渭北果園土壤緊實化改良效果初探

魏彬萌，李忠徽，王益權

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；4. 陜西省水工環地質調查中心，陜西 西安 710054)

土壤緊實是引起作物產量降低的主要因素之一[1]。當前土壤耕層薄層化、土體緊實化已經成為我國農田土壤較為普遍的隱性退化形式。石磊等[2]通過調研陜西省農田土壤緊實度現狀后發現，全省耕層土壤緊實度尚合適，但犁底層土壤緊實度過大，已經構成了明顯的障礙土層。近年來，隨著植果年限的增加，渭北果園土壤也逐漸出現了內部緊實化問題。李鵬[3]研究發現，渭北果園土壤在0～30 cm土層，隨土層深度的增加，土壤緊實度急劇增大。孫蕾等[4]通過研究渭北不同園齡果園發現，長期植果對果園表層土壤結構具有明顯的保護和改善作用，卻在深層發生著緊實化和堅硬化過程。

渭北果園土壤發生的內部凝結型緊實化是果園土壤水分入滲、上下土層之間氣體交換以及果樹根系延伸的主要障礙。由于該緊實土層主要埋藏在20～40 cm左右，不僅不易被人們所覺察，而且因為該土層的土壤墑情相對穩定，難以受到干濕交替過程的干擾，因此穩定地保持著緊實化的狀態，對果樹的影響較為持久[5-6]。對于這樣的土壤物理障礙如果不及時剔除，勢必會影響到果樹的正常生長發育。

在果園實施深翻松土，進而達到打破土壤內部緊實土層的方法，會受果樹冠層以及龐大根系的影響而具有相當大的困難，同時，大面積深翻松土必然會傷及果樹根系，對果樹帶來一定的次生損害。針對果園客觀實際，尋求行之有效的改良果園土壤內部緊實化問題的技術與手段是擺在土壤學家面前的一項艱巨任務。本研究從果園土壤實際出發，在果樹冠層下利用開設“天窗”的局部改良方法，即在果樹周圍打洞穴，通過洞穴試圖促進果園土壤充分接納降雨，將有限的降水盡可能送到果樹根系發育的土層，既提高降水利用效率，又軟化亞表層土壤，減小土壤內部緊實化危害等。另外，又試圖通過“天窗”，促進果園土壤氣體交換，排除因緊實土層帶來的氣體交換不暢問題，防止根系積聚還原性氣體，威脅根系健康。

渭北果園土壤隨植果園齡的增加，除存在底土層的緊實化問題外，還存在鈣素退化的問題[7-8]，再考慮到人為管理果園的方便性，既不影響“天窗”應有的改良效果，也不影響果園的正常管理，因此，考慮在開設的“天窗”內填埋不同的物料。蛭石為一種化學成分復雜的層狀鐵鎂質鋁硅酸鹽礦物，具有獨特的空間結構，加入土壤后可改善土壤結構，提高土壤的保肥、保水及透氣性能[9]，又因為其具有明顯的吸水膨脹作用，常作為緊實土壤的疏松材料而被使用。爐渣是從工業和民用鍋爐及其他燃煤設備所排出的廢渣，其屬于多孔體材料，對增加土壤保水性、疏松土壤具有很好的作用，同時農業利用還可以起到保護環境的作用[10]。石灰是一種很好的消毒劑，對土壤深層病原微生物具有抑制和滅菌作用，同時可以起到中和土壤酸度，增大緩沖容量，改善土壤物理特性，提高土壤有益微生物活力，促使土壤中營養元素被果樹吸收等功效[11]。本研究通過監測開設“天窗”并填埋不同物料后對土壤水分狀況及CO2排放的影響，以期獲得改良土壤內部緊實化問題的最佳模式與最佳填充材料，為獲取具有可持續性發展特征的果園土壤管理措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗選在植果歷史相對較長的陜西蘋果主產區之一的渭北旱塬彬縣新民鎮。該地屬黃土殘塬溝壑地區，海拔約1 108 m，年平均氣溫9.7℃，晝夜溫差11.7℃，年平均降水量579 mm，無霜期180 d，屬典型的大陸性暖溫帶半干旱氣候特征。地帶性土壤類型為黑壚土(系統分類名稱為堆墊干潤均腐土(Cumuli-Ustic Isohumosols)。該區具有海拔較高、光照資源充足、晝夜溫差大、氣候較為干燥、空氣和土壤無污染、土層深厚、土體疏松等利于蘋果生長的優越自然條件。果園管理方式多為“清耕制”，多年以施用尿素、磷酸二銨和硫酸鉀以及復合肥等無機化肥為主，農家肥幾乎不再施用。蘋果的種植歷史和模式可以代表整個渭北旱塬蘋果產區的基本特征。

1.2 試驗方案

試驗于2017年4月中旬果樹萌芽期選擇土壤質量退化嚴重的>20 a的蘋果園3個作為研究對象，選取長勢相同的果樹于冠層投影范圍內距樹干2/3處用直徑10 cm的土鉆打30 cm深的孔洞(“天窗”)，每棵果樹同一邊打2鉆，埋設不同的物料，分別為：蛭石(Z)、爐渣(L)、石灰+土(S)、蛭石+爐渣(ZL)、蛭石+石灰(ZS)，混合物料按體積比1∶1混合均勻后填埋，同一果園內不同處理設2次重復，即每個處理設置6次重復。另外，各果園選2棵果樹作為對照，采集相關數據。

1.3 監測項目及測試方法

1.3.1 土壤CO2氣體監測 為了探求“天窗”對于改善果園土壤通透性的效果及其效應輻射范圍，分別在“天窗”內和距“天窗”水平10 cm的距離處埋設土壤剖面CO2氣體測量裝置。土壤空氣中CO2釋放量采用堿吸收法測定。具體方法如下：

(1)氣體采集裝置軟橡膠管的一端插入倒置并外裹尼龍網的玻璃漏斗(直徑4 cm)頸部，另一端引出地面，并接一段硬質玻璃管[12]。

(2)于埋設物料的孔洞周圍10 cm處分別各選3點，用土鉆打孔，分別在距地面0、15 cm和30 cm深度處埋設氣體采集器，并按原土層回填鉆孔。在物料填埋孔頂端0 cm和15 cm深度處各埋設一個采樣器(具體埋設方法見圖1)。以同樣方法在2棵未開“天窗”的果樹周圍各埋設2組氣體采樣裝置，作為對照。以上過程與物料埋設同時進行，于5月1日完成樣點布置及裝置埋放。

圖1 漏斗埋設示意圖Fig.1 Schematic diagram of funnel embedment

(3)采樣。將采集器引出地面的軟橡皮管接在具密封橡皮塞的三角瓶中，三角瓶中裝有已知濃度和體積的NaOH溶液，用于吸收土壤中的CO2氣體。每天上午8∶00～9∶00測定，測定間隔為24 h，連續測定3 d取其平均值。分別于果樹生育期的6月4日—6月7日，7月14—7月17日，9月24日—9月27日進行測定。

(4)CO2濃度測定用已知濃度的HCl滴定剩余的NaOH。

1.3.2 土壤水分測定 測定CO2的同時，測定處理區域與對照區域距“天窗”外沿10 cm處0～40 cm土層土壤含水率，用土鉆按照深度10 cm的間距取樣，鋁盒烘干法測定[13]。

1.4 數據處理

試驗均用Excel 2007軟件對數據進行統計分析并完成相關圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 不同“天窗”處理對果園土壤含水率的影響

土壤水分是土壤的重要物理指標，參與植物、微生物等的許多生命活動，影響著土壤微生物群落的組成，土壤養分等各種物質的遷移和活性，進而影響土壤呼吸的變動，尤其是在干旱半干旱地區，土壤水分可能成為限制土壤呼吸的主要控制因子[14]。在蘋果樹生育期的6—10月，分3次測定添加不同物料的“天窗”周圍10 cm處的土壤含水率。可以看出，各“天窗”處理周圍土壤的含水率變化略有差異，但與不開“天窗”的區域果園土壤含水率差別卻極為顯著(圖2)。

6月初，果園0～40 cm土層各處理土壤含水率基本隨土層深度的增加呈遞減趨勢，且開設“天窗”的處理周圍土壤含水率變化在16.13%～20.42%，而沒有開“天窗”的對照只有10.65%～15.96%(圖2a)，可見開“天窗”相比對照可明顯增強土壤的透水和保水能力，尤其是對20～40 cm土層處土壤墑情的改善發揮著巨大作用。埋設不同物料的處理之間對土壤水分的影響也存在差異，但差異不明顯，埋設石灰、蛭石+石灰的處理，其10 cm以下土層土壤含水率相比埋設其他物料的處理稍微有所下降，其他幾種物料之間差異不顯著。

從6月初到7月中旬，由于長時間沒有有效降雨，果園土壤0～40 cm土層開設“天窗”的處理周圍土壤含水率為10.84%～15.17%，且添加不同物料的“天窗”之間差異較明顯，添加蛭石+爐渣、蛭石的處理土壤含水率相對較高，而添加石灰的處理土壤含水率最低。但是沒有開設“天窗”的對照，土壤含水率僅為7.46%～9.50%(圖2b)，幾乎接近于該土壤的萎蔫系數，處于重度干旱脅迫狀態。可見在干旱季節，開設“天窗”對果園土壤具有極好的保水作用，而且不同物料對果園土壤的保水性能效果差異明顯。

在9月份，由于連續降雨的原因，各處理果園土壤含水率均達到了19.71%～25.63%(圖2c)，和對照土壤的含水率差異不明顯。但各處理之間，使用爐渣的處理土壤含水率相對較高，使用石灰、蛭石+石灰的處理土壤含水率相對較低。

通過觀測6—9月添加不同物料的“天窗”處理周圍10 cm處土壤含水率可以看出，開設“天窗”對于果園土壤透水、保水性能具有極好的改良效果，而且填埋的物料不同，改良效果不同。在開設的“天窗”內埋設蛭石+爐渣，干時保水，濕時排水，尤其對矯正土壤內部20～30 cm處土壤墑情不足的問題具有極佳改良效果。

圖2 不同“天窗”處理下蘋果園土壤含水率的變化Fig.2 Changes of soil moisture content in apple orchard under different treatments

2.2 不同““天窗””處理對土壤剖面CO2釋放通量的影響

土壤CO2釋放通量，即通常所指的土壤呼吸，主要是指土壤向大氣排放CO2的過程，包括植物根系呼吸和土壤微生物呼吸[15]。

由圖3a可以看出，6月份，各“天窗”處理對其內部不同土層CO2的釋放通量有明顯影響，且物料不同，影響程度不同。添加蛭石、爐渣、蛭石+爐渣、蛭石+石灰物料的處理，“天窗”內表層CO2釋放通量較15 cm處分別增加4.8%、8.25%、10.4%、5.9%，而只添加石灰的處理，“天窗”內表層CO2的釋放通量比15 cm處降低6.7%，原因可能與石灰可以和CO2發生化學反應有關，即Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O。相比對照，添加不同物料的處理“天窗”內表層CO2的釋放通量都比對照增加19.1%～48.3%，而“天窗”內15 cm處CO2的釋放通量相比對照減少24.2%～40.4%，可見給果園開設的“天窗”就如一個“煙囪”，能將土壤內部淤積的CO2排出土體。

開設“天窗”后，添加不同物料的“天窗”對其周圍10 cm處不同土層深度土壤CO2釋放通量也有明顯影響。比較各處理0、15、30 cm取樣點處，添加蛭石的處理其表層CO2釋放通量最大；添加爐渣、蛭石+爐渣、蛭石+石灰的處理及對照土壤15 cm土層處CO2釋放通量最大；添加石灰的處理30 cm處CO2釋放通量最高，表層最少。而且添加蛭石、爐渣、石灰、蛭石+爐渣、蛭石+石灰的“天窗”周圍10 cm處表層CO2釋放通量相比對照分別增加了37.1%、34.1%、2.2%、0.4%、7.9%；15 cm處相比對照分別降低了34.2%、12.4%、41.6%、34.2%、23.6%；30 cm處相比對照分別降低了20.9%、24.6%、15.7%、22.4%、26.9%。可見開設“天窗”對于果園內部集聚的氣體排放有很好的效果。

7月中旬由于長期無降雨，土壤相比6月初較為干燥，土壤CO2釋放通量只有15.82～21.67 mg·m-2·h-1，相比6月份的27.05～48.94 mg·m-2·h-1明顯下降(圖3b)，這可能由于土壤水分過低限制了根系和土壤微生物的呼吸作用。

7月份，各處理內部及周圍10 cm處不同土層CO2釋放通量的變化規律同6月份基本一致，除添加石灰的“天窗”處理外，其余各處理“天窗”內表層CO2的釋放通量都比15 cm處高。“天窗”周圍10 cm處，添加蛭石、石灰、蛭石+石灰的處理，土壤CO2的釋放通量表現為15 cm處最低，而表層和30 cm處相對較高；添加爐渣的處理為15 cm處最高，而添加蛭石+爐渣的處理則隨土層深度的增加，土壤CO2釋放通量逐漸增加。添加蛭石、爐渣、石灰、蛭石+爐渣、蛭石+石灰的“天窗”周圍10 cm處表層CO2釋放通量相比對照分別增加了32.9%、17.1%、19.1%、15.0%、18.0%，但15 cm處相比對照分別降低了14.1%、6.2%、13.6%、10.3%、23.6%，30 cm處相比對照分別降低了3.2%、6.5%、9.2%、4.9%、14.6%，再次證明開設“天窗”對于果園內部集聚的氣體排放有很好的效果。

9月底由于連續降雨，土壤含水率高，土壤CO2釋放通量相比6月份明顯降低，只有17.51～25.32 mg·m-2·h-1(圖3c)，可能是土壤水分過高阻塞了土壤孔隙，從而限制了CO2的釋放；但與7月份相比，土壤CO2釋放通量變化不明顯，可見土壤水分過高或過低都會顯著影響土壤CO2的釋放通量。9月份，各處理對其內部和周圍10 cm處不同土層CO2釋放通量影響不同，添加物料的處理“天窗”內表層CO2釋放通量都高于15 cm處，而對照則剛好相反。“天窗”周圍10 cm處，添加蛭石、爐渣、蛭石+石灰的處理都是表層土壤CO2釋放通量最高，15 cm處最低；添加石灰的處理CO2釋放通量隨土層深度的增加而增加；添加蛭石+爐渣的處理則是15 cm處最高。添加蛭石、爐渣、石灰、蛭石+爐渣、蛭石+石灰的“天窗”周圍10 cm處表層CO2釋放通量相比對照分別增加了36.2%、29.5%、0.2%、10.2%、10.8%，但15 cm處相比對照則分別降低了23.0%、19.6%、27.8%、9.4%、36.9%，30 cm 處相比對照分別降低了12.7%、0.6%、16.4%、11.1%、20.3%，同樣證明開設“天窗”對于果園內部集聚的氣體排放有很好的效果。而且無論是“天窗”內還是“天窗”周圍10 cm處，添加石灰和蛭石+石灰的處理土壤CO2釋放通量最低。

圖3 不同處理下“天窗”內和“天窗”旁的CO2釋放通量Fig.3 CO2 release flux within and around “skylight” under different treatments

3 討論與結論

在同一個生態區，土壤水分狀況既取決于土壤的持水能力，也取決于土壤接納降水入滲的能力。渭北果園因亞表層土壤的緊實化帶來的重要問題之一就是限制了水分的入滲和水分向土壤深層的移動。將有限的降雨量滯留在土壤表層，或將發生地面徑流，或將在雨后很快被蒸發損失，且增加了果樹冠層內空氣濕度，增大了果樹病害發生的幾率，使得天然降水不能成為生理水，而變為了生態水，影響渭北果業的發展。另外，水分入滲過淺，也達不到矯正果園深層土壤墑情和軟化內部緊實土層的作用。提高果園土壤水分入滲能力和土壤保水性能是目前亟待解決的重要研究課題，采用給果園土壤開“天窗”的措施，其目的之一，就是將有限的降水攔蓄，使之入滲到土壤水庫之中，達到增墑抗旱的目的。

針對渭北果園土壤存在的明顯的內部緊實化問題，本研究以局部改良為主，通過給果園土壤開“天窗”的技術措施，一方面可以加快郁閉土壤內CO2氣體的釋放；另一方面可以在不傷害果樹根系的情況下提高土壤的透水性能，改善果園土壤墑情，特別是矯正土壤內部墑情不足問題。通過監測不同物料填埋的“天窗”內及“天窗”周邊10 cm處不同土層土壤水分和CO2釋放可知，開設“天窗”對果園土壤水分和CO2釋放通量都有明顯的影響，且物料不同，改良效果不同，添加石灰、蛭石+石灰的處理相比添加其他物料的處理，不僅可以吸收土壤內部CO2，利于土壤內部氣體交換，而且可以補充土壤鈣素庫容；而使用蛭石+爐渣的處理，在改善果園水分方面效果最好。另外，土壤CO2釋放通量受土壤含水率的影響較大，太干太濕都會影響土壤CO2的釋放。

本研究證明，通過開設“天窗”后添加不同物料對果園土壤水分和CO2釋放通量的影響不同，后期還需進一步研究其對果園物理、化學、生物學等指標的影響，以便更精確判斷各改良材料的利弊，選擇最優的改良方式。