不同草种对‘赤霞珠’葡萄幼苗生长和土壤理化性状的影响

2020-08-03姜亦文张晓鑫王玥贾润普左一立姚玉新

中外葡萄与葡萄酒 2020年4期

姜亦文，张晓鑫，王玥，贾润普，左一立，姚玉新*

（1. 山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2. 商河县农业农村局，山东商河 251600）

果园生草是一项绿色果品生产技术，在葡萄园应用面积逐步扩大。葡萄园生草有行间生草和全园（行间＋行内）生草两种方式，目前以前者居多。大量研究表明，果园生草的主要作用在于维持土壤的稳定性，提升土壤的理化性状。生草能降低葡萄园土壤容重、增大土壤孔隙度[1]，提高土壤pH，缓解土壤盐碱化，促进葡萄生长发育[2]。就具体草种而言，葡萄园行内人工种植黑麦草、紫花苜蓿、白三叶，能提高0～20 cm土层有机质含量[3]；行间种植高羊茅、紫花苜蓿、白三叶，能增加土壤酶活性[4]；葡萄园自然生草显著提高微生物丰度指数和多样性指数，以生草0～20 cm土层处理最高[5]。

生草对土壤矿质营养、树体生长和品质形成的调控受立地条件和草种等因素影响。行间生草下，草通过直接竞争和吸收水分、降低氮素可移动性来减少土壤和葡萄植株的氮素水平[6]；此外，葡萄园生草降低土壤氮（尤其是硝态氮）、磷、钾含量[8-9]。草、葡萄根系相互竞争会影响葡萄水分吸收、光合产物分配、根系下扎能力和分布以及根系微域环境质量等，进而影响根系生长[9-10]；葡萄园长期行间生草可引起‘赤霞珠’葡萄表层根系数量大幅减少[11]。研究发现，葡萄行间生草可降低葡萄生长势，且对葡萄产量无影响[12]。与行间生草相比，全园生多种草均降低了葡萄树体氮素水平，进而减弱葡萄营养生长[13-14]。不同草种对产量的影响也不同，豆科草种降低穗质量，混合草种降低果穗数量和穗质量；但混合草种利于果实品质形成[15]。

总体上看，与行间生草相比，全园生草对葡萄生长和土壤环境等方面的影响需要更深入的研究[14,16]；现有研究多数表明，全园生草不利于树体生长和产量形成，但有利于控制生长势和品质形成[14]。目前生产上存在苗木种植和全园生草同步的种植模式，本研究旨在评价黑麦草、野豌豆和自然生草对葡萄幼苗生长的影响，并从碳氮营养和土壤环境角度阐明其影响机制，以期为葡萄园科学生草提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

试验于2018年在山东农业大学南校区实验基地进行。一年生‘赤霞珠’（Cabernet Sauvignon，Vitis viniferaL.cv）葡萄自根苗及对应栽培土壤用于葡萄生长、储藏营养、葡萄15N同位素示踪及土壤理化性状分析。葡萄定植于80 cm×80 cm×100 cm的根箱中，基质为土∶基质∶蛭石∶有机肥＝4∶1∶1∶1。试验分4个处理，人工种植野豌豆及黑麦草、自然生草、清耕，人工种草时间为苗子发芽后（4月18日），自然生草优势种群为马唐（Digitaria sanguinalisL. Scop.）、稗草（Echinochloa crusgalliL. Beauv.）、牵牛（Pharbitis nil.Linn. Choisy）、蒲公英（Taraxacum mongolicumHand.-Mazz.）和狗尾草（Setaria viridisL. Beauv.）。每个根箱内种植一株葡萄苗，每6个根箱一个处理，重复3次。6月进行葡萄15N同位素示踪处理，每盆1 g带标记的尿素兑2 L水均匀浇灌，避雨管理，9月份落叶前破坏性取样。

不同草种碳同化能力、氮吸收能力利用盆栽进行试验。春季在60 cm×60 cm的陶盆内均匀的撒播野豌豆及黑麦草种子，加上自然生草共3个处理，每6盆一个处理，重复3次，5月份进行碳氮示踪试验，每盆1 g带标记的尿素兑2 L水均匀浇灌，碳示踪则用13C标记的碳酸钡0.3 g，在密闭条件下将0.1 mol/L的HCl注入，速度为4 mL/h，共处理4 h。15N同位素示踪处理同上。处理一个月后测定不同草种的碳氮水平。

6月5日将草取样并沤肥，7月16日将沤好的肥料埋入春季根箱定植的‘赤霞珠’葡萄周围，浇水湿润，9月份落叶前将植株破坏性取样，检测葡萄13C和15N的含量。

1.2 测定方法

枝条及根系内的淀粉与可溶性糖采用硫酸蒽酮比色法测定[18]，检测波长为630 nm。

根系构型采用专业版 WinRHIZO 根系分析系统（Regents Instruments Inc., Quebec, Canada）测定。

碳氮示踪的测定，同位素吸收量及各器官分配率计算方法参考葛顺峰等[18]。

土壤容重用环刀法测定，土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定[19]。

土壤呼吸使用PP System公司的CIRAS-2便携式光合仪及其附带的SRC-1土壤呼吸室进行测定。

土壤氧气扩散速率使用ODR土壤氧气扩散速率仪（赛弗公司，中国）测定。

土壤过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定；脲酶活性用苯酚钠比色法测定；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[20]。

1.3 数据统计与处理分析

试验数据用Microsoft Excel 2010进行处理，采用 DPS 7.05 软件进行方差分析，用Duncan's新复极差法进行平均数的显著检验，差异显著性用小写字母标注，P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同草种对植株生长和储藏营养的影响

与清耕相比，黑麦草、自然生草对新梢高度的影响无显著差异，野豌豆显著降低新梢高度，仅为清耕的51.5%。并且，野豌豆也显著降低地上部鲜重，仅为清耕对照的22.4%；黑麦草显著提高地上部鲜重，自然生草降低了地上部鲜重，但效果并不明显。与清耕相比，黑麦草、自然生草显著提高枝条淀粉和可溶性糖含量，自然生草下淀粉和可溶性糖比对照提高15.2%和48.3%；而野豌豆对葡萄枝条中淀粉和可溶性糖无显著影响（表1）。

从表型上看，黑麦草增加了细根数量，野豌豆降低了总体根系水平（图1）。与清耕对照相比，野豌豆使根系鲜重降低84.8%，同时减小根系总长度和平均直径；而黑麦草和自然生草对根系总长度未产生显著影响，但显著降低根系直径。就根系组成而言，与清耕相比，野豌豆显著降低侧根和毛细根的数量，而黑麦草和自然生草对一级侧根数量无显著影响，显著提高二级侧根和毛细根数量（表2）。并且，自然生草和黑麦草显著提高根系淀粉和可溶性糖含量，而野豌豆显著降低根系淀粉和可溶性糖含量（表3）。

表1 不同草种对葡萄新梢生长和储藏营养的影响Table 1 Effects of planting different grasses on grapevine shoot growth and nutrition reserve

2.2 不同草种的氮吸收、碳同化能力及对葡萄碳氮水平的影响

三种草在20 cm左右厚度的土层中产生大量根系，与葡萄根系交错分布，黑麦草的根系分布见图2A。野豌豆对氮吸收能力最强，其次是自然生草，黑麦草吸收能力最低；野豌豆氮吸收能力达到黑麦草的2.72倍。野豌豆与黑麦草的碳同化能力无显著差异，但显著高于自然生草（图2B）。

与清耕相比，生草显著降低葡萄15N吸收量，黑麦草、野豌豆和自然生草导致的降幅分别为36.0%、47.9%和31.4%（图2C），表明草与葡萄竞争氮素。并且，不同草种对葡萄不同组织氮素水平影响有所不同；黑麦草主要降低根和茎中氮素，自然生草主要影响茎和叶，而野豌豆对根、茎、叶都产生显著影响（图2C）。

表3 不同草种对葡萄根系储藏营养的影响Figure 3 Effects of different grasses on root nutrition reserve/(mg/g)

2.3 不同草种沤制绿肥对葡萄碳氮营养的影响

将整草沤烂制成绿肥，等量施在葡萄根系附近，然后测定植株对肥料中15N和13C的吸收能力，以及吸收后各营养器官占总吸收的百分比。结果表明，葡萄从3种绿肥吸收的氮素大约35%和40%分配到根和叶，25%分配到茎；葡萄对黑麦草和自然草绿肥的氮素吸收能力相似，对野豌豆绿肥的氮吸收率相对低，为黑麦草的83.8%（图3A）。葡萄从绿肥中吸收的碳素主要分配到叶片，占总量的50%以上；自然生草对葡萄碳素贡献最大，比野豌豆高26.5%；黑麦草和野豌豆提供了相似的碳素（图3B）。

2.4 不同草种对土壤理化特性的影响

土壤呼吸、土壤氧气扩散速率是土壤通气性的重要指标，反映土壤氧气与大气之间的交换状况。从图4A可以看出，4种模式对应的土壤呼吸速率日变化均为单峰曲线，峰值出现在13:00。3种生草处理在同一天的同一时刻均要高于清耕，以种野豌豆最好，其次为自然生草，最后是黑麦草。在峰值时，野豌豆、自然生草及黑麦草分别比清耕高85.5%、46.4%、25.7%。

土壤氧气扩散速率跟土壤呼吸一样是土壤通气性的重要指标。如图4B所示，与清耕相比，种植野豌豆显著提高氧气扩散速率，增幅为21.8%；自然生草增长10.5%，但未达到显著水平；黑麦草对氧气扩散速率的影响和清耕相似。

就土壤酶活性而言，生草提高土壤过氧化氢酶、尿酶和蔗糖酶活性，对蔗糖酶活性的提高幅度最大；黑麦草、野豌豆及自然生草使土壤过氧化氢酶活性比对照提高40.3%、12.7%、23.9%（图5A），使脲酶活性提高了28.7%、7.7%、15.3%（图5B），使蔗糖酶提高298.7%、71.9%、285.8%（图5C）。因此，黑麦草对3种酶活性的促进作用最大，其次是自然生草，最后是野豌豆（图5）。

生草显著影响0～20 cm的土壤容重（表4），其中种黑麦草、野豌豆以及自然生草分别使其降低19.1%、7.3%、21.9%。但是，生草对20～40 cm的土壤容重无显著影响。表明草根主要分布于0～20 cm土壤深度内，因而对这一表层的土壤指标影响最大。

当年生草对土壤有机质含量产生影响。其中影响最大的为黑麦草，其使有机质含量相比于清耕增加28.3%；野豌豆降低土壤内有机质含量，暗示野豌豆与葡萄植株之间存在较大的养分竞争。

3 讨论

表4 不同草种对土壤容重和有机质含量的影响Table 4 Effects of sowing grass on bulk density and organic matter of soil

对于结果期葡萄，尤其是酿酒葡萄，控产提质是一项尤为重要，疏花疏果耗费大量人工，通过全园生草控制生长势、降低产量是一项有效措施[14]，而行间生草不能降低葡萄产量[12]。但对于幼树而言，提前促长对于提早结果非常重要。本研究利用根箱混种草和葡萄模拟全园生草对葡萄幼苗生长的影响。与清耕相比，黑麦草提高地上部鲜重，野豌豆大幅度降低地上和地下部鲜重，自然生草对生长量无显著影响。从这点上看，野豌豆不适合‘赤霞珠’葡萄幼树全园生草栽培。黑麦草促进生长的原因之一可能在于改变葡萄根系组成，增加二级侧根尤其是毛细根数量，从而提高树体养分吸收能力。相似的研究也表明，生草能提高果树小于2 mm的根系尤其是毛细根的数量[21-22]。从枝条和根系储藏营养来看，野豌豆显著降低储藏营养，而黑麦草、自然生草提高储藏营养，有利于葡萄下一年的生长发育。综合以上，黑麦草和自然生草适合‘赤霞珠’葡萄行内生草，而野豌豆则不适宜采用，这可能是由于试验时间过短或幼苗不稳定所致。

碳氮营养的吸收、利用及转运是果树生长发育的基础[23]。生草会影响果树的碳氮营养[24]，改变植株碳氮吸收能力，使各营养器官碳氮分配比例发生改变，进而影响植株生长发育。就3种草而言，野豌豆氮素竞争能力最大，导致葡萄不同组织氮素水平最低。主要原因在于野豌豆是豆科植物，春季爬蔓生长且长势旺，根系发达吸水能力强，与植株竞争养分和水分[25]；此外，一年生‘赤霞珠’根系竞争力差，也加剧草种的影响。黑麦草和自然生草也具有较强的氮素竞争能力，降低葡萄树体氮素水平，但是二者对葡萄生长并未产生负面影响，原因可能在于二者增加毛细根数量，提高根系养分吸收能力。此外，土壤氮素水平下降可能也是导致葡萄毛细根生长的原因，因为表层土根系生长依赖于土壤氮和磷水平，低氮素利于细根的产生[26]。果园生草降低树体氮素水平是一种普遍现象，在苹果等有相似的报道[27-28]。另一方面，草可以转化为有机肥为葡萄提供碳氮养分[29]。3种草均能为葡萄提供碳氮营养，其中碳主要用于地上部生长。尽管野豌豆氮吸收和碳同化能力较强，但转化效率较低，对植株碳氮贡献率低于黑麦草和自然生草。

本研究表明，相比于传统的清耕模式，3种草优化土壤理化性质，但存在较大差异。黑麦草在降低土壤容重、提高有机质和土壤酶活性上效果最明显，野豌豆在提高土壤呼吸和氧气扩散速率上最突出，自然生草的效果居二者之间。通过比较生长、碳氮营养和土壤理化性状，生草对葡萄幼苗生长的影响是多种因素综合调控的结果。比如，野豌豆提高土壤理化性质但过度竞争氮素，最终大幅度降低葡萄幼苗生长。黑麦草竞争氮素，但改善土壤理化性质而促进了细根生长，最终促进幼苗生长。