自然生草和蚯蚓对渭北旱塬苹果园土壤特性及苹果品质的影响

白岗栓 邹超煜 邵发琦 杨凯齐

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.吉安市湿地管理中心，江西 吉安 343000；4.安康市农业科学研究院，陕西 安康 725021；5.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

渭北旱塬地处陕西省关中平原与陕北黄土丘陵沟壑区之间，海拔800～1 300 m，为黄土高原地势较为平缓的部分，是中国最大的优质苹果(Malusdomesica)生产基地，但渭北旱塬为雨养农业区，降水量偏少，土壤干燥化严重且土壤有机质含量低，影响苹果的优产和高产[1-3]。为了减少土壤水分消耗，渭北旱塬果园的地面管理大多为清耕，以减少生草对土壤水分的消耗，但连续多年的清耕易导致土壤有机质降低及土壤水分蒸发，不利于果树健康持续生长[4-5]。生草可改善果园的土壤水分状况，提高土壤有机质，改善果园立地环境[4-10]。果园生草有人工生草和自然生草2种方式，人工生草多选用豆科和禾本科植物，但这些植物往往根系庞大，分布较深，在干旱的渭北旱塬存在与果树争水争肥的问题[11-16]，生产中难以推广；自然生草的物种丰富，覆盖度高，能有效改善土壤的微环境[17-25]。渭北旱塬西部果园自然生草的种类主要为繁缕(Stellariamedia)和牛繁缕(Malachiumaquaticum)，根系分布浅，耗水量少，覆盖度高，不需要播种及刈割，可有效提高果园土壤水分[26]。如何将生草果园的枯枝落叶快速转化为土壤有机质，改善果园的土壤环境是生草果园土壤管理中急需解决的问题。蚯蚓作为土壤中的大型动物之一，能够直接采食作物秸秆、畜禽粪便和城市污泥等有机固体废弃物，并将其转化为蚯蚓粪及土壤有机质；蚯蚓在取食、消化、掘穴、排泄和分泌等过程中，能够改善土壤的孔隙结构、土壤理化性状和生物学特性等，促进土壤水分入渗，增加土壤养分的有效性，加速土壤有机质的矿化，改良土壤的通透性，提高土壤肥力，促进作物生长，提高土地生产力[27-33]。有关蚯蚓改善果园土壤环境的多为果园施用蚯蚓粪或果园添加蚯蚓和作物秸秆，利用蚯蚓取食作物秸秆，将作物秸秆转化为土壤有机质等来改善果园的土壤环境[34-39]，而直接把蚯蚓投放于自然生草的果园中，自然生草与蚯蚓相结合来改善果园土壤环境及促进果树生长，特别是提高果园深层土壤水分方面的研究未见报道。本研究以果园清耕为对照，直接把蚯蚓投放于清耕和自然生草(繁缕和牛繁缕群落)的果园中，探讨清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓及自然生草处理对果园土壤水分、土壤容重、果实产量及品质的影响，为提高渭北旱塬果园土壤水分及果实品质提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验园位于渭北旱塬西部的中国科学院长武黄土高原农业生态试验站(35°12′ N，107°40′ E，海拔1 220 m)。试验园年均降水量为551.7 mm，其中4～10月为494.1 mm，日照时数为2 226.5 h，日照百分率为51%；年均气温为9.1 ℃，≥10 ℃的活动积温为3 029 ℃，无霜期为171 d。试验园土壤为黑垆土，耕层(0～20 cm土层)土壤有机质质量分数为9.24 g/kg，全氮为0.91 g/kg，速效氮为53.65 mg/kg，全磷为0.24 g/kg，速效磷为40.28 mg/kg，全钾为7.28 g/kg，速效钾为214.25 mg/kg，pH为7.8，土壤容重为1.32 g/cm3，田间持水量为22.21%，土壤萎蔫系数为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清耕。

1.2 试验材料

供试苹果园建于1996年春季，南北行向，株行距为3.0 m×4.0 m，主栽品种为‘红富士’(Red Fuji)，砧木为新疆野苹果(Malussieversii)，面积2.0 hm2，树形为小冠疏层形。2008—2016年平均产量为42 000 kg/hm2，2018年因晚霜危害造成绝收，2020年因晚霜危害减产50%左右。2016年冬季修剪前树干直径约为9.0 cm，树高约400.0 cm，树冠直径约370.0 cm，处于盛果期。试验前果园土壤管理为清耕，试验始于2017年3月，止于2020年12月。

果园自然生草的种类主要为繁缕和牛繁缕，根系多分布于0～10 cm土层，能够快速自我繁殖[26]。投放的蚯蚓为‘大平2号’赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)，体长4～5 cm，体重0.19～0.24 g，具有明显环带，试验前采取一定量的果园耕层土壤，过筛后将土壤水分调整为16.66%(田间持水量的75%)左右后将供试蚯蚓投放于该土中驯化24 h。

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，监测清耕+蚯蚓、自然生草+蚯蚓及自然生草处理果园0～200 cm土层土壤水分、0～60 cm土层土壤容重、0～30 cm土层土壤蚯蚓数量及生物量、苹果产量和果实品质。试验重复3次，共12个小区，不同小区随机排列。每个小区南北长48 m，东西宽20 m，每个小区有4行苹果树，每行15株。试验期间不同处理的施肥、修剪、疏花疏果、果实套袋和病虫防治等管理措施相同。

1.3.1.1 清耕

试验前果园土壤管理为清耕，2017年3月下旬果树萌芽前用低矮型旋耕机进行旋耕(深度15 cm)，2017年4月—2020年12月每间隔2～3个月旋耕1次，行间及树盘下的杂草及时去除，确保试验小区没有杂草滋生。

1.3.1.2 自然生草处理

试验前果园土壤管理为清耕，2017年3月下旬果树萌芽前旋耕后让其自然生草。生草期间出现的灰藜(Chenopodiumalbum)、反枝苋(Amaranthusretroflexus)、龙葵(Solanumnigrum)等高大杂草及时去除，保留繁缕、牛繁缕和荠菜(Capsellabursa-pastoris)、婆婆纳(Veronicadidyma)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、鸡肠草(Herbacentipeda)、马唐(Digitariasanguinalis)、箭叶旋花(Convolvulusarvensis)和马齿苋(Portulacaoleracea)等低矮草本。自然生草期间杂草的高度低于30 cm，2017年4月—2020年12月一直未进行刈割。

1.3.1.3 清耕+蚯蚓处理

2017年3月—2020年12月果园地面管理同清耕。2017年9月上旬雨后(该区域7月下旬至10月上旬为雨季)向果园均匀投放蚯蚓，投放量为50条/m2，约11.0 g/m2。

1.3.1.4 自然生草+蚯蚓处理

2017年3月—2020年12月果园地面管理同自然生草处理。2017年9月上旬雨后向果园均匀投放蚯蚓，投放量为50条/m2，约11.0 g/m2。

1.3.2试验监测

1.3.2.1 土壤水分

2020年在果树开花坐果期(4月15日)、幼果膨大期(5月15日)、花芽分化期(6月20日)、果实采前膨大期(9月10日)和落叶期(11月15)采用蛇形法布点，在每个小区树行中部选取5个采样点，以10 cm土层为1层，分层采集0～200 cm土层土壤，烘干法测定土壤水分含量。

1.3.2.2 土壤容重

2020年苹果采收后(10月15日)，采用蛇形法布点，在每个小区树行中部选取5个采样点，以10 cm土层为1层，环刀法分层测定0～60 cm土层土壤容重。

1.3.2.3 蚯蚓数量及生物量

2020年苹果采收后，采用蛇形法布点，在每个小区树行中部选取60 cm×60 cm大小的5个样方，以10 cm土层为1层，用铲子分层挖取0～30 cm土层土壤并分别放置于编织袋上，过筛，清点蚯蚓数量；清点后的蚯蚓经自来水冲洗并在筛中抖动，除去蚯蚓身体附着的水分后，用百分之一天平称取蚯蚓质量，然后折合为单位面积的蚯蚓数量及生物量。

1.3.2.4 果实产量及品质

2020年苹果采收期(10月10日)，采用蛇形法布点，在每个小区各选择5棵苹果树，用电子台秤测定单株苹果产量并折合为单位面积苹果产量。在测定果实产量前，在树冠东、西、南和北4个方向外围中部各随机采集5个带有果柄的果实，用于测定果实品质，其中果实着色面积用目测法测定，果实纵径和横径(mm)用游标卡尺测定并计算果形指数，果形指数=果实纵径/果实横径；果实单果质量用百分之一电子天平测定，果实硬度用GY-1型果实硬度计测定，果实可溶性固形物含量用PR-100型数字糖度计测定，果实可滴定酸含量用GMK-835F果实酸度计测定[40]并计算固酸比，固酸比=可溶性固形物含量/可滴定酸含量。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010制作图表，SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(P<0.05)；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 土壤水分含量

开花坐果期不同处理0～100 cm土层土壤水分含量差异相对较大，100～200 cm差异相对较小(图1(a))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～100 cm土层土壤水分分别比清耕提高了7.38%、3.28%和9.84%，自然生草和自然生草+蚯蚓处理均显著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓处理较清耕+蚯蚓处理提高了6.35%，也达到显著差异(P<0.05)。不同处理100～200 cm土层土壤水分含量基本一致，相互之间无显著差异(表1)。

幼果膨大期不同处理0～90 cm土层土壤水分含量差异相对较大，90～200 cm土层差异相对较小(图1(b))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～90 cm土层土壤水分含量分别较清耕提高了6.36%、2.38%和8.38%，自然生草和自然生草+蚯蚓处理均显著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓处理较清耕+蚯蚓处理提高了5.86%，也达到显著差异(P<0.05)。不同处理90～200 cm土层土壤水分含量基本一致，相互之间无显著差异(表1)。

花芽分化期不同处理0～130 cm土层土壤水分含量差异相对较大，130～200 cm土层差异相对较小(图1(c))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～130 cm土层土壤水分含量分别较清耕提高了6.98%、3.14%和9.22%，自然生草和自然生草+蚯蚓处理均显著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓处理较清耕+蚯蚓处理提高了5.90%，也达到显著差异(P<0.05)。不同处理130～200 cm 土层土壤水分含量基本相近，相互之间无显著差异(表1)。

图1 不同处理在不同生长期的土壤水分含量Fig.1 Soil moisture of different treatments in different growth stages

表1 不同处理不同时期的土壤水分Table 1 Soil moisture in different treatments and growth stages %

果实采前膨大期处于雨季，不同处理0～160 cm土层土壤水分含量差异相对较大，160～200 cm土层差异则相对较小(图1(d))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～160 cm土层土壤水分含量分别较清耕提高了14.32%、9.21%和18.78%，均显著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓处理较清耕+蚯蚓处理提高了8.76%，也达到显著差异(P<0.05)。不同处理160～200 cm土层土壤水分含量基本相近，相互之间无显著差异(表1)。

落叶期不同处理0～100 cm土层土壤水分含量差异相对较大，100～200 cm土层差异相对较小(图1(e))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～100 cm土层土壤水分平均含量分别较清耕提高了5.49%、2.91%和8.23%，自然生草和自然生草+蚯蚓处理均显著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓处理较清耕+蚯蚓处理提高了5.16%，也达到显著差异(P<0.05)。不同处理100～200 cm土层土壤水分含量基本相同，相互之间无显著差异(表1)。

2.2 土壤容重

果园投放蚯蚓后，清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～10 cm土层和10～20 cm土层土壤容重显著低于(P<0.05)清耕，自然生草+蚯蚓处理20～30 cm土层土壤容重也显著低于(P<0.05)清耕，而自然生草处理的土壤容重与清耕、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理之间无显著差异。与清耕相比，自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理对30 cm以下土层的土壤容重均无显著影响(表2)。

表2 不同处理的土壤容重Table 2 Soil bulk density of different treatments g/cm3

2.3 蚯蚓数量及生物量

无论是清耕果园还是自然生草果园，均以10～20 cm土层的蚯蚓数量较多且生物量较大，0～10 cm土层居中，20～30 cm土层则较少及较小(表3)。

不同土层中，蚯蚓数量和生物量从少到多均依次为清耕、自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理，不同处理间均存在显著差异(P<0.05)。清耕和自然生草处理未投放蚯蚓，其蚯蚓应为土壤中原有的其它种类的蚯蚓，故其量很少。2017年9月清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理的蚯蚓投放量均为50条/m2，2020年10月清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～30 cm土层土壤中的蚯蚓数量分别为25.92条/m2和43.47条/m2(表3)，在忽略土壤原有蚯蚓的状况下，蚯蚓数分别减少了48.16%和13.06%，生物量分别减少了49.45%和15.73%。自然生草+蚯蚓处理3年后的蚯蚓数量和生物量分别较投放时减少了13.06%和15.73%，说明该处理投放的蚯蚓基本可在渭北旱塬果园生长发育。

2.4 果实产量及品质

2020年苹果开花坐果期遭遇霜冻，不同处理的产量仅为常年的50%左右。果园自然生草及投放蚯蚓，改善了果园的土壤环境及小气候，有利于果树抵抗霜冻[37-39,41]，提高座果率，因而自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理的苹果产量分别较清耕提高了6.91%、5.85%和9.84%，均与清耕达到显著差异(P<0.05)(表4)。

2020年不同处理的苹果产量均较常年偏低，不同处理的单果质量、果形指数、着色面积和果实硬度等均处于同一水平，之间无显著差异；但自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理的果实可溶性固形物含量均显著高于(P<0.05)清耕，自然生草和自然生草+蚯蚓处理的可滴定酸含量显著低于(P<0.05)清耕，自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理的固酸比均显著高于(P<0.05)清耕(表4)。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理显著提高了果实产量，显著改善了果实的风味品质，其中自然生草+蚯蚓处理的效果较为突出。

3 讨 论

3.1 对土壤水分的影响

渭北旱塬为雨养农业区，土层深厚，降水是果园土壤获取水分的唯一途径[13-14]。如何促进降水入渗，减少土壤水分蒸发是渭北旱塬苹果丰产的首要因素[26]。试验果园自然生草的草类主要为繁缕和牛繁缕，根系分布浅，覆盖度高，土壤水分消耗少并可减少土壤表层水分蒸散[26]，且杂草根系可作为土壤水分入渗的通道，促进降水快速入渗到土壤中，提高果园土壤水分含量[42]；清耕果园的表层土壤裸露于大气中，降水初期受雨滴的打击，易在土壤表层形成结皮，阻碍降水入渗到深层土壤中而形成地表径流，不利于土壤蓄存较多的水分，而自然生草果园的土壤表层覆盖着杂草，可减少雨滴打击或减缓打击程度，土壤表层不易形成土壤结皮，可有效促进降水入渗到土壤中，增加土壤水分含量[42]。果园投放蚯蚓后，蚯蚓以新鲜的有机植物残体为食并将地表凋落物混入土壤中，加速枯枝落叶的分解并形成土壤有机质[34-39]；蚯蚓在土壤中生活，在土壤表面和土体内部均可产生一定量的蚯蚓粪，而土壤表层的蚯蚓粪可抑制土壤表层水分蒸发，土壤中的蚯蚓粪则可改善土壤的通气、透水和蓄水保肥等，促进土壤水分入渗并提高土壤水分含量[43-44]；蚯蚓在土壤中掘穴与挖洞，在土壤中形成许多大孔隙，有利于降水快速入渗到较深的土壤中，减少地表径流及土壤水分蒸发，提高土壤的蓄水保水能力[43-46]，因而果园投放蚯蚓后土壤水分较高，特别是在雨季，降水较多，自然生草和自然生草+蚯蚓处理可有效促进大量降水入渗到深层土壤中，蓄积较多的土壤水分，为渭北旱塬“秋雨春用”提供了基础，有利于果树春季抗御霜冻和开花坐果，从而提高果实产量。

3.2 对土壤容重和蚯蚓数量及生物量的影响

繁缕和牛繁缕平伏于地面生长，不需耕种和刈割，减少了机械对土壤的碾压，促进土壤孔隙均匀分布及土壤大孔隙形成，并为蚯蚓提供丰富的饵料，利于蚯蚓繁衍生息[7,45]，因而自然生草后0～30 cm土层土壤容重略有降低，且蚯蚓量高于清耕。果园投放蚯蚓后，蚯蚓在取食、消化、掘穴、排泄和分泌等过程中会产生一定量的蚯蚓粪，而蚯蚓粪具有较好的孔隙度、通气性和较大的表面积[43-46]，从而改善土壤的理化性状和生物学特性，改良土壤的通透性，降低土壤容重[27-33]，因而清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理0～20 cm土层和0～30 cm土层土壤容重显著低于清耕。由于试验所选用的蚯蚓为表栖类蚯蚓，主要在0～15 cm土层活动，故对30 cm以下土层土壤容重无影响。

自然生草缩小了土壤的日温差和年温差[48-50]，提高了土壤有机质[27-33,18-25]和土壤水分[26]；自然生草后的枯枝落叶较多，为蚯蚓提供较多的饵料及相对较好的生活环境，利于蚯蚓在土壤中的生息繁衍，因而自然生草+蚯蚓处理的蚯蚓数量及生物量高于清耕+蚯蚓处理。自然生草+蚯蚓处理的蚯蚓量较高，蚯蚓活动量大，制造的土壤孔隙多，且自然生草可减少土壤水分蒸发，促进土壤微生物活动[17-26]，因而自然生草+蚯蚓处理的土壤容重较低，土壤水分和蚯蚓量较高。通常情况下蚯蚓活动的最适温度为20～27 ℃左右，0～5 ℃进入休眠状态，0 ℃以下便可冻死，而渭北旱塬冬季土壤冻土层可达20 cm左右，本研究投放的蚯蚓为表栖型，主要活动于0～15 cm土层，因而绝大多数蚯蚓越冬后死亡，而残存于较深土层中的蚯蚓及蚯蚓卵在春季土壤解冻后又逐渐恢复繁衍生息，因而测试土壤中的蚯蚓量低于投放的蚯蚓量。渭北旱塬自然生草果园投放蚯蚓3年后其蚯蚓的数量和生物量较投放时分别减少13.06% 和15.73%，说明自然生草果园投放的蚯蚓基本可正常生长发育。

3.3 对苹果产量及品质的影响

渭北旱塬果园土壤水分供给不足[11-14]，有机质含量低为优质苹果高产的主要限制因素[1-3]。自然生草可提高土壤有机质[51]，自然生草+蚯蚓处理不仅降低了土壤容重，提高了土壤水分，为苹果根系生长发育提供了良好的土壤环境，且投放的蚯蚓在土壤中活动，产生一定量的蚯蚓粪，进一步提高了土壤有机质，改善土壤的理化性状和生物学特性，增加土壤养分的有效性，加速土壤有机质的矿化[27-33]，而且蚯蚓粪可使植物产生系统获得性抗性，提高植物的抗病和抗虫能力，提高植物的抗逆性[52-54]，促进土壤微生物活动[55]，缓解连作障碍[56]，因而果园投放蚯蚓后苹果树体的抗逆性提高，在遭遇晚霜危害的状况下座果率高，其产量及品质均较清耕有所提高。不同处理对单果质量、果形指数、着色面积及果实硬度影响较小，首先是2020年受晚霜的危害，树体结果量少，树体营养充足，不同处理的果实生长发育良好；其次是试验园果树修剪比较合理，果园通风透光较好，有利于果实生长发育及着色[57]。

4 结 论

在渭北旱塬，雨季分别向清耕和自然生草的果园投放蚯蚓，3年后自然生草+蚯蚓处理的果园土壤蚯蚓量高于清耕+蚯蚓处理，自然生草和自然生草+蚯蚓处理在果树整个生长期的土壤水分均高于清耕，而清耕+蚯蚓处理仅在果实采前膨大期高于清耕。清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理较清耕分别降低了0～20 cm土层和0～30 cm土层土壤容重。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓处理均提高了苹果产量，提高果实风味品质，但对果实外观品质和果实硬度无显著影响。不同处理中，自然生草+蚯蚓处理对果园土壤水分、土壤容重、苹果产量及果实品质影响最为显著，渭北旱塬应积极推广自然生草+蚯蚓的果园地面管理模式。