李青華 張 靜 王 力? 王延平

（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 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

陜西省是我國(guó)蘋(píng)果主產(chǎn)區(qū)，獨(dú)特的光熱資源使其成為我國(guó)優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果生產(chǎn)基地之一。自20世紀(jì)80年代在陜西省蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略北移的布局下，開(kāi)始大面積發(fā)展蘋(píng)果種植，目前蘋(píng)果種植已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收的主要方式。陜北黃土丘陵溝壑區(qū)屬干旱氣候區(qū)，潛在蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，水資源短缺已成為制約該地區(qū)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象，一般認(rèn)為，土壤干化是氣候干旱與植被過(guò)度耗水雙重作用下形成的，持續(xù)干化的后果是形成土壤干層。土壤干層是指土壤剖面中，隱伏在多年平均降水入滲層以下，因植被深層吸水且不能被雨季降水入滲恢復(fù)，由土壤水分負(fù)循環(huán)而導(dǎo)致的干化土層［1］。至80年代，人工林草地下普遍出現(xiàn)土壤干層，且干層厚度越來(lái)越深。因此有關(guān)土壤干化及土壤水分問(wèn)題一直是目前有關(guān)生態(tài)、農(nóng)業(yè)等方面研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，土壤營(yíng)養(yǎng)狀況作為影響果樹(shù)生長(zhǎng)、產(chǎn)量以及果實(shí)品質(zhì)的重要因素［2-3］，對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展也同等重要。然而，在大面積蘋(píng)果經(jīng)濟(jì)林種植和生產(chǎn)過(guò)程中，隨著種植面積的擴(kuò)大及果樹(shù)利用年限的增長(zhǎng)，蘋(píng)果林土壤水分和養(yǎng)分消耗持續(xù)增加，土壤水分不斷虧缺，養(yǎng)分含量普遍降低，果園生產(chǎn)力顯著降低，與之伴隨一系列的土壤環(huán)境惡化、養(yǎng)分不均衡、果品生理病害嚴(yán)重，蘋(píng)果產(chǎn)量及品質(zhì)下降等問(wèn)題［4］，導(dǎo)致生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)欠佳。又因蘋(píng)果屬多年生、深根系、高耗水、喜肥水植物，對(duì)土壤水分利用深度可超過(guò)10 m，對(duì)養(yǎng)分利用深度可達(dá)2 m［5］。因此，測(cè)定和分析蘋(píng)果園地深層土壤水分及養(yǎng)分狀況，綜合分析和評(píng)估影響果園產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)果園水分、養(yǎng)分科學(xué)管理和合理施肥具有重大意義。

水分是限制干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)最重要的制約因子，土壤水環(huán)境可顯著地影響土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)礦化、積累和吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、微生物活動(dòng)等。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)黃土高原土壤水分和養(yǎng)分特征進(jìn)行了研究。如土壤水分研究包括土壤水分區(qū)域分異特征、植被生長(zhǎng)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響、土壤干化對(duì)陸地水循環(huán)的影響以及從植物生理角度明確植被蒸騰耗水規(guī)律等［6-8］。養(yǎng)分研究包括不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分異質(zhì)性、不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分或?qū)ν寥牢锢硇再|(zhì)的影響、長(zhǎng)期施肥條件下農(nóng)田或果園養(yǎng)分變異特征以及土壤養(yǎng)分對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響等［9-12］，但針對(duì)不同樹(shù)齡山地蘋(píng)果林深層土壤水分與養(yǎng)分的綜合分析研究較少。陜北黃土丘陵區(qū)大多為山地梯田雨養(yǎng)果園，立地條件差，土壤較貧瘠，蘋(píng)果林地土壤干層的出現(xiàn)不僅阻止雨季對(duì)深層土壤水分的補(bǔ)充，導(dǎo)致土壤水庫(kù)調(diào)節(jié)作用幾乎喪失，而且進(jìn)一步影響到果樹(shù)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，因此揭示深層土壤水分和養(yǎng)分變異特征以及土壤干化誘發(fā)養(yǎng)分失衡的機(jī)理研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究采用空間序列代替時(shí)間序列的方法，旨在揭示不同樹(shù)齡蘋(píng)果林土壤剖面水分特征和土壤養(yǎng)分演變規(guī)律，探明土壤干化引起的養(yǎng)分失衡原因，以期為黃土高原丘陵溝壑區(qū)蘋(píng)果林地土壤水分、養(yǎng)分科學(xué)管理以及果園土壤培肥、合理施肥提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)米脂試驗(yàn)站進(jìn)行。米脂縣位于陜北黃土高原北部，陜西省榆林市境內(nèi)（109°49′～110°29′E，37°39′～38°5′N(xiāo)）。屬典型的黃土丘陵溝壑地貌，暖溫帶半干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫8.3℃。日照時(shí)數(shù)8.35 h，無(wú)霜期160～170 d，年均降雨量400 mm左右，多集中在7—9月。土壤類(lèi)型主要為黃綿土，土層深厚，土質(zhì)疏松，土壤容重1.3 g cm-3，田間持水量22%，凋萎濕度3.5%，土壤穩(wěn)定濕度12.75%，pH8.91。試驗(yàn)選擇地勢(shì)、種植密度、施肥措施和田間管理盡量一致的7 a、10 a、18 a、25 a、30 a和41 a六類(lèi)不同樹(shù)齡典型旱作果園（表1），均無(wú)補(bǔ)充灌溉。同時(shí)選擇與25 a果園臨近的玉米地作為對(duì)照，測(cè)定土壤水分。所有果園土壤類(lèi)型均為黃綿土、立地條件為梯田果園，栽植品種主要為紅富士、秦冠。

表1　樣地概況Table 1　General information of the sample plots

1.2　蘋(píng)果林地土壤水分和養(yǎng)分測(cè)定

在黃土丘陵溝壑區(qū)的典型代表米脂縣于2016年7月中旬選取7 a、10 a、18 a、25 a、30 a和41 a六類(lèi)不同樹(shù)齡典型山地果園，分別代表三個(gè)生長(zhǎng)期，幼齡期（7 a、10 a）、盛果期（18 a、25 a）及衰退期（30 a、41 a）。每個(gè)果園選擇三個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)位于生長(zhǎng)均勻一致的四棵果樹(shù)的中心，用土鉆法分層采取土樣。其中，土壤水分取樣深度為0～1 000 cm，土壤養(yǎng)分取樣深度為0～300 cm，均為每隔20 cm取一個(gè)土樣，土壤水分的測(cè)定用烘干法：在105℃恒溫條件下連續(xù)烘干8 h至恒重，分別稱(chēng)濕土質(zhì)量、干土質(zhì)量和鋁盒質(zhì)量，最后分別計(jì)算各層土壤質(zhì)量含水量（w），計(jì)算如下：

式中，w為土壤質(zhì)量含水量，g kg-1；m1為濕土加鋁盒質(zhì)量，g；m2為干土加鋁盒質(zhì)量，g；m0為鋁盒質(zhì)量，g；103為換算系數(shù)。

土壤養(yǎng)分的測(cè)定：將采集到相同樣地3個(gè)采樣點(diǎn)相同土層土樣均勻混合，用四分法取樣，將剩余土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過(guò)0.15 mm和1 mm篩，妥善保存?zhèn)溆谩y(cè)定項(xiàng)目包括：土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷和速效鉀。有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮測(cè)定采用凱式定氮法，堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，全磷測(cè)定采用H2SO4-HClO4消解—鉬銻抗比色法，速效磷測(cè)定采用0.5 mol L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用1 mol L-1NH4OAc浸提—火焰光度法［13］。

1.3　土壤干化評(píng)價(jià)方法

土壤干化指數(shù) (soil desiccation index，SDI)用于評(píng)價(jià)土壤干化強(qiáng)度［14］，定義為某一土層實(shí)際土壤濕度占該層土壤穩(wěn)定有效含水量的比值。本研究以土壤穩(wěn)定濕度值作為土壤干化的上限指標(biāo)，其值以田間持水量與土壤凋萎濕度的算術(shù)平均值表示。為了準(zhǔn)確描述蘋(píng)果林地干旱脅迫程度和干化強(qiáng)度，采用曹裕等［15］修訂過(guò)的土壤干化指數(shù)，計(jì)算如下：

式中，S D I為土壤干化指數(shù)，%；S H為土壤濕度，%；W M為凋萎濕度，取值為3.5%，S S H為土壤穩(wěn)定濕度，取值為1 2.7 5%。土壤干化強(qiáng)度劃分為6級(jí):(1)S D I≥1 0 0%，為極度干化；(2)7 5%≤S D I＜1 0 0%，為強(qiáng)烈干化；(3)5 0%≤S D I＜7 5%，為嚴(yán)重干化；(4)25%≤SDI＜50%，為中度干化；(5)0≤SDI＜25%，為輕度干化；(6)SDI＜0，為無(wú)干化。

1.4　數(shù)據(jù)處理

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤不同養(yǎng)分指標(biāo)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)采用Excel 2007計(jì)算，用Origin 8.0對(duì)土壤剖面水分和養(yǎng)分狀況作圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及Pearson相關(guān)性分析。

2　結(jié) 果

2.1　蘋(píng)果林地0～1 000 cm土層土壤濕度分布特征

表2為不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～1 000 cm不同土層土壤濕度和干化指數(shù)，結(jié)果顯示，不同樹(shù)齡蘋(píng)果林0～1 000 cm土層土壤平均濕度隨樹(shù)齡增長(zhǎng)呈先增加后降低趨勢(shì)，在果樹(shù)進(jìn)入衰敗期后含水量稍有恢復(fù)。SDI與土壤濕度呈反比，表現(xiàn)為隨樹(shù)齡增加呈先降低-后增加-再降低趨勢(shì)，排序?yàn)?5 a＞41 a＞30 a＞18 a＞7 a＞10 a＞農(nóng)田，表明隨果樹(shù)的生長(zhǎng)和樹(shù)齡增大，土壤干化程度加劇，在盛果期干化程度達(dá)到最大。不同土層土壤濕度差異較大，不同樹(shù)齡0～100 cm土層土壤濕度均較高，除25 a、41 a外，其余未出現(xiàn)干化。100～300 cm土層土壤濕度較上層明顯降低，不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地在這一土層出現(xiàn)嚴(yán)重或強(qiáng)烈干化。在300～1 000 cm土層不同樹(shù)齡林地土壤濕度差異較大，表現(xiàn)為7 a、10 a出現(xiàn)輕度或中度干化，18 a、25 a、30 a、41 a林地均為強(qiáng)烈干化，表明隨果樹(shù)樹(shù)齡增加，對(duì)深層土壤水分消耗導(dǎo)致果園深層土壤干化程度加劇。農(nóng)田在0～300 cm各土層均未出現(xiàn)干化，在深層300～1 000 cm土層出現(xiàn)了輕度干化。

表2　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～1000 cm土層土壤濕度和干化指數(shù)Table 2　Soil humidity (SH) and soil desiccation index (SDI) along the 0～1 000 cm soil profiles in the apple orchards relative to age of the orchard

各樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤水分在垂直剖面上總體趨勢(shì)較為一致，并且隨著果樹(shù)生長(zhǎng)年限的增加呈規(guī)律性變化(圖1)。土壤水分在0～60 cm范圍內(nèi)變化幅度較大，不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～60 cm土層總體上均保持較高的濕度，大于土壤穩(wěn)定濕度，為土壤水分敏感層，60～100 cm土層土壤水分迅速下降，在100 cm左右降至最低值。因100 cm以下土層受外界環(huán)境因素的影響相對(duì)較小，所以植物根系吸收水分用于植物生長(zhǎng)與蒸騰的土壤水分最多的層面就是土壤低濕層［16-17］。由圖1可知，各樹(shù)齡林地土壤低濕層主要位于100～300 cm土層，但不同樹(shù)齡林地土壤低濕層范圍差異明顯。幼齡期果園土壤低濕層主要位于120～360 cm范圍，而盛果期和衰退期果園土壤低濕層主要位于120～600 cm范圍。隨樹(shù)齡增加，果樹(shù)根系耗水深度不斷增加，導(dǎo)致果樹(shù)耗水層逐漸下移。600～1 000 cm土層范圍內(nèi)，幼齡期果園土壤含水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，而盛果期和衰退期果園土壤含水量仍處于較低濕度范圍內(nèi)。從土壤水分剖面圖（圖1）來(lái)看，農(nóng)地土壤含水量在較高濕度范圍內(nèi)波動(dòng)，果園與農(nóng)地相比較，農(nóng)地各土層土壤含水量顯著大于各樹(shù)齡果園土壤含水量。

2.2　蘋(píng)果林地0～300 cm土層土壤養(yǎng)分含量特征

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤有機(jī)質(zhì)0～100 cm土層含量稍高于100～300 cm土層（表3），由標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的大小可以看出，不同樹(shù)齡土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異在0～100 cm土層略大于100～300 cm土層。0～100、100～300 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨樹(shù)齡變化趨勢(shì)基本相同，均為先增大后減小，分別在10 a、18 a時(shí)達(dá)到最大值，含量為4.58、3.05 mg kg-1。不同樹(shù)齡0～300 cm土層有機(jī)質(zhì)含量差異顯著，平均值由大到小依次為18 a＞10 a＞7 a＞25 a＞41 a＞30 a。

圖1　不同林齡蘋(píng)果林地0～1 000 cm土層土壤含水量剖面分布Fig. 1 Distribution of soil water content along the 0～1 000 cm soil profile in the apple orchards relative to age of the orchard

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤全氮和堿解氮含量均以0～100 cm土層最高，尤其0～100 cm土層堿解氮含量顯著大于100～300 cm土層。且0～100 cm土層含量隨樹(shù)齡變化幅度均較100～300 cm土層小，但不同土層兩者含量隨樹(shù)齡增大變化趨勢(shì)基本相同，均表現(xiàn)為先增大后減小再略有增大。0～100、100～300土層土壤全氮含量分別在10 a、41 a時(shí)達(dá)到最大值，堿解氮含量分別在25 a、30 a達(dá)到最大值。不同樹(shù)齡0～300 cm土層全氮含量差異顯著，平均值由大到小依次為25 a=41 a＞18 a＞10 a＞7 a＞30 a，但不同樹(shù)齡0～300 cm土層堿解氮含量差異不顯著。

不同樹(shù)齡土壤全磷和速效磷含量均以100～300 cm土層較高，且100～300 cm土層含量隨樹(shù)齡變化幅度均較0～100 cm土層小。不同土層兩者含量隨樹(shù)齡增大變化趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)為先增大后減小再略有增大。0～100、100～300、0～300 cm土層土壤全磷含量在25 a達(dá)到最大值，速效磷含量在10 a或18 a時(shí)達(dá)到最大值。不同樹(shù)齡蘋(píng)果林0～300 cm土壤全磷含量差異顯著，平均值由大到小依次為25 a＞41 a＞10 a＞7 a＞18 a=30 a，土壤速效磷含量差異也顯著，平均值由大到小依次為18 a＞25 a＞ 10 a＞7 a＞30 a＞41 a。

土壤速效鉀含量變化同土壤全氮。不同樹(shù)齡蘋(píng)果林0～300 cm土層速效鉀含量差異顯著，其平均值由大到小依次為25 a＞7 a ＞18 a＞10 a＞41 a＞30 a。不同土層間相比較，0～100 cm土層速效鉀含量較100～300 cm土層稍高。同一土層不同樹(shù)齡土壤速效鉀含量均在30 a時(shí)為最低值，25 a或7 a時(shí)為最高值。

表3　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～300 cm土層土壤養(yǎng)分含量Table 3　Distribution of soil nutrient contents along the 0～300 cm soil profile in the apple orchard relative to age of the orchard

由于不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地對(duì)土壤養(yǎng)分吸收狀況的差異及肥料的累積效應(yīng)，導(dǎo)致林地土壤養(yǎng)分豐缺程度不同（表3）。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判斷（表4）［18］，米脂地區(qū)不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～300 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量分別小于6 g kg-1、0.5 g kg-1、30 mg kg-1，均處于極缺狀態(tài)。全磷介于5.4～6.5 g kg-1，除25 a含量中等外，其余樹(shù)齡林地均較缺。速效磷介于4.56～11.86 mg kg-1，18 a林地含量最高，達(dá)11.9 mg kg-1，含量中等，其余樹(shù)齡均較缺。速效鉀介于72.0～119.7 mg kg-1，7 a、18 a、25 a含量中等，10 a、30 a、41 a含量略低。總體而言，該地區(qū)有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量處于極缺狀態(tài)，全磷、速效磷含量較缺，速效鉀含量中等。建議該地區(qū)不同樹(shù)齡果園應(yīng)加大有機(jī)肥和氮肥的投入，適當(dāng)增施磷肥，可少施或不施鉀肥。

表4　全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4　Criteria for soil grading used in the second national soil survey

2.3　蘋(píng)果林地0～300 cm土層土壤養(yǎng)分剖面變化特征

由黃土丘陵溝壑區(qū)典型代表米脂縣不同樹(shù)齡山地蘋(píng)果林0～300 cm土層土壤養(yǎng)分含量剖面分布圖（圖2）可知，不同樹(shù)齡林地土壤全氮、堿解氮含量剖面變化規(guī)律基本一致，0～60 cm土層含量均高于60～300 cm土層，表聚性明顯。上層波動(dòng)幅度大于下層，不同樹(shù)齡林地0～60 cm兩類(lèi)養(yǎng)分含量隨土層深度增加迅速下降。土壤全氮含量在60～300 cm范圍內(nèi)，隨土層加深波動(dòng)平穩(wěn)，剖面曲線(xiàn)近似垂直，但18 a、25 a盛果期蘋(píng)果林地在60～120 cm范圍內(nèi)土壤全氮含量隨土層深度增加有緩慢回升的趨勢(shì)，之后隨土層深度增加波動(dòng)性下降。各樹(shù)齡土壤堿解氮含量在60～300 cm土層范圍內(nèi)，含量急劇下降，均在較低值左右波動(dòng)，含量差異不明顯。

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～300 cm土壤全磷含量波動(dòng)平穩(wěn)，幅度較小，不同土層含量差異不顯著，因此全磷表聚性不明顯，但不同樹(shù)齡含量差異較大，25 a含量最高，30 a含量最低。各樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤速效磷0～60 cm含量較高，且隨深度增加迅速降低，60～180 cm土層含量穩(wěn)定，180 cm以下土層，隨土壤深度增加，各樹(shù)齡蘋(píng)果林地速效磷含量均有緩慢回升趨勢(shì)。

土壤速效鉀在0～300 cm土層含量分布較穩(wěn)定，但表層較高，表聚性明顯，0～60 cm土層土壤速效鉀含量隨土層深度增加迅速下降。各樹(shù)齡蘋(píng)果林地60～300 cm土層速效鉀含量波動(dòng)平穩(wěn)，剖面曲線(xiàn)近似垂直。不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～60 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量略高于60 cm以下土層，18 a、25 a、30 a含量相對(duì)較高。土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～300 cm不同土層波動(dòng)幅度較大，不同樹(shù)齡波動(dòng)規(guī)律相對(duì)一致。

綜上所述，除土壤全磷外，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀表層養(yǎng)分含量較高，表聚性明顯，在0～60 cm土層范圍隨深度增加含量急劇下降，這可能與當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣主要在0～40 cm范圍內(nèi)有關(guān)。60～300 cm土層土壤全氮、堿解氮、速效鉀含量較穩(wěn)定，土壤速效磷在180～300 cm土層有逐漸上升趨勢(shì)，土壤有機(jī)質(zhì)在60～300 cm土層范圍內(nèi)左右波動(dòng)，波幅較大。

2.4　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤水分與養(yǎng)分的相互關(guān)系

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤水分與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀含量的相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表5。由于0～60 cm土層土壤養(yǎng)分含量受施肥影響較大且這一土層土壤濕度較高，故相關(guān)性分析只考慮60～300 cm土層。由表5可知，10 a果園土壤水分與全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與有機(jī)質(zhì)、全磷含量呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）。7 a果園土壤水分除與全氮呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）外，與其余養(yǎng)分含量均無(wú)顯著相關(guān)性。除18 a果園土壤水分與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），與速效鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），41 a果園土壤水分與全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）外，其余樹(shù)齡果園土壤水分與各養(yǎng)分含量相關(guān)性均不顯著。總體而言，不同樹(shù)齡蘋(píng)果林土壤水分與全磷、速效磷、速效鉀三種養(yǎng)分相關(guān)性較差，幼齡期果樹(shù)土壤水分與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相關(guān)性較好，而盛果期及衰退期果樹(shù)土壤水分與各養(yǎng)分含量相關(guān)性均較差。

圖2　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～300 cm土層土壤養(yǎng)分含量剖面分布特征Fig. 2 Distribution of soil nutrient contents in the 0～300 cm soil profile in the apple orchards relative to age of the orchard

表5　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地60～300 cm土層土壤水分與養(yǎng)分的相關(guān)性Table 5　Pearson coefficient between soil water content and soil nutrients in the 60～300 cm soil layer in the apple orchards relative to age of the orchard

3　討 論

3.1　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤干化與養(yǎng)分變異特征

在以天然降水為土壤水分唯一補(bǔ)給源的黃土丘陵溝壑區(qū)，降水相對(duì)不足，潛在蒸發(fā)量巨大，加之植被生長(zhǎng)強(qiáng)烈耗水，林地土壤水分長(zhǎng)期處于負(fù)平衡。在連續(xù)干旱條件下，導(dǎo)致深層土壤干化形成土壤干層［19］。山地蘋(píng)果林因無(wú)灌溉條件，持久穩(wěn)定的干層常于盛果期形成，干層形成后又進(jìn)一步阻礙降雨的入滲，導(dǎo)致干化程度隨果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)而加劇，直到生長(zhǎng)后期上層土壤水分才略有恢復(fù)［5］。本研究也表明了這一現(xiàn)象，該地區(qū)不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地0～1 000 cm土層土壤含水量隨樹(shù)齡增大呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)，幼齡期林地土壤含水量大于衰退期和盛果期，即10 a林地土壤濕度最大，25 a土壤濕度最小，30 a以后土壤含水量略有升高，主要是由于幼齡期植株樹(shù)體小，對(duì)土壤水分的消耗量較小，對(duì)深層水分的利用量較少，水分供需矛盾不突出；而盛果期果樹(shù)由于蒸騰損耗量較大及果樹(shù)生長(zhǎng)所需水分較多，林木耗水量增加而造成土壤水分含量減少；衰退期果樹(shù)較盛果期果樹(shù)土壤含水量略有上升，主要原因是果樹(shù)衰敗，其生產(chǎn)能力降低，對(duì)水分的需求量也相應(yīng)減少，加之雨季上層土壤水分的補(bǔ)給，使總體土壤水分略有上升，這與王延平等［20］和包睿等［21］的研究結(jié)果一致。不同土層之間水分差異較大，因7月雨季降水的補(bǔ)充，不同樹(shù)齡林地0～100 cm土層無(wú)干化或輕度干化，100～300 cm土層為土壤水分低濕層，不同樹(shù)齡林地均出現(xiàn)強(qiáng)烈干化，幼齡期林地深層300 cm以下土層土壤含水量又逐漸升高，出現(xiàn)輕度或中度干化，隨樹(shù)齡增加耗水層逐漸下移，深層土壤儲(chǔ)水不斷消耗，盛果期和衰退期林地深層出現(xiàn)強(qiáng)烈干化。

不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤養(yǎng)分含量的演變趨勢(shì)主要與果樹(shù)的生長(zhǎng)狀況有關(guān)，在盛果期果樹(shù)根系活動(dòng)旺盛促進(jìn)土壤養(yǎng)分礦化，果樹(shù)進(jìn)入衰老期后，由于根系活力的降低，其土壤養(yǎng)分礦化的能力也隨之降低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低。當(dāng)然還與施肥量關(guān)系密切，使養(yǎng)分狀況存在一定程度的空間異質(zhì)性。本研究中，除全磷外，其余各養(yǎng)分均有表聚現(xiàn)象，0～60 cm土層含量顯著大于下層，且隨深度增加迅速下降，上層0～100 cm養(yǎng)分變異程度大于下層100～300 cm，主要與蘋(píng)果樹(shù)90%的根系分布在0～60 cm土層［22］及當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣有關(guān)，開(kāi)溝條施，施肥深度一般為0～40 cm。還可能與土壤水分狀況有關(guān)，水分與養(yǎng)分作為植物生命活動(dòng)過(guò)程中必不可少的基本物質(zhì)，水分-作物-養(yǎng)分三者之間存在內(nèi)在制約關(guān)系，土壤水和碳、氮等養(yǎng)分之間的有機(jī)耦合可通過(guò)水分狀況調(diào)節(jié)土壤微生物過(guò)程及其與養(yǎng)分間的生態(tài)交互作用而實(shí)現(xiàn)，所以從某種程度上而言作物的水分利用效率間接也反映了養(yǎng)分的利用效率，尤其是速效養(yǎng)分。在0～60 cm土層，土壤養(yǎng)分隨水分發(fā)生遷移，上層土壤養(yǎng)分波動(dòng)較大。100～300 cm土層為土壤水分低濕層，速效養(yǎng)分在這一范圍很難發(fā)生遷移，這與60～300 cm土層土壤全氮、堿解氮、速效鉀含量在較低范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果一致。而不同土層土壤全磷含量差異不顯著，主要為在北方石灰性土壤中，磷素在土壤中易被固定，很難發(fā)生遷移，導(dǎo)致磷肥利用率偏低。因此相較于土壤養(yǎng)分供應(yīng)容量（全氮、全磷），養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度（堿解氮、速效磷、速效鉀）更易受外界水熱條件的影響表現(xiàn)出不同的空間異質(zhì)性。

3.2　不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤水分與養(yǎng)分互動(dòng)效應(yīng)

Maestre等［23］指出在以全球氣候變暖為主要特征的全球氣候變化大背景下，水分限制可能在很多干旱與半干旱系統(tǒng)中變得更為嚴(yán)重。以水分為第一性，繼而可能引發(fā)水分利用效率以及有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分利用效率等資源分配與競(jìng)爭(zhēng)。本研究通過(guò)對(duì)不同樹(shù)齡蘋(píng)果林地土壤水分與各養(yǎng)分相關(guān)性分析表明，幼齡期果樹(shù)土壤水分與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相關(guān)性較好，而盛果期及衰退期果樹(shù)土壤水分與各養(yǎng)分含量相關(guān)性均較差，各養(yǎng)分并未表現(xiàn)出隨水環(huán)境變化而顯著變化的特征。究其原因與幼齡期林地土壤水分含量顯著大于盛果期及衰退期林地有關(guān)，這時(shí)水分條件并未成為限制樹(shù)體生長(zhǎng)的主要制約因子，在一定水分含量范圍內(nèi)，隨著土壤含水量上升，氮礦化速率和總量持續(xù)升高和增加，隨著土壤含水量的減少則反之；而對(duì)于盛果期及衰退期林地來(lái)說(shuō)，水分條件成為了主要的限制因素，通過(guò)增加肥料投入僅僅考慮養(yǎng)分供應(yīng)容量而忽視養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度這樣的做法顯然是不可取的，因此可通過(guò)幼齡期林地以肥調(diào)水，盛果期林地以水調(diào)肥，實(shí)現(xiàn)水分與養(yǎng)分的最優(yōu)化利用。通過(guò)對(duì)該地區(qū)土壤養(yǎng)分豐缺狀況調(diào)查，該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量均處于極缺狀態(tài)，全磷、速效磷含量較缺，速效鉀含量中等。有研究表明，有機(jī)肥施用對(duì)提高土壤肥力、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、改善土壤物理性狀及土壤環(huán)境質(zhì)量有顯著影響，并有蓄水保墑作用［24-25］，因此建議該地區(qū)不同樹(shù)齡果園應(yīng)加大氮肥投入，增施有機(jī)肥，如重視生物肥、農(nóng)家肥的使用。建議適當(dāng)增施磷肥，可少施或不施鉀肥。

相較于由干化引起的養(yǎng)分失衡，該地區(qū)土壤干化問(wèn)題更應(yīng)引起關(guān)注，即如何通過(guò)改善蘋(píng)果園土壤管理措施，從而維持和提高土壤蓄水保墑能力、提高水分及養(yǎng)分利用效率。建議該地區(qū)果園尤其盛果期果園采取蓄水保墑措施，如發(fā)展秸稈、地膜覆蓋、行間行草及建立配套生態(tài)果園深層技術(shù)等。同時(shí)本研究也存在一些不足，如對(duì)土壤水分和養(yǎng)分交互作用對(duì)蘋(píng)果產(chǎn)量的影響并沒(méi)有涉及，在現(xiàn)有水分條件下如何施肥最大化的利用水分即不同施肥處理下土壤水分動(dòng)態(tài)變化也缺少長(zhǎng)期的定位監(jiān)測(cè)，高肥條件下加重農(nóng)田深層土壤干化程度也已有報(bào)道［26］，借助于模型模擬方法代替長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)不同施肥處理下土壤水分狀況在春玉米地已有應(yīng)用［27］，故在今后的研究中應(yīng)注重運(yùn)用新的研究方法進(jìn)一步揭示土壤干化引起養(yǎng)分失衡的機(jī)理，以及不同施肥措施下深層土壤水分的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為果園進(jìn)一步生態(tài)建設(shè)、確定優(yōu)質(zhì)的水肥管理方案提供科學(xué)依據(jù)。

4　結(jié) 論

受氣候和果樹(shù)特性影響，黃土丘陵溝壑區(qū)不同樹(shù)齡山地蘋(píng)果林深層土壤均發(fā)生嚴(yán)重或強(qiáng)烈干化，300 cm以下土層幼齡期果園的土壤干化指數(shù)小于衰退期和盛果期果園，盛果期果園土壤干化指數(shù)最高。0～1 000 cm土層平均土壤含水量隨樹(shù)齡增加呈先增加后降低再略有增加趨勢(shì)，10 a果園土壤濕度最高，25 a最低，進(jìn)入衰敗期后（30 a以上）土壤含水量略有恢復(fù)。該地區(qū)不同樹(shù)齡蘋(píng)果林0～300 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量均處于極缺狀態(tài)，全磷、速效磷含量較缺，速效鉀含量中等?？傮w表現(xiàn)為上層相對(duì)豐富、下層缺乏，幼齡期含量稍高，盛果期缺乏，因此該地區(qū)不同樹(shù)齡果園尤其盛果期果園為維持高產(chǎn)更應(yīng)增加氮肥和有機(jī)肥投入，可適當(dāng)增施磷肥，少施或不施鉀肥。通過(guò)對(duì)土壤水分與養(yǎng)分的相關(guān)性分析表明，幼齡期果樹(shù)土壤水分與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相關(guān)性顯著，而盛果期及衰退期果樹(shù)土壤水分與各養(yǎng)分含量相關(guān)性不顯著，主要原因可能與幼齡期林地水分狀況相對(duì)較好，盛果期及衰退期林地水分環(huán)境惡化，深層土壤出現(xiàn)嚴(yán)重或強(qiáng)烈干化有關(guān)。因此相較于由干化引起的養(yǎng)分失衡，該地區(qū)土壤干化問(wèn)題更應(yīng)引起關(guān)注，建議該地區(qū)果園采取相應(yīng)蓄水保墑措施?？傊ㄟ^(guò)合理施用肥料，加大有機(jī)肥投入，增加土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量，提高土壤蓄水保墑能力，有助于改善黃土丘陵溝壑區(qū)山地蘋(píng)果園生態(tài)效應(yīng)。

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