梨園生草的研究進(jìn)展

李貴美,張國(guó)棟,陳澤浩,張 明

(聊城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東 聊城 252000)

果園生草作為一種先進(jìn)的土壤管理方式,在美國(guó)、歐盟和日本等許多國(guó)家和地區(qū)60%～75%以上面積的果園均實(shí)施了生草制度,有的國(guó)家推廣面積甚至超過(guò)了90%,而我國(guó)果園生草面積不足10%。清耕法是我國(guó)果園傳統(tǒng)的土壤管理制度,目前,我國(guó)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(zhǎng)期清耕會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致果園土壤有機(jī)質(zhì)迅速減少[5],不利于發(fā)揮果園的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和綜合效益。

梨是世界四大水果之一,在我國(guó)水果生產(chǎn)中占有重要的地位,產(chǎn)量?jī)H次于柑橘和蘋果。近年來(lái),梨產(chǎn)量逐年增加,而梨果品質(zhì)不高等問(wèn)題愈發(fā)凸顯,成為制約我國(guó)梨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重要因素之一。究其原因,主要與我國(guó)梨生產(chǎn)管理模式落后有關(guān)。近年來(lái),許多學(xué)者著手研究梨園生草的諸多方面,結(jié)果表明,梨園生草能夠綜合提升果園生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益,具體表現(xiàn)在協(xié)調(diào)土壤三相物質(zhì)構(gòu)成,改善土壤孔隙性、土壤結(jié)構(gòu)等理化性狀,提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,提升果品質(zhì)量,防止水分的地表徑流,縮減梨園生產(chǎn)用工成本,利于機(jī)械化操作,便于實(shí)施生物防治病蟲(chóng)害等。因此,筆者總結(jié)了近15年來(lái)的生草試驗(yàn)研究,從生草概述及其對(duì)土壤、樹(shù)體、微域環(huán)境等幾個(gè)方面的影響綜述了我國(guó)梨園生草研究進(jìn)展,并提出問(wèn)題和思考,期望為進(jìn)一步實(shí)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(dá)到草本植物與果樹(shù)共同促進(jìn)生長(zhǎng)的效果,形成以維持果園土壤肥水為核心的可持續(xù)發(fā)展土壤管理體系技術(shù)。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(zhǎng)強(qiáng)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(zhǎng)的栽培方式。人工生草指人為選擇特定的草種在梨園進(jìn)行種植的生草模式。據(jù)生草區(qū)域的不同,梨園生草可以分為全園生草和行間生草。在養(yǎng)分和水分供應(yīng)充足的成齡梨園,可實(shí)行全園生草;在土壤貧瘠,排灌水系統(tǒng)較差的梨園,可以采用行間生草。對(duì)于草種的選擇和種植方式,最常見(jiàn)的是選用豆科、禾本科草種,采取單獨(dú)播種,或者豆科與禾本科混種。大部分的研究結(jié)果表明:由于草種與果樹(shù)之間存在較強(qiáng)的水分、氮肥競(jìng)爭(zhēng),旱地果園和幼齡樹(shù)果園均不適宜進(jìn)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(dá)到一定高度時(shí),及時(shí)進(jìn)行刈割。

2 生草對(duì)梨園土壤的影響

2.1 對(duì)土壤理化性質(zhì)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(yàn)的結(jié)果顯示,自然生草后土壤孔隙度約是清耕對(duì)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(fā)現(xiàn),砂梨園生草3年,生草區(qū)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(guó)偉等[10-11]也得到了類似的結(jié)論。梨園生草后,牧草的根系扎入土壤,擴(kuò)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(duì)穩(wěn)定。研究表明,梨園行間生草區(qū)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(dòng),而清耕區(qū)土溫變化幅度在10 ℃左右[12-13]。生草區(qū)冬季地溫較清耕區(qū)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(qū)在7:00略高于清耕對(duì)照區(qū),或與之相同;而在14:00明顯低于清耕對(duì)照區(qū)[15]?？傊?生草處理可以遮住地面,減少由于太陽(yáng)直射而導(dǎo)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(yǎng)土壤水分的作用。大量研究表明,梨園生草當(dāng)年的4月—10月生草處理區(qū)土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定,在22%～46%之間變化,清耕處理區(qū)土壤含水量變化幅度在18%～60%[12];香梨生草覆草當(dāng)年耗水量差異不大,此后的4年耗水量均比清耕對(duì)照有所降低,且時(shí)間越長(zhǎng),降低越明顯[11,16-17]。但是,當(dāng)土壤水分不足時(shí),牧草和果樹(shù)會(huì)存在水分的競(jìng)爭(zhēng)。研究發(fā)現(xiàn),旱季時(shí),生草區(qū)10～30 cm土層土壤含水量顯著低于清耕區(qū),且隨著土層深度的增加呈降低趨勢(shì)[10,13,18-19]。梨園生草對(duì)土壤水分的影響結(jié)果,可能與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤類型、牧草種類等因素有關(guān)。

2.1.4 土壤pH值

梨園生草使得土壤的pH值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。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(qū)域?qū)ν寥纏H值降低的效應(yīng)不同[11,20-22]。進(jìn)一步開(kāi)展生草對(duì)土壤酸堿性影響的研究,可能對(duì)鹽堿地果園土壤改良具有重要意義。

2.1.5 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)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(nèi),土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)[8]。研究表明,梨園進(jìn)行自然生草和人工生草,相較清耕,土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了7.1%～10.95%和7.9%～24.82%[15,21]。在梨果實(shí)膨大到采收期間,生草區(qū)0～80 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量均高于清耕區(qū),且在其垂直土壤剖面,生草區(qū)與對(duì)照區(qū)有機(jī)質(zhì)含量均自表層沿剖面遞減[12-13,21,24-25]。連年生草,土壤有機(jī)質(zhì)隨生草年限的遞增逐年增加[18,22,26-28]。在梨園實(shí)行生草制度,牧草的根系殘留物、分泌物在土壤中降解并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì),土壤中有機(jī)物積累下來(lái),使得土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。

土壤有機(jī)質(zhì)分解可產(chǎn)生胡敏酸,它能夠促進(jìn)梨樹(shù)根系的呼吸作用,增強(qiáng)細(xì)胞膜的滲透性,提高對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收能力,促進(jìn)細(xì)胞分裂,加速梨樹(shù)體的生長(zhǎng)。在砂質(zhì)土壤中,由于胡敏酸的黏著力和黏結(jié)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(shù)為266條,而清耕區(qū)幾乎沒(méi)有。

2.2 土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素

2.2.1 大量元素

梨園生草能夠有效提高土壤庫(kù)氮、磷、鉀等有效養(yǎng)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(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)果。這可能與生草具有活化有機(jī)態(tài)氮、磷、鉀的功能有關(guān),其中具體的原理機(jī)制有待進(jìn)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(shí)產(chǎn)量,對(duì)果實(shí)品質(zhì)提升也具有重要作用。果園生草對(duì)土壤表層中微量元素有顯著調(diào)節(jié)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(yíng)孤島鎮(zhèn)梨園生草研究中發(fā)現(xiàn):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(xiàn)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(jìn)土壤中養(yǎng)分和能量代謝,其參與土壤腐殖質(zhì)的分解、土壤的生化反應(yīng),維系著土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[33],細(xì)菌、真菌在土壤中的數(shù)量變化,可作為土壤質(zhì)量的表征依據(jù)[34]。梨園生草極大的豐富了土壤微生物的種類和數(shù)量。樊慧敏等[35]在冀南地區(qū)梨園生草后指出,0～20 cm和20～40 cm土層的土壤細(xì)菌數(shù)量、土壤放線菌數(shù)量、真菌數(shù)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(guò)PCR-DGGE檢測(cè)發(fā)現(xiàn),生草4年多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)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(guó)偉等[11]在西藏林芝地區(qū)梨園生草也得到類似結(jié)論。

2.4 土壤酶活性

土壤酶主要來(lái)源于植物根系、動(dòng)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(huán)境。土壤酶與土壤中很多重要的物理、化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng),以及土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、微生物活性物質(zhì)等均有密切的相關(guān)性,其活性可以作為土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。土壤酶可以分為6大類,分別為氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶和異構(gòu)酶,目前,果園生草對(duì)土壤酶的影響研究主要涉及前2種酶。有研究發(fā)現(xiàn),果園生草對(duì)土壤表層酶的活化作用明顯[33],而對(duì)深層土壤作用較弱,但不同酶活性影響表現(xiàn)不一。

2.4.1 過(guò)氧化氫酶

土壤中過(guò)氧化氫酶是一種氧化還原酶,能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解,利于防止過(guò)氧化氫對(duì)生物體的毒害作用。趙明新等[12]研究發(fā)現(xiàn),梨園生草區(qū)0～40 cm土層土壤過(guò)氧化氫酶活性均高于清耕區(qū),20～40 cm土層過(guò)氧化氫酶活性顯著低于0～20 cm土層。王國(guó)偉等[11]在西藏林芝地區(qū)梨園生草試驗(yàn)結(jié)果表明:行間人工生草較清耕均能顯著提高土壤過(guò)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(fù)合性氧化還原酶,其參與土壤中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化和循環(huán)。趙明新[12]研究發(fā)現(xiàn),梨園生草區(qū)0～40 cm土層土壤多酚氧化酶活性均高于清耕區(qū),且在5月份達(dá)到最大值。王國(guó)偉等[11]也得到類似的結(jié)論。

2.4.3 脲酶活性

脲酶是土壤中唯一對(duì)尿素水解起重要作用的關(guān)鍵性水解酶。傅金輝[36]等發(fā)現(xiàn),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(shì),清耕卻隨年限有所下降。王國(guó)偉、趙明新、黃雄等[11-12,18]也得到類似的結(jié)論。

總之,土壤中過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶活性對(duì)土壤氮素的轉(zhuǎn)化與利用有密切的關(guān)系,過(guò)氧化氫酶與大多數(shù)養(yǎng)分有密切相關(guān)性。土壤中的酶活性高低是影響土壤礦物質(zhì)養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)形成的重要因子[12]。隨著土壤酶學(xué)的發(fā)展,梨園生草對(duì)土壤養(yǎng)分的活化、吸收作用以及影響各種酶活性的機(jī)理,也會(huì)研究的越來(lái)越深入。

3 對(duì)梨樹(shù)的影響

3.1 梨樹(shù)體生長(zhǎng)

生草梨園內(nèi),草株植于梨樹(shù)行間或株間,牧草種類、生物生長(zhǎng)量、根系深度、植株高度及覆蓋范圍等因素會(huì)影響梨樹(shù)體生長(zhǎng)發(fā)育。劉芬紅等[28]連續(xù)3年在5年生的豐水、水晶梨園人工生草發(fā)現(xiàn),相較清耕處理,梨樹(shù)新梢長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果顯示,與清耕相比,梨樹(shù)單株的成枝數(shù)量、結(jié)果枝數(shù)量分別提高了20.8%和13.6%,72.45%和61.22%。趙明新[12]發(fā)現(xiàn),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(huì)在一定程度上削弱樹(shù)勢(shì),這一效應(yīng)已在梨、蘋果等多種果樹(shù)上得到證實(shí)[37],這可能與草種過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)水分或氮肥有關(guān),尤其是全園生草會(huì)削弱果樹(shù)樹(shù)勢(shì),并且在干旱地區(qū)和幼齡果園比較明顯[6-7]。

3.2 果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)

閆春鳴[15]在河西走廊地區(qū)連續(xù)4年的梨園生草試驗(yàn)結(jié)果表明:白三葉草處理單株梨樹(shù)平均產(chǎn)量、單果質(zhì)量、果實(shí)維生素C含量和可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比清耕園分別提高了33.10%、10.54%、4.19%和5.34%。辛賀明等[25]發(fā)現(xiàn):梨園種植白三葉草3年后,平均每畝(667 m2)產(chǎn)量和單果質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)和可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差異。趙明新、曹永和張厚華等[12,24,29]也得到類似的結(jié)論。但是,也有研究表明:生草栽培后,梨果實(shí)硬度、單果質(zhì)量和單株平均產(chǎn)量與清耕對(duì)照區(qū)沒(méi)有顯著差異,僅果實(shí)可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較清耕對(duì)照區(qū)略有提升[38]。以上不同試驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn),我認(rèn)為可能與生草年限、生草種類和土壤條件等有關(guān)系。

4 對(duì)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(qū)進(jìn)行梨園生草試驗(yàn),結(jié)果表明:較清耕區(qū),在晴天時(shí),生草使果園溫度下降2～3 ℃,濕度上升10%～15%,陰雨天時(shí)差別不大。辛賀明[25]發(fā)現(xiàn)5月中旬至9月中旬,梨園生草區(qū)氣溫均顯著低于清耕區(qū),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(qū)空氣相對(duì)濕度均顯著高于清耕區(qū),分別提高了3.69%～19.22%和3.59%～15.56%。這與桃、葡萄上的試驗(yàn)研究結(jié)果基本一致[39-40]。

4.2 害蟲(chóng)及其天敵的發(fā)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(huán)境,害蟲(chóng)天敵種類和數(shù)量增加,豐富了梨園的生物多樣性,同時(shí)可以減輕某些害蟲(chóng)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(duì)照對(duì)梨園主要害蟲(chóng)及其天敵的影響,發(fā)現(xiàn):4月—10月害蟲(chóng)總數(shù)量分別為2 026頭、2 622頭、3 267頭和122頭,天敵數(shù)量分別為300頭、378頭、149頭和8頭,且害蟲(chóng)及其天敵的發(fā)生存在相似的消長(zhǎng)規(guī)律。刁芬蘭等[26]連續(xù)3年生草試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三葉草區(qū)天敵較清耕區(qū)分別增加了46.82%、69.63%、78.97%;紫花苜蓿區(qū)增加了50.65%、83.78%、106.11%。侯啟昌[21]5月份在黃河地區(qū)梨園生草試驗(yàn),結(jié)果表明:生草區(qū)害蟲(chóng)發(fā)生明顯輕于清耕對(duì)照區(qū),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(chóng)天敵的招引和繁殖,生草區(qū)與對(duì)照區(qū)的龜紋瓢蟲(chóng)、草蛉和小花蝽等天敵數(shù)量之比為2∶(1～9)∶1。

5 問(wèn)題和展望

梨園生草可以改善梨園土壤理化性質(zhì),促進(jìn)速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,利于微生物生長(zhǎng),提高土壤酶活性,減少梨園病蟲(chóng)草害,通過(guò)合理的生草模式還可以減少化肥和農(nóng)藥的投入,節(jié)省生產(chǎn)成本,減輕環(huán)境污染,符合無(wú)公害水果生產(chǎn)的要求。盡管如此,我國(guó)梨園生草仍然存在一些問(wèn)題。首先,梨園生草時(shí)間一般較短、推廣面積較少,很多果農(nóng)更關(guān)注梨果,對(duì)于生草的成本投入有得不償失的擔(dān)憂,如生草消耗養(yǎng)分會(huì)遠(yuǎn)大于提供給果園的;其次,現(xiàn)有的研究多集中在土壤、養(yǎng)分分配、天敵和果實(shí)質(zhì)量等方面,仍有許多方面還沒(méi)有被探索,如草種根系微域環(huán)境下有效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化機(jī)理,草種和梨之間的相互作用機(jī)制等;最后,我國(guó)梨品種繁多,梨樹(shù)分布廣泛,因此需要因時(shí)、因地、因種制宜,確定最適合的草種。接下來(lái),有必要就草種對(duì)梨樹(shù)的影響及其管理進(jìn)行深入研究,結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯寥罈l件,同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)管理辦法,以完善梨園的土壤管理制度。