梨園生草的研究進展

李貴美,張國棟,陳澤浩,張 明

(聊城市農業科學院,山東 聊城 252000)

果園生草作為一種先進的土壤管理方式,在美國、歐盟和日本等許多國家和地區60%～75%以上面積的果園均實施了生草制度,有的國家推廣面積甚至超過了90%,而我國果園生草面積不足10%。清耕法是我國果園傳統的土壤管理制度,目前,我國占栽培面積80%以上的果園依然采用清耕、或清耕+免耕法[1-4]。長期清耕會破壞土壤結構,導致果園土壤有機質迅速減少[5],不利于發揮果園的經濟效益、生態效益和綜合效益。

梨是世界四大水果之一,在我國水果生產中占有重要的地位,產量僅次于柑橘和蘋果。近年來,梨產量逐年增加,而梨果品質不高等問題愈發凸顯,成為制約我國梨產業的發展重要因素之一。究其原因,主要與我國梨生產管理模式落后有關。近年來,許多學者著手研究梨園生草的諸多方面,結果表明,梨園生草能夠綜合提升果園生態、經濟效益,具體表現在協調土壤三相物質構成,改善土壤孔隙性、土壤結構等理化性狀,提高土壤有機質含量,提升果品質量,防止水分的地表徑流,縮減梨園生產用工成本,利于機械化操作,便于實施生物防治病蟲害等。因此,筆者總結了近15年來的生草試驗研究,從生草概述及其對土壤、樹體、微域環境等幾個方面的影響綜述了我國梨園生草研究進展,并提出問題和思考,期望為進一步實施梨園生草及推廣提供參考。

1 果園生草概述

果園生草是指在果園里種植1年生或多年生草本植物,達到草本植物與果樹共同促進生長的效果,形成以維持果園土壤肥水為核心的可持續發展土壤管理體系技術。梨園生草分為人工生草和自然生草,自然生草指剔除根系深廣、生長強旺的惡性類雜草,保留根系淺、株高較低的草種任其自然生長的栽培方式。人工生草指人為選擇特定的草種在梨園進行種植的生草模式。據生草區域的不同,梨園生草可以分為全園生草和行間生草。在養分和水分供應充足的成齡梨園,可實行全園生草;在土壤貧瘠,排灌水系統較差的梨園,可以采用行間生草。對于草種的選擇和種植方式,最常見的是選用豆科、禾本科草種,采取單獨播種,或者豆科與禾本科混種。大部分的研究結果表明:由于草種與果樹之間存在較強的水分、氮肥競爭,旱地果園和幼齡樹果園均不適宜進行全園生草管理[6-7];不論自然生草還是人工生草,草種的選擇一定要因地制宜,并注意生草達到一定高度時,及時進行刈割。

2 生草對梨園土壤的影響

2.1 對土壤理化性質的影響

2.1.1 土壤容重與孔隙度

梨園生草可以降低土壤容重,增加耕作層土壤孔隙度。王艷廷等[8]在黃河三角洲梨園試驗的結果顯示,自然生草后土壤孔隙度約是清耕對照的1.3倍,土壤容重約是清耕的85%,差異極顯著。高超等[9]研究發現,砂梨園生草3年,生草區相較清耕,0～20 cm土層土壤容重下降28.00%,總孔隙度增加64.21%,21～40 cm土層土壤容重降低3.76%,總孔隙度增加28.06%。李曉剛、王國偉等[10-11]也得到了類似的結論。梨園生草后,牧草的根系扎入土壤,擴充了土壤的通氣空隙和毛管空隙,降低了土壤容重,增大了土壤的總孔隙度。

2.1.2 土壤溫度

梨園生草能夠保持土壤溫度相對穩定。研究表明,梨園行間生草區0～20 cm和20～40 cm土層土壤溫度變化一致,5月—10月一直在20～25 ℃波動,而清耕區土溫變化幅度在10 ℃左右[12-13]。生草區冬季地溫較清耕區可提高2.0℃[14]。梨園生草還可以使土壤日溫差保持較低水平,生草區在7:00略高于清耕對照區,或與之相同;而在14:00明顯低于清耕對照區[15]?？傊?生草處理可以遮住地面,減少由于太陽直射而導致的溫度增加,減輕了土壤溫度變化幅度。

2.1.3 土壤水分

梨園生草能起到涵養土壤水分的作用。大量研究表明,梨園生草當年的4月—10月生草處理區土壤含水量相對穩定,在22%～46%之間變化,清耕處理區土壤含水量變化幅度在18%～60%[12];香梨生草覆草當年耗水量差異不大,此后的4年耗水量均比清耕對照有所降低,且時間越長,降低越明顯[11,16-17]。但是,當土壤水分不足時,牧草和果樹會存在水分的競爭。研究發現,旱季時,生草區10～30 cm土層土壤含水量顯著低于清耕區,且隨著土層深度的增加呈降低趨勢[10,13,18-19]。梨園生草對土壤水分的影響結果,可能與當地氣候條件、土壤類型、牧草種類等因素有關。

2.1.4 土壤pH值

梨園生草使得土壤的pH值呈現降低趨勢。大量研究表明,生草能顯著降低株間和行間各層土壤pH值,株間降低1.2%～3.4%,行間降低0.6%～4.1%,隨生草年限的增加逐年降低,不同草種在不同區域對土壤pH值降低的效應不同[11,20-22]。進一步開展生草對土壤酸堿性影響的研究,可能對鹽堿地果園土壤改良具有重要意義。

2.1.5 土壤有機質

土壤有機質是土壤固相重要組成成分,雖然僅占土壤總量的很小一部分,但在一定范圍內,土壤有機質含量與土壤肥力水平呈正相關[8]。研究表明,梨園進行自然生草和人工生草,相較清耕,土壤有機質含量分別提高了7.1%～10.95%和7.9%～24.82%[15,21]。在梨果實膨大到采收期間,生草區0～80 cm土層土壤有機質平均含量均高于清耕區,且在其垂直土壤剖面,生草區與對照區有機質含量均自表層沿剖面遞減[12-13,21,24-25]。連年生草,土壤有機質隨生草年限的遞增逐年增加[18,22,26-28]。在梨園實行生草制度,牧草的根系殘留物、分泌物在土壤中降解并轉化為腐殖質,土壤中有機物積累下來,使得土壤有機質含量增加。

土壤有機質分解可產生胡敏酸,它能夠促進梨樹根系的呼吸作用,增強細胞膜的滲透性,提高對礦質養分的吸收能力,促進細胞分裂,加速梨樹體的生長。在砂質土壤中,由于胡敏酸的黏著力和黏結力,提高土壤吸附量,能夠有效的增加沙地的保水保肥能力,減少雨水沖刷造成的水土流失。田明英等[29]指出,山地果園20 cm土層1 m2的剖面上牧草根數為266條,而清耕區幾乎沒有。

2.2 土壤礦質營養元素

2.2.1 大量元素

梨園生草能夠有效提高土壤庫氮、磷、鉀等有效養分含量。大量研究表明,生草梨園0～20 cm土層全氮、全磷、全鉀的平均含量分別是清耕對照的1.34倍、1.36倍、1.04倍[9]。土壤堿解氮、速效磷和速效鉀質量分數比清耕分別提高了24.34 mg/kg、0.55 mg/kg、10.41 mg/kg[24]。侯啟昌、霍珊珊、張厚華等[13,21,30]也得到類似的研究結果。這可能與生草具有活化有機態氮、磷、鉀的功能有關,其中具體的原理機制有待進一步研究。

2.2.2 中微量元素

果園土壤中微量元素不僅影響果實產量,對果實品質提升也具有重要作用。果園生草對土壤表層中微量元素有顯著調節作用。大量研究表明,生草梨園0～20 cm表層土壤有效鐵、錳、銅、鋅和全硼含量分別增加了16%、24%、57%、15%和21.80%,全鈣、全鎂含量分別降低了46.15%、39.87%,20～40 cm土層土壤全鈣、全鎂、全鋅和全硼的含量分別降低了29.73%、35.67%、9.68%和16.77%[31-32]。梁博文等[22]在東營孤島鎮梨園生草研究中發現:梨園生草后能顯著提高土壤各層全鈣、全鎂、全鐵、全鋅和全錳含量,且均表現為行間>株間,生草8年>生草4年>生草3年>清耕。

2.3 土壤微生物

土壤微生物能夠促進土壤中養分和能量代謝,其參與土壤腐殖質的分解、土壤的生化反應,維系著土壤生態系統的穩定[33],細菌、真菌在土壤中的數量變化,可作為土壤質量的表征依據[34]。梨園生草極大的豐富了土壤微生物的種類和數量。樊慧敏等[35]在冀南地區梨園生草后指出,0～20 cm和20～40 cm土層的土壤細菌數量、土壤放線菌數量、真菌數量比清耕處理分別增加了41.01%和29.62%、142.79%和132.23%、8.04%和23.61%。王艷廷等[8]通過PCR-DGGE檢測發現,生草4年多樣性指數和豐富度指數分別是清耕的1.14倍和1.35倍,生草9年是清耕的1.22倍和1.44倍。王國偉等[11]在西藏林芝地區梨園生草也得到類似結論。

2.4 土壤酶活性

土壤酶主要來源于植物根系、動物和微生物的分泌物,果園生草為土壤酶提供了更加豐富的存在環境。土壤酶與土壤中很多重要的物理、化學和生物化學反應,以及土壤有機質、腐殖質、微生物活性物質等均有密切的相關性,其活性可以作為土壤肥力的評價指標之一。土壤酶可以分為6大類,分別為氧化還原酶、水解酶、轉移酶、裂合酶、連接酶和異構酶,目前,果園生草對土壤酶的影響研究主要涉及前2種酶。有研究發現,果園生草對土壤表層酶的活化作用明顯[33],而對深層土壤作用較弱,但不同酶活性影響表現不一。

2.4.1 過氧化氫酶

土壤中過氧化氫酶是一種氧化還原酶,能夠促進過氧化氫的分解,利于防止過氧化氫對生物體的毒害作用。趙明新等[12]研究發現,梨園生草區0～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性均高于清耕區,20～40 cm土層過氧化氫酶活性顯著低于0～20 cm土層。王國偉等[11]在西藏林芝地區梨園生草試驗結果表明:行間人工生草較清耕均能顯著提高土壤過氧化氫酶的活性,鴨茅間作效果最佳,提高了48.40%。

2.4.2 多酚氧化酶

土壤多酚氧化酶是土壤中一種復合性氧化還原酶,其參與土壤中芳香族化合物的轉化和循環。趙明新[12]研究發現,梨園生草區0～40 cm土層土壤多酚氧化酶活性均高于清耕區,且在5月份達到最大值。王國偉等[11]也得到類似的結論。

2.4.3 脲酶活性

脲酶是土壤中唯一對尿素水解起重要作用的關鍵性水解酶。傅金輝[36]等發現,果園生草能夠明顯地提高冠下和行間表層土壤脲酶活性,脲酶活性較清耕提高了107.1%,且酶活性隨著生草年限的增加呈上升趨勢,清耕卻隨年限有所下降。王國偉、趙明新、黃雄等[11-12,18]也得到類似的結論。

總之,土壤中過氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶活性對土壤氮素的轉化與利用有密切的關系,過氧化氫酶與大多數養分有密切相關性。土壤中的酶活性高低是影響土壤礦物質養分及有機質形成的重要因子[12]。隨著土壤酶學的發展,梨園生草對土壤養分的活化、吸收作用以及影響各種酶活性的機理,也會研究的越來越深入。

3 對梨樹的影響

3.1 梨樹體生長

生草梨園內,草株植于梨樹行間或株間,牧草種類、生物生長量、根系深度、植株高度及覆蓋范圍等因素會影響梨樹體生長發育。劉芬紅等[28]連續3年在5年生的豐水、水晶梨園人工生草發現,相較清耕處理,梨樹新梢長度平均提高了15.3%。閆春鳴[15]在10年生的紅梨、酥梨園行間間作白三葉和多花黑草,第3年的試驗結果顯示,與清耕相比,梨樹單株的成枝數量、結果枝數量分別提高了20.8%和13.6%,72.45%和61.22%。趙明新[12]發現,雪青梨園種植三葉草較清耕處理,梨葉片凈光合速率和水分利用率分別提高了19.40%和39.06%,增加了梨葉片葉綠素含量。但果園生草栽培也會在一定程度上削弱樹勢,這一效應已在梨、蘋果等多種果樹上得到證實[37],這可能與草種過度競爭水分或氮肥有關,尤其是全園生草會削弱果樹樹勢,并且在干旱地區和幼齡果園比較明顯[6-7]。

3.2 果實產量和品質

閆春鳴[15]在河西走廊地區連續4年的梨園生草試驗結果表明:白三葉草處理單株梨樹平均產量、單果質量、果實維生素C含量和可溶性固形物質量分數比清耕園分別提高了33.10%、10.54%、4.19%和5.34%。辛賀明等[25]發現:梨園種植白三葉草3年后,平均每畝(667 m2)產量和單果質量均顯著高于清耕處理,分別提高了15.07%和14.12%,可溶性固形物質量分數和可滴定酸質量分數無顯著差異。趙明新、曹永和張厚華等[12,24,29]也得到類似的結論。但是,也有研究表明:生草栽培后,梨果實硬度、單果質量和單株平均產量與清耕對照區沒有顯著差異,僅果實可溶性固形物質量分數較清耕對照區略有提升[38]。以上不同試驗結果的出現,我認為可能與生草年限、生草種類和土壤條件等有關系。

4 對果園小氣候和生物多樣性的影響

4.1 空氣溫、濕度

侯啟昌[21]在黃河地區進行梨園生草試驗,結果表明:較清耕區,在晴天時,生草使果園溫度下降2～3 ℃,濕度上升10%～15%,陰雨天時差別不大。辛賀明[25]發現5月中旬至9月中旬,梨園生草區氣溫均顯著低于清耕區,降幅在1.11～3.13 ℃,氣溫越高,降溫效果越明顯。梨果膨大期到采收期間,梨園白三葉和黑麥草生草區空氣相對濕度均顯著高于清耕區,分別提高了3.69%～19.22%和3.59%～15.56%。這與桃、葡萄上的試驗研究結果基本一致[39-40]。

4.2 害蟲及其天敵的發生及生物多樣性

梨園生草豐富了地表植被面積,給許多生物提供了充足的蜜源植物和良好的生存環境,害蟲天敵種類和數量增加,豐富了梨園的生物多樣性,同時可以減輕某些害蟲的危害。伊興凱等[41]比較了種植三葉草、苕子,自然生草、清耕對照對梨園主要害蟲及其天敵的影響,發現:4月—10月害蟲總數量分別為2 026頭、2 622頭、3 267頭和122頭,天敵數量分別為300頭、378頭、149頭和8頭,且害蟲及其天敵的發生存在相似的消長規律。刁芬蘭等[26]連續3年生草試驗發現,三葉草區天敵較清耕區分別增加了46.82%、69.63%、78.97%;紫花苜蓿區增加了50.65%、83.78%、106.11%。侯啟昌[21]5月份在黃河地區梨園生草試驗,結果表明:生草區害蟲發生明顯輕于清耕對照區,梨癭蚊、梨木虱、梨二叉蚜、紅蜘蛛和桃蛀螟平均密度分別減少了90.33%、95.46%、99.67、99.93和70.00%;梨園生草利于害蟲天敵的招引和繁殖,生草區與對照區的龜紋瓢蟲、草蛉和小花蝽等天敵數量之比為2∶(1～9)∶1。

5 問題和展望

梨園生草可以改善梨園土壤理化性質,促進速效養分轉化,利于微生物生長,提高土壤酶活性,減少梨園病蟲草害,通過合理的生草模式還可以減少化肥和農藥的投入,節省生產成本,減輕環境污染,符合無公害水果生產的要求。盡管如此,我國梨園生草仍然存在一些問題。首先,梨園生草時間一般較短、推廣面積較少,很多果農更關注梨果,對于生草的成本投入有得不償失的擔憂,如生草消耗養分會遠大于提供給果園的;其次,現有的研究多集中在土壤、養分分配、天敵和果實質量等方面,仍有許多方面還沒有被探索,如草種根系微域環境下有效養分的轉化機理,草種和梨之間的相互作用機制等;最后,我國梨品種繁多,梨樹分布廣泛,因此需要因時、因地、因種制宜,確定最適合的草種。接下來,有必要就草種對梨樹的影響及其管理進行深入研究,結合當地的氣候和土壤條件,同時考慮成本支出、異株相克等因素,篩選出適宜本地的草種,制定梨園標準管理辦法,以完善梨園的土壤管理制度。