农作物的收获，每年从土壤中带走大量养分，这些养分主要靠施肥进行补充。化学肥料的使用，在增加产量的同时也带来了其他问题，如作物品质下降、土壤板结、土壤肥力降低、肥料利用率低、土壤和水体污染等。当前化学肥料的过量施用主要是氮肥的过量施用^[1-2]，其中果树、蔬菜等经济作物施用氮肥过量较为突出。陕西省是我国的苹果生产大省，果园化学氮肥施用过量现象严重，王小英等^[3]调查2005—2009年陕西省苹果施肥状况发现化学氮肥投入过量比例为72%，数量达12.83万t；杨莉莉等^[4]通过估算认为目前陕西省苹果园N、P₂O₅、K₂O施用量分别过量15.12万、4.46万、1.19万t；赵帅翔等^[5]对黄土高原苹果园的调查发现，氮肥过量施用的果农比例高达90% 以上。过量氮肥投入导致果实品质下降、果园氮素累积、硝酸盐淋溶风险增加、土壤酸化加剧，造成资源浪费和环境氮负荷^[6]。因此，如何有效减少化学氮肥用量对陕西省果园可持续发展至关重要。

有机肥料含有丰富的有机质和各种养分，它不仅能直接为作物提供养分，而且能活化土壤中的养分并增强土壤生物学活性，促进物质转化，提高土壤肥力，改善作物品质等。为了保持农业的可持续发展，有机肥被认为是化学肥料的有效替代品^[7]。已有大量研究证明有机肥替代化肥可以增加作物产量^[8]、改善作物品质^[9-10]、增加土壤有机质和养分含量^[11]、降低土壤容重^[12]、提高微生物数量以及酶活性^[13]。有机肥替代化肥大多是在常规施肥的基础上进行，对于减量施肥后再进行有机肥替代化肥的研究较少。本研究在优化减氮基础上用有机肥替代部分氮肥，通过对苹果最重要的产量、品质的分析以及对土壤肥力影响较大的土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的研究，确定最佳施肥措施，以期为陕西省苹果园的减肥高效、绿色可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于陕西省旬邑县张洪镇新丰村（35°06′N，108°16′E），该地属黄土高原沟壑区塬地，海拔1 150 m，年平均日照2 390 h，年平均气温9.1 ℃，年降水量约600 mm。供试材料为红富士，砧木为八棱海棠，2004年栽植，株行距3 m×4 m，果园共0.2 hm²。土壤类型为黑塿土，试验地基础土壤肥力：有机质13.9 g·kg^-1，碱解氮56.0 mg·kg^-1，速效磷22.7 mg· kg^-1，速效钾338.5 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验从2017年10月31日秋季施肥开始进行两年。共4个处理，分别为：常规施肥（化肥N 800 kg· hm^-2，T1）、优化减氮（化肥N 400 kg·hm^-2，T2）、有机肥替代25%氮肥（有机肥N 100 kg·hm^-2+化肥N 300 kg· hm^-2，T3）、有机肥替代50% 氮肥（有机肥N 200 kg· hm^-2+化肥N 200 kg·hm^-2，T4），每个处理3次重复，随机区组排列，每6棵果树为一个小区。除常规处理氮肥为800 kg·hm^-2，其余3个处理的氮肥用量均为400 kg·hm^-2，有机肥替代25% 氮肥和有机肥替代50% 氮肥均是在减氮的基础上进行；所有处理的磷钾养分投入一致，P₂O₅为300 kg·hm^-2，K₂O为400 kg·hm^-2。化学氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 16%），钾肥为硫酸钾（K₂O 52%）；有机肥为商品有机肥，有机质含量为488.8 g·kg^-1，N、P₂O₅、K₂O含量分别为1.65%、1.40%、1.36%。在果树一个生长周期（果实收获后至下一个果实收获）内仅施肥两次，即基肥和追肥。有机肥和化学磷肥作为基肥在每年10月下旬一次性施入，化学氮钾肥60% 作为基肥，40% 作为追肥在6月初膨果期施入。追肥和基肥均是开沟施入，沟宽30~40 cm，深约30 cm，基肥是行间条施，追肥是株间条施。所有试验果树长势一致，其他田间管理，如病虫害防治、灌溉等与农户一致。

1.3 测定项目和方法

在2018年和2019年10月果实收获时，分别从果树的东西南北4个方向各摘取果实样品5个，每小区采摘20个果实，带回实验室测定果实品质；同时计量每小区的所有果实质量，作为小区的产量。为了试验效果更显著，试验的第二年，即2019年10月在果实收获的同时分层采集土壤样品，每20 cm为一层，共取3层（0~20、20~40、40~60 cm），每小区采集6个点（不施肥区、施肥区、株间各取2个点），混匀后作为一个土壤样品带回实验室，用于土壤指标测定。

果实品质的测定参考曹建康等^[14]的方法，可溶性固形物用糖度仪测定，可溶性糖用蒽酮试剂法测定，可滴定酸用NaOH中和滴定法测定，维生素C用2，6- 二氯靛酚滴定法测定，单果质量测定是随机选取100个果实的平均质量，果实果径分级用分级圈，品质结果为2019年数据。土壤酶（碱性磷酸酶AKP、β-1，4- N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶NAG、β-1，4-葡萄糖苷酶βG、纤维二糖水解酶CBH）活性测定采用微孔板荧光法^[15]，土壤样品4次重复，标准和阴性4次重复，空白和淬火3次重复，该方法是在低底物浓度条件下，通过检测酶裂解释放荧光基团（4-甲基伞形酮酰）所发出的荧光强度进行测定，能直接、快速、灵敏地反映微生物胞外酶活性。4-甲基伞形酮酰激发波长为365 nm，检测波长为450 nm。计算公式为：

式中：A_b为土壤样品的酶活性，nmol·g^-1·h^-1；F为校正后的样品荧光值；V为土壤悬浊液的总体积；e为荧光释放系数；v₁为微孔板每孔中加入的样品悬浊液的体积；t为暗培养时间；m为鲜土样换算成干土样的结果；f为酶标仪读取样品微孔的荧光值；f_b为空白微孔的荧光值；q为淬火系数；fs为阴性对照微孔的荧光值；f_r为参考标准微孔的荧光值；c_s为参考标准微孔的浓度；v₂为加入参考标准物的体积；f_q为淬火标准微孔的荧光值。

酶活性综合指标GME为土壤酶活性的几何平均值，常被用来反映酶活性的综合指标，计算公式为：

式中：Ai表示不同酶的活性（i=1，2，3，…，n）。

土壤微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定，新鲜土壤经氯仿熏蒸24 h后，用0.5 mol·L^-1 K₂SO₄溶液（液土比4∶1）浸提1 h，滤液分别用TOC-L分析仪和流动分析仪测定。

N肥偏生产力=施N产量（kg·hm^-2）/施N量（kg·hm^-2）。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和IBM SPSS stastistics 20.0软件对数据进行统计分析，采用单因素AVNOVA（P < 0.05）进行差异显著性分析。

2 结果与分析 2.1 氮肥减量配施有机肥对苹果产量的影响

由表 1可以看出，2019年的单果质量和产量整体优于2018年，这是由于2018年4月7日果园遭遇了严重的冻害。在试验进行第一年，不同处理对果实单果质量的影响无显著差异，但T4处理的产量显著高于T1、T2、T3处理，分别高出27.5%、25.9%、27.2%。试验第二年，T1处理的单果质量和产量均显著低于T4处理。T4处理的偏生产力最高，是T1处理的两倍以上，减氮施肥3个处理的氮肥偏生产力均高于常规施肥。

2.2 氮肥减量配施有机肥对果实品质的影响

不同果实直径所占比例见表 2，减氮处理的大果所占比例较高，且T4处理的大果（直径 > 80 mm）所占比例最高，达32.7%。各处理对果实维生素C含量的影响差异不显著（表 3），T4处理的可溶性固形物含量显著高于仅施化肥处理，常规施肥处理的可溶性糖和糖酸比显著低于减氮处理，有机肥替代氮肥处理的可滴定酸含量显著（P < 0.05）低于优化减氮处理，糖/酸比高于优化减氮处理，表明施氮过高不利于果实品质的提升，优化减氮基础上有机肥替代部分氮肥利于改善果实品质。

2.3 氮肥减量配施有机肥对微生物量碳氮的影响

除常规施肥处理，SMBC随着土壤深度的增加而减少，不同处理对SMBC的影响主要在0~40 cm土层（图 1）。T2处理的0~20 cm土层SMBC显著高于T1处理，而显著低于T4处理；3个减氮处理的20~40 cm土层SMBC比常规施肥处理分别高出61%、63% 和75%。

所有处理的SMBN随着土层加深而减少，不同处理SMBN在各个土层内均有显著差异（图 2）。常规施肥的SMBN在20~40 cm和40~60 cm土层显著低于有机肥替代部分氮肥的处理，T3处理SMBN在0~20 cm土层显著低于T2处理（P < 0.05），在0~60 cm土层显著低于T4处理。

2.4 氮肥减量配施有机肥对土壤酶活性的影响

不同处理之间4种土壤酶活性均有差异，除AKP外，其他3种酶活性均是T4处理的最高（图 3）。T1处理的AKP活性在20~40 cm土层显著低于T4处理，在40~60 cm土层显著低于T3和T4处理，即施用有机肥处理的AKP酶活性随土层加深而增加。施用有机肥的两个处理的NAG活性均显著高于常规施肥处理，在20~40、40~60 cm土层显著高于优化减氮处理；T1处理的βG和CBH活性在0~60 cm土层均显著低于T4处理，与T2处理差异不显著。仅施用化肥的两个处理的4种土壤酶活性在上下土层中的变化较小，T4处理40~60 cm土层与0~20 cm土层相比，AKP、NAG活性分别增加了66%、58%，βG、CBH活性分别降低了33%、34%。

从4种酶的综合指标分析，0~60 cm土层中均是T1处理最低；减氮的3个处理中，有机肥替代部分氮肥处理的20~60 cm土层酶活性综合指标显著高于仅施化肥的处理。表明优化减氮基础上有机肥替代部分氮肥利于增加土壤酶活性。

2.5 各指标之间的相关性分析

土壤酶和土壤微生物量均与土壤微生物活动关系密切，微生物量碳氮和各种土壤酶活性及果实产量的相关性见表 4。在0~20 cm土层，SMBC与产量呈显著正相关关系，与SMBN、NAG、βG、CBH呈极显著正相关关系，SBMN与产量呈显著正相关关系；在20~ 40 cm土层，SMBC与除AKP之外的其他3种酶呈显著或极显著正相关关系，SMBN与4种酶活性之间均呈显著或极显著正相关关系；在40~60 cm土层，SMBN与产量、SMBC、4种酶活性均呈显著或极显著正相关关系。总体来看，4种酶之间除AKP活性与其他酶的关系不显著，其他3种酶活性相互之间呈显著或极显著正相关关系；SMBC主要在0~20 cm与酶活性关系密切，而SMBN主要在20~60 cm与酶活性关系密切。

3 讨论 3.1 氮肥减量配施有机肥利于增加苹果产量

当前陕西省苹果园普遍存在施氮过量的情况，过量施用氮肥对作物增产不利。本试验条件下，氮肥减半基础上有机肥替代50% 氮肥处理两年的产量均显著高于常规施肥处理，特别是第一年的增产效果非常显著，这可能与有机肥增加了树体的抗性有关^[16]；2018年遭遇了严重的冻害，造成果园大幅减产，而有机肥替代50% 氮肥处理施入土壤中的有机肥较多，增强了树体的抗性，减少了损失。优化减氮处理的氮用量比常规施肥减少一半，但产量并未减少，这与彭福田等^[17]的研究结果一致，高氮水平反而不利于产量的增加，这可能与常规施肥施入的氮过量有关。过量施氮导致果树营养生长过剩，生殖生长受到抑制，同时造成养分吸收不平衡，从而影响树体生长和产量形成^[18-19]。本研究在减氮施肥的3个处理中，有机肥替代部分氮肥处理的增产作用较好，并且随有机肥替代量的增加增产效果更显著，这与张迎春等^[20]对莴笋的研究结果一致，但与钱银飞等^[21]对不同猪粪用量与化肥配施的研究结果不同，随着猪粪用量的增加，水稻产量先增加后降低，这可能是作物种类和试验条件不同造成有机肥与化肥配施的效果不同。适量有机肥配施化肥可以改变土壤微生物特性、促进根系生长等，从而促进作物生长^{[20, 22-23]}，增加作物产量。

3.2 减氮配施有机肥促进果实品质的提升

不同施肥处理对果实品质的影响不同，减氮施肥处理的大果率、可溶性固形物、可溶性糖、糖酸比均比常规施肥处理增加，可滴定酸含量降低，增加了果实的商品率和风味。这与任静等^[24]和陈磊等^[25]的研究结果一致，过高的施氮量降低果实可溶性固形物和糖含量、增加可滴定酸含量，果实品质下降。原因可能是过量施氮导致氮代谢旺盛，消耗了更多的碳骨架和还原力，降低了植物同化速率，影响光合产物输出，最终使果实中糖含量降低^[26]。有机肥替代部分氮肥的处理对苹果果实品质的影响更显著，且和有机肥替代化肥的比例有关，本研究有机肥替代50% 化肥处理的品质最佳。伍晓轩等^[27]对小麦的研究认为，有机氮无机氮比例为1∶1时利于小麦产量品质的协同提升，这与本研究结论相似。有机肥可以通过调节养分平衡、植物内源激素平衡、碳氮代谢平衡等来改善作物品质^[28]。

3.3 氮肥减量配施有机肥增加土壤微生物量碳氮

土壤微生物生物量是指土壤中体积小于5 μm³的活微生物总量，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分。微生物量碳氮是反映土壤微生物生物量的重要微生物学指标^[29]。微生物量碳氮与土壤养分循环密切相关，是反映土壤肥力和土壤质量高低的指标之一，受有机肥的影响较大。本研究中同一施氮水平下，有机肥替代50% 氮肥处理的土壤微生物量碳氮高于不施有机肥的优化减氮处理，这与前人研究结果类似^[30]，有机肥与化肥配合施用增加土壤微生物量碳氮。曲成闯等^[31]和郭振等^[32]研究认为土壤微生物量碳氮的增加与施入有机肥的量呈正相关关系，本研究结果与之相同，有机肥替代50% 氮肥处理的微生物量碳氮高于有机肥替代25% 氮肥处理。原因是有机肥的投入提供了碳源，使土壤微生物增殖，并分解有机物质，提供植物所需的养分，养分的增加又促进土壤微生物数量和种群丰富度极大增加；无机氮肥又能提供大量氮源，从而使土壤微生物生物量碳氮增加^[33]。优化减氮处理微生物量氮与常规施肥处理之间无显著差异，0~40 cm微生物量碳显著高于常规施肥处理，原因与施入高氮使土壤氮增加，C/N下降，加速土壤原有有机碳分解，导致土壤有机质含量下降有关，并且施用高量化肥可能破坏微生物生存环境，使微生物数量减少^[33-34]。

3.4 氮肥减量配施有机肥促进土壤酶活性增加

土壤酶是有机物分解和养分循环的主要生物学机制，它可以作为生物多样性、生态系统功能和土壤肥力的指标，测定酶活性是了解土壤生物学过程的有效工具^[15]。本研究选取国内外最广泛测定的^[35] 4种与有机质密切相关的酶（AKP、NAG、βG、CBH）进行研究。磷酸酶可以将磷从不可用的、有机结合的形式转化为可被微生物和植物吸收的磷酸根离子，从而提高土壤磷的有效性；乙酰氨基葡萄糖苷酶是参与氮循环的重要物质，可降解几丁质和肽聚糖，水解来自壳二糖的氨基葡萄糖；β-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶属于可降解纤维素的水解酶，可以表征碳代谢活性。本研究中有机肥替代化肥处理的4种酶活性高于仅施化肥处理，且有机肥用量越高的处理酶活性越强，这与大多数研究结果一致^{[13, 36]}，原因是有机肥的施用增加了土壤微生物可利用碳源，使微生物保持较高活性，增加了微生物多样性和数量^[37-38]，从而促使土壤酶活性的增加。但也有研究认为过多的有机肥反而会使土壤酶活性降低^[39]，这可能与不同土壤性质有关。

土壤的生物学指标通常比化学、物理特性对土壤条件变化的反应更快，本研究发现优化减氮和有机肥替代部分氮肥在施氮量减少一半的情况下，有机肥替代50% 氮肥的效果更显著。可能是当地常年的常规施肥使土壤氮过量，导致土壤养分不平衡、微生物数量和种群丰富度降低，而优化减氮以及优化减氮后有机肥替代部分氮肥改变了土壤中的碳氮比例，引起土壤微生物的活性改变，增加了土壤微生物量碳氮以及土壤酶活性，促进作物根系的代谢增强和树体对土壤养分的吸收^[27]，从而提升果实产量和品质。

4 结论

（1）优化减氮基础上有机肥替代50% 氮肥显著增加果实产量和果实大果率、可溶性固形物、可溶性糖、糖酸比，降低果实可滴定酸含量。

（2）优化减氮基础上有机肥替代50% 氮肥显著增加土壤微生物量碳氮和土壤β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶活性。

因此，在陕西省苹果园建议推荐化学肥料减半的基础上用有机肥替代50% 氮肥，以节省化肥用量，增加产量，改善品质，提升土壤质量，利于果园的可持续发展。