種植年限對和田市設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分累積分布的影響＊

王 奇，王志偉，劉義飛，劉文科**（.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，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 0008；.塔里木大學(xué)植物科技學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要建設(shè)任務(wù)[1]?，F(xiàn)如今，中國設(shè)施園藝面積占世界總面積的85%，是世界上設(shè)施園藝面積最大的國家[2]。設(shè)施蔬菜栽培因其集約化程度高、農(nóng)業(yè)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、技術(shù)含量高等特點，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不再受限于季節(jié)、地形的影響，有效地提高了農(nóng)業(yè)資源的綜合效益[3]。新疆作為中國典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，近年來在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面取得了飛速發(fā)展。2016～2017 年設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積穩(wěn)定在93.7 萬畝（6.25 萬hm2），設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量300 萬t 以上[4]。新疆地區(qū)10月～次年6月以反季節(jié)蔬菜供應(yīng)為主，溫室大棚年產(chǎn)值高達(dá)375000 元/hm2，是露天菜田的3.13 倍[5]。隨著和田市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，以及該地區(qū)氣候干燥，降水量極少，晝夜溫差大等特點，設(shè)施菜田在和田市農(nóng)業(yè)中占比逐年增大。但由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中特殊的環(huán)境條件如半封閉性結(jié)構(gòu)、高復(fù)種指數(shù)、高溫高濕、自然光入射少和缺乏雨水淋洗等，導(dǎo)致土壤耕層結(jié)構(gòu)惡化，土壤的理化性狀和養(yǎng)分狀況也隨之發(fā)生顯著變化，進(jìn)而引起土壤環(huán)境質(zhì)量下降（如土壤養(yǎng)分失調(diào)、病蟲害加劇、硝酸鹽大量積聚、土壤次生鹽漬化、作物連作障礙、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等），嚴(yán)重制約了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[6]。而這些變化除了與設(shè)施特殊的生態(tài)環(huán)境有關(guān)外，還與生產(chǎn)管理者的土壤管理、施肥技術(shù)以及溫室的種植年限有著密不可分的關(guān)系[7]。因此，研究不同種植年限設(shè)施土壤養(yǎng)分分布特征對制定合理的施肥方案、改善土壤環(huán)境、提高溫室蔬菜品質(zhì)等具有重要意義。

目前，針對不同地區(qū)的設(shè)施溫室土壤的理化性狀已經(jīng)做了大量研究。其中對土壤硝態(tài)氮、有效磷含量和EC 的研究對改善設(shè)施土壤理化性質(zhì)有著重要意義。硝態(tài)氮是作物吸收氮的主要形態(tài)，其含量在土壤中的增加對蔬菜起到增產(chǎn)，改善品質(zhì)的作用。設(shè)施菜田土壤氮素累積以硝態(tài)氮為主，然而硝態(tài)氮本身帶負(fù)電荷，不易被土壤膠體吸附，易隨灌溉水向下淋洗，硝態(tài)氮在設(shè)施栽培土體內(nèi)的積聚最終會產(chǎn)生環(huán)境負(fù)效應(yīng)[8]。周光濤等[5]研究表明大棚菜地隨著種植年限的增加，土壤硝態(tài)氮有增加的趨勢，過量施肥和不合理灌溉使大棚菜田產(chǎn)生深層積累。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，同時也是土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應(yīng)能力。磷素過量積累是設(shè)施菜田的顯著特征，主要由于有機(jī)肥以糞肥投入為主，復(fù)合肥中磷素比例偏高，收獲作物帶走量僅占磷素投入的7.2%[9]。研究表明隨種植年限增加，土壤有效磷含量呈逐年遞增的趨勢。土壤電導(dǎo)率反映了土壤鹽分累積的情況。EC 過高也會增大土壤鹽漬化的幾率[10]。曹艦艇等[11]研究表明隨著蔬菜大棚種植年限的延長，土壤電導(dǎo)率值呈增加趨勢。設(shè)施栽培對土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、鹽分等方面的動態(tài)變化產(chǎn)生了深刻影響。但有關(guān)和田地區(qū)不同種植年限設(shè)施菜田的土壤理化現(xiàn)狀的探討尚有缺乏，且多數(shù)研究者主要集中于單個年份設(shè)施菜田土壤環(huán)境，在不同年限設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分的變化等方面研究尚不清楚。

因此，為了探討和田市不同種植年限對設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分累積分布的影響，選取新疆維吾爾自治區(qū)和田市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)的不同種植年限日光溫室中不同土層深度的土壤作為研究對象，對0～60 cm 土層（每20 cm 為一個土層）硝態(tài)氮、有效磷、EC 進(jìn)行了研究，分析不同種植年限和田市沙漠設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分的累積分布規(guī)律，以期對新疆沙漠設(shè)施菜田確定合理的養(yǎng)分調(diào)控措施，為當(dāng)?shù)卦O(shè)施菜田的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

研究區(qū)概況與方法

研究區(qū)概況與取樣

試驗所在地為新疆維吾爾自治區(qū)和田市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)（E79°55′，N37°7′），屬于暖溫帶極端干旱的荒漠氣候。氣候特點是春季多沙暴、浮塵天氣，夏季炎熱干燥，年均降水量35 mm，年蒸發(fā)量2480 mm。光照充足，熱量豐富，無霜期長，晝夜溫差大。當(dāng)?shù)馗麑油寥婪柿φw狀況較差，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀含量普遍偏低，速效磷含量較為豐富，土壤鹽漬化程度較高。

本試驗選擇種植年限分別為1 年、2 年、3 年、4 年（分別用1a、2a、3a、4a 表示）的日光溫室。每個年限溫室各選擇2個，每個溫室按照東西走向在中心線上等距選3個點；土層選擇3個深度，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。由于所選取溫室栽培方式均為起壟栽培，故取樣點均選在作物行間中間位置(走道位置)。試驗所選日光溫室調(diào)查內(nèi)容匯總?cè)绫?。

表1 日光溫室調(diào)查內(nèi)容匯總

試驗于2019 年11月進(jìn)行，樣本的采集使用管形土鉆，采集不同土層的土壤剖面樣品，采集深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，每個采樣點的取土深度和采樣量均一致，將每個分層取的土壤樣品取出后混勻然后留50 g 用自封袋密封好并編號，共采集72個土壤樣品。

測定項目和方法

土壤EC、有效磷、硝態(tài)氮的測定均采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[12]。有效磷采用ATC-173流動注射分析儀測定。土壤電導(dǎo)率采用ATC-160電導(dǎo)率儀測定（水土比為5:1）。硝態(tài)氮測定用1 mol/L 的KCl 浸提（水土比為5:1）ATC-173流動注射分析儀分別測定。采用Microsoft Excel 2013 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并采用GraphPad Prism 6 軟件作圖，采用SPSS 25.0 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗（LSD 法，α=0.05）。

結(jié)果與分析

不同年限設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量的變化

0～60 cm 土層硝態(tài)氮含量在前三年變化幅度較小，而在第四年顯著升高（圖1）。0～20 cm 土層硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出隨設(shè)施菜田種植年限的增長先降低再升高的趨勢。除1a 外，2a，3a，4a 設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量隨種植年限的增長而升高，尤其4a 硝態(tài)氮含量達(dá)到26.18 mg/kg，顯著高于1a，2a，3a 硝態(tài)氮含量。20～40 cm 土層，除3a 外，1a，2a，4a 設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)出隨種植年限的增長而升高的趨勢，4a 硝態(tài)氮含量顯著高于1a，2a，3a。40～60 cm 土 層，1a，2a，3a 硝態(tài)氮含量變化趨勢不明顯，4a 硝態(tài)氮含量顯著高于1a，2a，3a。0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 土層，1a，2a，3a 硝態(tài)氮含量無顯著差異性，4a 硝態(tài)氮含量顯著高于1a，2a，3a。由此可見設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量隨種植年限的增加在各土層出現(xiàn)不同程度累積，且設(shè)施菜田土壤在4a 達(dá)到最大值。值得注意的是在0～40 cm 土層，硝態(tài)氮含量隨著深度的增加呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，而20～40 cm，40～60 cm 土層硝態(tài)氮含量則無明顯變化。尤其以0～20 cm 表層土壤硝態(tài)氮含量最高，1a，2a，3a，4a 分別達(dá)到7.64 mg/kg，3.15 mg/kg，5.79 mg/kg，26.18 mg/kg。20～40 cm，40～60 cm 土層硝態(tài)氮含量無明顯變化，設(shè)施菜田土壤中硝態(tài)氮含量出現(xiàn)了明顯的表聚現(xiàn)象。

圖1 和田市不同種植年限設(shè)施菜0～60 cm 土層土壤田硝態(tài)氮濃度分布特征

不同年限設(shè)施菜田土壤有效磷的變化

如圖2 所示，0～20 cm 土層有效磷含量呈現(xiàn)出隨設(shè)施菜田種植年限的增長先升高再降低的趨勢，其中3a 有效磷含量達(dá)到最大值，為29.23 mg/kg，顯著高于1a，2a。并且1a，2a，3a 土壤有效磷含量呈現(xiàn)出隨設(shè)施菜田種植年限的增長而升高的趨勢，4a 時有效磷含量下降。20～40 cm 土層土壤有效磷含量呈現(xiàn)出隨設(shè)施菜田種植年限的增長而升高的趨勢，1a 有效磷含量顯著低于4a；2a，3a 和4a 有效磷的含量沒有顯著性差異。40～60 cm 土層2a 有效磷的含量達(dá)到最大值，為8.82 mg/kg，顯著高于1a，3a。并且除2a 外，1a，3a，4a 土壤有效磷含量呈現(xiàn)出隨設(shè)施菜田種植年限的增長而升高的趨勢。0～40 cm 土層各種植年限土壤有效磷含量均呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而降低的趨勢。尤其在0～20 cm 土層，有效磷含量達(dá)到最高值。而20～40 cm，40～60 cm土層有效磷含量則無明顯變化。設(shè)施菜田各土層土壤有效磷含量隨種植年限的增加而逐漸累積，并且在0～20 cm 土層累積明顯。

圖2 和田市不同種植年限設(shè)施菜田0～60 cm 土層土壤有效磷濃度分布特征

不同年限設(shè)施菜田土壤電導(dǎo)率的變化

0～60 cm 土層電導(dǎo)率（EC）在前三年變化幅度較小，而在第四年出現(xiàn)大幅提升（圖3）。0～20 cm 土層EC 呈現(xiàn)出隨種植年限的增加先降低再升高的趨勢。除1a 外，2a、3a、4a 土壤EC 隨種植年限的增加有升高的趨勢，1a，2a，3a，4a 沒有顯著性差異。20～40 cm 土層除3a外，1a，2a，4a土壤EC隨種植年限的增加有升高的趨勢，4a土壤EC達(dá)到最大值，為51.73μS/cm，顯著高于1a，2a，3a。40～60cm 土層，4a 土壤EC 顯著高于1a，2a，3a，達(dá)到最大值，為48.28 μS/cm；1a 土壤EC 顯著高于2a，3a。0～40 cm 土層土壤EC 隨土壤深度的增加而大幅下降，而20～40 cm，40～60 cm 土層EC 無明顯變化。在0～20 cm 土層，各種植年限土壤EC 都達(dá)到最高值。設(shè)施菜田土壤出現(xiàn)了明顯的上層累積現(xiàn)象。

圖3 和田市不同種植年限設(shè)施菜田0～60 cm 土層土壤EC 分布特征

討論

氮是設(shè)施蔬菜生長過程中不可或缺的大量元素，而硝態(tài)氮是設(shè)施蔬菜吸收氮的主要形態(tài)。本試驗結(jié)果表明，0～20 cm 土層硝態(tài)氮含量最高，且設(shè)施菜田剖面深度有一定的硝酸鹽積累。這與劉慶芳等[13]的研究結(jié)果相同。由圖2 可以看出，0～60 cm 土層硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，0～20 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量達(dá)到最高，出現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象，這主要由設(shè)施菜田的施肥方式、施肥深度以及施肥量導(dǎo)致。周建斌等[14]研究表明過量施用氮肥是引起土壤鹽分累積的主要原因。對于不同種植年限0～20 cm土層，1a 設(shè)施菜田硝態(tài)氮濃度高于2a 和3a，可能主要與溫室初建時大量施用有機(jī)肥、灌溉以及土壤外部環(huán)境的劇烈波動有關(guān)。除1a 外，土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)出隨種植年限的增長而升高的趨勢，試驗結(jié)果同周光濤等[5]和黨菊香等[15]的結(jié)論一致，與楊紅等[16]的研究結(jié)果略有不同，可能與土壤類型、種植作物種類以及肥水管理方式等有關(guān)，具體原因需要進(jìn)行更深入的研究。本試驗表明4a 設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量是1a、2a、3a 土壤的3～8 倍，說明設(shè)施菜田種植年限達(dá)到四年后，硝態(tài)氮含量出現(xiàn)了明顯的“陡增”現(xiàn)象，這主要與4a 施用有機(jī)肥過多以及沖施水溶肥頻率過高導(dǎo)致的。設(shè)施菜田土壤中硝態(tài)氮容易因設(shè)施內(nèi)土壤水分蒸發(fā)被帶到土壤表層，從而造成硝態(tài)氮在土壤表層積聚；頻繁灌水也會造成硝態(tài)氮隨灌溉水向下淋洗。硝態(tài)氮在設(shè)施菜田土壤表層的積聚很容易使農(nóng)產(chǎn)品中硝態(tài)氮積累量超出食品安全標(biāo)準(zhǔn)[17]。因此，硝態(tài)氮在土壤表層的過量累積是一個十分值得關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題。

有效磷是土壤中可以被植物所吸收的磷組分，同時也是土壤中磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)。本試驗中0～20 cm 土層土壤有效磷含量顯著高于20～40 cm、40～60 cm 土 層。0～40 cm土層土壤有效磷含量隨著土壤深度的增加而下降，且在0～20 cm 土層出現(xiàn)了明顯累積。這是由于施入土壤中的磷元素主要累積在0～20 cm土層導(dǎo)致的，這與路超等[18]的研究一致。其中3a 土壤有效磷含量平均值達(dá)到29.23 mg/kg，分別是1a，2a 的11.69、3.12 倍。本試驗結(jié)果表明隨設(shè)施菜田種植年限的延長，土壤有效磷濃度呈增加的趨勢，這與鄭杰[10]的研究結(jié)果相一致。其中0～20 cm 土層4a 有效磷含量出現(xiàn)回落，其主要原因是由于種植4 年的設(shè)施菜田施用的有機(jī)肥為發(fā)酵牛糞。雖然發(fā)酵牛糞年施用量高達(dá)10～15 m3，但由于發(fā)酵牛糞有效磷含量遠(yuǎn)低于發(fā)酵雞糞，再加之灌水較勤等管理因素，從而導(dǎo)致4a 有效磷含量低于3a。0～20 cm 土層1a 有效磷含量顯著低于3a，4a，可能是由于新棚中施用的磷肥量較少并沒有形成較大的積累。40～60 cm土層2a 有效磷含量顯著高于1a、3a，這很可能是由于其施用有機(jī)肥以及磷肥總量高于其他種植年限導(dǎo)致的。40～60 cm 土層2a 有效磷含量明顯高于其20～40 cm 土層，這是由于種植2 年的設(shè)施菜田灌水較勤，使得表層有效磷隨著灌水向土壤深層進(jìn)行淋溶。一些研究者提出設(shè)施菜田有效磷含量的豐缺指標(biāo)為：60～100 mg/kg 為中，100～150 mg/kg 為高，低于60 mg/kg 為較低水平[19]。按照這一標(biāo)準(zhǔn)衡量，測定的8個日光溫室土壤有效磷含量均處于較低水平，需要增施磷肥。因此，如何指導(dǎo)菜農(nóng)合理施用磷肥，對設(shè)施土壤的可持續(xù)利用以及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、品質(zhì)有著重要意義。

土壤電導(dǎo)率反映了土壤鹽分累積的情況。次生鹽漬化是影響設(shè)施菜田生產(chǎn)的重要障礙性因子，它不僅破壞了土壤的理化性質(zhì)，還會影響到農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量及品質(zhì)。次生鹽漬化的產(chǎn)生主要是由于過度施肥使得土壤硝酸鹽含量增加[10，16]及全鹽含量積累，從而抑制設(shè)施內(nèi)農(nóng)作物的生長發(fā)育、降低農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及品質(zhì)[20]。本研究中，隨著土層深度的增大土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)遞減的趨勢，土壤鹽漬化主要發(fā)生在表層土壤中，表現(xiàn)為表層（0～20 cm）土壤電導(dǎo)率值明顯高于深層（20～40 cm、40～60 cm）土壤，這與范慶鋒等[21]研究一致。其主要原因可能是溫室密封式的建筑構(gòu)造，導(dǎo)致其缺少自然淋洗，加之溫室內(nèi)溫度過高、蒸發(fā)量較大等特點，使土壤水分向上運(yùn)動，從而導(dǎo)致表層土壤出現(xiàn)鹽分累積[11]。本研究結(jié)果表明，隨設(shè)施菜田種植年限的增加，土壤電導(dǎo)率呈增加的趨勢，土壤有鹽漬化的趨勢，這與陳碧華等[22]的研究結(jié)果一致。其主要原因是設(shè)施菜田施肥量大于作物吸收量，過量施肥導(dǎo)致化肥轉(zhuǎn)化物及其副成分殘留，從而引起無機(jī)鹽在土壤中累積[23]，再加上設(shè)施菜田復(fù)種指數(shù)高，隨種植年限的增加，土壤中無機(jī)鹽含量呈顯著增加趨勢。目前，化肥超施已成為設(shè)施菜田土壤鹽類聚集的直接原因。因此，在今后的的生產(chǎn)中，制定合理的施肥方案和管理措施，對防止設(shè)施菜田土壤次生鹽漬化以及設(shè)施土壤的可持續(xù)利用具有重要意義。

結(jié)論

（1）0～20 cm 土層，隨著設(shè)施菜田種植年限的增加，硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢，有效磷含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先降低再升高的趨勢。20～40 cm、40～60 cm 土層硝態(tài)氮、有效磷、土壤電導(dǎo)率無明顯變化。

（2）隨著設(shè)施菜田土壤深度的增加，土壤硝態(tài)氮、有效磷、土壤電導(dǎo)率均呈降低趨勢。

（3）調(diào)查區(qū)土壤硝態(tài)氮、有效磷含量及土壤電導(dǎo)率值均出現(xiàn)了表層積聚現(xiàn)象，尤其種植年限超過3 年的設(shè)施菜田硝酸鹽出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，需要重新對設(shè)施土壤進(jìn)行測土配方。故在今后的生產(chǎn)中，科學(xué)施肥、定期測土配方以及合理的輪作倒茬是十分必要的，這對設(shè)施菜田土壤的可持續(xù)性利用及生態(tài)環(huán)境安全有著重要意義。