郭旭新，趙 英，樊會(huì)芳，高志永

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

獼猴桃(Actinidia Lindl)是20世紀(jì)人工馴化和選育較為成功的野生樹種之一，其果實(shí)具有較高的營(yíng)養(yǎng)和醫(yī)療價(jià)值，被譽(yù)為“水果之王”，頗受廣大消費(fèi)者的歡迎。陜西省獼猴桃人工栽種起步最早、發(fā)展最快、規(guī)模最大，主要分布在陜西關(guān)中渭河以南至秦嶺北麓[1]。至2009年11月，省內(nèi)獼猴桃的種植面積已達(dá)4.25 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量51.08 萬(wàn)t，分別占全國(guó)的60%和70%[2]。

獼猴桃為喜陰喜濕樹種，對(duì)水分需求極大，耐旱能力差，對(duì)水分旱澇響應(yīng)十分敏感，對(duì)土壤肥力要求較高。獼猴桃在陜西關(guān)中地區(qū)大規(guī)模種植且商品化時(shí)間短，目前該地區(qū)關(guān)于獼猴桃研究主要集中在疾病調(diào)查、探討與防治[3,4]，施肥對(duì)其生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益影響[1,5-7]，栽培技術(shù)及栽植適宜區(qū)域劃分[8,9]，土壤養(yǎng)分調(diào)查和評(píng)價(jià)[10,11]。對(duì)其不同灌溉方式、不同灌溉方式水平下土壤質(zhì)量研究尚未深入。因此，本研究于2016年3月，在眉縣金渠鎮(zhèn)田家寨村及奇峰合作社和楊凌蔣家寨獼猴桃果園布設(shè)微噴灌、地面灌和滴灌處理，測(cè)定了0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷和堿解氮，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并利用土壤質(zhì)量指數(shù)對(duì)不同灌溉處理土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，本研究對(duì)全面了解不同灌溉方式下獼猴桃土壤質(zhì)量，篩選合理灌溉方式，提高獼猴桃產(chǎn)量，改善土地管理水平，提升果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入，營(yíng)造良好果園生態(tài)環(huán)境意義重大，以期為獼猴桃節(jié)水灌溉技術(shù)及土地可持續(xù)性利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)分別布設(shè)于陜西省眉縣田家寨村(107°46′E，34°15′N)、奇峰果業(yè)(107°43′E，34°17′N)和楊凌蔣家寨(108°01′E，34°18′N)。該區(qū)域?qū)儆陉P(guān)中平原，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫12～13.6 ℃，年降水量為550～660 mm。受季風(fēng)氣候影響，降水主要集中在夏秋季的7-9月，海拔高度320～924 m，年日照時(shí)數(shù)1 646～2 025 h，無(wú)霜期193～285 d，渭河由西向東橫貫關(guān)中平原，水資源豐富，便于灌溉，目前獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，種植面積廣，經(jīng)濟(jì)收入可觀，成為該區(qū)域主栽樹種[10]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)布設(shè)在陜西省眉縣田家寨村、眉縣奇峰果業(yè)和楊凌蔣家寨，試驗(yàn)處理選擇廣大果農(nóng)長(zhǎng)期在生產(chǎn)實(shí)踐中采用的微噴灌、地面灌和滴灌，3種處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為30×15 m2(長(zhǎng)×寬)，供試獼猴桃品種選為關(guān)中地區(qū)種植面積最廣的“徐香”，株行距為2 m×4 m，于2016年3月進(jìn)行布設(shè)試驗(yàn)。本試驗(yàn)灌溉制度及施肥情況按農(nóng)戶傳統(tǒng)的管理方式進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行除草處理。微噴灌和滴灌處理采用水肥一體化，地面灌溉處理施肥采用人工追施，其中氮肥(N)用量345 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量473 kg/hm2，鉀肥(K2O)用量689 kg/hm2。各處理灌溉方案見(jiàn)表1。

1.3 土壤樣品采集

2017年10月在每個(gè)樣地的獼猴桃株間中部，沿長(zhǎng)度方向5、15和25 m處利用100 cm3環(huán)刀和土鉆分別取樣，獼猴桃根系主要分布在0～50 cm土層范圍內(nèi)，本文取樣土層深度定為0～50 cm，取樣步長(zhǎng)為10 cm，每個(gè)樣地取樣15個(gè)。將取土完成的環(huán)刀口上下密封，從取土土鉆處取約150 g土樣裝入密封袋，每個(gè)樣上進(jìn)行標(biāo)注并送回試驗(yàn)室對(duì)土壤的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。

表1 獼猴桃園各處理灌溉方案(制度)Tab.1 Irrigation scheme (system) of experimental treatment for Kiwifruit plantations

1.4 土壤指標(biāo)測(cè)定

土壤容重、田間持水量、孔隙度的測(cè)定為環(huán)刀法；有機(jī)質(zhì)測(cè)定為重鉻酸鉀容量法；速效鉀測(cè)定為酸銨提取法、堿解氮的測(cè)定為堿解擴(kuò)散法、速效磷的測(cè)定為碳酸氫鈉法[12,13]。

1.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量不能夠直接測(cè)定，可以通過(guò)其他指標(biāo)來(lái)間接計(jì)算，土壤質(zhì)量指標(biāo)是從環(huán)境管理和生產(chǎn)潛力兩個(gè)方面評(píng)價(jià)土壤可持續(xù)性或土壤健康狀況的條件、功能和性狀，土壤質(zhì)量指標(biāo)一般基于土壤理化性質(zhì)和種植植被的生產(chǎn)力[14]。為選取具有代表性的指標(biāo)對(duì)不同處理土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文采用常用的主成分分析法對(duì)測(cè)定的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選[15]。具體步驟為：①對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并選取特征變量大于1的主成分；②選取載荷因子最大的變量，同時(shí)選取載荷因子與最高載荷因子不超過(guò)10%的因子；③對(duì)選取的變量進(jìn)行pearson相關(guān)分析，選取pearson相關(guān)系數(shù)大的變量。利用如下公式進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算：

(1)

式中：SQI為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；Wi為第i個(gè)因子權(quán)重系數(shù)；Si為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

Wi計(jì)算根據(jù)主成分分析的結(jié)果，該值為評(píng)價(jià)指標(biāo)公因子方差占公因子方差之和的比例。Si根據(jù)隸屬函數(shù),計(jì)算其隸屬度值。田間持水量、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、堿解氮和速效磷的隸屬度值采用S型隸屬度函數(shù)式(2)計(jì)算，指標(biāo)越高表明土壤質(zhì)量越好，但當(dāng)指標(biāo)達(dá)到一臨界值時(shí)，其效用趨于恒定。土壤容重的隸屬度值采用拋物線型隸屬函數(shù)式(3)計(jì)算，該指標(biāo)在一定范圍內(nèi)土壤質(zhì)量最好，但當(dāng)指標(biāo)達(dá)到一臨界值時(shí)，其效用變差。評(píng)價(jià)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值、下限和上限和最適值采用黃土高原土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)值[16]。

S型隸屬度函數(shù)：

(2)

拋物線型隸屬函數(shù)：

(3)

式中：F(X)為隸屬函數(shù)；X為評(píng)價(jià)因素的實(shí)際指標(biāo)值；X0分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值；a1和a2為評(píng)價(jià)指標(biāo)的下限和上限值；b1和b2為最適值的上下界點(diǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對(duì)土壤物理性質(zhì)影響

表2為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤物理性質(zhì)，由表2可知，3種灌溉處理土壤容重在0～30 cm各土層內(nèi)，地面灌溉顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)，微噴灌和滴灌處理無(wú)顯著性差異；在30～50 cm各土層內(nèi)，3種處理無(wú)顯著差異，在0～50 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最大，均值為1.58 g/cm3，顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理田間持水量在0～10 cm土層內(nèi)微噴灌顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～50 cm各土層內(nèi)，微噴灌和滴灌處理無(wú)顯著差異；在0～50 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最小，均值為22.92%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理土壤孔隙度在0～10 cm土層內(nèi)無(wú)顯著差異；在10～30 cm各土層內(nèi)，地面灌溉顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)；在30～50 cm土層內(nèi)無(wú)顯著差異；在0～50 cm各土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最小，均值為40.69%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。

表2 不同灌溉處理土壤物理性質(zhì)方差分析Tab.2 Analysis of variance of soil physical properties by different treatments

注：不同小寫字母表示相同土層LSD檢驗(yàn)差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，下同。

2.2 不同灌溉處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)影響

表3為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)，表3顯示，3種灌溉處理有機(jī)質(zhì)在0～20 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉顯著大于滴灌(P<0.05)；在20～50 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌溉處理無(wú)顯著性差異；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為1.43%～1.62%，無(wú)顯著差異。3種灌溉處理速效鉀在0～50 cm土層內(nèi)差異顯著(P<0.05)，大小次序?yàn)榈孛婀?微噴灌>滴灌。3種灌溉處理速效磷在0～10 cm土層內(nèi)差異顯著(P<0.05)；在10～40 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌處理無(wú)差異，但二者顯著高于滴灌處理(P<0.05)；在40～50 cm土層內(nèi)，微噴灌和滴灌處理無(wú)差異；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為9.35～38.51 g/cm3，微噴灌和地面灌溉處理無(wú)差異，但二者顯著高于滴灌處理23.45和29.16 g/cm3(P<0.05)。3種灌溉處理堿解氮在0～20 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌溉處理無(wú)差異；在20～40 cm各土層內(nèi)微噴灌和滴灌無(wú)差異；在40～50 cm土層差異顯著(P<0.05)；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為48.81～60.51 g/cm3，無(wú)顯著差異。

表3 不同灌溉處理土壤化學(xué)性質(zhì)方差分析Tab.3 Analysis of variance of soil chemical properties by different treatments

2.3 不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)

為選取具有代表性的土壤變量對(duì)獼猴桃園不同灌水處理土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用主成分分析法對(duì)7個(gè)土壤理化指標(biāo)進(jìn)行篩選，結(jié)果見(jiàn)表4。主成分分析顯示(表4)，KMO值為0.832，Bartlett球形度檢驗(yàn)P值<0.001，說(shuō)明變量之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行因子分析；其中2個(gè)主成分特征值大于1且累計(jì)頻率達(dá)到86.743%(表4)，在第一主成分因子荷載中，堿解氮的荷載為0.967，達(dá)最大，首先選擇。而堿解氮分別與速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)荷載值差值不超過(guò)10%，因此也被選擇作為代表性因子；在第二主成分因子荷載中，土壤容重和土壤孔隙度荷載絕對(duì)值達(dá)0.9以上，因此將二者選為代表性因子。

為了實(shí)現(xiàn)變量的約減和降維，找出綜合變量，并能反映原來(lái)變量的信息，對(duì)高因子載荷值進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。表5表明，第一主成分因子荷載中，土壤容重與土壤孔隙度相關(guān)系數(shù)為-0.975，為極顯著；第二主成分因子荷載中，有機(jī)質(zhì)與速效鉀、速效磷、堿解氮的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.869～0.919，且極顯著，綜上，選擇土壤容重和有機(jī)質(zhì)對(duì)獼猴桃園不同處理土壤進(jìn)行質(zhì)量指數(shù)計(jì)算，土壤容重和有機(jī)質(zhì)權(quán)重分別為0.524和0.476。

不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)在不同土層顯著性分析表明(表6)，就各測(cè)定土層而言，在0～10 cm土層，微噴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)為0.653，顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～30 cm各土層，微噴灌和地面灌溉處理無(wú)顯著差異；在10～50 cm各土層，滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍為0.457～0.513，顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。就總土層而言(0～50 cm)，滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)較微噴灌和地面灌溉處理分別高0.047和0.099，顯著高于地面灌溉處理(P<0.05)，與微噴灌處理無(wú)顯著性差異。

表4 土壤質(zhì)量指標(biāo)的主成分因子荷載、公因子方差及權(quán)重Tab.4 Principal component factor load and common factor variance of soil quality indicators

表5 主要因子的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.5 Pearson correlation coefficient of key factors

注：**和*分別表示P<0.01和P<0.05。

表6 不同灌溉處理土壤質(zhì)量指數(shù)在不同土層顯著性分析Tab.6 Analysis of variance of soil quality index with different treatments

3 討 論

土壤肥力是土壤功能和土壤質(zhì)量本質(zhì)屬性，科學(xué)評(píng)價(jià)土壤肥力，能使我們精準(zhǔn)了解土壤本質(zhì)，合理規(guī)劃和利用土地資源，為發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)[17]。本研究表明關(guān)中獼猴桃園微噴灌、地面灌溉和滴灌在0～50 cm土層的速效鉀分別為229.59、366.66和109.16 mg/kg；速效磷分別為32.80、38.51和9.35 mg/kg；堿解氮分別為52.89、60.51和48.81 mg/kg；有機(jī)質(zhì)分別為14.25、16.23和15.68 g/kg。結(jié)合《西安市土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)及推薦施肥指標(biāo)體系》[18]對(duì)獼猴桃土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥均處于極豐富或豐富等級(jí)，而氮肥和有機(jī)質(zhì)均缺乏。過(guò)量施用磷肥和鉀肥，降低肥料的利用率，造成土壤環(huán)境惡化，形成次生鹽漬化，破壞微生態(tài)平衡，甚至影響果蔬的品種和產(chǎn)量[19-21]。Ju等[22]的研究表明，氮肥用量降低30%～60%，作物產(chǎn)量不會(huì)顯著降低，氮肥施用過(guò)量，作物產(chǎn)量并不會(huì)增加，經(jīng)濟(jì)收入和肥料利用率反而降低[23]。根據(jù)獼猴桃養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判定滴灌處理的磷肥、鉀肥和氮肥均不足，有機(jī)質(zhì)缺乏。滴灌滴水點(diǎn)附近是速效磷含量高值的分布區(qū)，也是速效鉀在短期淺層土壤集聚區(qū)[24]，本研究土樣的取樣點(diǎn)選在株距中間位置，可能導(dǎo)致滴灌處理測(cè)定土樣中鉀和磷肥偏低。施用有機(jī)肥可使土壤中的堿解氮和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量等顯著增加，有機(jī)質(zhì)增加達(dá)24.8%～29.8%[25-27]，有機(jī)肥與化肥配合施用可提高獼猴桃糖酸比、可溶性總糖及維生素C等[28]，是獼猴桃園土壤肥力管理的有效方法[6]。通過(guò)對(duì)比3種灌溉處理土壤質(zhì)量指數(shù)發(fā)現(xiàn)滴灌處理使10～50 cm各土層土壤質(zhì)量顯著高于微噴灌和地面灌(表6)，滴灌較地面灌溉處理顯著改善土壤通氣性和持水性(表2)。因此，建議今后獼猴桃園灌溉方式采用滴灌，并增加有機(jī)肥投入，從而達(dá)到改善土壤理化性狀，實(shí)現(xiàn)獼猴桃園土地生產(chǎn)力可持續(xù)性發(fā)展。

土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)是農(nóng)業(yè)土地可持續(xù)利用的一個(gè)重要思想和指標(biāo)[14]，評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于指標(biāo)的選擇，本研究利用主成分分析法將單指標(biāo)的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，全方位反映土壤質(zhì)量水平，最終選取土壤容重和有機(jī)質(zhì)作為評(píng)價(jià)獼猴桃園土壤質(zhì)量指標(biāo)。這與已有研究相一致[29,30]。土壤容重因土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等不同而各異，它不僅影響?zhàn)B分和水分的供應(yīng)，而且影響其他物質(zhì)性質(zhì)和變化過(guò)程[14]。土壤有機(jī)質(zhì)為植物生長(zhǎng)提供氮、磷、鉀和各種營(yíng)養(yǎng)元素，也為土壤微生物活動(dòng)提供能源，它通過(guò)對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的作用影響土壤肥力特性，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[31]?？梢?jiàn)本研究選取的指標(biāo)能夠綜合反映土壤質(zhì)量，可為獼猴桃園土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

在陜西關(guān)中3個(gè)獼猴桃園試驗(yàn)地布設(shè)微噴灌、地面灌和滴灌處理，對(duì)試驗(yàn)地0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷和堿解氮進(jìn)行了測(cè)定，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并利用土壤質(zhì)量指數(shù)對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論。

(1)微噴灌和滴灌處理土壤容重、土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層內(nèi)無(wú)差異，在0～30 cm各土層均顯著優(yōu)于地面灌溉處理(P<0.05)；地面灌溉處理的土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層均低于微噴灌和滴灌處理，而土壤容重在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(2)3種處理的速效鉀在0～50 cm各土層內(nèi)存在顯著差異(P<0.05)，其大小次序?yàn)榈孛婀喔?微噴灌>滴灌；微噴灌和地面灌溉處理的速效磷在10～40 cm土層無(wú)差異，顯著高于滴灌(P<0.05)；微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥在0～50 cm土層內(nèi)均處于極豐富或豐富等級(jí)；地面灌溉處理的有機(jī)質(zhì)和堿解氮在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(3)土壤容重和有機(jī)質(zhì)是反映獼猴桃園土壤質(zhì)量的綜合指標(biāo)，其權(quán)重分別為0.524和0.476。

(4)微噴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)在0～10 cm土層分別顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)在10～50 cm各土層顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。