灌溉和生草對獼猴桃園土壤質量的影響

汪 星，陸 靜，樊會芳，高志永，郭旭新，趙 英

(1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.楊凌職業技術學院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100；3.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048)

獼猴桃是陜西省具有國際市場競爭力的產業之一，其適宜種植區域主要在海拔1200 m以下的渭河北岸至秦嶺北麓等區域，陜西省獼猴桃面積和產量已占全國的36.98%和51.9%，其中周至、眉縣等7縣獼猴桃種植面積和產量分別占陜西省的89.3%和94.2%[1-3]。然而由于規模化種植時間短，產業化發展快，目前對果園土壤養分管理缺乏相關研究[2]，果農根據自身經驗進行水肥管理，有大水漫灌、滴灌、清耕除草、長期生草等措施，盲目施肥較為普遍，導致陜西關中地區獼猴桃園土壤中氮磷鉀過量比例分別為85.3%、76.9%和47.4%,不足比例分別為8.4%、10.5%和29.5%[4]。過量施肥并不能提高獼猴桃產量，反而影響優果率，增加農民投入[5]，不合理的土地利用和管理直接影響土地質量，可影響土壤水分的運動、養分的分布和遷移，導致土壤理化性質變化，出現土地沙化、養分退化等現象[6]。

為了提高果園土壤質量、調控果園小氣候、改善果實品質，生草和灌溉作為一種有效措施被應用于果園管理之中。已有研究表明，黃河三角洲梨園自然生草較清耕顯著提高0～40 cm土層有機質含量，降低了土壤含鹽量，土壤表層脲酶和堿性磷酸酶活性是清耕的3.8倍和1.5倍[7]。渭北旱塬蘋果園自然生草的土壤蒸散量較清耕減少了8.07 mm，單果重和產量分別提高了6.21%和6.10%，土壤水分利用效率提高了7.64%[8]。自然生草處理‘貴人香’葡萄的淀粉含量和可溶性糖含量等顯著高于清耕處理[9]。此外，果園自然生草省力省工，投資少，易于管理，自然生草適應性強，植物群落豐富，能夠顯著提高土壤中的氮、磷、鉀含量，成為果園土壤管理發展新方向[10-12]。研究發現：滴灌較畦灌節約25%灌溉水量，促進幼齡山地蘋果樹枝條發育[13]，可使紅富士蘋果在9月底新梢長度增加40.84 cm[4]，棗產量較地面灌增加22%，能夠促進棗葉面積指數和葉綠素含量升高[15]。微噴灌也能增強梨園土壤蓄水，促進光合能力，增加產量，改善果實品質[16]。果園采用滴灌和微噴灌等灌溉措施已成為未來發展趨勢[17]。

目前，關于獼猴桃園生草和灌溉對土壤質量影響鮮有報道，其研究主要集中在獼猴桃園養分管理和土壤水分動態上。如高義民等[2]通過設置不同氮、磷、鉀配比處理對陜西關中獼猴桃品質、產量和經濟效益分析發現不同處理較對照均能使獼猴桃Vc、可溶性糖含量和產量等增加，但施用的氮、磷、鉀肥不當則會降低葉片光合速率和胞間CO2濃度，進而影響果實品質和產量[18-19]，獼猴桃園土壤中的堿解氮、速效鉀和有機質含量均高于小麥—玉米農田[20]。因此，本研究根據關中地區獼猴桃園常用的管理措施，擬設定灌溉和生草兩類措施，分析0～50 cm土層土壤的物理和化學性質，并利用土壤質量綜合指數對不同處理土壤質量進行評價。本研究旨在全面了解不同灌溉和生草措施對獼猴桃土壤質量影響，篩選合理管理方式，改善土地管理水平，為實現土地可持續性利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗分別布設于陜西省眉縣田家寨村(107°46′E，34°15′N)和奇峰果業基地(107°43′E，34°17′N)。試驗區位于陜西省關中平原西部，南依秦嶺，北臨渭水，處于黃河中游川塬溝壑區。此區屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃，年平均降水609.5 mm，年平均日照2 015.2 h，無霜期218 d。全縣獼猴桃產量占全國產量的30%，種植面積占全國的18%[8]。

1.2 試驗設計

試驗于2016年3月進行，布置地面灌溉+除草(Ⅰ)、地面灌溉+自然生草(Ⅱ)、滴灌+除草(Ⅲ)和滴灌+自然生草(Ⅳ)處理，每個處理3個重復小區，每個小區面積為30 m×15 m(長×寬)，供試獼猴桃品種為關中地區種植面積最廣的“徐香”，株行距為2 m×4 m。獼猴桃全生育期可劃分為萌芽展葉期(3月中旬～4月下旬)、開花坐果期(5月上旬～5月中旬)、果實膨大期(5月下旬～9月上旬)和果實成熟期(9月下旬～10月上旬)。本試驗灌溉制度及施肥情況按農戶傳統的管理方式進行：地面灌灌水定額為42 mm，在4個生育期內分別灌溉2、1、13和2次，共灌溉18次。滴灌灌水定額為21 mm，每株獼猴桃下2個滴頭，在4個生育期內分別灌溉3、1、18和4次，總灌溉26次。其中滴灌處理采用水肥一體化，地面灌溉處理在灌溉前采用人工穴施肥料，4種處理的施肥量相同。其中氮肥(N)用量345 kg·hm-2，磷肥(P2O5)用量473 kg·hm-2，鉀肥(K2O)用量689 kg·hm-2，對于Ⅰ和 Ⅲ處理，在獼猴桃生育期每隔5天進行人工除草。

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 m和25 m處利用容積為100 cm3的環刀和土鉆分別取樣。獼猴桃根系主要分布在0～50 cm土層范圍內，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。將取土完成的環刀口上下密封，從取土土鉆處取約150 g土樣裝入密封袋，對每個土樣進行相關標注并送回試驗室對土壤的物理和化學性質進行測定。

1.4 土壤指標測定

土壤容重、田間持水量、孔隙度的測定為環刀法；土壤粒徑測定為吸管法，粒徑分級采用美國制標準；有機質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[21-22]。

1.5 土壤粒徑分形維數

土壤粒徑分形維數是重要的土壤物理特性之一，計算公式如下[23]：

(1)

式中，r為土壤粒徑(mm);Ri為第i級粒徑(mm)；V(r

1.6 土壤質量評價

為選取具有代表性的指標對不同處理土壤質量進行評價，本文采用常用的主成分分析法對測定的11個指標進行篩選[24]。具體步驟為：(1)對測定數據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相關分析，并計算相關系數的和，選取Pearson相關系數和最大與最小的作為代表因子，如果選取的因子相關性較強，選擇載荷因子較高的因子作為代表性因子。利用(2)式進行土壤質量綜合指數計算：

(2)

式中，SQI為土壤質量綜合指數；Wi為第i個因子權重系數；Ii為第i個評價指標的隸屬度值，n為評價指標的個數。

根據主成分分析的結果，Wi為評價指標公因子方差占公因子方差之和的比例[25]。Ii為第i個評價指標的隸屬度值，可根據隸屬度函數進行計算。田間持水量、孔隙度、有機質、速效鉀、堿解氮和速效磷的隸屬度值采用S型隸屬度函數式(3)計算，指標越高表明土壤質量越好，但當指標達到某一臨界值時，其效用趨于恒定。土壤容重、土壤粒徑分形維數的隸屬度值采用拋物線性隸屬函數式(4)計算，該指標在一定范圍內土壤質量最好，但當指標達到某一臨界值時，其效用變差。評價指標的隸屬度函數如下[27]：

S型隸屬度函數

(3)

拋物線性隸屬函數

(4)

式中，F(X)為隸屬函數，X為評價因素的實際指標值，X0為評價指標的上限值，a1和a2為評價指標的下限和上限值，b2和b1為最適值的上、下界點。根據黃土高原地區已有研究[26-27]，隸屬函數評價指標取值見表1。

表1 隸屬函數評價指標轉折點取值

1.7 數據分析

數據的統計分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0軟件。首先利用PASW Statistics 18.0對試驗數據進行了正態分布檢驗，結果發現試驗數據均為正態分布。然后采用該軟件中的單因素方差(ANVOA)分析同一土層不同處理差異，并用LSD法在0.05水平進行多重比較,當P<0.05時認為差異達到顯著水平，此外，借助PASW Statistics 18.0軟件中的主成分分析法對不同處理土壤理化指標進行篩選。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤物理性質的影響

表2為不同處理下獼猴桃園不同土層土壤物理性質的方差分析，表2表明，在0～30 cm各土層內Ⅱ和Ⅳ處理的土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度無顯著差異；Ⅰ處理土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量分別是Ⅱ處理的1.01～1.10倍、0.87～0.97倍和1.03～1.06倍，Ⅲ處理土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量分別是Ⅳ處理的0.92～0.99倍、1.00～1.10倍和1.04～1.11倍。在10～30 cm各土層內，Ⅲ處理土壤容重在該層內顯著低于Ⅰ處理(P<0.05)，Ⅲ處理的田間持水量和土壤孔隙度顯著高于Ⅰ處理(P<0.05)。在30～50 cm各土層內，Ⅰ處理的田間持水量較Ⅱ處理顯著降低1.15%和2.26%。就0～50 cm土層各處理物理指標均值而言，Ⅲ處理的土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度分別是其他處理的0.91～0.98倍、1.06～1.07倍和1.00～1.10倍。

表3為獼猴桃園不同處理在不同土層土壤粒徑體積百分數及分形維數方差分析。表3顯示，在0～30 cm各土層內Ⅱ與Ⅰ處理相比土壤黏粒質量分數增加了0.46%～2.74%，土壤粉粒質量分數減少了0.23%～2.42%，使土壤分形維數增加0.01～0.06；Ⅱ處理土壤砂粒質量分數與Ⅰ處理無差異；Ⅲ處理土壤砂粒質量分數與Ⅳ處理無差異；滴灌處理(Ⅲ和Ⅳ處理)的土壤砂粒質量分數與地面灌溉(Ⅱ與Ⅰ處理)處理均存在顯著性差異(P<0.05)。就0～50 cm土層各處理物理指標均值而言，Ⅳ處理與其他處理相比土壤黏粒質量分數增加了1.21%～2.66%，土壤粉粒質量分數減少了0.81%～1.41%，土壤分形維數顯著增加(P<0.05)，達2.30。

2.2 不同處理對土壤有機質和土壤養分的影響

表4為不同處理下獼猴桃園不同土層土壤化學性質方差分析。表4顯示，在0～20 cm各土層內Ⅰ處理的速效磷和堿解氮與Ⅱ處理無差異。在0～30 cm各土層內Ⅳ處理速效磷和堿解氮與Ⅰ和Ⅱ處理無差異；Ⅳ處理速效鉀、速效磷和堿解氮分別顯著高于Ⅲ處理30.52～172.97、10.75～109.55 mg·kg-1和20.74～69.40 mg·kg-1(P<0.05)；Ⅱ處理較其他處理0～20 cm土層內速效鉀顯著增加(P<0.05)，是其他處理的1.05～2.52倍。在30～50 cm各土層內，4種處理的速效磷無顯著差異，變化范圍為8.27～13.47 mg·kg-1；Ⅳ處理堿解氮顯著高于其他處理(P<0.05)；Ⅲ處理使土壤中的有機質顯著增加(P<0.05)，是其他3種處理的1.17～1.54倍。就0～50 cm土層各處理化學指標均值而言，4種處理有機質無顯著差異；Ⅰ處理速效鉀顯著高于其他處理(P<0.05)，達366.66 mg·kg-1；Ⅲ處理的速效鉀、速效磷和堿解氮顯著低于其他處理(P<0.05)；Ⅳ處理的堿解氮為84.10 mg·kg-1，顯著高于其他處理(P<0.05)。

表2 不同處理土壤物理性質方差分析

表3 不同土壤粒徑體積百分數及分形維數方差分析

2.3 不同處理土壤質量指數分析

為選取具有代表性的土壤變量對獼猴桃園不同處理土壤質量進行評價，利用主成分分析法對11個土壤理化指標進行篩選，結果見表5。其中3個主成分特征值大于1且累計頻率達到82.538%。在第一主成分因子載荷值中，砂粒質量分數的載荷值達最大，為0.938，首先選擇為代表性因子。而速效磷、分形維數和黏粒質量分數分別與砂粒質量分數載荷值不超過10%，因此也被選擇作為代表性因子；在第二主成分因子載荷值中，有機質和堿解氮載荷值在0.95以上，因此將它們選為代表性因子。在第三主成分因子載荷值中，土壤容重和土壤孔隙度絕對值大于0.90，因此也被選為代表性因子。

為了找出綜合變量，實現因子降維，使所找出的綜合變量能全面反映土壤質量信息，對高因子載荷值進行Pearson相關分析，分析結果見表6。第一主成分因子載荷值中，分形維數的載荷值為0.861(表5)，分形維數與砂粒極顯著相關(P<0.01)，相關系數為-0.76，而且分形維數與其他因子的相關系數和為-0.07，達最低(表6)；第二主成分因子載荷值中，有機質的載荷值為0.962(表5)，與堿解氮的相關系數為0.73，極顯著相關(P<0.01)，有機質相關系數和為3.41，達最大(表6)；第三主成分因子載荷值中土壤容重載荷值絕對值最大，而且土壤容重和孔隙度的相關系數為-0.97，極顯著相關(P<0.01)。分形維數、有機質和土壤容重三者的相關系數分別為-0.11和-0.20，相關性較小且不顯著(表6)。因此，選擇分形維數、有機質和土壤容重對獼猴桃園不同處理土壤進行質量指數計算，其中分形維數、有機質和土壤容重權重分別為0.281、0.364和0.355。

不同處理土壤質量指數在不同土層方差分析表明(表7)，4種處理在0～10 cm和40～50 cm各土層的土壤質量指數無顯著差異；Ⅲ處理在10～30各土層土壤質量指數顯著高于其他處理(P<0.05)，是其他處理的1.06～1.22倍；在0～10 cm和30～50 cm各土層，Ⅰ處理土壤指數大于或等于Ⅱ處理，二者無差異；Ⅲ處理土壤質量指數小于Ⅳ處理，二者無差異。就各處理在0～50 cm各土層土壤質量指數均值而言，其大小次序為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。

表4 不同處理土壤化學性質方差分析

表5 土壤質量指標的主成分因子載荷值和公因子方差

表6 關鍵因子的Pearson相關系數

表7 不同處理土壤質量指數方差分析

3 討 論

本研究表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理在獼猴桃園0～50 cm土層的有機質分別為16.23、14.71、15.68 g·kg-1和 15.99 g·kg-1；速效鉀分別為366.66、222.98、109.16 mg·kg-1和163.82 mg·kg-1；速效磷分別為40.09、46.20、9.35 mg·kg-1和43.66 mg·kg-1；堿解氮分別為60.51、59.73、48.81 mg·kg-1和84.10 mg·kg-1。根據已有關中地區獼猴桃土壤養分評價標準[28]，對上述4種處理進行評價，結果表明：Ⅰ和Ⅱ處理的速效鉀和速效磷豐富，有機質缺乏，堿解氮中等；Ⅲ處理的有機質、速效鉀、速效磷和堿解氮缺乏；Ⅳ處理速效鉀和堿解氮中等，速效磷豐富，有機質缺乏。已有研究表明，肥料對獼猴桃產量的貢獻率順序為氮肥>鉀肥>磷肥[2]，過量施用磷肥和鉀肥使肥料在土壤中富集，打破土壤微生態平衡，造成土壤環境惡化，形成次生鹽漬化，不利于后續植被生長，甚至影響品質和產量[29-31]。可見,Ⅰ和Ⅱ處理會影響獼猴桃園土地利用可持續性，進而影響獼猴桃品質和產量。而Ⅳ處理施用有機肥可增加土壤中有機肥含量，使其達到獼猴桃園施肥標準，有機肥可使土壤中>0.25 mm水穩性團聚體含量和有機質等顯著增加[32-34]，在有機肥中加施一定比例化肥可提高獼猴桃維生素C和糖酸比等[5]，是獼猴桃園土壤肥力管理的有效方法[18]。從土壤物理性質來看，Ⅲ處理能夠改善0～30 cm土層土壤通氣性和持水性(表2)，增加黏粒質量分數和土壤分形維數，但與其他處理比效果并不顯著，而且該處理使土壤中氮、磷、鉀和有機質缺乏。此外，Ⅳ處理使土壤質量指數最大(表7)，因此，Ⅳ處理可作為獼猴桃園管理方式，在采用此種管理措施時，為增加土壤養分，改善土壤理化性狀，實現土地生產力的可持續性，應適當增加有機肥投入。

果園生草能夠改善土壤物理性狀，使果園土壤容重下降，土壤孔隙度增加，提升土壤肥力，增強土壤的通氣和蓄水性[10]。果園土壤養分含量會隨著生草年限發生變化，如梨園自然生草2 a使0～20 cm表土層主要礦質營養元素含量極顯著降低，而生草7 a使0～20 cm表土層主要礦質營養元素含量顯著增加[7]。本研究表明，Ⅱ與Ⅰ處理相比，0～50 cm各土層的速效鉀降低了7.82～284.45 mg·kg-1，土壤容重降低了0.02～0.21 g·cm-3，土壤孔隙度增加了0.92%～7.20%；0～30 cm各土層速效磷增加了2.40～16.04 mg·kg-1，田間持水量減少了0.81%～1.25%。Ⅳ與Ⅲ處理相比，0～50 cm各土層的土壤容重、速效鉀、速效磷和堿解氮分別增加了0.05～0.13、1.50～172.97、3.15～109.55 mg·kg-1和2.83～78.91 mg·kg-1，田間持水量和土壤孔隙度分別降低了0.85%～2.52%和0.15%～4.15%。產生此結果的原因可能是灌溉與生草共同作用的結果，Ⅳ處理土壤養分在第2 a開始出現增加趨勢，也可能是試驗地基礎養分較高造成。此外，本研究發現短期(2 a)Ⅳ處理能夠影響土壤養分，但對土壤團聚體、土壤有機碳、土壤微生物、土壤活性酶影響尚不明確，長期(>2 a)Ⅳ處理能否造成土壤養分在表層的富集？土壤的通氣性和持水性是否會繼續下降？以上問題還需后期進行更深入研究。

4 結 論

1)滴灌+除草(Ⅲ)較其他處理在0～30 cm各土層降低了土壤容重和砂粒質量分數，增大了土壤孔隙度、田間持水量、黏粒質量分數和土壤分形維數；滴灌+自然生草(Ⅳ)處理在0～30 cm各土層速效磷和堿解氮顯著高于滴灌+除草(Ⅲ)處理(P<0.05)。

2)0～50 cm土層內，地面灌溉+除草(Ⅰ)和地面灌溉+自然生草(Ⅱ)處理的速效鉀和速效磷盈余，堿解氮中等，有機質缺乏，滴灌+除草(Ⅲ)處理的速效鉀、速效磷、堿解氮和有機質均缺乏，滴灌+自然生草(Ⅳ)處理速效鉀和堿解氮中等，速效磷盈余，有機質缺乏。

3)以分形維數、有機質和土壤容重作為計算土壤質量綜合指數的主要因子，地面灌+除草(Ⅰ)土壤質量綜合指數顯著低于其他3種處理(P<0.05)，滴灌+自然生草(Ⅳ)處理的土壤質量綜合指數最大。