種植年限對和田市設施菜田土壤養分累積分布的影響＊

王 奇，王志偉，劉義飛，劉文科**（.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 0008；.塔里木大學植物科技學院，新疆阿拉爾 843300）

設施農業已成為農業現代化的重要標志，是現代化農業發展的重要建設任務[1]。現如今，中國設施園藝面積占世界總面積的85%，是世界上設施園藝面積最大的國家[2]。設施蔬菜栽培因其集約化程度高、農業環境適應力強、技術含量高等特點，使得農業生產不再受限于季節、地形的影響，有效地提高了農業資源的綜合效益[3]。新疆作為中國典型的灌溉農業區，近年來在設施農業方面取得了飛速發展。2016～2017 年設施農業總面積穩定在93.7 萬畝（6.25 萬hm2），設施農產品總產量300 萬t 以上[4]。新疆地區10月～次年6月以反季節蔬菜供應為主，溫室大棚年產值高達375000 元/hm2，是露天菜田的3.13 倍[5]。隨著和田市現代農業發展要求和農業產業結構調整的需求，以及該地區氣候干燥，降水量極少，晝夜溫差大等特點，設施菜田在和田市農業中占比逐年增大。但由于設施農業中特殊的環境條件如半封閉性結構、高復種指數、高溫高濕、自然光入射少和缺乏雨水淋洗等，導致土壤耕層結構惡化，土壤的理化性狀和養分狀況也隨之發生顯著變化，進而引起土壤環境質量下降（如土壤養分失調、病蟲害加劇、硝酸鹽大量積聚、土壤次生鹽漬化、作物連作障礙、產量和品質下降等），嚴重制約了設施蔬菜生產的可持續發展[6]。而這些變化除了與設施特殊的生態環境有關外，還與生產管理者的土壤管理、施肥技術以及溫室的種植年限有著密不可分的關系[7]。因此，研究不同種植年限設施土壤養分分布特征對制定合理的施肥方案、改善土壤環境、提高溫室蔬菜品質等具有重要意義。

目前，針對不同地區的設施溫室土壤的理化性狀已經做了大量研究。其中對土壤硝態氮、有效磷含量和EC 的研究對改善設施土壤理化性質有著重要意義。硝態氮是作物吸收氮的主要形態，其含量在土壤中的增加對蔬菜起到增產，改善品質的作用。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，硝態氮在設施栽培土體內的積聚最終會產生環境負效應[8]。周光濤等[5]研究表明大棚菜地隨著種植年限的增加，土壤硝態氮有增加的趨勢，過量施肥和不合理灌溉使大棚菜田產生深層積累。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，同時也是土壤磷素養分供應水平高低的指標，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應能力。磷素過量積累是設施菜田的顯著特征，主要由于有機肥以糞肥投入為主，復合肥中磷素比例偏高，收獲作物帶走量僅占磷素投入的7.2%[9]。研究表明隨種植年限增加，土壤有效磷含量呈逐年遞增的趨勢。土壤電導率反映了土壤鹽分累積的情況。EC 過高也會增大土壤鹽漬化的幾率[10]。曹艦艇等[11]研究表明隨著蔬菜大棚種植年限的延長，土壤電導率值呈增加趨勢。設施栽培對土壤有機質、養分、鹽分等方面的動態變化產生了深刻影響。但有關和田地區不同種植年限設施菜田的土壤理化現狀的探討尚有缺乏，且多數研究者主要集中于單個年份設施菜田土壤環境，在不同年限設施菜田土壤養分的變化等方面研究尚不清楚。

因此，為了探討和田市不同種植年限對設施菜田土壤養分累積分布的影響，選取新疆維吾爾自治區和田市現代農業園區的不同種植年限日光溫室中不同土層深度的土壤作為研究對象，對0～60 cm 土層（每20 cm 為一個土層）硝態氮、有效磷、EC 進行了研究，分析不同種植年限和田市沙漠設施菜田土壤養分的累積分布規律，以期對新疆沙漠設施菜田確定合理的養分調控措施，為當地設施菜田的可持續發展提供理論依據。

研究區概況與方法

研究區概況與取樣

試驗所在地為新疆維吾爾自治區和田市現代農業園區（E79°55′，N37°7′），屬于暖溫帶極端干旱的荒漠氣候。氣候特點是春季多沙暴、浮塵天氣，夏季炎熱干燥，年均降水量35 mm，年蒸發量2480 mm。光照充足，熱量豐富，無霜期長，晝夜溫差大。當地耕層土壤肥力整體狀況較差，土壤有機質、全氮、速效氮、速效鉀含量普遍偏低，速效磷含量較為豐富，土壤鹽漬化程度較高。

本試驗選擇種植年限分別為1 年、2 年、3 年、4 年（分別用1a、2a、3a、4a 表示）的日光溫室。每個年限溫室各選擇2個，每個溫室按照東西走向在中心線上等距選3個點；土層選擇3個深度，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。由于所選取溫室栽培方式均為起壟栽培，故取樣點均選在作物行間中間位置(走道位置)。試驗所選日光溫室調查內容匯總如表1。

表1 日光溫室調查內容匯總

試驗于2019 年11月進行，樣本的采集使用管形土鉆，采集不同土層的土壤剖面樣品，采集深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，每個采樣點的取土深度和采樣量均一致，將每個分層取的土壤樣品取出后混勻然后留50 g 用自封袋密封好并編號，共采集72個土壤樣品。

測定項目和方法

土壤EC、有效磷、硝態氮的測定均采用土壤農化常規分析方法[12]。有效磷采用ATC-173流動注射分析儀測定。土壤電導率采用ATC-160電導率儀測定（水土比為5:1）。硝態氮測定用1 mol/L 的KCl 浸提（水土比為5:1）ATC-173流動注射分析儀分別測定。采用Microsoft Excel 2013 軟件對數據進行處理，并采用GraphPad Prism 6 軟件作圖，采用SPSS 25.0 統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗（LSD 法，α=0.05）。

結果與分析

不同年限設施菜田土壤硝態氮含量的變化

0～60 cm 土層硝態氮含量在前三年變化幅度較小，而在第四年顯著升高（圖1）。0～20 cm 土層硝態氮含量呈現出隨設施菜田種植年限的增長先降低再升高的趨勢。除1a 外，2a，3a，4a 設施菜田土壤硝態氮含量隨種植年限的增長而升高，尤其4a 硝態氮含量達到26.18 mg/kg，顯著高于1a，2a，3a 硝態氮含量。20～40 cm 土層，除3a 外，1a，2a，4a 設施菜田土壤硝態氮含量表現出隨種植年限的增長而升高的趨勢，4a 硝態氮含量顯著高于1a，2a，3a。40～60 cm 土 層，1a，2a，3a 硝態氮含量變化趨勢不明顯，4a 硝態氮含量顯著高于1a，2a，3a。0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 土層，1a，2a，3a 硝態氮含量無顯著差異性，4a 硝態氮含量顯著高于1a，2a，3a。由此可見設施菜田土壤硝態氮含量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4a 達到最大值。值得注意的是在0～40 cm 土層，硝態氮含量隨著深度的增加呈現出明顯下降的趨勢，而20～40 cm，40～60 cm 土層硝態氮含量則無明顯變化。尤其以0～20 cm 表層土壤硝態氮含量最高，1a，2a，3a，4a 分別達到7.64 mg/kg，3.15 mg/kg，5.79 mg/kg，26.18 mg/kg。20～40 cm，40～60 cm 土層硝態氮含量無明顯變化，設施菜田土壤中硝態氮含量出現了明顯的表聚現象。

圖1 和田市不同種植年限設施菜0～60 cm 土層土壤田硝態氮濃度分布特征

不同年限設施菜田土壤有效磷的變化

如圖2 所示，0～20 cm 土層有效磷含量呈現出隨設施菜田種植年限的增長先升高再降低的趨勢，其中3a 有效磷含量達到最大值，為29.23 mg/kg，顯著高于1a，2a。并且1a，2a，3a 土壤有效磷含量呈現出隨設施菜田種植年限的增長而升高的趨勢，4a 時有效磷含量下降。20～40 cm 土層土壤有效磷含量呈現出隨設施菜田種植年限的增長而升高的趨勢，1a 有效磷含量顯著低于4a；2a，3a 和4a 有效磷的含量沒有顯著性差異。40～60 cm 土層2a 有效磷的含量達到最大值，為8.82 mg/kg，顯著高于1a，3a。并且除2a 外，1a，3a，4a 土壤有效磷含量呈現出隨設施菜田種植年限的增長而升高的趨勢。0～40 cm 土層各種植年限土壤有效磷含量均呈現出隨土壤深度的增加而降低的趨勢。尤其在0～20 cm 土層，有效磷含量達到最高值。而20～40 cm，40～60 cm土層有效磷含量則無明顯變化。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0～20 cm 土層累積明顯。

圖2 和田市不同種植年限設施菜田0～60 cm 土層土壤有效磷濃度分布特征

不同年限設施菜田土壤電導率的變化

0～60 cm 土層電導率（EC）在前三年變化幅度較小，而在第四年出現大幅提升（圖3）。0～20 cm 土層EC 呈現出隨種植年限的增加先降低再升高的趨勢。除1a 外，2a、3a、4a 土壤EC 隨種植年限的增加有升高的趨勢，1a，2a，3a，4a 沒有顯著性差異。20～40 cm 土層除3a外，1a，2a，4a土壤EC隨種植年限的增加有升高的趨勢，4a土壤EC達到最大值，為51.73μS/cm，顯著高于1a，2a，3a。40～60cm 土層，4a 土壤EC 顯著高于1a，2a，3a，達到最大值，為48.28 μS/cm；1a 土壤EC 顯著高于2a，3a。0～40 cm 土層土壤EC 隨土壤深度的增加而大幅下降，而20～40 cm，40～60 cm 土層EC 無明顯變化。在0～20 cm 土層，各種植年限土壤EC 都達到最高值。設施菜田土壤出現了明顯的上層累積現象。

圖3 和田市不同種植年限設施菜田0～60 cm 土層土壤EC 分布特征

討論

氮是設施蔬菜生長過程中不可或缺的大量元素，而硝態氮是設施蔬菜吸收氮的主要形態。本試驗結果表明，0～20 cm 土層硝態氮含量最高，且設施菜田剖面深度有一定的硝酸鹽積累。這與劉慶芳等[13]的研究結果相同。由圖2 可以看出，0～60 cm 土層硝態氮含量隨著土壤深度的增加呈現出明顯下降的趨勢，0～20 cm 土層土壤硝態氮含量達到最高，出現明顯的表聚現象，這主要由設施菜田的施肥方式、施肥深度以及施肥量導致。周建斌等[14]研究表明過量施用氮肥是引起土壤鹽分累積的主要原因。對于不同種植年限0～20 cm土層，1a 設施菜田硝態氮濃度高于2a 和3a，可能主要與溫室初建時大量施用有機肥、灌溉以及土壤外部環境的劇烈波動有關。除1a 外，土壤硝態氮含量表現出隨種植年限的增長而升高的趨勢，試驗結果同周光濤等[5]和黨菊香等[15]的結論一致，與楊紅等[16]的研究結果略有不同，可能與土壤類型、種植作物種類以及肥水管理方式等有關，具體原因需要進行更深入的研究。本試驗表明4a 設施菜田土壤硝態氮含量是1a、2a、3a 土壤的3～8 倍，說明設施菜田種植年限達到四年后，硝態氮含量出現了明顯的“陡增”現象，這主要與4a 施用有機肥過多以及沖施水溶肥頻率過高導致的。設施菜田土壤中硝態氮容易因設施內土壤水分蒸發被帶到土壤表層，從而造成硝態氮在土壤表層積聚；頻繁灌水也會造成硝態氮隨灌溉水向下淋洗。硝態氮在設施菜田土壤表層的積聚很容易使農產品中硝態氮積累量超出食品安全標準[17]。因此，硝態氮在土壤表層的過量累積是一個十分值得關注的生態環境問題。

有效磷是土壤中可以被植物所吸收的磷組分，同時也是土壤中磷素養分供應水平高低的指標。本試驗中0～20 cm 土層土壤有效磷含量顯著高于20～40 cm、40～60 cm 土 層。0～40 cm土層土壤有效磷含量隨著土壤深度的增加而下降，且在0～20 cm 土層出現了明顯累積。這是由于施入土壤中的磷元素主要累積在0～20 cm土層導致的，這與路超等[18]的研究一致。其中3a 土壤有效磷含量平均值達到29.23 mg/kg，分別是1a，2a 的11.69、3.12 倍。本試驗結果表明隨設施菜田種植年限的延長，土壤有效磷濃度呈增加的趨勢，這與鄭杰[10]的研究結果相一致。其中0～20 cm 土層4a 有效磷含量出現回落，其主要原因是由于種植4 年的設施菜田施用的有機肥為發酵牛糞。雖然發酵牛糞年施用量高達10～15 m3，但由于發酵牛糞有效磷含量遠低于發酵雞糞，再加之灌水較勤等管理因素，從而導致4a 有效磷含量低于3a。0～20 cm 土層1a 有效磷含量顯著低于3a，4a，可能是由于新棚中施用的磷肥量較少并沒有形成較大的積累。40～60 cm土層2a 有效磷含量顯著高于1a、3a，這很可能是由于其施用有機肥以及磷肥總量高于其他種植年限導致的。40～60 cm 土層2a 有效磷含量明顯高于其20～40 cm 土層，這是由于種植2 年的設施菜田灌水較勤，使得表層有效磷隨著灌水向土壤深層進行淋溶。一些研究者提出設施菜田有效磷含量的豐缺指標為：60～100 mg/kg 為中，100～150 mg/kg 為高，低于60 mg/kg 為較低水平[19]。按照這一標準衡量，測定的8個日光溫室土壤有效磷含量均處于較低水平，需要增施磷肥。因此，如何指導菜農合理施用磷肥，對設施土壤的可持續利用以及農產品的產量、品質有著重要意義。

土壤電導率反映了土壤鹽分累積的情況。次生鹽漬化是影響設施菜田生產的重要障礙性因子，它不僅破壞了土壤的理化性質，還會影響到農產品的產量及品質。次生鹽漬化的產生主要是由于過度施肥使得土壤硝酸鹽含量增加[10，16]及全鹽含量積累，從而抑制設施內農作物的生長發育、降低農產品的產量以及品質[20]。本研究中，隨著土層深度的增大土壤電導率呈現遞減的趨勢，土壤鹽漬化主要發生在表層土壤中，表現為表層（0～20 cm）土壤電導率值明顯高于深層（20～40 cm、40～60 cm）土壤，這與范慶鋒等[21]研究一致。其主要原因可能是溫室密封式的建筑構造，導致其缺少自然淋洗，加之溫室內溫度過高、蒸發量較大等特點，使土壤水分向上運動，從而導致表層土壤出現鹽分累積[11]。本研究結果表明，隨設施菜田種植年限的增加，土壤電導率呈增加的趨勢，土壤有鹽漬化的趨勢，這與陳碧華等[22]的研究結果一致。其主要原因是設施菜田施肥量大于作物吸收量，過量施肥導致化肥轉化物及其副成分殘留，從而引起無機鹽在土壤中累積[23]，再加上設施菜田復種指數高，隨種植年限的增加，土壤中無機鹽含量呈顯著增加趨勢。目前，化肥超施已成為設施菜田土壤鹽類聚集的直接原因。因此，在今后的的生產中，制定合理的施肥方案和管理措施，對防止設施菜田土壤次生鹽漬化以及設施土壤的可持續利用具有重要意義。

結論

（1）0～20 cm 土層，隨著設施菜田種植年限的增加，硝態氮含量呈現出先降低再升高的趨勢，有效磷含量呈現出先升高后降低的趨勢，土壤電導率呈現出先降低再升高的趨勢。20～40 cm、40～60 cm 土層硝態氮、有效磷、土壤電導率無明顯變化。

（2）隨著設施菜田土壤深度的增加，土壤硝態氮、有效磷、土壤電導率均呈降低趨勢。

（3）調查區土壤硝態氮、有效磷含量及土壤電導率值均出現了表層積聚現象，尤其種植年限超過3 年的設施菜田硝酸鹽出現陡增現象，需要重新對設施土壤進行測土配方。故在今后的生產中，科學施肥、定期測土配方以及合理的輪作倒茬是十分必要的，這對設施菜田土壤的可持續性利用及生態環境安全有著重要意義。