黃瓜溫室土壤溶液中鉀的動態(tài)變化及其淋失特征

劉建霞，趙英男，李博文，劉文菊，馬 理

（1.河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北保定 071001；

2.河北永清縣蔬菜管理局，河北永清 065600；3.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定 071001）

黃瓜溫室土壤溶液中鉀的動態(tài)變化及其淋失特征

劉建霞1，3，趙英男1，李博文1，劉文菊1，馬 理2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北保定 071001；

2.河北永清縣蔬菜管理局，河北永清 065600；3.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定 071001）

為探討黃瓜溫室土壤溶液中鉀含量的變化特征，以河北永清縣黃瓜主產(chǎn)區(qū)的黃瓜溫室為研究對象，研究了黃瓜溫室整個生育期根層（35～40 cm）和非根層（95～100 cm）不同深度土壤溶液中鉀的動態(tài)變化規(guī)律及土壤中鉀的淋失特征。結(jié)果表明，根層（35～40 cm）各處理土壤溶液鉀含量為47.7～114.0 mg/L，呈現(xiàn)升高-降低-升高的趨勢；在非根層（95～100 cm）土壤溶液中，常規(guī)施鉀處理（施鉀量為3 022 kg/hm2）的鉀含量（40.3～105.0 mg/L）動態(tài)變化規(guī)律與根層相似，而對照處理（不施鉀）的鉀含量（49.6～66.5 mg/L）和推薦施鉀處理（施鉀量為600 kg/hm2）的鉀含量（30.6～42.8 mg/L）隨時期無明顯變化。土壤淋溶液中鉀的濃度隨施鉀量的增加呈不同程度的升高趨勢，其濃度為27.9～65.1 mg/L，黃瓜整個生育期土壤鉀的總淋失量為154 kg/hm2。綜上所述，該試驗區(qū)黃瓜溫室存在一定程度的鉀淋失風險，推薦600 kg/hm2在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上可以降低鉀素的淋失，可有效增加經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

溫室土壤；鉀淋失；鉀肥農(nóng)學效率；土壤溶液；土壤質(zhì)地

溫室蔬菜生產(chǎn)中，菜農(nóng)往往為了追求高產(chǎn)量而盲目大量施肥，這樣勢必會引起養(yǎng)分在土壤中大量累積，增加養(yǎng)分向環(huán)境中的淋失風險從而造成養(yǎng)分的浪費［1-2］。目前，國內(nèi)外學者對設(shè)施蔬菜養(yǎng)分淋失的研究主要集中在硝態(tài)氮淋失方面［3-5］，而關(guān)注鉀淋失的研究較少，尤其是對黃瓜溫室土壤系統(tǒng)中鉀淋失的研究鮮有報道，但是，溫室黃瓜種植過程中大量鉀素的投入和大水漫灌造成鉀的淋失也不可忽視。在我國鉀肥資源匱乏，國際鉀肥進口成本增加的多重壓力下，研究土壤鉀素淋溶特性，減少鉀素淋溶損失，提高肥料利用率顯得尤為重要［6］?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物所吸收的鉀主要來自于土壤，而土壤中的鉀元素以離子形態(tài)對作物提供營養(yǎng)［7］。但是對于陽離子交換量較低的土壤而言，大量施用鉀肥后在降雨量或灌溉強度較大時常會引起鉀的淋溶損失［8］。侯笑林等［9］通過對馬蹄蓮養(yǎng)分淋溶損失的研究結(jié)果表明，與普通復合肥相比，控釋復合肥能夠有效地降低土壤中鉀的淋失率。Wu等［10］研究結(jié)果表明，3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）無論在沙壤還是粘壤中均可以在一定程度上降低K淋失量，但效果并沒達到顯著水平。有關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)［11-12］，壽光地區(qū)鉀素年投入量高達2 853 kg/hm2，而一般蔬菜形成1 000 kg產(chǎn)量平均吸收鉀素3.5 kg，鉀素投入量遠遠超過了作物的吸收量。另有前期調(diào)查的研究結(jié)果顯示［13］，黃瓜溫室鉀肥的施用量可高達2 856 kg/hm2，土壤中速效鉀含量為349～1 088 mg/kg，造成養(yǎng)分的嚴重富集，此外，黃瓜整個生長季需要灌水施肥約10～15次，95%以上的菜田采用大水溝灌方式灌溉，那么如此大的灌水量和施肥量是否會造成土壤鉀的淋失，以及在黃瓜生育期間土壤溶液中鉀濃度的狀況如何，這些都是亟待解決的問題。長期定位試驗能夠系統(tǒng)的研究土壤肥力演變和肥效變化規(guī)律［14］，因此，本試驗選擇設(shè)施黃瓜整個生長季來研究土壤淋溶液中鉀的淋失量及土壤溶液中鉀的動態(tài)變化規(guī)律，這對于今后指導溫室蔬菜生產(chǎn)中合理高效施用鉀肥具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗處理

試驗于2012年10月-2013年8月在河北永清縣優(yōu)質(zhì)蔬菜種植區(qū)的北岔口村（39°21′38.32″N，116°26′33.22″E）黃瓜溫室大棚中進行。供試面積為：36.9 m×6.4 m。溫室棚齡為11年，種植黃瓜的年限為1年，在種植黃瓜以前種植模式是豆角-番茄輪茬或甜瓜-芹菜輪茬。溫室0～100 cm土壤具體基本理化性質(zhì)如表1所示。供試黃瓜品種為802。供試肥料為農(nóng)大固態(tài)摻混肥（3-2-3），農(nóng)大液態(tài)摻混肥（15-0-6）及有機糞肥（雞糞和牛糞，其中雞糞養(yǎng)分含量為2.21-1.71-2.98，牛糞為1.03-0.35-1.97）。其中農(nóng)大液態(tài)肥為追肥，其余肥料均為基肥。

試驗設(shè)置3個處理：K0（不施鉀處理），K1（推薦施鉀處理，600 kg/hm2），K2（菜農(nóng)常規(guī)施鉀處理），整個黃瓜生育期，農(nóng)戶根據(jù)自己溫室土壤的情況常規(guī)施鉀量K2處理為3 022 kg/hm2。溫室推薦施肥處理以及常規(guī)施肥處理鉀素基追比均為7∶3。每個處理設(shè)3次重復，共9個小區(qū)，試驗小區(qū)隨機排列，溫室小區(qū)面積分別為26.24 m2（4.1 m×6.4 m）。對于推薦施肥處理，溫室氮、磷投入量分別為1 000，720 kg/hm2，其中氮素基追比均為1∶1，隨灌溉水施入，磷素全部基施。各處理灌溉，農(nóng)藥噴施等田間管理按當?shù)亓晳T方式進行，其中灌溉方式為溝灌，黃瓜整個生育期內(nèi)灌水次數(shù)10次，總量約為5 550 m3/hm2。

表1 黃瓜溫室0～100 cm土壤理化性質(zhì)Tab.1 Soil physic-chem ical properties in differen t dep ths（0-100 cm）of cucum ber greenhouses

1.2 原位淋溶盤及土壤溶液提取器的安裝

1.2.1 原位淋溶盤的安裝 土壤淋溶液的收集采用原位淋溶盤裝置，該裝置采用任天志等［15］的專利。淋溶液接收盤的面積為0.2 m2（40 cm×50 cm），盤底鋪一層0.15 mm尼龍過濾網(wǎng)，上面填裝石英砂至盤口5 mm處，再覆蓋一層0.15 mm尼龍過濾網(wǎng)。在黃瓜種植前15 d，每相鄰2小區(qū)中間挖1個長1.5 m，寬1.0 m，深1.5 m深的操作坑。在坑的兩端距地表100 cm處垂直剖面鑿一個與淋溶盤規(guī)格相當?shù)姆蕉矗ㄖ栽?00 cm土層深度埋設(shè)淋溶盤，主要考慮到黃瓜的根系主要集中在100 cm土層內(nèi)，如果養(yǎng)分淋出100 cm土層，黃瓜根系就吸收不到了，即養(yǎng)分隨灌溉水淋失了），用鑿方洞的土加水攪和成泥均勻覆于淋溶盤上，將淋溶盤放進洞里，盤底接一出水管，導入收集瓶內(nèi)，洞口用泥填封。收集瓶內(nèi)安裝通氣管和抽液管，分別延伸到地表，抽液管一端連接到取樣瓶中，取樣瓶另一端連接真空泵。開啟真空泵后收集瓶中的淋溶液沿抽液管上升到取樣瓶中。最后按土層回填操作坑，邊填邊灌水，以盡快恢復土壤原狀。

1.2.2 土壤溶液提取器的安裝 根據(jù)嫁接黃瓜根系在土體中的分布特征，在安裝淋溶盤操作坑的4個角且距地表垂直距離35，95 cm處（35 cm對應黃瓜根層，95 cm對應非根層），分別安裝土壤溶液提取器。先用土鉆（土鉆的直徑3 cm）在選好位置的剖面上，距垂直方向30。向斜下方掏一個圓洞，大小可以放進土壤溶液提取器的陶土頭（陶土頭直徑和長度分別為2，6 cm，在安裝之前應浸水2 h左右，使其充分吸水），把陶土頭放到掏好的圓洞里，再用掏出的土和成稀泥，慢慢灌入圓洞，使陶土頭和土壤充分接觸。土壤溶液提取器的陶土頭是收集土壤溶液的部位，其孔隙粒徑為1.0～1.5μm，因此，收集到的土壤溶液為清透的濾液。

1.3 樣品采集與測定

在黃瓜開始收獲至采摘結(jié)束期間，按小區(qū)詳細記錄每次收獲的產(chǎn)量并計算其累積產(chǎn)量。

基礎(chǔ)土樣在黃瓜種植前采集黃瓜溫室0～100 cm土層（每20 cm一層）的土壤樣品，其基本理化性質(zhì)的測定均按照常規(guī)方法進行［16］。

在黃瓜生長期間，每灌溉2次后用電動泵采集淋溶盤收集的淋溶液，并用量筒測量淋溶液體積，同時用濾紙對其進行過濾；用手壓泵采集土壤溶液提取器中的土壤溶液，收集的溶液置于密封塑料盒中冷凍保存，在實驗室中采用火焰光度法［17］對樣品進行測定。在整個黃瓜生育期共采集淋溶液和土壤溶液7次，采樣日期分別為2012年12月1日（定植期和緩苗期），2013年4月1日（苗期），4月23日（開花期），5月14日（初瓜期），5月24日（盛瓜期），6月18日（末瓜期），7月20日（拉秧期）。在定植期和緩苗期后對黃瓜進行追肥，追肥隨灌溉水沖施至每個小區(qū)，每次追肥用量基本一致。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施鉀量處理對溫室黃瓜產(chǎn)量的影響

由表2可知，農(nóng)民常規(guī)施肥處理（K2）與推薦施肥處理（K1）相比，兩處理的產(chǎn)量并無明顯差異，且后者經(jīng)濟產(chǎn)投比為前者的2.85倍，后者鉀肥農(nóng)學效率比前者高78.3%，這說明常規(guī)施肥處理并不會增加黃瓜的產(chǎn)量，分析原因是菜農(nóng)常規(guī)施肥處理中肥料投入量過高，遠遠超出了達到目標產(chǎn)量黃瓜所需的鉀素，并且土壤殘留的速效鉀含量就高達304 mg/kg，過多施用的鉀素并沒有顯著提高黃瓜的產(chǎn)量，相反過量施用的鉀肥或在土壤中累積或隨水分淋出根層，造成鉀素的浪費。綜上分析，溫室中推薦施肥量處理可大幅度提高黃瓜的經(jīng)濟效益。

表2 不同施鉀量處理對溫室黃瓜產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of d ifferent potassium fertilizer app licationson the yields of cucum ber in greenhouse

2.2 不同施鉀量處理下溫室土體不同部位土壤溶液中鉀含量

利用土壤溶液提取器采集不同深度的土壤溶液，其中鉀的濃度動態(tài)變化見圖1。整個黃瓜生長周期，根層土壤溶液鉀濃度為47.7～114.0 mg/L，3個處理均表現(xiàn)出先升高后降低再升高趨勢，非根層土壤溶液鉀濃度除菜農(nóng)常規(guī)施鉀量處理（K2：40.3～105.0 mg/L）表現(xiàn)出升高-降低-升高趨勢，不施鉀處理（K0：49.6～66.5 mg/L）和推薦施鉀處理（K1：30.6～42.8 mg/L）各時期均無明顯變化；根層和非根層土壤溶液中鉀的含量變化不明顯，是因為該溫室中40～60 cm土層質(zhì)地較輕，土體中鉀素更易隨灌溉水發(fā)生淋溶。

對不同部位土壤溶液中鉀含量的動態(tài)變化特征進行分析，根據(jù)圖1所示，根層土壤溶液中第2次，第3次取樣濃度升高可能是因為黃瓜定植及緩苗期間灌溉水量較大，土壤表層中（0～40 cm）原來殘留的鉀素及底肥中的鉀素容易由吸附態(tài)轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)，導致土壤溶液中鉀濃度升高。黃瓜初瓜及盛瓜期（第4次及第5次），黃瓜需要吸收大量鉀素供自身生長，這一階段根層土壤溶液中鉀濃度表現(xiàn)出下降趨勢。末瓜期及拉秧期（第6次及第7次），黃瓜需要的養(yǎng)分鉀素相對較少，因此，鉀濃度又有一定的升高趨勢。3個處理之間相比較，在黃瓜生長中前期（第1～3次取樣）不施鉀處理（K0）高于推薦施鉀量處理（K1）和菜農(nóng)常規(guī)施鉀量處理（K2），分析原因可能是土壤中原來殘存的鉀素高于其他2個處理。從初瓜期（第4次）到拉秧期（第7次），菜農(nóng)常規(guī)施鉀量（K2）土壤溶液鉀含量均高于其他2個處理，這是因為菜農(nóng)在黃瓜的中后期施入的鉀素遠遠超過黃瓜所需要的吸收量。非根層土壤溶液中鉀濃度菜農(nóng)常規(guī)施鉀量處理（K2）明顯高于其他2個處理（第5次除外），3個處理在黃瓜各生育期變化趨勢不明顯，這說明過量施用的鉀肥已經(jīng)隨灌溉水淋溶至土體下層，易造成養(yǎng)分的浪費。

圖1 根層和非根層土壤溶液中鉀含量的動態(tài)變化Fig.1 Dynam ics of potassium concen trations in soil solu tion collected in root zone and non-root zone soil for greenhouse

2.3 不同施鉀量處理對整個黃瓜生育期鉀素淋失量的影響

從圖2，3可以看出，溫室土壤淋溶液中鉀濃度含量較高，濃度為27.9～65.1 mg/L，平均濃度為48.2 mg/L，土壤鉀的淋失量為154 kg/hm2。菜農(nóng)常規(guī)施肥處理土壤淋溶液中鉀濃度顯著高于推薦施肥處理（P＜0.05）（圖2）。整個黃瓜生長期，土壤中鉀的淋失量為11.2～76.1 kg/hm2，推薦施肥處理（K1）與菜農(nóng)常規(guī)施肥處理（K2）鉀淋失量差異不顯著，兩者均明顯高于不施肥處理（K0）（P＜0.05）（圖3）。這可能是因為該土體構(gòu)型中土壤較疏松，灌水時易發(fā)生土壤溶液的淋失，并且易溶于水的鉀素也會隨淋溶液一起下移，從而導致隨著鉀施用量的增加淋溶液中鉀的濃度也逐漸增高，結(jié)合黃瓜整個生育期K0、K1、K2各處理收集到的淋溶液總量分別為10.4，25.4，19.4 L，因此，可以發(fā)現(xiàn)推薦施肥處理（K1）和菜農(nóng)常規(guī)施肥處理（K2）鉀淋失量顯著高于不施肥處理（K0），而K1，K2這2個處理間則無顯著差異。

圖2 不同施肥處理對淋溶液中鉀濃度的影響Fig.2 K concentrations of leaching solution in different fertilizer app lications

圖3 不同施肥處理對黃瓜整個生育期土壤中K淋失量的影響Fig.3 Total am oun ts of potassium leaching in different fertilizer app lications during the cucum ber grow th period

3 討論與結(jié)論

減量施肥是在不影響蔬菜經(jīng)濟產(chǎn)量的同時做到降低土壤養(yǎng)分的淋失，因此，經(jīng)濟效益與環(huán)境效益是選擇合適施肥量需要考慮的2個重要指標。何傳龍等［18］研究結(jié)果表明，減量施肥番茄產(chǎn)量好于習慣施肥，并且可以顯著減少土壤養(yǎng)分的淋失。本試驗中常規(guī)施鉀量處理鉀肥農(nóng)學效率比推薦施鉀量處理低78.3%，說明當?shù)氐牧晳T施鉀量偏大，適當減少施鉀量對黃瓜生長沒有不利的影響。

相關(guān)研究表明，土壤中速效鉀多分布在0～40 cm土層，隨土層深度增加而呈現(xiàn)遞減趨勢，但隨著施肥量和施肥技術(shù)的不同也會在40 cm以下一定的土層出現(xiàn)富集，最終在深層土壤中累積或進入地下水［19-20］。在本試驗中，土壤中速效鉀是隨著土層深度的增加而遞減的，但是在40～60，60～80 cm處出現(xiàn)速效鉀的累積，尤其是在60～80 cm土層速效鉀含量竟然達到862 mg/kg，且明顯高于表層土壤。結(jié)合該層次土壤的機械組成綜合分析發(fā)現(xiàn)，40～60 cm的土壤中含有大量的砂粒（41.1%），而粘粒的含量只有5.5%，在60～80 cm的土層中砂粒的含量銳減（4.3%），而粘粒的含量增加（15.9%），這些均表明40～60 cm土壤的質(zhì)地很輕，隨灌溉水進入該土層的鉀素一部分在此處被吸附固定，很大部分則隨水下移，當大量的鉀素隨水進入60～80 cm土層后（因為該層含有較大比例的粘粒），大部分的鉀素在該層次被土壤膠體吸附，并且由于質(zhì)地粘重，水分攜鉀素在該土層的移動也非常緩慢，雙重原因造成鉀素在該層土壤中大量累積。

基于上面對土壤剖面層次的分析，再結(jié)合不同層次土壤溶液中鉀的含量和鉀素的淋溶量來討論本研究的結(jié)果。因為黃瓜的根系主要分布在0～40 cm的土層，所以本研究在根層35 m處埋設(shè)了土壤溶液提取器來監(jiān)測根層鉀素的變化規(guī)律，在非根層95 cm處同樣埋設(shè)土壤溶液提取器以監(jiān)測非根層鉀素的動態(tài)變化規(guī)律，因此，本研究認為鉀素淋出100 cm土體就是根系吸收不到了，也就是說如果鉀素淋出100 cm土層，說明黃瓜所需要的養(yǎng)分隨灌溉水淋失了。本試驗通過對溫室土壤不同部位土壤溶液中鉀含量特征及對淋溶液鉀淋失量進行分析結(jié)果表明，土壤淋溶液中鉀濃度隨施鉀量增加呈增長趨勢，常規(guī)施肥處理土壤淋溶液中鉀濃度顯著高于推薦施肥處理。推薦施肥處理土壤鉀淋溶量與常規(guī)施肥處理差異不顯著，但均顯著高于不施肥處理，分析原因是黃瓜整個生育期各處理間收集的淋溶液總量存在差異。試驗還表明，各處理土壤淋溶液中的鉀濃度為27.9～65.1 mg/L，遠大于CE頒布的飲用水質(zhì)量標準中鉀的最大容許濃度（12 mg/L），因此，在設(shè)施黃瓜種植區(qū)應當適宜減少鉀肥的用量和大水漫灌，降低鉀素淋失的風險。

利用常規(guī)施肥方式，施用大量肥料會增加土壤養(yǎng)分的淋失從而導致養(yǎng)分的浪費。本試驗中不施肥、推薦施肥和常規(guī)施肥處理根層土壤溶液鉀含量分別為49.2～113.7，47.7～88.5，52.8～91.7 mg/L；非根層土壤溶液鉀含量分別為49.5～66.5，30.6～42.8，40.3～105 mg/L。此結(jié)果說明無論是根層還是非根層常規(guī)施肥處理土壤溶液中鉀含量均高于其他2個處理，而推薦施肥處理土壤溶液鉀含量略低于不施肥處理，結(jié)合考慮不同施肥處理對黃瓜產(chǎn)量的影響，分析原因是推薦施肥處理黃瓜整個生長期所需要吸收的鉀素遠遠高于不施肥處理，導致土壤溶液中鉀含量降低。一般情況，在質(zhì)地較疏松的土壤中，植物生長所需要的養(yǎng)分容易淋出根層，造成肥料利用率低，而質(zhì)地較粘的土壤則可以在一定程度上降低養(yǎng)分淋溶［10］。

綜上所述，本試驗中黃瓜整個生育期土壤鉀的總淋失量為154 kg/hm2，存在一定程度的鉀素淋失風險，因此，筆者推薦600 kg/hm2的施鉀量，可以在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上降低鉀素的淋失。

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Dynam ics of Potassium Concentrations in Soil Solution and Characteristics of Potassium Leaching from Soil in G reenhouses w ith Cucum ber

LIU Jianxia1，3，ZHAO Yingnan1，LIBowen1，LIU Wenju1，MA Li2
（1.College of Resources and Environmental Sciences，Agricultural University of Hebei，Key Lab for Farm land Ecological Environment of Hebei Province，Baoding 071001，China；2.Yongqing County Vegetable Adm inistration of Hebei Province，Yongqing 065600，China；3.Geophysical Exploration Academy of China Metallurgical Geology Bureau，Baoding 071001，China）

In order to probe into variation characteristics of leaching of potassium from soil，a study was conducted in cucumber greenhouse in Yongqing of Hebei Province to investigate dynam ics of potassium concentrations in soil solution and leaching of potassium from soils during the whole cucumber growth period by the different fertilizer application.The results showed that dynamics of potassium concentrations in soil solution collected in the depths at 35-40 cm and 95-100 cm soil layers.Potassium concentration（47.7-114.0 mg/L）for all the treatments increased at first，decreased subsequently and then increased again in soil solution at 35-40 cm for greenhouse. Meanwhile potassium concentrations in soil solution at95-100 cm（40.3-105.0 mg/L）kept the sim ilar dynamic trend to that at 95-100 cm for conventional potassium rate treatment.However，potassium concentrations in soil solution of CK（49.6-66.5 mg/L）and the treatment of recommended potassium rate（30.6-42.8 mg/L）kept stable during different periods at95-100 cm.Potassium levels of leaching solution increased with increase of potassium application rate and ranged at 27.9-65.1 mg/L for the cucumber greenhouse.Total amounts of potassium leaching from soil layer（0-100 cm）of the greenhouse was 154 kg/ha.Therefore，the application rates at 600 kg/ha could not only keep the high yields of cucumber and reduce soil potassium leaching loss，but also increase the econom ic benefit and environment benefit effectively.

Greenhouse soil；Potassium leaching；Potassium fertilizer agronomic efficiency；Soil solution；Soil texture

S151.9+3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-7091（2016）03-0233-06

10.7668/hbnxb.2016.03.034

2016-03-17

國家科技支撐計劃項目（2012BAD15B02）；河北省科技計劃項目（14227305D）

劉建霞（1986-），女，河北吳橋人，碩士，主要從事設(shè)施蔬菜土壤硝酸鹽面源污染研究。劉建霞、趙英男為同等貢獻作者。

李博文（1963-），男，河北文安人，教授，博士，博士生導師，主要從事土壤環(huán)境科學研究。

劉文菊（1971-），女，河北景縣人，教授，博士，博士生導師，主要從事土壤環(huán)境質(zhì)量研究。