0 引言
【研究意义】氮素是果树生长中的一种关键元素,氮肥施用是果树生产中重要的农艺措施,合理施用可以促进花芽分化,提高坐果率,有利于果实膨大;但施用量过多,会使植物生长过旺,阻碍花芽形成,造成生理落果,影响果实着色,同时导致氮肥利用率不高,不仅造成资源浪费和生产成本增加,还带来了空气和土壤质量下降、水体污染等多种问题[1]。因此,果园中减少氮肥损失,提高氮肥利用率在生态环境保护、资源节约以及果树产量和品质提高方面均有重要意义,而肥料袋控缓释由于其肥效期长、养分释放速率与果树的需肥规律基本吻合[2,3],可以实现氮素养分的稳定供应,提高了氮素利用率[4,5],并减轻了肥料流失对土壤和环境的污染,在果园生产中具有良好的应用转化前景。【前人研究进展】张守仕[4]、彭福田[5]等研究了肥料袋控缓释对桃幼树和沾化冬枣氮素利用率及生长的影响,结果表明肥料袋控缓释可以促进细根发生,显著提高氮素利用率;邵蕾[6,7]、孙占育[8]等研究表明袋控缓释肥有效保证氮素稳定供应,提高了果实单果重和产量;在桃树中的研究表明肥料袋控缓释还可以减少氨挥发,增加土壤氮肥残留,提高根系活力并增加根系生物量[9],在一定程度上提高土壤酶的活性[10,11,12];在苹果、柑橘、葡萄、草莓、桃等树种的应用研究表明,肥料袋控缓释有效提高了果品的综合品质[13,14,15,16,17,18]。此外在其他作物中的研究表明,施用缓释肥可以提高植株光合速率[19],延缓叶片衰老[20]。【本研究切入点】肥料袋控缓释作为一种利用率高、环保、省工的新型肥料,在果树生产上的应用已初见成效,目前对肥料袋控缓释的研究主要是当年短期施肥的影响,而多年生果树的生长和结果状况并不完全取决于当年土壤养分的有效性[21]。桃树作为多年生果树,土壤养分稳定状况对于树体生长发育和果实品质具有重要作用。笔者课题组前期研究发现,肥料袋控缓释在施用当年土壤养分含量较为稳定,可提高冬枣和桃幼树当年氮素利用率[4,5],但连续采用肥料袋控缓释的长期效应有待进一步研究。【拟解决的关键问题】在前期研究的基础上,以‘瑞蟠21’晚熟蟠桃为试材,从桃树定植开始,进行连续5年的定点试验,采用袋控缓释(BCRF)、普通一次沟施(FSA Ⅰ)和高量两次沟施(HFSA Ⅱ)的方法施肥,研究连续5年采用肥料袋控缓释对桃园土壤养分状况、根系生长与分布、氮素利用率及产量品质的影响,探讨桃园采用肥料袋控缓释的长期效应,以期为肥料袋控缓释在桃树中的科学应用提供理论参考。1 材料与方法
试验于2012年3月至2016年11月在山东农业大学南校区试验站进行。1.1 试验材料
以‘瑞蟠21’/毛桃[Prunus persica (Carr. ) Franch.]为试材,株行距2 m×5 m。供试土壤为黏壤土,基本理化性质:有机质8.16 g∙kg-1、碱解氮48.53 mg∙kg-1、速效磷 56.29 mg∙kg-1、速效钾 74.18 mg∙kg-1、土壤pH 6.7。供试肥料为氮磷钾复混肥,其中尿素、磷酸二铵、硫酸钾以41﹕14﹕40(质量比)复混,混匀后借用工业流水线做成95g/袋,控释袋材质为白复合纸,正、反面均打有三排微孔,微孔直径0.2 mm,微孔间距0.5 cm,袋宽9 cm,袋长15 cm。
1.2 试验设计
试验于2012年3月定植后进行,按“Y”字型树形整形修剪,常规管理,进行夏季和冬季修剪;每年果园施腐熟有机肥7.5 t∙hm-2,采用喷灌系统进行正常水分管理。试验设肥料袋控缓释(BCRF)、等量1次沟施(FSA Ⅰ)和高量2次沟施(HFSA Ⅱ)3个处理,其中HFSA Ⅱ在生产中为农民普遍施肥方式;每处理3个小区,每小区6株。肥料采用放射沟法施用,即距树干30 cm向外挖放射沟,宽15—20 cm、深20—30 cm、长20—30 cm,放射沟的位置每年交替进行。2014年开始挂果后,HFSA Ⅱ处理肥料加倍施用,放射沟长度为40—60 cm,肥料施用情况见表1。沟施处理为:将与袋控缓释等量的复混肥均匀撒入沟内。 其中2016年BCRF处理每包袋控缓释用0.5 g 15N尿素(上海化工研究院生产,丰度10.35%)代替0.5 g普通尿素;FSA Ⅰ处理用5 g 15N尿素代替5 g普通尿素混匀施入;HFSA Ⅱ处理用10 g 15N尿素代替10 g普通尿素混匀施入。试验树结果(2014年)后,每年统计果实产量。Table 1
表1
表1施肥时期及施肥量
Table 1The fertilizing date and amount
处理 Treatments | 放射沟条数×肥料施用量(包/沟) Number of radial furrow×fertilizer application amount (bag/furrow) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2012/4/1 | 2013/3/1 | 2014/3/1 | 2014/6/1 | 2015/3/1 | 2015/6/1 | 2016/3/1 | 2016/6/1 | |
袋控缓释 BCRF | 2×1 | 4×1 | 4×2 | 5×2 | 5×2 | |||
等量1次沟施 FSA Ⅰ | 2×1 | 4×1 | 4×2 | 5×2 | 5×2 | |||
高量2次沟施 HFSA Ⅱ | 2×1 | 4×1 | 4×2 | 4×2 | 5×2 | 5×2 | 5×2 | 5×2 |
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1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤养分的测定 于每年的4、7、10月中旬,每处理随机选择3株,避开当年施肥区,随机采集0—20 cm 和20—40 cm土层土壤样品,自然风干混匀后进行养分测定。采用碱解扩散法测定碱解氮,用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定有效磷,乙酸铵浸提—火焰光度计法测定有效钾[22]。1.3.2 根系行间水平分布特征调查 由于桃树根系较大,分布深广,整体取样较为困难,因此采用分段挖掘法采集根系样品。于2016年11月1日,各处理随机选取3株,以树干为中心,在行间水平方向上每20 cm为一段,挖长、宽、深分别为50 cm×20 cm×40 cm的方穴,直到没有根系出现为止,将各段桃系树根编号用自封袋带回。将根样洗净、擦干,用WinRHIZO全自动根系扫描仪进行根系扫描、分析。按细根d≤2 mm,小根2 mm<d≤5 mm,中根5 mm<d≤10 mm,大根d>10 mm对桃树根系进行分级[23]。
1.3.3 新根生长状况研究 运用根系原位观测系统PMT-Root Scanner-R(恩奈瑟斯,北京,中国)观测新根生长状况。2016年4月10日各处理随机选6株桃树,在行间距树干0.6 m处垂直埋设根系观察管,埋设深度为45 cm,于2016年5月15日至9月15日,每30 d利用根系原位观测系统对10—30 cm土层的根系图片进行采集,图像采集面积为21.56 cm×19.56 cm。利用系统所带软件进行根系生物量分析,白色与褐色根定义为活根,黑色或皱缩的根和两次观测期间消失的根定义为死根。
1.3.4 氮素利用率的测定 2016年9月20日(果实成熟期),对15N尿素标记的桃树进行整株采样分析,将整株分为叶片、侧枝、主干、粗根(直径>2 mm)、细根(直径≤2 mm)和果实6部分。然后将各样品按清水→洗涤剂→清水→1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后,立即在105℃下杀青30 min,随后置于80℃下烘干至恒重,粉碎过0.147 mm筛,混匀后装袋备用。样品全氮用凯氏定氮法测定[22],15N丰度用MAT-251质谱计(中国农业科学院农产品加工研究所)测定。
15N吸收比例(Ndff)=(植物样品中15N丰度-15N自然丰度)/(肥料15N丰度-15N自然丰度)×100%;
氮素分配率=各器官从氮肥中吸收的氮量(g)/总吸收氮量(g)×100%;
氮素利用率=[Ndff×器官全氮量(g)]/施肥量(g)×100%。
1.3.5 果实产量、品质的测定 试验树结果(2014年)后,每年统计果实产量。2014—2016年果实成熟时,在每株树冠的中上部方向取5个果实,共30个,带回实验室测定果实品质。用百分之一天平测定果实单果重量;可滴定酸采用酸碱滴定法测定;Vc含量采用碘滴定法测定;果实中可溶性糖用蒽酮比色法测定;可溶性固形物采用TD-45测糖仪测定。
1.4 数据处理与分析
试验数据采用Excel 2007进行图表绘制,用SPSS19.0软件对数据进行单因素方差分析及最小显著差异性检验(Duncan’s新复极差法,P<0.05)。2 结果
2.1 不同施肥处理对土壤养分含量的影响
连续5年不同施肥处理土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量的动态变化有所差异,如图1所示。每年在施肥后的4月、7月和10月中旬取土测定养分含量,年动态变化相似:FSAⅠ处理土壤中养分含量前期水平较高,但呈逐渐降低的趋势,7月和10月份土壤中有效养分含量已经低于BCRF处理;BCRF处理肥料土壤中养分含量较稳定,后期(10月)土壤养分含量也出现略微下降趋势,但高于FSAⅠ处理;HFSAⅡ处理土壤中养分含量4月和7月水平较高,但10月份土壤养分含量降低较快。显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图1不同施肥方式下土壤有效养分的动态变化
-->Fig. 1Dynamic changes of available nutrients in soil under different fertilization modes
-->
HFSAⅡ处理各土层中养分含量均显著高于FSAⅠ处理。与BCRF处理相比,HFSAⅡ处理土壤养分含量4月和7月水平较高,但10月份土壤养分含量无明显差异。整体水平上,BCRF处理和HFSAⅡ处理土壤各土层中有效养分含量较FSAⅠ处理均有不同程度提高,以2016年测定结果为例,BCRF处理和HFSAⅡ处理0—20 cm土层中碱解氮、速效磷、速效钾含量分别比FSAⅠ处理高21.83%和39.61%,28.50%和28.26%,8.05%和52.66%,20—40 cm土层中碱解氮、速效磷、速效钾含量分别比FSAⅠ处理高11.80%和77.39%,14.33%和82.76%,14.93%和78.6%。在8月上旬‘瑞蟠21’进入果实膨大期,对养分需求较高,BCRF处理和HFSAⅡ处理土壤中有效养分含量仍保持较高水平,能更好的满足晚熟桃对养分的需求。
2.2 根系生长和水平分布
由图2可知,不同施肥方式处理桃树根系在水平方向的分布存在一定差异,FSAⅠ处理桃树根系在水平方向分布达140 cm,HFSAⅡ处理桃树根系在水平方向分布可达160 cm,而BCRF处理桃树根幅分布在100 cm之内,且在水平方向上74.41%的细根(d≤2 mm)分布在20—80 cm范围内;沟施处理细根分布不集中。显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图2不同施肥处理‘瑞蟠21’根系水平分布特征
-->Fig. 2The root horizontal distribution characteristics of ‘Ruipan 21’ under different fertilization modes
-->
由图3可知,BCRF和FSAⅠ处理根系总长度没有显著差异;BCRF和HFSAⅡ处理细根总长度并没有显著差异,但显著高于FSAI处理。3个处理细根长度占根系总长度的比例存在差异,BCRF处理细根比例较大,占根系总长度的83.95%;FSAⅠ处理细根比例次之,占根系总长度的75.19%;而HFSAⅡ处理细根长度仅占根系总长度的70.63%。说明肥料长期袋控缓释有助于促进细根的发生。
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图3不同施肥处理各等级根系长度
-->Fig. 3The length of different roots system under different fertilization modes
-->
根系生物量是指一定面积上某个时间存在的活根的量值。用根系原位观测系统观测根系生长状况,由图4可知,BCRF、FSAⅠ和HFSAⅡ处理根系生物量平均值分别为13 914.67、2 865.93和11 334.20 mm3,其中BCRF和HFSAⅡ处理根系生物量平均值无明显差异,但HFSAⅡ处理根系生物量变化幅度较大。根系生物量动态变化可以反映根系的稳定性,从侧面可以看出根系的寿命,说明肥料袋控缓释处理可以提高根系密度,延长根系寿命。
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图4不同施肥处理对根系生物量变化的影响
-->Fig. 4Effects of different fertilization modes on root biomass change
-->
2.3 氮素利用率
Ndff是指植株器官从肥料中15N中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率,反映植株器官对肥料中15N的吸收征调能力。由表2可知,不同施肥处理桃树植株各器官的Ndff值具有较大差异,BCRF处理与HFSAⅡ处理各个器官的Ndff值均显著高于FSAⅠ处理。与HFSAⅡ处理相比,BCRF处理能够明显提高除了主干以外其他器官的Ndff值。Table 2
表2
表2不同施肥处理对植株各器官中氮素利用率的影响
Table 2Effects of different fertilization modes on nitrogen utilization rate
器官 Organ | 处理 Treatment | 干质量 Dry mass (g/plant) | 全氮 Total N (g ) | Ndff (%) | 氮素利用率 N utilization rate (%) |
---|---|---|---|---|---|
叶 Leaf | BCRF | 1228.66±38.91b | 33.83±1.43b | 1.20±0.03 | 8.15±0.26a |
FSA I | 1318.84±40.44b | 32.09±1.04b | 1.04±0.01 | 6.69±0.25b | |
HFSA Ⅱ | 1518.84±59.86a | 43.04±1.85a | 1.18±0.05 | 5.07±0.41c | |
主干 Trunk | BCRF | 13684.38±613.27a | 61.09±2.41a | 0.32±0.01 | 3.97±0.31a |
FSA I | 12314.56±297.94b | 50.88±2.18c | 0.26±0.03 | 2.63±0.27b | |
HFSA Ⅱ | 13314.56±297.94a | 57.27±2.59b | 0.36±0.02 | 2.06±0.23c | |
侧枝 Lateral branch | BCRF | 9146.97±185.12c | 71.96±0.92b | 0.28±0.01 | 4.01±0.18a |
FSA I | 10576.47±362.47b | 73.36±4.00b | 0.19±0.03 | 2.71±0.38b | |
HFSA Ⅱ | 11576.47±362.47a | 81.82±3.64a | 0.25±0.03 | 2.06±0.21c | |
粗根 Coarse root | BCRF | 1959.02±26.21c | 13.91±0.68c | 1.26±0.03 | 3.51±0.19a |
FSA I | 2210.66±28.70b | 16.72±0.57b | 0.97±0.04 | 3.25±0.10a | |
HFSA Ⅱ | 3010.66±181.84a | 23.76±0.90a | 1.03±0.03 | 2.45±0.16b | |
细根 Fine root | BCRF | 611.28±11.78a | 9.62±0.52b | 1.51±0.03 | 2.90±0.22a |
FSA I | 592.35±17.86a | 8.02±0.41c | 1.24±0.03 | 1.99±0.13b | |
HFSA Ⅱ | 611.28±8.87a | 9.82±0.28a | 1.51±0.04 | 1.48±0.02c | |
果实 Fruit | BCRF | 6001.25±135.04a | 33.41±1.07a | 1.79±0.02 | 11.93±0.19a |
FSA I | 4500.61±63.19b | 25.05±0.48b | 1.51±0.03 | 7.57±0.19b | |
HFSA Ⅱ | 6183.94±353.24a | 35.43±1.56a | 1.71±0.03 | 6.07±0.37c | |
植株 Plant | BCRF | 32631.56±630.50b | 223.83±1.78b | — | 34.46±0.42a |
FSA I | 31513.50±650.61b | 206.12±4.42c | — | 24.84±0.90b | |
HFSA Ⅱ | 36215.76±879.44a | 251.14±7.37a | — | 19.18±0.74c |
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不同施肥处理植株的总氮量和氮素利用率也存在显著差异,HFSAⅡ处理分别为251.14g和19.18%,等量施肥处理下,均以BCRF处理较高,分别为223.83g和34.46%,而FSAⅠ处理为206.12g和24.84%。其中BCRF处理植株的氮素利用率是FSAⅠ处理的1.39倍,是HFSAⅡ处理的1.81倍。BCRF处理地上部氮素利用率显著提高,其中果实、叶片和侧枝中氮素利用率分别是FSA I处理的1.56倍、1.22倍和1.48倍。BCRF处理提高氮素利用率的效果较显著,这与其养分释放缓慢、稳定,降雨或灌溉时淋失较少有关。
2.4 果实产量和品质
2.4.1 果实产量 从桃树定植开始,第3年(2014年)开始有产量,综合连续3年统计结果,BCRF处理与HFSAⅡ处理果实产量差异较小。与FSA I处理相比,BCRF处理可以提高单株产量,2014—2016年分别提高16.85%、21.58%和25.63%。根据果实的单果重将果实分级,比较等量施肥2种不同处理的果实分级情况,大果率(单果重>200 g的果实占总产量的比例)存在一定差异:BCRF处理大果率均超过80%,FSA I处理大果率在59%—73%(图5)。肥料袋控缓释可以提高单株产量和大果率。显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图5不同施肥处理对桃树产量的影响
-->Fig. 5Effects of individual yield under different fertilization modes
-->
2.4.2 果实品质 由表3可见,2014—2016年,BCRF处理与FSA I处理果实的可溶性固形物、固酸比和Vc含量均显著高于HFSAⅡ处理,而可滴定酸含量则显著低于HFSAⅡ处理。同时,BCRF处理与FSA I处理间各个品质指标均差异不显著。
Table 3
表3
表3不同施肥处理对桃果实品质的影响
Table 3Effects of different fertilization modes on fruit quality
时间 Year | 处理 Treatment | 可溶性固形物 Soluble solid content (%) | 可滴定酸 Titrable acids (%) | 固酸比 Soluble solid/acid | 维生素C Vc (mg∙kg-1) |
---|---|---|---|---|---|
2014 | BCRF | 12.72a | 0.193b | 65.91a | 534.02a |
FSAⅠ | 12.57a | 0.198b | 63.49a | 535.39a | |
HFSA Ⅱ | 11.43b | 0.221a | 51.72b | 483.45b | |
2015 | BCRF | 12.51a | 0.186b | 67.26a | 525.9a |
FSAⅠ | 12.46a | 0.186b | 66.99a | 529.73a | |
HFSA Ⅱ | 11.07b | 0.233a | 47.51b | 453.57b | |
2016 | BCRF | 12.29a | 0.189b | 65.03a | 515.12a |
FSAⅠ | 12.13a | 0.186b | 65.22a | 512.27a | |
HFSA Ⅱ | 10.23b | 0.248a | 41.25b | 435.23b |
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3 讨论
3.1 肥料袋控缓释对土壤养分含量的影响
桃树作为多年生果树,土壤养分稳定状况对于树体生长发育和果实品质具有重要作用。肥料袋控缓释是以控释袋包装肥料,通过调节控释袋的微孔数目达到控制养分释放的目的[5]。张守仕[2]、齐玉吉[3]和彭福田[5]等在冬枣和桃树上研究了当年施肥对土壤有效养分含量的影响,发现肥料袋控缓释能够稳定的向树体提供养分。本研究通过连续5年施用肥料袋控缓释的定点试验发现,高量2次沟施处理后的短时间内,土壤中有效养分含量明显提高,但后期土壤中有效养分含量下降较快。与等量1次沟施处理相比,肥料袋控缓释处理土壤中有效养分含量较为稳定,尤其在‘瑞蟠21’进入果实发育后期后,等量1次沟施处理土壤中养分水平较低,而袋控缓释处理土壤中养分含量依然保持较高水平,这与前人研究结果相似。原因在于包膜肥料养分释放过程实际就是膜内肥料养分通过包膜向外扩散的过程[24],而肥料袋控缓释养分的释放特性可能与此相似,肥料的释放速率与土壤中养分浓度有直接关系,随着土壤中养分被植物吸收利用,肥料缓慢的释放出来,有效减少了土壤中养分由于灌溉、雨水等的淋失,保证了土壤中养分含量的稳定。桃园土壤养分连续多年维持在相对稳定的水平,可为桃树生长发育提供稳定的养分供给,保证树体均衡生长。试验过程中观察到,多年肥料袋控缓释处理树势中庸健壮,树体结构较为稳定。3.2 肥料袋控缓释对桃树根系生长和分布的影响
桃树是浅根系果树,养分的吸收主要是靠细根,因此,从提高肥料利用率的角度应该促进细根发生,延长细根寿命。张守仕[2]的研究发现在控释袋周围桃树细根发生密集,肥料长期袋控缓释不仅可以促进细根发生,而且能够延长根系变褐时间。本研究利用根系原位观测系统,进一步研究了常年采用肥料袋控缓释对根系分布和根系寿命的影响,结果表明,与沟施相比肥料袋控缓释桃树根系在水平方向分布较集中,且细根比例增加。原因可能是肥料等量1次沟施处理后,短期内土壤养分浓度较高,但后期土壤养分浓度较低,根系缺乏营养,而根系为了维持树体生长发育需要,根系外延吸收养分,进而周转加快,根系延伸明显,分布范围较远;肥料高量2次沟施处理后,土壤养分浓度波动较大,影响根系的生长发育。而袋控缓释处理土壤养分比较稳定,有利于秋季根系的发生与生长,同时充足的养分保证了秋季部分根域的养分供应,减缓了根系周转,延长了根系寿命,使根系延伸减缓,根系分布比较集中。桃树根系常年处于养分稳定供应的状态下,根系生长相对集中,有利于根系寿命的延长和降低根系构建所需的养分消耗。3.3 肥料袋控缓释对氮肥利用率及果实产量品质的影响
本研究中等量施肥情况下,肥料长期袋控缓释不仅提高了植株的氮素利用率,同时产量提高20%左右,大果率在80%以上,这前人研究较为一致[3-5,12-13]。在生产中,笔者调查发现,高量两次沟施处理为农民普遍施肥方式,与袋控缓释处理相比,氮肥利用率降低44.34%,且施肥用工量需要增加一倍以上。本试验结果表明,连续5年袋控缓释处理与高量两次沟施处理相比,提高了单株产量和大果率,且显著提高了果实品质。顾曼如等[25]研究表明苹果对氮素的利用可分为3个阶段:前期因早春气温低吸收根少,主要是利用贮藏氮;中期果树营养生长旺盛,主要利用当年所吸收的氮;后期新梢开始停止生长、花芽开始分化,是氮素的贮备阶段。在此基础上本研究认为肥料袋控缓释提高氮素利用率和果实产量品质的原因可能有3方面:一方面在根系明显吸收之前,新生器官建成所需的氮主要来源于贮藏氮[26,27],肥料袋控缓释处理在秋季之后仍能保证土壤中养分供应,可增加当年贮藏营养,利于花芽分化质量的提高和翌年新生器官的建造。其次春季一次撒施不仅造成养分供应与树体养分需求不同步,而且雨季随雨水淋溶损失严重,不仅造成环境污染[28],还导致果树生育后期土壤有效氮供应不足,造成氮素利用率低,而肥料袋控缓释增加了细根数量并延长其存活时间,增强了对氮素的吸收利用。另外,氮素具有很好的移动性,当年吸收的氮素主要供应生长中心器官[29],在果实为生长中心时,肥料袋控缓释处理土壤中较高的养分含量加强了果实对土壤中氮素的征调,提高了氮素利用率,有利于果实膨大。桃园土壤养分的稳定供应,根系构型和分布的优化有利于桃树树体对养分的高效吸收,进而提高了氮肥利用效率。连续多年采用肥料袋控缓释,减弱了养分在树体类的极性分配[30],稳定了树体结构,从而有利于果实品质的提高。4 结论
连续5年采用肥料袋控缓释可在稳定桃园土壤养分状况的基础上,保证晚熟蟠桃‘瑞蟠21’果实发育后期养分供应,促进桃树细根发生,提高细根比例,使根系分布相对集中,延长根系寿命,减缓根系周转;并可提高氮肥利用效率,有效提高果实产量和改善果实品质。采用肥料袋控缓释在果树生产中具有广阔应用前景,对肥料减施和改善果实品质具有重要意义。The authors have declared that no competing interests exist.