旱地矮化苹果园当季氮肥在土壤剖面的累积与淋溶效应

李 蓉，王怡琳，屈红超，朱志军，张子豪，张 浩，蒋 锐

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

由于日照时间长、昼夜温差大和土层深厚等自然优势，黄土高原成为我国四大苹果主产区之一[1]。陕西作为黄土高原苹果主产省份之一，2020年苹果栽植面积高达6.14×105hm2，产量达1 135万t，面积和产量均占到全国的1/4[2]。由于黄土高原水土流失严重，果园土壤肥力低下[3]，近20 a来氮肥施用成为该地区促进果树生长发育、提高产量和改善果实品质的重要手段[4]。然而随着苹果产业发展日趋迅猛，果农盲目追求经济效益，过量施用氮肥问题日益严重。据调查，黄土高原苹果园施氮量维持在400～1 300 kg·hm-2[5]。过量的氮肥投入导致了相当严重的土壤硝酸盐深层累积问题[2,6-9]。

近年来，黄土高原旱地苹果园硝酸盐严重累积问题得到普遍关注，陈翠霞[10]发现新、老果区土壤0～200 cm土层硝态氮累积量分别达2 724 kg·hm-2和5 226 kg·hm-2，老果区土壤剖面硝态氮累积量显著高于新果区。路远等[11]、Liu等[8]、范鹏等[12]、马鹏毅等[13]、Huang等[14]、冉伟等[15]通过研究黄土高原不同树龄果园土壤剖面硝酸盐累积特征发现，土壤深层硝态氮累积现象明显，且随着果园树龄的增加土壤剖面硝酸盐累积问题趋于严重。Zhu等[16]发现黄土高原洛川县从谷类到苹果园的土地利用变化过程中2017年0～2 m和0～6 m土壤剖面硝态氮平均积累量分别为2 635 kg·hm-2和5 611 kg·hm-2。

对黄土高原旱地苹果园氮素累积的研究虽多，但主要着重于乔化苹果园长期施肥下土壤剖面氮素累积问题，或将乔化和矮化果园一概而论。近几年来，黄土高原地区，特别是苹果产业发展较早的陕西地区，苹果品种正在经历更新换代，矮化苹果由于其收益快、管理方便等优点被大力推广并逐步替代乔化苹果。然而目前对于矮化苹果园土壤剖面氮素累积问题还关注较少，当季氮肥所导致的土壤氮素累积问题更是容易被其土壤本底的高氮情况所掩盖。因此，了解矮化苹果园氮素在土壤剖面高氮含量背景下的累积特征以及对当季氮肥所引起的土壤氮素累积问题进行定量研究，以避免加剧黄土高原苹果园土壤硝酸盐深层累积问题迫在眉睫。本研究以黄土高原旱地矮化苹果园土壤为研究对象，利用剖面土钻取样法与15N示踪技术，分析矮化苹果园土壤剖面氮素累积淋溶特征以及当季氮肥对苹果园土壤氮残留及淋溶的影响，以期为解决黄土原旱地苹果园日益严重的土壤硝酸盐累积问题提供理论依据和思路。

1.1 试验地点

试验于2018年10月—2019年10月在西北农林科技大学洛川苹果试验站进行。试验站位于陕西省延安市洛川县凤栖镇芦白村(35°48′N，109°29′E)，属暖温带大陆性季风气候，平均海拔1 072 m，多年平均降雨量620 mm，主要分布在7—9月，年均气温9.2℃，日照时数2 525 h，试验期间气温降雨量情况如图1所示。试验站土壤为黑垆土，质地为壤土。供试土壤基本理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

供试果树品种为‘晚熟矮化延长红’，定植于2012年，此果园由具有20多年种植历史的乔木老果园改造而来。小区试验开始于2017年，果树正处于盛果期，植株密度为1 250棵·hm-2(株行距2 m×4 m)。试验设置3个处理，分别为不施氮肥CK(施氮量为0 kg·hm-2)、减氮施肥N400(施氮量为400 kg·hm-2)、常规施肥N800(施氮量为800 kg·hm-2)。每个处理包含6～7棵果树，设置3个重复小区，试验小区布置见图2a。氮肥10月施基肥(60%)和翌年7月追肥(40%)，磷肥全部于10月作为基肥施入，钾肥10月施30%，次年7月追肥70%。施肥方式为双沟条施，即在距树干约50 cm左右的两侧各挖一条宽20 cm和深20 cm的条状沟，施肥覆土。每个处理的每个小区分别设置1个微区，微区布置见图2b，每个微区包含一棵果树，不设微区框。微区面积为8 m2，其施肥量与小区处理一致，15N-尿素(丰度：99%)与其他肥料施用量见表2。试验期间果园不进行灌溉。

图1 试验站2018年10月—2019年10月日均气温及降雨量变化情况Fig.1 Daily average temperature and rainfall changes from October 2018 to October 2019

1.3 采样与测定

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physico-chemical properties of the experimental soils

图2 试验小区(a)及微区(b)布置图Fig.2 Experimental plot (a) and micro-area (b) layout

在2019年10月苹果收获期，每个小区全部采收，称量果实质量，计算小区产量。

1.4 数据计算与处理

各土层中土壤氮累积量(kg·hm-2)=氮质量分数(mg·kg-1)×土壤密度(g·cm-3)×土层厚度(cm)×10土壤各层全氮来自15N尿素含量的比例：

表2 微区施肥处理/gTable 2 Fertilization treatment in micro-area

Ndff(%)=(As-An)/(Af-An)×100%

式中，As表示土壤15N的质量分数；
An表示15N的自然质量分数(0.366%)；
Af表示混合后肥料15N的质量分数。

15N标记肥料残留量(kg·hm-2)=Ndff×该土层土壤氮累积量(kg·hm-2)

15N残留率(%)=[土壤剖面标记肥料氮残留总量(g)/标记肥料氮施用量(g)]×100%

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 26软件进行数据分析，采用LSD法进行差异显著性比较(P=0.05)，采用Origin 2019b和Surfer 13软件进行图表绘制。

2.1 土壤无机氮含量与含水率时间动态分布特征

2018年11月—2019年10月果园不同施肥处理土壤无机氮浓度和含水率变化如图3和图4所示。

图3 2018年11月—2019年10月矮化苹果园不同处理无机氮含量变化特征Fig.3 Changes in inorganic nitrogen concentration of dwarf apple orchards under different fertilization treatments from November 2018 to October 2019

图4 2018年11月—2019年10月矮化苹果园土壤含水率变化Fig.4 Change in soil moisture content of dwarf apple orchards from November 2018 to October 2019

CK处理土壤表层(0～20 cm)硝态氮含量较少，且变化不大，在2018年11月和2019年10月苹果收获期(328 d)，土壤剖面硝态氮主要累积在100～120 cm土层，试验期间土壤深层(160～200 cm)硝态氮含量变化不大。N400和N800处理表层土壤硝态氮含量较CK处理高，果实膨大期根系吸收导致根际土壤硝态氮含量有所降低，2019年6月(193～224 d)，果实膨大期根系吸收土壤氮加之突发暴雨补充地表水分，果树对氮的吸收利用率增加，根际土壤中硝态氮含量持续降低，至7月(224 d)追肥后土壤0～80 cm土层中硝态氮含量逐渐上升，7月底至10月的持续降水导致土壤根区含水量大幅增加，硝态氮开始向下迁移，根区土壤硝态氮含量逐渐降低，至果实成熟期，硝态氮在100～160 cm土层大量累积。

CK和N400铵态氮含量总体较低，这与试验区土壤的性质与质地紧密相关。N800处理根际土壤铵态氮含量在2018年11月—2019年4月(1～150 d)不断降低。

2.2 土壤剖面氮含量与累积分布特征

在果实成熟期，果园0～300 cm土壤剖面全氮、硝态氮和铵态氮含量与累积量如图5和图6所示。由图5可见，各土层全氮含量为0.17～0.58 g·kg-1，硝态氮含量为0.1～211.1 mg·kg-1，铵态氮含量为0.0～1.1 mg·kg-1，在0～300 cm土壤剖面中，N800和CK处理全氮含量随着土壤深度的增加呈现逐渐降低趋势，N400呈先降低后基本保持不变的趋势。各处理土壤硝态氮含量随土壤深度增加呈先增加后逐渐降低趋势，在80～140 cm土层范围内达到峰值，在该土层存在硝态氮的富集，说明土壤中硝态氮存在向下淋洗出根层(0～80 cm)的现象。果园土壤铵态氮含量总体较低，主要与试验区土壤质地、性质等有关，而CK在120 cm处铵态氮含量较高且高于N400和N800可能是与铵态氮的淋溶和硝化作用有关。土壤硝态氮含量始终高于土壤铵态氮含量，说明在黄土高原地区硝态氮是无机氮的主要存在形式。

由图6可见，CK、N400与N800处理中0～300 cm土壤剖面中全氮累积量分别为10 927.3、13 734.8 kg·hm-2与15 645.4 kg·hm-2，硝态氮累积量分别为1 873.5、2 353.9 kg·hm-2与2 892.7 kg·hm-2，铵态氮累积量分别为12.2、42.6 kg·hm-2与44.4 kg·hm-2。N800处理全氮累积量显著高于N400和CK处理，N400与CK处理间也存在显著性差异，表明施氮量会显著影响土壤氮累积量。3个处理土壤硝态氮累积量差异不显著，CK、N400与N800处理100～200 cm土层的硝态氮累积量分别为1 151.3、1 563.2 kg·hm-2与1 682.0 kg·hm-2，远高于0～100 cm和200～300 cm土层，表明苹果园土壤在该土层存在硝态氮累积现象。

2.3 土壤全氮Ndff值

在果实成熟期，肥料残留的全氮Ndff值总趋势如图7所示。N400处理的Ndff值在80～100 cm土层达到最大值1.50%，且与其他各土层存在显著性差异。在N800处理中，80～100 cm与100～140 cm土层Ndff值达到峰值，分别为2.03%与1.68%，显著高于20～40、140～180、180～220、220～260、260～300 cm土层，但与0～20、40～60、60～80 cm土层之间无显著性差异，说明肥料氮主要富集于0～140 cm土层，大部分在80～140 cm土层中。

图5 苹果园果实成熟期土壤剖面氮含量分布Fig.5 Distribution of nitrogen content in soil profile at mature stage of apple orchard

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).The same below.图6 苹果园果实成熟期土壤剖面各土层氮累积量Fig.6 Nitrogen accumulationof each soil layer in apple orchard at fruit ripening stage

总体来看，N800处理的Ndff均值(7.06%)高于N400处理(3.27%)，说明施肥量对土壤Ndff值有显著影响。此外，各处理0～300 cm土层都检测到TN-15N信号，表明当季氮肥已迁移至0～300 cm土壤深度范围，矮化苹果园在0～300 cm土壤剖面氮素淋洗现象明显。

2.4 土壤当季肥料氮残留

图7 苹果园果实成熟期土壤15TN-Ndff值Fig.7 15TN-Ndff value of soil in apple orchard at fruit ripening stage

图8 苹果园果实成熟期土壤15N残留量Fig.8 Soil 15N residue amount in apple orchard at fruit ripening stage

表3 苹果园果实成熟期当季肥料氮残留情况Table 3 Nitrogen residue of apple orchard at fruit ripening period

2.5 不同施肥量对苹果产量的影响

由表4可见，N400处理平均单果重高于其他两个处理，但3个处理间差异不显著。N400和N800处理单株产量显著高于CK处理，N400与N800处理间差异不显著。N400处理和N800处理苹果产量显著高于CK处理，N400与N800处理间差异不显著，与CK处理相比，N400处理增产了14.9%，N800处理增产了13.5%。

3.1 不同施氮处理下土壤氮含量变化

在果实成熟期，土壤全氮含量随着深度的增加呈现出逐渐降低的趋势，果园土壤40～60 cm及以上土层全氮含量较高，而深层土壤全氮含量较低(图5)，主要与施肥深度有关，果树枯枝落叶归还土壤参与氮素循环，也增加了浅层土壤全氮含量，这与范鹏等[17]的研究结果一致。

本研究中2018年苹果收获施基肥后和2019年7月追肥后，根际土壤中硝态氮含量短暂升高后逐渐降低，主要原因在于土壤水分变化和生长季苹果树对土壤无机氮吸收。硝态氮的运移与土壤水分密切相关，灌水或降雨会造成土壤水分的剧烈变化，水分是氮素流失的载体，当灌水量或降雨增加时，氮素向深层淋溶的风险明显增高，最终土壤氮素会脱离植株根系在下层累积[18-20]。郭胜利等[21]研究发现，硝态氮深层积累一般出现在年降水量变化于400～800 mm之间的雨养农业区，自然降水条件下，硝态氮积累土层一般为0～200 cm，其峰值出现的深度一般在150 cm左右。黄土高原年均降雨量小，但是相对集中，由于试验期间年降雨量为496.8 mm，7、8月降雨密度较大，而矮化苹果树根系主要分布在0～80 cm土层，强降水造成的地表含水量增加使硝态氮淋洗出根际范围，导致了0～80 cm土层硝态氮含量降低，在80～140 cm土层大量累积(图3、4、5、6)，这与郭胜利等[21]的研究结果相符，土壤硝态氮含量与含水率时空变化也表现出较强的一致性。此外，果树吸收氮对土壤硝态氮的影响则表现在苹果树对氮的吸收主要是在收获后和膨果期[22]。苹果收获后，果树根系需要从土壤中吸收大量氮进行储备，为翌年果树萌芽、枝叶、根系以及果实的优质生长做好准备；
在果实膨大期(6—9月)，果树需吸收氮以维持各器官的正常功能及果实发育。此外，充足的水分供应是充分利用土壤氮的关键，反之亦然。试验前本研究小区20～60 cm土层矿质氮含量高达240.25 mg·kg-1，远高于其他黄土高原硝态氮累积研究结果[8,16]，根区矿质氮可能已经满足果树生长发育需求，但是由于黄土高原的降水特点和苹果园的蒸散发等对土壤水分的影响，果树对土壤氮的吸收利用受到限制，根区无机氮不能被有效利用，增加了硝态氮淋溶风险。

表4 不同施肥量对苹果产量的影响Table 4 Effect of different fertilizer application rates on apple yield

本研究中果园不同施肥量处理土壤硝态氮均有向深层淋溶现象。随着施肥量的增加，各土层硝态氮的含量均有不同程度的增加。于昕阳等[23]对旱地冬小麦的研究发现0～200 cm土层硝态氮累积量随着氮肥用量的提升呈现显著增加趋势，而且氮肥用量越高土壤硝态氮累积量增加的幅度越大。对于不施用氮肥的处理也具有明显的硝态氮淋溶累积现象，这主要是由于本研究所在矮化苹果园是由有着20 a历史的乔化老果园改造而来，且小区试验前已经进入盛果期(施肥量达800 kg·hm-2)，往年果园大量施氮造成土壤剖面硝态氮严重累积，即使不施氮肥，也将在土壤剖面长期持续淋溶。Zhou等[24]也表明硝态氮从玉米根区淋失，即使不施氮肥，也会增加深层土壤的硝态氮含量。

本研究中土壤铵态氮含量低，主要原因在于供试土壤硝化作用强烈，且该地区土壤质地为壤土，粘粒含量少，对铵根离子的表面吸附作用较弱[1]。铵态氮在100～140 cm土层含量比其他土层高(图5)，一方面是因为铵态氮的淋溶导致，虽然铵态氮吸附性很强，一般都分布在土壤根层范围，但由于土壤粘粒较少，也可随着降雨入渗往下淋溶；
另一方面CK由于没有外源肥料氮素输入，土壤根层中仅存的铵态氮进一步转化成硝态氮，造成土壤根层含量比N800和N400低，从而在100～140 cm地方显现出突变现象。2018年10月施基肥后，大量氮肥施入和枯枝落叶归还土壤补充了土壤氮库，表层土壤铵态氮含量随之提高，但由于土壤呈碱性，铵态氮易挥发进入大气，加之入春后温度逐渐升高，硝化作用逐渐剧烈，根际土壤中铵态氮含量逐渐降低(图3)。

3.2 不同施氮处理下当季氮肥在土壤各土层的残留量

3.3 不同施氮量对苹果产量与土壤环境的影响

本研究中，减氮施肥N400的氮肥施用量比常规施肥N800减少一半，但两者产量差异不显著(表4)，这与彭福田等[35]和杨莉莉等[36]的研究结果一致。一方面，本研究小区土壤无机氮含量较高，可能已经满足果树生长发育需求，但是由于黄土高原的降水和苹果园的蒸散发等特点限制了果树对土壤氮素的吸收利用。此外，过量施氮也会导致果树营养生长过剩，生殖生长受到抑制，同时造成养分吸收不平衡，从而影响树体生长和产量形成[36-37]。施氮量对于苹果产量的影响需要更为长期的研究，本研究为期一年，产量差异并不能避免其偶然性。

氮肥施入土壤后一方面通过根系被果树吸收以满足其生长发育；
另一方面在土壤中以无机氮形态或有机结合态残留；
其他则通过氨挥发、硝化、反硝化、淋溶等途径损失至环境中[38]。朱志军等[39]对本研究小区苹果园N2O排放通量和氨挥发进行田间监测，结果表明，与常规施肥处理相比，优化减氮处理N2O排放总量降低了43.3%，常规高氮与优化减氮处理年排放系数分别为0.27%、0.22%。在苹果园集中条状施肥的方式下，深施(>20 cm)的氮素几乎不通过NH3挥发途径损失[40]。冯涛[30]对本研究小区苹果树对氮肥的吸收进行研究，结果表明，不施氮肥、常规高氮和优化减氮3个处理，整个树体年氮素吸收量分别为100.91、106.77、98.73 kg·hm-2，处理间差异不显著。根据以上同一试验地他人研究结果并结合本研究数据发现，减氮施肥处理能保持果树吸氮量，能显著降低土壤中氮素残留，但其所造成的硝酸盐淋溶问题亦不容忽视，表明该研究中设置的减氮施肥的施氮量(400 kg·hm-2)可能还是超出了最佳施氮量。旱地矮化苹果园肥料氮的累积与淋溶研究需要一个长期的过程，而且由于降雨和施肥的差异，其残留量以及残留的15N肥料对果树树体次年生长的有效性有待长期定位研究，因此该矮化苹果园的最佳施肥量问题仍需进一步研究确定。

在旱地矮化果园，土壤剖面中氮素累积以硝态氮为主，硝态氮含量与含水率动态变化表现出较强的一致性。在苹果成熟期，不施氮肥CK、减氮施肥N400与常规施氮N800处理硝态氮在80～140 cm土层存在明显富集现象，其含量峰值分别为174.9、194.8 mg·kg-1与211.1 mg·kg-1。当季氮肥在0～300 cm的土壤各土层均有残留，但主要集中于0～140 cm的土层范围内，常规施氮N800相对减量施氮N400而言会增加当季氮肥在土壤各层的残留。根际以下100～300 cm土层中存在当季氮肥淋溶导致的硝态氮大量累积现象，常规施氮N800会加剧当季氮肥向土壤深层淋溶，减氮施肥N400处理的深层累积仍不容忽视。综合考虑土壤剖面氮的累积、当季氮肥的残留、果树吸收及产量等因素，最佳施肥量及施肥量对苹果产量的影响在减量施氮N400的基础上仍有待进一步研究确定。

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