自然生草對渭北旱塬蘋果園小氣候及果實灼傷和早期落葉病的影響

白崗栓， 郭江平， 杜建會

(1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；3.博爾塔拉蒙古自治州林業和草原局， 新疆 博爾塔拉833400； 4. 江南大學， 江蘇 無錫 214122)

在歐美及日本等國，果園生草是一種常見的土壤管理方式[1-3]。果園生草能夠有效增加果園的生物多樣性、增強果園土壤的蓄水保肥能力、改善果園的生態環境、提高果實品質及產量[4-8]。果園生草可分為人工生草及自然生草，人工生草需要對不同草種、不同地域的生態環境進行深入研究后才可選擇適宜的草種進行播種，且需掌握相關的種植與管理技術，需投入一定量的勞動力；自然生草經過多年的自然淘汰與選擇，往往春季萌發早、秋季枯黃遲、耗水量少、營養均衡，具有豐富的物種多樣性，且不需要播種，只需定期刈割，就能有效改善果園的生態環境、提高果實品質、促進果園生態系統良性發展，目前已成為國內果園地面管理發展的新方向[9-13]。果園小氣候是在一定的大氣候背景下，由果樹的樹種、樹齡、樹冠結構與形態、郁閉度以及管理技術等綜合影響下所形成的小氣候環境。果園小氣候影響果樹與其所在環境之間的物質和能量交換，影響果樹生長及其果實品質[14-16]。渭北旱塬是中國最大的優質蘋果(Malusdomestica)生產基地，渭北旱塬西部的長武塬區，隨著果園雜草的自然演替與選擇，繁縷(Stellariamedia)和牛繁縷(Malachiumaquaticum)已成為果園地被植物的優勢種類及頂級群落，不但覆蓋度高、根系分布淺，而且不需要刈割，不與果樹爭水爭肥，在渭北旱塬西部一帶已快速推廣[17]。果園自然生草在我國已有40年左右[18]，近年來有關自然生草對果園土壤酶及土壤微生物[19-21]、土壤理化性狀[22-24]、果實產量與品質[25-28]等報道較多，有關自然生草對梨(Pyrusbretschneideri)園、櫻桃(Cerasusavium)園小氣候環境的影響也有報道[29-30]，但有關自然生草對渭北旱塬蘋果園小氣候的影響則未見報道。為了探尋自然生草對渭北旱塬蘋果園小氣候的影響，本試驗以蘋果園清耕和人工生草為對照，監測自然生草果樹行間的溫濕度、樹冠溫濕度、土壤溫度、光照強度以及果實日灼和早期落葉病等，以期為自然生草調控果園的生態環境提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018-2019年在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站進行。長武黃土高原農業生態試驗站位于渭北旱塬西部的長武塬區，海拔1 200 m，北緯35°12′，東經107°40′，年降雨量為551.7 mm，4～10月為494.1 mm，年日照時數2 226.5 h，年均氣溫9.1℃，≥10℃積溫3 029℃，無霜期171 d。試驗園土壤為黑塿土，耕層(0～20 cm)土壤有機質 9.44 g·kg-1，全氮 0.84 g·kg-1，全磷 0.24 g·kg-1，全鉀 7.46 g·kg-1，堿解氮 73.65 mg·kg-1，速效磷 41.98 mg·kg-1，速效鉀 234.65 mg·kg-1，pH值7.8，土壤容重 1.32 g·cm-3，田間持水量 22.21%，萎蔫系數 9.2%。試驗前果園地面管理為自然生草，為繁縷和牛繁縷群落。試驗園無灌溉設施，為雨養果園。

1.2 試驗材料

供試蘋果園建于1996年春季，面積為1.8 hm2，主栽品種為惠民短枝富士(M.domestica‘Fuji apple spur Huimin’)，授粉品種為皇家嘎啦(M.domestica‘Royal gala’)，砧木均為新疆野蘋果(M.sieversii)，株行距3.0 m×4.0 m，南北行向，小冠疏層形，干徑10.0 cm左右，樹高4.3 m左右，冠徑3.8 m左右，其中惠民短枝富士外圍延長枝長16.0 cm左右，皇家嘎啦為20 cm左右。試驗前5年的單株產量平均為50.0 kg左右，處于盛果期。

自然生草的繁縷和牛繁縷均為石竹科的一年生或二年生草本，平伏于地表生長。人工生草草種為多年生的豆科牧草白三葉(Trifoliumrepens)。

1.3 試驗設計與測定

1.3.1試驗設計 試驗以果園清耕和人工生草為對照，監測自然生草對果園小氣候及果實灼傷等的影響。試驗共設3個處理，每個處理重復3次，共9個小區。每個小區東西長40 m，南北寬30 m，面積1 200 m2，有9行9列81株蘋果樹。

試驗于2018年4月至2019年10月進行。2018年長武塬區蘋果遭遇嚴重晚霜危害，基本絕收。2018年4月初，用小型旋耕機對全園進行旋耕(深度15 cm)，以消除長期自然生草對試驗結果的影響。

自然生草：2018年4月初用小型旋耕機對全園進行旋耕(深度15 cm)，讓其自然生草，自然生草期間出現的大型惡性雜草如反枝莧(Amaranthusretroflexus)、灰藜(Chenopodiumalbum)等及時去除，保留繁縷、牛繁縷、雞腸草(Herbacentipeda)、薺菜(Capsellabursa-pastoris)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、箭葉旋花(Convolvulusarvensis)、馬唐(Digitariasanguinalis)等低矮草本。2018年4月至2019年10月，由于自然生草以繁縷和牛繁縷為主，平伏于地表生長，草高未超過30 cm，故未進行刈割。

人工生草：2018年4月初果園用小型旋耕機旋耕后，在果樹行間種植寬2.6 m的白三葉草草帶(播種量15 kg·hm-2，距樹行0.70 m)。2018年4月至2019年10月，樹盤下的雜草及時去除。當白三葉草的高度達到40 cm時進行刈割并平鋪于行間，刈割留茬高度15 cm左右，樹盤下保持清耕。2018年分別于7月25日和10月2日進行刈割，2019年分別于6月25日、8月10日和10月4日進行刈割。

清耕：2018年4月初用小型旋耕機對全園進行旋耕后至2019年10月，果樹行間及樹盤下的雜草(包括繁縷和牛繁縷)均及時去除，保持果園無雜草滋生。

試驗期間不同處理的修剪、施肥、病蟲防治、疏花蔬果、果實套袋等管理措施相同。

1.3.2試驗監測 果樹行間空氣相對濕度和溫度：在不同小區中部的樹行中間距地面150 cm處，懸掛DHM2型通風干濕溫度表(天津氣象海洋儀器廠)，從2019年4月1日至2019年10月31日，每天 8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00，18∶00和 20∶00監測行間空氣相對濕度和空氣溫度月變化，并在夏至前后選擇晴天連續3天從8∶00-20∶00每1 h監測1次行間空氣相對濕度和空氣溫度的日變化。

樹冠空氣相對濕度和空氣溫度：在不同小區中部選擇1樹冠完整的惠民短枝富士，在樹冠中部靠近樹干東南部距地面1.8 m處，懸掛DHM2型通風干濕溫度表，從2019年4月1日至2019年10月31日，每天8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00，18∶00和 20∶00監測樹冠空氣相對濕度和空氣溫度月變化，并在夏至前后選擇晴天連續3天從8∶00-20∶00每1 h監測1次樹冠內空氣相對濕度和空氣溫度的日變化。

土壤溫度：在不同小區中部的樹行中間，2019年4月1日至2019年10月31日，用L99-TWS溫濕度記錄儀(杭州路格科技有限公司)觀測每天8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00，18∶00和20∶00時的地表溫度和5 cm，10 cm，15 cm及20 cm土層的土壤溫度。

果園光照強度：2019年夏至前后選擇晴天無風的天氣，在不同小區中部的樹行中間各選一個點距地面1.5 m處，用3臺JD-3型照度計(上海嘉定學聯儀表廠生產)同時測定不同處理果樹行間中部的光照強度(6:00-20:00每1 h測定測定1次)[31]。

樹冠反射光譜：2019年夏至前后選擇晴天無風的天氣，連續3天10:00-14:00，太陽高度角大于45°時，用Field Spec 3便攜式地物光譜儀(美國ASD公司生產，測定光譜范圍為300～2 500 nm)測定不同處理蘋果樹冠的反射光譜。

枝條尖削度：2019年落葉期用游標卡尺測定不同處理皇家嘎啦和惠民短枝富士樹冠外圍延長枝長度及直徑，并計算尖削度。枝條尖削度=枝條粗度/枝條長度。

果實灼傷率：2019年8月20日左右皇家嘎啦成熟期，10月10日左右惠民短枝富士成熟期，常規方法調查不同處理皇家嘎啦和惠民短枝富士果實的灼傷率。

早期落葉病危害狀況：皇家嘎啦果實成熟期和惠民短枝富士果實成熟期，常規方法調查不同處理皇家嘎啦和惠民短枝富士蘋果樹早期落葉病(褐斑病Cercosporainsulana，Cerosporaipomoeoeae和Cercosporaroseleri；灰斑病Phyllostictapirina和Coryneumfoliicolum；輪斑病Alternariamali)的發病率，并將早期落葉病劃分為6級，根據不同級別的發病葉數和病級，計算發病指數。0級：葉面無病斑；1級，病斑所占葉片面積低于5%；2級：病斑所占葉片面積大于等于5%且低于15%；3級：病斑所占葉片面積大于等于15%且低于30%；4級：病斑所占葉片面積大于等于30%且低于45%；5級：病斑所占葉片面積大于等于45%且低于70%；6級：病斑所占葉片面積大于等于70%至落葉。

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2010制作圖表，用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析；若差異顯著，則采用鄧肯氏新復極差檢驗法進行多重比較，檢驗不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理果園的空氣相對濕度

4月至10月自然生草、人工生草和清耕果樹行間空氣相對濕度的月均值分別為50.42%，49.86%和45.11%，自然生草和人工生草的較清耕分別高出11.77%和10.53%，均極顯著高于清耕(P<0.01)。自然生草的月均值略高于人工生草，但在6月至8月則略低于人工生草(圖1A)。

4月至10月自然生草、人工生草和清耕果樹樹冠內空氣相對濕度的月均值較其行間空氣相對濕度月均值分別提高了9.98%，10.37%和9.75%，均顯著高于其對應行間的空氣相對濕度(P<0.05)。自然生草和人工生草果樹樹冠內空氣相對濕度的月均值分別較清耕高出12.01%和11.16%，均極顯著高于清耕(P<0.01，圖1B)。

圖1 不同處理行間及樹冠內空氣相對濕度月變化

夏季自然生草、人工生草和清耕果樹行間空氣相對濕度的日均值分別為50.00%，50.31%和42.50%，自然生草和人工生草的基本相同，均極顯著高于清耕(P<0.01，圖2A)。

夏季自然生草、人工生草和清耕果樹樹冠內空氣相對濕度的日均值分別為53.97%，50.61%和46.65%，均顯著高于其對應行間的空氣相對濕度日均值(P<0.05)。自然生草和人工生草樹冠內空氣相對濕度的日均值均極顯著高于清耕(P<0.01)，自然生草和人工生草之間無顯著差異(圖2B)。

圖2 不同處理行間及樹冠內空氣相對濕度日變化

2.2 不同處理果園的空氣溫度

4月至10月自然生草、人工生草和清耕果樹行間空氣溫度的月均值分別為19.49℃，19.51℃和19.91℃，自然生草與人工生草的基本相同；清耕的略高于自然生草與人工生草，其中清耕5月至8月的月均值較自然生草和人工生草的均高出0.57℃，但未達到顯著差異(圖3A)。

4月至10月自然生草、人工生草和清耕果樹樹冠內空氣溫度的月均值分別為19.00℃，19.07℃和19.57℃，較其對應行間空氣溫度月均值分別降低了0.49℃，0.44℃和0.34℃，但未形成顯著差異。自然生草和人工生草的樹冠內空氣溫度略低于清耕，未形成顯著差異(圖3B)。

圖3 不同處理行間及樹冠內空氣溫度月變化

夏季自然生草、人工生草和清耕果樹行間空氣溫度的日均值分別為28.71℃，28.76℃和31.00℃，自然生草和人工生草基本相同，均顯著低于清耕(P<0.05，圖4A)。

夏季自然生草、人工生草和清耕果樹樹冠內空氣溫度的日均值分別為28.07℃，28.13℃和29.83℃，較其對應行間空氣溫度日均值分別降低了0.64℃，0.63℃和1.17℃，與其對應行間空氣溫度未達到顯著差異。夏季自然生草和人工生草的樹冠內日均溫基本相同，均顯著低于清耕(P<0.05，圖4B)。

圖4 不同處理行間及樹冠內空氣溫度日變化

2.3 不同處理果園的土壤溫度

自然生草和人工生草4月和10月的地表溫度均顯著低于清耕(P<0.05)，5月至9月的均極顯著低于清耕(P<0.01)，且4月至10月的地表溫度月均值也極顯著低于清耕(P<0.01，表1)。

自然生草和人工生草4月和10月5 cm土層的土壤溫度略低于清耕，與清耕無顯著差異；6月的顯著低于清耕(P<0.05)，5月、7月、8月和9月的均極顯著低于清耕(P<0.01)，4月至10月的月均值顯著低于清耕(P<0.05)。

自然生草和人工生草4月、5月和10月10 cm土層的土壤溫度略低于清耕，與清耕無顯著差異；6月至9月的均顯著低于清耕(P<0.05)，4月至10月的月均值也顯著低于清耕(P<0.05)。

自然生草和人工生草4月、5月、6月、9月和10月15 cm土層的土壤溫度略低于清耕，與清耕無顯著差異；7月和8月的均顯著低于清耕(P<0.05)，4月至10月的平均值與清耕未形成顯著差異。

自然生草和人工生草4月至10月20 cm土層的土壤溫度及4月至10月的月均值均略低于清耕，與清耕之間無顯著差異。

由表1可知，自然生草和人工生草對地表溫度影響較大，隨著土層深度的逐漸增加，其對土壤溫度的影響逐漸減弱，且自然生草的影響力略高于人工生草。7月和8月人工生草的白三葉生長旺盛，對地表溫度和5 cm，10 cm和15 cm土層的土壤溫度影響略高于自然生草。

表1 不同處理不同月份不同土層的土壤溫度

2.4 不同處理果園的光照強度及樹冠反射光譜

夏季自然生草、人工生草和清耕果樹行間光照強度的日均值分別為8.78×104Lx，8.83×104Lx和9.30×104Lx，自然生草和人工生草的較清耕分別降低5.59%和5.05%，均顯著低于清耕(P<0.05，圖5)。

不同處理處于同一地塊，自然光光譜相同(見表2)。樹冠反射光譜中，自然生草和人工生草的藍紫光、紅橙光、總輻射及紅光/遠紅光基本相同，二者均極顯著低于清耕(P<0.01，表2)。

圖5 不同處理行間的光照強度日變化

表2 不同處理的樹冠反射光譜

2.5 不同處理的新梢尖削度、果實日灼率及早期落葉病狀況

自然生草和人工生草均極顯著促進了皇家嘎啦新梢的延長生長(P<0.01)，但對新梢增粗生長無顯著影響，因而自然生草和人工生草的新梢尖削度較清耕降低14.35%和11.21%，均極顯著低于清耕(P<0.01，表3)。自然生草和人工生草均極顯著降低了皇家嘎啦的果實日灼率(P<0.01)，其中自然生草的果實日灼率顯著低于人工生草(P<0.05)。自然生草和人工生草均極顯著提高了皇家嘎啦早期落葉病的發病率及發病指數(P<0.01)，加重了早期落葉病的危害程度(表3)。

自然生草和人工生草均極顯著促進了惠民短枝新梢的延長生長(P<0.01)，其中人工生草的顯著高于自然生草(P<0.05)；與清耕相比，人工生草極顯著促進了惠民短枝蘋果新梢的增粗生長(P<0.01)，且人工生草的新梢粗度顯著粗于自然生草(P<0.05)；自然生草略微促進了新梢的增粗生長，與清耕未形成顯著差異；自然生草和人工生草的新梢尖削度較清耕降低13.61%和12.91%，均極顯著低于清耕(P<0.01，表3)。自然生草和人工生草均極顯著降低了惠民短枝富士的果實日灼率(P<0.01)，但極顯著提高了惠民短枝富士早期落葉病的發病率及發病指數(P<0.01)，不利于樹體健康生長(表3)。

表3 不同處理對蘋果新梢生長、果實果實日灼率和早期落葉病的影響

3 討論

果樹生長發育與果園小氣候密切相關，果園小氣候往往直接影響果實的產量及品質[32]。果園自然生草及人工生草后，將清耕果園的“土壤-大氣”接觸模式改為“土壤-地被植物-大氣”的接觸模式，果園的光、熱、水、氣等生態因子隨之發生改變[4,7,32-34]。果園自然生草及人工生草后，由于地被植物蒸騰的土壤水分受果樹樹冠遮陰及阻攔的影響，大多數滯留于果樹行間及樹冠中，不易快速蒸散到大氣中[35]，因而果園行間空氣濕度及樹冠空氣濕度均高于清耕。自然生草的地被植物(繁縷和牛繁縷)覆蓋面積大(全園覆蓋)，覆蓋度高且萌發早，枯黃遲[17]，因而自然生草果樹行間及樹冠內的空氣相對濕度略高于人工生草(行間覆蓋)；人工生草的地被植物(白三葉)在夏季生長旺盛，蒸騰強烈，因而人工生草在6月至8月果樹行間和樹冠內的空氣相對濕度略高于自然生草。

同一氣候區域其輻射平衡的主要差異取決于下墊面性狀[33]，果園自然生草及人工生草后提高了果園地面粗糙度，降低果園地面的有效輻射，同時果園地被植物進行光合作用，將太陽能轉化為生物能貯藏于地被植物體中，且果園地被植物提高了果園空氣相對濕度，增加空氣熱容量，減緩了果園空氣溫度上升幅度[36]，因而自然生草及人工生草的果樹行間空氣溫度及樹冠空氣溫度均低于清耕。自然生草及人工生草在4月份并未提高果園空氣溫度，與梅立新與李會科[32]監測的結果及范興海與黃壽波[36]所述不同，這可能與地被植物種類、地域環境不同有關。

土壤溫度往往受大氣溫度、近地面的空間熱平衡及土壤熱特性等的影響[32]。本試驗不同處理處于同一地塊，土壤熱特性和氣候條件相同，由于自然生草和人工生草的地被植物可將太陽輻射能轉化為生物能，具有較強的遮陰作用，可有效降低太陽對土壤表面的直接輻射，并且地被植物降低了果園空氣溫度，這些作用均對果園土壤有效輻射的吸收轉化和土壤熱量的傳導產生較大的影響，因而自然生草和人工生草均降低了果園土壤溫度，且其影響程度隨土層深度的增深而降低[4,7,36-37]。

葉綠素光合作用過程中對藍紫光和紅橙光均有強烈的吸收作用[29]，清耕果園地面無植被進行光合作用，因而自然生草和人工生草果園的藍紫光、紅橙光和總輻射強度均極顯著低于清耕果園。光譜中紅光與遠紅光的比值往往影響樹體高度，當其比值較大時枝條的節間變短，樹體矮化，當其比值變小時則枝條的節間伸長，樹體喬化[29]。自然生草和人工生草果園反射光譜中的紅光/遠紅光比值低于清耕果園，因而其新梢延長生長增強，尖削度降低，不利于花芽分化。自然生草和人工生草果園的光照強度降低，總輻射降低，因而有效降低了因強光輻射而引起的果實“日灼”病，但自然生草及人工生草后均提高了果園空氣相對濕度，降低了果園光照強度，降低果園藍紫光、紅橙光、總輻射及紅光/遠紅光比值，導致果園早期落葉病嚴重發生，且果園種植白三葉易引起紅蜘蛛(Tetranychuscinnbarinus)爆發[12]。

雖然自然生草及人工生草均可改善果園的生態環境[38-39]，提高果實品質及產量[4-8]，但自然生草和人工生草不利于果樹花芽分化，易引起病蟲害發生，自然生草和人工生草的果園應加強果樹修剪，加強病蟲害的綜合防治，特別是加強生長季節的修剪，促進樹冠通風透光、新梢和葉片健壯生長以及花芽分化，以消除自然生草及人工生草帶來的不利影響。

4 結論

自然生草對果園小氣候的影響與人工生草對果園小氣候的影響基本一致。與清耕相比，自然生草與人工生草均提高了果樹行間及樹冠內的空氣相對濕度，降低了行間及樹冠內的空氣溫度和果園土壤溫度，且對果園土壤溫度的影響隨土層深度的增深而降低。自然生草與人工生草均降低了果園的光照強度、樹冠反射光譜、新梢尖削度和果實日灼率，但提高了早期落葉病發病率及發病指數。自然生草與人工生草的果園應加強生長季節的修剪及病蟲害防治，以消除自然生草與人工生草對果樹生長帶來的不利影響。