生草覆盖下不同施肥方式对苹果产量品质及水肥利用效率的影响及其机理研究

摘要

在黄土高原旱地苹果生产中，水分和养分一直是影响果树生长、苹果产量和品质提升的两大关键因素，而生草覆盖和有机无机肥配施是提高旱地苹果园水肥利用效率的重要管理措施。生草的生长会与果树争水争肥，而后期对其刈割覆盖又能保墒和增加土壤有机质；有机无机肥配施被认为是相比于单施化肥更加科学合理的一种施肥方式，合理施肥在一定程度上还能补偿生草对土壤养分的竞争。然而，对于长期生草覆盖条件下有机无机肥配施对苹果生长发育、产量和品质及水肥利用的影响及其机制尚不十分清楚。因此，本研究基于2008年开始的长期定位试验，全面研究了生草覆盖下不同施肥方式（不施肥、单施化肥、单施有机肥和有机无机肥配施）对果树生长发育、苹果产量及品质的影响，从土壤水分变化（并与旱地果园常用的地膜覆盖模式相结合研究二元覆盖对土壤水分的影响）和土壤肥力提升的长期效果及生物学机制的角度出发，通过深入分析其对果树水分和养分利用、土壤养分变化、土壤酶活性、土壤微生物及土壤功能基因的影响，揭示了长期生草覆盖下有机无机肥配施对苹果产量和品质影响的机制。取得如下主要结果和结论： （1）长期生草覆盖下有机无机肥配施相比于其他处理能够促进苹果树的生长（叶片生长及春稍生长等）、增加单果重及挂果量（生草条件下2013-2014年NPKM的单果重相比于CK、M、和NPK分别平均提高23.81%、10.42%、6.32%；挂果量相比于CK、M、和NPK分别平均提高48.80%、29.34%、26.48%），进而提高果实产量（生草条件下2013-2014年产量相比于CK、M、和NPK分别平均提高87.28%、44.33%、33.41%）。同时，果实品质尤其是Vc含量也有一定程度的提升。而二元覆盖模式（行间生草覆盖+树盘覆膜）相比于传统单覆膜模式，优化了覆盖方式，提升了果实的产量及品质（2013-2015年二元覆盖模式相比于传统覆膜模式产量分别提高了14.10%、18.84%和26.69%）。 （2）生草覆盖可以在高温多雨的夏季保蓄更多的土壤水分，以供果树在果实膨大期吸收利用，尤其是在干旱年份，因而提高了果树水分利用效率（73%），增加了果实产量。但在雨水较充沛的平水年份，生草覆盖下的土壤水分与清耕处理相比，无显著差异。与其他施肥处理相比，有机无机肥配施可以有效缓解生草对水分和土壤养分的竞争。所以，生草覆盖下有机无机配施能够有效提高果树水分利用效率，获得更高产量。 （3）和传统覆盖模式相比，二元覆盖模式集成了覆膜和生草覆盖的优点，能够有效提高收获后的行间贮水量，降低夏季行间水分蒸发。二元覆盖模式与传统单覆膜模式相比，显著提高了夏季水分利用效率，并且果树生育期总水分利用效率也显著提高了（于2013年和2014年分别高出13.8%和11.7%，而在2015年差异不显著）。在二元覆盖模式下，由于生草覆盖的效果，在夏季可以有效改善由太阳辐射和覆黑膜引起的土壤地表温度升高。因此，在二元覆盖模式下，苹果的产量明显高于传统的树盘单覆膜模式。 （4）生草覆盖处理下，在对生草进行刈割覆盖后，土壤含水量、硝态氮（NO3-N）、有效磷（Olsen-P）含量和5种和碳、氮、磷循环相关的土壤酶（磷酸酶、β-1,4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、β-木糖苷酶）活性均显著高于生草刈割覆盖前。生草覆盖处理下的土壤全量养分（有机碳和全氮）和5种碳、氮、磷循环相关的土壤酶活性（PHOS、NAG、BG、CBH、BXYL）在生草刈割覆盖前后均显著高于清耕处理，但土壤含水量以及速效养分含量（NO3-N、Olsen-P）在生草刈割覆盖前比清耕低，生草刈割覆盖后有所提升。生草覆盖处理下，生草刈割覆盖前后，施用有机肥的处理（M和MNPK）的土壤全量养分（有机碳、全氮）和有效磷含量均显著高于不施有机肥的处理（CK和NPK），其中MNPK处理下的与碳、氮、磷循环相关的5种酶活性（PHOS、NAG、BG、CBH、BXYL）在生草刈割覆盖后与NPK处理相比均显著提高。因此，生草覆盖下有机无机肥配施能有效提高土壤养分及酶活性。 （5）生草覆盖对土壤微生物群落组成的影响要高于施肥。生草覆盖主要提升了土壤中与植物残体降解有关的微生物的相对丰度，进而影响了整个微生物群落组成。而土壤微生物群落组成的变化进一步影响了微生物的网络结构。真菌和细菌之间的竞争明显增加了，并且细菌之间物种的合作也增加了（主要是在各个门内部；主要为Proteobacteria，Firmicutes，Actinobacteria和Bacteroidetes门）。而且长期生草覆盖增加了土壤养分水平（如有机质和全氮含量），进而影响了网络结构中的关键物种，如Thaumarchaeota门，unidentified_Nitrospiracea，unidentified_Nitrosomonadaceae，Faecalibacterium，Coprococcus_3和Ruminococcaceae_NK4A214_group属。因此土壤微生物群落组成和网络结构的改变，提升了与降解纤维素，半纤维素和多聚糖有关的基因的相对丰度，进而增加了土壤酶活性，最终导致了土壤有机质的增加。 （6）大团聚体（＞0.25mm）中的微生物群落组成和网络结构与微团聚体（0.053-0.25mm）和粉黏粒（＜0.053mm）中相比，常常与整体土壤更相似。土壤团聚体中的微生物群落组成随着团聚体粒级的改变而改变。而且，生草覆盖会改变土壤微生物群落组成，并且不同粒级团聚体中影响不同。生草覆盖改变了不同粒级团聚体内真菌和细菌之间的关系。大团聚体中真菌和细菌之间的竞争增加了，而微团聚体和粉黏粒中真菌和细菌之间的合作增加了。与Ascomycota和Actinobacteria/Alphaproteobacteria的关系相一致。不同粒级团聚体的网络结构中，生草覆盖改变了关键物种。和生草覆盖处理相比，对土壤养分更敏感的物种往往对清耕处理下的网络结构的响应较大。主要是因为清耕处理下，整体土壤和不同粒级团聚体中的养分含量较低。 （7）生草覆盖配合施肥提高了土壤中氮、磷循环和有机质代谢，提高了硝酸盐还原、固氮、硝化过程以及与磷循环和植物降解相关的基因相对丰度。基于不同代谢途径的网络结构分析表明，氮、磷循环对土壤有机质周转的重要性，其结果与氮、磷循环及植物降解基因的网络结构分析结果相似。因此，基因丰度的改变显著影响了土壤肥力。并且氮、磷循环有关的关键基因和植物降解有关的关键基因相比，能够解释更多的土壤肥力变异。和单施肥及单独生草覆盖相比，生草覆盖配合施肥能够为碳、氮、磷循环提供更多的有效态氮、磷。因此，生草覆盖配合施肥能通过综合调控氮、磷循环及有机质周转来提升土壤肥力，进而提高苹果产量。

目录

第一章 文献综述

1.1 研究背景与意义

1.2 果园生草覆盖对果树及果园土壤水分及养分的影响

1.2.1 果园生草覆盖常用品种

1.2.2 生草覆盖对果树养分吸收的影响

1.2.3 生草覆盖对果树生长、产量、品质的影响

1.2.4 生草覆盖对果园水分的影响

1.2.5 生草覆盖对果园土壤养分及酶活性的影响

1.2.6 生草覆盖对果园微生物的影响

1.3.1 施肥对果树养分吸收的影响

1.3.2 施肥对果树生长、产量、品质的影响

1.3.3 施肥对果园土壤养分及酶活性的影响

1.3.4 施肥对果园土壤微生物的影响

1.4 本研究的科学问题

1.5 研究内容与技术路线

1.5.1 生草覆盖下不同施肥方式及二元覆盖对果树生长、产量及品质的影响

1.5.2 长期生草覆盖下不同施肥方式及二元覆盖对果树水分利用的影响

1.5.3 长期生草覆盖下不同施肥方式对果园土壤养分及酶活性的影响

1.5.4 长期生草覆盖下不同施肥方式对果园土壤微生物群落结构的影响

1.5.5 长期生草覆盖下不同施肥方式对团聚体内微生物群落结构的影响

1.5.6 长期生草覆盖下不同施肥方式对土壤功能基因的影响

1.5.7 技术路线

2.1 引言

2.2.1 供试地点

2.2.2 供试材料

2.2.3 试验设计

2.2.4 样品采集及测定

2.2.5 数据分析

2.3 结果与分析

2.3.1生草覆盖下不同施肥方式对果树生长的影响

2.3.2二元覆盖对果树生长的影响

2.3.3 生草覆盖下不同施肥方式对苹果产量的影响

2.3.4 二元覆盖对苹果产量的影响

2.3.5 生草覆盖下不同施肥方式对苹果品质的影响

2.3.6 二元覆盖对苹果品质的影响

2.4 讨论

2.5 结论

3.1 引言

3.2.1 供试地点

3.2.2 供试材料

3.2.3 试验设计

3.2.4 样品采集及测定

3.2.5 数据分析

3.3.1 降雨与气温

3.3.2 生草覆盖下不同施肥方式对土壤贮水量和蒸散量的影响

3.3.3 果园生草覆盖下不同施肥方式对水分利用效率的影响

3.4 讨论

3.5 结论

4.1 引言

4.2.1 供试地点

4.2.2 供试材料

4.2.3 试验设计

4.2.4 样品采集及测定

4.2.5 数据分析

4.3 结果与分析

4.3.1 太阳辐射，潜在蒸发量，降雨量与气温

4.3.2 二元覆盖模式对土壤贮水量的影响

4.3.3 二元覆盖模式对土壤水分蒸散量的影响

4.3.4 二元覆盖模式对果树水分利用效率的影响

4.3.5 二元覆盖模式对土壤温度的影响

4.4 讨论

4.5 结论

第五章 苹果园生草覆盖下不同施肥方式对土壤养分及酶活性的影响

5.1 引言

5.2.1 供试地点

5.2.2 供试材料

5.2.3 试验设计

5.2.4 样品采集与测定

5.2.5 数据处理

5.3 结果与分析

5.3.1长期生草覆盖条件下不同施肥方式对土壤有机质的影响

5.3.2长期生草覆盖条件下不同施肥方式对土壤全氮的影响

5.3.3长期生草覆盖条件下不同施肥方式对土壤硝态氮的影响

5.3.4长期生草覆盖条件下不同施肥方式对土壤有效磷的影响

5.3.5长期生草覆盖条件下不同施肥方式对土壤速效钾的影响

5.3.6 生草刈割覆盖前后土壤养分及酶活性对比

5.4 讨论

5.5 结论

6.1 引言

6.2.1 供试地点

6.2.2 供试材料

6.2.3 试验设计

6.2.4 样品采集及测定

6.2.5 数据分析

6.3 结果与分析

6.3.1 生草覆盖下不同施肥方式对微生物Alpha多样性的影响

6.3.2 生草覆盖下不同施肥方式对微生物种群落组成的影响

6.3.3 真菌和细菌物种和土壤物理化学性质的相关性

6.3.4 生草覆盖对微生物网络结构的影响

6.3.5生草覆盖对植物降解相关的功能基因的影响

6.4 讨论

6.5 结论

7.1 引言

7.2.1 供试地点

7.2.2 供试材料

7.2.3 试验设计

7.2.4 样品采集及测定

7.2.5 数据分析

7.3 结果与分析

7.3.1 生草覆盖下不同施肥方式对团聚体内微生物群落组成的影响

7.3.2 不同处理下土壤和不同粒级团聚体微生物网络结构的拓扑性质

7.3.3 生草覆盖对网络结构中的联接数的影响

7.3.4 生草覆盖对微生物网络结构中关键物种的影响

7.4 讨论

7.5 结论

第八章 生草覆盖下不同施肥方式对土壤C、N、P循环相关功能基因的影响

8.1 引言

8.2.1 供试地点

8.2.2 供试材料

8.2.3 试验设计

8.2.4 样品采集及测定

8.2.5 数据分析

8.3 结果与分析

8.3.1 生草覆盖下不同施肥方式对功能基因和代谢的影响

8.3.2 氮循环，肌醇磷酸盐代谢和有机质周转的关系

8.3.3 生草覆盖和施肥对氮磷循环和植物降解相关基因的影响

8.3.4 氮磷循环和植物降解相关的基因之间的关系

8.3.5 关键基因，土壤性质和产量的关系

8.4 讨论

8.5 结论

第九章 结论与展望

9.1主要结论

9.2研究展望

参考文献

致谢

个人简历