晉西蘋果與大豆間作系統土壤養分分布特征

廖文超，畢華興，高路博，許華森，常譯方

（北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

果農間作是晉西黃土區農林復合的主要模式之一，由于其具有較高的經濟收益［1］，因此深受當地農民的歡迎。但是果樹的引入，必然導致果樹與作物對于資源的競爭，降低作物產量［2－3］。作物減產的主要原 因 為 果 樹 的 地 上 遮 光［4－5］和 地 下 的 水 肥 競 爭［6－7］。部分研究發現，間作系統中種間競爭主要由地下部分體現［8－9］，即水分和養分資源的競爭、互補和化感作用［10］。在晉西黃土區，由于全年無灌溉，所以作為植物生長所必須的營養元素——土壤養分，其變化是作物產量的決定因素［11］。因此，對果農間作系統中土壤養分分布特征進行研究，認識果樹和作物種群間對土壤養分資源的競爭與互補關系是果農間作系統能否實現高效可持續經營的關鍵問題［12］。近年來，對果農間作系統種間競爭關系的研究不斷在國內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間作系統土壤養分分布特征及規律的研究相對匱乏。本文以晉西黃土區具有代表性的蘋果＋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，研究間作系統內由于樹齡增長而導致的土壤養分分布特征及規律的變化，旨在為改善該地區土壤養分環境、蘋果＋大豆間作系統的可持續經營管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省吉縣地理坐標為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。該地區屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期。據吉縣氣象站資料，吉縣多年平均降水量571mm，且降雨量季節分配不均，降雨主要集中在6—9月，約占全年總降雨量的70%，年均蒸發量1 729mm，年平均氣溫9.9℃，年均太陽總輻射量5 424MJ／m2，光照時數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，土質均勻，較適合作物生長。主要的果農間作樹種為蘋果（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

根據黃土殘塬溝壑區果農間作經營特點，結合對當地果農間作系統實際經營情況的調查，在山西省吉縣東城鄉柏東村黃土殘塬面，選擇果樹樹齡為4，6，8年生的蘋果與大豆間作系統為試驗對象。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 山西省吉縣東城鄉柏東村樣地基本情況

1.3 研究方法

土壤養分監測樣點布設以6棵果樹為一個矩形樣方，在2行果樹之間，垂直于果樹樹行布設3條調查樣線。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，與樣線1距離為2m，且平行于樣線1。在每條樣線上布設5個監測樣點，各監測點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）。每個年齡間作系統各取3個重復。

在大豆生長的關鍵物候期盛花期（7月），在上述土壤養分監測點采用土鉆法取土，由于本研究主要著力于揭示蘋果與大豆之間的競爭關系，所以取土時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，每個樣點同一層土樣為3條樣線上距樹行等距離處3點的混合樣（四分法取樣），每個樣地設3個重復。測定土壤速效鉀、速效磷、有機質和全氮含量：速效鉀用火焰光度計法測定；速效磷采用0.5mol／L的NaHCO3溶液浸提—硫酸鉬銻抗混合比色法；有機質用油浴加熱消煮—重鉻酸鉀法；全氮采用蒸餾法測定。

2 結果與討論

2.1 土壤養分垂直分布

不同樹齡蘋果＋大豆間作系統土壤養分垂直分布特征見圖1。由圖1可以看出，不同樹齡間作系統土壤養分垂直分布具有相似規律。4，6和8年生間作系統的速效鉀含量、速效磷含量、有機質含量均表現為：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［15］；而全氮含量隨著土層深度的變化表現為先增大再減小，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在田間管理施肥時應以氮肥為主。在0—60cm土層，速效鉀含量、速效磷含量、有機質含量和全氮含量在各土層均表現為6年生間作系統＞4年生間作系統＞8年生間作系統，只有在20—40cm土層速效磷含量表現為：6年生間作系統＞8年生間作系統＞4年生間作系統。表明在8年生間作系統中各養分元素競爭較為激烈；在6年生間作系統中速效鉀、速效磷和有機質競爭相對較弱，氮素競爭較強；在4年生間作系統中則氮素競爭最弱。表明隨著果樹樹齡的增長，蘋果樹與大豆對各養分元素的競爭關系逐漸發生變化，且在8年生間作系統中養分競爭最激烈。這主要是由于隨著樹齡增長，果樹根系進一步發達，對于養分的吸收加強，造成競爭更為激烈。

圖1 土壤養分垂直分布特征

2.2 土壤養分水平分布

不同樹齡蘋果＋大豆間作系統土壤養分水平分布見圖2。由圖2可以看出，4和6年生間作系統土壤養分水平分布特征一致，均表現為“W”型，即隨著距樹行距離的增加，速效鉀、速效磷、有機質和全氮含量均先后出現兩個減少和增加的過程，且兩個極小值均出現在距樹行1.5和3.5m處，在距樹行2.5m（作物中心線）處出現極大值，且極大值點速效鉀、速效磷、有機質和全氮含量與極小值點含量差異顯著（p＜0.05）。表明在4和6年生間作系統中，蘋果樹與大豆在距樹行1.5和3.5m處養分競爭較為激烈。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年生間作系統速效鉀、速效磷和有機質含量水平分布特征一致，表現為“M”型，即兩個極大值出現在距樹行1.5和3.5m處，一個極小值出現在作物中心線處，極大值點與極小值點養分含量差異顯著（p＜0.05）。這主要是因為在8年生間作系統中大豆生長受到嚴重限制，果樹根系分布向作物中心線擴展［17］，將競爭最激烈點由距樹行1.5和3.5m處向作物中心線轉移。在8年生間作系統中，全氮含量水平分布特征與其余3個指標不同，在距樹行1.5m處出現一個極小值，在距樹行2.5m處出現一個極大值，極大值點與極小值點總氮含量差異顯著（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生變化。

2.3 果樹樹齡對間作系統土壤養分的影響

不同樹齡間作系統0—60cm土層土壤養分含量統計結果見表2。由表2可以看出，速效鉀含量、有機質含量均表現為：6年生間作系統＞4年生間作系統＞8年生間作系統，其中6年生間作系統比4和8年生間作系統速效鉀含量分別高出28.10%和32.46%，有機質含量分別高出17.67%和28.61%。速效磷含量表現為：6年生間作系統＞8年生間作系統＞4年生間作系統，6年生間作系統比8和4年生間作系統分別高出15.75%和16.46%。全氮含量表現為：4年生間作系統＞6年生間作系統＞8年生間作系統，4年生間作系統比6和8年生間作系統分別高出21.17%和65.71%。差異性分析顯示，4和8年生間作系統速效磷、速效鉀、有機質含量無顯著差異（p＞0.05），6和8年生間作系統全氮含量無顯著差異（p＞0.05）。

圖2 土壤養分水平分布特征

表2 不同樹齡間作系統土壤養分含量

在4年生間作系統中，果樹處于幼齡期，果樹與大豆之間相互影響較小，養分競爭較弱；在6年生間作系統中，隨著果樹冠幅與根系的擴展，大豆生長受到抑制［18］，養分消耗變低，導致土壤養分含量大于4年生間作系統；而在8年生間作系統中，由于果樹冠幅與根系進一步擴展，果樹生長具有絕對優勢，大豆生長受到嚴重抑制，養分主要被果樹消耗，造成8年生間作系統養分含量嚴重偏低。所以建議隨著果樹樹齡的增長，應該適時增大復合界面的距離或停止復合經營。而全氮含量在4年生間作系統中最高，這主要是由于在該系統中大豆生長較好，其固氮作用導致土壤全氮含量較大。

3 結論

（1）在垂直方向上，不同樹齡果農間作系統養分分布具有相似規律，其中速效鉀含量、速效磷含量、有機質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為先增大再減小。各土層速效鉀、速效磷和有機質含量均表現為：6年生間作系統＞4年生間作系統＞8年生間作系統，只有在20—40 cm土層速效磷含量表現為：6年生間作系統＞8年生間作系統＞4年生間作系統；而全氮含量在各土層表現為：4年生間作系統＞6年生間作系統＞8年生間作系統。

（2）在水平方向上，4和6年生間作系統土壤養分分布特征一致，均表現為“W”型，即隨著距樹行距離的增加，在距樹行1.5和3.5m處出現兩個極小值，在距樹行2.5m（作物中心線）處出現一個極大值，8年生間作系統速效鉀、速效磷和有機質含量水平分布特征一致，表現為“M”型，即兩個極大值出現在距樹行1.5和3.5m處，一個極小值出現在作物中心線處。差異性分析顯示，極大值點養分含量與極小值點有顯著差異（p＜0.05）。而全氮含量水平分布特征與其余3個指標不同，在距樹行2.5m（作物中心線）處并沒有出現極小值。

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

本試驗研究重點定量分析了不同樹齡蘋果＋大豆間作系統土壤養分空間分布特征，進一步豐富和完善了果農間作系統土壤養分的研究。但不同樹齡果農間作系統土壤養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分狀況等因素共同決定的。因此，下一步研究重點應是綜合各種因素開展果農間作系統土壤養分特征，結合土壤水分、地下根系特征、光環境等數據對果農間作系統繼續進行深入研究，從而為果農間作系統配置、可持續經營管理提供一定的理論依據，實現系統綜合收益最大化。

［1］ 宋西德，劉粉蓮，張永.黃土丘陵溝壑區林農復合生態系統立體經營模式研究［J］.西北林學院學報，2004，19（4）：43－46.

［2］ 張斌，張桃林.低丘紅壤區農林間作系統的水分生態特征及生產力［J］.生態學雜志，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，張桃林，等.低丘紅壤花生南酸棗間作系統研究（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.晉西黃土區核桃玉米間作界面土壤水分變化規律及其對玉米產量的影響［J］.西北林學院學報，2010，25（1）：47－51.

［7］ 王興祥，張桃林，張斌，等.低丘紅壤花生南酸棗間作系統研究（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.間作及農林復合系統中植物組分間養分競爭機理分析［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.黃土丘陵區林草景觀界面土壤養分分布特征和空間變異性研究［J］.西北林學院學報，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.農林復合系統中物種間水肥光競爭機理分析與評價［J］.生態學報，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—大豆間作系統細根分布及地下競爭［J］.生態學雜志，2012，31（7）：1－5.

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

［17］ 楊培嶺，羅元培，石元春.土壤—植物根系統的水分傳輸［J］.中國農業大學學報，1993，19（2）：25－30.

［18］ 史曉麗，郭小平，畢華興，等.晉西果農間作光競爭及產量研究［J］.北京林業大學學報，2009，31（2）：115－118.