蓄水坑灌下施肥管理方式對土壤礦質氮分布及蘋果產量的影響

程奇云，馬娟娟，任 榮，鄭利劍，郭向紅，孫西歡,2

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.晉中學院，山西 晉中 030619)

0 引 言

土壤氮素包括多種氮素形態(tài)，其中土壤礦質氮是植物可以直接吸收的速效氮素[1]。土壤礦質氮的分布受多種因素影響，灌溉方式和施肥方式均會對土壤礦質氮素的分布產生顯著影響[2-5]。土壤氮素會隨灌溉水及雨水的入滲而向土壤深層遷移，產生氮素的淋失[6]，而表層氨氮的積累會增大氨揮發(fā)的潛力，引發(fā)氮的氣態(tài)損失[7]。此外，施肥管理方式對土壤氮素及作物產量有顯著影響[8,9]。因此，通過調整灌溉及施肥方式促使土壤礦質氮集中于作物的根系吸收層可以顯著減少肥料氮素的損失，促進植物對氮素的吸收。蓄水坑灌法是一種新型中深層灌溉方式，與傳統(tǒng)地面灌溉方式相比，可以有效促進水氮集中于果樹根系吸收層[10,11]。但是，不同施肥管理方式下，土壤礦質氮及肥料氮素的分布規(guī)律仍不夠明確。

因此，本研究通過蘋果園原位試驗，研究不同施肥管理方式下，土壤礦質氮在土壤中的分布規(guī)律。同時，利用15N同位素示蹤技術，對施用的氮肥進行標記，探尋肥料氮素在土壤中的分布規(guī)律。為蓄水坑灌條件下，蘋果園氮肥施用管理方法的優(yōu)選提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

本試驗于2018年4月至9月在山西省農科院果樹研究所節(jié)水灌溉示范園(112°32′E，37°23′N)內進行，試驗地多年平均氣溫為9.8 ℃，多年平均降雨量為460 mm，全年無霜期為175 d，屬典型暖溫帶大陸性半干旱氣候，試驗期間月平均降雨量及平均氣溫如圖1所示。試驗區(qū)土壤質地為粉質壤土，土壤容重為1.47 g/cm3，田間持水量為24.79%。土壤有機質含量為11.79 g/kg，土壤全氮量為1.01 g/kg，全磷含量為0.57 g/kg，全鉀含量為19.43 g/kg，有效氮含量為53.92 mg/kg，pH值為8.12。

圖1 試驗期間降雨及氣溫狀況Fig.1 Precipitation and temperature during experiment

1.2 試驗設計

試驗對象為7 a生矮砧紅富士蘋果樹，南北走向種植，株行距2 m×4 m。試驗根據(jù)灌溉方式及施肥管理方式分為4個處理，每個處理重復3次，具體處理設計如表1所示。其中，地面灌溉方式采用傳統(tǒng)地面畦灌；蓄水坑灌處理中，單株果樹設置4個蓄水坑，坑深40 cm，坑口直徑30 cm，坑口未覆蓋(見圖2)。灌水上下限為田間持水量的60%至90%，灌溉量及灌溉時間根據(jù)實際田間含水量與灌水上下限進行計算確定，實際田間含水量采用TDR(TRIME-PICO 德國)進行測量。

圖2 蓄水坑灌示意圖Fig.2 Sketch of water storage pit irrigation

表1 處理設計Tab.1 Design of treatments

施肥管理方式根據(jù)施肥次數(shù)及施肥總量分為3組，單次施肥處理為5月24日一次性施入全部肥料；兩次施肥處理為5月24日和7月19日各施入一半肥料。肥料為尿素，其中15N標記的尿素(上?；ぱ芯吭荷a，豐度10.22%)占總施入尿素的2.63%。其他日常田間管理與當?shù)毓麍@情況一致。

1.3 測試指標與方法

1.3.1 土壤樣品的采集

土壤樣品利用土鉆在距樹干60 cm處采集，采集深度為160 cm，每20 cm取一土壤樣品，在每次施肥后第1、7和15 d采集土樣，此外，于7月18日另采集一次，共采樣7次。

1.3.2 土壤礦質氮測定

土壤氨態(tài)氮和硝態(tài)氮使用AA3連續(xù)流動分析儀(SEAL,德國)進行測定。稱取5 g土壤樣品，置于錐形瓶中，并加入50 mL的KCI溶液(1 mol/L)，振蕩30 min，抽取浸提液測試。

1.3.3 土壤氮同位素測定

將適量采集的土壤樣品進行風干，之后過100目篩子。稱取30 mg風干的土壤樣品，采用DELTA V Advantage 同位素質譜儀(Thermo, 德國)進行測定。

1.3.4 產量及品質

對不同處理果實分別采收并計算產量。果實品質檢測指標包括：果實硬度，可溶性固形物，單果重和果形指數(shù)。果實硬度采用GY-1果實硬度計(艾普計量儀器，中國)測定，可溶性固形物采用PAL-1 便攜式測定儀(Atago,日本)測定，單果重采用JA1003電子天平(力辰科技，中國)測定，采用游標卡尺(蘇測，中國)測量果實橫徑和縱徑并計算出果形指數(shù)。每個檢測指標重復測量3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2013對數(shù)據(jù)進行匯總，采用IBM SPSS Statistics 23.0軟件進行LSD方法(p<0.05)下單因素ANOVA分析，采用origin9.0繪制圖表。

15N同位素相關計算公式如下[12,13]：

(1)

式中：NDFF為來源于肥料的氮素含量，kg/kg；自然豐度為0.366%。

2 結果與分析

2.1 施氮量對土壤礦質氮分布的影響

根據(jù)土壤環(huán)境的不同，尿素水解所需時間為7～15 d不等[14]。因此，本試驗結合施肥后土壤溫度及土壤水分含量狀況，采用施肥后14 d土壤樣本對土壤礦質氮含量進行研究。

如圖3所示，對于不同施氮量，土壤氨氮含量均于地表下40 cm和100 cm出現(xiàn)峰值。但是，相較于低氮處理(T1)，高氮處理(T2)40 cm處氨氮的含量出現(xiàn)明顯增長，增長量將近1倍；而100 cm處的氨氮并未出現(xiàn)明顯變化。而土壤硝氮含量則均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，低值區(qū)均為地表下60～120 cm處，然而，隨施氮量增加，除40 cm土層，土壤硝氮含量值均出現(xiàn)明顯增長，高氮處理(T2)土壤硝氮含量普遍比低氮處理(T1)增長2～3倍。這表明，施氮量的變化主要影響0～60 cm土層氨氮的含量，較多的施肥量明顯提高0至60 cm土層氨氮含量，有研究表明淺層土壤氨氮的增加會提升氨氣揮發(fā)的潛力[15]。此外，施氮量的增加還會明顯增加土壤硝氮的含量，并且對各土層的硝氮含量有不同程度的影響。

圖3 不同施氮量下土壤礦質氮分布Fig.3 Distribution of soil mineral nitrogen with different fertilization

2.2 施肥次數(shù)對土壤礦質氮的影響

由圖4可知， 一次施肥處理(T1)下土壤氨氮累積量隨時間逐步減小，且減小速率由快逐漸減慢。兩次施肥處理(T3)下土壤氨氮累積量先逐漸減小，而后在第二次施肥(7月19日)后明顯上升，然后逐步下降。一次施肥處理(T1)下土壤硝氮累積量總體隨時間逐步增加。兩次施肥處理(T3)下土壤硝氮累積量呈單峰形式，在第二次施肥(7月19日)前，與一次施肥處理差異并不明顯，而在施肥后第7 d(7月26日)，各處理的硝氮累積量均出現(xiàn)明顯上升，而后一次施肥處理(T1)基本穩(wěn)定，兩次施肥處理(T3)則出現(xiàn)明顯回落。對于兩處理施肥后第7天的明顯硝氮上升，可能是由于7月下旬土壤溫度、土壤含水率及土壤氧氣含量等土壤環(huán)境適宜土壤硝化反應，促進了土壤硝氮的累積，而T3處理出現(xiàn)的更大幅度的硝氮累積，則與第二次施肥有明顯相關，施肥提高了土壤氨氮的含量，為硝化反應提供了充足的反應物，進而出現(xiàn)更明顯的硝氮積累。表明在總施肥量相同的情況下，分次施用可以有效減少氨氮的過量累積，減少土壤氨揮發(fā)的潛力，同時對土壤硝氮含量有一定程度提升。

圖4 施肥次數(shù)對土壤礦質氮累積量的影響Fig.4 Accumulation of soil mineral nitrogen with different fertilizer times

2.3 灌溉方式對土壤礦質氮的分布影響

由表2可知，在傳統(tǒng)地面灌溉條件下，土壤氨氮主要集中于淺層土壤，占比54.47%，而土壤硝氮則分布較為平均。對于蓄水坑灌，土壤氨氮則主要集中于土壤中層，占比52.87%，土壤硝氮呈現(xiàn)類似的分布規(guī)律，主要集中于中層土壤，占比56.06%。有研究表明，蘋果樹主要吸收根系集中于地表下40～80 cm附近[16]，即土壤中層，因此，在本研究條件以及相同施肥管理方式下，蓄水坑灌法促進土壤礦質氮集中于土壤中層，可以提供給果樹更充足的礦質氮。

表2 不同灌溉方式下土壤礦質氮含量及分配比例Tab.2 Soil mineral nitrogen content and distribution ratio with different irrigation methods

2.4 肥料氮素分布

利用15N同位素示蹤技術，對不同土層中來自所施用肥料的氮素進行追蹤，并計算肥料氮素的分配情況如圖5所示。由圖5可知，地面灌溉條件下，肥料氮素主要集中于0～60 cm土層中，占比94.1%。其中，0～40 cm淺層土壤肥料氮素占全部土壤肥料氮素的58.62%，40～60 cm土壤中肥料氮素占比35.48%。在相同施肥管理條件下，蓄水坑灌處理中，肥料氮素明顯擴散至表土下100 cm附近，0～100 cm土壤中肥料氮素占比95.75%，其中，0～40 cm淺層土壤肥料氮素占全部土壤肥料氮素比例為27.05%，40～60 cm土壤中肥料氮素占比34.55%，60～80 cm土壤中肥料氮素占比12.26%，80～100 cm土壤中肥料氮素占比21.89%。表明，相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以有效促使肥料氮素擴散至果樹根系集中區(qū)，同時，顯著減少0～40 cm淺層土壤肥料氮素累積，有助于減少氨揮發(fā)引起的氮素氣態(tài)損失。

圖5 肥料氮素在不同土層中的分布Fig.5 Distribution of fertilizer nitrogen in different soil layers

2.5 不同灌溉施肥管理下蘋果的產量

不同處理中產量差異顯著。在蓄水坑灌處理中，兩次施肥處理(T3)的產量明顯高于其他處理。對于一次施肥的處理，隨著施氮總量的增加，產量出現(xiàn)顯著下降(T1,T2)。在相同的施肥管理下，蓄水坑灌處理(T3)的產量比地面灌溉處理(SI)高13.7%，如表3所示。

表3 蘋果產量及品質Tab.3 Apple yield and quality

在蘋果品質中，可溶性固形物含量存在顯著差異，而果實硬度，單果重，果形指數(shù)的差異并不顯著。在蓄水坑灌處理中，兩次施肥(T3)的可溶性固形物含量比單次施肥(T1)高14.6%。然而，隨著施氮總量的增加，可溶性固形物含量并無顯著性差異(T1,T2)。在相同施肥管理下，蓄水坑灌處理(T3)的可溶性固形物比地面灌溉處理(SI)高29.8%。

研究表明，相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以顯著提高產量及果實可溶性固形物含量；此外，在相同施肥管理條件下，分次施肥可以有效提高產量及果實可溶性固形物含量。

3 結 論

(1)蓄水坑灌條件下，施肥量的增加明顯提高0～60 cm土層氨氮含量和80～160 cm土層硝氮含量；而分次施用可以有效減少氨氮的大量累積，減少土壤氨揮發(fā)的潛力，同時也可以在一定程度上增加硝氮含量。傳統(tǒng)地面灌溉條件下，土壤氨氮主要集中于淺層土壤，占比54.47%，而土壤硝氮則分布較為平均；蓄水坑灌條件下，土壤氨氮和硝氮均主要集中于土壤中層，分別占比52.87% 和56.06%。蓄水坑灌法促進土壤礦質氮集中于蘋果根系吸收層。

(2)地面灌溉條件下，肥料氮素主要集中于0～60 cm土層中，占比94.1%。蓄水坑灌處理中，肥料氮素明顯向下擴散，0～100 cm土壤中肥料氮素占比95.75%。相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以有效促使肥料氮素擴散至中層土壤，顯著減少0～40 cm淺層土壤肥料氮素累積。

(3)相較于地面灌溉，蓄水坑灌可以有效提高產量，約13.7%。同時，可以提高可溶性固形物含量，約29.8%。