自然生草和蚯蚓對渭北旱塬蘋果園土壤特性及蘋果品質的影響

白崗栓 鄒超煜 邵發(fā)琦 楊凱齊

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.吉安市濕地管理中心，江西 吉安 343000；4.安康市農(nóng)業(yè)科學研究院，陜西 安康 725021；5.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

渭北旱塬地處陜西省關中平原與陜北黃土丘陵溝壑區(qū)之間，海拔800～1 300 m，為黃土高原地勢較為平緩的部分，是中國最大的優(yōu)質蘋果(Malusdomesica)生產(chǎn)基地，但渭北旱塬為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量偏少，土壤干燥化嚴重且土壤有機質含量低，影響蘋果的優(yōu)產(chǎn)和高產(chǎn)[1-3]。為了減少土壤水分消耗，渭北旱塬果園的地面管理大多為清耕，以減少生草對土壤水分的消耗，但連續(xù)多年的清耕易導致土壤有機質降低及土壤水分蒸發(fā)，不利于果樹健康持續(xù)生長[4-5]。生草可改善果園的土壤水分狀況，提高土壤有機質，改善果園立地環(huán)境[4-10]。果園生草有人工生草和自然生草2種方式，人工生草多選用豆科和禾本科植物，但這些植物往往根系龐大，分布較深，在干旱的渭北旱塬存在與果樹爭水爭肥的問題[11-16]，生產(chǎn)中難以推廣；自然生草的物種豐富，覆蓋度高，能有效改善土壤的微環(huán)境[17-25]。渭北旱塬西部果園自然生草的種類主要為繁縷(Stellariamedia)和牛繁縷(Malachiumaquaticum)，根系分布淺，耗水量少，覆蓋度高，不需要播種及刈割，可有效提高果園土壤水分[26]。如何將生草果園的枯枝落葉快速轉化為土壤有機質，改善果園的土壤環(huán)境是生草果園土壤管理中急需解決的問題。蚯蚓作為土壤中的大型動物之一，能夠直接采食作物秸稈、畜禽糞便和城市污泥等有機固體廢棄物，并將其轉化為蚯蚓糞及土壤有機質；蚯蚓在取食、消化、掘穴、排泄和分泌等過程中，能夠改善土壤的孔隙結構、土壤理化性狀和生物學特性等，促進土壤水分入滲，增加土壤養(yǎng)分的有效性，加速土壤有機質的礦化，改良土壤的通透性，提高土壤肥力，促進作物生長，提高土地生產(chǎn)力[27-33]。有關蚯蚓改善果園土壤環(huán)境的多為果園施用蚯蚓糞或果園添加蚯蚓和作物秸稈，利用蚯蚓取食作物秸稈，將作物秸稈轉化為土壤有機質等來改善果園的土壤環(huán)境[34-39]，而直接把蚯蚓投放于自然生草的果園中，自然生草與蚯蚓相結合來改善果園土壤環(huán)境及促進果樹生長，特別是提高果園深層土壤水分方面的研究未見報道。本研究以果園清耕為對照，直接把蚯蚓投放于清耕和自然生草(繁縷和牛繁縷群落)的果園中，探討清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓及自然生草處理對果園土壤水分、土壤容重、果實產(chǎn)量及品質的影響，為提高渭北旱塬果園土壤水分及果實品質提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗園位于渭北旱塬西部的中國科學院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(35°12′ N，107°40′ E，海拔1 220 m)。試驗園年均降水量為551.7 mm，其中4～10月為494.1 mm，日照時數(shù)為2 226.5 h，日照百分率為51%；年均氣溫為9.1 ℃，≥10 ℃的活動積溫為3 029 ℃，無霜期為171 d。試驗園土壤為黑壚土，耕層(0～20 cm土層)土壤有機質質量分數(shù)為9.24 g/kg，全氮為0.91 g/kg，速效氮為53.65 mg/kg，全磷為0.24 g/kg，速效磷為40.28 mg/kg，全鉀為7.28 g/kg，速效鉀為214.25 mg/kg，pH為7.8，土壤容重為1.32 g/cm3，田間持水量為22.21%，土壤萎蔫系數(shù)為9.2%。20～200 cm土層土壤容重平均為1.34 g/cm3。試驗前果園土壤管理為清耕。

1.2 試驗材料

供試蘋果園建于1996年春季，南北行向，株行距為3.0 m×4.0 m，主栽品種為‘紅富士’(Red Fuji)，砧木為新疆野蘋果(Malussieversii)，面積2.0 hm2，樹形為小冠疏層形。2008—2016年平均產(chǎn)量為42 000 kg/hm2，2018年因晚霜危害造成絕收，2020年因晚霜危害減產(chǎn)50%左右。2016年冬季修剪前樹干直徑約為9.0 cm，樹高約400.0 cm，樹冠直徑約370.0 cm，處于盛果期。試驗前果園土壤管理為清耕，試驗始于2017年3月，止于2020年12月。

果園自然生草的種類主要為繁縷和牛繁縷，根系多分布于0～10 cm土層，能夠快速自我繁殖[26]。投放的蚯蚓為‘大平2號’赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)，體長4～5 cm，體重0.19～0.24 g，具有明顯環(huán)帶，試驗前采取一定量的果園耕層土壤，過篩后將土壤水分調整為16.66%(田間持水量的75%)左右后將供試蚯蚓投放于該土中馴化24 h。

1.3 試驗設計與測定

1.3.1試驗設計

試驗以果園清耕為對照，監(jiān)測清耕+蚯蚓、自然生草+蚯蚓及自然生草處理果園0～200 cm土層土壤水分、0～60 cm土層土壤容重、0～30 cm土層土壤蚯蚓數(shù)量及生物量、蘋果產(chǎn)量和果實品質。試驗重復3次，共12個小區(qū)，不同小區(qū)隨機排列。每個小區(qū)南北長48 m，東西寬20 m，每個小區(qū)有4行蘋果樹，每行15株。試驗期間不同處理的施肥、修剪、疏花疏果、果實套袋和病蟲防治等管理措施相同。

1.3.1.1 清耕

試驗前果園土壤管理為清耕，2017年3月下旬果樹萌芽前用低矮型旋耕機進行旋耕(深度15 cm)，2017年4月—2020年12月每間隔2～3個月旋耕1次，行間及樹盤下的雜草及時去除，確保試驗小區(qū)沒有雜草滋生。

1.3.1.2 自然生草處理

試驗前果園土壤管理為清耕，2017年3月下旬果樹萌芽前旋耕后讓其自然生草。生草期間出現(xiàn)的灰藜(Chenopodiumalbum)、反枝莧(Amaranthusretroflexus)、龍葵(Solanumnigrum)等高大雜草及時去除，保留繁縷、牛繁縷和薺菜(Capsellabursa-pastoris)、婆婆納(Veronicadidyma)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、雞腸草(Herbacentipeda)、馬唐(Digitariasanguinalis)、箭葉旋花(Convolvulusarvensis)和馬齒莧(Portulacaoleracea)等低矮草本。自然生草期間雜草的高度低于30 cm，2017年4月—2020年12月一直未進行刈割。

1.3.1.3 清耕+蚯蚓處理

2017年3月—2020年12月果園地面管理同清耕。2017年9月上旬雨后(該區(qū)域7月下旬至10月上旬為雨季)向果園均勻投放蚯蚓，投放量為50條/m2，約11.0 g/m2。

1.3.1.4 自然生草+蚯蚓處理

2017年3月—2020年12月果園地面管理同自然生草處理。2017年9月上旬雨后向果園均勻投放蚯蚓，投放量為50條/m2，約11.0 g/m2。

1.3.2試驗監(jiān)測

1.3.2.1 土壤水分

2020年在果樹開花坐果期(4月15日)、幼果膨大期(5月15日)、花芽分化期(6月20日)、果實采前膨大期(9月10日)和落葉期(11月15)采用蛇形法布點，在每個小區(qū)樹行中部選取5個采樣點，以10 cm土層為1層，分層采集0～200 cm土層土壤，烘干法測定土壤水分含量。

1.3.2.2 土壤容重

2020年蘋果采收后(10月15日)，采用蛇形法布點，在每個小區(qū)樹行中部選取5個采樣點，以10 cm土層為1層，環(huán)刀法分層測定0～60 cm土層土壤容重。

1.3.2.3 蚯蚓數(shù)量及生物量

2020年蘋果采收后，采用蛇形法布點，在每個小區(qū)樹行中部選取60 cm×60 cm大小的5個樣方，以10 cm土層為1層，用鏟子分層挖取0～30 cm土層土壤并分別放置于編織袋上，過篩，清點蚯蚓數(shù)量；清點后的蚯蚓經(jīng)自來水沖洗并在篩中抖動，除去蚯蚓身體附著的水分后，用百分之一天平稱取蚯蚓質量，然后折合為單位面積的蚯蚓數(shù)量及生物量。

1.3.2.4 果實產(chǎn)量及品質

2020年蘋果采收期(10月10日)，采用蛇形法布點，在每個小區(qū)各選擇5棵蘋果樹，用電子臺秤測定單株蘋果產(chǎn)量并折合為單位面積蘋果產(chǎn)量。在測定果實產(chǎn)量前，在樹冠東、西、南和北4個方向外圍中部各隨機采集5個帶有果柄的果實，用于測定果實品質，其中果實著色面積用目測法測定，果實縱徑和橫徑(mm)用游標卡尺測定并計算果形指數(shù)，果形指數(shù)=果實縱徑/果實橫徑；果實單果質量用百分之一電子天平測定，果實硬度用GY-1型果實硬度計測定，果實可溶性固形物含量用PR-100型數(shù)字糖度計測定，果實可滴定酸含量用GMK-835F果實酸度計測定[40]并計算固酸比，固酸比=可溶性固形物含量/可滴定酸含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010制作圖表，SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(P<0.05)；若差異顯著，則采用Duncan’s 多重比較進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤水分含量

開花坐果期不同處理0～100 cm土層土壤水分含量差異相對較大，100～200 cm差異相對較小(圖1(a))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～100 cm土層土壤水分分別比清耕提高了7.38%、3.28%和9.84%，自然生草和自然生草+蚯蚓處理均顯著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓處理較清耕+蚯蚓處理提高了6.35%，也達到顯著差異(P<0.05)。不同處理100～200 cm土層土壤水分含量基本一致，相互之間無顯著差異(表1)。

幼果膨大期不同處理0～90 cm土層土壤水分含量差異相對較大，90～200 cm土層差異相對較小(圖1(b))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～90 cm土層土壤水分含量分別較清耕提高了6.36%、2.38%和8.38%，自然生草和自然生草+蚯蚓處理均顯著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓處理較清耕+蚯蚓處理提高了5.86%，也達到顯著差異(P<0.05)。不同處理90～200 cm土層土壤水分含量基本一致，相互之間無顯著差異(表1)。

花芽分化期不同處理0～130 cm土層土壤水分含量差異相對較大，130～200 cm土層差異相對較小(圖1(c))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～130 cm土層土壤水分含量分別較清耕提高了6.98%、3.14%和9.22%，自然生草和自然生草+蚯蚓處理均顯著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓處理較清耕+蚯蚓處理提高了5.90%，也達到顯著差異(P<0.05)。不同處理130～200 cm 土層土壤水分含量基本相近，相互之間無顯著差異(表1)。

圖1 不同處理在不同生長期的土壤水分含量Fig.1 Soil moisture of different treatments in different growth stages

表1 不同處理不同時期的土壤水分Table 1 Soil moisture in different treatments and growth stages %

果實采前膨大期處于雨季，不同處理0～160 cm土層土壤水分含量差異相對較大，160～200 cm土層差異則相對較小(圖1(d))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～160 cm土層土壤水分含量分別較清耕提高了14.32%、9.21%和18.78%，均顯著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓處理較清耕+蚯蚓處理提高了8.76%，也達到顯著差異(P<0.05)。不同處理160～200 cm土層土壤水分含量基本相近，相互之間無顯著差異(表1)。

落葉期不同處理0～100 cm土層土壤水分含量差異相對較大，100～200 cm土層差異相對較小(圖1(e))。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～100 cm土層土壤水分平均含量分別較清耕提高了5.49%、2.91%和8.23%，自然生草和自然生草+蚯蚓處理均顯著高于(P<0.05)清耕；自然生草+蚯蚓處理較清耕+蚯蚓處理提高了5.16%，也達到顯著差異(P<0.05)。不同處理100～200 cm土層土壤水分含量基本相同，相互之間無顯著差異(表1)。

2.2 土壤容重

果園投放蚯蚓后，清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～10 cm土層和10～20 cm土層土壤容重顯著低于(P<0.05)清耕，自然生草+蚯蚓處理20～30 cm土層土壤容重也顯著低于(P<0.05)清耕，而自然生草處理的土壤容重與清耕、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理之間無顯著差異。與清耕相比，自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理對30 cm以下土層的土壤容重均無顯著影響(表2)。

表2 不同處理的土壤容重Table 2 Soil bulk density of different treatments g/cm3

2.3 蚯蚓數(shù)量及生物量

無論是清耕果園還是自然生草果園，均以10～20 cm土層的蚯蚓數(shù)量較多且生物量較大，0～10 cm土層居中，20～30 cm土層則較少及較小(表3)。

不同土層中，蚯蚓數(shù)量和生物量從少到多均依次為清耕、自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理，不同處理間均存在顯著差異(P<0.05)。清耕和自然生草處理未投放蚯蚓，其蚯蚓應為土壤中原有的其它種類的蚯蚓，故其量很少。2017年9月清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理的蚯蚓投放量均為50條/m2，2020年10月清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～30 cm土層土壤中的蚯蚓數(shù)量分別為25.92條/m2和43.47條/m2(表3)，在忽略土壤原有蚯蚓的狀況下，蚯蚓數(shù)分別減少了48.16%和13.06%，生物量分別減少了49.45%和15.73%。自然生草+蚯蚓處理3年后的蚯蚓數(shù)量和生物量分別較投放時減少了13.06%和15.73%，說明該處理投放的蚯蚓基本可在渭北旱塬果園生長發(fā)育。

2.4 果實產(chǎn)量及品質

2020年蘋果開花坐果期遭遇霜凍，不同處理的產(chǎn)量僅為常年的50%左右。果園自然生草及投放蚯蚓，改善了果園的土壤環(huán)境及小氣候，有利于果樹抵抗霜凍[37-39,41]，提高座果率，因而自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理的蘋果產(chǎn)量分別較清耕提高了6.91%、5.85%和9.84%，均與清耕達到顯著差異(P<0.05)(表4)。

2020年不同處理的蘋果產(chǎn)量均較常年偏低，不同處理的單果質量、果形指數(shù)、著色面積和果實硬度等均處于同一水平，之間無顯著差異；但自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理的果實可溶性固形物含量均顯著高于(P<0.05)清耕，自然生草和自然生草+蚯蚓處理的可滴定酸含量顯著低于(P<0.05)清耕，自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理的固酸比均顯著高于(P<0.05)清耕(表4)。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理顯著提高了果實產(chǎn)量，顯著改善了果實的風味品質，其中自然生草+蚯蚓處理的效果較為突出。

3 討 論

3.1 對土壤水分的影響

渭北旱塬為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土層深厚，降水是果園土壤獲取水分的唯一途徑[13-14]。如何促進降水入滲，減少土壤水分蒸發(fā)是渭北旱塬蘋果豐產(chǎn)的首要因素[26]。試驗果園自然生草的草類主要為繁縷和牛繁縷，根系分布淺，覆蓋度高，土壤水分消耗少并可減少土壤表層水分蒸散[26]，且雜草根系可作為土壤水分入滲的通道，促進降水快速入滲到土壤中，提高果園土壤水分含量[42]；清耕果園的表層土壤裸露于大氣中，降水初期受雨滴的打擊，易在土壤表層形成結皮，阻礙降水入滲到深層土壤中而形成地表徑流，不利于土壤蓄存較多的水分，而自然生草果園的土壤表層覆蓋著雜草，可減少雨滴打擊或減緩打擊程度，土壤表層不易形成土壤結皮，可有效促進降水入滲到土壤中，增加土壤水分含量[42]。果園投放蚯蚓后，蚯蚓以新鮮的有機植物殘體為食并將地表凋落物混入土壤中，加速枯枝落葉的分解并形成土壤有機質[34-39]；蚯蚓在土壤中生活，在土壤表面和土體內(nèi)部均可產(chǎn)生一定量的蚯蚓糞，而土壤表層的蚯蚓糞可抑制土壤表層水分蒸發(fā)，土壤中的蚯蚓糞則可改善土壤的通氣、透水和蓄水保肥等，促進土壤水分入滲并提高土壤水分含量[43-44]；蚯蚓在土壤中掘穴與挖洞，在土壤中形成許多大孔隙，有利于降水快速入滲到較深的土壤中，減少地表徑流及土壤水分蒸發(fā)，提高土壤的蓄水保水能力[43-46]，因而果園投放蚯蚓后土壤水分較高，特別是在雨季，降水較多，自然生草和自然生草+蚯蚓處理可有效促進大量降水入滲到深層土壤中，蓄積較多的土壤水分，為渭北旱塬“秋雨春用”提供了基礎，有利于果樹春季抗御霜凍和開花坐果，從而提高果實產(chǎn)量。

3.2 對土壤容重和蚯蚓數(shù)量及生物量的影響

繁縷和牛繁縷平伏于地面生長，不需耕種和刈割，減少了機械對土壤的碾壓，促進土壤孔隙均勻分布及土壤大孔隙形成，并為蚯蚓提供豐富的餌料，利于蚯蚓繁衍生息[7,45]，因而自然生草后0～30 cm土層土壤容重略有降低，且蚯蚓量高于清耕。果園投放蚯蚓后，蚯蚓在取食、消化、掘穴、排泄和分泌等過程中會產(chǎn)生一定量的蚯蚓糞，而蚯蚓糞具有較好的孔隙度、通氣性和較大的表面積[43-46]，從而改善土壤的理化性狀和生物學特性，改良土壤的通透性，降低土壤容重[27-33]，因而清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理0～20 cm土層和0～30 cm土層土壤容重顯著低于清耕。由于試驗所選用的蚯蚓為表棲類蚯蚓，主要在0～15 cm土層活動，故對30 cm以下土層土壤容重無影響。

自然生草縮小了土壤的日溫差和年溫差[48-50]，提高了土壤有機質[27-33,18-25]和土壤水分[26]；自然生草后的枯枝落葉較多，為蚯蚓提供較多的餌料及相對較好的生活環(huán)境，利于蚯蚓在土壤中的生息繁衍，因而自然生草+蚯蚓處理的蚯蚓數(shù)量及生物量高于清耕+蚯蚓處理。自然生草+蚯蚓處理的蚯蚓量較高，蚯蚓活動量大，制造的土壤孔隙多，且自然生草可減少土壤水分蒸發(fā)，促進土壤微生物活動[17-26]，因而自然生草+蚯蚓處理的土壤容重較低，土壤水分和蚯蚓量較高。通常情況下蚯蚓活動的最適溫度為20～27 ℃左右，0～5 ℃進入休眠狀態(tài)，0 ℃以下便可凍死，而渭北旱塬冬季土壤凍土層可達20 cm左右，本研究投放的蚯蚓為表棲型，主要活動于0～15 cm土層，因而絕大多數(shù)蚯蚓越冬后死亡，而殘存于較深土層中的蚯蚓及蚯蚓卵在春季土壤解凍后又逐漸恢復繁衍生息，因而測試土壤中的蚯蚓量低于投放的蚯蚓量。渭北旱塬自然生草果園投放蚯蚓3年后其蚯蚓的數(shù)量和生物量較投放時分別減少13.06% 和15.73%，說明自然生草果園投放的蚯蚓基本可正常生長發(fā)育。

3.3 對蘋果產(chǎn)量及品質的影響

渭北旱塬果園土壤水分供給不足[11-14]，有機質含量低為優(yōu)質蘋果高產(chǎn)的主要限制因素[1-3]。自然生草可提高土壤有機質[51]，自然生草+蚯蚓處理不僅降低了土壤容重，提高了土壤水分，為蘋果根系生長發(fā)育提供了良好的土壤環(huán)境，且投放的蚯蚓在土壤中活動，產(chǎn)生一定量的蚯蚓糞，進一步提高了土壤有機質，改善土壤的理化性狀和生物學特性，增加土壤養(yǎng)分的有效性，加速土壤有機質的礦化[27-33]，而且蚯蚓糞可使植物產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性，提高植物的抗病和抗蟲能力，提高植物的抗逆性[52-54]，促進土壤微生物活動[55]，緩解連作障礙[56]，因而果園投放蚯蚓后蘋果樹體的抗逆性提高，在遭遇晚霜危害的狀況下座果率高，其產(chǎn)量及品質均較清耕有所提高。不同處理對單果質量、果形指數(shù)、著色面積及果實硬度影響較小，首先是2020年受晚霜的危害，樹體結果量少，樹體營養(yǎng)充足，不同處理的果實生長發(fā)育良好；其次是試驗園果樹修剪比較合理，果園通風透光較好，有利于果實生長發(fā)育及著色[57]。

4 結 論

在渭北旱塬，雨季分別向清耕和自然生草的果園投放蚯蚓，3年后自然生草+蚯蚓處理的果園土壤蚯蚓量高于清耕+蚯蚓處理，自然生草和自然生草+蚯蚓處理在果樹整個生長期的土壤水分均高于清耕，而清耕+蚯蚓處理僅在果實采前膨大期高于清耕。清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理較清耕分別降低了0～20 cm土層和0～30 cm土層土壤容重。自然生草、清耕+蚯蚓和自然生草+蚯蚓處理均提高了蘋果產(chǎn)量，提高果實風味品質，但對果實外觀品質和果實硬度無顯著影響。不同處理中，自然生草+蚯蚓處理對果園土壤水分、土壤容重、蘋果產(chǎn)量及果實品質影響最為顯著，渭北旱塬應積極推廣自然生草+蚯蚓的果園地面管理模式。