生草栽培对锥栗叶片生理生化及土壤理化性质的影响*

尤龙辉

(1. 福州市自然保护地规划发展中心，福州 350007； 2.福建省林业科学研究院，福州 350012)

20世纪40年代，欧美及日本等发达国家开始进行果园生草栽培，即在果园内行间或全园栽培特定的一年或多年生豆科、禾本科草本植物，以抑制果园杂草、改善土壤蓄水保肥能力[1]。我国在果园生草栽培对不同果树生长及果实产量、品质的影响的相关研究较少[2]。叶片的功能性状不仅受植物本身生物学特性的影响，还会因外界环境的变化而发生改变。充分了解不同环境下叶片功能性状的适应性变化对探讨植物的环境可塑性具有重要意义[3]。土壤是影响植物叶片功能性状的重要环境因素[4-5]，不同生活型或不同植物类型叶片功能性状与土壤息息相关[6]，而同一植物叶片功能性状的改变同样受土壤水肥丰缺状况的影响[5]。因此，植物叶片功能性状与土壤因子的相关关系可用于果园生草栽培草种的筛选。福建省建瓯市是锥栗的原产地和主产区，栽培历史悠久。锥栗经济效益较高，是栗农的主要经济来源，也是当地政府助力乡村振兴及新农村建设的重要产业。但是，传统的清耕及喷施草甘膦除草的土壤管理方式，易导致锥栗园水土流失及锥栗根系受害，造成锥栗大幅度减产甚至绝收[7-8]。因此，本研究通过分析锥栗园清耕、喷施草甘膦及生草栽培等措施对锥栗叶片功能性状及土壤理化性质的影响，筛选南方丘陵山地锥栗园适宜的生草栽培草种，以促进我国木本粮食产业及生态农业的高质量发展。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建南平建瓯市龙村乡，地理坐标27°12.24′～27°20.03′ N、118°23.44′～118°38.25′ E，建瓯市位于武夷山脉东南麓，属低山丘陵区，平均海拔450 m，年均温度16～18℃，年均降雨量1 400～1 800 mm，年均蒸发量1 400～1 600 mm，无霜期270 d以上，昼夜温差较大，光照充足，雨量充沛，属南亚热带季风气候。土壤以红壤为主，平均土层厚度80 cm以上。当地栗农栽培的主要锥栗品种有白露仔、长芒仔、油榛和圆蒂仔等，锥栗园林下自然散生的优势草本植物主要有杠板归(Polygonumperfoliatum)、悬钩子(Rubuscorchorifolius)、狗尾草(Setariaviridis)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、竹叶草(Oplismenuscompositus)、积雪草(Centellaasiatica)、鬼针草(Bidenspilosa)、铁芒萁(Dicranopterislinearis)、芒草(Miscanthussinensis)、星宿菜(Lysimachiafortunei)等。

1.2 试验设计与调查方法

2018年，在建瓯市龙村乡选取集中连片、立地条件基本一致的锥栗园设立试验地。试验地位于阴面斜坡，平均海拔730 m，平均土层厚度>1 m，园区总面积>10.0 hm2。将试验地划分成若干面积大小相似的试验小区，进行生草栽培管理(表1)。每个小区随机选取一种绿肥草种。撒播草籽前先进行林地清杂，再用旋耕犁旋土10 cm左右，整平整细地面，以不伤锥栗根系为宜。树干基部周围约30 cm半径范围内旋耕土起垄后不覆草。草籽分两次进行撒播，首次在10月，播种量30 kg·hm-2。撒播前种子用清水浸泡12 h，撒播后覆盖薄膜。第2次撒播在翌年4月，仍采用前述撒播方式进行补植。苗高5 cm左右时及时撤掉覆盖薄膜。每年4月和6月各追肥一次，施m(氮)︰m(磷)︰m(钾)为1︰1︰1的复合肥，追肥量120 kg·hm-2。另选两块试验小区作为对照组，一组采用清耕法进行管理，每年4月和6月各人工锄草一次；另一组于每年4月和6月用10%草甘膦水剂1.5 kg，均匀兑清水30 kg，向杂草茎叶处雾喷除草。为保证可比性，对照组的水肥管理与生草栽培模式一致。

表1 供试样地基本情况

2020年8月，在7种生草栽培模式和对照组分别设置3个垂直投影为25 m×25 m的样地，样地间隔25 m以上，共计21个样地。在各样地选取3株砧木为毛榛(Corylusmandshurica)、接穗为白露仔、树体无病虫害、树高和胸径基本一致的锥栗，距树干基部1 m处分东、西、南、北四个方向清除表层枯落物。手持土钻自上而下分层采集0～10 cm和10～20 cm土层的土样。各样地同一土层采样点土壤混匀后采用四分法取部分土壤，去除根系、石砾等杂质后放入自封袋带回实验室，风干后先过2 mm土壤筛，再四分法取10 g研磨过0.147 mm土壤筛备用。在采样点附近用环刀对两个土层取样，然后利用高枝剪在锥栗树冠中部摘取生长良好、无损且无病虫的当年生成熟叶片50～60片，测定叶片表型性状和生理生化指标。

1.3 土壤理化性质测定

土壤pH值采用电位法测定，测定时V(水)︰ V(土)=2.5︰1，土壤容重(SBD)、土壤含水率(SMC)、土壤孔隙率(SP)依照林业行业标准LY/T 1215-1999的方法进行测定，土壤水解性氮(SHN)、土壤速效磷(SAP)、土壤有效钾(SAK)、土壤交换性钙(SECa)和交换性镁(SEMg)则分别依照林业行业标准LY/T 1229-1999、LY/T 1233-1999、LY/T 1236-1999和LY/T 1245-1999的方法进行测定。

1.4 叶片表型性状测定

采用美国CID公司生产的CI-203型便携式激光叶面积仪测量锥栗叶片长度、宽度、面积和叶形指数；采用游标卡尺测量叶柄长度；采用精度0.01 g的电子天平称量叶片鲜质量，测量完成后将叶片置于鼓风干燥箱中烘干至恒重后称量。利用鲜叶质量、干叶质量和叶面积分别计算叶片含水率和比叶重[9]。

1.5 叶生理生化指标测定

采用蒽酮法测定叶片可溶性糖含量[9]；叶片氮、磷、钾、钙和镁含量依照LY/T 1271-1999的方法进行测定。叶绿素总量、叶绿素a/b和类胡萝卜素采用80%丙酮溶液避光萃取，利用Thermo Varioskan LUX多功能酶标仪测定波长440 nm、645 nm和663 nm处的吸光度，根据朗伯-比尔定律计算叶绿素含量[9]。

叶绿素a含量=(12.70A663-2.69A645)×V/(1000×W)；叶绿素b含量=(22.90A645-4.68A663)×V/(1000×W)；类胡萝卜素=4.7A440-0.27×(叶绿素a含量+叶绿素b含量)；

式中，V为提取液体积(ml)；W为样品鲜质量(g)；A663、A645和A440分别为叶绿素提取液在波长663 nm、645 nm和440 nm下的吸光度。

1.6 数据分析

利用Excel 2016进行数据整理；SPSS 20.0进行DUNCAN多重比较及Pearson相关分析；Canoco 5.0进行土壤理化性质、叶表型性状和生理生化指标的冗余分析；Origin 9.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 7种模式锥栗叶片表型性状

生草栽培模式的锥栗叶片长度、叶形指数、叶面积、叶柄长度、比叶重与清耕模式和喷施草甘膦模式之间存在显著差异；各生草栽培模式之间以及清耕模式和喷施草甘膦模式之间叶表型性状指标没有显著差异(表2)。

表2 7种模式锥栗叶片表型性状

2.2 7种模式锥栗叶片生理生化特征

栽培鼠茅草模式锥栗叶片的钾和镁含量显著高于其他生草栽培模式，分别为14.03 g·kg-1和1.75 g·kg-1(表3)。清耕模式和喷施草甘膦模式除了叶绿素a/b，其他测定指标均显著低于生草栽培模式。

表3 7种模式锥栗叶片生理生化特征

2.3 7种模式土壤理化性质

0～20 cm土层，喷施草甘膦模式除了土壤容重和土壤孔隙度与其他模式差异不显著(P>0.05，下同)外，其他指标均存在显著差异(P<0.05，下同)(表4)。

对7种模式的土壤理化性质采用最短距离法进行聚类分析，结果显示，锥栗林下栽培鼠茅草模式、栽培圆叶决明模式和栽培紫云英模式归为一类，该类型土壤pH、水解性氮和速效钾含量较高；栽培光叶紫花苕模式和栽培黑麦草模式归为一类，该类型土壤孔隙率、含水率、有效磷、交换性钙和交换性镁含量较高；清耕模式和喷施草甘膦模式归为一类，该类型土壤容重较高、土壤养分含量较低(图1)。聚类结果较好的反映了锥栗林下不同生草栽培模式对土壤理化性质的影响，也说明生草草种对锥栗林土壤的改良效果存在一定差异。

图1 7种模式土壤理化性质聚类分析

2.4 锥栗叶片功能性状与土壤理化性质的相关分析

对土壤理化性质、叶片表型性状及生理指标进行相关分析，结果表明，土壤pH、土壤水解性氮(SHN)、土壤速效磷(SAP)、土壤有效钾(SAK)、土壤交换性钙(SECa)和交换性镁(SEMg)均与叶型指数、叶柄长度呈显著负相关，而与叶面积、比叶重、叶绿素、类胡萝卜素含量和叶片可溶性糖、氮、磷、钾、钙和镁含量呈显著正相关(表5)。

表5 锥栗叶表型性状、生理生化指标与土壤理化性质的相关分析

以土壤理化性质为解释变量，叶表型性状及生理生化指标为响应变量进行冗余排序分析(RDA)，结果显示第一排序轴解释总方差的65.14%，第二排序轴解释总方差的13.51%。前两个排序轴可解释总方差的78.65%，基本可以反映锥栗叶片生理生化与土壤理化性质的响应关系(图2)。土壤水解性氮、速效磷、有效钾、交换性钙和交换性镁在第一排序轴的垂直投影较大且夹角较小，对第一排序轴的贡献较大，较易影响同样与第一排序轴垂直投影较大且夹角较小的锥栗叶形指数、叶柄长度、叶面积、比叶重、叶绿素、类胡萝卜素和叶片可溶性糖、氮、磷、钾、钙、镁含量。此外，清耕模式和喷施草甘膦模式样地聚集在第一排序轴的右侧，说明两种模式会显著增大锥栗叶柄长度和叶形指数，而栽培鼠茅草模式和栽培光叶紫花苕模式样地集中在第一排序轴左侧，说明这两种模式能够显著增大锥栗叶面积、比叶重、叶绿素含量、类胡萝卜素、可溶性糖、氮、磷、钾、钙和镁含量。其他模式样地在第一排序轴的分布不明显。

图2 锥栗叶表型性状、生理生化指标与土壤理化性质的冗余分析

3 讨论

本研究发现，生草栽培模式土壤理化性质总体好于清耕模式和喷施草甘膦模式，这是由于生草根系能够有效疏松土壤，增大土壤孔隙度；地上茎叶部分覆盖地表，增加地表糙度，能够减流阻沙，蓄水保肥[10]；根系周转及茎叶干枯腐解，能提高林地养分循环效率[11]。因此，生草栽培一定程度改善了锥栗园土壤水、肥、气、热微环境。喷施草甘膦，虽然能够有效抑制与锥栗花期(4—5月)及坐果期(6—9月)竞争水肥的当地杂草的生长，但是夏秋季雨水多，腐解残败的杂草茎叶中残留的未分解的草甘膦通过降雨进入土壤而被锥栗根系吸收，富集的草甘膦通过络合对根尖分生组织有丝分裂有关键作用的营养元素而阻碍根系的生长，甚至阻断根系蛋白质的合成而致其死亡[12]。此外，吴静等[13]通过高通量技术检测施用草甘膦对板栗根际土壤微生物的影响，表明草甘膦对土壤细菌特有菌群和外生菌根真菌有明显的抑制作用，进而影响土壤氮矿化和溶磷作用。另一方面，在南方丘陵山地，采用清耕和喷施草甘膦除草的方式也会导致锥栗园地表裸露，易发生水土流失。

对不同生草栽培模式及清耕和喷施草甘膦模式的土壤理化性质进行聚类分析，结果显示7种模式聚为3大类，其中生草模式中栽培鼠茅草、圆叶决明和紫云英模式划归为一类，而栽培光叶紫花苕和黑麦草模式聚成一类，清耕和喷施草甘膦模式为一类，这也从另外一个角度说明生草栽培能够显著影响锥栗林土壤理化性质，但由于生草草种生物学特性的不同，其作用于土壤的方式也不尽相同。8月调查时，鼠茅草处于5—9月的枯死期，而紫云英基本完成两年生命周期。二者腐解的茎叶为锥栗园土壤提供了大量的有机质[14-15]。圆叶决明为豆科绿肥草种，具固氮根瘤菌，夏秋季土壤温湿度较高，根瘤菌较活跃，固氮能力较强[16]。这三种模式一定程度提高了土壤的供氮能力。钾在茎叶组织或细胞中一般以离子形态存在，茎叶腐解过程，钾能够快速释放到土壤中，提高土壤速效钾的含量[17]。钙和镁元素在植物组织中常常以较难溶解的化合物如硫酸盐、磷酸盐等形式存在，腐解释放的时间较长[18]。光叶紫花苕是一年生草本，调查时已干枯腐败较长时间，其中较易腐解释放的氮和钾元素一部分被锥栗根系吸收，一部分随降雨淋失，磷元素易被红壤中的铁铝氧化物吸附不易淋失[19]。黑麦草是多年生非豆科绿肥草种，根系发达，分泌物丰富，能够促进土壤微生物的生长繁殖，而根系和微生物胞外酶的分泌对土壤难溶性矿物态钙、镁的溶解和解吸有促进作用[20]。再者，根系有助于疏松土壤，提高锥栗林地的土壤孔隙度和含水率。

土壤是植物生长的重要能量来源，是植物表型及内在功能性状主导影响因素之一[3,21]。叶的表型和生理生化特征能够直观反映其对土壤环境的生态适应性[5]。土壤养分富足的环境中，植物能够快速吸收营养、迅速生长[22]，与此相对应的叶表型性状表现为较高的叶面积和比叶重，叶形指数和叶柄长度则降低[3]，叶生理生化特征则表现为光合速率加快，养分元素含量增加[23]；而养分匮乏的环境则相反，用于保留土壤中的养分[24]。本研究也发现，土壤pH、水解性氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁均与锥栗叶型指数、叶柄长度呈显著负相关，而与锥栗叶面积、比叶重、类胡萝卜素、可溶性糖含量、氮、磷、钾、钙和镁含量呈显著正相关。冗余分析表明，栽培鼠茅草模式和栽培光叶紫花苕模式能够显著提高土壤水解性氮、土壤有效磷、土壤含水率、土壤交换性钙和土壤交换性镁含量，进而使锥栗叶形指数、叶柄长度降低，而叶面积、比叶重、叶绿素、类胡萝卜素和叶片可溶性糖、氮、磷、钾、钙、镁含量升高，对提高锥栗叶片光合速率，提升其积累营养物质能力及增加锥栗产量均有促进作用。

4 结论

以清耕和喷施草甘膦措施作为对照，分析生草栽培对锥栗叶片表型、生理生化特征及土壤理化性质的影响，表明栽培鼠茅草、紫云英或圆叶决明会显著提高土壤pH、土壤水解性氮和土壤速效钾含量，而栽培黑麦草和光叶紫花苕则显著提高土壤含水率、土壤孔隙度、土壤有效磷含量和土壤交换性钙镁含量。2 a内，栽培鼠茅草或光叶紫花苕对锥栗叶片表型及生理生化特征的影响较大。