不同灌溉方式對獼猴桃園土壤質(zhì)量的影響

郭旭新，趙 英，樊會芳，高志永

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

獼猴桃(Actinidia Lindl)是20世紀人工馴化和選育較為成功的野生樹種之一，其果實具有較高的營養(yǎng)和醫(yī)療價值，被譽為“水果之王”，頗受廣大消費者的歡迎。陜西省獼猴桃人工栽種起步最早、發(fā)展最快、規(guī)模最大，主要分布在陜西關(guān)中渭河以南至秦嶺北麓[1]。至2009年11月，省內(nèi)獼猴桃的種植面積已達4.25 萬hm2，總產(chǎn)量51.08 萬t，分別占全國的60%和70%[2]。

獼猴桃為喜陰喜濕樹種，對水分需求極大，耐旱能力差，對水分旱澇響應(yīng)十分敏感，對土壤肥力要求較高。獼猴桃在陜西關(guān)中地區(qū)大規(guī)模種植且商品化時間短，目前該地區(qū)關(guān)于獼猴桃研究主要集中在疾病調(diào)查、探討與防治[3,4]，施肥對其生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益影響[1,5-7]，栽培技術(shù)及栽植適宜區(qū)域劃分[8,9]，土壤養(yǎng)分調(diào)查和評價[10,11]。對其不同灌溉方式、不同灌溉方式水平下土壤質(zhì)量研究尚未深入。因此，本研究于2016年3月，在眉縣金渠鎮(zhèn)田家寨村及奇峰合作社和楊凌蔣家寨獼猴桃果園布設(shè)微噴灌、地面灌和滴灌處理，測定了0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機質(zhì)、速效鉀、速效磷和堿解氮，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并利用土壤質(zhì)量指數(shù)對不同灌溉處理土壤質(zhì)量進行了評價，本研究對全面了解不同灌溉方式下獼猴桃土壤質(zhì)量，篩選合理灌溉方式，提高獼猴桃產(chǎn)量，改善土地管理水平，提升果農(nóng)經(jīng)濟收入，營造良好果園生態(tài)環(huán)境意義重大，以期為獼猴桃節(jié)水灌溉技術(shù)及土地可持續(xù)性利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗分別布設(shè)于陜西省眉縣田家寨村(107°46′E，34°15′N)、奇峰果業(yè)(107°43′E，34°17′N)和楊凌蔣家寨(108°01′E，34°18′N)。該區(qū)域?qū)儆陉P(guān)中平原，屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫12～13.6 ℃，年降水量為550～660 mm。受季風(fēng)氣候影響，降水主要集中在夏秋季的7-9月，海拔高度320～924 m，年日照時數(shù)1 646～2 025 h，無霜期193～285 d，渭河由西向東橫貫關(guān)中平原，水資源豐富，便于灌溉，目前獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，種植面積廣，經(jīng)濟收入可觀，成為該區(qū)域主栽樹種[10]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗布設(shè)在陜西省眉縣田家寨村、眉縣奇峰果業(yè)和楊凌蔣家寨，試驗處理選擇廣大果農(nóng)長期在生產(chǎn)實踐中采用的微噴灌、地面灌和滴灌，3種處理，每個處理3個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)面積為30×15 m2(長×寬)，供試獼猴桃品種選為關(guān)中地區(qū)種植面積最廣的“徐香”，株行距為2 m×4 m，于2016年3月進行布設(shè)試驗。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，每個試驗小區(qū)進行除草處理。微噴灌和滴灌處理采用水肥一體化，地面灌溉處理施肥采用人工追施，其中氮肥(N)用量345 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量473 kg/hm2，鉀肥(K2O)用量689 kg/hm2。各處理灌溉方案見表1。

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和25 m處利用100 cm3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，每個樣上進行標注并送回試驗室對土壤的相關(guān)性質(zhì)進行測定。

表1 獼猴桃園各處理灌溉方案(制度)Tab.1 Irrigation scheme (system) of experimental treatment for Kiwifruit plantations

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；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[12,13]。

1.5 土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量不能夠直接測定，可以通過其他指標來間接計算，土壤質(zhì)量指標是從環(huán)境管理和生產(chǎn)潛力兩個方面評價土壤可持續(xù)性或土壤健康狀況的條件、功能和性狀，土壤質(zhì)量指標一般基于土壤理化性質(zhì)和種植植被的生產(chǎn)力[14]。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7個指標進行篩選[15]。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(guān)分析，選取pearson相關(guān)系數(shù)大的變量。利用如下公式進行土壤質(zhì)量綜合指數(shù)計算：

(1)

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

Wi計算根據(jù)主成分分析的結(jié)果，該值為評價指標公因子方差占公因子方差之和的比例。Si根據(jù)隸屬函數(shù),計算其隸屬度值。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(2)計算，指標越高表明土壤質(zhì)量越好，但當(dāng)指標達到一臨界值時，其效用趨于恒定。土壤容重的隸屬度值采用拋物線型隸屬函數(shù)式(3)計算，該指標在一定范圍內(nèi)土壤質(zhì)量最好，但當(dāng)指標達到一臨界值時，其效用變差。評價指標的轉(zhuǎn)折點值、下限和上限和最適值采用黃土高原土壤質(zhì)量評價值[16]。

S型隸屬度函數(shù)：

(2)

拋物線型隸屬函數(shù)：

(3)

式中：F(X)為隸屬函數(shù)；X為評價因素的實際指標值；X0分別為評價指標的轉(zhuǎn)折點值；a1和a2為評價指標的下限和上限值；b1和b2為最適值的上下界點。

1.6 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。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉處理對土壤物理性質(zhì)影響

表2為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤物理性質(zhì)，由表2可知，3種灌溉處理土壤容重在0～30 cm各土層內(nèi)，地面灌溉顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)，微噴灌和滴灌處理無顯著性差異；在30～50 cm各土層內(nèi)，3種處理無顯著差異，在0～50 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最大，均值為1.58 g/cm3，顯著高于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理田間持水量在0～10 cm土層內(nèi)微噴灌顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～50 cm各土層內(nèi)，微噴灌和滴灌處理無顯著差異；在0～50 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最小，均值為22.92%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。3種灌溉處理土壤孔隙度在0～10 cm土層內(nèi)無顯著差異；在10～30 cm各土層內(nèi)，地面灌溉顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)；在30～50 cm土層內(nèi)無顯著差異；在0～50 cm各土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉最小，均值為40.69%，顯著低于微噴灌和滴灌處理(P<0.05)。

表2 不同灌溉處理土壤物理性質(zhì)方差分析Tab.2 Analysis of variance of soil physical properties by different treatments

注：不同小寫字母表示相同土層LSD檢驗差異達到顯著水平(P<0.05)，下同。

2.2 不同灌溉處理對土壤化學(xué)性質(zhì)影響

表3為不同灌溉處理下獼猴桃園不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)，表3顯示，3種灌溉處理有機質(zhì)在0～20 cm土層內(nèi)表現(xiàn)為地面灌溉顯著大于滴灌(P<0.05)；在20～50 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌溉處理無顯著性差異；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為1.43%～1.62%，無顯著差異。3種灌溉處理速效鉀在0～50 cm土層內(nèi)差異顯著(P<0.05)，大小次序為地面灌>微噴灌>滴灌。3種灌溉處理速效磷在0～10 cm土層內(nèi)差異顯著(P<0.05)；在10～40 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌處理無差異，但二者顯著高于滴灌處理(P<0.05)；在40～50 cm土層內(nèi)，微噴灌和滴灌處理無差異；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為9.35～38.51 g/cm3，微噴灌和地面灌溉處理無差異，但二者顯著高于滴灌處理23.45和29.16 g/cm3(P<0.05)。3種灌溉處理堿解氮在0～20 cm各土層內(nèi)，微噴灌和地面灌溉處理無差異；在20～40 cm各土層內(nèi)微噴灌和滴灌無差異；在40～50 cm土層差異顯著(P<0.05)；在0～50 cm土層內(nèi)均值變化范圍為48.81～60.51 g/cm3，無顯著差異。

表3 不同灌溉處理土壤化學(xué)性質(zhì)方差分析Tab.3 Analysis of variance of soil chemical properties by different treatments

2.3 不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)

為選取具有代表性的土壤變量對獼猴桃園不同灌水處理土壤質(zhì)量進行評價，利用主成分分析法對7個土壤理化指標進行篩選，結(jié)果見表4。主成分分析顯示(表4)，KMO值為0.832，Bartlett球形度檢驗P值<0.001，說明變量之間存在相關(guān)性，可以進行因子分析；其中2個主成分特征值大于1且累計頻率達到86.743%(表4)，在第一主成分因子荷載中，堿解氮的荷載為0.967，達最大，首先選擇。而堿解氮分別與速效磷、速效鉀和有機質(zhì)荷載值差值不超過10%，因此也被選擇作為代表性因子；在第二主成分因子荷載中，土壤容重和土壤孔隙度荷載絕對值達0.9以上，因此將二者選為代表性因子。

為了實現(xiàn)變量的約減和降維，找出綜合變量，并能反映原來變量的信息，對高因子載荷值進行Pearson相關(guān)分析，分析結(jié)果見表5。表5表明，第一主成分因子荷載中，土壤容重與土壤孔隙度相關(guān)系數(shù)為-0.975，為極顯著；第二主成分因子荷載中，有機質(zhì)與速效鉀、速效磷、堿解氮的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.869～0.919，且極顯著，綜上，選擇土壤容重和有機質(zhì)對獼猴桃園不同處理土壤進行質(zhì)量指數(shù)計算，土壤容重和有機質(zhì)權(quán)重分別為0.524和0.476。

不同處理土壤質(zhì)量指數(shù)在不同土層顯著性分析表明(表6)，就各測定土層而言，在0～10 cm土層，微噴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)為0.653，顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；在10～30 cm各土層，微噴灌和地面灌溉處理無顯著差異；在10～50 cm各土層，滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍為0.457～0.513，顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。就總土層而言(0～50 cm)，滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)較微噴灌和地面灌溉處理分別高0.047和0.099，顯著高于地面灌溉處理(P<0.05)，與微噴灌處理無顯著性差異。

表4 土壤質(zhì)量指標的主成分因子荷載、公因子方差及權(quán)重Tab.4 Principal component factor load and common factor variance of soil quality indicators

表5 主要因子的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.5 Pearson correlation coefficient of key factors

注：**和*分別表示P<0.01和P<0.05。

表6 不同灌溉處理土壤質(zhì)量指數(shù)在不同土層顯著性分析Tab.6 Analysis of variance of soil quality index with different treatments

3 討 論

土壤肥力是土壤功能和土壤質(zhì)量本質(zhì)屬性，科學(xué)評價土壤肥力，能使我們精準了解土壤本質(zhì)，合理規(guī)劃和利用土地資源，為發(fā)展精準農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)[17]。本研究表明關(guān)中獼猴桃園微噴灌、地面灌溉和滴灌在0～50 cm土層的速效鉀分別為229.59、366.66和109.16 mg/kg；速效磷分別為32.80、38.51和9.35 mg/kg；堿解氮分別為52.89、60.51和48.81 mg/kg；有機質(zhì)分別為14.25、16.23和15.68 g/kg。結(jié)合《西安市土壤養(yǎng)分豐缺指標及推薦施肥指標體系》[18]對獼猴桃土壤養(yǎng)分評價標準，發(fā)現(xiàn)微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥均處于極豐富或豐富等級，而氮肥和有機質(zhì)均缺乏。過量施用磷肥和鉀肥，降低肥料的利用率，造成土壤環(huán)境惡化，形成次生鹽漬化，破壞微生態(tài)平衡，甚至影響果蔬的品種和產(chǎn)量[19-21]。Ju等[22]的研究表明，氮肥用量降低30%～60%，作物產(chǎn)量不會顯著降低，氮肥施用過量，作物產(chǎn)量并不會增加，經(jīng)濟收入和肥料利用率反而降低[23]。根據(jù)獼猴桃養(yǎng)分評價標準判定滴灌處理的磷肥、鉀肥和氮肥均不足，有機質(zhì)缺乏。滴灌滴水點附近是速效磷含量高值的分布區(qū)，也是速效鉀在短期淺層土壤集聚區(qū)[24]，本研究土樣的取樣點選在株距中間位置，可能導(dǎo)致滴灌處理測定土樣中鉀和磷肥偏低。施用有機肥可使土壤中的堿解氮和>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量等顯著增加，有機質(zhì)增加達24.8%～29.8%[25-27]，有機肥與化肥配合施用可提高獼猴桃糖酸比、可溶性總糖及維生素C等[28]，是獼猴桃園土壤肥力管理的有效方法[6]。通過對比3種灌溉處理土壤質(zhì)量指數(shù)發(fā)現(xiàn)滴灌處理使10～50 cm各土層土壤質(zhì)量顯著高于微噴灌和地面灌(表6)，滴灌較地面灌溉處理顯著改善土壤通氣性和持水性(表2)。因此，建議今后獼猴桃園灌溉方式采用滴灌，并增加有機肥投入，從而達到改善土壤理化性狀，實現(xiàn)獼猴桃園土地生產(chǎn)力可持續(xù)性發(fā)展。

土壤質(zhì)量的評價是農(nóng)業(yè)土地可持續(xù)利用的一個重要思想和指標[14]，評價的關(guān)鍵在于指標的選擇，本研究利用主成分分析法將單指標的評價轉(zhuǎn)化為多指標綜合評價，全方位反映土壤質(zhì)量水平，最終選取土壤容重和有機質(zhì)作為評價獼猴桃園土壤質(zhì)量指標。這與已有研究相一致[29,30]。土壤容重因土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量等不同而各異，它不僅影響?zhàn)B分和水分的供應(yīng)，而且影響其他物質(zhì)性質(zhì)和變化過程[14]。土壤有機質(zhì)為植物生長提供氮、磷、鉀和各種營養(yǎng)元素，也為土壤微生物活動提供能源，它通過對土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的作用影響土壤肥力特性，是衡量土壤肥力的重要指標[31]。可見本研究選取的指標能夠綜合反映土壤質(zhì)量，可為獼猴桃園土壤質(zhì)量評價指標篩選提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

在陜西關(guān)中3個獼猴桃園試驗地布設(shè)微噴灌、地面灌和滴灌處理，對試驗地0～50 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、有機質(zhì)、速效鉀、速效磷和堿解氮進行了測定，分析了不同灌溉處理的土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并利用土壤質(zhì)量指數(shù)對土壤質(zhì)量進行了評價，得到如下結(jié)論。

(1)微噴灌和滴灌處理土壤容重、土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層內(nèi)無差異，在0～30 cm各土層均顯著優(yōu)于地面灌溉處理(P<0.05)；地面灌溉處理的土壤孔隙和田間持水量在0～50 cm各土層均低于微噴灌和滴灌處理，而土壤容重在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(2)3種處理的速效鉀在0～50 cm各土層內(nèi)存在顯著差異(P<0.05)，其大小次序為地面灌溉>微噴灌>滴灌；微噴灌和地面灌溉處理的速效磷在10～40 cm土層無差異，顯著高于滴灌(P<0.05)；微噴灌和地面灌溉處理鉀和磷肥在0～50 cm土層內(nèi)均處于極豐富或豐富等級；地面灌溉處理的有機質(zhì)和堿解氮在0～50 cm各土層均高于微噴灌和滴灌處理。

(3)土壤容重和有機質(zhì)是反映獼猴桃園土壤質(zhì)量的綜合指標，其權(quán)重分別為0.524和0.476。

(4)微噴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)在0～10 cm土層分別顯著高于地面灌溉和滴灌處理(P<0.05)；滴灌處理土壤質(zhì)量指數(shù)在10～50 cm各土層顯著高于微噴灌和地面灌溉處理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。