黄土高原苹果园不同集水阻渗技术调控下土壤水分、矿质氮含量变化

陈嘉钰，谢永生,，骆 汉,，张炳学，索改弟，张文博

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;3.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 滁州 233100)

苹果产业是我国北方农村经济生产区的支柱产业， 2017年陕西省苹果产量达1 092.5万t，栽培面积占全国总栽种面积的三分之一[1]。黄土高原作为我国两大苹果优生区之一，在农业产业结构调整、增加农民收入及出口创汇等方面发挥着重要作用[2]。然而黄土高原地区天然降水条件局限，果园土壤管理方式单一，土壤养分元素有效性也处于较低水平。随着苹果园肥料投入的持续增加，部分果园氮肥和磷肥普遍存在施用量过大、施用比例不当、测土按需配方施肥措施欠缺以及按区域土壤差异实施分区肥料管理不力等问题[3-5]。如何提高土壤水分和肥料利用效率、缓解土壤深层干燥化趋势、防止硝态氮随水分的深层累积，已经成为目前亟待解决的问题[6]。

起垄覆膜技术是旱地农业中一项重要的土壤管理栽培模式，集合了垄作与覆膜两种技术的优点，在保墒蓄水、调节地温等方面具有良好的效果。Zhao等[7]研究认为在垄沟上全覆盖塑料薄膜是提高马铃薯产量和水分利用效率的有效技术；叶胜兰[8]研究表明，起垄覆膜栽培技术能够缩短小麦的生育周期，促进小麦生长，提高水分利用效率，增加生物量和小麦产量；冯浩等[9]结合HYDRUS-2D模型分析起垄覆膜对夏玉米蒸腾、土壤蒸发及深层渗漏等田间耗水过程的影响，结果表明起垄覆膜能增大作物蒸腾量，减小土壤蒸发量，促使无效水转化为生产性用水，因此减小了田间水分消耗，具有节水增产效应，适合在当地推广。

防渗层常见于垃圾填埋场，有研究表明，黏土具有很好的防渗作用[10]，在农业生产中有良好的应用前景。索改弟等[11]研究了渭北旱塬沟壑区旱地果园土壤中人工防渗层的水分特征，得出5 cm厚红黏土防渗层可有效提高上层土壤水分含量，有利于水分和养分利用率的提升，可以应用于果树生产；金波等[12]研究了干旱山地苹果园集雨-壤中防渗对土壤水分及其产量的影响，得出将集雨保墒与壤中防渗组装为一体能够有效地提高土壤含水量，促进果树生长发育，提高果实产量和水分利用率，改善品质。

本研究通过将起垄覆膜与人工防渗层两种蓄水保墒技术措施相结合，形成一套果园水肥汇集表层的模式，以期将起垄覆膜技术调控温度、培肥地力、保墒效果显著等优点与人工防渗层技术的节水、保水、拦蓄径流和增强土壤抗旱能力等优点相结合，分别从防渗层措施、起垄覆膜措施和起垄覆膜与防渗层相结合对黄土高原苹果主产区果园土壤水分、硝态氮、铵态氮的含量及其土壤剖面分布特征进行综合分析，进而选择一种新的集水阻渗技术措施，为黄土高原优质苹果长期健康的生产管理和果业可持续发展提供参考依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验地概况

本试验在中国科学院黄土高原生态农业实验站进行，该实验站地处陕西省长武县洪家镇王东村(35°12′N，107°40′E)，是黄土高原南部高原沟壑区，无灌溉条件，属于典型雨养农业区。实验站海拔约1 200 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均温度9.1℃，多年平均降雨量578.5 mm，季节性分布不均，降雨主要集中在7—9月，降雨的入渗深度最大可达300 cm，田间持水量24%～32%，萎蔫湿度9%～12%，地下水位50～80 m。无霜期 171 d，≥10℃活动积温3 029℃，年辐射总量为4 837 kJ·cm-2，年日照时数为2 230 h，日照百分率51%。研究区土壤为黑垆土,土壤容重1.23～1.44 g·cm-3，通透性好。有机质含量为13.44±3.07 g·kg-1，全氮0.57 g·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，速效氮37.0 mg·kg-1，速效磷3 mg·kg-1，速效钾129 mg·kg-1，剖面平均pH为8.3。

1.2 试验设计

试验地果园建于2000年，面积为2 000 m2，株行距3 m×4 m，南北走向，主栽品种为长枝红富士，无灌溉条件，果园内的果树生长状况良好。试验共设4组处理，由北向南分布：起垄覆膜处理(Ⅰ)，防渗层处理(Ⅱ)，起垄覆膜加防渗层处理(Ⅲ)，清耕处理设为对照(CK)，不同处理均设3组重复。试验期间各处理统一进行果园管理，化肥施用量为：氮肥 (N) 1 000 kg·hm-2，磷肥(P2O5) 700 kg·hm-2，钾肥 (K2O)700 kg·hm-2，在施基肥期将肥料施于两树中间。各处理具体布设见表1。

1.3 样品采集与测定

测定黄土高原苹果园0～300 cm 土层土壤水分及铵态氮、硝态氮的变化范围，并进行比较分析。

试验从2017年1月开始，在每月25日用中子仪定位测定土壤含水量,若遇雨雪天气时间后延。采用美国503DR型中子仪，中子管直径为6.4 cm。0～100 cm土层每10 cm测定一次，100～300 cm土层每20 cm测定一次。

在2018年8月苹果收获后秋季施肥前，于试验小区采集0～300 cm土层土壤剖面样品，每20 cm深度取样，分别混合均匀，于通风阴凉处风干后研磨过0.25 mm筛，以1 mol·L-1的KCl溶液浸提，AA3型连续流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

1.4 数据处理

土壤水分计算公式:

(1)

式中，θV为土壤容积百分含量(%)，a、b为标定方程的截距与斜率，cnt为中子仪读取的原始数据，std为中子仪在室内标准条件下的标准计数。

土壤储水量计算公式:

Dw=θV·h

(2)

式中，Dw为土壤储水量(mm)，θV为土壤容积含水量(如不特别指出,土壤含水量即指土壤容积含水量)，h为土壤厚度(mm)。

月贮水量为 0～300 cm 范围内各层贮水量之和，每层土壤含水量为一周年(12个月)土壤每月每层含水量的算术平均值。

土壤剖面硝态氮累积量计算公式：

(3)

式中，A为土壤硝态氮累积量(kg·hm-2)，hi为第i层土壤厚度(cm)，ρi为第i层土壤容重(g·cm-3)；Ci为第i层土壤的硝态氮浓度(mg·kg-1)。

采用Microsoft Office Excel 2019软件对数据进行整理，SPSS 18. 0软件进行数据统计分析，Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同集水措施土壤剖面水分变化特征

不同集水措施的土壤水分呈现出不同的变化规律。不同土层年平均含水量的变化见图1。土壤平均含水量为： CK(21.32%)<Ⅱ(22.08%)<Ⅰ(22.75%)<Ⅲ(23.37%)，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤平均含水量分别比对照(CK)高6.71%、3.55%和9.60%。由图1可以看出，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和对照(CK)的土壤含水量随土层深度的增加整体呈“减-增-减”的S型曲线趋势。在0～100 cm土层，处理Ⅰ、Ⅲ和对照(CK)的平均含水量先增加后减少，处理Ⅱ相反，防渗层阻止了表层土壤的入渗，因此50～80 cm土层土壤含水量低；100～300 cm土层处理Ⅰ和对照(CK)的平均含水量相对稳定，且在200～300 cm土层缓慢增加，处理Ⅱ和Ⅲ先增加后减少，这是由于防渗层阻碍了水分垂直下渗，防渗层下部水分较少，而土壤水分的水平运动增加了100～200 cm土层的含水量。处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和对照(CK)土壤含水量的峰值都位于土壤表层，处理Ⅰ、Ⅲ和对照(CK)的最大值在30～40 cm 土层处，分别为25.63%、25.99%、23.20%，处理Ⅱ的最大值在0～10 cm 土层处，为26.40%。处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和对照(CK)土壤含水量的最小值位置变化较大，对照(CK)处理的最小值在140～150 cm土层处，为20.20%，处理Ⅰ、Ⅲ的土壤含水量最小值在250～260 cm土层处，分别为21.57%和21.56%，处理Ⅱ的最小值在50～60 cm 土层处，为20.54%。

图1 苹果园地不同集水阻渗措施土壤水分含量垂直分布Fig.1 Vertical distribution of soil moisture content in apple orchards under different treatments

表2将不同处理0～300 cm 土层的土壤平均含水量分层进行分析，处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在0～40 cm土层土壤平均含水量分别比对照(CK)高7.37%、6.51%和12.04%，不同的聚水阻渗措施均增加了土壤表层含水量，处理Ⅲ增加量达到显著水平；处理Ⅰ和Ⅲ在40～100 cm土层土壤平均含水量分别比对照(CK)高7.90%和10.21%，处理Ⅱ只增加了0.40%，效果不显著；处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在100～200 cm土层的土壤平均含水量分别比对照(CK)高7.99%、9.03%和12.27%，处理Ⅱ的土壤平均含水量比上层增加量显著；处理Ⅰ和Ⅲ在200～300 cm的土壤平均含水量分别比对照(CK)高3.27%和3.74%，处理Ⅱ比对照(CK)降低了1.43%，深层土壤水分变化幅度较小。处理Ⅰ和对照(CK)相比，每层之间土壤平均含水量的增幅相对一致，处理Ⅲ在40～100 cm土层有一定降低，其他处理相对一致，处理Ⅱ每层之间土壤平均含水量的增幅变化较大，在0～40 cm和100～200 cm土层增幅更显著。

表2 各处理不同土层土壤年平均含水量/%

2.2 不同集水措施土壤储水量变化

2017—2018年降水量为560.4 mm，2018—2019年降水量为577.4 mm，皆为平水年。图2是不同处理2017—2018年0～300 cm土层土壤储水量和月降雨量变化，储水量与降雨量的变化趋势基本一致，土壤储水量相对于降雨量存在一定滞后性，因为降雨会缓慢向土壤深层渗透。不同处理的平均储水量为：CK(636.778 mm)<Ⅱ(676.200 mm)<Ⅰ(681.030 mm)<Ⅲ(696.188 mm)，处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ都提高了0～300 cm土层的土壤储水量，其中处理Ⅲ最高，提高了9.33%。

图2 苹果园2017—2018年月降雨量及不同处理0～300 cm土层土壤储水量Fig.2 Monthly rainfall of apple orchards from 2017 to 2018 and 0～300 cm soil storage water under different treatments

2.3 不同处理土壤硝态氮含量剖面分布特征

不同集水防渗措施土壤硝态氮含量剖面分布特征如图3所示。不同处理0～300 cm土层硝态氮的平均含量为：Ⅲ(51.213 mg·kg-1)<Ⅰ(64.776 mg·kg-1)<Ⅱ(97.067 mg·kg-1)

图3 苹果园地不同集水阻渗措施土壤硝态氮含量剖面分布Fig.3 Soil profile distribution of nitrate N content in apple orchards under different treatments

2.4 不同处理土壤硝态氮累积量变化

不同处理的土壤硝态氮累积量有显著差异。如图4所示，0～40 cm土层硝态氮累积量较少，各处理的硝态氮累积量表现为：Ⅰ(68.875 kg·hm-2)<Ⅲ(130.272 kg·hm-2)<Ⅱ(132.068 kg·hm-2)

图4 苹果园地不同集水阻渗措施土土壤硝态氮累积量Fig.4 Soil nitrate accumulation in apple orchards under different treatments

硝态氮累积总量的差异不显著，分别为42.70%、46.69%和45.93%；处理Ⅲ占0～300 cm土层硝态氮累积总量的25.86%，比其它处理低，其主要累积层在200～300 cm，占总量的55.77%，其它处理200～300 cm土层的硝态氮累积量比100～200 cm土层有所减少，各处理间差异也不显著。

2.5 不同处理土壤铵态氮剖面分布特征

不同集水防渗措施土壤铵态氮含量剖面分布特征如图5所示。不同处理0～300 cm土层铵态氮的平均含量为：Ⅰ(4.725 mg·kg-1)<Ⅲ(4.835 mg·kg-1)<Ⅱ(4.851 mg·kg-1)

图5 苹果园不同集水阻渗措施土壤铵态氮含量剖面分布Fig.5 Profile distribution of ammonium N content in apple orchards under different treatments

3 讨 论

3.1 不同集水防渗措施对土壤水分的影响

在黄土高原地区，水分的利用效率是限制作物生长和产量的关键因素，土壤水分受土壤质地、降水量、土壤剖面特征、植被根系和农业生产活动等多种因素的影响[13-17]。白胜元等[18]研究表明，黄土高原地区的降雨入渗在0～200 cm土层内，果园土壤水分在200 cm土层以下相对趋于稳定，入渗深度决定了果树对水分的吸收效率。本研究表明，起垄覆膜处理、人工防渗层处理和起垄覆膜加防渗层处理能够有效增加0～200 cm土层的总土壤含水量，这是因为起垄覆膜处理能够汇集天然降雨和地表径流，直接增加了土壤水分，这与索改弟等[11]的研究一致。由于防渗层的截留入渗作用，人工防渗层处理和起垄覆膜加防渗层处理0～40 cm土层的土壤含水量增加最为显著，防渗层下的20～30 cm土层范围内存在一个明显的‘低湿层’，‘低湿层’下200 cm土层的土壤含水量变化趋势较为稳定，这与金波等[19]和王延平[20]的研究结果一致。起垄覆膜加防渗层处理的土壤含水量在低湿层下有回升，这可能是由于起垄覆膜措施增加的水分通过水平渗透增加了该土层的含水量。宋小林等[21]研究表明，高含水量的表层土壤能够影响果树根系的生长，引导根系向该区域延伸，从而影响果树对水分的利用效率。本研究通过将起垄覆膜和人工防渗层措施相结合，增加了表层土壤的含水量，提高了水肥利用率，达到果园增产的目的。

不同措施下的土壤储水量依旧受到降水量的影响，但各处理均能够增加土壤储水量。黄土高原雨养区年降水分布不均，土壤储水量的增加对缓冲干旱具有重要作用，还能缓解土壤深层干燥化，改良果园土壤生态[22]。

3.2 不同集水防渗措施对土壤矿质氮累积的影响

化肥是现代农业产量的重要保证，但过量施用化肥会导致土壤污染，果园经过连续多年种植后，硝态氮深层累积成为常态。土壤硝态氮累积和淋失不仅导致土壤养分浪费，而且造成土壤和地下水污染[4]。范鹏等[23]的研究指出，果树种植年限越长，土壤硝态氮累积量越高。本试验选取的果园果树为18龄，土壤硝态氮累积量较大，清耕处理0～300 cm土层的土壤硝态氮累积量甚至高达5 082.55 kg·hm-2。起垄覆膜处理、人工防渗层处理和起垄覆膜加防渗层处理都降低了0～300 cm土层的硝态氮累积量，起垄覆膜处理最为明显，原因在于起垄覆膜措施能够汇集降雨和地表径流，同时抑制蒸发，增强了土壤水分下渗能力，具有良好的保水保墒作用，水分更容易在深层储存，硝态氮得以随着水分运动向更深层累积[24]。人工防渗层处理和起垄覆膜加防渗层处理小幅度增加了0～40 cm土层的土壤硝态氮累积量，原因在于人工防渗层阻碍了水分的垂直下渗，从而减少了新施入硝态氮的深层淋溶，使硝态氮在0～40 cm土层累积。由于0～100 cm土层内苹果树的根系量占到总根系量的68.23%[25]，表层累积的硝态氮更容易被果树根系吸收，使得氮素利用率增加，从而减少了总的硝态氮累积量；40～200 cm土层土壤硝态氮的减少是因为中层土壤缺少表层向下淋溶的硝态氮，起垄覆膜加防渗层处理比人工防渗层处理更能汇集雨水，减轻水分水平入渗，因此中层土壤的硝态氮含量更低。和清耕处理相比，各处理的土壤硝态氮的累积峰显著降低，但是累积峰却向下移动了40～60 cm，原因在于防渗层减轻了水分的深层下渗，施加的氮肥随水分淋溶的含量也相应减少，硝态氮随水分的下渗深度有限，因此深层残留的硝态氮深层累积量变化不显著，清耕处理、起垄覆膜处理、人工防渗层处理和起垄覆膜加防渗层处理的硝态氮含量在200～300 cm土层差异不显著。

郭胜利等[26]认为，土壤硝态氮深层累积是雨养农业区施肥、作物、降水、土壤特性等长期综合作用的结果。硝态氮在土壤中的累积分布受土壤剖面硝态氮含量、作物根系吸收和水分垂直运动的影响[27]。起垄覆膜处理和人工防渗层处理通过改变土壤水分的时空分布，增加表层土壤的含水量，从而影响土壤硝态氮的淋溶和果树的养分吸收，达到增产增收的效果，但对土壤深层的硝态氮累积影响不显著，需要探索其它措施来减轻深层硝态氮的累积。

4 结 论

通过不同的集水阻渗措施处理技术在黄土高原果园的应用研究，分析了起垄覆膜处理、人工防渗层处理、起垄覆膜加防渗层处理和清耕处理下土壤水分、铵态氮、硝态氮的变化范围，得出以下结论：

(1)起垄覆膜处理(Ⅰ)、防渗层处理(Ⅱ)和起垄覆膜加防渗层处理(Ⅲ)均能增加0～300 cm土层土壤含水量与储水量，起垄覆膜处理(Ⅰ)通过汇集降雨和径流，使0～200 cm土层土壤含水量均匀增加7.73%；防渗层处理(Ⅱ)通过减少水分下渗，对0～40 cm土层土壤含水量增加效果较好，增加了7.37%，但对深层土壤增加效果较差；起垄覆膜加防渗层处理(Ⅲ)通过两种处理相结合效果最好，能够增加0～300 cm土层9.60%的土壤含水量。

(2)起垄覆膜处理(Ⅰ)、防渗层处理(Ⅱ)和起垄覆膜加防渗层处理(Ⅲ)均能减少0～300 cm土层硝态氮含量，起垄覆膜处理(Ⅰ)主要增加了硝态氮随水分向深层淋溶的作用，从而均匀减少了60.08%的0～200 cm土层土壤硝态氮含量；防渗层处理(Ⅱ)通过阻碍水分下渗，增加了0～40 cm土层土壤硝态氮含量，减轻了40～200 cm土层水分淋溶作用，从而减少40～200 cm土层土壤74.38%的硝态氮含量，使硝态氮更易被苹果根系吸收，改善水肥利用效率；起垄覆膜加防渗层处理(Ⅲ)整体效果最好，减少了57.15%硝态氮含量。

总体而言，起垄覆膜加防渗层处理在本试验条件下效果最佳。