长期有机与IPM苹果园果实品质及土壤生物多样性综合评估

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Apple quality and soil biological diversity in long-term organic and IPM apple orchards

　　

引言： 尽管已有若干研究比较了有机与常规苹果生产中的果实品质，但对果实品质与土壤生物多样性的综合评估仍然有限。以往多数研究基于相对短期的试验比较，然而土壤生物区系及土壤属性的响应往往需要多年持续一致的管理才能充分显现。 方法： 本研究在北方（Nordic）条件下，比较了长期有机（ORG）苹果园与长期有害生物综合治理（IPM）苹果园的产量、果实品质及土壤生物多样性。研究于2022–2024年在爱沙尼亚Polli园艺研究中心进行，供试品种为“Katre”、“Krista”和“Alesja”。研究分析了苹果产量、果实品质属性（可溶性固形物与可滴定酸含量及其比值、抗坏血酸含量、总多酚、总花青素、果实硬度、果实色泽、果实矿质元素含量）、土壤化学参数以及蚯蚓和跳虫群落。 结果与讨论： 在三个品种中的两个品种上，IPM果园的总产量和鲜销产量较高，而两个果园间鲜销果比例并无一致差异。跨品种平均而言，ORG果园苹果果皮着色更为浓重。与栽培系统相比，与风味相关性状及抗氧化组分在不同栽培系统间的差异更多表现为品种和年份依赖性。仅在“Katre”品种中，总多酚含量在ORG管理下持续较高；而“Alesja”品种无论栽培系统如何均表现出最高的总多酚和总花青素含量，凸显了基因型的决定性作用。ORG果园土壤具有更高的pH值以及更高的磷和钙含量，并支持更高比例的深栖型（anecic）蚯蚓，尤其是 Aporrectodea longa。IPM果园蚯蚓总丰度更高，而跳虫丰度在两种系统间无显著差异。这些结果表明，长期ORG管理条件对具有生态重要性的蚯蚓类群更为有利，但并未对果实内在品质产生一致性的影响。

论文解读

一、研究背景与问题

消费者对食品安全和农业生产环境影响的关注日益增强，有机食品因其禁止使用合成农药和矿物肥料而被普遍视为更健康、更环保的选择。在欧盟，有害生物综合治理（Integrated Pest Management, IPM）自2014年起已成为强制性要求，其核心理念是通过生物防治、作物轮作和抗性品种等非化学手段优先控制病虫害，同时最大限度减少农药投入。有机与IPM系统在理念上具有相似性，核心区别在于有机农业完全禁止合成农药和矿物肥料。已有大量研究比较了有机与常规生产系统，但多数研究仅孤立地关注果实品质或土壤生物属性，且试验周期较短，难以充分反映长期管理对土壤生物群落的累积效应。尤其在北欧气候和农艺条件下，将果实品质与土壤生物多样性进行综合评估的研究仍然十分有限。因此，本研究利用相邻的长期有机和IPM苹果园，系统比较两种管理方式对果实品质和土壤生物多样性的影响。

二、研究内容与主要结论

研究于2022–2024年在爱沙尼亚南部Polli园艺研究中心进行，选取了2008年建立的有机（ORG）苹果园和2010年建立的IPM苹果园，两园相距约300 m，土壤类型相同（漂白淋溶土），砧木、栽植密度和树形管理一致。供试品种为爱沙尼亚品种“Katre”、“Krista”和白俄罗斯品种“Alesja”。两园在植保和施肥策略上存在显著差异：IPM园使用合成杀虫剂（溴氰菊酯、氟啶虫酰胺）和杀菌剂（嘧菌环胺、苯醚甲环唑、二氰蒽醌），而ORG园仅使用有机允许的印楝素和苏云金芽孢杆菌，且未施用任何杀菌剂。施肥方面，IPM园在2022年施用复合肥（14-14-21）260 kg ha^?1，2024年施用硝酸铵120 kg ha^?1；ORG园在两年均施用禽粪基有机肥（Fertilex 5-2.3-2.4）250 kg ha^?1，氮投入量显著低于IPM园。2023年因严重晚霜导致完全绝产，当年未进行果实品质测定。

三、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：产量测定采用全树采收称重法，果实矿质元素采用微波消解-原子发射光谱法（MP4100）和凯氏定氮法测定；果实硬度采用TMS-PRO质构分析仪测定；果皮色泽采用色差计（Konica Minolta）测定L、a、C*和色相角h°；可溶性固形物采用数字折光仪测定，可滴定酸采用电位滴定法测定，抗坏血酸采用二氯酚靛酚滴定法测定；总多酚和总花青素采用超高效液相色谱-二极管阵列检测器-质谱联用（UHPLC-DAD-MS）测定，糖类采用超高效液相色谱-示差折光检测器测定。土壤动物调查中，跳虫采用土钻取样（? 5 cm，0–10 cm深度）结合Tullgren漏斗法提取并鉴定至种，蚯蚓采用芥末粉溶液驱除法（有效成分：异硫氰酸烯丙酯）采集并鉴定至种。土壤化学参数包括pH（KCl）、全氮、速效磷、钾、钙、镁（Mehlich-3法）及有机碳（干燃烧法）。统计方法包括双因素方差分析（ANOVA）、Tukey事后检验、Spearman秩相关和典范对应分析（CCA）。

四、研究结果

产量： 2022年数据显示，IPM园中“Katre”和“Alesja”的总产量显著高于ORG园，而“Krista”在两园间无显著差异。跨品种平均而言，IPM园总产量（42.1 kg tree^?1）显著高于ORG园（32.1 kg tree^?1），鲜销产量同样以IPM园更高。但鲜销果比例在“Katre”和“Krista”上无显著差异，仅ORG园的“Alesja”鲜销果比例显著低于IPM园。

果实矿质元素、硬度与色泽： 2024年数据显示，IPM园“Katre”和“Krista”果实氮含量显著高于ORG园，而ORG园“Katre”和“Krista”果实磷含量显著更高。跨品种平均而言，IPM果实氮含量更高，ORG果实磷和钾含量更高。果实硬度在两年中均未表现出栽培系统间的显著差异。果皮色泽方面，跨品种平均后ORG苹果L值显著更低（色泽更深）、a值显著更高（更红）、C*值显著更高（饱和度更高）、h°值显著更低，表明ORG苹果果皮着色更为浓重。

风味相关参数： 可溶性固形物（SSC）在“Katre”和“Krista”上以ORG园更高，而“Alesja”则相反。可滴定酸（TAC）在“Katre”和“Alesja”上以ORG园更高。跨品种平均而言，ORG园SSC和TAC显著高于IPM园，但SSC/TAC比值以IPM园更高。单糖含量方面未发现一致的栽培系统趋势，跨品种平均后葡萄糖含量在两年中均以IPM园略高，而果糖和山梨醇仅在2024年表现出系统间显著差异。

抗氧化物质： “Katre”品种在两年中均表现为ORG园总多酚含量（TPC）显著高于IPM园，其他品种无显著差异。“Alesja”品种无论栽培系统均表现出最高的TPC和总花青素含量（ACY），凸显基因型的主导作用。跨品种平均而言，TPC在两年中均以ORG园显著更高，ACY仅在2022年以ORG园显著更高，抗坏血酸含量（AAC）在两年中均无系统间显著差异。

土壤化学性质： ORG园土壤pH（KCl）、全磷和钙含量在三年中均显著高于IPM园，而全氮、钾和镁含量无显著差异。

蚯蚓群落： IPM园蚯蚓总丰度（148.0 ind. m^?2）显著高于ORG园（96.4 ind. m^?2），且在2024年差异最为显著。物种组成上，Aporrectodea caliginosa 为最优势种。典范对应分析（CCA）显示，ORG园蚯蚓群落主要与土壤化学参数（pH、P、Ca、Mg）和微生物活性指标（BA、SIR）相关，而IPM园群落更与气候和水分变量（降水、土壤湿度、氮含量、温度）相关。深栖型物种 Aporrectodea longa 在ORG园中比例更高，并与土壤和空气温度呈强正相关（r = 0.970）；表栖型物种 Lumbricus castaneus 和 Lumbricus rubellus 与土壤湿度正相关，并与土壤磷含量呈负相关。

跳虫群落： 跳虫总丰度在两种系统间无显著差异，但ORG园在三年中均支持更高的物种数。生态型分析显示，土壤内栖型（euedaphic）跳虫丰度显著高于半内栖型（hemiedaphic），且IPM园中内栖型比例在两年中更高。CCA排序显示ORG园跳虫群落更倾向于表栖型（epedaphic）物种并与土壤pH和磷相关，而IPM园群落更接近与土壤湿度和降水相关的变量。

五、讨论与结论

本研究表明，长期有机管理并未对果实内在品质产生一致性的提升效应，果实风味和抗氧化物质含量更多受品种基因型和年份气候条件驱动。然而，有机管理显著改善了果园土壤的化学性质（更高的pH、磷和钙含量），并支持了更高比例的深栖型蚯蚓，这类蚯蚓对土壤结构改良和养分循环具有重要的生态功能。尽管IPM园蚯蚓总丰度更高，但有机园的土壤条件对生态关键类群更为有利。研究同时表明，栽培系统对跳虫总丰度无显著影响，但影响了其生态型组成。综合来看，长期有机管理在维持土壤生物多样性和特定生态功能方面具有优势，而果实品质的差异主要归因于品种选择而非栽培系统本身。这一发现为北欧条件下有机苹果生产的可持续性提供了重要的科学依据。