松土及自然生草促进文冠果生长发育的生理机制1)

芝祥红 李朝周 王婷 焦健

(甘肃农业大学，兰州，730070)

文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge)又名文冠木、文官果，是无患子科的一种落叶灌木或小乔木[1]，原产于我国北方，现广泛分布于陕西省、山西省、河北省、甘肃省、内蒙古自治区，在辽宁省、吉林省、山东省也有少量分布，通常作为油料林和生态林经营管理，是我国特有的一种木本食用油料树种[2-3]；文冠果种子及种仁含油率较高[4-5]，是集食用、药用、经济、生态及观赏价值于一身的优良树种[6-8]。文冠果果园的土壤管理普遍存在诸多问题，常导致树体矮小、发育缓慢、结实率低。传统的清耕模式不仅耗费大量人力，不利于根系呼吸，也使得土壤中微生物活动受限，土壤理化性质恶化，进而使得树体发育迟缓[9]。为了适应文冠果产业发展的需要，文冠果田间土壤管理需要进一步加强。

松土是在不伤及植株根系的前提下对土壤进行深松或浅松，进而达到疏松土壤、增加土壤肥力的一种土壤管理措施[10-11]。松土可以改善土壤耕层结构，提高土壤持水能力，增大土壤孔隙，破除土壤板结，促进根系向下生长，提高植物根系与外界气体环境的交换，创造有利于根系生长的土壤环境[12-14]；有研究表明，深松土可以打破犁层，将土壤表层的枯枝落叶翻埋到下层土壤，通过增加土壤透气性，加速土壤养分的积累，提高根系活力及抗逆性[15-16]。

自然生草是先任由果园杂草自然生长再去除植株较高、根系过深且竞争性较强恶性杂草的生草方式[17]。诸多研究表明，果园自然生草可以增加土壤有机质，调节土壤结构，增加土壤肥力，提高果树根系活力，协调树体地上部与地下部的生长[18-20]；在夏季可以降低地表温度，在冬季可以保温，从而增强果树气候适应性[21]。

目前文冠果的研究大多局限在文冠果的育苗栽培[22]、保花保果[23]、药用价值[5]和文冠果油提取加工方面[24]，土壤管理措施对文冠果幼苗生长发育及土壤性质的影响鲜有研究报道。本实验通过研究松土和自然生草对文冠果生长发育的影响及其生理机制，可以为优化文冠果土壤管理措施、促进文冠果产业发展提供理论支持。

1 材料与方法

试验田位于甘肃省兰州市安宁区甘肃农业大学的百草园，海拔1 530 m，属于温带大陆干旱性气候，降水少，日照充足，气候干燥，昼夜温差大，年降水量250～350 mm，主要分布在6—9月。年平均气温为9.1 ℃。土壤类型为灰钙土。

1.1 实验设计及样品采集

于2018年4月于甘肃农业大学百草园播种文冠果种子，2019年3月末，在试验地选取生长良好且一致的文冠果苗种植田，分为3块(各设3个小区)，分别进行清耕(记为“Q”)、松土(记为“S”)、自然生草(记为“C”)处理。其中清耕处理为定期从地表铲除文冠果田的所有杂草；松土为定期在不伤害根系的条件下对文冠果田进行人工松土，松土深度为10～20 cm；具体时间如下：在2019年3月12日，4月15日、5月19日、6月22日、7月23日、8月24日、9月24日进行相应地块的清耕和松土。自然生草处理：从4月份开始，定期清除竞争性过强的杂草，如曼陀罗(TaturestramoniumL.)、芦苇(PhragmitescommunisTrin.)，其他草种不做处理，自然生草的草种主要有白车轴(TrifoliumrepensL.)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、灰灰菜(ChenopodiumalbumLinn)、田菁(SesbaniacannabinaPoir.)、车前(PlantagoasiaticaL.)、野豌豆(ViciasepiumL.)等。

根际土壤采集：于末次处理之后的4 d后(9月28日)，在各个地块分别取文冠果根际土壤(分0

根系及叶片采集：选择各处理中长势一致的文冠果苗，先进行叶片采集，采集时各处理文冠果取长势一致幼苗的同一部位的叶片用保鲜膜包好带回实验室测定(每个处理取3～5株)，再挖出完整植株，将地上部分按近地面处剪断，轻轻抖落余土，再将文冠果根系拿到流水下轻轻冲洗，待洗净后放置实验台上待其自然晾干，再进行根系形态和根系生理指标的测定。

1.2 指标测定

1.2.1 土壤理化性状

土壤理化性状的测定均参照鲍士旦的方法[25]，其中碱解氮质量分数采用碱解扩散法；速效磷质量分数采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—钼锑抗吸光光度法；有机质质量分数采用重铬酸钾容量法；含水率采用烘干法；土壤密度采用环刀法；田间持水量采用室内环刀法；pH值用V(土壤)∶V(水)=1∶5提取酸度计法；水溶性盐总量采用电导率分析法。

1.2.2 土壤肥力相关酶活性

1.2.3 土壤微生物数量的测定

土壤微生物数量测定参照卢虎[27-28]的方法，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，NaOH调节pH值至7.0～7.2；真菌采用改良马丁氏培养基(每1 000 mL培养基中加1%孟加拉红水溶液0.33 mL、1%链霉素0.3 mL)，pH值不用调节。放线菌采用高氏一号培养基，NaOH溶液调节pH值至7.6～7.8。微生物数量计算公式为：菌数与土质量比=(同一稀释度N次重复的菌落平均数×稀释倍数)/土干质量。

1.2.4 植株生理、生长发育指标的测定

光合色素质量分数用乙醇提取法[29]；叶片相对含水量采用烘干法测定[29]。株高以植株茎最高部位距地面的高度为准，用卷尺测量；基径以植株与土面交界处地上茎直径代表，用游标卡尺测量；植株地上部分干质量、根干质量：烘干称质量法(以单株计算)。

1.2.5 根系生理、根系形态指标的测定

1.3 数据处理

利用SPSS 22.0统计分析软件进行数据差异显著性分析，采用邓肯(Duncan)法进行不同处理土样间差异的显著性比较，采用T检验法进行相同处理不同土样间差异的显著性比较；采用Excel 2013软件处理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 松土与自然生草对文冠果根际土壤理化性质的影响

由表1可知，3种土壤管理模式下的土壤含水量随着土层的加深呈增大趋势，松土和自然生草文冠果根际土壤含水量在0～10 cm和10～20 cm两个土层均显著高于清耕处理的土壤含水量(P<0.05)，其中在0～10 cm分别高出12.41%、7.30%；松土和自然生草处理相比于清耕在一定程度上增加了文冠果根际土壤田间持水量；相比于清耕处理，松土和自然生草处理均显著降低了两个土层土壤密度，且以松土处理土壤密度最低，在两个土层松土处理文冠果根际土壤密度分别比清耕降低了9.17%、7.55%，从土壤墒情和土壤密度2个方面看，松土处理最好，其次是自然生草，清耕的效果最差。

表1 松土和自然生草时文冠果根际土壤水分状况及密度

由表2可知，3种土壤管理模式下文冠果根际土壤碱解氮、速效磷、有机质质量分数随着土层的加深呈减小趋势，松土和自然生草在不同土层都显著增加了文冠果土壤碱解氮、速效磷质量分数(P<0.05)，有机质的质量分数以自然生草最高，且显著高于清耕和松土处理。3种处理下的土壤pH值随着土层加深呈减小趋势；清耕处理的pH值显著高于松土和自然生草处理(P<0.05)；而3种土壤管理模式下土壤电导率变化不显著(P<0.05)。

2.2 松土与自然生草对文冠果根际土壤肥力相关酶活性的影响

从表3可知，松土和自然生草处理均显著提高了文冠果土壤中碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性(P<0.05)，整体上3种处理下4种土壤酶的活性都随着土层的加深呈下降趋势，除了清耕处理的蔗糖酶和过氧化氢酶及生草处理的过氧化氢酶活性在两个土层间无显著差异外，其他相对应处理的酶活性均表现为在0～10 cm土层的活性较高；在0～10 cm土层，松土和自然生草较清耕的碱性磷酸酶活性分别增加了35.68%、13.55%，脲酶活性分别增加了41.35%、19.89%，蔗糖酶活性分别增加了27.43%、14.1%，过氧化氢酶活性分别增加了30.01%、16.0%；总的来看，松土在0～10 cm土层文冠果根际四种土壤肥力相关酶活性显著高于自然生草和清耕(P<0.05)。

2.3 松土与自然生草对文冠果根际土壤微生物数量的影响

由表4可知，松土和自然生草处理相比于清耕大大提高了文冠果根际土壤中细菌、真菌及放线菌数量。3种处理下，细菌、真菌和放线菌的数量均表现为在0～10 cm土层较多，其中松土较清耕分别提高了36.45%、61.95%、54.41%；自然生草较清耕分别提高了69.30%、203.5%、138.5%；相比于清耕，松土及自然生草处理下微生物总数量分别提高了37.86%、74.20%，且以自然生草处理提升幅度最大，显著高于松土和清耕(P<0.05)。

表2 不同处理时文冠果根际土壤肥力及可溶性盐总量

表3 不同处理时文冠果根际土壤肥力相关酶活性

表4 不同处理时文冠果根际土壤微生物数量

2.4 松土与自然生草对文冠果根系生理代谢的影响

由表5可知，文冠果根系SOD、POD、CAT活性在各处理间表现出显著差异，根系SOD活性在松土和自然生草下显著高于清耕处，松土处理的文冠果根系SOD活性较清耕处理提高了204.5%，自然生草处理下根系SOD活性较清耕处理提高133.3%；根系POD活性在松土处理和自然生草处理下显著高于清耕处理，松土处理下根系POD活性较清耕处理提高了90.8%，自然生草处理下根系POD活性较清耕处理提高了28.74%；根系CAT活性在松土处理和自然生草处理下显著高于清耕处理，松土处理下根系CAT活性较清耕处理提高了179.9%，自然生草处理下根系CAT活性较清耕处理提高了100.0%。整体上看，松土和自然生草处理均可以提升文冠果幼苗根系抗氧化酶活性，以松土处理的提升效果更为显著(P<0.05)。

表5 不同处理时文冠果根系抗氧化酶活性

表6 不同处理时文冠果根系超氧阴离子产生速率及丙二醛质量摩尔浓度

由表7可知，松土和自然生草处理均显著提高了文冠果幼苗根系脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质量分数(P<0.05)。松土和自然生草处理较清耕处理的脯氨酸质量分数分别增加了174.06%、87.11%，可溶性糖质量分数分别增加了184.5%、78.76%，可溶性蛋白质量分数分别增加了43.22%、23.24%。总的来看，松土和自然生草处理可以增强文冠果幼苗根系渗透调节能力，且松土处理的效果较好。

2.5 松土与自然生草对根系形态的影响

由表8可知，清耕处理的文冠果的总根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数均比松土和自然生草处理的低，松土和自然生草处理对文冠果根系的生长发育有明显的促进作用。松土和自然生草处理的文冠果总根长较清耕处理提高了126.1%、54.98%；松土处理的文冠果根表面积、根体积、根平均直径较清耕处理提高了96.06%、101.4%、55.37%；自然生草处理的文冠果根表面积、根体积、根平均直径较清耕处理提高了33.41%、38.78%、22.31%；文冠果根系的根尖数在松土及自然生草处理下分别是清耕处理的3.38、2.02倍。由此可知，松土和自然生草处理有效促进了文冠果根系在土壤中的生长；整体来看，以松土处理促进文冠果根系的生长较佳，文冠果的总根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数这几项指标皆显著高于生草和清耕处理(P<0.05)。

表7 松土和自然生草文冠果幼苗根系渗透调节物质质量分数

表8 不同处理时文冠果根系形态

2.6 松土与自然生草对文冠果地上部分生长发育指标的影响

由表9可知3种处理的文冠果叶片含水量、叶绿素质量分数和类胡萝卜素含量均表现出显著性差异(P<0.05)，且都以松土处理最高，自然生草处理次之，清耕处理最低，说明松土和自然生草处理可以增加文冠果叶片相对含水量及叶片色素质量分数。松土和自然生草处理显著提高了文冠果幼苗根系活力，松土和自然生草处理的文冠果幼苗根系活力分别是清耕处理的2.40、1.67倍。松土和自然生草处理提高了文冠果幼苗根系活力，以松土处理的提升效果更好。

表9 不同处理时文冠果叶片生理指标及根系活力

由表10可知，清耕处理的文冠果植株株高和茎粗皆显著小于松土处理和自然生草处理，并以松土处理的植株长势更好，其中松土处理的株高和茎粗较清耕处理提高了125.43%、42.5%，自然生草处理的株高和茎粗较清耕处理提高了92.67%、22.04%；松土及自然生草处理的文冠果地上部分干物质量和根干物质量都显著高于清耕处理，说明这两种管理措施都促进了文冠果植株干物质的积累，其中松土处理的文冠果地上部分干物质量和根干物质量分别是清耕处理的2.61、2.51倍，自然生草处理的地上部分干物质量和根干物质量分别是清耕处理的1.78、1.75倍；整体上看，松土处理文冠果生长发育的各项指标皆显著高于清耕和自然生草(P<0.05)，这说明松土对文冠果生长发育的促进效果最佳。

表10 不同处理时文冠果生长发育指标

3 讨论

3.1 松土及自然生草对文冠果根际土壤微环境的影响

植物的生长发育离不开良好的土壤环境，土壤质量的好坏直接影响植物的正常生命活动，而土壤理化性质是评价土壤质量的重要标准[32]，其中土壤密度是反映土壤紧实程度的一个基本物理性质，土壤过于紧实会影响植物的根系发育，对植物的生长发育产生不良影响[33]。土壤水分是植物生长的物质基础，含水量直接关乎根系吸水，而田间持水量表征了土壤稳定保存的最大土壤含水量，它某种程度上反映了土壤的保水能力[34]。李玉梅等[35]研究表明，松土明显降低土壤密度，增加土壤含水量和田间持水量；多人研究表明[36-37]，自然生草可以降低果园土壤密度，土壤中各种错综复杂的根系也能起到一定的保水作用，本研究与前人的研究结果相似，松土和自然生草明显降低了文冠果根际土壤密度，增加了根际土壤含水量，并在一定程度上增加了文冠果园的田间持水量(表1)。

土壤中碱解氮、有机质、速效磷、pH值及可溶性盐总量等化学性质也是衡量土壤质量的重要参数[38]。土壤酶活性表征了土壤中物质代谢旺盛程度，土壤酶是参与土壤中各种生化反应的高分子活性物质[39]。梁海等[16]在对小麦及玉米的深松耕作试验中发现松土增加了有效磷和速效氮含量；张志政等[40]研究证明，松土增加了土壤孔隙度，促进微生物的活化和矿物质分解，提高土壤微生物的总体数量，改善土壤的微生态环境，进而有利于培肥地力；赵亚丽等[41]在探究耕作方式对冬小麦—夏玉米1年两熟农田土壤微生物数量及酶活性的研究中发现，土壤中有机质质量分数松土措施相比于清耕提高12.4%，土壤微生物数量提高33.9%，酶活性提高25.2%。本研究中松土的效果与前人的研究结果基本一致，即松土增加了土壤碱解氮、有机质、速效磷质量分数，降低了土壤pH值(表2)，提高了土壤肥力相关酶活性(表3)，增加了细菌、真菌及放线菌的数量(表4)，表明适宜的松土处理很大程度上降低了土壤容重，使得土壤耕层的透气透水性增加，创造出了适宜微生物活动的水分及养分条件，加强微生物活动，且松土缓解了土壤侵蚀和土壤养分的流失，土壤表层的枯枝落叶腐烂后也进入土层为微生物活动提供了养分，微生物的活动加速了土壤中的养分循环，进而增加了土壤中的生物学活性。李超等[42]在对贺兰山葡萄园自然生草的研究中表明自然生草1年土壤碱解氮、速效磷含量高于清耕对照，且自然生草1 a的葡萄园土壤中不同土层细菌、真菌、放线菌数量均有所提高，还对葡萄园土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶起到一定的提高作用，尤其是对表土层土壤酶活性的提高更为明显。也有研究表明[43]自然生草降低了梨园中土壤碱解氮质量分数，是因为香梨与自然生草牧草产生了营养竞争，牧草消耗了梨园养分。本研究中自然生草处理相比于清耕处理均增加了碱解氮、速效磷、有机质质量分数，降低了土壤pH值(表2)，提高了4种土壤酶活性(表3)，可能是由于本研究的自然生草处理主要草种白车轴、沙达旺、田菁等均为豆科植物，豆科植物根瘤中的固氮菌起到固氮作用，自然生草的草种根系分泌及落叶残枝腐烂后增加了土壤中微生物的数量，而土壤中微生物的活动会加速土壤酶的分泌，在微生物活动、根系固氮作用及枯草枝叶的腐烂加快了土壤有机质的积累、提高了土壤的供氮能力、促进有效磷的分解及加速土壤中营养物质的循环，从而提高了四种土壤酶活性及土壤中细菌、真菌、放线菌的数量(表4)。

3.2 松土及自然生草对文冠果根系生理代谢的影响

3.3 松土及自然生草对文冠果根系形态及地上部分生长发育的影响

植物根系是活跃的吸收器官和合成器官，根的生长情况和活力水平直接影响地上部的生长和营养状况。张明智等[49]在研究微灌与播前深松对根际土壤酶活性和夏玉米产量的影响中发现，松土促进了玉米根系的生长；李华等[50]研究表明，在干旱区幼龄葡萄园行间种植牧草可有效促进葡萄根系向土壤深处生长，有利于对土壤养分和水分的吸收利用；李会科等[51]研究表明行间生草可使苹果有效根系向土壤深处发展。本文研究结果显示，松土及自然生草处理的文冠果总根长、根表面积、根体积、根平均直径、根尖数均显著高于清耕(表8)，其原因可能是由于松土处理能够有效打破犁底层，减少根系在土壤中的穿透阻力，使得文冠果幼苗在土壤中形成较为发达的根系；自然生草处理由于主要草种在土层中形成错综复杂的根系，提高了土壤中的透气能力和物质交换能力进而促进了文冠果根系的生长。结合文冠果的生长发育指标，松土及自然生草处理增加了叶片含水量、叶绿素和类胡萝卜素质量分数和根系活力(表9)，增加了文冠果株高、茎粗、地上及地下部分干物质量，且以松土效果最好(表10)。

4 结论

松土和自然生草相比于清耕，皆可改善文冠果根际土壤性质，提高土壤肥力，促进文冠果根系发育和地上部分的生长。对比松土和自然生草这两种田间土壤管理措施，松土对文冠果根际土壤肥力的提高较为显著，而自然生草对土壤微生物数量和有机质含量的提高较为明显。从整体情况来看，松土对文冠果生长发育的促进效果优于自然生草。