库尔勒香梨（Pyrus sinkiangensis Yu）属新疆梨种，是新疆最常见的特色林果之一[1]。2020 年的调查结果显示库尔勒市香梨种植面积3.09 万hm2，总产量40.27万t，较2019年的22.77万t增加了17.5万t，增长了76.86%[2]。然而长期以来，由于库尔勒香梨的热销，果农们一味追求香梨产量进而大量使用化肥的事情屡见不鲜。长期施肥不合理不仅会造成果园土壤肥力下降、土壤板结和盐碱化等诸多问题，还会降低果树吸收营养元素的利用率。量变引起质变，土壤肥力的下降直接影响到了香梨的品质和口感。
由于传统的清耕法会加速土壤有机质消耗，破坏土壤结构[3]。近年来，有机物料还田可以增加土壤有机质和提升土壤肥力的研究很多[4]。现代果园土壤管理模式就出现了土壤管理和土壤改良两大类。其中果园生草是果树生产发达国家普遍推行的措施，也是我国重要的果园土壤管理模式之一[5-7]。生草翻压还田作为鲜草利用的重要途径，在改良土壤、平衡农田生态系统养分循环方面起到了积极作用[8]。
土壤改良的具体方法则有两种：一是施用前需要腐熟的动物源有机肥；二是以草代肥，也叫秸秆还田。秸秆还田是秸秆利用的一种有效途径，得到了政府和科学家的大力推荐[9]。一般秸秆还田多作用于农作物，作物秸秆中含有丰富的氮、磷、钾、有机物和一些微量元素，这些养分在秸秆腐烂后可以被植物重新利用[10-11]。在秸秆全量还田条件下，秸秆中的钾、大部分磷和部分氮都可以补充给土壤[12]。以往的研究表明，林木凋落物也是影响土壤理化性质的重要因素。凋落物分解后形成的腐殖质有助于土壤的长期碳吸存，使有机质束缚的养分释放出来，是土壤自肥的重要机制，同时也是大量CO2回归大气的重要原因[13]。凋落物作为养分的基本载体，是森林生态系统的重要组分，也是物质循环的重要环节[14]。有研究表明，森林植物吸收的养分中，90%以上的N和P来自于凋落物分解归还给土壤的养分[15-16]。
果园中施用有机肥可以改良土壤，增加土壤有机质和缓释供求矛盾，其对果树生长的有益影响已逐渐被果农所重视[17]。通过枝条堆肥把果园固体废弃物变为养分全面的新型有机肥料，从而实现修剪枝条的资源化利用也变成一种新的土壤改良方法。目前和凋落物还田相比，废弃枝条还田的相关研究较少。在现实生活中，果园每年都要进行果树剪枝、果树整形，用来保证树体枝条合理分布，营养充足。春季修剪果树后的枝条中含有大量的有机物料，可大多都被丢弃于果园里。这些修剪后的枝条不仅不易腐烂，而且焚烧又会污染环境。有没有一种比枝条堆肥还要简便的方式呢？直接“枝条还田”可以增加土壤养分吗？
针对这些问题，笔者在室内混合培养状态下模拟梨园枝条还田后腐解对土壤有机质和氮、磷含量的影响，观察培养后的土壤养分含量的变化，以期为修剪枝条还田解决果园有机肥短缺的问题提供可靠的理论依据，为提高土壤肥力、改良果园根系微域环境提供理论基础和技术支撑，为今后大面积推广该项技术提供一定的理论依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
试验地为新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市阿瓦提乡阿瓦提香梨小镇（41°37′E，86°24′N），海拔为912 m，试验地气候条件为温带大陆性气候，年平均气温10.7～11.2 ℃，果园土壤类型主要为灌淤土和潮土类。
1.2 供试土样和枝条样品准备
采集库尔勒当地梨园的原装土后进行室内混合培养。供试土壤来自新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市阿瓦提乡阿瓦提香梨小镇，其初始土壤有机质含量（w，后同）为18.64 g·kg-1，全氮含量为0.07 g·kg-1，碱解氮含量为6.99 mg·kg-1，全磷含量为0.79 g·kg-1，速效磷含量为7.93 mg·kg-1，pH为7.84，容重为1.33 g·cm-3，土壤含水量为20.94%。
收集枝条的方法是在3个库尔勒香梨果园中随机挑选生长健壮的5年生和10年生的香梨样树。每株个体需根据不同层次和方位，用高枝剪或人工爬树的方法采集树的上、中、下三部分和东南西北4个不同方向的植物样品，选取其中健康无病害的枝条，剪取长度＜1 cm的枝条，并且把不同方位的样品按比例均匀混合，获取混合样品。不同树龄枝条的元素组成见表1。
表1 不同树龄枝条的元素组成
Table 1 Elemental composition of branches of different ages
野外采集枝条和土样需及时放入内置冰块的保温箱中保存。3个果园中土壤样品的采集都是按照“S”曲线随机挑选5处地点土钻采集40～60 cm，土样带回实验室混合后挑出根系和杂物。每次测指标前应经过“风干-分选-去杂-磨碎-过筛-混匀-装瓶-保存-登记”九个步骤。枝条样品带回实验室需用蒸馏水洗净、擦拭、称重后，在70 ℃恒温箱中烘干，并粉碎过60目筛备用。除空白对照外，每个“小盆栽”内称量120 g土壤和6 g粉碎至0.25 mm的有机物料后遮光处理。
1.3 试验设计
由于本试验是室内混合培养，盆栽内为了摈弃不同香梨树吸收不同养分含量造成的干扰，故采回果园40～60 cm土层的土壤样品后，挑出根系和杂物的同时也不种植其他作物。除对照外每盆中有机物料的添加量为6 g。试验时间为2021年5月20日至2021年10月17日，试验期间需保证田间持水量，鉴于果园土的类型为黄潮土，需控制土壤湿度为饱和含水量的75%，进而达到库尔勒香梨树枝条还田的理想状态。试验设3 个不同处理，处理0：空白对照（CK）；处理1：施入5年粉碎枝条；处理2：施入10年粉碎枝条，观测室内混合培养下150 d内的土壤养分动态变化情况。
试验需要分析库尔勒香梨树枝条腐解150 d 内土壤养分含量的动态变化，进而得出某一处理不同时期土壤肥力提高的程度。
1.4 样品测定
土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，全磷和有效磷含量均采用钼锑抗比色法[18]测定，均为3次重复。
1.5 数据处理
利用数据处理系统SPSS 25.0 进行单因素方差分析同一时期不同处理土壤化学性质的差异显著性，并用邓肯法进行多重比较（α=0.05），最后用Excel 2021 完成制图，图中数据为（平均值±标准差）。
2 结果与分析
2.1 不同处理腐解过程中土壤有机质含量的变化
如图1所示，在整个培养过程中除对照外，两个处理的变化趋势均为先升高后降低。处理1和处理2相比同期对照均达到显著性差异水平（p＜0.05），两个处理间除在30 d差异不显著外，其余9个时期均存在显著性差异（p＜0.05）。其中，处理1和处理2土壤有机质含量最高的时期分别为第60 天和第45 天，为62.43 g·kg-1 和67.90 g·kg-1，分别较同期对照增加2.71倍和2.93倍。处理1和处理2相较于对照土壤有机质平均值都增加，分别增加2.16倍和1.93倍。处理1和处理2与对照差异最大的时期分别为模拟还田后第60天和第45天。
图1 枝条腐解过程中有机质含量的变化
Fig.1 The change of organic matter content during branches decomposition
不同小写字母表示同一时期差异显著（p＜0.05）。下同。
Different lowercase letters indicate significant differences over the same period(p＜0.05).The same below.
2.2 不同处理腐解过程中土壤全氮含量的变化
如图2所示，处理1和处理2之间在第15天和第150 天存在显著性差异（p＜0.05）。处理1 在第45天、第75 天、第90 天和第105 天均与同期对照无显著性差异（p＞0.05），处理2除在第45天和第75天与同期对照差异不显著外，其余8 个时期均存在显著性差异（p＜0.05），较对照分别增加0.05、0.06、0.03、0.02、0.03、0.06、0.04 g·kg-1和减少0.02 g·kg-1。其中处理1 土壤全氮含量最高的时期在模拟还田后第150 天，处理2 则是第135 天。处理1 和处理2 相较于对照土壤全氮平均值都增加，增幅分别为61%和59%。与对照差异最大的时期是在枝条模拟还田后第30天，处理1和处理2的全氮含量达到0.11 g·kg-1和0.09 g·kg-1，是同期对照的2.92 倍和2.24 倍，两处理较同期对照土壤全氮含量显著增加。
图2 枝条腐解过程中全氮含量的变化
Fig.2 The change of total nitrogen content during branches decomposition
2.3 不同处理腐解过程中土壤碱解氮含量的变化
如图3所示，处理1只有第30天与同期对照存在差异显著（p＜0.05），较对照减少2.53 mg·kg-1。处理2在第30天、第90天、第135天和第150天与同期对照存在显著性差异（p＜0.05），较对照分别减少0.19、2.14 mg·kg-1和增加2.51、4.65 mg·kg-1。处理1 和处理2相较于对照土壤碱解氮含量平均提升表现基本一致，分别提升1%和4%。与对照差异最大的时期是枝条模拟还田后第150天，同时也是土壤碱解氮含量最高的时期，处理1 和处理2 分别达到7.39 mg·kg-1和9.38 mg·kg-1，较同期对照增加0.56倍和0.98倍。
图3 枝条腐解过程中碱解氮含量的变化
Fig.3 The change of alkaline hydrolysis nitrogen content during branches decomposition
2.4 不同处理腐解过程中土壤全磷的变化
整个室内混合培养期间的全磷含量几乎呈水平状态。处理1相较于对照土壤全磷含量平均值没有提高，其土壤全磷含量最高时期在模拟还田后第90天，达到0.72 g·kg-1，增幅为6%，较同期对照差异不显著（p＞0.05）。处理1 除第105 天外，其余时期相比对照土壤全磷含量均无显著差异（p＞0.05）。处理2 相较于对照土壤全磷含量变化幅度分别为-8%、7%、4%、1%、12%、1%、-3%、0%、6%和3%，除第75天外，其余时期相比对照对土壤全磷含量均不存在显著差异（p＞0.05），较对照土壤全磷含量平均增幅为2%（图4）。处理2与对照差异最大的时期为模拟还田后第75天，其全磷含量达到0.71 g·kg-1，较同期对照增加0.12倍且存在显著差异（p＜0.05）。
图4 枝条腐解过程中全磷含量的变化
Fig.4 The change of total phosphorus content during branches decomposition
2.5 不同处理腐解过程中土壤有效磷含量的变化
处理1 在第45 天达到其最大值11.54 mg·kg-1，增幅为36%，但与同期对照无显著性差异（p＞0.05），其他9 个时期相比对照土壤有效磷含量均存在显著差异（p＜0.05），变化幅度分别为-0.03、3.35、6.04、2.43、6.76、3.35、2.77、-0.57和2.70 mg·kg-1。处理2 除第105 天和第135 天与同期对照差异不显著外，其余8个时期均存在显著性差异（p＜0.05），分别较同期对照增加1.43 倍、0.56 倍、0.49 倍、1.89 倍、1.78 倍、46.96 倍和5.48 倍。处理1 土壤有效磷含量最高时期在模拟还田后第15天达到21.68 mg·kg-1，比对照增长1.43 倍。处理1 和处理2 相较于对照土壤有效磷含量平均值都有增加，分别为对照的5.88倍和6.88倍。其中与对照差异最大的时期是枝条模拟还田后第90 天，处理1 和处理2 的有效磷含量为6.91 mg·kg-1和7.24 mg·kg-1，较同期对照增加44.78倍和46.96倍（图5）。
图5 枝条腐解过程中有效磷含量的变化
Fig.5 The change of the effective phosphorus content during branches decomposition
3 讨论
研究表明，枝条模拟还田腐解过程中土壤有机质含量显著增加。处理1 和处理2 相较于对照土壤有机质含量平均值都增加，分别增加2.16 倍和1.93倍。其中与对照差异最大的时期为处理2 模拟还田后第45天。这与前人研究结果一致，王学敏等[19]研究表明秸秆直接还田、腐熟和秸秆生物炭还田处理配合氮肥减施可以显著提高有机碳含量。而枝条模拟还田腐解过程中有机质含量呈先升高再降低的趋势，原因是枝条中的有机碳先在土壤中腐解形成有机质，随着时间的推移有机质被微生物分解，这与潘晶等[20]发现秸秆深埋还田增加了微生物数量和提高了过氧化氢酶活性，进而促进了有机质氧化的研究结果相符合。
枝条模拟还田腐解过程中土壤全氮含量增加。室内混合培养期间处理1 和处理2 相较于对照土壤全氮含量平均值都增加，增幅分别为61%和59%。处理1和处理2均在模拟还田后第30天与对照差异达到最大。高金虎等[21]试验结果表明随玉米秸秆还田量增多，耕层土壤的全氮含量会增加，但增幅较小，最高为0.3%。本研究的增幅相比玉米秸秆较高的原因有二：一是果树枝条中氮含量高于玉米秸秆；二是两者作用土层不同，玉米秸秆还田一般作用于耕层土壤0～20 cm，而本研究对象库尔勒香梨树作用于距地表40 cm 处，所以能更好地吸收还田有机物中的营养物质。研究结果显示，在40～60 cm土层处理1 和处理2 的全磷含量较同期对照未有明显提高，处理2 相较于对照土壤全磷含量平均值提高2%，且土壤全磷含量最高的时期在模拟还田后第75天。这与前人研究结果趋势相同，王学敏等[19]表明秸秆直接还田可以不同程度提高全磷含量。
处理1 和处理2 相较于对照土壤碱解氮含量平均值均有提高但不明显，分别提高了1%和4%。其中与对照差异最大的时期为处理2 模拟还田后第150天。这与前人研究趋势一致，常单娜等[22]研究发现生草草种还田腐解后，一方面增加了外源有机物的输入，另一方面减少了养分的淋溶流失，使得土壤速效养分较还田前和对照均有一定程度的提升。因为有机物料在土壤中主要靠微生物进行腐解，而微生物增殖的重要条件是C/N 需要达到25∶1～30∶1，且研究显示高碳氮比的作物更难腐解。而本研究未配施氮肥导致碳氮比过高，就会造成部分碱解氮含量不明显升高。有研究显示，植物腐解在一定范围内与温度和水分呈正相关关系[8]。所以碱解氮含量在腐解过程中先降低后升高的原因可能是随着外环境温度的上升，微生物活动效率由低到高。研究显示，土壤中速效养分含量在腐解前期得到快速提升，是因为其为离子形态在腐解前期便得到大量释放，输入到土壤中[23]。这与本文研究结果相近，处理1和处理2 相较于对照有效磷含量平均值都有增加，分别为对照的5.88 倍和6.88 倍，其中与对照差异最大的时期为处理2模拟还田后第90天。而腐解过程中有效磷含量呈下降趋势的原因还可能是随着枝条进一步腐解，易于释放的养分已释放完毕，所以后期不再升高[8]。
4 结论
梨树枝条腐解过程中土壤有机质、氮和磷含量均有提升，提升效果整体表现为10 年树龄优于5 年树龄。其中全氮、有机质和有效磷含量与对照差异最大的时期分别是模拟还田后第30天、第45天和第90天，全磷和碱解氮含量最高的时期分别是模拟还田后第75天和第150天。
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