長期施肥對設施菜田土壤氮、磷時空變化及流失風險的影響

石 寧 ，李 彥 ，3*，井永蘋 ，3，薄錄吉 ，3，張英鵬 ，3，孫 明 ，3，仲子文 ，3

（1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 250100；2.農業農村部黃淮海平原農業環境重點實驗室，濟南 250100；3.山東省農業面源污染防控重點實驗室，濟南 250100）

設施蔬菜合理施用肥料是獲得高產高質蔬菜、維持土壤地力和減少過量氮磷引起環境污染的關鍵。早在2000年的調研發現，山東省蔬菜大棚由于過量施用化肥，已經出現了嚴重的養分累積，P2O5的累積量在4000 kg·hm-2以上，N和K2O的含量也在1500 kg·hm-2以上[1]。2006年，山東壽光設施菜田表層土壤硝態氮的含量是露地土壤的6.5倍，氮淋溶深度已經達到土壤5～6 m處，對地下水構成了嚴重威脅[2]。2016年我國設施蔬菜面積已經高達5872萬hm2，是世界第一，并且還以每年10%的速度在增長。而農民為了追求高產，不惜大量投入化肥和有機肥，這種高水、肥投入的管理模式給土壤以及地下水環境帶來了巨大的風險[3]。蔬菜作物對養分需求雖然較高，但實際生產中，農民在施用化肥的基礎上會投入有機肥以期提升土壤質量保證作物品質，但是卻忽略了有機肥中含有大量有效養分，導致養分投入量遠超作物需求[3-4]。據調查，有機肥提供的氮養分會占到總施氮量的一半以上，并且以畜禽糞便為主[5]，容易造成土壤酸化、鹽堿化，地下水污染。連續5年施用沼肥導致0～180 cm土層土壤中磷素盈余隨著沼肥使用比例的增加而顯著增加，從而增加了菜田土壤磷素累積和淋失的風險[6]。土壤硝態氮含量變化在作物不同生育階段具有一定規律性，且在0～60 cm土層中的變化最為明顯[7]。山東是設施蔬菜產業的發源地，常年過量施肥導致的土壤質量下降、養分流失等環境問題逐漸成為蔬菜清潔生產、生態發展的瓶頸，設施菜田土壤養分含量分布特征如何，也是未來設施蔬菜生產體系進一步優化施肥的關鍵。

本研究于2016年在山東省全省范圍內開展了設施蔬菜黃瓜和番茄施肥情況的調查，同時選取不同種植年限的設施大棚，采集土樣進行養分測定分析，揭示目前山東設施菜田養分施用情況以及土壤氮磷養分累積和遷移變化的特征，為未來設施蔬菜綠色清潔生產提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 調查方法及內容

本研究采用農戶抽樣調查的方法，對山東省2015—2016年設施黃瓜和番茄的種植農戶進行了實地調查。根據設施蔬菜種植面積和生產水平的高低，結合地理位置，在山東省抽取3個縣（市、區），分別是膠州市、壽光市和東阿市。抽樣調查采用概率抽樣抽取樣本，在每個縣（市、區）隨機抽取2個鄉鎮，每個鄉鎮隨機抽取2個村，每個村按戶主名冊等距抽取20戶。各縣（市、區）的被調查農戶在地理位置、產量和管理水平等方面均具有代表性。實際調查戶數為207戶，設施大棚種植模式主要有2種：冬春茬種植黃瓜（n=59）或者番茄（n=27），秋茬種植黃瓜（n=79）和番茄（n=42）。調查內容主要包括肥料種類、肥料養分含量、施肥量、大棚面積蔬菜產量等指標。農戶施用的氮、磷、鉀肥養分含量的計算：化肥采用包裝袋上標識的量；有機肥養分含量采用文獻《中國有機肥料養分志》提供的數值計算[8-9]。單位面積大棚一年內使用的化肥和有機肥的質量乘以各自養分含量，再相加后得出肥料年施用折純量。黃瓜和番茄所需養分比例數據采用文獻[10-11]計算。

1.2 試驗分析

1.2.1 土壤樣品采集

山東省淄博市臨淄區淄博東科蔬菜專業合作社自2012年被山東省土壤肥料總站任命為“山東設施蔬菜測土配方施肥”推廣的試點企業之一，其施肥管理模式在山東省具有很強的代表性。該社大棚統一采用有機肥和化肥配施的施肥方案，有機肥主要采用干鴨糞和牛糞，本研究選擇了施用鴨糞的4個不同種植年限的大棚，分別為5、10、15年和20年，同時選擇大棚周邊的糧田（小麥）土壤（褐土）作為對照。種植作物為西葫蘆-番茄輪作，土壤為褐土，每個大棚取5鉆土壤制備混合樣，按照20 cm一層分別采集0～100 cm的土壤。取樣時間為2017年5月25日，設施中前季冬春茬西葫蘆剛收獲。所有大棚統一使用膜下滴灌灌水方式。

1.2.2 測定方法

采集的鮮土用2 mol·L-1KCl溶液（土水比1∶5）浸提，并通過氮素連續流動分析儀（TRAACS 2000，Bran and Luebbe，Norderstedt，Germany）測定硝態氮；土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化（外加熱法），硫酸亞鐵溶液滴定法測定；速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度計測定。

1.3 統計及分析方法

數據采用SPSS 20.0進行方差分析，多重比較采用Duncan分析，顯著性差異水平為0.05。采用Excel和Sigmaplot 12.5進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 山東省設施菜田養分投入量

在養分投入中，有機肥作為基肥一次性投入，從圖1中結果可見，黃瓜、番茄的有機肥和無機肥氮、磷、鉀投入量相當。黃瓜氮、磷、鉀的總投入量分別為1033、765 kg·hm-2和 1068 kg·hm-2，番茄分別為 710、503 kg·hm-2和 755 kg·hm-2，番茄中養分總投入量略低于黃瓜。

在臨淄選取的設施西葫蘆養分投入見表1，氮、磷、鉀養分總投入量分別是1065、1020 kg·hm-2和1395 kg·hm-2。氮總養分投入量和調查結果相當，磷的總投入量高出調查結果的37%～50%，鉀的總投入量高出26%～48%。其中有機肥氮、磷的投入分別是化肥投入的2倍和5倍，化肥氮、磷的投入大幅減少。

圖1 黃瓜和番茄的無機肥和有機肥養分投入量Figure1 The nutrient input from chemical fertilizer and organic fertilizer for cucumber and tomato

表1 設施西葫蘆養分投入量Table1 The nutrient input for marrow

2.2 設施菜田果實產量及氮磷輸出比例

調查的設施菜田秋茬種植的時間較短，平均3～4個月，冬春茬蔬菜生長期長，平均6～7個月。不同設施菜田蔬菜產量差異明顯，黃瓜平均產量為66 t·hm-2（CV%=55.68），番茄平均為57 t·hm-2（CV%=52），黃瓜和番茄均根據吸收參數計算其養分吸收量。從表2中可見，黃瓜和番茄氮、磷養分輸出占總投入比例較低，分別為25%和10%。

種植5年和10年的設施西葫蘆產量分別為317 t·hm-2和312 t·hm-2，15年和20年的設施西葫蘆產量分別為 224 t·hm-2和222 t·hm-2，顯著低于種植年限較短的菜田（表3）。從果實養分輸出比例來看，5年和10年設施菜田氮輸出占養分投入的比例達到了59%以上，磷輸出比例均在18%以上，而15年和20年設施菜田氮輸出比例均為42%，磷為13%，均低于較短年限菜田養分輸出（表3）。

表2 黃瓜和番茄的氮、磷輸出占總養分投入量的比例（%）Table2 The vegetable nutrient output/input ratios for cucumber and tomato（%）

表3 不同年限設施大棚產量和果實氮、磷輸出比例Table3 The greenhouse vegetable yields and the fruit nutrient output/input ratios as affected by different cultivation years

2.3 不同年限設施菜田土壤氮、磷空間分布特征

由圖2a可知，糧田土壤0～100 cm不同土層中的硝態氮含量相當，平均為3.5 mg·kg-1，設施菜田不同土層中硝態氮含量均顯著高于糧田土壤。在整個0～100 cm土層中，設施菜田硝態氮含量在0～20 cm含量較高，平均為15.85 mg·kg-1，其次是60～80 cm和80～100 cm，硝態氮平均含量分別為13 mg·kg-1和16 mg·kg-1，20～60 cm土壤中硝態氮含量較低，平均為11 mg·kg-1。說明硝態氮在土層中發生了遷移。除40～60 cm土層外，其余土層中土壤硝態氮含量隨著設施菜田種植年限的增加而增加，尤其在80～100 cm深層土壤中更明顯，種植5年的硝態氮含量和糧田土壤沒有顯著差異，而20年和15年設施菜田中硝態氮含量顯著高于10年和5年的菜田土壤。

由圖2b可知，設施菜田土壤速效磷含量在0～100 cm土層中均顯著高于糧田土壤，菜田土壤速效磷在0～20 cm和20～40 cm中大量累積，顯著高于深層土壤，并且隨著種植年限的增加而增加。在0～20 cm土層中種植20年的設施菜田的速效磷含量達到345 mg·kg-1，較周圍糧田土壤提高436%，相較于5年的設施菜田土壤提高37%，在20～40 cm土層中速效磷平均含量達到190 mg·kg-1。隨著土層的加深土壤速效磷含量逐漸降低，在80～100 cm土層中平均達到57.68 mg·kg-1。在20～100 cm土層中，15年設施菜田的速效磷含量顯著高于其他種植年限的菜田。

圖2 不同年限設施菜田土壤硝態氮和速效磷在土層中的累積量Figure2 The accumulation of soil nitrate-N，soil Olsen-P in 0～100 cm soil depths with different cultivation years of greenhouse vegetables

2.4 設施菜田不同土層氮、磷含量的累積速率

隨著年限的延長，土層中硝態氮和速效磷在不同種植時間段中的累積速率也存在差異（圖3）。由圖3a可知，種植5年的設施菜田和糧田土壤相比，0～100 cm土層中硝態氮均處于累積狀態，土層之間沒有差異，平均累積速率為238%；5～10年的累積率在0～20 cm為負值，20～100 cm為正值，說明在表層硝態氮以向下層遷移為主，深層土壤仍然呈累積狀態，且不同土層間累積速率沒有顯著差異；10～15年間，硝態氮向下遷移主要發生在40～60 cm，且顯著高于20～40 cm和60～80 cm。15～20年間硝態氮在不同土層中又呈現累積狀態。

由圖3b可知，土壤速效磷在0～5年間主要呈累積狀態，0～60 cm中的累積速率顯著高于深層60～100 cm；5～10年間速效磷在40～100 cm土層中累積速率為負值，說明以向下遷移為主；在10～15年間，速效磷在0～100 cm土層中的累積速率都是正值，深層60～80 cm和80～100 cm的累積速率顯著高于其他土層；15～20年間，20～100 cm中速效磷的累積速率都是負值，且60～80 cm和80～100 cm顯著低于淺層土壤，說明在15～20年間土壤速效磷在深層土壤中的累積含量過高，并發生了嚴重的遷移。

圖3 不同年限段設施菜田土壤硝態氮和速效磷在0～100 cm土層中的累積率變化Figure3 The accumulation ratios of soil nitrate-N，soil olsen-Pin 0～100 cm soil depths with indifferent cultivation years of greenhouse vegetables

圖4 不同年限設施菜田土壤pH值和土壤有機質含量Figure4 The soil pH and organic matter contents in 0～40 cm soil depths with different cultivation years of greenhouse vegetables

2.5 不同年限設施菜田土壤pH和有機質含量變化

由圖4a可知，和糧田土壤相比，設施菜田0～20 cm和20～40 cm土壤pH值均顯著降低，并且隨著種植年限的延長，降低的幅度增大。20年設施菜田0～20 cm土壤pH值僅為6.85，比糧田土壤降低1.33個單位，即使只種植了5年的設施菜田，pH值也降低1.05個單位。在20～40 cm的根層土壤中，糧田土壤pH值為8.52，不同年限設施菜田土壤pH降低幅度為0.49～0.89個單位，平均為0.73個單位。

由圖4b可知，土壤有機質主要集中在表層0～20 cm土層中，設施菜田土壤有機質含量均顯著高于糧田土壤，且隨著種植年限的增加不斷增加，但在10年種植年限的設施菜田表層土壤有機質含量卻有降低。土壤中有機質的礦化分解取決于土壤中微生物的作用，根據土壤微生物對外源有機質礦化能力的反映而產生的正負激發效應，將微生物分為受碳源限制的土著性微生物和受氮源限制的發酵性微生物[12]。在本試驗中，10年種植年限的設施菜田表層土壤硝態氮含量較低，此時土壤有機質含量也較低，這可能是因為土壤微生物活性數量以及其群落組成發生了變化。20年設施菜田土壤0～20 cm有機質含量為34.32 g·kg-1，相對糧田土壤增加82%，比種植5年的設施菜田土壤增加29%。在20～40 cm土層中，設施菜田土壤有機質含量均減少，不同年限之間沒有顯著差異，平均含量為13.58 g·kg-1，相較于糧田土壤增加28%。

2.6 不同年限設施菜田土壤pH值、土壤有機質和土壤養分含量相關性

設施菜田土壤pH和土壤速效磷含量呈極顯著負相關，相關系數為0.935，土壤pH與土壤硝態氮含量沒有顯著相關關系（圖5）。從圖6可以看出，設施菜田土壤有機質含量和土壤速效磷呈極顯著正相關，相關系數為0.827，和土壤硝態氮也沒有顯著相關性。土壤pH和土壤有機質含量呈極顯著負相關，相關系數為0.758（圖7）。

圖5 不同年限設施菜田土壤pH與土壤硝態氮、速效磷含量的相關性Figure5 Correlation between soil pH and NO3--N，Olsen-P in the soil with different cultivation years of greenhouse vegetables

圖6 不同年限設施菜田土壤有機質含量與土壤硝態氮、速效磷含量的相關性Figure6 Correlation between soil organic matter and NO3--N，Olsen-P in the soil with different cultivation years of greenhouse vegetables

圖7 不同年限設施菜田土壤pH與土壤有機質含量相關性Figure7 Correlation between soil pH and organic matter contents in the soil with different cultivation years of greenhouse vegetables

3 討論

3.1 山東設施蔬菜化肥投入量減少，養分投入比例更合理

20世紀90年代我國蔬菜大棚肥料氮的施用量為1828 kg·hm-2，磷和鉀分別為2590 kg·hm-2和730 kg·hm-2，有機肥施入的氮、磷、鉀分別是659、688 kg·hm-2和442 kg·hm-2[2]。到2011年每季化肥氮的平均投入量為1169 kg·hm-2[13]，和90年代相比降低36%。從對山東兩種主要蔬菜的施肥情況進行調研發現，目前設施菜田的化肥投入量已經呈現下降趨勢，和90年代相比，化肥氮、磷、鉀的平均投入量分別減少71%、85%和16%（圖1）。設施黃瓜和番茄果實養分輸出占總養分投入比例平均達到了25%（N）、10%（P2O5）和29%（K2O）（表2），顯著高于十幾年前的調研結果[1]，而臨淄大棚合作社設施西葫蘆中果實養分輸出比例更高，種植5年和10年的菜田果實氮輸出達到了59%以上，是調研結果的2倍多，磷輸出比例也提高了0.8倍，說明近年來設施菜田養分利用率也在逐漸提高。臨淄設施菜田氮肥的投入量為375 kg·hm-2，也更接近設施蔬菜的優化推薦施氮量341.7 kg·hm-2[14]，但是總量仍然超過了蔬菜的實際需求（圖1、表1），反而更易造成土壤氮磷過量累積和淋溶風險。從養分投入量與蔬菜產量的相關性發現，鉀肥的用量和蔬菜產量有顯著的正相關性[15]，從鉀肥施用不足[4]到鉀肥過量，說明農戶越來越重視鉀肥的施用效果。

3.2 土壤酸化和養分累積加劇

設施條件高溫高濕，土壤有機質礦化率高于其他農業生產體系[16]，有機肥的投入是補充土壤有機質非常重要的形式，是維持土壤肥力的關鍵[17]。從調研結果以及臨淄設施大棚的化肥、有機肥投入量可以看出，化肥的投入量開始呈現下降趨勢并逐漸降低到推薦施肥量的范圍內[14]，但是有機肥的投入量卻在逐漸增加。化肥和有機肥配施會明顯提高表層土壤易氧化有機質含量[16，18]，但長期施用較高水平的有機肥會造成土壤中氮、磷養分盈余量增加，進一步導致投入水平不平衡及造成面源污染的風險[19-21]。雖然施用有機肥對土壤pH變化有一定的緩沖作用[22-23]，施用經過高溫發酵的堆肥或者廄肥等堿度有機肥，能夠有效地控制土壤酸化[24]，但是施用過量、施用年限過長以及設施菜田單種類型不同品種作物的輪作（菜-菜）模式下，土壤有機肥對土壤pH的緩沖效果并不明顯[25]，仍然容易導致酸化。本研究也印證了這一點，土壤有機質含量和土壤pH呈顯著負相關性，說明有機質的增加反而會進一步導致土壤酸化，而酸化土壤更利于速效養分的釋放（圖5和圖7）。尤其磷在有機肥中的形態主要是無機磷[26]，對土壤速效磷的累積貢獻更大。本研究中土壤有機質含量和土壤速效磷含量呈顯著正相關（圖6），20年設施菜田土壤表層土壤有機質含量相對種植5年的土壤有機質含量增幅為29%，而速效磷含量的增幅達到37%（圖2b和圖4a）。所以，應合理控制有機肥種類選擇和數量投入，例如當土壤殘留的養分含量過高且足以滿足后茬作物對養分的需求[27-28]時，在下一茬作物種植前可以減少有機肥的施用，或者選用不同種類有機肥。

3.3 設施菜田土壤氮、磷累積與遷移的時空變化

農田土壤養分的收支平衡是決定土壤質量發展的關鍵[29]。設施大棚中氮揮發所占氮損失的比例較小[30]，在氮平衡的計算中可以忽略不計。在本研究中，臨淄設施菜田果實氮輸出占總氮投入比例在5年和10年的大棚中高達59%，且隨施肥年限的延長，土壤地力不斷降低，15年以上大棚果實氮輸出只有40%左右（表3）。但是從土壤0～100 cm剖面中硝態氮分布特征可以看到，隨著土層加深，菜田土壤硝態氮含量整體呈現先降低后升高的趨勢，尤其是15年和20年的菜田表現尤為明顯，20年菜田硝態氮含量分別是5、10年和15年菜田的2.4、1.45倍和1.12倍（圖2a）。這說明菜田土壤中硝態氮發生了嚴重的累積和淋洗，并且隨著年限的延長在不斷加重。從不同年限土壤硝態氮累積速率的結果中發現，0～5、5～10年以及15～20年間，硝態氮在0～100 cm土層中都是累積狀態，深層土壤中發生累積充分說明上層土壤中的硝態氮同時發生了大量遷移，此時土層中硝態氮的累積量大于遷移量，而在10～15年間，20～40、40～60 cm以及60～80 cm土層中硝態氮向下遷移明顯，尤其在40～60 cm（圖3a），說明在這段時間內40～60 cm的含量達到飽和，硝態氮主要向下層遷移，此時10年的大棚在40～60 cm土層中的硝態氮含量顯著高于其他年限且和表層土壤硝態氮含量相當（圖2a）。40～60 cm土層是養分向深層土壤遷移速率變化的關鍵土層[31-32]，這說明10年左右的種植年限可能是設施菜田土壤中硝態氮遷移速率轉變的關鍵時期。

張經緯等[26]的研究結果表明，種植4～6年的設施菜田土壤速效磷含量為183 mg·kg-1，種植7～9年的就已經達到319 mg·kg-1。在本研究中，即使是剛種植5年的設施菜田其表層土壤中的速效磷含量也達到250 mg·kg-1（圖2b）。李若楠等[33]在河北省設施蔬菜大棚中進行試驗發現，對于種植年限大于3年以上的設施大棚，施磷量在300 kg·hm-2時可顯著改善土壤磷素盈余的狀況，同時保證產量不降低。Yan等[34]研究明確了在中國基于瓜果菜產量的土壤速效磷閾值為58.0 mg·kg-1。《中國主要作物施肥指南》中給出適宜黃瓜、番茄生長的根層土壤速效磷含量為60～100 mg·kg-1[9]。從本研究調研的結果可以看到，即使是種植5年的設施菜田表層土壤速效磷含量已經遠遠超過閾值范圍，雖然磷在土壤中的移動性很小，過量的速效磷遇到澆灌仍存在很大的淋洗風險[35]。隨著年限的延長速效磷在不同時段出現不同的累積和遷移狀態（圖3b）。種植5年的設施菜田0～100 cm土層中速效磷以累積為主，淺層0～60 cm最強烈；在5～10年間20 cm以下的土層中速效磷均以向下層土壤遷移為主；在10～15年間0～100 cm土層中速效磷又以累積為主，此時在深層60～80 cm和80～100 cm中最強烈（圖3b）。和硝態氮含量變化相反，在40～100 cm土層中種植10年的設施菜田速效磷含量均顯著低于其他種植年限，這就說明速效磷在土壤中從淺層到深層的累積和遷移變化在時間和空間上存在差異。5～10年間，速效磷主要向深層土壤遷移，而10～15年間，速效磷主要在深層土壤中累積，而15～20年間以及20年以后，速效磷會向更深層的土壤遷移，進一步對深層土壤以及地下水造成污染。

4 結論

山東設施蔬菜化肥施用量顯著降低，但是總養分投入仍然過量；設施菜田種植年限越長，土壤中硝態氮、速效磷含量越高，且發生淋洗的潛力越大；土壤中速效磷的累積和土壤有機質相關，有機肥施用量增加，加劇了環境污染的風險；硝態氮和速效磷在設施菜田中從淺層到深層土壤中的累積和遷移存在時空差異，10年左右的種植年限是設施菜田0～100 cm土層中養分累積和遷移速率轉變的關鍵時期。