基于養(yǎng)分含量和生化性狀的南京城郊設(shè)施蔬菜土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

江春玉，李忠佩，張 怡，李 明，劉 明

(中國科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

土壤具有為植物生長提供介質(zhì)、調(diào)節(jié)與貯藏水資源、為土壤微生物和動(dòng)物的活動(dòng)提供支持以及作為環(huán)境緩沖器的服務(wù)功能，而土壤的這4項(xiàng)主要功能構(gòu)成了土壤質(zhì)量的基本要素。土壤質(zhì)量的下降有時(shí)十分明顯，例如不合理的土地利用導(dǎo)致的土壤退化，但是通常這一過程很緩慢且難以察覺，往往在相當(dāng)長的一段時(shí)間后才在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量上顯現(xiàn)出來［1］。所以，勢(shì)必要建立土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)措施和確保農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商品化、現(xiàn)代化的集中體現(xiàn)［2］，但是，設(shè)施土壤長期處在高復(fù)種指數(shù)、高施肥量、高溫高濕、高蒸發(fā)量、無雨水淋洗及反季節(jié)栽培等特殊環(huán)境下，其物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀容易發(fā)生變化［3］。隨著設(shè)施栽培規(guī)模的不斷擴(kuò)大，種植年限的不斷增長，設(shè)施土壤中出現(xiàn)的酸化板結(jié)、鹽漬化、養(yǎng)分失調(diào)、重金屬累積、微生物區(qū)系變化等現(xiàn)象日趨顯著［4-5］，深入了解設(shè)施土壤的質(zhì)量變化顯得至關(guān)重要。至2008年末，南京市設(shè)施蔬菜總面積達(dá)1.067×104hm2，占全市蔬菜播種面積的11%左右，其中高檔鋼架大棚、高架防蟲網(wǎng)、連棟溫室等比例顯著提高［6］。因此，本文以南京近郊的蔬菜土壤為研究對(duì)象，測定其常見理化和生物學(xué)性狀指標(biāo)，并采用主成分分析法進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，以期為提出針對(duì)性的耕作管理措施和改善設(shè)施土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選擇南京城郊鎖石、谷里、西寇、江心洲和滄波門5個(gè)代表性的蔬菜基地為采樣地點(diǎn)。5個(gè)蔬菜基地均以大、中棚為主，棚齡3～12年，江心洲地區(qū)土壤為灰潮土，其他地區(qū)土壤類型均為黃棕壤。

2011年1月至3月期間，根據(jù)作物種類和種植年限的差異，采用多點(diǎn)混合法在5個(gè)蔬菜基地分別采集 0～20 cm大棚土壤樣品6、4、4、3和3份，共計(jì)20份。同時(shí)各基地采集露天菜地土壤1份作為對(duì)照。土樣采回后揀去肉眼可見的植物殘?bào)w及石礫，取部分新鮮土樣過2.00 mm篩后，4℃保存;其余土樣室內(nèi)風(fēng)干，分別過2.00 mm、1.00 mm和0.25 mm篩后備用。

1.2 測試項(xiàng)目及方法

土壤pH值(土水比1∶2.5，質(zhì)量體積比)采用pH計(jì)測定;土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;土壤全氮含量采用開式法測定;土壤速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定;速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［7］。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用2 mol/L KCl浸提［7］，連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3，SEAL，英國)測定。土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定［8］，以 1 g土壤反應(yīng)24 h后產(chǎn)生葡萄糖的毫克數(shù)表示;土壤脲酶活性采用靛酚比色法測定［8］，以1 g土壤反應(yīng)24 h后產(chǎn)生NH3-N的毫克數(shù)表示。

土壤微生物生物量碳(Cmic):采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提?。?］，TOC 自動(dòng)分析儀(Multi N/C3100，德國耶拿)測定，根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理土壤提取液中有機(jī)碳含量之差，乘以系數(shù)2.64，求得Cmic。微生物商(Cmic/Corg)為微生物生物量碳含量與土壤有機(jī)碳的比值(%)。土壤微生物功能多樣性采用BIOLOGECO微平板測定;微生物碳代謝活性采用微平板每孔顏色平均變化率(AWCD)來描述;土壤微生物代謝多樣性采用功能多樣性指數(shù)(Shannon index)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Simpson index)和均勻度指數(shù)(McIntosh index)來評(píng)價(jià)［10-11］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS 15.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析和主成分分析［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤p H值和養(yǎng)分含量的變化

分析供試大棚和露天菜地耕層土壤的理化性狀，結(jié)果顯示，土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量的變化范圍分別為4.33～7.48、19.4 ～ 50.2 g/kg、0.50 ～ 1.31 g/kg、24.6 ～344.9 mg/kg和124.2～550.5 mg/kg，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的范圍為22.0～555.7 mg/kg和3.7～176.8 mg/kg。土壤養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分管理和合理施肥的基礎(chǔ)，其變異系數(shù)是土壤性質(zhì)的內(nèi)在反映，能夠區(qū)別不同土壤養(yǎng)分對(duì)外界條件的敏感性［13］。供試土壤pH值和養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)表現(xiàn)為銨態(tài)氮(136.2%)＞硝態(tài)氮(73.4%)＞速效磷(55.2%)＞速效鉀(43.5%)＞全氮(24.3%)＞有機(jī)質(zhì)(22.3%)＞pH值(17.5%)，土壤速效養(yǎng)分對(duì)大棚使用、種植方式、施肥條件等環(huán)境因素變化更為敏感。

按照沈漢等提出的菜地土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［14］，64%供試土壤的pH值處于優(yōu)良狀態(tài)(5.5～7.5)，80%供試土壤的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)中上水平(＞30.0 g/kg)，而64%供試土壤的全氮含量較低(＜1.0 g/kg)，64%土壤的速效磷、96%土壤的速效鉀和64%土壤的硝態(tài)氮含量處于豐富狀態(tài)(分別 ＞90 mg/kg、＞150 mg/kg和＞100 mg/kg)，因此應(yīng)適當(dāng)降低南京城郊菜地肥料的投入。

比較各蔬菜基地間理化性狀的差異(表1)，江心洲地區(qū)大棚土壤的pH值高于其他地區(qū)，而有機(jī)質(zhì)、全氮及速效養(yǎng)分含量均明顯低于其他地區(qū)，這可能與江心洲地區(qū)的土壤母質(zhì)異于其他地區(qū)有關(guān)。谷里和鎖石地區(qū)大棚土壤的pH值顯著低于露天土壤，且低于大多數(shù)蔬菜適宜生長的pH 6.0～6.8［15］。與露天土壤相比，5個(gè)蔬菜基地設(shè)施栽培地土壤 pH值下降0.83個(gè)單位，表明設(shè)施栽培加速了土壤的酸化過程。土壤酸化可能與土壤環(huán)境局部變化及施肥的品種和數(shù)量有關(guān)［16］，可通過增施有機(jī)肥、減少酸性肥料和施用生理堿性肥料等措施調(diào)節(jié)土壤pH值。

由表1可知，大棚土壤的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量普遍高于露天土壤，在鎖石和谷里地區(qū)尤為明顯。供試菜地積累的速效態(tài)氮以硝態(tài)氮為主。相對(duì)于露天菜地，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在5個(gè)蔬菜基地設(shè)施栽培地的耕層土壤中有明顯累積，其含量分別是露天菜地的1.6倍和6.0倍，這是由設(shè)施大棚內(nèi)土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈、深層土壤速效氮隨水分上移而造成的。此外，蔬菜種植類型也是影響南京城郊土壤養(yǎng)分積累的重要因素，長期種植葉菜類蔬菜土壤(江心洲和滄波門地區(qū))的全氮、速效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量低于茄果類蔬菜土壤(鎖石、谷里和西寇地區(qū))。

表1 土壤pH值和養(yǎng)分含量Table 1 p H values and nutrient contents of the soil samples

2.2 土壤酶活性、微生物生物量和群落功能多樣性的變化

土壤酶活性能反映土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化以及各種農(nóng)業(yè)措施的作用效果，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一［17］。結(jié)果(表2)顯示，谷里和江心洲地區(qū)大棚土壤轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于露天土壤，其他地區(qū)大棚和露天土壤之間轉(zhuǎn)化酶活性無顯著性差異;谷里和滄波門地區(qū)大棚土壤脲酶活性顯著高于露天土壤，其他地區(qū)兩者無顯著差異;西寇地區(qū)大棚及露天土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性均高于其他地區(qū)。土壤脲酶活性的增加可能與大量和長期施用化肥氮有關(guān)。李粉茹等［18］認(rèn)為土壤脲酶活性對(duì)菜地年齡和菜地類型的反應(yīng)最敏感。

5個(gè)蔬菜基地設(shè)施土壤微生物生物量碳含量(Cmic)和微生物商(Cmic/Corg)分別比露天菜地低33.3%和51.6%，其中鎖石和西寇地區(qū)大棚土壤的Cmic含量和Cmic/Corg值均顯著低于同地區(qū)露天種植土壤(表2)。微生物商是反映生態(tài)系統(tǒng)變化及應(yīng)變狀況的可靠的微生物參數(shù)，處于平衡狀態(tài)的土壤-植物系統(tǒng)中Cmic應(yīng)為穩(wěn)定值，在農(nóng)業(yè)土壤中微生物商約為2.0% ～4.0%［19］。而本研究供試蔬菜土壤的微生物商普遍低于2.0%。較低的Cmic/Corg值可能意味著碳源的“平均可利用性”較低，即大部分碳源不易為微生物所利用，微生物的代謝活性也較低［20］。

微平板每孔顏色平均變化率(AWCD)可以表征微生物利用不同碳源的整體能力，由表2結(jié)果可知，培養(yǎng)96 h的AWCD趨于穩(wěn)定，滄波門和谷里地區(qū)大棚土壤AWCD顯著高于露天土壤，而江心洲地區(qū)則顯著低于露天土壤。以96 h的AWCD數(shù)據(jù)進(jìn)行微生物代謝多樣性分析，除滄波門地區(qū)外，其他地區(qū)設(shè)施大棚土壤的微生物物種豐富度、優(yōu)勢(shì)度和均一度均低于同地區(qū)露天土壤。整體而言，與露天土壤相比，大棚土壤微生物物種豐富度和優(yōu)勢(shì)度下降，設(shè)施栽培條件下土壤優(yōu)勢(shì)微生物物種多樣性降低。

表2 土壤的酶活性、微生物生物量和群落功能多樣性Table 2 The enzyme activities，microbial biomass and community functional diversities of the soil samples

2.3 土壤理化性狀指標(biāo)之間的相關(guān)性

對(duì)25個(gè)供試土壤樣品的性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，表3列出了棚齡、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量、轉(zhuǎn)化酶活性、脲酶活性、微生物生物量碳、微生物商、AWCD值、功能多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)等16個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系?？梢钥闯?，棚齡與土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，大棚種植年限的增加有利于土壤養(yǎng)分的積累。土壤pH值與轉(zhuǎn)化酶活性和微生物商呈顯著正相關(guān)，與速效磷和銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，可見大棚土壤pH值下降會(huì)降低土壤微生物代謝活性、提高磷的遷移率和銨態(tài)氮的穩(wěn)定性。土壤速效鉀含量與有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量的增加可以提高土壤膠黏吸附的鉀離子數(shù)量，從而增加土壤速效鉀含量。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與功能多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，土壤中過高的速效氮含量會(huì)影響微生物的多樣性。表明AWCD值和均勻度指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，表明供試土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低直接影響土壤微生物對(duì)碳源的利用和物種均一度。

表3 土壤理化性狀指標(biāo)的相關(guān)性Table 3 Correlations between physical and chemical properties parameters of soil

2.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

主成分分析法是土壤質(zhì)量定量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法［21］，可在復(fù)雜的土壤健康指標(biāo)體系中篩選出若干個(gè)彼此不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，且能反映出原來全部指標(biāo)所提供的大部分信息，因此本文采用主成分分析來綜合評(píng)價(jià)供試蔬菜土壤的土壤質(zhì)量。選取棚齡、土壤pH值、養(yǎng)分含量、轉(zhuǎn)化酶活性、微生物生物量碳和土壤微生物多樣性等15個(gè)因子作為主成分分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求出矩陣的特征值和特征向量，計(jì)算特征值的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率(表4)。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率≥85%的原則提取前5個(gè)主成分，5個(gè)主成分對(duì)于總方差的貢獻(xiàn)率分別是28.88%、25.77%、14.74%、10.57%和6.25%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.20%，即前5個(gè)主成分能把土壤全部指標(biāo)提供信息的86.20%反映出來。因此，利用主成分分析供試土壤健康質(zhì)量是可靠的。

土壤有機(jī)碳和全氮含量與土壤肥力水平密切相關(guān);AWCD值、微生物優(yōu)勢(shì)度和均勻度反映了土壤微生物多樣性特征;微生物商和功能多樣性指數(shù)反映了土壤微生物代謝活性和多樣性;pH值、棚齡等則反映了土壤目前所處的環(huán)境和速效養(yǎng)分狀況。在第1主成分上，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、AWCD值、微生物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)有較大的正值，在第2主成分上，pH、微生物商和功能多樣性指數(shù)有較大的正值，棚齡、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮有較大的負(fù)值(表4)。

表4 主成分分析結(jié)果Table 4 Results of principal component analysis

根據(jù)主成分計(jì)算公式Fk=ak1ZX1+ak2ZX2+……+akpZXp，其中:Fk為第k個(gè)主成分值，ak1、ak2……akp為系數(shù)矩陣，ZX1、ZX2……ZXp為原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值，可得到5個(gè)主成分與原15項(xiàng)指標(biāo)的線性組合如下:F1=0.17ZX1+0.05ZX2+0.41ZX3+0.38ZX4+0.08ZX5+0.37ZX6+0.03ZX7+0.15ZX8+0.17ZX9+0.27ZX10+0.14ZX11+0.38ZX12－0.03ZX13+0.30ZX14+0.37ZX15，F(xiàn)2= － 0.23ZX1+0.38ZX2－0.12ZX3－0.12ZX4－0.34ZX5－0.21ZX6－0.30ZX7－0.33ZX8+0.07ZX9+0.22ZX10+0.32ZX11+0.13ZX12+0.37ZX13+ 0.31ZX14+0.09ZX15，F(xiàn)3=0.09ZX1+0.16ZX2+0.10ZX3+0.30ZX4+0.01ZX5－0.15ZX6+0.25ZX7－0.08ZX8+0.32ZX9+0.40ZX10+0.40ZX11－0.34ZX12－0.14ZX13－ 0.25ZX14－0.39ZX15，F(xiàn)4=0.07ZX1－0.29ZX2+0.23ZX3+0.07ZX4+0.50ZX5－0.12ZX6－0.13ZX7－0.26ZX8－0.56ZX9+0.23ZX10+0.18ZX11－0.06ZX12+0.33ZX13－0.01ZX14－0.06ZX15，F(xiàn)5= －0.62ZX1－0.42ZX2－0.13ZX3+0.06ZX4+0.08ZX5－0.25ZX6+0.15ZX7+0.47ZX8+0.09ZX9+0.11ZX10+0.22ZX11+0.05ZX12+0.04ZX13+0.19ZX14+0.04ZX15，

將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入到以上公式，可得到25個(gè)土壤樣品分別在5個(gè)主成分上的得分。再根據(jù)F=ΣbjFj=b1F1+b2F2+…+bkFk，其中:F為綜合主成分值，F(xiàn)1、F2……FK為每個(gè)主成分值，b1、b2……bk為相應(yīng)的貢獻(xiàn)率，得 F=0.288 8F1+0.257 7F2+0.147 4F3+0.105 7F4+0.602 5F5，從而求得綜合得分F(表5)。由結(jié)果可知，相比較而言，鎖石地區(qū)供試土壤間健康質(zhì)量相差較大，而谷里和滄波門地區(qū)，同地區(qū)土壤健康質(zhì)量差異不明顯，可見大棚蔬菜種類和種植方式的差異直接影響土壤質(zhì)量的變化，增加種植蔬菜的種類和減少連作可防止或減緩大棚土壤質(zhì)量的退化。5個(gè)蔬菜基地中，西寇地區(qū)土壤健康質(zhì)量較好，適宜蔬菜生長;谷里和江心洲地區(qū)土壤綜合得分普遍較低，結(jié)合土樣分析結(jié)果可知，這2個(gè)地區(qū)的微生物生物量、代謝活性和微生物多樣性均較低，另外，谷里地區(qū)酸化明顯、速效養(yǎng)分含量較高，而江心洲地區(qū)土壤肥力水平較低，因此應(yīng)根據(jù)土壤性質(zhì)的變化，有針對(duì)性地采取改善設(shè)施土壤質(zhì)量的措施。

表5 主成分綜合得分和供試土壤質(zhì)量排名Table 5 Overall scores of principal components and ranking of soil quality

3 結(jié)論

(1)土壤酸化、速效養(yǎng)分積累、微生物多樣性降低是南京城郊設(shè)施菜地土壤的重要特征:與露天土壤相比，設(shè)施土壤的pH值下降0.83個(gè)單位，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別提高63%和5.0倍，64%和96%土壤的速效磷和速效鉀含量處于非常豐富的狀態(tài);設(shè)施土壤微生物物種豐富度和優(yōu)勢(shì)度下降，設(shè)施栽培使土壤優(yōu)勢(shì)微生物物種多樣性降低。

(2)棚齡與土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷鉀含量呈顯著正相關(guān)，表明設(shè)施年限的增加有利于土壤肥力的積累。土壤pH值與土壤轉(zhuǎn)化酶活性和微生物商呈顯著正相關(guān)，與速效磷和銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，設(shè)施土壤pH值下降會(huì)導(dǎo)致土壤微生物代謝活性的降低和磷素遷移率的增加。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與功能多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，土壤中過高的速效氮含量會(huì)影響微生物的多樣性。

(3)主成分分析法可用于南京城郊蔬菜土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，前5個(gè)主成分能反映15個(gè)土壤指標(biāo)信息的86.20%。西寇地區(qū)土壤質(zhì)量較好，適宜蔬菜生長;谷里和江心洲地區(qū)土壤綜合得分較低，結(jié)合土壤指標(biāo)可知，這2個(gè)地區(qū)的微生物生物量、代謝活性和多樣性較低，另外，谷里地區(qū)酸化明顯、速效養(yǎng)分含量較高，而江心洲地區(qū)土壤肥力水平較低，因此應(yīng)根據(jù)各地區(qū)土壤性質(zhì)的差異，有針對(duì)性地采取防止土壤酸化，降低氮、磷、鉀肥投入，減少氮損失等措施以改善設(shè)施土壤質(zhì)量。

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