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

郭路航， 王賀鵬， 李 妍， 許 傲， 李文超， 孫志梅， 馬文奇

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，河北 保定 071001)

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及人民生活對(duì)果品需求量的提高，果樹(shù)種植迅速發(fā)展，成為許多地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。但為了追求高產(chǎn)、高利潤(rùn)，過(guò)度施氮現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。Lu等對(duì)華北地區(qū)集約果園調(diào)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(dá)1 142 kg/hm；劉占軍等通過(guò)文獻(xiàn)匯總和實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)蘋(píng)果產(chǎn)區(qū)化肥氮用量為512～1 355 kg/hm，遠(yuǎn)超推薦用量。過(guò)量的氮肥投入必然會(huì)導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮的累積，并極易隨水向土壤深層淋洗，其結(jié)果不僅造成氮肥資源的浪費(fèi)，還引起地下水硝態(tài)氮污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)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(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhǎng)期的蘋(píng)果種植加劇了100 cm土層以下的硝態(tài)氮累積；Gao等對(duì)獼猴桃園研究表明，有超過(guò)75%的硝酸鹽位于100 cm土層以下，并且硝態(tài)氮累積量高達(dá)3 288 kg/hm。管理方式的差異也會(huì)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(huì)顯著高于上坡土壤?？梢?jiàn)，果園土壤硝態(tài)氮受諸多因素的影響，目前針對(duì)山前平原區(qū)以及農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸褕@這一條件下土壤硝態(tài)氮變化的報(bào)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(nóng)戶生產(chǎn)實(shí)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(chǎn)業(yè)養(yǎng)分的科學(xué)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(fēng)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(wú)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(chǎn)量大約為22.5～68.5 t/hm。

1.2 調(diào)查內(nèi)容與方法

于2020年9月，在研究區(qū)域選擇28個(gè)具有代表性的葡萄園，通過(guò)實(shí)地調(diào)研及跟蹤等方式，詳細(xì)記錄葡萄園樹(shù)齡、栽培密度及生育期內(nèi)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)產(chǎn)。灌溉量采用以電折水法。在調(diào)研中，果農(nóng)基本不施用有機(jī)肥，只計(jì)算化肥用量，施氮量通過(guò)施肥量及肥料包裝上標(biāo)注的養(yǎng)分含量進(jìn)行計(jì)算。

同時(shí)本研究將不同樹(shù)齡、施氮量、灌溉量水平下的28個(gè)葡萄園分別由低到高排列，均分成2個(gè)水平等級(jí)，每個(gè)等級(jí)14個(gè)葡萄園，樹(shù)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(shù)齡)水平，記為L(zhǎng)，相反，為高投入(或高樹(shù)齡)水平，記為H，不同等級(jí)葡萄園管理情況見(jiàn)表1。

表1 不同指標(biāo)分級(jí)下葡萄園管理因素的差異

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)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(diǎn)以葡萄樹(shù)干為圓心，在向外延伸40 cm處，避開(kāi)施肥點(diǎn)。同一個(gè)葡萄園采集3鉆土壤組成混合樣，裝入自封袋中，同時(shí)采集該區(qū)域內(nèi)3個(gè)臨近農(nóng)田土壤樣品作為對(duì)照(CK)。帶回實(shí)驗(yàn)室用于硝態(tài)氮含量的測(cè)定。采樣點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖1，其中S1～S28為葡萄園，S29～S31為對(duì)照農(nóng)田。

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮采用KCl溶液浸提，雙波長(zhǎng)比色法測(cè)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(yàn)區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)據(jù)分析使用SPSS 21.0軟件，采用LSD法(<0.05)進(jìn)行方差分析。不同樹(shù)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(jīng)ln函數(shù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值比較，采用Excel 2016和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)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(dá)到了137.3%，原因主要是空間上和農(nóng)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(shì)，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(shuō)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(jì)特征值

由圖2可知，農(nóng)田和不同管理等級(jí)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(nóng)戶秋季施肥有關(guān)。與農(nóng)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(nóng)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(nóng)田，并且不同指標(biāo)分級(jí)下土壤硝態(tài)變化規(guī)律明顯不同。就樹(shù)齡而言，隨著土層深度的增加，高樹(shù)齡葡萄園土壤硝態(tài)氮含量明顯高于低樹(shù)齡葡萄園和農(nóng)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(shì)。灌溉量方面，呈現(xiàn)出隨灌溉量的增加而降低的趨勢(shì)，說(shuō)明葡萄園在長(zhǎng)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(nóng)田和不同樹(shù)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(pán)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(guān)，相比于其他村莊，王盤(pán)村和西南佐村葡萄栽培時(shí)間較早，長(zhǎng)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(duì)0—200 cm土層總累積量貢獻(xiàn)更大。

由表3可知，樹(shù)齡、施氮量、灌溉量的差異均會(huì)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(shù)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(shì)基本一致，隨樹(shù)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(huì)減少土壤硝態(tài)氮的累積。在0—100 cm土層中，農(nóng)田和不同樹(shù)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(shuō)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(shù)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(guān)關(guān)系。樹(shù)齡較低時(shí)，僅0—100 cm土層中的累積氮與施氮量呈顯著正相關(guān)，而較高樹(shù)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(guān)關(guān)系。說(shuō)明隨著時(shí)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(dāng)純N施用量高于250 kg/hm，由于施用的氮肥不能被果樹(shù)完全吸收利用，則隨著葡萄種植年限的增加，必然會(huì)增加硝態(tài)氮在土壤中的累積。當(dāng)純N投入量低于250 kg/hm時(shí)，施肥次數(shù)與累積氮量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)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(guān)系數(shù)也達(dá)到了-0.57的顯著水平，說(shuō)明當(dāng)施氮量較為合理時(shí)，密度和施氮量?jī)烧吖餐饔孟?，能減少硝態(tài)氮在上層土壤中的累積。

表3 不同樹(shù)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(dāng)灌溉量低于7 500 m/hm時(shí)，土壤硝態(tài)氮累積量與施氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與樹(shù)齡呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。而當(dāng)灌溉量超過(guò)7 500 m/hm時(shí)，施氮量、樹(shù)齡和灌溉量對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量均有一定程度的影響?？赡芤?yàn)樗枯斎氲某潭葧?huì)改變硝態(tài)氮在土層中的分布，而氮素輸入的強(qiáng)度和時(shí)間的增加會(huì)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(guān)性

農(nóng)戶管理因素對(duì)葡萄園0—200 cm土層硝態(tài)氮累積量的相關(guān)和通徑分析見(jiàn)表5，硝態(tài)氮累積量與樹(shù)齡和施氮量均為極顯著正相關(guān)，與灌溉量呈顯著負(fù)相關(guān)。通徑分析表明，對(duì)土壤硝態(tài)氮累積量影響最大的因素為施氮量，其次為樹(shù)齡和施肥次數(shù)，最后為灌溉量，其中施肥次數(shù)主要通過(guò)影響施氮量來(lái)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(guān)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(nóng)民習(xí)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(chǎn)區(qū)也普遍存在。過(guò)量的氮肥投入必然會(huì)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(shì)，說(shuō)明該地區(qū)土壤硝態(tài)氮淋洗現(xiàn)象嚴(yán)重，可能有2個(gè)方面原因：一是該地區(qū)葡萄園土壤以砂質(zhì)或砂壤質(zhì)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(nóng)灌溉方式有關(guān)，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(dá)1 555 kg/hm，深層土壤累積現(xiàn)象嚴(yán)重，前人的研究結(jié)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(nóng)業(yè)管理措施的改變均會(huì)影響果園土壤中的氮素去向。本研究結(jié)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(shù)齡、灌溉量有關(guān)。土壤硝態(tài)氮累積量會(huì)隨著樹(shù)齡和施氮量的增加而增加，這與前人研究結(jié)果一致。在以往的研究中，水分輸入量與氮淋溶量呈正相關(guān)，李曉欣等研究表明，在農(nóng)田土壤中，常年的充分灌溉條件下，土壤硝態(tài)氮淋洗嚴(yán)重，0—400 cm土層硝態(tài)氮累積量?jī)H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(dāng)季灌溉量與0—200 cm土層硝態(tài)氮的累積量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)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(shù)齡方面，對(duì)土壤硝態(tài)氮累積的影響也主要?dú)w結(jié)于隨樹(shù)齡增加施氮量的增加，且樹(shù)齡大小影響累積氮在土層中的分布。低樹(shù)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(shù)齡較高的葡萄園，種植年限時(shí)間長(zhǎng)，硝態(tài)氮表現(xiàn)出了明顯的向深層土壤遷移的趨勢(shì)，硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)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(huì)隨著施氮量呈指數(shù)增加，本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)释度胨礁哂?50 kg/hm時(shí)，在施氮量和樹(shù)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(shù)齡和施氮量增加而增加的趨勢(shì)。而當(dāng)?shù)释度肓吭诘陀?50 kg/hm時(shí)，這種趨勢(shì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明根據(jù)作物生育期養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行分次施肥，能促進(jìn)果樹(shù)對(duì)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(gè)重要因素。大田作物需水量一般為200～400 mm，果樹(shù)需水量是其1.5～4.0倍，但在華北地區(qū)，年均降水量?jī)H500 mm左右，因此，降水量對(duì)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(shí)有研究表明，適當(dāng)?shù)奶岣吖喔攘坎粌H能起到作物增產(chǎn)的效果，還有利于作物對(duì)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(wú)顯著關(guān)系，但會(huì)隨著樹(shù)齡和施氮量的增加而增加，說(shuō)明低灌溉量下，硝態(tài)氮向深層土壤遷移的速率較慢。當(dāng)灌溉量過(guò)高，硝態(tài)氮的淋溶量會(huì)增加，其累積區(qū)會(huì)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(shì)。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(jiàn)，在過(guò)高的灌溉量下，灌溉量會(huì)與其他因素相互作用，進(jìn)而影響硝態(tài)氮累積特征。

4 結(jié) 論

(1)葡萄生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)戶管理方式的差異導(dǎo)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(guò)75%的硝態(tài)氮淋洗到葡萄難以利用的深度。

(2)農(nóng)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(shù)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(guò)相關(guān)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(shù)齡、施氮量和灌溉量，且0—200 cm土壤硝態(tài)氮累積量隨著樹(shù)齡、施氮量的增加而增加，隨灌溉量增加而降低。