太谷縣巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

米美霞，陳玉鵬，張海波

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西太谷030801）

日光溫室種植可以提供反季節(jié)蔬菜，更好地滿足人們的日常需求，提高生活質(zhì)量，所以被大面積推廣。然而，該種植模式復(fù)種指數(shù)高，農(nóng)業(yè)投入（農(nóng)藥、化肥、有機(jī)肥、塑料薄膜）增加，環(huán)境封閉（溫濕度增加、無降雨淋潤(rùn)），容易引起土壤退化，影響蔬菜品質(zhì)和人類健康[1-4]。日光溫室種植引起的土壤質(zhì)量問題有農(nóng)藥殘留、氮素和磷素累積、鹽漬化、土壤抗藥性增加、重金屬和鄰苯二甲酸酯類（PAEs）累積等[5-8]。

由于氣候條件、土壤性質(zhì)和管理方式不同，日光溫室內(nèi)土壤性質(zhì)也表現(xiàn)出區(qū)域分異特征。高新昊等[9]研究認(rèn)為，山東壽光溫室土壤容重隨著種植年限的增加逐漸減小。楊亞紅等[10]以延安子長(zhǎng)為研究區(qū)對(duì)不同種植年限溫室土壤理化性質(zhì)的演變進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，溫室內(nèi)土壤容重的變化與植物類型和土層深度有關(guān)，在0～60 cm土層，土壤容重整體隨土層深度加深逐漸增大，其中，種植葫蘆后，10～40 cm土層土壤容重較露地土壤顯著降低，種植油桃和番茄0～10cm土層容重降低，但20～60cm土層土壤容重卻大幅增加。黃紹文等[8]分區(qū)研究了我國(guó)溫室土壤性質(zhì)分異特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫室土壤和露地土壤pH值表現(xiàn)出不同的區(qū)域變化特征，溫室土壤pH值是西北地區(qū)的土壤（7.9）顯著高于東北和黃淮海地區(qū)的土壤（分別為6.9和7.1），露地土壤pH值是黃淮海和西北地區(qū)的土壤顯著高于東北地區(qū)和南方地區(qū)的土壤。可見，區(qū)域性溫室土壤性質(zhì)研究是建設(shè)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)管理措施、提高土壤質(zhì)量的關(guān)鍵。

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部（112°28′～113°01′E，37°12′～37°32′N），農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件好，是山西省的商品糧基地和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)。根據(jù)《太原都市區(qū)規(guī)劃（2016—2035年）》，太谷縣為山西農(nóng)谷建設(shè)的重要區(qū)域。縣域內(nèi)溫室土壤性質(zhì)調(diào)查和研究是制定區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境治理措施的基礎(chǔ)。現(xiàn)有關(guān)于太谷縣溫室土壤性質(zhì)的研究主要針對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和微量元素的變化進(jìn)行[11-13]，缺少土壤物理性質(zhì)和綜合肥力評(píng)價(jià)方面的研究。

本研究以太谷縣巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室土壤為對(duì)象，露天土壤為對(duì)照，分析日光溫室種植模式下耕層不同深度土壤物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化特征，分別進(jìn)行單項(xiàng)肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)和綜合肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)，確定研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量現(xiàn)狀，為太谷縣設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太谷縣海拔767～900 m，屬于典型的溫帶大陸性氣候，全縣年平均氣溫10.4℃，10℃以上有效積溫3 675℃，日照時(shí)數(shù)2 592.2 h，無霜期175～180 d，日最大降水量84.5 mm，年降水量462.9 mm。降水量年內(nèi)分布不均，主要集中在7—9月，占到全年總降水量的60%以上。

巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)（下文稱“園區(qū)”）位于108 國(guó)道太谷縣北汪村段（112.51°E，37.40°N），占地面積133.3 hm2。園區(qū)內(nèi)53.3 hm2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新園區(qū)，是由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)與山西巨鑫偉業(yè)農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司、金谷投資公司在“十二五”期間合作建設(shè)。研究所選日光溫室建于2014年，日光溫室剖面形狀為扇形，長(zhǎng)90 m，寬10 m，東西走向布局，其前墻為磚墻，后墻和側(cè)墻為土墻，日光溫室內(nèi)以混凝土柱、鋼管及鋼桁架為支撐，其外部設(shè)有卷簾機(jī)。作物的種植方向?yàn)闁|西方向，作物根部皆用地膜覆蓋。種植的植物為黃瓜、香瓜、圣女果、番茄和草莓，以輪作為主，使用的化肥以大量元素水溶肥料為主；有機(jī)肥以蚯蚓糞、羊糞為主。溫室灌溉用水來自于地下井水，灌溉方式為滴灌。土壤各粒徑平均百分比分別為黏粒24.4%、粉粒27.3%、砂粒48.3%，為黏壤土（國(guó)際制）。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究通過野外調(diào)查取樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。2018年4月上旬采樣。在園區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)日光溫室（園區(qū)內(nèi)原始編號(hào)分別為9、11、19）及其相鄰露地為樣地，溫室內(nèi)設(shè)置9個(gè)取樣點(diǎn)，橫向每隔2 m設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)距溫室邊界3 m；縱向每隔30 m設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)距溫室邊界15 m。露地多點(diǎn)混合取樣作為對(duì)照。分別在0～20、20～40 cm這2個(gè)土層深度取樣。用環(huán)刀取原狀土樣，土鉆取擾動(dòng)土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

原狀土樣帶回室內(nèi)測(cè)定容重和飽和導(dǎo)水率，飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定。擾動(dòng)土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過篩后，用于測(cè)定土壤顆粒組成（馬爾文激光粒度儀MS 2000，英國(guó)）、酸堿度（Sartorius PB-10 pH計(jì)，德國(guó)）、電導(dǎo)率（DDS-307A型電導(dǎo)率儀，中國(guó)上海）、有機(jī)碳（耶拿Multi N/C 2100，德國(guó)）、全磷和全氮含量。其中，測(cè)定的有機(jī)碳含量乘以1.724得到有機(jī)質(zhì)含量；全磷通過高氯酸-硫酸消煮，鉬銻抗比色法測(cè)定，全氮用凱氏定氮法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和作圖用Microsoft Excel 2007和Origin 2018軟件。首先計(jì)算溫室內(nèi)各指標(biāo)9個(gè)樣點(diǎn)測(cè)定值變異系數(shù)（變異系數(shù)＝（標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）×100%），溫室內(nèi)9個(gè)采樣點(diǎn)土壤黏粒含量、容重、孔隙度的變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異。0～20、20～40 cm這2個(gè)土層土壤飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)分別為88.8%和93.1%，屬于中等變異。這說明除土壤飽和導(dǎo)水率外，取樣位置對(duì)各物理指標(biāo)測(cè)定值影響較小。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，日光溫室內(nèi)樣本數(shù)為27（9個(gè)采樣點(diǎn)×3個(gè)溫室）個(gè)，露地樣本數(shù)為3個(gè)。樣本數(shù)均小于30個(gè)，通過雙樣本t檢驗(yàn)對(duì)溫室內(nèi)外、2個(gè)土層深度分別進(jìn)行兩兩比較，均在95%置信區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。參照全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各土壤指標(biāo)進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，土壤綜合肥力系數(shù)及各屬性分肥力系數(shù)計(jì)算過程參見文獻(xiàn)[14-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)分析

溫室內(nèi)外不同土層土壤黏粒含量、容重、孔隙度和飽和導(dǎo)水率見圖1。0～20、20～40 cm這2個(gè)土層土壤指標(biāo)t檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，日光溫室和露地土壤指標(biāo)t檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 不同土層土壤性質(zhì)比較（t檢驗(yàn)）

由圖1、表1、表2可知，溫室內(nèi)外土壤黏粒含量均為0～20 cm土層＜20～40 cm土層。露地土壤黏粒含量高于溫室內(nèi)。溫室內(nèi)0～20、20～40 cm這2個(gè)土層容重平均值分別為（1.34±0.02）、（1.42±0.02）g/cm3，孔隙度分別為 0.50±0.02 和 0.47±0.02；溫室外0～20、20～40 cm這2個(gè)土層深度容重平均值分別為（1.25±0.02）、（1.36±0.02）g/cm3，孔隙度分別為0.53±0.01和0.49±0.01；溫室內(nèi)、外0～20 cm土層容重顯著低于20～40 cm土層，0～20 cm土層孔隙度均顯著高于20～40 cm土層。溫室土壤容重與露地在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著差異。溫室內(nèi)0～20、20～40 cm這2個(gè)土層土壤飽和導(dǎo)水率平均值分別為（0.69±0.16）、（0.65±0.13）mm/min，露地 2 個(gè)土層土壤飽和導(dǎo)水率平均值分別為（0.90±0.14）、（0.67±0.15）mm/min。土壤飽和導(dǎo)水率在2個(gè)土層深度、溫室內(nèi)外均無顯著差異。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

由圖2結(jié)合表1、表2的t檢驗(yàn)結(jié)果可知，溫室內(nèi)pH值變化范圍為7.88～8.91，平均pH值為8.40，屬于堿性土壤；露地土壤平均pH值為8.49，溫室內(nèi)與露地土壤pH無顯著差異。

溫室內(nèi)隨土層深度增加，土壤電導(dǎo)率減小大約50%（由 916 μS/cm減小至 445 μS/cm）。相對(duì)于露天土壤，溫室種植區(qū)電導(dǎo)率顯著增加（表1），0～20cm土層增加了86%，20～40cm土層增加了69%。因此，溫室種植區(qū)土壤出現(xiàn)次生鹽漬化現(xiàn)象，且越接近地表，鹽漬化程度越嚴(yán)重；根據(jù)土壤鹽漬化程度分級(jí)，研究區(qū)溫室內(nèi)土壤屬于中度鹽土[8]。溫室內(nèi)有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量均為0～20 cm土層大于20～40 cm，有機(jī)質(zhì)含量溫室內(nèi)（8.16 g/kg）顯著低于溫室外（13.4 g/kg），溫室內(nèi)外總磷和總氮含量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著差異。耕層有機(jī)肥施用、植物殘茬歸田是接近表層養(yǎng)分含量較高的原因。

2.3 土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)地、容重、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、電導(dǎo)率、全氮和全磷含量作為土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)，計(jì)算各屬性分肥力系數(shù)和土壤綜合肥力指數(shù)（表 3）。

表3 土壤肥力系數(shù)

根據(jù)土壤綜合肥力指數(shù)值進(jìn)行本研究區(qū)土壤肥力等級(jí)評(píng)價(jià)。一、二、三、四肥力等級(jí)對(duì)應(yīng)的土壤綜合肥力指數(shù)范圍分別為≥2.7、≥1.8＜2.7、≥0.9＜1.8和＜0.9[14]。據(jù)此，本研究區(qū)土壤肥力等級(jí)均屬于三等（肥力系數(shù)介于0.9～1.8），土壤肥沃程度均處于一般水平。綜合肥力系數(shù)溫室內(nèi)土壤小于露地土壤，這說明溫室內(nèi)土壤肥力質(zhì)量已有退化現(xiàn)象。其中，電導(dǎo)率值增加、有機(jī)質(zhì)含量減小是土壤肥力質(zhì)量退化的主要原因。

進(jìn)一步引用馬曉瑾等[13]2017年的部分測(cè)定結(jié)果，利用pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮、有效磷和有效鉀含量6個(gè)指標(biāo)計(jì)算土壤各屬性分肥力系數(shù)和綜合肥力系數(shù)，種植年限為 1、2、4、6、8、12、14 a的大棚土壤肥力系數(shù)值列于表4。由表4可知，太谷縣域內(nèi)各種植年限大棚土壤肥力等級(jí)均屬于三等（肥力系數(shù)均介于0.9～1.8），溫室內(nèi)土壤肥力質(zhì)量與種植年限有關(guān)。隨著種植年限增加，大棚土壤肥力系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。大棚種植年限為4 a時(shí)，其土壤綜合肥力系數(shù)最小（1.30）；種植年限為14 a時(shí)，其土壤綜合肥力系數(shù)最大（1.69）。

表4 太谷縣不同年限大棚土壤肥力系數(shù)

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)山西太谷縣巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室種植模式下土壤性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，較露地土壤，溫室內(nèi)土壤黏粒含量較高，且溫室內(nèi)0～20 cm土層黏粒含量小于20～40 cm土層。黏粒隨灌溉水在土壤剖面上發(fā)生遷移，相對(duì)于露地，溫室內(nèi)種植頻率高，灌溉次數(shù)多，所以易引起黏粒向下遷移。20～40 cm土層中露地黏粒更高，說明溫室內(nèi)土壤黏粒遷移深度大于40 cm，可能在40 cm以下某一個(gè)土層中出現(xiàn)黏粒的累積。

日光溫室內(nèi)土壤無明顯壓實(shí)現(xiàn)象，土壤容重0～20 cm＜20～40 cm，飽和導(dǎo)水率無明顯變化。高新昊等[9]研究表明，隨著溫室種植年限的延長(zhǎng)（1～25 a），容重逐漸降低，壽光市每年土壤容重的降低速率為0.007 g/cm3。周德平等[16]報(bào)道，與1 a大棚種植區(qū)相比，種植8 a以后土壤容重下降超過20%，1、3、5 a溫室種植區(qū)土壤容重?zé)o顯著差異。蔡彥明等[17]的研究則表明，種植10、15 a的蔬菜地耕作層土壤容重分別比5 a高出8.25%和19.59%。可見，影響溫室種植區(qū)土壤容重的因素較為復(fù)雜，除種植年限以外，還可能與研究區(qū)土壤質(zhì)地和田間管理方式（施肥、耕作、蔬菜種類等）有關(guān)。本研究區(qū)溫室種植年限為4 a，與露地土壤相比，土壤容重的差異未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著水平，但溫室內(nèi)土壤容重有增加的趨勢(shì)。土壤容重增加到一定程度，土壤有明顯壓實(shí)現(xiàn)象（土壤容重大于1.6 g/cm3）則會(huì)影響植物根系的穿插，阻礙植物生長(zhǎng)。總體上該區(qū)目前溫室內(nèi)土壤容重和孔隙度均處于良好的物理狀態(tài)，適宜于植物生長(zhǎng)。土壤飽和導(dǎo)水率是反映土壤入滲性能的重要參數(shù)，直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究首次對(duì)太谷縣溫室種植區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行了初步的探討，土壤飽和導(dǎo)水率無明顯規(guī)律性，因此，對(duì)該區(qū)溫室種植區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率在時(shí)間和深度上還需進(jìn)行擴(kuò)展研究，以得到更為可靠的研究結(jié)果。

該研究區(qū)土壤為堿性土壤，溫室內(nèi)土壤無明顯酸化現(xiàn)象。根據(jù)山西土壤分類，晉中地區(qū)屬于石灰性褐土，pH在8.1～8.4范圍[18]，因此，研究區(qū)土壤未出現(xiàn)明顯酸化現(xiàn)象。程紅艷等[11]2007年選取太谷縣內(nèi)35個(gè)蔬菜溫室中的土壤進(jìn)行研究，pH值最小值為7.46，最大值為8.25，平均值為7.79。可見，本研究區(qū)土壤pH值較高，可能是區(qū)域土壤性質(zhì)空間變異性的表現(xiàn)。馬曉瑾等[13]研究認(rèn)為,種植年限為6 a，土壤pH具有減小的趨勢(shì)。本研究區(qū)種植年限短，而且土壤已發(fā)生明顯鹽漬化，可能是未發(fā)生明顯酸化的原因。但隨著種植年限延長(zhǎng)，可能會(huì)有酸化現(xiàn)象發(fā)生。一般認(rèn)為，石灰性土壤（pH值為8.0～8.5）若適度酸化，趨于中性或者微酸性，會(huì)利于大多數(shù)蔬菜生長(zhǎng)。過度酸化至酸性或強(qiáng)酸性則會(huì)危害蔬菜發(fā)育，影響蔬菜品質(zhì)，應(yīng)加以適當(dāng)?shù)娜斯ご胧└深A(yù)。

溫室內(nèi)土壤出現(xiàn)次生鹽漬化現(xiàn)象，且越接近地表，鹽漬化程度越嚴(yán)重。接近地表土壤鹽漬化嚴(yán)重的原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，一是施肥過量或偏施氮肥，肥料通過地表進(jìn)入土壤，表層殘留較多。二是溫室種植引起環(huán)境條件的改變，降雨淋溶減小，溫室內(nèi)溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)，使得鹽離子在地表聚集。三是種植多茬植物后，植物根系富集的作用。鹽漬化程度嚴(yán)重，將影響植物生長(zhǎng)。蔬菜正常生長(zhǎng)的土壤電導(dǎo)率極限為600 μS/cm[8]，本研究結(jié)果表明，表層（0～20 cm）電導(dǎo)率大于此極限值，將影響后續(xù)種植的蔬菜生長(zhǎng)。

溫室內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)消耗大，有機(jī)質(zhì)含量低于露地土壤，磷素含量較為豐富，氮素較為匱乏。根據(jù)我國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，溫室內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)為五級(jí)（6～10 g/kg），溫室外土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)為四級(jí)（10～20 g/kg），等級(jí)劃分與程紅艷等[11]的研究結(jié)果一致。已有研究表明，與露天菜地相比，設(shè)施蔬菜地土壤有機(jī)質(zhì)含量高于露天菜地[19-21]，但略低于大田土壤[22]。本研究區(qū)溫室種植則造成土壤有機(jī)質(zhì)消耗，一方面由于溫室內(nèi)溫度高、分解快，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，另一方面可能是前期有機(jī)肥施用量不足造成的。溫室內(nèi)外土壤全磷含量等級(jí)均為一級(jí)（＞1 g/kg），全氮含量等級(jí)均為六級(jí)（＜0.5 g/kg）。因此，該區(qū)磷素豐富，有機(jī)質(zhì)和氮素匱乏。在后期管理中應(yīng)增施有機(jī)肥和氮肥，控制磷肥輸入，以滿足植物生長(zhǎng)需求。

該研究區(qū)溫室內(nèi)土壤綜合肥力質(zhì)量發(fā)生輕微退化，肥力處于一般水平，存在養(yǎng)分失衡現(xiàn)象。引用馬曉瑾等[13]對(duì)太谷縣域內(nèi)土壤性質(zhì)研究結(jié)果，計(jì)算各屬性肥力系數(shù)和綜合肥力系數(shù)。盡管所選指標(biāo)有差異，但是巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)內(nèi)土壤肥力等級(jí)與太谷縣域內(nèi)大棚土壤肥力等級(jí)一致，均為三等。而且種植年限為4 a的土壤肥力質(zhì)量發(fā)生退化，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究結(jié)果的可靠性。從種植第6年開始，土壤肥力質(zhì)量開始恢復(fù)。因此，本研究區(qū)應(yīng)提倡合理施肥，改善土壤質(zhì)量，以保證土壤肥力的可持續(xù)性。因土壤性質(zhì)變化與種植年限有關(guān)，所以有必要針對(duì)該區(qū)進(jìn)行跟蹤調(diào)查研究。