晉西蘋果與大豆間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分分布特征

廖文超，畢華興，高路博，許華森，常譯方

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

果農(nóng)間作是晉西黃土區(qū)農(nóng)林復(fù)合的主要模式之一，由于其具有較高的經(jīng)濟(jì)收益［1］，因此深受當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的歡迎。但是果樹的引入，必然導(dǎo)致果樹與作物對于資源的競爭，降低作物產(chǎn)量［2－3］。作物減產(chǎn)的主要原 因 為 果 樹 的 地 上 遮 光［4－5］和 地 下 的 水 肥 競 爭［6－7］。部分研究發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)中種間競爭主要由地下部分體現(xiàn)［8－9］，即水分和養(yǎng)分資源的競爭、互補(bǔ)和化感作用［10］。在晉西黃土區(qū)，由于全年無灌溉，所以作為植物生長所必須的營養(yǎng)元素——土壤養(yǎng)分，其變化是作物產(chǎn)量的決定因素［11］。因此，對果農(nóng)間作系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分分布特征進(jìn)行研究，認(rèn)識果樹和作物種群間對土壤養(yǎng)分資源的競爭與互補(bǔ)關(guān)系是果農(nóng)間作系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵問題［12］。近年來，對果農(nóng)間作系統(tǒng)種間競爭關(guān)系的研究不斷在國內(nèi)外開展并取得了一定的研究成果［13－14］。然而對不同樹齡果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分分布特征及規(guī)律的研究相對匱乏。本文以晉西黃土區(qū)具有代表性的蘋果＋大豆間作模式為研究對象，選取不同樹齡的蘋果＋大豆間作模式，研究間作系統(tǒng)內(nèi)由于樹齡增長而導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分分布特征及規(guī)律的變化，旨在為改善該地區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境、蘋果＋大豆間作系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣地理坐標(biāo)為35°53′10″—36°21′02″N，110°27′30″—111°07′20″E，地處山西省西南部，是典型的黃土殘塬溝壑區(qū)。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。據(jù)吉縣氣象站資料，吉縣多年平均降水量571mm，且降雨量季節(jié)分配不均，降雨主要集中在6—9月，約占全年總降雨量的70%，年均蒸發(fā)量1 729mm，年平均氣溫9.9℃，年均太陽總輻射量5 424MJ／m2，光照時(shí)數(shù)2 563.8h，≥10℃的積溫3 358℃，無霜期172d。主要土壤類型為褐土，黃土母質(zhì)，土質(zhì)均勻，較適合作物生長。主要的果農(nóng)間作樹種為蘋果（Malus pumila）、核桃（Juglans regia）、桃（Amygdalus persica）、杏（Armeniaca vulgaris）和梨（Pyrus xmichauxii），主要間作作物為大豆（Glycine max）、花生（Arachis hypogaea）和玉米（Zea mays）。

1.2 研究對象

根據(jù)黃土殘塬溝壑區(qū)果農(nóng)間作經(jīng)營特點(diǎn)，結(jié)合對當(dāng)?shù)毓r(nóng)間作系統(tǒng)實(shí)際經(jīng)營情況的調(diào)查，在山西省吉縣東城鄉(xiāng)柏東村黃土殘塬面，選擇果樹樹齡為4，6，8年生的蘋果與大豆間作系統(tǒng)為試驗(yàn)對象。果樹品種為矮化富士，均采用相同砧木，大豆品種為晉豆36。研究樣地基本情況見表1。間作大豆與果樹行之間的距離均為0.75m，走向與果樹行相同（東西走向），株行距為0.45m×0.50m，密度為44 400株／hm2，大豆種植于2012年5月。各樣地耕地、除草及病蟲害防治等管理措施一致，全年無灌溉。

表1 山西省吉縣東城鄉(xiāng)柏東村樣地基本情況

1.3 研究方法

土壤養(yǎng)分監(jiān)測樣點(diǎn)布設(shè)以6棵果樹為一個(gè)矩形樣方，在2行果樹之間，垂直于果樹樹行布設(shè)3條調(diào)查樣線。樣線1位于兩行果樹中間兩棵果樹連線上，樣線2與樣線3分別位于樣線1兩側(cè)，與樣線1距離為2m，且平行于樣線1。在每條樣線上布設(shè)5個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)距離果樹行的距離分別為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5m（由南到北）。每個(gè)年齡間作系統(tǒng)各取3個(gè)重復(fù)。

在大豆生長的關(guān)鍵物候期盛花期（7月），在上述土壤養(yǎng)分監(jiān)測點(diǎn)采用土鉆法取土，由于本研究主要著力于揭示蘋果與大豆之間的競爭關(guān)系，所以取土?xí)r以大豆根系主要集中土層為下限，深度為60cm，每20cm為一層。為使土樣具有代表性，每個(gè)樣點(diǎn)同一層土樣為3條樣線上距樹行等距離處3點(diǎn)的混合樣（四分法取樣），每個(gè)樣地設(shè)3個(gè)重復(fù)。測定土壤速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)和全氮含量：速效鉀用火焰光度計(jì)法測定；速效磷采用0.5mol／L的NaHCO3溶液浸提—硫酸鉬銻抗混合比色法；有機(jī)質(zhì)用油浴加熱消煮—重鉻酸鉀法；全氮采用蒸餾法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤養(yǎng)分垂直分布

不同樹齡蘋果＋大豆間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分垂直分布特征見圖1。由圖1可以看出，不同樹齡間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分垂直分布具有相似規(guī)律。4，6和8年生間作系統(tǒng)的速效鉀含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：0—20cm＞20—40cm＞40—60cm土層，即隨著土層深度增加而減小，這與果樹根系由上至下逐漸減少有關(guān)［15］；而全氮含量隨著土層深度的變化表現(xiàn)為先增大再減小，即相對于20—40cm土層，在0—20cm土層全氮含量顯著偏低（p＜0.05），表明蘋果樹與大豆對于氮素消耗較大，競爭相對激烈，所以對于不同樹齡的間作系統(tǒng)在田間管理施肥時(shí)應(yīng)以氮肥為主。在0—60cm土層，速效鉀含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量在各土層均表現(xiàn)為6年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)，只有在20—40cm土層速效磷含量表現(xiàn)為：6年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)。表明在8年生間作系統(tǒng)中各養(yǎng)分元素競爭較為激烈；在6年生間作系統(tǒng)中速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)競爭相對較弱，氮素競爭較強(qiáng)；在4年生間作系統(tǒng)中則氮素競爭最弱。表明隨著果樹樹齡的增長，蘋果樹與大豆對各養(yǎng)分元素的競爭關(guān)系逐漸發(fā)生變化，且在8年生間作系統(tǒng)中養(yǎng)分競爭最激烈。這主要是由于隨著樹齡增長，果樹根系進(jìn)一步發(fā)達(dá)，對于養(yǎng)分的吸收加強(qiáng)，造成競爭更為激烈。

圖1 土壤養(yǎng)分垂直分布特征

2.2 土壤養(yǎng)分水平分布

不同樹齡蘋果＋大豆間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分水平分布見圖2。由圖2可以看出，4和6年生間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分水平分布特征一致，均表現(xiàn)為“W”型，即隨著距樹行距離的增加，速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)和全氮含量均先后出現(xiàn)兩個(gè)減少和增加的過程，且兩個(gè)極小值均出現(xiàn)在距樹行1.5和3.5m處，在距樹行2.5m（作物中心線）處出現(xiàn)極大值，且極大值點(diǎn)速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)和全氮含量與極小值點(diǎn)含量差異顯著（p＜0.05）。表明在4和6年生間作系統(tǒng)中，蘋果樹與大豆在距樹行1.5和3.5m處養(yǎng)分競爭較為激烈。這主要是由于在距樹行1.5和3.5m處果樹與大豆的根系分布集中所致［16］。8年生間作系統(tǒng)速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量水平分布特征一致，表現(xiàn)為“M”型，即兩個(gè)極大值出現(xiàn)在距樹行1.5和3.5m處，一個(gè)極小值出現(xiàn)在作物中心線處，極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)養(yǎng)分含量差異顯著（p＜0.05）。這主要是因?yàn)樵?年生間作系統(tǒng)中大豆生長受到嚴(yán)重限制，果樹根系分布向作物中心線擴(kuò)展［17］，將競爭最激烈點(diǎn)由距樹行1.5和3.5m處向作物中心線轉(zhuǎn)移。在8年生間作系統(tǒng)中，全氮含量水平分布特征與其余3個(gè)指標(biāo)不同，在距樹行1.5m處出現(xiàn)一個(gè)極小值，在距樹行2.5m處出現(xiàn)一個(gè)極大值，極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)總氮含量差異顯著（p＜0.05），這可能是由于大豆（固氮植物）的固氮作用使得土壤中的氮素含量發(fā)生變化。

2.3 果樹樹齡對間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的影響

不同樹齡間作系統(tǒng)0—60cm土層土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可以看出，速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：6年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)，其中6年生間作系統(tǒng)比4和8年生間作系統(tǒng)速效鉀含量分別高出28.10%和32.46%，有機(jī)質(zhì)含量分別高出17.67%和28.61%。速效磷含量表現(xiàn)為：6年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)，6年生間作系統(tǒng)比8和4年生間作系統(tǒng)分別高出15.75%和16.46%。全氮含量表現(xiàn)為：4年生間作系統(tǒng)＞6年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)，4年生間作系統(tǒng)比6和8年生間作系統(tǒng)分別高出21.17%和65.71%。差異性分析顯示，4和8年生間作系統(tǒng)速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異（p＞0.05），6和8年生間作系統(tǒng)全氮含量無顯著差異（p＞0.05）。

圖2 土壤養(yǎng)分水平分布特征

表2 不同樹齡間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量

在4年生間作系統(tǒng)中，果樹處于幼齡期，果樹與大豆之間相互影響較小，養(yǎng)分競爭較弱；在6年生間作系統(tǒng)中，隨著果樹冠幅與根系的擴(kuò)展，大豆生長受到抑制［18］，養(yǎng)分消耗變低，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量大于4年生間作系統(tǒng)；而在8年生間作系統(tǒng)中，由于果樹冠幅與根系進(jìn)一步擴(kuò)展，果樹生長具有絕對優(yōu)勢，大豆生長受到嚴(yán)重抑制，養(yǎng)分主要被果樹消耗，造成8年生間作系統(tǒng)養(yǎng)分含量嚴(yán)重偏低。所以建議隨著果樹樹齡的增長，應(yīng)該適時(shí)增大復(fù)合界面的距離或停止復(fù)合經(jīng)營。而全氮含量在4年生間作系統(tǒng)中最高，這主要是由于在該系統(tǒng)中大豆生長較好，其固氮作用導(dǎo)致土壤全氮含量較大。

3 結(jié)論

（1）在垂直方向上，不同樹齡果農(nóng)間作系統(tǒng)養(yǎng)分分布具有相似規(guī)律，其中速效鉀含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量均隨著土層深度增加而減少；而全氮含量隨著土層深度的變化表現(xiàn)為先增大再減小。各土層速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為：6年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)，只有在20—40 cm土層速效磷含量表現(xiàn)為：6年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)＞4年生間作系統(tǒng)；而全氮含量在各土層表現(xiàn)為：4年生間作系統(tǒng)＞6年生間作系統(tǒng)＞8年生間作系統(tǒng)。

（2）在水平方向上，4和6年生間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分分布特征一致，均表現(xiàn)為“W”型，即隨著距樹行距離的增加，在距樹行1.5和3.5m處出現(xiàn)兩個(gè)極小值，在距樹行2.5m（作物中心線）處出現(xiàn)一個(gè)極大值，8年生間作系統(tǒng)速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量水平分布特征一致，表現(xiàn)為“M”型，即兩個(gè)極大值出現(xiàn)在距樹行1.5和3.5m處，一個(gè)極小值出現(xiàn)在作物中心線處。差異性分析顯示，極大值點(diǎn)養(yǎng)分含量與極小值點(diǎn)有顯著差異（p＜0.05）。而全氮含量水平分布特征與其余3個(gè)指標(biāo)不同，在距樹行2.5m（作物中心線）處并沒有出現(xiàn)極小值。

（3）總體上，在0—60cm土層，速效鉀含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量均為6年生間作系統(tǒng)最高，其中速效鉀含量、速效磷含量4年生間作系統(tǒng)和8年生間作系統(tǒng)無顯著差異（p＞0.05）；全氮含量為4年生間作系統(tǒng)最高，6年生間作系統(tǒng)和8年生間作系統(tǒng)無顯著差異（p＞0.05）。

本試驗(yàn)研究重點(diǎn)定量分析了不同樹齡蘋果＋大豆間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分空間分布特征，進(jìn)一步豐富和完善了果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的研究。但不同樹齡果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分空間分布特征及其差異是由果樹密度、類型、施肥管理以及果樹和作物的物候期吸收養(yǎng)分狀況等因素共同決定的。因此，下一步研究重點(diǎn)應(yīng)是綜合各種因素開展果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征，結(jié)合土壤水分、地下根系特征、光環(huán)境等數(shù)據(jù)對果農(nóng)間作系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行深入研究，從而為果農(nóng)間作系統(tǒng)配置、可持續(xù)經(jīng)營管理提供一定的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合收益最大化。

［1］ 宋西德，劉粉蓮，張永.黃土丘陵溝壑區(qū)林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)立體經(jīng)營模式研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（4）：43－46.

［2］ 張斌，張?zhí)伊?低丘紅壤區(qū)農(nóng)林間作系統(tǒng)的水分生態(tài)特征及生產(chǎn)力［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1997，16（4）：1－5.

［3］ Lowan T L，Kang B T.Yield of maize and cowpea in alley cropping system in relation to available light［J］.Agric.For.Metere.，1990，52（3／4）：347－350.

［4］ 王興祥，何園球，張?zhí)伊郑?低丘紅壤花生南酸棗間作系統(tǒng)研究（Ⅳ）：光能競爭與剪枝作用［J］.土壤，2003，35（4）：320－324.

［5］ Peng Xiaobang，Zhang Yuanying，Cai Jing，et al.Photosynthesis，growth and yield of soybean and maize in a treebased agroforestry intercropping system on the Loess Plateau［J］.Agroforestry Systems，2009，76（3）：569－577.

［6］ 云雷，畢華興，任怡，等.晉西黃土區(qū)核桃玉米間作界面土壤水分變化規(guī)律及其對玉米產(chǎn)量的影響［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（1）：47－51.

［7］ 王興祥，張?zhí)伊?，張斌，?低丘紅壤花生南酸棗間作系統(tǒng)研究（Ⅱ）：氮素競爭［J］.土壤，2003，35（1）：66－68.

［8］ Monteith J L，Ong C K，Corlett J E.Microclimatic interactions in agroforestry systems［J］.Forest Ecology and Management，1991，45（1）：31－44.

［9］ 蔡崇法，王峰，丁樹文，等.間作及農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中植物組分間養(yǎng)分競爭機(jī)理分析［J］.水土保持研究，2000，7（3）：219－222.

［10］ Jose S，Gillespie A R，Pallardy S G.Interspecific interactions in temperate agroforestry［J］.Agroforestry Systems，2004，61（1）：237－255.

［11］ 葉彥輝，宋西德，張永，等.黃土丘陵區(qū)林草景觀界面土壤養(yǎng)分分布特征和空間變異性研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（3）：1－6.

［12］ Thevathasan N V，Gordon A M.Ecology of tree intercropping systems in the north temperate region：Experiences from Southern Ontario，Canada［J］.Agroforestry Systems，2004，61（1／3）：257－268.

［13］ 趙英，張斌，王明珠.農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中物種間水肥光競爭機(jī)理分析與評價(jià)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（6）：1792－1801.

［14］ Ong C K，Wilson J，Deans J D，et al.Tree－crop interactions：manipulation of water use and root function［J］.Agricultural Water Management，2002，53（1／3）：171－186.

［15］ 許華森，云雷，畢華興，等.核桃—大豆間作系統(tǒng)細(xì)根分布及地下競爭［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2012，31（7）：1－5.

［16］ 張勁松，孟平，尹昌東.果農(nóng)間作系統(tǒng)中果樹根系空間分布特征［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，38（4）：30－33.

［17］ 楊培嶺，羅元培，石元春.土壤—植物根系統(tǒng)的水分傳輸［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，19（2）：25－30.

［18］ 史曉麗，郭小平，畢華興，等.晉西果農(nóng)間作光競爭及產(chǎn)量研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（2）：115－118.