果園生草改善土壤質量和錐栗農藝性狀的效果

余錦林，尤龍輝，徐惠昌，游惠明，程分生，聶 森，葉功富，李建民，黃勇來，黃愛珍

（1.福建農林大學林學院, 福建 福州 350002；2.福建省林業科學研究院, 福建 福州 350012；3.福州市林業局自然保護地規劃發展中心, 福建 福州 350007；4.福建省建甌市林業局, 福建 建甌 353100）

土壤質量是土壤在生態系統中維持環境質量、促進動植物生產的能力，土壤的生物、化學和物理屬性是評價土壤質量的關鍵[1]。其中，土壤微生物被認為是表征土壤質量變化最敏感、最有潛力的生物指標之一[2]，土壤物理性狀對土壤肥力具有深刻的影響，而土壤養分是植物生長發育所必需的物質基礎[3]。研究表明，不同土地利用類型使土壤質量存在較大差異，李英等[4]指出，受人為干擾的果園，其土壤濕度、養分含量及微生物生物量均顯著低于天然林。長期以來，我國果園的地面管理方式以清耕和施用化肥、除草劑等高強度集約經營為主，導致林地生物多樣性降低、土壤質量下降等一系列問題[5]。

近年來，生草栽培被證明是果園土壤管理的有效措施，果園生草法源于歐美與日本，是采用全園或帶狀人工生草，或除去園內部分不適宜的自然雜草，逐漸達到免耕目的的新型低強度果園地面管理方式[6]。生草栽培能改善果園生態微域環境，提高土壤質量，促進果樹生長，提高果實品質[5-7]。然而，各草種對不同水熱狀況、立地條件的適應性不同。研究表明，橘園種植白三葉（Trifolium repens)對土壤有機質含量的提高優于黑麥草（Lolium perenne)[8]，而在獼猴桃（Actinidia chinensis)園表現為黑麥草優于白三葉[9]；種植紫花苜蓿對桃子（Amygdalus persica)果實品質的提高優于黑麥草[10]，而兩者對香梨（Pyrusspp.)果實品質的改善卻恰好相反[11]。可見，因地制宜探究不同草種栽培對果園的影響，能為果園實施生草栽培提供理論支撐和實踐依據。

錐栗（Castanea henryi)是殼斗科栗屬喬木，原產于福建建甌，是我國南方著名的木本糧食樹種，其果實甜香可口且營養豐富，已成為丘陵山區重要的財政收入和農民增收的主要來源之一[12]。但傳統錐栗園亦以清耕和噴施草甘膦除草等高強度集約經營為主，園區土壤質量降低，果樹早衰減產等問題突出[13]。當前，有關如何應用生草栽培技術改善錐栗園土壤質量，提升錐栗果實農藝性狀的研究成果鮮見報道。

綜上所述，本研究擬提出以下科學問題：生草栽培是否對錐栗園的土壤質量有積極影響？若有，是否會進一步影響錐栗果實產量與品質？生草栽培影響錐栗園果實產量的機制是什么？針對以上問題，本研究以建甌錐栗園不同生草栽培、清耕及噴施草甘膦處理為研究對象試分析：不同草種對錐栗園土壤質量的影響是否存在差異；不同草種對錐栗園果實產量和品質的影響是否存在差異；生草栽培對錐栗園土壤及果實的影響機制。本研究有利于闡明生草法對南方紅壤丘陵山地錐栗園土壤及果樹的作用機理，及其替代傳統果園地面管理方式的可行性，對制定錐栗園生草制度、打造高品質生態錐栗園和推進錐栗產業高質量發展均有重要的現實意義。

1 研究區域及研究方法

1.1 研究區概況

建甌市龍村鄉位于武夷山脈東南麓，平均海拔609 m，是我國南方典型的丘陵山地，118°15′33″ E，27°28′57″ N，年均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 774 mm，無霜期270 d 以上，晝夜溫差較大，水熱條件優越，屬南亞熱帶季風氣候。土壤以片麻巖、花崗巖等發育形成的山地紅壤為主，pH 5.0～5.2，適宜錐栗生長。龍村鄉的錐栗種質資源豐富，形成了以‘白露仔’、‘長芒仔’、‘油榛’和‘圓蒂仔’等為主的優良品種。

1.2 試驗設計與調查方法

2018 年，在建甌市龍村鄉選取集中連片且立地條件基本一致的試驗錐栗園，采用隨機區組設計，將供試樣地分為面積0.3～0.5 hm2的若干試驗小區，全園清除自然雜草后，設置撒播鼠茅草 （Vulpia myuros, VM)籽、光 葉 紫 花 苕 （Vicia villosa, VV)、黑麥草 （Lolium perenne, LP)籽、 紫云英 （Astragalus simicus, AS)籽和園葉決明 （Chamaecrista rotundifoliaCR)籽 5 種生草栽培，以及清耕（CT)和噴施草甘膦（GS)，共7 種不同處理，每種處理3 個重復。播種前以帶狀整地方式整平整細地面，注意不傷錐栗根系，樹干基部周圍半徑約30 cm 不覆草。在2018 年10 月首次撒播，播種量30 kg·hm-2，并覆蓋薄膜，苗長至5 cm 左右時撤掉薄膜，第2 年4 月再次以前述撒播方式進行補播，播種量亦為30 kg·hm-2。每年追肥兩次，早春及早秋，采用復合肥（NPK 配比N ∶P2O5∶ K2O = 15 ∶ 15 ∶ 15)追肥，追肥量120 kg·hm-2。清耕處理的小區，每年4 月和6 月各人工鋤草一次；在同樣的時間，對噴施草甘膦的小區，用10%草甘膦水劑1.5 kg，均勻兌清水30 kg，進行莖葉霧噴除草。為保證可比性，CT 和GS 處理的水肥管理與生草栽培處理保持一致。供試樣地基本情況如表1 所列。

表1 供試樣地基本情況Table 1 Basic information of sample site

1.3 土壤理化性質及微生物生物量碳氮測定

在各試驗小區分別設置垂直投影為25 m × 25 m的調查樣地，樣地間隔25 m 以上，共計21 個樣地，樣地內的錐栗砧木均為42 年生的毛榛（Corylus mandshurica)，接穗均為35 年生的白露仔。2020 年8 月，在各樣地選取3 株樹體生長健康、樹高和胸徑基本一致的錐栗平均木，距樹干基部1 m 處，分東西南北4 個方向，清除表層凋落物，用土鉆自上而下分層采集0 - 10 cm 和10 - 20 cm 土層土樣，各樣地同一土層采樣點土壤采用四分法取一部分土壤，去除根系、石礫等雜質后放入自封袋帶回實驗室，風干后先過2 mm 土壤篩，再四分法取10 g 研磨過0.147 mm 土壤篩備用。在采樣點附近用環刀對兩個土層取樣，用于測定土壤含水率。依照林業行業標準，土壤水解性氮采用堿解擴散法（LY/T 1229—1999)測定，土壤有效磷采用氟化銨—鹽酸浸提—流動分析儀法（LY/T 1233—1999)測定，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法（LY/T 1236—1999)測定，土壤交換性鈣和交換性鎂采用乙酸銨交換—原子吸收分光光度法（LY/T 1245—1999)測定，土壤pH 采用電位法測定（水 ∶ 土 = 2.5 ∶ 1)。土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC)和微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen, MBN)采用氯仿薰蒸—硫酸鉀浸提法提取后用TOC-VCPH/CPN Analyzer （Shimadzu,Japan)測定，轉換系數分別為0.45 和0.54[14]。

1.4 果實產量、表型性狀和養分含量測定

2020 年10 月，采用全株采摘計數的方式，記錄用于取土樣的錐栗平均木的栗苞總數、空苞數，從中隨機選取100 個生長健康、無病蟲害的栗苞帶回實驗室，其中50 個用于測定表型性狀，包括栗苞鮮重、栗果鮮重、栗仁鮮重、栗果橫徑、栗果縱徑，栗仁含水率（GB 5009.3—2016)；另外50 個栗苞則取出栗仁，測定其養分含量。其中，淀粉含量采用酸水解法（GB 5009.9—2016)處理，3.5-二硝基水楊酸法測定[15]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[16]；脂肪含量測定采用索氏抽提法（GB/T 14772—2008)；蛋白質含量測定采用凱氏定氮法（GB/T 5009.5—2016)；磷含量測定采用分光光度法（GB 5009.87—2016)；鉀、鈣和鎂含量測定均采用火焰原子吸收光譜法，分別參考標準GB 5009.91—2017、GB 5009.92—2016和GB 5009.241—2017。

1.5 數據分析

利用Excel 2016 進行數據整理；SPSS 20.0 進行DUNCAN 多重比較；用Origin 8.4 進行聚類分析和主成分分析；用R Project 4.1.1 的vegan、Randomforest程序包分別進行Mantel Test 檢驗和隨機森林分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤理化性質分析

在0 - 10 cm 的土壤中，水解性氮、有效磷、速效鉀含量最高的分別是VM、VV、AS，分別達到74.14、163.49 和242.37 mg·kg-1（表2)。在10 - 20 cm 的土壤中，VM 的水解性氮、有效磷和pH 均最高，分別為54.87 mg·kg-1、140.18 mg·kg-1和5.53；LP 在 兩 個 土層中交換性鈣、鎂含量均最高。總體上，相較于CT和GS，生草栽培處理的土壤含水率、水解性氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂含量均有提高。聚類分析（圖1)亦將VM、AS 和CR 歸為一類，VV 和LP 歸為一類，而CT 和GS 歸為一類。

表2 不同處理對錐栗園土壤理化性質的影響Table 2 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties of Castanea henryi orchard

圖1 不同處理土壤理化性質聚類分析Figure 1 Cluster analysis of soil physical and chemical properties in different treatments

2.2 不同處理微生物生物量碳氮分析

多重比較發現（圖2)，MBN 含量在0 - 20 cm 的不同土層中各處理間差異較大，0 - 10 cm 土層中VM 和VV 顯著（P＜ 0.05)高于CT 和GS，而10 - 20 cm土層的生草栽培處理均顯著高于CT 和GS，VV在兩個土層的MBN 含量均最高，分別為47.68 和30.89 mg·kg-1；MBC 含量，僅10 - 20 cm 土層VM 和AS 處理顯著高于GS，VM 處理在兩個土層中均最高，較GS 分別提高了21.37%、47.44%。MBC/MBN在各處理間均無顯著差異（P ＞0.05)。

圖2 不同處理微生物生物量碳和微生物生物量氮分析Figure 2 Analysis of MBC and MBN in different treatments

2.3 不同處理對錐栗果實農藝性狀的影響

VM 和VV 的單位面積產量均達在2 000 kg·hm-2以上，均是CT 和GS 產量的1.6 倍、2.1 倍和，產量顯著提高（P＜ 0.05) （表3)。VM 的單果質量為13.54 g，是CT 和GS 的1.36 倍、1.45 倍，果實個頭明顯增大；除出籽率外，CT、GS 各性狀與生草栽培處理均存在顯著差異，而生草栽培處理間無顯著差異（表4)。生草栽培處理的果實磷、鈣和鎂含量均顯著高于CT 和GS；且相較于CT 和GS，各生草栽培處理均不同程度地提高了果實中淀粉、可溶性糖、蛋白質、脂肪及磷鉀鈣鎂營養元素的含量（表5)。

表3 不同處理對錐栗果實產量的影響Table 3 Effects of different treatments on fruit yield of Castanea henryi

表4 不同處理對錐栗果實表型性狀的影響Table 4 Effects of different treatments on phenotypic characters of Castanea henryi fruit

表5 不同處理對錐栗果實養分含量的影響Table 5 Effects of different treatments on nutrient content of Castanea henryi fruit

2.4 土壤理化性質、微生物生物量碳氮以及錐栗果實農藝性狀的關系

為探索對果實農藝性狀影響較大的土壤環境因子，分別以各環境因子與全部果實農藝性狀進行Mantel Test 檢驗，篩選出r＞ 0.4，P＜ 0.001 的9 項檢驗結果（圖3)。在0 - 10 cm 土層中，基于果實農藝性狀的距離矩陣和基于MBN、SHN 兩個因子的距離矩陣之間的相關性最強，r值分別為0.605 3 和0.536 0；在10 - 20 cm 土層中，基于果實農藝性狀的距離矩陣和基于MBN、SEMg 兩個因子的距離矩陣之間的相關性最強，r值分別為0.455 6 和0.442 4。

圖3 土壤理化性質與微生物生物量碳氮對錐栗果實農藝性狀的影響Figure 3 Effects of soil physicochemical properties and MBC & MBN in agronomic traits of Castanea henyri fruit

主成分分析發現，錐栗農藝性狀各指標存在共線性關系，對指標變量進行降維后，結合實際生產需要，篩選出單位面積產量作為關鍵分析指標，利用隨機森林分析土壤環境因子對單位面積產量的影響。結果表明（圖4)，0 - 10 cm 和10 - 20 cm 土層中土壤環境因子對單位面積產量的總體解釋率為分別58.57%和48.60%，隨機森林模型擬合度較高。0 - 10 cm 土層中，影響單位面積產量的主要土壤因子是MBN （15.39%，P＜ 0.001)、SHN （10.92%，P＜ 0.05)和 SEMg （7.99%，P＜ 0.05)，10 - 20 cm 土層中，影響單位面積產量的主要土壤因子是SEMg （12.29%，P＜0.01)、MBN （9.24%，P＜ 0.05)和SHN （7.09%，P＜ 0.05)。

圖4 影響錐栗產量的主要土壤環境因子Figure 4 Primary soil environmental factors affecting Castanea henyri yield

3 討論

3.1 生草栽培對錐栗園土壤質量的影響

生草栽培能調節土壤pH，使土壤酸堿度逐漸趨于中性，梁博文等[17]發現，鹽堿地果園生草栽培后土壤pH 顯著降低。而孫瑤等[18]則發現，生草栽培使酸化土壤的pH 較清耕提高9.1%。本研究中，生草栽培均在不同程度上提高了土壤的pH。試驗地土壤為酸性紅壤，陽離子交換量低，持水保肥性能差，而生草栽培處理增加了土壤Ca2+、Mg2+的含量，且鉀肥的施用提高了土壤K+含量，鹽基離子的增加能促進土壤膠體對H+、Al3+的吸附；此外，生草栽培帶來的大量腐殖質膠體具有較大的酸堿緩沖性，能有效緩解土壤的酸化[19]；土壤適宜的pH 環境使錐栗的共生菌根繁殖良好，促進根系對土壤營養元素的吸收[20]。

土壤養分是植物生長發育的基礎，生草栽培歸還的大量植物殘體及根系分泌物，能激發土壤微生物活力、提高土壤酶活性，從而促進土壤有機質分解和養分的循環轉化[5]。郭新送等[21]、付學琴等[8]研究均表明，果園生草栽培能顯著提高土壤微生物生物量及速效養分的含量，本研究亦發現，生草栽培處理的土壤有效態N、P、K 及MBC、MBN 含量較CT 和GS 處理均有提高。其中，VM 處理的MBC 含量較高，這是由于采樣時鼠茅草已經干枯腐解，其殘體在土壤表層堆積，使土壤增加大量有機質，加之氮磷鉀復合肥的施用，為土壤微生物生長繁殖提供了所需養分，產生正向激發效應[22]，從而提高了土壤養分礦化速率，使土壤有效態N、P、K 含量增加，為果樹生長提供大量可利用的養分。此外，VV處理的MBN、MBC 含量較高，MBC/MBN 的值較低，說明土壤微生物的活性較高[23]，有機氮礦化的速度較快；但該處理的土壤水解性氮、速效鉀含量均不太高，可能是由于采樣時光葉紫花苕已過種子成熟期，N、K 等元素被大量固定，且錐栗處于果實膨大期，會迅速消耗微生物礦化作用產生的有效態氮。研究結果還顯示，VV 處理的土壤有效磷含量很高，可能是由于光葉紫花苕能有效提高土壤酸性磷酸酶活性，促進土壤中有機磷的降解和有效化[24]，這仍需進一步研究驗證。

土壤理化性質和聚類分析表明，VM、AS 和CR處理對土壤水解性氮和速效鉀含量的提高較顯著，而LP 和VV 處理則分別對土壤交換性鈣鎂及有效磷含量的提高較多，被聚為一類。紫云英作為二年生豆科草本，固氮能力強，但本研究中AS 處理的土壤水解性氮含量不如VM 處理，可能是由于紫云英的根瘤菌不是土壤常住微生物群系，試驗地此前未種植過紫云英，故與其匹配的本地根瘤菌少，結瘤率低[25]；且本研究紫云英種植僅兩年，種植年限短，對土壤菌群的影響有限。然而，AS 處理的土壤速效鉀含量很高，是由于紫云英根系具有較強的吸鉀能力[26]，鉀肥施用后被大量固定，紫云英對鉀肥的固定與釋放，提高了土壤鉀的有效性。園葉決明是多年生豆科草本，極耐瘠薄，在干旱高溫環境下仍能生長旺盛，固氮培肥效果顯著[27]；但CR 處理的有效態N、P、K 含量均低于VM 處理，是由于園葉決明在7 月 - 9月生長旺盛，自身對土壤養分也有一定的需求。黑麥草是多年生禾本科植物，其發達的須根能分泌出大量有機酸[28]，有利于土壤中難容性Ca、Mg 的解離，因此，LP 處理顯著提高了土壤交換性鈣鎂的含量；但LP 處理的其余土壤養分含量均較低，是由于黑麥草為喜肥牧草，且花果期為5 月-7月份，其在采樣前大量消耗了土壤中的養分元素。

3.2 不同處理對錐栗果實農藝性狀的影響

研究表明，果實農藝性狀與土壤質量息息相關[29]，本研究中，生草栽培均能不同程度地改善錐栗園土壤狀況，提高果實品質與產量。其中，VM 處理的土壤水解性氮、有效磷和速效鉀及MBC、MBN 含量均有較大提高，為錐栗生長提供充足的養分，促進果實中淀粉、脂肪及鉀、鈣、鎂等營養物質的積累，果實個頭增大，單位面積產量較CT 和GS 處理分別提高了59.44%和111.25%。此外，VV 處理的錐栗產量亦顯著提高，除與可利用氮素的供應有關外，還與有效磷含量的提高有關，磷素是錐栗雌花分化和果實成熟的重要養分元素，黃宏文等[30]研究發現，錐栗的結果枝、雌花及栗苞數量均與樹體含磷量密切相關；陳建華等[31]亦發現，板栗雌花分化數與施磷量的改變顯著相關，而與施氮、鉀的量無關。故VV 處理的栗苞數和結果枝數顯著增加，是錐栗產量提高的重要原因。LP 和AS 處理分別對土壤交換性鈣鎂、速效鉀含量提升顯著，曹慶昌等[32]指出，鎂是栗屬植物不可替代的養分元素，缺鎂導致板栗產量銳減，土壤鈣、鎂顯著影響果實品質和產量，鉀是植物花果期的大量需求元素[33]，Mantel Test 檢驗表明，土壤速效鉀和交換性鈣鎂均顯著影響錐栗果實農藝性狀，隨機森林檢驗亦發現，鎂是影響錐栗單位面積產量的主要因素之一，故土壤可利用鉀、鈣及鎂含量的增加會在一定程度上提高錐栗產量。此外，由于園葉決明在錐栗果實生長期存在一定的水肥競爭，使CR處理的錐栗產量低于其他生草栽培處理。

3.3 清耕和噴施草甘膦處理對錐栗園的影響

本研究中，CT 和GS 處理相較于生草栽培處理，其土壤理化性質較差，微生物生物量碳氮含量低，果實品質和產量均不高。清耕和噴施草甘膦使土壤表面缺少覆蓋物，低熱容量的土壤易在夏季過度升溫，且加速水分蒸發，故土壤含水率顯著下降；此外，在調查過程中亦發現，大雨過后，CT 和GS 處理的試驗區水土流失現象較明顯，導致土壤肥力下降。清耕使本應歸還土壤的植物殘體被清理，養分流失較多，且破壞了微生物生長所依賴的環境，不利于微生物的生存定殖，導致土壤微生物生物量碳氮和養分含量顯著降低。草甘膦通過抑制葉綠體內莽草酸膦酸合成酶的活性，使植物代謝紊亂、蛋白質合成受阻，最終死亡。FAN 等[34]研究表明，草甘膦的施用會抑制土壤固氮微生物的活性，故GS 處理的土壤水解性氮、MBN 及MBC 含量均較低；郭磊等[35]亦發現，草甘膦會抑制果樹地上部分和根生長，使根尖細胞有絲分裂指數降低，本研究中，GS 處理的錐栗結果枝、結果數均顯著降低，果樹生長不良。

綜上，CT 和GS 處理使土壤不能提供錐栗開花結實期所需的養分環境，嚴重抑制錐栗果實生長，增加栗果空苞率，從而降低錐栗產量，損害果農經濟效益。

4 結論

以生草栽培替代錐栗園傳統地面管理方式行之有效，可以改善土壤理化性質，增加土壤微生物生物量碳氮，提升土壤質量；同時，生草栽培可以提高錐栗產量，使錐栗果實增大增重，提高果實中淀粉、可溶性糖、脂肪、蛋白質以及磷、鉀、鈣、鎂等營養物質的含量；本研究中鼠茅草栽培對錐栗園土壤質量的改善和栗果農藝性狀的提升效果均較好，可作為生草栽培的優先選用草種，研究結果對錐栗園土壤管理方式的轉變及推進錐栗產業高質量發展具有一定的參考價值。