尤龍輝

(1. 福州市自然保護地規(guī)劃發(fā)展中心，福州 350007； 2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福州 350012)

20世紀(jì)40年代，歐美及日本等發(fā)達(dá)國家開始進行果園生草栽培，即在果園內(nèi)行間或全園栽培特定的一年或多年生豆科、禾本科草本植物，以抑制果園雜草、改善土壤蓄水保肥能力[1]。我國在果園生草栽培對不同果樹生長及果實產(chǎn)量、品質(zhì)的影響的相關(guān)研究較少[2]。葉片的功能性狀不僅受植物本身生物學(xué)特性的影響，還會因外界環(huán)境的變化而發(fā)生改變。充分了解不同環(huán)境下葉片功能性狀的適應(yīng)性變化對探討植物的環(huán)境可塑性具有重要意義[3]。土壤是影響植物葉片功能性狀的重要環(huán)境因素[4-5]，不同生活型或不同植物類型葉片功能性狀與土壤息息相關(guān)[6]，而同一植物葉片功能性狀的改變同樣受土壤水肥豐缺狀況的影響[5]。因此，植物葉片功能性狀與土壤因子的相關(guān)關(guān)系可用于果園生草栽培草種的篩選。福建省建甌市是錐栗的原產(chǎn)地和主產(chǎn)區(qū)，栽培歷史悠久。錐栗經(jīng)濟效益較高，是栗農(nóng)的主要經(jīng)濟來源，也是當(dāng)?shù)卣︵l(xiāng)村振興及新農(nóng)村建設(shè)的重要產(chǎn)業(yè)。但是，傳統(tǒng)的清耕及噴施草甘膦除草的土壤管理方式，易導(dǎo)致錐栗園水土流失及錐栗根系受害，造成錐栗大幅度減產(chǎn)甚至絕收[7-8]。因此，本研究通過分析錐栗園清耕、噴施草甘膦及生草栽培等措施對錐栗葉片功能性狀及土壤理化性質(zhì)的影響，篩選南方丘陵山地錐栗園適宜的生草栽培草種，以促進我國木本糧食產(chǎn)業(yè)及生態(tài)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建南平建甌市龍村鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)27°12.24′～27°20.03′ N、118°23.44′～118°38.25′ E，建甌市位于武夷山脈東南麓，屬低山丘陵區(qū)，平均海拔450 m，年均溫度16～18℃，年均降雨量1 400～1 800 mm，年均蒸發(fā)量1 400～1 600 mm，無霜期270 d以上，晝夜溫差較大，光照充足，雨量充沛，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤以紅壤為主，平均土層厚度80 cm以上。當(dāng)?shù)乩蹀r(nóng)栽培的主要錐栗品種有白露仔、長芒仔、油榛和圓蒂仔等，錐栗園林下自然散生的優(yōu)勢草本植物主要有杠板歸(Polygonumperfoliatum)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)、狗尾草(Setariaviridis)、酸模葉蓼(Polygonumlapathifolium)、竹葉草(Oplismenuscompositus)、積雪草(Centellaasiatica)、鬼針草(Bidenspilosa)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、芒草(Miscanthussinensis)、星宿菜(Lysimachiafortunei)等。

1.2 試驗設(shè)計與調(diào)查方法

2018年，在建甌市龍村鄉(xiāng)選取集中連片、立地條件基本一致的錐栗園設(shè)立試驗地。試驗地位于陰面斜坡，平均海拔730 m，平均土層厚度>1 m，園區(qū)總面積>10.0 hm2。將試驗地劃分成若干面積大小相似的試驗小區(qū)，進行生草栽培管理(表1)。每個小區(qū)隨機選取一種綠肥草種。撒播草籽前先進行林地清雜，再用旋耕犁旋土10 cm左右，整平整細(xì)地面，以不傷錐栗根系為宜。樹干基部周圍約30 cm半徑范圍內(nèi)旋耕土起壟后不覆草。草籽分兩次進行撒播，首次在10月，播種量30 kg·hm-2。撒播前種子用清水浸泡12 h，撒播后覆蓋薄膜。第2次撒播在翌年4月，仍采用前述撒播方式進行補植。苗高5 cm左右時及時撤掉覆蓋薄膜。每年4月和6月各追肥一次，施m(氮)︰m(磷)︰m(鉀)為1︰1︰1的復(fù)合肥，追肥量120 kg·hm-2。另選兩塊試驗小區(qū)作為對照組，一組采用清耕法進行管理，每年4月和6月各人工鋤草一次；另一組于每年4月和6月用10%草甘膦水劑1.5 kg，均勻兌清水30 kg，向雜草莖葉處霧噴除草。為保證可比性，對照組的水肥管理與生草栽培模式一致。

表1 供試樣地基本情況

2020年8月，在7種生草栽培模式和對照組分別設(shè)置3個垂直投影為25 m×25 m的樣地，樣地間隔25 m以上，共計21個樣地。在各樣地選取3株砧木為毛榛(Corylusmandshurica)、接穗為白露仔、樹體無病蟲害、樹高和胸徑基本一致的錐栗，距樹干基部1 m處分東、西、南、北四個方向清除表層枯落物。手持土鉆自上而下分層采集0～10 cm和10～20 cm土層的土樣。各樣地同一土層采樣點土壤混勻后采用四分法取部分土壤，去除根系、石礫等雜質(zhì)后放入自封袋帶回實驗室，風(fēng)干后先過2 mm土壤篩，再四分法取10 g研磨過0.147 mm土壤篩備用。在采樣點附近用環(huán)刀對兩個土層取樣，然后利用高枝剪在錐栗樹冠中部摘取生長良好、無損且無病蟲的當(dāng)年生成熟葉片50～60片，測定葉片表型性狀和生理生化指標(biāo)。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH值采用電位法測定，測定時V(水)︰ V(土)=2.5︰1，土壤容重(SBD)、土壤含水率(SMC)、土壤孔隙率(SP)依照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1215-1999的方法進行測定，土壤水解性氮(SHN)、土壤速效磷(SAP)、土壤有效鉀(SAK)、土壤交換性鈣(SECa)和交換性鎂(SEMg)則分別依照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1229-1999、LY/T 1233-1999、LY/T 1236-1999和LY/T 1245-1999的方法進行測定。

1.4 葉片表型性狀測定

采用美國CID公司生產(chǎn)的CI-203型便攜式激光葉面積儀測量錐栗葉片長度、寬度、面積和葉形指數(shù)；采用游標(biāo)卡尺測量葉柄長度；采用精度0.01 g的電子天平稱量葉片鮮質(zhì)量，測量完成后將葉片置于鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重后稱量。利用鮮葉質(zhì)量、干葉質(zhì)量和葉面積分別計算葉片含水率和比葉重[9]。

1.5 葉生理生化指標(biāo)測定

采用蒽酮法測定葉片可溶性糖含量[9]；葉片氮、磷、鉀、鈣和鎂含量依照LY/T 1271-1999的方法進行測定。葉綠素總量、葉綠素a/b和類胡蘿卜素采用80%丙酮溶液避光萃取，利用Thermo Varioskan LUX多功能酶標(biāo)儀測定波長440 nm、645 nm和663 nm處的吸光度，根據(jù)朗伯-比爾定律計算葉綠素含量[9]。

葉綠素a含量=(12.70A663-2.69A645)×V/(1000×W)；葉綠素b含量=(22.90A645-4.68A663)×V/(1000×W)；類胡蘿卜素=4.7A440-0.27×(葉綠素a含量+葉綠素b含量)；

式中，V為提取液體積(ml)；W為樣品鮮質(zhì)量(g)；A663、A645和A440分別為葉綠素提取液在波長663 nm、645 nm和440 nm下的吸光度。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理；SPSS 20.0進行DUNCAN多重比較及Pearson相關(guān)分析；Canoco 5.0進行土壤理化性質(zhì)、葉表型性狀和生理生化指標(biāo)的冗余分析；Origin 9.5進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 7種模式錐栗葉片表型性狀

生草栽培模式的錐栗葉片長度、葉形指數(shù)、葉面積、葉柄長度、比葉重與清耕模式和噴施草甘膦模式之間存在顯著差異；各生草栽培模式之間以及清耕模式和噴施草甘膦模式之間葉表型性狀指標(biāo)沒有顯著差異(表2)。

表2 7種模式錐栗葉片表型性狀

2.2 7種模式錐栗葉片生理生化特征

栽培鼠茅草模式錐栗葉片的鉀和鎂含量顯著高于其他生草栽培模式，分別為14.03 g·kg-1和1.75 g·kg-1(表3)。清耕模式和噴施草甘膦模式除了葉綠素a/b，其他測定指標(biāo)均顯著低于生草栽培模式。

表3 7種模式錐栗葉片生理生化特征

2.3 7種模式土壤理化性質(zhì)

0～20 cm土層，噴施草甘膦模式除了土壤容重和土壤孔隙度與其他模式差異不顯著(P>0.05，下同)外，其他指標(biāo)均存在顯著差異(P<0.05，下同)(表4)。

對7種模式的土壤理化性質(zhì)采用最短距離法進行聚類分析，結(jié)果顯示，錐栗林下栽培鼠茅草模式、栽培圓葉決明模式和栽培紫云英模式歸為一類，該類型土壤pH、水解性氮和速效鉀含量較高；栽培光葉紫花苕模式和栽培黑麥草模式歸為一類，該類型土壤孔隙率、含水率、有效磷、交換性鈣和交換性鎂含量較高；清耕模式和噴施草甘膦模式歸為一類，該類型土壤容重較高、土壤養(yǎng)分含量較低(圖1)。聚類結(jié)果較好的反映了錐栗林下不同生草栽培模式對土壤理化性質(zhì)的影響，也說明生草草種對錐栗林土壤的改良效果存在一定差異。

圖1 7種模式土壤理化性質(zhì)聚類分析

2.4 錐栗葉片功能性狀與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

對土壤理化性質(zhì)、葉片表型性狀及生理指標(biāo)進行相關(guān)分析，結(jié)果表明，土壤pH、土壤水解性氮(SHN)、土壤速效磷(SAP)、土壤有效鉀(SAK)、土壤交換性鈣(SECa)和交換性鎂(SEMg)均與葉型指數(shù)、葉柄長度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與葉面積、比葉重、葉綠素、類胡蘿卜素含量和葉片可溶性糖、氮、磷、鉀、鈣和鎂含量呈顯著正相關(guān)(表5)。

表5 錐栗葉表型性狀、生理生化指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

以土壤理化性質(zhì)為解釋變量，葉表型性狀及生理生化指標(biāo)為響應(yīng)變量進行冗余排序分析(RDA)，結(jié)果顯示第一排序軸解釋總方差的65.14%，第二排序軸解釋總方差的13.51%。前兩個排序軸可解釋總方差的78.65%，基本可以反映錐栗葉片生理生化與土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系(圖2)。土壤水解性氮、速效磷、有效鉀、交換性鈣和交換性鎂在第一排序軸的垂直投影較大且夾角較小，對第一排序軸的貢獻較大，較易影響同樣與第一排序軸垂直投影較大且夾角較小的錐栗葉形指數(shù)、葉柄長度、葉面積、比葉重、葉綠素、類胡蘿卜素和葉片可溶性糖、氮、磷、鉀、鈣、鎂含量。此外，清耕模式和噴施草甘膦模式樣地聚集在第一排序軸的右側(cè)，說明兩種模式會顯著增大錐栗葉柄長度和葉形指數(shù)，而栽培鼠茅草模式和栽培光葉紫花苕模式樣地集中在第一排序軸左側(cè)，說明這兩種模式能夠顯著增大錐栗葉面積、比葉重、葉綠素含量、類胡蘿卜素、可溶性糖、氮、磷、鉀、鈣和鎂含量。其他模式樣地在第一排序軸的分布不明顯。

圖2 錐栗葉表型性狀、生理生化指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的冗余分析

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，生草栽培模式土壤理化性質(zhì)總體好于清耕模式和噴施草甘膦模式，這是由于生草根系能夠有效疏松土壤，增大土壤孔隙度；地上莖葉部分覆蓋地表，增加地表糙度，能夠減流阻沙，蓄水保肥[10]；根系周轉(zhuǎn)及莖葉干枯腐解，能提高林地養(yǎng)分循環(huán)效率[11]。因此，生草栽培一定程度改善了錐栗園土壤水、肥、氣、熱微環(huán)境。噴施草甘膦，雖然能夠有效抑制與錐栗花期(4—5月)及坐果期(6—9月)競爭水肥的當(dāng)?shù)仉s草的生長，但是夏秋季雨水多，腐解殘敗的雜草莖葉中殘留的未分解的草甘膦通過降雨進入土壤而被錐栗根系吸收，富集的草甘膦通過絡(luò)合對根尖分生組織有絲分裂有關(guān)鍵作用的營養(yǎng)元素而阻礙根系的生長，甚至阻斷根系蛋白質(zhì)的合成而致其死亡[12]。此外，吳靜等[13]通過高通量技術(shù)檢測施用草甘膦對板栗根際土壤微生物的影響，表明草甘膦對土壤細(xì)菌特有菌群和外生菌根真菌有明顯的抑制作用，進而影響土壤氮礦化和溶磷作用。另一方面，在南方丘陵山地，采用清耕和噴施草甘膦除草的方式也會導(dǎo)致錐栗園地表裸露，易發(fā)生水土流失。

對不同生草栽培模式及清耕和噴施草甘膦模式的土壤理化性質(zhì)進行聚類分析，結(jié)果顯示7種模式聚為3大類，其中生草模式中栽培鼠茅草、圓葉決明和紫云英模式劃歸為一類，而栽培光葉紫花苕和黑麥草模式聚成一類，清耕和噴施草甘膦模式為一類，這也從另外一個角度說明生草栽培能夠顯著影響錐栗林土壤理化性質(zhì)，但由于生草草種生物學(xué)特性的不同，其作用于土壤的方式也不盡相同。8月調(diào)查時，鼠茅草處于5—9月的枯死期，而紫云英基本完成兩年生命周期。二者腐解的莖葉為錐栗園土壤提供了大量的有機質(zhì)[14-15]。圓葉決明為豆科綠肥草種，具固氮根瘤菌，夏秋季土壤溫濕度較高，根瘤菌較活躍，固氮能力較強[16]。這三種模式一定程度提高了土壤的供氮能力。鉀在莖葉組織或細(xì)胞中一般以離子形態(tài)存在，莖葉腐解過程，鉀能夠快速釋放到土壤中，提高土壤速效鉀的含量[17]。鈣和鎂元素在植物組織中常常以較難溶解的化合物如硫酸鹽、磷酸鹽等形式存在，腐解釋放的時間較長[18]。光葉紫花苕是一年生草本，調(diào)查時已干枯腐敗較長時間，其中較易腐解釋放的氮和鉀元素一部分被錐栗根系吸收，一部分隨降雨淋失，磷元素易被紅壤中的鐵鋁氧化物吸附不易淋失[19]。黑麥草是多年生非豆科綠肥草種，根系發(fā)達(dá)，分泌物豐富，能夠促進土壤微生物的生長繁殖，而根系和微生物胞外酶的分泌對土壤難溶性礦物態(tài)鈣、鎂的溶解和解吸有促進作用[20]。再者，根系有助于疏松土壤，提高錐栗林地的土壤孔隙度和含水率。

土壤是植物生長的重要能量來源，是植物表型及內(nèi)在功能性狀主導(dǎo)影響因素之一[3,21]。葉的表型和生理生化特征能夠直觀反映其對土壤環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)性[5]。土壤養(yǎng)分富足的環(huán)境中，植物能夠快速吸收營養(yǎng)、迅速生長[22]，與此相對應(yīng)的葉表型性狀表現(xiàn)為較高的葉面積和比葉重，葉形指數(shù)和葉柄長度則降低[3]，葉生理生化特征則表現(xiàn)為光合速率加快，養(yǎng)分元素含量增加[23]；而養(yǎng)分匱乏的環(huán)境則相反，用于保留土壤中的養(yǎng)分[24]。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤pH、水解性氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂均與錐栗葉型指數(shù)、葉柄長度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與錐栗葉面積、比葉重、類胡蘿卜素、可溶性糖含量、氮、磷、鉀、鈣和鎂含量呈顯著正相關(guān)。冗余分析表明，栽培鼠茅草模式和栽培光葉紫花苕模式能夠顯著提高土壤水解性氮、土壤有效磷、土壤含水率、土壤交換性鈣和土壤交換性鎂含量，進而使錐栗葉形指數(shù)、葉柄長度降低，而葉面積、比葉重、葉綠素、類胡蘿卜素和葉片可溶性糖、氮、磷、鉀、鈣、鎂含量升高，對提高錐栗葉片光合速率，提升其積累營養(yǎng)物質(zhì)能力及增加錐栗產(chǎn)量均有促進作用。

4 結(jié)論

以清耕和噴施草甘膦措施作為對照，分析生草栽培對錐栗葉片表型、生理生化特征及土壤理化性質(zhì)的影響，表明栽培鼠茅草、紫云英或圓葉決明會顯著提高土壤pH、土壤水解性氮和土壤速效鉀含量，而栽培黑麥草和光葉紫花苕則顯著提高土壤含水率、土壤孔隙度、土壤有效磷含量和土壤交換性鈣鎂含量。2 a內(nèi)，栽培鼠茅草或光葉紫花苕對錐栗葉片表型及生理生化特征的影響較大。