果园生草对苹果园杂草控制、土壤养分及果树营养状况的影响

封 帆,谢开云,艾比布拉·伊马木,万江春

(新疆农业大学草业学院,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】2017年新疆阿克苏地区的苹果种植面积2.13×104hm2[1]。阿克苏地区果园土壤管理以清耕、裸露、中耕为主要手段,研究果园生草对果园杂草防控、土壤养分和果树营养状况的影响,对开展果园生草栽培试验具有重要意义。【前人研究进展】果园生草是对行间或全园种植一年生或多年生草本植物作为覆盖物的一种果园管理模式[2]。我国已对果园生草栽培技术进行了一定的示范推广[3]。目前有关果园生草的研究主要集中于改良土壤[4]、改善园区环境[5]、抑制杂草[6]、提高土壤微生物活性[7]等。果树生长发育受到土壤肥力、杂草防控等多方面因素的影响,且果树营养状况与微量元素含量关系密切,缺Fe、Mn会导致黄叶病和叶片叶脉失绿,影响果树光合作用;缺Ca会影响果实硬度等[8,9]。【本研究切入点】果园生草可提供大量的有机肥并可减轻杂草蔓延,改善果园生态环境,增加土壤肥力。需研究果园生草对苹果园杂草控制、土壤养分及果树营养状况的影响。【拟解决的关键问题】研究不同生草制度对果园的杂草抑制、土壤肥力改善及果树叶片营养状况的影响,为阿克苏地区果园生草制果园的土壤管理及种植模式提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆生产建设兵团第一师五团四连(N 41°21′48″,E 80°47′39″)。降水量稀少,蒸发量大,昼夜温差悬殊。年均气温10.1℃,极端最高气温40.9℃,极端最低气温-27.4℃,太阳辐射年均总量140 kcal/cm2,年均日照2 727.2 h,年均降水量65.4 mm,年均蒸发量2 002.2 mm,年均无霜期185 d;全年盛行西风,最大风力8级,多出现在3～5月,平均大风日数175 d;每年春季大风多伴有沙尘及寒潮天气。

苹果园建于2016年4月,苹果品种为烟富6号,株行距1.5 m × 4 m,苹果生长状况较好。试验于2017年3月开始,至2019年8月完成相关样品的采集。果园内土壤为沙壤土,土壤pH值8.06,碱解氮含量36.53 mg/kg,速效磷16.37 mg/kg,速效钾150.27 mg/kg,有机质含量12.35 g/kg。

供试材料为白三叶(TrifoliumrepensHaifa)、黑麦草(LoliumperenneToya)和天油5号油菜(Brassicarapavar.oleifera),均由新疆哈德沃克农业科技有限公司提供。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

2017年3月,按照随机区组设计进行试验小区的布设,设立4个试验处理:对照处理(清耕)、白三叶处理、黑麦草处理和油菜处理,每个处理3次重复,共计12个试验小区。试验小区设在苹果树盘以外的行间,距苹果树50 cm,生草小区面积9 m × 30 m(3 m/行),各试验小区间隔1行果树(4 m)作为保护行。播种前整地并清理杂草,以羊粪(2 000 kg/hm2)和氮磷钾肥(N:75 kg/hm2,P2O5:240 kg/hm2,K2O:90 kg/hm2)为基肥,犁地前一次性深翻施入土壤中。该果园灌溉方式为漫灌,以满足苹果树需水量为宜;灌溉次数7次/年,灌水量180 m3/次。各处理的土壤、地形等生态条件及苹果树的田间管理措施一致,仅2017年4月田间人工除杂草1次。3种牧草均于2017年3月25日播种,油菜分别于2018年4月1日和2019年3月30日再次播种。白三叶处理区(T):播种量22.5 kg/hm2,3年不翻压、不刈割;生黑麦草处理区(L):播种量37.5 kg/hm2,当黑麦草自然高度超过70 cm时,测定其地上生物量后用旋风背负式割草机割草直接还田;油菜处理区(B):播种量1.5 kg/hm2,播种时掺入细沙,每年7月中下旬进入盛花期后利用小型旋耕机将油菜旋耕入土,旋耕深度20 cm左右。3种牧草均采用机器条播的方式播种,播深2～4 cm,行距20 cm,播后覆土压实。对照区(CK):每次灌水之后清理杂草直接返还于对照区内。

1.2.2 测定指标

地上生物量:黑麦草在每次割草前测定地上生物量(2017～2019年每年均刈割4次),油菜在翻压前测定地上生物量,白三叶处理和对照的地上生物量测定时间与油菜地上生物量相同。每个小区内随机选择6个0.5 m × 0.5 m的样方测定地上生物量:从每个样方中分离人工种植的牧草与非人工种植的杂草,利用烘干法[9]分别测定其干重。

土壤理化性质:于2019年7月开展土壤取样工作(当年油菜翻压前),在每个小区随机采集0～30 cm土层土壤样品10个,混合后采用四分法取500 g土样带回实验室,重复3次,对采集好的土壤样品进行自然风干、磨碎,过筛备用。在取样过程中,利用环刀随机选取合适的采样点,去掉2 cm左右的土壤表层土测定容重;土壤含水量采用称量法测定;土壤pH采用5∶1水土比浸提法测定[10];土壤有机质采用硫酸重铬酸钾外加热法测定;土壤碱解氮采用碱解扩散法测定;土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[11]。

果树叶片营养状况:2019年7月开展果树叶片的取样工作,每个重复试验小区内随机选取长势一致的5棵树,每棵树按东、南、西、北、中5个方位,在未结实的枝条上各取2片(共10片)新叶并立即存放于液氮罐中,带回实验室进行叶绿素[12]、氮、磷、钾、钙、镁、钠、铁、锰、铜含量[13]测定。

1.3 数据处理

选取种植牧草生物量(X1)、杂草生物量(X2),土壤含水量(X3)、容重(X4)、pH(X5)、有机质(X6)、碱解氮(X7)、速效磷(X8)、速效钾(X9),果树叶片叶绿素(X10)、N(X11)、P(X12)、K(X13)、Ca(X14)、Mg(X15)、Na(X16)、Fe(X17)、Mn(X18)、Cu(X19)等指标进行主成分分析,标准化指标均用X表示。

使用极差法将指标数据正向化;在对数据执行主成分分析后用相关系数矩阵判定指标间的相关性;用分析结果中总方差解释的方差累计贡献率≥85%(并且方差>1)、结合初始因子载荷阵变量不会出现丢失确定主成分个数;将SPSS分析结果中因子载荷矩阵中第n行向量除以第n个特征值的算术平方根,得到第n个主成分Fn的变量系数,Fn的函数表达式;确定主成分个数n,以函数表达式计算各主成分得分并以因子旋转后方差贡献率为权数进行加权得到综合得分。

利用Microsoft Excel 2010对试验数据进行整理;利用SPSS 22.0软件对数据标准化后,进行方差齐性分析并LSD检验,并标注差异性;采用SPSS 22.0软件中的因子分析模块对不同生草制度下的杂草生物量、土壤指标以及果树叶片营养指标因子进行主成分分析,对杂草生物量、土壤养分以及果树叶片营养指标进行降维,利用主成分因子得分式计算主成分得分及综合得分进行评价。

2 结果与分析

2.1 果园生草对果园杂草的抑制作用

研究表明,2017～2019年,各试验小区3种处理下的杂草地上生物量均随种植年限的延长而下降,其中:白三叶处理的最小(389.83 kg/hm2,2019年),油菜处理的次之(654.33 kg/hm2,2019年),黑麦草处理的最大(881.77 kg/hm2,2019年),三者间差异显著(P<0.05);白三叶处理下杂草地上生物量于2019年到达最低(389.83 kg/hm2),比2017年下降了59.3%;各处理间牧草地上生物量差异显著(P<0.05),白三叶生物量最低(2 063.81 kg/hm2),黑麦草生物量最高(6 013.17 kg/hm2),油菜生物量(5 215.68 kg/hm2)位于二者之间;各试验小区总地上生物量测定结果与牧草地上生物量类似,至2019年时,白三叶处理下地上总生物量最低(2 499.00 kg/hm2),其次是油菜处理(6 423.24 kg/hm2),二者地上生物量均低于黑麦草处理(6 999.64 kg/hm2),差异显著(P<0.05);随种植年限延长,白三叶(2 499.00 kg/hm2,2019年)和黑麦草处理(6 999.64 kg/hm2,2019年)地上总生物量下降,油菜处理(6 423.24 kg/hm2,2019年)地上总生物量变化规律与白三叶和黑麦草处理不同,呈现“V”型趋势(2018年地上生物量较2017年下降,2019年较2018年有所增加)。表1

2.2 果园生草对果园土壤理化性质的影响

2.2.1 果园生草对土壤容重、含水量及pH影响

研究表明,白三叶处理下的土壤含水量最高,达到了25.43%,其次是黑麦草处理(25.07%),油菜处理(22.60%)的土壤含水量显著低于前二者(P<0.05),3种生草处理土壤含水量均显著(P<0.05)高于对照处理(19.40%);与对照处理相比,生草处理后的土壤容重均显著(P<0.05)降低,白三叶(1.55 g/cm3)和黑麦草处理(1.65 g/cm3)下的土壤容重显著(P<0.05)高于油菜处理(1.47 g/cm3);油菜处理土壤pH最低(7.70),显著(P<0.05)低于白三叶处理(7.85),与黑麦草处理(7.77)差异不显著(P>0.05),3种生草处理后的土壤pH均低于对照处理(8.03),且差异显著(P<0.05)。表2

表1 2017～2019年各试验小区牧草及杂草地上生物量变化

表2 不同生草处理下土壤容重、含水量及pH变化

2.2.2 果园生草对土壤有机质及N、P、K速效养分的影响

研究表明,生草处理后的土壤有机质含量显著(P<0.05)高于对照处理(11.07 g/kg),其中油菜处理下土壤有机质含量最高(23.90 g/kg),显著(P<0.05)高于黑麦草处理(18.60 g/kg)和白三叶处理(14.97 g/kg);油菜处理下的土壤速效钾含量最高(164.37 mg/kg),显著(P<0.05)高于其他3个处理,白三叶处理下的土壤速效钾最低(140.73 mg/kg),显著(P<0.05)低于其他3个处理;生草处理下土壤速效磷含量均显著(P<0.05)高于对照处理(13.80 g/kg),其中油菜处理下土壤速效磷含量最高(25.67 mg/kg),其次为黑麦草处理(24.93 g/kg),二者速效磷均高于白三叶处理(20.13 g/kg),且差异显著(P<0.05);与速效磷含量类似,生草处理下土壤碱解氮含量均显著(P<0.05)高于对照处理(54.63 g/kg),油菜处理的碱解氮含量最高(89.77 mg/kg),显著(P<0.05)高于其他生草处理。表3

表3 不同生草处理下土壤有机质及N、P、K速效养分变化

2.3 果园生草对果树叶片营养状况的影响

2.3.1 果园生草对果树叶片叶绿素及N、P、K养分的影响

研究表明,生草处理下果树叶片叶绿素含量均显著(P<0.05)高于对照(2.66 mg/g),白三叶处理果树叶片中叶绿素含量最高(4.15 mg/g),显著(P<0.05)高于黑麦草处理(3.22 mg/g)和油菜处理(3.24 mg/g);除黑麦草处理下果树叶片K含量(3.44 mg/g)低于对照外,其余2种生草处理果树叶片K含量均显著(P<0.05)高于对照(3.55 mg/g);油菜处理下果树叶片N、P含量最高(30.77、5.60 mg/g),其次是黑麦草处理(27.97、4.59 mg/g)和白三叶处理(25.90、4.28 mg/g),三者N、P含量皆高于对照(18.53、3.56 mg/g)。表4

表4 不同生草处理下果树叶中叶绿素及N、P、K养分变化

2.3.2 果园生草对果树叶片中微量元素含量的影响

研究表明,与对照相比(2.24 mg/g),油菜处理(2.58 mg/g)下果树叶片钙含量显著提升(P<0.05),白三叶处理下果树叶片Ca含量显著(P<0.05)降低(1.96 mg/g);生草处理下果树叶片Mg含量显著(P<0.05)高于对照(0.31 mg/g),其中油菜处理下果树叶片Mg含量最高(1.15 mg/g);生草处理下果树叶片Na含量显著(P<0.05)高于对照(1.26 mg/g),其中白三叶处理下果树叶片Na含量最高(1.73 mg/g);与对照相比(2.12 mg/g),白三叶处理(2.03 mg/g)和油菜处理(2.12 mg/g)下果树叶片Fe含量无显著差异(P>0.05),黑麦草处理(1.94 mg/g)下果树叶片Fe含量显著降低(P<0.05);与对照相比(0.20、0.17 mg/g),白三叶处理(0.21、0.18 mg/g)和黑麦草处理下(0.18、0.19 mg/g)果树叶片Mn和Cu含量无显著差异(P>0.05),油菜处理下(0.28、0.28 mg/g)果树叶片Mn和Cu含量显著(P<0.05)提高。表5

表5 不同生草处理下果树叶片中微量元素含量变化

2.4 各指标主成分

研究表明,以累计贡献率达85%的初始特征值个数作为主成分的个数,前3个主成分累计贡献率达91.953%,前3个主成分包含原始数据信息总量的91.95%,并且这3个主成分的特征值均大于1。将19个指标降维成3个主成分进行分析,计算相关系数矩阵特征向量,将因子载荷除以相应方差的算术平方根,得到主成分的函数表达式。

第一主成分函数表达式:F1=0.033X1+0.013X2+0.041X3-0.081X4-0.088X5+0.095X6+0.093X7+0.088X8+0.059X9+0.032X10+0.092X11+0.096X12+0.077X13+0.056X14+0.094X15+0.071X16-0.004X17+0.059X18+0.076X19

第二主成分函数表达式:

F2=0.176X1+0.139X2-0.172X3+0.088X4-0.024X5+0.036X6-0.019X7-0.017X8+0.165X9-0.208X10-0.034X11+0.021X12-0.007X13+0.170X14-0.042X15-0.112X16+0.093X17+0.065X18+0.078X19

第三主成分函数表达式:F3=-0.189X1-0.266X2-0.16X3-0.04X4+0.077X5-0.032X6-0.082X7-0.135X8+0.017X9+0.052X10-0.072X11+0.002X12+0.212X13+0.036X14+0.018X15+0.069X16+0.278X17+0.237X18+0.114X19

对3个主成分因子的得分进行加权求和,权数取方差贡献率,3个主成分因子旋转后的方差贡献率依次为50.868%、21.657%、19.427%。

zF=50.868%F1+21.657%F2+19.427%F3

各个主成分的影响力依次为主成分1>主成分2>主成分3。表6

第一主成分的贡献率达54.340%,是涵盖原始数据信息最多的主成分,包含较多的因子为:容重(X4)、pH(X5)、有机质(X6)、碱解氮(X7)、速效磷(X8)、N(X11)、P(X12)、Mg(X15)、Na(X16)、Cu(X19);第二主成分包含较多的因子主要为种植牧草生物量(X1)、杂草生物量(X2)、土壤养分指标分别为含水量(X3)、速效钾(X9)、叶绿素(X10)、Ca(X14);第三主成分包含的因子主要为:Fe(X17)、Mn(X18),但第三主成分贡献率太低,所涵盖信息不足,因此主要参考第一、二主成分进行分析,主成分1得分排名油菜处理(B)>黑麦草处理(L)>白三叶处理(T)>对照处理(CK);主成分2得分排名油菜处理(B)>对照处理(CK)>黑麦草处理(L)>白三叶处理(T);综合排名从高到低依次为油菜处理(B)、黑麦草处理(L)、白三叶处理(T)、对照处理(CK)。表7

表6 主成分因子载荷、特征值及贡献率变化

3 讨 论

3.1 果园生草对果园杂草的抑制作用

试验发现,苹果园生草后,随年限增加,杂草的生物量大幅度降低,表明苹果园生草能有效抑制杂草生长,其中种植白三叶对杂草的抑制作用最好,与李晓刚等[14]在梨园生草的试验结果一致,可能是因为从种植的第二年开始,白三叶返青后能短时间内覆盖地面,进而有效抑制其他杂草的出苗和生长。随种植年限的延长,除2019年油菜地上生物量较前两年相比明显升高外,其余各处理下牧草地上生物量均无显著变化,因为研究在进行地上生物量测定之后,将杂草及牧草全部粉碎返还试验小区,提高了试验小区的土壤肥力,提高了油菜的地上生物量,但此过程需要一定时间。牛自勉等[15]的研究结果表明,果园生草后第一年土壤表层的有机质并没有增加,在第二年才有所增加,这也解释了试验油菜处理下试验小区总生物量呈“V”型的变化趋势。

3.2 果园生草对果园土壤理化性质的影响

植被与土壤的相互作用过程导致土壤结构和水分特征等理化性质产生变化,进而影响土壤水肥气热条件[16],土壤pH影响着土壤中营养元素的有效性和土壤对养分的固持能力。试验果园土壤pH在7.69～8.07,为偏碱性土壤,生草后对土壤pH有一定降低,因为杂草及牧草粉碎后返回土壤经分解可产生较多的CO2和有机酸,降低土壤的pH[17];果园生草后的第3年,各处理下土壤含水量均有所增加,其中种植白三叶对土壤含水量增加效果最好,与毛培春等[18]的研究结果相似,果园生草后增加了苹果园地表覆盖,改善了土壤孔隙和团粒结构,增大了土壤的渗水性和保水能力[19];生草处理后的土壤容重均显著降低,生草处理能有效地降低土壤容重,增加土壤孔隙度,有利于水分的保持和渗透,其中油菜处理对土壤容重的降低效果最好,但油菜处理下土壤含水量却低于白三叶处理和黑麦草处理,因为油菜处理区每年进行翻压入土,而白三叶处理和黑麦草处理并不进行翻压,所以油菜处理下土壤容重降低效果最好。油菜作为一种油料作物,其生长发育所需要的水分要高于白三叶和黑麦草,且油菜地上生物量大,消耗的水分也更多,可能是造成油菜处理下土壤含水量低于白三叶和黑麦草处理的原因;有机质是提高土壤肥力的必要条件,是土壤各速效养分的重要来源,是保证果树生长发育和提高果实品质、产量的重要条件。生草处理可以有效地增加土壤有机质的含量[20]。研究发现,种植油菜对土壤有机质及基础养分的效果最为明

表7 各样地主成分得分及综合得分

显,与艾麦尔艾力·吐合提等[21]的研究结果类似,试验中白三叶处理对土壤肥力的提高效果不如黑麦草处理和油菜处理,因为黑麦草处理小区和油菜处理小区进行了刈割和翻压,将小区内牧草及杂草都返于土壤,而白三叶处理小区三年不翻压和刈割,所以对土壤养分的提升效果不如黑麦草和油菜处理。与对照相比,白三叶处理下土壤速效钾含量有所降低,因为白三叶自身生长也会消耗土壤速效钾,且白三叶处理小区不进行翻压和刈割,而对照区定时清理杂草粉碎后返于土壤。

3.3 果园生草对果树叶片营养状况的影响

叶片可以反映果树的营养状态,叶片中矿质元素的量可以说明果树的营养水平,叶片中叶绿素的含量则可以反映果树光合作用的能力。试验中,相较于对照,果园生草处理后的果树叶片中的叶绿素含量均显著增加,其中白三叶处理下的增长幅度最大,种植白三叶能有效地提升果树叶片的叶绿素含量从而提高果树叶片的光合特性,邢荔[22]研究表明,果园生草后在一定程度上会影响到果树叶片的光合特性,此影响与所种草种有关,其中以单播白三叶为最佳,这与本研究结果一致。Tan等[23]研究指出,生草处理使葡萄叶片中N含量下降,P、K含量升高,N水平下降主要是竞争所致。研究发现,黑麦草处理下果树叶片K含量略有降低,N、P含量却有所提升,黑麦草处理存在与果树竞争现象导致叶片K含量降低,而K含量降低抑制了果树的营养生长,其消耗的N、P有所降低,所以叶片N、P含量会有提高;油菜处理下果树叶片N、P含量最高,其次是黑麦草再是白三叶,因为生草处理下,草的分泌物增加了土壤N、P的移动性,或其根际微生物菌群提高了N、P素供应。任群等[24]研究发现,生草栽培的椪柑叶片Ca含量显著低于对照,研究白三叶处理下叶片Ca含量也得到类似结果;李艳丽[25]研究指出,行间种植三叶草能提高叶片中Fe、Mn含量,但研究中白三叶处理下叶片Fe含量有所降低,因为叶绿素的产生消耗了叶片的Fe素。研究中黑麦草处理下叶片Mn含量有所降低,油菜处理下叶片各矿质元素均有提高,种植油菜对提升果树叶片矿质元素含量的效果最好。

3.4 不同种植牧草提升土壤肥力及果树营养品质的综合效益评价

研究中的第一主成分包含大部分土壤理化因子及少部分果树叶片全量养分因子,第二主成分包含种植牧草及杂草生物量、少部分土壤理化因子及果树叶片叶绿素及Ca含量;第一主成分得分高的种植模式在提高土壤肥力及部分果树叶片营养品质具有更好的效益,第二主成分得分高的种植模式在抑制杂草生长及提高果树叶片叶绿素及Ca含量方面具有更好的效益。第一主成分得分油菜处理>黑麦草处理>白三叶处理>对照,种植油菜对于提高土壤肥力和果树叶片营养品质具有更好的效益,要优于种植黑麦草和白三叶;第二主成分得分白三叶处理>对照>油菜处理>黑麦草处理,种植白三叶对于抑制杂草生长和提高部分果树营养品质具有更好的效益,要优于种植黑麦草和油菜,其中对照得分大于油菜处理和白三叶处理,原因可能是对照定时清理杂草返于园区内,表现为具有杂草防治效果;综合得分为油菜处理>黑麦草处理>白三叶处理>对照,即种植油菜具有更优的综合效益。

4 结 论

4.1白三叶处理可有效减少果园杂草生物量(杂草生物量较2017年时下降59.3%),与对照处理相比,可有效提高土壤含水量(较对照增加25.43%)、提高果树叶片叶绿素含量(较对照增加56.02%)。

4.2与对照处理相比,油菜处理可有效提高土壤有机质(较对照增加115.89%)、碱解氮(较对照增加64.32%)、速效磷(较对照增加86.01%)和速效钾(较对照增加9.16%)含量。

4.3杂草抑制、改良土壤肥力、改善果树生长状况等效果,果园生草以种植油菜为最佳。