种植年限对设施菜田土壤pH及养分积累的影响

曹文超 张运龙 严正娟 王敬国 李俊良 陈 清*

（1青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛266109；2中国农业大学资源与环境学院，北京100193）

我国设施蔬菜的播种面积已达330万hm2，占我国农作物播种面积的2.1%（中国农业统计年鉴，2010），已呈集约化、规模化发展趋势。山东是我国的蔬菜种植大省，其设施蔬菜种植面积占全国总面积的1/5以上，总产量居全国第一位（高中强，2010）。设施蔬菜种植环境具有常年高温、高湿、无降水淋洗及高投入、高产出、高强度利用等特点，是一种高度集约化的利用方式（黄锦法 等，2003）。据调查，2004年山东设施蔬菜氮磷钾投入量分别为2428、2022 kg·hm-2和2033 kg·hm-2（刘兆辉 等，2008），其中寿光地区氮磷钾年投入量高达4088、3656 kg·hm-2和3438 kg·hm-2（余海英 等，2010），而一般蔬菜形成1000 kg产量平均需要吸收氮磷钾分别为2～4、0.18～1.20、3.5 kg（杜会英，2007），其养分投入量远远超过了蔬菜养分吸收量。此外，目前蔬菜生产中主要采用大水漫灌的灌溉方式，据调查，山西省盐湖区日光温室蔬菜每季灌溉10～20次，每次47～63 mm，灌溉总量达470～1200 mm，平均767 mm（王敬国，2011）；山东寿光地区全年灌溉水总量为748～1957 mm，平均灌溉量高达1307 mm（宋效宗，2007）。“一水一肥，大水漫（沟）灌，肥大水勤，肥随水走”的传统灌溉施肥管理方式，大大地降低了水肥利用效率，我国设施蔬菜的单位面积水资源利用效率仅为以色列的 1/6～1/5，肥料利用率更低（张志斌，2008），这不仅浪费了资源，同时大大增加了环境风险。与此同时，设施菜田长期高量投入导致磷、钾等养分在土壤中过量积累，使土壤酸化、盐渍化（余海英 等，2006）、微生物群落失衡等，土壤退化问题普遍发生（王敬国，2011）。

土壤质量是蔬菜生产体系可持续发展的基础。为了解不同种植年限设施菜田土壤质量的变化特点，本试验在山东寿光地区进行了取样调查和分析，从进一步定量化土壤pH和土壤养分对比入手，探讨不同种植年限设施菜田土壤质量状况，对指导设施蔬菜生产体系持续高效生产有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 调查区概况

寿光地处鲁北滨海平原，位于北纬 36°41′～37°19′，东经 118°32′～119°10′之间，总面积2018 km2。气候属暖温带季风性大陆气候，四季分明。平均年降水量约600 mm，主要集中于6～8月，占全年降水总量的1/2以上。主要种植作物为蔬菜、小麦、玉米。

1.2 调查方法

2011年3月至4月中旬，随机抽取寿光地区集约化设施蔬菜生产区的5个镇（文家镇、古城街道、纪台镇、稻田镇、留吕镇）的38个日光温室进行了调查，并进行了相应土样的采集，同时调查了附近4块小麦粮田作为对照。调查采用农户调研的形式，调查的内容包括：采样点基本情况（种植年限、种植面积、种植作物等）；施肥情况（肥料种类、施肥量等）；灌水情况（灌溉方式、灌溉次数、灌溉量和灌溉时期）（表1）。

1.3 土样采集与测定方法

土样采集的每个点均用GPS定位，日光温室和小麦田的采集为3个点的混合土样，采集深度分别为0～20、20～40、40～60 cm。采集的土样经风干、研磨、过筛、混匀后进行下一步分析。

土壤测定采用常规分析方法（鲍士旦，2000）：土壤 pH测定采用电位法（去离水浸提，水土比5∶1）；有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法；NO3--N和NH4+-N含量测定采用新鲜土样过4 mm筛，称取12 g鲜土加入100 mL 1 mol·L-1KCl溶液浸提，振荡1 h，过滤后用流动注射分析仪（型号：TRAACS 2000）测定其含量，同时采用烘干法测定土壤含水量；Olsen-P含量测定采用 0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效钾含量测定采用 1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法；电导率测定采用精密电导仪电导法。

1.4 数据处理

采用 Excel2010、Sigmaplot11.0、SPSS19.0软件进行数据记录、作图和统计分析。

表1 不同种植年限设施菜田及粮田调研点基本状况

2 结果与分析

2.1 不同种植年限设施菜田土壤pH值和EC值的变化

设施菜田土壤pH值随土层增加而增大，各土层土壤pH值随种植年限的增加呈下降趋势（图1）。0～20 cm土层土壤在1～3、≥10 a种植年限下平均pH值为8.03、7.75，与相同土层露地小麦土壤相比，分别下降了0.41、0.69个单位；20～40 cm土层种植10 a后pH值由8.67下降至7.99，降幅为0.68；不同种植年限设施菜田0～20 cm土层土壤平均pH值为7.90，较露地小麦0～20 cm土层土壤下降了0.54个单位，这些充分说明了设施菜田土壤各土层有随种植年限的增加呈现酸化的趋势。

设施菜田各土层土壤电导率（EC值）随种植年限的增加均有先升高后下降的趋势（图2），大部分设施菜田土壤已经出现次生盐渍化问题。0～20 cm土层土壤在种植1～3、4～6、7～9、≥10 a后，EC值分别在1.64～6.86、1.91～9.26、1.60～8.36、1.47～4.86 dS·m-1之间，平均值分别为3.66、5.71、4.61、3.50 dS·m-1，与0～20 cm土层露地小麦土壤平均值相比分别增加了1.90、3.95、2.85、1.74 dS·m-1；20～40、40～60 cm 土层土壤平均 EC 值分别为 2.49、2.11 dS·m-1。设施菜田土壤随种植年限的增加，盐分在土壤中的累积量逐渐增大，种植7 a后EC值开始下降，盐分累积量减少。这种现象的变化可能与设施菜田的施肥量、施肥种类、灌水量、灌水方式、栽培作物以及盐基离子在土壤中的移动、淋失等有关。

图1 种植年限对不同土层土壤pH值的影响

图2 种植年限对不同土层土壤EC值的影响

设施菜田土壤中EC值的变化不仅表征了盐分离子的变化，也可以反映盐分离子对土壤pH值的影响。由图 3可知，设施菜田 0～20 cm土层土壤 pH值与 EC值呈现一定的负相关性（y=-0.043x+8.149，r=-0.290，n=38），但并不显著。化学肥料尤其是氮肥的大量施用使土壤酸度增加（刘艳军 等，2006），此外过量阴离子及磷钾离子的陪伴也可能会随土壤水分的蒸发使盐分在表层不断累积。

2.2 不同种植年限设施菜田土壤养分含量变化

2.2.1 土壤有机质 设施菜田土壤有机质含量随种植年限的增加而逐渐上升（图4）。0～20 cm土层土壤有机质含量平均值为21.20 g·kg-1，种植1～3、4～6、7～9、≥10 a的土壤有机质含量平均值分别为13.96、19.27、21.91、29.65 g·kg-1，与露地小麦相同土层土壤有机质含量（13.16 g·kg-1）相比分别增加了 6.1%、46.4%、66.5%、125.3%。然而调查表明，寿光设施菜田全年施用的有机肥多以含速效养分多且分解较快的鸡粪、猪粪、鸭粪为主，尽管施用量较大，达到每季14.4～100.0 t·hm-2，但肥料中木质素和纤维素含量相对较低，不利于设施菜田土壤有机质含量较大程度地提高，同时不同农户对菜田投入的有机肥量差异较大。

2.2.2 土壤无机氮 土壤无机氮以硝态氮形式为主，二者在各土层的变化趋势均基本一致。设施菜田0～20 cm土层种植1～3、4～6、7～9、≥10 a的土壤无机氮含量分别为130.6、141.1、154.2、125.5 mg·kg-1，分别是露地小麦相同土层无机氮含量的2.83、3.06、3.34、2.72倍；20～40、40～60 cm土层不同种植年限（1～20 a）设施菜田土壤无机氮含量平均值分别为74.43、51.59 mg·kg-1，与相同土层露地小麦土壤无机氮含量相比，分别增加了40.95、17.12 mg·kg-1（图5）。0～20 cm土层1～3 a设施菜田土壤硝态氮含量与相同土层露地小麦土壤差异显著，且7～9 a设施菜田土壤硝态氮含量分别是露地小麦土壤、1～3 a设施菜田土壤的3.58、1.21倍（图6）。可见，设施菜田土壤无机氮随种植年限的增加在各土层出现不同程度累积，且设施菜田土壤在种植7～9 a后，无机氮和硝态氮累积量达到最大值。

图3 0～20 cm土层土壤pH值和EC值的关系

图4 种植年限对不同土层土壤有机质含量的影响

图5 种植年限对不同土层土壤无机氮含量的影响

图6 种植年限对不同土层土壤硝态氮含量的影响

2.2.3 土壤有效磷 不同种植年限的设施菜田土壤有效磷含量差异较大（图 7），种植年限与设施菜田土壤有效磷含量呈现极显著的相关性（0～20、20～40 cm和40～60 cm土层相关系数r分别为 0.636**、0.528**和 0.493**，n=38）。设施菜田 0～20、20～40、40～60 cm土层土壤有效磷平均含量分别为露地小麦土壤的14.0、5.57、3.45倍；0～20 cm土层设施菜田和露地小麦土壤有效磷含量分别在37.36～553.2 mg·kg-1和7.58～23.1 mg·kg-1之间，平均含量分别为201.2 mg·kg-1和 14.4 mg·kg-1，≥10 a设施菜田土壤有效磷含量为263.7 mg·kg-1，1～3、4～6、7～9、≥10 a 0～20 cm土层土壤有效磷含量分别是露地小麦土壤的8.9、14.8、18.1、18.3倍。设施菜田各土层土壤有效磷含量随种植年限的增加而逐渐累积，并且在 20～40 cm和40～60 cm土层累积明显，这与磷素淋失有很大关系。

图7 种植年限对不同土层土壤有效磷含量的影响

2.3.4 土壤有效钾 不同种植年限的设施菜田土壤中有效钾含量差异也很大（图 8），种植年限与设施菜田土壤有效钾含量呈现极显著的相关性（0～20、20～40 cm和40～60 cm土层相关系数r分别为0.479**、0.559**和0.513**，n=38）。1～3 a的设施菜田土壤在20～40 cm、40～60 cm土层中有效钾含量与≥10a的设施菜田土壤差异达到显著水平。0～20 cm土层设施菜田土壤有效钾含量为250.3～1334 mg·kg-1，平均值为628.6 mg·kg-1，露地小麦土壤有效钾含量平均值为196.3 mg·kg-1，二者平均值相差3.20倍；20～40 cm土层设施菜田土壤有效钾含量平均值为325.3 mg·kg-1，为对照露地小麦相同土层土壤的3.23倍；40～60 cm土层设施菜田土壤有效钾含量最大值可达366.4 mg·kg-1，平均值为138.8 mg·kg-1，为露地小麦相同土层土壤的 1.34倍。与对照露地小麦土壤相比，1～3、4～6、7～9、≥10 a 0～20 cm 土层设施菜田土壤有效钾含量分别是露地小麦土壤的 2.8、3.2、3.5、3.5倍。随种植年限的增加设施菜田土壤中有效钾含量逐渐累积，有效钾在20～40 cm和40～60 cm土层累积与钾在设施菜田土壤中的淋失有关。

图8 种植年限对不同土层土壤有效钾含量的影响

3 结论与讨论

3.1 设施菜田养分累积及其环境风险

设施菜田单次灌溉量高达100～150 mm，可入渗到2 m以下的土壤深度（王敬国，2011），宋效宗（2007）调查寿光全年施氮肥量为618～1647 kg·hm-2，平均1154 kg·hm-2。设施菜田长期较高的水肥投入，不利于水肥资源的高效利用和可持续发展，也给土壤本身带来物理、化学以及生物学障碍等负面影响。

硝酸盐是设施蔬菜喜好的氮素形态。本试验结果表明，设施菜田土壤无机氮以硝态氮形式为主，无论是对照露地小麦还是设施菜田，全土壤剖面0～20 cm土层土壤硝态氮含量最高，且菜田剖面深层有一定的硝酸盐累积，试验结果同党菊香等（2004）的结论一致。Cao等（2004）在浙江省嘉兴地区调查发现，设施菜田土壤硝态氮含量是水稻—小麦轮作土壤的 4倍，本试验结果表明，1～3 a的0～20 cm土层设施菜田土壤硝态氮含量是露地小麦土壤的2.96倍。设施菜田土壤氮素累积以硝态氮为主，然而硝态氮本身带负电荷，不易被土壤胶体吸附，易随灌溉水向下淋洗（Zhang et al.，1996）。硝态氮在设施栽培土体内的积聚最终会产生环境负效应。一方面，表聚的硝态氮通过植物根系吸收进入蔬菜可食部位，有可能导致可食部位硝态氮的积累量超出安全标准（刘伟 等，2011）；另一方面，由于寿光地区地下水位埋深较浅，设施菜田剖面积聚的硝态氮极易随灌溉水向下淋洗至地下水系，威胁生态安全。据宋效宗等（2008）在2003～2005年监测寿光地下水硝态氮含量的结果可知，设施蔬菜种植区灌溉水中硝态氮的平均含量是大田区的4～7倍，二者差异达到极显著水平。在8次的取样中，硝态氮含量平均在13.89～40.00 mg·L-1之间，均明显高于 WHO推荐饮用水和我国现行饮用水硝态氮含量上限，并且单井硝态氮含量最高可达88.03 mg·L-1，可见设施菜田灌溉施肥的管理方式对地下水的影响已经不容忽视。

Cao等（2004）在浙江省嘉兴地区调查研究发现，设施菜田土壤有效磷含量是水稻—小麦轮作土壤的4～10倍。本试验中设施菜田0～20 cm土层土壤有效磷含量平均为露地小麦土壤的13.97倍，同刘兆辉等（2008）的研究结果相一致。0～20 cm土层土壤有效钾含量平均值为628.6 mg·kg-1，为露地小麦土壤的3.20倍，这与大庆市设施菜田有效钾（449.8～827.5 mg·kg-1）为露地有效钾含量的 2.1～3.8倍的结果相类似（赵凤艳 等，2000）。本试验结果表明，种植年限与设施菜田 0～20 cm土层土壤有效磷、有效钾含量呈现极显著的相关性（r分别为 0.636**、0.479**，n=38）。可见，设施菜田土壤有效磷、有效钾含量存在着明显的累积效应。Heckrath等（1995）研究认为，土壤Olsen-P浓度超过一定值时（约60 mg·kg-1），磷就会通过亚地表径流损失。Hesketh和 Brookes（2000）在洛桑试验站的研究结果表明，土壤中 Olsen-P与灌溉水中的全磷和水溶性磷呈正相关，并提出土壤Olsen-P大于57 mg·kg-1时，灌溉水中磷浓度与土壤水溶性磷含量显著增加，土壤磷淋失风险显著增大。据袁丽金等（2010）对设施菜田土壤有效养分累积规律的研究表明，种植年限小于10 a的设施菜田在100 cm以下土层土壤有效磷累积峰出现在150 cm剖面处，为12.7 mg·kg-1，大于10 a的设施菜田在250 cm剖面处出现土壤有效磷的最大值，为19.5 mg·kg-1，同时也发现种植年限大于10 a的设施菜田土壤有效钾在250～350 cm土层间存在累积峰，且峰值在95.7～119.3 mg·kg-1之间波动，说明土壤有效磷、有效钾在传统水肥条件下淋洗现象明显。由于设施菜田大量施用有机肥和化肥，土壤磷素和钾素的逐年累积超过了土壤胶体的吸附能力，菜田耕层土壤磷钾元素大量累积，有可能加快了土壤磷素通过渗漏淋溶流或地表径流向土壤深层及水体环境迁移，加快了钾素随灌溉水的向下移动，不仅大大降低了元素的利用效率，还给土壤和水体环境安全带来了挑战。

3.2 设施菜田养分累积与土壤pH值的变化

一般情况下，土壤中磷钾元素移动性较差，易被土壤胶体所吸附固定，硝态氮易随水淋失。然而，设施菜田土壤养分累积已成为一个不争的事实，大量的有效养分累积在土体剖面尤其是表层土壤中，极易随灌溉水向下淋洗。通常伴随硝态氮淋洗的是盐基离子，而不是质子（王敬国，2011），这样就导致质子在菜田表层土壤中的累积而出现土壤酸化的情况。此外，质子与胶体吸附的盐基离子交换后，在设施菜田频繁的灌水情况下，盐基离子被大量淋洗，而使土壤酸化加剧。

在没有人类干扰的自然条件下，土壤的酸化过程需要几百年甚至上百万年的时间（Guo et al.，2010）。Guo等（2010）调查发现自20世纪80年代以来，中国经济作物类（蔬菜、果树、茶树）土壤pH值下降了0.3～0.8个单位，我国主要农业地区的pH值都显著降低，平均下降了约0.5个单位。本试验调查显示不同种植年限各土层设施土壤pH值均大于7.0，且各土层土壤pH值随种植年限的增加而下降。同时，此次调查不同种植年限设施菜田耕层土壤（0～20 cm）平均pH值为7.90，与刘兆辉等（2008）根据寿光25个土样得出耕层设施土壤平均pH值（7.69）相比高出0.21个单位；与曾希柏等（2010）得到寿光设施菜田土壤pH值（6.86）的数据也有较大差别，说明寿光地区土壤pH值不再下降，反而有升高的趋势。

菜田土壤 pH值的变化受土壤母质、化肥种类数量、灌水定额、栽培作物、土壤温度、种植年限以及土壤微生物等因素的影响，有机物质的加入也会影响到土壤pH值的变化（Feng et al.，1996）。设施菜田土壤pH值的整体变化与前人的研究成果（李俊良 等，2002；王辉 等，2005；曾希柏 等，2010）不同，原因可能是人们饲养鸡、鸭等动物的过程中，为了除臭和灭菌而加入了大量的石灰作为垫料，同时在有机肥（鸡粪、鸭粪、猪粪等）加工包装过程中为了除臭也掺杂了部分石灰，导致有机肥含有的碳酸钙含量较高。据调查，寿光地区施用的风干鸡粪的碳酸钙含量平均值为76.63 g·kg-1（n=20），且目前风干鸡粪的pH值在7.80±0.38（任涛，2011）。有机肥（鸡粪、鸭粪、猪粪等）在设施菜田中连年大量的施用，不但使有机质在设施土壤尤其是0～20 cm土层土壤中逐年累积，而且也使菜田土壤pH值增加，一定程度上缓解了设施菜田土壤的酸化现象。此外，设施菜田土壤pH值的增加还可能与当地灌溉水的碱度、区域地理位置、作物对P、S等酸性阴离子基团的吸收、农户进行的“客土改良”、施用碱性肥料以及加入秸秆等有关。

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