遼西北沙地蘋果-花生間作系統土壤養分空間分布特征及間作效應

程昊天, 孔 濤, 姜 濤, 王振宇, 鄭 爽, 高 欣, 王 立

(1.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院, 遼寧 阜新 123000;2.遼寧省沙地治理與利用研究所, 遼寧 阜新 123000; 3.遼寧科技學院 生物醫藥與化學工程學院, 遼寧 本溪 117004)

農林復合系統在防治水土流失和提高系統生產力等方面發揮著重要的作用[1]，然而這種作用可能被樹木和作物的競爭所抵消[2]。如何充分利用樹木和作物的協同作用，最大程度地利用現有資源是提高農林復合系統整體生產力的關鍵[3]。果農間作是農林復合系統的主要模式之一，因其具有較高的生態和經濟效益，近年來得到廣泛的應用[4-5]。與此同時，受土壤水分、養分和光照強度等有限性資源的影響，果農間作模式勢必會引發果樹和農作物對資源的競爭，進而影響作物產量及降低經濟效益[6-7]。目前，主要從地上界面和地下界面兩個角度對果農間作系統的競爭關系進行研究，學者們深入研究后發現，林木與作物通過根系在地下界面對土壤水分和養分的競爭較林木與作物在地上界面對光、熱和氣的競爭更為激烈[8-11]。因此，對果農間作系統土壤養分分布特征進行研究，從而認清其對土壤養分資源的競爭與互補關系，是果農間作系統能否實現高效可持續經營的關鍵問題[12]。遼西風沙半干旱區地域遼闊，擁有豐富的土地和光熱資源，是遼寧省重要的商品糧和經濟作物生產基地，然而由于本區干旱少雨，水土流失和風蝕嚴重，區域農業生產和經濟發展被嚴重限制[13]。因此，通過合理布置農林復合系統，在有效改善生態環境的同時提高經濟效益，對遼西地區的振興發展意義重大。本文以遼西北沙地蘋果—花生間作系統為研究對象，通過對不同水平和垂直范圍內土壤養分空間分布特征的研究，分析間作系統的土壤養分效應，旨在從土壤養分角度探討果農間作系統中果樹和農作物的相互作用關系，為該區域農林復合系統的可持續經營提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在遼寧省固沙造林研究所章古臺試驗基地進行?；匚挥谶|寧省阜新市彰武縣(42°39′—42°43′N，122°23′—122°33′E)，地處科爾沁沙地東南部邊緣，平均海拔226.5 m，屬亞濕潤大陸性季風氣候。年均氣溫7.9 ℃，極端最低氣溫-36.3 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃；年平均降水量498.8 mm，其中60%～70%的降水集中在6—8月，年平均蒸發量11 762 mm；無霜期平均154 d，年平均風速3.8 m/s。土壤主要為風沙土，流動風沙土的物理性沙粒占94.7%，物理性黏粒占5.3%。植被以抗旱性較強的沙生植物為主，代表性植物有色木槭(Acerpictum)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、榆樹(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、鹽蒿(Artemisiahalodendron)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。主要造林樹種為樟子松(Pinussylvestris)、楊樹(Populus)和蘋果(Maluspumila)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設計與樣品采集 本研究以當地主要經濟樹種寒富蘋果與農作物花生作為研究對象，試驗包含3個處理：蘋果—花生間作系統、花生單作系統及蘋果單作系統。每個處理設置3個重復，每塊樣地作為1次重復，共設置9塊樣地。樣地自北向南整齊排列成3行，其中第1行為花生單作處理，第2行為蘋果—花生間作處理，第3行為蘋果單作處理，各處理行均設置了1行蘋果樹保護行。每個處理行均包含3塊間距5 m的樣地，每塊樣地面積為7.5 m×6.0 m，處理行間距均為6 m。蘋果—花生間作、蘋果單作的每個樣地均包括3棵果樹，蘋果與花生行向均為南北走向，蘋果行距6 m，株距2.5 m，花生間距設為0.25 m，間作系統中花生距蘋果樹基部為1 m。果樹距樣地東西邊界各3 m，距南北邊界各1.25 m，即樣地邊界兩行果樹中線處。蘋果栽植于2014年，栽植密度為770株/hm2，待蘋果生長2 a發育較穩定后，于2016年4月開始，每年持續進行花生單作、間作種植，并劃分樣地區域，測定各樣地在處理前的土壤養分含量(表1)，處理前各樣地的土壤養分含量基本一致，保障了本研究中處理后土壤養分數據的可比性。

在花生種植前進行翻耕整地，翻耕深度為20 cm，以經過腐熟處理的牛糞作為基肥均勻施肥，施加量為7 500 kg/hm2。牛糞的基礎肥力如下：有機質14.5%，全氮0.32%，全磷0.25%，全鉀0.16%?；室淮涡允┳?，不再追肥。

試驗期間樣地每15 d灌溉一次，每次灌溉量為1 000 m3/hm2。整個種植過程采用科學精細化管理，以保證試驗區間作與單作的耕作及水肥管理水平一致。

本次研究的單作、間作系統花生種植時間為2019年4月20日，研究樣地蘋果樹株高為3.5 m。胸徑8.5 cm，南北冠幅1.1 m，東西冠幅1.0 m。于2019年8月20日采集土壤樣品以測定土壤養分。蘋果—花生間作系統中采樣位置距蘋果樹基部依次為0，25，50，75，100，150，200，300 cm，土層深度依次為：0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm；在花生、蘋果單作樣地內按S形布設5個樣點采集土壤樣品。將上述土壤樣品帶回實驗室，風干過篩后測定土壤養分含量。

表1 各樣地處理前土壤養分含量(2016年)

1.2.2 測定指標及方法 土壤養分指標(土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀)于2019年9—12月在實驗室進行測定。土壤有機質用油浴加熱消煮—重鉻酸鉀法測定，全氮采用蒸餾法測定，全磷采用酸溶鉬銻抗混合比色法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提—硫酸鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度計法測定。測定方法根據鮑士旦編著的《土壤農化分析》的方法進行[14]。

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2017進行數據處理和繪制表格、曲線圖和柱狀圖，利用SPSS 22.0軟件進行平均值、標準差、變異系數、偏度、峰度和K-S值的計算和正態分布的分析，并對單作和間作的土壤養分進行單因素方差分析(one-way ANOVA)。

2 結果與分析

2.1 間作系統土壤養分指標的描述性統計特征

對蘋果—花生間作系統6種土壤養分指標進行經典統計分析和K-S檢驗，計算各指標變異系數，劃分土壤養分指標的變異程度(詳見表2)，并根據全國第二次土壤普查養分分級標準對各土壤養分指標進行分級，分析土壤養分狀況。

表2 蘋果-花生間作系統0-60 cm土層土壤養分指標統計特征值

由表2可知，蘋果—花生間作系統0—60 cm土層范圍內，土壤有機質、速效鉀變化范圍分別為2.45～6.10 g/kg，1.25～15.99 mg/kg，平均值分別為4.09 g/kg和7.98 mg/kg，整體上處于極缺乏狀態；土壤全氮、堿解氮變化范圍分別為0.30～1.34 g/kg，4.57～94.97 mg/kg，平均值分別為0.73 g/kg，37.23 mg/kg，整體上處于很缺乏狀態；土壤全磷最小值為0.20 g/kg，最大值為0.65 g/kg，平均值為0.49 g/kg，整體上處于缺乏狀態；土壤有效磷最小值為6.52 mg/kg，最大值為17.74 mg/kg，平均值為11.53 mg/kg，整體上處于中等狀態。綜上所述，蘋果與花生復合系統土壤養分狀況是土壤有效磷含量中等、全磷含量缺乏、有機質不足、缺氮、缺鉀。不同土壤養分指標變異強度不同，其變異程度大小依次為:堿解氮>速效鉀>有機質>全氮>有效磷>全磷，土壤養分指標變異系數為22.11%～94.97%，均小于100 %，屬于中等變異性，上述分析說明蘋果與花生復合系統土壤養分指標在空間分布上總體存在中等變異性。結合K-S檢驗值可知，土壤有效磷、速效鉀呈正態分布，土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮經自然對數轉換后符合正態分布。

2.2 間作系統土壤養分含量空間分布

2.2.1 土壤養分含量分布特征 由圖1可知,隨距果樹水平距離的增加，表土層(0—20 cm)有機質、全氮、全磷、有效磷呈現“先降—后增—再降”的變化趨勢；土壤堿解氮含量先升后降；速效鉀含量先降后升。在>20—40 cm的土層中，有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量隨水平距離增加先降后升，全磷、堿解氮呈先升后降的趨勢。全氮、速效鉀的極值出現在同一位置，其中，二者最小值均出現在150 cm處，峰值均出現在0 cm處；有效磷最小值和最大值分別出現在200，300 cm處。>40—60 cm土層的有機質、全氮、全磷含量隨水平距離增加呈現“先升后降”的變化趨勢，3者的最小值均出現在0 cm處；堿解氮、有效磷、速效鉀隨水平距離增加“先降后升”。

從土層的角度分析，土壤有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量隨著土層深度的增大持續下降。土壤全磷含量在水平距離0，150，300 cm處隨土層加深而不斷降低；而在水平距離25，50，75，100 cm處呈現出20—40 cm >40—60 cm >0—20 cm的規律。土壤有效磷含量在靠近果樹的75 cm水平范圍內，隨著土層的加深而降低，而在>200—300 cm水平范圍內變化規律不明顯。

圖1 研究區土壤養分空間分布特征

為了更加直觀分析間作系統土壤養分含量的空間分布特征，結合果樹的施肥管理方式和果樹與作物的實際間距，本研究將[0,100 cm)范圍定義為果樹帶區，[100 cm，300 cm]范圍定義為作物區。其中，[100 cm，200 cm)為近果樹作物區，[200 cm，300 cm]為遠果樹作物區。并定義：

某種土壤養分變化系數=(SNi-SNck)/SNck

(1)

式中：SNi為間作系統某種土壤養分含量; SNck為單作系統某種土壤養分含量。

由表3可知，從水平區帶的角度分析，有機質、全磷的土壤養分變化系數均為負值，在果樹帶[0,100 cm)相比單作下降幅度最大；全氮土壤養分變化系數在表土層(0—20 cm)為負值，而在深土層(>20—60 cm)為正值，果樹帶區表土層的全氮含量下降幅度最大，深土層的提高幅度最小。這表明間作系統在果樹帶區對土壤總養分競爭激烈，果樹對總養分的競爭大于花生。堿解氮、有效磷、速效鉀的土壤養分變化系數在各區域有正有負，其在近果樹作物區[100 cm，200 cm)相比單作降幅最大或提高最小，表明間作系統在近果樹作物區對土壤速效養分競爭激烈，花生對養分的競爭大于果樹。

從土層角度分析，有機質、有效磷的變化系數在深土層均值分別為-0.17和-0.11，明顯低于表土層的均值-0.06和-0.05，表明間作系統對有機質、有效磷的競爭主要集中于深土層。

全磷、速效鉀規律則恰好相反，表土層相對于單作的降幅明顯高于深土層，說明其競爭主要集中于表土層。全氮在表土層的變化系數均值為-0.04，在深土層為0.12，表明表土層呈現競爭作用而深土層呈現合作效果。堿解氮在表土層和深土層的變化系數均值分別為1.45和0.18，均呈現合作效應，表土層高于深土層。

表3 蘋果-花生間作系統不同土層土壤養分變化系數

2.2.2 土壤養分含量競爭激烈位點 通過土層深度加深后土壤養分含量最小值出現位點與蘋果樹的距離，可推斷出土壤養分競爭激烈位點的位置變化規律。表土層(0—20 cm)土壤有機質、全氮、全磷、有效磷最小值均出現在水平距離25 cm處，堿解氮和速效鉀則出現在150 cm處。>20—40 cm土層，有機質在>25—100 cm范圍內最小；全磷含量最小值出現在0 cm處；全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀則出現在150 cm或200 cm處。對>40—60 cm土層，土壤有機質、全氮、全磷最小值均出現在水平距離0 cm處；有效磷和速效鉀最小值則出現在水平距離150 cm處；堿解氮含量在0—300 cm水平范圍內趨于穩定。由此可知，間作系統對總養分碳、氮、磷的競爭激烈位點總體位于果樹帶區，而對有效養分碳、氮、磷的競爭激烈位點主要位于作物區。綜上所述，隨著土層的加深，土壤有機質、全氮、全磷的土壤養分競爭激烈位點向靠近蘋果樹的位置移動，有效磷的土壤養分競爭激烈位點向遠離蘋果樹的位置移動，速效鉀、堿解氮的土壤養分競爭激烈位點位置保持不變。

2.3 間作與單作系統土壤養分對比分析

由表4可知，間作系統的有機質、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀平均含量與花生單作差異顯著(p<0.05)，其中，有機質、全磷、有效磷和速效鉀的平均含量顯著低于花生單作(p<0.05)，堿解氮平均含量顯著高于花生單作(p<0.05)，全氮平均含量與花生單作無顯著差異(p>0.05)；與蘋果單作相比，間作系統的有機質、全磷平均含量顯著低于蘋果單作(p<0.05)，堿解氮平均含量顯著高于蘋果單作(p<0.05)，全氮、有效磷、速效鉀平均含量與蘋果單作相比差異不顯著(p>0.05)。就兩種單作而言，花生單作的各養分平均含量均顯著高于蘋果單作(p<0.05)。

表4 蘋果-花生間作、花生單作、蘋果單作土壤養分對比分析

為深入分析各間作類型中作物土壤養分整體空間的分布規律，定義：

間作系統土壤養分效應=

(SAi-SAck)/SAck×100%

(2)

式中：SAi為間作系統某種土壤養分平均含量; SAck為單作系統某種土壤養分平均含量。

由圖2可知，蘋果—花生間作系統與花生單作相比，土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀的土壤養分效應均為負值，表現為負效應，表明間作系統土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量低于花生單作。間作系統中蘋果和花生對上述養分進行競爭和利用，且競爭程度不同，表現為：速效鉀(-26.42%)>全磷(-18.25%)>有效磷(-16.11%)>有機質(-13.77%)>全氮(-2.91%)，其中土壤速效鉀養分效應最??；土壤堿解氮的土壤養分效應為正值，表現為正效應，即與花生單作相比，間作系統土壤中的堿解氮含量較高。對比蘋果單作，間作系統土壤有機質、全磷、速效鉀的土壤養分效應為負效應，表現為：全磷(-14.27%)>有機質(-10.17%)>速效鉀(-8.87%)，全磷的土壤養分效應最小。土壤全氮、堿解氮、有效磷的土壤養分效應為正效應。上述分析表明，蘋果—花生間作系統對土壤中的速效鉀、全磷、有機質的需求量較大，結合全國第二次土壤普查養分分級標準，在蘋果—花生間作系統后期施肥管理中應追加鉀肥、磷肥和有機肥。

圖2 蘋果-花生間作系統土壤養分水平變化系數

3 討 論

本研究隨著土層加深，間作系統各養分含量總體呈下降的趨勢，有明顯的表聚性。這是由于蘋果和花生地上部分的凋落物和地下部分的死亡根系在微生物的作用下，在表土層形成腐殖質層，腐殖質經過進一步的分解，為林下農作物的生長提供養分[15-16]，從而對表土層的土壤養分累積起到增益作用。同時，間作養分競爭產生的介質是土壤及其溶液，是通過植物根系的競爭吸收作用實現，即根系對土壤養分循環起著重要作用，是作物吸收養分的主要途徑[17]，而表層土壤是根系生長較為密集的區域[18]，因此養分從下層土壤中向根系密集的上層運移，使得表層土(0—20 cm)養分含量較下層高。

間作系統中由于蘋果的介入，引發了作物的土壤水分場和養分場的較大重疊[19]，本研究中間作系統土壤養分變化系數和養分競爭激烈點位位置隨空間的變化而改變，在一定程度上反映了蘋果農林復合系統所承載的養分獲取能力及樹木與林下農作物的競爭關系。一方面，土壤養分資源作為蘋果和花生生長需要的共有資源，二者必然對土壤水肥進行競爭，致使土壤養分含量減少，產生虧損；另一方面，蘋果產生的凋落物通過腐殖作用將土壤養分返還給土壤，對土壤養分有增益作用[20]，虧缺和增益的綜合影響形成了蘋果與花生競爭與互補的平衡關系。蔡崇法等[21]研究發現當養分供應不足時，必然引起植物個體的生長、發育、生態及其生態位改變，即引起養分競爭。Hagger和Beer[22]對刺桐(Erythrinapoeppigiana)—玉米(Zeamays)間作的營養競爭所作的研究得出靠近刺桐樹行的玉米生物量與生長在行中的相比下降44%，含氮量降低35%。Odhiambo等[23]以銀樺(Grevillearobusta)與玉米(Zeamays)間作系統產量為研究對象，結果表明間作系統中存在著養分競爭，間作的玉米產量較單作降低了40%。云雷等[24]通過對晉西黃土區核桃與農作物間作系統土壤養分垂直分布、水平分布和土壤養分的綜合效應的研究，得出核桃與間作農作物的養分關系表現為競爭關系，且競爭強度隨著作物距離果樹行的距離變化而變化。

本研究從微觀的角度出發，隨著土層加深競爭激烈位點在水平方向上發生遷移，這與花生、蘋果樹的根系垂直分布有關。樹木根系是農林復合系統中的“安全網”，對系統養分的獲取起到了積極的作用[25-27]。蘋果樹根系在0—60 cm土層中，而花生根系主要分布在0—20 cm耕層中，這是導致表土層(0—20 cm)和深土層(>20—60 cm)競爭激烈位點不同的根本原因。土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮的土壤養分競爭激烈位點在深土層(>20—60 cm)向靠近蘋果樹的位置移動的原因是在0—20 cm表土層中，蘋果樹與花生根系的生態位存在部分重疊，對養分的競爭激烈，同時由于花生種植行數多，整體對土壤養分的競爭較強，因而水平方向土壤養分競爭激烈位點離蘋果行較遠。在深土層，花生根系數量非常少，而蘋果樹根系依然分布較多，由于缺少了花生根系對養分的競爭，因而競爭激烈位點離果樹行較近。有效磷的土壤養分競爭激烈位點向遠離蘋果樹的位置移動，可能是由于深根“養分泵”的作用導致，樹木的深根如同一臺“養分泵”，從深層土壤中或地下水中吸收地下深層礦物的風化所產生的養分[28]。本研究中，礦物風化所產生的可利用磷元素被樹木深根吸出，提高了近樹位置的有效磷含量。而遠離蘋果樹的位置無法獲得足夠的可利用磷元素的補充，因此造成有效磷競爭激烈位點的偏移。速效鉀的土壤養分競爭激烈位點位置保持不變，是因為鉀元素主要來自土壤，受其他因素影響較小。

與此同時，在宏觀角度，從土壤養分變化系數的情況來看，水平區帶上間作系統在果樹帶區對土壤總養分競爭激烈，在近果樹作物區對土壤速效養分競爭激烈。此現象充分說明間作系統存在養分競爭，并且這種競爭隨著水平方向上離樹距離的增加而變化。養分競爭激烈的區域，主要位于果樹帶區[0,100 cm)和近果樹作物區[100 cm，200 cm)，形成這種養分分布規律的原因是由于蘋果—花生間作系統中，蘋果根系的水平分布范圍一般在0—200 cm，因此，在這個范圍內，蘋果與花生對養分的競爭十分激烈，生態位重疊值較大，土壤養分消耗強烈，土壤庫養分出現低貯量區，加之林木的遮陰等作用，造成了果樹對作物區的脅地現象。隨著離果樹距離的增加，蘋果吸收根系逐漸減小，競爭逐漸變小。不同深度的土層中，有機質、有效磷的競爭主要集中于深土層，全磷、速效鉀競爭主要集中于表土層，全氮和堿解氮則在不同程度上呈現合作效應。這一特征充分表明間作系統充分利用了深層土壤養分，并在一定程度上對間作系統整體生產力提高起到了積極作用。

間作系統與花生單作、蘋果單作相比，對各土壤養分的需求程度有所不同，土壤養分效應值在一定程度上反映了果農復合系統中果樹與農作物的競爭與互補情況，結合全國第二次土壤普查養分分級標準，可確定該地區的針對性施肥方案。本研究發現蘋果—花生間作系統土壤養分效應值有正有負，總體而言，蘋果—花生間作系統對土壤中的速效鉀、全磷、有機質的需求量較大，在后期施肥管理中要有針對性的人工施肥，并根據有機質、全磷、速效鉀競爭激烈位點位置確定施肥區域。有機質、全磷競爭激烈位點主要出現在果樹帶區，速效鉀競爭激烈位點則主要位于作物區，因此可在果樹帶區施用有機肥、磷肥，作物區施入鉀肥來補充養分，提高作物產量。根據全國第二次土壤普查養分分級標準對各土壤養分指標的分級情況，計算出該地區有機肥、磷肥、鉀肥的施加量為38 400，240，336 kg/hm2。

4 結 論

(1) 蘋果—花生間作系統土壤有效磷含量中等、全磷含量缺乏、有機質不足、缺氮、缺鉀。變異程度大小依次為：堿解氮>速效鉀>有機質>全氮>有效磷>全磷；土壤有效磷、速效鉀呈正態分布，土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮經自然對數轉換后符合正態分布。

(2) 水平方向上，間作系統對總養分有機質、氮、磷在果樹帶區競爭激烈，對有效養分氮、磷、鉀在近果樹作物區競爭激烈；垂直方向上，有機質、有效磷的競爭主要集中于深土層，全磷、速效鉀競爭主要集中于表土層，全氮和堿解氮則在不同程度上呈現合作效應。

(3) 與各單作相比，間作系統各養分的效應表現不同。與花生單作相比，間作系統除了堿解氮外的其他5個養分均呈現負效應；與蘋果單作相比，間作系統有機質、全磷、速效鉀呈現負效應，其他為正效應。

(4) 總體而言，間作系統中蘋果—花生間作系統對土壤中的有機質、全磷、速效鉀的需求量較大，應在果樹帶區施用有機肥、磷肥，作物區施入鉀肥，該地區有機肥、磷肥、鉀肥的施加量為38 400，240，336 kg/hm2。