不同施肥管理對三峽庫區(qū)柑橘園土壤養(yǎng)分動態(tài)的影響

王曉榮，付 甜，唐萬鵬，崔鴻俠，胡文杰

（湖北省林業(yè)科學研究院，武漢 430075）

土壤養(yǎng)分是表征土壤肥力的重要組成部分，其含量高低可以反映一個地區(qū)土壤質量和土地生產(chǎn)能力［1］。隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，施肥已成為保證土壤養(yǎng)分、改良土壤結構、提高作物產(chǎn)量的重要舉措［2］。然而，由于不合理的施肥管理，往往導致肥料施用針對性差、利用率低、流失嚴重等問題廣泛存在，在一定程度上會影響作物產(chǎn)量和品質的提升，并對土壤和水環(huán)境產(chǎn)生許多負面影響［3］。因此，科學開展施肥管理研究對提升肥料的利用率、降低肥料流失對環(huán)境污染的風險和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［4］。

三峽庫區(qū)作為環(huán)境敏感和生態(tài)脆弱地帶［5］，水土流失、土壤退化、農(nóng)業(yè)面源污染等問題受到廣泛關注［6，7］。長期以來人地矛盾突出，蓄水和移民搬遷使土地資源進一步減少，庫區(qū)生境敏感性逐漸提高，過度開發(fā)和不科學的農(nóng)業(yè)活動以及庫區(qū)土質較弱的保水保肥能力導致土壤肥力下降和生態(tài)退化問題日趨嚴重［8，9］。柑橘園作為三峽庫區(qū)坡耕地利用的一種常見方式［5］，已成為湖北省三峽庫區(qū)園地種植面積最大的土地利用類型［10］，主要分布在庫區(qū)低海拔河谷地帶且臨近庫區(qū)水體的區(qū)域。由于柑橘分布區(qū)立地條件差、水土流失引起的生態(tài)退化嚴重［11］，加上農(nóng)戶管理不統(tǒng)一且相對粗放，嚴重依賴大量施用肥料來獲取高產(chǎn)，但長期過量施用化肥導致柑橘園肥料增產(chǎn)能力和利用率不斷下降［12］，同時也成為引起土壤退化和農(nóng)業(yè)面源污染的關鍵因素。近年來，在該區(qū)域大量研究工作主要集中在流域水土流失治理［13］、最佳管理措施選擇［14］、養(yǎng)分流失控制［9，10］、農(nóng)業(yè)面源污染防控［5，15］等方面，但對于采用施肥管理措施來維持園地土壤肥力可持續(xù)供應的研究仍顯不足［16］。

合理的施肥方式應以適宜提高肥料利用效率，增加柑橘產(chǎn)量和質量，避免增加環(huán)境污染負荷為準則［2］。本研究以湖北省三峽庫區(qū)典型不同施肥管理的柑橘園為研究對象，比較采用水肥一體化施肥、常規(guī)施肥、混合施肥3 種施肥方式的柑橘園土壤養(yǎng)分動態(tài)特征，以探討施肥管理差異對土壤養(yǎng)分含量有效維持的影響，從而為三峽庫區(qū)柑橘園土壤肥力科學管理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在湖北省秭歸縣三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位站的面源污染防控示范區(qū)開展。該站位于秭歸縣茅坪鎮(zhèn)中壩子村蘭陵溪小流域（110°54′44″ E、30°51′38″ N），地處三峽庫區(qū)西陵峽地段，是湖北省著名的柑橘種植區(qū)。氣候屬亞熱帶大陸性季風氣候，年均溫18 ℃，年均空氣相對濕度77%，無霜期307 d，年均日照時數(shù)1 624.8 h，年均降雨量為991.90 mm，多集中在5—9 月。土壤類型主要為花崗巖母質出露發(fā)育的石英砂，土質疏松且保水保肥性較差，土壤侵蝕較為嚴重［17］。海拔500 m 以上主要以馬尾松（Pinus massoniana）次生林和松櫟混交林為主，間有灌木林、荒草地；500 m 以下多以經(jīng)濟作物為主，包括茶葉（Camellia sinensis）、板栗（Castanea mollissi?ma）、柑橘（Citrus reticulata），少量耕地零星種植花生（Arachis hypogaea）、玉米（Zea mays）、番薯（Ipo?moea batatas）等，居民多居住于此區(qū)域，人為活動最為活躍［13］。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 為了研究經(jīng)營管理對柑橘園土壤養(yǎng)分質量、水土流失和面源污染等過程的影響，2018年初在秭歸縣茅坪鎮(zhèn)蘭陵溪小流域附近選擇立地條件（坡度10°～15°）、土壤類型（石英砂性土）、種植品種（臍橙）、株行距（3.5 m×4.5 m）基本一致的柑橘園作為研究對象，一類采用水肥一體化管理的柑橘園，且連續(xù)多年實施全園生草覆蓋，一類采用常規(guī)管理的柑橘園，以傳統(tǒng)的清耕休閑制度管理，并結合施肥類型、植物籬、生草覆蓋等措施設置試驗小區(qū)。本試驗共設置8 個徑流小區(qū)，面積為水平投影5 m×10 m（寬×長），具體試驗設置見表1。

1.2.2 樣品采集與分析 由于徑流小區(qū)內(nèi)植物配置措施時間相對較短，對土壤養(yǎng)分含量短期內(nèi)影響不顯著，故本研究并未考慮植物措施的影響，而是主要考慮施肥管理的影響。因此，在每個徑流區(qū)的上、中、下部且距離柑橘基部1.5 m 以上，避開施肥區(qū)域設置采樣點。分別于2019 年4 月中旬和7 月中旬在每個采樣點按0～10 cm 和10～30 cm 土層分次采集土樣，相同土層土樣混合為1 份，裝入自封袋帶回實驗室，土樣充分混勻、自然風干、過篩后用于土壤養(yǎng)分分析。

土壤pH 采用酸度計測定；有機質（SOM）采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮（TN）采用半微量開氏法測定；全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）采用NaOH 熔融-火焰光度法測定；堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定；有效磷（AP）采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定；速效鉀（AK）采用乙酸銨-原子吸收法測定。

1.2.3 養(yǎng)分分級指標 柑橘園內(nèi)土壤pH、有機質及速效養(yǎng)分分級指標參考魯劍巍等［18］對湖北省柑橘園土壤養(yǎng)分分級的研究結果。其中，pH 分級標準：pH＜4.8 為偏酸性，不適宜于柑橘生長；pH 4.8～5.4 為酸性范圍內(nèi)適宜于柑橘生長；pH 5.5～6.5，最適宜柑橘生長；pH 6.6～8.5 為中、堿范圍內(nèi)適宜于柑橘生長；pH＞8.5 為偏堿性，不適宜于柑橘生長。有機質（SOM）分級標準：SOM＜5 g/kg 為極低；5～10 g/kg 為低；10～15 g/kg 為偏低；15～30 g/kg 為適宜；＞30 g/kg為豐富。速效養(yǎng)分分級標準見表2。

表2 湖北省柑橘園土壤速效養(yǎng)分分級指標（單位：mg/kg）

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Office 13.0 軟件和SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)整理和作圖，不同施肥管理類型相同月份相同土層養(yǎng)分差異性采用單因素方差分析（One-way ANO?VA），且進行LSD多重比較，以檢驗數(shù)據(jù)之間的差異顯著性（P=0.05）。利用Pearson 分析法檢驗不同養(yǎng)分指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同施肥管理對柑橘園土壤pH 的影響

如圖1 所示，不同施肥管理柑橘園30 cm 深土壤平均 pH 在 4 月和 7 月分別為 4.80 和 5.73，依據(jù)湖北省柑橘園pH 分級等級，該區(qū)域土壤酸堿度屬于適宜柑橘生長。比較不同月份各施肥管理柑橘園間，除7 月 10～30 cm 土層 pH 不存在顯著差異外，水肥一體化施肥管理0～10 cm 和10～30 cm 土層均顯著低于常規(guī)施肥和混合施肥，而常規(guī)施肥與混合施肥間7 月0～10 cm 土層土壤pH 則無顯著差異。同時，不同月份相同土層pH 均為7 月明顯高于4 月。

圖1 不同施肥管理下柑橘園各時間段不同土層pH 的變化

2.2 不同施肥管理對柑橘園土壤有機質含量的影響

由圖 2 可知，在 0～10 cm 土層，土壤有機質含量在不同施肥管理措施間存在顯著差異，4 月和7 月水肥一體化施肥分別比常規(guī)施肥和混合施肥提高了106.05%、66.72%和177.43%、195.81%，而10～30 cm土層則三者間無顯著差異。隨著生長季節(jié)的發(fā)展，各土層土壤有機質含量均為4 月高于7 月，可能與后期逐漸進入雨季，降雨沖刷和土壤侵蝕導致土壤有機質下降有關。同時，各施肥管理柑橘園0～10 cm土層土壤有機質含量均高于10～30 cm 土層，呈明顯的表聚性。依照湖北省柑橘園土壤有機質分級等級“1.2.3”的標準，在0～10 cm 土層，水肥一體化施肥柑橘園的土壤有機質含量均＞30 g/kg，屬豐富等級，而常規(guī)施肥和混合施肥則屬適宜等級；在10～30 cm 土層，僅水肥一體化施肥柑橘園達到適宜水平，其余施肥管理柑橘園則均低于15 g/kg，屬偏低等級。

圖2 不同施肥管理下柑橘園各時間段不同土層有機質含量的變化

2.3 不同施肥管理對柑橘園土壤全量養(yǎng)分含量的影響

由圖3A 可知，不同施肥管理類型柑橘園間，各土層全氮含量在4 月和7 月均表現(xiàn)為水肥一體化施肥＞混合施肥＞常規(guī)施肥，且僅在0～10 cm 土層時，水肥一體化施肥顯著高于混合施肥和常規(guī)施肥，且在4 月和7 月水肥一體化施肥分別較后兩者提高了117.79%、86.19%和151.06%、138.38%，而10～30 cm層各施肥管理柑橘園的全氮含量則無顯著性差異，但混合施肥明顯比常規(guī)施肥土壤全氮含量高。不同施肥管理類型柑橘園間各土層全磷含量變化趨勢與全氮一致（圖3B），且僅在0～10 cm 土層存在顯著差異。相比4 月，7 月各施肥管理柑橘園各土層全磷含量均呈明顯下降趨勢，其中，0～10 cm 土層的全磷含量降低了32.76%～43.99%，而10～30 cm 土層全磷含量則降低了44.99%～55.31%。各施肥管理類型柑橘園間土壤全鉀含量在不同土層和不同月份間均無顯著差異，說明差異性的人為施肥措施對土壤鉀元素的影響不顯著，但7 月柑橘園各土層全鉀含量相比4月均有一定程度的下降（圖3C）。

2.4 不同施肥管理對柑橘園土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖3 不同施肥管理下柑橘園各時間段不同土層全氮、全磷和全鉀的變化

由圖4A 可知，不同施肥管理柑橘園間土壤堿解氮含量僅在0～10 cm 土層存在顯著差異，且不同月份變化趨勢不同，在4 月表現(xiàn)為水肥一體化施肥＞常規(guī)施肥＞混合施肥，7 月表現(xiàn)為水肥一體化施肥＞混合施肥＞常規(guī)施肥，水肥一體化施肥在4 月和7 月分別較常規(guī)施肥和混合施肥增加了84.13%、126.73%和92.12%、46.36%，而在 10～30 cm 土層不同施肥管理柑橘園間未見顯著差異。依據(jù)湖北省柑橘園土壤堿解氮含量分級等級（表2），僅水肥一體化施肥可保證柑橘園土壤堿解氮含量達到適量水平，而混合施肥和常規(guī)施肥均處于缺乏水平。速效磷含量在各施肥管理柑橘園除7 月10～30 cm 土層無顯著差異外，4 月所有土層以及7 月0～10 cm 土層速效磷含量均具有顯著差異，且僅為水肥一體化施肥與其他施肥類型柑橘園有差異，除4 月0～10 cm 土層外，速效磷含量整體表現(xiàn)為水肥一體化施肥＞混合施肥＞常規(guī)施肥（圖4B）。依據(jù)湖北省柑橘園土壤速效磷含量分級等級（表2），水肥一體化施肥柑橘園土壤速效磷含量在 4 月和 7 月處于 127.43～180.33 mg/kg，屬于高量水平，而常規(guī)施肥和混合施肥土壤速效磷含量＜80 mg/kg，屬適宜水平。如圖 4C 所示，4 月各施肥管理柑橘園不同土層間速效鉀含量均無顯著差異，而7 月0～10 cm 土層速效鉀含量為水肥一體化施肥較常規(guī)施肥顯著高351.73%，而混合施肥與其他兩種施肥方式之間差異不顯著，10～30 cm 土層內(nèi)水肥一體化則分別較常規(guī)施肥和混合施肥高457.89%和391.69%。依據(jù)湖北省柑橘園土壤速效鉀含量分級等級（表2），除7 月水肥一體化施肥促使土壤速效鉀含量上升為高量水平以及增添水溶性肥料促使速效鉀含量呈適量水平外，該區(qū)域常規(guī)施肥的柑橘園土壤速效鉀處于缺乏狀態(tài)。此外，各施肥管理柑橘園堿解氮、速效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為7 月高于4月，呈上升趨勢。

圖4 不同施肥管理下柑橘園各時間段不同土層堿解氮、速效磷和速效鉀的變化

2.5 相關性分析

分析土壤各化學性質之間的相關性，可以推斷不同養(yǎng)分指標之間的相互影響關系。如表3 所示，pH 與土壤有機質、全磷、全鉀呈極顯著負相關；土壤有機質與全氮、全磷、堿解氮、速效磷呈極顯著正相關；全氮與堿解氮、速效磷、速效鉀呈極顯著正相關；全磷與全鉀呈顯著正相關，與速效鉀呈極顯著正相關；堿解氮、速效磷、速效鉀三者間均呈極顯著正相關。

3 小結與討論

一般而言，經(jīng)濟林土壤養(yǎng)分大小受成土母質、施用肥料、種植結構、灌溉方式以及降雨量等因素的綜合影響［19］，但施肥方式、種類、用量、時間等均是影響肥料在土壤遷移轉化和分布的主要驅動因素［9］。已有研究表明，土壤酸堿度是影響土壤肥力和生產(chǎn)力的限制因子之一，與土壤有效養(yǎng)分關系密切［20］，施肥模式的不同是造成土壤酸化的主要原因［3］。本研究中柑橘園土壤整體偏酸性，且7 月較4 月酸性變?nèi)?，這一方面是因為三峽庫區(qū)屬于中國主要酸雨沉降區(qū)，另一方面隨著降雨季節(jié)的到來，降雨會造成土壤酸性物質的沖刷流失和淋溶，進而導致土壤pH 升高。但水肥一體化施肥柑橘園在30 cm 深土層pH均顯著低于常規(guī)施肥和混合施肥，這可能與該管理類型柑橘園土壤有機質含量明顯偏高有關，有機質分解往往會促使土壤酸性增加［21］，本研究中土壤pH與有機質呈極顯著負相關也證實了此結論。

表3 土壤化學性質相關性分析結果

土壤有機質是土壤肥力的核心，不但以有機物形式儲存礦質元素，而且還以離子吸附方式保持一部分速效養(yǎng)分，其含量高低在某種程度上代表著土壤的肥力水平［22］。在本研究中，柑橘園土壤有機質與氮、磷元素全量和速效養(yǎng)分指標均存在極顯著相關，證實了土壤有機質對柑橘園土壤養(yǎng)分維持的重要性。水肥一體化施肥柑橘園在4 月和7 月土壤有機質含量分別比常規(guī)施肥和混合施肥提高了106.05%、66.72%和177.43%、195.81%，并達到了中國土壤有機質分類等級標準的豐富等級。這主要由于其每年施餅肥和有機肥達3 750 kg/hm2，是常規(guī)施肥管理柑橘園的3.5 倍以上，同時連續(xù)多年全園種植豆科植物光葉苕子（Vicia villosa），綠肥根系的穿插作用以及綠肥干枯腐解后向土壤中提供大量有機質及養(yǎng)分［6］。同時相較 4 月，7 月柑橘園土壤有機質存在明顯降低，可能與后期逐漸進入雨季，降雨沖刷和土壤侵蝕導致部分土壤有機質流失有關。已有研究發(fā)現(xiàn)，湖北省柑橘園有機質含量整體偏低，三峽庫區(qū)中僅有36.73%的柑橘園有機質含量高于15 g/kg，達到適宜水平［18］，而本研究中常規(guī)施肥柑橘園雖然施用有機肥在一定程度提高了有機質含量，但仍顯不足，因此需要通過增施有機肥、種植綠肥或秸稈堆還田覆蓋的土壤培肥等方式來提升柑橘園土壤有機質水平［5，8］。

土壤中N、P、K 元素是植物生長發(fā)育的大量必需元素，其中，全量養(yǎng)分在一定程度上表征土壤養(yǎng)分肥力的供應潛力，而有效養(yǎng)分可表征一定時間內(nèi)土壤中可供植物吸收利用養(yǎng)分元素的水平［23］。本研究中，水肥一體化施肥柑橘園施用量折純氮含量為175.74 kg/hm2，遠低于常規(guī)施肥柑橘園的778.98 kg/hm2、混合施肥柑橘園的691.12 kg/hm2，但水肥一體化柑橘園土壤表層0～10 cm 全氮含量在4 月和7 月較混合施肥和常規(guī)施肥平均顯著提高了112.28%和134.43%，可見水肥一體化施肥管理不僅大幅減少了氮肥施用量，且具有較高的氮養(yǎng)分供應能力。究其原因可能是，一方面水肥一體化柑橘園土壤有機質較為豐富且所套種的豆科植物綠肥的固氮作用有利于氮肥的持續(xù)供應［5］，本研究中有機質含量與全氮呈極顯著正相關支持此觀點。同時，采用少量多次施用水溶性肥能減少因施肥開溝等對土壤結構帶來破壞，減少水土流失，提高了肥料利用率，有利于土壤氮元素的留存和轉化；另一方面，常規(guī)施肥柑橘園施用大量氮肥而土壤全氮含量不高，可能與氮肥流失率較高有關，王甜等［9］研究了柑橘園常規(guī)施肥量對土壤淋溶和殘留模擬的試驗，表明不同施肥量條件下單次32.3 mm 降雨導致土壤中全氮淋失量和殘留量分別為 11.35～30.11 kg/hm2和 0.30～1.86 kg/hm2也證實了以上現(xiàn)象。同時，僅水肥一體化柑橘園土壤堿解氮含量達到適量水平，而混合施肥和常規(guī)施肥均處于缺乏水平，說明在生長季常規(guī)施肥柑橘園土壤氮元素速效成分仍是缺乏的，過量施用氮肥并不能保證土壤氮有效成分維持穩(wěn)定。

在本研究中，3 種施肥管理柑橘園折純施磷量分別為 55.26、88.29、29.28 kg/hm2，但不同施肥管理類型柑橘園間各土層全磷含量均表現(xiàn)為水肥一體化施肥＞混合施肥＞常規(guī)施肥，且隨著生長季呈下降趨勢。一方面，可能與亞熱帶酸性土壤中磷元素極易與活性鐵、鋁與磷酸形成難溶性的磷酸鐵或磷酸鋁沉淀而被固定，降低土壤中磷的有效性和供磷能力有關［20］；另一方面，土壤全磷含量與土壤有機質呈顯著正相關，說明土壤有機質含量的高低會顯著影響土壤的供磷潛力。同時土壤總磷輸出主要依靠侵蝕泥沙攜帶而流失［7］，這也解釋了7 月土壤全磷明顯降低的原因。此外，水肥一體化施肥柑橘園土壤速效磷含量在127.43～180.33 mg/kg，屬于高量水平，而常規(guī)施肥和混合施肥土壤速效磷含量＜80 mg/kg，屬適宜水平，說明雖然施肥均能夠補充土壤有效磷含量，但水肥一體化柑橘園由于高有機質含量和連續(xù)生草覆蓋能持久而明顯地減少磷元素的流失［6］。一般而言，土壤鉀元素主要受土壤母質、動植物殘體以及人為施肥種類和數(shù)量的影響［24］。本研究中，不同施肥管理柑橘園土壤鉀肥折純量在72.21～126.0 kg/hm2，但三者間土壤全鉀含量在4 月和7 月均無顯著差異，說明此區(qū)域柑橘園土壤鉀存量主要受土壤母質的影響，但各土層均隨時間發(fā)展呈降低趨勢，可能與鉀元素在土壤中易溶于水分而移動有關［2］。然而，水肥一體化施肥顯著高于常規(guī)施肥和混合施肥，且常規(guī)施肥中階段性增加水溶性肥也可以保持土壤速效鉀含量呈上升趨勢，說明少量多次施肥可提升土壤養(yǎng)分肥力有效性。

綜上可知，隨著生長季的發(fā)展，該區(qū)域柑橘園土壤養(yǎng)分中土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量呈降低趨勢，而堿解氮、速效磷、速效鉀含量則呈上升趨勢，這主要與水土流失、化肥施用過高、有機肥施用偏少等有關［8］，特別是土壤有機質含量不高嚴重限制了土壤有效養(yǎng)分的維持［21，25］。水肥一體化管理技術可根據(jù)作物不同生理階段的水肥需求和土壤供給缺口，可適時、準確地將水肥供給作物吸收利用，具有水肥利用率高、增產(chǎn)增效和減輕環(huán)境污染等特點，成為三峽庫區(qū)生態(tài)柑橘種植業(yè)的有效技術途徑［11］。因此，未來該區(qū)域柑橘園建議廣泛實施水肥一體化管理，合理配施有機和無機肥料，減少化肥的投入量，加大有機肥和平衡性水溶性肥的投入以提高土壤有機和無機養(yǎng)分庫，并采用少量多次增加施肥次數(shù)以保持充足的有效養(yǎng)分。同時，加強建設生草覆蓋、植物籬等水土保持措施以減少養(yǎng)分地表流失和地下淋溶［26］，增加養(yǎng)分在土壤的滯留時間，以降低面源污染發(fā)生的風險。