梨园生草的研究进展

李贵美,张国栋,陈泽浩,张 明

(聊城市农业科学院,山东 聊城 252000)

果园生草作为一种先进的土壤管理方式,在美国、欧盟和日本等许多国家和地区60%～75%以上面积的果园均实施了生草制度,有的国家推广面积甚至超过了90%,而我国果园生草面积不足10%。清耕法是我国果园传统的土壤管理制度,目前,我国占栽培面积80%以上的果园依然采用清耕、或清耕+免耕法[1-4]。长期清耕会破坏土壤结构,导致果园土壤有机质迅速减少[5],不利于发挥果园的经济效益、生态效益和综合效益。

梨是世界四大水果之一,在我国水果生产中占有重要的地位,产量仅次于柑橘和苹果。近年来,梨产量逐年增加,而梨果品质不高等问题愈发凸显,成为制约我国梨产业的发展重要因素之一。究其原因,主要与我国梨生产管理模式落后有关。近年来,许多学者着手研究梨园生草的诸多方面,结果表明,梨园生草能够综合提升果园生态、经济效益,具体表现在协调土壤三相物质构成,改善土壤孔隙性、土壤结构等理化性状,提高土壤有机质含量,提升果品质量,防止水分的地表径流,缩减梨园生产用工成本,利于机械化操作,便于实施生物防治病虫害等。因此,笔者总结了近15年来的生草试验研究,从生草概述及其对土壤、树体、微域环境等几个方面的影响综述了我国梨园生草研究进展,并提出问题和思考,期望为进一步实施梨园生草及推广提供参考。

1 果园生草概述

果园生草是指在果园里种植1年生或多年生草本植物,达到草本植物与果树共同促进生长的效果,形成以维持果园土壤肥水为核心的可持续发展土壤管理体系技术。梨园生草分为人工生草和自然生草,自然生草指剔除根系深广、生长强旺的恶性类杂草,保留根系浅、株高较低的草种任其自然生长的栽培方式。人工生草指人为选择特定的草种在梨园进行种植的生草模式。据生草区域的不同,梨园生草可以分为全园生草和行间生草。在养分和水分供应充足的成龄梨园,可实行全园生草;在土壤贫瘠,排灌水系统较差的梨园,可以采用行间生草。对于草种的选择和种植方式,最常见的是选用豆科、禾本科草种,采取单独播种,或者豆科与禾本科混种。大部分的研究结果表明:由于草种与果树之间存在较强的水分、氮肥竞争,旱地果园和幼龄树果园均不适宜进行全园生草管理[6-7];不论自然生草还是人工生草,草种的选择一定要因地制宜,并注意生草达到一定高度时,及时进行刈割。

2 生草对梨园土壤的影响

2.1 对土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤容重与孔隙度

梨园生草可以降低土壤容重,增加耕作层土壤孔隙度。王艳廷等[8]在黄河三角洲梨园试验的结果显示,自然生草后土壤孔隙度约是清耕对照的1.3倍,土壤容重约是清耕的85%,差异极显著。高超等[9]研究发现,砂梨园生草3年,生草区相较清耕,0～20 cm土层土壤容重下降28.00%,总孔隙度增加64.21%,21～40 cm土层土壤容重降低3.76%,总孔隙度增加28.06%。李晓刚、王国伟等[10-11]也得到了类似的结论。梨园生草后,牧草的根系扎入土壤,扩充了土壤的通气空隙和毛管空隙,降低了土壤容重,增大了土壤的总孔隙度。

2.1.2 土壤温度

梨园生草能够保持土壤温度相对稳定。研究表明,梨园行间生草区0～20 cm和20～40 cm土层土壤温度变化一致,5月—10月一直在20～25 ℃波动,而清耕区土温变化幅度在10 ℃左右[12-13]。生草区冬季地温较清耕区可提高2.0℃[14]。梨园生草还可以使土壤日温差保持较低水平,生草区在7:00略高于清耕对照区,或与之相同;而在14:00明显低于清耕对照区[15]。总之,生草处理可以遮住地面,减少由于太阳直射而导致的温度增加,减轻了土壤温度变化幅度。

2.1.3 土壤水分

梨园生草能起到涵养土壤水分的作用。大量研究表明,梨园生草当年的4月—10月生草处理区土壤含水量相对稳定,在22%～46%之间变化,清耕处理区土壤含水量变化幅度在18%～60%[12];香梨生草覆草当年耗水量差异不大,此后的4年耗水量均比清耕对照有所降低,且时间越长,降低越明显[11,16-17]。但是,当土壤水分不足时,牧草和果树会存在水分的竞争。研究发现,旱季时,生草区10～30 cm土层土壤含水量显著低于清耕区,且随着土层深度的增加呈降低趋势[10,13,18-19]。梨园生草对土壤水分的影响结果,可能与当地气候条件、土壤类型、牧草种类等因素有关。

2.1.4 土壤pH值

梨园生草使得土壤的pH值呈现降低趋势。大量研究表明,生草能显著降低株间和行间各层土壤pH值,株间降低1.2%～3.4%,行间降低0.6%～4.1%,随生草年限的增加逐年降低,不同草种在不同区域对土壤pH值降低的效应不同[11,20-22]。进一步开展生草对土壤酸碱性影响的研究,可能对盐碱地果园土壤改良具有重要意义。

2.1.5 土壤有机质

土壤有机质是土壤固相重要组成成分,虽然仅占土壤总量的很小一部分,但在一定范围内,土壤有机质含量与土壤肥力水平呈正相关[8]。研究表明,梨园进行自然生草和人工生草,相较清耕,土壤有机质含量分别提高了7.1%～10.95%和7.9%～24.82%[15,21]。在梨果实膨大到采收期间,生草区0～80 cm土层土壤有机质平均含量均高于清耕区,且在其垂直土壤剖面,生草区与对照区有机质含量均自表层沿剖面递减[12-13,21,24-25]。连年生草,土壤有机质随生草年限的递增逐年增加[18,22,26-28]。在梨园实行生草制度,牧草的根系残留物、分泌物在土壤中降解并转化为腐殖质,土壤中有机物积累下来,使得土壤有机质含量增加。

土壤有机质分解可产生胡敏酸,它能够促进梨树根系的呼吸作用,增强细胞膜的渗透性,提高对矿质养分的吸收能力,促进细胞分裂,加速梨树体的生长。在砂质土壤中,由于胡敏酸的黏着力和黏结力,提高土壤吸附量,能够有效的增加沙地的保水保肥能力,减少雨水冲刷造成的水土流失。田明英等[29]指出,山地果园20 cm土层1 m2的剖面上牧草根数为266条,而清耕区几乎没有。

2.2 土壤矿质营养元素

2.2.1 大量元素

梨园生草能够有效提高土壤库氮、磷、钾等有效养分含量。大量研究表明,生草梨园0～20 cm土层全氮、全磷、全钾的平均含量分别是清耕对照的1.34倍、1.36倍、1.04倍[9]。土壤碱解氮、速效磷和速效钾质量分数比清耕分别提高了24.34 mg/kg、0.55 mg/kg、10.41 mg/kg[24]。侯启昌、霍珊珊、张厚华等[13,21,30]也得到类似的研究结果。这可能与生草具有活化有机态氮、磷、钾的功能有关,其中具体的原理机制有待进一步研究。

2.2.2 中微量元素

果园土壤中微量元素不仅影响果实产量,对果实品质提升也具有重要作用。果园生草对土壤表层中微量元素有显著调节作用。大量研究表明,生草梨园0～20 cm表层土壤有效铁、锰、铜、锌和全硼含量分别增加了16%、24%、57%、15%和21.80%,全钙、全镁含量分别降低了46.15%、39.87%,20～40 cm土层土壤全钙、全镁、全锌和全硼的含量分别降低了29.73%、35.67%、9.68%和16.77%[31-32]。梁博文等[22]在东营孤岛镇梨园生草研究中发现:梨园生草后能显著提高土壤各层全钙、全镁、全铁、全锌和全锰含量,且均表现为行间>株间,生草8年>生草4年>生草3年>清耕。

2.3 土壤微生物

土壤微生物能够促进土壤中养分和能量代谢,其参与土壤腐殖质的分解、土壤的生化反应,维系着土壤生态系统的稳定[33],细菌、真菌在土壤中的数量变化,可作为土壤质量的表征依据[34]。梨园生草极大的丰富了土壤微生物的种类和数量。樊慧敏等[35]在冀南地区梨园生草后指出,0～20 cm和20～40 cm土层的土壤细菌数量、土壤放线菌数量、真菌数量比清耕处理分别增加了41.01%和29.62%、142.79%和132.23%、8.04%和23.61%。王艳廷等[8]通过PCR-DGGE检测发现,生草4年多样性指数和丰富度指数分别是清耕的1.14倍和1.35倍,生草9年是清耕的1.22倍和1.44倍。王国伟等[11]在西藏林芝地区梨园生草也得到类似结论。

2.4 土壤酶活性

土壤酶主要来源于植物根系、动物和微生物的分泌物,果园生草为土壤酶提供了更加丰富的存在环境。土壤酶与土壤中很多重要的物理、化学和生物化学反应,以及土壤有机质、腐殖质、微生物活性物质等均有密切的相关性,其活性可以作为土壤肥力的评价指标之一。土壤酶可以分为6大类,分别为氧化还原酶、水解酶、转移酶、裂合酶、连接酶和异构酶,目前,果园生草对土壤酶的影响研究主要涉及前2种酶。有研究发现,果园生草对土壤表层酶的活化作用明显[33],而对深层土壤作用较弱,但不同酶活性影响表现不一。

2.4.1 过氧化氢酶

土壤中过氧化氢酶是一种氧化还原酶,能够促进过氧化氢的分解,利于防止过氧化氢对生物体的毒害作用。赵明新等[12]研究发现,梨园生草区0～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性均高于清耕区,20～40 cm土层过氧化氢酶活性显著低于0～20 cm土层。王国伟等[11]在西藏林芝地区梨园生草试验结果表明:行间人工生草较清耕均能显著提高土壤过氧化氢酶的活性,鸭茅间作效果最佳,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种复合性氧化还原酶,其参与土壤中芳香族化合物的转化和循环。赵明新[12]研究发现,梨园生草区0～40 cm土层土壤多酚氧化酶活性均高于清耕区,且在5月份达到最大值。王国伟等[11]也得到类似的结论。

2.4.3 脲酶活性

脲酶是土壤中唯一对尿素水解起重要作用的关键性水解酶。傅金辉[36]等发现,果园生草能够明显地提高冠下和行间表层土壤脲酶活性,脲酶活性较清耕提高了107.1%,且酶活性随着生草年限的增加呈上升趋势,清耕却随年限有所下降。王国伟、赵明新、黄雄等[11-12,18]也得到类似的结论。

总之,土壤中过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶活性对土壤氮素的转化与利用有密切的关系,过氧化氢酶与大多数养分有密切相关性。土壤中的酶活性高低是影响土壤矿物质养分及有机质形成的重要因子[12]。随着土壤酶学的发展,梨园生草对土壤养分的活化、吸收作用以及影响各种酶活性的机理,也会研究的越来越深入。

3 对梨树的影响

3.1 梨树体生长

生草梨园内,草株植于梨树行间或株间,牧草种类、生物生长量、根系深度、植株高度及覆盖范围等因素会影响梨树体生长发育。刘芬红等[28]连续3年在5年生的丰水、水晶梨园人工生草发现,相较清耕处理,梨树新梢长度平均提高了15.3%。闫春鸣[15]在10年生的红梨、酥梨园行间间作白三叶和多花黑草,第3年的试验结果显示,与清耕相比,梨树单株的成枝数量、结果枝数量分别提高了20.8%和13.6%,72.45%和61.22%。赵明新[12]发现,雪青梨园种植三叶草较清耕处理,梨叶片净光合速率和水分利用率分别提高了19.40%和39.06%,增加了梨叶片叶绿素含量。但果园生草栽培也会在一定程度上削弱树势,这一效应已在梨、苹果等多种果树上得到证实[37],这可能与草种过度竞争水分或氮肥有关,尤其是全园生草会削弱果树树势,并且在干旱地区和幼龄果园比较明显[6-7]。

3.2 果实产量和品质

闫春鸣[15]在河西走廊地区连续4年的梨园生草试验结果表明:白三叶草处理单株梨树平均产量、单果质量、果实维生素C含量和可溶性固形物质量分数比清耕园分别提高了33.10%、10.54%、4.19%和5.34%。辛贺明等[25]发现:梨园种植白三叶草3年后,平均每亩(667 m2)产量和单果质量均显著高于清耕处理,分别提高了15.07%和14.12%,可溶性固形物质量分数和可滴定酸质量分数无显著差异。赵明新、曹永和张厚华等[12,24,29]也得到类似的结论。但是,也有研究表明:生草栽培后,梨果实硬度、单果质量和单株平均产量与清耕对照区没有显著差异,仅果实可溶性固形物质量分数较清耕对照区略有提升[38]。以上不同试验结果的出现,我认为可能与生草年限、生草种类和土壤条件等有关系。

4 对果园小气候和生物多样性的影响

4.1 空气温、湿度

侯启昌[21]在黄河地区进行梨园生草试验,结果表明:较清耕区,在晴天时,生草使果园温度下降2～3 ℃,湿度上升10%～15%,阴雨天时差别不大。辛贺明[25]发现5月中旬至9月中旬,梨园生草区气温均显著低于清耕区,降幅在1.11～3.13 ℃,气温越高,降温效果越明显。梨果膨大期到采收期间,梨园白三叶和黑麦草生草区空气相对湿度均显著高于清耕区,分别提高了3.69%～19.22%和3.59%～15.56%。这与桃、葡萄上的试验研究结果基本一致[39-40]。

4.2 害虫及其天敌的发生及生物多样性

梨园生草丰富了地表植被面积,给许多生物提供了充足的蜜源植物和良好的生存环境,害虫天敌种类和数量增加,丰富了梨园的生物多样性,同时可以减轻某些害虫的危害。伊兴凯等[41]比较了种植三叶草、苕子,自然生草、清耕对照对梨园主要害虫及其天敌的影响,发现:4月—10月害虫总数量分别为2 026头、2 622头、3 267头和122头,天敌数量分别为300头、378头、149头和8头,且害虫及其天敌的发生存在相似的消长规律。刁芬兰等[26]连续3年生草试验发现,三叶草区天敌较清耕区分别增加了46.82%、69.63%、78.97%;紫花苜蓿区增加了50.65%、83.78%、106.11%。侯启昌[21]5月份在黄河地区梨园生草试验,结果表明:生草区害虫发生明显轻于清耕对照区,梨瘿蚊、梨木虱、梨二叉蚜、红蜘蛛和桃蛀螟平均密度分别减少了90.33%、95.46%、99.67、99.93和70.00%;梨园生草利于害虫天敌的招引和繁殖,生草区与对照区的龟纹瓢虫、草蛉和小花蝽等天敌数量之比为2∶(1～9)∶1。

5 问题和展望

梨园生草可以改善梨园土壤理化性质,促进速效养分转化,利于微生物生长,提高土壤酶活性,减少梨园病虫草害,通过合理的生草模式还可以减少化肥和农药的投入,节省生产成本,减轻环境污染,符合无公害水果生产的要求。尽管如此,我国梨园生草仍然存在一些问题。首先,梨园生草时间一般较短、推广面积较少,很多果农更关注梨果,对于生草的成本投入有得不偿失的担忧,如生草消耗养分会远大于提供给果园的;其次,现有的研究多集中在土壤、养分分配、天敌和果实质量等方面,仍有许多方面还没有被探索,如草种根系微域环境下有效养分的转化机理,草种和梨之间的相互作用机制等;最后,我国梨品种繁多,梨树分布广泛,因此需要因时、因地、因种制宜,确定最适合的草种。接下来,有必要就草种对梨树的影响及其管理进行深入研究,结合当地的气候和土壤条件,同时考虑成本支出、异株相克等因素,筛选出适宜本地的草种,制定梨园标准管理办法,以完善梨园的土壤管理制度。