井式節水灌溉下蘋果園土壤水分和養分空間分布特征研究

魏剛剛，楊建軍，程 平，吳亞楠，程輝玲

（1.新疆大學生態與環境學院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046；3.新疆林業科學院，烏魯木齊 830018）

0 引 言

近年來，新疆特色林果業快速發展，其中蘋果種植業目前已成為新疆特色林果業的支柱產業之一，種植面積占林果業總面積18.91%[1]。新疆林果業生產特征是灌溉林果業，由于水資源短缺[2]、灌溉用水定額低[3]，以及長期以來灌溉方式以大水漫灌為主，灌溉水利用系數低[4]等原因，造成新疆林果業的發展嚴重受制于水資源，影響了林果業的健康發展。因此，節水灌溉技術的推廣與應用迫在眉睫。常規的地面滴灌容易造成根系分布深度不足，水分難以到達果樹深層根系，無法滿足中大型果樹需水要求[5,6]，其在棉花和小麥等淺層根系植物中比較適用[7,8]；涌泉灌溉易形成地表徑流導致地面蒸發量大[9]；地下滲灌灌溉方式又存在操作繁瑣和滲灌管堵塞的難題[10]，導致中大徑級果樹缺乏一種有效的節水灌溉方法。因此，研發適用于中大徑級果樹的灌溉方式，對于新疆林果業的健康發展具有重要的實踐意義。

為解決中大徑級果樹合理的灌溉方式，李宏等發明了“林木井式節水灌溉方法”[11]（以下簡稱“井式灌溉”），即由常規滴灌系統和帶孔豎井管組成，可以直接將水分通過豎井管輸送至林木地下根系分布區，較滴灌增加了水分下滲深度，較涌泉灌溉減少了不必要的地面蒸發和地下深層滲漏，而帶孔豎井管的孔隙較大（直徑2.5 mm）不易造成豎井管堵塞，從而使得水資源得到高效利用[10]。水分和養分是果樹生長最基礎的條件，是人為調控頻繁、影響最大的生長環境因子[12,13]。土壤水分分布的研究多在滴灌方式下開展，且集中在灌水量和滴頭流量[14-17]等方面。滴灌方式下，土壤水分以滴頭為中心向四周擴散，但水分主要分布在淺層地表，隨著灌水量和滴頭流量的增加，水分分布范圍也隨之增大。土壤養分的研究集中在節水灌溉方式下施肥方式和養分分布等方面[18-23]，研究發現土壤養分受其他物質物理和化學作用影響移動距離十分有限，導致養分主要分布在淺層地表，深層根系難以吸收利用，成為果樹生長的限制因素。目前井式灌溉前期的研究多集中在蘋果的光合作用及莖流方面[24,25]，發現井式灌溉方式在節水節肥的前提下能滿足果樹的正常生長需求，但井式灌溉方式下土壤水分和土壤養分的空間分布研究鮮有報道。

阿克蘇地區是新疆蘋果的優勢產區，2019年，阿克蘇蘋果種植面積25 129 hm2，占全疆的42.11%，總產量68.88 萬t，占全疆的67.78%[26]，其蘋果種植技術在新疆最具代表性。阿克蘇地區開展井式灌溉方式下土壤水分和養分分布規律研究，對于井式灌溉技術在新疆果樹種植中的推廣具有重大的實踐意義。為此，本文以新疆阿克蘇地區矮化密植蘋果園為研究對象，研究井式灌溉方式下水分和養分在土壤中的分布特征，以期為井式灌溉技術在果樹種植中的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣地位于阿克蘇地區溫宿縣五團十三連（地理坐標80°45′35″E，41°20′12″N）（見圖1），是塔里木盆地北緣典型的荒漠綠洲灌溉農業區，屬于典型溫帶大陸性氣候，降雨稀少、氣候干燥；光熱資源豐富、晝夜溫差大。年平均降水量小于75 mm，年均氣溫10.10 ℃，極端低溫-27.4 ℃，年均日照時數2 747.7 h，年積溫（≥10 ℃）2 916.8～3 198.6 ℃，無霜期185 d。試驗地最大田間持水量19.6%，果園0～120 cm 土壤理化性質如表1所示。

表1 蘋果園0～120 cm土壤理化性質Tab.1 Physicochemical properties of apple orchard 0～120 cm soil

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗布設

試驗材料為矮化密植栽培模式下8 a 生“紅色之愛”（紅肉蘋果），砧木為平邑甜茶。試驗地面積0.33 hm2，株行距1.5 m×4.0 m，東西向栽種，樹形為紡錘形，平均地徑12 cm，平均樹高3.5 m，平均冠幅2.2 m（東西向）×2.7 m（南北向），一致性較高。試驗地采用漫灌與井式灌溉相結合的灌溉方式，在冬季或春季采用漫灌，其生長季采用井式灌溉。井式灌溉方式為：在樹行方向，2 株蘋果樹中間位置安裝1 個內徑12 cm、高50 cm 的帶孔豎直井管（管壁密布直徑2.5 mm 的出水孔，密度為2 孔/cm2），豎井管與樹干距離均為75 cm，通過引流管連接地面滴灌系統的?20 mm PE 管，將灌溉水引入豎井管內，進行灌溉（見圖2）。通過施肥罐（250 L）連接灌溉系統進行施肥，施肥過程為先滴2 h 清水，使豎井管內有水溢出，后施肥。

圖2 井式節水灌溉布局Fig.2 Layout of well-type water-saving irrigation

1.2.2 試驗設計

根據井式灌溉土壤濕潤區分布特征[10]，查閱蘋果根系文獻[27]以及實測果樹根系分布位置，確定蘋果樹根系主要分布區在水平方向0～80 cm，垂直方向0～60 cm。試驗設置3 個灌水梯度：低水W1[每次灌水歷時6 h，灌水量99 m3/（hm2·次），濕潤區可覆蓋根系分布面積80%]，中水W2[每次灌水歷時9 h，灌水量148.5 m3/（hm2·次），濕潤區可覆蓋根系分布面積100%]，高水W3[每次灌水歷時12 h，灌水量198 m3/（hm2·次），濕潤區可覆蓋根系分布面積120%]；結合當地實際施肥經驗設置高肥F3[225 kg/（hm2·次）]、中肥F2[150 kg（hm2·次）]、低肥F1[75 kg（hm2·次）]3 個施肥梯度。即設計相同的施肥量（F3）下，不同的灌水量（W3、W2、W1）；相同的灌水量（W3）下，不同的施肥量（F3、F2、F1），并設置井式灌溉不施肥對照（CK），CK 灌水量與W3相同，共計6 個處理。每個處理設置一個小區，每個小區28 株樹。肥料選擇武漢美瑞農業科技有限公司提供的水溶性硫酸鉀（規格為25 kg/袋，主要成分為K2O≥52%、S≥18%）和高磷型大量元素水溶肥（規格為25 kg/袋，N-P-K=15-35-10）。肥隨水施入，3-9月每月灌水施肥一次，滴頭流量一致，灌溉過程中存在地表徑流。

1.2.3 樣品采集及測定

在最后一次灌水施肥1 d 后（2021年9月8日）取土，測定土壤養分含量。在7月29日灌水前后取土，測定灌水前后土壤水分變化。取樣位置以豎井管為中心，距豎井管水平距離（r）20、40、60、80 cm，距地表縱向深度（d）20、40、60、80、100、120 cm 處取土。利用直徑40 mm 土鉆進行分層取土，每個處理選取3株樹分別進行取土，將所取土樣裝入密封袋打包標記帶回。

將所取待測水分土樣帶回后立即稱重，利用烘干法在105 ℃下烘干至恒重，測定質量含水量；待測養分土樣在室內進行自然陰干，最后進行統一處理，經研磨過篩（1 mm）后待測速效磷、速效鉀。于2021年11月24日開始在新疆林業科學院新疆林木資源與利用國家林草局重點實驗室進行相關數據測定，速效磷利用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬(藍)銻抗比色法，土壤速效鉀用1 mol/L 乙酸銨溶液浸提-原子分析儀測定[28]。

1.3 數據處理與分析

利用Excel 2016 進行數據進行整理分析，利用SPSS Statistics 23 分析了不同處理不同土層養分含量差異顯著性，利用Origin Pro 2021和Surfer 15進行分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 灌溉量對水分分布的影響

將灌水后土壤含水量（W）減灌水前土壤含水量（W0），得出土壤水分相對增加值（ΔW），若ΔW>0，則表示灌溉水到達，否則表示灌溉水未到達。灌水量低水（W1）、中水（W2）、高水（W3）時，不同方向上各土層土壤水分變化情況如圖3所示。

圖3 不同灌水量下土壤水分變化Fig.3 Soil moisture changes under different irrigation levels

由圖3 可知，隨著灌水量的減少土壤水分變化也相應降低。水平方向上隨著距離的增加土壤水分變化總體上不斷減小，垂直方向上隨著深度增加總體上也在不斷減小，在120 cm 處水分基本無法到達，土壤水分主要在0～60 cm 變化，隨著灌溉量的增加水分運移距離不斷增大。在水平方向上，距離豎井管越近，總體上土壤水分變化越大。W2和W3處理土壤水分變化規律差異較小，主要以水平移動為主，水分能夠到達試驗設計最遠80 cm，隨著水平距離的增加而不斷減少，但在W1處理下，水分變化主要發生在0～40 cm，在水平距離80 cm 處，水分變化與W2和W3處理相比差異較大，僅有少量水分到達此處。在垂直方向上，隨著深度的增加，土壤水分變化總體上不斷減小。W2和W3處理土壤水分變化主要發生在地表0～60 cm，在水平距離0～40 cm W1處理水分下滲較深，最深可達100 cm，而在離豎井管較遠的80 cm 處，隨著深度的增加ΔW為負數，該區域土壤水分基本無增加或水分未能到達此區域，說明灌溉量對水分運移距離有直接影響。井式灌溉方式下，土壤水分變化隨著灌溉量的增加而增加，即W3>W2>W1，灌溉量對水分運移距離具有直接影響。空間分布上，灌溉量越大，水分運移距離越遠，水平方向可運移至80 cm，垂直方向上水分在0～60 cm 土層變化較為明顯。

2.2 灌溉量對養分分布的影響

2.2.1 灌溉量對速效磷空間分布的影響

當施肥量為高肥（F3），灌溉量為W3、W2、W1時，速效磷在各土層分布如圖4 所示。由圖4 可知，速效磷主要聚集在土壤表層，隨著深度的增加不斷減小，水平方向上可運移至80 cm，垂直運移距離可達50～60 cm，速效磷最大值均出現在水平60 cm 處。水平方向上，在r為20 cm 時，F3W1速效磷含量高于F3W2、F3W3，F3W1最大值較F3W2和F3W3分別高24.6%和156%，但隨著隨著水平距離的增加，F3W1速效磷含量與其他處理相比較小，r為60～80 cm 時，F3W2和F3W3處理速效磷含量分別為181 和170 mg/kg，分別較F3W1高84.9%和74.6%，這與土壤水分分布規律相似。CK 處理速效磷含量隨著水平距離的增加變化不明顯，通過灌水使養分均勻地分布在各個土層。在垂直方向上，隨著土層深度的增加，速效磷受到物理和化學作用影響被固定，主要聚集在上層土壤中，與其他處理相比，F3W2養分分布范圍最廣，CK 隨著深度的增加而均勻減少。在3個灌溉量下，對各土層速效磷含量進行平均比較得出，F3W2速效磷含量為30.79 mg/kg，F3W3為21.86 mg/kg，F3W1為18.75 mg/kg，CK 為11.44 mg/kg，F3W2分別較F3W3、F3W1、CK 速效磷含量高41%、64%、169%。以速效磷含量為20 mg/kg 為例進行比較發現，垂直方向上F3W2運移范圍最大，F3W3和F3W1可運移距離差別較小。當施肥量相同，灌溉量不同時，速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～40 cm，在F3W2處理下速效磷含量最大，水平和垂直運移距離最遠。

圖4 不同水肥下速效磷空間分布Fig.4 Spatial distribution of fast-acting phosphorus under different water fertilization

2.2.2 灌溉量對速效鉀空間分布的影響

當施肥量為高肥（F3），灌溉量為W3、W2、W1時，各土層速效鉀分布如圖5所示。速效鉀與速效磷分布規律相似，上層土壤含量較高，隨著深度增加而不斷減小，水平方向可運移至80 cm，垂直主要分布在0～40 cm 土層。在水平方向上，r為20 cm 時速效鉀含量較小，隨著水平距離的增加不斷增大，至60～80 cm 時達到最大值，F3W1和F3W3在60 cm 處含量最大分別為358、279 mg/kg，F3W2和CK 在80 cm 處最大分別為351、169 mg/kg。在垂直方向上，在表層速效鉀含量最大，隨著土層深度增加不斷減少，F3W2處理移動距離最深，CK 在多次灌溉的影響下，在各土層中分布比較均勻。通過對各土層速效鉀含量進行平均比較得出，F3W2速效鉀含量最大為150.08 mg/kg， F3W1為120.07 mg/kg， F3W3和CK 分別為105.98、108.02 mg/kg，F3W2較F3W1、F3W3和CK 分別高25%、42%和39%。以100 mg/kg 為例進行比較可發現，F3W3速效鉀可運移至垂直50 cm，隨著水平距離的增加，其運移深度不斷減小，F3W2和F3W1速效鉀在土層中運移深度較大，最深可到達120 cm，這主要是由于速效鉀在土壤中以離子狀態存在[16]。施肥量相同，灌溉量不同時，速效鉀分布范圍水平可達80 cm，垂直可達120 cm，F3W2處理速效鉀含量最大，分布范圍最廣。

圖5 不同水肥下速效鉀空間分布Fig.5 Spatial distribution of fast-acting potassium under different water fertilization

2.3 施肥量對養分分布的影響

2.3.1 施肥量對速效磷空間分布的影響

當灌水量為高水（W3），施肥量為F1、F2、F3時，速效磷在土壤中的空間分布規律如圖4所示。速效磷主要分布在土壤表層，隨著土層深度增加不斷減小，施肥量越大，速效磷含量越大，不施肥處理（CK）各土層速效磷含量最小。在水平方向上，r為20 cm 時，各處理速效磷含量最小，隨著水平距離的增加而不斷增大，至60～80 cm時達到最大，F3W3在60 cm處最大為171 mg/kg，F2W3、F1W3和CK 在80 cm 處最大分別為114、110、36 mg/kg，說明施肥量的增加有利于表層土壤速效磷的積累。在垂直方向上，速效磷主要分布在表層土壤中，隨著深度的增加而快速減少。對各土層速效磷含量進行平均比較得出，F3W3速效磷含量為21.86 mg/kg 最大，F2W3和F1W3次之分別為19.53、18.50 mg/kg，CK為11.44 mg/kg最小，速效磷含量在3 個施肥量差別不大，CK 由于多次灌溉不施肥的原因，養分含量稀少，在土壤中分布均勻。以速效磷含量為50 mg/kg 為例進行比較發現，垂直方向上3 種施肥量運移距離差別不大，均能到達30 cm。灌溉量相同，施肥量不同時，速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～30 cm，在F3W3處理下速效磷含量最大。

2.3.2 施肥量對速效鉀空間分布的影響

當灌水量為高水（W3），施肥量為F1、F2、F3時，速效鉀在土壤中的空間分布規律如圖5 所示。速效鉀地表含量最大，隨著深度的增加不斷減小，F2運移距離最遠，分布范圍最廣。在水平方向上，F2W3最大值出現在水平20 cm 處，F1W3、F3W3、CK 最大值在60～80 cm 處，F2W3處理各土層含量較高，CK 處理分布比較均勻。對各土層速效鉀含量進行平均比較得出，F2W3速效磷含量為152.57 mg/kg 最大，F1W3和F3W3分別為112.71、105.98 mg/kg 次之，CK 為108.02 mg/kg，F2W3較F1W3、F3W3和CK分別高35%、44%和41%。以100 mg/kg為例進行比較可發現，F1W3和F3W3速效鉀可運移至50 cm 深，F2W3和CK運移距離最遠可到達70～80 cm深。灌溉量相同，施肥量不同時，速效鉀分布范圍水平可達80 cm，垂直可達80 cm，F2W3處理速效鉀含量最大，分布范圍最廣。

2.4 蘋果園0～120 cm 土層土壤養分含量豐缺狀況評價

由于不同的灌水和施肥差異，導致果園土壤養分豐缺程度不同，根據全國第二次土壤普查分級標準[29]判斷（見表2）。

表2 全國第二次土壤普查分級標準Tab.2 National second soil census grading standards

由表3可知，各處理上層土壤養分含量比較豐富，一般在地表0～20 cm 養分含量最大，隨著深度的增加而不斷減小，下層養分較為缺少，不施肥處理CK 養分含量明顯小于施肥處理。其中F3W3、F3W2在0～80 cm 土層速效磷豐缺狀況處于中等之上，磷肥供給充足；而其他處理磷肥充足區域較淺，在0～40 cm 處于中等水平，在40 cm 以下磷肥處于比較虧缺。在相同的灌水量下，F2W3、F1W3養分豐富區域較淺，而在施肥量相同時，僅F3W1養分分布區域淺，說明施肥量對于速效磷豐缺較灌水因素影響較大。速效鉀養分豐缺狀況與速效磷相似，上層土壤60 cm 以上養分含量較為充足，下層60 cm 以下處于虧缺狀態。在相同的灌水量下，F2W3含量較高，在相同的施肥量下，F3W2含量較高。本研究發現，土壤養分主要分布在上層土壤中，通過對各處理不同土層養分比較得出，施肥量相同處理之間速效鉀含量無顯著性差異，灌溉量相同處理F3W3和F2W3速效鉀含量具有顯著性差異，CK與施肥處理之間具有顯著性差異（P<0.05）。施肥量和灌溉量不同速效磷含量各處理之間無顯著性差異（P<0.05）。F3W2養分較豐富，其他處理養分豐缺處于中等水平，可適當增加養分補給，更好地滿足果樹生長需求。

表3 不同土層土壤養分平均值mg/kg Tab.3 Mean values of soil nutrients in different soil layers

3 討 論

水分是影響土壤養分有效性的重要因素之一[30]，水分變化對蘋果根系吸收和果樹生長具有很大影響[31]。本研究發現，水分在地表變化較大，隨著灌水量的增加，水分擴散距離也相應增加，這與葛新偉[32]在研究6種灌水梯度下水分變化規律一致；W1水分分布區域較其他處理小，僅能到達水平60 cm，在垂直方向上，W1在豎井管附近水分變化均大于W2、W3，說明灌溉量對水分擴散具有直接影響，這與丁運韜[33]研究的灌水下限對土壤水分分布結果相似。在垂直80 cm 以下，各處理水分基本無增加，這主要是由于該區域土壤粉砂含量較高導致土質疏松，儲水性能較差造成[14]。與滴灌濕潤區水平20～40 cm[34]相比，本研究通過豎井管進行灌溉的方式，土壤水分水平可運移至80 cm，土壤水分橫向濕潤面積較大，井式灌溉可有效增加水分在土壤中水平擴散運移距離。

土壤養分是影響蘋果產量與品質提高的重要因素之一[35-37]，果園土壤養分狀況與施肥和灌水管理措施有關[38]。前人研究發現，磷肥在土壤中易發生吸附固定和化學反應固定，移動距離十分有限，僅在水平方向0～20 cm，垂直方向0～30 cm 范圍發生積累，且離滴灌點越遠含量越低，具有明顯的空間分布差異[21,34,39]。這與本研究結果有所差異，井式灌溉灌水施肥方式下速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～40 cm表層，水平擴散距離明顯高于其他灌溉方式，在豎井管附近速效磷含量較小，隨著水平距離的增加而不斷增加，并在40～80 cm 處形成高值區域。井式灌溉方式下速效磷運移距離較遠與灌溉方式有關[10]，充分灌水后豎井管附近水分處于飽和狀態，水分向四周低飽和區擴散，肥隨水動使速效磷移動較遠，且本試驗肥料為水溶肥，液體磷肥可減小磷肥在土壤中的固定[40]。同時，本研究發現灌溉量和施肥量的增加能有效增加速效磷高值區含量，在相同施肥量下，速效磷F3W2>F3W3>F3W1，在相同灌水量下，F3W3>F2W3>F1W3，這與王虎[41]研究結果一致。

鉀肥對作物的高產、優質和抗逆性具有舉足輕重的作用[42]，前人在滴灌施肥研究中發現，速效鉀與速效磷在土壤中的運移規律比較相似[22]，主要富集在滴灌點區域，水平分布在0～40 cm，垂直0～40 cm[34]。在本研究井式灌溉施肥條件下，速效鉀在豎井管附近含量較小，隨著水平距離的增加在40～80 cm 處形成高值區域，水平移動可至80 cm，垂直可下滲至80 cm。鉀肥屬于強電解質，溶水后發生電離，鉀離子土壤的吸附力較小，在離子濃度梯度作用下快速發生遷移[20]，因此垂直分布較深。本研究發現速效鉀與速效磷相同，隨著灌溉量和施肥量的增加而增加，在相同施肥量下，速效鉀F3W2>F3W1，在相同灌水量下，F2W3>F1W3，這與前人[41]研究結果一致，但F3W3速效鉀含量較其他處理小，是由于該處理灌溉量及施肥量最大，大量水分外溢形成地表徑流，導致鉀離子快速隨水移動流失[18,31]。通過與滴灌方式對比發現，井式灌溉可有效增加土壤水分和土壤養分的運移擴散距離。

4 結 論

本試驗在井式灌溉方式下，通過設置不同施肥量和灌溉量，研究水分和養分在土壤中的空間分布特征。

（1）井式灌溉方式下，隨著灌溉量的增加，土壤水分運移距離不斷擴大；土壤水分主要以水平移動為主，可運移至80 cm，垂直變化主要在0～60 cm 土壤表層，下層水分變化較小。

（2）井式灌溉施肥條件下，土壤養分與水分分布規律相似，主要在較淺土層。速效磷和速效鉀主要聚集在水平40～80 cm，垂直方向上速效磷主要在0～40 cm 表層，速效鉀可達80 cm，同時，土壤養分隨灌溉量和施肥量的增加而增大。

（3）通過對比土壤豐缺分級標準，蘋果園上層土壤0～40 cm 范圍內養分含量較豐富，井式灌溉施肥能夠較好地滿足果樹的正常生長需求。

（4）井式灌溉施肥與傳統滴灌相比，能有效增加土壤水分和養分運移距離。