崇明三岛柑橘园土壤养分特征研究

王庆峰,褚长彬,赵 峥,周德平,吴淑杭

(上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403)

崇明、横沙、长兴三岛为长江口冲积岛屿,是世界上最大的河口冲积岛,总耕地面积57 200 hm2,土壤类型以砂质壤土为主,土壤有机质含量低,保水、保肥性差[1]。崇明三岛是我国重要的柑橘北缘产区之一,柑橘总栽培面积约8 000 hm2,占上海市柑橘栽培总面积的80%左右[2]。近年来,崇明三岛柑橘生产管理粗放,产量波动较大,“大小年”现象十分明显。在雨水较多的年份,柑橘病害发生严重,果实品质受到较大影响[3]。

施肥是改善土壤状况,促进柑橘丰产、稳产的重要措施。许多研究表明,施肥种类、施肥深度、施肥时间以及施肥方法等均可以影响柑橘的产量和质量。如陈大超等[4]研究发现,有机肥施用量为20 t/hm2、施肥深度为40 cm时,不仅能够提高土壤中碱解氮、有效磷、速效钾和有机质的含量,还能够提高柑橘叶片中全磷、全钾等营养元素的含量,以及果实中可滴定酸、总糖以及可溶性固形物的含量,从而提高柑橘的品质和产量;李清南等[5]研究发现,在柑橘生长的不同时期施肥能够提高柑橘对于氮素的利用率,提高柑橘的生物量;另外,施用有机肥还可以降低柑橘粉虱的卵和若虫的数量,从而降低煤污病的发病程度[6]。柑橘是多年生常绿果树,开花量大,挂果时间长,对养分的需求量大[7]。近年来,果农为提高柑橘的产量,向土壤表面施用了大量的化肥、有机肥等,使得上下层土壤肥料差异明显。

根据土壤养分状况进行科学施肥,不仅能够提高柑橘产量、减少化肥过量投入,实现柑橘园养分的高效利用,同时也能减少养分流失所导致的环境风险。本研究以崇明三岛(崇明岛、横沙岛和长兴岛)柑橘园中的土壤为研究对象,考察不同柑橘园中上层土壤和下层土壤的养分特征,以期为崇明三岛柑橘种植的养分管理和科学施肥提供依据,实现崇明三岛柑橘产业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于崇明三岛(31°28′N,121°36′E),包括崇明岛、横沙岛和长兴岛内的柑橘园。崇明三岛位于长江三角洲入海口,属长江三角洲冲积平原的一部分,地势低平[8],为亚热带潮湿型季风气候,平均海拔4 m,年降水量1 120 mm,年均气温15.2—15.9℃,无霜期约250 d,土壤类型为滨海潮滩盐土、砂质壤土等[9]。崇明三岛是世界上最大的河口冲积岛屿,柑橘是崇明三岛的主栽果树之一,其产业在保障果农增收和改善生态环境等方面发挥着重要作用。

1.2 样品采集和分析

在崇明三岛的柑橘园内,按“S型”五点采样法采集样品,每个样点分0—20 cm和20—40 cm的上、下层土壤,其中上层土壤的5个样点混成一个上层混合土样,下层土壤的5个样点混成一个下层混合土样。分别在崇明岛、横沙岛和长兴岛选择30个、20个和10个柑橘园,每个柑橘园中采集两个混合土壤(上层1个,下层1个),共分别采集60个、40个和20个混合土样。样品采集后立即装入自封袋带回实验室,剔除植物根系、石块后过2.0 mm筛,于室温下风干、研磨,用于土壤理化性质的测定。土壤pH利用Mettler Toledo pH仪进行测定(点位法)。土壤有机质、大量元素(氮、磷、钾)、中量元素(钙、镁、硫)以及微量元素(铁、铜、锰、锌、硼)等土壤养分状况采用ASI法(Agro Services Interna tional Inc.)进行分析测定[10]。ASI法检测结果分级标准如表1所示。

表1 ASI法土壤养分分级标准Table 1 Grading standard for ASI analysis method

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2013和SPSS 20.0软件进行分析。不同岛屿柑橘园土壤理化性质差异显著性采用单因素方差分析(One-way ANOVA);上层土壤和下层土壤理化性质差异采用配对样本t检验(Pairedsamplesttest)进行分析;使用Origin 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 崇明三岛柑橘园土壤pH和有机质含量特征

如图1所示,崇明三岛柑橘园的上层土壤pH均极显著低于下层土壤(P＜0.01),其中崇明岛、横沙岛和长兴岛柑橘园上层土壤pH分别比下层土壤低0.18、0.35和0.12。不同岛屿柑橘园下层土壤pH没有显著差异(P＞0.05),而上层土壤pH差异显著(P＜0.05)。长兴岛柑橘园上层土壤pH平均为8.35,显著高于横沙岛柑橘园上层土壤(pH 8.05),而与崇明岛柑橘园上层土壤(pH 8.25)差异不显著。

图1 崇明三岛柑橘园土壤pH特征Fig.1 Soil pH characteristics of citrus orchard in Chongming three islands

如图2所示,崇明岛、横沙岛和长兴岛有机质平均含量分别为7.6 mg/kg、7.1 mg/kg和6.3 mg/kg。根据ASI法土壤养分分级标准,崇明三岛土壤有机质处于中等水平。崇明三岛柑橘园上层土壤有机质含量极显著高于下层土壤,崇明岛、横沙岛和长兴岛柑橘园上层土壤有机质含量分别比下层土壤高1.1 mg/kg、1.7 mg/kg和1.4 mg/kg。不同岛屿柑橘园上层土壤有机质含量差异不显著,而下层土壤有机质含量崇明岛最高(8.2 mg/kg±0.8 mg/kg),横沙岛次之(8.0 mg/kg±1.8 mg/kg),长兴岛最低(7.0 mg/kg±1.2 mg/kg)。

图2 崇明三岛柑橘园土壤有机质含量特征Fig.2 Soil organic matter content characteristics of citrus orchard in Chongming three islands

2.2 崇明三岛柑橘园土壤大量元素特征

由图3可知,崇明岛、横沙岛和长兴岛柑橘园土壤(0—40 cm)大量元素氮平均含量分别为22.7 mg/L、16.5 mg/L和9.8 mg/L,磷平均含量分别为26.0 mg/L、66.3 mg/L和29.4 mg/L,钾平均含量分别为30.0 mg/L、114.7 mg/L和42.2 mg/L。崇明三岛柑橘园上层土壤速效氮含量为13—27 mg/L,而下层土壤为7—18 mg/L,横沙岛和长兴岛的柑橘园上层土壤速效氮含量显著或极显著高于下层土壤,而崇明岛柑橘园上层土壤速效氮含量与下层土壤差异不显著;崇明三岛柑橘园上层土壤有效磷和速效钾含量均极显著高于下层土壤,其中上层土壤有效磷含量为47—117 mg/L,下层土壤为5—15 mg/L;上层土壤速效钾含量为38—154 mg/L,下层土壤为22—75 mg/L。不同岛屿柑橘园上层土壤速效氮含量差异不显著;而崇明岛柑橘园下层土壤速效氮含量显著高于长兴岛柑橘园下层土壤,但与横沙岛柑橘园下层土壤差异不显著。不同岛屿柑橘园上层土壤和下层土壤有效磷和速效钾变化趋势相似,横沙岛柑橘园土壤有效磷和速效钾含量高于崇明岛和长兴岛柑橘园土壤。

图3 崇明三岛柑橘园土壤大量元素含量特征Fig.3 Content characteristics of major elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

2.3 崇明三岛柑橘园土壤主要中量元素特征

如图4所示,长兴岛柑橘园上层土壤钙含量极显著高于下层土壤,而崇明岛和横沙岛柑橘园上层土壤钙含量与下层土壤差异不显著。崇明岛和横沙岛柑橘园上层土壤硫含量显著低于下层土壤,而长兴岛柑橘园上层土壤硫含量和下层土壤差异不明显。崇明岛柑橘园上层土壤镁含量显著低于下层土壤,而其他两岛无显著差异。长兴岛柑橘园上层土壤钙含量显著高于崇明岛上层土壤,但与横沙岛上层土壤差异不显著;不同岛屿柑橘园下层土壤钙、镁、硫含量无显著差异。崇明岛柑橘园土壤镁含量显著低于其他两岛。

图4 崇明三岛柑橘园土壤中量元素含量特征Fig.4 Content characteristics of medium elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

2.4 崇明三岛柑橘园土壤主要微量元素特征

图5 崇明三岛柑橘园土壤微量元素含量特征Fig.5 Content characteristics of trace elements in soi of citrus orchard in Chongming three islands

如图4所示,崇明三岛柑橘园上层土壤铁和锌含量均极显著高于下层土壤,横沙岛柑橘园上层土壤锰含量显著高于下层土壤,其他两岛柑橘园上下层土壤锰含量差异不显著。不同岛屿柑橘园土壤微量元素也存在差异,在上层土壤中,横沙岛柑橘园土壤铁含量显著高于崇明岛和长兴岛;不同岛屿柑橘园上层土壤铜和硼含量差异显著,上层土壤含量达到2.3—4.9 mg/L,硼含量全部高于0.8 mg/L,处于高和极高水平(表1),而下层土壤差异不显著,其中崇明岛柑橘园上层土壤铜含量显著低于横沙岛和长兴岛,而横沙岛上层土壤硼含量高于崇明岛(P＞0.05)和长兴岛(P＜0.05)。不同岛屿柑橘园下层土壤锌含量差异显著,为崇明岛＞横沙岛＞长兴岛。

3 讨论

土壤有机质在增强土壤供肥和保肥能力,提高土壤养分有效性和促进土壤团粒结构的形成方面发挥着重要作用,是评价土壤质量的重要指标[11]。研究表明,在农田、草地和森林土壤中,上层土壤有机质含量高于下层土壤[12]。本研究也表明,崇明三岛柑橘园上层土壤有机质含量显著高于下层土壤,其原因可能是长期施肥、植物凋落物腐解等促进了上层土壤有机质的积累。尽管柑橘园上层土壤有机质含量显著高于下层土壤,但崇明三岛土壤的有机质含量还是处于较低水平[10]。何翠翠等[13]调查发现,海南岛芒果园土壤有机质含量在11.2—17.2 mg/kg,其平均施用有机肥为333.33 kg/hm2。崇明三岛有机质含量仅为6.3—7.6 mg/kg,说明崇明三岛的有机肥施用量较低,未来需要加大崇明三岛柑橘园的养分管理,如多施有机肥、秸秆覆盖和林下生草等措施,促进柑橘园土壤有机质的积累。柑橘园表层土壤有机质含量高,不利于柑橘树根系向深处生长,影响柑橘树对环境变化的响应,如易受雨水和干旱的影响等。

土壤pH是影响土壤地力的重要因素,土壤pH过高或过低会抑制作物对养分的吸收并导致作物生物量降低和减产[14]。Guo等[15]研究表明,由于不合理的农艺措施,我国大部分农田土壤处于酸化状态,其中经济作物区的pH降低了0.30。本研究中,崇明三岛柑橘园上层土壤pH显著低于下层土壤,说明土壤上层土壤受到的干扰大于下层土壤,与前人研究结果一致[12]。崇明三岛下层土壤的pH差异不显著,而上层土壤的差异达到显著水平,这可能与不同地区的施肥方式和施肥量有关,因为土壤pH的降低主要与氮肥的施用量有关[15-16]。

土壤速效养分是反映柑橘可利用营养元素的重要指标。崇明三岛柑橘园上层土壤速效氮含量高于下层土壤,其中上层土壤速效氮含量在13—27 mg/L,而下层土壤在7—18 mg/L。这可能是因为长期面施肥料以及植物凋落物腐解使土壤上层的速效氮含量增加。上层土壤有效磷含量显著高于下层土壤,其中上层土壤含量在47—117 mg/L,而下层土壤在5—15 mg/L,说明人们对柑橘园施入太多磷肥,上层土壤速效磷含量达到了高和极高水平[10],含量过高的速效磷容易通过地表径流、农田排水和地下渗漏等过程流入水体,从而导致水质污染[17]。上层土壤有效钾含量显著高于下层土壤,其中上层土壤速效钾含量在38—154 mg/L,而下层土壤在22—75 mg/L。以上研究结果表明,崇明三岛柑橘园内土壤表现为上肥下瘦的特点,这可能是因为长期只将各种肥料施在柑橘园的土壤表面而没有通过沟施或者穴施的方式施到深层土壤。另外,柑橘吸收根系多集中于40 cm甚至更深的土层中[18],植物根系吸收下层土壤的养分也可能造成柑橘园土壤养分上肥下瘦的特点。因此,未来对柑橘园进行养分管理时,要注意进行沟施或穴施,提高下层土壤的养分含量。

土壤中量元素参与作物多种生理生化过程以及化合物的形成,中量元素缺乏直接影响作物的生长发育,最终影响作物的产量和品质[19]。崇明三岛柑橘园土壤钙含量处于高水平[10],这可能是因为崇明三岛柑橘园土壤系由长江新冲积物母质发育而成,具有强烈的石灰反应而含有一定量的CaCO3[20]。土壤镁含量处于中高水平,且上层土壤比下层土壤含量高,这可能与长期施用钾肥有关,因为在作物吸收过程中,钾和镁之间具有拮抗作用[21]。上层土壤硫含量低于下层土壤,究其原因可能是人们对上层的扰动较大,土壤硫素通过雨水径流等流失了[22]。

土壤微量元素虽然含量较低,但其对生物体和非生物体的影响却不容忽视。当植物缺乏某种微量元素,会抑制植物的生长发育,影响产品质量;当环境中微量元素过高时,会造成土壤重金属污染,最终影响人类健康。崇明三岛微量元素含量处于中高或极高水平,其中长兴岛和横沙岛上层土壤的铜含量达到极高水平,3个岛屿的土壤硼含量也都达到了极高水平,说明这些地区可能有重金属污染的趋势。另外,上层土壤铁、铜和锌的含量显著高于下层土壤,说明人类活动可能是引起微量元素增加的主要原因。而硼含量在上层土壤和下层土壤差异不明显,说明在崇明三岛硼的本底值较高。

总的来说,目前崇明三岛柑橘园上层土壤养分含量高于下层土壤,但有机质含量较低,上层土壤pH低于下层土壤,土壤微量元素如铜、硼等含量处于极高水平。鉴于有机肥在调控土壤养分和pH中的作用,柑橘园的养分管理方式应适当做出调整,如加大有机肥的施入量、深施有机肥、加强下层土壤养分的投入。这不仅能够节约生产投入,提高柑橘的经济效益,同时也能实现柑橘园养分的高效利用,增加柑橘抗外界干扰的能力。此外,养分管理方式的改变也有利于改善柑橘园土壤环境,有助于实现崇明三岛规模化柑橘生产的可持续发展。