林下生草对林芝市黑钻苹果园土壤理化性质的影响

Effects of grass growing under forest on soil physical and chemical properties of Black Diamond apple orchard in Linzhi City

摘要

为探究果园生草对西藏高原苹果园土壤理化性质的影响，以林芝市特殊经济作物黑钻苹果园为试验地，对不同草种种植后的土壤理化性质进行分析研究。结果表明：与对照组相比，果园生草导致土壤pH值和电导率降低，有机质仅在单种紫花苜蓿后有所增加，土壤养分整体上有所下降，土壤中Cu、Zn、Cd含量降低，Pb、Ni、As含量增加，其中Cu、Zn、Cd含量高于西藏土壤元素背景值，土壤重金属污染等级为轻微污染，各处理下土壤重金属综合潜在生态风险指数有所下降。由此可见，不同生草栽培对土壤的理化性质影响各不相同，单种紫花苜蓿能提高土壤养分、降低土壤重金属含量，混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦、单种鸭茅、混种紫花苜蓿和鸭茅能降低土壤Cu、Zn、Cd含量，单种箭筈豌豆能提高土壤中有效磷、降低Cd含量，各处理均可降低土壤重金属综合潜在生态风险。综上，在改善林芝市黑钻苹果园土壤理化性质方面，应根据实际情况，合理选择果园生草模式。

Abstract

In order to explore the effects of orchard grass on the soil physical and chemical properties of Black Diamond apple orchard in Xizang plateau, the soil physical and chemical properties of different grass species were analyzed and studied in Linzhi special cash crop Black Diamond apple orchard. The results showed that compared with the control group, the soil pH value and electrical conductivity decreased, the organic matter increased only after single planting of Medicago sativa L, the soil nutrients decreased, the contents of Cu, Zn and Cd decreased, and the contents of Pb, Ni and As increased. The contents of Cu, Zn and Cd were higher than the background values of Xizang soil elements, the soil heavy metal pollution grade was slight pollution and the combined potential ecological risk index of soil heavy metals decreased under each treatment. It can be seen that different grass cultivation has different effects on soil physical and chemical properties. Single planting of Medicago sativa L can increase soil nutrients and reduce soil heavy metal content. Mixed planting of Vicia sati-va L and Avena sativa L, single planting of Avena sativa L, single planting of Dactylis glomerata L, mixed planting of Medicago sativa L and Dactylis glomerata L can reduce soil Cu, Zn, Cd content, single planting of Vicia sati-va L can increase soil available phosphorus, reduce soil Cd content, all treatments could reduce the potential ecological risk of soil heavy metal synthesis. In conclusion, in improving the soil physical and chemical properties of Black Diamond apple orchards in Linzhi City, the orchard grassing mode should be rationally selected according to the actual situation.

Graphical abstract

关键词

果园生草 / 土壤理化性质 / 黑钻苹果 / 高原

Key words

orchard sowing grass / soil physical and chemical properties / Black Diamond apple / Plateau

在我国，果园栽培已成为农业的重要组成部分^[1]，而土壤是果树生产的基础，给果树提供养分，土壤管理的好坏对果树有直接影响，果园生草正是管理果园土壤的一种技术。果园生草栽培是在果树行间或全园种植多年或一年生草本植物作为覆盖物的一种果园管理方法^[2]，可以改善果园生物结构和生态环境，从而改善土壤结构^[3]，减少土壤有机质的流失^[4]和果园肥料用量^[5]。高君^[6]的研究指出，生草覆盖能显著提高梨园土壤有机质、全氮、速效养分含量以及土壤pH值；黎鑫林^[7]的研究表明不同生草间作较清耕处理提高了柑橘园土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量；张朋朋^[8]的研究结果显示果园生草栽培可显著降低土壤电导率、pH值。20世纪50年代以来，世界许多国家先后都开始施行果园生草覆盖技术^[9]。果园生草在增加地面生物覆盖指数、减少裸露土壤、降低空气沙尘含量、改善人居环境方面起到非常重要的作用^[10]，同时果园生草也能提高果园的综合生产能力和效率^[11]。我国于1998年将果园生草主要技术措施在全国进行推广^[12]，由于我国农业精耕细作，导致我国的果园生草技术并未被广泛应用，加之管理方式复杂、除草成本高且缺乏配套设施，我国对果园生草的应用尚未形成科学完整的果园土壤管理系统^[13]。近年来，随着对这项技术的研究逐渐增加，生草栽培技术不断地前进和趋于成熟。总的来说，我国在生草对果园病虫害群落、土壤肥力、水分和结构、果树生长发育等方面的影响进行了一定的研究^[14]，现已在梨、柑橘、橄榄和葡萄等果园中得到广泛应用^[15]。

苹果作为一种世界性水果，其栽培面积和产量均居世界首位^[16]。在西藏林芝，高海拔的自然地理环境孕育出了外形独特营养价值较高的黑钻苹果，苹果在西藏林芝地区经济林中占有重要地位^[17]。因此，本研究以高原地区林芝市的黑钻苹果园土壤为研究对象，通过分析其土壤理化性质在不同的行间生草栽培下的变化，以期为西藏高原苹果园种草中优良草种的选择、土壤性质改良及生草栽培模式的应用推广提供一定的实践基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于西藏自治区林芝市巴宜区布久乡，地处雅鲁藏布江中上游，平均海拔在3 100 m左右，气候温差较大，气温较低，年平均温度为3 ℃ ~ 16 ℃，年平均降雨量为650 mm，主要集中在6 - 8月份^[18]，占全年降水量的90%，属高原温带湿润季风气候区^[19]。

1.2 试验设计

试验设7个处理，于2021年5月分别在试验地黑钻苹果树行间进行以下处理：①不栽培任何生草，清耕，作为对照CK；②单种紫花苜蓿，MED；③混种箭筈豌豆和燕麦，VIC+AVE；④单种燕麦，AVE；⑤单种鸭茅，DAC；⑥单种箭筈豌豆，VIC；⑦混种紫花苜蓿和鸭茅，MED+DAC。

1.3 样品的采集与处理

土壤样品的采集时间为2021年11月，采用五点取样方法，去除了表层植物及枯落物，用土钻进行土壤取样，取0 ~ 20 cm的土层，混匀，制成土壤样品。去除石块、植物残根、杂草等杂物之后，用无菌塑料袋包装好，带回到实验室。对土样进行阴干、研磨、过1 mm筛处理保存，用来测定土壤理化性质。

1.4 土壤理化指标选择与测试方法

1.4.1 土壤理化指标选择

根据前人的研究，该试验选取土壤pH、电导率、有机质、土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等指标进行测定，因试验地降雨丰富，灌溉水源充足，因此不进行土壤含水率的测定，此外，随着工业的发展，农药和化肥以及有机肥被越来越多的用到农业生产上，引起土壤重金属变化，因此该试验同时选取Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As六种重金属进行测试分析。

1.4.2 测试方法

土壤pH值采用电位法用pH计测定，土壤电导率采用电导率仪测定，土壤有机质用重铬酸钾容量法测定，土壤全氮采用凯氏定氮仪测定，碱解氮采用碱解扩散法测定^[20]，土壤有效磷、速效钾用火焰光度计测定^[21]，重金属含量测定采用ICP-OES7000DV型电感耦合等离子体发射光谱仪(PE，美国)测定。用单因子指数法评价土壤重金属污染状况，评价模型如下：

单因子指数模型：P_i=C_i/S_i

单因子潜在生态风险指数模型：E_r^i=T_r^i\times P_i

综合潜在生态风险指数模型：RI=\sum P_i+E_r^i

式中：S_i 是重金属i的评价参数，本次采用西藏土壤重金属元素背景值^[22]为评价参数。{\mathrm{E}}_{\mathrm{r}}^{\mathrm{i}}为重金属i的潜在生态风险指数。{\mathrm{T}}_{\mathrm{r}}^{\mathrm{i}}是重金属i的毒性响应系数，用以表现某种重金属的毒性水平和环境对其污染的敏感程度，本研究中涉及到的重金属毒性响应系数如下：Cu=5、Zn=1、Pb=10、Cd=30、Ni=2、As=10。RI为重金属综合潜在生态风险指数，用以评价所有重金属在某一区域的潜在生态风险。污染评价标准和潜在生态风险等级标准^[23]见表2。

1.5 数据处理

使用SPSS 27.0、WPS 2019和GraphPad Prism 8.0对单向方差分析进行统计分析并制图。数据以平均值表示，静态显著差异设定为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同生草栽培对苹果园土壤pH值、电导率的影响

不同生草栽培下的苹果园土壤pH值和电导率如图1。由图1可以看出，不同生草栽培下土壤pH值具有明显差异，而土壤电导率之间并无显著差异。与对照组相比，进行生草栽培后果园土壤pH值均有所下降，其中单种紫花苜蓿后土壤pH值下降最多，混种紫花苜蓿和鸭茅后土壤pH值下降最少。相对于对照组，不同生草栽培下土壤的电导率均有所下降，对照组与不同生草培养之间土壤的电导率差异不显著。

2.2 不同生草栽培对苹果园土壤有机质的影响

不同生草栽培下苹果园的土壤有机质测定结果如图2所示。土壤有机质含量在不同生草栽培下从多到少依次排列为：MED（21.89 g/kg）>VIC+AVE（17.53 g/kg）>AVE（16.74 g/kg）>CK（16.73 g/kg）>VIC（16.02 g/kg）>DAC（13.39 g/kg）>MED+DAC（11.48 g/kg）。结果表明，单种紫花苜蓿、混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦能提高土壤有机质含量，单种箭筈豌豆、单种鸭茅、混种紫花苜蓿和鸭茅会降低土壤有机质含量。

2.3 不同生草栽培对苹果园土壤养分的影响

由图3可知，行间混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦、单种鸭茅、单种箭筈豌豆、混种紫花苜蓿和鸭茅后均降低了土壤的全氮、碱解氮含量。与对照相比，土壤全氮含量变化如下：混种箭筈豌豆与燕麦降低了0.35％，差异不显著；单种燕麦降低了2.67%，差异不显著；单种鸭茅降低了23.08%，差异不显著；单种箭筈豌豆降低了5.21%，差异不显著；混种紫花苜蓿和鸭茅降低了32.53%，差异显著。而单种紫花苜蓿后土壤全氮含量提高，与对照组相比差异不显著。土壤的碱解氮含量变化：混种箭筈豌豆和燕麦降低了3.31％，差异不显著；单种燕麦降低了3.86%，差异不显著；单种鸭茅降低了23.76%，差异不显著；单种箭筈豌豆降低了10.15%，差异不显著；混种紫花苜蓿和鸭茅降低了31.13%，差异显著。而单种紫花苜蓿后土壤碱解氮含量提高，与对照组相比差异不显著，这一变化与土壤全氮的变化一致。

不同生草栽培下苹果园的土壤有效磷如图4。不同生草栽培之间具有显著差异。由图4可知，单种紫花苜蓿、单种箭筈豌豆后增加了土壤的有效磷含量，与对照组相比提高了2.14%、27.53%；同时，混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦、单种鸭茅、混种紫花苜蓿和鸭茅后，土壤的有效磷含量减少，与对照组相比，分别减少了34.47%、18.03%、19.82%、65.90%。从图3可以看出，对照组与其他生草栽培下土壤的速效钾含量差异不显著，在种植其他草种后，土壤的速效钾含量均低于对照组（112.06 mg/kg）。与对照组相比，不同生草栽培后土壤速效钾含量分别降低了30.96%、17.80%、34.58%、30.62%、42.80%、28.83%。其中，单种箭筈豌豆后，土壤的速效钾含量（64.10 mg/kg）下降的最明显。

2.4 不同生草栽培对苹果园土壤重金属含量的影响

不同生草栽培下苹果园的土壤重金属含量见表3。由表3可以看出，与对照组相比，单种箭筈豌豆增加了土壤Cu、Zn含量，差异不显著；种植其他草种均减少的土壤中Cu、Zn的含量，其中混种紫花苜蓿和鸭茅极显著降低了土壤Cu、Zn含量。与对照组相比，其他生草栽培均增加了土壤Pb、Ni含量、降低了土壤Cd含量，且差异不显著；而单种紫花苜蓿后，土壤中的As含量减少，差异不显著；种植其他草种后，土壤中As含量增加，差异不显著。

2.5 不同生草栽培对苹果园土壤重金属污染评价

整体上，在不同生草栽培下，土壤中的Cu、Zn、Cd含量高于西藏土壤元素背景值，土壤Pb、Ni、As含量低于西藏土壤元素背景值，由此可知该果园土壤受到重金属Cu、Zn、Cd影响。由图5-6可知，不同生草栽培下重金属污染指数在0.31 ~ 1.96之间，潜在生态风险指数均在1.03 ~ 39.52之间，综合潜在生态风险均小于150，综合潜在生态风险从大到小依次排列为：CK >MED >AVE >VIC >DAC >MED+DAC >VIC+AVE。其中，对照组的综合潜在生态风险最高，各生草栽培下土壤综合潜在生态风险均有所降低。结合表2可知，不同生草栽培下，土壤污染等级为轻微污染，潜在生态风险等级为轻微。其中，对照组Cd元素的潜在生态风险最高，其余生草栽培下Cd元素的潜在生态风险均有所降低。与对照组相比，单种箭筈豌豆时，土壤重金属Cu、Zn的潜在生态风险稍有增加，但并未超出其污染等级。

3 讨论

3.1 不同生草栽培对黑钻苹果园土壤pH值、电导率的影响

土壤pH值是衡量土壤酸度或碱度的指标，能影响土壤中各养分的状况和状态^[24]。土壤电导率可表征土壤盐分的高低，可反映土壤品质和物理性质的丰富信息^[25]。土壤pH值和电导率是评价土壤酸化和盐渍化的重要指标^[26]。有研究表明，苹果树宜种植在微酸性或中性土壤中^[27]。本实验的测量结果指出，在果园种植不同草种后，土壤pH值和电导率均有所下降，且土壤pH值在5.95 ~ 6.63之间，土壤电导率在15.48 ~ 24.49 μs/cm之间，除单种紫花苜蓿外，种植其他草种后土壤pH均在适宜pH值范围内，由土壤pH值分级标准^[28-29]等级可知，pH=5.59属于微酸性土壤，这也符合苹果树土壤的适宜种植范围。这说明苹果园种草有助于改良土壤酸碱平衡并且能改善土壤盐渍化。

3.2 不同生草栽培对黑钻苹果园土壤有机质及N、P、K含量的影响

有机质在生态系统的营养循环中起着关键的作用，是评估土壤质量的重要指标，土壤N、P、K是土壤养分的重要组成元素，是衡量土壤肥力水平的一个关键因素^[11]。随着果园生草技术在中国的推广，很多试验研究表明，生草可增加土壤有机质含量^[30-31]。樊文霞等^[32]研究表明果园种草可以增加果园内昆虫和微生物的数量，从而能让更多的有机物得到转化，并且草类枯萎后留下的腐殖质也能转化为有机质，从而增加土壤有机质的含量。也有研究表明，短期内果园生草会降低土壤有机质含量^[33-34]，而本实验中不同生草处理下土壤有机质的含量既有增加又有下降，初步分析原因为人工种草年限较短，因此对人工生草年限与土壤有机物的关系还有待进一步的研究。豆科植物可以固氮^[35]，紫花苜蓿属于多年生豆科植物，因此，果园种植紫花苜蓿后土壤氮含量有所上升；箭筈豌豆也属于豆科植物，但单种箭筈豌豆后土壤氮含量反而降低，这与前人研究结果不符。大部分研究发现果园生草后土壤N、P、K含量会提高^[36-37]，这与本研究不太相符合，但是张朋朋^[8]在文章指出生草初期即1 - 3年内土壤N、P、K含量会降低，而生草3 - 7年后土壤N、P、K含量会增加。通过阅读文献得知不同种草年限会影响土壤的养分含量^[38]，因此，初步分析这种现象与人工生草年限有关，但相关事实还有待进一步研究。

3.3 不同生草栽培对黑钻苹果园土壤重金属含量的影响

重金属广泛存在于环境介质中，极难被生物分解，但是却可以通过食物链的累积进入到人体内，对人类的生命健康安全产生毒害效应^[39]。土壤中的重金属会对生物体造成严重的危害^[40]，而土壤是作物生长的关键基础，土壤中各重金属含量直接影响着作物的生长^[41]。本研究发现，林芝市黑钻苹果园土壤重金属Cu、Zn、Cd含量高于西藏土壤元素背景值，即研究区土壤重金属Cu、Zn和Cd的积累较为严重，以背景值为标准，研究区土壤主要为轻度污染，属轻微危害程度。土壤中的重金属主要来源于大气沉降和人类活动，但本试验地苹果园地处乡村，环境污染不严重，可排除大气沉降的原因，该地区降水量丰富，土壤受污水灌溉可能性小，而农药和化肥是苹果园生产的重要农业物资，不合理的施用农药和化肥易导致果园土壤重金属污染^[42]。因此推测该试验在种植部分草种后土壤重金属含量增加与农药和化肥的施用有关，从而导致土壤重金属潜在生态风险增加。林小兵等^[43]在研究中指出，化学肥料中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Pb，除此之外，林小兵^[43]还指出有机肥中存在重金属As、Cd、Pb、Zn、Cu、Hg等超标现象，其中畜禽粪便重金属残留是有机肥中重金属污染的主要来源。崔璨^[44]的研究表明，果园生草后，不同有机肥的施加在一定时间内会影响土壤中重金属的含量。此外，与其他种草模式相比，单种箭筈豌豆后土壤Cu、Zn含量增加，除去农药和肥料施用不均的缘故，可能与箭筈豌豆对重金属的富集程度有关，王昌伟等^[45]在文章中指出，不同草类植物对重金属的富集程度不同。因此推测本试验中重金属含量的变化与施用的农药和化肥、施加的时间以及草类植物对重金属的耐性与排异性等特性有关。

4 结论

在改良苹果园土壤酸碱平衡与土壤盐渍化方面，单种紫花苜蓿、混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦、单种鸭茅、单种箭筈豌豆、混种紫花苜蓿和鸭茅等均有显著影响。在增加苹果园土壤有机质、土壤养分含量方面，单种紫花苜蓿起着显著作用，而混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦能提高土壤有机质含量，但对土壤N、P、K含量无提高作用。在降低苹果园土壤重金属含量方面，单种紫花苜蓿能降低土壤中Cu、Zn、Cd、As的含量，混种箭筈豌豆和燕麦、单种燕麦、单种鸭茅、混种紫花苜蓿和鸭茅能降低土壤中Cu、Zn、Cd的含量，单种箭筈豌豆能降低土壤中Cd的含量，各处理均可降低土壤重金属的综合潜在生态风险。行间种植不同草种能改变苹果园土壤特性，但因草种、种草时间、施用农药和肥料的改变而变化，应依据实际情况，因地制宜做出具体分析，合理选择种草模式。

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基金资助

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