不同灌溉方式对猕猴桃园土壤质量的影响

郭旭新，赵 英，樊会芳，高志永

(杨凌职业技术学院水利工程分院, 陕西 杨凌 712100)

0 引 言

猕猴桃(Actinidia Lindl)是20世纪人工驯化和选育较为成功的野生树种之一，其果实具有较高的营养和医疗价值，被誉为“水果之王”，颇受广大消费者的欢迎。陕西省猕猴桃人工栽种起步最早、发展最快、规模最大，主要分布在陕西关中渭河以南至秦岭北麓[1]。至2009年11月，省内猕猴桃的种植面积已达4.25 万hm2，总产量51.08 万t，分别占全国的60%和70%[2]。

猕猴桃为喜阴喜湿树种，对水分需求极大，耐旱能力差，对水分旱涝响应十分敏感，对土壤肥力要求较高。猕猴桃在陕西关中地区大规模种植且商品化时间短，目前该地区关于猕猴桃研究主要集中在疾病调查、探讨与防治[3,4]，施肥对其生长、产量、品质和经济效益影响[1,5-7]，栽培技术及栽植适宜区域划分[8,9]，土壤养分调查和评价[10,11]。对其不同灌溉方式、不同灌溉方式水平下土壤质量研究尚未深入。因此，本研究于2016年3月，在眉县金渠镇田家寨村及奇峰合作社和杨凌蒋家寨猕猴桃果园布设微喷灌、地面灌和滴灌处理，测定了0～50 cm土层的土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度、有机质、速效钾、速效磷和碱解氮，分析了不同灌溉处理的土壤物理和化学性质，并利用土壤质量指数对不同灌溉处理土壤质量进行了评价，本研究对全面了解不同灌溉方式下猕猴桃土壤质量，筛选合理灌溉方式，提高猕猴桃产量，改善土地管理水平，提升果农经济收入，营造良好果园生态环境意义重大，以期为猕猴桃节水灌溉技术及土地可持续性利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验分别布设于陕西省眉县田家寨村(107°46′E，34°15′N)、奇峰果业(107°43′E，34°17′N)和杨凌蒋家寨(108°01′E，34°18′N)。该区域属于关中平原，属暖温带半湿润气候区，年平均气温12～13.6 ℃，年降水量为550～660 mm。受季风气候影响，降水主要集中在夏秋季的7-9月，海拔高度320～924 m，年日照时数1 646～2 025 h，无霜期193～285 d，渭河由西向东横贯关中平原，水资源丰富，便于灌溉，目前猕猴桃产业发展迅速，种植面积广，经济收入可观，成为该区域主栽树种[10]。

1.2 试验设计

试验布设在陕西省眉县田家寨村、眉县奇峰果业和杨凌蒋家寨，试验处理选择广大果农长期在生产实践中采用的微喷灌、地面灌和滴灌，3种处理，每个处理3个重复小区，每个小区面积为30×15 m2(长×宽)，供试猕猴桃品种选为关中地区种植面积最广的“徐香”，株行距为2 m×4 m，于2016年3月进行布设试验。本试验灌溉制度及施肥情况按农户传统的管理方式进行，每个试验小区进行除草处理。微喷灌和滴灌处理采用水肥一体化，地面灌溉处理施肥采用人工追施，其中氮肥(N)用量345 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量473 kg/hm2，钾肥(K2O)用量689 kg/hm2。各处理灌溉方案见表1。

1.3 土壤样品采集

2017年10月在每个样地的猕猴桃株间中部，沿长度方向5、15和25 m处利用100 cm3环刀和土钻分别取样，猕猴桃根系主要分布在0～50 cm土层范围内，本文取样土层深度定为0～50 cm，取样步长为10 cm，每个样地取样15个。将取土完成的环刀口上下密封，从取土土钻处取约150 g土样装入密封袋，每个样上进行标注并送回试验室对土壤的相关性质进行测定。

表1 猕猴桃园各处理灌溉方案(制度)Tab.1 Irrigation scheme (system) of experimental treatment for Kiwifruit plantations

1.4 土壤指标测定

土壤容重、田间持水量、孔隙度的测定为环刀法；有机质测定为重铬酸钾容量法；速效钾测定为酸铵提取法、碱解氮的测定为碱解扩散法、速效磷的测定为碳酸氢钠法[12,13]。

1.5 土壤质量评价

土壤质量不能够直接测定，可以通过其他指标来间接计算，土壤质量指标是从环境管理和生产潜力两个方面评价土壤可持续性或土壤健康状况的条件、功能和性状，土壤质量指标一般基于土壤理化性质和种植植被的生产力[14]。为选取具有代表性的指标对不同处理土壤质量进行评价，本文采用常用的主成分分析法对测定的7个指标进行筛选[15]。具体步骤为：①对测定数据进行主成分分析并选取特征变量大于1的主成分；②选取载荷因子最大的变量，同时选取载荷因子与最高载荷因子不超过10%的因子；③对选取的变量进行pearson相关分析，选取pearson相关系数大的变量。利用如下公式进行土壤质量综合指数计算：

(1)

式中：SQI为土壤质量综合指数；Wi为第i个因子权重系数；Si为第i个评价指标的隶属度值；n为评价指标的个数。

Wi计算根据主成分分析的结果，该值为评价指标公因子方差占公因子方差之和的比例。Si根据隶属函数,计算其隶属度值。田间持水量、孔隙度、有机质、速效钾、碱解氮和速效磷的隶属度值采用S型隶属度函数式(2)计算，指标越高表明土壤质量越好，但当指标达到一临界值时，其效用趋于恒定。土壤容重的隶属度值采用抛物线型隶属函数式(3)计算，该指标在一定范围内土壤质量最好，但当指标达到一临界值时，其效用变差。评价指标的转折点值、下限和上限和最适值采用黄土高原土壤质量评价值[16]。

S型隶属度函数：

(2)

抛物线型隶属函数：

(3)

式中：F(X)为隶属函数；X为评价因素的实际指标值；X0分别为评价指标的转折点值；a1和a2为评价指标的下限和上限值；b1和b2为最适值的上下界点。

1.6 数据分析

数据的统计分析采用Excel 2010和PASW Statistics 18.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对土壤物理性质影响

表2为不同灌溉处理下猕猴桃园不同土层土壤物理性质，由表2可知，3种灌溉处理土壤容重在0～30 cm各土层内，地面灌溉显著高于微喷灌和滴灌处理(P<0.05)，微喷灌和滴灌处理无显著性差异；在30～50 cm各土层内，3种处理无显著差异，在0～50 cm土层内表现为地面灌溉最大，均值为1.58 g/cm3，显著高于微喷灌和滴灌处理(P<0.05)。3种灌溉处理田间持水量在0～10 cm土层内微喷灌显著高于地面灌溉和滴灌处理(P<0.05)；在10～50 cm各土层内，微喷灌和滴灌处理无显著差异；在0～50 cm土层内表现为地面灌溉最小，均值为22.92%，显著低于微喷灌和滴灌处理(P<0.05)。3种灌溉处理土壤孔隙度在0～10 cm土层内无显著差异；在10～30 cm各土层内，地面灌溉显著低于微喷灌和滴灌处理(P<0.05)；在30～50 cm土层内无显著差异；在0～50 cm各土层内表现为地面灌溉最小，均值为40.69%，显著低于微喷灌和滴灌处理(P<0.05)。

表2 不同灌溉处理土壤物理性质方差分析Tab.2 Analysis of variance of soil physical properties by different treatments

注：不同小写字母表示相同土层LSD检验差异达到显著水平(P<0.05)，下同。

2.2 不同灌溉处理对土壤化学性质影响

表3为不同灌溉处理下猕猴桃园不同土层土壤化学性质，表3显示，3种灌溉处理有机质在0～20 cm土层内表现为地面灌溉显著大于滴灌(P<0.05)；在20～50 cm各土层内，微喷灌和地面灌溉处理无显著性差异；在0～50 cm土层内均值变化范围为1.43%～1.62%，无显著差异。3种灌溉处理速效钾在0～50 cm土层内差异显著(P<0.05)，大小次序为地面灌>微喷灌>滴灌。3种灌溉处理速效磷在0～10 cm土层内差异显著(P<0.05)；在10～40 cm各土层内，微喷灌和地面灌处理无差异，但二者显著高于滴灌处理(P<0.05)；在40～50 cm土层内，微喷灌和滴灌处理无差异；在0～50 cm土层内均值变化范围为9.35～38.51 g/cm3，微喷灌和地面灌溉处理无差异，但二者显著高于滴灌处理23.45和29.16 g/cm3(P<0.05)。3种灌溉处理碱解氮在0～20 cm各土层内，微喷灌和地面灌溉处理无差异；在20～40 cm各土层内微喷灌和滴灌无差异；在40～50 cm土层差异显著(P<0.05)；在0～50 cm土层内均值变化范围为48.81～60.51 g/cm3，无显著差异。

表3 不同灌溉处理土壤化学性质方差分析Tab.3 Analysis of variance of soil chemical properties by different treatments

2.3 不同处理土壤质量指数

为选取具有代表性的土壤变量对猕猴桃园不同灌水处理土壤质量进行评价，利用主成分分析法对7个土壤理化指标进行筛选，结果见表4。主成分分析显示(表4)，KMO值为0.832，Bartlett球形度检验P值<0.001，说明变量之间存在相关性，可以进行因子分析；其中2个主成分特征值大于1且累计频率达到86.743%(表4)，在第一主成分因子荷载中，碱解氮的荷载为0.967，达最大，首先选择。而碱解氮分别与速效磷、速效钾和有机质荷载值差值不超过10%，因此也被选择作为代表性因子；在第二主成分因子荷载中，土壤容重和土壤孔隙度荷载绝对值达0.9以上，因此将二者选为代表性因子。

为了实现变量的约减和降维，找出综合变量，并能反映原来变量的信息，对高因子载荷值进行Pearson相关分析，分析结果见表5。表5表明，第一主成分因子荷载中，土壤容重与土壤孔隙度相关系数为-0.975，为极显著；第二主成分因子荷载中，有机质与速效钾、速效磷、碱解氮的相关系数变化范围为0.869～0.919，且极显著，综上，选择土壤容重和有机质对猕猴桃园不同处理土壤进行质量指数计算，土壤容重和有机质权重分别为0.524和0.476。

不同处理土壤质量指数在不同土层显著性分析表明(表6)，就各测定土层而言，在0～10 cm土层，微喷灌处理土壤质量指数为0.653，显著高于地面灌溉和滴灌处理(P<0.05)；在10～30 cm各土层，微喷灌和地面灌溉处理无显著差异；在10～50 cm各土层，滴灌处理土壤质量指数变化范围为0.457～0.513，显著高于微喷灌和地面灌溉处理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。就总土层而言(0～50 cm)，滴灌处理土壤质量指数较微喷灌和地面灌溉处理分别高0.047和0.099，显著高于地面灌溉处理(P<0.05)，与微喷灌处理无显著性差异。

表4 土壤质量指标的主成分因子荷载、公因子方差及权重Tab.4 Principal component factor load and common factor variance of soil quality indicators

表5 主要因子的Pearson相关系数Tab.5 Pearson correlation coefficient of key factors

注：**和*分别表示P<0.01和P<0.05。

表6 不同灌溉处理土壤质量指数在不同土层显著性分析Tab.6 Analysis of variance of soil quality index with different treatments

3 讨 论

土壤肥力是土壤功能和土壤质量本质属性，科学评价土壤肥力，能使我们精准了解土壤本质，合理规划和利用土地资源，为发展精准农业提供科学依据[17]。本研究表明关中猕猴桃园微喷灌、地面灌溉和滴灌在0～50 cm土层的速效钾分别为229.59、366.66和109.16 mg/kg；速效磷分别为32.80、38.51和9.35 mg/kg；碱解氮分别为52.89、60.51和48.81 mg/kg；有机质分别为14.25、16.23和15.68 g/kg。结合《西安市土壤养分丰缺指标及推荐施肥指标体系》[18]对猕猴桃土壤养分评价标准，发现微喷灌和地面灌溉处理钾和磷肥均处于极丰富或丰富等级，而氮肥和有机质均缺乏。过量施用磷肥和钾肥，降低肥料的利用率，造成土壤环境恶化，形成次生盐渍化，破坏微生态平衡，甚至影响果蔬的品种和产量[19-21]。Ju等[22]的研究表明，氮肥用量降低30%～60%，作物产量不会显著降低，氮肥施用过量，作物产量并不会增加，经济收入和肥料利用率反而降低[23]。根据猕猴桃养分评价标准判定滴灌处理的磷肥、钾肥和氮肥均不足，有机质缺乏。滴灌滴水点附近是速效磷含量高值的分布区，也是速效钾在短期浅层土壤集聚区[24]，本研究土样的取样点选在株距中间位置，可能导致滴灌处理测定土样中钾和磷肥偏低。施用有机肥可使土壤中的碱解氮和>0.25 mm水稳性团聚体含量等显著增加，有机质增加达24.8%～29.8%[25-27]，有机肥与化肥配合施用可提高猕猴桃糖酸比、可溶性总糖及维生素C等[28]，是猕猴桃园土壤肥力管理的有效方法[6]。通过对比3种灌溉处理土壤质量指数发现滴灌处理使10～50 cm各土层土壤质量显著高于微喷灌和地面灌(表6)，滴灌较地面灌溉处理显著改善土壤通气性和持水性(表2)。因此，建议今后猕猴桃园灌溉方式采用滴灌，并增加有机肥投入，从而达到改善土壤理化性状，实现猕猴桃园土地生产力可持续性发展。

土壤质量的评价是农业土地可持续利用的一个重要思想和指标[14]，评价的关键在于指标的选择，本研究利用主成分分析法将单指标的评价转化为多指标综合评价，全方位反映土壤质量水平，最终选取土壤容重和有机质作为评价猕猴桃园土壤质量指标。这与已有研究相一致[29,30]。土壤容重因土壤质地、有机质含量等不同而各异，它不仅影响养分和水分的供应，而且影响其他物质性质和变化过程[14]。土壤有机质为植物生长提供氮、磷、钾和各种营养元素，也为土壤微生物活动提供能源，它通过对土壤物理、化学和生物性质的作用影响土壤肥力特性，是衡量土壤肥力的重要指标[31]。可见本研究选取的指标能够综合反映土壤质量，可为猕猴桃园土壤质量评价指标筛选提供科学依据。

4 结 论

在陕西关中3个猕猴桃园试验地布设微喷灌、地面灌和滴灌处理，对试验地0～50 cm土层的土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度、有机质、速效钾、速效磷和碱解氮进行了测定，分析了不同灌溉处理的土壤物理和化学性质，并利用土壤质量指数对土壤质量进行了评价，得到如下结论。

(1)微喷灌和滴灌处理土壤容重、土壤孔隙和田间持水量在0～50 cm各土层内无差异，在0～30 cm各土层均显著优于地面灌溉处理(P<0.05)；地面灌溉处理的土壤孔隙和田间持水量在0～50 cm各土层均低于微喷灌和滴灌处理，而土壤容重在0～50 cm各土层均高于微喷灌和滴灌处理。

(2)3种处理的速效钾在0～50 cm各土层内存在显著差异(P<0.05)，其大小次序为地面灌溉>微喷灌>滴灌；微喷灌和地面灌溉处理的速效磷在10～40 cm土层无差异，显著高于滴灌(P<0.05)；微喷灌和地面灌溉处理钾和磷肥在0～50 cm土层内均处于极丰富或丰富等级；地面灌溉处理的有机质和碱解氮在0～50 cm各土层均高于微喷灌和滴灌处理。

(3)土壤容重和有机质是反映猕猴桃园土壤质量的综合指标，其权重分别为0.524和0.476。

(4)微喷灌处理土壤质量指数在0～10 cm土层分别显著高于地面灌溉和滴灌处理(P<0.05)；滴灌处理土壤质量指数在10～50 cm各土层显著高于微喷灌和地面灌溉处理(P<0.05)，是二者的1.21～1.81倍。