灌溉和生草對獼猴桃園土壤質(zhì)量的影響

汪 星，陸 靜，樊會芳，高志永，郭旭新，趙 英

(1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021；2.楊凌職業(yè)技術學院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100；3.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048)

獼猴桃是陜西省具有國際市場競爭力的產(chǎn)業(yè)之一，其適宜種植區(qū)域主要在海拔1200 m以下的渭河北岸至秦嶺北麓等區(qū)域，陜西省獼猴桃面積和產(chǎn)量已占全國的36.98%和51.9%，其中周至、眉縣等7縣獼猴桃種植面積和產(chǎn)量分別占陜西省的89.3%和94.2%[1-3]。然而由于規(guī)模化種植時間短，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展快，目前對果園土壤養(yǎng)分管理缺乏相關研究[2]，果農(nóng)根據(jù)自身經(jīng)驗進行水肥管理，有大水漫灌、滴灌、清耕除草、長期生草等措施，盲目施肥較為普遍，導致陜西關中地區(qū)獼猴桃園土壤中氮磷鉀過量比例分別為85.3%、76.9%和47.4%,不足比例分別為8.4%、10.5%和29.5%[4]。過量施肥并不能提高獼猴桃產(chǎn)量，反而影響優(yōu)果率，增加農(nóng)民投入[5]，不合理的土地利用和管理直接影響土地質(zhì)量，可影響土壤水分的運動、養(yǎng)分的分布和遷移，導致土壤理化性質(zhì)變化，出現(xiàn)土地沙化、養(yǎng)分退化等現(xiàn)象[6]。

為了提高果園土壤質(zhì)量、調(diào)控果園小氣候、改善果實品質(zhì)，生草和灌溉作為一種有效措施被應用于果園管理之中。已有研究表明，黃河三角洲梨園自然生草較清耕顯著提高0～40 cm土層有機質(zhì)含量，降低了土壤含鹽量，土壤表層脲酶和堿性磷酸酶活性是清耕的3.8倍和1.5倍[7]。渭北旱塬蘋果園自然生草的土壤蒸散量較清耕減少了8.07 mm，單果重和產(chǎn)量分別提高了6.21%和6.10%，土壤水分利用效率提高了7.64%[8]。自然生草處理‘貴人香’葡萄的淀粉含量和可溶性糖含量等顯著高于清耕處理[9]。此外，果園自然生草省力省工，投資少，易于管理，自然生草適應性強，植物群落豐富，能夠顯著提高土壤中的氮、磷、鉀含量，成為果園土壤管理發(fā)展新方向[10-12]。研究發(fā)現(xiàn)：滴灌較畦灌節(jié)約25%灌溉水量，促進幼齡山地蘋果樹枝條發(fā)育[13]，可使紅富士蘋果在9月底新梢長度增加40.84 cm[4]，棗產(chǎn)量較地面灌增加22%，能夠促進棗葉面積指數(shù)和葉綠素含量升高[15]。微噴灌也能增強梨園土壤蓄水，促進光合能力，增加產(chǎn)量，改善果實品質(zhì)[16]。果園采用滴灌和微噴灌等灌溉措施已成為未來發(fā)展趨勢[17]。

目前，關于獼猴桃園生草和灌溉對土壤質(zhì)量影響鮮有報道，其研究主要集中在獼猴桃園養(yǎng)分管理和土壤水分動態(tài)上。如高義民等[2]通過設置不同氮、磷、鉀配比處理對陜西關中獼猴桃品質(zhì)、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分析發(fā)現(xiàn)不同處理較對照均能使獼猴桃Vc、可溶性糖含量和產(chǎn)量等增加，但施用的氮、磷、鉀肥不當則會降低葉片光合速率和胞間CO2濃度，進而影響果實品質(zhì)和產(chǎn)量[18-19]，獼猴桃園土壤中的堿解氮、速效鉀和有機質(zhì)含量均高于小麥—玉米農(nóng)田[20]。因此，本研究根據(jù)關中地區(qū)獼猴桃園常用的管理措施，擬設定灌溉和生草兩類措施，分析0～50 cm土層土壤的物理和化學性質(zhì)，并利用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)對不同處理土壤質(zhì)量進行評價。本研究旨在全面了解不同灌溉和生草措施對獼猴桃土壤質(zhì)量影響，篩選合理管理方式，改善土地管理水平，為實現(xiàn)土地可持續(xù)性利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗分別布設于陜西省眉縣田家寨村(107°46′E，34°15′N)和奇峰果業(yè)基地(107°43′E，34°17′N)。試驗區(qū)位于陜西省關中平原西部，南依秦嶺，北臨渭水，處于黃河中游川塬溝壑區(qū)。此區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃，年平均降水609.5 mm，年平均日照2 015.2 h，無霜期218 d。全縣獼猴桃產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的30%，種植面積占全國的18%[8]。

1.2 試驗設計

試驗于2016年3月進行，布置地面灌溉+除草(Ⅰ)、地面灌溉+自然生草(Ⅱ)、滴灌+除草(Ⅲ)和滴灌+自然生草(Ⅳ)處理，每個處理3個重復小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m×15 m(長×寬)，供試獼猴桃品種為關中地區(qū)種植面積最廣的“徐香”，株行距為2 m×4 m。獼猴桃全生育期可劃分為萌芽展葉期(3月中旬～4月下旬)、開花坐果期(5月上旬～5月中旬)、果實膨大期(5月下旬～9月上旬)和果實成熟期(9月下旬～10月上旬)。本試驗灌溉制度及施肥情況按農(nóng)戶傳統(tǒng)的管理方式進行：地面灌灌水定額為42 mm，在4個生育期內(nèi)分別灌溉2、1、13和2次，共灌溉18次。滴灌灌水定額為21 mm，每株獼猴桃下2個滴頭，在4個生育期內(nèi)分別灌溉3、1、18和4次，總灌溉26次。其中滴灌處理采用水肥一體化，地面灌溉處理在灌溉前采用人工穴施肥料，4種處理的施肥量相同。其中氮肥(N)用量345 kg·hm-2，磷肥(P2O5)用量473 kg·hm-2，鉀肥(K2O)用量689 kg·hm-2，對于Ⅰ和 Ⅲ處理，在獼猴桃生育期每隔5天進行人工除草。

1.3 土壤樣品采集

2017年10月在每個樣地的獼猴桃株間中部，沿長度方向5、15 m和25 m處利用容積為100 cm3的環(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，取樣步長為10 cm，每個樣地取樣15個。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，對每個土樣進行相關標注并送回試驗室對土壤的物理和化學性質(zhì)進行測定。

1.4 土壤指標測定

土壤容重、田間持水量、孔隙度的測定為環(huán)刀法；土壤粒徑測定為吸管法，粒徑分級采用美國制標準；有機質(zhì)測定為重鉻酸鉀容量法；速效鉀測定為酸銨提取法，堿解氮的測定為堿解擴散法，速效磷的測定為碳酸氫鈉法[21-22]。

1.5 土壤粒徑分形維數(shù)

土壤粒徑分形維數(shù)是重要的土壤物理特性之一，計算公式如下[23]：

(1)

式中，r為土壤粒徑(mm);Ri為第i級粒徑(mm)；V(r

1.6 土壤質(zhì)量評價

為選取具有代表性的指標對不同處理土壤質(zhì)量進行評價，本文采用常用的主成分分析法對測定的11個指標進行篩選[24]。具體步驟為：(1)對測定數(shù)據(jù)進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，同時選取載荷因子與最高載荷因子不超過10%的因子；(3)對選取的變量進行Pearson相關分析，并計算相關系數(shù)的和，選取Pearson相關系數(shù)和最大與最小的作為代表因子，如果選取的因子相關性較強，選擇載荷因子較高的因子作為代表性因子。利用(2)式進行土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計算：

(2)

式中，SQI為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；Wi為第i個因子權重系數(shù)；Ii為第i個評價指標的隸屬度值，n為評價指標的個數(shù)。

根據(jù)主成分分析的結果，Wi為評價指標公因子方差占公因子方差之和的比例[25]。Ii為第i個評價指標的隸屬度值，可根據(jù)隸屬度函數(shù)進行計算。田間持水量、孔隙度、有機質(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(3)計算，指標越高表明土壤質(zhì)量越好，但當指標達到某一臨界值時，其效用趨于恒定。土壤容重、土壤粒徑分形維數(shù)的隸屬度值采用拋物線性隸屬函數(shù)式(4)計算，該指標在一定范圍內(nèi)土壤質(zhì)量最好，但當指標達到某一臨界值時，其效用變差。評價指標的隸屬度函數(shù)如下[27]：

S型隸屬度函數(shù)

(3)

拋物線性隸屬函數(shù)

(4)

式中，F(xiàn)(X)為隸屬函數(shù)，X為評價因素的實際指標值，X0為評價指標的上限值，a1和a2為評價指標的下限和上限值，b2和b1為最適值的上、下界點。根據(jù)黃土高原地區(qū)已有研究[26-27]，隸屬函數(shù)評價指標取值見表1。

表1 隸屬函數(shù)評價指標轉(zhuǎn)折點取值

1.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0軟件。首先利用PASW Statistics 18.0對試驗數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布檢驗，結果發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)均為正態(tài)分布。然后采用該軟件中的單因素方差(ANVOA)分析同一土層不同處理差異，并用LSD法在0.05水平進行多重比較,當P<0.05時認為差異達到顯著水平，此外，借助PASW Statistics 18.0軟件中的主成分分析法對不同處理土壤理化指標進行篩選。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤物理性質(zhì)的影響

表2為不同處理下獼猴桃園不同土層土壤物理性質(zhì)的方差分析，表2表明，在0～30 cm各土層內(nèi)Ⅱ和Ⅳ處理的土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度無顯著差異；Ⅰ處理土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量分別是Ⅱ處理的1.01～1.10倍、0.87～0.97倍和1.03～1.06倍，Ⅲ處理土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量分別是Ⅳ處理的0.92～0.99倍、1.00～1.10倍和1.04～1.11倍。在10～30 cm各土層內(nèi)，Ⅲ處理土壤容重在該層內(nèi)顯著低于Ⅰ處理(P<0.05)，Ⅲ處理的田間持水量和土壤孔隙度顯著高于Ⅰ處理(P<0.05)。在30～50 cm各土層內(nèi)，Ⅰ處理的田間持水量較Ⅱ處理顯著降低1.15%和2.26%。就0～50 cm土層各處理物理指標均值而言，Ⅲ處理的土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度分別是其他處理的0.91～0.98倍、1.06～1.07倍和1.00～1.10倍。

表3為獼猴桃園不同處理在不同土層土壤粒徑體積百分數(shù)及分形維數(shù)方差分析。表3顯示，在0～30 cm各土層內(nèi)Ⅱ與Ⅰ處理相比土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)增加了0.46%～2.74%，土壤粉粒質(zhì)量分數(shù)減少了0.23%～2.42%，使土壤分形維數(shù)增加0.01～0.06；Ⅱ處理土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)與Ⅰ處理無差異；Ⅲ處理土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)與Ⅳ處理無差異；滴灌處理(Ⅲ和Ⅳ處理)的土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)與地面灌溉(Ⅱ與Ⅰ處理)處理均存在顯著性差異(P<0.05)。就0～50 cm土層各處理物理指標均值而言，Ⅳ處理與其他處理相比土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)增加了1.21%～2.66%，土壤粉粒質(zhì)量分數(shù)減少了0.81%～1.41%，土壤分形維數(shù)顯著增加(P<0.05)，達2.30。

2.2 不同處理對土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分的影響

表4為不同處理下獼猴桃園不同土層土壤化學性質(zhì)方差分析。表4顯示，在0～20 cm各土層內(nèi)Ⅰ處理的速效磷和堿解氮與Ⅱ處理無差異。在0～30 cm各土層內(nèi)Ⅳ處理速效磷和堿解氮與Ⅰ和Ⅱ處理無差異；Ⅳ處理速效鉀、速效磷和堿解氮分別顯著高于Ⅲ處理30.52～172.97、10.75～109.55 mg·kg-1和20.74～69.40 mg·kg-1(P<0.05)；Ⅱ處理較其他處理0～20 cm土層內(nèi)速效鉀顯著增加(P<0.05)，是其他處理的1.05～2.52倍。在30～50 cm各土層內(nèi)，4種處理的速效磷無顯著差異，變化范圍為8.27～13.47 mg·kg-1；Ⅳ處理堿解氮顯著高于其他處理(P<0.05)；Ⅲ處理使土壤中的有機質(zhì)顯著增加(P<0.05)，是其他3種處理的1.17～1.54倍。就0～50 cm土層各處理化學指標均值而言，4種處理有機質(zhì)無顯著差異；Ⅰ處理速效鉀顯著高于其他處理(P<0.05)，達366.66 mg·kg-1；Ⅲ處理的速效鉀、速效磷和堿解氮顯著低于其他處理(P<0.05)；Ⅳ處理的堿解氮為84.10 mg·kg-1，顯著高于其他處理(P<0.05)。

表2 不同處理土壤物理性質(zhì)方差分析

表3 不同土壤粒徑體積百分數(shù)及分形維數(shù)方差分析

2.3 不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)分析

為選取具有代表性的土壤變量對獼猴桃園不同處理土壤質(zhì)量進行評價，利用主成分分析法對11個土壤理化指標進行篩選，結果見表5。其中3個主成分特征值大于1且累計頻率達到82.538%。在第一主成分因子載荷值中，砂粒質(zhì)量分數(shù)的載荷值達最大，為0.938，首先選擇為代表性因子。而速效磷、分形維數(shù)和黏粒質(zhì)量分數(shù)分別與砂粒質(zhì)量分數(shù)載荷值不超過10%，因此也被選擇作為代表性因子；在第二主成分因子載荷值中，有機質(zhì)和堿解氮載荷值在0.95以上，因此將它們選為代表性因子。在第三主成分因子載荷值中，土壤容重和土壤孔隙度絕對值大于0.90，因此也被選為代表性因子。

為了找出綜合變量，實現(xiàn)因子降維，使所找出的綜合變量能全面反映土壤質(zhì)量信息，對高因子載荷值進行Pearson相關分析，分析結果見表6。第一主成分因子載荷值中，分形維數(shù)的載荷值為0.861(表5)，分形維數(shù)與砂粒極顯著相關(P<0.01)，相關系數(shù)為-0.76，而且分形維數(shù)與其他因子的相關系數(shù)和為-0.07，達最低(表6)；第二主成分因子載荷值中，有機質(zhì)的載荷值為0.962(表5)，與堿解氮的相關系數(shù)為0.73，極顯著相關(P<0.01)，有機質(zhì)相關系數(shù)和為3.41，達最大(表6)；第三主成分因子載荷值中土壤容重載荷值絕對值最大，而且土壤容重和孔隙度的相關系數(shù)為-0.97，極顯著相關(P<0.01)。分形維數(shù)、有機質(zhì)和土壤容重三者的相關系數(shù)分別為-0.11和-0.20，相關性較小且不顯著(表6)。因此，選擇分形維數(shù)、有機質(zhì)和土壤容重對獼猴桃園不同處理土壤進行質(zhì)量指數(shù)計算，其中分形維數(shù)、有機質(zhì)和土壤容重權重分別為0.281、0.364和0.355。

不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)在不同土層方差分析表明(表7)，4種處理在0～10 cm和40～50 cm各土層的土壤質(zhì)量指數(shù)無顯著差異；Ⅲ處理在10～30各土層土壤質(zhì)量指數(shù)顯著高于其他處理(P<0.05)，是其他處理的1.06～1.22倍；在0～10 cm和30～50 cm各土層，Ⅰ處理土壤指數(shù)大于或等于Ⅱ處理，二者無差異；Ⅲ處理土壤質(zhì)量指數(shù)小于Ⅳ處理，二者無差異。就各處理在0～50 cm各土層土壤質(zhì)量指數(shù)均值而言，其大小次序為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。

表4 不同處理土壤化學性質(zhì)方差分析

表5 土壤質(zhì)量指標的主成分因子載荷值和公因子方差

表6 關鍵因子的Pearson相關系數(shù)

表7 不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)方差分析

3 討 論

本研究表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理在獼猴桃園0～50 cm土層的有機質(zhì)分別為16.23、14.71、15.68 g·kg-1和 15.99 g·kg-1；速效鉀分別為366.66、222.98、109.16 mg·kg-1和163.82 mg·kg-1；速效磷分別為40.09、46.20、9.35 mg·kg-1和43.66 mg·kg-1；堿解氮分別為60.51、59.73、48.81 mg·kg-1和84.10 mg·kg-1。根據(jù)已有關中地區(qū)獼猴桃土壤養(yǎng)分評價標準[28]，對上述4種處理進行評價，結果表明：Ⅰ和Ⅱ處理的速效鉀和速效磷豐富，有機質(zhì)缺乏，堿解氮中等；Ⅲ處理的有機質(zhì)、速效鉀、速效磷和堿解氮缺乏；Ⅳ處理速效鉀和堿解氮中等，速效磷豐富，有機質(zhì)缺乏。已有研究表明，肥料對獼猴桃產(chǎn)量的貢獻率順序為氮肥>鉀肥>磷肥[2]，過量施用磷肥和鉀肥使肥料在土壤中富集，打破土壤微生態(tài)平衡，造成土壤環(huán)境惡化，形成次生鹽漬化，不利于后續(xù)植被生長，甚至影響品質(zhì)和產(chǎn)量[29-31]?？梢?Ⅰ和Ⅱ處理會影響獼猴桃園土地利用可持續(xù)性，進而影響獼猴桃品質(zhì)和產(chǎn)量。而Ⅳ處理施用有機肥可增加土壤中有機肥含量，使其達到獼猴桃園施肥標準，有機肥可使土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)等顯著增加[32-34]，在有機肥中加施一定比例化肥可提高獼猴桃維生素C和糖酸比等[5]，是獼猴桃園土壤肥力管理的有效方法[18]。從土壤物理性質(zhì)來看，Ⅲ處理能夠改善0～30 cm土層土壤通氣性和持水性(表2)，增加黏粒質(zhì)量分數(shù)和土壤分形維數(shù)，但與其他處理比效果并不顯著，而且該處理使土壤中氮、磷、鉀和有機質(zhì)缺乏。此外，Ⅳ處理使土壤質(zhì)量指數(shù)最大(表7)，因此，Ⅳ處理可作為獼猴桃園管理方式，在采用此種管理措施時，為增加土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性狀，實現(xiàn)土地生產(chǎn)力的可持續(xù)性，應適當增加有機肥投入。

果園生草能夠改善土壤物理性狀，使果園土壤容重下降，土壤孔隙度增加，提升土壤肥力，增強土壤的通氣和蓄水性[10]。果園土壤養(yǎng)分含量會隨著生草年限發(fā)生變化，如梨園自然生草2 a使0～20 cm表土層主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量極顯著降低，而生草7 a使0～20 cm表土層主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量顯著增加[7]。本研究表明，Ⅱ與Ⅰ處理相比，0～50 cm各土層的速效鉀降低了7.82～284.45 mg·kg-1，土壤容重降低了0.02～0.21 g·cm-3，土壤孔隙度增加了0.92%～7.20%；0～30 cm各土層速效磷增加了2.40～16.04 mg·kg-1，田間持水量減少了0.81%～1.25%。Ⅳ與Ⅲ處理相比，0～50 cm各土層的土壤容重、速效鉀、速效磷和堿解氮分別增加了0.05～0.13、1.50～172.97、3.15～109.55 mg·kg-1和2.83～78.91 mg·kg-1，田間持水量和土壤孔隙度分別降低了0.85%～2.52%和0.15%～4.15%。產(chǎn)生此結果的原因可能是灌溉與生草共同作用的結果，Ⅳ處理土壤養(yǎng)分在第2 a開始出現(xiàn)增加趨勢，也可能是試驗地基礎養(yǎng)分較高造成。此外，本研究發(fā)現(xiàn)短期(2 a)Ⅳ處理能夠影響土壤養(yǎng)分，但對土壤團聚體、土壤有機碳、土壤微生物、土壤活性酶影響尚不明確，長期(>2 a)Ⅳ處理能否造成土壤養(yǎng)分在表層的富集？土壤的通氣性和持水性是否會繼續(xù)下降？以上問題還需后期進行更深入研究。

4 結 論

1)滴灌+除草(Ⅲ)較其他處理在0～30 cm各土層降低了土壤容重和砂粒質(zhì)量分數(shù)，增大了土壤孔隙度、田間持水量、黏粒質(zhì)量分數(shù)和土壤分形維數(shù)；滴灌+自然生草(Ⅳ)處理在0～30 cm各土層速效磷和堿解氮顯著高于滴灌+除草(Ⅲ)處理(P<0.05)。

2)0～50 cm土層內(nèi)，地面灌溉+除草(Ⅰ)和地面灌溉+自然生草(Ⅱ)處理的速效鉀和速效磷盈余，堿解氮中等，有機質(zhì)缺乏，滴灌+除草(Ⅲ)處理的速效鉀、速效磷、堿解氮和有機質(zhì)均缺乏，滴灌+自然生草(Ⅳ)處理速效鉀和堿解氮中等，速效磷盈余，有機質(zhì)缺乏。

3)以分形維數(shù)、有機質(zhì)和土壤容重作為計算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的主要因子，地面灌+除草(Ⅰ)土壤質(zhì)量綜合指數(shù)顯著低于其他3種處理(P<0.05)，滴灌+自然生草(Ⅳ)處理的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最大。