種植年限對設施菜田土壤pH及養分積累的影響

曹文超 張運龍 嚴正娟 王敬國 李俊良 陳 清*

（1青島農業大學資源與環境學院，山東青島266109；2中國農業大學資源與環境學院，北京100193）

我國設施蔬菜的播種面積已達330萬hm2，占我國農作物播種面積的2.1%（中國農業統計年鑒，2010），已呈集約化、規模化發展趨勢。山東是我國的蔬菜種植大省，其設施蔬菜種植面積占全國總面積的1/5以上，總產量居全國第一位（高中強，2010）。設施蔬菜種植環境具有常年高溫、高濕、無降水淋洗及高投入、高產出、高強度利用等特點，是一種高度集約化的利用方式（黃錦法 等，2003）。據調查，2004年山東設施蔬菜氮磷鉀投入量分別為2428、2022 kg·hm-2和2033 kg·hm-2（劉兆輝 等，2008），其中壽光地區氮磷鉀年投入量高達4088、3656 kg·hm-2和3438 kg·hm-2（余海英 等，2010），而一般蔬菜形成1000 kg產量平均需要吸收氮磷鉀分別為2～4、0.18～1.20、3.5 kg（杜會英，2007），其養分投入量遠遠超過了蔬菜養分吸收量。此外，目前蔬菜生產中主要采用大水漫灌的灌溉方式，據調查，山西省鹽湖區日光溫室蔬菜每季灌溉10～20次，每次47～63 mm，灌溉總量達470～1200 mm，平均767 mm（王敬國，2011）；山東壽光地區全年灌溉水總量為748～1957 mm，平均灌溉量高達1307 mm（宋效宗，2007）。“一水一肥，大水漫（溝）灌，肥大水勤，肥隨水走”的傳統灌溉施肥管理方式，大大地降低了水肥利用效率，我國設施蔬菜的單位面積水資源利用效率僅為以色列的 1/6～1/5，肥料利用率更低（張志斌，2008），這不僅浪費了資源，同時大大增加了環境風險。與此同時，設施菜田長期高量投入導致磷、鉀等養分在土壤中過量積累，使土壤酸化、鹽漬化（余海英 等，2006）、微生物群落失衡等，土壤退化問題普遍發生（王敬國，2011）。

土壤質量是蔬菜生產體系可持續發展的基礎。為了解不同種植年限設施菜田土壤質量的變化特點，本試驗在山東壽光地區進行了取樣調查和分析，從進一步定量化土壤pH和土壤養分對比入手，探討不同種植年限設施菜田土壤質量狀況，對指導設施蔬菜生產體系持續高效生產有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 調查區概況

壽光地處魯北濱海平原，位于北緯 36°41′～37°19′，東經 118°32′～119°10′之間，總面積2018 km2。氣候屬暖溫帶季風性大陸氣候，四季分明。平均年降水量約600 mm，主要集中于6～8月，占全年降水總量的1/2以上。主要種植作物為蔬菜、小麥、玉米。

1.2 調查方法

2011年3月至4月中旬，隨機抽取壽光地區集約化設施蔬菜生產區的5個鎮（文家鎮、古城街道、紀臺鎮、稻田鎮、留呂鎮）的38個日光溫室進行了調查，并進行了相應土樣的采集，同時調查了附近4塊小麥糧田作為對照。調查采用農戶調研的形式，調查的內容包括：采樣點基本情況（種植年限、種植面積、種植作物等）；施肥情況（肥料種類、施肥量等）；灌水情況（灌溉方式、灌溉次數、灌溉量和灌溉時期）（表1）。

1.3 土樣采集與測定方法

土樣采集的每個點均用GPS定位，日光溫室和小麥田的采集為3個點的混合土樣，采集深度分別為0～20、20～40、40～60 cm。采集的土樣經風干、研磨、過篩、混勻后進行下一步分析。

土壤測定采用常規分析方法（鮑士旦，2000）：土壤 pH測定采用電位法（去離水浸提，水土比5∶1）；有機質含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法；NO3--N和NH4+-N含量測定采用新鮮土樣過4 mm篩，稱取12 g鮮土加入100 mL 1 mol·L-1KCl溶液浸提，振蕩1 h，過濾后用流動注射分析儀（型號：TRAACS 2000）測定其含量，同時采用烘干法測定土壤含水量；Olsen-P含量測定采用 0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法；速效鉀含量測定采用 1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法；電導率測定采用精密電導儀電導法。

1.4 數據處理

采用 Excel2010、Sigmaplot11.0、SPSS19.0軟件進行數據記錄、作圖和統計分析。

表1 不同種植年限設施菜田及糧田調研點基本狀況

2 結果與分析

2.1 不同種植年限設施菜田土壤pH值和EC值的變化

設施菜田土壤pH值隨土層增加而增大，各土層土壤pH值隨種植年限的增加呈下降趨勢（圖1）。0～20 cm土層土壤在1～3、≥10 a種植年限下平均pH值為8.03、7.75，與相同土層露地小麥土壤相比，分別下降了0.41、0.69個單位；20～40 cm土層種植10 a后pH值由8.67下降至7.99，降幅為0.68；不同種植年限設施菜田0～20 cm土層土壤平均pH值為7.90，較露地小麥0～20 cm土層土壤下降了0.54個單位，這些充分說明了設施菜田土壤各土層有隨種植年限的增加呈現酸化的趨勢。

設施菜田各土層土壤電導率（EC值）隨種植年限的增加均有先升高后下降的趨勢（圖2），大部分設施菜田土壤已經出現次生鹽漬化問題。0～20 cm土層土壤在種植1～3、4～6、7～9、≥10 a后，EC值分別在1.64～6.86、1.91～9.26、1.60～8.36、1.47～4.86 dS·m-1之間，平均值分別為3.66、5.71、4.61、3.50 dS·m-1，與0～20 cm土層露地小麥土壤平均值相比分別增加了1.90、3.95、2.85、1.74 dS·m-1；20～40、40～60 cm 土層土壤平均 EC 值分別為 2.49、2.11 dS·m-1。設施菜田土壤隨種植年限的增加，鹽分在土壤中的累積量逐漸增大，種植7 a后EC值開始下降，鹽分累積量減少。這種現象的變化可能與設施菜田的施肥量、施肥種類、灌水量、灌水方式、栽培作物以及鹽基離子在土壤中的移動、淋失等有關。

圖1 種植年限對不同土層土壤pH值的影響

圖2 種植年限對不同土層土壤EC值的影響

設施菜田土壤中EC值的變化不僅表征了鹽分離子的變化，也可以反映鹽分離子對土壤pH值的影響。由圖 3可知，設施菜田 0～20 cm土層土壤 pH值與 EC值呈現一定的負相關性（y=-0.043x+8.149，r=-0.290，n=38），但并不顯著。化學肥料尤其是氮肥的大量施用使土壤酸度增加（劉艷軍 等，2006），此外過量陰離子及磷鉀離子的陪伴也可能會隨土壤水分的蒸發使鹽分在表層不斷累積。

2.2 不同種植年限設施菜田土壤養分含量變化

2.2.1 土壤有機質 設施菜田土壤有機質含量隨種植年限的增加而逐漸上升（圖4）。0～20 cm土層土壤有機質含量平均值為21.20 g·kg-1，種植1～3、4～6、7～9、≥10 a的土壤有機質含量平均值分別為13.96、19.27、21.91、29.65 g·kg-1，與露地小麥相同土層土壤有機質含量（13.16 g·kg-1）相比分別增加了 6.1%、46.4%、66.5%、125.3%。然而調查表明，壽光設施菜田全年施用的有機肥多以含速效養分多且分解較快的雞糞、豬糞、鴨糞為主，盡管施用量較大，達到每季14.4～100.0 t·hm-2，但肥料中木質素和纖維素含量相對較低，不利于設施菜田土壤有機質含量較大程度地提高，同時不同農戶對菜田投入的有機肥量差異較大。

2.2.2 土壤無機氮 土壤無機氮以硝態氮形式為主，二者在各土層的變化趨勢均基本一致。設施菜田0～20 cm土層種植1～3、4～6、7～9、≥10 a的土壤無機氮含量分別為130.6、141.1、154.2、125.5 mg·kg-1，分別是露地小麥相同土層無機氮含量的2.83、3.06、3.34、2.72倍；20～40、40～60 cm土層不同種植年限（1～20 a）設施菜田土壤無機氮含量平均值分別為74.43、51.59 mg·kg-1，與相同土層露地小麥土壤無機氮含量相比，分別增加了40.95、17.12 mg·kg-1（圖5）。0～20 cm土層1～3 a設施菜田土壤硝態氮含量與相同土層露地小麥土壤差異顯著，且7～9 a設施菜田土壤硝態氮含量分別是露地小麥土壤、1～3 a設施菜田土壤的3.58、1.21倍（圖6）。可見，設施菜田土壤無機氮隨種植年限的增加在各土層出現不同程度累積，且設施菜田土壤在種植7～9 a后，無機氮和硝態氮累積量達到最大值。

圖3 0～20 cm土層土壤pH值和EC值的關系

圖4 種植年限對不同土層土壤有機質含量的影響

圖5 種植年限對不同土層土壤無機氮含量的影響

圖6 種植年限對不同土層土壤硝態氮含量的影響

2.2.3 土壤有效磷 不同種植年限的設施菜田土壤有效磷含量差異較大（圖 7），種植年限與設施菜田土壤有效磷含量呈現極顯著的相關性（0～20、20～40 cm和40～60 cm土層相關系數r分別為 0.636**、0.528**和 0.493**，n=38）。設施菜田 0～20、20～40、40～60 cm土層土壤有效磷平均含量分別為露地小麥土壤的14.0、5.57、3.45倍；0～20 cm土層設施菜田和露地小麥土壤有效磷含量分別在37.36～553.2 mg·kg-1和7.58～23.1 mg·kg-1之間，平均含量分別為201.2 mg·kg-1和 14.4 mg·kg-1，≥10 a設施菜田土壤有效磷含量為263.7 mg·kg-1，1～3、4～6、7～9、≥10 a 0～20 cm土層土壤有效磷含量分別是露地小麥土壤的8.9、14.8、18.1、18.3倍。設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 20～40 cm和40～60 cm土層累積明顯，這與磷素淋失有很大關系。

圖7 種植年限對不同土層土壤有效磷含量的影響

2.3.4 土壤有效鉀 不同種植年限的設施菜田土壤中有效鉀含量差異也很大（圖 8），種植年限與設施菜田土壤有效鉀含量呈現極顯著的相關性（0～20、20～40 cm和40～60 cm土層相關系數r分別為0.479**、0.559**和0.513**，n=38）。1～3 a的設施菜田土壤在20～40 cm、40～60 cm土層中有效鉀含量與≥10a的設施菜田土壤差異達到顯著水平。0～20 cm土層設施菜田土壤有效鉀含量為250.3～1334 mg·kg-1，平均值為628.6 mg·kg-1，露地小麥土壤有效鉀含量平均值為196.3 mg·kg-1，二者平均值相差3.20倍；20～40 cm土層設施菜田土壤有效鉀含量平均值為325.3 mg·kg-1，為對照露地小麥相同土層土壤的3.23倍；40～60 cm土層設施菜田土壤有效鉀含量最大值可達366.4 mg·kg-1，平均值為138.8 mg·kg-1，為露地小麥相同土層土壤的 1.34倍。與對照露地小麥土壤相比，1～3、4～6、7～9、≥10 a 0～20 cm 土層設施菜田土壤有效鉀含量分別是露地小麥土壤的 2.8、3.2、3.5、3.5倍。隨種植年限的增加設施菜田土壤中有效鉀含量逐漸累積，有效鉀在20～40 cm和40～60 cm土層累積與鉀在設施菜田土壤中的淋失有關。

圖8 種植年限對不同土層土壤有效鉀含量的影響

3 結論與討論

3.1 設施菜田養分累積及其環境風險

設施菜田單次灌溉量高達100～150 mm，可入滲到2 m以下的土壤深度（王敬國，2011），宋效宗（2007）調查壽光全年施氮肥量為618～1647 kg·hm-2，平均1154 kg·hm-2。設施菜田長期較高的水肥投入，不利于水肥資源的高效利用和可持續發展，也給土壤本身帶來物理、化學以及生物學障礙等負面影響。

硝酸鹽是設施蔬菜喜好的氮素形態。本試驗結果表明，設施菜田土壤無機氮以硝態氮形式為主，無論是對照露地小麥還是設施菜田，全土壤剖面0～20 cm土層土壤硝態氮含量最高，且菜田剖面深層有一定的硝酸鹽累積，試驗結果同黨菊香等（2004）的結論一致。Cao等（2004）在浙江省嘉興地區調查發現，設施菜田土壤硝態氮含量是水稻—小麥輪作土壤的 4倍，本試驗結果表明，1～3 a的0～20 cm土層設施菜田土壤硝態氮含量是露地小麥土壤的2.96倍。設施菜田土壤氮素累積以硝態氮為主，然而硝態氮本身帶負電荷，不易被土壤膠體吸附，易隨灌溉水向下淋洗（Zhang et al.，1996）。硝態氮在設施栽培土體內的積聚最終會產生環境負效應。一方面，表聚的硝態氮通過植物根系吸收進入蔬菜可食部位，有可能導致可食部位硝態氮的積累量超出安全標準（劉偉 等，2011）；另一方面，由于壽光地區地下水位埋深較淺，設施菜田剖面積聚的硝態氮極易隨灌溉水向下淋洗至地下水系，威脅生態安全。據宋效宗等（2008）在2003～2005年監測壽光地下水硝態氮含量的結果可知，設施蔬菜種植區灌溉水中硝態氮的平均含量是大田區的4～7倍，二者差異達到極顯著水平。在8次的取樣中，硝態氮含量平均在13.89～40.00 mg·L-1之間，均明顯高于 WHO推薦飲用水和我國現行飲用水硝態氮含量上限，并且單井硝態氮含量最高可達88.03 mg·L-1，可見設施菜田灌溉施肥的管理方式對地下水的影響已經不容忽視。

Cao等（2004）在浙江省嘉興地區調查研究發現，設施菜田土壤有效磷含量是水稻—小麥輪作土壤的4～10倍。本試驗中設施菜田0～20 cm土層土壤有效磷含量平均為露地小麥土壤的13.97倍，同劉兆輝等（2008）的研究結果相一致。0～20 cm土層土壤有效鉀含量平均值為628.6 mg·kg-1，為露地小麥土壤的3.20倍，這與大慶市設施菜田有效鉀（449.8～827.5 mg·kg-1）為露地有效鉀含量的 2.1～3.8倍的結果相類似（趙鳳艷 等，2000）。本試驗結果表明，種植年限與設施菜田 0～20 cm土層土壤有效磷、有效鉀含量呈現極顯著的相關性（r分別為 0.636**、0.479**，n=38）。可見，設施菜田土壤有效磷、有效鉀含量存在著明顯的累積效應。Heckrath等（1995）研究認為，土壤Olsen-P濃度超過一定值時（約60 mg·kg-1），磷就會通過亞地表徑流損失。Hesketh和 Brookes（2000）在洛桑試驗站的研究結果表明，土壤中 Olsen-P與灌溉水中的全磷和水溶性磷呈正相關，并提出土壤Olsen-P大于57 mg·kg-1時，灌溉水中磷濃度與土壤水溶性磷含量顯著增加，土壤磷淋失風險顯著增大。據袁麗金等（2010）對設施菜田土壤有效養分累積規律的研究表明，種植年限小于10 a的設施菜田在100 cm以下土層土壤有效磷累積峰出現在150 cm剖面處，為12.7 mg·kg-1，大于10 a的設施菜田在250 cm剖面處出現土壤有效磷的最大值，為19.5 mg·kg-1，同時也發現種植年限大于10 a的設施菜田土壤有效鉀在250～350 cm土層間存在累積峰，且峰值在95.7～119.3 mg·kg-1之間波動，說明土壤有效磷、有效鉀在傳統水肥條件下淋洗現象明顯。由于設施菜田大量施用有機肥和化肥，土壤磷素和鉀素的逐年累積超過了土壤膠體的吸附能力，菜田耕層土壤磷鉀元素大量累積，有可能加快了土壤磷素通過滲漏淋溶流或地表徑流向土壤深層及水體環境遷移，加快了鉀素隨灌溉水的向下移動，不僅大大降低了元素的利用效率，還給土壤和水體環境安全帶來了挑戰。

3.2 設施菜田養分累積與土壤pH值的變化

一般情況下，土壤中磷鉀元素移動性較差，易被土壤膠體所吸附固定，硝態氮易隨水淋失。然而，設施菜田土壤養分累積已成為一個不爭的事實，大量的有效養分累積在土體剖面尤其是表層土壤中，極易隨灌溉水向下淋洗。通常伴隨硝態氮淋洗的是鹽基離子，而不是質子（王敬國，2011），這樣就導致質子在菜田表層土壤中的累積而出現土壤酸化的情況。此外，質子與膠體吸附的鹽基離子交換后，在設施菜田頻繁的灌水情況下，鹽基離子被大量淋洗，而使土壤酸化加劇。

在沒有人類干擾的自然條件下，土壤的酸化過程需要幾百年甚至上百萬年的時間（Guo et al.，2010）。Guo等（2010）調查發現自20世紀80年代以來，中國經濟作物類（蔬菜、果樹、茶樹）土壤pH值下降了0.3～0.8個單位，我國主要農業地區的pH值都顯著降低，平均下降了約0.5個單位。本試驗調查顯示不同種植年限各土層設施土壤pH值均大于7.0，且各土層土壤pH值隨種植年限的增加而下降。同時，此次調查不同種植年限設施菜田耕層土壤（0～20 cm）平均pH值為7.90，與劉兆輝等（2008）根據壽光25個土樣得出耕層設施土壤平均pH值（7.69）相比高出0.21個單位；與曾希柏等（2010）得到壽光設施菜田土壤pH值（6.86）的數據也有較大差別，說明壽光地區土壤pH值不再下降，反而有升高的趨勢。

菜田土壤 pH值的變化受土壤母質、化肥種類數量、灌水定額、栽培作物、土壤溫度、種植年限以及土壤微生物等因素的影響，有機物質的加入也會影響到土壤pH值的變化（Feng et al.，1996）。設施菜田土壤pH值的整體變化與前人的研究成果（李俊良 等，2002；王輝 等，2005；曾希柏 等，2010）不同，原因可能是人們飼養雞、鴨等動物的過程中，為了除臭和滅菌而加入了大量的石灰作為墊料，同時在有機肥（雞糞、鴨糞、豬糞等）加工包裝過程中為了除臭也摻雜了部分石灰，導致有機肥含有的碳酸鈣含量較高。據調查，壽光地區施用的風干雞糞的碳酸鈣含量平均值為76.63 g·kg-1（n=20），且目前風干雞糞的pH值在7.80±0.38（任濤，2011）。有機肥（雞糞、鴨糞、豬糞等）在設施菜田中連年大量的施用，不但使有機質在設施土壤尤其是0～20 cm土層土壤中逐年累積，而且也使菜田土壤pH值增加，一定程度上緩解了設施菜田土壤的酸化現象。此外，設施菜田土壤pH值的增加還可能與當地灌溉水的堿度、區域地理位置、作物對P、S等酸性陰離子基團的吸收、農戶進行的“客土改良”、施用堿性肥料以及加入秸稈等有關。

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