含海藻酸有機水溶肥料對設施大棚土壤容重與孔隙度影響的研究

高 巖，申培麗，王海朋，王鈺馨，秦益民

（1.青島明月海藻集團有限公司/農業(yè)部海藻類肥料重點實驗室，山東 青島 266400；2.海藻活性物質國家重點實驗室，山東 青島 266400）

設施大棚栽培采用人工措施改變局部生態(tài)環(huán)境，能夠充分利用光能和熱能，對提高蔬菜的品質與產量起到了重要的作用，且成本相對較小，在推進農村經濟發(fā)展及農業(yè)產業(yè)化方面具有十分重要的作用，因此，我國大棚蔬菜栽培發(fā)展較為迅速。但近年來大棚蔬菜栽培在其發(fā)展進程中產生了一系列問題，尤其是種植年限較長的大棚，發(fā)生土壤的次生鹽漬化[1]、養(yǎng)分失調、土壤酸化、微生物種群受損、土壤結構改變等，造成蔬菜產量下降、品質降低，嚴重制約了土地的可持續(xù)利用[2]，甚至會影響當地的生態(tài)環(huán)境。設施土壤狀況將直接關系到作物的產量與質量及設施農業(yè)的發(fā)展。

土壤是多孔體，土粒、土壤團聚體之間以及團聚體內部均有孔隙存在。土壤容重是土壤的基本物理性狀之一，其能夠反映土壤的孔隙情況和緊密程度，并影響土壤中的水、肥、氣、熱狀況，進而影響作物的生長發(fā)育情況[3]。高慧等[4]研究表明，不同深度設施土壤的容重隨著種植年限的增加呈現下降趨勢，總孔隙度呈現上升趨勢，毛管孔隙度的變化幅度不是很大。

隨著現代綠色農業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)保、生態(tài)的綠色農用肥料日益受到廣大農戶的青睞。其中，海藻肥是以海藻為原料，通過生物發(fā)酵技術提取海藻多糖和低聚糖等，濃縮形成海藻精或與其他營養(yǎng)物質科學地進行復配，極大地保留了海藻天然活性成分，是一種新型的綠色肥料。國外已對土豆、玉米、小麥、大麥、花生、甜菜、黃瓜、西紅柿、葡萄和菠菜等一系列農作物、水果和蔬菜做過施用液體海藻肥的試驗，均表現出很好的效果[5]。丁晨曦等[6]在研究不同濃度海藻肥對羊茅生長的影響中發(fā)現，海藻肥對促進種子萌發(fā)、改善作物形態(tài)和產量、提高作物對脅迫的抗性、延長采后產品的儲存期等方面起到重要作用。秦青等[7]研究表明，海藻有機肥具有促生、增產、改良土壤、抗病等特點，適用于各種作物，在國內外廣泛應用。

目前對施用海藻肥提高作物產量和品質的研究較多，而針對施用海藻肥對土壤的影響研究相對較少。本項目研究含海藻酸有機水溶肥料施用條件下，設施大棚土壤呼吸強度、土壤容重和孔隙度等的差異，旨在為改善土壤環(huán)境、提高作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用率、減緩土壤退化，并探索含海藻酸有機水溶肥料對土壤的影響，為改善設施大棚土壤、促進設施大棚生產的可持續(xù)發(fā)展提供依據，并為指導生產實踐提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青島西海岸新區(qū)位于北緯 35°35′～36°08′、東經119°30′～120°11′。南臨黃海，北靠膠州市，西鄰諸城市、五蓮縣和日照市。青島西海岸新區(qū)地處北溫帶季風區(qū)域內，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，空氣濕潤、雨量充沛、溫度適中、四季分明，有明顯的海洋氣候特點，具有春寒、夏涼、秋爽、冬暖的氣候特征。年平均氣溫12.5℃；年平均降水量696.6 mm；年無霜期平均為200 d；風速平均5.4 m/s，年平均瞬時風力大于8級天數為71 d。

試驗研究在青島西海岸新區(qū)海青鎮(zhèn)水泊子村的番茄大棚進行，地處東經 119°33′41″、北緯 35°41′20″。試驗地土壤類型為黃棕壤土，呈微酸性，質地黏重。

1.2 試驗設計

試驗于2017年12月—2018年4月進行，供試番茄品種為“雪莉”，供試肥料為三元復合肥（15-15-15），含海藻酸有機水溶肥料（有機質≥150 g/L、P2O5+K2O≥60 g/L、Cu+Fe+Zn+B=5～15 g/L、pH 值 =6.5～8.5、水不溶物≤20 g/L，主要原料為泡葉藻），由青島明月藍海生物科技有限公司提供。

試驗設5個處理，分別介紹如下。

（1）CK：溝灌清水。

（2）CF：溝施普通復合肥料（kg/hm2）。

（3）H1：溝灌含海藻酸有機水溶肥料400倍液0.3 kg/次。

（4）H2：溝灌含海藻酸有機水溶肥料400倍液1 kg/次。

（5）H3：溝灌含海藻酸有機水溶肥料400倍液3 kg/次。

（6）H4：溝灌含海藻酸有機水溶肥料400倍液6 kg/次。

各處理于開花期、第一穗果核桃大小時、第一穗果采收后各施肥1次，共施肥3次。試驗小區(qū)面積67 m2，每個處理設3次重復，采用隨機分組排列。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤呼吸強度的測定

稱取12.00 g新鮮土樣置于500 mL具塞平口燒杯中。準確吸取5 mL濃度為0.1 mol/L NaOH溶液于另一個50 mL三角瓶中，將其放入盛有土樣的平口燒杯中，塞緊瓶口，將平口燒杯置于25℃下恒溫培養(yǎng)24 h。取出三角瓶，加入2 mL濃度為0.2 mol/L BaCl2溶液，滴加2滴酚酞指示劑，用0.05 mol/L鹽酸滴定至紅色消失，記錄所用鹽酸體積。同時做空白試驗2個。

1.3.2 土壤容重的測定

采用環(huán)刀法進行實地測定，計算公式為：土壤容重(g/cm3)=干土重/容積。

1.3.3 土壤孔隙度的測定

采用環(huán)刀法測定土壤孔隙度、吸水法測定土壤毛管孔隙度。各孔隙度的計算公式如下：

土壤總孔隙度=[1-(容重/比重)]×100%

式中，土壤比重為2.65 g/cm3。

毛管孔隙度=(毛管水容積/土體容積)×100%

非毛管孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007進行作圖，數據計算和方差分析采用SPSS 13.0。

2 結果與分析

2.1 不同濃度含海藻酸有機水溶肥料對設施大棚土壤呼吸強度的影響

土壤呼吸強度指單位時間從單位面積土壤上擴散出來的CO2量，是表征土壤質量及土壤肥力的一項重要生物學指標，其反映了土壤中生物活性和土壤物質代謝的強度。影響土壤呼吸強度的因素諸多，包括土壤溫度、土壤含水量、土壤生物、施肥、大氣、風速等。

由圖1分析可知，不同處理的土壤呼吸強度由大到小依次為：H3＞H2＞H4＞H1＞CF＞CK，施用肥料均能增強設施土壤的呼吸強度，以溝灌含海藻酸有機水溶肥料400倍液3 kg/次的H3處理土壤呼吸強度最高，增幅達72.78%，說明施用肥料能增加土壤中生物活性和土壤物質的代謝強度，增加土壤肥力，以H3處理對設施番茄土壤的改良效果最佳。

圖1 不同施肥處理下設施土壤的呼吸強度

各施用含海藻酸有機水溶肥料處理中，隨著施用量的增加，土壤呼吸強度呈拋物線形，即先增后降，說明適量施用含海藻酸有機水溶肥料有利于土壤呼吸強度的增加，過量施用反而降低土壤的呼吸作用強度，不利于土壤中生物活性和土壤物質的代謝。

2.2 不同濃度含海藻酸有機水溶肥料對設施大棚土壤容重的影響

土壤容重是自然狀態(tài)下單位體積原狀土壤的干土質量，土壤容重與土壤質地、結構、有機質含量、土壤緊實度和耕作條件等相關，可用于鑒定土壤顆粒間排列的緊實度，也可以作為土壤熟化程度的指標之一。

由圖2可以看出，施用普通復合肥料的CF處理土壤容重較CK略有增加，增加了3.30%，說明施用復合肥不利于土壤疏松透氣，易造成土壤板結，這與張寶峰等研究結果一致。施用含海藻酸有機水溶肥料，在一定程度上降低了土壤容重，以H3處理降低幅度最大，與CK處理相比較，降低幅度為13.78%，說明該處理條件下土壤疏松透氣性最好，更利于作物根系的生長發(fā)育。而H4處理土壤容重雖較CK略有下降，但差異不顯著，說明過多施用含海藻酸有機水溶肥料反而對土壤疏松透氣性的改量效果不明顯。

圖2 不同施肥處理下設施土壤容重的變化

2.3 不同濃度含海藻酸有機水溶肥料對設施大棚土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度即土壤孔隙容積占土體容積的百分比。土壤孔隙的多少決定著土壤氣、液兩相的總量，同時反映土壤協(xié)調水分和空氣的能力，影響土壤的吸熱、導熱、溫度的升降及土壤肥力的發(fā)揮等，進而影響作物的生長。

由圖3可知，與CK處理相比較，施用含海藻酸有機水溶肥料均不同程度地增加了土壤總孔隙度，增加幅度為3.56%～19.22%。土壤毛管孔隙度及土壤非毛管孔隙度分別增加0.79%～17.85%、3.95%～20.04%。其中，以H3處理對土壤總孔隙度及毛管孔隙度、非毛管孔隙度的增加幅度最大，表明該處理施肥量對增加試驗設施土壤的孔隙體積，增強土壤的透氣能力效果最好。從圖3還可以看出，供試土壤非毛管孔隙度的比例要高于毛管孔隙度。施用復合肥料的CF處理較CK處理土壤總孔隙度下降，說明施用復合肥不利于土壤的透氣性。

圖3 不同施肥處理下設施土壤孔隙度的變化

2.4 試驗土壤呼吸強度與土壤孔隙度和土壤容重的相關性

由圖4表明，土壤呼吸強度與土壤總孔隙度呈正比例關系，說明試驗設施土壤呼吸強度隨著土壤總孔隙度的增大而增大。

圖4 不同施肥處理下設施土壤呼吸強度與土壤總孔隙度的關系

圖5 不同施肥處理下設施土壤呼吸強度與土壤容重的關系

由圖5可以看出，土壤呼吸強度與土壤容重總體呈反比例關系，說明隨著土壤容重的增加，土壤呼吸強度呈現下降的趨勢。

3 結論與討論

我國是一個農業(yè)大國，各類肥料需求量非常大。但同時農業(yè)發(fā)展是一項復雜、艱巨的系統(tǒng)工程，由于長期大量使用化學肥料，農業(yè)污染日益突出、土壤衰退等環(huán)境惡化問題嚴重，發(fā)展綠色、安全、無公害肥料已成為我國肥料發(fā)展的必然趨勢。現在，我國土壤生態(tài)環(huán)境整體比較脆弱，如果任憑當前化肥、農藥大量盲目使用，勢必會距離生態(tài)、現代、健康、高效的農業(yè)發(fā)展目標越來越遠。所以，必須統(tǒng)籌考慮經濟效益和生態(tài)效益，引進一種綠色、安全、高效、環(huán)保、功能多樣的肥料。

由于大棚特殊的建造結構，大棚蔬菜地常處于半封閉狀態(tài)，具有氣溫高、濕度大、高蒸發(fā)量、無雨水淋洗、復播指數高、肥料投入量大等特點，與露地土壤生態(tài)環(huán)境條件有明顯的差異，而且大棚利用到一定年限后，其土壤的理化性狀將發(fā)生變化，抑制土壤微生物的新陳代謝，降低土壤的呼吸強度。

在農業(yè)生產中，適宜的土壤孔隙度及土壤容重能促進土壤養(yǎng)分的轉化，并促進作物的生長。前人研究認為，結構良好的耕地耕作層容重為1.14～1.26 g/cm3[8]。土壤質地也會影響土壤容重的大小，并且土壤中有機質含量越高，土壤容重越小。土壤容重過大，表明土壤緊實，不利于通氣透水，從而不利于植物扎根；土壤容重過小，易造成土壤有機質分解過速，并使植物扎根不牢，易倒伏。趙風艷等[9]研究認為，隨著大棚種植年限的增加，土壤結構性明顯改善，水穩(wěn)性團聚體(5～0.25 mm)的數量隨種植年限增加而增加，毛細管孔隙發(fā)達，持水性變好；但非毛細管孔隙比例相對降低，耕作層變淺，土壤板結嚴重，通氣透水性差。高新昊等[10]研究認為，隨種植年限增加，土壤容重和pH值均明顯下降，而土壤孔隙度、土壤EC值和土壤鹽分含量則顯著升高。

海藻及其提取物在種植業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)中的應用已經得到多個國際組織和政府的認可。歐盟IMO認證、北美OMIR認證和中國有機食品技術規(guī)范等明確指出，允許海藻制品作為土壤培肥和改良物質[11]。迄今為止，國內外有大量相關海藻肥在玉米、小麥、土豆、黃瓜、西紅柿、葡萄等一系列農作物的應用，研究表明：農作物應用海藻肥均表現出很好的效果，其不僅能提高種子的發(fā)芽率，提高農作物的產量和品質，而且能改善土壤性質，促進植物對土壤中營養(yǎng)成分的吸收[12]。王澤文等[13]研究認為，海藻肥具有改善土壤結構、提高土壤保水能力等功效。

本試驗中，施用含海藻酸有機水溶肥料一定程度上降低了土壤容重，并增加了土壤孔隙度及土壤呼吸強度。以H3處理變化幅度最大，該處理條件下土壤結構良好，疏松透氣性最好，更利于作物根系的生長發(fā)育，說明含海藻酸有機水溶肥料有很好的改良土壤結構的效果，進一步說明施用適量海藻肥對土壤結構有一定的改善作用。而施用普通復合肥處理CF雖一定程度上增加了土壤的呼吸強度，卻降低了土壤孔隙度并增加了土壤容重，這可能是由于含豐富N、P、K等養(yǎng)分的復合肥施入土壤后，刺激了土壤中微生物的分解代謝，從而增加了土壤的呼吸強度，但卻不利于土壤疏松，這與前人研究的大量施用化學肥料易造成土壤板結等問題一致。