崇明三島柑橘園土壤養分特征研究

王慶峰,褚長彬,趙 崢,周德平,吳淑杭

(上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 201403)

崇明、橫沙、長興三島為長江口沖積島嶼,是世界上最大的河口沖積島,總耕地面積57 200 hm2,土壤類型以砂質壤土為主,土壤有機質含量低,保水、保肥性差[1]。崇明三島是我國重要的柑橘北緣產區之一,柑橘總栽培面積約8 000 hm2,占上海市柑橘栽培總面積的80%左右[2]。近年來,崇明三島柑橘生產管理粗放,產量波動較大,“大小年”現象十分明顯。在雨水較多的年份,柑橘病害發生嚴重,果實品質受到較大影響[3]。

施肥是改善土壤狀況,促進柑橘豐產、穩產的重要措施。許多研究表明,施肥種類、施肥深度、施肥時間以及施肥方法等均可以影響柑橘的產量和質量。如陳大超等[4]研究發現,有機肥施用量為20 t/hm2、施肥深度為40 cm時,不僅能夠提高土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質的含量,還能夠提高柑橘葉片中全磷、全鉀等營養元素的含量,以及果實中可滴定酸、總糖以及可溶性固形物的含量,從而提高柑橘的品質和產量;李清南等[5]研究發現,在柑橘生長的不同時期施肥能夠提高柑橘對于氮素的利用率,提高柑橘的生物量;另外,施用有機肥還可以降低柑橘粉虱的卵和若蟲的數量,從而降低煤污病的發病程度[6]。柑橘是多年生常綠果樹,開花量大,掛果時間長,對養分的需求量大[7]。近年來,果農為提高柑橘的產量,向土壤表面施用了大量的化肥、有機肥等,使得上下層土壤肥料差異明顯。

根據土壤養分狀況進行科學施肥,不僅能夠提高柑橘產量、減少化肥過量投入,實現柑橘園養分的高效利用,同時也能減少養分流失所導致的環境風險。本研究以崇明三島(崇明島、橫沙島和長興島)柑橘園中的土壤為研究對象,考察不同柑橘園中上層土壤和下層土壤的養分特征,以期為崇明三島柑橘種植的養分管理和科學施肥提供依據,實現崇明三島柑橘產業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于崇明三島(31°28′N,121°36′E),包括崇明島、橫沙島和長興島內的柑橘園。崇明三島位于長江三角洲入海口,屬長江三角洲沖積平原的一部分,地勢低平[8],為亞熱帶潮濕型季風氣候,平均海拔4 m,年降水量1 120 mm,年均氣溫15.2—15.9℃,無霜期約250 d,土壤類型為濱海潮灘鹽土、砂質壤土等[9]。崇明三島是世界上最大的河口沖積島嶼,柑橘是崇明三島的主栽果樹之一,其產業在保障果農增收和改善生態環境等方面發揮著重要作用。

1.2 樣品采集和分析

在崇明三島的柑橘園內,按“S型”五點采樣法采集樣品,每個樣點分0—20 cm和20—40 cm的上、下層土壤,其中上層土壤的5個樣點混成一個上層混合土樣,下層土壤的5個樣點混成一個下層混合土樣。分別在崇明島、橫沙島和長興島選擇30個、20個和10個柑橘園,每個柑橘園中采集兩個混合土壤(上層1個,下層1個),共分別采集60個、40個和20個混合土樣。樣品采集后立即裝入自封袋帶回實驗室,剔除植物根系、石塊后過2.0 mm篩,于室溫下風干、研磨,用于土壤理化性質的測定。土壤pH利用Mettler Toledo pH儀進行測定(點位法)。土壤有機質、大量元素(氮、磷、鉀)、中量元素(鈣、鎂、硫)以及微量元素(鐵、銅、錳、鋅、硼)等土壤養分狀況采用ASI法(Agro Services Interna tional Inc.)進行分析測定[10]。ASI法檢測結果分級標準如表1所示。

表1 ASI法土壤養分分級標準Table 1 Grading standard for ASI analysis method

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行分析。不同島嶼柑橘園土壤理化性質差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA);上層土壤和下層土壤理化性質差異采用配對樣本t檢驗(Pairedsamplesttest)進行分析;使用Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 崇明三島柑橘園土壤pH和有機質含量特征

如圖1所示,崇明三島柑橘園的上層土壤pH均極顯著低于下層土壤(P＜0.01),其中崇明島、橫沙島和長興島柑橘園上層土壤pH分別比下層土壤低0.18、0.35和0.12。不同島嶼柑橘園下層土壤pH沒有顯著差異(P＞0.05),而上層土壤pH差異顯著(P＜0.05)。長興島柑橘園上層土壤pH平均為8.35,顯著高于橫沙島柑橘園上層土壤(pH 8.05),而與崇明島柑橘園上層土壤(pH 8.25)差異不顯著。

圖1 崇明三島柑橘園土壤pH特征Fig.1 Soil pH characteristics of citrus orchard in Chongming three islands

如圖2所示,崇明島、橫沙島和長興島有機質平均含量分別為7.6 mg/kg、7.1 mg/kg和6.3 mg/kg。根據ASI法土壤養分分級標準,崇明三島土壤有機質處于中等水平。崇明三島柑橘園上層土壤有機質含量極顯著高于下層土壤,崇明島、橫沙島和長興島柑橘園上層土壤有機質含量分別比下層土壤高1.1 mg/kg、1.7 mg/kg和1.4 mg/kg。不同島嶼柑橘園上層土壤有機質含量差異不顯著,而下層土壤有機質含量崇明島最高(8.2 mg/kg±0.8 mg/kg),橫沙島次之(8.0 mg/kg±1.8 mg/kg),長興島最低(7.0 mg/kg±1.2 mg/kg)。

圖2 崇明三島柑橘園土壤有機質含量特征Fig.2 Soil organic matter content characteristics of citrus orchard in Chongming three islands

2.2 崇明三島柑橘園土壤大量元素特征

由圖3可知,崇明島、橫沙島和長興島柑橘園土壤(0—40 cm)大量元素氮平均含量分別為22.7 mg/L、16.5 mg/L和9.8 mg/L,磷平均含量分別為26.0 mg/L、66.3 mg/L和29.4 mg/L,鉀平均含量分別為30.0 mg/L、114.7 mg/L和42.2 mg/L。崇明三島柑橘園上層土壤速效氮含量為13—27 mg/L,而下層土壤為7—18 mg/L,橫沙島和長興島的柑橘園上層土壤速效氮含量顯著或極顯著高于下層土壤,而崇明島柑橘園上層土壤速效氮含量與下層土壤差異不顯著;崇明三島柑橘園上層土壤有效磷和速效鉀含量均極顯著高于下層土壤,其中上層土壤有效磷含量為47—117 mg/L,下層土壤為5—15 mg/L;上層土壤速效鉀含量為38—154 mg/L,下層土壤為22—75 mg/L。不同島嶼柑橘園上層土壤速效氮含量差異不顯著;而崇明島柑橘園下層土壤速效氮含量顯著高于長興島柑橘園下層土壤,但與橫沙島柑橘園下層土壤差異不顯著。不同島嶼柑橘園上層土壤和下層土壤有效磷和速效鉀變化趨勢相似,橫沙島柑橘園土壤有效磷和速效鉀含量高于崇明島和長興島柑橘園土壤。

圖3 崇明三島柑橘園土壤大量元素含量特征Fig.3 Content characteristics of major elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

2.3 崇明三島柑橘園土壤主要中量元素特征

如圖4所示,長興島柑橘園上層土壤鈣含量極顯著高于下層土壤,而崇明島和橫沙島柑橘園上層土壤鈣含量與下層土壤差異不顯著。崇明島和橫沙島柑橘園上層土壤硫含量顯著低于下層土壤,而長興島柑橘園上層土壤硫含量和下層土壤差異不明顯。崇明島柑橘園上層土壤鎂含量顯著低于下層土壤,而其他兩島無顯著差異。長興島柑橘園上層土壤鈣含量顯著高于崇明島上層土壤,但與橫沙島上層土壤差異不顯著;不同島嶼柑橘園下層土壤鈣、鎂、硫含量無顯著差異。崇明島柑橘園土壤鎂含量顯著低于其他兩島。

圖4 崇明三島柑橘園土壤中量元素含量特征Fig.4 Content characteristics of medium elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

2.4 崇明三島柑橘園土壤主要微量元素特征

圖5 崇明三島柑橘園土壤微量元素含量特征Fig.5 Content characteristics of trace elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

如圖4所示,崇明三島柑橘園上層土壤鐵和鋅含量均極顯著高于下層土壤,橫沙島柑橘園上層土壤錳含量顯著高于下層土壤,其他兩島柑橘園上下層土壤錳含量差異不顯著。不同島嶼柑橘園土壤微量元素也存在差異,在上層土壤中,橫沙島柑橘園土壤鐵含量顯著高于崇明島和長興島;不同島嶼柑橘園上層土壤銅和硼含量差異顯著,上層土壤含量達到2.3—4.9 mg/L,硼含量全部高于0.8 mg/L,處于高和極高水平(表1),而下層土壤差異不顯著,其中崇明島柑橘園上層土壤銅含量顯著低于橫沙島和長興島,而橫沙島上層土壤硼含量高于崇明島(P＞0.05)和長興島(P＜0.05)。不同島嶼柑橘園下層土壤鋅含量差異顯著,為崇明島＞橫沙島＞長興島。

3 討論

土壤有機質在增強土壤供肥和保肥能力,提高土壤養分有效性和促進土壤團粒結構的形成方面發揮著重要作用,是評價土壤質量的重要指標[11]。研究表明,在農田、草地和森林土壤中,上層土壤有機質含量高于下層土壤[12]。本研究也表明,崇明三島柑橘園上層土壤有機質含量顯著高于下層土壤,其原因可能是長期施肥、植物凋落物腐解等促進了上層土壤有機質的積累。盡管柑橘園上層土壤有機質含量顯著高于下層土壤,但崇明三島土壤的有機質含量還是處于較低水平[10]。何翠翠等[13]調查發現,海南島芒果園土壤有機質含量在11.2—17.2 mg/kg,其平均施用有機肥為333.33 kg/hm2。崇明三島有機質含量僅為6.3—7.6 mg/kg,說明崇明三島的有機肥施用量較低,未來需要加大崇明三島柑橘園的養分管理,如多施有機肥、秸稈覆蓋和林下生草等措施,促進柑橘園土壤有機質的積累。柑橘園表層土壤有機質含量高,不利于柑橘樹根系向深處生長,影響柑橘樹對環境變化的響應,如易受雨水和干旱的影響等。

土壤pH是影響土壤地力的重要因素,土壤pH過高或過低會抑制作物對養分的吸收并導致作物生物量降低和減產[14]。Guo等[15]研究表明,由于不合理的農藝措施,我國大部分農田土壤處于酸化狀態,其中經濟作物區的pH降低了0.30。本研究中,崇明三島柑橘園上層土壤pH顯著低于下層土壤,說明土壤上層土壤受到的干擾大于下層土壤,與前人研究結果一致[12]。崇明三島下層土壤的pH差異不顯著,而上層土壤的差異達到顯著水平,這可能與不同地區的施肥方式和施肥量有關,因為土壤pH的降低主要與氮肥的施用量有關[15-16]。

土壤速效養分是反映柑橘可利用營養元素的重要指標。崇明三島柑橘園上層土壤速效氮含量高于下層土壤,其中上層土壤速效氮含量在13—27 mg/L,而下層土壤在7—18 mg/L。這可能是因為長期面施肥料以及植物凋落物腐解使土壤上層的速效氮含量增加。上層土壤有效磷含量顯著高于下層土壤,其中上層土壤含量在47—117 mg/L,而下層土壤在5—15 mg/L,說明人們對柑橘園施入太多磷肥,上層土壤速效磷含量達到了高和極高水平[10],含量過高的速效磷容易通過地表徑流、農田排水和地下滲漏等過程流入水體,從而導致水質污染[17]。上層土壤有效鉀含量顯著高于下層土壤,其中上層土壤速效鉀含量在38—154 mg/L,而下層土壤在22—75 mg/L。以上研究結果表明,崇明三島柑橘園內土壤表現為上肥下瘦的特點,這可能是因為長期只將各種肥料施在柑橘園的土壤表面而沒有通過溝施或者穴施的方式施到深層土壤。另外,柑橘吸收根系多集中于40 cm甚至更深的土層中[18],植物根系吸收下層土壤的養分也可能造成柑橘園土壤養分上肥下瘦的特點。因此,未來對柑橘園進行養分管理時,要注意進行溝施或穴施,提高下層土壤的養分含量。

土壤中量元素參與作物多種生理生化過程以及化合物的形成,中量元素缺乏直接影響作物的生長發育,最終影響作物的產量和品質[19]。崇明三島柑橘園土壤鈣含量處于高水平[10],這可能是因為崇明三島柑橘園土壤系由長江新沖積物母質發育而成,具有強烈的石灰反應而含有一定量的CaCO3[20]。土壤鎂含量處于中高水平,且上層土壤比下層土壤含量高,這可能與長期施用鉀肥有關,因為在作物吸收過程中,鉀和鎂之間具有拮抗作用[21]。上層土壤硫含量低于下層土壤,究其原因可能是人們對上層的擾動較大,土壤硫素通過雨水徑流等流失了[22]。

土壤微量元素雖然含量較低,但其對生物體和非生物體的影響卻不容忽視。當植物缺乏某種微量元素,會抑制植物的生長發育,影響產品質量;當環境中微量元素過高時,會造成土壤重金屬污染,最終影響人類健康。崇明三島微量元素含量處于中高或極高水平,其中長興島和橫沙島上層土壤的銅含量達到極高水平,3個島嶼的土壤硼含量也都達到了極高水平,說明這些地區可能有重金屬污染的趨勢。另外,上層土壤鐵、銅和鋅的含量顯著高于下層土壤,說明人類活動可能是引起微量元素增加的主要原因。而硼含量在上層土壤和下層土壤差異不明顯,說明在崇明三島硼的本底值較高。

總的來說,目前崇明三島柑橘園上層土壤養分含量高于下層土壤,但有機質含量較低,上層土壤pH低于下層土壤,土壤微量元素如銅、硼等含量處于極高水平。鑒于有機肥在調控土壤養分和pH中的作用,柑橘園的養分管理方式應適當做出調整,如加大有機肥的施入量、深施有機肥、加強下層土壤養分的投入。這不僅能夠節約生產投入,提高柑橘的經濟效益,同時也能實現柑橘園養分的高效利用,增加柑橘抗外界干擾的能力。此外,養分管理方式的改變也有利于改善柑橘園土壤環境,有助于實現崇明三島規模化柑橘生產的可持續發展。