長期施肥對設施蔬菜土壤理化及生物學性狀的影響研究進展

曾子凡, 馬 艷, 羅 佳, 郭德杰

(1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇南京 210014;3.國家農業(yè)環(huán)境六合觀測實驗站,江蘇南京 210014)

設施農業(yè)是一種生產者通過使用相應的設施工程技術和生產手段,在生產環(huán)境能夠在一定程度上被控制的前提下,以高效生產為目的的進行動物養(yǎng)殖和植物種植的現(xiàn)代農業(yè)生產方式。因其在相對可控環(huán)境下進行農作物生產的特質,使其能夠全部或者部分性地擺脫自然資源的束縛,進而達到提高勞動生產率、資源利用率以及增加社會經濟效益的目的[1]。由于我國耕地資源短缺,近年來,設施農業(yè)在蔬菜種植業(yè)發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位,設施蔬菜種植面積占全國設施總面積的41.3%,占全國蔬菜種植面積的80%[2],發(fā)展設施蔬菜種植是農村經濟和社會發(fā)展的重要推動力[3],對于蔬菜的周年供應和農民增收、農業(yè)增效具有重要貢獻[4]。

設施農業(yè)的封閉性能形成獨特的、可控的生長環(huán)境,通過對設施內微環(huán)境的合理調控可促進蔬菜的生長[5]。但研究發(fā)現(xiàn),設施蔬菜土壤理化性狀、酶活性、微生物群落和微生物數(shù)量都存在著顯著的連作作用[6],同時,由于設施蔬菜復種率的持續(xù)上升,加上品種單一,造成了輪作倒茬的困難[7],連作還使蔬菜病蟲害逐年增加。同時,設施蔬菜的施用也存在著氮(N)、磷(P)、鉀(K)肥不足的問題,尤其是在追肥、提苗時,施用N、P、K比例嚴重失衡,會導致作物產量、質量、化肥利用率、效益降低及設施生產中肥效發(fā)揮、農田環(huán)境污染加劇等問題[8-9]。因此,施肥對設施蔬菜的生產起到關鍵的作用。

1 長期施用化肥對設施蔬菜土壤理化及生物學性狀的影響

與露地土壤不同的是,為保持高頻種植下作物養(yǎng)分供應,設施土壤施肥量往往較大,而處于高蒸發(fā)、高溫、高濕、無雨水淋溶的環(huán)境下[10-11],長期連續(xù)施用高量的化肥設施辣椒土壤易出現(xiàn)板結、次生鹽漬化和酸化等連作障礙,具有更高的土壤退化風險[12],這些土壤品質的下降和生態(tài)環(huán)境的惡化,將會對蔬菜的生長產生更大的影響,不但會造成產量的下降,而且還會對糧食和人體的健康造成危害[13],亟待解決。

1.1 長期單施化肥對設施蔬菜土壤物理性狀的影響

土壤物理性質影響著植物根系和土壤生物活動,對作物生長起到重要作用。在實際生產中,隨著種植年限的增加,土壤一般呈現(xiàn)容重上升、孔隙度下降的變化趨勢[14-15],此外,施肥、灌溉等農藝手段對土壤容重、孔隙度均有影響[16-17]。有研究表明,連續(xù)2年單施化肥使設施蔬菜土壤容重顯著提升,而孔隙度暫無變化[18];連續(xù)10年單施化肥與對照(不施肥)的孔隙度和土壤容重相當,使土體變緊實,物理性質趨劣[19]。在高集約化、高復種指數(shù)的設施環(huán)境下,隨著種植年限的延長,設施菜地表層(0～20 cm)土壤容重普遍高于正常值,總孔隙度下降及田間最大持水量普遍低于正常值,土壤出現(xiàn)板結化現(xiàn)象,土壤供肥能力、透氣性、水分運輸能力降低[20]。

1.2 長期單施化肥對設施蔬菜土壤化學性狀的影響

1.2.1 長期單施化肥對設施蔬菜土壤鹽含量與電導率的影響 設施蔬菜土壤次生鹽漬化的發(fā)生比例顯著高于露地蔬菜土壤。隨著在大棚種植設施蔬菜年限的延長,土壤中所含鹽分顯著累積[21],表層鹽分含量、電導率呈上升趨勢,在1～3年連作大棚中土壤鹽分可增加1～2倍甚至2.5倍[22],連續(xù)種植5～6年時,設施土壤鹽分及其中主要鹽離子含量達到最大值,通過調整農藝手段、改進管理措施后有所降低,但仍顯著高于露地蔬菜土壤[23]。這是由于自然狀態(tài)下土壤水分由表層滲流至深層土壤,而由于設施土壤被季節(jié)性或長年覆蓋,棚內溫度較高、蒸發(fā)量大,使得深層水分不斷通過毛細作用上移,當水分運動方向受到改變,總是由下向上移動時,水體中被溶解的鹽分也隨著水分的遷移,從而到土壤表層,進而大量聚積[24]。同時由于設施蔬菜復種指數(shù)高,產出量大,往往施肥量大且施用次數(shù)多,在我國南北方許多蔬菜主產區(qū),氮磷化肥的大量施用是導致設施蔬菜土壤鹽分增加而產生次生鹽漬化的主要原因[25-26],特別是氮肥,在設施蔬菜中,施用過多會導致土壤中硝態(tài)氮的積累,從而加重土壤的二次鹽漬化[27],結果造成土壤理化性質惡化,對設施作物的產量與質量產生一定的影響。

1.2.2 長期單施化肥對設施蔬菜土壤酸度的影響 在我國土地資源密集的環(huán)境中,土壤酸化一直是一個重要的問題。土壤酸化是土壤復合物吸收一定濃度的酸性離子并使其淋失的一種過程[28]。隨著全球工業(yè)化進程的加快帶來的酸沉淀和高強度的農業(yè)土地使用,使大量的外來H+進入土壤,加劇了酸化進程,給生態(tài)和農林生產帶來了極大的威脅。

氮肥對土壤酸化作用在長期定位試驗中得到更為量化的理解[34]。施用氮肥30年后,土壤表層(0～15 cm)pH值隨施氮時間的延長而降低,與施氮量呈顯著正相關。第10年土壤pH值降低到5.0以下,同時產量的下降與土壤pH值的變化幅度有直接關系[35]。酸化現(xiàn)象在設施條件下也更為突出。在陜西,連作設施蔬菜土壤耕層平均pH值對比相鄰對照菜田降低了5.7%[36];在云南、江西等地的調查中,連作13年設施大棚耕層土的pH值下降了0.72[37];連續(xù)種植蔬菜15年后設施黃潮土由堿性變?yōu)橹行?土壤pH值平均每年下降0.05～0.06,連作5、10、23年的塑料大棚黑姜土菜地pH值分別下降了0.46、0.95、1.26,約每年下降0.08,由中性變?yōu)樗嵝訹38]。

有研究發(fā)現(xiàn),施入硫酸銨和尿素對耕地土壤硝化作用促進明顯,使土壤顯著酸化[39]。添加硫酸銨、尿素和碳酸氫銨培養(yǎng)35 d,對本身酸度較高(pH值為4.46和4.82)的土壤硝化作用無直接影響,而顯著促進了中性偏酸(pH值為6.27)土壤的硝化作用,土壤酸化明顯[40]。故氮肥的不合理施用帶來的酸化問題不容小覷,尤其對于設施蔬菜土壤而言,合理的施肥手段具有重要意義。

1.2.3 長期單施化肥對設施蔬菜土壤養(yǎng)分含量的影響 化肥作為速效肥,施入土壤后養(yǎng)分釋放速度快,合理施用下不易在土壤中累積,但由于不同農地特征、不同作物以及農戶施肥習慣等因素,單施化肥往往存在施用過量現(xiàn)象[41]。我國化肥施用存在氮肥、磷肥過量較嚴重,鉀肥施用不足的普遍現(xiàn)象[42],使施肥成本增高,肥害增多;同時由于元素間存在拮抗作用,土壤氮磷含量過多則會降低鈣、鎂、硼、鋅等中微量元素養(yǎng)分的有效性[43],故連作時蔬菜易出現(xiàn)臍腐病(缺鈣)、缺鎂癥(缺鎂)、莖裂病(缺硼)等缺素病害[44]。

1.3 長期單施化肥對設施蔬菜土壤生物學性狀的影響

土壤生物學性狀的觀測通常指微生物性狀和土壤酶活性2個方面。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中非?；钴S的一種生物,包括細菌、真菌、放線菌等,它們是土壤的主要組成成分,同時也是土壤物質的轉化和能量的循環(huán),可反映出土壤中物質代謝的旺盛程度[45]。施肥為作物生長提供養(yǎng)分的同時影響著土壤微生物活動。已有研究表明,古菌、細菌和真菌的β多樣性以及土壤功能主要受氮肥驅動,連續(xù)28～50年施氮降低了土壤中古菌豐度,增加了細菌和真菌豐度[46],同時增加了古菌和真菌的多樣性而減少了細菌的多樣性[47]。但也有研究表明,隨著土壤中氮素積累量的增多,土壤酸堿度等指標變化使土壤中細菌、放線菌不僅數(shù)量減少并且所占比例降低,是致使蔬菜發(fā)病率升高的重要因素[48]。而長期投入氮素通過增加細菌豐度來加速土壤微生物潛在的硝化活性,刺激硝化活動,從而形成惡性循環(huán),使整個農業(yè)系統(tǒng)更加依賴外部氮輸入[49]。在設施條件下連續(xù)施肥3年,設施菜地微生物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef物種豐富度指數(shù)以化肥處理最低,而Simpson’s多樣性指數(shù)、Evenness均勻度指數(shù)和細菌豐度相對不施肥土壤均變化不大[50]。不同施肥方式對溫室內的土壤微生物分布均造成了影響,尤其是在單施化肥的情況下,真菌、放線菌等有害菌的增多,使土壤連作障礙的可能性更大[51]。

土壤微生物活動的主要來源主要通過微生物活動分泌、植物根系分泌及植物殘體、植物區(qū)系的降解等,它對土壤養(yǎng)分的轉化、養(yǎng)分的固定、礦化等具有重要的影響[52]。脲酶可促使含氮化合物水解,生成植物生長所需的氮素;過氧化氫酶能將其分解為氧和水,從而降低了活性氧對植物的毒性;蔗糖酶和磷酸酶分別為土壤提供植物易吸收的小分子糖類(如葡萄糖和果糖)和有效磷;蛋白酶可促使蛋白質分解成氨基酸,從而為植株提供N,以上幾種土壤酶活性受到廣泛關注。38年以上的長期施肥能夠顯著改善土壤中的有機質和微生物數(shù)量,改善其理化性質,并能促進微生物的生長與繁殖,提高了土壤葡萄糖水解酶和乙酰水解酶的活性[53],同時顯著提升了蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性、脲酶活性、土壤纖維素酶活性,但相較配施有機肥或秸稈,其提升效果最低[54]。在設施環(huán)境下,隨連作年限增加,土壤中的酶如脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶的活性呈顯著降低趨勢[55],其中脲酶、蔗糖酶、蛋白酶的活性呈倒“U”形變化趨勢,脲酶、蔗糖酶的活性在連作3年后達到峰值,蛋白酶在連作5年的土壤中活性最高,過氧化氫酶、磷酸酶的活性隨連作年限的增加而逐年下降[56]。

綜上,短期內單施化肥對設施土壤微生物多樣性、豐度及酶活性有一定提升,但長期施用下設施土壤有害微生物隨施用年限延長占比變高,設施蔬菜連作病害發(fā)生風險增大,同時土壤酶活性也隨種植年限的增加有下降趨勢。

2 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤理化及生物學性狀的影響

長期施用化肥為設施蔬菜土壤帶來了許多問題,為保障設施作物生產,必須探究出更為合理的施肥手段。在提倡發(fā)展綠色農業(yè)和食品安全的今天,作為一種具有營養(yǎng)全面、肥效長、來源廣泛、可就地取材等優(yōu)點的肥料,有機肥又一次受到了人們的關注。而有機肥受肥源、茬口、田間耕作管理的影響,分解速度較慢,難以在短期內滿足作物的營養(yǎng)需要,單一施用或施用量不足時會影響蔬菜的自然品質。在作物增產方面,施用氮、鉀肥仍為提高設施蔬菜產量的關鍵措施,而有研究表明連續(xù)10年種植后,施用有機肥與化學氮肥對設施蔬菜的增產效應相當[57],配施達到最高提升效果[58],故化肥減量與有機肥結合施用即有機肥替代化肥技術[59]成為目前設施生產中主流施肥手段。有研究顯示,采用化肥與有機肥復合施肥方式的農戶達68.67%[60],有機肥替代技術在實際生產應用中也受到廣泛認可。

2.1 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤物理性狀的影響

有機肥替代化肥施用,可以使土壤的容重、孔隙度和各項水力學性能得到明顯的改善,從而使土壤的結構和水力學性能得到改善[61]。連續(xù)施用22年后有機肥顯著增加了土壤有機碳和土壤孔隙度,各施肥處理中,有機肥配施化肥處理的水穩(wěn)性團聚體粒徑最大[45]。在安徽淮北32年的定位試驗中同樣表明,單施有機肥和有機肥化肥配施均顯著降低了表層土壤容重,但配施的效果最明顯[62]。而設施環(huán)境下有別于露地土壤,有機肥替代施用顯著降低了設施蔬菜土壤容重,改善了土壤結構,總孔隙度為50%～60%,通氣孔隙度為10%～20%,均有利于土壤微生物活動和作物生長[63],但隨肥料用量的增大,土壤的含水率和容重呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而總孔隙度則呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢[64],而長期施用下,隨著大棚種植年限的增加,土壤容重每年以0.007 g/cm3的速度遞減,呈極顯著降低的變化趨勢,同時孔隙度約以每年0.256%的速度增加[65]。綜上,有機肥替代施用顯著優(yōu)化了土壤的物理性狀,改善了土壤結構,長期施用下土壤容重、孔隙度等指標雖有劣化趨勢,但相對不施肥及單施化肥,土壤質量劣化有較大緩和。

2.2 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤化學性狀的影響

2.2.1 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤酸化、鹽漬化的影響 已有大量研究表明,有機肥替代相比單施化肥顯著提高了設施土壤酸堿度,減緩了酸化現(xiàn)象[66-69],而連續(xù)施用雞糞有機肥5年后設施栽培土壤由于硝態(tài)氮和速效磷的累積,其pH值也呈下降趨勢[70],說明有機肥替代僅能減緩酸化速度,長期施用下設施土壤仍有酸化風險。有機肥替代對設施蔬菜土壤電導率的影響與替代比例和有機肥種類均有關,但目前結論不統(tǒng)一。有研究表明,施用化肥顯著提升了設施土壤EC值,而畜禽肥與無機肥組合施用進一步顯著提高了土壤EC值[67,71];也有研究表明,有機肥施用降低了設施蔬菜土壤EC值[72-73]。但長期施用條件下,隨著設施蔬菜種植年限的延長,土壤中的鹽離子交換量逐漸增多,而陽離子交換能力的增強則使得該設施蔬菜的鹽基飽和度維持在一定的水平[74],長期連作后土壤電導率顯著高于短期連作土壤[75]。

2.2.2 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤養(yǎng)分含量的影響 有機肥替代化肥施用,使得設施土壤有機質和全氮含量顯著增加,速效養(yǎng)分含量隨替代比例的增加先增加后減少,土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著增加[76-78]。同時,土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量不斷增加,促進了交換性鈣、鎂、硫的解吸,故有機肥替代技術也能提升設施土壤中其他養(yǎng)分元素含量[79]。而在長期施用有機肥條件下,隨著設施蔬菜生長年限的延長,土壤中的硝態(tài)N、速效P、速效K等營養(yǎng)物質的含量逐漸增多,營養(yǎng)物質的富集程度顯著提高,積累強度也隨之提高[80],土壤中過高的養(yǎng)分積累使設施土壤中鹽分含量逐年增加[81]。

2.2.3 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤重金屬累積的影響 化肥和有機肥的施用均會導致土壤中的重金屬濃度逐步升高,并具有重金屬污染的危險,而有機肥與化肥配施則使得土壤中的重金屬濃度升高幅度更大[82]。不同比例有機肥替代化肥不同程度提高了土壤有效態(tài)鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)含量[83-84],其中土壤有效態(tài)Cu、鋅(Zn)含量隨有機肥替代施用量的增加而增加,有效態(tài)鉛(Pb)含量隨替代量的增加而降低[85],而土壤中全量重金屬均隨有機肥用量的增加表現(xiàn)為遞增趨勢[86],同時有機肥替代化肥施用顯著提高了玉米籽粒中的Zn含量[87]。故有機肥替代化肥施用下,土壤及作物具有更高的重金屬污染風險。

2.3 有機肥替代化肥施用對設施蔬菜土壤生物學性狀的影響

通過28年的施肥和有機肥-無機肥的配施,可以使土壤中的細菌數(shù)量、多樣性和豐富程度得到明顯的改善,但配施對微生物群落構成的影響更為明顯,使放線菌門的相對豐度明顯下降,擬桿菌門的相對豐度增大,對土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與健康更為有利[88]。設施環(huán)境下,有機肥替代施用對設施蔬菜根際土壤的微生物種群數(shù)量和土壤酶活性具有顯著的影響:短期施入,植物根際土壤細菌、放線菌及微生物的總數(shù)均有明顯的提高,而真菌的數(shù)量則有所下降[89];脲酶、過氧化氫酶活性均顯著提高[90],故相較于單施化肥在一定程度上改善了設施土壤微生物區(qū)系,并提高了土壤微生物代謝活性。連續(xù)有機肥替代施用10年后,設施土壤細菌、真菌和古菌豐度的變化與單獨施用肥料基本一致,增加了古真菌的廣古菌和深古菌的相對豐度,使其相對豐度下降,使設施土壤微生物區(qū)系向更健康的方向發(fā)展。連續(xù)有機肥替代同時促進了土壤胞外酶的分泌,土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性較單施化肥模式均增加[91]。故在設施環(huán)境下,長期有機肥替代施用相較單施化肥,土壤微生物性狀及酶活性均得到較大改善,通過調節(jié)土壤微生物區(qū)系和提高土壤微生物代謝活性等方面,進而提升土壤質量。

3 總結與展望

長期施用化肥使設施土壤易發(fā)生土壤板結、物理質量下降,同時造成更高的土壤酸化鹽漬化風險,且隨著種植年限增加,土壤微生物區(qū)系變化,易使蔬菜發(fā)生病害,同時土壤酶活也隨種植年限延長而下降。而隨著有機肥替代化肥技術的廣泛應用,單施化肥對土壤帶來的問題得到一定程度的解決,有機肥替代施用顯著優(yōu)化了設施土壤的物理性狀,并在提升土壤養(yǎng)分的同時顯著減緩了土壤酸化、鹽漬化現(xiàn)象,有機肥替代施用顯著提高了微生物群落的物種豐富度和有益微生物占比以及土壤酶活性,增強了土壤微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前露地環(huán)境下長期定位試驗開展較多,時限多集中在10年以上,不同施肥處理對土壤各方面的綜合影響有一定評判依據(jù),而設施環(huán)境下有機肥替代試驗研究周期多為1～2茬,長期定位試驗開展較少,時限大多集中在1～5年,對土壤各方面性狀影響的所得結論仍存在一定局限性。因此,長期有機肥替代施用對于設施蔬菜土壤的綜合影響還有待進一步研究,以期為設施環(huán)境合理施肥提供一定的參考。