宁夏贺兰山东麓沙质酿酒葡萄园土壤养分淋洗特征
2016-05-14赵鹏宇郭永婷王锐纪立东孙权
赵鹏宇 郭永婷 王锐 纪立东 孙权
摘要：通过室内土柱模拟，研究了贺兰山东麓代表性酿酒葡萄园沙质土壤硝态氯、铵态氯、速效磷、速效钾的淋洗特征。结果表明，土壤对铵态氮的吸附能力比较强，铵态氮淋溶量与土柱高度呈正比，土壤对铵态氮的吸附主要集中在20～60 cm。硝态氮淋溶作用显著高于铵态氮，且初次淋失量与第二次相差不大。随着土柱高度的增加，速效磷、速效钾淋失量和淋滤液浓度都增加。
关键词：砾质沙土；淋溶；土柱高度；淋失量；贺兰山东麓；宁夏
农田土壤对养分的利用率均较低，损失率较大，中国大部分耕地需补充氮肥，一半以上的耕地需补充磷肥，1/3-1/4的耕地需补充钾肥。但过量施用化肥会使肥料利用率降低。据统计，中国旱地土壤氮素利用率仅为20%-40%，且施入土壤中的氮肥有10%-40%经土壤淋溶进入地下水15：磷的利用率为15%-30%：钾的淋失量可高达120-170kg/（hm2·年）。
国际上通常采用室内模拟和田间试验的方式，运用间接计算法和直接测定法开展速效养分淋失过程研究。研究表明，菜地和坡耕地硝态氮淋溶量为耕作层>心土层>底土层：稻季多次施用氮肥后，60 cm和90 cm深处渗漏液中铵态氮含量都小于2mg/L，而硝酸盐淋溶比较显著，多集中在3-15mg/L。土壤磷素很难移动，磷肥在土壤中以固定作用为主，全磷累积淋失量非常少。土壤质地是影响土壤钾素渗漏淋失的主要因素之一，3种紫色土中钾素迁移强度为酸性土>中性土>钙质土。
宁夏贺兰山东麓因优越的地理环境、突出的气候与土壤特点，近年来逐步发展成为全国酿酒葡萄种植的优势产区，葡萄与葡萄酒产业迅猛发展，且强烈依赖灌溉。但该区地处贺兰山山前洪积扇，地势高，土层浅，养分含量低，且多砾石，传统的沟灌方式极易产生营养元素的渗漏损失，不仅增加了生产成本，也会造成环境污染。目前针对西北干旱区碱性石灰性沙质土壤的养分淋溶的研究较少。本研究以贺兰山东麓典型酿酒葡萄园砾质沙土为对象，通过土柱淋洗试验探究北方碱性沙质土壤高渗漏条件下灌溉对土壤氮磷钾的淋洗机理，以期为改变施肥方式，提高肥料利用率，降低生产成本，促进葡萄产业的健康发展提供理论依据。
1.材料与方法
1.1试验装置
试验采用室内土柱模拟。土柱材料为PVC，内径为10 cm，高为120 cm，底部呈漏斗状，下方有小孔，孔径为5 cm。底部放置直径10 cm的有机玻璃，有机玻璃上有均匀的孔洞，孔径为5 mm，有机玻璃上附滤网，以滤网包裹整个有机玻璃，滤网孔径为2 mm，并且在滤网和有机玻璃之间加入一张滤纸，有机玻璃上放置5 cm厚的碎石过滤层，碎石的粒径为2-4 mm，再将滤纸置于碎石上，滤网置于滤纸上部。滤液施加进管内从上到下依次经过土壤、滤网、滤纸、碎石过滤层、滤网、滤纸、有机玻璃、滤网到达出水口。
1.2试验方法
土壤选取砾质沙土，供试土壤采自贺兰山东麓志辉原石酒庄酿酒葡萄基地，酿酒葡萄品种为赤霞珠，树龄4年。试验采用随机区组设计，以20 cm土柱不施肥只灌水为对照（CK），另设置4个土柱高度处理，3次重复，分别采集0～20、20-40、40～60、60-80 cm土层土壤，风干后过2 mm筛子，装入土柱，喷洒少量去离子水，使其自然沉降到20、40、60、80 cm高度，对应处理编号为1、2、3、4。处理后各层土壤基本理化性质见表1和表2。依据土壤的田间持水量在土柱内加水，使土壤水分达到田间持水量的毛管悬着水状态，试验所用水为去离子水。PVC管下面用塑料杯收集下渗液。依据前期葡萄地肥料施用量试验结果，将N、P2O5、K2O单次添加标准分别设定为150、60、120 kg/hm2，换算为单质肥料实物形态后给土柱施肥。所有肥料均采用统一的单质肥料，氮肥为硫酸铵（含N 21%），磷肥为磷酸二氢钙（含P2O552%），钾肥为硝酸钾（含K2O 47%）。依据贺兰山东麓沙质酿酒葡萄园灌溉制度，模拟试验设定灌水2次，第一次按照100 m3/667 m2灌水，肥料溶于水随水一次性施加。第二次不施加肥料，灌水量为50m3/667 m2。
1.3测定项目与方法
样品过滤后测定氮、磷、钾。硝态氮采用硫酸水杨酸比色法，铵态氮采用蒸馏法测定，速效磷采用硫酸钼锑抗比色法测定，速效钾采用火焰光度计法测定。
1.4数据处理
利用SAS 8.1软件进行统计分析，采用邓肯多重极差进行显著性检验，显著性水平为P<0.05，（n=5）。淋失量=[处理淋滤液氮（磷、钾）含量-CK淋滤液氮（磷、钾）含量]/施加肥量×100%，其中氮、磷、钾含量均为纯养分含量。
2.结果与分析
2.1铵态氮的淋溶特征
铵态氮为一价阳离子，施入土壤后较容易被土壤颗粒代换吸附。供试土壤施用铵态氮后模拟漫灌对铵离子的淋洗特征见表3和表4。
由表3可以看出，尽管供试土壤沙粒占99%以上，但对于铵态氮仍然有较强吸附能力，第一次淋洗出来的铵态氮只占加入氮量的0.18%～0.51%。
干旱区沙质土壤开春后第一次灌溉量较大，第二次灌溉量则大大减小。因此，模拟田间情况第二次灌水量减半时，前次所施铵态氮被淋洗出来的量达到首次淋洗量的10倍以上。尽管如此，被淋洗出来的铵态氮绝对数量仍然较少，占所加入氮量的1.82%-3.49%（表4）。
表3和4还反映出，供试土壤本身渗透性较好，铵态氮漫灌条件下的淋失量随土柱高度的增加而依次递增。
2.2硝态氮的淋溶特征
硝态氮为阴离子，最不容易被土粒吸附，反而容易淋失。供试土壤施用硝态氮肥后的淋失情况见表5和表6。
由表5可知，模拟漫灌的首次淋溶液中，硝态氮浓度为铵态氮浓度的10倍以上，且随土柱高度的增加而依次递增。80 cm土柱的硝态氮浓度显著高于20 cm土柱。但是不同高度的淋失量无显著性差异，其淋出量占施氮量的16.80%～24.29%。
模拟田间情况第二次灌水量减半时，其淋出硝态氮浓度要小于首次，且随土柱高度的增加而依次递减，但无显著性差异，其淋失量为5.72%～8.11%（表6）。
表5和6还反映出，两次总的淋失量达到24.91%-30.01%。随着土柱高度的增加其总的淋失量逐渐增加。
2.3速效磷的淋溶特征
土壤溶液中的磷会逐渐被土壤吸附或与Fe、Al等形成沉淀物，难以借助于水的作用向下扩散和移动。供试土壤施磷肥后的淋失情况见表7和表8。
由表7可知，首次淋洗，随着土柱高度的增加，速效磷浓度逐渐增加。80、60 cm淋滤液速效磷浓度显著增高。土壤对速效磷的固定作用比较强烈，淋失量很小，占施磷量的0.88%～2.72%。
第二次灌水淋洗，速效磷浓度无显著性差异，淋失量要小于首次淋洗，只有0.64%-1.29%（表8）。
2.4速效钾的淋溶特征
由表9可知，首次淋洗速效钾的浓度是硝态氮浓度的2倍以上，但淋失量只占施钾量的3.48%～21.91%。不同土柱高度的淋失量差异显著，随土柱高度的增加依次增加。
第二次灌水量减半，其淋出钾含量只有首次淋洗的一半，但其淋出浓度仍然很高，并且随着土柱高度的增加而增加，其淋失量占施钾量的0.84%～8.64%。
3.讨论
过量的氮肥投入会导致单位播种面积的施氮量迅速上升，但氮的利用率一直较低，这就意味着绝大部分氮素损失了。砖红壤渗漏液中铵态氮来源主要为土柱本身，受施肥影响不大，表层尿素水解后在75 d之内很难淋失到120 cm以下的土层，淋失下来的铵态氮很容易被土壤固相吸附。本研究铵态氮第一次淋溶出来的浓度比较小（但是仍超过水体富营养化标准0.2 mg/L），淋失量也很小，与前人研究结果一致。
下层土壤有机质含量低，其原有吸附态铵量少，导致深层土壤吸附量反而显著高于表层土壤，吸附量与深度呈正相关关系。但本试验与其研究结果相反，随着土柱高度的增加淋溶量增加。因为淋洗水的体积大，养分没有被吸附就被淋洗了。可以看出，施肥量（150 kg/hm2）、灌水量较大（100 m3/667 m2）的情况下，随着土层深度的增加，其铵态氮淋出浓度和淋失量越高。
农田土壤各种形态的氮素中，NO-N难以被土壤颗粒吸附，是土壤氮素转化、迁移过程中最活跃的氮素形态。与铵态氮不同的是，硝态氮的淋失主要发生在第一次，并且两次的淋失量已经超过了20%。说明硝态氮不易被土壤吸附，这与前人的研究结果相一致。不同高度土柱的淋溶浓度、淋出率无显著差异，说明在相同施肥量和灌水量较大时，硝态氮的淋失和土柱高度不相关。
磷的移动性很小，不易从剖面上层淋溶下移。有的土壤因剖面中其他成分淋溶强烈，会使剖面上层的全磷量相对增加。在一般施磷量下，由于土壤溶液中的磷会逐渐被土壤吸附或与Fe、Al等形成沉淀物，难以借助于水的作用向下扩散和移动。但是当土壤施磷量超过土壤对磷的吸附饱和度，土壤中磷浓度迅速增加，借助于水的作用扩散速度会增加，而且可能会出现质流，使磷移动速度猛增。本试验发现，相同施氮量的情况下，随着高度的增加，磷的淋失量和淋滤液浓度逐渐增加。
董艳红研究表明，长时间（24 h）淋溶后钾肥表观淋出率与土壤pH、粉粒、全钾、缓效钾和长石含量均呈显著负相关，其中全钾和粉粒的影响作用最大。本试验随着土柱高度的增加，钾的淋失量逐渐增大。
4.结论
土壤对于铵态氮的吸附能力比较强，在相同施氮量情况下，其淋溶浓度的多少与土柱高度呈正相关，总淋出量较低，第二次的淋失量和淋滤液浓度都要高于第一次。硝态氮的硝化作用和淋溶作用强烈，两次淋失量达到20%以上。
