不同施肥管理对三峡库区柑橘园土壤养分动态的影响

王晓荣，付 甜，唐万鹏，崔鸿侠，胡文杰

（湖北省林业科学研究院，武汉 430075）

土壤养分是表征土壤肥力的重要组成部分，其含量高低可以反映一个地区土壤质量和土地生产能力［1］。随着农业的快速发展，施肥已成为保证土壤养分、改良土壤结构、提高作物产量的重要举措［2］。然而，由于不合理的施肥管理，往往导致肥料施用针对性差、利用率低、流失严重等问题广泛存在，在一定程度上会影响作物产量和品质的提升，并对土壤和水环境产生许多负面影响［3］。因此，科学开展施肥管理研究对提升肥料的利用率、降低肥料流失对环境污染的风险和区域农业可持续发展具有重要意义［4］。

三峡库区作为环境敏感和生态脆弱地带［5］，水土流失、土壤退化、农业面源污染等问题受到广泛关注［6，7］。长期以来人地矛盾突出，蓄水和移民搬迁使土地资源进一步减少，库区生境敏感性逐渐提高，过度开发和不科学的农业活动以及库区土质较弱的保水保肥能力导致土壤肥力下降和生态退化问题日趋严重［8，9］。柑橘园作为三峡库区坡耕地利用的一种常见方式［5］，已成为湖北省三峡库区园地种植面积最大的土地利用类型［10］，主要分布在库区低海拔河谷地带且临近库区水体的区域。由于柑橘分布区立地条件差、水土流失引起的生态退化严重［11］，加上农户管理不统一且相对粗放，严重依赖大量施用肥料来获取高产，但长期过量施用化肥导致柑橘园肥料增产能力和利用率不断下降［12］，同时也成为引起土壤退化和农业面源污染的关键因素。近年来，在该区域大量研究工作主要集中在流域水土流失治理［13］、最佳管理措施选择［14］、养分流失控制［9，10］、农业面源污染防控［5，15］等方面，但对于采用施肥管理措施来维持园地土壤肥力可持续供应的研究仍显不足［16］。

合理的施肥方式应以适宜提高肥料利用效率，增加柑橘产量和质量，避免增加环境污染负荷为准则［2］。本研究以湖北省三峡库区典型不同施肥管理的柑橘园为研究对象，比较采用水肥一体化施肥、常规施肥、混合施肥3 种施肥方式的柑橘园土壤养分动态特征，以探讨施肥管理差异对土壤养分含量有效维持的影响，从而为三峡库区柑橘园土壤肥力科学管理和区域生态环境保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在湖北省秭归县三峡库区森林生态系统国家定位站的面源污染防控示范区开展。该站位于秭归县茅坪镇中坝子村兰陵溪小流域（110°54′44″ E、30°51′38″ N），地处三峡库区西陵峡地段，是湖北省著名的柑橘种植区。气候属亚热带大陆性季风气候，年均温18 ℃，年均空气相对湿度77%，无霜期307 d，年均日照时数1 624.8 h，年均降雨量为991.90 mm，多集中在5—9 月。土壤类型主要为花岗岩母质出露发育的石英砂，土质疏松且保水保肥性较差，土壤侵蚀较为严重［17］。海拔500 m 以上主要以马尾松（Pinus massoniana）次生林和松栎混交林为主，间有灌木林、荒草地；500 m 以下多以经济作物为主，包括茶叶（Camellia sinensis）、板栗（Castanea mollissi⁃ma）、柑橘（Citrus reticulata），少量耕地零星种植花生（Arachis hypogaea）、玉米（Zea mays）、番薯（Ipo⁃moea batatas）等，居民多居住于此区域，人为活动最为活跃［13］。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 为了研究经营管理对柑橘园土壤养分质量、水土流失和面源污染等过程的影响，2018年初在秭归县茅坪镇兰陵溪小流域附近选择立地条件（坡度10°～15°）、土壤类型（石英砂性土）、种植品种（脐橙）、株行距（3.5 m×4.5 m）基本一致的柑橘园作为研究对象，一类采用水肥一体化管理的柑橘园，且连续多年实施全园生草覆盖，一类采用常规管理的柑橘园，以传统的清耕休闲制度管理，并结合施肥类型、植物篱、生草覆盖等措施设置试验小区。本试验共设置8 个径流小区，面积为水平投影5 m×10 m（宽×长），具体试验设置见表1。

1.2.2 样品采集与分析 由于径流小区内植物配置措施时间相对较短，对土壤养分含量短期内影响不显著，故本研究并未考虑植物措施的影响，而是主要考虑施肥管理的影响。因此，在每个径流区的上、中、下部且距离柑橘基部1.5 m 以上，避开施肥区域设置采样点。分别于2019 年4 月中旬和7 月中旬在每个采样点按0～10 cm 和10～30 cm 土层分次采集土样，相同土层土样混合为1 份，装入自封袋带回实验室，土样充分混匀、自然风干、过筛后用于土壤养分分析。

土壤pH 采用酸度计测定；有机质（SOM）采用重铬酸钾外加热法测定；全氮（TN）采用半微量开氏法测定；全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；全钾（TK）采用NaOH 熔融-火焰光度法测定；碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定；有效磷（AP）采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）采用乙酸铵-原子吸收法测定。

1.2.3 养分分级指标 柑橘园内土壤pH、有机质及速效养分分级指标参考鲁剑巍等［18］对湖北省柑橘园土壤养分分级的研究结果。其中，pH 分级标准：pH＜4.8 为偏酸性，不适宜于柑橘生长；pH 4.8～5.4 为酸性范围内适宜于柑橘生长；pH 5.5～6.5，最适宜柑橘生长；pH 6.6～8.5 为中、碱范围内适宜于柑橘生长；pH＞8.5 为偏碱性，不适宜于柑橘生长。有机质（SOM）分级标准：SOM＜5 g/kg 为极低；5～10 g/kg 为低；10～15 g/kg 为偏低；15～30 g/kg 为适宜；＞30 g/kg为丰富。速效养分分级标准见表2。

表2 湖北省柑橘园土壤速效养分分级指标（单位：mg/kg）

1.3 数据处理与分析

采用Office 13.0 软件和SPSS 19.0 软件进行数据整理和作图，不同施肥管理类型相同月份相同土层养分差异性采用单因素方差分析（One-way ANO⁃VA），且进行LSD多重比较，以检验数据之间的差异显著性（P=0.05）。利用Pearson 分析法检验不同养分指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥管理对柑橘园土壤pH 的影响

如图1 所示，不同施肥管理柑橘园30 cm 深土壤平均 pH 在 4 月和 7 月分别为 4.80 和 5.73，依据湖北省柑橘园pH 分级等级，该区域土壤酸碱度属于适宜柑橘生长。比较不同月份各施肥管理柑橘园间，除7 月 10～30 cm 土层 pH 不存在显著差异外，水肥一体化施肥管理0～10 cm 和10～30 cm 土层均显著低于常规施肥和混合施肥，而常规施肥与混合施肥间7 月0～10 cm 土层土壤pH 则无显著差异。同时，不同月份相同土层pH 均为7 月明显高于4 月。

图1 不同施肥管理下柑橘园各时间段不同土层pH 的变化

2.2 不同施肥管理对柑橘园土壤有机质含量的影响

由图 2 可知，在 0～10 cm 土层，土壤有机质含量在不同施肥管理措施间存在显著差异，4 月和7 月水肥一体化施肥分别比常规施肥和混合施肥提高了106.05%、66.72%和177.43%、195.81%，而10～30 cm土层则三者间无显著差异。随着生长季节的发展，各土层土壤有机质含量均为4 月高于7 月，可能与后期逐渐进入雨季，降雨冲刷和土壤侵蚀导致土壤有机质下降有关。同时，各施肥管理柑橘园0～10 cm土层土壤有机质含量均高于10～30 cm 土层，呈明显的表聚性。依照湖北省柑橘园土壤有机质分级等级“1.2.3”的标准，在0～10 cm 土层，水肥一体化施肥柑橘园的土壤有机质含量均＞30 g/kg，属丰富等级，而常规施肥和混合施肥则属适宜等级；在10～30 cm 土层，仅水肥一体化施肥柑橘园达到适宜水平，其余施肥管理柑橘园则均低于15 g/kg，属偏低等级。

图2 不同施肥管理下柑橘园各时间段不同土层有机质含量的变化

2.3 不同施肥管理对柑橘园土壤全量养分含量的影响

由图3A 可知，不同施肥管理类型柑橘园间，各土层全氮含量在4 月和7 月均表现为水肥一体化施肥＞混合施肥＞常规施肥，且仅在0～10 cm 土层时，水肥一体化施肥显著高于混合施肥和常规施肥，且在4 月和7 月水肥一体化施肥分别较后两者提高了117.79%、86.19%和151.06%、138.38%，而10～30 cm层各施肥管理柑橘园的全氮含量则无显著性差异，但混合施肥明显比常规施肥土壤全氮含量高。不同施肥管理类型柑橘园间各土层全磷含量变化趋势与全氮一致（图3B），且仅在0～10 cm 土层存在显著差异。相比4 月，7 月各施肥管理柑橘园各土层全磷含量均呈明显下降趋势，其中，0～10 cm 土层的全磷含量降低了32.76%～43.99%，而10～30 cm 土层全磷含量则降低了44.99%～55.31%。各施肥管理类型柑橘园间土壤全钾含量在不同土层和不同月份间均无显著差异，说明差异性的人为施肥措施对土壤钾元素的影响不显著，但7 月柑橘园各土层全钾含量相比4月均有一定程度的下降（图3C）。

2.4 不同施肥管理对柑橘园土壤速效养分含量的影响

图3 不同施肥管理下柑橘园各时间段不同土层全氮、全磷和全钾的变化

由图4A 可知，不同施肥管理柑橘园间土壤碱解氮含量仅在0～10 cm 土层存在显著差异，且不同月份变化趋势不同，在4 月表现为水肥一体化施肥＞常规施肥＞混合施肥，7 月表现为水肥一体化施肥＞混合施肥＞常规施肥，水肥一体化施肥在4 月和7 月分别较常规施肥和混合施肥增加了84.13%、126.73%和92.12%、46.36%，而在 10～30 cm 土层不同施肥管理柑橘园间未见显著差异。依据湖北省柑橘园土壤碱解氮含量分级等级（表2），仅水肥一体化施肥可保证柑橘园土壤碱解氮含量达到适量水平，而混合施肥和常规施肥均处于缺乏水平。速效磷含量在各施肥管理柑橘园除7 月10～30 cm 土层无显著差异外，4 月所有土层以及7 月0～10 cm 土层速效磷含量均具有显著差异，且仅为水肥一体化施肥与其他施肥类型柑橘园有差异，除4 月0～10 cm 土层外，速效磷含量整体表现为水肥一体化施肥＞混合施肥＞常规施肥（图4B）。依据湖北省柑橘园土壤速效磷含量分级等级（表2），水肥一体化施肥柑橘园土壤速效磷含量在 4 月和 7 月处于 127.43～180.33 mg/kg，属于高量水平，而常规施肥和混合施肥土壤速效磷含量＜80 mg/kg，属适宜水平。如图 4C 所示，4 月各施肥管理柑橘园不同土层间速效钾含量均无显著差异，而7 月0～10 cm 土层速效钾含量为水肥一体化施肥较常规施肥显著高351.73%，而混合施肥与其他两种施肥方式之间差异不显著，10～30 cm 土层内水肥一体化则分别较常规施肥和混合施肥高457.89%和391.69%。依据湖北省柑橘园土壤速效钾含量分级等级（表2），除7 月水肥一体化施肥促使土壤速效钾含量上升为高量水平以及增添水溶性肥料促使速效钾含量呈适量水平外，该区域常规施肥的柑橘园土壤速效钾处于缺乏状态。此外，各施肥管理柑橘园碱解氮、速效磷和速效钾含量均表现为7 月高于4月，呈上升趋势。

图4 不同施肥管理下柑橘园各时间段不同土层碱解氮、速效磷和速效钾的变化

2.5 相关性分析

分析土壤各化学性质之间的相关性，可以推断不同养分指标之间的相互影响关系。如表3 所示，pH 与土壤有机质、全磷、全钾呈极显著负相关；土壤有机质与全氮、全磷、碱解氮、速效磷呈极显著正相关；全氮与碱解氮、速效磷、速效钾呈极显著正相关；全磷与全钾呈显著正相关，与速效钾呈极显著正相关；碱解氮、速效磷、速效钾三者间均呈极显著正相关。

3 小结与讨论

一般而言，经济林土壤养分大小受成土母质、施用肥料、种植结构、灌溉方式以及降雨量等因素的综合影响［19］，但施肥方式、种类、用量、时间等均是影响肥料在土壤迁移转化和分布的主要驱动因素［9］。已有研究表明，土壤酸碱度是影响土壤肥力和生产力的限制因子之一，与土壤有效养分关系密切［20］，施肥模式的不同是造成土壤酸化的主要原因［3］。本研究中柑橘园土壤整体偏酸性，且7 月较4 月酸性变弱，这一方面是因为三峡库区属于中国主要酸雨沉降区，另一方面随着降雨季节的到来，降雨会造成土壤酸性物质的冲刷流失和淋溶，进而导致土壤pH 升高。但水肥一体化施肥柑橘园在30 cm 深土层pH均显著低于常规施肥和混合施肥，这可能与该管理类型柑橘园土壤有机质含量明显偏高有关，有机质分解往往会促使土壤酸性增加［21］，本研究中土壤pH与有机质呈极显著负相关也证实了此结论。

表3 土壤化学性质相关性分析结果

土壤有机质是土壤肥力的核心，不但以有机物形式储存矿质元素，而且还以离子吸附方式保持一部分速效养分，其含量高低在某种程度上代表着土壤的肥力水平［22］。在本研究中，柑橘园土壤有机质与氮、磷元素全量和速效养分指标均存在极显著相关，证实了土壤有机质对柑橘园土壤养分维持的重要性。水肥一体化施肥柑橘园在4 月和7 月土壤有机质含量分别比常规施肥和混合施肥提高了106.05%、66.72%和177.43%、195.81%，并达到了中国土壤有机质分类等级标准的丰富等级。这主要由于其每年施饼肥和有机肥达3 750 kg/hm2，是常规施肥管理柑橘园的3.5 倍以上，同时连续多年全园种植豆科植物光叶苕子（Vicia villosa），绿肥根系的穿插作用以及绿肥干枯腐解后向土壤中提供大量有机质及养分［6］。同时相较 4 月，7 月柑橘园土壤有机质存在明显降低，可能与后期逐渐进入雨季，降雨冲刷和土壤侵蚀导致部分土壤有机质流失有关。已有研究发现，湖北省柑橘园有机质含量整体偏低，三峡库区中仅有36.73%的柑橘园有机质含量高于15 g/kg，达到适宜水平［18］，而本研究中常规施肥柑橘园虽然施用有机肥在一定程度提高了有机质含量，但仍显不足，因此需要通过增施有机肥、种植绿肥或秸秆堆还田覆盖的土壤培肥等方式来提升柑橘园土壤有机质水平［5，8］。

土壤中N、P、K 元素是植物生长发育的大量必需元素，其中，全量养分在一定程度上表征土壤养分肥力的供应潜力，而有效养分可表征一定时间内土壤中可供植物吸收利用养分元素的水平［23］。本研究中，水肥一体化施肥柑橘园施用量折纯氮含量为175.74 kg/hm2，远低于常规施肥柑橘园的778.98 kg/hm2、混合施肥柑橘园的691.12 kg/hm2，但水肥一体化柑橘园土壤表层0～10 cm 全氮含量在4 月和7 月较混合施肥和常规施肥平均显著提高了112.28%和134.43%，可见水肥一体化施肥管理不仅大幅减少了氮肥施用量，且具有较高的氮养分供应能力。究其原因可能是，一方面水肥一体化柑橘园土壤有机质较为丰富且所套种的豆科植物绿肥的固氮作用有利于氮肥的持续供应［5］，本研究中有机质含量与全氮呈极显著正相关支持此观点。同时，采用少量多次施用水溶性肥能减少因施肥开沟等对土壤结构带来破坏，减少水土流失，提高了肥料利用率，有利于土壤氮元素的留存和转化；另一方面，常规施肥柑橘园施用大量氮肥而土壤全氮含量不高，可能与氮肥流失率较高有关，王甜等［9］研究了柑橘园常规施肥量对土壤淋溶和残留模拟的试验，表明不同施肥量条件下单次32.3 mm 降雨导致土壤中全氮淋失量和残留量分别为 11.35～30.11 kg/hm2和 0.30～1.86 kg/hm2也证实了以上现象。同时，仅水肥一体化柑橘园土壤碱解氮含量达到适量水平，而混合施肥和常规施肥均处于缺乏水平，说明在生长季常规施肥柑橘园土壤氮元素速效成分仍是缺乏的，过量施用氮肥并不能保证土壤氮有效成分维持稳定。

在本研究中，3 种施肥管理柑橘园折纯施磷量分别为 55.26、88.29、29.28 kg/hm2，但不同施肥管理类型柑橘园间各土层全磷含量均表现为水肥一体化施肥＞混合施肥＞常规施肥，且随着生长季呈下降趋势。一方面，可能与亚热带酸性土壤中磷元素极易与活性铁、铝与磷酸形成难溶性的磷酸铁或磷酸铝沉淀而被固定，降低土壤中磷的有效性和供磷能力有关［20］；另一方面，土壤全磷含量与土壤有机质呈显著正相关，说明土壤有机质含量的高低会显著影响土壤的供磷潜力。同时土壤总磷输出主要依靠侵蚀泥沙携带而流失［7］，这也解释了7 月土壤全磷明显降低的原因。此外，水肥一体化施肥柑橘园土壤速效磷含量在127.43～180.33 mg/kg，属于高量水平，而常规施肥和混合施肥土壤速效磷含量＜80 mg/kg，属适宜水平，说明虽然施肥均能够补充土壤有效磷含量，但水肥一体化柑橘园由于高有机质含量和连续生草覆盖能持久而明显地减少磷元素的流失［6］。一般而言，土壤钾元素主要受土壤母质、动植物残体以及人为施肥种类和数量的影响［24］。本研究中，不同施肥管理柑橘园土壤钾肥折纯量在72.21～126.0 kg/hm2，但三者间土壤全钾含量在4 月和7 月均无显著差异，说明此区域柑橘园土壤钾存量主要受土壤母质的影响，但各土层均随时间发展呈降低趋势，可能与钾元素在土壤中易溶于水分而移动有关［2］。然而，水肥一体化施肥显著高于常规施肥和混合施肥，且常规施肥中阶段性增加水溶性肥也可以保持土壤速效钾含量呈上升趋势，说明少量多次施肥可提升土壤养分肥力有效性。

综上可知，随着生长季的发展，该区域柑橘园土壤养分中土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量呈降低趋势，而碱解氮、速效磷、速效钾含量则呈上升趋势，这主要与水土流失、化肥施用过高、有机肥施用偏少等有关［8］，特别是土壤有机质含量不高严重限制了土壤有效养分的维持［21，25］。水肥一体化管理技术可根据作物不同生理阶段的水肥需求和土壤供给缺口，可适时、准确地将水肥供给作物吸收利用，具有水肥利用率高、增产增效和减轻环境污染等特点，成为三峡库区生态柑橘种植业的有效技术途径［11］。因此，未来该区域柑橘园建议广泛实施水肥一体化管理，合理配施有机和无机肥料，减少化肥的投入量，加大有机肥和平衡性水溶性肥的投入以提高土壤有机和无机养分库，并采用少量多次增加施肥次数以保持充足的有效养分。同时，加强建设生草覆盖、植物篱等水土保持措施以减少养分地表流失和地下淋溶［26］，增加养分在土壤的滞留时间，以降低面源污染发生的风险。