河北永定河流域葡萄園土壤硝態(tài)氮空間分布特征

李思奇，王志慧，常玉瑤，吉艷芝，郭艷杰，劉俊，張麗娟，王婭靜

河北永定河流域葡萄園土壤硝態(tài)氮空間分布特征

李思奇1，王志慧2，常玉瑤1，吉艷芝1，郭艷杰1，劉俊3，張麗娟1，王婭靜1

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省城市森林健康技術(shù)創(chuàng)新中心，河北保定 071000；2中國(guó)冶金地質(zhì)總局物勘院，河北保定 071000；3河北省林業(yè)科學(xué)研究院，石家莊 050061

【目的】探究永定河流域葡萄園氮素投入、高程與土壤硝態(tài)氮含量和累積量之間的關(guān)系，旨在為永定河流域葡萄種植區(qū)的合理施肥和降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)。【方法】以河北永定河流域52個(gè)典型葡萄園為研究對(duì)象，實(shí)地調(diào)研葡萄園養(yǎng)分投入現(xiàn)狀，室內(nèi)分析測(cè)定葡萄園0—60 cm垂直土層（間隔20 cm）硝態(tài)氮含量，并計(jì)算其累積量和盈余量。利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析氮素投入和盈余、土壤硝態(tài)氮含量和累積量的空間變異性。【結(jié)果】永定河流域施用有機(jī)肥農(nóng)戶(hù)不足50%，以施用無(wú)機(jī)肥為主。上、下游葡萄園平均氮素投入量分別為（1 492.79±988.90）和（1 079.31±638.25） kg·hm-2，平均氮素盈余量分別為（1 430.41±993.01）和（1 027.23±637.37） kg·hm-2，氮素投入與盈余量之間呈極顯著正相關(guān)（＜0.01），且在空間分布上均具有從西到東遞減的趨勢(shì)。土壤硝態(tài)氮含量和累積量在不同土層間的變化及空間分布規(guī)律一致，低值區(qū)主要分布在下游，高值區(qū)主要分布在上游。上游和下游0—60 cm土壤剖面硝態(tài)氮平均含量分別為34.96和18.76 mg·kg-1，平均累積量分別為92.44和48.12 kg·hm-2，不同土層間均差異顯著。上游土壤硝態(tài)氮含量和累積量在20—40 cm土層最低，下游則隨土層的增加而增加。上游土壤硝態(tài)氮含量和累積量在600—650 m高程范圍內(nèi)最高，顯著高于其他高程（＜0.05），而下游受高程的影響不顯著。相關(guān)性分析表明，高程主要影響表層硝態(tài)氮累積量分布，氮素投入主要影響底層硝態(tài)氮累積量分布。【結(jié)論】永定河流域葡萄園氮素盈余嚴(yán)重，垂直土層硝態(tài)氮向深層累積，不同高程（除450—500 m）土壤硝態(tài)氮含量與累積量均為上游高于下游，但在垂直分布上變化趨勢(shì)不同，受高程和氮素投入共同影響。

永定河流域；葡萄園；氮素投入與盈余；高程；硝態(tài)氮含量；硝態(tài)氮累積量；空間分布

0 引言

【研究意義】據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)葡萄總產(chǎn)量已達(dá)到1 431.4í104t，僅次于蘋(píng)果、柑橘、梨，位居第四位[1]，成為農(nóng)民脫貧增收和穩(wěn)定收入的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為提高果實(shí)產(chǎn)量，果農(nóng)普遍存在盲目施肥、過(guò)量施肥、肥料投入比例不均衡等問(wèn)題[2-3]，不僅對(duì)果品產(chǎn)量和品質(zhì)的提升產(chǎn)生不利影響[4]，而且與土壤硝態(tài)氮累積、淋溶和水體污染等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)[5-6]。研究表明，與純氮投入360 kg·hm-2相比，寧夏永寧縣玉泉營(yíng)葡萄基地純氮投入超過(guò)480 kg·hm-2時(shí)，葡萄產(chǎn)量下降1.72%，果實(shí)糖酸比降低12.60%[7]。較高氮素投入還不利于果實(shí)吸氮及地上生物量的累積[8]，導(dǎo)致土壤氮養(yǎng)分高于有效閾值，促進(jìn)養(yǎng)分富集與淋失，引起地下水硝酸鹽含量超標(biāo)、水質(zhì)下降[9-10]。高晶波等[11]對(duì)俞家河小流域獼猴桃園研究表明，該區(qū)域氮素表觀盈余量達(dá)1 195 kg·hm-2，占氮素投入量的90.39%，造成硝態(tài)氮向深層累積增加，淋溶到地下水的風(fēng)險(xiǎn)值大大增加。因此，探索葡萄園施肥現(xiàn)狀和土壤硝態(tài)氮遷移累積特性，對(duì)制定合理的施肥方案和減少環(huán)境污染具有重大意義。【前人研究進(jìn)展】硝態(tài)氮由于具有較強(qiáng)的淋溶特性，對(duì)環(huán)境的影響不容小覷，其在土壤中的累積和分布特征已得到廣泛的重視。不同作物的種類(lèi)、形態(tài)特征（如根系分布等）、養(yǎng)分吸收特征（吸收時(shí)期、吸收種類(lèi)和利用效率等）不同，因而硝態(tài)氮在土壤中的殘留量及累積深度存在差異。如封育后的荒漠草地受凋落物影響，硝態(tài)氮具有表聚特性[12]，不易發(fā)生淋失。但番茄、黃瓜等蔬菜作物[13-14]由于根系較淺，較深根系僅達(dá)60 cm土層，因此硝態(tài)氮宜累積到60 cm以下，成為植物硝酸鹽超標(biāo)和地下水污染的主要因子[15-16]。硝態(tài)氮累積分布同樣受種植區(qū)域地形地貌、管理方式的影響，李樂(lè)等[17]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型流域硝態(tài)氮輸出特征研究表明，流域NO3--N主要來(lái)自旱地、水田和園地等農(nóng)業(yè)用地，且通過(guò)旱地進(jìn)入的NO3--N占梅溪河和大寧河流域總負(fù)荷的80%和67%。但劉占軍等[18]對(duì)我國(guó)蘋(píng)果園施肥現(xiàn)狀和土壤剖面氮分布特征研究表明，灌區(qū)體系下蘋(píng)果園土壤硝態(tài)氮含量高于旱作，硝態(tài)氮累積峰向深層下移。在其他耕作作物體系中，RANA等[19]在巴基斯坦開(kāi)展水稻-小麥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮淋失量在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中高于小麥，但與范宏翔等[20]對(duì)太湖流域典型水稻-小麥輪作農(nóng)田區(qū)氮素淋洗損失試驗(yàn)中的研究結(jié)論相反。氮素投入、海拔、土壤質(zhì)地等因素亦影響土壤硝態(tài)氮累積和分布。馬振朝等[21]對(duì)懷來(lái)和昌黎兩縣葡萄園的研究與郭路航等[22]對(duì)太行山山前平原葡萄園的研究均發(fā)現(xiàn)，土壤硝態(tài)氮累積量隨著施肥量的增加而上升，有向下層土壤遷移的趨勢(shì)。海拔對(duì)土壤硝態(tài)氮影響的研究多集中在林業(yè)土壤，對(duì)葡萄園的研究較少。車(chē)明軒等[23]對(duì)川西高山灌叢草甸土壤氮分布狀況研究表明，高海拔的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于低海拔，但有的研究相反[24]。另外，與其他土壤結(jié)構(gòu)相比，黏粒含量高的土壤因有較低的淋溶潛力和較高的保水性，使得對(duì)氮利用率更高[25]，降低硝態(tài)氮累積深度[26]。由此可見(jiàn)，影響土壤硝態(tài)氮空間分布的因素眾多，不同時(shí)間、空間尺度上的影響因子也大不相同。【本研究切入點(diǎn)】河北省2020年葡萄總產(chǎn)量達(dá)124.6í104t，位居全國(guó)第二，僅次于新疆[1]，張家口作為河北省優(yōu)勢(shì)葡萄種植區(qū)，葡萄園主要集中在位于懷涿盆地的永定河流域兩岸，海拔高差明顯。該地養(yǎng)分投入比例不協(xié)調(diào)，氮肥投入過(guò)多，施肥方式差異大[27]，季節(jié)性降雨明顯，使得大量硝態(tài)氮在土壤累積或隨水遷移，造成氮素?fù)p失，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前對(duì)懷涿盆地葡萄園土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律研究主要集中在某小區(qū)或田間試驗(yàn)中[27-29]，而對(duì)區(qū)域空間范圍內(nèi)硝態(tài)氮累積量與高程的研究不多。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本研究以永定河流域葡萄園為研究區(qū)域，通過(guò)實(shí)地調(diào)研和室內(nèi)分析研究流域葡萄園施肥現(xiàn)狀及土壤剖面硝態(tài)氮累積和空間分布規(guī)律，旨在探討葡萄園氮素投入、高程與土壤硝態(tài)氮累積量的關(guān)系，進(jìn)而為永定河流域提高氮肥利用率、控制土壤硝態(tài)氮累積及促進(jìn)葡萄園持續(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

永定河流域主要有桑干河、洋河兩大支流，兩支流在懷來(lái)縣夾河村匯合。因?qū)嵉卣{(diào)研發(fā)現(xiàn)洋河兩岸的葡萄園較少且多數(shù)轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，故本研究區(qū)主要以涿鹿縣朝陽(yáng)寺至桑干河洋河交匯處（永定河上游）和桑干河洋河交匯處至官?gòu)d水庫(kù)以東部分區(qū)域（永定河下游）的葡萄園為研究對(duì)象。研究區(qū)地處懷涿盆地，海拔在450—850 m之間，地勢(shì)南北高中間低，四季分明，太陽(yáng)光輻射強(qiáng)，雨熱同季，晝夜溫差大，無(wú)霜期長(zhǎng)，年降雨量420—480 mm，年均溫9.6—10.6 ℃。該地土層深厚、通透性好、排水性好，土壤類(lèi)型為褐土，土壤質(zhì)地為砂壤土[30]。在永定河上游選取27個(gè)典型葡萄園，下游選取25個(gè)典型葡萄園，樣點(diǎn)分布如圖1所示。在450—500、500—550、550—600、600—650和650—700 m各高程上分別布有至少5個(gè)樣點(diǎn)，進(jìn)行施肥現(xiàn)狀調(diào)研和土壤樣品采集。每個(gè)樣點(diǎn)葡萄園面積大小不一，分布在0.02—1.13 hm2。每個(gè)葡萄園采用GPS定位，記錄園地坐標(biāo)位置和高程。

圖1 永定河流域葡萄園采樣點(diǎn)位分布

1.2 研究方法

在2018年和2019年果實(shí)膨大期（7—8月份）進(jìn)行施肥現(xiàn)狀調(diào)研和土壤樣品采集。施肥現(xiàn)狀調(diào)研通過(guò)發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷完成，調(diào)查內(nèi)容包括肥料種類(lèi)、肥料養(yǎng)分含量、施用量。調(diào)查共發(fā)放72份問(wèn)卷，其中上游共獲得27份有效問(wèn)卷，下游共獲得25份有效問(wèn)卷。土壤樣品采集時(shí)，每個(gè)葡萄園采用“S”形5點(diǎn)取樣法利用土鉆在距離葡萄主干30 cm處分層采集0—60 cm垂直土層土壤樣品（間隔 20 cm），相同土層混勻后裝入自封袋中密封，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤硝態(tài)氮。同時(shí)每個(gè)樣點(diǎn)分別采用環(huán)刀和鋁盒取土以測(cè)定土壤容重和含水量。

土壤NO3--N含量采用SKALAR SAN++型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤容重和含水量采用105 ℃烘干法測(cè)定[31]；土壤顆粒組成利用Bettersize2000激光粒度分析儀測(cè)定，粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考美國(guó)制，砂粒（2—0.05 mm）、粉粒（0.05—0.002 mm）、黏粒（＜0.002 mm）。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

1.3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

（1）氮素投入量：化肥養(yǎng)分含量按農(nóng)戶(hù)實(shí)際施肥種類(lèi)、用量及施用肥料包裝標(biāo)明的養(yǎng)分含量計(jì)算，有機(jī)肥養(yǎng)分參照《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》養(yǎng)分含量計(jì)算[32]。

（2）土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg-1）/10[33]。

（3）氮素盈余量（kg·hm-2）=輸入項(xiàng)-輸出項(xiàng)；輸入項(xiàng)=無(wú)機(jī)肥氮養(yǎng)分（kg·hm-2）+有機(jī)肥氮養(yǎng)分（kg·hm-2）+沉降氮養(yǎng)分（kg·hm-2）+灌水帶入氮養(yǎng)分（kg·hm-2）；輸出項(xiàng)為果實(shí)收獲帶出氮養(yǎng)分量（kg·hm-2），包括果實(shí)、葉片、枝條和根的氮吸收量。沉降氮根據(jù)本課題組王探魁、孫卓玲[2,34]的試驗(yàn)得到的張家口大氣氮沉降值為10.1 kg·hm-2。流域上、下游由灌水帶入的平均氮養(yǎng)分分別為23.07和37.42 kg·hm-2[34]。葡萄園產(chǎn)量、面積按照農(nóng)戶(hù)調(diào)查值計(jì)算；果實(shí)收獲帶出氮養(yǎng)分量按照《肥料實(shí)用手冊(cè)》[35]與《中國(guó)肥料實(shí)用手冊(cè)》[36]等相關(guān)參數(shù)計(jì)算，每1 000 kg葡萄果實(shí)中帶走3.9 kg純氮。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與作圖 采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及圖表繪制，選擇SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析、獨(dú)立T檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性分析，多重比較采用LSD法。利用Origin 2022繪制箱線(xiàn)圖。采用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)分析中的反距離權(quán)重法對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行空間插值分析，各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：氮素投入量、氮素盈余量采用相等間隔各分為8個(gè)等級(jí)，土壤硝態(tài)氮含量、累積量采用相等間隔各分為6個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果

2.1 氮素投入與盈余特征

2.1.1 氮素投入結(jié)構(gòu)分析 通過(guò)對(duì)流域葡萄園施氮情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，全域施用有機(jī)肥的農(nóng)戶(hù)不足50%，施用無(wú)機(jī)肥的農(nóng)戶(hù)較多，高達(dá)96%，說(shuō)明農(nóng)戶(hù)存在重?zé)o機(jī)肥、輕有機(jī)肥投入的現(xiàn)象。此外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)施用微量元素肥料和配方肥的農(nóng)戶(hù)較少，占1.92%。由圖2可知，永定河流域上、下游氮素投入結(jié)構(gòu)存在顯著差異。上游有機(jī)肥氮的平均投入量為1 022.23 kg·hm-2，高于無(wú)機(jī)肥氮投入（849.17 kg·hm-2）。下游則相反，有機(jī)肥氮和無(wú)機(jī)肥氮的平均投入量分別為582.88和779.48 kg·hm-2。可見(jiàn)，流域上游葡萄園比下游更重視有機(jī)肥的投入。流域上游氮素投入量與盈余量均高于下游，上游的氮素投入量平均為（1 492.79±988.90） kg·hm-2，是下游的1.38倍；上游的氮素盈余量平均為（1 430.41±993.01）kg·hm-2，是下游的1.39倍。在上游和下游，氮素投入量與盈余量之間均呈極顯著正相關(guān)，關(guān)系式分別為=1.0037-67.867（2=0.9991；＜0.01）和=0.9971-48.917（2=0.9969；＜0.01），這表明氮肥投入對(duì)盈余量影響較大，應(yīng)重視從源頭控制氮污染。

2.1.2 氮素投入量和盈余量空間分布 由圖3-a氮素投入量的空間分布可知，流域上游葡萄園氮素投入量高于下游，且空間上呈斑塊狀的分布格局，說(shuō)明受人為管理方式的影響，流域內(nèi)氮素投入分布不均勻。氮素投入量在西北角及東南角較高（＞2 000 kg·hm-2），而在上下游分界處及下游中東部部分區(qū)域氮素投入量較低（＜1 500 kg·hm-2），整體上氮素投入量從西到東呈遞減趨勢(shì)。如圖3-b所示，氮素盈余量的空間分布與氮素投入量基本一致，說(shuō)明肥料投入高的地方盈余量也高。

2.1.3 不同高程區(qū)域葡萄園氮素投入 由表1可知，不同高程區(qū)域葡萄園氮素投入差異較大。全流域范圍內(nèi)，450—500 m高程區(qū)域氮素投入顯著低于500—550和550—600 m高程區(qū)域。下游中，450—500 m高程區(qū)域氮素投入顯著低于650—700 m高程區(qū)域，但上游中各高程區(qū)域氮素投入差異不顯著。僅在550—600 m高程范圍內(nèi)上游氮素投入顯著高于下游，其他高程范圍內(nèi)差異均不顯著。

柱上不同大寫(xiě)字母代表不同區(qū)域同一指標(biāo)間差異顯著（P＜0.05）；柱上不同小寫(xiě)字母代表同一區(qū)域不同指標(biāo)間差異顯著（P＜0.05）

圖3 永定河流域葡萄園氮素投入量（a）和盈余量（b）空間分布

表1 永定河流域不同高程區(qū)域葡萄園氮素投入

不同大寫(xiě)字母代表同一區(qū)域不同高程間的差異顯著（＜0.05）；不同小寫(xiě)字母代表同一高程不同區(qū)域間的差異顯著（＜0.05）

Different uppercase letters represent significant differences between different elevations of the same region (＜0.05); Different lowercase letters represent significant differences between different regions of the same elevation (＜0.05)

2.2 土壤硝態(tài)氮含量分布特征

2.2.1 土壤硝態(tài)氮含量空間分布 由圖4可知，土壤硝態(tài)氮含量在上、下游和不同土層間有顯著差異。整體上，土壤硝態(tài)氮含量高值區(qū)主要分布在上游，低值區(qū)則在下游，且在等高線(xiàn)密集區(qū)含量較高。上游和下游0—60 cm土層硝態(tài)氮平均含量分別為34.96和18.76 mg·kg-1。在垂直分布上，上游20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量低于0—20和40—60 cm土層，分別為9.54、12.71和12.71 mg·kg-1。下游土壤硝態(tài)氮平均含量呈現(xiàn)出隨土層的增加而增加的趨勢(shì)，0—20、20—40和40—60 cm土層的硝態(tài)氮平均含量分別為5.25、5.47和8.04 mg·kg-1。

圖4 永定河流域葡萄園0—60 cm土層硝態(tài)氮含量空間分布

2.2.2 不同高程葡萄園土壤硝態(tài)氮含量分布 由表2可知，永定河上、下游葡萄園不同土層的硝態(tài)氮含量與所處高程有密切關(guān)系。上游，600—650 m高程0—20、20—40 cm土層的硝態(tài)氮含量均最高，顯著高于其他高程。40—60 cm土層硝態(tài)氮含量也在600—650 m高程最大，但與其他高程間差異不顯著。綜上可知，永定河流域上游0—60 cm土層硝態(tài)氮含量在600—650 m高程最高，450—500 m高程最低；相同土層時(shí)，土壤硝態(tài)氮含量隨高程的上升有增加的趨勢(shì)；相同高程時(shí)各土層間差異不顯著，說(shuō)明土壤硝態(tài)氮含量在各層間變化不明顯。永定河流域下游，不同土層和不同高程對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響均不顯著。在相同高程和相同土層，對(duì)比上、下游土壤硝態(tài)氮含量可知，僅在450—500 m高程處相同土層上游的硝態(tài)氮含量低于下游，其余高程均是相反的結(jié)論。說(shuō)明高程是影響硝態(tài)氮含量的重要因素，與葡萄園氮素投入共同決定了土壤硝態(tài)氮的含量。

表2 永定河流域上、下游不同高程葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮含量（mg·kg-1）垂直分布

不同大寫(xiě)字母代表同一土層不同高程間的差異顯著（＜0.05）；不同小寫(xiě)字母代表同一高程不同土層間的差異顯著（＜0.05）

Different uppercase letters represent significant differences among different elevations of the same soil layer (＜0.05); and different lowercase letters represent significant differences among different soil layers of the same elevation (＜0.05)

2.3 土壤硝態(tài)氮累積特征

2.3.1 土壤硝態(tài)氮累積量空間分布 由圖5可知，土壤硝態(tài)氮累積量在上、下游和不同土層間有顯著差異。整體上，土壤硝態(tài)氮累積量高值區(qū)主要分布在上游，低值區(qū)則在下游，在等高線(xiàn)密集區(qū)含量較高。上游和下游0—60 cm土層硝態(tài)氮平均累積量分別為92.44和48.12 kg·hm-2。在垂直分布上，上游20—40 cm土層硝態(tài)氮累積量低于0—20和40—60 cm土層，分別為25.28、32.96和34.20 kg·hm-2。下游土壤硝態(tài)氮平均累積量呈現(xiàn)出隨土層的增加而增加的趨勢(shì)，0—20、20—40和40—60 cm土層的硝態(tài)氮平均累積量分別為12.86、13.63和21.62 kg·hm-2。

圖5 永定河流域葡萄園0—60 cm土層硝態(tài)氮累積量空間分布

2.3.2 不同高程葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量 由表3可知，永定河上、下游葡萄園土壤不同土層的硝態(tài)氮累積量與所處高程有密切關(guān)系。永定河流域上游，0—20、20—40 cm土層硝態(tài)氮累積量均在600—650 m高程最大，顯著高于其他高程。40—60 cm土層硝態(tài)氮累積量也在600—650 m高程最大，但與其他高程間差異不顯著。綜上可知，永定河流域上游0—60 cm土層硝態(tài)氮累積量在600—650 m高程最大，在450—500 m高程最低。這表明流域上游累積量與含量變化規(guī)律一致，隨高程的上升有增加的趨勢(shì)。相同高程時(shí)各土層間差異不顯著，說(shuō)明硝態(tài)氮累積量垂直變化不明顯。永定河流域下游，不同土層和不同高程對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量的影響均不顯著。在相同高程和相同土層，對(duì)比上、下游土壤硝態(tài)氮累積量可知，僅在450—500 m高程相同土層上游的硝態(tài)氮累積量低于下游，其余高程均是相反的結(jié)論。說(shuō)明流域上游更應(yīng)重視減少外源氮素輸入量，高程影響了土壤硝態(tài)氮累積量的分布。

表3 永定河流域上、下游不同高程葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）垂直分布

不同大寫(xiě)字母代表同一土層不同高程間的差異顯著（＜0.05）；不同小寫(xiě)字母代表同一高程不同土層間的差異顯著（＜0.05）

Different uppercase letters represent significant differences among different elevations of the same soil layer (＜0.05); and different lowercase letters represent significant differences among different soil layers of the same elevation (＜0.05)

2.4 土壤硝態(tài)氮累積量影響因素分析

為進(jìn)一步分析不同環(huán)境因子對(duì)流域葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量的影響，對(duì)硝態(tài)氮累積量與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析（表4）。結(jié)果表明，在垂直分布上，永定河流域葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量與對(duì)應(yīng)土層硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。僅表層硝態(tài)氮累積量與高程呈顯著正相關(guān)關(guān)系。整體而言，高程與不同土層硝態(tài)氮累積量關(guān)系由強(qiáng)到弱為表層、中層、底層；而氮素投入與不同土層硝態(tài)氮累積量關(guān)系由強(qiáng)到弱為底層、中層、表層，由此可見(jiàn)，表層硝態(tài)氮累積量分布受高程影響較大，底層硝態(tài)氮累積量分布受氮素投入影響較大。

表4 環(huán)境因子與葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮累積量的相關(guān)性分析

“*”、“**”分別代表在0.05和0.01概率水平下相關(guān)性顯著

“*” and “**” represent significant correlation at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

3 討論

3.1 氮肥施用對(duì)永定河流域葡萄園土壤硝態(tài)氮累積的影響

葡萄是多年生木質(zhì)藤本植物，在各生育時(shí)期內(nèi)選擇性吸收養(yǎng)分，易因施肥不當(dāng)導(dǎo)致養(yǎng)分不平衡。氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的地位，可以促進(jìn)果實(shí)生長(zhǎng)，增加葡萄產(chǎn)量，改善葡萄品質(zhì)。然而本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)永定河流域葡萄園農(nóng)戶(hù)總體施肥種類(lèi)較單一，且比例不均衡，葡萄園氮養(yǎng)分投入主要來(lái)自無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥，無(wú)機(jī)肥以尿素和復(fù)合肥為主，有機(jī)肥以羊糞、雞糞為主，微量元素肥料和配方肥施用農(nóng)戶(hù)僅占1.92%。此外，流域上、下游各葡萄園施肥量差異較大，上游有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥的純氮投入比例約為1.2﹕1，下游則為1﹕1.3。且上、下游地區(qū)葡萄園農(nóng)戶(hù)平均氮肥施用量分別為（1 492.79±988.90）和（1 079.31± 638.25）kg·hm-2，遠(yuǎn)高于永定河流域葡萄園合理施氮量（270—330 kg·hm-2）[2]，是其3—5倍。因此，農(nóng)戶(hù)施肥應(yīng)具有動(dòng)態(tài)性，根據(jù)葡萄各生育時(shí)期的需肥特性，結(jié)合土壤肥力，合理施氮，改善土壤理化性質(zhì)。本研究還發(fā)現(xiàn)永定河流域上游氮素平均盈余量為1 430.41 kg·hm-2，是下游的1.39倍，均高于盧樹(shù)昌等[37]調(diào)查的河北省葡萄園氮養(yǎng)分盈余量（911 kg·hm-2）。與孫卓玲[34]對(duì)懷來(lái)、涿鹿兩縣葡萄園氮投入研究結(jié)果一致，涿鹿縣葡萄園氮素投入遠(yuǎn)高于懷來(lái)縣，是其3.6倍。可見(jiàn)，流域葡萄園氮投入量過(guò)高現(xiàn)象長(zhǎng)期存在，這與氮肥投入水平和葡萄的經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)，園主普遍存在“高投入等于高產(chǎn)出”的認(rèn)知觀念有關(guān)；也與該地區(qū)葡萄園土壤以壤質(zhì)砂土或砂質(zhì)壤土的土壤質(zhì)地類(lèi)型有關(guān)，土壤保水保肥能力較差，養(yǎng)分易淋失，而葡萄主要根系分布在40 cm以上土層，因此氮肥投入較高。

前人研究表明，施氮量對(duì)葡萄園土壤氮素含量、累積量均有顯著影響[22,38-39]。而本研究結(jié)果表明，氮素投入與硝態(tài)氮累積量呈正相關(guān)，但不顯著，且相較表層硝態(tài)氮累積量而言，與中層、深層硝態(tài)氮相關(guān)性更強(qiáng)。這與在其他作物上的研究結(jié)果一致[40-42]。可能是由于永定河流域葡萄園土壤質(zhì)地偏砂，對(duì)養(yǎng)分固持能力較弱。永定河流域上、下游0—60 cm土層平均硝態(tài)氮累積量分別達(dá)到92.44和48.12 kg·hm-2，土壤剖面空間垂直分布上均在底層硝態(tài)氮累積量最高，因?yàn)殚L(zhǎng)期的氮肥投入為土壤硝態(tài)氮累積提供物質(zhì)條件，高氮肥投入伴隨大水漫灌會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮的大量累積并向下層土壤遷移[11]。

3.2 高程對(duì)永定河流域葡萄園土壤硝態(tài)氮累積的影響

海拔變化引起的溫度和水分等環(huán)境因子的改變是影響土壤氮素空間異質(zhì)性的重要因素[24]。硝態(tài)氮作為土壤可溶性氮素的重要組成之一，其空間分布因海拔變化而具有異質(zhì)性[43-44]。本研究中，流域上游土壤硝態(tài)氮累積量隨著高程的升高呈現(xiàn)出增高—降低—增高—降低的“M”型變化，而流域下游土壤硝態(tài)氮累積量隨著高程的升高則呈現(xiàn)出增高—降低—增高的趨勢(shì)，這與流域上、下游不同高程土壤含水量變化趨勢(shì)相同。一方面可能是由于土壤含水量沿海拔的變化使得土壤中的水溶性氮含量發(fā)生變化，促進(jìn)氮素礦化能力，進(jìn)而增加該海拔處的硝態(tài)氮含量[45]。另一方面可能是由于不同高程范圍內(nèi)葡萄園氮素投入量不同（表1），造成土壤硝態(tài)氮累積分布差異[46]。但整體上流域上、下游葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量隨高程的升高有增加的趨勢(shì)。研究還發(fā)現(xiàn)，高程與表層土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關(guān)，而與中層和底層土壤硝態(tài)氮累積量相關(guān)性不顯著。這同SHARMA等[47]對(duì)喜馬拉雅氮轉(zhuǎn)化率的研究相似，說(shuō)明表土氮轉(zhuǎn)化率對(duì)海拔和溫度的響應(yīng)高于底土，但在土壤中氮素因子和水分因子的控制下，隨海拔的升高，氮轉(zhuǎn)化率的變化不一致。

本研究還發(fā)現(xiàn)，流域上游土壤硝態(tài)氮累積量在600—650 m高程最高，顯著高于其他高程，但相同高程各土層間差異不顯著，說(shuō)明相比土層深度，高程對(duì)硝態(tài)氮分布影響更大。另外，本研究中流域上游不同土層硝態(tài)氮累積量均在450—500 m高程范圍內(nèi)最低，且僅450—500 m高程處相同土層上游的硝態(tài)氮累積量低于下游，其余高程均是相反，說(shuō)明土壤硝態(tài)氮分布同樣受區(qū)域地形地貌影響，也可能是與上游葡萄園氮素投入高于下游以及450—500 m高程區(qū)域內(nèi)葡萄園氮素投入相對(duì)較低有關(guān)。此外，有關(guān)研究表明，好氧微生物活性的增加，土壤氨化速率、硝化速率增加，促使NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N的速率增加，使得位于高水位高程和上游斷面土壤硝態(tài)氮含量高[48]。本研究中處于涿鹿縣的流域上游區(qū)域水位高于處于懷來(lái)縣的流域下游區(qū)域水位[49]，可能使上游葡萄園土壤硝態(tài)氮偏高。

4 結(jié)論

4.1 永定河流域上游和下游葡萄園平均氮素投入量分別為1 492.79和1 079.31 kg·hm-2，平均氮素盈余量分別為1 430.41和1 027.23 kg·hm-2，過(guò)量的氮素投入導(dǎo)致土壤氮素大量盈余，應(yīng)適當(dāng)減少氮肥投入的同時(shí)重視有機(jī)無(wú)機(jī)肥投入比例。

4.2 永定河上游和下游葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮累積量空間分布與含量趨勢(shì)一致，同時(shí)，0—60 cm垂直土層均呈現(xiàn)上游高于下游，局部區(qū)域斑塊狀分布的格局。600—650 m高程，上游葡萄園土壤硝態(tài)氮含量和累積量均最高，顯著高于其他高程（＜0.05）；而下游受高程的影響不顯著。

4.3 葡萄園氮素投入與所處高程是影響土壤硝態(tài)氮累積量的重要因素。表層硝態(tài)氮累積量分布主要受高程影響，底層硝態(tài)氮累積量分布主要受氮素投入影響。

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Spatial Distribution of Nitrate in Vineyards Soils in Yongding River Basin, Hebei Province

LI SiQi1, WANG ZhiHui2, CHANG YuYao1, JI YanZhi1, GUO YanJie1, LIU Jun3, ZHANG LiJuan1, WANG YaJing1

1College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University/Key Laboratory of Farmland Eco-Environment of Hebei Province/Innovation Center of Urban Forest Health Technology of Hebei Province, Baoding 071000, Hebei;2Geological Prospecting Institute, China General Administration of Metallurgical Geology, Baoding 071000, Hebei;3Hebei Academy of Forestry Sciences, Shijiazhuang 050061

【Objective】The relationship between nitrogen input, elevation of vineyards and soil nitrate content and accumulation in Yongding River Basin was studied, in order to provide a theoretical basis for rational fertilization and reduction of environmental pollution risks of vineyards in Yongding River Basin. 【Method】52 typical vineyards in Yongding River Basin of Hebei Province were selected as the research objects. The current situation of nutrient input in the vineyard was analyzed through field investigation. Soil nitrate contents of 0-60 cm (20 cm interval) was measured through indoor analysis, and its accumulation and surplus were calculated. Spatial variability of nitrogen input and surplus, soil nitrate content and accumulation were analyzed by ArcGIS geostatistics. 【Result】Less than 50% of farmers in Yongding River basin applied organic fertilizer, mainly using inorganic fertilizer. The average nitrogen input in upstream and downstream vineyards was (1 492.79±988.90) and (1 079.31±638.25) kg·hm-2, respectively. The average nitrogen surplus were (1 430.41±993.01) and (1 027.23±637.37) kg·hm-2, respectively. There was a significant positive correlation between nitrogen input and surplus (＜0.01), and the spatial distribution showed a decreasing trend from west to east.The variation and spatial distribution of soil nitrate content and accumulation in different soil layers were consistent. The low value area was mainly distributed in the downstream, while the high value area was mainly distributed in the upstream. The average nitrate content of 0-60 cm soil profile in the upper and lower reaches was 34.96 and 18.76 mg·kg-1, respectively, and the average cumulative amount was 92.44 and 48.12 kg·hm-2, respectively, which showed significant differences among different soil layers. Soil nitrate content and accumulation in the upper reaches were the lowest in the 20-40 cm soil layer, and increased with the increase of soil layer in the lower reaches. Soil nitrate content and accumulation in the upper reaches were the highest at 600-650 m elevation, which were significantly higher than those at other elevations (＜0.05). However, soil nitrate content and accumulation in the lower reaches were not significantly affected by elevation. Correlation analysis showed that the distribution of nitrate accumulation in the surface layer were mainly affected by elevation, while in the bottom layer were mainly affected by nitrogen input.【Conclusion】In the Yongding River Basin, the nitrogen surplus of vineyards in the study area was serious, and the nitrate in the vertical soil layer accumulated to the deep layer. The soil nitrate content and accumulation at different elevations (except 450-500 m) were higher in the upstream than in the downstream, but the variation trend of vertical distribution was different, which was jointly affected by the elevation and nitrogen input.

Yongding River Basin; vineyards; nitrogen input and surplus; elevation; nitrate content; nitrate accumulation; the spatial distribution

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.17.013

2022-08-30；

2022-12-06

河北省懷來(lái)縣科技支撐計(jì)劃（2021C-04）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0200106）、河北省自然科學(xué)基金（D2020204006）

李思奇，E-mail：lisiqi_hebei@163.com。通信作者張麗娟，E-mail：lj_zh2001@163.com。通信作者王婭靜，E-mail：wangyj117@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）