不同覆盖材料对设施葡萄根系分布及土壤理化特性的影响

商佳胤，张新建，李 凯，张 鹤，王 丹

(1.天津市农业科学院 林业果树研究所，天津 300383； 2.天津市农业科学院 农业资源与环境研究所，天津 300383)

我国果园土壤管理方式有清耕制、免耕制、生草制和覆盖制。清耕制破坏土壤结构，易出现水土流失风险和扬沙、扬尘的问题。免耕制需要使用化学除草剂，易产生环境污染和食品安全风险。生草制可以改善果园生态环境，但是额外的用工和生产资料投入又造成果园成本增加。因此，覆盖制通过覆盖材料，不仅可以调节土壤的保水能力，还可以提高土壤养分含量，改善酶活性，是目前较为健康的果园土壤管理措施之一。

地面覆盖材料种类繁多，我国果园主要使用有机材料和无机材料两种模式，主要用于抑制杂草和保持土壤湿度。相比于有机材料，无机材料更易获取，并且投入成本更低，因此在果树种植中应用更广泛。近几年，前人对露地条件下农作物和园艺作物覆盖模式开展了土壤环境、微生物特征、果实品质、植株生长特性、水分利用率、土壤养分及其需求规律等方面研究，许多研究表明，覆盖材料可以显著提高果树的净光合速率、果实品质以及土壤的养分利用率，可以调节土壤的保水能力，提高土壤酶活性，改变土壤养分含量。

设施葡萄种植，在定植沟或全园覆盖材料，可以实现棚内的保水、增温、反光等技术需求。与露地种植不同，大棚内土壤温湿度更高，水分自主调控能力更强，土壤温湿度变化不剧烈，无雨水淋溶现象。因此，大棚内的土壤理化指标变化趋势与露地差异巨大。与前人对覆盖材料的研究多在露地条件下进行不同，针对设施葡萄地面覆盖的研究较少，因此系统研究设施内不同覆盖材料对葡萄根系分布及土壤理化特性的影响，具有现实的经济、社会和生态意义。本研究设置了地膜、地布、无纺布3种覆盖材料，通过对不同土层的葡萄根系分布和土壤pH值、EC值以及相关酶活性进行研究，以期获得设施栽培模式下最佳的覆盖材料，为设施葡萄园覆盖材料的选择提供理论和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2016年5月至2017年11月在天津市农业科学院创新基地进行，供试葡萄品种为4年生巨玫瑰，扦插苗，日光温室种植。试验材料采用倾斜龙干整形方法，南北行向，株行距为1 m×2 m，主干高0.8 m，主干以上分双侧叶幕，开张角度为60°，架面高1.80 m，叶幕倾斜长度1.25 m，叶幕厚度0.35 m。

覆盖材料为黑色地膜(地膜/A)、黑色园艺地布(地布/B)、白色无纺布(无纺布/C)，宽幅为0.5 m，覆盖在葡萄定植垄两侧，用园艺地钉固定，垄间不覆盖。以不覆盖材料为对照组(CK)。覆盖材料下铺设间距为10 cm，流量为2 L·h滴灌管，常规管理全年水肥。

供试地区土壤有机质含量为14.93 g·kg，全氮1.26 g·kg，全磷1.24 g·kg，全钾3.34 g·kg。

1.2 方法

1.2.1 根系分布的调查方法

在葡萄落叶后采用壕沟法制作土壤垂直剖面进行单株根系组成与分布调查。剖面与定植沟平行，与植株的距离为5 cm，剖面宽80 cm(距植株左右各为40 cm)，深80 cm，在土壤剖面挖好后，沿水平方向和垂直方向均按 10 cm 的间隔，将剖面切分成10 cm×10 cm 的方格，然后使用游标卡尺测量须根直径，按照<2 mm、2～<5 mm、5～<10 mm、≥10 mm 4个等级将须根分布情况标注在绘图纸上。每处理随机选3株葡萄植株绘制根系分布剖面图，3 次重复。根据绘制的根系分布剖面图统计不同土壤深度和水平距离根系的分布状况。

1.2.2 土壤指标测定

球虫病主要危害雏鸡，感染球虫后土鸡的肠壁细胞被破坏，不仅肠道出血，还会影响多种营养物质的吸收，病鸡生长发育缓慢，产蛋减少，雏鸡发病率死亡率高，病愈雏鸡生长滞后，抵抗力低，易患其他疾病，给养殖户造成巨大的经济损失。

根系调查完成后，分别采集葡萄定植地表以下0～<10 cm、10～<20 cm、20～<30 cm、30～<40 cm、40～<50 cm、50～<60 cm、60～<70 cm、70～<80 cm的土壤样品，用烘干法测定土壤含水量。采集葡萄定植地表以下0～5 cm、(20±5)cm、(40±5)cm、(60±5)cm、75～80 cm，使用雷磁PHS-3C pH计测定土壤pH值和EC值；使用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶活性；使用磷酸酶标比色法测定土壤酸性磷酸酶活性；使用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性；使用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性。

1.2.3 数据处理

用Microsoft Excel软件对数据进行整理和作图；用SPSS 12.0 统计软件对数据进行统计分析，采用最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05；用SigmaPlot12.0软件绘制根系分布图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖材料葡萄根系数量及比例

不同覆盖材料对巨玫瑰葡萄根系的总量和根系直径组成均有显著影响(表1)。3个处理中，采用无纺布覆盖的根系总量最大，单个剖面根系数量达111条，其次为地膜(99条)和地布(91条)，对照组的根系数量最少，单个剖面根系数量为73 条。从不同直径的根系组成来看，3个覆盖处理在直径<2 mm吸收根的数量最大，分别占无纺布、地布、地膜处理的59.46%(66条)、71.43%(65条)、52.53%(52条)。与3个处理相比，对照组中2～<5 mm的根系数量最大，占总根系的41.10%(30条)，<2 mm吸收根的数量次之，占总根系的32.88%(24条)。在不同处理和对照组中，≥10 mm根系的数量和所占比例均为最少，占比均小于5%。可见，从葡萄根系的径粗而言，总体占比多的是较细的吸收根。

表1 不同覆盖材料下葡萄根系数量及比例

2.2 不同覆盖材料葡萄根系垂直分布

从根系分布的剖面图可以看出(图1)，巨玫瑰葡萄根系在土层垂直深度0～<80 cm均有分布，但不同覆盖处理之间根系的垂直分布范围有明显差异(表2)。采用无纺布和地布覆盖使葡萄根系的分布更浅，2个处理在0～<20 cm的土层内分布了36.93%和41.74%的根系，显著高于地膜和对照组的13.13%和15.07%。各处理根系分布最多的土层为20～<30 cm，其根系分布比例为22.52%～50.68%，与3个覆盖处理相比，对照组在这一区域的根系更为集中，占到总根系的一半以上。在土层垂直深度30～<60 cm，对照组的根系比例仍然显著高于3个覆盖处理，为30.14%，其次为覆盖地膜(26.26%)。在调查土层最深的60～<80 cm，3个覆盖处理的根系比例仍然很高，分别为18.02%、14.29%和14.14%，而对照组在此土层的根系则分布比例较低，为4.11%。由此可见，覆盖无纺布和地布可以显著提高葡萄土壤表层根系的分布，而覆盖材料可以增加葡萄根系在较深土层的分布，不覆盖材料葡萄的根系相对集中在土层的20～<60 cm。

图1 不同覆盖材料下葡萄根系剖面Fig.1 Root profile of grape under different covering materials

表2 不同覆盖材料下葡萄根系垂直分布情况

2.3 不同覆盖材料葡萄根系水平分布

从根系距离主干的纵列水平分布可以看出(图1、表3)，巨玫瑰葡萄50% 左右的水平根分布在葡萄主蔓两侧-20～<20 cm，其中覆盖地膜、无纺布2个处理在这个区域内的根系比例最高，分别为58.58%和56.75%，然后依次是对照组(50.69%)和地布(48.36%)。在主蔓两侧±20～<30 cm，各处理和对照组的根系比例为19.19%～26.37%。在距离主干最远的调查范围(±30～<40 cm)，对照组根系比例(27.40%)显著高于3个覆盖处理。可见，在根系的水平分布方面，不覆盖材料的对照组根系分布的比例更广，但是从不同区域的根系数量比较，对照组则要低于3个覆盖处理。

表3 不同覆盖材料下葡萄根系水平分布情况

2.4 不同覆盖材料对不同土层土壤含水量的影响

如图2所示，地膜、地布的土壤含水量总体呈随土层加深而逐渐下降的趋势，其含水量最高值分别出现在10 cm(14.75%)、10 cm(14.14%)，最低值分别出现在40 cm(11.31%)、70 cm(12.04%)，最高值分别较最低值提高30.44%、17.38%；无纺布和对照组的土壤含水量则不明显，其含水量最高值分别出现在60 cm(13.91%)、60 cm(12.90%)，最低值分别出现在70 cm(11.40%)、40 cm(12.02%)，最高值分别较最低值提高22.03%、7.30%。地膜和地布覆盖在距离土壤表面最近0～20 cm区域，其土壤含水量均显著高于覆盖无纺布和对照组，2个处理在10 cm处较无纺布和对照组的土壤含水量分别提高14.37%、9.59%和15.97%、11.23%，在20 cm处较无纺布和对照组的土壤含水量分别提高18.99%、11.27%和13.35%、6.00%。可见，覆盖材料可以有效提高土壤含水量的最大值，覆盖地膜和地布则可以显著提高表层土壤的保水效果。

图2 不同土层的土壤含水量Fig.2 Soil moisture in different soil layers

2.5 不同覆盖材料对不同土层土壤pH值的影响

图3 不同土层的土壤pH值Fig.3 pH in different soil depths

2.6 不同覆盖材料对不同土层土壤EC的影响

如图4所示，覆盖处理可以显著降低土壤表层的EC值，与对照组相比，3个处理在0和20 cm处的EC值分别降低了14.56%、17.48%、7.77%和18.56%、13.40%、23.71%；在较深土层中，对照组的EC值也显著高于覆盖地布和无纺布处理。覆盖地布和无纺布在20 cm以下的土层深度的EC值变化不大。与这两个处理相比，随着土层加深(大于40 cm)，覆盖地膜的土壤EC值显著上升，并在40 cm处达到最大，为1.12；此后逐渐变小，在80 cm处为0.94，显著高于2个覆盖处理，但是显著低于对照组(1.08)。

图4 不同土层深度的土壤EC值Fig.4 EC in different soil depths

2.7 葡萄设施栽培地膜不同覆盖材料对土壤脲酶活性的影响

如图5所示，3个覆盖处理和对照组的土壤脲酶活性在0～40 cm的变化趋势不大，土层加深后，其脲酶活性显著上升，其中覆盖地布和无纺布处理以及对照组的脲酶活性最大值均在80 cm处，分别为1 036.9、1 212.03和1 517.7 U·g；覆盖地膜处理则是在60 cm处最大，为1 334.61 U·g；脲酶活性最小值出现的土层则有所差异，地膜出现在表层(693.7 U·g)，地布、无纺布和对照组则均出现在40 cm处，分别为613.8、465.1、923.0 U·g。在各土层，对照组的脲酶活性均高于或显著高于3个覆盖处理，其中在40 cm处较覆盖无纺布提高最大，达到98.44%；在20 cm处较覆盖地膜提高最小，达到1.96%。

图5 不同覆盖材料下不同土层的脲酶活性Fig.5 Urease activity in different soil depths under different covering materials

2.8 葡萄设施栽培地膜不同覆盖材料对土壤酸性磷酸酶活性的影响

如图6所示，3个覆盖处理和对照组的土壤酸性磷酸酶活性变化幅度不大，总体呈现先上升后下降的趋势，各处理的酶活性差异不大。3个处理在土壤表层酸性磷酸酶活性均为最低，分别为2.424 6、2.427 8和2.422 4 mg·g·h，并分别在60 cm、40 cm和60 cm达到最大，分别为2.461 7、2.447 7和2.476 1 mg·g·h。与各覆盖处理相比，对照组在土壤表层酸性磷酸酶活性均显著高于3个覆盖处理，为2.443 6 mg·g·h；在60 cm处达到最大，为2.460 1 mg·h·h。

图6 不同覆盖材料下不同土层的酸性磷酸酶活性Fig.6 Acid phosphatase activity in different soil depths under different covering materials

2.9 葡萄设施栽培地膜不同覆盖材料对土壤蔗糖酶活性的影响

如图7所示，3个覆盖处理和对照组的土壤蔗糖酶活性均呈现先升高后下降的趋势，均在40 cm达到最高，然后逐渐下降。土壤0～20 cm的蔗糖酶活性各处理间的差异均不显著；在40 cm，对照组的蔗糖酶活性显著高于3个覆盖处理，分别较处理提高了3.91%、3.30%和2.57%。在60 cm和80 cm，对照组的蔗糖酶活性较最大值下降幅度更大(下降20.64%和20.30%)，在这2个土层的酶活性均显著低于3个覆盖处理，其中60 cm处分别降低了4.40%、3.60%和7.94%，在80 cm处分别降低了4.12%、1.69%和4.90%。可见覆盖材料对土层较深的蔗糖酶活性有更显著的影响。

图7 不同覆盖材料下不同土层的蔗糖酶活性Fig.7 Invertase activity in different soil depths under different covering materials

2.10 葡萄设施栽培地膜不同覆盖材料对土壤过氧化氢酶活性的影响

如图8所示，3个覆盖处理的土壤过氧化氢酶活性均呈现先升高后下降再升高的趋势，而对照组的土壤过氧化氢酶活性在不同土层的变化不明显，0～60 cm的土壤过氧化氢酶高于或显著高于3个覆盖处理。在土壤表层，3个覆盖处理的土壤过氧化氢酶活性均显著低于对照组，分别较对照组下降了28.29%、24.55%和50.74%。在40 cm，覆盖地布的土壤过氧化氢酶活性达到最大值，与对照组的酶活性水平接近，而另外2个覆盖处理则处于较低水平。随着土层加深，覆盖地膜和无纺布2个处理的土壤过氧化氢酶活性开始快速上升，并在80 cm超过对照组和覆盖地布处理，达到了最大值，此时3个覆盖处理的土壤过氧化氢酶活性分别较对照组升高了26.99%、-6.00%和13.03%。

图8 不同覆盖材料下不同土层的过氧化氢酶活性Fig.8 Catalase activity in different soil depths under different covering materials

2.11 不同处理指标的相关性

不同土层的土壤根系数量是反映葡萄生长发育情况的主要指标，根系数量多，说明葡萄植株对养分的吸收能力强，树体健壮。由表4可以看出，葡萄的根系数量与脲酶活性呈显著负相关，与蔗糖酶活性呈极显著正相关，与其他指标无显著的相关性。土壤含水量与pH值呈显著正相关，与酸性磷酸酶活性呈显著负相关，与其他指标无显著相关性。pH值与脲酶活性呈显著负相关，与其他指标无显著的相关性。脲酶活性与蔗糖酶活性呈显著负相关，与过氧化氢酶活性呈显著正相关，与其他指标无显著的相关性。

表4 不同处理指标的相关性分析

2.12 各测定指标的主成分分析及综合贡献率

首先对4×8原始数据矩阵进行标准化处理，计算相关矩阵的特征向量，得到特征值和贡献率，共提取了特征值大于1的3个主成分，方差累积贡献率为76.578%(表5)，可以概括不同覆盖处理测定的土壤理化指标的大部分信息。利用主成分载荷矩阵(表6)，成分载荷除以成分特征值的平方根得出成分特征向量，用特征向量表示主成分得分。3个主成分分别从不同方面反映了覆盖材料对葡萄根系及土壤理化指标的影响，将主成分按照贡献率综合为加权综合得分和主成分方差贡献率(表7)，以综合得分对覆盖材料进行评分，综合得分越高表示该处理方法的综合表现越优。通过计算获得不同处理在3个主成分中的得分，在PC1中，覆盖地布和无纺布的得分优于覆盖地膜和对照组，说明其在脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶等方面表现较优。在PC2中，覆盖地膜和对照组的得分优于覆盖地布和无纺布，说明其在根系数量和蔗糖酶两方面表现较优。在PC3中，覆盖地布和无纺布的得分优于覆盖地膜和对照组，说明其在EC方面表现较优。通过计算贡献率，获得最佳的覆盖材料为无纺布和地布，其次为地膜，覆盖材料的效果均优于不覆盖的对照组。

表5 主成分方差解释

表6 主成分载荷矩阵

表7 不同覆盖处理的主成分得分

3 讨论

果树根系具有明显的趋水性和趋肥性，果园地面管理在果树周年管理中占有重要的地位。充足的水分有利于根系对矿质元素的吸收和利用，促进植株的新陈代谢、光合作用和其他生理生化过程，从而促进植物营养生长，而地表覆盖可以有效地减少土壤水分蒸发，保持土壤湿度。本研究表明，覆盖材料会显著提升直径<2 mm吸收根的数量，而对照组中2～<5 mm的根系数量最大；覆盖材料会显著提升设施葡萄根系总数，覆盖无纺布还会显著提升0～<20 cm 根系分布(36.73%)，对照组为15.07%，可见，浅层土壤密集着更多的吸收根系，对于设施栽培根系提早升温，促进早萌芽早坐果有一定的正效应。在土壤含水量方面，覆盖地膜和地布可以显著提高土壤表层(0～<20 cm)区域的含水量，但是从土壤表层根系的分布情况看，覆盖无纺布仍然可以显著提高葡萄根系在表层的分布。相关性分析表明，土壤含水量与根系分布无显著的相关性，也说明在一定土层内根系的分布与土壤的含水量关系不大，这可能是由于设施内不同土层的土壤含水量的差异不是很大，根系更趋向于不受胁迫的环境(高营养、高孔隙度、适宜的温度等)有关，而覆盖地表升温明显的地膜或地布会提高土壤温度，会形成局部根系的高温胁迫。

地膜不透气会减少土壤中O的含量，抑制好氧微生物活性，抑制土壤呼吸和降低微生物代谢熵；增加土壤温度和湿度，使土壤与外部空气隔绝，进而抑制土壤水分的蒸发速度，提高土壤养分的有效性。有研究认为，不覆盖条件下长期单施氮肥降低了土壤 pH值，导致土壤酸化和作物产量降低，进而延缓甚至避免土壤酸化。这与本研究的结论是一致的，即覆盖材料会提高土壤表层的土壤pH值，降低EC值，从而减缓设施栽培的土壤表层酸化和肥害风险，覆膜使土壤水分和盐基离子的运动方向发生改变。

土壤酶是土壤的重要组分，主要来自土壤微生物、动物和植物活体或残体，参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环，在土壤的发生发育及土壤肥力的形成过程中起重要作用。土壤酶活性与土壤水分特性、土壤有机质含量、土壤微生物数量及土壤养分含量等密切相关，因此土壤酶活性的高低可以作为土壤肥力评价的一个重要指标。土壤脲酶活性可以用来表示土壤有机态氮向有效态氮的转化能力和土壤无机氮的供应能力，酸性磷酸酶使土壤中的有机磷转化成可供植物吸收的无机磷，其活性可判断土壤的有机磷转化能力，蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质发挥着重要的作用，过氧化氢酶可以分解土壤过氧化氢，降低过氧化氢过度积累对土壤微生物和植物根部的毒害。本研究表明，覆盖材料会抑制不同土层的脲酶活性，说明更好的土壤透气性会提高土壤脲酶活性，从而促进有机态氮的转化能力。覆盖材料和对照组的酸性磷酸酶活性变化的阈值很小，说明覆盖处理对酸性磷酸酶活性影响不大。土壤蔗糖酶活性与设施葡萄根系的数量存在极显著的相关性，根系集中的区域土壤蔗糖酶活性越强，这可能和土壤有机质的转化与积累有关。对照组的土壤过氧化氢酶活性在不同土层均处于相对较高的水平，而根系数量也反映了高的过氧化氢酶活性可能与之相关。

综上所述，覆盖材料可以显著地提高设施葡萄根系的数量；覆盖材料可以提高土壤的pH值，降低EC值，降低土壤酸化和肥害风险；覆盖材料对土壤酶活性有一定的影响，其中对土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性作用更明显。通过使用相关性分析、主成分分析，计算综合贡献率评价，可见，设施葡萄栽培中使用覆盖材料对葡萄根系生长及土壤理化特性有一定的正效应，且以透气性较佳的无纺布作为覆盖材料效果最好。