杜 雷，王素萍，陳 鋼，黃 翔，張貴友，姜 利，程維舜，羅 茜，張利紅，洪 娟

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與安全研究所，武漢 430345）

土壤質(zhì)量是指土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量3方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力［1］。土壤質(zhì)量是維持地球生物圈最重要的因子之一，土壤質(zhì)量的綜合評價(jià)必須建立在對不同土壤屬性的閾值與最適值，各種土壤屬性的不同水平間的相互組合對土壤質(zhì)量的體現(xiàn)，各種土壤屬性與土壤功能之間的關(guān)系，形成各種土壤屬性的明確的土壤過程等問題的機(jī)理性的了解基礎(chǔ)之上［2，3］。中國的土壤質(zhì)量評價(jià)工作雖然起步晚，國內(nèi)學(xué)者也在這方面做了大量的工作。孫波等［4］提出了紅壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的選擇原則，并從化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)3個(gè)方面探討了評價(jià)紅壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化可采用的指標(biāo)體系。吳祥云等［5］從土壤微生物、持水性、物理和化學(xué)性質(zhì)方面探討不同類型樟子松人工固沙林土壤質(zhì)量狀況，結(jié)果表明針闊混交林比針葉純林土壤質(zhì)量高，同時(shí)指出林木對土壤的改良作用是一個(gè)長期的持續(xù)過程。鄭華等［6］對南方紅壤侵蝕區(qū)4種主要森林恢復(fù)類型下土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明不同的森林恢復(fù)類型導(dǎo)致了土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的顯著差異。

土壤質(zhì)量的監(jiān)測與診斷已成為農(nóng)業(yè)土地可持續(xù)管理中的一個(gè)重要思想。土壤質(zhì)量監(jiān)測與診斷是建立“種植全過程的技術(shù)服務(wù)新模式”的基礎(chǔ)，針對中國集約化種植菜田土壤質(zhì)量變化和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)態(tài)勢不明、區(qū)域差異不明確等核心問題，通過監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及動(dòng)態(tài)變化，逐步建立土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，闡明內(nèi)在聯(lián)系及發(fā)展規(guī)律，促進(jìn)土地可持續(xù)利用；通過土壤診斷指標(biāo)的研究，提高檢測效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，打造“從田間到餐桌”種植環(huán)境健康管理服務(wù)平臺(tái)。本試驗(yàn)對辣椒-甘藍(lán)輪作模式土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，分析輪作模式下不同施肥處理對土壤理化指標(biāo)的影響，通過土壤診斷，提出土壤改良措施和種植計(jì)劃措施，大力倡導(dǎo)和指導(dǎo)建立健康種植體系，讓人們吃到健康的食物和蔬菜，同時(shí)維護(hù)土壤健康，實(shí)現(xiàn)土壤生產(chǎn)可持續(xù)性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所長期種植大棚試驗(yàn)地——湖北省武漢市黃陂區(qū)（114°27′48″E，30°42′38″N）。土壤類型為黏壤灰潮土，辣椒與甘藍(lán)輪作，劃分試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)面積32 m2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

辣椒和甘藍(lán)處理相同，均設(shè)3個(gè)處理：①不施肥對照（CK）；②習(xí)慣施肥（FP），通過調(diào)查，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥的施肥量為準(zhǔn)，辣椒季施用尿素609 kg/hm2、過磷酸鈣1 753 kg/hm2、硫酸鉀550 kg/hm2，甘藍(lán)季施用尿素700 kg/hm2、過磷酸鈣1 125 kg/hm2、硫酸鉀375 kg/hm2；③推薦施肥（OPT），2/3化肥氮+1/3有機(jī)肥氮，即辣椒季施用尿素500 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、硫酸鉀471 kg/hm2、有機(jī)肥5 300 kg/hm2，甘藍(lán)季施用尿素400 kg/hm2、過磷酸鈣600 kg/hm2、硫酸鉀312 kg/hm2、有機(jī)肥3 900 kg/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)。

供試肥料養(yǎng)分含量：尿素含N 46%，過磷酸鈣含P2O516%，硫酸鉀含K2O 51%；有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量為47%，全氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）含量分別為2.80%、0.76%、1.38%。

試驗(yàn)開始前土壤pH為7.09，容重為1.12 g/cm3，電導(dǎo)率（EC）為0.288 mS/cm，全氮含量為1.05 g/kg，全磷含量為0.68 g/kg，全鉀含量為18.35 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為13.25 g/kg。

1.3 土壤樣品采集

采集每季作物成熟期植株根區(qū)土壤樣品，每處理小區(qū)依照S形取樣法選取5點(diǎn)混合取樣，四分法取0～20 cm植株根區(qū)土壤混合樣品，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、研磨等處理，一部分土樣過20目篩用于土壤pH、EC、陽離子交換量、交換性鈣和交換性鎂的測定，另一部分土樣過100目篩用于土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的測定。

1.4 分析方法

在每季作物收獲時(shí)采用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤飽和含水量和土壤田間持水量［7］；土壤化學(xué)性質(zhì)的測定方法參見《土壤農(nóng)化分析》［8］。交換性鈣和交換性鎂的測定采用NY/T 1121.13—2006［9］，陽離子交換量采用HJ 889—2017［10］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS17.0軟件處理分析數(shù)據(jù)，采用最小顯著法（LSD）進(jìn)行差異顯著性水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤物理性質(zhì)的影響

由表1可知，每一季種植完后，不同處理間土壤的物理性質(zhì)呈明顯相關(guān)性。辣椒季和甘藍(lán)季的土壤物理指標(biāo)變化趨勢基本一致，F(xiàn)P處理和OPT處理的土壤容重之間無顯著差異，但均低于CK，其中OPT處理與CK差異顯著（P＜0.05），平均降幅為8.85%。各處理與土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量之間呈明顯相關(guān)性，土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量均表現(xiàn)為OPT＞FP＞CK。各處理甘藍(lán)收獲后土壤飽和含水量和田間持水量均比辣椒季有所提高。

表1 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤物理性質(zhì)的影響

2.2 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤p H的影響

通過診斷土壤pH，可以為作物提供適宜的pH條件。辣椒和甘藍(lán)生長的適宜pH為6.5～7.5。由圖1可以看出，種植一季辣椒后，各處理的pH都在適宜范圍內(nèi)，OPT處理和CK的土壤pH無顯著差異，但都顯著高于FP處理（P＜0.05）。甘藍(lán)收獲后，各處理pH有小幅度變化，OPT處理和CK的土壤pH稍微有所提高，F(xiàn)P處理依然呈下降趨勢，并且FP處理的土壤pH已不在辣椒和甘藍(lán)生長的適宜范圍之內(nèi)。

圖1 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤p H的影響

2.3 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤EC的影響

EC指示土壤中鹽類的濃度，代表土壤中養(yǎng)分的濃度，EC低表示土壤中肥料含量少，EC高表示土壤中肥料含量較多，如果EC過高，則要減少基肥施用量。蔬菜適宜EC一般在0.8 mS/cm以下。由圖2可知，隨著種植時(shí)間的推移，F(xiàn)P處理和OPT處理的土壤EC呈上升趨勢，CK的EC呈下降趨勢，但目前都在作物適宜范圍內(nèi)。2種作物收獲后，OPT處理與FP處理的土壤EC無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤EC的影響

2.4 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤全氮含量的影響

土壤全氮含量是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和。土壤全氮含量處于動(dòng)態(tài)變化之中，它的消長取決于氮的積累和消耗的相對多寡，特別是取決于氮的生物積累和水解作用。由圖3可以看出，辣椒種植完后，各處理土壤全氮無顯著差異，這可能是辣椒生育期過長，消耗掉土壤中的養(yǎng)分。甘藍(lán)種植后，施肥處理的土壤全氮與CK相比都顯著提高（P＜0.05），OPT處理的土壤全氮略高于FP處理。甘藍(lán)季各處理土壤全氮含量較辣椒季整體增加。

圖3 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤全氮含量的影響

2.5 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是指土壤中含碳的有機(jī)化合物。土壤有機(jī)質(zhì)是改良土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)的重要物質(zhì)，同時(shí)也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。由圖4可以看出，2輪作物種植完后土壤有機(jī)質(zhì)含量變化呈相同規(guī)律，OPT處理土壤有機(jī)質(zhì)含量升高，顯著高于FP處理和CK（P＜0.05），后兩者之間無顯著差異。這可能與OPT處理增施了有機(jī)肥有關(guān)。隨著種植時(shí)間的推移，各處理有機(jī)質(zhì)含量略有上升的趨勢。

圖4 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.6 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量（CEC）是指土壤所能吸附和交換的陽離子容量，是土壤中黏土礦物和腐殖質(zhì)的陽離子的總量，代表土壤的保肥能力。由圖5可以看出，各處理之間土壤陽離子交換量在2種作物種植后整體變化趨勢一致。施肥處理的土壤陽離子交換量都顯著高于CK（P＜0.05），OPT處理的土壤陽離子交換量又顯著高于FP處理（P＜0.05）。種植完甘藍(lán)后，各處理的土壤陽離子交換量整體都有所提高。

圖5 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤陽離子交換量的影響

2.7 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤交換性鈣和交換性鎂含量的影響

交換性鈣、交換性鎂是土壤鹽基的重要組成部分。土壤鹽基類物質(zhì)不足會(huì)對作物的生長造成各種各樣的影響，但鹽基類物質(zhì)過剩也會(huì)阻礙其他鹽基成分的吸收，從而造成作物缺素。由圖6和圖7可以看出，各處理間，交換性鈣和交換性鎂呈相同變化趨勢，隨著種植時(shí)間的延長，交換性鈣和交換性鎂含量都有上升趨勢，甘藍(lán)季都整體高于辣椒季。OPT處理的交換性鈣高于FP處理和CK；各處理之間交換性鎂含量無明顯變化，差異不顯著。

圖6 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤交換性鈣含量的影響

圖7 不同施肥處理對辣椒-甘藍(lán)輪作土壤交換性鎂含量的影響

3 小結(jié)與討論

土壤作為一種重要的自然資源可以為人類生產(chǎn)食物和纖維，并維持地球上的生態(tài)系統(tǒng)。土壤質(zhì)量主要取決于土壤的自然組成部分，也與由人類利用和管理導(dǎo)致的變化有關(guān)。作為一個(gè)復(fù)雜的功能實(shí)體，土壤質(zhì)量不能夠直接測定，但可以通過土壤質(zhì)量指標(biāo)來監(jiān)測和診斷。土壤質(zhì)量的好壞取決于土地利用方式、生態(tài)系統(tǒng)類型、地理位置、土壤類型以及土壤內(nèi)部各種特征的相互作用，土壤質(zhì)量診斷與評價(jià)分析應(yīng)由土壤質(zhì)量指標(biāo)來確定。本試驗(yàn)通過對2輪作物的土壤理化性狀監(jiān)測與診斷，辣椒季和甘藍(lán)季的土壤物理指標(biāo)變化趨勢基本一致，施肥能改善土壤物理性質(zhì)，但OPT處理效果更佳，與CK相比，OPT處理顯著降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥本身密度較低，且具有巨大的比表面積及疏松多孔的結(jié)構(gòu)，能夠保持水分和空氣，施入土壤后具有一定的稀釋作用［11］。土壤容重是土壤物理性質(zhì)中最重要的性質(zhì)，土壤容重越小說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好。土壤容重的變化除了本身影響水分和氧氣的供應(yīng)外，還可影響許多其他性質(zhì)和過程［12］。土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量能反映土壤水分滲透、可利用性、排水和水氣平衡等功能指標(biāo)，對全面監(jiān)測土壤物理結(jié)構(gòu)有重要意義。

對土壤pH、電導(dǎo)率、離子交換量和養(yǎng)分含量的分析對評價(jià)土壤質(zhì)量的化學(xué)方面是必要的，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘粋€(gè)能夠反映土壤提供養(yǎng)分和緩沖化學(xué)改良能力的測定指標(biāo)［13，14］。pH可以影響很多土壤生物學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。離子交換量是評價(jià)土壤保持和提供養(yǎng)分能力的重要屬性。通過對2輪作物土壤pH的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)施肥處理都有土壤酸化現(xiàn)象，F(xiàn)P處理最顯著，與CK相比，土壤pH降低了12.41%。這與李娟等［15］的研究一致，化肥長期配施增量豬廄肥顯著提高了土壤微生物量碳氮及土壤養(yǎng)分含量，增強(qiáng)土壤脲酶和過氧化氫酶活性，明顯降低土壤pH。2種作物收獲后，2種施肥處理顯著提高了土壤的EC，但OPT處理與FP處理2種施肥處理間的土壤EC無顯著差異。土壤EC的高低反映了土壤中肥料含量的多少，EC與硝態(tài)氮含量的關(guān)系密切，一般也可用于推算土壤硝態(tài)氮含量［16］。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來源，是土壤團(tuán)聚體的重要組成部分，是團(tuán)聚體形成和保持穩(wěn)定的重要影響因素［17］。2輪作物種植完后OPT處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于FP處理和CK，比CK提高了50.68%，F(xiàn)P處理和CK有機(jī)質(zhì)含量無差異顯著性，說明長期施用有機(jī)肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤交換性鈣、交換性鎂含量受土壤類型、成土母質(zhì)、海拔高度的影響［18］，與有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷含量密切相關(guān)［19］，也受離子間協(xié)同或拮抗效應(yīng)影響［20］。2輪作物種完后，交換性鈣、交換性鎂整體都呈增長趨勢，但各處理間的交換性鈣、交換性鎂含量變化不顯著，OPT處理的交換性鈣、交換性鎂含量略高于FP處理和CK。

土壤監(jiān)測需要一個(gè)長期的監(jiān)測和觀察，這樣年限效益才會(huì)趨于穩(wěn)定，本試驗(yàn)接下來會(huì)繼續(xù)對這種種植模式的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，以期得到更合理的數(shù)據(jù)，為農(nóng)民的生產(chǎn)提供科學(xué)施肥建議。