陜西省新老蘋果產(chǎn)區(qū)果園土壤硝態(tài)氮累積特性研究

陳翠霞，劉占軍，陳竹君，周建斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

中國(guó)是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)區(qū)主要集中在黃土高原和渤海灣兩大區(qū)域[1-2]，其中黃土高原是世界上適宜蘋果生長(zhǎng)的最佳優(yōu)生區(qū)[3-4]。陜西省作為黃土高原的蘋果主產(chǎn)省份，2015年全省蘋果種植面積和產(chǎn)量分別占中國(guó)蘋果總種植面積和總產(chǎn)量的29.85%和24.34%，位居全國(guó)第一，蘋果產(chǎn)業(yè)已成為帶動(dòng)當(dāng)?shù)毓r(nóng)增收的富民產(chǎn)業(yè)[5-6]。

施肥是提高蘋果產(chǎn)量與品質(zhì)的有效措施。但陜西蘋果園氮、磷肥過(guò)量施用問(wèn)題突出[7-8]，一些地區(qū)施氮量超過(guò)推薦量的2～3倍[9-10]，導(dǎo)致肥料利用率低，土壤氮素盈余量增加。果園0～400 cm土壤剖面硝態(tài)氮累積量平均達(dá)2 155 kg·hm-2，顯著高于農(nóng)田、菜地[11]。對(duì)黃土高原蘋果園土壤剖面累積硝態(tài)氮的問(wèn)題已有一些研究，不同研究者的結(jié)果有所差異。白茹等[12]研究表明，渭北蘋果園0～120 cm土壤剖面硝態(tài)氮累積量為868 kg·hm-2。郭勝利等[13]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)武盛果期蘋果園土壤0～600 cm土壤剖面累積的硝態(tài)氮量達(dá)3 032 kg·hm-2。土壤剖面硝態(tài)氮累積量與樹(shù)齡有關(guān)，冉偉等[14]發(fā)現(xiàn)，渭北15 a和37 a果園0～400 cm土壤剖面累積的硝態(tài)氮量分別為834 kg·hm-2和1 026 kg·hm-2。劉小勇等[15]測(cè)定的甘肅隴東旱塬15、20、22 a蘋果園0～120 cm土層硝態(tài)氮累積分別為448、563、770 kg·hm-2。與多雨區(qū)和灌溉區(qū)相比，黃土高原土層深厚，淋失和反硝化作用較弱，而且地下水埋深在60 m以下，因此土壤剖面累積的硝態(tài)氮進(jìn)入地下水有一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，但其潛在的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)值得關(guān)注[16]。

改革開(kāi)放后陜西蘋果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以位于黃土高原南部的禮泉等區(qū)縣為代表，顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)帶動(dòng)了蘋果在黃土高原地區(qū)的大面積栽培。之后，以洛川為代表的蘋果最佳優(yōu)生區(qū)已成為陜西蘋果的主產(chǎn)區(qū)。新、老果區(qū)樹(shù)齡、施肥現(xiàn)狀等存在差異，但目前對(duì)于陜西新、老果區(qū)土壤剖面硝態(tài)氮的累積研究較少。因此，本試驗(yàn)以禮泉及洛川為研究區(qū)域，研究了陜西省新、老蘋果產(chǎn)區(qū)土壤剖面硝態(tài)氮的累積及分布，旨在探討果園施氮量、樹(shù)齡與土壤硝態(tài)氮累積的關(guān)系，進(jìn)而為陜西地區(qū)控制并減少果園硝態(tài)氮的累積、推薦施肥以及果業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇陜西省洛川、禮泉兩縣作為全省新、老蘋果主產(chǎn)區(qū)的代表，其中洛川縣位于渭北旱塬中部(E109°13′-109°45′，N35°26′-36°04′)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.2℃，海拔1 100～1 200 m，年均降水量622 mm，土壤多為黃綿土；2015年全縣蘋果栽培面積占耕地總面積的76.9%，多數(shù)果園于2000年前后建園；栽植密度600～800株·hm-2，果園多無(wú)灌溉條件。果園施肥以化肥為主，年施肥量水平為：N 1 200～1 300 kg·hm-2，P2O5750～850 kg·hm-2，K2O 1 200～1 300 kg·hm-2。

禮泉縣地處關(guān)中平原(E108°17′-108°41′,N34°20′-34°50′)，地勢(shì)為西北高、東南低，海拔402～1 467 m，屬于暖溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量534 mm，主要土壤類型為褐土。該縣蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，果園大多建于上個(gè)世紀(jì)80年代末至90年代初，2015年全縣蘋果栽培面積占耕地總面積的51.2%，栽植密度1 100～1 200株·hm-2，果園灌溉水主要來(lái)源于寶雞峽水庫(kù)，一般每年灌溉2次，灌溉量為540～680 m3·hm-2。果園施肥以化肥為主，年施肥量為：N 1 100～1 200 kg·hm-2、P2O5600～700 kg·hm-2，K2O 900～1000 kg·hm-2。

1.2 研究方法

2016年11月下旬果實(shí)收獲后，分別在洛川縣鳳棲鎮(zhèn)蘆白村和禮泉縣西張堡鎮(zhèn)張家村選擇15個(gè)具有代表性的果園，共30個(gè)果園，通過(guò)挨家挨戶走訪調(diào)查的方式，詳細(xì)調(diào)查各果園農(nóng)戶在全年蘋果各生育期的施氮肥種類和施氮量，最后通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為純氮量。洛川縣取樣果園的樹(shù)齡分布情況為：2個(gè)0～10 a果園、4個(gè)10～15 a果園、8個(gè)15～20 a果園、1個(gè)24 a果園；禮泉縣取樣果園樹(shù)齡分布情況：1個(gè)0～10 a果園、6個(gè)20～25 a果園、2個(gè)25～30 a果園、6個(gè)30～35 a果園。采用土鉆法采集0～200 cm土壤樣品(每20 cm為一層)，采樣點(diǎn)選擇時(shí)避開(kāi)當(dāng)年施肥點(diǎn)，同一果園采取三鉆土，相同土層充分混勻，測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。硝態(tài)氮采用1 molL-1KCl溶液浸提，連續(xù)自動(dòng)分析儀測(cè)定，烘干法測(cè)定土壤剖面含水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以下式計(jì)算出土壤剖面不同土層內(nèi)硝態(tài)氮的累積量：

A=h×d×p×10

式中,A為硝態(tài)氮累積量(kg·hm-2)，d為土壤容重(g·cm-3),h為土層厚度(cm)，p為硝態(tài)氮濃度(mg·kg-1)。

氮素養(yǎng)分平衡采用表觀平衡法計(jì)算：

氮素表觀平衡值=氮素投入量-氮素?cái)y出量

其中氮素投入量只考慮氮肥，氮素?cái)y出量=作物產(chǎn)量×養(yǎng)分含量/1000計(jì)算得到，其他途徑帶出的養(yǎng)分所占比例較小，這里不予考慮。以上公式中氮素表觀平衡值、氮素投入量、氮素?cái)y出量及作物產(chǎn)量的單位均為kg·hm-2，養(yǎng)分含量的單位為g·kg-1。

化肥養(yǎng)分含量根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)注含量計(jì)算，數(shù)據(jù)整理和分析采用Excle 2007軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 洛川、禮泉兩縣采樣果園土壤氮素的表觀平衡

洛川縣采樣點(diǎn)果園的平均施氮量為1 287±244 kg·hm-2，全縣的平均施氮量為1 208±364 kg·hm-2；禮泉縣采樣點(diǎn)果園的平均施氮量為1 193±300 kg·hm-2，全縣的平均施氮量為1 115±417 kg·hm-2，可見(jiàn)本研究所選的取樣果園具有代表性。由表1可知：洛川、禮泉兩縣果園氮盈余量分別高達(dá)：1 115±121 kg·hm-2和957±95 kg·hm-2。采樣的兩個(gè)縣15個(gè)果園氮素平衡各指標(biāo)間無(wú)顯著差異。

表1 洛川、禮泉兩縣采樣果園的氮素平衡

注: 表中數(shù)字表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同一列中不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

Notes: Numbers in the table indicate mean±sd. Different lowercase letters in the same row mean significant difference (p<0.05).

2.2 洛川、禮泉兩縣采樣果園土壤剖面硝態(tài)氮含量分布特征

由圖1可以看出，兩縣不同樹(shù)齡果園均呈現(xiàn)出隨著樹(shù)齡增加，硝態(tài)氮累積量增加的趨勢(shì)。硝態(tài)氮在兩縣不同樹(shù)齡的蘋果園0～200 cm土壤剖面上都發(fā)生了淋溶現(xiàn)象，禮泉果園在0～200 cm土壤剖面上沒(méi)出現(xiàn)明顯的累積峰，在80～100 cm 土層以下分布均勻，其中20～35 a果園的硝態(tài)氮含量在200 cm土層深處約高達(dá)250 mg·kg-1，明顯表現(xiàn)出硝態(tài)氮深層累積的特征。洛川大多果園硝態(tài)氮含量在120 cm相對(duì)平穩(wěn)，0～10、10～15、15～20、>20 a蘋果園地0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量變化范圍為5.7～330.9 mg·kg-1，其中>20 a果園的土壤硝態(tài)氮含量高達(dá)231.1 mg·kg-1，0～10、10～15、15～20 a果園土壤剖面的硝態(tài)氮含量相對(duì)較低，其平均值分別為30.3、69.3、130.2 mg·kg。禮泉0～10、20～25、25～30、30～35 a蘋果園地0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮平均值的變化范圍為27.8～297.4 mg·kg-1，其中30～35a果園土壤硝態(tài)氮含量最高，達(dá)到241.6 mg·kg，0～10、20～25、25～30 a果園土壤剖面的硝態(tài)氮含量平均值分別為18.2、161.2、215.2 mg·kg。

2.3 洛川、禮泉兩縣采樣果園土壤剖面硝態(tài)氮總累積量

由圖2可以看出，洛川、禮泉果園0～200 cm土壤平均硝態(tài)氮累積量分別達(dá)2 724 kg·hm-2和5 226 kg·hm-2，兩地蘋果園土壤剖面硝態(tài)氮累積嚴(yán)重；兩縣相比，禮泉果園0～200 cm土壤硝態(tài)氮的累積量是洛川果園的近2倍。隨樹(shù)齡的增加，土壤剖面硝態(tài)氮累積量呈顯著增加的趨勢(shì)。

由圖2可知，兩縣果園土壤硝態(tài)氮累積量在0～100、100～200 cm兩個(gè)土層的分布特性有一些差異，洛川果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量均高于100～200 cm土層硝態(tài)氮累積量，0～10、10～15、15～20、>20 a果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量占0～200 cm總累積量比例分別為52.6%、57.3%、54.2%、53.8%。禮泉除0～10 a果園外，其它不同果齡果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量均低于100～200 cm土層硝態(tài)氮累積量，0～10、20～25、25～30、30～35 a果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量占0～200 cm總累積量比例分別為58.6%、34.8%、46.2%、47.7%，表現(xiàn)出禮泉果園的土壤硝態(tài)氮累積比洛川果園更具有向深層轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)特性。

圖1 洛川、禮泉兩縣不同樹(shù)齡果園土壤剖面硝態(tài)氮分布特征 distributions in soil profiles of different ages of apple orchards in Luochuan and Liquan counties

圖2 洛川、禮泉兩縣不同樹(shù)齡果園土壤剖面硝態(tài)氮累積分布 accumulated in soil profiles of different ages of apple orchard in Luochuan and Liquan counties

2.4 果園土壤剖面硝態(tài)氮累積量與樹(shù)齡及施氮量的關(guān)系

由圖3可以看出，隨著氮肥投入量的增加，兩縣果園0～200 cm土層累積的硝態(tài)氮量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，禮泉大部分果園土壤的硝態(tài)氮累積量高于洛川果園。相關(guān)分析表明，兩縣果園施氮量與土壤0～200 cm剖面的硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關(guān)。

圖4是兩地不同果園樹(shù)齡與土壤硝態(tài)氮累積量相關(guān)性的結(jié)果，可看出隨著種植年限的增加，果園土壤0～200 cm剖面累積的硝態(tài)氮量表現(xiàn)出顯著增加的規(guī)律，相關(guān)分析表明，土壤0～200 cm剖面累積的硝態(tài)氮量與果園樹(shù)齡間呈顯著正相關(guān)。

3 討 論

圖3 洛川、禮泉兩縣果園土壤0～200 cm剖面硝態(tài)氮累積量與施氮量的關(guān)系Fig.3 Relationship between accumulation in 0～200 cm soil profiles and N application rates in Luochuan and Liquan counties

圖4 洛川、禮泉兩縣果園土壤0～200 cm剖面硝態(tài)氮累積量與樹(shù)齡的關(guān)系Fig.4 Relationship between accumulation in 0～200 cm soil profile and orchard ages in Luochuan and Liquan counties

本研究發(fā)現(xiàn)陜西蘋果產(chǎn)區(qū)土壤硝態(tài)氮累積相當(dāng)嚴(yán)重，洛川、禮泉產(chǎn)區(qū)0～200 cm土壤硝態(tài)氮累積分別達(dá)2 724 kg·hm-2和5 226 kg·hm-2。冉偉等[14]研究渭北旱塬不同樹(shù)齡(10、15、20、26 a和37 a)果園0～200 cm硝態(tài)氮累積量分別為：691、820、550、667 kg·hm-2和791 kg·hm-2。郭勝利等[13]研究表明：在垣面和梁地的盛果期果園0～200 cm硝態(tài)氮累積量分別達(dá)2 034 kg·hm-2和552 kg·hm-2。樊軍等[17]測(cè)定渭北旱塬塬面10、15、22 a和34 a果園0～200 cm硝態(tài)氮累積量分別為1 754、5 986、1 940 kg·hm-2和2 449 kg·hm-2。與前人研究相比，本研究測(cè)定土壤硝態(tài)氮累積量更高，這與不同區(qū)域果園施肥量、產(chǎn)量及土壤等因素有關(guān)。隨著樹(shù)齡增加，果園土壤累積硝態(tài)氮也明顯增加，這與前人研究一致[18]。有研究表明[19]，長(zhǎng)期氮肥投入、施肥方法和土壤水分循環(huán)平衡與硝態(tài)氮累積密切相關(guān)，其中長(zhǎng)期氮肥投入是硝態(tài)氮累積的物質(zhì)條件。也有研究表明施氮量與土壤硝態(tài)氮累積量呈正相關(guān)[12]。兩縣果園土壤硝態(tài)氮累積量均很高，這與當(dāng)?shù)毓麍@氮肥長(zhǎng)期投入過(guò)高密切相關(guān)，本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)洛川、禮泉果園近年施氮量分別高達(dá)1 287±244 kg·hm-2及1 193±300 kg·hm-2，根據(jù)王小英等[20]對(duì)陜西省施肥狀況的評(píng)價(jià)研究，本研究調(diào)查的施氮量已達(dá)到合理施氮量的4～5倍，王小英等[20]研究表明陜北高原、渭北旱塬、關(guān)中灌區(qū)氮投入量分別為490、587、619 kg·hm-2，全省平均為558 kg·hm-2。趙佐平等[8]調(diào)查渭北旱塬果園施肥現(xiàn)狀表明：施氮量平均為672 kg·hm-2；近年對(duì)黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)施氮量研究表明[21]：果農(nóng)施氮過(guò)量比例高達(dá) 90% 以上，施氮量平均高達(dá)1 032±32 kg·hm-2，土壤中氮肥盈余為746±33 kg·hm-2。胡道春等[22]調(diào)查了黃土高原蘋果園施肥現(xiàn)狀：2015年氮肥用量平均為 1 220 kg·hm-2。可見(jiàn)，陜西現(xiàn)階段果園施氮量遠(yuǎn)高于推薦量，成為該區(qū)土壤硝態(tài)氮累積量高的主要原因。

新老果區(qū)相比，果園0～200 cm土壤硝態(tài)氮累積存在顯著差異，老果區(qū)累積量是新果區(qū)的2倍(圖2)，這是因?yàn)槔瞎麉^(qū)樹(shù)齡較新果區(qū)長(zhǎng)10 a左右，樹(shù)齡越長(zhǎng)，土壤硝態(tài)氮累積量越高[13-15]。從硝態(tài)氮累積在0～100 cm和100～200 cm兩個(gè)土層分布差異來(lái)看，洛川0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量高于100～200 cm土層，禮泉?jiǎng)t呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)，說(shuō)明禮泉果園的土壤硝態(tài)氮累積比洛川果園更具有向深層轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)特性，這與灌溉條件有關(guān)。相比無(wú)灌溉條件的洛川果園，禮泉果園灌溉量為540～680 m3·hm-2。由于水分是硝態(tài)氮向土體深層遷移的動(dòng)力[23-24]，大量灌溉會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮向土體下層淋溶并累積[25-26]。郭勝利[13]、車升國(guó)等[27]研究表明，長(zhǎng)期種植果樹(shù)，果園土壤會(huì)出現(xiàn)干層，降低水分入滲，硝態(tài)氮不會(huì)迅速向下遷移。然而在有灌溉條件的果園，此趨勢(shì)會(huì)很明顯，因此如何防止根區(qū)外的硝態(tài)氮向下遷移值得關(guān)注。在保證產(chǎn)量和質(zhì)量的前提下，降低化肥投入量，對(duì)減少硝態(tài)氮累積有重要的意義[28]，也有研究[29]表明通過(guò)氮肥與磷鉀肥的合理配施也可減少氮素在土壤中累積。此外，在生產(chǎn)中采取一定的節(jié)水保水措施，可減少果園蒸發(fā)量，最大限度減少硝態(tài)氮的淋溶累積。

4 結(jié) 論

陜西省洛川、禮泉蘋果產(chǎn)區(qū)過(guò)高的施氮量(1 240±273 kg·hm-2)，造成土壤剖面中盈余大量氮素，兩縣平均分別高達(dá)2 724 kg·hm-2和5 226 kg·hm-2。隨著樹(shù)齡、施氮量增加，果園土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著增加的趨勢(shì)。洛川果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量高于100～200 cm土層，禮泉除0～10 a果園外，其它不同果齡果園0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量均低于100～200 cm土層硝態(tài)氮累積量，這與禮泉果園具有灌溉條件，硝態(tài)氮淋溶作用強(qiáng)有關(guān)。