肥高峰期“救急”使用。一些果樹在秋季采果后,根系又進入一次生長高峰期,此時根系吸收一些養分可以及時補充因結果造成的養分消耗,有利于儲藏營養,對快速恢復樹勢及第二年生長發育提供物質基礎。所以,生物有機肥作為基肥施用。由于光照、風干等因素影響,粉劑類生物有機肥施用時不能地表撒施,不僅浪費而且減弱肥效。在施用時,應根據樹體根系特征,特別是大量吸收根的區域分布,設計施肥位置和深度。在果樹生長發育期也可以作為追肥,但是要注意施肥過程中,不能損壞根系。另外,蘋果、梨、柑橘等單株樹體較大的果樹作物來說,根系較為龐大,在有機質水平較低的土壤中對有機質需求量較大。雖然生物有機肥本身含有一定量的有機質,但是由于其施用量相對有限,不能滿足果樹的生理需求。而且有機肥的補充非常有利于生物有機肥中功能菌的繁殖,起到增效作用。因此,在生產中生物有機肥與有機肥的配施是非常有效的方法。有機肥可以是商品有機肥,也可以是發酵腐熟的餅粕和畜禽糞便等?？傊?生物有機肥的應用效果的體現不僅僅依靠肥料自身攜帶的功能菌,還有盡可能的創造適宜功能菌繁殖的土壤生態條件,最大程度發揮肥效。因此,著眼果品質提升與果園生態改善,在了解生物有機肥產品特性的基礎上,通過長期深入的生物有機肥的作用機制研究,探索適合肥效充分發揮的條件,明確生物有機肥及其與有機、無機配合協同增效方法,形成能在果樹生產上有效果、易推廣的關鍵技術非常有必要。

3 結論與展望

果樹產業的健康發展不僅關系著農民創收和企業增效,更是協調經濟發展、資源和環境保護,助力鄉村振興、實現果農富裕的重要力量。目前,果實品質和風味屬性與時代消費需求出現了較大的差距,難以再現“兒時的味道”。一些產區優質果率不高,出園價格不斷走低。特別是在當前“不與糧爭地”的前提下,如何做到穩產、高產和品質保障是果樹產業面臨的重要課題之一。毋庸置疑,化肥對促進和支撐我國農業生產發揮著巨大作用,讓我們在僅占世界 7% 的耕地上,解決世界 22%人口的食物需求。然而,長期以來對化肥的過分依賴也產生了如農田環境污染、自然資源退化等問題,造成嚴峻的生態問題,付出了巨大的代價[48]。作物產量的提高和品質的改善在很大程度上依賴于土壤環境的改善。因此,在當前果樹生產中,探索科學的施肥方法,提升土壤有機質水平,改良根際環境是果樹產業可持續發展的必經途經。而提高土壤肥力,尤其是生物肥力,是確保果樹高產和穩產、提升和改善水果品質和口感的關鍵之一[49]。目前生物有機肥對不同果樹或不同發育期的影響機理研究和適用方案雖不夠明確,大規模推廣應用技術仍存在提升空間,但生物有機肥對低碳農業和果樹產業可持續發展具有重要意義,將成為新時代農業生產的重要力量。