果園生草對蘋果園雜草控制、土壤養分及果樹營養狀況的影響

封 帆,謝開云,艾比布拉·伊馬木,萬江春

(新疆農業大學草業學院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】2017年新疆阿克蘇地區的蘋果種植面積2.13×104hm2[1]。阿克蘇地區果園土壤管理以清耕、裸露、中耕為主要手段,研究果園生草對果園雜草防控、土壤養分和果樹營養狀況的影響,對開展果園生草栽培試驗具有重要意義。【前人研究進展】果園生草是對行間或全園種植一年生或多年生草本植物作為覆蓋物的一種果園管理模式[2]。我國已對果園生草栽培技術進行了一定的示范推廣[3]。目前有關果園生草的研究主要集中于改良土壤[4]、改善園區環境[5]、抑制雜草[6]、提高土壤微生物活性[7]等。果樹生長發育受到土壤肥力、雜草防控等多方面因素的影響,且果樹營養狀況與微量元素含量關系密切,缺Fe、Mn會導致黃葉病和葉片葉脈失綠,影響果樹光合作用;缺Ca會影響果實硬度等[8,9]。【本研究切入點】果園生草可提供大量的有機肥并可減輕雜草蔓延,改善果園生態環境,增加土壤肥力。需研究果園生草對蘋果園雜草控制、土壤養分及果樹營養狀況的影響。【擬解決的關鍵問題】研究不同生草制度對果園的雜草抑制、土壤肥力改善及果樹葉片營養狀況的影響,為阿克蘇地區果園生草制果園的土壤管理及種植模式提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區位于新疆生產建設兵團第一師五團四連(N 41°21′48″,E 80°47′39″)。降水量稀少,蒸發量大,晝夜溫差懸殊。年均氣溫10.1℃,極端最高氣溫40.9℃,極端最低氣溫-27.4℃,太陽輻射年均總量140 kcal/cm2,年均日照2 727.2 h,年均降水量65.4 mm,年均蒸發量2 002.2 mm,年均無霜期185 d;全年盛行西風,最大風力8級,多出現在3～5月,平均大風日數175 d;每年春季大風多伴有沙塵及寒潮天氣。

蘋果園建于2016年4月,蘋果品種為煙富6號,株行距1.5 m × 4 m,蘋果生長狀況較好。試驗于2017年3月開始,至2019年8月完成相關樣品的采集。果園內土壤為沙壤土,土壤pH值8.06,堿解氮含量36.53 mg/kg,速效磷16.37 mg/kg,速效鉀150.27 mg/kg,有機質含量12.35 g/kg。

供試材料為白三葉(TrifoliumrepensHaifa)、黑麥草(LoliumperenneToya)和天油5號油菜(Brassicarapavar.oleifera),均由新疆哈德沃克農業科技有限公司提供。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

2017年3月,按照隨機區組設計進行試驗小區的布設,設立4個試驗處理:對照處理(清耕)、白三葉處理、黑麥草處理和油菜處理,每個處理3次重復,共計12個試驗小區。試驗小區設在蘋果樹盤以外的行間,距蘋果樹50 cm,生草小區面積9 m × 30 m(3 m/行),各試驗小區間隔1行果樹(4 m)作為保護行。播種前整地并清理雜草,以羊糞(2 000 kg/hm2)和氮磷鉀肥(N:75 kg/hm2,P2O5:240 kg/hm2,K2O:90 kg/hm2)為基肥,犁地前一次性深翻施入土壤中。該果園灌溉方式為漫灌,以滿足蘋果樹需水量為宜;灌溉次數7次/年,灌水量180 m3/次。各處理的土壤、地形等生態條件及蘋果樹的田間管理措施一致,僅2017年4月田間人工除雜草1次。3種牧草均于2017年3月25日播種,油菜分別于2018年4月1日和2019年3月30日再次播種。白三葉處理區(T):播種量22.5 kg/hm2,3年不翻壓、不刈割;生黑麥草處理區(L):播種量37.5 kg/hm2,當黑麥草自然高度超過70 cm時,測定其地上生物量后用旋風背負式割草機割草直接還田;油菜處理區(B):播種量1.5 kg/hm2,播種時摻入細沙,每年7月中下旬進入盛花期后利用小型旋耕機將油菜旋耕入土,旋耕深度20 cm左右。3種牧草均采用機器條播的方式播種,播深2～4 cm,行距20 cm,播后覆土壓實。對照區(CK):每次灌水之后清理雜草直接返還于對照區內。

1.2.2 測定指標

地上生物量:黑麥草在每次割草前測定地上生物量(2017～2019年每年均刈割4次),油菜在翻壓前測定地上生物量,白三葉處理和對照的地上生物量測定時間與油菜地上生物量相同。每個小區內隨機選擇6個0.5 m × 0.5 m的樣方測定地上生物量:從每個樣方中分離人工種植的牧草與非人工種植的雜草,利用烘干法[9]分別測定其干重。

土壤理化性質:于2019年7月開展土壤取樣工作(當年油菜翻壓前),在每個小區隨機采集0～30 cm土層土壤樣品10個,混合后采用四分法取500 g土樣帶回實驗室,重復3次,對采集好的土壤樣品進行自然風干、磨碎,過篩備用。在取樣過程中,利用環刀隨機選取合適的采樣點,去掉2 cm左右的土壤表層土測定容重;土壤含水量采用稱量法測定;土壤pH采用5∶1水土比浸提法測定[10];土壤有機質采用硫酸重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤堿解氮采用堿解擴散法測定;土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[11]。

果樹葉片營養狀況:2019年7月開展果樹葉片的取樣工作,每個重復試驗小區內隨機選取長勢一致的5棵樹,每棵樹按東、南、西、北、中5個方位,在未結實的枝條上各取2片(共10片)新葉并立即存放于液氮罐中,帶回實驗室進行葉綠素[12]、氮、磷、鉀、鈣、鎂、鈉、鐵、錳、銅含量[13]測定。

1.3 數據處理

選取種植牧草生物量(X1)、雜草生物量(X2),土壤含水量(X3)、容重(X4)、pH(X5)、有機質(X6)、堿解氮(X7)、速效磷(X8)、速效鉀(X9),果樹葉片葉綠素(X10)、N(X11)、P(X12)、K(X13)、Ca(X14)、Mg(X15)、Na(X16)、Fe(X17)、Mn(X18)、Cu(X19)等指標進行主成分分析,標準化指標均用X表示。

使用極差法將指標數據正向化;在對數據執行主成分分析后用相關系數矩陣判定指標間的相關性;用分析結果中總方差解釋的方差累計貢獻率≥85%(并且方差>1)、結合初始因子載荷陣變量不會出現丟失確定主成分個數;將SPSS分析結果中因子載荷矩陣中第n行向量除以第n個特征值的算術平方根,得到第n個主成分Fn的變量系數,Fn的函數表達式;確定主成分個數n,以函數表達式計算各主成分得分并以因子旋轉后方差貢獻率為權數進行加權得到綜合得分。

利用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行整理;利用SPSS 22.0軟件對數據標準化后,進行方差齊性分析并LSD檢驗,并標注差異性;采用SPSS 22.0軟件中的因子分析模塊對不同生草制度下的雜草生物量、土壤指標以及果樹葉片營養指標因子進行主成分分析,對雜草生物量、土壤養分以及果樹葉片營養指標進行降維,利用主成分因子得分式計算主成分得分及綜合得分進行評價。

2 結果與分析

2.1 果園生草對果園雜草的抑制作用

研究表明,2017～2019年,各試驗小區3種處理下的雜草地上生物量均隨種植年限的延長而下降,其中:白三葉處理的最小(389.83 kg/hm2,2019年),油菜處理的次之(654.33 kg/hm2,2019年),黑麥草處理的最大(881.77 kg/hm2,2019年),三者間差異顯著(P<0.05);白三葉處理下雜草地上生物量于2019年到達最低(389.83 kg/hm2),比2017年下降了59.3%;各處理間牧草地上生物量差異顯著(P<0.05),白三葉生物量最低(2 063.81 kg/hm2),黑麥草生物量最高(6 013.17 kg/hm2),油菜生物量(5 215.68 kg/hm2)位于二者之間;各試驗小區總地上生物量測定結果與牧草地上生物量類似,至2019年時,白三葉處理下地上總生物量最低(2 499.00 kg/hm2),其次是油菜處理(6 423.24 kg/hm2),二者地上生物量均低于黑麥草處理(6 999.64 kg/hm2),差異顯著(P<0.05);隨種植年限延長,白三葉(2 499.00 kg/hm2,2019年)和黑麥草處理(6 999.64 kg/hm2,2019年)地上總生物量下降,油菜處理(6 423.24 kg/hm2,2019年)地上總生物量變化規律與白三葉和黑麥草處理不同,呈現“V”型趨勢(2018年地上生物量較2017年下降,2019年較2018年有所增加)。表1

2.2 果園生草對果園土壤理化性質的影響

2.2.1 果園生草對土壤容重、含水量及pH影響

研究表明,白三葉處理下的土壤含水量最高,達到了25.43%,其次是黑麥草處理(25.07%),油菜處理(22.60%)的土壤含水量顯著低于前二者(P<0.05),3種生草處理土壤含水量均顯著(P<0.05)高于對照處理(19.40%);與對照處理相比,生草處理后的土壤容重均顯著(P<0.05)降低,白三葉(1.55 g/cm3)和黑麥草處理(1.65 g/cm3)下的土壤容重顯著(P<0.05)高于油菜處理(1.47 g/cm3);油菜處理土壤pH最低(7.70),顯著(P<0.05)低于白三葉處理(7.85),與黑麥草處理(7.77)差異不顯著(P>0.05),3種生草處理后的土壤pH均低于對照處理(8.03),且差異顯著(P<0.05)。表2

表1 2017～2019年各試驗小區牧草及雜草地上生物量變化

表2 不同生草處理下土壤容重、含水量及pH變化

2.2.2 果園生草對土壤有機質及N、P、K速效養分的影響

研究表明,生草處理后的土壤有機質含量顯著(P<0.05)高于對照處理(11.07 g/kg),其中油菜處理下土壤有機質含量最高(23.90 g/kg),顯著(P<0.05)高于黑麥草處理(18.60 g/kg)和白三葉處理(14.97 g/kg);油菜處理下的土壤速效鉀含量最高(164.37 mg/kg),顯著(P<0.05)高于其他3個處理,白三葉處理下的土壤速效鉀最低(140.73 mg/kg),顯著(P<0.05)低于其他3個處理;生草處理下土壤速效磷含量均顯著(P<0.05)高于對照處理(13.80 g/kg),其中油菜處理下土壤速效磷含量最高(25.67 mg/kg),其次為黑麥草處理(24.93 g/kg),二者速效磷均高于白三葉處理(20.13 g/kg),且差異顯著(P<0.05);與速效磷含量類似,生草處理下土壤堿解氮含量均顯著(P<0.05)高于對照處理(54.63 g/kg),油菜處理的堿解氮含量最高(89.77 mg/kg),顯著(P<0.05)高于其他生草處理。表3

表3 不同生草處理下土壤有機質及N、P、K速效養分變化

2.3 果園生草對果樹葉片營養狀況的影響

2.3.1 果園生草對果樹葉片葉綠素及N、P、K養分的影響

研究表明,生草處理下果樹葉片葉綠素含量均顯著(P<0.05)高于對照(2.66 mg/g),白三葉處理果樹葉片中葉綠素含量最高(4.15 mg/g),顯著(P<0.05)高于黑麥草處理(3.22 mg/g)和油菜處理(3.24 mg/g);除黑麥草處理下果樹葉片K含量(3.44 mg/g)低于對照外,其余2種生草處理果樹葉片K含量均顯著(P<0.05)高于對照(3.55 mg/g);油菜處理下果樹葉片N、P含量最高(30.77、5.60 mg/g),其次是黑麥草處理(27.97、4.59 mg/g)和白三葉處理(25.90、4.28 mg/g),三者N、P含量皆高于對照(18.53、3.56 mg/g)。表4

表4 不同生草處理下果樹葉中葉綠素及N、P、K養分變化

2.3.2 果園生草對果樹葉片中微量元素含量的影響

研究表明,與對照相比(2.24 mg/g),油菜處理(2.58 mg/g)下果樹葉片鈣含量顯著提升(P<0.05),白三葉處理下果樹葉片Ca含量顯著(P<0.05)降低(1.96 mg/g);生草處理下果樹葉片Mg含量顯著(P<0.05)高于對照(0.31 mg/g),其中油菜處理下果樹葉片Mg含量最高(1.15 mg/g);生草處理下果樹葉片Na含量顯著(P<0.05)高于對照(1.26 mg/g),其中白三葉處理下果樹葉片Na含量最高(1.73 mg/g);與對照相比(2.12 mg/g),白三葉處理(2.03 mg/g)和油菜處理(2.12 mg/g)下果樹葉片Fe含量無顯著差異(P>0.05),黑麥草處理(1.94 mg/g)下果樹葉片Fe含量顯著降低(P<0.05);與對照相比(0.20、0.17 mg/g),白三葉處理(0.21、0.18 mg/g)和黑麥草處理下(0.18、0.19 mg/g)果樹葉片Mn和Cu含量無顯著差異(P>0.05),油菜處理下(0.28、0.28 mg/g)果樹葉片Mn和Cu含量顯著(P<0.05)提高。表5

表5 不同生草處理下果樹葉片中微量元素含量變化

2.4 各指標主成分

研究表明,以累計貢獻率達85%的初始特征值個數作為主成分的個數,前3個主成分累計貢獻率達91.953%,前3個主成分包含原始數據信息總量的91.95%,并且這3個主成分的特征值均大于1。將19個指標降維成3個主成分進行分析,計算相關系數矩陣特征向量,將因子載荷除以相應方差的算術平方根,得到主成分的函數表達式。

第一主成分函數表達式:F1=0.033X1+0.013X2+0.041X3-0.081X4-0.088X5+0.095X6+0.093X7+0.088X8+0.059X9+0.032X10+0.092X11+0.096X12+0.077X13+0.056X14+0.094X15+0.071X16-0.004X17+0.059X18+0.076X19

第二主成分函數表達式:

F2=0.176X1+0.139X2-0.172X3+0.088X4-0.024X5+0.036X6-0.019X7-0.017X8+0.165X9-0.208X10-0.034X11+0.021X12-0.007X13+0.170X14-0.042X15-0.112X16+0.093X17+0.065X18+0.078X19

第三主成分函數表達式:F3=-0.189X1-0.266X2-0.16X3-0.04X4+0.077X5-0.032X6-0.082X7-0.135X8+0.017X9+0.052X10-0.072X11+0.002X12+0.212X13+0.036X14+0.018X15+0.069X16+0.278X17+0.237X18+0.114X19

對3個主成分因子的得分進行加權求和,權數取方差貢獻率,3個主成分因子旋轉后的方差貢獻率依次為50.868%、21.657%、19.427%。

zF=50.868%F1+21.657%F2+19.427%F3

各個主成分的影響力依次為主成分1>主成分2>主成分3。表6

第一主成分的貢獻率達54.340%,是涵蓋原始數據信息最多的主成分,包含較多的因子為:容重(X4)、pH(X5)、有機質(X6)、堿解氮(X7)、速效磷(X8)、N(X11)、P(X12)、Mg(X15)、Na(X16)、Cu(X19);第二主成分包含較多的因子主要為種植牧草生物量(X1)、雜草生物量(X2)、土壤養分指標分別為含水量(X3)、速效鉀(X9)、葉綠素(X10)、Ca(X14);第三主成分包含的因子主要為:Fe(X17)、Mn(X18),但第三主成分貢獻率太低,所涵蓋信息不足,因此主要參考第一、二主成分進行分析,主成分1得分排名油菜處理(B)>黑麥草處理(L)>白三葉處理(T)>對照處理(CK);主成分2得分排名油菜處理(B)>對照處理(CK)>黑麥草處理(L)>白三葉處理(T);綜合排名從高到低依次為油菜處理(B)、黑麥草處理(L)、白三葉處理(T)、對照處理(CK)。表7

表6 主成分因子載荷、特征值及貢獻率變化

3 討 論

3.1 果園生草對果園雜草的抑制作用

試驗發現,蘋果園生草后,隨年限增加,雜草的生物量大幅度降低,表明蘋果園生草能有效抑制雜草生長,其中種植白三葉對雜草的抑制作用最好,與李曉剛等[14]在梨園生草的試驗結果一致,可能是因為從種植的第二年開始,白三葉返青后能短時間內覆蓋地面,進而有效抑制其他雜草的出苗和生長。隨種植年限的延長,除2019年油菜地上生物量較前兩年相比明顯升高外,其余各處理下牧草地上生物量均無顯著變化,因為研究在進行地上生物量測定之后,將雜草及牧草全部粉碎返還試驗小區,提高了試驗小區的土壤肥力,提高了油菜的地上生物量,但此過程需要一定時間。牛自勉等[15]的研究結果表明,果園生草后第一年土壤表層的有機質并沒有增加,在第二年才有所增加,這也解釋了試驗油菜處理下試驗小區總生物量呈“V”型的變化趨勢。

3.2 果園生草對果園土壤理化性質的影響

植被與土壤的相互作用過程導致土壤結構和水分特征等理化性質產生變化,進而影響土壤水肥氣熱條件[16],土壤pH影響著土壤中營養元素的有效性和土壤對養分的固持能力。試驗果園土壤pH在7.69～8.07,為偏堿性土壤,生草后對土壤pH有一定降低,因為雜草及牧草粉碎后返回土壤經分解可產生較多的CO2和有機酸,降低土壤的pH[17];果園生草后的第3年,各處理下土壤含水量均有所增加,其中種植白三葉對土壤含水量增加效果最好,與毛培春等[18]的研究結果相似,果園生草后增加了蘋果園地表覆蓋,改善了土壤孔隙和團粒結構,增大了土壤的滲水性和保水能力[19];生草處理后的土壤容重均顯著降低,生草處理能有效地降低土壤容重,增加土壤孔隙度,有利于水分的保持和滲透,其中油菜處理對土壤容重的降低效果最好,但油菜處理下土壤含水量卻低于白三葉處理和黑麥草處理,因為油菜處理區每年進行翻壓入土,而白三葉處理和黑麥草處理并不進行翻壓,所以油菜處理下土壤容重降低效果最好。油菜作為一種油料作物,其生長發育所需要的水分要高于白三葉和黑麥草,且油菜地上生物量大,消耗的水分也更多,可能是造成油菜處理下土壤含水量低于白三葉和黑麥草處理的原因;有機質是提高土壤肥力的必要條件,是土壤各速效養分的重要來源,是保證果樹生長發育和提高果實品質、產量的重要條件。生草處理可以有效地增加土壤有機質的含量[20]。研究發現,種植油菜對土壤有機質及基礎養分的效果最為明

表7 各樣地主成分得分及綜合得分

顯,與艾麥爾艾力·吐合提等[21]的研究結果類似,試驗中白三葉處理對土壤肥力的提高效果不如黑麥草處理和油菜處理,因為黑麥草處理小區和油菜處理小區進行了刈割和翻壓,將小區內牧草及雜草都返于土壤,而白三葉處理小區三年不翻壓和刈割,所以對土壤養分的提升效果不如黑麥草和油菜處理。與對照相比,白三葉處理下土壤速效鉀含量有所降低,因為白三葉自身生長也會消耗土壤速效鉀,且白三葉處理小區不進行翻壓和刈割,而對照區定時清理雜草粉碎后返于土壤。

3.3 果園生草對果樹葉片營養狀況的影響

葉片可以反映果樹的營養狀態,葉片中礦質元素的量可以說明果樹的營養水平,葉片中葉綠素的含量則可以反映果樹光合作用的能力。試驗中,相較于對照,果園生草處理后的果樹葉片中的葉綠素含量均顯著增加,其中白三葉處理下的增長幅度最大,種植白三葉能有效地提升果樹葉片的葉綠素含量從而提高果樹葉片的光合特性,邢荔[22]研究表明,果園生草后在一定程度上會影響到果樹葉片的光合特性,此影響與所種草種有關,其中以單播白三葉為最佳,這與本研究結果一致。Tan等[23]研究指出,生草處理使葡萄葉片中N含量下降,P、K含量升高,N水平下降主要是競爭所致。研究發現,黑麥草處理下果樹葉片K含量略有降低,N、P含量卻有所提升,黑麥草處理存在與果樹競爭現象導致葉片K含量降低,而K含量降低抑制了果樹的營養生長,其消耗的N、P有所降低,所以葉片N、P含量會有提高;油菜處理下果樹葉片N、P含量最高,其次是黑麥草再是白三葉,因為生草處理下,草的分泌物增加了土壤N、P的移動性,或其根際微生物菌群提高了N、P素供應。任群等[24]研究發現,生草栽培的椪柑葉片Ca含量顯著低于對照,研究白三葉處理下葉片Ca含量也得到類似結果;李艷麗[25]研究指出,行間種植三葉草能提高葉片中Fe、Mn含量,但研究中白三葉處理下葉片Fe含量有所降低,因為葉綠素的產生消耗了葉片的Fe素。研究中黑麥草處理下葉片Mn含量有所降低,油菜處理下葉片各礦質元素均有提高,種植油菜對提升果樹葉片礦質元素含量的效果最好。

3.4 不同種植牧草提升土壤肥力及果樹營養品質的綜合效益評價

研究中的第一主成分包含大部分土壤理化因子及少部分果樹葉片全量養分因子,第二主成分包含種植牧草及雜草生物量、少部分土壤理化因子及果樹葉片葉綠素及Ca含量;第一主成分得分高的種植模式在提高土壤肥力及部分果樹葉片營養品質具有更好的效益,第二主成分得分高的種植模式在抑制雜草生長及提高果樹葉片葉綠素及Ca含量方面具有更好的效益。第一主成分得分油菜處理>黑麥草處理>白三葉處理>對照,種植油菜對于提高土壤肥力和果樹葉片營養品質具有更好的效益,要優于種植黑麥草和白三葉;第二主成分得分白三葉處理>對照>油菜處理>黑麥草處理,種植白三葉對于抑制雜草生長和提高部分果樹營養品質具有更好的效益,要優于種植黑麥草和油菜,其中對照得分大于油菜處理和白三葉處理,原因可能是對照定時清理雜草返于園區內,表現為具有雜草防治效果;綜合得分為油菜處理>黑麥草處理>白三葉處理>對照,即種植油菜具有更優的綜合效益。

4 結 論

4.1白三葉處理可有效減少果園雜草生物量(雜草生物量較2017年時下降59.3%),與對照處理相比,可有效提高土壤含水量(較對照增加25.43%)、提高果樹葉片葉綠素含量(較對照增加56.02%)。

4.2與對照處理相比,油菜處理可有效提高土壤有機質(較對照增加115.89%)、堿解氮(較對照增加64.32%)、速效磷(較對照增加86.01%)和速效鉀(較對照增加9.16%)含量。

4.3雜草抑制、改良土壤肥力、改善果樹生長狀況等效果,果園生草以種植油菜為最佳。