苗慶選,郭 滿,馬海林,李海云,任愛芝,張演義,井大煒,司東霞*
(1.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東 聊城 252059;2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014;3.德州學(xué)院資源環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 德州 253023)
土壤是一種形態(tài)和演化過程都十分復(fù)雜的自然綜合體,受母質(zhì)、氣候、生物、地形、成土?xí)r間等自然成土因素和人為活動(dòng)的影響,具有復(fù)雜性和時(shí)空變異性。不同成土條件的組合形成不同類型的土壤,進(jìn)而形成土壤類型的區(qū)域化分布[1-2]。土壤肥力是土壤的核心,是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中決定植物產(chǎn)量品質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。土壤肥力的高低與成土條件及包括施肥、灌溉等管理制度在內(nèi)的多種因素相關(guān)[3-4],不同區(qū)域或同一區(qū)域中不同地域的土壤肥力存在明顯差異[5-6]。
我國是核桃生產(chǎn)大國,栽培面積和總產(chǎn)量均居世界第一。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年我國核桃栽培面積49.98萬hm2,總產(chǎn)量(帶殼)192.54萬t,分別占世界核桃栽培總面積和總產(chǎn)量的44.6%和50.3%。與世界上其它核桃生產(chǎn)國家相比,我國核桃單產(chǎn)水平相對(duì)較低,2017年我國核桃單產(chǎn)3489 kg/hm2,略高于世界平均水平,僅為世界核桃單產(chǎn)最高國家(羅馬尼亞)的14.4%[7]。由于近幾年核桃價(jià)格不穩(wěn)定且總體偏低以及農(nóng)村勞動(dòng)力向城市大量轉(zhuǎn)移等原因,導(dǎo)致我國核桃園區(qū)管理粗放,土肥水管理不到位,土壤肥力不高,核桃產(chǎn)量低,質(zhì)量參差不齊,嚴(yán)重制約了核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[8-10]。因此,明確核桃林地肥水管理現(xiàn)狀及土壤肥力水平,對(duì)科學(xué)管理核桃林地土壤,提高核桃產(chǎn)量和品質(zhì),實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。
核桃林地的土壤肥力狀況及肥水管理策略作為決定核桃園區(qū)產(chǎn)量水平、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)的重要因子受到林果業(yè)土壤與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)者的廣泛關(guān)注[11-12]。如丁銳等[13]對(duì)四川省廣元市17個(gè)核桃園區(qū)土壤肥力狀況的研究結(jié)果表明,核桃林地土壤肥沃程度總體處于較低水平,不同土壤類型的土壤肥力水平存在一定差異。董建華等[14]報(bào)道,浙江省臨安區(qū)不同地質(zhì)背景下山核桃林地土壤肥力特性的差異除來自于林地土壤對(duì)母巖的繼承性外,也與林農(nóng)的施肥管理制度有關(guān)。我國核桃園區(qū)立地條件、氣候條件、土壤類型和管理方式差異很大,基于同一氣候帶不同生態(tài)區(qū)核桃林地的肥水管理狀況及土壤肥力特征的研究少見報(bào)道。
山東省是我國東部沿海核桃分布區(qū)的主要產(chǎn)區(qū)之一,地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。本研究采用問卷調(diào)查和土壤樣品分析檢測(cè)等方法,探討山東省不同生態(tài)區(qū)核桃林地水、肥管理狀況和土壤基本肥力特征,并采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅公式對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為山東省不同生態(tài)區(qū)核桃林地乃至全國核桃林地制定科學(xué)的肥水管理制度,為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
本研究選擇山東省核桃主要栽培區(qū)域,按其所處的地形地貌劃分為山地、山前平原和平原3個(gè)生態(tài)區(qū)。其中,山地與山前平原區(qū)均位于山東省濟(jì)南市章丘區(qū)南部(36°20′~36°25′ N,117°10′~117°35′ E),年均氣溫12.8 ℃,年降水量601 mm,日照時(shí)數(shù)2648 h,無霜期為192 d。平原區(qū)位于山東省西部聊城市(35°47′~37°02′ N,115°16′~116°32′ E),地處黃河沖積平原,年均氣溫13.1 ℃,年降水量578 mm,日照時(shí)數(shù)為2567 h,無霜期為193~201 d。
2018年4~5月,分別在各生態(tài)區(qū)選擇建園時(shí)間7~8年的代表性核桃生產(chǎn)園以問卷形式進(jìn)行肥水管理狀況調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括灌水次數(shù)、灌水時(shí)間和施肥時(shí)期、肥料類型、施肥量、施肥方法等。在每個(gè)核桃生產(chǎn)園,根據(jù)園區(qū)面積大小,按照“S”型方式布點(diǎn),選擇 8~15棵具有代表性的核桃樹,在核桃樹冠滴水線處,用土鉆分別采集0~20和20~40 cm層次的土壤混合樣品。本研究共采集0~20和20~40 cm層次的土壤樣品各412樣次,根據(jù)核桃生產(chǎn)園及其所處的生態(tài)區(qū),分別形成山地、山前平原和平原區(qū)0~20和20~40 cm層次的混合土樣各15、22和10個(gè)。土壤樣品采集后,去除石礫、草根等雜物,常溫自然風(fēng)干,磨細(xì),分別過1和0.25 mm 篩,裝袋備用。
土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定均按文獻(xiàn)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15]中的方法進(jìn)行。土壤全氮含量采用半微量凱氏法測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定,土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定,土壤EC值和pH分別利用電導(dǎo)率儀和酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。
根據(jù)各土壤肥力指標(biāo)對(duì)核桃生長(zhǎng)的影響程度,本研究選擇土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀5個(gè)指標(biāo),并參考全國第二次土壤普查的結(jié)果和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅公式計(jì)算土壤綜合肥力系數(shù)[16-17]。
(1)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化
上述各肥力指標(biāo)不可加和,為統(tǒng)一量綱,消除各指標(biāo)間量綱的差異,按第二次土壤普查各養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1),采用下列方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:
當(dāng)屬性值屬于差一級(jí)時(shí),即x≤xa,IFIf=x/xa,IFIf≤1;
當(dāng)屬性值屬于中等一級(jí)時(shí),即xa<x≤xc,IFIf=1+(x-xa)/(xc-xa),1 <IFIf≤2;
當(dāng)屬性值屬于較好一級(jí)時(shí),即xc<x≤xp,IFIf=2+(x-xc)/(xp-xc),2 <IFIf≤3;
當(dāng)屬性值屬于好一級(jí)時(shí),即x > xp,IFIf=3。
式中,IFIf為分肥力系數(shù),x為該肥力指標(biāo)的測(cè)定值,xa、xc、xp分別為各肥力指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。
表1 土壤各養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
(2)綜合肥力系數(shù)的計(jì)算和分級(jí)
綜合肥力系數(shù)采用修改后的內(nèi)梅羅公式進(jìn)行計(jì)算:
式中,IFI為綜合肥力系數(shù),IFIf為土壤各肥力指標(biāo)的分肥力系數(shù)的平均值;IFIfmin為土壤各肥力指標(biāo)的分肥力系數(shù)的最小值,n為參與評(píng)價(jià)的土壤肥力指標(biāo)的個(gè)數(shù)。
根據(jù)求得的土壤綜合肥力系數(shù),將土壤肥力分為很肥沃、肥沃、一般、貧瘠4個(gè)等級(jí)(表2)。
表2 土壤肥力等級(jí)劃分
試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進(jìn)行處理,用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析和多重比較。
不同生態(tài)區(qū)核桃林地灌水與施肥管理狀況的調(diào)查結(jié)果見圖1。由不同生態(tài)區(qū)農(nóng)戶灌水狀況分析,山地核桃林地灌水農(nóng)戶占比最低,為16.7%,其次為山前平原,為25.6%,平原區(qū)灌水農(nóng)戶占比最大,達(dá)80.0%,這與不同生態(tài)區(qū)的地形狀況和灌溉條件的差異有關(guān)。核桃栽培管理中肥料的投入包括有機(jī)肥料和化學(xué)肥料兩種類型,對(duì)不同生態(tài)區(qū)核桃林地施肥農(nóng)戶的調(diào)查結(jié)果表明,山地核桃種植農(nóng)戶僅施用化學(xué)肥料,施用化學(xué)肥料的農(nóng)戶占比為29.2%;山前平原區(qū)施用有機(jī)肥料的農(nóng)戶占比略低于化學(xué)肥料,分別為56.0%和67.0%;平原區(qū)肥料投入以化學(xué)肥料為主,施用化學(xué)肥料的農(nóng)戶占比為80.0%,是施用有機(jī)肥料農(nóng)戶的4.0倍。由此可見,在不同生態(tài)區(qū)核桃施肥管理中,施用有機(jī)肥料的農(nóng)戶山前平原最多,平原區(qū)次之;施用化學(xué)肥料的農(nóng)戶平原區(qū)最多,山前平原次之,山地最少。
不同生態(tài)區(qū)核桃林地養(yǎng)分投入量及養(yǎng)分來源存在明顯差異(表3),養(yǎng)分投入總量(N、P2O5和K2O之和)平原區(qū)最高,達(dá)1603 g/株,山前平原次之,山地最小,平原區(qū)養(yǎng)分投入總量分別為山前平原、山地的1.2和10.1倍。平原區(qū)養(yǎng)分投入以氮為主,磷、鉀較少,氮、磷、鉀養(yǎng)分投入比例(N∶P2O5∶K2O)1.0∶0.5∶0.5;山前平原和山地養(yǎng)分投入磷素最多,其次為氮,鉀最少,養(yǎng)分投入比例分別為1.0∶1.1∶0.5和1.0∶1.7∶0.2。山地核桃林地投入的養(yǎng)分全部來自無機(jī)養(yǎng)分;山前平原和平原區(qū)投入的總養(yǎng)分中,分別有39.5%和52.9%來自有機(jī)養(yǎng)分(有機(jī)養(yǎng)分N、P2O5和K2O之和占養(yǎng)分投入總量的百分?jǐn)?shù)),其中,山前平原來自有機(jī)肥料的氮、磷、鉀分別為51.8%、26.3%和45.7%,平原區(qū)分別為43.9%、60.5%和64.7%。同一生態(tài)區(qū)核桃林地養(yǎng)分投入農(nóng)戶間變異大,山地、山前平原和平原區(qū)N、P2O5和K2O總養(yǎng)分投入量的變異系數(shù)均超過100%,以山地核桃P2O5投入量的變幅最大,變異系數(shù)高達(dá)436%。
表3 不同生態(tài)區(qū)核桃林地養(yǎng)分投入狀況 (g/株)
不同生態(tài)區(qū)核桃林地土壤的各基本理化性質(zhì)存在較大差異(表4)。從表中數(shù)據(jù)可以看出,不同生態(tài)區(qū)0~20、20~40 cm土層除土壤全氮含量(山前平原數(shù)據(jù)缺失)差異未達(dá)顯著水平外,其余各理化指標(biāo)不同生態(tài)區(qū)之間均存在顯著性差異。不同生態(tài)區(qū)0~20、20~40 cm土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量變化趨勢(shì)相同,山前平原顯著高于山地和平原區(qū),其中,0~20 cm土壤堿解氮平原區(qū)高于山地,20~40 cm土壤堿解氮和兩土層土壤有機(jī)質(zhì)含量平原區(qū)與山地差異不顯著;兩土層土壤有效磷含量平原區(qū)最高,山前平原與山地未產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;0~20、20~40 cm土壤速效鉀、EC和pH均以山地最低,平原區(qū)與山前平原較高,且后二者無顯著性差異。同一生態(tài)區(qū)內(nèi),除3個(gè)生態(tài)區(qū)的pH值、平原區(qū)有機(jī)質(zhì)含量和山地EC值20~40 cm土層與0~20 cm土層相比相近或略高外,3個(gè)生態(tài)區(qū)其余各理化指標(biāo)均表現(xiàn)為0~20 cm土層高于20~40 cm土層。
表4 不同生態(tài)區(qū)核桃林地土壤基本理化狀況比較
不同生態(tài)區(qū)核桃林地土壤0~20和20~40 cm土層的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀5個(gè)指標(biāo)的分肥力系數(shù)及綜合肥力系數(shù)見表5。由表中各指標(biāo)的肥力系數(shù)可以看出,土壤全氮含量山地、平原0~20 cm土層為一般水平,20~40 cm含量較低(山前平原全氮含量數(shù)據(jù)缺失);土壤有機(jī)質(zhì)和土壤堿解氮除山前平原0~20 cm土層含量較高外,山前平原20~40 cm土層和山地、平原兩土層均為一般或較低水平;各生態(tài)區(qū)兩土層的土壤有效磷含量均較高;山地土壤兩土層速效鉀含量一般,山前平原和平原區(qū)速效鉀含量均為較高水平。從各生態(tài)區(qū)不同土層的土壤綜合肥力系數(shù)可知,山前平原0~20 cm土層的綜合肥力系數(shù)為1.87(1.8<IFI<2.7),肥力等級(jí)為肥沃;山地20~40 cm土層為0.70(IFI<0.9),肥力等級(jí)為貧瘠;其余各土層的綜合肥力系數(shù)在0.98~1.49之間(0.9<IFI<1.8),土壤綜合肥力等級(jí)為一般。對(duì)各生態(tài)區(qū)核桃林地不同土層的土壤肥力狀況進(jìn)行綜合分析,表明其土壤肥力綜合表現(xiàn)為山前平原最高,平原區(qū)次之,山地最低。
表5 不同生態(tài)區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)
科學(xué)的核桃林地肥水管理是提高核桃對(duì)逆境的抵抗能力,實(shí)現(xiàn)核桃高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和綠色可持續(xù)生產(chǎn)的重要途徑[18]。已有較多研究證明適宜的水分及養(yǎng)分供應(yīng)對(duì)核桃生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成具有重要作用。如Paris等[19]報(bào)道,核桃植株的基部莖粗和株高受植株水分供應(yīng)狀況的顯著影響,并與影響水分供應(yīng)的核桃林地覆蓋方式等管理措施有關(guān)。Jr等[20]研究結(jié)果表明,施肥可顯著提高核桃產(chǎn)量,磷肥配合氮、鉀肥增產(chǎn)效果最好,過量施肥未產(chǎn)生相應(yīng)的增產(chǎn)作用。李修波等[21]根據(jù)肥水條件過好的核桃苗圃地,或是生長(zhǎng)旺盛、枝條徒長(zhǎng)、木質(zhì)化程度低、營(yíng)養(yǎng)積累少、凍害發(fā)生嚴(yán)重的實(shí)生樹調(diào)查結(jié)果,提出生產(chǎn)上應(yīng)在生長(zhǎng)后期進(jìn)行控肥控水,增施磷、鉀肥和有機(jī)肥核桃園區(qū)管理建議。本研究通過對(duì)山地、山前平原和平原區(qū)典型核桃園的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同生態(tài)區(qū)核桃林地水肥管理差異較大,平原區(qū)的灌水農(nóng)戶占比為80.0%,高于山前平原和山地,其原因可能與不同生態(tài)區(qū)的地形狀況和灌溉條件的差異有關(guān)。山地核桃園僅施用化學(xué)肥料且施肥農(nóng)戶最少,施肥農(nóng)戶占比僅為29.2%;施用化學(xué)肥料的農(nóng)戶平原區(qū)最多,山前平原次之,山地最少;施用有機(jī)肥料的農(nóng)戶平原區(qū)小于山前平原。平原區(qū)養(yǎng)分投入總量最大,分別為山前平原、山地的1.2和10.1倍,氮、磷、鉀養(yǎng)分投入比例不同生態(tài)區(qū)存在差異,且同一生態(tài)區(qū)核桃林地養(yǎng)分投入農(nóng)戶間差異大。由此分析,不同生態(tài)區(qū)的肥水管理差異可能成為限制區(qū)域核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。
林地土壤的基本理化特性是表征其土壤肥力高低及影響經(jīng)濟(jì)林木生長(zhǎng)狀況和生產(chǎn)效益的重要指標(biāo)。林地土壤肥力狀況受土壤類型、地形條件等自然因素和包括施肥量、施肥種類等人為經(jīng)營(yíng)管理措施的共同影響[11,22]。不同林分類型的土壤理化性質(zhì)不同[23-24],同一林分類型,不同生態(tài)條件及管理措施下土壤肥力特征也存在較大的差異。土壤肥力狀況在地域分布上存在較強(qiáng)的空間變異性,如母質(zhì)類型和植物殘落物在土壤中的轉(zhuǎn)化方向等差異,均可引起土壤各肥力指標(biāo)的變化[25-26]。董建華等[14]研究了浙江省臨安區(qū)不同地質(zhì)背景下山核桃林地土壤肥力特性,表明其土壤肥力差異除來自于林地土壤對(duì)母巖的繼承性外,也與林農(nóng)的施肥管理制度有關(guān)。這一結(jié)論也被趙永豐等[27]的研究結(jié)果所證實(shí)。本研究中,不同生態(tài)區(qū)土壤各肥力指標(biāo)變異較大,山前平原0~40 cm土層土壤的堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量顯著高于平原區(qū)和山地,且平原區(qū)0~20 cm土層堿解氮含量高于山地;同時(shí)平原區(qū)與山前平原0~40 cm土層土壤速效鉀、pH和EC均明顯高于山地,這與不同生態(tài)區(qū)的自然因素和養(yǎng)分投入總量及氮、磷、鉀投入比例有密切關(guān)聯(lián)。通過對(duì)不同生態(tài)區(qū)核桃林地土壤肥力綜合分析結(jié)果可知,土壤肥力水平以山前平原最高,平原區(qū)次之,山地最低。山前平原總養(yǎng)分投入僅為平原區(qū)的83.2%,但有機(jī)肥料施肥農(nóng)戶占比較大,灌水農(nóng)戶占比較低,有利于養(yǎng)分在土壤中的累積和土壤綜合肥力水平的提高;平原區(qū)灌水和化學(xué)肥料的施肥農(nóng)戶占比最大,總養(yǎng)分投入最高,但土壤肥力水平中等,可能與施用有機(jī)肥料的農(nóng)戶占比較低及灌溉制度引起的養(yǎng)分流失有關(guān);山區(qū)核桃園建植多以荒山為主,土層淺,核桃立地條件差,灌溉條件有限,施肥少且以化肥為主,是山地土壤肥力低的重要原因[10]。
土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及土壤肥力評(píng)價(jià)是生產(chǎn)中進(jìn)行合理化施肥推薦和提升土壤肥力的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的研究主要集中于大田作物和蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物[28],關(guān)于林地土壤養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)近期研究相對(duì)較少。本研究中核桃林地的土壤養(yǎng)分分級(jí)參考趙映翠等[17]的文獻(xiàn)報(bào)道,仍沿用第二次土壤普查的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。土壤肥力水平是多種肥力因子的綜合反映,評(píng)價(jià)土壤肥力的方法有多種,如主成分分析和聚類分析法[4]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[29]、內(nèi)梅羅綜合指法等。本研究采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià),能較全面地反映土壤肥力水平,通過該方法得到的各項(xiàng)土壤肥力因子的分肥力系數(shù)比較接近,可比性較高,各分肥力系數(shù)除表示養(yǎng)分含量的相對(duì)高低外,也可用于施肥推薦。由此可知,山地20~40 cm土層的全氮、有機(jī)質(zhì)肥力系數(shù)低于1.0,需重視有機(jī)肥料施用,培肥地力;山地堿解氮肥力系數(shù)低于1.0,有效磷肥力系數(shù)較高,應(yīng)重視施用氮肥,適量施用鉀肥,控制磷肥施用。山前平原和平原區(qū)應(yīng)適量施用氮肥,控制磷肥,少施鉀肥,且平原區(qū)20~40 cm土層堿解氮肥力系數(shù)低于1.0,應(yīng)注意氮肥深施。
綜上所述,不同生態(tài)區(qū)核桃林地的肥水管理制度、土壤肥力水平存在顯著差異。山地核桃灌水、施肥的農(nóng)戶占比最少,施肥量最小,且忽略有機(jī)肥的施用,土壤肥力水平最低;平原區(qū)灌水和化學(xué)肥料的施肥農(nóng)戶占比最大,施用有機(jī)肥料的農(nóng)戶占比較低,總養(yǎng)分投入最大,但土壤肥力水平一般;山前平原灌水和施用化學(xué)肥料的農(nóng)戶占比居中,有機(jī)肥料施用農(nóng)戶占比較大,綜合土壤肥力水平最高,且0~20 cm土壤肥力達(dá)肥沃程度。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同生態(tài)區(qū)的核桃養(yǎng)分需求規(guī)律和土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況,結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)條件和生產(chǎn)習(xí)慣,科學(xué)進(jìn)行灌溉和施肥,促進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。