王 銳,閆鵬科,馬婷慧,齊雁冰,孫 權
(1.寧夏大學農學院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏農林科學院,寧夏 銀川 750001;3.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100)
釀酒葡萄作為寧夏優勢特色產業之一,截止2018年栽植面積達3.8×104hm2,年產葡萄酒10×104t。寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄產區具有“中國波爾多”之稱,是中國優質釀酒葡萄產區之一,該產區屬于典型的大陸性氣候,干旱少雨,日照充足,晝夜溫差大,有利于釀酒葡萄的種植,為釀造優質高檔葡萄酒提供原料[1-3];同時也面臨著許多問題,如土壤結構性差、養分不足、土壤微環境調控能力較弱,進而導致釀酒葡萄成熟過快、香氣物質累積不足、糖酸比不協調、葡萄酒品質下降等問題[3]。
果園生草也稱作生物覆蓋,是國內外普遍推行的一種現代化、標準化、可持續發展的果園土壤管理模式,目前主要以行間覆蓋為主,在蘋果園[4]、梨園[5]、橄欖園[6]和葡萄園[7-10]研究較多,果園生草可以抑制雜草生長[11],防止水土流失[12-13],減少風蝕量[14],降低病蟲害的發生[15-16],培肥土壤[17-18],改善土壤理化性狀[19-20]和微生物特性[10,18,20-21],提高果實品質[5,16,22]。Ruiz-Colmenero 等[23]對西班牙坡耕地葡萄園研究發現,生草模式下土壤侵蝕率下降50%~75%,產量減少29%~54%。惠竹梅等[9]對葡萄園行間生草研究表明,生草后固氮菌、纖維素分解菌和細菌數量分別升高223.4%、83.4%和68.1%,土壤有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量顯著提高,全磷和有效磷含量降低[9]。在降雨量較為豐富的區域,或者不需要補水灌溉的區域,通過行間生草實現全園覆蓋后,Irvin 等[24]在釀酒葡萄園行間種植蕎麥后漿果橫莖平均增大0.67 mm,含糖量下降3.2°Brix。‘赤霞珠’葡萄行間種植白三葉草、紫花苜蓿和高羊茅草,對葡萄酒香氣化合物的形成有促進作用,可以提高葡萄酒風味和質量[9,22]。Bouzas-Cid等[25]通過連續2年對‘門西亞’葡萄行間生草研究也表明,生草能夠提高葡萄酒中的花色苷含量。
由于干旱半干旱區降雨少,灌溉方式多以滴灌為主,在滴灌條件下,行內濕潤峰在距滴灌行左右兩側50 cm的行內,不足以滿足行間草生長的水分需求。在該地區通常采用的“廠”字型整形方式下,葡萄結果帶多暴露在距離地面40 cm高的水平帶上;成熟期光照反射強,溫度高,適當的生物覆蓋能有效調節結果帶微環境,因此改葡萄園行間生草為行內生草,既能適應干旱半干旱區葡萄優質栽培的自然生態條件,還能有效調節結果帶區域的微環境,有利于促進葡萄園生態環境的健康可持續發展。探討干旱半干旱區滴灌條件下行內生草對土壤微環境及釀酒葡萄漿果產量和品質的影響,解決葡萄園土壤肥力低下,釀酒葡萄成熟過快、香氣物質累積不足、糖酸比不協調等問題,可為旱區釀酒葡萄優質栽培及葡萄園生草模式的推廣提供理論依據。
本試驗于2017年4月至2018年9月在寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄核心產區立蘭酒莊進行,該酒莊位于寧夏銀川市永寧縣閩寧鎮(38°16′38″ N,105°58′20″ E),屬于溫帶干旱大陸性氣候,海拔約1 129 m,常年干旱少雨,年均降水量200 mm左右,年均氣溫8.8℃,晝夜溫差10~15℃,全年≥10℃積溫可達3 000℃以上,年日照時數2 800 h以上,無霜期150~170 d,水分蒸發強烈。該試驗區成土母質主要以洪積物為主,土壤類型為礫質灰鈣土,基本化學性質見表1。土壤有機質、堿解氮、全氮和全磷含量極低,有效磷含量次之,速效鉀含量較高;隨土層深度的增加,土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷的含量均逐漸下降。

表1 土壤基本化學性質
試驗采用單因素隨機區組設計,共設3個處理:清耕(CK)、自然生草(CZR)、種植馬齒莧(CMC),以清耕(CK)為對照,每個處理設3個重復,共9個小區,小區面積為60 m×3.5 m=210 m2,每個小區有釀酒葡萄樹100棵。供試釀酒葡萄是當地廣泛種植的6 a生‘赤霞珠’,南北行向定植,整形方式為長梢修剪傾斜上架,株行距0.6 m×3.5 m,種植密度4 760棵·hm-2。試驗處理具體操作如圖1:2017年4月初葡萄出土,4月下旬分別在距葡萄行左右兩側50 cm內均勻撒播馬齒莧,播量30 kg·hm-2,同時確定自然生草(主要草種有藜、打碗花、苦苦菜和駱駝蓬等)和清耕試驗區,各處理行間均采用清耕,深度約20 cm;7月中旬對自然生草和馬齒莧進行平茬一次(留茬高度10 cm左右),平茬后草繼續生長,以供結實,產生的種子自然成熟脫落后第2年自然繁育;10月中下旬葡萄埋土,將殘草直接翻壓還田;2018年4月葡萄出土,不需重復播種。所有處理施肥、灌溉、修剪整枝以及病蟲害防治等生產管理措施一致,均采用水肥一體化進行灌溉施肥,灌溉定額3 300 m3·hm-2,全生育期灌溉8次,施用釀酒葡萄全營養水溶肥,全生育期施肥量為750 kg·hm-2,共施肥5次。

圖1 試驗設計Fig.1 Experiment design
1.3.1 土壤物理性狀指標測定方法 土壤溫度:于2018年6月22日(幼果期)、7月31日(膨大期)和9月10日(成熟期)分別用5、10、15、20 cm和25 cm的直角地溫計測定14∶00時的地溫。土壤容重:于2018年9月下旬葡萄采收期,在0~20、20~40 cm和40~60 cm土層分別用環刀取樣,采用環刀法測定各土層土壤容重,并計算土壤總孔隙度[26]。
1.3.2 土壤化學性質指標測定方法 2017年4月下旬試驗處理前及2018年9月下旬葡萄采收期,每個處理按20 cm分層采集3個土壤樣品,將采回的土樣風干、磨細,過1 mm和0.25 mm篩,測定各土層土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷含量,具體測定方法參照《土壤農化分析(第三版)》[27]:有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;有效磷采用鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用火焰光度法測定;全氮采用凱氏定氮法測定;全磷采用鉬銻抗比色法測定。
1.3.3 土壤生物學特性指標測定方法 土壤酶活性:于2018年9月下旬葡萄采收期,每20 cm采集1個樣品,用保溫盒和冰袋將其帶回實驗室,4℃恒溫儲藏,用于測定土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性和過氧化氫酶活性。脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法[28];蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法[28];堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[28];過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[28]。土壤微生物數量:于2018年9月下旬葡萄采收期,每20 cm采1份樣品,用保溫盒和冰袋將所采土樣帶回實驗室,4℃恒溫儲藏,用稀釋平板分離計數法測定土壤細菌、真菌和放線菌三大微生物群落數量。細菌用牛肉膏蛋白胨培養基培養2~3 d,真菌用馬丁氏孟加拉紅培養基培養3~5 d,放線菌用高氏一號培養基培養5~7 d,算出土壤含水量,以每克干土所含菌落數(cfu)表示[29]。
1.3.4 釀酒葡萄產量及漿果品質指標測定方法 于2018年9月下旬葡萄采收期,對每個小區果實全部采摘分別測產后按面積折算為每公頃產量,同時每個處理各小區隨機采集20個有代表性果穗,在每個果穗的上、中、下3個部位隨機采集大小相近的15粒葡萄榨汁,用于測定可溶性固形物、可滴定酸、單寧、總酚和花色苷。用手持糖量計法測定可溶性固形物,NaOH滴定法測定可滴定酸,單寧采用福林-丹寧斯(Folin-Denis)法,總酚的測定采用福林-肖卡法,采用pH示差法測定葡萄果皮中的總花色苷[30]。
采用Excel 2007整理數據和制圖,SPSS 21.0軟件進行方差分析和主成分分析,顯著性水平為0.05,并用Duncan新復極差法(P<0.05)進行多重比較,表中數據為平均值±標準誤。
2.1.1 生草對土壤溫度的影響 土壤溫度的變化是評價生草對釀酒葡萄園土壤微環境影響的重要指標。釀酒葡萄主要生育期各處理0~25 cm土層土壤溫度如圖2所示,生草對降低表層土壤溫度有顯著影響,各處理隨土層深度的增加,土壤溫度逐漸下降,各生育期CZR和CMC處理0~25 cm土層溫度均低于CK處理。幼果期(圖2A),5 cm土層CZR和CMC處理較CK處理土壤溫度分別降低了1.3℃和3.0℃,從10~15 cm起,隨土層深度的增加CZR和CK處理土壤溫度急劇下降,在土層深度15 cm處,CZR和CK處理土壤溫度較CMC處理分別高1.7℃和0.6℃。果實膨大期(圖2B),CZR和CMC處理對降低土壤溫度有顯著效果,由于該時期降雨少,氣溫高,生草減少了太陽對地面的直接輻射,在5 cm土層溫度最高,CZR和CMC處理分別較CK處理降低2.5℃和3.9℃;隨土層深度增加,各處理土壤溫度逐漸接近,其中CK處理溫度降低速度最快,CMC、CZR和CK處理從5 cm到25 cm土壤溫度分別下降4.4℃、4.9℃和7.7℃。果實成熟期(圖2C),在0~10 cm土層,CZR和CMC處理溫度無顯著變化,CK處理溫度降低,各處理土溫從15~25 cm土層隨深度增加逐漸降低,處理間土壤溫度逐漸接近。
2.1.2 生草對土壤容重和總孔隙度的影響 土壤容重是反映土壤緊實程度的重要指標之一。生草對釀酒葡萄收獲期表層(0~20 cm)土壤容重有顯著影響,隨土層深度的增加各處理間土壤容重差異不顯著(圖3A),各處理0~60 cm土壤容重隨土壤深度增加表現出先增加后降低,在0~20 cm土層CZR和CMC處理較CK處理土壤容重分別降低1.37%和3.42%,各處理在20~40 cm和40~60 cm土層土壤容重差異不顯著;20~40 cm土層土壤容重大小順序為:CK>CZR>CMC;40~60 cm土層CZR處理土壤容重最小,較CK和CMC處理分別低2.00%和0.68%。土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反,生草能夠改善土壤孔隙狀況,生草處理表層土壤總孔隙度顯著高于清耕處理,中下層(40~60 cm)土壤總孔隙度差異不顯著(圖3B),在0~20 cm土層土壤總孔隙度大小順序為:CMC>CZR>CK,其中CMC處理較CZR和CK處理分別高4.19%和2.47%;20~40 cm土層CK處理較CZR和CMC處理土壤總孔隙度分別低0.88%和2.58%;40~60 cm土層CZR和CMC處理較CK處理土壤總孔隙度分別高2.60%和1.73%。

注:CK:清耕,CZR:自然生草,CMC:馬齒莧,下同。Note: CK: Clean tillage; CZR: The natural grass; CMC: Artificially planted purslane, the same below.圖2 不同處理幼果期(A)、膨大期(B)、成熟期(C)地下0~25 cm土層溫度變化曲線Fig.2 Temperature curve of 0~25 cm underground in different treatments at young fruit stage (A), expanding stage(B) and mature stage (C)

注:圖中小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note: The lowercase letters in eachFigure indicate significant differences at the 0.05 level, the same below.圖3 不同處理對0~60 cm土層土壤容重和孔隙度的影響Fig.3 Effects of different treatments on 0~60 cm soil bulk density and total porosity
由表2可知,各處理隨著土層深度的增加,土壤肥力逐漸降低,處理間土壤肥力有顯著性差異。0~20 cm土層,CMC處理較CZR和CK處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷分別高41.95%和26.16%、85.46%和43.99%、35.34%和11.47%、33.33%和39.23%、43.48%和69.23%、25.00%和6.06%;20~40 cm土層,CK處理較CZR處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和全磷分別低20.38%、22.06%、18.42%、9.87%和18.52%,僅全氮高16.28%,較CMC處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷分別低37.71%、28.63%、23.97%、26.09%、13.79%和21.43%;40~60 cm土層,CMC處理土壤肥力較CZR和CK處理有顯著性差異(CZR與CMC的堿解氮除外),CZR處理較CK處理僅有機質、堿解氮和全磷差異性顯著,CZR處理較CK處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮分別高4.43%、11.46%、9.00%、9.59%、9.09%,僅全磷低14.29%,CMC處理較CK處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷分別高12.07%、10.22%、21.90%、18.83%、12.12%和9.52%。

表2 不同處理對0~60 cm土層土壤肥力的影響
2.3.1 生草對葡萄園土壤酶活性的影響 土壤酶活性能夠反映土壤養分轉化能力強弱,是評價生草對釀酒葡萄園土壤肥力影響的重要生物學指標。各處理0~60 cm土層土壤酶活性如圖4所示,生草對表層(0~20 cm)土壤酶活性有顯著影響,各處理隨土層深度的增加,土壤酶活性逐漸下降。土壤脲酶活性(圖4A)在0~60 cm土層CZR和CMC處理高于CK處理,0~20 cm土層CMC處理較CZR和CK處理分別高28.40%和48.74%,20~40 cm土層CK處理較CZR和CMC處理分別低32.34%和63.36%,40~60 cm土層CZR和CK處理較CMC處理分別低14.64%和17.03%。土壤蔗糖酶活性(圖4B)在中上層(0~40 cm)各處理間差異顯著,其中,0~20 cm土層CMC處理分別是CZR和CK處理的1.75倍和2.11倍,20~40 cm土層,CZR和CK處理較CMC處理分別低29.42%和50.11%,40~60 cm土層各處理間差異不顯著,CMC處理較CZR和CK處理分別低20.49%和17.28%。堿性磷酸酶活性(圖4C)在0~60 cm土層CMC處理均高于CZR和CMC處理,0~20 cm土層CZR和CMC處理是CK處理的2.86倍和1.49倍,20~40 cm土層CMC和CZR處理較CK處理分別高107.69%和28.55%,40~60 cm土層CMC和CZR處理分別較CK處理高17.31%和9.08%。土壤過氧化氫酶活性(圖4D)隨土壤深度的增加呈降低趨勢,0~20 cm土層CK處理較CZR和CMC處理分別低6.90%和14.96%,20~40 cm土層CMC處理和CZR處理無差異,分別較CK處理高9.68%和11.83%,40~60 cm土層CZR處理最高,較CMC和CK處理分別高2.27%和9.76%,差異不顯著。

圖4 不同處理對0~60 cm土壤酶活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on 0~60 cm soil enzyme activity
2.3.2 生草對葡萄園微生物數量的影響 土壤微生物是土壤生態系統中的重要組成部分,其數量多少和細菌/真菌(B/F)值直接反映了土壤肥力的大小。各處理不同土層微生物數量的變化如表3所示,各處理隨土層深度的增加,微生物總數逐漸減少;CZR和CMC處理隨土層深度的增加,細菌、真菌和放線菌數量呈下降趨勢,CK處理土壤細菌和真菌數量在表層(0~20 cm)最多,放線菌數量在20~40 cm土層最高。0~20 cm土層CMC和CZR處理較CK處理細菌數量、真菌數量、放線菌數量、微生物總數和B/F值分別高29.50%和58.99%、27.05%和40.98%、11.43%和47.62%、22.04%和54.29%、1.93%和12.78%;20~40 cm土層CK處理較CZR和CMC處理細菌數量少40.83%和47.92%,CZR處理真菌數量、放線菌數量最低,分別較CK和CMC處理低6.67%和11.11%、29.27%和34.59%,各處理微生物總數和B/F值大小順序為:CMC>CZR>CK;各處理40~60 cm土層細菌數量、真菌數量和放線菌數量與0~20 cm和20~40 cm土層相比,均達到最低,CMC處理較CZR和CK處理微生物總數分別高70.71%和36.36%,CZR處理的B/F值最低,較CK和CMC處理分別低1.91%和6.62%。

表3 不同處理對0~60 cm土層土壤微生物數量的影響
由表4可知,生草對釀酒葡萄產量影響不顯著,與CK處理相比,CZR和CMC處理產量分別下降3.75%和3.27%。可溶性固形物、可滴定酸、單寧、總酚和花色苷是評價釀酒葡萄漿果品質的重要指標,生草對釀酒葡萄漿果品質有顯著影響。可溶性固形物是指可溶性糖或其它可溶性物質,CK處理可溶性固形物含量最高,較CZR和CMC處理分別高1.35%和3.86%;可滴定酸含量CMC處理最高,較CZR和CK處理分別高1.41%和16.13%;單寧含量的多少決定葡萄酒的風味、結構與質地,CZR和CMC處理單寧含量分別較CK處理高20.35%和24.91%;酚類物質是釀酒葡萄中重要的次生代謝物質,與葡萄汁的色澤和風味密切相關,CZR和CMC處理總酚含量較CK處理分別高26.65%和24.41%;花色苷是存在于葡萄皮中的一種類黃酮多酚物質,生草能顯著提高釀酒葡萄的花色苷含量,CK處理較CZR和CMC處理分別低24.67%和29.16%;糖酸比是判斷釀酒葡萄果實成熟度的重要指標之一,CMC和CZR處理較CK處理糖酸比分別降低17.10%和13.85%。

表4 生草對釀酒葡萄漿果產量及品質的影響
無法通過單一指標評價行內生草對釀酒葡萄園土壤微環境及漿果產量品質的影響,因此,采用主成分分析法,對土壤微環境指標和釀酒葡萄漿果產量和品質進行綜合分析,可以更加科學地篩選出最優試驗處理。以土壤物理性質、化學性質、生物學特性和釀酒葡萄漿果產量品質為評價指標,進行主成分分析,第一主成分貢獻率為88.25%>85%,基本涵蓋了土壤微環境和漿果產量品質的全部信息,結果如表5所示,CZR和CMC處理的綜合得分均高于CK處理,綜合得分排名依次為:CMC>CZR>CK。

表5 主成分得分與綜合得分
葡萄園生態栽培是指以葡萄樹為中心,通過生草對土壤微環境進行人工調控,使園內有限的資源得以充分利用[31]。旱區釀酒葡萄園行內生草能顯著降低土壤表層溫度,隨土層深度增加溫度變化幅度逐漸變小,同時降低土壤容重,增加總孔隙度,與楊江山等[32]和惠竹梅等[33]研究結果一致。分析其原因是:生草能夠減少太陽對地面的直接輻射,減緩了熱量向深層土壤的傳遞,進而降低了地表溫度,不同草種之間長勢差異導致土壤和環境溫度降低程度不同;同時生草不但可以減少機械耕作對土壤的碾壓,而且生草還田在微生物和酶的作用下,分解形成有機物質,改善土壤緊實度和孔隙狀況。
植物生長的主要營養來源于土壤,土壤養分含量多少直接影響著植物的形成和發展過程。有研究表明,果園連續生草3 a土壤有機質增加16.25%~43.75%,土壤全氮提升50%左右,堿解氮降低4.73%~34.32%,有效磷增加81.93%~332.53%,速效鉀增加49.24%~89.34%[34]。本研究發現,生草能顯著提高土壤肥力,隨著土層深度的增加,土壤肥力逐漸降低。究其原因可能為:不同草種所含營養物質種類和含量不同,同時生草還田改善了土壤的微生物環境,使微生物分解能力增強,有利于殘草分解,增加了土壤的有機物質含量,提高了土壤對N、P、K的吸附能力,使土壤N、P、K等元素均衡供應[5,34];另外植物根系分泌物中的有機酸類物質通過電離H+酸化土壤環境或通過交換和還原作用,使土壤中的難溶性營養物質活化[35]。
土壤微生物是土壤物質循環的主要動力,土壤微生物種類和數量直接影響著土壤養分循環、物質和能量轉化的過程,進而影響著土壤肥力的大小[36]。土壤酶是參與土壤新陳代謝的重要物質,是具有催化能力的“特殊有機體”,表征土壤養分轉化能力的強弱,是土壤評價體系中重要的生物學指標[37]。本研究認為,連續生草2 a能顯著增加中上層(0~40 cm)土壤酶活性,極顯著地提高了土壤細菌、真菌和放線菌的數量,其中自然生草和馬齒莧處理下微生物總數平均提高21.65%和53.70%;相同自然條件下,由于馬齒莧處理生物量較自然草更大,覆蓋度和均勻度更好,該區域種植馬齒莧更有利于土壤微環境的改善。這是因為:生草降低了土壤表層溫度,為微生物提供了適宜的生活環境,同時草自身含有大量有機質和N、P、K,生草還田為土壤微生物的生長提供了豐富營養,促進土壤微生物的繁殖[5];同時,植物根系分泌、殘體腐解和土壤動物活動產生大量的酶[36,38],當土壤有機質含量增加時,土壤酶積極參與有機質的分解與轉化,進而活性增強[39]。
在干旱半干旱區,夏季高溫干旱致使釀酒葡萄果實糖酸比過早達到采收要求,而單寧、酚類物質、花色苷含量較低,香氣物質積累不足,進而影響葡萄酒的品質。葡萄園生草能夠調節釀酒葡萄漿果糖酸比,促進香氣物質積累,進而提高葡萄酒的品質。Irvin等[24]研究結果表明,行內種植蕎麥使釀酒葡萄漿果含糖量下降3.2°Brix,同時降低果實脫水萎縮比例。Muscas等[16]研究認為,生草年份的增加對可滴定酸無顯著影響,能顯著增加釀酒葡萄漿果可溶性固形物含量,生禾本科植物能增加釀酒葡萄漿果的總酚和花色苷含量,生豆科植物則相反。本研究結果表明,連續2 a行內生馬齒莧和自然草對釀酒葡萄產量影響不顯著,能夠顯著調節果實糖酸比,增加單寧、總酚和花色苷含量,CZR和CMC處理較CK處理產量分別下降3.75%和3.27%、可溶性固形物含量分別下降1.33%和3.72%,可滴定酸、單寧、總酚和花色苷含量分別增加14.52%和16.13%、21.23%和25.82%、26.65%和24.41%、32.75%和41.16%,糖酸比分別降低13.85%和17.10%。原因可能為:(1)草的根系主要分布在0~20 cm土層,釀酒葡萄的根系主要分布在20~60 cm土層,草與釀酒葡萄在0~20 cm土層對養分和水分的競爭強烈,在20 cm土層以下競爭減弱,故對產量影響不顯著;(2)生草降低了土壤和釀酒葡萄冠層溫度,使糖代謝過程中各種酶的活性增強,不利于糖分累積,而抑制蘋果酸的降解[40],進而降低糖酸比,促進單寧及酚類物質的合成,同時減少高溫導致的果實灼傷率,促進花色苷的合成。
旱區葡萄園行內生草能有效降低且穩定地表溫度,降低土壤容重,改善土壤孔隙狀況,提高土壤肥力,增加土壤酶活性和微生物數量,在獲得穩定產量的同時能夠有效調節釀酒葡萄漿果糖酸比,促進漿果單寧、總酚和花色苷含量,尤其以行內種植馬齒莧效果為最佳。