曾艷++李征++張靜涵++安樹青++冷欣++李寧

摘要：以江蘇省南京地區(qū)設施農業(yè)土壤為對象，研究了施化肥為主和施有機肥2種施肥類型下，設施農業(yè)土壤的基本性質和養(yǎng)分含量在縱向剖面的累積特征。結果表明：設施農業(yè)中，施化肥為主表層土壤酸化現象明顯，施有機肥表層土壤鹽漬化現象明顯。2種施肥類型下表層土壤各養(yǎng)分含量均顯著高于露天土，施有機肥耕作方式在提高土壤養(yǎng)分方面整體優(yōu)于施化肥為主。設施農業(yè)土壤在縱向剖面累積特征明顯，施化肥為主的酸化現象在0～20 cm土層明顯，鹽分含量在各土層中穩(wěn)定，土壤全氮、全磷含量同時出現表層聚集和向下遷移的特征，其中底層累積更為明顯；施有機肥耕作方式下土壤酸化主要集中在20～60 cm，土壤鹽分、全氮、全磷含量變化均在0～20 cm土層累積較多。設施農業(yè)中長期高投入的施肥，無論施化肥為主或有機肥為主，土壤均出現不同程度的酸化、鹽漬化和養(yǎng)分累積現象，因此設施農業(yè)中應采取合理施肥措施，減少持續(xù)施肥時間較長區(qū)域的有機肥、氮肥、磷肥的施用量，以改善土壤質量惡化狀況。

關鍵詞：設施農業(yè)；有機肥；化肥；養(yǎng)分；累積

中圖分類號： S158文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0465-05

收稿日期：2015-04-30

基金項目：公益性行業(yè)（環(huán)保）科研專項（編號：20110918）。

作者簡介：曾艷（1989—），女，貴州德江人，碩士研究生，從事濕地生態(tài)多樣性研究。E-mail：zengyan2206@163.com。

通信作者：李寧，博士后，從事群落生態(tài)學研究方向。E-mail：lining196@126.com。設施農業(yè)是通過現代農業(yè)工程和技術改變自然環(huán)境，使植物獲取生長所需的溫度、濕度、光照、水肥等條件，進而達到有效生產并獲得較高產出的農業(yè)[1]。設施農業(yè)因其單產高、受季節(jié)影響小等優(yōu)點，可大幅提高土地利用效率，有效解決人多地少地區(qū)的農業(yè)持續(xù)發(fā)展問題，是我國蔬菜生產的重要方式之一[2]。在設施農業(yè)高投入、高產出的生產模式下，人們往往忽視了由此產生的環(huán)境問題，尤其是土壤環(huán)境質量惡化，它不僅影響了設施農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，也對農產品安全及生態(tài)環(huán)境造成了不利影響[3]。設施農業(yè)高溫、高濕、高蒸發(fā)、無雨水淋溶的特性容易誘發(fā)土壤質量問題的產生，土壤酸堿性變化、鹽分積累、養(yǎng)分富集、蔬菜品質下降甚至導致部分種植年限較長的大棚不適宜蔬菜生產[4-6]。不同類型肥料合理施用對于保障設施農業(yè)土壤環(huán)境健康具有重要意義?；适遣捎没瘜W或物理方法制成，含有農作物生長需要的一種或幾種營養(yǎng)元素，施用見效快，但容易造成土壤質量下降、營養(yǎng)失調，加劇土壤磷、鉀的耗竭，導致硝態(tài)氮累積[7]。有機肥通常是指農牧業(yè)的廢棄物（包括動植物的殘體、糞便等）經過發(fā)酵、腐熟等過程制成的肥料，不僅含有植物所必需的大量元素、微量元素，還含有豐富的有機養(yǎng)分，能促進土壤中微生物的繁殖，是改善土壤理化性質的重要物質，對提高土壤肥力、作物產量和品質及增強作物抗逆性具有重要作用，其缺點是肥效慢[8-10]。李吉進等研究表明，施用適量有機肥可以提高蔬菜產量，降低蔬菜硝酸鹽含量[11]。劉樸方等研究表明，有機肥更有利于改善土壤性質[12]?；谟袡C肥在保肥養(yǎng)地等方面的良好作用，設施菜地有機肥的施用量不斷增加[13]。本研究通過比較不同施肥類型下設施農業(yè)土壤質量狀況，分析長期施用化肥為主或有機肥條件下土壤化學性質和養(yǎng)分的縱向剖面累積特征，以期為設施農業(yè)土壤肥料的合理利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

江蘇省南京市地處我國東南部長江下游，屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，降水充沛，年平均溫度16.2 ℃，年平均降水量1 298.4 mm，市域面積6 587 km2，行政區(qū)劃包括11 區(qū)2 縣。其中，江寧區(qū)試驗區(qū)是長期種植水稻而形成的水耕人為土，經營方式主要為公司經營和分散式農戶承包，設施種植年限集中在7～8年，底肥以化肥為主，輔以少量農家肥，每年施2～5次，各種化肥的季總施用量為2 000 kg/hm2。追肥以復合肥、尿素為主，追肥1～2次，追肥中復合肥的季施用量為600 kg/hm2，尿素的季施用量為450 kg/hm2。溧水區(qū)試驗區(qū)以黃泥土為主，是一個成立于2002年的有機蔬菜生產公司，底肥與追肥均施用生物有機肥，每季施用量達3 300 kg/hm2。

1.2樣品采集

供試土壤樣品采集于2011年12月，根據每個大棚的實際大小，在均勻分布點原則基礎上，通過多點法（3～5點）采集表層土壤（0～20 cm），將混勻的鮮土用四分法留取1 kg 左右，裝入聚乙烯塑料袋，標記密封，帶回實驗室。共采集表層土壤樣品90個，其中設施菜地78個，露天菜地（種植過程中不使用塑料大棚和地膜覆蓋的區(qū)域）樣本12個。設施菜地土壤樣品中以化肥為主54個，有機肥24個。同時，為了進一步研究設施農業(yè)土壤縱向剖面的化學性質以及氮、磷累積特征，在表層土壤取土附近，對可能產生污染來源的區(qū)域隨機選取27個不同施肥類型樣點。利用土鉆多點鉆取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深5層土樣，分別將同一大棚同一土層土樣混勻裝袋，密封保存，帶回實驗室進行測定。設施農業(yè)不同剖面土壤樣品中以化肥為主15個，有機肥7個，露天土5個。

1.3樣品分析

野外采集的土壤樣品經風干后，在室內剔除石塊、植物根莖等雜質，研磨后分別過10、60、100目篩，供土壤樣品分析。其中，表層（0～20 cm）土壤測定pH值、EC值、有機質含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量等指標；剖面（0～100 cm）土壤測定不同土層土壤樣品的pH值、EC值、全氮、全磷含量。采用常規(guī)方法[14] 測定所有指標。采用玻璃電極法測定pH值；采用電導率儀法測定電導率（EC）；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機質含量；采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定土壤有機質含量；采用高氯酸-硫酸消化-凱氏定氮法測定全氮含量；采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用乙酸銨提取-火焰光度法測定有效鉀含量。

1.4數據分析

采用Excel 2010、SPSS 19.0軟件處理與分析數據，非參數Kolmogorov-Smirnov檢驗數據分布規(guī)律，運用非參數檢驗中2個或多個獨立樣本分析，通過Kruskal-Wallis單因素ANOVA成對比較進行顯著性檢驗，α=0.05。

2結果與分析

2.1不同施肥類型表層土壤pH值與EC值

設施農業(yè)中施有機肥的表層土壤pH值最高，其平均值接近中性水平，與露天土差異不顯著。施化肥為主的表層土壤pH平均值為5.12，顯著低于有機肥和露天土（圖1）。不同施肥類型下表層土壤EC值由高到低依次為有機肥>化肥為主>露天土。設施農業(yè)土壤EC值顯著高于露天土。其中，施有機肥的土壤EC值最高，為1.78 mS/cm，分別是施化肥為主和露天土土壤EC值的4.6倍、5.1倍。

2.2不同施肥類型表層土壤各養(yǎng)分含量的特征

由表1可以看出，設施農業(yè)中施有機肥、施化肥、施霧天圖土壤的有機質含量范圍分別為23.46～65.04、20.05～3999、11.69～42.29 g/kg。施有機肥表層土壤的有機質含量顯著高于施化肥和露天土。

設施農業(yè)和露天土表層土壤全氮和速效鉀含量的變化規(guī)律與有機質含量的變化規(guī)律一致。設施農業(yè)表層土壤的含氮量和速效鉀含量均高于露天土。其中，施有機肥土壤全氮的平均含量為2.45 g/kg，顯著高于施化肥為主和露天土。施有機肥土壤速效鉀的平均含量為0.84 g/kg，分別是施化肥為主和露天土速效鉀含量的2.9倍、3.2倍。不同施肥類型下表層土壤全磷含量和有效磷含量變化規(guī)律一致。設施農業(yè)中2種施肥類型的全磷含量、有效磷含量均顯著高于露天土，2種施肥類型間全磷含量、有效磷含量均無顯著差異。施化肥為主的土壤全磷含量變異系數較大，其次為露天土，施有機肥土壤最低。有效磷含量方面，施化肥為主的表層土壤最高，其次為施有機肥土壤，露天土有效磷含量最低。

2.3不同施肥類型下設施農業(yè)土壤pH值、EC值

由圖2可知，設施農業(yè)土壤pH值縱向累積的變化比露天土壤更加劇烈。施化肥為主土壤pH值在0～20 cm土壤酸化現象明顯，且pH值隨土壤深度的增加而升高。其中0～20 cm 的土層pH值為5.53，明顯低于20～40 cm土層的pH值。20～40 cm及更深土層40～60 cm和 60～80cm間pH值差異不大。施有機肥土壤的縱向累積狀況與施化肥為主土壤相反，0～60 cm土壤pH值隨著土層深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤pH值為6.72，20～40 cm土壤pH值為652，40～60 cm土層土壤pH值為6.15，60～80 cm土層土壤pH值為6.65。

由圖2可知，設施土壤中施化肥為主的土壤EC值隨著土層深度的增加變化不大。施有機肥土壤的土壤EC值在不同土層深度中的變化規(guī)律近似“S”形曲線，且EC值在各土層深度均高于施化肥為主土壤。其中，0～60 cm剖面施有機肥土壤EC值隨著土層深度的增加逐漸降低，由0～20 cm的 0.69 mS/cm 降低到40～60 cm的0.35 mS/cm，在60～80 cm土層深度EC值又有所增加，是同等土層施化肥為主土壤的2.4倍。80～100 cm土層EC值相較60～80 cm有所降低，為0.43 mS/cm。

2.4不同施肥類型下設施農業(yè)土壤全氮、全磷含量

由圖3可知，設施農業(yè)中施有機肥和化肥為主土壤全氮、全磷平均含量在各土層均高于露天土。0～20 cm土層深度施有機肥全氮、全磷含量分別是同等土層施化肥為主的12倍、1.1倍。施有機肥土壤全氮、全磷含量隨著土層深度的變化呈現近似“S” 形變化曲線，0～60 cm土壤隨著土層深度的增加，全氮、全磷的含量相應減少，40～60 cm土壤的平均含氮量為0.67 g/kg。60～80 cm土層含氮量增加，其含氮量增加到1.13 g/kg，80～100 cm土層含氮量繼續(xù)降低至093 g/kg。施化肥為主的土壤全氮和全磷含量變化規(guī)律均為0～20 cm土層全氮和全磷含量高于20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，后3個土層的各指標含量相差不大，但在土層80～100 cm 全氮和全磷含量又有所增加，并且為所有土層的最大值。

3結論與討論

3.1不同施肥類型設施農業(yè)表層土壤pH值和EC值的累積特征

本研究結果顯示，設施農業(yè)中施有機肥表層土壤的pH值接近中性水平，與露天土差異不顯著。有機肥由于自身的組成成分，有助于微生物的存活，能增強土壤的緩沖能力，緩解土壤酸化速度，一定程度上起到了維持土壤pH值穩(wěn)定的效果[15]。相反，施化肥為主的表層土壤pH值顯著低于施有機肥土壤，僅為5.12，甚至低于蔬菜生理障礙的臨界土壤酸堿性5.52[16]。這主要是由于設施農業(yè)種植方式下，化學肥料高投入、復種指數多、施用頻率高等特征，導致肥料中帶有的SO2-4、Cl-等強酸性離子殘留在土壤中引起土壤酸性增加[2]。電導率（EC）是衡量土壤鹽漬化程度的指標，通常與含鹽量表現為正相關關系，可以反映土壤鹽分情況[17]。與露天土相比，不管是施有機肥還是施化肥為主種植方式下，其表層土壤的EC值均顯著增加。Chen等指出，過量施用有機肥和化肥可能使得某些未被作物吸收利用的養(yǎng)分及肥料的副成分大量殘留在土壤中，導致土壤鹽基離子增加[18]。同時，設施大棚內的高溫、高蒸發(fā)量，導致水分的運動方向總是由下向上移動，深層水分不斷通過毛細管作用上移，溶解其中的鹽分，隨后移至土壤表層聚積，離子濃度增加[19]，從而導致土壤EC值升高。何文壽提出，當設施農業(yè)土壤電導率大于0.5 mS/cm時，標志土壤鹽分開始超標；當電導率達到1.0 mS/cm時，土壤已經鹽漬化；當電導率達3.0 mS/cm時，土壤已經嚴重鹽漬化[20]。本研究結果表明，施有機肥土壤EC值為1.78 mS/cm，表明長期大量施用有機肥導致表層土壤出現鹽漬化現象。

3.2不同施肥類型設施農業(yè)表層土壤各養(yǎng)分含量的累積特征

有機質含量是衡量菜地土壤肥力高低的主要指標。本研究結果表明，設施農業(yè)施有機肥表層土壤的有機質含量分別是化肥為主和露天土的1.7倍、1.9倍。有機肥在提高土壤有機質含量方面效果顯著。同時土壤中有機質含量高，并不意味著就對農作物生長有利，過量有機質累積不但浪費肥料，也是土壤酸化、鹽漬化發(fā)生的來源[21]。本研究結果表明，設施農業(yè)表層土壤全氮、速效鉀含量變化與有機質含量的規(guī)律相同。施有機肥土壤全氮含量分別是施化肥為主和露天土的1.5倍和1.6倍。梁國慶等通過長期試驗也證實了有機肥料區(qū)的土壤含氮量最高，而化肥區(qū)僅略高于不施肥區(qū)[22]。這可能是由于大量施用氮肥提高了作物根茬和根分泌物的量，亦即增加了歸還土壤的有機氮量，這部分氮比土壤原有的有機氮易礦化?；手袩o機形態(tài)的氮較多，在澆灌過程中容易流失。相反，土壤持續(xù)獲得有機肥的施入，有機氮在土壤中完成其全部分解過程需要經過漫長歲月，導致有機氮殘留逐漸累積形成豐富的氮庫[23]。充足的鉀對于增加蔬菜產量、提高蔬菜品質具有良好效果，連續(xù)施用有機肥對提高土壤速效鉀含量發(fā)揮了重要作用。胡田田等指出，速效鉀含量在150～250 mg/kg 之間為適應范圍，大于350 mg/kg為過量[24]。本研究中施有機肥的表層土壤速效鉀含量為840 mg/kg，是參考值的2.4倍，這與研究區(qū)的黃泥土母質鉀素含量豐富有關，并且高投入量的有機肥也增加了鉀素的含量。魯如坤提出，菜地土壤有效磷含量的豐缺指標為：小于33 mg/kg為嚴重缺乏，33～60 mg/kg為缺乏，60～90 mg/kg為適宜，大于 90 mg/kg 為偏高[25]。本研究結果表明，在有機肥（140 mg/kg）和化肥為主（180 mg/kg）2種施肥類型下，土壤有效磷含量均超過正常值2倍左右。長期施用化肥或有機肥均能有效增加設施農業(yè)表層土壤中的磷素含量。因此，筆者認為，肥料的高投入量是導致設施農業(yè)土壤磷素積累的關鍵原因。有效磷是植物體吸收磷素的直接來源，土壤有效磷是評價土壤磷素供應水平的重要指標，它的動態(tài)變化除了受土壤自身的理化性質和自然因素等影響以外，還與施肥量和作物吸磷量有很大關系[26]。在設施農業(yè)栽培條件下，土壤幾乎不受雨水淋溶，加之大量施入有機肥，雖然作物吸收利用的帶出量很大，但仍然會造成磷素在土壤表層的累積。

3.3不同施肥類型設施農業(yè)土壤質量縱向累積特征

本研究結果表明，0～20 cm施化肥為主土壤酸化現象明顯，施有機肥土壤出現不同的酸化趨勢主要集中在20～60 cm 2個土層。施化肥為主或有機肥的耕作方式下上層土壤pH值的降低或增加與肥料自身的性質有關。施有機肥的耕作方式下20～60 cm土層出現不同程度酸化，這可能是由于該區(qū)域過量的有機肥礦化分解過程中產生大量有機酸，在設施農業(yè)特殊的環(huán)境條件下，植物根系和土壤微生物的代謝作用旺盛，產生大量的CO2，土壤酸性增加；施化肥為主的耕作方式下下層土壤pH值增加，可能是由于大量化肥在表層快速分解，少量農家肥在下層土壤作用增加，提高了土壤的緩沖性能；隨著土層加深，無論施化肥為主或有機肥，受表層影響較小，土壤的酸化程度均越來越輕[27]。本研究結果表明，施化肥為主的耕作方式下，土壤EC值在縱向剖面的變化波動不大，各土層含鹽量較低且均勻分布，這可能是由于該研究區(qū)中添加的部分有機肥緩慢分解進入深層土壤，促進了土壤礦質-有機復合體，有利于增加土壤對鹽分的緩沖性，土壤電導率水平穩(wěn)定有關[28]。筆者發(fā)現，本研究區(qū)農戶習慣于通過接棚晾曬與雨水灌溉達到除鹽的效果，緩慢降低了土壤深層的鹽分累積速度。施有機肥土壤EC值在0～20 cm和60～80 cm土層處較高，其值分別為0.69、0.65 mS/cm，是同層土壤中施化肥為主的1.8、2.4倍，說明長期施有機肥設施農業(yè)土壤鹽分同時存在向底層遷移和向表層聚集2種聚集方式，但表層土壤的累積量更高。這符合鹽分隨水運動規(guī)律：一方面，設施土壤中有機肥的高投入量增加了鹽分離子的向下淋洗量；另一方面，設施農業(yè)的高溫、高蒸發(fā)特征導致鹽分離子又隨著土壤水分的向上運動而逐漸向表層遷移、聚積。電導率隨縱向剖面的變化規(guī)律可能與設施農業(yè)投入使用的年限有關，設施農業(yè)種植時間越長，土壤越容易出現表層和底層鹽分的累積[29]。本研究中設施農業(yè)有機肥種植年限達到10年左右，其土壤含鹽量的縱向剖面累積特征與周鑫鑫等的研究結果[30]一致。

施肥不僅影響設施農業(yè)土壤表面各養(yǎng)分含量的變化，隨著施肥年限的增加，養(yǎng)分的向下遷移也會影響其垂直分布。設施農業(yè)中，施有機肥土壤的全氮、全磷含量在縱向剖面的變化規(guī)律與EC值相同，即在0～20 cm和60～80 cm發(fā)生養(yǎng)分累積現象，并以表層聚集為主；施化肥為主的土壤全氮、全磷含量在0～20 cm和80～100 cm出現累積，且底層聚集現象更明顯。有機肥和化肥長期的高投入量，導致設施農業(yè)土壤養(yǎng)分在表層聚集，但隨著種植時間的延長以及設施灌溉的方式不同，氮、磷養(yǎng)分開始向深層土壤轉移，施有機肥研究區(qū)種植年限長達10年，且實行嚴格的滴灌，土壤水分向下運動，60～80 cm 土層發(fā)生弱淋溶淀積，養(yǎng)分含量升高。由于過量施用氮肥和磷肥，施化肥為主土壤中氮、磷元素向下的遷移量或遷移速度可能高于施有機肥，所以施化肥為主土壤底層累積量較高。黨廷輝研究結果表明，氮肥或氮肥與有機肥配施都可能引起硝態(tài)氮的深層淋溶，氮肥用量越大，淋溶量及深度愈大，且有機肥的長期施用產生的硝態(tài)氮累積深度較淺、累積量較低[31]。Elrashidi等研究發(fā)現，長期施肥引起土壤表層磷的富集，在較大的降水量條件下，表層土壤富集的磷可遷移到地下水層[32]。也有研究表明，氮、磷養(yǎng)分含量的增加一定程度上可能會引起地下水的污染[33]。因此明確不同施肥類型下土壤養(yǎng)分在剖面的累積規(guī)律，對于評價不同施肥類型養(yǎng)分的有效性和可能引起的環(huán)境質量問題也具有重要意義。

本研究結果表明，設施農業(yè)土壤因施肥類型不同而呈現差異。表層土壤中長期施用有機肥有助于維持土壤正常pH值，但會引起土壤EC值的增加，鹽分累積而出現鹽漬化現象；施用化肥為主的表層土壤酸化明顯。施化肥為主或施有機肥表層土壤養(yǎng)分含量累積明顯。設施農業(yè)土壤縱向剖面發(fā)生鹽分和養(yǎng)分累積并有向下遷移的現象，其中施化肥為主土壤鹽分積累在表層和底層，但未出現鹽漬化現象，氮、磷在底層累積量增加。施有機肥土壤酸化現象發(fā)生在20～60 cm，0～20 cm 和60～80 cm土層鹽分累積并發(fā)生鹽漬化，同時養(yǎng)分也積聚在含鹽量增加的土層。因此，針對不同施肥類型下設施農業(yè)土壤質量惡化的現象，提倡合理施用化肥和有機肥[34]，尤其是減少單施有機肥區(qū)域的肥料施用量，適當降低氮肥、磷肥的持續(xù)投入，并根據季節(jié)變化和蔬菜種植模式的需肥條件，結合精確滴灌技術，有效改善土壤質量問題，提高設施農業(yè)的施肥效率，最終達到保障農產品種植安全的目的。

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