郭路航， 王賀鵬， 李 妍， 許 傲， 李文超， 孫志梅， 馬文奇

(1.河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，河北 保定 071001；2.河北農業(yè)大學現(xiàn)代科技學院，河北 保定 071001)

近年來，隨著農業(yè)種植結構的調整以及人民生活對果品需求量的提高，果樹種植迅速發(fā)展，成為許多地區(qū)的主導產業(yè)。但為了追求高產、高利潤，過度施氮現(xiàn)象尤為嚴重。Lu等對華北地區(qū)集約果園調查發(fā)現(xiàn)，果園中平均氮素投入為588 kg/hm，葡萄園的平均施氮量高達1 142 kg/hm；劉占軍等通過文獻匯總和實地調研發(fā)現(xiàn)，我國蘋果產區(qū)化肥氮用量為512～1 355 kg/hm，遠超推薦用量。過量的氮肥投入必然會導致土壤硝態(tài)氮的累積，并極易隨水向土壤深層淋洗，其結果不僅造成氮肥資源的浪費，還引起地下水硝態(tài)氮污染、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，明確果園土壤硝態(tài)氮累積現(xiàn)狀，探究其影響因素，對控制和減少硝態(tài)氮在深層土壤中的累積有重要意義。

目前，國內外對果園硝態(tài)氮累積特征及其影響因素已有一些研究。馬鵬毅等研究發(fā)現(xiàn)，長期的蘋果種植加劇了100 cm土層以下的硝態(tài)氮累積；Gao等對獼猴桃園研究表明，有超過75%的硝酸鹽位于100 cm土層以下，并且硝態(tài)氮累積量高達3 288 kg/hm。管理方式的差異也會影響果園土壤硝態(tài)氮的分布，與雨養(yǎng)果園相比，灌溉果園土壤剖面硝態(tài)氮含量整體明顯偏高，累積峰值明顯下移。不僅如此，同一區(qū)域不同地貌類型的果園，土壤硝態(tài)氮分布也存在極大差異，即使在同一果園，下坡土壤硝態(tài)氮累積量也會顯著高于上坡土壤?？梢?，果園土壤硝態(tài)氮受諸多因素的影響，目前針對山前平原區(qū)以及農田轉變?yōu)槠咸褕@這一條件下土壤硝態(tài)氮變化的報道較少，基于此，本研究以保定地區(qū)為研究區(qū)域，探討在農戶生產實踐下葡萄園土壤硝態(tài)氮累積變化特征及影響因素，旨在為減少葡萄園土壤硝態(tài)氮累積及葡萄產業(yè)養(yǎng)分的科學管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為河北省保定市清苑區(qū)溫仁鎮(zhèn)(38°10′—40°00′N，113°40′—116°20′E)，是典型的太行山山前平原區(qū)，暖溫帶季風性氣候，四季分明、氣候溫和、雨熱同期、光照充足，年均氣溫12 ℃，年均降水量451 mm，無霜期165～210天，土壤類型以潮土為主。該區(qū)域葡萄種植品種主要為“巨峰”，種植年限為5～30年，栽培密度為5 000～7 400 株/hm，果園施肥以化肥為主，年均施N、PO、KO分別為100～680，56～610，160～700 kg/hm，灌溉方式主要為大水漫灌，年灌溉次數(shù)3～7次，年灌溉量約3 000～14 000 m/hm，年產量大約為22.5～68.5 t/hm。

1.2 調查內容與方法

于2020年9月，在研究區(qū)域選擇28個具有代表性的葡萄園，通過實地調研及跟蹤等方式，詳細記錄葡萄園樹齡、栽培密度及生育期內施氮量、施肥次數(shù)、灌溉次數(shù)、灌溉量等管理措施，并在收獲期進行現(xiàn)場測產。灌溉量采用以電折水法。在調研中，果農基本不施用有機肥，只計算化肥用量，施氮量通過施肥量及肥料包裝上標注的養(yǎng)分含量進行計算。

同時本研究將不同樹齡、施氮量、灌溉量水平下的28個葡萄園分別由低到高排列，均分成2個水平等級，每個等級14個葡萄園，樹齡<14年，施氮量<250 kg/hm，灌溉量<7 500 m/hm的葡萄園分別為低投入(或低樹齡)水平，記為L，相反，為高投入(或高樹齡)水平，記為H，不同等級葡萄園管理情況見表1。

表1 不同指標分級下葡萄園管理因素的差異

1.3 土壤樣品的采集與測定

于2021年4月17—20日采集土壤樣品，即葡萄出土后，萌芽之前，采集0—200 cm土壤樣品，每層20 cm。采樣點以葡萄樹干為圓心，在向外延伸40 cm處，避開施肥點。同一個葡萄園采集3鉆土壤組成混合樣，裝入自封袋中，同時采集該區(qū)域內3個臨近農田土壤樣品作為對照(CK)。帶回實驗室用于硝態(tài)氮含量的測定。采樣點分布位置見圖1，其中S1～S28為葡萄園，S29～S31為對照農田。

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤硝態(tài)氮采用KCl溶液浸提，雙波長比色法測定。土壤NO—N積累量(kg/hm)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm)×土壤NO—N含量(mg/kg)/10。土壤NO—N積聚系數(shù)=各土層NO—N均值(mg/kg)/土壤剖面NO—N均值(mg/kg)。

圖1 試驗區(qū)采樣點分布

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)計算，數(shù)據(jù)分析使用SPSS 21.0軟件，采用LSD法(<0.05)進行方差分析。不同樹齡、施氮量、灌溉量的土壤硝態(tài)氮累積量差異顯著性為原數(shù)值經ln函數(shù)轉換標準化后的數(shù)值比較，采用Excel 2016和ArcGIS 10.2軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 葡萄園土壤硝態(tài)氮分布特征

由表2可知，葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮存在很大的變異性。在水平分布上，各土層硝態(tài)氮含量變異系數(shù)均在60%以上，其中60—80 cm土層變異系數(shù)最高，達到了137.3%，原因主要是空間上和農戶間管理方式的不同。在垂直分布上，葡萄園土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出隨土層加深而增加的趨勢，0—80 cm土層硝態(tài)氮含量較低，積聚程度較弱，80 cm土層以下，隨著土層加深，硝態(tài)氮含量和積聚系數(shù)顯著增加，土壤剖面類型為底聚型，說明葡萄園土壤硝態(tài)氮有明顯的向深層土壤淋洗的現(xiàn)象。

表2 葡萄園土壤硝態(tài)氮含量的統(tǒng)計特征值

由圖2可知，農田和不同管理等級的葡萄園土壤剖面硝態(tài)氮含量隨土層深度先降低后增加，最低濃度均出現(xiàn)在60 cm土層區(qū)域，表層土壤硝態(tài)氮含量較高可能與農戶秋季施肥有關。與農田相比，葡萄園土壤硝態(tài)氮淋溶現(xiàn)象突出，在0—80 cm土層中，農田和各管理水平下葡萄園土壤硝態(tài)氮含量差異不明顯，80 cm土層以下，葡萄園土壤硝態(tài)氮含量明顯高于農田，并且不同指標分級下土壤硝態(tài)變化規(guī)律明顯不同。就樹齡而言，隨著土層深度的增加，高樹齡葡萄園土壤硝態(tài)氮含量明顯高于低樹齡葡萄園和農田。施氮量方面，土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出隨施氮量增加而增加的趨勢。灌溉量方面，呈現(xiàn)出隨灌溉量的增加而降低的趨勢，說明葡萄園在長期的大水漫灌條件下，其加速了土壤硝態(tài)氮向更深層遷移。

圖2 農田和不同樹齡、施氮量、灌溉量葡萄園土壤硝態(tài)氮分布

2.2 葡萄園土壤硝態(tài)氮累積特征

由圖3可知，在空間分布上，各葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量差異很大，總體上呈現(xiàn)出王盤村和西南佐村附近的葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量較高，這可能與葡萄種植年限有關，相比于其他村莊，王盤村和西南佐村葡萄栽培時間較早，長期的葡萄種植增加了硝態(tài)氮在土壤中的累積。在垂直分布上，各葡萄園100—200 cm土層硝態(tài)氮累積量明顯高于0—100 cm土層，其中，0—100 cm土層硝態(tài)氮的平均累積量為385 kg/hm，100—200 cm土層硝態(tài)氮平均累積量為1 169 kg/hm，分別占總累積量的24.8%，75.2%。由此可知，深層土壤硝態(tài)氮含量對0—200 cm土層總累積量貢獻更大。

由表3可知，樹齡、施氮量、灌溉量的差異均會影響葡萄園0—200 cm土層土壤硝態(tài)氮的累積，并隨著土層的加深，各處理間差異越顯著。樹齡和施氮量方面，土壤硝態(tài)氮累積量均表現(xiàn)為H>L>CK。灌溉量方面，硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)出L>H>CK。在不同深度的土層中，葡萄園土壤硝態(tài)氮累積特征呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，在100—200 cm土層，土壤硝態(tài)氮累積特征與0—200 cm變化趨勢基本一致，隨樹齡和施氮量的增加土壤硝態(tài)氮累積量增加，但灌溉量的增加會減少土壤硝態(tài)氮的累積。在0—100 cm土層中，農田和不同樹齡、施氮量、灌溉量下的葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量差異則均不顯著，說明土地利用方式的改變，顯著改變了深層土壤硝態(tài)氮的分布，增加了土壤硝態(tài)氮的累積。

注：圖中數(shù)字為0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量(kg/hm2)。

2.3 葡萄園土壤硝態(tài)氮分布累積的影響因素

由表4可知，不同樹齡水平的葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量均與施氮量呈顯著正相關關系。樹齡較低時，僅0—100 cm土層中的累積氮與施氮量呈顯著正相關，而較高樹齡的果園0—200 cm各土層硝態(tài)氮累積量均與施氮量呈顯著相關關系。說明隨著時間的推移，氮素不斷的向土壤深層淋洗和累積。

就施氮量而言，當純N施用量高于250 kg/hm，由于施用的氮肥不能被果樹完全吸收利用，則隨著葡萄種植年限的增加，必然會增加硝態(tài)氮在土壤中的累積。當純N投入量低于250 kg/hm時，施肥次數(shù)與累積氮量呈顯著的負相關關系，分次施肥能降低硝態(tài)氮在土壤中的累積。葡萄栽培密度與0—100 cm土層硝態(tài)氮累積量的相關系數(shù)也達到了-0.57的顯著水平，說明當施氮量較為合理時，密度和施氮量兩者共同作用下，能減少硝態(tài)氮在上層土壤中的累積。

表3 不同樹齡、施氮量、灌溉量下土壤硝態(tài)氮累積量 單位：kg/hm2

就灌溉量而言，當灌溉量低于7 500 m/hm時，土壤硝態(tài)氮累積量與施氮量呈顯著正相關關系，與樹齡呈極顯著正相關關系。而當灌溉量超過7 500 m/hm時，施氮量、樹齡和灌溉量對土壤硝態(tài)氮累積量均有一定程度的影響。可能因為水量輸入的程度會改變硝態(tài)氮在土層中的分布，而氮素輸入的強度和時間的增加會增加土層中硝態(tài)氮的累積量。

表4 不同管理水平下管理措施與葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量的相關性

農戶管理因素對葡萄園0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量的相關和通徑分析見表5，硝態(tài)氮累積量與樹齡和施氮量均為極顯著正相關，與灌溉量呈顯著負相關。通徑分析表明，對土壤硝態(tài)氮累積量影響最大的因素為施氮量，其次為樹齡和施肥次數(shù)，最后為灌溉量，其中施肥次數(shù)主要通過影響施氮量來間接影響硝態(tài)氮累積量。

表5 管理因素與葡萄園0-200 cm土層硝態(tài)氮累積量的相關分析和通徑分析

3 討 論

3.1 葡萄園土壤硝態(tài)氮分布累積特征

本研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)葡萄園農民習慣氮肥用量平均為297 kg/hm，高于華北葡萄園推薦施氮量，這種現(xiàn)象在其他葡萄主產區(qū)也普遍存在。過量的氮肥投入必然會增加土壤硝態(tài)氮的累積。葡萄園在0—200 cm土壤剖面中硝態(tài)氮含量及累積量呈現(xiàn)出自上而下逐漸增加的趨勢，說明該地區(qū)土壤硝態(tài)氮淋洗現(xiàn)象嚴重，可能有2個方面原因：一是該地區(qū)葡萄園土壤以砂質或砂壤質土為主，土壤保水保肥能力差，養(yǎng)分易淋失；另一方面，與果農灌溉方式有關，大水漫灌條件下加速了硝態(tài)氮向深層土壤的遷移。在0—200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量高達1 555 kg/hm，深層土壤累積現(xiàn)象嚴重，前人的研究結果也與此類似，有研究表明，葡萄主要根系分布深度為0—60 cm土層，因此，在0—200 cm土層中，有1/2以上的硝態(tài)氮淋溶到作物根系以下，難以被吸收利用。

3.2 影響葡萄園土壤硝態(tài)氮累積的因素

氣候、土壤類型、農業(yè)管理措施的改變均會影響果園土壤中的氮素去向。本研究結果表明，葡萄園0—200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量主要和施氮量、樹齡、灌溉量有關。土壤硝態(tài)氮累積量會隨著樹齡和施氮量的增加而增加，這與前人研究結果一致。在以往的研究中，水分輸入量與氮淋溶量呈正相關，李曉欣等研究表明，在農田土壤中，常年的充分灌溉條件下，土壤硝態(tài)氮淋洗嚴重，0—400 cm土層硝態(tài)氮累積量僅為504 kg/hm，顯著低于控制灌溉和非充分灌溉處理。在本研究的灌溉果園中，也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即當季灌溉量與0—200 cm土層硝態(tài)氮的累積量呈顯著的負相關關系，說明在灌溉果園中，硝態(tài)氮淋洗現(xiàn)象突出，并有可能已淋溶到200 cm以下的土層中。

在不同管理水平下，葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量及影響因素的表現(xiàn)存在差異。樹齡方面，對土壤硝態(tài)氮累積的影響也主要歸結于隨樹齡增加施氮量的增加，且樹齡大小影響累積氮在土層中的分布。低樹齡葡萄園由于種植年限較短，硝態(tài)氮在土層中的遷移距離有限，因此，硝態(tài)氮主要累積在上層土壤中。相反，樹齡較高的葡萄園，種植年限時間長，硝態(tài)氮表現(xiàn)出了明顯的向深層土壤遷移的趨勢，硝態(tài)氮淋失的風險也明顯加大。就施氮量而言，有研究表明，土壤中硝態(tài)氮濃度會隨著施氮量呈指數(shù)增加，本研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)释度胨礁哂?50 kg/hm時，在施氮量和樹齡的共同作用下，葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量呈現(xiàn)出隨樹齡和施氮量增加而增加的趨勢。而當?shù)释度肓吭诘陀?50 kg/hm時，這種趨勢不明顯，并且施肥次數(shù)與各土層硝態(tài)氮累積量呈顯著的負相關關系，說明根據(jù)作物生育期養(yǎng)分需求規(guī)律進行分次施肥，能促進果樹對氮素的吸收，減少氮素在土壤中的累積。

水量輸入方面，水分是土壤硝態(tài)氮淋溶的載體，灌溉量和降雨量是影響硝態(tài)氮淋失的一個重要因素。大田作物需水量一般為200～400 mm，果樹需水量是其1.5～4.0倍，但在華北地區(qū)，年均降水量僅500 mm左右，因此，降水量對果園硝態(tài)氮淋洗的影響程度較小，灌溉量成為決定因素。同時有研究表明，適當?shù)奶岣吖喔攘坎粌H能起到作物增產的效果，還有利于作物對硝態(tài)氮的吸收。本研究中，在低灌溉水平下，葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量與灌溉量無顯著關系，但會隨著樹齡和施氮量的增加而增加，說明低灌溉量下，硝態(tài)氮向深層土壤遷移的速率較慢。當灌溉量過高，硝態(tài)氮的淋溶量會增加，其累積區(qū)會明顯的向下遷移，在葡萄園0—200 cm土層中，呈現(xiàn)出隨著灌溉量增加土壤硝態(tài)氮累積量降低的趨勢。但在不同土層深度下，硝態(tài)氮累積量影響因素存在差異，可見，在過高的灌溉量下，灌溉量會與其他因素相互作用，進而影響硝態(tài)氮累積特征。

4 結 論

(1)葡萄生產過程中，農戶管理方式的差異導致土壤硝態(tài)氮累積特征存在很大的空間變異性，總體上，硝態(tài)氮含量和累積量隨土層加深而顯著增加，淋洗現(xiàn)象明顯，0—200 cm土層中有超過75%的硝態(tài)氮淋洗到葡萄難以利用的深度。

(2)農田到葡萄園土地利用方式的變化，顯著改變了0—200 cm土壤硝態(tài)氮的分布及累積特征，隨著樹齡、施氮量和灌溉量的增加，深層土壤硝態(tài)氮的累積現(xiàn)象越明顯。

(3)通過相關性和通徑分析表明，河北省太行山山前平原區(qū)葡萄園土壤硝態(tài)氮累積量的主要影響因素為樹齡、施氮量和灌溉量，且0—200 cm土壤硝態(tài)氮累積量隨著樹齡、施氮量的增加而增加，隨灌溉量增加而降低。