井式节水灌溉下苹果园土壤水分和养分空间分布特征研究

2023-06-02魏刚刚杨建军吴亚楠程辉玲

节水灌溉 2023年5期

魏刚刚，杨建军，程平，吴亚楠，程辉玲

（1.新疆大学生态与环境学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.新疆林业科学院，乌鲁木齐 830018）

0 引言

近年来，新疆特色林果业快速发展，其中苹果种植业目前已成为新疆特色林果业的支柱产业之一，种植面积占林果业总面积18.91%[1]。新疆林果业生产特征是灌溉林果业，由于水资源短缺[2]、灌溉用水定额低[3]，以及长期以来灌溉方式以大水漫灌为主，灌溉水利用系数低[4]等原因，造成新疆林果业的发展严重受制于水资源，影响了林果业的健康发展。因此，节水灌溉技术的推广与应用迫在眉睫。常规的地面滴灌容易造成根系分布深度不足，水分难以到达果树深层根系，无法满足中大型果树需水要求[5,6]，其在棉花和小麦等浅层根系植物中比较适用[7,8]；涌泉灌溉易形成地表径流导致地面蒸发量大[9]；地下渗灌灌溉方式又存在操作繁琐和渗灌管堵塞的难题[10]，导致中大径级果树缺乏一种有效的节水灌溉方法。因此，研发适用于中大径级果树的灌溉方式，对于新疆林果业的健康发展具有重要的实践意义。

为解决中大径级果树合理的灌溉方式，李宏等发明了“林木井式节水灌溉方法”[11]（以下简称“井式灌溉”），即由常规滴灌系统和带孔竖井管组成，可以直接将水分通过竖井管输送至林木地下根系分布区，较滴灌增加了水分下渗深度，较涌泉灌溉减少了不必要的地面蒸发和地下深层渗漏，而带孔竖井管的孔隙较大（直径2.5 mm）不易造成竖井管堵塞，从而使得水资源得到高效利用[10]。水分和养分是果树生长最基础的条件，是人为调控频繁、影响最大的生长环境因子[12,13]。土壤水分分布的研究多在滴灌方式下开展，且集中在灌水量和滴头流量[14-17]等方面。滴灌方式下，土壤水分以滴头为中心向四周扩散，但水分主要分布在浅层地表，随着灌水量和滴头流量的增加，水分分布范围也随之增大。土壤养分的研究集中在节水灌溉方式下施肥方式和养分分布等方面[18-23]，研究发现土壤养分受其他物质物理和化学作用影响移动距离十分有限，导致养分主要分布在浅层地表，深层根系难以吸收利用，成为果树生长的限制因素。目前井式灌溉前期的研究多集中在苹果的光合作用及茎流方面[24,25]，发现井式灌溉方式在节水节肥的前提下能满足果树的正常生长需求，但井式灌溉方式下土壤水分和土壤养分的空间分布研究鲜有报道。

阿克苏地区是新疆苹果的优势产区，2019年，阿克苏苹果种植面积25 129 hm2，占全疆的42.11%，总产量68.88 万t，占全疆的67.78%[26]，其苹果种植技术在新疆最具代表性。阿克苏地区开展井式灌溉方式下土壤水分和养分分布规律研究，对于井式灌溉技术在新疆果树种植中的推广具有重大的实践意义。为此，本文以新疆阿克苏地区矮化密植苹果园为研究对象，研究井式灌溉方式下水分和养分在土壤中的分布特征，以期为井式灌溉技术在果树种植中的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地位于阿克苏地区温宿县五团十三连（地理坐标80°45′35″E，41°20′12″N）（见图1），是塔里木盆地北缘典型的荒漠绿洲灌溉农业区，属于典型温带大陆性气候，降雨稀少、气候干燥；光热资源丰富、昼夜温差大。年平均降水量小于75 mm，年均气温10.10 ℃，极端低温-27.4 ℃，年均日照时数2 747.7 h，年积温（≥10 ℃）2 916.8～3 198.6 ℃，无霜期185 d。试验地最大田间持水量19.6%，果园0～120 cm 土壤理化性质如表1所示。

表1 苹果园0～120 cm土壤理化性质Tab.1 Physicochemical properties of apple orchard 0～120 cm soil

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 试验设计

1.2.1 试验布设

试验材料为矮化密植栽培模式下8 a 生“红色之爱”（红肉苹果），砧木为平邑甜茶。试验地面积0.33 hm2，株行距1.5 m×4.0 m，东西向栽种，树形为纺锤形，平均地径12 cm，平均树高3.5 m，平均冠幅2.2 m（东西向）×2.7 m（南北向），一致性较高。试验地采用漫灌与井式灌溉相结合的灌溉方式，在冬季或春季采用漫灌，其生长季采用井式灌溉。井式灌溉方式为：在树行方向，2 株苹果树中间位置安装1 个内径12 cm、高50 cm 的带孔竖直井管（管壁密布直径2.5 mm 的出水孔，密度为2 孔/cm2），竖井管与树干距离均为75 cm，通过引流管连接地面滴灌系统的ϕ20 mm PE 管，将灌溉水引入竖井管内，进行灌溉（见图2）。通过施肥罐（250 L）连接灌溉系统进行施肥，施肥过程为先滴2 h 清水，使竖井管内有水溢出，后施肥。

图2 井式节水灌溉布局Fig.2 Layout of well-type water-saving irrigation

1.2.2 试验设计

根据井式灌溉土壤湿润区分布特征[10]，查阅苹果根系文献[27]以及实测果树根系分布位置，确定苹果树根系主要分布区在水平方向0～80 cm，垂直方向0～60 cm。试验设置3 个灌水梯度：低水W1[每次灌水历时6 h，灌水量99 m3/（hm2·次），湿润区可覆盖根系分布面积80%]，中水W2[每次灌水历时9 h，灌水量148.5 m3/（hm2·次），湿润区可覆盖根系分布面积100%]，高水W3[每次灌水历时12 h，灌水量198 m3/（hm2·次），湿润区可覆盖根系分布面积120%]；结合当地实际施肥经验设置高肥F3[225 kg/（hm2·次）]、中肥F2[150 kg（hm2·次）]、低肥F1[75 kg（hm2·次）]3 个施肥梯度。即设计相同的施肥量（F3）下，不同的灌水量（W3、W2、W1）；相同的灌水量（W3）下，不同的施肥量（F3、F2、F1），并设置井式灌溉不施肥对照（CK），CK 灌水量与W3相同，共计6 个处理。每个处理设置一个小区，每个小区28 株树。肥料选择武汉美瑞农业科技有限公司提供的水溶性硫酸钾（规格为25 kg/袋，主要成分为K2O≥52%、S≥18%）和高磷型大量元素水溶肥（规格为25 kg/袋，N-P-K=15-35-10）。肥随水施入，3-9月每月灌水施肥一次，滴头流量一致，灌溉过程中存在地表径流。

1.2.3 样品采集及测定

在最后一次灌水施肥1 d 后（2021年9月8日）取土，测定土壤养分含量。在7月29日灌水前后取土，测定灌水前后土壤水分变化。取样位置以竖井管为中心，距竖井管水平距离（r）20、40、60、80 cm，距地表纵向深度（d）20、40、60、80、100、120 cm 处取土。利用直径40 mm 土钻进行分层取土，每个处理选取3株树分别进行取土，将所取土样装入密封袋打包标记带回。

将所取待测水分土样带回后立即称重，利用烘干法在105 ℃下烘干至恒重，测定质量含水量；待测养分土样在室内进行自然阴干，最后进行统一处理，经研磨过筛（1 mm）后待测速效磷、速效钾。于2021年11月24日开始在新疆林业科学院新疆林木资源与利用国家林草局重点实验室进行相关数据测定，速效磷利用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼(蓝)锑抗比色法，土壤速效钾用1 mol/L 乙酸铵溶液浸提-原子分析仪测定[28]。

1.3 数据处理与分析

利用Excel 2016 进行数据进行整理分析，利用SPSS Statistics 23 分析了不同处理不同土层养分含量差异显著性，利用Origin Pro 2021和Surfer 15进行分析与作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉量对水分分布的影响

将灌水后土壤含水量（W）减灌水前土壤含水量（W0），得出土壤水分相对增加值（ΔW），若ΔW>0，则表示灌溉水到达，否则表示灌溉水未到达。灌水量低水（W1）、中水（W2）、高水（W3）时，不同方向上各土层土壤水分变化情况如图3所示。

图3 不同灌水量下土壤水分变化Fig.3 Soil moisture changes under different irrigation levels

由图3 可知，随着灌水量的减少土壤水分变化也相应降低。水平方向上随着距离的增加土壤水分变化总体上不断减小，垂直方向上随着深度增加总体上也在不断减小，在120 cm 处水分基本无法到达，土壤水分主要在0～60 cm 变化，随着灌溉量的增加水分运移距离不断增大。在水平方向上，距离竖井管越近，总体上土壤水分变化越大。W2和W3处理土壤水分变化规律差异较小，主要以水平移动为主，水分能够到达试验设计最远80 cm，随着水平距离的增加而不断减少，但在W1处理下，水分变化主要发生在0～40 cm，在水平距离80 cm 处，水分变化与W2和W3处理相比差异较大，仅有少量水分到达此处。在垂直方向上，随着深度的增加，土壤水分变化总体上不断减小。W2和W3处理土壤水分变化主要发生在地表0～60 cm，在水平距离0～40 cm W1处理水分下渗较深，最深可达100 cm，而在离竖井管较远的80 cm 处，随着深度的增加ΔW为负数，该区域土壤水分基本无增加或水分未能到达此区域，说明灌溉量对水分运移距离有直接影响。井式灌溉方式下，土壤水分变化随着灌溉量的增加而增加，即W3>W2>W1，灌溉量对水分运移距离具有直接影响。空间分布上，灌溉量越大，水分运移距离越远，水平方向可运移至80 cm，垂直方向上水分在0～60 cm 土层变化较为明显。

2.2 灌溉量对养分分布的影响

2.2.1 灌溉量对速效磷空间分布的影响

当施肥量为高肥（F3），灌溉量为W3、W2、W1时，速效磷在各土层分布如图4 所示。由图4 可知，速效磷主要聚集在土壤表层，随着深度的增加不断减小，水平方向上可运移至80 cm，垂直运移距离可达50～60 cm，速效磷最大值均出现在水平60 cm 处。水平方向上，在r为20 cm 时，F3W1速效磷含量高于F3W2、F3W3，F3W1最大值较F3W2和F3W3分别高24.6%和156%，但随着随着水平距离的增加，F3W1速效磷含量与其他处理相比较小，r为60～80 cm 时，F3W2和F3W3处理速效磷含量分别为181 和170 mg/kg，分别较F3W1高84.9%和74.6%，这与土壤水分分布规律相似。CK 处理速效磷含量随着水平距离的增加变化不明显，通过灌水使养分均匀地分布在各个土层。在垂直方向上，随着土层深度的增加，速效磷受到物理和化学作用影响被固定，主要聚集在上层土壤中，与其他处理相比，F3W2养分分布范围最广，CK 随着深度的增加而均匀减少。在3个灌溉量下，对各土层速效磷含量进行平均比较得出，F3W2速效磷含量为30.79 mg/kg，F3W3为21.86 mg/kg，F3W1为18.75 mg/kg，CK 为11.44 mg/kg，F3W2分别较F3W3、F3W1、CK 速效磷含量高41%、64%、169%。以速效磷含量为20 mg/kg 为例进行比较发现，垂直方向上F3W2运移范围最大，F3W3和F3W1可运移距离差别较小。当施肥量相同，灌溉量不同时，速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～40 cm，在F3W2处理下速效磷含量最大，水平和垂直运移距离最远。

图4 不同水肥下速效磷空间分布Fig.4 Spatial distribution of fast-acting phosphorus under different water fertilization

2.2.2 灌溉量对速效钾空间分布的影响

当施肥量为高肥（F3），灌溉量为W3、W2、W1时，各土层速效钾分布如图5所示。速效钾与速效磷分布规律相似，上层土壤含量较高，随着深度增加而不断减小，水平方向可运移至80 cm，垂直主要分布在0～40 cm 土层。在水平方向上，r为20 cm 时速效钾含量较小，随着水平距离的增加不断增大，至60～80 cm 时达到最大值，F3W1和F3W3在60 cm 处含量最大分别为358、279 mg/kg，F3W2和CK 在80 cm 处最大分别为351、169 mg/kg。在垂直方向上，在表层速效钾含量最大，随着土层深度增加不断减少，F3W2处理移动距离最深，CK 在多次灌溉的影响下，在各土层中分布比较均匀。通过对各土层速效钾含量进行平均比较得出，F3W2速效钾含量最大为150.08 mg/kg， F3W1为120.07 mg/kg， F3W3和CK 分别为105.98、108.02 mg/kg，F3W2较F3W1、F3W3和CK 分别高25%、42%和39%。以100 mg/kg 为例进行比较可发现，F3W3速效钾可运移至垂直50 cm，随着水平距离的增加，其运移深度不断减小，F3W2和F3W1速效钾在土层中运移深度较大，最深可到达120 cm，这主要是由于速效钾在土壤中以离子状态存在[16]。施肥量相同，灌溉量不同时，速效钾分布范围水平可达80 cm，垂直可达120 cm，F3W2处理速效钾含量最大，分布范围最广。

图5 不同水肥下速效钾空间分布Fig.5 Spatial distribution of fast-acting potassium under different water fertilization

2.3 施肥量对养分分布的影响

2.3.1 施肥量对速效磷空间分布的影响

当灌水量为高水（W3），施肥量为F1、F2、F3时，速效磷在土壤中的空间分布规律如图4所示。速效磷主要分布在土壤表层，随着土层深度增加不断减小，施肥量越大，速效磷含量越大，不施肥处理（CK）各土层速效磷含量最小。在水平方向上，r为20 cm 时，各处理速效磷含量最小，随着水平距离的增加而不断增大，至60～80 cm时达到最大，F3W3在60 cm处最大为171 mg/kg，F2W3、F1W3和CK 在80 cm 处最大分别为114、110、36 mg/kg，说明施肥量的增加有利于表层土壤速效磷的积累。在垂直方向上，速效磷主要分布在表层土壤中，随着深度的增加而快速减少。对各土层速效磷含量进行平均比较得出，F3W3速效磷含量为21.86 mg/kg 最大，F2W3和F1W3次之分别为19.53、18.50 mg/kg，CK为11.44 mg/kg最小，速效磷含量在3 个施肥量差别不大，CK 由于多次灌溉不施肥的原因，养分含量稀少，在土壤中分布均匀。以速效磷含量为50 mg/kg 为例进行比较发现，垂直方向上3 种施肥量运移距离差别不大，均能到达30 cm。灌溉量相同，施肥量不同时，速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～30 cm，在F3W3处理下速效磷含量最大。

2.3.2 施肥量对速效钾空间分布的影响

当灌水量为高水（W3），施肥量为F1、F2、F3时，速效钾在土壤中的空间分布规律如图5 所示。速效钾地表含量最大，随着深度的增加不断减小，F2运移距离最远，分布范围最广。在水平方向上，F2W3最大值出现在水平20 cm 处，F1W3、F3W3、CK 最大值在60～80 cm 处，F2W3处理各土层含量较高，CK 处理分布比较均匀。对各土层速效钾含量进行平均比较得出，F2W3速效磷含量为152.57 mg/kg 最大，F1W3和F3W3分别为112.71、105.98 mg/kg 次之，CK 为108.02 mg/kg，F2W3较F1W3、F3W3和CK分别高35%、44%和41%。以100 mg/kg为例进行比较可发现，F1W3和F3W3速效钾可运移至50 cm 深，F2W3和CK运移距离最远可到达70～80 cm深。灌溉量相同，施肥量不同时，速效钾分布范围水平可达80 cm，垂直可达80 cm，F2W3处理速效钾含量最大，分布范围最广。

2.4 苹果园0～120 cm 土层土壤养分含量丰缺状况评价

由于不同的灌水和施肥差异，导致果园土壤养分丰缺程度不同，根据全国第二次土壤普查分级标准[29]判断（见表2）。

表2 全国第二次土壤普查分级标准Tab.2 National second soil census grading standards

由表3可知，各处理上层土壤养分含量比较丰富，一般在地表0～20 cm 养分含量最大，随着深度的增加而不断减小，下层养分较为缺少，不施肥处理CK 养分含量明显小于施肥处理。其中F3W3、F3W2在0～80 cm 土层速效磷丰缺状况处于中等之上，磷肥供给充足；而其他处理磷肥充足区域较浅，在0～40 cm 处于中等水平，在40 cm 以下磷肥处于比较亏缺。在相同的灌水量下，F2W3、F1W3养分丰富区域较浅，而在施肥量相同时，仅F3W1养分分布区域浅，说明施肥量对于速效磷丰缺较灌水因素影响较大。速效钾养分丰缺状况与速效磷相似，上层土壤60 cm 以上养分含量较为充足，下层60 cm 以下处于亏缺状态。在相同的灌水量下，F2W3含量较高，在相同的施肥量下，F3W2含量较高。本研究发现，土壤养分主要分布在上层土壤中，通过对各处理不同土层养分比较得出，施肥量相同处理之间速效钾含量无显著性差异，灌溉量相同处理F3W3和F2W3速效钾含量具有显著性差异，CK与施肥处理之间具有显著性差异（P<0.05）。施肥量和灌溉量不同速效磷含量各处理之间无显著性差异（P<0.05）。F3W2养分较丰富，其他处理养分丰缺处于中等水平，可适当增加养分补给，更好地满足果树生长需求。

表3 不同土层土壤养分平均值mg/kg Tab.3 Mean values of soil nutrients in different soil layers

3 讨论

水分是影响土壤养分有效性的重要因素之一[30]，水分变化对苹果根系吸收和果树生长具有很大影响[31]。本研究发现，水分在地表变化较大，随着灌水量的增加，水分扩散距离也相应增加，这与葛新伟[32]在研究6种灌水梯度下水分变化规律一致；W1水分分布区域较其他处理小，仅能到达水平60 cm，在垂直方向上，W1在竖井管附近水分变化均大于W2、W3，说明灌溉量对水分扩散具有直接影响，这与丁运韬[33]研究的灌水下限对土壤水分分布结果相似。在垂直80 cm 以下，各处理水分基本无增加，这主要是由于该区域土壤粉砂含量较高导致土质疏松，储水性能较差造成[14]。与滴灌湿润区水平20～40 cm[34]相比，本研究通过竖井管进行灌溉的方式，土壤水分水平可运移至80 cm，土壤水分横向湿润面积较大，井式灌溉可有效增加水分在土壤中水平扩散运移距离。

土壤养分是影响苹果产量与品质提高的重要因素之一[35-37]，果园土壤养分状况与施肥和灌水管理措施有关[38]。前人研究发现，磷肥在土壤中易发生吸附固定和化学反应固定，移动距离十分有限，仅在水平方向0～20 cm，垂直方向0～30 cm 范围发生积累，且离滴灌点越远含量越低，具有明显的空间分布差异[21,34,39]。这与本研究结果有所差异，井式灌溉灌水施肥方式下速效磷主要分布在水平40～80 cm，垂直0～40 cm表层，水平扩散距离明显高于其他灌溉方式，在竖井管附近速效磷含量较小，随着水平距离的增加而不断增加，并在40～80 cm 处形成高值区域。井式灌溉方式下速效磷运移距离较远与灌溉方式有关[10]，充分灌水后竖井管附近水分处于饱和状态，水分向四周低饱和区扩散，肥随水动使速效磷移动较远，且本试验肥料为水溶肥，液体磷肥可减小磷肥在土壤中的固定[40]。同时，本研究发现灌溉量和施肥量的增加能有效增加速效磷高值区含量，在相同施肥量下，速效磷F3W2>F3W3>F3W1，在相同灌水量下，F3W3>F2W3>F1W3，这与王虎[41]研究结果一致。

钾肥对作物的高产、优质和抗逆性具有举足轻重的作用[42]，前人在滴灌施肥研究中发现，速效钾与速效磷在土壤中的运移规律比较相似[22]，主要富集在滴灌点区域，水平分布在0～40 cm，垂直0～40 cm[34]。在本研究井式灌溉施肥条件下，速效钾在竖井管附近含量较小，随着水平距离的增加在40～80 cm 处形成高值区域，水平移动可至80 cm，垂直可下渗至80 cm。钾肥属于强电解质，溶水后发生电离，钾离子土壤的吸附力较小，在离子浓度梯度作用下快速发生迁移[20]，因此垂直分布较深。本研究发现速效钾与速效磷相同，随着灌溉量和施肥量的增加而增加，在相同施肥量下，速效钾F3W2>F3W1，在相同灌水量下，F2W3>F1W3，这与前人[41]研究结果一致，但F3W3速效钾含量较其他处理小，是由于该处理灌溉量及施肥量最大，大量水分外溢形成地表径流，导致钾离子快速随水移动流失[18,31]。通过与滴灌方式对比发现，井式灌溉可有效增加土壤水分和土壤养分的运移扩散距离。