自然生草对渭北旱塬苹果园土壤氮及果实品质的影响

白岗栓，周 楠，邵发琦，杜建会，郭江平

自然生草对渭北旱塬苹果园土壤氮及果实品质的影响

白岗栓1,2，周 楠2，邵发琦3，杜建会4，郭江平5

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；4. 江南大学后勤系统，无锡 214122；5. 博尔塔拉蒙古自治州林业和草原局，博尔塔拉 833400）

为了减少土壤硝态氮的积累，防止苹果缺钙症状的发生，该研究以果园清耕为对照，探讨渭北旱塬果园自然生草（繁缕和牛繁缕群落，自然生草2、4、6和8 a）对土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、水溶性钙含量和苹果果实中的氮、磷、钾、钙含量及果实缺钙症状和果实品质等的影响。结果表明果园自然生草可提高0～40 cm土层土壤有机质、全氮和水溶性钙的含量，略微提高40～60 cm土层土壤水溶性钙含量，且自然生草年限越长，土壤有机质、全氮和水溶性钙含量越高，但对40 cm土层以下的土壤有机质、全氮和60 cm土层以下的土壤水溶性钙含量无显著影响。自然生草2和4 a 0～60 cm土层土壤铵态氮略低于清耕，6和8 a的略高于清耕，自然生草对土壤铵态氮无显著影响。自然生草2、4、6和8 a 0～80 cm土层土壤硝态氮较清耕分别降低16.28%，31.31%，40.13%和47.41%，均极显著低于（<0.01）清耕；>80～240 cm土层分别降低4.38%，12.41%，16.90%和19.39%，自然生草4、6和8 a的均极显著低于（<0.01）清耕；但自然生草对240 cm以下土层土壤硝态氮基本无影响。不同生长年限自然生草的生物量、全碳、全氮、全磷、全钾和全钙均基本相同。自然生草提高了果实中的钙含量，降低了果实中的氮钙比、磷钙比和钾钙比，降低了果实缺钙症状的发生率，提高了果实着色面积、果实硬度和果实可溶性固形物含量。渭北旱塬果园自然生草，可有效提高果园土壤有机质，减少硝态氮积累，减少缺钙症状发生，提高果实品质。

土壤；氮肥；自然生草；苹果；土壤水溶性钙；缺钙症状；果实品质

0 引 言

渭北旱塬是中国乃至世界最大的优质苹果（Borkh.）生产基地，但该区域土壤有机质含量低，土壤养分贫乏，不利于优质高效苹果产业的健康持续发展[1-3]。为了提高果实产量，渭北旱塬大量施用氮肥，有的果园高达(1 032 ± 32) kg/hm2[4]，但渭北旱塬为雨养农业区，降水偏少且年际分布不均，土层深厚且无灌溉水源，过量施用的氮肥难以淋溶到地下水中而在土壤中形成硝态氮积累层[5-6]，不但降低氮肥的利用率[7]及造成土壤酸化[8]，而且影响果树对钙、镁、铁、锌等其他营养元素的吸收并产生生理病害[9]，成为渭北旱塬苹果优质高效生产中出现的新问题。欧美及日本等发达国家果园采用生草制并实行土壤水肥一体化，减少氮肥施用量并促使果园种植的牧草吸收多余的养分，从而提高土壤有机质，改善果园土壤环境，促进果树生长[10-11]。果园生草有人工生草和自然生草2种方式[12-13]，渭北旱塬人工生草存在着与果树争水及争肥的问题[14-16]，且果园人工生草需配置相应的灌溉设施及增加施肥量，无形中增加了果园的投入。自然生草经过多年的自然淘汰与选择，能够适应当地果园的生态环境，且草种较多、覆盖度高、覆盖期长、耗水量少，能有效改善果园的土壤环境[17-21]。Hartemink等报道，田箐（(Retz.) Poir.）与玉米（L.）轮作，深根性的田箐能够吸收利用深层土壤中的硝态氮，减少硝态氮在深层土壤中的积累[22]。渭北旱塬西部的长武塬区，果园自然生草以繁缕（(L.) Cyr）和牛繁缕（(L．)Fries）为主，有关其对土壤水分的影响已有报道[23]，但有关其对果园土壤有机质、土壤氮素、土壤水溶性钙及苹果果实缺钙症状的影响，特别是对土壤硝态氮及果实缺钙症状的影响未见报道。本研究以果园清耕对照，探讨渭北旱塬果园自然生草（繁缕和牛繁缕群落，自然生草2、4、6和8 a）对土壤有机质、土壤氮素、土壤水溶性钙含量和苹果果实缺钙或钙元素不平衡引起的生理病害及果实品质的影响，以期为渭北旱塬果园自然生草提供支撑。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2011—2019年在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行。该试验站位于渭北旱塬西部的长武县王东村，北纬35°12'，东经107°40'，海拔1 220 m，年均日照时数2 226.5 h，光照百分率为51%，年均降水量为551.7 mm，其中果树休眠期11月至翌年3月降水57.6 mm，生长期4—10月降水量494.1 mm，7—9月降水量占全年的60.0%以上，年均气温9.1 ℃，≥10 ℃积温为3 029 ℃，无霜期171 d。试验园土壤为黑垆土，建园前（1996年）耕层（0～20 cm土层）土壤有机质含量为8.64 g/kg，全氮为0.87 g/kg，速效氮为63.65 mg/kg，全磷为0.24 g/kg，速效磷为40.28 mg/kg，全钾为7.26 g/kg，速效钾为214.25 mg/kg，pH值为7.8，土壤容重为1.32 g/cm3，田间持水量为22.21%，萎蔫系数为9.2%。>20～300 cm土层土壤容重平均为1.34 g/cm3。试验前果园土壤管理4月至9月为自然生草，9月至翌年3月为清耕。果园地被植物为繁缕和牛繁缕群落。

1.2 试验材料

供试苹果园建于1996年，面积2.0 hm2，南北行向，株距和行距分别为3.0和4.0 m，品种为红富士，授粉品种为皇家嘎啦，砧木为新疆野苹果（(Ledeb.) Roem.），树形为小冠疏层形，处于盛果期。2011年冬季修剪前树高为400 cm左右，冠径为370 cm左右，干径为8.0 cm左右，株产50.0 kg左右，全园产量为42 000 kg/hm2，处于盛果期。

2011年至2019年，每年的施肥量为N 380 kg/hm2，P2O5240 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，其中60%的N、80%的P2O5和60%的K2O在果实采收后（10月上中旬）施入，20%的N、20%的P2O5和20%的K2O在开花坐果后花芽分化前（5月中下旬）施入，20%的N和20%的K2O于果实采前膨大期（8月下旬）施入，其中2018年开花期遭受特大霜冻危害造成绝收，开花坐果后花芽分化前和果实采前膨大期未进行追肥。果实采收后施肥是在树行中部开挖深40 cm、宽60 cm的施肥沟，开沟时将收集的地表杂草、枯枝落叶及耕层土壤放置于施肥沟旁，下层土壤放置于施肥沟另一旁，沟底留部分松散土壤，将化肥均匀撒施于沟内，然后先填埋地表杂草、枯枝落叶及耕层土壤，后填埋下层土壤。开花坐果后花芽分化前和果实采前膨大期追肥是以树干为中心，在半径150 cm左右的圆面上均匀选择5个点，挖深40 cm、直径40 cm的施肥坑，挖坑时将收集的地表杂草、枯枝落叶和耕层土壤与下层土壤分别堆放，将化肥均匀撒施于坑内，填坑时先填埋地表杂草、枯枝落叶和耕层土壤，后填埋下层土壤，且每次施肥时与上次施肥的位置错开。试验期间该果园一直未施有机肥（厩肥），施用的化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾。每年在幼果膨大期（5月上中旬）叶面喷施0.3%的硝酸钙水溶液2次，花芽分化期（6月上中旬）叶面喷施0.5%的磷酸二氢钾水溶液2次，果实采前膨大期（8月下旬至9月上旬）叶面喷施0.5%的硝酸钙水溶液2次，其他中微量元素肥料均未施用。

果园自然生草的草种主要为繁缕和牛繁缕，均平伏于地表生长，能够快速自我繁殖，且根系多分布于0～10 cm土层，根系生物量较小[23]。

1.3 试验设计与测定

1.3.1 试验设计

试验以果园清耕为对照，监测不同自然生草年限（2、4、6和8 a）果园的土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和水溶性钙，不同自然生草年限杂草的生物量及其所含养分状况，由缺钙或钙元素供应不平衡引起的果实生理病害发生状况和果实品质等。

清耕：试验前果园土壤管理为半自然生草半清耕（4月至9月为自然生草，9月至翌年3月为清耕），2011年3月底用低矮型旋耕机对全园进行旋耕（深度15 cm），2011年3月至2019年12月每隔2～3个月对全园旋耕1次，同时对果树行间及树盘下的杂草及时去除，保持果园没有杂草滋生。

自然生草8 a：试验前果园土壤管理为半自然生草半清耕，2011年3月底对该试验小区进行旋耕。自然生草期间出现的反枝苋（L.）、灰藜（L.）等高大杂草及时去除，保留繁缕、牛繁缕和蒲公英（Hand.-Mazz.）、马唐（(L.) Scop.）、荠菜（(Linn.) Medic.）、鸡肠草（(L.) A. Br. et Aschers.）、箭叶旋花（L.）等低矮草本。自然生草期间杂草的高度低于30 cm，2011年4月至2019年12月一直未进行刈割及旋耕，保持自然生草状态，但在施肥时对杂草及枯枝落叶进行收集（用柴扒收拢）并深埋于施肥沟或施肥坑中。

自然生草6 a：2011年至2013年3月地面管理为清耕，及时去除杂草；2013年4月至2019年12月试验小区不再进行旋耕，让其自然生草，期间的地面管理同自然生草8 a。

自然生草4 a：2011年至2015年3月地面管理为清耕，及时去除杂草；2015年4月至2019年12月期间的地面管理同自然生草8 a。

自然生草2 a：2011年至2017年3月地面管理为清耕，及时去除杂草；2017年4月至2019年12月期间的地面管理同自然生草8 a。

试验重复3次，共15个小区，每个小区南北长30 m，东西宽40 m，每个小区有9行苹果树，每行10株。试验期间不同处理的施肥、疏花蔬果、修剪、病虫防治等管理措施均相同。

1.3.2 试验监测

1）土壤有机质、土壤全氮、硝态氮、铵态氮和速效氮 2019年苹果成熟期（10月10日），每个小区采用“S”型布点，在树行中部选取5个采样点，以20 cm为1层，用直径为3 cm土钻分别采集0～300 cm土层土壤样品后，相同土层的土样混合为一起作为该小区的土壤样品。土壤样品经剔除植物残体、风干、磨细和过筛后，土壤有机质用重铬酸钾容量法测定，土壤全氮用凯氏定氮法测定；硝态氮、铵态氮经KCl浸提，用流动注射分析仪FIAstar 5 000测定；土壤水溶性钙经醋酸铵浸提，用原子吸收分光光度法测定[24]。

2）自然生草杂草的生物量及养分含量苹果成熟期每个小区树行间随机选择3个采样点，以1.0 m2为单位，近地面收割自然生长的杂草（主要为繁缕和牛繁缕），去除泥土，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，测定其地上部生物量。烘干后的杂草经粉碎后，用K2Cr2O7容量法测定全碳含量，凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量，原子吸收分光光度法测定全钙含量[24]。

3）果实品质及果实养分含量苹果成熟期每个小区随机选择5棵苹果树，测定单株果实产量并折算为单位面积果实产量。每个小区随机采收100个果实，百分之一天平称量单果质量，游标卡尺测定果实纵径和横径并计算果实指数（果实纵径与横径的比值），PR-100型数显糖度计测定可溶性固形物含量，GY-1型果实硬度计测量果实硬度，NaOH中和滴定法测定可滴定酸含量，目测法测定果实着色面积。称取部分果实，切碎，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量后经H2SO4-H2O2消解，凯氏定氮法测定果实全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量，原子吸收分光光度法测定全钙含量[24]。

4）果实缺钙症状果实采收期每个小区随机采摘200个果实，参照相关图片[25]，目测法测定因缺钙或钙不平衡引起的果实开裂和苦痘病（果皮出现红色或褐红色斑块或斑点，果皮下陷等症状）的发生率，然后将每个果实纵横切成4瓣，目测法测定果实因缺钙或钙不平衡引起的水心病（蜜果病）的发病率。

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；若差异显著，则采用Duncan’s多重比较进行检验。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质

由图1可以看出，果园自然生草主要影响0～20 cm土层及>20～40 cm土层土壤有机质，对40 cm土层以下的土壤有机质基本无影响。

自然生草2、4、6和8 a 0～20 cm土层土壤有机质含量分别为11.32、12.13、13.28、和14.36 g/kg，分别较清耕（10.89 g/kg）提高了3.95%、11.39%、21.95%和31.86%，其中自然生草8 a的显著高于（<0.05）自然生草6 a，极显著高于（<0.01）自然生草4 a；自然生草6 a的极显著高于（<0.01）自然生草2 a和清耕，显著高于（<0.05）自然生草4 a；自然生草4 a的极显著高于（<0.01）清耕，显著高于（<0.05）自然生草2 a；自然生草2 a的略高于清耕，与清耕之间无显著差异。

自然生草2、4、6和8 a>20～40 cm土层土壤有机质含量分别为9.94、10.14、10.36、和10.46 g/kg，分别较清耕（9.76 g/kg）提高了1.84%、3.89%、6.15%和7.17%，其中自然生草6和8 a的显著高于（<0.05）清耕，其他处理之间无显著差异。

2.2 土壤氮

2.2.1 土壤全氮

由图2可以看出，果园自然生草主要影响0～20 cm土层及>20～40 cm土层的土壤全氮。

自然生草2、4、6和8 a 0～20 cm土层土壤全氮含量分别为1.12、1.16、1.17和1.18 g/kg，分别较清耕（1.11 g/kg）提高了0.90%、4.5%、5.41%和6.31%，其中自然生草8 a的显著高于（<0.05）自然生草2 a的和清耕，自然生草6 a的显著高于（<0.05）清耕，其他处理之间无显著差异。

自然生草2、4、6年和8年>20～40 cm土层土壤全氮含量分别为1.08、1.12、1.13和1.14 g/kg，分别较清耕（1.07 g/kg）提高了0.93%、4.67%、5.61%和6.54%，其中自然生草8 a的显著高于（<0.05）自然生草2 a的和清耕，自然生草6 a的显著高于（<0.05）清耕，其他处理之间无显著差异。不同处理>40～200 cm土层土壤全氮含量有一定的差异但无显著差异，>200～300 cm土层土壤全氮含量则基本一致。

2.2.2 土壤铵态氮

不同处理的土壤铵态氮均在40 cm土层左右达到高峰，40 cm土层以下均逐渐降低且不同处理60 cm土层以下的土壤铵态氮含量基本一致（图3）。

0～60 cm土层中，自然生草2、4、6和8 a的土壤铵态氮平均含量分别为13.22、13.58、13.99和14.09 mg/kg，自然生草2和4 a的分别较清耕（13.80 mg/kg）降低4.20%和1.59%，自然生草6和8 a的分别较清耕提高1.38%和2.10%，自然生草不同年限的土壤铵态氮与清耕之间无显著差异，但自然生草6和8 a的显著高于（<0.05）自然生草2 a。

2.2.3 土壤硝态氮

由图4可以看出，不同处理的土壤硝态氮均呈“S”分布，其中0～80 cm土层为淋溶层，呈缓慢下降。>80～240 cm土层为累积层，其中>80～140 cm土层呈快速增长，在140 cm土层左右达到最大值，>140～240 cm土层呈快速下降。>240～300 cm土层为稳定层且为最低值。

0～80 cm土层中，自然生草2、4、6和8 a的土壤硝态氮平均含量分别为48.46、39.76、34.65和30.44 mg/kg，分别较清耕（57.88 mg/kg）降低了16.28%、31.31%、40.13%和47.41%，不同处理之间均存在极显著差异（<0.01）。

自然生草2、4、6和8 a >80～240 cm土层土壤硝态氮平均含量分别为81.24、74.42、70.60和68.49 mg/kg，分别较清耕（84.96 mg/kg）降低了4.38%、12.41%、16.90%和19.39%，其中清耕略高于自然生草2 a，极显著高于（<0.01）自然生草4、6和8 a；自然生草2 a显著高于（<0.05）自然生草4 a，极显著高于（<0.01自然生草6和8 a；自然生草4 a显著高于（<0.05）自然生草6和8 a；自然生草6 a略高于自然生草8 a。

自然生草2、4、6和8 a >240～300 cm土层的土壤平均硝态氮含量分别为9.65、9.67、9.64和9.61 mg/kg，基本与清耕（9.62 mg/kg）处于同一水平，不同处理之间无显著差异。

不同土层中，自然生草对淋溶层的土壤硝态氮减少量较多，其次为累积层，对稳定层则无影响。自然生草年限越长，土壤硝态氮降低的幅度越大。

2.3 土壤水溶性钙

果园自然生草主要影响0～60 cm土层土壤水溶性钙，对60 cm以下土层基本无影响（图5）。

自然生草2、4、6和8 a 0～20 cm土层土壤水溶性钙含量分别为95.58、97.56、99.28和110.89 mg/kg，分别较清耕（92.58 mg/kg）提高了3.24%、5.38%、7.24%和19.78%，自然生草4、6和8 a显著高于（<0.05）清耕，且自然生草8 a显著高于（<0.05）自然生草2 a。

自然生草2、4、6和8 a >20～40 cm土层土壤水溶性钙含量分别为106.38、108.58、109.18和111.04 mg/kg，分别较清耕（104.74 mg/kg）提高了1.57%、3.67%、4.24%和6.01%，自然生草8 a显著高于（<0.05）清耕。

自然生草2、4、6和8 a >40～60 cm土层土壤水溶性钙含量分别为140.27、142.14、143.86和144.62 mg/kg，分别较清耕（138.68 mg/kg）提高了1.15%、2.49%、3.74%和4.28%，不同处理之间无显著差异。不同处理>60～300 cm土层的土壤水溶性钙含量基本一致，无显著差异。

2.4 杂草的生物量及营养成分

由表1可以看出，不同自然生草年限的杂草生物量、全碳和全钙均随生草年限的增加而缓慢降低，不同生草年限之间无显著差异；不同生长年限自然生草的全磷和全钾均随生草年限的增加而缓慢增加，不同年限之间也无显著差异；不同生草年限的碳氮比随生草年限的增加略有降低。不同自然生草年限杂草的生物量及营养成分基本稳定，主要与试验园处于盛果期，果园的树冠大小与地面透光状况比较稳定和多年来自然生草的杂草群落基本稳定密切相关。

表1 不同自然生草年限的杂草生物量及其养分含量

注：同列不同小写字母和大写字母分别表示存在<0.05和<0.01水平的差异。下同。

Note: Different small letters and capital letter within the same column in the table indicate significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively. The same below.

2.5 苹果果实养分含量与缺钙症状

自然生草2、4、6和8 a的苹果果实全氮含量分别较清耕降低了6.14%、7.54%、8.51%和9.16%，均显著低于（<0.05）清耕；全磷分别降低了4.62%、4.62%、3.08%和3.08%，全钾分别降低了3.10%、1.86%、0.62%和0.46%，与清耕之间无显著差异；全钙分别提高了6.98%，9.30%，11.63%和11.63%，自然生草2和4 a的均显著高于（<0.05）清耕，自然生草6和8 a的均极显著高于（<0.01）清耕（表2）。

自然生草降低了果实中的氮、磷和钾含量，提高了果实中的钙含量，因而自然生草2、4、6和8 a果实中的氮钙比比清耕分别降低了12.26%，15.41%，18.03%和18.61%，磷钙比分别降低了10.60%，12.58%，13.25%和13.25%，钾钙比分别降低了9.39%，10.19%，10.92%和10.79%，自然生草果实中的氮钙比、磷钙比和钾钙比均极显著低于（<0.01）清耕，且自然生草年限越长，降低的幅度越大（表2）。自然生草后果实的氮钙比、磷钙比和钾钙比降低，有利于减少果实缺钙症状发生率[26-27]。

由表2可以看出，自然生草2、4、6和8 a的苹果果实裂果率随自然生草年限的延长而降低，分别较清耕降低了14.41%、47.10%、51.83%和53.55%，清耕的裂果率极显著高于（<0.01）自然生草2 a；自然生草2 a的极显著高于（<0.01）自然生草4、6和8 a；自然生草4 a的显著高于（<0.05）自然生草6 a，极显著高于（<0.01）自然生草8 a；自然生草6 a的略高于自然生草8 a。

自然生草2、4、6和8 a的果实苦痘病发病率随自然生草年限的增加而降低，分别较清耕降低了20.54%、29.20%、41.94%和46.69%，清耕的苦痘病发病率极显著高于（<0.01）自然生草2 a；自然生草2 a的极显著高于（<0.01）自然生草4 a；自然生草4 a的极显著高于（<0.01）自然生草6 a；自然生草6 a的显著高于（<0.05）自然生草8 a（表2）。

自然生草2、4、6和8 a的果实水心病发病率分别较清耕降低了29.12%、40.66%、47.25%和48.63%，清耕的水心病发病率极显著高于（<0.01）自然生草2 a；自然生草2 a的极显著高于（<0.01）自然生草4 a；自然生草4 a的极显著高于（<0.01）自然生草6 a；自然生草6 a的略高于自然生草8 a（表2）。

表2 不同自然生草年限的苹果果实养分含量、比率与缺钙症状发生率

2.6 苹果果实产量与品质

自然生草2、4、6和8 a的苹果产量较清耕分别提高了-0.62%、3.70%、4.49%和4.58%，自然生草无显著（>0.05）的增产作用，这可能与2018年晚霜危害造成绝收，2019年为大年有关。自然生草2 a的苹果单果质量略低于清耕，自然生草4、6和8 a的略高于清耕，不同处理之间无显著差异。清耕与自然生草2 a的果实果形指数略低，其他的略高，不同处理之间无显著差异。自然生草4、6和8 a的果实着色面积、果实硬度和果实可溶性固形物含量均显著高于（<0.05）清耕，不同生草年限之间无显著差异。自然生草显著提高了（<0.05）果实着色面积、硬度和可溶性固形物含量，但对果实可滴定酸含量无显著影响（表 3）。

表3 不同自然生草年限的苹果果实产量及果实品质

3 讨 论

通常状况下，施入土壤的尿素在土壤微生物的作用下转化为铵态氮，少部分被果树根系吸收，大部分则在土壤硝化细菌的作用下转化成硝态氮[28]，虽然果树根系也可直接吸收利用硝态氮，且对硝态氮的吸收利用快于铵态氮[26,29-31]，但硝态氮多存在于土壤溶液中，易淋溶，是土壤中迁移和转化最活跃的氮素，而铵态氮则易被土壤颗粒吸附和固定，并可发生硝化作用形成硝态氮进而被根系吸收利用[26,29,32]，因而果园铵态氮主要存在于施肥层及施肥层附近，即0～60 cm土层中，而硝态氮不但在0～80 cm土层含量较高，而且淋溶于>80～240 cm土层并大量积累。通常状况下土壤中的硝态氮随土壤水分的迁移而迁移[33-34]，试验园处于盛果期，消耗的土壤水分较多，普通降水年份240 cm土层以下的土壤难以得到降水补给而出现土壤干层[23]，因而>80～240 cm土层成为土壤硝态氮的积累层，这与郭胜利等报道的土壤硝态氮主要积累于>100～200 cm土层，退果还耕后主要积累于200～300 cm土层略有不同[6]，这主要是不同果园对土壤水分消耗不一致及果园土壤采样部位距果树位置不同引起的。试验果园>80～240 cm土层不但有硝态氮积累层，而且0～80 cm土层土壤硝态氮含量偏高，且不同生草年限对土壤铵态氮的影响不显著，这与党廷辉等[35]的研究结果较一致，这可能与土壤中的铵态氮易被吸附固定及转化为硝态氮，而硝态氮易随土壤水分淋溶密切相关。

自然生草的生物量比较小[23]，但易腐解为土壤有机质[36]。试验园自然生草的草种主要是繁缕和牛繁缕，虽然其全年生长的生物量较小，但其在生长过程中遭受破坏或翻耕后在夏季2个月内或春秋季3个月内就可快速恢复生长到全年的生长量。试验园每年施肥3次，自然生长的杂草每年有3次随果园施肥被压入0～40 cm土层中，因而自然生草果园0～40 cm土层土壤有机质、全氮和水溶性钙高于清耕，且随自然生草年限的延长含量越高，这与其他地区果园自然生草的结果基本相同[12,14,16-20,36-37]。自然生草对果园铵态氮虽无显著影响，但自然生草2和4 a 0～60 cm土层铵态氮略低于清耕，自然生草6和8 a的略高于清耕，说明自然生草初期对果园土壤铵态氮有一定的竞争和消耗作用，随着生草年限的延长则对果园土壤铵态氮具有一定的促进作用，这与部分学者的报道基本一致[14,16-20,36-38]。自然生草降低果园上层及深层土壤的硝态氮，首先是自然生草提高了果园0～120 cm土层土壤水分，特别是显著提高了0～40 cm土层土壤水分[23]，大量的硝态氮存储于上层土壤中，利于果树根系吸收和消耗，从而导致滞留于上层土壤中的硝态氮和淋溶到下层土壤中的硝态氮减少，且自然生草年限越长，上层土壤水分含量则越高[23]，果树根系吸收的硝态氮则越多，淋溶到下层土壤的硝态氮则越少，因而自然生草年限越长，土壤硝态氮含量越低，自然生草通过影响土壤剖面的水分分布从而影响了硝态氮在土壤剖面中的分布；其次是自然生草后，上层土壤中的部分硝态氮被杂草和随施肥翻入土壤的杂草吸收、吸附及转化，部分硝态氮转化为土壤有机质及土壤全氮；第三是自然生草提高了土壤有机质，而土壤有机质可有效减少硝态氮在深层土壤中的累积[39]。

试验园土壤不但硝态氮、速效磷和速效钾含量较高[2-3,40-41]，而且氮肥、磷肥和钾肥的施用量也相对偏多[40-41]，因而清耕果园苹果果实中的全氮、全磷及全钾含量高于或略高于自然生草。自然生草后随着果园土壤有机质及土壤全氮的提高，苹果果实中的全氮、全磷及全钾的含量也从降低转为缓慢提高。钙是植物必需的营养元素，是植物代谢和发育的主要调控者[26,42]。通常苹果果实发生缺钙症状，并不是土壤中缺钙，而是苹果根系不能正常从土壤中吸收足量的钙[26,42]。土壤硝态氮的累积可造成土壤酸化[8]，影响苹果根系对钙的吸收[43]，而钙不足会导致果实氧自由基清除能力下降，细胞壁分解加快，生理失调，导致果实出现缺钙症状[44]。虽然硝态氮促进钙的吸收，铵态氮抑制钙的吸收[45-46]，但土壤中过高的氮钙比、磷钙比、钾钙比及镁钙比等，都会影响根系对钙的吸收，导致果实出现缺钙症状[26,42,44]。自然生草提高了果园土壤有机质及土壤全氮含量，降低了土壤硝态氮含量，提高了果实中的钙含量，降低果实中的氮钙比、磷钙比及钾钙比，故自然生草果园果实的缺钙症状显著低于清耕果园，且自然生草年限越长，缺钙症状越低。此外，试验园苹果的苦痘病及其他缺钙症状的发病率相对较低，一是苦痘病的主要发病率为果实贮藏期，而本试验是在苹果采收期测定，不是苦痘病的发病高峰期；二是幼果膨大期和果实采前膨大期叶面喷施了硝酸钙，降低了苦痘病及其它缺钙症状的发病率；三是自然生草提高了果园空气湿度，降低果园空气温度及土壤温度[47]，有利于根系吸收的钙向果实转运，降低苦痘病及缺钙症状的发生[27]。

土壤有机质和土壤全氮是影响苹果果实品质最重要的土壤因子[40,48]。自然生草提高了果园土壤有机质，提高了土壤全氮和水溶性钙的含量，降低了果实中的氮钙比、磷钙比和钾钙比[2,46,48]，因而提高了果实硬度、可溶性固形物及减少果实缺钙症状的发生；自然生草提高了果园的空气湿度，降低果园空气温度，有利于果实着色及减少叶片对树体水分的蒸腾消耗[47]，减少果实缺钙症状的发生[27]。自然生草提高了苹果果实品质，这与自然生草在梨树（Rehder）和琯溪蜜柚（(Burm) Merr.）园得到的结论相一致[12,49]。

4 结 论

渭北旱塬果园自然生草可提高0～40 cm土层土壤有机质、全氮和水溶性钙，且自然生草年限越长效果越显著，但对40 cm土层以下的土壤有机质、全氮和60 cm土层以下的土壤水溶性钙无显著影响。自然生草对土壤铵态氮无显著影响，但降低了0～240 cm土层土壤硝态氮含量，其中0～80 cm土层土壤硝态氮自然生草2、4、6和8 a分别降低16.28%，31.31%，40.13%和47.41%，>80～240 cm土层分别降低4.38%，12.41%，16.90%和19.39%。自然生草提高了苹果果实中的钙含量，降低了果实中的氮钙比、磷钙比和钾钙比，降低了果实缺钙症状的发生率，提高了果实着色面积、果实硬度和果实可溶性固形物含量。渭北旱塬果园可开展自然生草。

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Effects of self-sown grass on soil nitrogen and apple fruit quality in the Weibei dry platean

Bai Gangshuan1,2, Zhou Nan2, Shao Faqi3, Du Jianhui4, Guo Jiangping5

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.,,712100,; 3.,214122,; 4.833400,)

Weibei dry plateau of western China is an important production base of high-quality apples in the world. But a large amount of nitrogenous chemical fertilizer is normally applied to promote the growth of fruit trees and yield in orchards, due mainly to the low content of organic matter in soil in recent years. An accumulation layer of nitrate nitrogen in soil inevitably incurred to break the supply balance of soil nutrients, leading to the physiological diseases of fruit trees and soil environmental pollution. Alternatively, the self-sown grass can be widely expected to enhance the soil organic matter, nutrient, and moisture in the local ecological environment, suitable for a better-balanced supply of soil nutrients, fruit quality and yield. This study aims to systematically investigate the effects of self-sown grass on soil nitrogen and apple quality in the Weibei dry plateau. The self-sown grass (andcommunity) of 2, 4, 6, and 8 years was taken as the research object, with the clean tillage as control. Some parameters were continuously monitored, including the soil organic matter, total nitrogen, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, and available calcium content, as well as the contents of nitrogen, phosphorus, potassium, and calcium in apple fruit, together with the fruit yields and quality. The results showed that the self-sown grass contributed to the increase of the organic matter, total nitrogen and available calcium content in the soil layer of 0-40 cm in the apple orchard. The soil available calcium content also slightly increased in the soil layer of 40-60 cm. There were much higher organic matter, total nitrogen and available calcium content in the soil, as the years of self-sown grass increased. But there was no effect on the organic matter and total nitrogen content in the soil layer below 40 cm and the available calcium in the soil layer below 60 cm. In addition, the ammonium nitrogen contents of self-sown grass of 2 and 4 years in the soil layer of 0-60 cm were slightly lower than that of clean tillage, while those of 6 and 8 years were slightly higher, but those of different years under 60 cm soil layer were basically the same as that of clean tillage. Compared with the clean tillage, the nitrate nitrogen contents of self-sown grass of 2, 4, 6 and 8 years decreased by 16.28%, 31.31%, 40.13% and 47.41% in the soil layer of 0-80cm, respectively, while those in the soil layer of 80-240 cm decreased by 4.38%, 12.41%, 16.90%, and 19.39%, respectively, but there was no significant effect on the nitrate nitrogen in the soil below 240 cm soil layer. There were all the same contents of total carbon, nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, and biomass of self-sown grass in different growth years. The calcium content increased significantly, while the contents of N/Ca, P/Ca and K/Ca decreased in apple fruits. It inferred that the self-sown grass contributed to reducing the incidence of calcium deficiency symptoms, while improving the coloring area, firmness, and soluble solid content in the fruit. Therefore, the self-sown grass can be expected to extensively promote the organic matter content, total nitrogen, and available calcium, while effectively reduce the accumulation of nitrate nitrogen in an apple orchard for a high-quality apple fruit free of calcium deficiency in the Weibei dry plateau of China.

soils; nitrogen fertilizers; self-sown grass; apple; soil available calcium; fruit calcium deficiency symptoms; fruit quality

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.012

S661.1；S143.1

A

1002-6819(2021)-10-0100-10

白岗栓，周楠，邵发琦，等. 自然生草对渭北旱塬苹果园土壤氮及果实品质的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：100-109.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.012 http://www.tcsae.org

Bai Gangshuan, Zhou Nan, Shao Faqi, et al. Effects of self-sown grass on soil nitrogen and apple fruit quality in the Weibei dry platean[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 100-109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.012 http://www.tcsae.org

2020-10-22

2021-05-11

国家重点研发计划“黄土高原生态修复模式的格局-结构-功能关系”（2016YFC0501602）；延安山仑院士工作站科研项目“黄土高原经济林（果）节水增效技术与绿色发展”（20181201）

白岗栓，研究员，研究方向为果树栽培及农田生态。Email：gshb@nwsuaf.edu.cn