行内生草对土壤微环境和酿酒葡萄品质的影响

王 锐，闫鹏科，马婷慧，齐雁冰，孙 权

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏农林科学院，宁夏 银川 750001；3.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

酿酒葡萄作为宁夏优势特色产业之一，截止2018年栽植面积达3.8×104hm2，年产葡萄酒10×104t。宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄产区具有“中国波尔多”之称，是中国优质酿酒葡萄产区之一，该产区属于典型的大陆性气候，干旱少雨，日照充足，昼夜温差大，有利于酿酒葡萄的种植，为酿造优质高档葡萄酒提供原料[1-3]；同时也面临着许多问题，如土壤结构性差、养分不足、土壤微环境调控能力较弱，进而导致酿酒葡萄成熟过快、香气物质累积不足、糖酸比不协调、葡萄酒品质下降等问题[3]。

果园生草也称作生物覆盖，是国内外普遍推行的一种现代化、标准化、可持续发展的果园土壤管理模式，目前主要以行间覆盖为主，在苹果园[4]、梨园[5]、橄榄园[6]和葡萄园[7-10]研究较多，果园生草可以抑制杂草生长[11]，防止水土流失[12-13]，减少风蚀量[14]，降低病虫害的发生[15-16]，培肥土壤[17-18]，改善土壤理化性状[19-20]和微生物特性[10,18,20-21]，提高果实品质[5,16,22]。Ruiz-Colmenero 等[23]对西班牙坡耕地葡萄园研究发现，生草模式下土壤侵蚀率下降50%～75%，产量减少29%～54%。惠竹梅等[9]对葡萄园行间生草研究表明，生草后固氮菌、纤维素分解菌和细菌数量分别升高223.4%、83.4%和68.1%，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量显著提高，全磷和有效磷含量降低[9]。在降雨量较为丰富的区域，或者不需要补水灌溉的区域，通过行间生草实现全园覆盖后，Irvin 等[24]在酿酒葡萄园行间种植荞麦后浆果横茎平均增大0.67 mm，含糖量下降3.2°Brix。‘赤霞珠’葡萄行间种植白三叶草、紫花苜蓿和高羊茅草，对葡萄酒香气化合物的形成有促进作用，可以提高葡萄酒风味和质量[9,22]。Bouzas-Cid等[25]通过连续2年对‘门西亚’葡萄行间生草研究也表明，生草能够提高葡萄酒中的花色苷含量。

由于干旱半干旱区降雨少，灌溉方式多以滴灌为主，在滴灌条件下，行内湿润峰在距滴灌行左右两侧50 cm的行内，不足以满足行间草生长的水分需求。在该地区通常采用的“厂”字型整形方式下，葡萄结果带多暴露在距离地面40 cm高的水平带上；成熟期光照反射强，温度高，适当的生物覆盖能有效调节结果带微环境，因此改葡萄园行间生草为行内生草，既能适应干旱半干旱区葡萄优质栽培的自然生态条件，还能有效调节结果带区域的微环境，有利于促进葡萄园生态环境的健康可持续发展。探讨干旱半干旱区滴灌条件下行内生草对土壤微环境及酿酒葡萄浆果产量和品质的影响，解决葡萄园土壤肥力低下，酿酒葡萄成熟过快、香气物质累积不足、糖酸比不协调等问题，可为旱区酿酒葡萄优质栽培及葡萄园生草模式的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2017年4月至2018年9月在宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄核心产区立兰酒庄进行，该酒庄位于宁夏银川市永宁县闽宁镇(38°16′38″ N，105°58′20″ E)，属于温带干旱大陆性气候，海拔约1 129 m，常年干旱少雨，年均降水量200 mm左右，年均气温8.8℃，昼夜温差10～15℃，全年≥10℃积温可达3 000℃以上，年日照时数2 800 h以上，无霜期150～170 d，水分蒸发强烈。该试验区成土母质主要以洪积物为主，土壤类型为砾质灰钙土，基本化学性质见表1。土壤有机质、碱解氮、全氮和全磷含量极低，有效磷含量次之，速效钾含量较高；随土层深度的增加，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷的含量均逐渐下降。

表1 土壤基本化学性质

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设3个处理：清耕(CK)、自然生草(CZR)、种植马齿苋(CMC)，以清耕(CK)为对照，每个处理设3个重复，共9个小区，小区面积为60 m×3.5 m=210 m2，每个小区有酿酒葡萄树100棵。供试酿酒葡萄是当地广泛种植的6 a生‘赤霞珠’，南北行向定植，整形方式为长梢修剪倾斜上架，株行距0.6 m×3.5 m，种植密度4 760棵·hm-2。试验处理具体操作如图1：2017年4月初葡萄出土，4月下旬分别在距葡萄行左右两侧50 cm内均匀撒播马齿苋，播量30 kg·hm-2，同时确定自然生草(主要草种有藜、打碗花、苦苦菜和骆驼蓬等)和清耕试验区，各处理行间均采用清耕，深度约20 cm；7月中旬对自然生草和马齿苋进行平茬一次(留茬高度10 cm左右)，平茬后草继续生长，以供结实，产生的种子自然成熟脱落后第2年自然繁育;10月中下旬葡萄埋土，将残草直接翻压还田;2018年4月葡萄出土，不需重复播种。所有处理施肥、灌溉、修剪整枝以及病虫害防治等生产管理措施一致，均采用水肥一体化进行灌溉施肥，灌溉定额3 300 m3·hm-2，全生育期灌溉8次，施用酿酒葡萄全营养水溶肥，全生育期施肥量为750 kg·hm-2，共施肥5次。

图1 试验设计Fig.1 Experiment design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤物理性状指标测定方法 土壤温度：于2018年6月22日(幼果期)、7月31日(膨大期)和9月10日(成熟期)分别用5、10、15、20 cm和25 cm的直角地温计测定14∶00时的地温。土壤容重：于2018年9月下旬葡萄采收期，在0～20、20～40 cm和40～60 cm土层分别用环刀取样，采用环刀法测定各土层土壤容重，并计算土壤总孔隙度[26]。

1.3.2 土壤化学性质指标测定方法 2017年4月下旬试验处理前及2018年9月下旬葡萄采收期，每个处理按20 cm分层采集3个土壤样品，将采回的土样风干、磨细，过1 mm和0.25 mm筛，测定各土层土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷含量，具体测定方法参照《土壤农化分析(第三版)》[27]：有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定。

1.3.3 土壤生物学特性指标测定方法 土壤酶活性：于2018年9月下旬葡萄采收期，每20 cm采集1个样品，用保温盒和冰袋将其带回实验室，4℃恒温储藏，用于测定土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性。脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法[28]；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法[28]；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[28]；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法[28]。土壤微生物数量：于2018年9月下旬葡萄采收期，每20 cm采1份样品，用保温盒和冰袋将所采土样带回实验室，4℃恒温储藏，用稀释平板分离计数法测定土壤细菌、真菌和放线菌三大微生物群落数量。细菌用牛肉膏蛋白胨培养基培养2～3 d，真菌用马丁氏孟加拉红培养基培养3～5 d，放线菌用高氏一号培养基培养5～7 d，算出土壤含水量，以每克干土所含菌落数(cfu)表示[29]。

1.3.4 酿酒葡萄产量及浆果品质指标测定方法 于2018年9月下旬葡萄采收期，对每个小区果实全部采摘分别测产后按面积折算为每公顷产量，同时每个处理各小区随机采集20个有代表性果穗，在每个果穗的上、中、下3个部位随机采集大小相近的15粒葡萄榨汁，用于测定可溶性固形物、可滴定酸、单宁、总酚和花色苷。用手持糖量计法测定可溶性固形物，NaOH滴定法测定可滴定酸，单宁采用福林-丹宁斯(Folin-Denis)法，总酚的测定采用福林-肖卡法，采用pH示差法测定葡萄果皮中的总花色苷[30]。

1.4 数据分析

采用Excel 2007整理数据和制图，SPSS 21.0软件进行方差分析和主成分分析，显著性水平为0.05，并用Duncan新复极差法(P<0.05)进行多重比较，表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 生草对葡萄园土壤物理性状的影响

2.1.1 生草对土壤温度的影响 土壤温度的变化是评价生草对酿酒葡萄园土壤微环境影响的重要指标。酿酒葡萄主要生育期各处理0～25 cm土层土壤温度如图2所示，生草对降低表层土壤温度有显著影响，各处理随土层深度的增加，土壤温度逐渐下降，各生育期CZR和CMC处理0～25 cm土层温度均低于CK处理。幼果期(图2A)，5 cm土层CZR和CMC处理较CK处理土壤温度分别降低了1.3℃和3.0℃，从10～15 cm起，随土层深度的增加CZR和CK处理土壤温度急剧下降，在土层深度15 cm处，CZR和CK处理土壤温度较CMC处理分别高1.7℃和0.6℃。果实膨大期(图2B)，CZR和CMC处理对降低土壤温度有显著效果，由于该时期降雨少，气温高，生草减少了太阳对地面的直接辐射，在5 cm土层温度最高，CZR和CMC处理分别较CK处理降低2.5℃和3.9℃；随土层深度增加，各处理土壤温度逐渐接近，其中CK处理温度降低速度最快，CMC、CZR和CK处理从5 cm到25 cm土壤温度分别下降4.4℃、4.9℃和7.7℃。果实成熟期(图2C)，在0～10 cm土层，CZR和CMC处理温度无显著变化，CK处理温度降低，各处理土温从15～25 cm土层随深度增加逐渐降低，处理间土壤温度逐渐接近。

2.1.2 生草对土壤容重和总孔隙度的影响 土壤容重是反映土壤紧实程度的重要指标之一。生草对酿酒葡萄收获期表层(0～20 cm)土壤容重有显著影响，随土层深度的增加各处理间土壤容重差异不显著(图3A)，各处理0～60 cm土壤容重随土壤深度增加表现出先增加后降低，在0～20 cm土层CZR和CMC处理较CK处理土壤容重分别降低1.37%和3.42%，各处理在20～40 cm和40～60 cm土层土壤容重差异不显著；20～40 cm土层土壤容重大小顺序为：CK>CZR>CMC；40～60 cm土层CZR处理土壤容重最小，较CK和CMC处理分别低2.00%和0.68%。土壤总孔隙度与土壤容重变化趋势相反，生草能够改善土壤孔隙状况，生草处理表层土壤总孔隙度显著高于清耕处理，中下层(40～60 cm)土壤总孔隙度差异不显著(图3B)，在0～20 cm土层土壤总孔隙度大小顺序为：CMC>CZR>CK，其中CMC处理较CZR和CK处理分别高4.19%和2.47%；20～40 cm土层CK处理较CZR和CMC处理土壤总孔隙度分别低0.88%和2.58%；40～60 cm土层CZR和CMC处理较CK处理土壤总孔隙度分别高2.60%和1.73%。

注：CK：清耕，CZR：自然生草，CMC：马齿苋，下同。Note: CK: Clean tillage; CZR: The natural grass; CMC: Artificially planted purslane, the same below.图2 不同处理幼果期(A)、膨大期(B)、成熟期(C)地下0～25 cm土层温度变化曲线Fig.2 Temperature curve of 0～25 cm underground in different treatments at young fruit stage (A), expanding stage(B) and mature stage (C)

注：图中小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note: The lowercase letters in eachFigure indicate significant differences at the 0.05 level, the same below．图3 不同处理对0～60 cm土层土壤容重和孔隙度的影响Fig.3 Effects of different treatments on 0～60 cm soil bulk density and total porosity

2.2 生草对葡萄园土壤化学性质的影响

由表2可知，各处理随着土层深度的增加，土壤肥力逐渐降低，处理间土壤肥力有显著性差异。0～20 cm土层，CMC处理较CZR和CK处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷分别高41.95%和26.16%、85.46%和43.99%、35.34%和11.47%、33.33%和39.23%、43.48%和69.23%、25.00%和6.06%；20～40 cm土层，CK处理较CZR处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和全磷分别低20.38%、22.06%、18.42%、9.87%和18.52%，仅全氮高16.28%，较CMC处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷分别低37.71%、28.63%、23.97%、26.09%、13.79%和21.43%；40～60 cm土层，CMC处理土壤肥力较CZR和CK处理有显著性差异(CZR与CMC的碱解氮除外)，CZR处理较CK处理仅有机质、碱解氮和全磷差异性显著，CZR处理较CK处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮分别高4.43%、11.46%、9.00%、9.59%、9.09%，仅全磷低14.29%，CMC处理较CK处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷分别高12.07%、10.22%、21.90%、18.83%、12.12%和9.52%。

表2 不同处理对0～60 cm土层土壤肥力的影响

2.3 生草对葡萄园土壤生物学特性的影响

2.3.1 生草对葡萄园土壤酶活性的影响 土壤酶活性能够反映土壤养分转化能力强弱，是评价生草对酿酒葡萄园土壤肥力影响的重要生物学指标。各处理0～60 cm土层土壤酶活性如图4所示，生草对表层(0～20 cm)土壤酶活性有显著影响，各处理随土层深度的增加，土壤酶活性逐渐下降。土壤脲酶活性(图4A)在0～60 cm土层CZR和CMC处理高于CK处理，0～20 cm土层CMC处理较CZR和CK处理分别高28.40%和48.74%，20～40 cm土层CK处理较CZR和CMC处理分别低32.34%和63.36%，40～60 cm土层CZR和CK处理较CMC处理分别低14.64%和17.03%。土壤蔗糖酶活性(图4B)在中上层(0～40 cm)各处理间差异显著，其中，0～20 cm土层CMC处理分别是CZR和CK处理的1.75倍和2.11倍，20～40 cm土层，CZR和CK处理较CMC处理分别低29.42%和50.11%，40～60 cm土层各处理间差异不显著，CMC处理较CZR和CK处理分别低20.49%和17.28%。碱性磷酸酶活性(图4C)在0～60 cm土层CMC处理均高于CZR和CMC处理，0～20 cm土层CZR和CMC处理是CK处理的2.86倍和1.49倍，20～40 cm土层CMC和CZR处理较CK处理分别高107.69%和28.55%，40～60 cm土层CMC和CZR处理分别较CK处理高17.31%和9.08%。土壤过氧化氢酶活性(图4D)随土壤深度的增加呈降低趋势，0～20 cm土层CK处理较CZR和CMC处理分别低6.90%和14.96%，20～40 cm土层CMC处理和CZR处理无差异，分别较CK处理高9.68%和11.83%，40～60 cm土层CZR处理最高，较CMC和CK处理分别高2.27%和9.76%，差异不显著。

图4 不同处理对0～60 cm土壤酶活性的影响Fig.4 Effects of different treatments on 0～60 cm soil enzyme activity

2.3.2 生草对葡萄园微生物数量的影响 土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部分，其数量多少和细菌/真菌(B/F)值直接反映了土壤肥力的大小。各处理不同土层微生物数量的变化如表3所示，各处理随土层深度的增加，微生物总数逐渐减少；CZR和CMC处理随土层深度的增加，细菌、真菌和放线菌数量呈下降趋势，CK处理土壤细菌和真菌数量在表层(0～20 cm)最多，放线菌数量在20～40 cm土层最高。0～20 cm土层CMC和CZR处理较CK处理细菌数量、真菌数量、放线菌数量、微生物总数和B/F值分别高29.50%和58.99%、27.05%和40.98%、11.43%和47.62%、22.04%和54.29%、1.93%和12.78%；20～40 cm土层CK处理较CZR和CMC处理细菌数量少40.83%和47.92%，CZR处理真菌数量、放线菌数量最低，分别较CK和CMC处理低6.67%和11.11%、29.27%和34.59%，各处理微生物总数和B/F值大小顺序为：CMC>CZR>CK；各处理40～60 cm土层细菌数量、真菌数量和放线菌数量与0～20 cm和20～40 cm土层相比，均达到最低，CMC处理较CZR和CK处理微生物总数分别高70.71%和36.36%，CZR处理的B/F值最低，较CK和CMC处理分别低1.91%和6.62%。

表3 不同处理对0～60 cm土层土壤微生物数量的影响

2.4 生草对酿酒葡萄浆果产量及品质的影响

由表4可知，生草对酿酒葡萄产量影响不显著，与CK处理相比，CZR和CMC处理产量分别下降3.75%和3.27%。可溶性固形物、可滴定酸、单宁、总酚和花色苷是评价酿酒葡萄浆果品质的重要指标，生草对酿酒葡萄浆果品质有显著影响。可溶性固形物是指可溶性糖或其它可溶性物质，CK处理可溶性固形物含量最高，较CZR和CMC处理分别高1.35%和3.86%；可滴定酸含量CMC处理最高，较CZR和CK处理分别高1.41%和16.13%；单宁含量的多少决定葡萄酒的风味、结构与质地，CZR和CMC处理单宁含量分别较CK处理高20.35%和24.91%；酚类物质是酿酒葡萄中重要的次生代谢物质，与葡萄汁的色泽和风味密切相关，CZR和CMC处理总酚含量较CK处理分别高26.65%和24.41%；花色苷是存在于葡萄皮中的一种类黄酮多酚物质，生草能显著提高酿酒葡萄的花色苷含量，CK处理较CZR和CMC处理分别低24.67%和29.16%；糖酸比是判断酿酒葡萄果实成熟度的重要指标之一，CMC和CZR处理较CK处理糖酸比分别降低17.10%和13.85%。

表4 生草对酿酒葡萄浆果产量及品质的影响

2.5 土壤微环境指标与酿酒葡萄浆果产量品质指标主成分分析

无法通过单一指标评价行内生草对酿酒葡萄园土壤微环境及浆果产量品质的影响，因此，采用主成分分析法，对土壤微环境指标和酿酒葡萄浆果产量和品质进行综合分析，可以更加科学地筛选出最优试验处理。以土壤物理性质、化学性质、生物学特性和酿酒葡萄浆果产量品质为评价指标，进行主成分分析，第一主成分贡献率为88.25%>85%，基本涵盖了土壤微环境和浆果产量品质的全部信息，结果如表5所示，CZR和CMC处理的综合得分均高于CK处理，综合得分排名依次为：CMC>CZR>CK。

表5 主成分得分与综合得分

3 讨 论

3.1 生草对葡萄园土壤微环境的影响

葡萄园生态栽培是指以葡萄树为中心，通过生草对土壤微环境进行人工调控，使园内有限的资源得以充分利用[31]。旱区酿酒葡萄园行内生草能显著降低土壤表层温度，随土层深度增加温度变化幅度逐渐变小，同时降低土壤容重，增加总孔隙度，与杨江山等[32]和惠竹梅等[33]研究结果一致。分析其原因是：生草能够减少太阳对地面的直接辐射，减缓了热量向深层土壤的传递，进而降低了地表温度，不同草种之间长势差异导致土壤和环境温度降低程度不同；同时生草不但可以减少机械耕作对土壤的碾压，而且生草还田在微生物和酶的作用下，分解形成有机物质，改善土壤紧实度和孔隙状况。

植物生长的主要营养来源于土壤，土壤养分含量多少直接影响着植物的形成和发展过程。有研究表明，果园连续生草3 a土壤有机质增加16.25%～43.75%，土壤全氮提升50%左右，碱解氮降低4.73%～34.32%，有效磷增加81.93%～332.53%，速效钾增加49.24%～89.34%[34]。本研究发现，生草能显著提高土壤肥力，随着土层深度的增加，土壤肥力逐渐降低。究其原因可能为：不同草种所含营养物质种类和含量不同，同时生草还田改善了土壤的微生物环境，使微生物分解能力增强，有利于残草分解，增加了土壤的有机物质含量，提高了土壤对N、P、K的吸附能力，使土壤N、P、K等元素均衡供应[5,34]；另外植物根系分泌物中的有机酸类物质通过电离H+酸化土壤环境或通过交换和还原作用，使土壤中的难溶性营养物质活化[35]。

土壤微生物是土壤物质循环的主要动力，土壤微生物种类和数量直接影响着土壤养分循环、物质和能量转化的过程，进而影响着土壤肥力的大小[36]。土壤酶是参与土壤新陈代谢的重要物质，是具有催化能力的“特殊有机体”，表征土壤养分转化能力的强弱，是土壤评价体系中重要的生物学指标[37]。本研究认为，连续生草2 a能显著增加中上层(0～40 cm)土壤酶活性，极显著地提高了土壤细菌、真菌和放线菌的数量，其中自然生草和马齿苋处理下微生物总数平均提高21.65%和53.70%；相同自然条件下，由于马齿苋处理生物量较自然草更大，覆盖度和均匀度更好，该区域种植马齿苋更有利于土壤微环境的改善。这是因为：生草降低了土壤表层温度，为微生物提供了适宜的生活环境，同时草自身含有大量有机质和N、P、K，生草还田为土壤微生物的生长提供了丰富营养，促进土壤微生物的繁殖[5]；同时，植物根系分泌、残体腐解和土壤动物活动产生大量的酶[36,38]，当土壤有机质含量增加时，土壤酶积极参与有机质的分解与转化，进而活性增强[39]。

3.2 生草对酿酒葡萄浆果产量及品质的影响

在干旱半干旱区，夏季高温干旱致使酿酒葡萄果实糖酸比过早达到采收要求，而单宁、酚类物质、花色苷含量较低，香气物质积累不足，进而影响葡萄酒的品质。葡萄园生草能够调节酿酒葡萄浆果糖酸比，促进香气物质积累，进而提高葡萄酒的品质。Irvin等[24]研究结果表明，行内种植荞麦使酿酒葡萄浆果含糖量下降3.2°Brix，同时降低果实脱水萎缩比例。Muscas等[16]研究认为，生草年份的增加对可滴定酸无显著影响，能显著增加酿酒葡萄浆果可溶性固形物含量，生禾本科植物能增加酿酒葡萄浆果的总酚和花色苷含量，生豆科植物则相反。本研究结果表明，连续2 a行内生马齿苋和自然草对酿酒葡萄产量影响不显著，能够显著调节果实糖酸比，增加单宁、总酚和花色苷含量，CZR和CMC处理较CK处理产量分别下降3.75%和3.27%、可溶性固形物含量分别下降1.33%和3.72%，可滴定酸、单宁、总酚和花色苷含量分别增加14.52%和16.13%、21.23%和25.82%、26.65%和24.41%、32.75%和41.16%，糖酸比分别降低13.85%和17.10%。原因可能为：(1)草的根系主要分布在0～20 cm土层，酿酒葡萄的根系主要分布在20～60 cm土层，草与酿酒葡萄在0～20 cm土层对养分和水分的竞争强烈，在20 cm土层以下竞争减弱，故对产量影响不显著；(2)生草降低了土壤和酿酒葡萄冠层温度，使糖代谢过程中各种酶的活性增强，不利于糖分累积，而抑制苹果酸的降解[40]，进而降低糖酸比，促进单宁及酚类物质的合成，同时减少高温导致的果实灼伤率，促进花色苷的合成。

4 结 论

旱区葡萄园行内生草能有效降低且稳定地表温度，降低土壤容重，改善土壤孔隙状况，提高土壤肥力，增加土壤酶活性和微生物数量，在获得稳定产量的同时能够有效调节酿酒葡萄浆果糖酸比，促进浆果单宁、总酚和花色苷含量，尤其以行内种植马齿苋效果为最佳。