旱地矮化蘋果園當季氮肥在土壤剖面的累積與淋溶效應

李 蓉，王怡琳，屈紅超，朱志軍，張子豪，張 浩，蔣 銳

(西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100)

由于日照時間長、晝夜溫差大和土層深厚等自然優勢，黃土高原成為我國四大蘋果主產區之一[1]。陜西作為黃土高原蘋果主產省份之一，2020年蘋果栽植面積高達6.14×105hm2，產量達1 135萬t，面積和產量均占到全國的1/4[2]。由于黃土高原水土流失嚴重，果園土壤肥力低下[3]，近20 a來氮肥施用成為該地區促進果樹生長發育、提高產量和改善果實品質的重要手段[4]。然而隨著蘋果產業發展日趨迅猛，果農盲目追求經濟效益，過量施用氮肥問題日益嚴重。據調查，黃土高原蘋果園施氮量維持在400～1 300 kg·hm-2[5]。過量的氮肥投入導致了相當嚴重的土壤硝酸鹽深層累積問題[2,6-9]。

近年來，黃土高原旱地蘋果園硝酸鹽嚴重累積問題得到普遍關注，陳翠霞[10]發現新、老果區土壤0～200 cm土層硝態氮累積量分別達2 724 kg·hm-2和5 226 kg·hm-2，老果區土壤剖面硝態氮累積量顯著高于新果區。路遠等[11]、Liu等[8]、范鵬等[12]、馬鵬毅等[13]、Huang等[14]、冉偉等[15]通過研究黃土高原不同樹齡果園土壤剖面硝酸鹽累積特征發現，土壤深層硝態氮累積現象明顯，且隨著果園樹齡的增加土壤剖面硝酸鹽累積問題趨于嚴重。Zhu等[16]發現黃土高原洛川縣從谷類到蘋果園的土地利用變化過程中2017年0～2 m和0～6 m土壤剖面硝態氮平均積累量分別為2 635 kg·hm-2和5 611 kg·hm-2。

對黃土高原旱地蘋果園氮素累積的研究雖多，但主要著重于喬化蘋果園長期施肥下土壤剖面氮素累積問題，或將喬化和矮化果園一概而論。近幾年來，黃土高原地區，特別是蘋果產業發展較早的陜西地區，蘋果品種正在經歷更新換代，矮化蘋果由于其收益快、管理方便等優點被大力推廣并逐步替代喬化蘋果。然而目前對于矮化蘋果園土壤剖面氮素累積問題還關注較少，當季氮肥所導致的土壤氮素累積問題更是容易被其土壤本底的高氮情況所掩蓋。因此，了解矮化蘋果園氮素在土壤剖面高氮含量背景下的累積特征以及對當季氮肥所引起的土壤氮素累積問題進行定量研究，以避免加劇黃土高原蘋果園土壤硝酸鹽深層累積問題迫在眉睫。本研究以黃土高原旱地矮化蘋果園土壤為研究對象，利用剖面土鉆取樣法與15N示蹤技術，分析矮化蘋果園土壤剖面氮素累積淋溶特征以及當季氮肥對蘋果園土壤氮殘留及淋溶的影響，以期為解決黃土原旱地蘋果園日益嚴重的土壤硝酸鹽累積問題提供理論依據和思路。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年10月—2019年10月在西北農林科技大學洛川蘋果試驗站進行。試驗站位于陜西省延安市洛川縣鳳棲鎮蘆白村(35°48′N，109°29′E)，屬暖溫帶大陸性季風氣候，平均海拔1 072 m，多年平均降雨量620 mm，主要分布在7—9月，年均氣溫9.2℃，日照時數2 525 h，試驗期間氣溫降雨量情況如圖1所示。試驗站土壤為黑壚土，質地為壤土。供試土壤基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計

供試果樹品種為‘晚熟矮化延長紅’，定植于2012年，此果園由具有20多年種植歷史的喬木老果園改造而來。小區試驗開始于2017年，果樹正處于盛果期，植株密度為1 250棵·hm-2(株行距2 m×4 m)。試驗設置3個處理，分別為不施氮肥CK(施氮量為0 kg·hm-2)、減氮施肥N400(施氮量為400 kg·hm-2)、常規施肥N800(施氮量為800 kg·hm-2)。每個處理包含6～7棵果樹，設置3個重復小區，試驗小區布置見圖2a。氮肥10月施基肥(60%)和翌年7月追肥(40%)，磷肥全部于10月作為基肥施入，鉀肥10月施30%，次年7月追肥70%。施肥方式為雙溝條施，即在距樹干約50 cm左右的兩側各挖一條寬20 cm和深20 cm的條狀溝，施肥覆土。每個處理的每個小區分別設置1個微區，微區布置見圖2b，每個微區包含一棵果樹，不設微區框。微區面積為8 m2，其施肥量與小區處理一致，15N-尿素(豐度：99%)與其他肥料施用量見表2。試驗期間果園不進行灌溉。

圖1 試驗站2018年10月—2019年10月日均氣溫及降雨量變化情況Fig.1 Daily average temperature and rainfall changes from October 2018 to October 2019

1.3 采樣與測定

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physico-chemical properties of the experimental soils

圖2 試驗小區(a)及微區(b)布置圖Fig.2 Experimental plot (a) and micro-area (b) layout

在2019年10月蘋果收獲期，每個小區全部采收，稱量果實質量，計算小區產量。

1.4 數據計算與處理

各土層中土壤氮累積量(kg·hm-2)=氮質量分數(mg·kg-1)×土壤密度(g·cm-3)×土層厚度(cm)×10土壤各層全氮來自15N尿素含量的比例：

表2 微區施肥處理/gTable 2 Fertilization treatment in micro-area

Ndff(%)=(As-An)/(Af-An)×100%

式中，As表示土壤15N的質量分數；An表示15N的自然質量分數(0.366%)；Af表示混合后肥料15N的質量分數。

15N標記肥料殘留量(kg·hm-2)=Ndff×該土層土壤氮累積量(kg·hm-2)

15N殘留率(%)=[土壤剖面標記肥料氮殘留總量(g)/標記肥料氮施用量(g)]×100%

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26軟件進行數據分析，采用LSD法進行差異顯著性比較(P=0.05)，采用Origin 2019b和Surfer 13軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤無機氮含量與含水率時間動態分布特征

2018年11月—2019年10月果園不同施肥處理土壤無機氮濃度和含水率變化如圖3和圖4所示。

圖3 2018年11月—2019年10月矮化蘋果園不同處理無機氮含量變化特征Fig.3 Changes in inorganic nitrogen concentration of dwarf apple orchards under different fertilization treatments from November 2018 to October 2019

圖4 2018年11月—2019年10月矮化蘋果園土壤含水率變化Fig.4 Change in soil moisture content of dwarf apple orchards from November 2018 to October 2019

CK處理土壤表層(0～20 cm)硝態氮含量較少，且變化不大，在2018年11月和2019年10月蘋果收獲期(328 d)，土壤剖面硝態氮主要累積在100～120 cm土層，試驗期間土壤深層(160～200 cm)硝態氮含量變化不大。N400和N800處理表層土壤硝態氮含量較CK處理高，果實膨大期根系吸收導致根際土壤硝態氮含量有所降低，2019年6月(193～224 d)，果實膨大期根系吸收土壤氮加之突發暴雨補充地表水分，果樹對氮的吸收利用率增加，根際土壤中硝態氮含量持續降低，至7月(224 d)追肥后土壤0～80 cm土層中硝態氮含量逐漸上升，7月底至10月的持續降水導致土壤根區含水量大幅增加，硝態氮開始向下遷移，根區土壤硝態氮含量逐漸降低，至果實成熟期，硝態氮在100～160 cm土層大量累積。

CK和N400銨態氮含量總體較低，這與試驗區土壤的性質與質地緊密相關。N800處理根際土壤銨態氮含量在2018年11月—2019年4月(1～150 d)不斷降低。

2.2 土壤剖面氮含量與累積分布特征

在果實成熟期，果園0～300 cm土壤剖面全氮、硝態氮和銨態氮含量與累積量如圖5和圖6所示。由圖5可見，各土層全氮含量為0.17～0.58 g·kg-1，硝態氮含量為0.1～211.1 mg·kg-1，銨態氮含量為0.0～1.1 mg·kg-1，在0～300 cm土壤剖面中，N800和CK處理全氮含量隨著土壤深度的增加呈現逐漸降低趨勢，N400呈先降低后基本保持不變的趨勢。各處理土壤硝態氮含量隨土壤深度增加呈先增加后逐漸降低趨勢，在80～140 cm土層范圍內達到峰值，在該土層存在硝態氮的富集，說明土壤中硝態氮存在向下淋洗出根層(0～80 cm)的現象。果園土壤銨態氮含量總體較低，主要與試驗區土壤質地、性質等有關，而CK在120 cm處銨態氮含量較高且高于N400和N800可能是與銨態氮的淋溶和硝化作用有關。土壤硝態氮含量始終高于土壤銨態氮含量，說明在黃土高原地區硝態氮是無機氮的主要存在形式。

由圖6可見，CK、N400與N800處理中0～300 cm土壤剖面中全氮累積量分別為10 927.3、13 734.8 kg·hm-2與15 645.4 kg·hm-2，硝態氮累積量分別為1 873.5、2 353.9 kg·hm-2與2 892.7 kg·hm-2，銨態氮累積量分別為12.2、42.6 kg·hm-2與44.4 kg·hm-2。N800處理全氮累積量顯著高于N400和CK處理，N400與CK處理間也存在顯著性差異，表明施氮量會顯著影響土壤氮累積量。3個處理土壤硝態氮累積量差異不顯著，CK、N400與N800處理100～200 cm土層的硝態氮累積量分別為1 151.3、1 563.2 kg·hm-2與1 682.0 kg·hm-2，遠高于0～100 cm和200～300 cm土層，表明蘋果園土壤在該土層存在硝態氮累積現象。

2.3 土壤全氮Ndff值

在果實成熟期，肥料殘留的全氮Ndff值總趨勢如圖7所示。N400處理的Ndff值在80～100 cm土層達到最大值1.50%，且與其他各土層存在顯著性差異。在N800處理中，80～100 cm與100～140 cm土層Ndff值達到峰值，分別為2.03%與1.68%，顯著高于20～40、140～180、180～220、220～260、260～300 cm土層，但與0～20、40～60、60～80 cm土層之間無顯著性差異，說明肥料氮主要富集于0～140 cm土層，大部分在80～140 cm土層中。

圖5 蘋果園果實成熟期土壤剖面氮含量分布Fig.5 Distribution of nitrogen content in soil profile at mature stage of apple orchard

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).The same below.圖6 蘋果園果實成熟期土壤剖面各土層氮累積量Fig.6 Nitrogen accumulationof each soil layer in apple orchard at fruit ripening stage

總體來看，N800處理的Ndff均值(7.06%)高于N400處理(3.27%)，說明施肥量對土壤Ndff值有顯著影響。此外，各處理0～300 cm土層都檢測到TN-15N信號，表明當季氮肥已遷移至0～300 cm土壤深度范圍，矮化蘋果園在0～300 cm土壤剖面氮素淋洗現象明顯。

2.4 土壤當季肥料氮殘留

圖7 蘋果園果實成熟期土壤15TN-Ndff值Fig.7 15TN-Ndff value of soil in apple orchard at fruit ripening stage

圖8 蘋果園果實成熟期土壤15N殘留量Fig.8 Soil 15N residue amount in apple orchard at fruit ripening stage

表3 蘋果園果實成熟期當季肥料氮殘留情況Table 3 Nitrogen residue of apple orchard at fruit ripening period

2.5 不同施肥量對蘋果產量的影響

由表4可見，N400處理平均單果重高于其他兩個處理，但3個處理間差異不顯著。N400和N800處理單株產量顯著高于CK處理，N400與N800處理間差異不顯著。N400處理和N800處理蘋果產量顯著高于CK處理，N400與N800處理間差異不顯著，與CK處理相比，N400處理增產了14.9%，N800處理增產了13.5%。

3 討 論

3.1 不同施氮處理下土壤氮含量變化

在果實成熟期，土壤全氮含量隨著深度的增加呈現出逐漸降低的趨勢，果園土壤40～60 cm及以上土層全氮含量較高，而深層土壤全氮含量較低(圖5)，主要與施肥深度有關，果樹枯枝落葉歸還土壤參與氮素循環，也增加了淺層土壤全氮含量，這與范鵬等[17]的研究結果一致。

本研究中2018年蘋果收獲施基肥后和2019年7月追肥后，根際土壤中硝態氮含量短暫升高后逐漸降低，主要原因在于土壤水分變化和生長季蘋果樹對土壤無機氮吸收。硝態氮的運移與土壤水分密切相關，灌水或降雨會造成土壤水分的劇烈變化，水分是氮素流失的載體，當灌水量或降雨增加時，氮素向深層淋溶的風險明顯增高，最終土壤氮素會脫離植株根系在下層累積[18-20]。郭勝利等[21]研究發現，硝態氮深層積累一般出現在年降水量變化于400～800 mm之間的雨養農業區，自然降水條件下，硝態氮積累土層一般為0～200 cm，其峰值出現的深度一般在150 cm左右。黃土高原年均降雨量小，但是相對集中，由于試驗期間年降雨量為496.8 mm，7、8月降雨密度較大，而矮化蘋果樹根系主要分布在0～80 cm土層，強降水造成的地表含水量增加使硝態氮淋洗出根際范圍，導致了0～80 cm土層硝態氮含量降低，在80～140 cm土層大量累積(圖3、4、5、6)，這與郭勝利等[21]的研究結果相符，土壤硝態氮含量與含水率時空變化也表現出較強的一致性。此外，果樹吸收氮對土壤硝態氮的影響則表現在蘋果樹對氮的吸收主要是在收獲后和膨果期[22]。蘋果收獲后，果樹根系需要從土壤中吸收大量氮進行儲備，為翌年果樹萌芽、枝葉、根系以及果實的優質生長做好準備；在果實膨大期(6—9月)，果樹需吸收氮以維持各器官的正常功能及果實發育。此外，充足的水分供應是充分利用土壤氮的關鍵，反之亦然。試驗前本研究小區20～60 cm土層礦質氮含量高達240.25 mg·kg-1，遠高于其他黃土高原硝態氮累積研究結果[8,16]，根區礦質氮可能已經滿足果樹生長發育需求，但是由于黃土高原的降水特點和蘋果園的蒸散發等對土壤水分的影響，果樹對土壤氮的吸收利用受到限制，根區無機氮不能被有效利用，增加了硝態氮淋溶風險。

表4 不同施肥量對蘋果產量的影響Table 4 Effect of different fertilizer application rates on apple yield

本研究中果園不同施肥量處理土壤硝態氮均有向深層淋溶現象。隨著施肥量的增加，各土層硝態氮的含量均有不同程度的增加。于昕陽等[23]對旱地冬小麥的研究發現0～200 cm土層硝態氮累積量隨著氮肥用量的提升呈現顯著增加趨勢，而且氮肥用量越高土壤硝態氮累積量增加的幅度越大。對于不施用氮肥的處理也具有明顯的硝態氮淋溶累積現象，這主要是由于本研究所在矮化蘋果園是由有著20 a歷史的喬化老果園改造而來，且小區試驗前已經進入盛果期(施肥量達800 kg·hm-2)，往年果園大量施氮造成土壤剖面硝態氮嚴重累積，即使不施氮肥，也將在土壤剖面長期持續淋溶。Zhou等[24]也表明硝態氮從玉米根區淋失，即使不施氮肥，也會增加深層土壤的硝態氮含量。

本研究中土壤銨態氮含量低，主要原因在于供試土壤硝化作用強烈，且該地區土壤質地為壤土，粘粒含量少，對銨根離子的表面吸附作用較弱[1]。銨態氮在100～140 cm土層含量比其他土層高(圖5)，一方面是因為銨態氮的淋溶導致，雖然銨態氮吸附性很強，一般都分布在土壤根層范圍，但由于土壤粘粒較少，也可隨著降雨入滲往下淋溶；另一方面CK由于沒有外源肥料氮素輸入，土壤根層中僅存的銨態氮進一步轉化成硝態氮，造成土壤根層含量比N800和N400低，從而在100～140 cm地方顯現出突變現象。2018年10月施基肥后，大量氮肥施入和枯枝落葉歸還土壤補充了土壤氮庫，表層土壤銨態氮含量隨之提高，但由于土壤呈堿性，銨態氮易揮發進入大氣，加之入春后溫度逐漸升高，硝化作用逐漸劇烈，根際土壤中銨態氮含量逐漸降低(圖3)。

3.2 不同施氮處理下當季氮肥在土壤各土層的殘留量

3.3 不同施氮量對蘋果產量與土壤環境的影響

本研究中，減氮施肥N400的氮肥施用量比常規施肥N800減少一半，但兩者產量差異不顯著(表4)，這與彭福田等[35]和楊莉莉等[36]的研究結果一致。一方面，本研究小區土壤無機氮含量較高，可能已經滿足果樹生長發育需求，但是由于黃土高原的降水和蘋果園的蒸散發等特點限制了果樹對土壤氮素的吸收利用。此外，過量施氮也會導致果樹營養生長過剩，生殖生長受到抑制，同時造成養分吸收不平衡，從而影響樹體生長和產量形成[36-37]。施氮量對于蘋果產量的影響需要更為長期的研究，本研究為期一年，產量差異并不能避免其偶然性。

氮肥施入土壤后一方面通過根系被果樹吸收以滿足其生長發育；另一方面在土壤中以無機氮形態或有機結合態殘留；其他則通過氨揮發、硝化、反硝化、淋溶等途徑損失至環境中[38]。朱志軍等[39]對本研究小區蘋果園N2O排放通量和氨揮發進行田間監測，結果表明，與常規施肥處理相比，優化減氮處理N2O排放總量降低了43.3%，常規高氮與優化減氮處理年排放系數分別為0.27%、0.22%。在蘋果園集中條狀施肥的方式下，深施(>20 cm)的氮素幾乎不通過NH3揮發途徑損失[40]。馮濤[30]對本研究小區蘋果樹對氮肥的吸收進行研究，結果表明，不施氮肥、常規高氮和優化減氮3個處理，整個樹體年氮素吸收量分別為100.91、106.77、98.73 kg·hm-2，處理間差異不顯著。根據以上同一試驗地他人研究結果并結合本研究數據發現，減氮施肥處理能保持果樹吸氮量，能顯著降低土壤中氮素殘留，但其所造成的硝酸鹽淋溶問題亦不容忽視，表明該研究中設置的減氮施肥的施氮量(400 kg·hm-2)可能還是超出了最佳施氮量。旱地矮化蘋果園肥料氮的累積與淋溶研究需要一個長期的過程，而且由于降雨和施肥的差異，其殘留量以及殘留的15N肥料對果樹樹體次年生長的有效性有待長期定位研究，因此該矮化蘋果園的最佳施肥量問題仍需進一步研究確定。

4 結 論

在旱地矮化果園，土壤剖面中氮素累積以硝態氮為主，硝態氮含量與含水率動態變化表現出較強的一致性。在蘋果成熟期，不施氮肥CK、減氮施肥N400與常規施氮N800處理硝態氮在80～140 cm土層存在明顯富集現象，其含量峰值分別為174.9、194.8 mg·kg-1與211.1 mg·kg-1。當季氮肥在0～300 cm的土壤各土層均有殘留，但主要集中于0～140 cm的土層范圍內，常規施氮N800相對減量施氮N400而言會增加當季氮肥在土壤各層的殘留。根際以下100～300 cm土層中存在當季氮肥淋溶導致的硝態氮大量累積現象，常規施氮N800會加劇當季氮肥向土壤深層淋溶，減氮施肥N400處理的深層累積仍不容忽視。綜合考慮土壤剖面氮的累積、當季氮肥的殘留、果樹吸收及產量等因素，最佳施肥量及施肥量對蘋果產量的影響在減量施氮N400的基礎上仍有待進一步研究確定。