河北太行山山前平原葡萄园土壤硝态氮累积特征及影响因素

郭路航， 王贺鹏， 李 妍， 许 傲， 李文超， 孙志梅， 马文奇

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071001；2.河北农业大学现代科技学院，河北 保定 071001)

近年来，随着农业种植结构的调整以及人民生活对果品需求量的提高，果树种植迅速发展，成为许多地区的主导产业。但为了追求高产、高利润，过度施氮现象尤为严重。Lu等对华北地区集约果园调查发现，果园中平均氮素投入为588 kg/hm，葡萄园的平均施氮量高达1 142 kg/hm；刘占军等通过文献汇总和实地调研发现，我国苹果产区化肥氮用量为512～1 355 kg/hm，远超推荐用量。过量的氮肥投入必然会导致土壤硝态氮的累积，并极易随水向土壤深层淋洗，其结果不仅造成氮肥资源的浪费，还引起地下水硝态氮污染、水体富营养化等环境问题。因此，明确果园土壤硝态氮累积现状，探究其影响因素，对控制和减少硝态氮在深层土壤中的累积有重要意义。

目前，国内外对果园硝态氮累积特征及其影响因素已有一些研究。马鹏毅等研究发现，长期的苹果种植加剧了100 cm土层以下的硝态氮累积；Gao等对猕猴桃园研究表明，有超过75%的硝酸盐位于100 cm土层以下，并且硝态氮累积量高达3 288 kg/hm。管理方式的差异也会影响果园土壤硝态氮的分布，与雨养果园相比，灌溉果园土壤剖面硝态氮含量整体明显偏高，累积峰值明显下移。不仅如此，同一区域不同地貌类型的果园，土壤硝态氮分布也存在极大差异，即使在同一果园，下坡土壤硝态氮累积量也会显著高于上坡土壤。可见，果园土壤硝态氮受诸多因素的影响，目前针对山前平原区以及农田转变为葡萄园这一条件下土壤硝态氮变化的报道较少，基于此，本研究以保定地区为研究区域，探讨在农户生产实践下葡萄园土壤硝态氮累积变化特征及影响因素，旨在为减少葡萄园土壤硝态氮累积及葡萄产业养分的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为河北省保定市清苑区温仁镇(38°10′—40°00′N，113°40′—116°20′E)，是典型的太行山山前平原区，暖温带季风性气候，四季分明、气候温和、雨热同期、光照充足，年均气温12 ℃，年均降水量451 mm，无霜期165～210天，土壤类型以潮土为主。该区域葡萄种植品种主要为“巨峰”，种植年限为5～30年，栽培密度为5 000～7 400 株/hm，果园施肥以化肥为主，年均施N、PO、KO分别为100～680，56～610，160～700 kg/hm，灌溉方式主要为大水漫灌，年灌溉次数3～7次，年灌溉量约3 000～14 000 m/hm，年产量大约为22.5～68.5 t/hm。

1.2 调查内容与方法

于2020年9月，在研究区域选择28个具有代表性的葡萄园，通过实地调研及跟踪等方式，详细记录葡萄园树龄、栽培密度及生育期内施氮量、施肥次数、灌溉次数、灌溉量等管理措施，并在收获期进行现场测产。灌溉量采用以电折水法。在调研中，果农基本不施用有机肥，只计算化肥用量，施氮量通过施肥量及肥料包装上标注的养分含量进行计算。

同时本研究将不同树龄、施氮量、灌溉量水平下的28个葡萄园分别由低到高排列，均分成2个水平等级，每个等级14个葡萄园，树龄<14年，施氮量<250 kg/hm，灌溉量<7 500 m/hm的葡萄园分别为低投入(或低树龄)水平，记为L，相反，为高投入(或高树龄)水平，记为H，不同等级葡萄园管理情况见表1。

表1 不同指标分级下葡萄园管理因素的差异

1.3 土壤样品的采集与测定

于2021年4月17—20日采集土壤样品，即葡萄出土后，萌芽之前，采集0—200 cm土壤样品，每层20 cm。采样点以葡萄树干为圆心，在向外延伸40 cm处，避开施肥点。同一个葡萄园采集3钻土壤组成混合样，装入自封袋中，同时采集该区域内3个临近农田土壤样品作为对照(CK)。带回实验室用于硝态氮含量的测定。采样点分布位置见图1，其中S1～S28为葡萄园，S29～S31为对照农田。

土壤容重采用环刀法测定；土壤硝态氮采用KCl溶液浸提，双波长比色法测定。土壤NO—N积累量(kg/hm)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm)×土壤NO—N含量(mg/kg)/10。土壤NO—N积聚系数=各土层NO—N均值(mg/kg)/土壤剖面NO—N均值(mg/kg)。

图1 试验区采样点分布

1.4 数据处理与分析方法

采用Excel 2016软件进行数据计算，数据分析使用SPSS 21.0软件，采用LSD法(<0.05)进行方差分析。不同树龄、施氮量、灌溉量的土壤硝态氮累积量差异显著性为原数值经ln函数转换标准化后的数值比较，采用Excel 2016和ArcGIS 10.2软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 葡萄园土壤硝态氮分布特征

由表2可知，葡萄园土壤剖面硝态氮存在很大的变异性。在水平分布上，各土层硝态氮含量变异系数均在60%以上，其中60—80 cm土层变异系数最高，达到了137.3%，原因主要是空间上和农户间管理方式的不同。在垂直分布上，葡萄园土壤硝态氮含量呈现出随土层加深而增加的趋势，0—80 cm土层硝态氮含量较低，积聚程度较弱，80 cm土层以下，随着土层加深，硝态氮含量和积聚系数显著增加，土壤剖面类型为底聚型，说明葡萄园土壤硝态氮有明显的向深层土壤淋洗的现象。

表2 葡萄园土壤硝态氮含量的统计特征值

由图2可知，农田和不同管理等级的葡萄园土壤剖面硝态氮含量随土层深度先降低后增加，最低浓度均出现在60 cm土层区域，表层土壤硝态氮含量较高可能与农户秋季施肥有关。与农田相比，葡萄园土壤硝态氮淋溶现象突出，在0—80 cm土层中，农田和各管理水平下葡萄园土壤硝态氮含量差异不明显，80 cm土层以下，葡萄园土壤硝态氮含量明显高于农田，并且不同指标分级下土壤硝态变化规律明显不同。就树龄而言，随着土层深度的增加，高树龄葡萄园土壤硝态氮含量明显高于低树龄葡萄园和农田。施氮量方面，土壤硝态氮含量呈现出随施氮量增加而增加的趋势。灌溉量方面，呈现出随灌溉量的增加而降低的趋势，说明葡萄园在长期的大水漫灌条件下，其加速了土壤硝态氮向更深层迁移。

图2 农田和不同树龄、施氮量、灌溉量葡萄园土壤硝态氮分布

2.2 葡萄园土壤硝态氮累积特征

由图3可知，在空间分布上，各葡萄园土壤硝态氮累积量差异很大，总体上呈现出王盘村和西南佐村附近的葡萄园土壤硝态氮累积量较高，这可能与葡萄种植年限有关，相比于其他村庄，王盘村和西南佐村葡萄栽培时间较早，长期的葡萄种植增加了硝态氮在土壤中的累积。在垂直分布上，各葡萄园100—200 cm土层硝态氮累积量明显高于0—100 cm土层，其中，0—100 cm土层硝态氮的平均累积量为385 kg/hm，100—200 cm土层硝态氮平均累积量为1 169 kg/hm，分别占总累积量的24.8%，75.2%。由此可知，深层土壤硝态氮含量对0—200 cm土层总累积量贡献更大。

由表3可知，树龄、施氮量、灌溉量的差异均会影响葡萄园0—200 cm土层土壤硝态氮的累积，并随着土层的加深，各处理间差异越显著。树龄和施氮量方面，土壤硝态氮累积量均表现为H>L>CK。灌溉量方面，硝态氮累积量表现出L>H>CK。在不同深度的土层中，葡萄园土壤硝态氮累积特征呈现出不同的规律，在100—200 cm土层，土壤硝态氮累积特征与0—200 cm变化趋势基本一致，随树龄和施氮量的增加土壤硝态氮累积量增加，但灌溉量的增加会减少土壤硝态氮的累积。在0—100 cm土层中，农田和不同树龄、施氮量、灌溉量下的葡萄园土壤硝态氮累积量差异则均不显著，说明土地利用方式的改变，显著改变了深层土壤硝态氮的分布，增加了土壤硝态氮的累积。

注：图中数字为0—200 cm土层硝态氮累积量(kg/hm2)。

2.3 葡萄园土壤硝态氮分布累积的影响因素

由表4可知，不同树龄水平的葡萄园土壤硝态氮累积量均与施氮量呈显著正相关关系。树龄较低时，仅0—100 cm土层中的累积氮与施氮量呈显著正相关，而较高树龄的果园0—200 cm各土层硝态氮累积量均与施氮量呈显著相关关系。说明随着时间的推移，氮素不断的向土壤深层淋洗和累积。

就施氮量而言，当纯N施用量高于250 kg/hm，由于施用的氮肥不能被果树完全吸收利用，则随着葡萄种植年限的增加，必然会增加硝态氮在土壤中的累积。当纯N投入量低于250 kg/hm时，施肥次数与累积氮量呈显著的负相关关系，分次施肥能降低硝态氮在土壤中的累积。葡萄栽培密度与0—100 cm土层硝态氮累积量的相关系数也达到了-0.57的显著水平，说明当施氮量较为合理时，密度和施氮量两者共同作用下，能减少硝态氮在上层土壤中的累积。

表3 不同树龄、施氮量、灌溉量下土壤硝态氮累积量 单位：kg/hm2

就灌溉量而言，当灌溉量低于7 500 m/hm时，土壤硝态氮累积量与施氮量呈显著正相关关系，与树龄呈极显著正相关关系。而当灌溉量超过7 500 m/hm时，施氮量、树龄和灌溉量对土壤硝态氮累积量均有一定程度的影响。可能因为水量输入的程度会改变硝态氮在土层中的分布，而氮素输入的强度和时间的增加会增加土层中硝态氮的累积量。

表4 不同管理水平下管理措施与葡萄园土壤硝态氮累积量的相关性

农户管理因素对葡萄园0—200 cm土层硝态氮累积量的相关和通径分析见表5，硝态氮累积量与树龄和施氮量均为极显著正相关，与灌溉量呈显著负相关。通径分析表明，对土壤硝态氮累积量影响最大的因素为施氮量，其次为树龄和施肥次数，最后为灌溉量，其中施肥次数主要通过影响施氮量来间接影响硝态氮累积量。

表5 管理因素与葡萄园0-200 cm土层硝态氮累积量的相关分析和通径分析

3 讨 论

3.1 葡萄园土壤硝态氮分布累积特征

本研究发现，该地区葡萄园农民习惯氮肥用量平均为297 kg/hm，高于华北葡萄园推荐施氮量，这种现象在其他葡萄主产区也普遍存在。过量的氮肥投入必然会增加土壤硝态氮的累积。葡萄园在0—200 cm土壤剖面中硝态氮含量及累积量呈现出自上而下逐渐增加的趋势，说明该地区土壤硝态氮淋洗现象严重，可能有2个方面原因：一是该地区葡萄园土壤以砂质或砂壤质土为主，土壤保水保肥能力差，养分易淋失；另一方面，与果农灌溉方式有关，大水漫灌条件下加速了硝态氮向深层土壤的迁移。在0—200 cm土层土壤硝态氮累积量高达1 555 kg/hm，深层土壤累积现象严重，前人的研究结果也与此类似，有研究表明，葡萄主要根系分布深度为0—60 cm土层，因此，在0—200 cm土层中，有1/2以上的硝态氮淋溶到作物根系以下，难以被吸收利用。

3.2 影响葡萄园土壤硝态氮累积的因素

气候、土壤类型、农业管理措施的改变均会影响果园土壤中的氮素去向。本研究结果表明，葡萄园0—200 cm土层土壤硝态氮累积量主要和施氮量、树龄、灌溉量有关。土壤硝态氮累积量会随着树龄和施氮量的增加而增加，这与前人研究结果一致。在以往的研究中，水分输入量与氮淋溶量呈正相关，李晓欣等研究表明，在农田土壤中，常年的充分灌溉条件下，土壤硝态氮淋洗严重，0—400 cm土层硝态氮累积量仅为504 kg/hm，显著低于控制灌溉和非充分灌溉处理。在本研究的灌溉果园中，也呈现出相似的规律，即当季灌溉量与0—200 cm土层硝态氮的累积量呈显著的负相关关系，说明在灌溉果园中，硝态氮淋洗现象突出，并有可能已淋溶到200 cm以下的土层中。

在不同管理水平下，葡萄园土壤硝态氮累积量及影响因素的表现存在差异。树龄方面，对土壤硝态氮累积的影响也主要归结于随树龄增加施氮量的增加，且树龄大小影响累积氮在土层中的分布。低树龄葡萄园由于种植年限较短，硝态氮在土层中的迁移距离有限，因此，硝态氮主要累积在上层土壤中。相反，树龄较高的葡萄园，种植年限时间长，硝态氮表现出了明显的向深层土壤迁移的趋势，硝态氮淋失的风险也明显加大。就施氮量而言，有研究表明，土壤中硝态氮浓度会随着施氮量呈指数增加，本研究发现，当氮肥投入水平高于250 kg/hm时，在施氮量和树龄的共同作用下，葡萄园土壤硝态氮累积量呈现出随树龄和施氮量增加而增加的趋势。而当氮肥投入量在低于250 kg/hm时，这种趋势不明显，并且施肥次数与各土层硝态氮累积量呈显著的负相关关系，说明根据作物生育期养分需求规律进行分次施肥，能促进果树对氮素的吸收，减少氮素在土壤中的累积。

水量输入方面，水分是土壤硝态氮淋溶的载体，灌溉量和降雨量是影响硝态氮淋失的一个重要因素。大田作物需水量一般为200～400 mm，果树需水量是其1.5～4.0倍，但在华北地区，年均降水量仅500 mm左右，因此，降水量对果园硝态氮淋洗的影响程度较小，灌溉量成为决定因素。同时有研究表明，适当的提高灌溉量不仅能起到作物增产的效果，还有利于作物对硝态氮的吸收。本研究中，在低灌溉水平下，葡萄园土壤硝态氮累积量与灌溉量无显著关系，但会随着树龄和施氮量的增加而增加，说明低灌溉量下，硝态氮向深层土壤迁移的速率较慢。当灌溉量过高，硝态氮的淋溶量会增加，其累积区会明显的向下迁移，在葡萄园0—200 cm土层中，呈现出随着灌溉量增加土壤硝态氮累积量降低的趋势。但在不同土层深度下，硝态氮累积量影响因素存在差异，可见，在过高的灌溉量下，灌溉量会与其他因素相互作用，进而影响硝态氮累积特征。

4 结 论

(1)葡萄生产过程中，农户管理方式的差异导致土壤硝态氮累积特征存在很大的空间变异性，总体上，硝态氮含量和累积量随土层加深而显著增加，淋洗现象明显，0—200 cm土层中有超过75%的硝态氮淋洗到葡萄难以利用的深度。

(2)农田到葡萄园土地利用方式的变化，显著改变了0—200 cm土壤硝态氮的分布及累积特征，随着树龄、施氮量和灌溉量的增加，深层土壤硝态氮的累积现象越明显。

(3)通过相关性和通径分析表明，河北省太行山山前平原区葡萄园土壤硝态氮累积量的主要影响因素为树龄、施氮量和灌溉量，且0—200 cm土壤硝态氮累积量随着树龄、施氮量的增加而增加，随灌溉量增加而降低。