覆盖作物管理对亚热带葡萄园土壤属性与葡萄树三年生长期表现的影响

《Frontiers in Environmental Science》：Cover crop management influences soil properties and grapevine performance across three growing seasons in a subtropical vineyard

　　

覆盖作物管理可改变土壤条件与葡萄树表现，但此类响应可能取决于植被管理策略及生长季节。本研究评估了不同覆盖作物管理制度对巴西巴拉那州坎波拉戈（Campo Largo, Paraná, Brazil）栽培的酿酒葡萄（Vitis vinifera L. cv. Viognier）在三个生长季节（2023–2026；2023/24、2024/25及2025/26）中土壤、生理、产量及果实技术指标的影响。试验处理包括：T1，自然植被（冬季白三叶草与夏季狗牙根属（Cynodon spp.））并在葡萄行内施用除草剂；T2，自然植被不施用除草剂；T3，冬季黑燕麦及夏季以白三叶草与安哥拉草为主的植被；T4，冬季普通野豌豆及夏季蒙巴纳草；T5，冬季多物种覆盖作物混合（黑燕麦+黑麦+野豌豆+饲用萝卜）及夏季混合（狗牙根属+荞麦+蒙巴纳草）。研究评估了覆盖作物生物量与大量元素积累、土壤化学与物理性质、土壤含水量，以及葡萄树营养、生理、营养生长、产量与技术指标。数据采用考虑跨生长季节重复测量的线性混合效应模型（linear mixed-effects models, LMMs）进行分析，并辅以多变量分析。T4（野豌豆与蒙巴纳草）与T5（燕麦+黑麦+野豌豆+饲用萝卜；狗牙根属+荞麦+蒙巴纳草）总体上较基于自然植被的系统表现出更高的生物量产量及氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）积累量。植被管理还影响了选定表层土壤属性，特别是有效磷（available P）、总有机碳（total organic carbon, TOC）、全氮（total nitrogen, TN）、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）、容重（bulk density, BD）及土壤含水量，尽管响应在不同生长季节间存在差异。葡萄树叶面积（leaf area, LA）及产量/叶面积比在各处理间无显著差异，而生理响应则依处理与季节而定。最明确的产量响应出现在2025/26生长季，T2与T4分别达到11.06与11.12 Mg ha?1，较T1（9.21 Mg ha?1）约高20%。可溶性固形物（soluble solids, SS）与pH值不受植被管理影响，而可滴定酸度（titratable acidity, TA）差异仅出现在2023/24生长季。全局多变量剖面在不同处理间存在差异，但强烈依赖生长季节。总体而言，播种覆盖作物提高了生物量产量、养分积累及部分表层土壤属性，但这些响应在3年试验期内并未持续转化为更高的葡萄树产量或果实技术成熟度。

覆盖作物管理对亚热带葡萄园土壤属性与葡萄树三年生长期表现的影响：研究解读

一、研究背景与问题

近年来，全球葡萄酒产业对可持续栽培体系的需求日益增长，覆盖作物在葡萄园中的应用随之扩大。覆盖作物可提供土壤保护、生物多样性提升、杂草抑制及养分循环改善等多重生态系统服务，对葡萄园长期可持续性至关重要。然而，覆盖作物对葡萄树表现的影响取决于物种组成、管理方式及气候条件。在湿润亚热带及高海拔地区，过量降雨和旺盛的营养生长频繁发生，覆盖作物可通过水分与养分竞争减少过度冠层发育，同时改善土壤结构、水分入渗及生物活性。相反，葡萄行内持续施用除草剂与生物多样性降低及土壤物理、化学和生物学性质退化相关。

尽管葡萄园覆盖作物的益处已有充分文献记载，但针对多样化冬季与夏季覆盖作物系统在多个连续生长季节中的评估研究仍相对有限。多季节评估尤为重要，因为葡萄树响应受季节气候变异性强烈影响，包括温度、降水及太阳辐射差异，这些因素直接影响营养发育、产量及果实组成。此外，除草剂使用限制日益严格，加之消费者对环保葡萄酒生产的需求，推动了替代性葡萄园地面管理策略的发展。然而，关于多样化覆盖作物系统——特别是全年组合禾本科、豆科及其他功能物种的混合系统——的比较表现，信息仍然有限。

基于此，研究人员提出假设：与施用除草剂的自然植被管理相比，播种覆盖作物的葡萄园地面管理将增加覆盖作物生物量及大量元素积累，改善选定土壤化学与物理性质及土壤含水量，并影响葡萄树的营养生长、生理及生产表现。进一步假设这些响应取决于植被管理系统和生长季节，而非仅取决于覆盖作物物种多样性。因此，本研究旨在评估在巴西巴拉那州坎波拉戈地区，冬季和夏季在葡萄行内及行间栽培的单种及混合覆盖作物系统对土壤肥力、土壤水分、覆盖作物生物量中大量元素积累，以及维欧尼（Viognier）葡萄树营养生长、生产和光合表现的影响。

二、研究设计与方法

试验在巴西巴拉那州坎波拉戈的Legado酒庄进行，海拔1040 m（25°24′0″ S，49°30′0″ W）。葡萄园于2010年建立，品种为维欧尼，砧木为P1103，采用垂直枝条定位（vertical shoot positioning, VSP）整形系统，种植密度为3086株 ha^?1，株距1.20 m，行距2.70 m。土壤分类为饱和湿润始成土（Eutric Humudepts），0–20 cm层为黏土质地。

试验于2023年5月建立，采用随机区组设计，设五个植被管理处理（T1–T5），四个重复，评估2023/24、2024/25及2025/26三个生长季节。T1为自然植被并在葡萄行内施用除草剂（每年两次，9月初及12月中旬）；T2为自然植被不施除草剂；T3冬季为黑燕麦，夏季因猪屎豆（Crotalaria breviflora）未能建植而实际以自然禾本科和豆科为主；T4冬季为普通野豌豆、夏季为蒙巴纳草；T5冬季为黑燕麦+黑麦+野豌豆+饲用萝卜混合，夏季为狗牙根属+荞麦+蒙巴纳草混合。每个试验小区含30株葡萄树，评估中央6株。

研究评估的指标包括：覆盖作物干物质（dry matter, DM）产量及大量元素（N、P、K、Ca、Mg）积累量；土壤化学性质（pH、有效磷、交换性钾、钙、镁、铝、总有机碳、全氮、阳离子交换量）及物理性质（容重、含水量）；葡萄树叶面积（主梢与副梢）、产量及产量/叶面积比；气体交换参数（净光合速率A、气孔导度gs、蒸腾速率E、胞间CO₂浓度Ci）；叶绿素SPAD指数；叶片氮和钼含量；果穗物理性状（穗重、穗长、紧实度指数）；果实技术成熟度（可溶性固形物、可滴定酸度、pH）。

统计分析采用线性混合效应模型（LMMs），以处理、生长季节及其交互作用为固定效应，区组和小区为随机效应，使用Kenward–Roger近似估计自由度，Tukey调整进行多重比较。此外，采用主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）进行多变量分析。

三、研究结果

3.1 覆盖作物干物质产量

覆盖作物生物量产量在不同植被管理处理间存在差异，并随生长季节而变化。总体而言，播种物种的处理（特别是T4和T5）比仅以自然植被管理的处理（T1和T2）产生更多干物质。三年平均冬季干物质以T4和T5最高，其次为T3，T1和T2最低。夏季干物质以T4最高。总干物质顺序为T4 > T5 > T3 > T2 > T1，T4和T5分别比T1多产生93%和70%的总干物质。

3.2 覆盖作物生物量中大量元素积累

冬季覆盖作物生物量中，T4在所有评估的大量元素中均表现出最高的三年平均积累量，达到165.0 kg N ha^?1、18.7 kg P ha^?1、168.3 kg K ha^?1、57.2 kg Ca ha^?1和19.4 kg Mg ha^?1。T5总体排名第二。夏季覆盖作物中，T3、T4和T5的氮积累量最高（119.5、115.4和113.3 kg ha^?1），T4在磷、钾和钙积累方面表现最佳。

3.3 土壤化学与物理性质

植被管理影响了0–10 cm土层多项土壤化学性质。三年平均交换性钙以T3和T5最高、T1最低；交换性镁以T5最高、T4最低；交换性钾以T1最高；有效磷在T3、T4和T5中高于T1和T2。全氮以T4最高（4.17 g kg^?1）、T1最低（3.28 g kg^?1）。总有机碳从2024/25到2025/26在T2–T5下增加，而T1下无相应增加。物理性质方面，三年平均容重以T4（1.18 g cm^?3）低于T1（1.28 g cm^?3），而含水量在各处理间无显著差异。

3.4 叶面积及其与产量的关系

植被管理未显著影响总叶面积、主梢或副梢叶面积，也未影响产量/叶面积比。三年平均总叶面积范围为4.23至5.48 m² 株^?1。然而，三年平均单株产量受植被管理显著影响，T2、T3、T4和T5（1.69–1.74 kg 株^?1）高于T1（1.44 kg 株^?1）。产量响应幅度随生长季节变化，2025/26生长季T2和T4分别达到3.58和3.60 kg 株^?1，较T1（2.98 kg 株^?1）约高20%。

3.5 气体交换及叶片氮、钼含量

植被管理显著影响净光合速率（A）、胞间CO₂浓度（Ci）、羧化效率（A/Ci）、叶绿素指数及叶片氮和钼含量，而气孔导度（gs）和蒸腾速率（E）在各处理间无差异。三年平均A以T3和T5最高（25.3和25.7 μmol m^?2 s^?1）、T1最低（19.9 μmol m^?2 s^?1）。叶绿素指数以T4和T5最高（36.2和36.0 SPAD）。叶片氮以T1和T5最高（23.8和23.9 g kg^?1）、T4最低（21.2 g kg^?1）。叶片钼以T5最高（0.56 mg kg^?1）。

3.6 果穗、浆果物理性状及产量

三年平均穗重以T4最高（206.8 g），T1最低（156.4 g）。每穗浆果数在T1（85.9）低于T2–T5（99.1–104.0）。穗长和浆果直径在各处理间无差异。穗紧实度指数以T1最高（0.90），T3和T5最低（0.81和0.80）。

3.7 果实技术成熟度

可溶性固形物和pH不受植被管理影响，可滴定酸度差异仅出现在2023/24生长季。

四、讨论与结论

多变量分析显示，不同处理间的整体多变量剖面存在差异，但强烈依赖生长季节。播种覆盖作物增加了生物量产量、养分积累及部分表层土壤属性，但这些响应在3年试验期内并未持续转化为更高的葡萄树产量或果实技术成熟度。T4（野豌豆+蒙巴纳草）和T5（多样化混合）系统在生物量生产和养分循环方面表现突出，而T1（除草剂处理）在多个指标上表现最低。研究结果强调，覆盖作物管理的效果取决于植被管理系统和生长季节条件，而非仅取决于物种多样性。在湿润亚热带高海拔地区，播种覆盖作物可作为替代除草剂管理的可行策略，在维持或提升葡萄产量的同时改善土壤质量，但需考虑季节性气候变异对响应的影响。