渭北旱塬果園自然生草對土壤水分及蘋果樹生長的影響

白崗栓，鄒超煜，杜社妮

0 引 言

渭北旱塬是中國乃至世界的優質蘋果（Malus domestica）生產基地，但該區為雨養農業區，降水偏少且分布不均，隨著果樹的持續生長，易出現土壤干層，不利于果樹健康、持續生產[1-2]。果園土壤管理可降低生產成本，提高果園產出[3-4]。歐美及日本等發達國家有良好的刈割機械和灌溉系統，果園土壤管理普遍采用生草制[5-7]。果園生草不但可控制雜草生長[8]，促進土壤微生物及蚯蚓活動[9-10]，提高土壤有機質和肥料利用效率[11-13]，而且可促進降水入滲，防止水土流失，防止土壤鹽堿化，減少環境污染，改善果園土壤環境[14-16]，促進果樹健康、持續生長與開花結果[17-18]。果園生草有人工生草和自然生草2種方式[19-20]。其中自然生草資源豐富，覆蓋度高，不需耕種且刈割次數少，可減少機械對土壤的碾壓，促進土壤孔隙均勻分布及土壤大孔隙形成，防止犁底層產生[21-22]，提高土壤保水能力，促進果樹生長[23]。中國果園缺乏良好的灌溉系統，人工生草報道較多，但發展緩慢[24-25]。渭北旱塬缺乏灌溉水源，果園土壤管理大多采用清耕制。通常情況下清耕果園的土壤有機質含量低且地面蒸發量大，土壤水分低，不利于優質果品生產。為了提高果園土壤有機質，提高土壤貯水量，改善果園立地環境，渭北旱塬開展了人工生草，但人工生草存在著與果樹爭水[26-29]及爭肥的問題[30-31]，國外雨養果園也有相似報道[32-34]，導致果園人工生草難以開展。自然生草經過多年的自然汰選，春季萌發早，秋季枯黃遲，耗水量少，能夠有效改善果園的生態環境，促進果園生態系統良性循環發展[35-37]。果園自然生草投資少，易管理，目前已成為國內果園土壤管理發展的新方向[35-37]。渭北旱塬蘋果園以喬化密植為主，果園郁閉度高，通風較差，地表較陰濕，隨著果園雜草的自然演替，繁縷（Stellaria media）和牛繁縷（Malachium aquaticum）成為渭北旱塬果園地被植物的優勢種類及頂級群落。繁縷與牛繁縷不但根系分布淺，覆蓋度高，而且能夠大量、快速自然繁殖，但有關自然生草—繁縷和牛繁縷對果園土壤水分及果樹生長的影響缺乏研究。本研究以果園清耕和人工生草為對照，探討渭北旱塬自然生草對果園土壤水分及蘋果樹生長的影響，以期為渭北旱塬果園土壤管理提供指導。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015－2016年在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站進行，該站位于渭北旱塬長武縣王東村，北緯35°12′，東經107°40′，海拔1 200 m，年日照時數2 226.5 h，日照百分率51%，30 a平均年降雨量為551.7 mm，果樹生長期4－10月降水量為494.1 mm，平均氣溫9.1 ℃，≥10 ℃積溫3 029 ℃，無霜期171 d。試驗園土壤為黑壚土，耕層（0～20 cm）土壤有機質9.44 g/kg，全氮3.84 g/kg，堿解氮73.65 mg/kg，全磷0.24 g/kg，速效磷41.98 mg/kg，全鉀7.46 g/kg，速效鉀234.65 mg/kg，pH值7.8，土壤容重1.32 g/cm3，0～200 cm土層土壤田間持水量22.21%，萎蔫系數 9.2%。20～200 cm土層土壤容重平均為1.34 g/cm3。試驗前果園土壤管理為自然生草，果園地被植物為繁縷和牛繁縷群落。

1.2 試驗材料

供試蘋果樹定植于1996年春季，行距4.0 m，株距3.0 m，品種為紅富士，砧木為新疆野蘋果（Malus sieversii），樹形為小冠疏層形，高約4.3 m，干徑約9 cm，冠徑約3.8 m，外圍延長枝長約24 cm，試驗前5年的單株產量平均約為50 kg，全園產量平均為42 000 kg/hm2，處于盛果期。繁縷和牛繁縷均為石竹科一年生或二年生草本，平伏于地表生長。人工生草選用三葉草（Trifolium repens），為多年生豆科牧草。

1.3 試驗設計與監測內容

1.3.1 試驗設計

2015年7月初至2016年12月初以清耕和人工生草為對照，監測自然生草—繁縷和牛繁縷的生長狀況、果園土壤水分及蘋果樹的生長狀況，共設3個處理

清耕：2015年7月初用小型旋耕機對全園進行旋耕（深度 15 cm），試驗期間行間及樹盤下的雜草均及時去除，保持果園無雜草滋生。

人工生草：果園用小型旋耕機旋耕后，在果樹行間種植三葉草，草帶長90 m，寬2.6 m，播種量15 kg/hm2，草帶邊緣距樹行0.7 m。試驗期間樹盤下的雜草及時去除。為了減少生草對果樹生長的影響，當三葉草的高度超過30 cm時，對三葉草進行刈割并覆蓋于樹盤下。人工生草果園行間生草，行內覆草。

自然生草：果園用小型旋耕機旋耕后，試驗期間不進行清耕及人工生草，讓其自然生草。自然生草期間對出現的灰藜（Chenopodium album）、反枝莧（Amaranthus retroflexus）等惡性雜草及時去除，保留繁縷、牛繁縷和薺菜（Capsella bursa-pastoris）、雞腸草（Herba centipeda）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、馬唐（Digitaria sanguinalis）、箭葉旋花（Convolvulus arvensis）等低矮草本。當草的高度高于30 cm，進行刈割。

試驗布設中，一行果樹與其緊鄰的 2條草帶或清耕帶組成1個小區（圖1）。每條人工生草帶、清耕帶及自然生草帶長均為90 m，每個小區有30株蘋果樹，設3次重復。

試驗期間不同處理的施肥、修剪、疏花疏果、病蟲防治等管理措施相同。為了分析方便，結果與分析的土壤水分圖中插入了土壤萎蔫系數（圖中萎蔫系數換算為萎蔫貯水量,耕層每10 cm土層土壤萎蔫貯水量為12.14 mm，20 cm以下土層為12.33 mm）和果園最適宜土壤水分（果園最適宜土壤水分為田間持水量的 75%。圖中最適宜土壤水分換算為最適宜土壤貯水量，耕層每10 cm土層最適宜土壤貯水量為21.99 mm，20 cm以下土層為22.33 mm）。

1.3.2 試驗監測

降水量：長武黃土高原農業生態試驗站有氣象監測儀，測定試驗期間的降水量。

圖1 試驗布設示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of experiment design

土壤水分與土壤水分蒸散量：2016年4月—11月每月的首日及果樹開花坐果期（4月20日）、幼果膨大期（5月20日）、花芽分化期（6月20日）和采前果實膨大期（9月10日），在每個小區行中部，以10 cm為1層，分層采集0～200 cm土層土壤，烘干法測定土壤質量含水率（w/%），然后根據土層厚度、土壤容重換算成土壤貯水量（Wh/mm），并以土壤貯水量的高低來評價不同處理對土壤水分的影響。試驗園土層深厚，地面平坦，土壤質地均一，無地表徑流，無水分的水平運移，無地下水補給及滲漏，無灌溉設施及灌溉水，可根據土壤水分平衡公式計算不同處理不同生長階段的土壤水分蒸散量[38-39]。

人工生草和自然生草生長狀況：2015年和2016年在三葉草和自然生草刈割前，在人工生草和自然生草行中部隨機選擇3個采樣點，以1 m2為單位，常規方法測定草的高度、地上部生物量和根系生物量、根系深度并計算根冠比，目測法測定草的覆蓋度。

果樹生長狀況：2016年果實采收期在不同小區隨機選擇5株蘋果樹，在每株樹冠外圍隨機采集15個果實，測定單果重，同時測定單株蘋果產量（包含采樣果實）并折合為單位面積蘋果產量。2016年落葉期測定不同處理的樹冠高度、樹冠直徑、樹冠外圍延長枝長度及直徑，并計算尖削度。根據不同處理單位面積的蘋果產量和其生長期間果園土壤水分蒸散量計算不同處理果園土壤水分利用效率[38-39]。其中，枝條尖削度=枝條粗度/枝條長度。

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2010制作圖表，SPSS19.0軟件進行單因素方差分析，用鄧肯氏新復極差檢驗法進行多重比較。用student test檢驗人工生草和自然生草處理植物生長狀況的差異。

2 結果與分析

2.1 果樹生長期間的降水量

2016年蘋果樹生長期4－10月的降水量比30 a平均降水量高出 8.76%，其中 7月、8月和 10月分別高出23.33%，67.01%和65.11%，9月則降低72.79%（表1）。

2.2 植物生長狀況

2015年試驗期間自然生草草的高度低于30 cm，未進行刈割，而人工生草的三葉草在果樹落葉期（11月初）高于30 cm，進行刈割。2015年人工生草除覆蓋度極顯著低于（P<0.01）自然生草外，其株高、根系深度、地上部生物量、根系生物量及根冠比均極顯著高于（P<0.01）自然生草（表2）。

2016年試驗期間自然生草草的高度低于30 cm，未進行刈割；而人工生草在蘋果花芽分化期（6月下旬）、果實采前膨大期（8月下旬）及落葉期（11月初）進行了刈割，刈割對草的生長影響較大[40-41]。2016年人工生草草的地上

部生物量共計為666.87 g/m2（3次刈割前采集的生物量之和），而自然生草僅為121.34 g/m2（落葉期測定的數據）；人工生草草的根系生物量為11.34 g/m2（當年落葉期測定的根系生物量減去 2015年落葉期測定的根系生物量），而自然生草僅為 3.78 g/m2（落葉期測定的數據）。2016年的測試結果表明，人工生草除覆蓋度顯著低于（P<0.05）自然生草外，其株高、根系深度、生物量、根系生物量及根冠比均極顯著高于（P<0.01）自然生草（表2）。

表1 試驗期間的降水量Table 1 Precipitation during test period mm

表2 人工生草與自然生草的生長狀況Table 2 Growth condition of artificial-planted grass and self-sown grass

2.3 生草對果園土壤貯水量的影響

2.3.1 生草對蘋果不同生長期土壤貯水量的影響

開花坐果期：自然生草0～40 cm土層土壤貯水量較清耕和人工生草分別高出2.67和5.29 mm，40～80 cm 土層分別高出1.67和1.81 mm，80 cm 土層以下不同處理之間基本相同（圖2a）。自然生草0～40 cm土層土壤貯水量顯著高于人工生草（P<0.05）。

幼果膨大期：自然生草0～40 cm土層土壤貯水量較清耕和人工生草分別高出6.49和8.41 mm，40～80 cm 土層分別高出5.06和6.12 mm，均達顯著差異（P<0.05）；80～120 cm土層分別高出2.48和4.26 mm，無顯著差異；120 cm土層以下不同處理表現較一致（圖2b）。

花芽分化期：該期土壤貯水量較低（圖2c）。自然生草 0～40 cm 土層土壤水分較清耕和人工生草分別高出6.72和7.15 mm（P<0.05）；40～80 cm 土層分別高出3.45和 5.83 mm（P<0.05）；80～120 cm 土層分別高出 1.80和3.25 mm，未達到顯著差異；120 cm土層以下不同處理表現較一致。

果實采前膨大期：該期處于雨季，自然生草和清耕0～40 cm 土層土壤貯水量較人工生草分別高出 9.10和8.42 mm（P<0.05）；40～80 cm 土層分別高出 18.80和13.10 mm（P<0.01），且自然生草顯著高于清耕（P<0.05）；80～120 cm土層分別高出18.45和13.62 mm（P<0.01）；120～160 cm土層土壤分別高出8.24和3.71 mm，自然生草顯著高于人工生草（P<0.05）；160 cm土層以下不同處理表現較一致（圖2d）。

2.3.2 生草對不同土層土壤貯水量的影響

0～40 cm土層：自然生草、清耕和人工生草 3－11月0～40 cm土層平均土壤貯水量分別為94.94、90.25和83.74 mm，4－10月生長期分別為 94.90、90.00和83.64 mm，自然生草極顯著高于人工生草（P<0.01），清耕顯著高于人工生草（P<0.05），且人工生草在雨季（8－10月）土壤貯水量恢復緩慢，不利于翌年春季果樹生長。

>40～80 cm土層：自然生草、清耕和人工生草3－11月>40～80 cm土層平均土壤貯水量分別為83.85、80.62和78.41 mm，4－10月分別為83.27、79.91和77.91 mm，自然生草顯著高于人工生草（P<0.05）（圖3b）。

>80～120 cm土層、>120～160 cm土層和>160～200 cm土層：自然生草、清耕和人工生草3－11月>80～120 cm土層平均土壤貯水量為81.59、80.03和78.50 mm，4－10月分別為81.33、79.70和78.18 mm，均無顯著差異（圖3c）。>120～160cm土層和>160～200 cm土層均為自然生草的略高，人工生草的略低，不同處理之間無顯著差異（圖3d和圖3e）。

圖2 蘋果樹不同生長期的果園土壤貯水量Fig.2 Soil water storgae of orchards in different growth stage of apple tree

0～200 cm土層：不同處理0～200 cm土層土壤貯水量均為7月份最低，8月份最高，且均低于最適宜土壤貯水量（圖3f）。自然生草、清耕和人工生草3－11月0～200 cm 土層平均土壤貯水量分別為 412.68、400.97和388.86 mm，4－10月分別為411.40、399.05和387.14 mm，自然生草顯著高于人工生草（P<0.05）。不同處理不同土層土壤水分變化表明，生草方式可影響0～80 cm土層土壤貯水量，且對0～40 cm土層影響較大，對120 cm以下土層影響較小，自然生草在雨季土壤水分易得到恢復，而人工生草則恢復緩慢。

2.3.3 生草對果園蒸散量的影響

不同處理的果園土壤蒸散量均以 7月份最高，而 4月、5月和9月則相對偏低（表3）。不同處理的土壤水分蒸散量差異主要出現在4月、5月和8月，其中人工生草 4月和 5月的土壤蒸散量極顯著高于自然生草（P<0.01），8月顯著高于自然生草；清耕4月和5月的土壤蒸散量顯著高于自然生草（P<0.05）。人工生草、自然生草和清耕果樹生長期（4－10月）的土壤蒸散量比同期降水量537.4 mm分別高出32.55、15.25和23.32 mm。自然生草的土壤蒸散量比人工生草、清耕分別減少17.30和8.07 mm，但無顯著差異。

圖3 不同處理不同土層土壤貯水量Fig.3 Soil water storgae under different treatments in different soil depth

2.4 生草對果樹生長、產量及土壤水分利用效率的影響

不同處理對樹高、樹冠直徑和枝條長度無顯著影響，但自然生草的枝條直徑和尖削度極顯著高于人工生草（P<0.01），顯著高于清耕（P<0.05），清耕顯著高于人工生草（P<0.05）（表 4）。自然生草的枝條較粗壯，說明自然生草樹體營養生長良好，可提高當年蘋果產量和翌年花芽質量[42]。自然生草的單果重較人工生草和清耕分別提高了15.46%和6.21%，產量分別提高了 21.29%和 6.10%，土壤水分利用效率分別提高了25.09%和 7.64%，不同處理之間存在極顯著（P<0.01）和顯著差異（P<0.05）。清耕的單果重較人工生草提高了8.71%，差異顯著（P<0.05）；產量和土壤水分利用效率分別提高了14.31%和16.21%，差異極顯著（P<0.01）。

表3 不同處理不同月份的土壤蒸散量Table 3 Soil evapotranspiration under different treatments in different months mm

表4 不同處理對蘋果樹生長及土壤水分利用效率的影響Table 4 Effects of different treatments on apple tree growth and soil water use efficiency

3 討 論

3.1 自然生草對果園土壤貯水量的影響

蘋果為多年生、高耗水植物，渭北旱塬為雨養農業區，清耕果園的土壤水分主要與降水量和果樹生長密切相關[1-2,43-44]；當果園人工生草或自然生草后，果園土壤水分還與草的種類及其生長狀況密切相關[26-29]。人工生草的三葉草根系分布深，根系及地上部生長量大，耗水量高，導致果樹生長期0～80 cm土層土壤貯水量降低，這與前人在渭北旱塬果園生草[27-29]和黃土丘陵溝壑區果園生草[30-31]的結果相同。渭北旱塬三葉草茂盛生長期集中在4－6月，導致4月和5月果園的土壤蒸散量增加；6月人工生草果園的土壤蒸散量與清耕及自然生草基本相同，主要是該期對三葉草進行了刈割，抑制了三葉草的蒸騰。7－10月果園郁閉度較高，果園地面蒸發減弱，但 8月份人工生草的土壤蒸散量仍高于自然生草，略高于清耕，說明在郁閉度高的果園生態環境下人工生草仍可增加果園土壤水分蒸散量。自然生草的種類主要是繁縷和牛繁縷，伏生于地面，不但可快速自我繁育，快速覆蓋地面，而且根系分布淺，根系及地上部生物量小，根冠比小，耗水量小，對果園土壤貯水量影響小；繁縷和牛繁縷覆蓋度高，覆蓋期長，可減少果園地表土壤水分蒸發，因而自然生草降低了果園土壤水分蒸散量，提高了果園土壤貯水量，這與國外報道的相關結果相同[14-16]，說明果園生草必須根據果園的立地環境，采取適宜的生草方式，選擇適宜的生草種類，才能防止與果樹爭水的問題。

3.2 人工生草對土壤貯水量的影響

本試驗測試期間的降水量高于常年降水量，但人工生草果園土壤水分蒸散量仍高于同期降水量及清耕和自然生草果園的蒸散量，特別是在雨季 8月份仍高于清耕及自然生草，說明人工生草不但在旱季會增加土壤水分消耗量，而且在雨季也會增加土壤水分消耗量，從而影響雨季果園土壤貯水量恢復，影響當年果實單果重及產量，影響翌年春季果樹開花坐果及新梢生長[42-43]。人工生草的土壤蒸散量大，除與三葉草生長量大、蒸騰量大相關外，還與人工生草過程中的管理措施密切相關。試驗期間人工生草刈割了 4次而自然生草未進行過刈割，人工生草在刈割過程中增加了機械對土壤的碾壓，易促進犁底層的形成，不利于土壤微生物及蚯蚓活動[9-10]，不利于大孔隙的形成和土壤孔隙均勻分布，易導致雨水滯留在淺層土壤，降低深層土壤的蓄水、保水能力[21-22]，易造成秋梢生長，減少翌年花芽量，不利于當年果實膨大及著色。自然生草果園的土壤未經碾壓，利于降水入滲，增強深層土壤的蓄水、保水能力，因而在雨季果園土壤水分恢復較快，土壤貯水量較高。

3.3 自然生草對蘋果樹生長的影響

渭北旱塬年降水量偏小，果園土壤貯水量的高低往往決定了果樹的生產能力[27-29]。渭北旱塬果樹根系大多分布于0～60 cm土層，4－6月是蘋果樹開花、坐果和幼果、新梢快速生長時期，8－9月是采前膨大期，4－6月的土壤水分對幼果膨大、新梢生長和葉幕形成具有決定性的影響，8－9月則直接影響到單果重和果實產量[42-44]，而人工生草降低了果園0～80 cm土層土壤水分，特別是降低了開花坐果期、幼果膨大期和采前膨大期的土壤水分，而自然生草則提高了果園土壤水分，提高了開花坐果期、幼果膨大期和采前膨大期的土壤水分，因而人工生草的果樹新梢生長細弱，尖削度低，單果重小，產量低。渭北旱塬果園自然生草對蘋果樹生長的影響與自然生草在其他地區對蘋果、柑橘（Citrus reticulata）、梨（Pyrus pyrifolia）的影響結果基本一致[35-37]。

4 結 論

渭北旱塬果園自然生草的主要種類為繁縷和牛繁縷，與人工生草的三葉草相比，自然生草植被覆蓋度高且根系分布淺，生長量小，在雨季可促進土壤水分下滲，在蘋果開花坐果期、幼果膨大期、花芽分化期和果實采前膨大期分別提高了0～80 cm、0～120 cm、0～120 cm和0～160 cm土層貯水量。另外，果樹生長期自然生草的土壤蒸散量較人工生草和清耕分別減少了 17.30和8.07 mm，蘋果單果重分別提高了15.46%和6.21%，產量分別提高了21.29%和6.10%，土壤水分利用效率分別提高了25.09%和7.64%。因此，渭北旱塬應積極推廣果園自然生草。

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