果园生草改善土壤质量和锥栗农艺性状的效果

余锦林，尤龙辉，徐惠昌，游惠明，程分生，聂 森，叶功富，李建民，黄勇来，黄爱珍

（1.福建农林大学林学院, 福建 福州 350002；2.福建省林业科学研究院, 福建 福州 350012；3.福州市林业局自然保护地规划发展中心, 福建 福州 350007；4.福建省建瓯市林业局, 福建 建瓯 353100）

土壤质量是土壤在生态系统中维持环境质量、促进动植物生产的能力，土壤的生物、化学和物理属性是评价土壤质量的关键[1]。其中，土壤微生物被认为是表征土壤质量变化最敏感、最有潜力的生物指标之一[2]，土壤物理性状对土壤肥力具有深刻的影响，而土壤养分是植物生长发育所必需的物质基础[3]。研究表明，不同土地利用类型使土壤质量存在较大差异，李英等[4]指出，受人为干扰的果园，其土壤湿度、养分含量及微生物生物量均显著低于天然林。长期以来，我国果园的地面管理方式以清耕和施用化肥、除草剂等高强度集约经营为主，导致林地生物多样性降低、土壤质量下降等一系列问题[5]。

近年来，生草栽培被证明是果园土壤管理的有效措施，果园生草法源于欧美与日本，是采用全园或带状人工生草，或除去园内部分不适宜的自然杂草，逐渐达到免耕目的的新型低强度果园地面管理方式[6]。生草栽培能改善果园生态微域环境，提高土壤质量，促进果树生长，提高果实品质[5-7]。然而，各草种对不同水热状况、立地条件的适应性不同。研究表明，橘园种植白三叶（Trifolium repens)对土壤有机质含量的提高优于黑麦草（Lolium perenne)[8]，而在猕猴桃（Actinidia chinensis)园表现为黑麦草优于白三叶[9]；种植紫花苜蓿对桃子（Amygdalus persica)果实品质的提高优于黑麦草[10]，而两者对香梨（Pyrusspp.)果实品质的改善却恰好相反[11]。可见，因地制宜探究不同草种栽培对果园的影响，能为果园实施生草栽培提供理论支撑和实践依据。

锥栗（Castanea henryi)是壳斗科栗属乔木，原产于福建建瓯，是我国南方著名的木本粮食树种，其果实甜香可口且营养丰富，已成为丘陵山区重要的财政收入和农民增收的主要来源之一[12]。但传统锥栗园亦以清耕和喷施草甘膦除草等高强度集约经营为主，园区土壤质量降低，果树早衰减产等问题突出[13]。当前，有关如何应用生草栽培技术改善锥栗园土壤质量，提升锥栗果实农艺性状的研究成果鲜见报道。

综上所述，本研究拟提出以下科学问题：生草栽培是否对锥栗园的土壤质量有积极影响？若有，是否会进一步影响锥栗果实产量与品质？生草栽培影响锥栗园果实产量的机制是什么？针对以上问题，本研究以建瓯锥栗园不同生草栽培、清耕及喷施草甘膦处理为研究对象试分析：不同草种对锥栗园土壤质量的影响是否存在差异；不同草种对锥栗园果实产量和品质的影响是否存在差异；生草栽培对锥栗园土壤及果实的影响机制。本研究有利于阐明生草法对南方红壤丘陵山地锥栗园土壤及果树的作用机理，及其替代传统果园地面管理方式的可行性，对制定锥栗园生草制度、打造高品质生态锥栗园和推进锥栗产业高质量发展均有重要的现实意义。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区概况

建瓯市龙村乡位于武夷山脉东南麓，平均海拔609 m，是我国南方典型的丘陵山地，118°15′33″ E，27°28′57″ N，年均气温18.3 ℃，年均降水量1 774 mm，无霜期270 d 以上，昼夜温差较大，水热条件优越，属南亚热带季风气候。土壤以片麻岩、花岗岩等发育形成的山地红壤为主，pH 5.0～5.2，适宜锥栗生长。龙村乡的锥栗种质资源丰富，形成了以‘白露仔’、‘长芒仔’、‘油榛’和‘圆蒂仔’等为主的优良品种。

1.2 试验设计与调查方法

2018 年，在建瓯市龙村乡选取集中连片且立地条件基本一致的试验锥栗园，采用随机区组设计，将供试样地分为面积0.3～0.5 hm2的若干试验小区，全园清除自然杂草后，设置撒播鼠茅草 （Vulpia myuros, VM)籽、光 叶 紫 花 苕 （Vicia villosa, VV)、黑麦草 （Lolium perenne, LP)籽、 紫云英 （Astragalus simicus, AS)籽和园叶决明 （Chamaecrista rotundifoliaCR)籽 5 种生草栽培，以及清耕（CT)和喷施草甘膦（GS)，共7 种不同处理，每种处理3 个重复。播种前以带状整地方式整平整细地面，注意不伤锥栗根系，树干基部周围半径约30 cm 不覆草。在2018 年10 月首次撒播，播种量30 kg·hm-2，并覆盖薄膜，苗长至5 cm 左右时撤掉薄膜，第2 年4 月再次以前述撒播方式进行补播，播种量亦为30 kg·hm-2。每年追肥两次，早春及早秋，采用复合肥（NPK 配比N ∶P2O5∶ K2O = 15 ∶ 15 ∶ 15)追肥，追肥量120 kg·hm-2。清耕处理的小区，每年4 月和6 月各人工锄草一次；在同样的时间，对喷施草甘膦的小区，用10%草甘膦水剂1.5 kg，均匀兑清水30 kg，进行茎叶雾喷除草。为保证可比性，CT 和GS 处理的水肥管理与生草栽培处理保持一致。供试样地基本情况如表1 所列。

表1 供试样地基本情况Table 1 Basic information of sample site

1.3 土壤理化性质及微生物生物量碳氮测定

在各试验小区分别设置垂直投影为25 m × 25 m的调查样地，样地间隔25 m 以上，共计21 个样地，样地内的锥栗砧木均为42 年生的毛榛（Corylus mandshurica)，接穗均为35 年生的白露仔。2020 年8 月，在各样地选取3 株树体生长健康、树高和胸径基本一致的锥栗平均木，距树干基部1 m 处，分东西南北4 个方向，清除表层凋落物，用土钻自上而下分层采集0 - 10 cm 和10 - 20 cm 土层土样，各样地同一土层采样点土壤采用四分法取一部分土壤，去除根系、石砾等杂质后放入自封袋带回实验室，风干后先过2 mm 土壤筛，再四分法取10 g 研磨过0.147 mm 土壤筛备用。在采样点附近用环刀对两个土层取样，用于测定土壤含水率。依照林业行业标准，土壤水解性氮采用碱解扩散法（LY/T 1229—1999)测定，土壤有效磷采用氟化铵—盐酸浸提—流动分析仪法（LY/T 1233—1999)测定，土壤速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法（LY/T 1236—1999)测定，土壤交换性钙和交换性镁采用乙酸铵交换—原子吸收分光光度法（LY/T 1245—1999)测定，土壤pH 采用电位法测定（水 ∶ 土 = 2.5 ∶ 1)。土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC)和微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen, MBN)采用氯仿薰蒸—硫酸钾浸提法提取后用TOC-VCPH/CPN Analyzer （Shimadzu,Japan)测定，转换系数分别为0.45 和0.54[14]。

1.4 果实产量、表型性状和养分含量测定

2020 年10 月，采用全株采摘计数的方式，记录用于取土样的锥栗平均木的栗苞总数、空苞数，从中随机选取100 个生长健康、无病虫害的栗苞带回实验室，其中50 个用于测定表型性状，包括栗苞鲜重、栗果鲜重、栗仁鲜重、栗果横径、栗果纵径，栗仁含水率（GB 5009.3—2016)；另外50 个栗苞则取出栗仁，测定其养分含量。其中，淀粉含量采用酸水解法（GB 5009.9—2016)处理，3.5-二硝基水杨酸法测定[15]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[16]；脂肪含量测定采用索氏抽提法（GB/T 14772—2008)；蛋白质含量测定采用凯氏定氮法（GB/T 5009.5—2016)；磷含量测定采用分光光度法（GB 5009.87—2016)；钾、钙和镁含量测定均采用火焰原子吸收光谱法，分别参考标准GB 5009.91—2017、GB 5009.92—2016和GB 5009.241—2017。

1.5 数据分析

利用Excel 2016 进行数据整理；SPSS 20.0 进行DUNCAN 多重比较；用Origin 8.4 进行聚类分析和主成分分析；用R Project 4.1.1 的vegan、Randomforest程序包分别进行Mantel Test 检验和随机森林分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤理化性质分析

在0 - 10 cm 的土壤中，水解性氮、有效磷、速效钾含量最高的分别是VM、VV、AS，分别达到74.14、163.49 和242.37 mg·kg-1（表2)。在10 - 20 cm 的土壤中，VM 的水解性氮、有效磷和pH 均最高，分别为54.87 mg·kg-1、140.18 mg·kg-1和5.53；LP 在 两 个 土层中交换性钙、镁含量均最高。总体上，相较于CT和GS，生草栽培处理的土壤含水率、水解性氮、有效磷、速效钾、交换性钙和镁含量均有提高。聚类分析（图1)亦将VM、AS 和CR 归为一类，VV 和LP 归为一类，而CT 和GS 归为一类。

表2 不同处理对锥栗园土壤理化性质的影响Table 2 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties of Castanea henryi orchard

图1 不同处理土壤理化性质聚类分析Figure 1 Cluster analysis of soil physical and chemical properties in different treatments

2.2 不同处理微生物生物量碳氮分析

多重比较发现（图2)，MBN 含量在0 - 20 cm 的不同土层中各处理间差异较大，0 - 10 cm 土层中VM 和VV 显著（P＜ 0.05)高于CT 和GS，而10 - 20 cm土层的生草栽培处理均显著高于CT 和GS，VV在两个土层的MBN 含量均最高，分别为47.68 和30.89 mg·kg-1；MBC 含量，仅10 - 20 cm 土层VM 和AS 处理显著高于GS，VM 处理在两个土层中均最高，较GS 分别提高了21.37%、47.44%。MBC/MBN在各处理间均无显著差异（P ＞0.05)。

图2 不同处理微生物生物量碳和微生物生物量氮分析Figure 2 Analysis of MBC and MBN in different treatments

2.3 不同处理对锥栗果实农艺性状的影响

VM 和VV 的单位面积产量均达在2 000 kg·hm-2以上，均是CT 和GS 产量的1.6 倍、2.1 倍和，产量显著提高（P＜ 0.05) （表3)。VM 的单果质量为13.54 g，是CT 和GS 的1.36 倍、1.45 倍，果实个头明显增大；除出籽率外，CT、GS 各性状与生草栽培处理均存在显著差异，而生草栽培处理间无显著差异（表4)。生草栽培处理的果实磷、钙和镁含量均显著高于CT 和GS；且相较于CT 和GS，各生草栽培处理均不同程度地提高了果实中淀粉、可溶性糖、蛋白质、脂肪及磷钾钙镁营养元素的含量（表5)。

表3 不同处理对锥栗果实产量的影响Table 3 Effects of different treatments on fruit yield of Castanea henryi

表4 不同处理对锥栗果实表型性状的影响Table 4 Effects of different treatments on phenotypic characters of Castanea henryi fruit

表5 不同处理对锥栗果实养分含量的影响Table 5 Effects of different treatments on nutrient content of Castanea henryi fruit

2.4 土壤理化性质、微生物生物量碳氮以及锥栗果实农艺性状的关系

为探索对果实农艺性状影响较大的土壤环境因子，分别以各环境因子与全部果实农艺性状进行Mantel Test 检验，筛选出r＞ 0.4，P＜ 0.001 的9 项检验结果（图3)。在0 - 10 cm 土层中，基于果实农艺性状的距离矩阵和基于MBN、SHN 两个因子的距离矩阵之间的相关性最强，r值分别为0.605 3 和0.536 0；在10 - 20 cm 土层中，基于果实农艺性状的距离矩阵和基于MBN、SEMg 两个因子的距离矩阵之间的相关性最强，r值分别为0.455 6 和0.442 4。

图3 土壤理化性质与微生物生物量碳氮对锥栗果实农艺性状的影响Figure 3 Effects of soil physicochemical properties and MBC & MBN in agronomic traits of Castanea henyri fruit

主成分分析发现，锥栗农艺性状各指标存在共线性关系，对指标变量进行降维后，结合实际生产需要，筛选出单位面积产量作为关键分析指标，利用随机森林分析土壤环境因子对单位面积产量的影响。结果表明（图4)，0 - 10 cm 和10 - 20 cm 土层中土壤环境因子对单位面积产量的总体解释率为分别58.57%和48.60%，随机森林模型拟合度较高。0 - 10 cm 土层中，影响单位面积产量的主要土壤因子是MBN （15.39%，P＜ 0.001)、SHN （10.92%，P＜ 0.05)和 SEMg （7.99%，P＜ 0.05)，10 - 20 cm 土层中，影响单位面积产量的主要土壤因子是SEMg （12.29%，P＜0.01)、MBN （9.24%，P＜ 0.05)和SHN （7.09%，P＜ 0.05)。

图4 影响锥栗产量的主要土壤环境因子Figure 4 Primary soil environmental factors affecting Castanea henyri yield

3 讨论

3.1 生草栽培对锥栗园土壤质量的影响

生草栽培能调节土壤pH，使土壤酸碱度逐渐趋于中性，梁博文等[17]发现，盐碱地果园生草栽培后土壤pH 显著降低。而孙瑶等[18]则发现，生草栽培使酸化土壤的pH 较清耕提高9.1%。本研究中，生草栽培均在不同程度上提高了土壤的pH。试验地土壤为酸性红壤，阳离子交换量低，持水保肥性能差，而生草栽培处理增加了土壤Ca2+、Mg2+的含量，且钾肥的施用提高了土壤K+含量，盐基离子的增加能促进土壤胶体对H+、Al3+的吸附；此外，生草栽培带来的大量腐殖质胶体具有较大的酸碱缓冲性，能有效缓解土壤的酸化[19]；土壤适宜的pH 环境使锥栗的共生菌根繁殖良好，促进根系对土壤营养元素的吸收[20]。

土壤养分是植物生长发育的基础，生草栽培归还的大量植物残体及根系分泌物，能激发土壤微生物活力、提高土壤酶活性，从而促进土壤有机质分解和养分的循环转化[5]。郭新送等[21]、付学琴等[8]研究均表明，果园生草栽培能显著提高土壤微生物生物量及速效养分的含量，本研究亦发现，生草栽培处理的土壤有效态N、P、K 及MBC、MBN 含量较CT 和GS 处理均有提高。其中，VM 处理的MBC 含量较高，这是由于采样时鼠茅草已经干枯腐解，其残体在土壤表层堆积，使土壤增加大量有机质，加之氮磷钾复合肥的施用，为土壤微生物生长繁殖提供了所需养分，产生正向激发效应[22]，从而提高了土壤养分矿化速率，使土壤有效态N、P、K 含量增加，为果树生长提供大量可利用的养分。此外，VV处理的MBN、MBC 含量较高，MBC/MBN 的值较低，说明土壤微生物的活性较高[23]，有机氮矿化的速度较快；但该处理的土壤水解性氮、速效钾含量均不太高，可能是由于采样时光叶紫花苕已过种子成熟期，N、K 等元素被大量固定，且锥栗处于果实膨大期，会迅速消耗微生物矿化作用产生的有效态氮。研究结果还显示，VV 处理的土壤有效磷含量很高，可能是由于光叶紫花苕能有效提高土壤酸性磷酸酶活性，促进土壤中有机磷的降解和有效化[24]，这仍需进一步研究验证。

土壤理化性质和聚类分析表明，VM、AS 和CR处理对土壤水解性氮和速效钾含量的提高较显著，而LP 和VV 处理则分别对土壤交换性钙镁及有效磷含量的提高较多，被聚为一类。紫云英作为二年生豆科草本，固氮能力强，但本研究中AS 处理的土壤水解性氮含量不如VM 处理，可能是由于紫云英的根瘤菌不是土壤常住微生物群系，试验地此前未种植过紫云英，故与其匹配的本地根瘤菌少，结瘤率低[25]；且本研究紫云英种植仅两年，种植年限短，对土壤菌群的影响有限。然而，AS 处理的土壤速效钾含量很高，是由于紫云英根系具有较强的吸钾能力[26]，钾肥施用后被大量固定，紫云英对钾肥的固定与释放，提高了土壤钾的有效性。园叶决明是多年生豆科草本，极耐瘠薄，在干旱高温环境下仍能生长旺盛，固氮培肥效果显著[27]；但CR 处理的有效态N、P、K 含量均低于VM 处理，是由于园叶决明在7 月 - 9月生长旺盛，自身对土壤养分也有一定的需求。黑麦草是多年生禾本科植物，其发达的须根能分泌出大量有机酸[28]，有利于土壤中难容性Ca、Mg 的解离，因此，LP 处理显著提高了土壤交换性钙镁的含量；但LP 处理的其余土壤养分含量均较低，是由于黑麦草为喜肥牧草，且花果期为5 月-7月份，其在采样前大量消耗了土壤中的养分元素。

3.2 不同处理对锥栗果实农艺性状的影响

研究表明，果实农艺性状与土壤质量息息相关[29]，本研究中，生草栽培均能不同程度地改善锥栗园土壤状况，提高果实品质与产量。其中，VM 处理的土壤水解性氮、有效磷和速效钾及MBC、MBN 含量均有较大提高，为锥栗生长提供充足的养分，促进果实中淀粉、脂肪及钾、钙、镁等营养物质的积累，果实个头增大，单位面积产量较CT 和GS 处理分别提高了59.44%和111.25%。此外，VV 处理的锥栗产量亦显著提高，除与可利用氮素的供应有关外，还与有效磷含量的提高有关，磷素是锥栗雌花分化和果实成熟的重要养分元素，黄宏文等[30]研究发现，锥栗的结果枝、雌花及栗苞数量均与树体含磷量密切相关；陈建华等[31]亦发现，板栗雌花分化数与施磷量的改变显著相关，而与施氮、钾的量无关。故VV 处理的栗苞数和结果枝数显著增加，是锥栗产量提高的重要原因。LP 和AS 处理分别对土壤交换性钙镁、速效钾含量提升显著，曹庆昌等[32]指出，镁是栗属植物不可替代的养分元素，缺镁导致板栗产量锐减，土壤钙、镁显著影响果实品质和产量，钾是植物花果期的大量需求元素[33]，Mantel Test 检验表明，土壤速效钾和交换性钙镁均显著影响锥栗果实农艺性状，随机森林检验亦发现，镁是影响锥栗单位面积产量的主要因素之一，故土壤可利用钾、钙及镁含量的增加会在一定程度上提高锥栗产量。此外，由于园叶决明在锥栗果实生长期存在一定的水肥竞争，使CR处理的锥栗产量低于其他生草栽培处理。

3.3 清耕和喷施草甘膦处理对锥栗园的影响

本研究中，CT 和GS 处理相较于生草栽培处理，其土壤理化性质较差，微生物生物量碳氮含量低，果实品质和产量均不高。清耕和喷施草甘膦使土壤表面缺少覆盖物，低热容量的土壤易在夏季过度升温，且加速水分蒸发，故土壤含水率显著下降；此外，在调查过程中亦发现，大雨过后，CT 和GS 处理的试验区水土流失现象较明显，导致土壤肥力下降。清耕使本应归还土壤的植物残体被清理，养分流失较多，且破坏了微生物生长所依赖的环境，不利于微生物的生存定殖，导致土壤微生物生物量碳氮和养分含量显著降低。草甘膦通过抑制叶绿体内莽草酸膦酸合成酶的活性，使植物代谢紊乱、蛋白质合成受阻，最终死亡。FAN 等[34]研究表明，草甘膦的施用会抑制土壤固氮微生物的活性，故GS 处理的土壤水解性氮、MBN 及MBC 含量均较低；郭磊等[35]亦发现，草甘膦会抑制果树地上部分和根生长，使根尖细胞有丝分裂指数降低，本研究中，GS 处理的锥栗结果枝、结果数均显著降低，果树生长不良。

综上，CT 和GS 处理使土壤不能提供锥栗开花结实期所需的养分环境，严重抑制锥栗果实生长，增加栗果空苞率，从而降低锥栗产量，损害果农经济效益。

4 结论

以生草栽培替代锥栗园传统地面管理方式行之有效，可以改善土壤理化性质，增加土壤微生物生物量碳氮，提升土壤质量；同时，生草栽培可以提高锥栗产量，使锥栗果实增大增重，提高果实中淀粉、可溶性糖、脂肪、蛋白质以及磷、钾、钙、镁等营养物质的含量；本研究中鼠茅草栽培对锥栗园土壤质量的改善和栗果农艺性状的提升效果均较好，可作为生草栽培的优先选用草种，研究结果对锥栗园土壤管理方式的转变及推进锥栗产业高质量发展具有一定的参考价值。