商佳胤，張新建，李 凱，張 鶴，王 丹

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 林業(yè)果樹研究所，天津 300383； 2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300383)

我國果園土壤管理方式有清耕制、免耕制、生草制和覆蓋制。清耕制破壞土壤結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)水土流失風(fēng)險和揚(yáng)沙、揚(yáng)塵的問題。免耕制需要使用化學(xué)除草劑，易產(chǎn)生環(huán)境污染和食品安全風(fēng)險。生草制可以改善果園生態(tài)環(huán)境，但是額外的用工和生產(chǎn)資料投入又造成果園成本增加。因此，覆蓋制通過覆蓋材料，不僅可以調(diào)節(jié)土壤的保水能力，還可以提高土壤養(yǎng)分含量，改善酶活性，是目前較為健康的果園土壤管理措施之一。

地面覆蓋材料種類繁多，我國果園主要使用有機(jī)材料和無機(jī)材料兩種模式，主要用于抑制雜草和保持土壤濕度。相比于有機(jī)材料，無機(jī)材料更易獲取，并且投入成本更低，因此在果樹種植中應(yīng)用更廣泛。近幾年，前人對露地條件下農(nóng)作物和園藝作物覆蓋模式開展了土壤環(huán)境、微生物特征、果實品質(zhì)、植株生長特性、水分利用率、土壤養(yǎng)分及其需求規(guī)律等方面研究，許多研究表明，覆蓋材料可以顯著提高果樹的凈光合速率、果實品質(zhì)以及土壤的養(yǎng)分利用率，可以調(diào)節(jié)土壤的保水能力，提高土壤酶活性，改變土壤養(yǎng)分含量。

設(shè)施葡萄種植，在定植溝或全園覆蓋材料，可以實現(xiàn)棚內(nèi)的保水、增溫、反光等技術(shù)需求。與露地種植不同，大棚內(nèi)土壤溫濕度更高，水分自主調(diào)控能力更強(qiáng)，土壤溫濕度變化不劇烈，無雨水淋溶現(xiàn)象。因此，大棚內(nèi)的土壤理化指標(biāo)變化趨勢與露地差異巨大。與前人對覆蓋材料的研究多在露地條件下進(jìn)行不同，針對設(shè)施葡萄地面覆蓋的研究較少，因此系統(tǒng)研究設(shè)施內(nèi)不同覆蓋材料對葡萄根系分布及土壤理化特性的影響，具有現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)意義。本研究設(shè)置了地膜、地布、無紡布3種覆蓋材料，通過對不同土層的葡萄根系分布和土壤pH值、EC值以及相關(guān)酶活性進(jìn)行研究，以期獲得設(shè)施栽培模式下最佳的覆蓋材料，為設(shè)施葡萄園覆蓋材料的選擇提供理論和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2016年5月至2017年11月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地進(jìn)行，供試葡萄品種為4年生巨玫瑰，扦插苗，日光溫室種植。試驗材料采用傾斜龍干整形方法，南北行向，株行距為1 m×2 m，主干高0.8 m，主干以上分雙側(cè)葉幕，開張角度為60°，架面高1.80 m，葉幕傾斜長度1.25 m，葉幕厚度0.35 m。

覆蓋材料為黑色地膜(地膜/A)、黑色園藝地布(地布/B)、白色無紡布(無紡布/C)，寬幅為0.5 m，覆蓋在葡萄定植壟兩側(cè)，用園藝地釘固定，壟間不覆蓋。以不覆蓋材料為對照組(CK)。覆蓋材料下鋪設(shè)間距為10 cm，流量為2 L·h滴灌管，常規(guī)管理全年水肥。

供試地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.93 g·kg，全氮1.26 g·kg，全磷1.24 g·kg，全鉀3.34 g·kg。

1.2 方法

1.2.1 根系分布的調(diào)查方法

在葡萄落葉后采用壕溝法制作土壤垂直剖面進(jìn)行單株根系組成與分布調(diào)查。剖面與定植溝平行，與植株的距離為5 cm，剖面寬80 cm(距植株左右各為40 cm)，深80 cm，在土壤剖面挖好后，沿水平方向和垂直方向均按 10 cm 的間隔，將剖面切分成10 cm×10 cm 的方格，然后使用游標(biāo)卡尺測量須根直徑，按照<2 mm、2～<5 mm、5～<10 mm、≥10 mm 4個等級將須根分布情況標(biāo)注在繪圖紙上。每處理隨機(jī)選3株葡萄植株繪制根系分布剖面圖，3 次重復(fù)。根據(jù)繪制的根系分布剖面圖統(tǒng)計不同土壤深度和水平距離根系的分布狀況。

1.2.2 土壤指標(biāo)測定

球蟲病主要危害雛雞，感染球蟲后土雞的腸壁細(xì)胞被破壞，不僅腸道出血，還會影響多種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，病雞生長發(fā)育緩慢，產(chǎn)蛋減少，雛雞發(fā)病率死亡率高，病愈雛雞生長滯后，抵抗力低，易患其他疾病，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

根系調(diào)查完成后，分別采集葡萄定植地表以下0～<10 cm、10～<20 cm、20～<30 cm、30～<40 cm、40～<50 cm、50～<60 cm、60～<70 cm、70～<80 cm的土壤樣品，用烘干法測定土壤含水量。采集葡萄定植地表以下0～5 cm、(20±5)cm、(40±5)cm、(60±5)cm、75～80 cm，使用雷磁PHS-3C pH計測定土壤pH值和EC值；使用靛酚藍(lán)比色法測定土壤脲酶活性；使用磷酸酶標(biāo)比色法測定土壤酸性磷酸酶活性；使用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性；使用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖；用SPSS 12.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05；用SigmaPlot12.0軟件繪制根系分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋材料葡萄根系數(shù)量及比例

不同覆蓋材料對巨玫瑰葡萄根系的總量和根系直徑組成均有顯著影響(表1)。3個處理中，采用無紡布覆蓋的根系總量最大，單個剖面根系數(shù)量達(dá)111條，其次為地膜(99條)和地布(91條)，對照組的根系數(shù)量最少，單個剖面根系數(shù)量為73 條。從不同直徑的根系組成來看，3個覆蓋處理在直徑<2 mm吸收根的數(shù)量最大，分別占無紡布、地布、地膜處理的59.46%(66條)、71.43%(65條)、52.53%(52條)。與3個處理相比，對照組中2～<5 mm的根系數(shù)量最大，占總根系的41.10%(30條)，<2 mm吸收根的數(shù)量次之，占總根系的32.88%(24條)。在不同處理和對照組中，≥10 mm根系的數(shù)量和所占比例均為最少，占比均小于5%?？梢?，從葡萄根系的徑粗而言，總體占比多的是較細(xì)的吸收根。

表1 不同覆蓋材料下葡萄根系數(shù)量及比例

2.2 不同覆蓋材料葡萄根系垂直分布

從根系分布的剖面圖可以看出(圖1)，巨玫瑰葡萄根系在土層垂直深度0～<80 cm均有分布，但不同覆蓋處理之間根系的垂直分布范圍有明顯差異(表2)。采用無紡布和地布覆蓋使葡萄根系的分布更淺，2個處理在0～<20 cm的土層內(nèi)分布了36.93%和41.74%的根系，顯著高于地膜和對照組的13.13%和15.07%。各處理根系分布最多的土層為20～<30 cm，其根系分布比例為22.52%～50.68%，與3個覆蓋處理相比，對照組在這一區(qū)域的根系更為集中，占到總根系的一半以上。在土層垂直深度30～<60 cm，對照組的根系比例仍然顯著高于3個覆蓋處理，為30.14%，其次為覆蓋地膜(26.26%)。在調(diào)查土層最深的60～<80 cm，3個覆蓋處理的根系比例仍然很高，分別為18.02%、14.29%和14.14%，而對照組在此土層的根系則分布比例較低，為4.11%。由此可見，覆蓋無紡布和地布可以顯著提高葡萄土壤表層根系的分布，而覆蓋材料可以增加葡萄根系在較深土層的分布，不覆蓋材料葡萄的根系相對集中在土層的20～<60 cm。

圖1 不同覆蓋材料下葡萄根系剖面Fig.1 Root profile of grape under different covering materials

表2 不同覆蓋材料下葡萄根系垂直分布情況

2.3 不同覆蓋材料葡萄根系水平分布

從根系距離主干的縱列水平分布可以看出(圖1、表3)，巨玫瑰葡萄50% 左右的水平根分布在葡萄主蔓兩側(cè)-20～<20 cm，其中覆蓋地膜、無紡布2個處理在這個區(qū)域內(nèi)的根系比例最高，分別為58.58%和56.75%，然后依次是對照組(50.69%)和地布(48.36%)。在主蔓兩側(cè)±20～<30 cm，各處理和對照組的根系比例為19.19%～26.37%。在距離主干最遠(yuǎn)的調(diào)查范圍(±30～<40 cm)，對照組根系比例(27.40%)顯著高于3個覆蓋處理?？梢姡诟档乃椒植挤矫?，不覆蓋材料的對照組根系分布的比例更廣，但是從不同區(qū)域的根系數(shù)量比較，對照組則要低于3個覆蓋處理。

表3 不同覆蓋材料下葡萄根系水平分布情況

2.4 不同覆蓋材料對不同土層土壤含水量的影響

如圖2所示，地膜、地布的土壤含水量總體呈隨土層加深而逐漸下降的趨勢，其含水量最高值分別出現(xiàn)在10 cm(14.75%)、10 cm(14.14%)，最低值分別出現(xiàn)在40 cm(11.31%)、70 cm(12.04%)，最高值分別較最低值提高30.44%、17.38%；無紡布和對照組的土壤含水量則不明顯，其含水量最高值分別出現(xiàn)在60 cm(13.91%)、60 cm(12.90%)，最低值分別出現(xiàn)在70 cm(11.40%)、40 cm(12.02%)，最高值分別較最低值提高22.03%、7.30%。地膜和地布覆蓋在距離土壤表面最近0～20 cm區(qū)域，其土壤含水量均顯著高于覆蓋無紡布和對照組，2個處理在10 cm處較無紡布和對照組的土壤含水量分別提高14.37%、9.59%和15.97%、11.23%，在20 cm處較無紡布和對照組的土壤含水量分別提高18.99%、11.27%和13.35%、6.00%?？梢?，覆蓋材料可以有效提高土壤含水量的最大值，覆蓋地膜和地布則可以顯著提高表層土壤的保水效果。

圖2 不同土層的土壤含水量Fig.2 Soil moisture in different soil layers

2.5 不同覆蓋材料對不同土層土壤pH值的影響

圖3 不同土層的土壤pH值Fig.3 pH in different soil depths

2.6 不同覆蓋材料對不同土層土壤EC的影響

如圖4所示，覆蓋處理可以顯著降低土壤表層的EC值，與對照組相比，3個處理在0和20 cm處的EC值分別降低了14.56%、17.48%、7.77%和18.56%、13.40%、23.71%；在較深土層中，對照組的EC值也顯著高于覆蓋地布和無紡布處理。覆蓋地布和無紡布在20 cm以下的土層深度的EC值變化不大。與這兩個處理相比，隨著土層加深(大于40 cm)，覆蓋地膜的土壤EC值顯著上升，并在40 cm處達(dá)到最大，為1.12；此后逐漸變小，在80 cm處為0.94，顯著高于2個覆蓋處理，但是顯著低于對照組(1.08)。

圖4 不同土層深度的土壤EC值Fig.4 EC in different soil depths

2.7 葡萄設(shè)施栽培地膜不同覆蓋材料對土壤脲酶活性的影響

如圖5所示，3個覆蓋處理和對照組的土壤脲酶活性在0～40 cm的變化趨勢不大，土層加深后，其脲酶活性顯著上升，其中覆蓋地布和無紡布處理以及對照組的脲酶活性最大值均在80 cm處，分別為1 036.9、1 212.03和1 517.7 U·g；覆蓋地膜處理則是在60 cm處最大，為1 334.61 U·g；脲酶活性最小值出現(xiàn)的土層則有所差異，地膜出現(xiàn)在表層(693.7 U·g)，地布、無紡布和對照組則均出現(xiàn)在40 cm處，分別為613.8、465.1、923.0 U·g。在各土層，對照組的脲酶活性均高于或顯著高于3個覆蓋處理，其中在40 cm處較覆蓋無紡布提高最大，達(dá)到98.44%；在20 cm處較覆蓋地膜提高最小，達(dá)到1.96%。

圖5 不同覆蓋材料下不同土層的脲酶活性Fig.5 Urease activity in different soil depths under different covering materials

2.8 葡萄設(shè)施栽培地膜不同覆蓋材料對土壤酸性磷酸酶活性的影響

如圖6所示，3個覆蓋處理和對照組的土壤酸性磷酸酶活性變化幅度不大，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，各處理的酶活性差異不大。3個處理在土壤表層酸性磷酸酶活性均為最低，分別為2.424 6、2.427 8和2.422 4 mg·g·h，并分別在60 cm、40 cm和60 cm達(dá)到最大，分別為2.461 7、2.447 7和2.476 1 mg·g·h。與各覆蓋處理相比，對照組在土壤表層酸性磷酸酶活性均顯著高于3個覆蓋處理，為2.443 6 mg·g·h；在60 cm處達(dá)到最大，為2.460 1 mg·h·h。

圖6 不同覆蓋材料下不同土層的酸性磷酸酶活性Fig.6 Acid phosphatase activity in different soil depths under different covering materials

2.9 葡萄設(shè)施栽培地膜不同覆蓋材料對土壤蔗糖酶活性的影響

如圖7所示，3個覆蓋處理和對照組的土壤蔗糖酶活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，均在40 cm達(dá)到最高，然后逐漸下降。土壤0～20 cm的蔗糖酶活性各處理間的差異均不顯著；在40 cm，對照組的蔗糖酶活性顯著高于3個覆蓋處理，分別較處理提高了3.91%、3.30%和2.57%。在60 cm和80 cm，對照組的蔗糖酶活性較最大值下降幅度更大(下降20.64%和20.30%)，在這2個土層的酶活性均顯著低于3個覆蓋處理，其中60 cm處分別降低了4.40%、3.60%和7.94%，在80 cm處分別降低了4.12%、1.69%和4.90%?？梢姼采w材料對土層較深的蔗糖酶活性有更顯著的影響。

圖7 不同覆蓋材料下不同土層的蔗糖酶活性Fig.7 Invertase activity in different soil depths under different covering materials

2.10 葡萄設(shè)施栽培地膜不同覆蓋材料對土壤過氧化氫酶活性的影響

如圖8所示，3個覆蓋處理的土壤過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)先升高后下降再升高的趨勢，而對照組的土壤過氧化氫酶活性在不同土層的變化不明顯，0～60 cm的土壤過氧化氫酶高于或顯著高于3個覆蓋處理。在土壤表層，3個覆蓋處理的土壤過氧化氫酶活性均顯著低于對照組，分別較對照組下降了28.29%、24.55%和50.74%。在40 cm，覆蓋地布的土壤過氧化氫酶活性達(dá)到最大值，與對照組的酶活性水平接近，而另外2個覆蓋處理則處于較低水平。隨著土層加深，覆蓋地膜和無紡布2個處理的土壤過氧化氫酶活性開始快速上升，并在80 cm超過對照組和覆蓋地布處理，達(dá)到了最大值，此時3個覆蓋處理的土壤過氧化氫酶活性分別較對照組升高了26.99%、-6.00%和13.03%。

圖8 不同覆蓋材料下不同土層的過氧化氫酶活性Fig.8 Catalase activity in different soil depths under different covering materials

2.11 不同處理指標(biāo)的相關(guān)性

不同土層的土壤根系數(shù)量是反映葡萄生長發(fā)育情況的主要指標(biāo)，根系數(shù)量多，說明葡萄植株對養(yǎng)分的吸收能力強(qiáng)，樹體健壯。由表4可以看出，葡萄的根系數(shù)量與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)無顯著的相關(guān)性。土壤含水量與pH值呈顯著正相關(guān)，與酸性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)無顯著相關(guān)性。pH值與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)無顯著的相關(guān)性。脲酶活性與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)無顯著的相關(guān)性。

表4 不同處理指標(biāo)的相關(guān)性分析

2.12 各測定指標(biāo)的主成分分析及綜合貢獻(xiàn)率

首先對4×8原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算相關(guān)矩陣的特征向量，得到特征值和貢獻(xiàn)率，共提取了特征值大于1的3個主成分，方差累積貢獻(xiàn)率為76.578%(表5)，可以概括不同覆蓋處理測定的土壤理化指標(biāo)的大部分信息。利用主成分載荷矩陣(表6)，成分載荷除以成分特征值的平方根得出成分特征向量，用特征向量表示主成分得分。3個主成分分別從不同方面反映了覆蓋材料對葡萄根系及土壤理化指標(biāo)的影響，將主成分按照貢獻(xiàn)率綜合為加權(quán)綜合得分和主成分方差貢獻(xiàn)率(表7)，以綜合得分對覆蓋材料進(jìn)行評分，綜合得分越高表示該處理方法的綜合表現(xiàn)越優(yōu)。通過計算獲得不同處理在3個主成分中的得分，在PC1中，覆蓋地布和無紡布的得分優(yōu)于覆蓋地膜和對照組，說明其在脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶等方面表現(xiàn)較優(yōu)。在PC2中，覆蓋地膜和對照組的得分優(yōu)于覆蓋地布和無紡布，說明其在根系數(shù)量和蔗糖酶兩方面表現(xiàn)較優(yōu)。在PC3中，覆蓋地布和無紡布的得分優(yōu)于覆蓋地膜和對照組，說明其在EC方面表現(xiàn)較優(yōu)。通過計算貢獻(xiàn)率，獲得最佳的覆蓋材料為無紡布和地布，其次為地膜，覆蓋材料的效果均優(yōu)于不覆蓋的對照組。

表5 主成分方差解釋

表6 主成分載荷矩陣

表7 不同覆蓋處理的主成分得分

3 討論

果樹根系具有明顯的趨水性和趨肥性，果園地面管理在果樹周年管理中占有重要的地位。充足的水分有利于根系對礦質(zhì)元素的吸收和利用，促進(jìn)植株的新陳代謝、光合作用和其他生理生化過程，從而促進(jìn)植物營養(yǎng)生長，而地表覆蓋可以有效地減少土壤水分蒸發(fā)，保持土壤濕度。本研究表明，覆蓋材料會顯著提升直徑<2 mm吸收根的數(shù)量，而對照組中2～<5 mm的根系數(shù)量最大；覆蓋材料會顯著提升設(shè)施葡萄根系總數(shù)，覆蓋無紡布還會顯著提升0～<20 cm 根系分布(36.73%)，對照組為15.07%，可見，淺層土壤密集著更多的吸收根系，對于設(shè)施栽培根系提早升溫，促進(jìn)早萌芽早坐果有一定的正效應(yīng)。在土壤含水量方面，覆蓋地膜和地布可以顯著提高土壤表層(0～<20 cm)區(qū)域的含水量，但是從土壤表層根系的分布情況看，覆蓋無紡布仍然可以顯著提高葡萄根系在表層的分布。相關(guān)性分析表明，土壤含水量與根系分布無顯著的相關(guān)性，也說明在一定土層內(nèi)根系的分布與土壤的含水量關(guān)系不大，這可能是由于設(shè)施內(nèi)不同土層的土壤含水量的差異不是很大，根系更趨向于不受脅迫的環(huán)境(高營養(yǎng)、高孔隙度、適宜的溫度等)有關(guān)，而覆蓋地表升溫明顯的地膜或地布會提高土壤溫度，會形成局部根系的高溫脅迫。

地膜不透氣會減少土壤中O的含量，抑制好氧微生物活性，抑制土壤呼吸和降低微生物代謝熵；增加土壤溫度和濕度，使土壤與外部空氣隔絕，進(jìn)而抑制土壤水分的蒸發(fā)速度，提高土壤養(yǎng)分的有效性。有研究認(rèn)為，不覆蓋條件下長期單施氮肥降低了土壤 pH值，導(dǎo)致土壤酸化和作物產(chǎn)量降低，進(jìn)而延緩甚至避免土壤酸化。這與本研究的結(jié)論是一致的，即覆蓋材料會提高土壤表層的土壤pH值，降低EC值，從而減緩設(shè)施栽培的土壤表層酸化和肥害風(fēng)險，覆膜使土壤水分和鹽基離子的運(yùn)動方向發(fā)生改變。

土壤酶是土壤的重要組分，主要來自土壤微生物、動物和植物活體或殘體，參與包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，在土壤的發(fā)生發(fā)育及土壤肥力的形成過程中起重要作用。土壤酶活性與土壤水分特性、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物數(shù)量及土壤養(yǎng)分含量等密切相關(guān)，因此土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評價的一個重要指標(biāo)。土壤脲酶活性可以用來表示土壤有機(jī)態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無機(jī)氮的供應(yīng)能力，酸性磷酸酶使土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成可供植物吸收的無機(jī)磷，其活性可判斷土壤的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化能力，蔗糖酶對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)揮著重要的作用，過氧化氫酶可以分解土壤過氧化氫，降低過氧化氫過度積累對土壤微生物和植物根部的毒害。本研究表明，覆蓋材料會抑制不同土層的脲酶活性，說明更好的土壤透氣性會提高土壤脲酶活性，從而促進(jìn)有機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力。覆蓋材料和對照組的酸性磷酸酶活性變化的閾值很小，說明覆蓋處理對酸性磷酸酶活性影響不大。土壤蔗糖酶活性與設(shè)施葡萄根系的數(shù)量存在極顯著的相關(guān)性，根系集中的區(qū)域土壤蔗糖酶活性越強(qiáng)，這可能和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化與積累有關(guān)。對照組的土壤過氧化氫酶活性在不同土層均處于相對較高的水平，而根系數(shù)量也反映了高的過氧化氫酶活性可能與之相關(guān)。

綜上所述，覆蓋材料可以顯著地提高設(shè)施葡萄根系的數(shù)量；覆蓋材料可以提高土壤的pH值，降低EC值，降低土壤酸化和肥害風(fēng)險；覆蓋材料對土壤酶活性有一定的影響，其中對土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性作用更明顯。通過使用相關(guān)性分析、主成分分析，計算綜合貢獻(xiàn)率評價，可見，設(shè)施葡萄栽培中使用覆蓋材料對葡萄根系生長及土壤理化特性有一定的正效應(yīng)，且以透氣性較佳的無紡布作為覆蓋材料效果最好。