贺兰山东麓葡萄产地不同种植年限土壤养分特征研究

王志秀，贺 婧，陈 锋

（宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021）

贺兰山东麓位于宁夏回族自治区境内，地处北纬 37°43′～ 39°23′，东经 105°45′～ 106°47′，银川平原西部边缘，贺兰山沿山以东，涵盖了石嘴山、银川和吴忠三市。属中温带干旱气候区。贺兰山东麓凭借其优越的地理位置和气候条件，成为了中国重要的葡萄酒产区，也是世界最佳酿酒葡萄生态区之一。

按照宁夏回族自治区政府规划，至2020年在贺兰山东麓形成百万亩葡萄种植长廊，大量荒漠草原开垦为葡萄地，地表覆被发生改变，开垦后形成的土壤其物理、化学及生物学性质也都发生了极大的变化。因此，贺兰山东麓葡萄产区已经成为生态学家、土壤学家重点关注的区域。目前围绕贺兰山东麓葡萄产区土壤肥力［1］、土壤微量元素［2］、土壤水肥管理［3］、土壤重金属污染评价［4］等方面已展开研究，杨海江等［5］以银川市西夏区贺兰山东麓4处葡萄种植区为研究区域，研究了该区域土壤C、N、P化学计量特征，结果显示该区域土壤C、N、P差异明显且含量不高，处于全国中等较低水平；C/P远低于全国平均水平。田欣等［1］对贺兰山东麓葡萄产区土壤肥力进行综合评价，结果显示该区域土壤综合肥力属于贫瘠水平，碱解氮含量低是土壤肥力的主要限制因子。

但有关于贺兰山东麓荒漠草原土壤开垦后，葡萄产地土壤养分受农业管理措施影响下随种植年限的变化特征研究还少见报道。因此本研究以贺兰山东麓原生荒漠草原土壤为对照，以种植1、7、20年的葡萄地土壤为研究对象，探讨由荒漠草原开垦为葡萄地，受到农业管理措施干预后随着种植年限的延长，葡萄土壤养分的变化情况，为贺兰山东麓葡萄品质的提升及葡萄种植管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区贺兰山东麓的葡萄样地。贺兰山东麓属中温带干旱气候区，全年平均气温约5～9℃，气温日较差、年较差大，太阳辐射强；干旱少雨，多年平均降水量为194.3 mm，降水集中于夏秋季节；全年蒸发量在1 000 mm以上，气候干燥。贺兰山东麓酿酒葡萄种植区北起石嘴山市大武口区，最南端至吴忠市红寺堡区，主要产区涉及30余乡镇，20余万hm2土地。土壤类型以灰钙土为主，同时涵盖了风沙土、灌淤土、淡灰钙土、砾质砂土和少量灰漠土，该区域光照充足，积温高，特别适宜种植中熟欧亚酿酒葡萄品种。在这样干旱的气候条件下，葡萄成熟缓慢而充分，香气发育完全，色素形成良好，含糖量高，酸度适中，无病虫害［6］，具有国内其它地区无法相比的品质优势。截至2016年底，该区域葡萄种植面积达40 666.7 hm2。

1.2 试验样地设置与样品采集

土壤样品采集于2017年9月进行，在贺兰山东麓设置4个处理，以原生荒漠草原土壤为对照，另3个处理分别为种植葡萄时间为1、7、20年的样地。不同种植年限的葡萄地均由荒漠草原开垦而来，开垦过程均为采用大型挖掘机从地表向下约80～100 cm处将土壤挖起后翻倒，人工捡出表层土壤中的大块砾石，在土壤30 cm处施入牛粪。该过程使土壤松动，原土壤分层发生改变。葡萄种植样地均采用滴灌的灌溉方式，葡萄地在初期开垦翻土时施入牛粪，滴灌每月一次，每次24 h；种植7年的葡萄地依据土壤干湿状况，春、夏、秋3季平均每半月滴灌一次，每次24 h，8月份控水；肥料以牛粪为主，每两年施加一次，春季施入，平均1 500 kg·hm-2，埋于约30 cm土层。种植20年葡萄土壤灌水平均每月一次，每次20 h，每年5月、8月以滴灌形式将氮肥施入土壤，平均施加氮肥50 kg·hm-2，每3年施加一次牛粪，春季施入，平均7 500 kg·hm-2，填埋入土壤约30 cm处。

采样点选取时避开马路边缘，选择具有代表性的200 m×200 m的样区，每个样区内布设3个样方，每个样方按照对角线法选择5个点作为采样点，采集土壤剖面0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤样品。每层3点取样并混合均匀代表各层土壤样品，每个样方内的5个样点按照土壤分层进行混合，代表该样区。采集的土壤样品挑拣植物根系、凋落物、砾石后风干，使用立式行星球磨仪（PBM-1A）研磨，过0.9、0.25、0.15 mm标准筛，用于不同土壤养分指标的测定。

1.3 样品分析方法

土壤pH值采用电位法测定；土壤电导率采用电极法测定；土壤粒径采用Mastersizer 3000（英国）激光粒度仪进行测定；土壤砾石含量采用筛重法测定；土壤养分含量按照鲍士旦［7］的方法进行测定。土壤全氮采用凯氏定氮法；全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法；全钾采用氢氧化钠熔融—火焰光度法；有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用中性乙酸铵浸提—火焰光度法；有机碳采用重铬酸钾外加热法。

1.4 数据分析

使用SPSS 19.0、Excel 2007对土壤养分数据进行分析与处理。结合全国第二次土壤普查养分分级标准将土壤养分含量进行分级，对原生荒漠草原土壤样品、不同种植年限、不同深度葡萄地土壤养分指标进行相关性分析，并对其差异性进行单因素方差分析与LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限葡萄地土壤基本状况

贺兰山东麓的葡萄地由荒漠草原开垦而来，土壤砾石含量高，荒漠草原与种植1年的葡萄地土壤＞2 mm砾石平均含量为62.81%，种植7年的葡萄地土壤砾石含量为25.98%，种植20年的葡萄地土壤砾石含量为53.35%；土壤深层砾石含量高于表层。土壤平均容重为1.58 g·cm-3，土壤呈碱性，其中种植20年的土壤样地土壤pH值为7.97，这是由于有机肥的施入调节了土壤酸碱度，其他土壤pH值平均为8.48。土壤含水量：荒漠草原3.02%；种植1年葡萄地5.84%；种植7年葡萄地土壤水分含量较高，为11.61%，与长期及时滴灌有关；种植20年葡萄地土壤含水量为7.17%。就养分投入状况而言，待开垦的荒漠草原、种植1年的葡萄地未投入化肥、有机肥等肥料，种植7年的葡萄地投入少量的磷钾肥，种植20年葡萄地土壤中施入牛粪等有机肥。

2.2 土壤养分含量差异性分析

2.2.1 贺兰山东麓不同种植年限土壤养分含量差异

为了解贺兰山东麓葡萄种植区土壤养分特征，对所采集的土壤样品养分平均含量做了简单的描述统计与分级。如表1 所示，不同年限土壤全氮、全磷含量均处于较低水平，种植葡萄7年的土壤全氮含量最低，为0.39 g·kg-1；荒漠草原全磷含量最低，为0.16 g·kg-1，土壤开垦后随种植年限的延长其含量逐步增加；按照全国第二次土壤普查养分分级标准［8］，各年限土壤全钾含量均处于一级水平；荒漠草原开垦为葡萄地后，全钾含量基本随种植年限的延长而下降，种植20年的葡萄土壤受有机肥施加量的影响而增加；种植20年的土壤有机质含量最高，为11.18 g·kg-1，处于四级水平，与施肥和凋落物的积累有关；各年限速效钾含量相对较高，土壤开垦后基本呈下降趋势；种植7、20年的葡萄土壤有效磷含量较高，荒漠草原与种植1年含量低，处于六级水平。

表1 不同年限土壤有机质、养分平均含量统计与分级

土壤速效钾、有效磷含量随种植年限的延长而增加，在种植葡萄20年土壤样品中达到最高值，分别为216.13、38.37 mg·kg-1，明显高于其他年限土壤；荒漠草原、种植20年的土壤全磷、全钾、速效钾、有效磷含量之间差异达到极显著水平，表明随种植年限的延长，人为管理措施对土壤养分含量影响显著，除全钾外，全磷、速效钾、有效磷含量均明显上升。

对土壤养分含量之间的差异进行单因素方差分析与多重比较，4个处理的土壤速效钾、全磷、有效磷含量存在极显著差异；全钾含量：荒漠草原＞1年＞20年＞7年，荒漠草原土壤与种植葡萄7年、20年的葡萄地土壤全钾含量差异显著；荒漠草原土壤、种植葡萄1、7年土壤与种植葡萄20年的土壤速效钾含量存在极显著差异，种植葡萄20年的土壤速效钾含量是种植1年的2.43倍，20年＞7年＞1年＞荒漠草原；种植葡萄20年的土壤全磷、有效磷含量远高于其他年限土壤，较荒漠草原分别提高2.25、25.93倍，存在极显著差异；土壤速效钾、全磷、有效磷含量均随种植年限增加而升高。种植葡萄20年的土壤有机质含量最高，达11.63 g·kg-1；种植7年的有机质含量最低，为6.89 g·kg-1，存在极显著差异；种植7年与20年葡萄地土壤全氮含量也存在显著差异。

2.2.2 贺兰山东麓土壤养分随土层深度的变化情况

不同年限土壤养分随深度变化的方差分析结果显示：各年限土壤养分具有明显的表聚性；除全磷、全钾含量在不同深度上差异不显著之外，表层土壤全氮、有机质含量与深层含量差异极显著；种植1年、20年的土壤表层全磷含量与深层的差异达到极显著水平，种植1年的土壤表层速效钾含量与深层含量差异极显著。

除全钾之外，不同年限土壤养分含量均随土层深度增加基本呈波动下降趋势，表层土壤养分含量最高，荒漠草原表层土壤速效钾、有机质、全氮含量分别是深层土壤的5.44、5.36、6.06倍（表2）；不同年限土壤全钾含量在土壤深度约为40 cm处出现转折，开始呈逐步上升趋势，其他养分指标仍呈下降趋势，但下降速率有所变化；荒漠草原土壤全氮、全磷、有机质、速效钾含量随土层深度增加呈明显下降趋势，但种植1年的土壤养分随土层深度变化规律不明显，这与土壤开垦过程对原土壤分层扰动有关；种植7年的土壤养分含量从表层向下呈下降趋势，全磷、速效钾、有效磷到达深层时含量有所回升，这与种植7年的葡萄根系下扎深度密切相关；种植20年的葡萄土壤全氮、全磷含量在约30 cm深度上有所上升，之后继续下降，全磷、有效磷随土层深度变化幅度较大，差异规律不明显。以上分析显示土壤开垦对土壤养分随土层深度的变化规律有明显影响。

2.3 土壤养分因子Pearson相关性分析

为了解不同种植年限、不同土层深度分别与土壤养分因子之间的关系，对所研究的土壤养分因子进行Pearson相关性分析。

由表3可见，荒漠草原开垦为葡萄地后，种植7年的葡萄地土壤有效磷与全氮、有机质、速效钾呈现极显著的相关关系；从荒漠草原到种植20年，土壤开垦后，葡萄地土壤全磷与速效钾、全磷与有机质的相关性由显著水平下降为不显著后上升为显著相关，有效磷与有机质、速效钾的相关性发生变化，在种植7年时达到最大，到种植20年时相关性减弱。

表2 各年限不同深度土壤有机质、养分含量

表3 不同年限土壤有机质、养分Pearson相关性分析

对土壤养分因子的总体研究显示（表4），由于受到土壤开垦以及管理措施的影响，种植年限与土壤速效钾、全磷、有效磷存在极显著的强正相关关系（确定标准为相关系数大于0.6［9］），但与全钾呈极显著负相关关系，这是因为全钾主要来源于母岩，含量受人为影响小，而受葡萄生长消耗影响较大；土层深度与速效钾、有机质、全氮呈极显著强负相关关系，与全磷呈显著的负相关关系，主要与葡萄生长及根系深度有关。就土壤养分指标之间的相关性而言，土壤全钾与速效钾、全磷、有效磷呈显著负相关；速效钾、全磷与其他养分因子之间多数呈极显著的相关关系。以上分析结果表明荒漠草原开垦后，贺兰山东麓葡萄种植区种植年限与土壤深度对土壤养分状况的影响较为强烈，土壤养分因子之间的关系极为密切，某一养分因子的变化会引起其他土壤养分的明显增减。

表4 葡萄土壤养分因子Pearson相关性分析

3 讨论

3.1 土壤养分随种植时间的变化情况

土壤养分现状分析结果显示，荒漠草原开垦后，不同养分指标随着种植年限的增加及农业管理措施干预在土壤中有不同程度的累积，这与刘建霞等［10］、朱余清等［11］的研究成果一致。在荒漠草原开垦为葡萄地过程中对土壤进行翻动，荒漠草原植被的植株和根系对土壤养分的归还，辅之以管理措施的干预，在较短时间内恢复和提高了土壤的生产力，改善了土壤环境质量，随着种植年限的延长以及农业管理措施的干预，枯枝落叶和有机肥料在土壤中腐解，土壤速效钾、全磷、有效磷含量均明显上升。但由于土壤中的全钾主要来源于成土母质［12］，外源施肥料以表层添加氮肥为主，对全钾的补给量较少，随着种植年限的增加，增施化肥促进葡萄生长的同时会加速对土壤中全钾的消耗，补给量小于消耗量，导致土壤中的全钾含量逐步下降，因此全钾含量随种植年限的延长呈快速下降趋势。种植葡萄20年的土壤全钾含量出现小幅度上升是由于为满足葡萄生长以及产量需求，种植户施用了大量牛粪作为肥料，而牛粪中所含有的养分十分丰富，不仅使其他养分得到大幅度提升，也补充了土壤中全钾缺失的状况，而种植7年的葡萄地施用牛粪次数少，作用不够显著，因此种植20年葡萄地较7年的土壤全钾含量高，种植葡萄20年的土壤中，除全钾以外的其他养分含量较其他年限均为最高。

3.2 土层深度对土壤养分状况的影响

荒漠草原与葡萄地土壤养分含量均具有明显的表聚性［13］，这是由于表层土壤较为疏松，通气性、结构性好［14］，能够及时接受水分输入；此外，表层土壤中微生物较多，使累积凋落物分解转化为土壤养分，能够改善表层土壤养分状况；随着荒漠草原的开垦、种植年限的延长以及相应的管理措施干预，土壤表层养分逐步提升。

除全钾外，大部分土壤养分指标随土壤深度的变化情况基本呈波动下降趋势，数据分析结果显示：葡萄地土壤养分指标在深度约为30～40 cm处发生变化，土壤全钾的变化由此发生转折，荒漠草原土壤、种植葡萄1年的土壤全钾在30 cm处变化情况发生转变，而种植葡萄7、20年的土壤全钾含量在40 cm处变化情况发生转折，这是由于荒漠草原以及种植1年的葡萄根系一般分布在地下30 cm以内，下扎较浅，而种植7、20年的葡萄根系发达，下扎较深，由地表向下30～40 cm处受植物根系量的影响，全钾含量逐渐减少，继续向下时植物根系减少，土壤全钾含量逐渐接近成土母质含钾量。而速效钾、有机质、全氮不同于全钾，土壤表层易从肥料中得到补充，但深层难以获得补给，因此由表层向下含量逐渐减少，在根系较为密集的土层下降较快，随着土层加深，植被根系的减少，对土壤养分的吸收速率减缓。

荒漠草原土壤养分含量随土层深度增加呈下降趋势，土地开垦后，这一规律有所变化，在小范围内有所波动，且随种植时间的延长，在一定深度养分聚集。种植葡萄20年的土壤全磷、有效磷、有机质、全氮等养分指标在约30 cm处养分含量较高，这是由于长期在约30 cm的土层施肥，导致该深度区域附近土壤养分集聚。随土壤深度增加，仍呈下降趋势。

3.3 土壤养分因子间的相关关系

相关性分析显示研究区土壤各养分因子之间存在着不同强度、不同方向的相关性，表明土壤养分因子之间的关系较为密切［13］，存在协同和拮抗作用［15］，可以用其综合反应土壤肥力水平。有机质与全磷、有效磷、全氮、速效钾存在显著正相关关系，与其他学者［13，16-17］的研究成果一致；有机质与全氮之间存在极显著的正相关关系，这与查燕［18］的研究结果一致；王宏燕等［19］对哈尔滨黑土土壤生态系统碳氮功能耦合进行研究时也证明有机质是影响黑土土壤氮素的主要因子。这是由于土壤中的有机质主要来源于根系分泌物和凋落物的分解转化，而氮素也大多来源于植物凋落物的返还、死亡的细根和根系分泌的有机物［20］，因此，有机质与全氮高度耦合［21-22］。速效钾、有效磷与有机质、全氮呈极显著正相关关系，表明土壤中速效养分主要来源于有机质的微生物分解［23］。全磷与其他土壤养分因子呈现不同程度、不同方向相关性，且相关性较强，表明全磷受管理措施的影响非常大，就与其他养分因子的相关性来看，全磷能够促进植物对其他养分的吸收［15］。

4 结论

荒漠草原土壤开垦后，随种植年限的增加以及农业管理措施的干预，多数养分指标均呈上升趋势，从荒漠草原开垦到种植葡萄7年，土壤全钾含量呈下降趋势。总体来看，荒漠草原土壤开垦为葡萄地后，随种植年限的增加以及管理措施的干预，土壤的整体养分水平提升。

土壤养分随深度变化规律总体为随土壤深度的增加，除全钾含量呈先下降后上升之外，多数土壤养分因子呈波动下降趋势。荒漠草原开垦为葡萄地后，该规律在约30～40 cm处发生小幅度变化，但随种植年限的延长趋于稳定。

土壤养分因子之间的关系密切，且较为复杂，存在协同或拮抗作用，可以用其综合反映土壤肥力水平。