大棚土壤養分診斷與均衡施肥管理的效果研究

劉歡王娟娟朱紫娟趙佳秀蔣金杏錢曉晴王桂良

(1.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學土壤健康研究所，江蘇 揚州 225000)

大棚栽培改變作物生長環境，在縮短作物生長周期的情況下獲得較高的作物產量和經濟效益[1-4]。新設大棚由于土壤養分供應強度往往難以滿足大棚作物快速生長需求，一般需要大量投入有機肥料和化學肥料。但實際生產中多數農戶只重視化學肥料的施用，包括單質氮肥和氮磷鉀復合肥料。化學肥料所含養分種類不全，氮磷鉀養分比例不協調，中微量元素也未得到科學施用。因此，大棚栽培尤其是經過幾年種植的大棚施肥更加需要在充分了解土壤養分背景的條件下按需配方、合理施用，否則不僅難以發揮所施肥料的作物生產效率，還會進一步引發土壤養分失衡、酸化、次生鹽漬化、結構退化、緊實閉氣等一系列問題，并可能造成土壤環境和農作物產品污染等不良后果[5-7]。姚春霞等[8]研究表明，上海市郊大棚種植的18個綠葉菜類作物樣品硝態氮含量范圍在521.32～1413.76mg·kg-1，平均836.76mg·kg-1，根據蔬菜硝酸鹽分級評價標準，其污染程度已達到了重度污染。大量施肥、施肥不均以及棚內光照不夠是導致硝酸鹽積累量增高的主要原因[8-10]。李元梅等[11]發現，種植多年后，土壤pH下降且大棚間差異較大；土壤電導率、全磷、硝酸鹽含量和水溶性鹽分都有增加，且在大棚間差異較大；分析表明，茄子產量與土壤有機質和全氮含量呈顯著正相關關系，與水溶性鹽、土壤電導率、硝酸鹽含量、全磷含量等呈負相關關系。通過對土壤養分的分析，系統診斷可能制約作物生長的土壤限制因子尤其是土壤養分平衡狀況，是科學推薦施肥、實施土壤養分精準管理的重要前提[12-15]。然而這些研究并沒有在充分了解土壤養分背景的條件下進一步進行按需配方田間驗證研究，特別是針對相關微量元素配方的施用效果驗證試驗較少。本文通過對土壤基本養分性狀進行測定分析，初步擬定施肥配方及土壤管理措施，研究相關技術措施水平對小白菜產量、品質，以及土壤基本理化性狀的影響，為該地區大棚小白菜栽培提供參考依據與技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

大棚土壤調查范圍包括揚州市廣陵區和邗江區代表性大棚各5個。田間施肥試驗設在具有廣泛代表性的揚州市廣陵區淮揚蔬菜生產基地大棚內進行。對10個代表性大棚土壤進行采樣，測定土壤基本化學性狀，分析土壤的作物生長限制因子。選擇其中最具代表性的5號大棚進行以小白菜為供試作物的配方施肥和氮肥用量試驗。試驗土壤為長江沖積母質發育的潮土類灰潮土亞類黏質灰潮土屬，土壤有機質19.46g·kg-1，pH5.75，電導率1.43mS·cm-1，堿解氮362mg·kg-1、有效磷118mg·kg-1、速效鉀253mg·kg-1，水溶性鈉104.8mg·kg-1、鈣398.3mg·kg-1、鎂200.7mg·kg-1、硝酸根1390.8mg·kg-1、硫酸根625.8mg·kg-1、碳酸氫根13.2mg·kg-1、氯離子293.4mg·kg-1，有效鐵128.1mg·kg-1、錳48.7mg·kg-1、銅5.1mg·kg-1、鋅16.3mg·kg-1、硼0.32mg·kg-1、鉬0.12mg·kg-1。

供試作物為小白菜(Brassica chinensis Linn)，品種為“上海青”，移栽定植的株、行距均為0.20m。供試肥料：45%(15-15-15)復合肥、45%(15-5-25)復合肥、尿素(含N 46%)、硼砂(含B 11%)和鉬酸鈉(含Mo 35.5%)。

1.2 試驗設計

每個小區長4m，寬5m，面積20m2。試驗設6個處理和1個對照。對照T0：農民習慣施肥，即3000kg·hm-2商品有機肥，45%(15-15-15)復合肥750kg·hm-2，尿素225kg·hm-2；處理T1～T6：同樣施用商品有機肥3000kg·hm-2，但復合肥養分結構則根據土壤相對富磷缺鉀而作配方調整，改為45%(15-5-25)高鉀復合肥750kg·hm-2，為了彌補土壤硼與鉬2種微量元素供應不足，另施用硼砂30kg·hm-2和鉬酸鈉1.5kg·hm-2，然后在此基礎上進行氮肥施用量處理，分別施用尿素0kg·hm-2、50kg·hm-2、100kg·hm-2、150kg·hm-2、200kg·hm-2、250kg·hm-2(分別為T1～T6)。

1.3 項目測定與數據分析

對采集的設施土壤樣品進行有機質、pH、電導率，有效養分及水溶性鹽及其組成離子含量進行測定，并依據《江蘇省耕地質量監測指標分級標準》[16]對各項指標進行等級分析。在大棚田間小區試驗過程中，注意觀察土壤墑情，缺水時及時灌溉補水；記錄小白菜不同生育期生長情況。收獲前進行小區測產和采樣，測定小白菜氮素吸收和硝酸鹽含量情況。

2 結果與分析

2.1 土壤基本化學性狀分析

2.1.1 土壤有機質和土壤有效氮、磷、鉀含量

由表1可知，土壤有機質含量介于13.5～25.6g·kg-1，平均含量為20.3g·kg-1，勉強達到江蘇省耕地質量監測指標分級標準2級(20.0～30.0g·kg-1)。大棚之間土壤堿解氮含量差異較大，變異系數高達80.5%，含量范圍為43.8～624.5mg·kg-1，平均含量達到了469.3mg·kg-1。土壤有效磷含量介于50.4～192.5mg·kg-1，平均為119.2mg·kg-1，達到有效磷1級水平下限(35mg·kg-1)3倍以上，所測土樣有效磷含量最低值50.4mg·kg-1，也達到了1級水平。土壤速效鉀含量介于56.5～518.2mg·kg-1，平均為276.5mg·kg-1，達到了1級水平，但部分土樣速效鉀含量處于最低的5級水平(75mg·kg-1以下)。

表1 土壤有機質和堿解氮氮、有效磷、速效鉀含量

2.1.2 土壤pH與電導率

表2為土壤pH與電導率測定值。土壤pH值范圍在5.29～7.07，平均為5.98，處于監測指標的2級。土壤電導率在不同大棚間差異較大，變異系數達到了74.4%，范圍在0.19～3.61mS·cm-1，平均達到了1.49mS·cm-1(相當于總鹽量5.5g·kg-1)，處于4級水平。

表2 土壤pH與電導率

2.1.3 土壤水溶性鹽離子組成

考慮到土壤已經發生明顯的酸化作用，僅極個別土樣pH值達到7左右，因此對土壤水溶性離子組成測定了除碳酸根之外的7大鹽分離子，以及土壤中含量較高的陰離子硝酸根離子。所測土樣鉀、鈉、鈣、鎂4種陽離子含量及K+/Mg2+和Ca2+/Mg2+情況見表3。土壤水溶性鉀離子含量介于26.1～351.0mg·kg-1，平均109.7mg·kg-1；水溶性鈉離子含量介于42.5～364.8mg·kg-1，平均119.5mg·kg-1；水溶性鈣離子含量介于55.2～1078.2mg·kg-1，平均403.0mg·kg-1；水溶性鎂離子含量介于65.3～892.7mg·kg-1，平均319.4mg·kg-1。含量高低依次為鈣離子、鎂離子、鈉離子、鉀離子。從3種離子的相對電荷比來看，K+/Mg2+在0.07～0.18，平均0.13，鉀離子供應強度明顯偏低；Ca2+/Mg2+在0.51～1.21，平均0.86，鈣離子電荷濃度稍低于鎂離子。

表3 土壤水溶性鹽陽離子組成

由表4可知，土壤硝酸根含量介于229.6～5732.9mg·kg-1，平均2016.1mg·kg-1；土壤硫酸根含量介于81.5～1505.7mg·kg-1，平均630.6mg·kg-1；土壤碳酸氫根含量介于10.8～27.9mg·kg-1，平均15.9mg·kg-1；土壤氯離子含量介于112.8～792.6mg·kg-1，平均299.2mg·kg-1。含量高低依次為硝酸根、硫酸根、氯離子、碳酸氫根。

表4 土壤水溶性鹽陰離子組成

4種陰離子的電荷占比如表5所示，硝酸根、硫酸根、碳酸氫根和氯離子電荷數與陰離子總電荷數比值的平均數分別為57.0%、23.6%、1.1%和18.3%。硝酸根占到50%以上，其次是硫酸根和氯離子，碳酸氫根占比極小。

表5 土壤水溶性鹽陰離子電荷占比

2.1.4 土壤有效性微量元素含量

土壤有效性微量元素含量見表6，土壤有效性鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬養分含量的平均水平分別為91.7mg·kg-1、51.3mg·kg-1、2.9mg·kg-1、4.8mg·kg-1、0.30mg·kg-1和0.17mg·kg-1，肥力等級分別為1級、1級、1級、1級、4級、2級，在6種微量元素中，只有硼、鉬不是1級，其余4種微量元素均比較豐富。但6種微量元素有效養分含量變異系數均較大，鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬養分最低含量的肥力等級處于3級、4級、2級、4級、5級、5級，可見部分土壤有效硼和有效鉬水平處于最低的5級水平。土壤有效鐵、錳最高含量分別達到了256.5mg·kg-1、142.4mg·kg-1，分別為1級水平下限(20.0mg·kg-1、50.0mg·kg-1)的12.8倍和2.8倍。

表6 土壤有效性微量元素含量

2.2 氮肥施用對小白菜產量及氮素吸收積累的影響

由圖1可知，根據測土結果配方施肥的6個處理小白菜產量顯著高于對照。在配方施肥的幾個處理中，隨著氮肥用量的增加，小白菜產量呈現出先增后減的趨勢，但各處理之間差異不顯著。對照處理小白菜含氮率最高，6種配方施肥處理小白菜含氮率隨著氮肥用量的增加而提高，其中氮素施用水平接近對照的處理(T5、T6)小白菜含氮率顯著低于對照處理。從累積吸氮量看，各配方施肥處理小白菜體內累積吸氮量稍高于對照處理，隨著施氮量增加，小白菜體內累積吸氮量有增加趨勢，但處理間差異不顯著。各處理小白菜植株硝酸鹽含量隨施氮量增加而提高，與對照相比各配方施肥處理小白菜硝酸鹽含量顯著降低。

注：圖中柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理對小白菜產量、含氮率、累積吸氮量和體內硝酸鹽含量的影響

3 討論

設施大棚中盲目施肥直接或間接引發土壤理化性狀惡化，成為作物生長的障礙因素[17-19]。大棚土壤中積累大量的水溶性硝態氮、活性酸，以及可能存在的高量磷酸根、硫酸根、鉀離子、鈣離子、鎂離子等，可能對相應的拮抗離子的有效性產生顯著影響，聯系養分之間的協同或拮抗作用，開展相關養分相對有效性的研究，建立高強度養分供應條件下養分豐欠水平診斷的相對指標體系，對未來指導我國大棚作物可持續生產均具有重要意義。

本研究表明，揚州主要大棚種植區設施土壤有機質含量平均含量為20.3g·kg-1，勉強達到江蘇省耕地質量監測指標分級標準2級(20.0～30.0g·kg-1)，作為大棚種植土壤其有機質含量明顯偏低，既不能滿足保持良好土壤團粒結構的要求，也不能為作物生長環境變化起到很好的緩沖作用[20]。不同大棚之間堿解氮含量差異較大，含量偏高和不足現象并存。土壤有效磷含量總體較高，都處于1級水平。與土壤堿解氮相似，速效鉀含量在不同大棚間最高達到了1級水平，而最低處于5級水平。總體來說，該地區大棚土壤有機質不足，土壤堿解氮嚴重過剩與不足并存，有效磷供應豐富，速效鉀含量豐富與嚴重不足并存。在其他調查研究中也體現出相似的現象[21-23]。其主要原因是缺乏有關大棚土壤養分供應豐缺狀況的科學診斷，無法根據土壤實際養分狀況，開展精準平衡施肥。本研究根據試驗地相對富磷缺鉀的特征，通過減氮，降磷，增鉀配方施肥，不僅可以提高小白菜產量，還可以降低小白菜體內硝酸鹽的含量，提高小白菜品質安全。

硝酸根電荷數與陰離子總電荷數比值平均為57.0%，占到了50%以上。硝酸根的主要來源是氮肥施用，我國大面積施用的氮肥形態是銨態氮肥，進入土壤中的銨態氮肥在未被作物吸收利用前就可能大量被硝化轉化成硝態氮，硝態氮盡管也可以被作物吸收利用，但前提是作物具有足夠的硝酸還原能力[24,25]。作物硝酸還原能力受制于其硝酸還原酶活性，硝酸還原酶活性除了與作物本身生物學特性有關外，還與很多環境因素有關，其中鉬素營養狀況在很大程度上決定著作物硝酸還原酶活性[25,26]。本研究表明，揚州市郊區大棚土壤有效氮、磷、鎂、鐵、錳養分含量水平普遍過高或較高，土壤存在缺硼和缺鉬問題。生產上應適當提高硼、鉬肥的投入數量，嚴格控制氮肥的施用。本研究與對照相比各配方施肥處理小白菜硝酸鹽含量顯著降低，這可能是因為配方處理增施了鉬肥，促進作物對吸收到體內的硝酸鹽還原作用，從而降低了植株體內硝酸鹽含量。其他研究同樣表明施用鉬肥對降低蔬菜體內硝酸鹽含量具有顯著作用[24-26]。

土壤電導率在不同大棚間差異較大，最小為0.19mS·cm-1，最大為3.61mS·cm-1，可見土壤次生鹽漬化現象比較明顯[27,28]。土壤EC值在2mS·cm-1以上時，必須嚴格控制與含量較高鹽分離子對應肥料的施用，在促進養分平衡的同時，逐漸降低土壤次生鹽漬化水平。如果播種作物仍難以出苗或移栽作物難以成活，則需要灌水洗鹽或施用高碳氮比秸稈進行生物固持降鹽處理[18]。土壤有效鐵、錳最高含量分別達到了256.5mg·kg-1、142.4mg·kg-1，分別為1級水平下限的12.8和2.8倍。造成土壤有效鐵、錳含量大幅提升的重要因素可能與土壤酸化和土壤漬水還原有密切的關系。部分大棚土壤由于結構性較差，加上覆膜和排水不暢，易導致土壤漬水缺氧還原，從而進一步引起土壤鐵、錳還原并大量積累，造成土壤有效鐵、錳養分含量偏高，應加強高品質有機肥施用，改良土壤結構，地勢低洼區域應注意加強大棚排水降漬技術和工程措施的應用[18,19,29]。

4 結論

揚州市郊區代表性大棚土壤有機質含量較低，土壤堿解氮含量嚴重過?；虿蛔悴⒋?，有效磷供應豐富，速效鉀含量豐富與嚴重不足并存。土壤有效鐵、錳過多，銅、鋅豐富，硼嚴重缺乏，鉬供應不足。土壤水溶性硝酸根嚴重過剩。

基于土壤養分豐缺情況開展平衡施肥，平均使小白菜增產56.6%，植株含氮率降低27.3%，吸氮量增加13.9%，植株體內硝酸鹽含量降低59.6%。

綜合土壤養分豐缺情況和小白菜產量、氮素吸收及硝酸鹽含量等多項指標，建議在配方施肥時加強硼、鉬、鉀肥施用，適當控制磷肥施用，減少氮肥施用。