路永莉,周建斌,海龍,高晶波,張春紅,李林芝,馮家玉
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,蘭州 730070;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;3.白銀市平川區(qū)寶積鎮(zhèn)人民政府,甘肅 白銀730913)
與糧食作物相比,經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中高養(yǎng)分投入普遍存在[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界果樹和蔬菜所消耗的化肥量占全球化肥總施用量的15%[4-5]。中國(guó)作為世界上最大的化肥消費(fèi)國(guó),其中用于果樹和蔬菜生產(chǎn)的比例已超過30%[6]。調(diào)查結(jié)果顯示,1998—2008 年我國(guó)園藝類作物的平均化肥施用量為633 kg·hm-2[7],其中果樹的平均化肥用量高達(dá)869 kg·hm-2[8]。2012—2013 年連續(xù)2 a 對(duì)陜西省周至縣獼猴桃主產(chǎn)區(qū)化肥用量調(diào)查的結(jié)果顯示,獼猴桃果園氮肥平均純氮用量為891 kg·hm-2,遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家的化肥用量(200~250 kg·hm-2·a-1)[9]和我國(guó)的推薦施肥量(N 350~500 kg·hm-2,P2O5186~266 kg·hm-2,K2O 286~350 kg·hm-2)[10]。大量調(diào)查研究結(jié)果表明,陜西省有近80%的果園氮肥投入過量,而約30%的果園磷鉀肥投入不足[2,11-12]。果園長(zhǎng)期大量及不平衡養(yǎng)分投入導(dǎo)致果園土壤養(yǎng)分失調(diào)、果實(shí)產(chǎn)量不高、果品質(zhì)量不佳、資源耗竭嚴(yán)重、環(huán)境污染加劇等一系列生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境問題[12-18]。
針對(duì)果園長(zhǎng)期大量化肥投入及生態(tài)環(huán)境危害的問題,優(yōu)化果園施肥顯得極為重要。掌握果園肥料養(yǎng)分的去向和樹體養(yǎng)分吸收量是優(yōu)化果園合理施肥的前提和關(guān)鍵。在果園生產(chǎn)體系中,年生長(zhǎng)周期內(nèi)從果園攜出養(yǎng)分的主要途徑包括:葉片生長(zhǎng)吸收、果實(shí)收獲攜出、枝條修剪移出、樹體吸收貯存及通過其他各種途徑(徑流、淋溶及氣態(tài))進(jìn)入環(huán)境而損失。但目前對(duì)獼猴桃果樹年生長(zhǎng)周期內(nèi)通過葉片生長(zhǎng)吸收、果實(shí)收獲移出、枝條修剪帶走等途徑所需養(yǎng)分量尚不明確。因此,有必要對(duì)獼猴桃果園年生長(zhǎng)周期內(nèi)樹體養(yǎng)分?jǐn)y出量進(jìn)行研究。
鑒于此,本研究以我國(guó)獼猴桃主產(chǎn)區(qū)陜西省周至縣俞家河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,監(jiān)測(cè)年生長(zhǎng)周期內(nèi)獼猴桃果園因葉片生長(zhǎng)吸收、果實(shí)收獲和枝條修剪而攜出的實(shí)際養(yǎng)分含量,評(píng)估果園年生長(zhǎng)周期內(nèi)養(yǎng)分的需求量,并結(jié)合養(yǎng)分實(shí)際利用效率反推施肥量,旨在為優(yōu)化果園施肥管理、減輕農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境負(fù)荷提供科學(xué)指導(dǎo)。
研究區(qū)位于秦嶺北麓陜西省周至縣俞家河流域(107°39′~108°37′E,33°42′~34°14′N)。該流域面積為412.37 hm2,域內(nèi)海拔482~680 m,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫13.2 ℃,無霜期約225 d,年均降水量665 mm,且75%集中于5—9 月,年均光照時(shí)數(shù)2 154.7 h,日照充足,光熱資源豐富,灌溉方便,是獼猴桃優(yōu)質(zhì)栽種區(qū)域(圖1)。
1.2.1 研究方法
本研究采用調(diào)查與采樣分析相結(jié)合的方法。于2013—2016年在整個(gè)流域內(nèi)選取了46個(gè)盛果期果園(樹齡7~19 a),其中秦美品種29 個(gè)、啞特品種10 個(gè)、華優(yōu)品種7 個(gè),具體樣點(diǎn)布設(shè)如圖1 所示。成齡獼猴桃果園的土壤基本理化性狀見表1。
表1 俞家河流域成齡果園土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table1 The basic physical and chemical properties of kiwi-orchard soil in Yujiahe catchment
在果實(shí)收獲期(9 月下旬—10 月上旬)實(shí)地記錄所選果園果實(shí)采摘量,同時(shí)隨機(jī)選取3 棵果樹全部采摘并記錄總質(zhì)量和果實(shí)個(gè)數(shù),通過總質(zhì)量與果實(shí)個(gè)數(shù)計(jì)算單果質(zhì)量。
1.2.2 果實(shí)樣品采集與測(cè)定
果實(shí)收獲期(9 月下旬—10 月上旬)在選定果園中隨機(jī)選擇4棵果樹,并從每株果樹的東、西、南、北4個(gè)方向隨機(jī)采摘果實(shí)10~15 個(gè),組成混合樣帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定果實(shí)養(yǎng)分含量。養(yǎng)分含量測(cè)定時(shí)先將果實(shí)切片,烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算含水量,然后粉碎過0.25 mm篩備用。處理好的果實(shí)樣品采用H2SO4-H2O2消解,用全自動(dòng)流動(dòng)分析儀(AA3,Bran and Luebbe,德國(guó))測(cè)定果實(shí)N含量,釩鉬黃比色法測(cè)定果實(shí)P含量,火焰光度計(jì)測(cè)定果實(shí)K含量[19]。
1.2.3 葉片樣品采集與測(cè)定
葉片凋落后(1 月上中旬),在選定獼猴桃果園中隨機(jī)選出同品種果園各3個(gè),并在各果園中選取3 m×6 m 的樣方3個(gè),統(tǒng)計(jì)單位面積果園上的落葉數(shù),平均單個(gè)葉片質(zhì)量,并采集落葉混合樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析其養(yǎng)分含量。具體分析方法與果實(shí)樣品一致。
1.2.4 枝條樣品采集與測(cè)定
在冬季果樹集中修剪時(shí)(1 月上中旬)記錄各果園枝條修剪量,并于樹體生長(zhǎng)的各個(gè)方向按照不同生長(zhǎng)年限枝條的大致比例采集各生長(zhǎng)年限的枝條樣品,組成混合樣品約1 kg,帶回實(shí)驗(yàn)室,剪碎烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算含水量,然后粉碎過0.25 mm 篩備用,測(cè)定枝條中養(yǎng)分含量。具體分析方法與果實(shí)樣品一致。
在測(cè)定果園果實(shí)收獲攜出養(yǎng)分量、枝條修剪攜出養(yǎng)分量、葉片養(yǎng)分吸收量的基礎(chǔ)上,參考年生長(zhǎng)周期內(nèi)樹體貯存養(yǎng)分量,獲取年生長(zhǎng)周期內(nèi)果樹養(yǎng)分總吸收量??紤]到果樹吸收的養(yǎng)分部分來自土壤供應(yīng),部分來自外源肥料提供,故從樹體吸收總養(yǎng)分量中減去土壤供應(yīng)量,即可確定肥料供應(yīng)量。由于施入果園的肥料在當(dāng)季并不會(huì)被果樹全部吸收,因此可利用養(yǎng)分利用率反推果園施肥量(圖2)。
果實(shí)養(yǎng)分?jǐn)y出量(kg·hm-2)=果實(shí)產(chǎn)量(kg·hm-2)×[1-果實(shí)水分含量(%)]×果實(shí)養(yǎng)分含量(%,干質(zhì)量)×10
修剪枝條養(yǎng)分?jǐn)y出量(kg·hm-2)=枝條修剪量(kg·hm-2)×[1-枝條水分含量(%)]×枝條養(yǎng)分含量(%,干質(zhì)量)×10
葉片吸收養(yǎng)分量(kg·hm-2)=單位面積葉片數(shù)(個(gè)·m-2)×10 000×單個(gè)葉片質(zhì)量(g)×[1-葉片水分含量(%)]×葉片養(yǎng)分含量(%,干質(zhì)量)×10
果園推薦施肥量(N/P/K)=[果實(shí)N/P/K攜出量(kg·hm-2)+修剪枝條N/P/K 攜出量(kg·hm-2)+葉片吸收N/P/K 量(kg·hm-2)+樹體N/P/K 貯量(kg·hm-2)-土壤提供N/P/K量(kg·hm-2)]÷N/P/K肥利用效率(%)
本研究中數(shù)據(jù)均采用平均值(標(biāo)準(zhǔn)差)表示,采用Excel 2016 軟件整理和計(jì)算,采用Origin 8.5(Origin-Lab Corporatio,USA)軟件繪圖,采用SPSS V19.0 軟件進(jìn)行方差分析(P<0.05)。
如表2所示,秦美、啞特和華優(yōu)3個(gè)獼猴桃品種在果實(shí)產(chǎn)量、單果質(zhì)量、單葉質(zhì)量、單位面積葉片數(shù)及枝條修剪量間均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。秦美、啞特和華優(yōu)3 個(gè)品種的果實(shí)產(chǎn)量平均值分別為34.51、34.23 t·hm-2和33.94 t·hm-2,單果質(zhì)量的平均值分別為128.93、123.24 g 和122.41 g,單葉質(zhì)量的平均值分別為2.76、2.66 g 和2.67 g,每平方米面積上的落葉數(shù)平均值分別為542.32、565.33 個(gè)和555.41 個(gè),年生長(zhǎng)周期內(nèi)葉片生物量分別為15.14、15.03 t·hm-2和14.82 t·hm-2。秦美、啞特和華優(yōu)3個(gè)品種年生長(zhǎng)周期內(nèi)單株樹體枝條修剪量的平均值分別為4.40、3.95 kg和4.03 kg,修剪枝條的生物量分別為7.90、8.30 t·hm-2和8.46 t·hm-2。
表2 不同品種獼猴桃果實(shí)產(chǎn)量、單果質(zhì)量、單葉質(zhì)量、葉個(gè)數(shù)及枝條修剪量Table2 Fruit yield,single fruit weight,single leaf weight,leaf number and pruning branches in different kiwifruit varieties
不同品種獼猴桃葉片、果實(shí)及修剪枝條中的養(yǎng)分含量見表3。由表3可知,各品種葉片、果實(shí)及修剪枝條中養(yǎng)分含量間沒有顯著差異(P>0.05)。獼猴桃葉片中平均養(yǎng)分含量呈現(xiàn)N(2.12%~2.22%)>K(1.63%~1.65%)>P(0.22%~0.25%),果實(shí)平均養(yǎng)分含量呈K(1.38%~1.43%)>N(0.81%~0.89%)>P(0.28%~0.30%),修剪枝條中平均養(yǎng)分含量為N(0.79%~0.83%)>K(0.53%~0.70%)>P(0.09%~0.12%)。
表3 不同品種獼猴桃葉片、果實(shí)及修剪枝條中的養(yǎng)分含量(%)Table3 The nutrient concentrations of kiwifruit,leaves and pruning branches in different varieties(%)
不同獼猴桃品種每千克葉片、果實(shí)及修剪枝條吸收的養(yǎng)分量見表4。秦美、啞特和華優(yōu)3 個(gè)獼猴桃品種每千克葉片、果實(shí)及修剪枝條吸收的養(yǎng)分量間均沒有表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。每千克獼猴桃葉片平均吸收的N、P 和K 的量分別為2.81、0.31 g 和2.13 g;每千克獼猴桃鮮果平均吸收的N、P 和K 的量分別為1.40、0.47 g 和2.23 g;每千克修剪枝條平均吸收的N、P和K的量分別為3.70、0.47 g和2.94 g。
表4 不同品種獼猴桃1 kg葉片、果實(shí)及修剪枝條攜出的養(yǎng)分量(g)Table4 Nutrients removal by the harvest of 1 kg of leaves,fresh fruit,fresh pruning branches(g)
年生長(zhǎng)周期內(nèi),不同品種獼猴桃葉片吸收、果實(shí)采摘攜出及枝條修剪攜出的養(yǎng)分量如圖3 所示。由圖3 可知,不同品種間的獼猴桃在葉片、果實(shí)和枝條養(yǎng)分吸收量上均無顯著差異。葉片生長(zhǎng)吸收的N、P和K 的平均量分別為42.3、4.7 kg·hm-2·a-1和32.2 kg·hm-2·a-1;因果實(shí)采摘而攜出的N、P 和K 的平均量分別為54.7、18.7 kg·hm-2·a-1和87.7 kg·hm-2·a-1;因枝條修剪而攜出的N、P 和K 的平均量分別為25.7、2.7 kg·hm-2·a-1和16.0 kg·hm-2·a-1。
在測(cè)定年生長(zhǎng)周期內(nèi)獼猴桃葉片養(yǎng)分吸收量、果實(shí)養(yǎng)分?jǐn)y出量及修剪枝條養(yǎng)分?jǐn)y出量的基礎(chǔ)上,參考年生長(zhǎng)周期內(nèi)獼猴桃樹體N 貯藏量37.8 kg·hm-2·a-1、P 10.2 kg·hm-2·a-1和K 9.4 kg·hm-2·a-1[20],獲得年生長(zhǎng)周期內(nèi)獼猴桃樹體N、P 和K 養(yǎng)分總吸收量分別為162、36 kg·hm-2·a-1和146 kg·hm-2·a-1(表5)。其中來自土壤的N、P 和K 養(yǎng)分量為123.2、30.6 kg·hm-2·a-1和125.0 kg·hm-2·a-1,來自肥料的養(yǎng)分量為38.0、5.4 kg·hm-2·a-1和20.0 kg·hm-2·a-1。依據(jù)N、P和K的肥料利用效率為10%、7%和23%,確定成齡獼猴桃果園施肥量為N 380 kg·hm-2·a-1、P 77 kg·hm-2·a-1和K 87 kg·hm-2·a-1。
表5 獼猴桃果園N、P和K養(yǎng)分吸收量及推薦施肥量Table5 N,P and K absorption and recommended fertilization rates in kiwi orchard
本研究結(jié)果表明,不同品種獼猴桃葉片、果實(shí)及修剪枝條中養(yǎng)分含量間無顯著差異(P>0.05)。其中葉片中含量為N 2.12%~2.22%、P 0.22%~0.25%、K 1.63%~1.65%,該結(jié)果與王健[20]和來源等[23]的研究結(jié)果一致。果實(shí)中含量為N 0.81%~0.89%、P 0.28%~0.30%、K 1.38%~1.43%,其中P 含量高于新西蘭獼猴桃果實(shí)P 含量(0.13%)[24-25],這與研究區(qū)果園土壤P 背景值較高有關(guān)(表1)。修剪枝條中含量為N 0.79%~0.83%、P 0.09%~0.12%、K 0.53%~0.70%,這與新西蘭獼猴桃修剪枝條中養(yǎng)分含量吻合[24-25]。年生長(zhǎng)周期內(nèi),不同品種獼猴桃在果實(shí)產(chǎn)量、葉片生物量及枝條修剪量間均無顯著差異(P>0.05)。秦美、啞特和華優(yōu)3 個(gè)品種果實(shí)產(chǎn)量分別為34.51、34.23 t·hm-2和33.94 t·hm-2,葉片生物量分別為15.14、15.03 t·hm-2和14.82 t·hm-2,枝條修剪量分別為7.90、8.30 t·hm-2和8.46 t·hm-2。不同品種獼猴桃樹體因各器官生物量及其養(yǎng)分含量間均無顯著差異,所以年生長(zhǎng)周期內(nèi)不同品種獼猴桃各器官生長(zhǎng)所需養(yǎng)分量一致,因此不同品種獼猴桃果園可采用統(tǒng)一的養(yǎng)分管理模式。
年生長(zhǎng)周期內(nèi),獼猴桃葉片累積生物量為15.0 t·hm-2,吸N 42.3 kg·hm-2、P 4.7 kg·hm-2、K 32.2 kg·hm-2;研究區(qū)平均果實(shí)產(chǎn)量為34.2 t·hm-2,每年因果實(shí)收獲所攜出養(yǎng)分量為N 54.7 kg·hm-2、P 18.7 kg·hm-2、K 87.7 kg· hm-2;因冬季枝條修剪移出的養(yǎng)分量為N 25.7 kg·hm-2、P 2.7 kg·hm-2、K 16.0 kg·hm-2;因樹體生長(zhǎng)而貯藏的養(yǎng)分量為N 37.8 kg·hm-2、P 10.2 kg·hm-2、K 9.4 kg·hm-2[20]。本研究結(jié)果顯示,樹體各器官養(yǎng)分吸收量呈現(xiàn)果實(shí)N/K 吸收>葉片N/K 吸收>樹體N/K貯藏>枝條修剪N/K 移出;果實(shí)P 吸收>樹體P 貯藏>葉片P吸收>枝條修剪P移出。
年生長(zhǎng)周期內(nèi),獼猴桃樹體各器官所需養(yǎng)分主要來自土壤和外源肥料,其中土壤養(yǎng)分供應(yīng)量遵循斯坦福土壤供肥公式,且土壤養(yǎng)分供應(yīng)量與土壤實(shí)際測(cè)定值呈正相關(guān)關(guān)系[26]。大量研究表明,果園施肥量遠(yuǎn)高于農(nóng)田,長(zhǎng)期大量的肥料投入已造成果園土壤養(yǎng)分大量累積[1,15,27],本研究區(qū)果園土壤速效磷和速效鉀含量高達(dá)87.7 mg·kg-1和361.9 mg·kg-1,0~100 cm 土壤剖面內(nèi)NO-3-N 的累積量為466.4 kg·hm-2(表1)。劉芬[21]通過對(duì)陜西省不同區(qū)域111 個(gè)果園“3414”試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,獲得果園土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率分別為N 76.6%、P 85.1%、K 86.2%。果園土壤較高的養(yǎng)分供應(yīng)量導(dǎo)致肥料養(yǎng)分貢獻(xiàn)率較低,同時(shí)長(zhǎng)期果園養(yǎng)分累積與盈余造成果園肥料利用率極低,BELLARBY 等[22]的研究報(bào)道,近30 a 我國(guó)山東果園平均肥料利用率為N 10%、P 7%、K 23%。本研究在測(cè)定獼猴桃年生長(zhǎng)周期內(nèi)養(yǎng)分需求量的基礎(chǔ)上,區(qū)分了土壤供應(yīng)量和肥料供應(yīng)量,結(jié)合果園實(shí)際肥料利用率確定成齡獼猴桃果園施肥量為N 380 kg·hm-2·a-1、P2O5176 kg·hm-2·a-1和K2O 106 kg·hm-2·a-1,N∶P2O5∶K2O 為1∶0.5∶0.3,這與前人研究中獼猴桃果園施肥量(N 413 kg·hm-2·a-1、P2O5211 kg·hm-2·a-1、K2O 168 kg·hm-2·a-1)[20]及N、P、K比例(1∶0.3∶0.5)[27]相比,N 肥用量基本一致,P 肥稍有降低,K 肥用量及比例明顯降低,其主要原因在于:(1)以往果樹推薦施肥量多以果實(shí)養(yǎng)分吸收量這一指標(biāo)來衡量[28],忽略了土壤養(yǎng)分供應(yīng)量;(2)果樹作為多年生木本植物,因長(zhǎng)期大量肥料施入造成土壤有效養(yǎng)分含量增加,土壤貢獻(xiàn)率大幅提高[15,21];(3)北方石灰性土壤是富K土壤,土壤K背景值較高[27]。
目前,果園過量施肥問題已非常普遍,關(guān)于優(yōu)化果園養(yǎng)分管理及合理施肥量前人已做了大量的研究,如KLEIN 等[28]的研究指出,果園施N 量一般應(yīng)為果實(shí)吸N 量的3~4 倍,趙佐平等[11]基于果農(nóng)實(shí)際N 素投入量及特點(diǎn)分析果園N 負(fù)荷,結(jié)果表明果園N 負(fù)荷增加且環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。路永莉等[10]調(diào)查研究表明,俞家河流域50%以上的果園肥料施用過量,造成果園土壤養(yǎng)分大量累積,并隨水向下層土壤乃至地下水遷移。GAO 等[29]的研究表明,與農(nóng)田相比,研究區(qū)獼猴桃果園0~10 m 土壤剖面內(nèi)平均硝態(tài)氮累積量為7 113 kg·hm-2,97%的地下水樣品的硝態(tài)氮濃度超過了WHO標(biāo)準(zhǔn)。本研究在測(cè)定獼猴桃樹體各器官養(yǎng)分需求量的基礎(chǔ)上,不僅考慮果樹生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需要,還考慮土壤養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng),最終確定了果園的合理施肥量。本研究結(jié)果顯示,不同品種成齡獼猴桃果園養(yǎng)分管理可采用統(tǒng)一管理模式,年生長(zhǎng)周期內(nèi)需施N 380 kg·hm-2、P2O5176 kg·hm-2、K2O 106 kg·hm-2,N∶P2O5∶K2O 為1∶0.5∶0.3,其可作為該流域兼顧產(chǎn)量和環(huán)境生態(tài)健康的推薦施肥量。
(1)不同品種獼猴桃(秦美、啞特和華優(yōu))單葉質(zhì)量、葉片量、果實(shí)產(chǎn)量、單果質(zhì)量和修剪枝條量間均無顯著差異;葉片、果實(shí)及修剪枝條中的養(yǎng)分含量也無顯著差異。因此,不同品種成齡獼猴桃果園可采用統(tǒng)一的養(yǎng)分管理模式。
(2)年生長(zhǎng)周期內(nèi)果園因葉片吸收、果實(shí)收獲、枝條修剪和樹體貯藏的總養(yǎng)分量為N 162 kg·hm-2、P 36 kg·hm-2、K 146 kg·hm-2,其中來自肥料提供的養(yǎng)分量為N 38.0 kg·hm-2·a-1、P 5.4 kg·hm-2·a-1和K 20.0 kg·hm-2·a-1。結(jié)合土壤供肥比例及果園肥料利用效率,確定果園施肥量分別為N 380 kg·hm-2·a-1、P2O5176 kg·hm-2·a-1、K2O 106 kg·hm-2,N∶P2O5∶K2O 為1∶0.5∶0.3。