河北省主要苹果产区土壤养分状况与演变

郭巨秋，刘建玲，谢 娇，吴 晶，郭玉冰，孙志朋

（河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000）

我国苹果产量居世界前列，栽培面积达到世界栽培面积的42%，河北省是我国苹果主产区之一，太行山和燕山的丘陵、山前平原区是河北省优质苹果主产区，苹果栽培历史悠久，苹果的优质高产对河北省农业经济的发展起到了重要促进作用［1-2］。

气候、地形地貌、土壤母质、土壤中养分含量及养分间的平衡状况，尤其是土壤有机质含量是影响耕地地力及果园土壤供肥能力的重要因素，这些因素对果树的产量和品质有重要影响。施肥主要影响土壤中养分含量，尤其是土壤速效性氮磷钾含量。不科学施肥对土壤质量有显著影响，近年来苹果生产盲目大量施肥问题严重。已有资料表明，苹果园普遍存在氮磷钾化肥使用量过高的问题。陕西苹果园氮肥投入过量比例均大于95%，钾肥投入均在过量水平以上［3］；王小英等［4］调查苹果园化肥施用现状发现，陕西省内氮肥投入过量比例占72%，有50%果园磷肥投入过量。河北省高产果园N、P2O5、K2O养分投入量分别达到果树需肥量的2.4～3.0、0.9～1.2、4.4～5.1倍［5］。过量施用化肥凸显土壤养分失衡、酸化、硝酸盐、非点源氮磷的环境风险问题［6］。大量施用氮肥降低果树对钾、钙元素的吸收，土壤磷素积累则会降低土壤中微量元素的有效性，土壤速效钾过高也会影响果树对钙、镁元素的吸收，从而导致果树的生理性缺素［7］。

气候、地形地貌、土壤母质和人为施肥等是影响土壤发育的主要因素，母质因素对土壤质地、中微量元素供给能力等起到重要作用［8-9］。土壤养分状况是果园科学合理施肥的重要依据，已有资料多为土壤养分现状、基于施肥量和苹果产量需肥量理论上计算的氮磷钾的供需比值。而关于不同区域果园养分状况及长期土壤养分定位监测研究果园土壤养分动态变化及土体分布特点等资料尚少。基于上述问题，本文通过大面积测定河北省不同区域代表性土壤养分现状，果园土壤养分的长期定位监测系统研究土壤养分演变、剖面养分分布特点，从而为河北省苹果生产中科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 取样地点基本概况

保定市顺平县代表太行山苹果主产区气候、地貌和土壤母质等基本状况，秦皇岛市青龙满族自治县、抚宁县代表了燕山丘陵区，廊坊三河市代表了燕山山前平原区。

4区域均为暖温带季风大陆性气候，顺平、三河、抚宁、青龙县平均气温分别为12.2、11.1、10.1、7.9℃，年均降水量分别为578.0、617.4、730.7、715.6 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 果园土壤养分定位监测点

定位取样：土壤养分定位监测的果园20个，位于河北省保定市顺平县苏家疃村（北纬38°51′～38°53′，东经115°7′～115°8′）和阳各庄村（北纬38°53′～38°54′，东经115°6′～115°7′）。两个村果园均为1987年定植红富士苹果（实生砧木），株间、行间距为3 m×5 m。分别于1993、2003［5］、2018年苹果收获后（10月中旬～11月中旬）定位取土，测定土壤的养分变化和0～60 cm土体养分状况。

土壤类型：潮褐土。

果园土壤养分现状测定：顺平、青龙、抚宁、三河果园样点数分别为：100（包括上述土壤养分定位监测20个样点）、97、102、101个。2018年10月中到11月中旬取样，样点位置在树冠投影外缘，分别取0～20、20～40、40～60 cm土壤，每个果园选取3个取样点，3个样点土样混合为一个样品。在所有样品中选取小于10年树龄、10～20、20～30、30～40年树龄样本各25个。

1.2.2 测定指标及方法

测定项目：土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌等，测定方法参考《土壤农化分析》［10］。

1.3 数据来源

第二次土壤普查时期（1980～1985年）的土壤养分数据来源于河北省土壤志［11］、保定市土壤志［12］、秦皇岛市土壤志［13］、青龙县土壤志［14］、抚宁县土壤志［15］、三河县土壤志［16］。

1.4 数据处理

采用Excel 2007及SPSS 19.0对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 苹果园0～20 cm土层土壤养分现状与变化

河北省苹果园0～20 cm土层土壤养分现状与变化如表1所示，结果表明：苹果园0～20 cm土壤全氮含量在0.40～2.94 g/kg之间，平均值为1.16 g/kg，相比于全国第二次土壤普查高出0.43 g/kg，增长58.9%。全省苹果园有机质含量变幅在5.98～36.62 g/kg，平均值为17.99 g/kg，较第二次土壤普查高出6.49 g/kg，增长56.4%；有效磷含量变幅在5.43～474.87 mg/kg，平均含量为118.26 mg/kg，较第二次土壤普查高出111.96 mg/kg，增长幅度达到二次普查时期的17.8倍；速效钾含量变化幅度在21.09～866.03 mg/kg，平均含量为329.70 mg/kg，较二次土壤普查时期高出201.7 mg/kg，较二次普查时期增长1.6倍；有效铁含量变幅在2.12～49.46 mg/kg，平均含量为15.33 mg/kg，较第二次土壤普查高出7.13 mg/kg，高出第二次土壤普查87.0%；有效锌含量变化幅度在0.35～10.60 mg/kg，平均含量为3.69 mg/kg，较第二次土壤普查高出3.16 mg/kg，比第二次土壤普查时增长6.0倍。

表1 不同地区苹果园0～20 cm土壤养分现状

抚宁、青龙、三河、顺平0～20 cm土壤中有效磷与有效锌含量的比例分别为47.2∶1、23.3∶1、22.8∶1、42.0∶1。全省有效磷与有效锌的比例平均为32.0∶1，较全国第二次土壤普查时的11.9∶1有不同程度增长。

基于第二次土壤普查分级标准，对河北省果园土壤养分含量进一步分析，果园有机质与养分含量频率分布如图1所示，结果表明：苹果园0～20 cm土层中全氮平均含量处于中等水平，全氮含量处于较缺与中等水平的果园分别占25.5%和44.5%，处于极缺与丰富水平的果园占比极低，分别为1.5%和3.5%。苹果园有机质平均含量处于较缺水平，处于较缺与中等水平的果园分别为60.3%和21.8%，处于极缺水平的果园仅占0.8%，较丰富及以上果园占9.8%。有效磷含量普遍偏高，其中有78.5%的果园有效磷含量为丰富水平，较丰富水平的果园占11.8%，中等水平果园占7.8%，仅有2.0%的果园中有效磷含量在较缺水平及以下。速效钾含量在丰富水平以上的果园占61.8%，中等或较丰富水平果园占24.3%，较缺水平的果园占12.5%，仅有1.6%的果园速效钾含量在缺失及以下水平。

图1 土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾含量的频率分布

2.2 定位果园土壤养分在0～60 cm 土体的空间分布状况

定位果园0～60 cm土层养分剖面分布如图2所示，结果表明：果园中20～40、40～60 cm土层全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌含量占0～20 cm养分含量的比重随着土层深度的增加逐渐减少。其中，小于10年树龄的果园20～40、40～60 cm土层土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾平均含量分别相当于0～20 cm土层的68.0%、59.0%、47.3%、77.1%和60.0%、50.0%、29.7%、65.0%；果园种植10～20年的果园，20～40、40～60 cm土层中全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌分别相当于0～20 cm土层的56.1%、51.2%、53.7%、83.9%、39.6%、13.3%和48.8%、45.4%、27.4%、24.3%、26.9%、10.0%；大于30年果园20～40、40～60 cm土层中全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌分别相当于0～20 cm土层的64.4%、50.8%、59.8%、74.0%、44.9%、29.4%和52.5%、42.3%、27.0%、55.9%、27.9%、12.6%。

图2 不同年限下果园0～60 cm土层中土壤养分及微量元素剖面分布

2.3 土壤养分的动态变化及相关性

土壤养分的动态变化如表2所示，结果表明：土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌含量随种植年限的增加呈直线上升趋势，不同种植年限果园中，种植时间为30～40年的果园中0～20 cm土层土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌平均含量比种植小于10年的果园分别高出1.48 g/kg、13.89 g/kg、111.82 mg/kg、278.32 mg/kg、14.34 mg/kg、3.39 mg/kg，各养分年均增长量分别约为0.05 g/kg、0.46 g/kg、3.73 mg/kg、9.28 mg/kg、0.48 mg/kg、0.11 mg/kg。

表2 苹果园0～20 cm土层各养分含量与种植时间的关系

不同土层中有机质含量与各养分含量的相关关系如表3所示，结果表明：果园0～40 cm土层土壤中有机质含量与全氮含量呈极显著相关关系，与有效铁、有效锌含量呈显著相关关系，在0～20 cm土层土壤中有机质与有效磷及速效钾呈显著相关关系。

表3 不同土层中有机质含量与各养分含量的相关性分析

2.4 土壤pH值的状况与变化

在不同种植年限的果园中不同土层pH值如表4所示，结果表明：随着种植时间的增长，果园中不同土层土壤pH值均呈下降趋势，在0～20 cm土层中，果园种植时间为20～30年时，较小于10年果园pH值下降0.43个单位，种植30～40年的果园土壤pH值对比20～30年果园下降0.66个单位；在20～40 cm土层中，20～30年果园土壤pH较小于10年果园下降0.17个单位，30～40年果园较20～30年果园则下降0.24个单位；在40～60 cm土层中，20～30年果园较小于10年果园土壤pH值下降0.13个单位，30～40年果园较20～30年果园下降0.14个单位。

表4 不同种植年限下各土层pH值变化

3 讨论

3.1 果园磷钾过量积累导致土壤养分失衡

土壤养分含量及合理比例是影响苹果园高质高产的重要因素［17-20］。研究结果表明，河北省苹果园中全氮、有机质、有效磷、速效钾含量分别达到 1.16 g/kg、17.99 g/kg、118.26 mg/kg、329.70 mg/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级标准［21］来看，果园中全氮含量处于中等水平，有机质含量处于较缺水平，有效磷、速效钾含量均已达到并远超丰富水平。与前人研究结果［5，22］相比，当今河北省苹果园有机质与全氮含量虽有所增长，但依旧处于中下水平，有效磷含量达到并远远超过丰富水平标准，这与卢树昌等［23］当年调查的河北省80%果园磷素样本处于盈余状态相近，而卢树昌等［22］当年调查的河北省果园钾肥投入相对不足的情况已得到改善，且果园中速效钾含量普遍偏高。果园土壤中大量营养元素大幅度上升会影响到土壤中微量元素的有效性，尤其是土壤中有效磷的大幅度上升会对土壤中有效锌、有效铁的有效性产生负面影响，有研究表明［24］，在土壤中加入150 mg/kg的P2O5培养9个月后，土壤有效锌降低17.8%，当今条件下河北省果园有效磷含量普遍偏高，有效磷与有效铁、有效锌的比例较第二次土壤普查时期有了大幅度上升，这可能会造成果树的生理性缺素，速效钾含量过高也会影响果树对其他元素的吸收。

3.2 土壤养分的纵向运移

本次研究中随着种植年限的增长，果园中0～20 cm土层全氮、有机质以及速效养分含量呈上升趋势，高义民［25］研究发现，随着种植年限的增加，渭北旱塬地区苹果种植区土壤有机质和速效养分含量均以增加趋势为主，在定位实验中同样呈现此规律，陈翠霞等［3］也在研究中指出，老果园区土壤中有效养分含量要高于新果园区，本次研究与二人研究结果相近，而土壤全氮与有机质变化趋势相同，与其他研究［26］得出的结论类似。但在研究果园土壤养分随种植年限增长的变化规律时，不同研究者得出不同结论，如在张义等［27］研究中表明，当果树种植年限超过19年后果园土壤肥力开始衰退，另有研究［28-29］却表明随着苹果园树龄的增加表层土壤全磷和土壤有效磷含量均呈增加的趋势，而有机碳和全氮含量则呈下降趋势；张丽娜等［30］、杜静静［31］则指出随着果园树龄的增长，果园土壤有机质、有效磷、铜、锰、锌等都表现出先减后增的趋势，在土壤表层中有效铁、速效钾和全氮含量也呈现出相同的趋势，与本次研究结果并不相同，造成这一现象的原因可能是果农对果园的管理措施不同；本次定位试验中全氮、有机质及速效养分含量随种植年限的增长一直呈现上升趋势，与本次河北省果园的调查结果一致。

本次定位试验结果表明，在果园种植16年时，果园0～40 cm土层中发生土壤磷素富集，到种植31年后，果园中的磷素仍大量富集于0～40 cm土层，未发生明显的下移，刘晓霞［32］研究也发现浅层土壤有效磷远高于深层，二者研究结果相似；土壤钾素在种植16年时主要富集于0～40 cm土层，由于钾素在土壤中移动性更强，果园在种植31年后，钾素在40～60 cm土层中有明显的富集，出现了富集层下移；在果园种植16年后，果园0～60 cm土层中全氮、有机质有明显上升，这与当年果农深施有机肥有重要关系，与0～60 cm土层有效铁、有效锌的增加也有一定关系。

4 结论

苹果园土壤养分状况为：0～20 cm土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌含量分别为 1.16 g/kg、17.99 g/kg、118.26 mg/kg、329.70 mg/kg、15.33 mg/kg、3.69 mg/kg，年均增长量分别为0.01 g/kg、0.16 g/kg、2.80 mg/kg、5.04 mg/kg、0.18 mg/kg、0.08 mg/kg。

土壤全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效铁、有效锌随种植年限的增加呈直线上升趋势。土壤有效磷、速效钾积累速率显著高于全氮、有机质、微量元素的积累；20年以上树龄果园0～20 cm土壤趋于酸化。