甘肃山地核桃园土壤水热和养分的变化特征

2018-01-30刘小勇韩富军王司远高晓东万文录杨会光

经济林研究 2018年1期

刘小勇，孔芬，韩富军，王司远，高晓东，万文录，杨会光

（1.甘肃省农业科学院林果花卉研究所，甘肃兰州 730070；2.甘肃省康县核桃科技服务中心，甘肃康县 746500；3.甘肃省清水县果业局，甘肃清水 741400）

甘肃省核桃产业近年来发展迅速，2015年全省核桃面积达到32.4万hm2，但大多为山地和四旁零星栽植，栽培集约化程度低，管理水平和经济效益不高。陇南、天水两市是甘肃核桃主产区，占全省核桃总面积的75.8%，而陇南市的康县和天水市的清水县又是甘肃核桃产区最具代表性的两种不同气候和土壤类型的核桃生产县，两地雨量均较充沛，其降水总量均能满足核桃生长的需要，但降水分布不均常导致旱灾的发生。在诸多气象因子中，干旱和晚霜冻常造成核桃减产和品质下降，这是制约甘肃核桃产业发展的主要气候因素。因此，探索山地核桃园土壤温湿度变化规律具有重要意义。

国内外对山地核桃栽培生理与技术的研究报道较多[1-3]。近年来，山地核桃的研究热点集中在养分管理和光合生理特性[4-6]及砧木嫁接等栽培技术研究[7]各方面，而系统研究核桃园土壤温湿度变化规律的报道却较少。为给土壤温湿度变化和养分特征对山旱地核桃产量和品质的影响的研究奠定基础，为给同类地区核桃水肥高效利用提供参考依据，我们在甘肃省康县和清水县分别选择具有代表性的山地核桃园，于2013—2014年连续两年监测了核桃园土壤温度和湿度的变化情况，分析了不同季节（物候期）核桃园土壤温湿度的变化规律，还测定了土壤养分状况，现将研究结果分析报道如下。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.1.1 康县试验园

康县位于甘肃省东南部，属北亚热带温暖湿润气候向温暖半湿润气候区的过渡带，雨量充沛，年平均气温11.5 ℃，年均降水量770 mm，全年无霜期208 d[8]。试验地位于康县长坝镇，N33°24.687′、E105°27.560′，海拔1306 m。土壤类型为褐土，有机质14.9 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷0.57 g/kg，全钾25.63 g/kg，碱解氮73.8 mg/kg，有效磷5.84 mg/kg，速效钾60.4 mg/kg，土壤pH值7.35。核桃树零星栽植于山地，其品种为当地实生种，树龄20 a，未施任何肥料，管理水平较差，地面自然生草。

1.1.2 清水县试验园

清水县位于甘肃省东南部，属温带大陆性季风气候，年均气温8.8 ℃，年平均降水量580 mm，无霜期170 d[9]。试验地位于清水县草川乡，N34°37.315′、E106°02.629′，海拔1669 m。土壤类型为黄绵土，有机质10.6 g/kg，全氮0.66 g/kg，全磷0.58 g/kg，全钾23.22 g/kg，碱解氮49.6 mg/kg，有效磷4.95 mg/kg，速效钾93.6 mg/kg，土壤pH值8.54。核桃树栽植于山地梯田，其品种为晋龙1号，树龄5 a，栽植的株行距为5 m×6 m，行间间种马铃薯，每年仅施氮素化肥，土壤管理方式为清耕。

1.2 测定项目与测定方法

1.2.1 土壤温度与含水量的测定

于2013年春季安装调试土壤温湿度水分记录仪（L99-TWS-4，杭州路格科技有限公司生产），以1年为1个周期，连续观测两年，长期观测记录核桃园地深度分别为20、40、60、80 cm土层的土壤温度和含水量，统计每月平均土壤温度和含水量。仪器安装测定前，先对两地土壤进行取样，对仪器进行标定矫正试验，土壤温度值以直接读数方式读取，对测定的土壤湿度进行转换，得到土壤含水量。

1.2.2 土壤养分含量的测定

取样时间为2013年9月下旬和2014年9月下旬，待坚果采收后取样，分别采集康县、清水县试验园的土壤样品。按“X”或“S”形随机选择5个样点，在树冠外缘投影下，用土钻按0～20、20～ 40、40～ 60、60～ 80、80～ 100 cm共 5个土层分层采样，将同一土层的土样混合，用四分法选留1 kg，标记好并尽快送实验室测定。测定指标共14个，包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾，碱解氮、有效磷、速效钾，有效锌、铜、铁、硼，钙离子、镁离子和pH值等。采用常规方法测定土壤各养分的含量。

采用Microsoft Excel 2003进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤温度

2.1.1 康县核桃园土壤温度的年周期变化规律

不同深度土层土壤温度年周期的变化曲线如图1 所示。从图1中可以看出，在核桃生长发育的年周期中，不同深度土层土壤温度的变化趋势相同，即1月的温度最低，7月的温度最高。12月至翌年2月为核桃休眠期，此期土壤温度随土层深度的增加而增高，20 cm深的土壤温度最低，80 cm的最高。3月和11月均为土壤温度转换期，此期不同深度土层的土壤温度值接近；4至10月为核桃树生长发育期，此期土壤温度随土层深度的增加而呈降低趋势，即20 cm土层的土壤温度最高，而80 cm的最低。

图1 不同深度土层土壤温度的年周期变化曲线Fig.1 Annual cycle curves of soil temperatures in different depths of soil layer

在年周期中，60和80 cm深的土壤最低、最高温度出现的时间均较20和40 cm土层的推后。20和40 cm土层的月平均土壤温度，12月的最低；而60和80 cm土层的月平均土壤温度，1月份的最低。土壤最高温度也表现出相同的变化规律：20和40 cm深的土壤最高温度，7月份的最高；而60和80 cm深的土壤最高温度，8月份的最高。不同深度的土壤温度变幅，20 cm深的最大，80 cm深的最小。

20、40、60、80 cm深的土壤最低温度的出现时间分别为12月27日（5:40）、1月13日（2:40）、1月15日（22:40）、1月17日（0:40），对应的温度值分别为0.0、0.9、2.5、3.4 ℃；最高温度分别出现在6月27日（14:30）、7月23日（15:30）、7月25日（15:30）、7月30日（16:30），其对应的温度值分别为25.5、22.2、20.2、19.8 ℃。

2.1.2 清水县核桃生长期土壤温度的变化规律

不同深度土层旬平均土壤温度的变化曲线如图2所示。从图2中可以看出，在核桃生长期内，不同深度土壤温度的变化规律相似，均表现为7月中旬（此期为核桃的硬核期至油化期）的温度最高，10月下旬（此期为核桃的落叶期）的温度最低。随着土壤深度的增加，其温度变化幅度降低，20 cm深的土壤温度变幅最大，80 cm深的变幅最小。核桃生长前期（5月中旬至7月中旬），随着土壤深度的增加，其温度降低；坚果成熟前期（8月上旬至9月中旬），40 cm深的土壤温度最高，但不同深度的土壤温度值的差异不大；坚果成熟后期至落叶期（9月下旬至10月下旬），土壤温度随土壤深度的增加而增高。

在核桃生长发育期内，20、40、60、80 cm深的土壤最低温度的出现时间分别为10月27日（9:15）、10月27日（8:15）、10月27日（5:15）、10月27日（4:15），对应的土壤温度值分别为7.3、9.2、10.1、10.9 ℃；其土壤最高温度的出现时间分别为7月16日（11:40）、7月22日（15:40）、7月23日（9:40）、7月23日（10:40），对应的土壤温度值分别为20.7、19.8、18.5、18.1 ℃。

两地土壤温度的变化趋势均表现为：20 cm土层的温度变幅最大，80 cm的最小。核桃生长前期（康县为4月至7月，清水县为5月中旬至7月中旬）的土壤温度，20 cm土层的最高，且其随土壤深度的增加而降低；核桃生长后期（硬核期至坚果成熟期），同期不同深度土壤温度的平均值相近，期差值小于1.0 ℃，坚果成熟后，各深度土层的土壤温差又逐渐变大。

图2 不同深度土层旬平均温度的变化曲线Fig.2 Variation curves of ten-day average soil temperatures in different depths of soil layer

2.1.3 两地土壤温度的变异系数

康县和清水县试验园土壤温度的变异系数见表1。由表1可见，不同深度土壤温度的年平均值之间的差异不大，两地土壤各层的温差值均小于1.0 ℃，康县土壤各层的温差值在11.5～11.7 ℃之间，清水县的在14.5～15.2 ℃之间。从不同深度土壤温度的变异系数来看，两地均表现为，随着土层深度的增加，土壤温度的变幅减小。由于康县的数据为全年温度的变化值，而清水县的数据是核桃生长期的温度变化值，所以，土壤平均温度值，清水县高于康县，而其变异系数却小于康县。

表1 康县和清水县试验园土壤温度的变异系数Table1 Variation coefficients of soil temperatures in the test orchards of Kang County and Qingshui County

2.2 土壤含水量

2.2.1 康县核桃园土壤含水量的年周期变化规律

不同深度土层土壤含水量的年周期变化曲线如图3 所示。由图3可见，不同深度土层土壤含水量的年周期变化规律不同。20 cm深的土壤含水量的变幅最大，40 cm的次之，这主要由于自然降水和地面蒸散等因素的影响所致，60 cm深的土壤含水量的变化趋势与80 cm深的基本相同。从全年的变化规律来看，80 cm土层的月平均土壤含水量显著高于其它土层的，且其变幅（18.6%～19.9%）最小；20 cm土层的土壤含水量全年中出现了两个低值，分别为6月的14.5%和9月的16.0%，在核桃的整个生长期（4月至10月）内其变化曲线呈“W”形。40、60和80 cm土层的土壤含水量在8月份后的变幅均很小，其含水量均呈平稳变化趋势。

2.2.2 清水县核桃生长期土壤含水量的变化规律

不同深度土层旬平均土壤含水量的变化曲线如图4所示。由图4可见，在5月中旬至10月下旬的核桃生长期内，不同深度土层土壤含水量的变化趋势基本相同，即随着土壤深度的增加，土壤含水量的变幅减小。土壤含水量的最高值出现在6月下旬至7月上旬（核桃的硬核期），至7月下旬土壤含水量迅速降到低值，8月上旬后，其变幅很小，不同深度土层的平均含水量值保持在16.9%至17.9%之间。不同土层的土壤含水量表现为，核桃生长前期土壤含水量的变幅较大，而核桃生长后期其变幅较小。80 cm土层的土壤含水量最高（其平均值为18.1%），60 cm的次之，20 cm的最低。

图3 不同深度土层土壤含水量的年周期变化曲线Fig.3 Annual cycle curves of soil moisture contents in different depths of soil layer

图4 不同深度土层旬平均土壤含水量的变化曲线Fig.4 Variation curves of ten-days average soil moisture contents in different depths of soil layer

两地土壤含水量的表现为：20 cm深的土壤含水量的变幅最大，40 cm深的次之；从全年的土壤含水量来看，80 cm土层的平均土壤含水量均显著高于其它土层，且其变幅最小。在核桃整个生育期内，土壤含水量的变化规律表现为，核桃生长前期（8月前）土壤含水量的变幅较大，核桃生长后期土壤含水量的变化趋于平稳。

2.2.3 两地土壤含水量的变异系数

康县和清水县试验园土壤含水量的变异系数见表2。随着土壤深度的增加，平均土壤含水量有增高的趋势，但不同土层间的差异不大。康县试验园的土壤含水量在17.4%～19.0%之间（其相对含水量为75.6%～82.6%），清水县试验园的土壤含水量在17.2%～18.1%之间（其相对含水量为72.6%～76.4%），且两县试验园80 cm土层的含水量均明显高于其它深度土层的。不同土层土壤含水量年平均值间的差异不大。两地土壤含水量的变化规律均表现为，随着土壤深度的增加，土壤含水量的变幅减小。

2.3 土壤养分状况

康县和清水县试验园土壤各养分含量的测定结果分别见表3与表4。表3与表4显示，随着土层深度的增加，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾等养分含量均呈降低趋势，微量元素硼与锌的含量变化也表现出相同的趋势；全磷、全钾含量，不同土层间的差异不大，但有效磷含量随土层深度的增加而呈增大（康县）或先降后升（清水县）的变化趋势；土壤pH值随土层深度的增加而呈增加或降低的变化趋势，这与土壤类型的不同有关；钙与镁的含量，不同地区的表现不同，康县试验园土壤中钙与镁的含量均随土层深度的增加而降

低，清水县试验园不同土层钙镁含量间的差异均较大；微量元素中铁的含量，不同土层间的差异不大；铜含量，康县试验园0～60 cm土层中铜含量间的差异不大，而60 cm以下土层中的铜含量迅速降低，但清水县试验园的降低幅度不大。两地试验园土壤为偏碱性或碱性。

表2 康县和清水县试验园土壤含水量的变异系数Table2 Variation coefficients of soil moisture contents in the test orchards of Kang County and Qingshui County

表3 康县试验园土壤各养分含量的测定结果Table3 Determination results of soil nutrient contents in the test orchard of Kang County

表4 清水县试验园土壤各养分含量的测定结果Table4 Determination results of soil nutrient contents in the test orchard of Qingshui County

测定结果表明，康县试验园（褐土）的土壤有机质、全氮、碱解氮、全钾等矿质营养均高于清水县试验园（黄绵土）的，其微量元素铁、锌含量也均较高；而其全磷、有效磷、速效钾以及钙、镁含量均低于清水县试验园的。不同土壤类型其有机质、全氮、碱解氮、速效钾、钙、锌等含量的表现特性均为：上层土壤的含量高而下层土壤的含量低。

3 讨论与结论

土壤温度是表征土壤性质的重要参数[10]，现代土壤分类将土壤温度状况作为重要的土壤诊断特性[11]。朱小虎等[12]对核桃根系的研究结果表明，核桃根系集中分布在40～80 cm的土层中，当土壤温度大于10 ℃时，核桃根系开始生长，当平均地温达到17～19 ℃时，根系发育达到高峰期。本研究结果表明，核桃生育期土壤温度的变化曲线呈倒“V”形，40～80 cm土层在6月下旬至7月下旬（此期为根系发育高峰期）的平均土壤温度为16.5～19.7 ℃，这一结果与朱小虎等[12]的研究结论基本一致。不同土层土壤最高、最低温度的出现时间均推后，说明随着土层深度的增加，土壤温度受外界气温的影响程度降低。核桃生育前期（萌芽期至硬核期），正值当地春夏干旱时节，降水偏少，光照充足，表层土壤温度高于下层，而生长后期（油化期至坚果成熟期），进入雨季，则表现为表层温度低于下层。在生产实践中，要控制早春土壤温度的快速升高，如采取果园覆草等措施，则可降低土壤温度[13]，延迟核桃萌芽期，增强树体抗晚霜冻能力。

对于山地核桃园来说，自然降水是土壤水分的主要来源，也是核桃生长发育利用水分的最主要途径。土壤水分变化由降水和植被蒸散消耗两个因素决定[14]。本研究结果表明，土壤含水量随土层深度的增加而增高，且含量的变化相对稳定，这与孙守家[15]、云雷[16]的研究结果一致。程宏波等人[17]的研究结果表明，土壤温度的升高会加剧土壤水分蒸发和植株蒸腾，导致耗水加快和土壤含水量下降；塔娜等[18]对日光温室内土壤温度和含水率的相关性也进行了测试，他们认为，降低含水率能提高白天和夜间的土壤平均温度。这些结论都证明了土壤温度与水分的负相关关系。核桃生长的关键需水时期是4—6月份，随着核桃生长进程的推移，树体的需水程度逐渐降低，其抗旱性能不断增强[19]。薛建辉等[20]认为，土壤水分过多或过少都会影响根系对水分和矿质元素的吸收，从而改变根系的生长发育和根系功能的发挥。本研究结果表明，两地降水总量均能满足核桃树体生长的需要，土壤含水量也适宜核桃生长发育的需要，但季节性降水导致土壤含水量发生变化，如在关键需水期（康县6月、清水县7月下旬）的轻度干旱一定程度上会影响核桃的生长发育。生产中要充分利用自然降水，采取早伏天土壤耕作、早春垄膜覆盖等抗旱措施，以保持土壤墒情的相对稳定。

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标之一，也是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源。有机质使土壤具有保肥力和缓冲性，在土壤中起到协调土壤条件、供应植物养分等作用[21]。黄土高原地区土壤有机质含量随着土层深度的增加而逐层减少[22]。本试验结果表明，两种类型土壤的有机质含量不同，其垂直分布均呈降低趋势。在没有施肥的园地上，核桃自身生长发育消耗了有机养分，特别是下层土壤养分，因此，在生产实践中，应深施有机肥。磷是核桃生长发育和产量品质形成的物质基础，在枝条旺盛生长期及果实速长期，各主要器官中的磷含量均呈下降趋势[23]。两地土壤磷含量均较低，因此，在增施有机肥的基础上，应同时增加磷肥的施用量，由于磷素在土壤中的移动性差，施磷时应适度深施。一般情况下，土壤中无机态铁的溶解度受pH值控制，所以，在碱性土壤或石灰性土壤中易发生缺铁现象[24-26]。试验中发现，康县试验园土壤为偏碱性土壤，其pH值随土层深度的增加而略有降低，而清水县试验园土壤为碱性土壤，其pH值随土层深度的增加而增加。清水县试验园土壤中的有效铁含量显著低于康县试验园，这可能是pH值较高导致土壤有效铁含量降低的主要原因。核桃园土壤有机质、pH值与土壤有效养分的相关性及动态变化等问题尚需进一步探讨。

土壤温度、水分和矿质营养是核桃树生长发育的基础。甘肃陇东南核桃产区土壤温湿度在正常年份能够适应核桃的生长发育，但在干旱年份和核桃需水关键时期，应采取有效的抗旱保墒措施，加强核桃园覆草、垄膜等土壤管理技术措施，以改善土壤温湿度环境；在土壤矿质营养管理方面，增加有机肥和磷素的施用量，以提高土壤有机质含量和磷水平，促进核桃根系的生长发育，增强树体抗晚霜冻能力，提高坚果产量和品质。

本文对一定土壤温度、湿度与养分条件下核桃树体生长发育及坚果品质的研究没有进行深入的探讨，核桃主产区土壤环境因素对坚果生长发育的影响将作为今后研究的主要内容。

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