长期覆沙果园土壤温湿度和矿质养分年际变化特征

2020-09-04刘小勇韩富军孙文泰李建明

中国土壤与肥料 2020年4期

刘小勇，任静，韩富军，彭海，孙文泰，孔芬，李建明，李强

（1.甘肃省农业科学院林果花卉研究所，甘肃兰州 730070；2.静宁县果树研究所，甘肃静宁 743400）

土壤是果树根系生存的介质，创造适宜根系生育的土壤环境，对苹果优质、高效栽培具有重要意义［1］。在诸多土壤环境因子中，温度、水分和矿质营养状况等是影响苹果根系生长发育的最主要因素，土壤温度高低、水分多少、矿质营养丰缺等直接关系果树根系的分布、种类和生长发育，研究分析这些关键因素是指导果树科学管理和生产的主要依据。果园地面覆盖具有保墒、调节土壤温度和改良土壤结构等作用，在干旱地区果园水肥高效利用方面具有十分显著的效果［2］。在我国北方旱塬区，果园地面覆盖物种类很多，涵盖草［3-4］、地膜［5-6］、园艺地布［7］和果园废弃物［8］等多种材料，对果园地面覆盖方式及其效应的研究也较多［9-11］，而覆沙作为甘肃陇东半干旱地区苹果园土壤管理的一种主要模式，在改善果树土壤环境、提高果实品质等方面具有显著作用［12］，在甘肃陇东旱塬苹果主产区已大面积推广应用。但人们对果园覆沙改善土壤环境状况以及果树对覆沙土壤的响应机制还缺乏系统、深入的研究，为探明长期覆沙苹果园土壤理化性状的变化特征及其对苹果生长发育的作用效应，笔者通过3 年长期定位试验，监测覆沙条件下土壤温度、水分年周期变化规律，测定分析土壤矿质养分含量的变化，为黄土高原旱塬区苹果优质高效栽培提供依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地为甘肃静宁县旱塬区阳坡台地苹果园，栽植品种为长富2 号和岩富10 号，砧木为山定子，株距2.5 m、行距3.5 m。覆沙苹果园位于N 35°16.539′，E 105°38.585′，海拔 1 540 m，连续覆沙时间与苹果树龄相同，均为20 年，覆沙厚度约5 cm，每5 年左右换新沙一次，最近1 次换沙时间为2015 年春季。清耕苹果园位于N 35°16.477′，E 105°38.559′，海拔1 522 m，树龄15 年，与覆沙苹果园直线距离100 m。试验园隶属同一农户管理，栽培水平和技术措施相同。园地土壤为黄绵土，土层深厚，土壤有机质含量约1 %左右，为碱性土壤，pH 值＞8。常规施肥以三元复合肥为主（N∶P∶K=28∶10∶7），每年施两次，每株约4 kg，基本不施其它化肥和有机肥料。果园管理精细，管理水平较高，苹果品质优。

1.2 试验处理与取样

1.2.1 覆盖方式

试验处理选用的两种耕作方式均为甘肃陇东地区苹果园采用的典型模式。

覆沙（SM）：是甘肃陇东旱地果园采用的一种地面覆盖方式。首先将苹果园地整平，弃除杂物后适当碾压（防止沙土混合），然后将洗净的细河沙，均匀一致地在全园土壤进行覆盖，覆沙平均厚度5 cm 左右。覆沙后土壤不进行耕翻，只有当土施肥料时将沙粒集中放到一边，施肥完成后重新铺平，完成一次覆沙可利用5 年左右，此后更换新沙。

清耕（CT）：即对照，为传统土壤耕作方式。每年用果园专用旋耕机对果树行间进行深翻，或用铁锨等生产工具深翻树盘土壤20 cm 左右，或全园耕翻，每年2 ～3 次。保持土壤疏松、地面干净无杂草。

1.2.2 试验处理与取样

于 2016 年春季土壤开始解冻时布置试验。分别在覆沙和清耕苹果园安装土壤温度水分记录仪（L99-TWS-4），仪器安装前，首先选取试验园土壤作为标样，对仪器测定湿度值进行标定矫正试验，并用烘干法进行验证。选择树冠外沿投影下向内约50 cm 处为定点测定点（避开施肥坑），每个处理分别选择监测点3 处，挖80 cm 深土坑，宽度以便于人工操作为宜，分20 、40、60 和80 cm 共4 个土层分别安装温、湿度感应探头，保持原土回填。温湿度记录仪安装位置均为试验树的东南方向，连续3 年长期定位监测4 个土层土壤温度和湿度。土壤温度值可以直接读数，土壤湿度值通过转换成为质量含水量。

SM 和CT 处理分别设置。采用顺序排列方法，重复 3 次，每个小区面积 60 m2，试验用地 667 m2。于2017 年苹果果实采收后进行土壤取样，测定土壤矿质养分含量和土壤容重，计算出土壤孔隙度。

1.3 测定方法

用土壤温度水分记录仪连续 3 年定点监测20、40、60 和80 cm 4 个土层土壤温度和含水量变化，分别测定0 ～20、20 ～40、40 ～60 和60 ～80 cm 4 个土层的土壤有机质、全氮、全磷、全钾以及有效磷、速效钾、硝态氮、铵态氮含量和pH 值、土壤容重等指标。土壤有机质用重铬酸钾氧化—油浴加热法测定，全氮用KDY9820 型定氮仪测定，全磷、有效磷用紫外分光光度计测定，全钾、速效钾用M410 型火焰光度计测定，硝态氮、铵态氮用流动注射分析法测定，pH 值用酸度计测定，土壤容重用环刀法测定。

试验结果用Excel 2007 进行统计，采用SPSS 21.0 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 长期覆沙下土壤温度变化特征

2.1.1 年周期变化

在苹果年生育周期，土壤温度与外界气温变化呈正相关。从12 月至翌年2 月，是苹果树完全休眠期，也是土壤温度最低且相对稳定时期，月平均土壤温度均在4℃以下，覆沙园冬季3 个月平均土壤温度分别为3.7℃（12 月）、1.9℃（1 月）和2.3℃（2 月），其80 cm 土层比20 cm 分别增高3.9、3.4和2.1℃，而清耕园平均土壤温度分别为3.6℃（12月）、1.3℃（1 月）和1.6℃（2 月），80 cm 土层比20 cm 分别高3.6、2.8 和1.7℃，冬季3 个月覆沙园土壤温度和温度增幅均高于清耕园。覆沙园20 cm 土壤0℃以下温度持续日数2017 年和2018 年分别为30 d（2016 年12 月29 日至2017 年1 月27 日）和26 d（2018 年1 月31 日至2 月25 日），温度值为-0.1 ～-1.3 ℃（最低温度时间2017 年1 月23日），清耕园两年分别为35 d（2016 年12 月29 日至2017 年2 月1 日）和50 d（2018 年1 月11 日至3 月1 日），温度值-0.1 ～-2.3℃（最低温度时间2018 年2 月11 日），覆沙园平均缩短了14.5 d；40 cm 土层覆沙园均未出现0℃以下温度，而清耕园为19 d（2018 年2 月4 日至2 月23 日），温度值为-0.1 ～-0.7℃，平均缩短了9.5 d。3 月至4 月，是苹果根系生长盛期，此期土壤温度迅速增高，覆沙园比清耕园增温效果更加明显，也是一年中温度增幅最大的时期，平均达到1.9 ～2.1℃。7 月底至8 月初，土壤温度达到峰值，覆沙园20 ～80 cm 平均温度 ≥21℃的日数为41 d（6 月27 日～8 月6日），平均最高温度24.8℃（2017 年7 月26 日），清耕园≥21℃的日数为20 d（8 月1 日～8 月20日），最高温度为22.8℃（2017 年8 月6 日），峰值滞后11 d。由于清耕园峰值的相对延后，其8 月份平均温度比覆沙园高0.5℃。9 月苹果果实成熟前期开始，覆沙园土壤温度平均值稍高于清耕园，一直持续到第二年2 月。可见，苹果园覆沙提高了土壤温度、降低了冻土深度、缩短了低温持续时间。

不同土层深度土壤温度变化特征：外界气温的变化和土壤自身热量的保持与散失是影响土壤温度变化的主要原因。随着土壤深度的增加，果园土壤年均温度呈升高趋势。3 月和8 月，外界向土壤传递的热量及土壤自身热量保持相对平衡，不同土层月平均温度值相近；4 月至7 月，随着外界气温的升高，浅层土壤获得较多的热量并向深层传递，土壤温度随土层深度的增加而递减，表现为浅层土壤温度高而深层较低。9 月份后，随着外界气温的逐渐降低，浅层土壤受外界低温的影响，向深层土壤传递的热量也在减少，导致深层土壤温度高于浅层，这种现象一直持续到翌年2 月。覆沙苹果园20、40、60、80 cm 土壤温度峰值均出现在7 月，而清耕园除20 cm 峰值出现在7 月底外，其余土层峰值较覆沙园滞后6 ～11 d。覆沙园各土层全年平均温度分别较清耕园提高0.7 、1.0、0.7 和0.8℃，以40 cm 增幅最大。见表1 和图1。

表1 覆沙园与清耕园0 ～80 cm 土层月平均土壤温度比较（℃）

图1 苹果园不同土层土壤温度年变化规律

2.1.2 土壤温度日变化

苹果不同物候期土壤温度日变幅不同，外界气温的周期变化，直接影响着土壤温度日变化。在我国北方苹果产区，花期常遭受晚霜冻害，影响苹果产量和品质，而此期正值一年中气温日变化较为剧烈的时期。试验结果表明，覆沙园土壤日平均温度比清耕园高1.6℃，这有利于苹果根系的生长发育，增强树势和抗冻能力［1］。新梢停止生长期（7月份）是苹果年生育周期中气温最高的时期，也是日平均土壤温度最高和覆沙果园的增温效果最显著的时期，覆沙苹果园土壤温度平均为22.7℃，清耕园为20.7℃。从果实成熟期至休眠期，外界温度逐渐降低，土壤温度变幅也逐渐减小，不同土层日平均土壤温度相近，至休眠期，覆沙园和清耕园日均温分别为2.5 和2.2℃，根系停止生长。见表2。

表2 苹果主要物候期日平均土壤温度（℃）

果园覆沙提高了不同土层日平均土壤温度，全年比清耕园提高0.9℃，其中40 cm 土壤增温效果最明显，为1.2℃。果园覆沙降低了土壤温度的日变化程度，特别是降低了浅层土壤（20 和40 cm）的日变幅，随着土壤深度的增加，这种消减作用逐渐减弱。见表2 和图2。

图2 苹果主要物候期不同土层土壤温度日较差

2.1.3 土壤温度变幅

果园覆沙增大了土壤温度极差，但降低了土壤温度变幅，覆沙园不同土层全年土壤温度极差比清耕园高0.8 ～1.3℃，其中40 cm 最高为1.3℃，而其平均变异系数比清耕园减小4.1%。不同土层土壤温度峰值随土壤深度的增加而降低，而其最小值则相反。土壤温度变异系数也随土壤深度增加而降低，覆沙园40、60 和80 cm 土壤温度变异系数比20 cm 分别降低了12.1%、18.9%和25.4%，而清耕园分别降低了7.8%、14.7%和20.8%。随着土壤深度的增加，外界气温对土壤温度的影响作用变小，说明覆沙土壤对外界气温的变化具有缓冲和调节作用。见表3。

表3 苹果园不同土层土壤温度及变异系数

2.2 长期覆沙下土壤含水量变化特征

2.2.1 年周期变化

在苹果年生育周期中，土壤含水量变化总体呈缓慢升高再降低的趋势。果园覆沙明显提高了土壤含水量，覆沙园全年平均土壤含水量比清耕园高3.0%。6 月至9 月，是陇东旱塬区降雨相对较多和集中的时期，也是果园土壤含水量较高的时期，覆沙园平均土壤含水量达到20%以上，清耕园也在17.0%～19.3%之间，覆沙园6 月份土壤含水量最高，而清耕园7 月份最高；10 月份后，随着降水量的逐渐减少，土壤含水量也逐渐降低，并保持稳定变化。从10 月至翌年2 月，覆沙园土壤平均含水量从18.7%升高到18.9%，再下降到18.0%，下降了3.9%，而清耕园从16.9 %下降到13.0%，下降了30.0%。覆沙的保墒效果十分明显。

苹果幼果期（5 月）至果实采收期（10 月），覆沙园与清耕园土壤平均含水量差为1.5%～3.0%，而苹果休眠期的12 月至翌年2 月，二者平均含水量差为4.6%～5.0%。可见，苹果园覆沙更有利于保持休眠期土壤水分。见表4。

表4 覆沙园与清耕园0 ～80 cm 土层月平均土壤含水量比较（%）

不同土层深度土壤含水量：随着土壤深度的增加，土壤含水量变化趋于平缓，较深的土层（60和80 cm）土壤含水量年度变幅较小，而浅层土壤（20 和40 cm）变化较大。覆沙园以40 cm 变幅最大，而清耕园20 cm 最大。果园覆沙明显保持和改善了深层土壤水分的稳定供给，全年60 cm 土壤平均含水量稳定保持在20.4%～22.4%、80 cm 保持在19.5%～22.1%。覆沙园土壤40 cm 平均含水量最低，为16.8 %；而清耕园全年平均土壤含水量60 cm 最高，40 cm 次之，分别为17.6%、17.3%，20 cm 最低，为14.8%。见图3。

2.2.2 土壤含水量日变化

覆沙明显提高了果园土壤含水量。苹果主要物候期覆沙园比清耕园土壤含水量增加2.8%，其中休眠期增幅最大，比清耕园增加5.0%，这有利于苹果的安全越冬和养分贮藏，而果实成熟期土壤含水量增幅最小，为1.9%。见表5。

果园覆沙明显改善了土壤水分环境，降低了土壤含水量变幅，保持了土壤水分的稳定供应。试验结果表明，苹果园土壤含水量的日变幅较小，清耕园在苹果新梢停止生长期土壤含水量的日变幅较大，平均为0.9%，而此期覆沙园只有0.1%；其它物候期二者相差不大。覆沙苹果园主要物候期不同深度土壤含水量平均日较差小于清耕园，不同土层深度覆沙园和清耕园分别为：0.4%和0.6%（20 cm）、0.2%和0.3%（40 cm）、0.1%和0.3%（60 cm）、0.2%和0.2%（80 cm）。见图4。

图3 苹果园不同土层土壤含水量年变化规律

表5 苹果主要物候期日平均土壤含水量（%）

图4 覆沙与清耕处理苹果主要物候期不同土层土壤含水量日较差变化

2.2.3 土壤含水量变幅

旱塬区较深层（60 和80 cm）土壤含水量变幅明显低于浅层，这与土壤自身的保墒和吸散能力有关。苹果园覆沙后明显提高了深层土壤含水量，60 和80 cm 土壤含水量分别比清耕园高5.0%和6.1%，20 cm 土壤含水量比清耕园高2.9%，40 cm土层则低0.5%，覆沙的这种保墒作用有利于干旱时期苹果根系对水分的吸收利用。苹果园覆沙明显降低了20 cm 土层深度的土壤含水量极差和变幅，但导致40 cm 的土壤含水量的波动变化，这一现象仍不能合理解释。见表6。

表6 苹果园不同土层土壤含水量及变异系数（%）

2.3 土壤有机质、矿质养分与容重、pH 值变化

土壤是果树生长发育的基础，果树生命中所需的营养物质多为根系从土壤中获取。土壤中矿质养分状况将直接影响果树根系的吸收和利用效率。试验结果表明，苹果园土壤有机质、矿质养分含量随土壤深度增加总体呈降低趋势，覆沙园与清耕园土壤有机质、全钾含量无显著差异，而土壤全氮60 ～80 cm 显著高于清耕园。全磷各土层呈波动变化，覆沙园40 ～80 cm 土层含量显著高于0 ～40 cm，而清耕园40 ～60 cm 含量最高，其余土层无显著差异；覆沙园全磷0 ～20 和60 ～80 cm 显著高于清耕园，而20 ～60 cm 二者无显著差异。覆沙园速效养分中的铵态氮、有效磷、速效钾平均含量高于清耕园，而硝态氮明显较低。土壤硝态氮含量覆沙园与清耕园均呈显著的深层积累特性，覆沙园累积量明显较低，其铵态氮含量随土壤深度增加显著降低，0 ～40 cm 显著高于40 ～80 cm，而清耕园40 ～60 cm 含量显著高于其它土层。见表7。

长期覆沙苹果园0 ～20 cm 土壤容重显著高于其它土层和清耕园，该土层孔隙度显著降低，覆沙园土壤pH 值和20 ～80 cm 土壤容重、土壤孔隙度均与清耕园无显著差异。试验结果显示，苹果园土壤容重和pH 值均随土壤深度增加而降低，土壤孔隙度则随深度增加而增大。覆沙园浅层土壤容重的显著增大，与果园土壤覆沙前为防止沙土混合而对地表土壤进行机械镇压有关。见表8。

表7 苹果园土壤有机质、矿质养分元素含量

表8 土壤容重和酸碱度

3 讨论

3.1 苹果园长期覆沙对土壤温度的影响

旱地果园覆沙的主要作用是改良果树生长发育的土壤环境，促进果实产量和品质的提高［12］。土壤温度是表征土壤性质的重要参数，也是果树生长发育最基本的土壤条件之一，适宜的土壤温度有利于果树根系的生长发育。沙粒作为一种特殊的无机材料，在果园覆盖中具有同地膜等覆盖物相同的作用，同时覆沙更有利于苹果根系的水平分布和垂直深度扩展，增大根系的水肥吸收空间［13］。现代土壤分类将土壤温度状况作为重要的土壤诊断特性，根据土壤分类划分标准，陇东旱塬区土壤温度应属于温性土壤范围（8℃＜土壤温度＜15℃）［14］。刘思等［15］研究表明，葡萄行间覆盖有机物降低了土壤温度，同时覆盖物有效地隔绝交换热，调节地温，降低土壤温度变异系数和最大变幅。本研究结果表明，果园覆沙降低了土壤温度变异系数，这与以上结论相同，但提高了土壤温度、缩短了低温持续时间，特别在苹果根系生长盛期的3、4 月份，土壤增温效果最为明显，平均温度比清耕园高1.9 ～2.1℃，这与以上结论相反，综合分析认为，主要与覆盖材料密切相关。已有研究证明，以有机物（草、秸秆等）为果园覆盖材料的，土壤温度显著降低，特别是降低了早春果园土壤温度［16-18］，而以无机物（地膜、沙粒等）为覆盖材料的，则提高了土壤温度［2，19-20］。土壤温度的波动变化与大气温度的变化基本保持一致，土壤温度与土层深度呈显著的线性正相关［21-23］。本研究表明，随着土壤深度的增加，大气温度对土壤温度的影响作用逐渐变小，土壤年平均温度升高，土壤温度变异系数降低。果园覆沙降低了土壤温度振幅。

3.2 苹果园长期覆沙对土壤含水量的影响

在我国北方旱塬地区，干旱是影响果树生长发育的主要限制因素之一，而季节性降水也满足不了果树生长关键时期对水分的需求。因此，采取抗旱保墒的技术措施在北方果园尤为重要。果园地面覆盖抑制了土壤水分的无效蒸发，保证较高的土壤含水量，进而促进果树对土壤水分的有效利用，不同地面覆盖措施在北方地区果园的大面积应用证实了其显著的保墒作用［9，15-17］。苹果园覆沙减少了地面蒸发，覆沙果园比覆膜的水分利用效率更高，果实产量和品质更好［24-25］。本研究表明，覆沙明显改善了果园土壤水分环境，降低了土壤含水量变幅，保持了深层土壤水分的稳定供应，全年60 cm 土壤平均含水量稳定保持在20.4%～22.4%，80 cm 保持在19.5%～22.1%；全年0 ～80 cm 平均土壤含水量比清耕园增高3.0%。土壤温度和土壤湿度存在协同变化关系，在一定的温度范围内，土壤发生冻结-融化过程，引起土壤湿度变化；土壤温度同时影响土壤水分蒸发，土壤水热交换同时进行，土壤温度和土壤水分间存在必然的交互效应［26-27］。本研究结果表明，在不同物候期中，覆沙园苹果休眠期土壤含水量比清耕园增加5.0%，增幅最大，这是否因为果园覆沙提高了休眠期土壤温度，降低了冻土层厚度，缩短了低温持续时间等效应而导致该物候期土壤含水量的增大？这是否有利于苹果树贮藏养分和水肥高效利用？试验发现，覆沙苹果园不同深度土壤含水量呈波动变化，60 和80 cm 土壤含水量较高，20 cm 次之，而40 cm 最低，且低于清耕园0.5%。覆沙苹果园40 cm 土壤增温最为明显，而该土层土壤水分含量最低，其水分向上蒸散和下渗程度是否与土壤温度较高有关？这种现象有待于进行深入研究和解释。

3.3 苹果园长期覆沙对土壤有机质、矿质养分和土壤松紧度的影响

试验证明，不同覆盖方式和种植年限影响果园土壤有机质、矿质养分和土壤松紧度变化。已有研究表明，果园覆盖秸秆、生草、泥炭等均能提高苹果园土壤有机质和矿质养分含量［28-30］，地膜-秸秆双重覆盖模式下土壤剖面养分随深度增加呈先降低后缓慢递增的趋势［31］，不同地表覆盖条件下土壤中的速效养分和有机质含量随土层深度增加呈逐渐减少趋势，覆盖对土壤速效养分和有机质的影响也随之逐渐减弱［32］；而随着种植年限的增加，覆沙苹果园土壤有机质和矿质养分含量均有不同程度的下降［12］。这些结论表明，不同覆盖材料对土壤有机质和养分的影响不同。以有机物为果园覆盖材料的，随着覆盖材料自身营养物质的降解，补充到果园土壤，有利于土壤养分的提高，特别是耕作层土壤养分的增加，且随着土壤深度的增加，覆盖物对土壤养分的影响作用降低；而以无机物为覆盖材料的，由于材料本身没有养分，随着树体生长发育吸收利用土壤中的养分，外源养分的供应不足导致树体过度消耗土壤营养，使土壤养分含量降低。本研究结果表明，长期覆沙果园土壤有机质和矿质养分总体随土壤深度增加呈降低趋势，浅层（20 cm）土壤有机质、全氮养分低于清耕园，这与果园覆沙加速了树体对有机物质的利用，促进了氮素的矿化；苹果园覆沙减轻了土壤硝态氮的深层积累量，增加了根区铵态氮含量，因而提高了养分利用效率，这可能由于沙层有利于雨水接纳入渗［33］及形成的土壤温湿度环境促进了有机质的分解和潜在肥力的有效化［34］。覆沙下氮素养分变化规律及运移机理有待于进一步深入研究。良好的土壤结构和适宜的土壤孔隙度，是果树优质高产的基础，土壤孔隙度的大小能较好反映土壤的通透性、保持水肥能力和果树根域环境。果园覆盖物不同，对土壤容重的影响作用不同。旱地果园进行树盘覆盖后，土壤容重下降，改善了土壤的孔隙状况［35-36］。本研究结果表明，苹果园长期覆沙显著增大了0 ～20 cm 土壤容重，土壤pH 值也有增大的趋势，但不同土壤深度均与清耕园无显著差异，这与果园土壤覆沙前为防止沙土混合而对地表土壤进行的机械镇

压有关。