黃土高原蘋果園不同集水阻滲技術調控下土壤水分、礦質氮含量變化

陳嘉鈺，謝永生,，駱 漢,，張炳學，索改弟，張文博

(1.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;3.安徽科技學院資源與環境學院，安徽 滁州 233100)

蘋果產業是我國北方農村經濟生產區的支柱產業， 2017年陜西省蘋果產量達1 092.5萬t，栽培面積占全國總栽種面積的三分之一[1]。黃土高原作為我國兩大蘋果優生區之一，在農業產業結構調整、增加農民收入及出口創匯等方面發揮著重要作用[2]。然而黃土高原地區天然降水條件局限，果園土壤管理方式單一，土壤養分元素有效性也處于較低水平。隨著蘋果園肥料投入的持續增加，部分果園氮肥和磷肥普遍存在施用量過大、施用比例不當、測土按需配方施肥措施欠缺以及按區域土壤差異實施分區肥料管理不力等問題[3-5]。如何提高土壤水分和肥料利用效率、緩解土壤深層干燥化趨勢、防止硝態氮隨水分的深層累積，已經成為目前亟待解決的問題[6]。

起壟覆膜技術是旱地農業中一項重要的土壤管理栽培模式，集合了壟作與覆膜兩種技術的優點，在保墑蓄水、調節地溫等方面具有良好的效果。Zhao等[7]研究認為在壟溝上全覆蓋塑料薄膜是提高馬鈴薯產量和水分利用效率的有效技術；葉勝蘭[8]研究表明，起壟覆膜栽培技術能夠縮短小麥的生育周期，促進小麥生長，提高水分利用效率，增加生物量和小麥產量；馮浩等[9]結合HYDRUS-2D模型分析起壟覆膜對夏玉米蒸騰、土壤蒸發及深層滲漏等田間耗水過程的影響，結果表明起壟覆膜能增大作物蒸騰量，減小土壤蒸發量，促使無效水轉化為生產性用水，因此減小了田間水分消耗，具有節水增產效應，適合在當地推廣。

防滲層常見于垃圾填埋場，有研究表明，黏土具有很好的防滲作用[10]，在農業生產中有良好的應用前景。索改弟等[11]研究了渭北旱塬溝壑區旱地果園土壤中人工防滲層的水分特征，得出5 cm厚紅黏土防滲層可有效提高上層土壤水分含量，有利于水分和養分利用率的提升，可以應用于果樹生產；金波等[12]研究了干旱山地蘋果園集雨-壤中防滲對土壤水分及其產量的影響，得出將集雨保墑與壤中防滲組裝為一體能夠有效地提高土壤含水量，促進果樹生長發育，提高果實產量和水分利用率，改善品質。

本研究通過將起壟覆膜與人工防滲層兩種蓄水保墑技術措施相結合，形成一套果園水肥匯集表層的模式，以期將起壟覆膜技術調控溫度、培肥地力、保墑效果顯著等優點與人工防滲層技術的節水、保水、攔蓄徑流和增強土壤抗旱能力等優點相結合，分別從防滲層措施、起壟覆膜措施和起壟覆膜與防滲層相結合對黃土高原蘋果主產區果園土壤水分、硝態氮、銨態氮的含量及其土壤剖面分布特征進行綜合分析，進而選擇一種新的集水阻滲技術措施，為黃土高原優質蘋果長期健康的生產管理和果業可持續發展提供參考依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 試驗地概況

本試驗在中國科學院黃土高原生態農業實驗站進行，該實驗站地處陜西省長武縣洪家鎮王東村(35°12′N，107°40′E)，是黃土高原南部高原溝壑區，無灌溉條件，屬于典型雨養農業區。實驗站海拔約1 200 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。年平均溫度9.1℃，多年平均降雨量578.5 mm，季節性分布不均，降雨主要集中在7—9月，降雨的入滲深度最大可達300 cm，田間持水量24%～32%，萎蔫濕度9%～12%，地下水位50～80 m。無霜期 171 d，≥10℃活動積溫3 029℃，年輻射總量為4 837 kJ·cm-2，年日照時數為2 230 h，日照百分率51%。研究區土壤為黑壚土,土壤容重1.23～1.44 g·cm-3，通透性好。有機質含量為13.44±3.07 g·kg-1，全氮0.57 g·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，速效氮37.0 mg·kg-1，速效磷3 mg·kg-1，速效鉀129 mg·kg-1，剖面平均pH為8.3。

1.2 試驗設計

試驗地果園建于2000年，面積為2 000 m2，株行距3 m×4 m，南北走向，主栽品種為長枝紅富士，無灌溉條件，果園內的果樹生長狀況良好。試驗共設4組處理，由北向南分布：起壟覆膜處理(Ⅰ)，防滲層處理(Ⅱ)，起壟覆膜加防滲層處理(Ⅲ)，清耕處理設為對照(CK)，不同處理均設3組重復。試驗期間各處理統一進行果園管理，化肥施用量為：氮肥 (N) 1 000 kg·hm-2，磷肥(P2O5) 700 kg·hm-2，鉀肥 (K2O)700 kg·hm-2，在施基肥期將肥料施于兩樹中間。各處理具體布設見表1。

1.3 樣品采集與測定

測定黃土高原蘋果園0～300 cm 土層土壤水分及銨態氮、硝態氮的變化范圍，并進行比較分析。

試驗從2017年1月開始，在每月25日用中子儀定位測定土壤含水量,若遇雨雪天氣時間后延。采用美國503DR型中子儀，中子管直徑為6.4 cm。0～100 cm土層每10 cm測定一次，100～300 cm土層每20 cm測定一次。

在2018年8月蘋果收獲后秋季施肥前，于試驗小區采集0～300 cm土層土壤剖面樣品，每20 cm深度取樣，分別混合均勻，于通風陰涼處風干后研磨過0.25 mm篩，以1 mol·L-1的KCl溶液浸提，AA3型連續流動分析儀測定土壤硝態氮和銨態氮含量。

1.4 數據處理

土壤水分計算公式:

(1)

式中，θV為土壤容積百分含量(%)，a、b為標定方程的截距與斜率，cnt為中子儀讀取的原始數據，std為中子儀在室內標準條件下的標準計數。

土壤儲水量計算公式:

Dw=θV·h

(2)

式中，Dw為土壤儲水量(mm)，θV為土壤容積含水量(如不特別指出,土壤含水量即指土壤容積含水量)，h為土壤厚度(mm)。

月貯水量為 0～300 cm 范圍內各層貯水量之和，每層土壤含水量為一周年(12個月)土壤每月每層含水量的算術平均值。

土壤剖面硝態氮累積量計算公式：

(3)

式中，A為土壤硝態氮累積量(kg·hm-2)，hi為第i層土壤厚度(cm)，ρi為第i層土壤容重(g·cm-3)；Ci為第i層土壤的硝態氮濃度(mg·kg-1)。

采用Microsoft Office Excel 2019軟件對數據進行整理，SPSS 18. 0軟件進行數據統計分析，Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同集水措施土壤剖面水分變化特征

不同集水措施的土壤水分呈現出不同的變化規律。不同土層年平均含水量的變化見圖1。土壤平均含水量為： CK(21.32%)<Ⅱ(22.08%)<Ⅰ(22.75%)<Ⅲ(23.37%)，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤平均含水量分別比對照(CK)高6.71%、3.55%和9.60%。由圖1可以看出，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照(CK)的土壤含水量隨土層深度的增加整體呈“減-增-減”的S型曲線趨勢。在0～100 cm土層，處理Ⅰ、Ⅲ和對照(CK)的平均含水量先增加后減少，處理Ⅱ相反，防滲層阻止了表層土壤的入滲，因此50～80 cm土層土壤含水量低；100～300 cm土層處理Ⅰ和對照(CK)的平均含水量相對穩定，且在200～300 cm土層緩慢增加，處理Ⅱ和Ⅲ先增加后減少，這是由于防滲層阻礙了水分垂直下滲，防滲層下部水分較少，而土壤水分的水平運動增加了100～200 cm土層的含水量。處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照(CK)土壤含水量的峰值都位于土壤表層，處理Ⅰ、Ⅲ和對照(CK)的最大值在30～40 cm 土層處，分別為25.63%、25.99%、23.20%，處理Ⅱ的最大值在0～10 cm 土層處，為26.40%。處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和對照(CK)土壤含水量的最小值位置變化較大，對照(CK)處理的最小值在140～150 cm土層處，為20.20%，處理Ⅰ、Ⅲ的土壤含水量最小值在250～260 cm土層處，分別為21.57%和21.56%，處理Ⅱ的最小值在50～60 cm 土層處，為20.54%。

圖1 蘋果園地不同集水阻滲措施土壤水分含量垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil moisture content in apple orchards under different treatments

表2將不同處理0～300 cm 土層的土壤平均含水量分層進行分析，處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在0～40 cm土層土壤平均含水量分別比對照(CK)高7.37%、6.51%和12.04%，不同的聚水阻滲措施均增加了土壤表層含水量，處理Ⅲ增加量達到顯著水平；處理Ⅰ和Ⅲ在40～100 cm土層土壤平均含水量分別比對照(CK)高7.90%和10.21%，處理Ⅱ只增加了0.40%，效果不顯著；處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在100～200 cm土層的土壤平均含水量分別比對照(CK)高7.99%、9.03%和12.27%，處理Ⅱ的土壤平均含水量比上層增加量顯著；處理Ⅰ和Ⅲ在200～300 cm的土壤平均含水量分別比對照(CK)高3.27%和3.74%，處理Ⅱ比對照(CK)降低了1.43%，深層土壤水分變化幅度較小。處理Ⅰ和對照(CK)相比，每層之間土壤平均含水量的增幅相對一致，處理Ⅲ在40～100 cm土層有一定降低，其他處理相對一致，處理Ⅱ每層之間土壤平均含水量的增幅變化較大，在0～40 cm和100～200 cm土層增幅更顯著。

表2 各處理不同土層土壤年平均含水量/%

2.2 不同集水措施土壤儲水量變化

2017—2018年降水量為560.4 mm，2018—2019年降水量為577.4 mm，皆為平水年。圖2是不同處理2017—2018年0～300 cm土層土壤儲水量和月降雨量變化，儲水量與降雨量的變化趨勢基本一致，土壤儲水量相對于降雨量存在一定滯后性，因為降雨會緩慢向土壤深層滲透。不同處理的平均儲水量為：CK(636.778 mm)<Ⅱ(676.200 mm)<Ⅰ(681.030 mm)<Ⅲ(696.188 mm)，處理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ都提高了0～300 cm土層的土壤儲水量，其中處理Ⅲ最高，提高了9.33%。

圖2 蘋果園2017—2018年月降雨量及不同處理0～300 cm土層土壤儲水量Fig.2 Monthly rainfall of apple orchards from 2017 to 2018 and 0～300 cm soil storage water under different treatments

2.3 不同處理土壤硝態氮含量剖面分布特征

不同集水防滲措施土壤硝態氮含量剖面分布特征如圖3所示。不同處理0～300 cm土層硝態氮的平均含量為：Ⅲ(51.213 mg·kg-1)<Ⅰ(64.776 mg·kg-1)<Ⅱ(97.067 mg·kg-1)

圖3 蘋果園地不同集水阻滲措施土壤硝態氮含量剖面分布Fig.3 Soil profile distribution of nitrate N content in apple orchards under different treatments

2.4 不同處理土壤硝態氮累積量變化

不同處理的土壤硝態氮累積量有顯著差異。如圖4所示，0～40 cm土層硝態氮累積量較少，各處理的硝態氮累積量表現為：Ⅰ(68.875 kg·hm-2)<Ⅲ(130.272 kg·hm-2)<Ⅱ(132.068 kg·hm-2)

圖4 蘋果園地不同集水阻滲措施土土壤硝態氮累積量Fig.4 Soil nitrate accumulation in apple orchards under different treatments

硝態氮累積總量的差異不顯著，分別為42.70%、46.69%和45.93%；處理Ⅲ占0～300 cm土層硝態氮累積總量的25.86%，比其它處理低，其主要累積層在200～300 cm，占總量的55.77%，其它處理200～300 cm土層的硝態氮累積量比100～200 cm土層有所減少，各處理間差異也不顯著。

2.5 不同處理土壤銨態氮剖面分布特征

不同集水防滲措施土壤銨態氮含量剖面分布特征如圖5所示。不同處理0～300 cm土層銨態氮的平均含量為：Ⅰ(4.725 mg·kg-1)<Ⅲ(4.835 mg·kg-1)<Ⅱ(4.851 mg·kg-1)

圖5 蘋果園不同集水阻滲措施土壤銨態氮含量剖面分布Fig.5 Profile distribution of ammonium N content in apple orchards under different treatments

3 討 論

3.1 不同集水防滲措施對土壤水分的影響

在黃土高原地區，水分的利用效率是限制作物生長和產量的關鍵因素，土壤水分受土壤質地、降水量、土壤剖面特征、植被根系和農業生產活動等多種因素的影響[13-17]。白勝元等[18]研究表明，黃土高原地區的降雨入滲在0～200 cm土層內，果園土壤水分在200 cm土層以下相對趨于穩定，入滲深度決定了果樹對水分的吸收效率。本研究表明，起壟覆膜處理、人工防滲層處理和起壟覆膜加防滲層處理能夠有效增加0～200 cm土層的總土壤含水量，這是因為起壟覆膜處理能夠匯集天然降雨和地表徑流，直接增加了土壤水分，這與索改弟等[11]的研究一致。由于防滲層的截留入滲作用，人工防滲層處理和起壟覆膜加防滲層處理0～40 cm土層的土壤含水量增加最為顯著，防滲層下的20～30 cm土層范圍內存在一個明顯的‘低濕層’，‘低濕層’下200 cm土層的土壤含水量變化趨勢較為穩定，這與金波等[19]和王延平[20]的研究結果一致。起壟覆膜加防滲層處理的土壤含水量在低濕層下有回升，這可能是由于起壟覆膜措施增加的水分通過水平滲透增加了該土層的含水量。宋小林等[21]研究表明，高含水量的表層土壤能夠影響果樹根系的生長，引導根系向該區域延伸，從而影響果樹對水分的利用效率。本研究通過將起壟覆膜和人工防滲層措施相結合，增加了表層土壤的含水量，提高了水肥利用率，達到果園增產的目的。

不同措施下的土壤儲水量依舊受到降水量的影響，但各處理均能夠增加土壤儲水量。黃土高原雨養區年降水分布不均，土壤儲水量的增加對緩沖干旱具有重要作用，還能緩解土壤深層干燥化，改良果園土壤生態[22]。

3.2 不同集水防滲措施對土壤礦質氮累積的影響

化肥是現代農業產量的重要保證，但過量施用化肥會導致土壤污染，果園經過連續多年種植后，硝態氮深層累積成為常態。土壤硝態氮累積和淋失不僅導致土壤養分浪費，而且造成土壤和地下水污染[4]。范鵬等[23]的研究指出，果樹種植年限越長，土壤硝態氮累積量越高。本試驗選取的果園果樹為18齡，土壤硝態氮累積量較大，清耕處理0～300 cm土層的土壤硝態氮累積量甚至高達5 082.55 kg·hm-2。起壟覆膜處理、人工防滲層處理和起壟覆膜加防滲層處理都降低了0～300 cm土層的硝態氮累積量，起壟覆膜處理最為明顯，原因在于起壟覆膜措施能夠匯集降雨和地表徑流，同時抑制蒸發，增強了土壤水分下滲能力，具有良好的保水保墑作用，水分更容易在深層儲存，硝態氮得以隨著水分運動向更深層累積[24]。人工防滲層處理和起壟覆膜加防滲層處理小幅度增加了0～40 cm土層的土壤硝態氮累積量，原因在于人工防滲層阻礙了水分的垂直下滲，從而減少了新施入硝態氮的深層淋溶，使硝態氮在0～40 cm土層累積。由于0～100 cm土層內蘋果樹的根系量占到總根系量的68.23%[25]，表層累積的硝態氮更容易被果樹根系吸收，使得氮素利用率增加，從而減少了總的硝態氮累積量；40～200 cm土層土壤硝態氮的減少是因為中層土壤缺少表層向下淋溶的硝態氮，起壟覆膜加防滲層處理比人工防滲層處理更能匯集雨水，減輕水分水平入滲，因此中層土壤的硝態氮含量更低。和清耕處理相比，各處理的土壤硝態氮的累積峰顯著降低，但是累積峰卻向下移動了40～60 cm，原因在于防滲層減輕了水分的深層下滲，施加的氮肥隨水分淋溶的含量也相應減少，硝態氮隨水分的下滲深度有限，因此深層殘留的硝態氮深層累積量變化不顯著，清耕處理、起壟覆膜處理、人工防滲層處理和起壟覆膜加防滲層處理的硝態氮含量在200～300 cm土層差異不顯著。

郭勝利等[26]認為，土壤硝態氮深層累積是雨養農業區施肥、作物、降水、土壤特性等長期綜合作用的結果。硝態氮在土壤中的累積分布受土壤剖面硝態氮含量、作物根系吸收和水分垂直運動的影響[27]。起壟覆膜處理和人工防滲層處理通過改變土壤水分的時空分布，增加表層土壤的含水量，從而影響土壤硝態氮的淋溶和果樹的養分吸收，達到增產增收的效果，但對土壤深層的硝態氮累積影響不顯著，需要探索其它措施來減輕深層硝態氮的累積。

4 結 論

通過不同的集水阻滲措施處理技術在黃土高原果園的應用研究，分析了起壟覆膜處理、人工防滲層處理、起壟覆膜加防滲層處理和清耕處理下土壤水分、銨態氮、硝態氮的變化范圍，得出以下結論：

(1)起壟覆膜處理(Ⅰ)、防滲層處理(Ⅱ)和起壟覆膜加防滲層處理(Ⅲ)均能增加0～300 cm土層土壤含水量與儲水量，起壟覆膜處理(Ⅰ)通過匯集降雨和徑流，使0～200 cm土層土壤含水量均勻增加7.73%；防滲層處理(Ⅱ)通過減少水分下滲，對0～40 cm土層土壤含水量增加效果較好，增加了7.37%，但對深層土壤增加效果較差；起壟覆膜加防滲層處理(Ⅲ)通過兩種處理相結合效果最好，能夠增加0～300 cm土層9.60%的土壤含水量。

(2)起壟覆膜處理(Ⅰ)、防滲層處理(Ⅱ)和起壟覆膜加防滲層處理(Ⅲ)均能減少0～300 cm土層硝態氮含量，起壟覆膜處理(Ⅰ)主要增加了硝態氮隨水分向深層淋溶的作用，從而均勻減少了60.08%的0～200 cm土層土壤硝態氮含量；防滲層處理(Ⅱ)通過阻礙水分下滲，增加了0～40 cm土層土壤硝態氮含量，減輕了40～200 cm土層水分淋溶作用，從而減少40～200 cm土層土壤74.38%的硝態氮含量，使硝態氮更易被蘋果根系吸收，改善水肥利用效率；起壟覆膜加防滲層處理(Ⅲ)整體效果最好，減少了57.15%硝態氮含量。

總體而言，起壟覆膜加防滲層處理在本試驗條件下效果最佳。