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        河北太行山山前平原葡萄園土壤硝態(tài)氮累積特征及影響因素

        2022-05-26 14:20:04郭路航王賀鵬李文超孫志梅馬文奇
        水土保持學報 2022年3期
        關鍵詞:樹齡葡萄園硝態(tài)

        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。

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