2025, Vol. 57
2. 英美资源集团植物营养, 英国约克郡 YO11 3ZB
苹果(Malus pumila Mill.)作为世界上广泛种植的一种水果，果实含有600多种化合物，可补充人体所需的维生素、矿物质和微量元素，具有重要的经济价值[1]。我国苹果种植面积与产量均居世界首位，现已发展成为带动各地生产、旅游的支柱性农业产业[2]。因此，探究苹果种植中科学的施肥模式，对实现农户增产增收，促进苹果产业稳定、可持续发展具有重要现实意义。
钾作为苹果生长和发育过程中必不可少的元素之一，是果实产量形成、品质提高的物质基础[3]，在实际生产中常通过外源施加硫酸钾等肥料来满足作物的生长需求。传统硫酸钾肥需要经过天然钾盐再加工制得，给自然环境和农户生产成本均带来一定压力[4]。同时，果园生产中长期重视氮、磷、钾大量元素而忽视钙、镁等中微量元素的施肥模式，引起的土壤酸化板结、作物养分失衡、微生物多样性降低等问题，直接导致了果实品质下降、产量降低[5]。随着集约化农业的发展，为保证作物充足的养分供应，钾肥需求量不断攀升，钾肥价格一直波动上涨[6]。而我国钾盐资源相对匮乏，每年50% 左右的钾肥依赖从加拿大、俄罗斯、白俄罗斯等国家进口，严重制约了我国农业的安全可持续发展。因此，优化施肥制度、拓宽钾肥供应渠道成为缓解我国钾肥资源短缺的必要措施。
杂卤石(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)作为一种富含钾、钙、镁、硫元素的天然矿石，理论上含K2O 15.62%、CaO 18.60%、MgO 6.69%、SO3 53.11%(以质量分数计)[4]。1932年Fraps[7]提出将杂卤石直接用作农业中的钾肥，并在玉米上进行的肥效试验中发现，磨细(20目)的杂卤石钾素有效性与传统硫酸钾肥相当。1974年我国学者袁见齐[8]提出，在矿石品质较高、开采条件较好的情况下，杂卤石经过简单的破碎加工处理即可直接作为肥料施用。近年来在玉米[9]、樱桃[10]等作物上的研究表明，杂卤石施用对作物增产提质、土壤环境改善具有积极效果。杂卤石含有较高的钙、硫元素，单独施用易导致土壤元素过量，适宜与常规钾肥进行配施，但不同施肥方式、不同配比导致杂卤石肥效存在一定差异。
基于以上，本研究以苹果为研究对象，在我国北方典型种植区开展田间试验，将杂卤石与传统硫酸钾肥进行一定比例的配施(总钾量一致)，研究不同施肥方式、不同杂卤石配比对苹果产量、品质及土壤微生态环境的影响，以筛选科学合理的施肥措施，为指导我国苹果产业高质量发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点及材料2020年11月—2022年11月在青岛市即墨区店集镇大官庄村苹果园(120°61′E，36°53′N)进行连续两年的苹果种植试验。该地属暖温带季风大陆型气候，年平均日照时数2 305.8 h，年均降水量和气温分别为431.9 mm、13.9 ℃，试验期间降水量和气温如图 1所示。果园土壤类型为棕壤，试验开始前，采用网格布点法采集表层(0 ~ 30 cm)土壤样品，其基本化学性质如下：pH 6.73，电导率118.5 μS/cm，有机质15.73 g/kg，碱解氮77.00 mg/kg，有效磷63.28 mg/kg，速效钾212.55 mg/kg，交换性钙4.45 cmol/kg，交换性镁0.99 cmol/kg，有效硫172.69 mg/kg。
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图 1 试验期间月平均气温及月总降水量 Fig. 1 Average monthly temperature and total monthly rainfall during the experiment period |
供试苹果品种选择占中国苹果种植面积近70% 的富士系苹果——“烟富0”红富士，砧木为山定子(Malusbaccata)。该品种因产量高，抗病虫害、抗寒能力强，在当地广泛种植，树龄为7年，树形为自由纺锤形，株行距1.2 m × 3.8 m，属于高密度种植果园。
供试氮素来自市售尿素(N 460 g/kg)和磷酸氢二铵(N 170 g/kg，P2O5 400 g/kg)，磷素来自市售磷酸氢二铵(N 170 g/kg，P2O5 400 g/kg)，均由云南云天化股份有限公司提供。钾素来自杂卤石(K2O 140 g/kg，CaO 170 g/kg，MgO 60 g/kg，SO3 480 g/kg，英国约克郡钾肥公司)和市售的硫酸钾(K2O 520 g/kg，S≥170 g/kg，Cl≤15 g/kg，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司)。
1.2 试验设计试验共设置4个处理，完全随机区组排列，每个处理设置3个重复。选取长势基本一致的4棵果树作为1个重复小区，共48棵果树。除CK处理不施钾肥外，其余各处理单季养分施入量分别为N 300 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 300 kg/hm2。不同处理氮、磷肥施入量及施用方法完全一致，钾肥施用方案如表 1所示：①CK，无K2O；②S，K2O全部由市售硫酸钾提供；③SP，基础施肥阶段16% 的K2O由杂卤石提供，其余84% 的K2O由市售硫酸钾提供；④SP1，基础施肥阶段16% 的K2O由杂卤石提供，其余84% 的K2O由市售硫酸钾提供，同时第二次追肥阶段8% 的K2O由杂卤石提供，其余92% 的K2O由市售硫酸钾提供。2020年11月苹果收获、清理园区后进行基础施肥，于次年开花期(4月)、坐果期(6月)和果实膨大期(7月)共计进行3次追肥。仅基施和第二次追施(坐果期)阶段进行杂卤石替代施用，其余追肥时期均按照果农施肥习惯以硫酸钾为钾源施用。2021年11月收获后，开展下一年度的重复施肥试验。其中，氮肥每次施入量为总施肥量的40%、20%、20%、20%；磷肥为60%、20%、20%、0%；钾肥为40%、0%、40%、20%。采用土钻在树干东、西两侧各钻取1个直径15 cm、深30 cm的洞进行穴施。所有试验处理田间日常管理工作，如灌溉、防虫和除草等，均根据当地常规农艺措施进行。
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表 1 各处理施钾方案 Table 1 Potassium fertilization scheme for each treatment |
果实测产及样品的采集工作分别于2021年11月6日、2022年11月15日进行。测产时，对每棵果树果实进行全部采摘、分级(按果实横径大小进行分类)、称重，并统计单株果树产量、单株果树结果数和单果重。果实品质测定则从每个重复小区中随机选取20个苹果进行。其中，果肉硬度采用水果硬度仪(CY-4)测定；果肉可溶性固形物含量采用便携式折光仪(PAL-101)测定；果肉维生素C(VC)含量参照高俊风[11]的2，6-二氯靛酚滴定法测定；果肉可溶性糖参照NY/T2742—2015测定[12]；果肉可滴定酸含量参照张志良和李小方[13]的NaOH中和滴定法测定；果皮花青苷含量参照张志良和李小方[13]分光光度法测定[13]。
1.4 土壤基本化学性质测定分别于2021年11月6日、2022年11月15日采集0 ~ 30 cm土层土样。采样时，沿果树两侧树冠外围滴水线处(避开施肥区域)设置2个采样点，每个重复小区共8个采样点，采用根钻法(根钻直径6 cm)进行取样，采集的土样用四分法保留1 kg，置于阴凉干燥处风干，研磨过2 mm筛网，装瓶备用，根据《土壤农化分析》[14]进行后续土壤主要化学性质测定。其中，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用0.05 mol/L HCl+0.025 mol/L 1/2H2SO4法测定，速效钾、交换性钙镁采用1 mol/L乙酸铵浸提，ICP-OES(电感耦合等离子体原子发射光谱，Avio200，PerkinElmer，美国)测定；土壤pH(m土∶V水=1∶2.5)采用PHS-3E型pH计测定。
1.5 根区土壤微生物测定在连续两年施肥试验后，于2022年9月28日，采用多点混合取样法采集苹果根区土壤用于测定根区土壤微生物。采样时，以树干为中心，去除地表落叶及杂草，采用无菌铲挖取东、西两个方向离树干约50 cm、0 ~ 30 cm深度的行内土壤[15]。从挖出的土壤中取出根系，抖落根系上附着的大块颗粒，收集根系上附着的粒状或粉状土壤装入无菌塑封袋，并将4个样点的根区土样均匀混合成1个重复样本，低温(–40 ℃)短暂保存，干冰冷藏运输至北京奥维森基因科技有限公司进行DNA提取与测序。
按照PowerSoil DNA分离试剂盒(MoBio Laboratories，Carlsbad，CA)说明步骤提取土壤DNA。采用1% 琼脂糖凝胶和NanoDrop 2000分光光度计(ThermoFisher Scientific，Inc.，USA)检测基因组DNA的纯度和质量。使用引物338F(5′-ACTCCTAC GGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVG GGTWTCTAAT-3′)扩增细菌16S rRNA基因的V3 ~ V4区。每个土壤样品在正、反向引物(北京Allwegene公司提供)的5′端添加8位条形码序列。PCR产物使用Agcourt AMPure XP核酸纯化试剂盒(Beckman Coulter，Inc.，USA)进行纯化，在北京奥维森科技有限公司Illumina Miseq PE300平台(Illumina，Inc.，USA)进行深度测序，并使用Illumina Analysis Pipeline Version 2.6进行图像分析、碱基调用和误差估计。
1.6 数据处理与统计分析测序得到的原始数据(Raw reads) 经过拆分、拼接、过滤短序列(< 120 bp)、去除嵌合体等处理得到优质序列。使用Vsearch(v2.7.1)软件的Uparse算法，以97% 的相似度将合格的reads聚类为操作分类单元(Operational taxonomic units，OTU)。使用核糖体数据库项目(RDP)分类器工具根据SILVA数据库(Release 128/132 https://www.arb-silva.de/)将所有序列划分为不同的分类群。不同处理特有OTU及共有OTU数目以维恩图来表示。基于OTU聚类分析结果，参照Chao1、Observed_species、Shannon、Simpson指数进行根区微生物群落多样性及物种丰富度分析。结合物种分类信息，进行微生物组成结构分析。
所有数据均经单因素方差分析(one-way ANOVA)，在P < 0.05的水平上使用Duncan多重比较法进行显著性差异检验。使用Excel 2019记录试验数据，并利用SPSS 26.0进行数据分析。通过奥维森云平台(http://218.2.224.234：8888/)及Origin 2019完成作图。
2 结果与分析 2.1 杂卤石配施硫酸钾对苹果产量的影响两年间，不同施钾处理苹果产量差异显著，单株结果数仅在2022年表现出显著性差异，单果重无显著差异(表 2)。杂卤石配施硫酸钾处理较不施钾肥处理产量提升明显，SP处理产量最高，平均增产42.02%；其次为SP1处理，平均增产31.44%。与CK处理相比，SP、SP1处理在第二季显著增加苹果单株结果数；常规单施硫酸钾为钾源的S处理两年间单果重均最小。除2021年S处理外，产量和单株结果数均呈正相关关系。2022年苹果产量与单株结果数均显著低于2021年，分别降低35.88% ~ 50.46%、18.66% ~ 53.29%。杂卤石配施硫酸钾可改善苹果产量和单株结果数减少现象，SP处理下降幅度最小，分别降低35.88%、18.66%；其次是SP1处理，分别降低36.25%、19.23%。
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表 2 不同处理苹果产量及其构成要素 Table 2 Apple yields and their components under different treatments |
不同施肥处理显著影响苹果品质(表 3)。各施钾处理均提高了果实VC、可溶性固形物、可溶性糖含量及糖酸比，杂卤石配施硫酸钾处理整体优于单施硫酸钾处理。2021年，与CK处理相比，SP1处理显著提高果实VC含量；2022年，不同处理VC含量无显著差异，但SP、SP1处理VC含量整体高于CK、S处理。两年间，SP处理可溶性固形物含量、花青苷含量及糖酸比最高，与S处理相比分别平均提高8.06%、27.75%、24.78%；SP1处理较CK处理果实可溶性糖含量平均显著提高23.04%；果实可滴定酸含量在4.19 ~ 6.64 g/kg，各处理间无显著差异。2022年，果实可溶性固形物、可滴定酸均高于2021年，果实花青苷、可溶性糖含量及糖酸比呈现出相反的趋势。
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表 3 不同处理苹果品质 Table 3 Apple qualities under different treatments |
不同施肥处理对收获期土壤化学性质影响显著(图 2)。与2021年相比，2022年土壤pH下降0.74 ~ 0.84个单位。两年间，单独施硫酸钾肥的S处理pH最低，杂卤石配施硫酸钾的SP1处理在维持土壤pH方面表现最好，其次是SP处理。与S处理相比，SP1、SP处理pH分别平均提高7.41%、5.17%。综合两年来看，与S处理相比，SP、SP1处理有效提高土壤中碱解氮、有效磷、交换性钙、交换性镁的含量，碱解氮、有效磷含量在2021年差异显著，交换性钙、镁含量在2022年差异显著，其中，SP1处理最为突出，4项指标平均分别提高21.38%、21.31%、34.97%、32.10%。施钾提高了土壤中速效钾含量，随着施肥年限的增加，不同处理间土壤pH、速效钾差异性提高。2022年，各施钾处理土壤速效钾含量均显著高于CK处理；在施钾处理中，SP1处理显著高于S、SP处理。
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(图中不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(P < 0.05)，下同) 图 2 不同处理土壤化学性质 Fig. 2 Soil chemical properties under different treatments |
不同施肥处理对土壤细菌α多样性具有一定影响，但处理间差异不显著(表 4)。不同处理样本反映群落丰富度的Chao1指数、Observed_species指数在4 610.40 ~ 5 170.56、2 801.00 ~ 3 089.00；反映群落多样性的Shannon指数、Simpson指数在9.52 ~ 9.98、0.99 ~ 1.00。SP处理Chao1、Observed_species、Shannon和Simpson指数最高，S处理最低。与CK、S处理相比，SP处理Chao1指数分别提高5.87%、12.15%，Shannon指数分别提高1.34%、4.04%。结果表明，杂卤石配施硫酸钾可提高土壤微生物丰富度和多样性，且仅在基础施肥期以杂卤石代替16% 的硫酸钾处理效果最佳。
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表 4 不同处理土壤微生物多样性 Table 4 Soil microbial diversities under different treatments |
通过维恩图(图 3)分析可以发现，各处理苹果根区土壤样本共有OTU 2 229个，CK、S、SP和SP1处理中的特有OTU分别为743、592、450、869个。各处理样本微生物特有OTU表现出一定差异性，说明不同施肥方式对根区土壤细菌群落结构产生影响。
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图 3 不同处理OTU数量维恩图 Fig. 3 Venn diagram of the numbers of OTUs under different treatments |
各处理样本在门水平上的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria，38.20% ~ 44.03%)、酸杆菌门(Acidobacteriota，17.39% ~ 27.34%)、拟杆菌门(Bacteroidota，5.28% ~ 8.00%)和芽单胞菌门(Gemmatimonadota，5.35% ~ 7.84%)(图 4A)。不同施肥处理对土壤微生物群落结构影响不同。施钾处理中，随着杂卤石施用量及施用时期的差异，土壤变形菌门、拟杆菌门等优势菌门相对丰度出现波动变化。SP1处理土壤变形菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门相对丰度均最高，酸杆菌门相对丰度最低；SP处理呈相反趋势。与CK处理相比，S处理变形菌门的相对丰度提高15.05%，酸杆菌门、芽单胞菌门的相对丰度分别降低21.24%、26.87%。
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图 4 不同施肥处理根区土壤细菌群落结构 Fig. 4 Soil bacterial colony structures in root zones under different fertilization treatments |
在纲水平上(图 4B)，γ变形菌纲(Gammaproteobacteria，19.05% ~ 29.24%)相对丰度最高，其次是α变形菌纲(Alphaproteobacteria，11.28% ~ 15.51%)、酸杆菌纲(Acidobacteriia，7.13% ~ 17.17%)。与CK处理相比，S处理α变形菌纲、酸杆菌纲相对丰度分别降低26.14%、36.09%，γ变形菌纲相对丰度显著提高52.88%；SP1处理γ变形菌纲相对丰度提高27.75%，酸杆菌纲相对丰度显著降低57.99%。
3 讨论 3.1 不同施肥处理对苹果产量的影响钾在苹果增产提质中的关键作用被广泛认可[16]，本研究也印证了类似结论。两年间，施钾处理均有效增加苹果产量，主要归因于钾素通过提高果树光合效率、维持离子和水的稳态等生理代谢过程[17]，增强同化产物的积累和向果实的运输[18]，进而提高果实产量。杂卤石部分代替硫酸钾的SP、SP1处理产量均显著优于单独施用硫酸钾的S处理(表 1)，一方面是因为杂卤石为土壤提供的钾、钙、镁、硫等元素使得土壤肥力提高，促进苹果生长。如外源施钙通过影响植物养分吸收、碳氮代谢等生理过程[19]，提高产量和果实品质；镁作为植物叶绿体的重要组成，又是植物生理代谢过程中多种酶的活化剂，适当的镁含量能有效提高作物产量[20]。另一方面是因为前期供应充足、中后期可持续的养分供给模式最利于作物生长[21]。速效钾肥料可及时地为作物提供养分，杂卤石中钙、硫等养分多以缓效态形式存在，两者配施更符合作物的养分吸收规律[8]。因此，与SP处理相比，在果实养分需求量较大的膨大期配施杂卤石的SP1处理产量有所降低。同时前人研究表明，以杂卤石为钾源，其肥效与常规速效钾相似甚至优于速效钾，且向植物提供钾、钙、镁和硫方面效率较高[22]。本研究中，两年间苹果产量变化主要归因于以下两点：①极端天气原因。6月正值苹果由花期向坐果期过渡的关键时期，需要大量的养分以防止生理性落果。2022年6月降水量同比超过2021年5倍以上(图 1)，且存在连续阴雨天气，导致土壤养分随水流失，同时，果实授粉受阻、坏果裂果概率增加，最终影响果树产量[23]。②果树生长中普遍存在“大小年”现象。植物营养元素年际不均衡分配，引起花芽分化数量的差异，导致两年间产量出现差异[24]。杂卤石因其自身元素组成和缓释特性，可为作物提供均衡养分，其配施硫酸钾处理在2022年能有效削弱极端降雨及果树“大小年”带来的负面影响。
3.2 不同施肥处理对苹果品质的影响钾被誉为作物营养中的“品质元素”，合理施钾可显著改善果实品质[16]。本研究中，施钾处理有效改善苹果VC、可溶性糖、可溶性固形物等品质指标，这与前人在苹果上的研究结果一致[16]。钾与植物代谢过程有着密切关系，能有效促进果实中的淀粉向糖转化，进而提高果实中含糖量[25]。与单独施用硫酸钾处理相比，杂卤石配施硫酸钾处理果实品质显著提升，这与杂卤石中富含钙、镁元素相关。果实中可溶性糖主要以葡萄糖、果糖和蔗糖为主，是植物碳代谢的主要产物[26]。果实糖分主要来源于叶片光合作用产生的蔗糖，通过韧皮部传输到果实，并在相关酶的作用下分解成葡萄糖、果糖积累[27]。镁作为叶绿素的中心原子，直接影响到植物光合作用中蔗糖的形成；钙可以通过抑制胞浆Fru-1，6-bisPase(果糖-1，6-二磷酸酶)、激活SPS(蔗糖-淀粉代谢关键酶磷酸酯合成酶)活性以及促进P-蛋白的转化等途径调节碳水化合物的合成[19]。另有研究证实，钙镁作为叶面肥喷施后，果实中磷酸果糖激酶活性下降抑制糖酵解途径，实现果糖和可溶性糖积累[28]。杂卤石处理通过促进上述生理反应过程，果实糖分等有机物质快速积累，果实品质得到提高。气温、降水等气候条件、果树自身的生理/生化变化及病虫害等因素均会对不同年份果实品质产生影响，最终导致两年间可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸含量等出现差异。
3.3 不同施肥处理对土壤化学性质的影响施肥是农业生产中补充养分的重要措施，被广泛用于提高土壤肥力和作物产量，直接或间接影响土壤的理化性质[29]。杂卤石营养元素丰富，可为作物提供良好的生长环境，提高土壤可持续生产力[6]。前人研究表明，杂卤石与传统肥料配施可有效缓解土壤酸化，通过增加土壤中钾、钙、镁有效养分含量改善土壤质量[5]。本研究中，杂卤石配施硫酸钾的SP、SP1处理提高了土壤pH及有效养分含量。硫酸钾为生理酸性肥料，施入后土壤pH下降，杂卤石为中性肥料，杂卤石配施硫酸钾能缓冲对土壤pH的影响[9]。另外，杂卤石中富含的钙、镁元素为土壤提供更多的碱性阳离子，可以取代土壤胶体中Al3+，中和土壤溶液中的H+，从而提高土壤pH[30]。同时，传统水溶性钾肥在土壤中流动性较强，容易随农田灌溉和雨水淋失迁移；而杂卤石具有缓释特性，养分释放缓慢，可有效提高土壤中交换性钙、镁含量。本研究中，杂卤石替代硫酸钾处理向土壤提供了钙元素，土壤钙的“激活效应”活化了土壤氮、磷元素[31]，使得苹果根区土壤碱解氮、有效磷含量提升。
3.4 不同施肥处理对根区土壤微生物群落结构的影响土壤微生物群落和多样性调控土壤生态系统的多功能性，进而影响土壤本身的抵抗力和恢复力，对维持土壤肥力、提高作物产量至关重要[32-33]。不同施肥措施通过改变土壤环境和营养状况进而影响土壤微生物的群落组成与多样性[34]。杂卤石配施硫酸钾处理的微生物多样性指数高于常规钾肥处理，这是由于土壤微生物更倾向于在营养丰富、空间充裕的环境生存[6]。杂卤石独特的晶格结构与提供多种矿物养分的特性，促进土壤团聚体松散状态的保持，为微生物创造适宜的生存环境。另外，土壤细菌群落多样性受土壤pH的影响[35]。施用杂卤石可降低土壤酸度，进而导致土壤微生物结构的变化。研究表明，变形菌门、放线菌门、酸杆菌门等为果园根际微生物的核心菌门[34]，本研究结果与之相似。SP1处理变形菌门在微生物群落中占主导，该菌门属典型富营养型微生物，对养分浓度敏感，易在养分丰富处聚集。杂卤石配施可增加土壤养分含量，为变形菌门的生长、繁殖与聚集提供良好物质基础，推测这是SP1处理中变形菌门占主导的因素之一。前人研究多认为，酸杆菌门细菌丰度与土壤pH呈负相关关系[36]，本研究中，SP1处理也呈现出类似结果，但SP处理的结果却与之相反，这主要归因于不同追肥时期杂卤石配施比例不同所致。而且并非所有的酸杆菌都嗜酸，SP处理增加了酸杆菌门中与pH呈正相关的细菌门类。此外，土壤有机碳含量等因素的差异也会对细菌群落结构产生影响。各种因素综合作用下导致不同处理的酸杆菌门细菌丰度与土壤pH关系的差异。
4 结论苹果生长周期中存在“大小年”现象，且与施肥措施密切相关。将杂卤石与硫酸钾配施，苹果产量显著提升，特别是在面临过量降雨等极端气候条件时，杂卤石配施硫酸钾有助于实现苹果稳产保收。杂卤石配方施肥在促进作物生长、改善果实品质的同时，通过增加土壤中有效矿质养分，缓解土壤酸化程度，显著优化土壤微生物菌群结构。杂卤石不同配施方式增产提质效果存在差异，实际生产中建议在施基肥时使用杂卤石代替16% 的硫酸钾进行施肥，以实现苹果的增产增收。
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