渭北旱塬果园自然生草对土壤水分及苹果树生长的影响

白岗栓，邹超煜，杜社妮

0 引 言

渭北旱塬是中国乃至世界的优质苹果（Malus domestica）生产基地，但该区为雨养农业区，降水偏少且分布不均，随着果树的持续生长，易出现土壤干层，不利于果树健康、持续生产[1-2]。果园土壤管理可降低生产成本，提高果园产出[3-4]。欧美及日本等发达国家有良好的刈割机械和灌溉系统，果园土壤管理普遍采用生草制[5-7]。果园生草不但可控制杂草生长[8]，促进土壤微生物及蚯蚓活动[9-10]，提高土壤有机质和肥料利用效率[11-13]，而且可促进降水入渗，防止水土流失，防止土壤盐碱化，减少环境污染，改善果园土壤环境[14-16]，促进果树健康、持续生长与开花结果[17-18]。果园生草有人工生草和自然生草2种方式[19-20]。其中自然生草资源丰富，覆盖度高，不需耕种且刈割次数少，可减少机械对土壤的碾压，促进土壤孔隙均匀分布及土壤大孔隙形成，防止犁底层产生[21-22]，提高土壤保水能力，促进果树生长[23]。中国果园缺乏良好的灌溉系统，人工生草报道较多，但发展缓慢[24-25]。渭北旱塬缺乏灌溉水源，果园土壤管理大多采用清耕制。通常情况下清耕果园的土壤有机质含量低且地面蒸发量大，土壤水分低，不利于优质果品生产。为了提高果园土壤有机质，提高土壤贮水量，改善果园立地环境，渭北旱塬开展了人工生草，但人工生草存在着与果树争水[26-29]及争肥的问题[30-31]，国外雨养果园也有相似报道[32-34]，导致果园人工生草难以开展。自然生草经过多年的自然汰选，春季萌发早，秋季枯黄迟，耗水量少，能够有效改善果园的生态环境，促进果园生态系统良性循环发展[35-37]。果园自然生草投资少，易管理，目前已成为国内果园土壤管理发展的新方向[35-37]。渭北旱塬苹果园以乔化密植为主，果园郁闭度高，通风较差，地表较阴湿，随着果园杂草的自然演替，繁缕（Stellaria media）和牛繁缕（Malachium aquaticum）成为渭北旱塬果园地被植物的优势种类及顶级群落。繁缕与牛繁缕不但根系分布浅，覆盖度高，而且能够大量、快速自然繁殖，但有关自然生草—繁缕和牛繁缕对果园土壤水分及果树生长的影响缺乏研究。本研究以果园清耕和人工生草为对照，探讨渭北旱塬自然生草对果园土壤水分及苹果树生长的影响，以期为渭北旱塬果园土壤管理提供指导。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2015－2016年在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行，该站位于渭北旱塬长武县王东村，北纬35°12′，东经107°40′，海拔1 200 m，年日照时数2 226.5 h，日照百分率51%，30 a平均年降雨量为551.7 mm，果树生长期4－10月降水量为494.1 mm，平均气温9.1 ℃，≥10 ℃积温3 029 ℃，无霜期171 d。试验园土壤为黑垆土，耕层（0～20 cm）土壤有机质9.44 g/kg，全氮3.84 g/kg，碱解氮73.65 mg/kg，全磷0.24 g/kg，速效磷41.98 mg/kg，全钾7.46 g/kg，速效钾234.65 mg/kg，pH值7.8，土壤容重1.32 g/cm3，0～200 cm土层土壤田间持水量22.21%，萎蔫系数 9.2%。20～200 cm土层土壤容重平均为1.34 g/cm3。试验前果园土壤管理为自然生草，果园地被植物为繁缕和牛繁缕群落。

1.2 试验材料

供试苹果树定植于1996年春季，行距4.0 m，株距3.0 m，品种为红富士，砧木为新疆野苹果（Malus sieversii），树形为小冠疏层形，高约4.3 m，干径约9 cm，冠径约3.8 m，外围延长枝长约24 cm，试验前5年的单株产量平均约为50 kg，全园产量平均为42 000 kg/hm2，处于盛果期。繁缕和牛繁缕均为石竹科一年生或二年生草本，平伏于地表生长。人工生草选用三叶草（Trifolium repens），为多年生豆科牧草。

1.3 试验设计与监测内容

1.3.1 试验设计

2015年7月初至2016年12月初以清耕和人工生草为对照，监测自然生草—繁缕和牛繁缕的生长状况、果园土壤水分及苹果树的生长状况，共设3个处理

清耕：2015年7月初用小型旋耕机对全园进行旋耕（深度 15 cm），试验期间行间及树盘下的杂草均及时去除，保持果园无杂草滋生。

人工生草：果园用小型旋耕机旋耕后，在果树行间种植三叶草，草带长90 m，宽2.6 m，播种量15 kg/hm2，草带边缘距树行0.7 m。试验期间树盘下的杂草及时去除。为了减少生草对果树生长的影响，当三叶草的高度超过30 cm时，对三叶草进行刈割并覆盖于树盘下。人工生草果园行间生草，行内覆草。

自然生草：果园用小型旋耕机旋耕后，试验期间不进行清耕及人工生草，让其自然生草。自然生草期间对出现的灰藜（Chenopodium album）、反枝苋（Amaranthus retroflexus）等恶性杂草及时去除，保留繁缕、牛繁缕和荠菜（Capsella bursa-pastoris）、鸡肠草（Herba centipeda）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、马唐（Digitaria sanguinalis）、箭叶旋花（Convolvulus arvensis）等低矮草本。当草的高度高于30 cm，进行刈割。

试验布设中，一行果树与其紧邻的 2条草带或清耕带组成1个小区（图1）。每条人工生草带、清耕带及自然生草带长均为90 m，每个小区有30株苹果树，设3次重复。

试验期间不同处理的施肥、修剪、疏花疏果、病虫防治等管理措施相同。为了分析方便，结果与分析的土壤水分图中插入了土壤萎蔫系数（图中萎蔫系数换算为萎蔫贮水量,耕层每10 cm土层土壤萎蔫贮水量为12.14 mm，20 cm以下土层为12.33 mm）和果园最适宜土壤水分（果园最适宜土壤水分为田间持水量的 75%。图中最适宜土壤水分换算为最适宜土壤贮水量，耕层每10 cm土层最适宜土壤贮水量为21.99 mm，20 cm以下土层为22.33 mm）。

1.3.2 试验监测

降水量：长武黄土高原农业生态试验站有气象监测仪，测定试验期间的降水量。

图1 试验布设示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of experiment design

土壤水分与土壤水分蒸散量：2016年4月—11月每月的首日及果树开花坐果期（4月20日）、幼果膨大期（5月20日）、花芽分化期（6月20日）和采前果实膨大期（9月10日），在每个小区行中部，以10 cm为1层，分层采集0～200 cm土层土壤，烘干法测定土壤质量含水率（w/%），然后根据土层厚度、土壤容重换算成土壤贮水量（Wh/mm），并以土壤贮水量的高低来评价不同处理对土壤水分的影响。试验园土层深厚，地面平坦，土壤质地均一，无地表径流，无水分的水平运移，无地下水补给及渗漏，无灌溉设施及灌溉水，可根据土壤水分平衡公式计算不同处理不同生长阶段的土壤水分蒸散量[38-39]。

人工生草和自然生草生长状况：2015年和2016年在三叶草和自然生草刈割前，在人工生草和自然生草行中部随机选择3个采样点，以1 m2为单位，常规方法测定草的高度、地上部生物量和根系生物量、根系深度并计算根冠比，目测法测定草的覆盖度。

果树生长状况：2016年果实采收期在不同小区随机选择5株苹果树，在每株树冠外围随机采集15个果实，测定单果重，同时测定单株苹果产量（包含采样果实）并折合为单位面积苹果产量。2016年落叶期测定不同处理的树冠高度、树冠直径、树冠外围延长枝长度及直径，并计算尖削度。根据不同处理单位面积的苹果产量和其生长期间果园土壤水分蒸散量计算不同处理果园土壤水分利用效率[38-39]。其中，枝条尖削度=枝条粗度/枝条长度。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010制作图表，SPSS19.0软件进行单因素方差分析，用邓肯氏新复极差检验法进行多重比较。用student test检验人工生草和自然生草处理植物生长状况的差异。

2 结果与分析

2.1 果树生长期间的降水量

2016年苹果树生长期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月分别高出23.33%，67.01%和65.11%，9月则降低72.79%（表1）。

2.2 植物生长状况

2015年试验期间自然生草草的高度低于30 cm，未进行刈割，而人工生草的三叶草在果树落叶期（11月初）高于30 cm，进行刈割。2015年人工生草除覆盖度极显著低于（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极显著高于（P<0.01）自然生草（表2）。

2016年试验期间自然生草草的高度低于30 cm，未进行刈割；而人工生草在苹果花芽分化期（6月下旬）、果实采前膨大期（8月下旬）及落叶期（11月初）进行了刈割，刈割对草的生长影响较大[40-41]。2016年人工生草草的地上

部生物量共计为666.87 g/m2（3次刈割前采集的生物量之和），而自然生草仅为121.34 g/m2（落叶期测定的数据）；人工生草草的根系生物量为11.34 g/m2（当年落叶期测定的根系生物量减去 2015年落叶期测定的根系生物量），而自然生草仅为 3.78 g/m2（落叶期测定的数据）。2016年的测试结果表明，人工生草除覆盖度显著低于（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极显著高于（P<0.01）自然生草（表2）。

表1 试验期间的降水量Table 1 Precipitation during test period mm

表2 人工生草与自然生草的生长状况Table 2 Growth condition of artificial-planted grass and self-sown grass

2.3 生草对果园土壤贮水量的影响

2.3.1 生草对苹果不同生长期土壤贮水量的影响

开花坐果期：自然生草0～40 cm土层土壤贮水量较清耕和人工生草分别高出2.67和5.29 mm，40～80 cm 土层分别高出1.67和1.81 mm，80 cm 土层以下不同处理之间基本相同（图2a）。自然生草0～40 cm土层土壤贮水量显著高于人工生草（P<0.05）。

幼果膨大期：自然生草0～40 cm土层土壤贮水量较清耕和人工生草分别高出6.49和8.41 mm，40～80 cm 土层分别高出5.06和6.12 mm，均达显著差异（P<0.05）；80～120 cm土层分别高出2.48和4.26 mm，无显著差异；120 cm土层以下不同处理表现较一致（图2b）。

花芽分化期：该期土壤贮水量较低（图2c）。自然生草 0～40 cm 土层土壤水分较清耕和人工生草分别高出6.72和7.15 mm（P<0.05）；40～80 cm 土层分别高出3.45和 5.83 mm（P<0.05）；80～120 cm 土层分别高出 1.80和3.25 mm，未达到显著差异；120 cm土层以下不同处理表现较一致。

果实采前膨大期：该期处于雨季，自然生草和清耕0～40 cm 土层土壤贮水量较人工生草分别高出 9.10和8.42 mm（P<0.05）；40～80 cm 土层分别高出 18.80和13.10 mm（P<0.01），且自然生草显著高于清耕（P<0.05）；80～120 cm土层分别高出18.45和13.62 mm（P<0.01）；120～160 cm土层土壤分别高出8.24和3.71 mm，自然生草显著高于人工生草（P<0.05）；160 cm土层以下不同处理表现较一致（图2d）。

2.3.2 生草对不同土层土壤贮水量的影响

0～40 cm土层：自然生草、清耕和人工生草 3－11月0～40 cm土层平均土壤贮水量分别为94.94、90.25和83.74 mm，4－10月生长期分别为 94.90、90.00和83.64 mm，自然生草极显著高于人工生草（P<0.01），清耕显著高于人工生草（P<0.05），且人工生草在雨季（8－10月）土壤贮水量恢复缓慢，不利于翌年春季果树生长。

>40～80 cm土层：自然生草、清耕和人工生草3－11月>40～80 cm土层平均土壤贮水量分别为83.85、80.62和78.41 mm，4－10月分别为83.27、79.91和77.91 mm，自然生草显著高于人工生草（P<0.05）（图3b）。

>80～120 cm土层、>120～160 cm土层和>160～200 cm土层：自然生草、清耕和人工生草3－11月>80～120 cm土层平均土壤贮水量为81.59、80.03和78.50 mm，4－10月分别为81.33、79.70和78.18 mm，均无显著差异（图3c）。>120～160cm土层和>160～200 cm土层均为自然生草的略高，人工生草的略低，不同处理之间无显著差异（图3d和图3e）。

图2 苹果树不同生长期的果园土壤贮水量Fig.2 Soil water storgae of orchards in different growth stage of apple tree

0～200 cm土层：不同处理0～200 cm土层土壤贮水量均为7月份最低，8月份最高，且均低于最适宜土壤贮水量（图3f）。自然生草、清耕和人工生草3－11月0～200 cm 土层平均土壤贮水量分别为 412.68、400.97和388.86 mm，4－10月分别为411.40、399.05和387.14 mm，自然生草显著高于人工生草（P<0.05）。不同处理不同土层土壤水分变化表明，生草方式可影响0～80 cm土层土壤贮水量，且对0～40 cm土层影响较大，对120 cm以下土层影响较小，自然生草在雨季土壤水分易得到恢复，而人工生草则恢复缓慢。

2.3.3 生草对果园蒸散量的影响

不同处理的果园土壤蒸散量均以 7月份最高，而 4月、5月和9月则相对偏低（表3）。不同处理的土壤水分蒸散量差异主要出现在4月、5月和8月，其中人工生草 4月和 5月的土壤蒸散量极显著高于自然生草（P<0.01），8月显著高于自然生草；清耕4月和5月的土壤蒸散量显著高于自然生草（P<0.05）。人工生草、自然生草和清耕果树生长期（4－10月）的土壤蒸散量比同期降水量537.4 mm分别高出32.55、15.25和23.32 mm。自然生草的土壤蒸散量比人工生草、清耕分别减少17.30和8.07 mm，但无显著差异。

图3 不同处理不同土层土壤贮水量Fig.3 Soil water storgae under different treatments in different soil depth

2.4 生草对果树生长、产量及土壤水分利用效率的影响

不同处理对树高、树冠直径和枝条长度无显著影响，但自然生草的枝条直径和尖削度极显著高于人工生草（P<0.01），显著高于清耕（P<0.05），清耕显著高于人工生草（P<0.05）（表 4）。自然生草的枝条较粗壮，说明自然生草树体营养生长良好，可提高当年苹果产量和翌年花芽质量[42]。自然生草的单果重较人工生草和清耕分别提高了15.46%和6.21%，产量分别提高了 21.29%和 6.10%，土壤水分利用效率分别提高了25.09%和 7.64%，不同处理之间存在极显著（P<0.01）和显著差异（P<0.05）。清耕的单果重较人工生草提高了8.71%，差异显著（P<0.05）；产量和土壤水分利用效率分别提高了14.31%和16.21%，差异极显著（P<0.01）。

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

表4 不同处理对苹果树生长及土壤水分利用效率的影响Table 4 Effects of different treatments on apple tree growth and soil water use efficiency

3 讨 论

3.1 自然生草对果园土壤贮水量的影响

苹果为多年生、高耗水植物，渭北旱塬为雨养农业区，清耕果园的土壤水分主要与降水量和果树生长密切相关[1-2,43-44]；当果园人工生草或自然生草后，果园土壤水分还与草的种类及其生长状况密切相关[26-29]。人工生草的三叶草根系分布深，根系及地上部生长量大，耗水量高，导致果树生长期0～80 cm土层土壤贮水量降低，这与前人在渭北旱塬果园生草[27-29]和黄土丘陵沟壑区果园生草[30-31]的结果相同。渭北旱塬三叶草茂盛生长期集中在4－6月，导致4月和5月果园的土壤蒸散量增加；6月人工生草果园的土壤蒸散量与清耕及自然生草基本相同，主要是该期对三叶草进行了刈割，抑制了三叶草的蒸腾。7－10月果园郁闭度较高，果园地面蒸发减弱，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，说明在郁闭度高的果园生态环境下人工生草仍可增加果园土壤水分蒸散量。自然生草的种类主要是繁缕和牛繁缕，伏生于地面，不但可快速自我繁育，快速覆盖地面，而且根系分布浅，根系及地上部生物量小，根冠比小，耗水量小，对果园土壤贮水量影响小；繁缕和牛繁缕覆盖度高，覆盖期长，可减少果园地表土壤水分蒸发，因而自然生草降低了果园土壤水分蒸散量，提高了果园土壤贮水量，这与国外报道的相关结果相同[14-16]，说明果园生草必须根据果园的立地环境，采取适宜的生草方式，选择适宜的生草种类，才能防止与果树争水的问题。

3.2 人工生草对土壤贮水量的影响

本试验测试期间的降水量高于常年降水量，但人工生草果园土壤水分蒸散量仍高于同期降水量及清耕和自然生草果园的蒸散量，特别是在雨季 8月份仍高于清耕及自然生草，说明人工生草不但在旱季会增加土壤水分消耗量，而且在雨季也会增加土壤水分消耗量，从而影响雨季果园土壤贮水量恢复，影响当年果实单果重及产量，影响翌年春季果树开花坐果及新梢生长[42-43]。人工生草的土壤蒸散量大，除与三叶草生长量大、蒸腾量大相关外，还与人工生草过程中的管理措施密切相关。试验期间人工生草刈割了 4次而自然生草未进行过刈割，人工生草在刈割过程中增加了机械对土壤的碾压，易促进犁底层的形成，不利于土壤微生物及蚯蚓活动[9-10]，不利于大孔隙的形成和土壤孔隙均匀分布，易导致雨水滞留在浅层土壤，降低深层土壤的蓄水、保水能力[21-22]，易造成秋梢生长，减少翌年花芽量，不利于当年果实膨大及着色。自然生草果园的土壤未经碾压，利于降水入渗，增强深层土壤的蓄水、保水能力，因而在雨季果园土壤水分恢复较快，土壤贮水量较高。

3.3 自然生草对苹果树生长的影响

渭北旱塬年降水量偏小，果园土壤贮水量的高低往往决定了果树的生产能力[27-29]。渭北旱塬果树根系大多分布于0～60 cm土层，4－6月是苹果树开花、坐果和幼果、新梢快速生长时期，8－9月是采前膨大期，4－6月的土壤水分对幼果膨大、新梢生长和叶幕形成具有决定性的影响，8－9月则直接影响到单果重和果实产量[42-44]，而人工生草降低了果园0～80 cm土层土壤水分，特别是降低了开花坐果期、幼果膨大期和采前膨大期的土壤水分，而自然生草则提高了果园土壤水分，提高了开花坐果期、幼果膨大期和采前膨大期的土壤水分，因而人工生草的果树新梢生长细弱，尖削度低，单果重小，产量低。渭北旱塬果园自然生草对苹果树生长的影响与自然生草在其他地区对苹果、柑橘（Citrus reticulata）、梨（Pyrus pyrifolia）的影响结果基本一致[35-37]。

4 结 论

渭北旱塬果园自然生草的主要种类为繁缕和牛繁缕，与人工生草的三叶草相比，自然生草植被覆盖度高且根系分布浅，生长量小，在雨季可促进土壤水分下渗，在苹果开花坐果期、幼果膨大期、花芽分化期和果实采前膨大期分别提高了0～80 cm、0～120 cm、0～120 cm和0～160 cm土层贮水量。另外，果树生长期自然生草的土壤蒸散量较人工生草和清耕分别减少了 17.30和8.07 mm，苹果单果重分别提高了15.46%和6.21%，产量分别提高了21.29%和6.10%，土壤水分利用效率分别提高了25.09%和7.64%。因此，渭北旱塬应积极推广果园自然生草。

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