渭河上游地區(qū)溫室菜地土壤肥力演變特征研究

俄勝哲，黃　濤，王亞男，曾希柏，袁金華，車宗賢，郭永杰

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070； 2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081)

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渭河上游地區(qū)溫室菜地土壤肥力演變特征研究

俄勝哲1,2，黃濤1，王亞男2，曾希柏2，袁金華1，車宗賢1，郭永杰1

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070； 2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081)

在隴東南渭河上游地區(qū)的天水市武山縣，通過田間采樣的方法，以不同種植年限的溫室和露地的耕層土壤(0～20 cm)為研究對象，研究了長期連作溫室蔬菜對土壤pH、全鹽、有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明：不同種植年限溫室菜地的土壤pH都明顯低于其露地大田，而且隨種植年限的延長，pH逐漸降低，與種植年限顯著負(fù)相關(guān)，年均降低0.05個單位。而土壤全鹽含量與種植年限呈顯著正相關(guān)，年均增加0.091個百分點(diǎn)。連續(xù)14年種植溫室蔬菜土壤全鹽含量達(dá)到0.34%，是露地土壤的6.35倍。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量也隨種植年限逐漸增加，與種植年限顯著正相關(guān)，連續(xù)14年種植溫室蔬菜后，土壤的速效氮、速效磷和速效鉀含量分別達(dá)到230.17、342.17 mg·kg-1和263.00 mg·kg-1，顯著的高于大田。

渭河上游，溫室菜地，土壤肥力

設(shè)施蔬菜利用特殊覆蓋結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)露地蔬菜生產(chǎn)的季節(jié)性氣候限制，使蔬菜在較適宜的環(huán)境條件下常年生產(chǎn)，均衡供應(yīng)，從而大幅提高了土地利用效率和農(nóng)民的收入，在我國廣大地區(qū)迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國設(shè)施蔬菜種植面積已逾270萬hm2，產(chǎn)量達(dá)1.68億t，年產(chǎn)值超過4 000億元，成為世界上設(shè)施蔬菜栽培面積最大的國家[1-2]。我國設(shè)施蔬菜栽培的特點(diǎn)是高投入、高產(chǎn)出、高效益。在利益驅(qū)動下，菜農(nóng)一味追求高產(chǎn)，長期盲目過量施肥，可能會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量積累且不均衡，引起蔬菜品質(zhì)下降、土壤污染加劇、土壤綜合質(zhì)量退化等問題[3]。長期設(shè)施栽培可導(dǎo)致土壤酸化、次生鹽漬化、硝態(tài)氮大量累積及土壤質(zhì)量退化等問題[4-7]。長期種植溫室蔬菜對土壤質(zhì)量的影響已成為不容忽視的問題。

武山縣位于甘肅省東南部,渭河上游。以渭河流域?yàn)橹鞯暮庸却ǖ赖貐^(qū)地勢平坦、水源充足、光照條件好、氣候溫和， 蔬菜生產(chǎn)歷史悠久，蔬菜生產(chǎn)發(fā)展較快，已成為農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的支柱產(chǎn)業(yè)。目前全縣蔬菜種植面積達(dá)到1.4萬hm2，產(chǎn)量達(dá)64萬t，總產(chǎn)值超過4億元、占農(nóng)業(yè)總收入的40%以上[8-9]，然而，有關(guān)此區(qū)域設(shè)施菜地土壤質(zhì)量變化的報道鮮見。本文以武山縣馬力鎮(zhèn)北順村不同種植年限的溫室菜地為研究對象，探討設(shè)施菜地的長期高強(qiáng)度耕作和大量施肥對土壤質(zhì)量的影響，以期為該區(qū)域設(shè)施蔬菜的科學(xué)施肥、土壤管理和設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

供試土樣采于天水市武山縣馬力鎮(zhèn)北順村的無公害蔬菜生產(chǎn)基地，東經(jīng)105°08′，北緯34°57′。此區(qū)域?qū)俅箨懶园霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，海拔2 370 m，年降水量530 mm左右，年均氣溫8.9℃，無霜期160 d，≥10℃的有效積溫3 400℃。土壤類型為黃綿土。日光溫室多為干打壘土溫室，建棚前為小麥～玉米輪作大田。溫室內(nèi)種植的蔬菜種類多為黃瓜連作，其茬口一般為每年10月底到翌年6月底，7～10月休閑曬田。溫室施用的化肥主要為氮磷鉀復(fù)合肥(N∶P2O5:K2O=15∶15∶10)，年均投入量為5 t·hm-2，最高為8 t·hm-2。氮磷鉀復(fù)合肥中氮源為尿素，磷源為磷酸二氫銨，鉀源為硫酸鉀。有機(jī)肥為純動物糞便，平均施用量為25 t·hm-2(干重)，最高可達(dá)50 t·hm-2。大田主栽作物是小麥和玉米，一年一熟。小麥氮施用量為N 0.15 t·hm-2，磷施用量為P2O50.1 t·hm-2，玉米施肥量是小麥的2倍左右。小麥秸稈直接還田，玉米秸稈移除用作飼料。

1.2樣品采集與處理

2013年12月份在天水市武山縣馬力鎮(zhèn)北順村的無公害蔬菜生產(chǎn)基地選擇種植年限為2、6、11年和14年日光溫室和露地。同一年限選的3個栽培管理措施相近、且近1周內(nèi)無灌水和施肥的日光溫室。露地對照同樣選擇栽培管理措施相近的3塊。溫室于黃瓜植株的行間按照 “S”型采樣路線，在溫室的前部、中部和尾部選擇5個采樣點(diǎn)，露地同樣在田塊的前部、中部和尾部選擇5個采樣點(diǎn)，去除表層秸稈、雜草等雜質(zhì)后，采用直徑為5.0 cm土鉆采集0～20 cm表層土壤，5個采樣點(diǎn)的樣品混合均勻后，采用四分法留樣約1.0 kg左右，裝入聚乙烯塑料自封袋，標(biāo)記密封，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。去掉植物根系、落葉、石塊等，過100目篩后，用于測定分析。

1.3分析測定

pH采用電位法(水∶土為2.5∶1)測定；水溶性鹽總量測定采用電導(dǎo)法(水土比5∶1)測定；全氮采用開氏法；全磷和全鉀采用NaHCO3熔融，鉬銻抗比色法和火焰光度法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法；速效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法；速效鉀含量采用1 mol·L-1乙酸銨浸提，火焰分光光度計(jì)測定。

1.4統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用Excel 2007和SPSS11.0分析軟件制作圖表和對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用LSD法，圖表中不同字母表示處理間差異在P≤0.05水平上顯著。

2　結(jié)果與分析

2.1設(shè)施土壤pH和全鹽隨年限變化

不同種植年限設(shè)施菜地土壤(0～20 cm)的pH明顯低于露地大田，但種植2年的設(shè)施菜地土壤pH與露地大田相比差異不顯著，連續(xù)種植6、11年和14年的設(shè)施土壤pH顯著低于露地大田(圖1)。連續(xù)種植2、6年和11年的設(shè)施土壤pH也存在顯著性差異，而11年與14年土壤pH差異不顯著(圖1)。設(shè)施菜地土壤隨種植年限的延長，土壤pH逐漸降低。如將露地視為設(shè)施菜地種植年限為0年，設(shè)施菜地土壤pH(y)隨種植年限(x)變化可用y=-0.05x+8.19較好地擬合，擬合度達(dá)極顯著水平(R2=0.99**，P<0.01)(圖1)，由此表明，設(shè)施土壤pH年均降低0.05個單位。

不同種植年限設(shè)施土壤全鹽含量都顯著的高于露地大田土壤。不同種植年限設(shè)施土壤全鹽含量差異也達(dá)到顯著水平(圖1)。設(shè)施土壤的全鹽含量隨種植年限延長逐漸增加。露地大田土壤(0～20 cm)的全鹽含量為0.05%，連續(xù)種植蔬菜14年后，土壤全鹽含量達(dá)到0.34%，是露地土壤的6.35倍。視露地為設(shè)施菜地種植年限0年，土壤全鹽(y)隨種植年限(x)的變化可由線性模型y=0.091x+0.018擬合，R2=0.91**，P<0.01。

2.2設(shè)施土壤養(yǎng)分隨年限變化

設(shè)施土壤(0～20 cm)的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量顯著的高于露地土壤相應(yīng)有機(jī)質(zhì)及氮含量，不同種植年限設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮平均含量是露地土壤的1.68、1.84和2.34倍(表1)。不同種植年限設(shè)施土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量也存在明顯差異。設(shè)施土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量都隨種植年限的延長明顯增加，堿解氮的增幅最大，其次為全氮。全氮的增幅大于有機(jī)質(zhì)的增幅，致使碳氮比隨種植年限延長逐漸降低，但不同年限間差異不顯著。若視露地為設(shè)施菜地種植年限0年，有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量隨年限的變化可用一元線性模型較好地擬合(表2)。

圖1　設(shè)施土壤pH和全鹽隨種植年限的變化

注：同列字母不同表示處理間差異在P<0.05水平顯著。

Note :The letters in the table indicate the data in different years are significantly different on the levelP<0.05.

表2　土壤養(yǎng)分含量與種植年限的相互關(guān)系

注：*，**表示擬合度達(dá)到P<0.05水平顯著和P<0.01水平顯著。

Note: The *,** in the table indicate the fitting degree are significantly on the levelP<0.05 andP<0.01, respectively.

同樣，設(shè)施土壤(0～20 cm)全磷、全鉀、速效磷和速效鉀的含量亦明顯高于露地大田土壤，其中全磷、全鉀和速效磷與露地大田相比差異達(dá)到顯著水平。雖然種植年限為2年和6年設(shè)施土壤速效鉀含量與露地大田差異不顯著，但連續(xù)種植11年后，其差異也達(dá)到極顯著水平(表1)。設(shè)施土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量隨著種植年限的延長而逐漸增加，設(shè)施菜地連續(xù)種植14年土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量是露地大田的4.31、1.34、23.13倍和1.75倍，速效磷的增幅最大，其次為有效鉀。同樣，若視露地為設(shè)施菜地種植年限0年，設(shè)施土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量隨種植年限變化同樣可用一元線性模型擬合(表2)，擬合度均達(dá)到極顯著或顯著水平。

2.3設(shè)施土壤化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系

設(shè)施菜地長期過量施肥，氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分大量累積，由表3可以看出，不同種植年限設(shè)施土壤(0～20 cm)的全鹽、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及堿解氮、速效磷和速效鉀含量間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系， 其中pH與全鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著負(fù)相關(guān)，而與全鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著正相關(guān)。

表3　設(shè)施土壤質(zhì)量參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

注：*，**表示相關(guān)性達(dá)到P<0.05水平顯著和P<0.01水平顯著。

Note: The *,** in the table indicate the relationship degree are significantly on the levelP<0.05 andP<0.01, respectively.

3　結(jié)論與討論

3.1設(shè)施種植對土壤pH和鹽漬化的影響

設(shè)施土壤酸化可能與長期過量施有機(jī)肥和化肥有關(guān)，有機(jī)肥經(jīng)過微生物的降解和氨化作用產(chǎn)生大量的NH4+，無機(jī)氮肥(尿素、磷酸二銨)也含有大量的NH4+，其中一部分NH4+被土壤膠體吸附和植物吸收，絕大部分則是在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為NO3-，同時釋放出H+[6]。同時某些鹽分離子的累積也可使土壤pH降低，如Ca2+和SO42-，Ca2+將酸性膠基上的H+置換到土壤溶液中，也可加快土壤酸化過程[7]。李粉茹等[10]研究報道，安徽黃潮土菜地和黑姜土設(shè)施菜地土壤pH年均降低0.05～0.06個單位，與本研究結(jié)果相似。本研究結(jié)果也顯示，pH隨種植年限逐漸降低，可用y=-0.05x+8.19較好的擬合(P<0.01)，年均降低0.05個單位。而曾路生等[11]在山東壽光潮土上研究得出，設(shè)施菜地連作8年pH就降低1個單位，年均降幅是本研究的2倍左右；曾希柏等[5]進(jìn)一步指出，設(shè)施種植年限12年前，土壤pH值有隨種植年限逐漸降低，12年后土壤pH值又呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，與本研究的變化趨勢略有不同。這些研究結(jié)果差異的原因可能與土壤母質(zhì)、土壤緩沖性能、施肥量及最大種植年限不同有關(guān)，該研究最大種植年限為14年，可能未達(dá)到pH值再次上升的年限。

日光溫室高溫、高濕和強(qiáng)蒸發(fā)的環(huán)境條件促進(jìn)了土壤鹽分的積累和表聚，也促進(jìn)了土壤固相物質(zhì)的快速分解與鹽基離子釋放，更進(jìn)一步加深設(shè)施菜地土壤次生鹽漬化[4]。但是長期不合理地大量投肥，是造成設(shè)施菜地土壤次生鹽漬化的重要原因之一[7]。設(shè)施栽培條件下，菜農(nóng)追求高產(chǎn)，往往超量施肥，化肥的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了蔬菜正常生長需要的量而逐漸在土壤中積累，從而導(dǎo)致了土壤全鹽含量的升高[12]。本研究結(jié)果表明，設(shè)施土壤全鹽含量與種植年限顯著正相關(guān)，隨種植年限的變化可由線性模型y=0.091x+0.018擬合，連續(xù)種植蔬菜14年后，土壤全鹽含量達(dá)到0.34%，是露地土壤的6.35倍。陳碧華等[4]在新鄉(xiāng)潮土上研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤水溶性鹽總量上升幅度與種植年限極顯著相關(guān)，連續(xù)種植30年后，可溶性鹽含量達(dá)1.2%，而且K+、Na+、Cl-、NO3-和SO42-的含量均與土壤水溶性鹽總量呈極顯著相關(guān)，而且致酸離子Ca2+、NO3-和SO42-是造成土壤含鹽總量隨種植年限增加的重要原因，由此表明，設(shè)施菜地酸化和次生鹽漬化具有同步性。而伊田等[3]在陜西楊凌地區(qū)研究結(jié)論與本研究則不同，設(shè)施土壤電導(dǎo)率在1～3年迅速上升，3～10年趨于平穩(wěn)，研究結(jié)果差異可能與土壤理化性狀、種植制度及施肥量不同有關(guān)。杜新民等[13]進(jìn)一步研究指出，黃瓜、番茄、辣椒的生育障礙臨界點(diǎn)分別為1.2、1.5、1.5 mS·cm-1，臨汾市種植8年的日光溫室土壤鹽分累積量達(dá)到0.47%，土壤電導(dǎo)率1.08 mS·cm-1，已接近黃瓜的生育障礙臨界點(diǎn)。本研究區(qū)域溫室菜地最大種植年限為14年，土壤全鹽含量為0.35%，雖在生育障礙臨界點(diǎn)以下，但已出現(xiàn)輕微的鹽漬化現(xiàn)象，應(yīng)考慮通過深翻，灌溉排鹽等措施，控制鹽漬化進(jìn)一步發(fā)展。

3.2設(shè)施種植對土壤養(yǎng)分的影響

設(shè)施種植肥水投入是普通大田的幾倍甚至十幾倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)季作物的需求量，而且注重有機(jī)肥的施用，致使肥料利用率不高，其中磷肥的利用率僅為11%，甚至更低，土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分出現(xiàn)大量盈余[1]。劉建霞等[12]研究表明，溫室土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀及有效態(tài)鐵、鋅含量與種植年限表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)分隨種植年限在土壤中都有不同程度的累積。呂福堂等[14]研究報道5、10年和14年日光溫室表層土壤速效P含量都超過200 mg·kg-1，速效鉀的含量均超過300 mg·kg-1。這些結(jié)論與本研究結(jié)論相似，本研究結(jié)果亦顯示設(shè)施土壤(0～20 cm)的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量顯著的高于露地，而且隨種植年限逐漸增加，特別是磷和鉀，連續(xù)14年種植設(shè)施蔬菜土壤速效磷含量達(dá)到342.17 mg·kg-1，是大田土壤的10倍左右，速效鉀含量也達(dá)263.00 mg·kg-1，對水體環(huán)境和土壤環(huán)境都構(gòu)成一定威脅，該產(chǎn)區(qū)菜農(nóng)應(yīng)根據(jù)蔬菜的養(yǎng)分需求選擇性的施肥，適當(dāng)減少肥料的投入量，以降低蔬菜種植生產(chǎn)成本和土壤環(huán)境污染風(fēng)險。

4　結(jié)　論

隴東南渭河上游地區(qū)長期連作溫室蔬菜，土壤有明顯酸化和次生鹽漬化現(xiàn)象，土壤pH年均降低0.05個單位，全鹽含量年均增加0.091百分點(diǎn)。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量也隨種植年限延長明顯增加，連續(xù)14年設(shè)施種植，土壤速效磷含量高達(dá)342.17 mg·kg-1，有向下層土壤淋失風(fēng)險。長期大量不合理投肥是造成設(shè)施菜地土壤次生鹽漬化、土壤pH降低和土壤養(yǎng)分大量積累的主要原因，因此，設(shè)施種植應(yīng)根據(jù)蔬菜的養(yǎng)分需求選擇施肥種類，調(diào)整施肥量，降低生產(chǎn)成本和環(huán)境污染風(fēng)險，同時應(yīng)結(jié)合深翻、覆蓋及灌溉排鹽等措施控制土壤鹽漬化。

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Study on greenhouse soil fertility characteristics of Weihe River upstream

E Sheng-zhe1,2, HUANG Tao1, WANG Ya-nan2, ZENG Xi-bai2, YUAN Jin-hua1, CHE Zong-xian1, GUO Yong-jie1

(1.Institute of Soil and Fertilizer and Save water Agricultural, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou, Gansu 730070, China;2.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalScience,Beijing100081,China)

The effects of long-term continuous cropping greenhouse vegetables on soil pH, total salt, organic matter, and N, P and K nutrients content of topsoil (0～20 cm) were studied through open field and greenhouse topsoil sampling during different cropping years in Wushan county Tianshui city located upstream of Weihe River. The results showed that pH of topsoil (0～20 cm) in greenhouse vegetable field during different cultivation years was all significantly lower than that of the open field, and with the extension of cultivation years, soil pH become declined significantly. Moreover, soil pH was significantly negatively related with cultivation years, 0.05 pH decline per year. In contrast, the soil total salt content was significantly positively related to cultivation years with 0.091% increase per year. For 14 years continuous cropping with greenhouse vegetables, soil total salt content reached to 0.34%, 6.35 times as much as that in the open field. Soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus and available potassium contents were also gradually increased with the increase of cultivation years. After 14 years of continuous cropping with greenhouse vegetables, soil available N, available P and available K contents reached to 230.17, 342.17 mg·kg-1and 263.00 mg·kg-1, respectively, significantly higher than those in the open field.

Weihe River upstream; greenhouse vegetable; soil fertility

1000-7601(2016)05-0205-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.31

2015-05-22

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD05B06)

俄勝哲(1978—)，男，甘肅慶陽人，博士，主要從事植物營養(yǎng)與土壤生態(tài)等方面研究。 E-mail：eshengzhe@163.com。

曾希柏。E-mail：zengxibai@caas.cn。

S158.2

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