黄瓜温室土壤溶液中钾的动态变化及其淋失特征

刘建霞，赵英男，李博文，刘文菊，马 理

（1.河北农业大学资源与环境学院，河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001；

2.河北永清县蔬菜管理局，河北永清 065600；3.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定 071001）

黄瓜温室土壤溶液中钾的动态变化及其淋失特征

刘建霞1，3，赵英男1，李博文1，刘文菊1，马 理2

（1.河北农业大学资源与环境学院，河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001；

2.河北永清县蔬菜管理局，河北永清 065600；3.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定 071001）

为探讨黄瓜温室土壤溶液中钾含量的变化特征，以河北永清县黄瓜主产区的黄瓜温室为研究对象，研究了黄瓜温室整个生育期根层（35～40 cm）和非根层（95～100 cm）不同深度土壤溶液中钾的动态变化规律及土壤中钾的淋失特征。结果表明，根层（35～40 cm）各处理土壤溶液钾含量为47.7～114.0 mg/L，呈现升高-降低-升高的趋势；在非根层（95～100 cm）土壤溶液中，常规施钾处理（施钾量为3 022 kg/hm2）的钾含量（40.3～105.0 mg/L）动态变化规律与根层相似，而对照处理（不施钾）的钾含量（49.6～66.5 mg/L）和推荐施钾处理（施钾量为600 kg/hm2）的钾含量（30.6～42.8 mg/L）随时期无明显变化。土壤淋溶液中钾的浓度随施钾量的增加呈不同程度的升高趋势，其浓度为27.9～65.1 mg/L，黄瓜整个生育期土壤钾的总淋失量为154 kg/hm2。综上所述，该试验区黄瓜温室存在一定程度的钾淋失风险，推荐600 kg/hm2在保证产量的基础上可以降低钾素的淋失，可有效增加经济效益和环境效益。

温室土壤；钾淋失；钾肥农学效率；土壤溶液；土壤质地

温室蔬菜生产中，菜农往往为了追求高产量而盲目大量施肥，这样势必会引起养分在土壤中大量累积，增加养分向环境中的淋失风险从而造成养分的浪费［1-2］。目前，国内外学者对设施蔬菜养分淋失的研究主要集中在硝态氮淋失方面［3-5］，而关注钾淋失的研究较少，尤其是对黄瓜温室土壤系统中钾淋失的研究鲜有报道，但是，温室黄瓜种植过程中大量钾素的投入和大水漫灌造成钾的淋失也不可忽视。在我国钾肥资源匮乏，国际钾肥进口成本增加的多重压力下，研究土壤钾素淋溶特性，减少钾素淋溶损失，提高肥料利用率显得尤为重要［6］。现代农业生产中，植物所吸收的钾主要来自于土壤，而土壤中的钾元素以离子形态对作物提供营养［7］。但是对于阳离子交换量较低的土壤而言，大量施用钾肥后在降雨量或灌溉强度较大时常会引起钾的淋溶损失［8］。侯笑林等［9］通过对马蹄莲养分淋溶损失的研究结果表明，与普通复合肥相比，控释复合肥能够有效地降低土壤中钾的淋失率。Wu等［10］研究结果表明，3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）无论在沙壤还是粘壤中均可以在一定程度上降低K淋失量，但效果并没达到显著水平。有关调查发现［11-12］，寿光地区钾素年投入量高达2 853 kg/hm2，而一般蔬菜形成1 000 kg产量平均吸收钾素3.5 kg，钾素投入量远远超过了作物的吸收量。另有前期调查的研究结果显示［13］，黄瓜温室钾肥的施用量可高达2 856 kg/hm2，土壤中速效钾含量为349～1 088 mg/kg，造成养分的严重富集，此外，黄瓜整个生长季需要灌水施肥约10～15次，95%以上的菜田采用大水沟灌方式灌溉，那么如此大的灌水量和施肥量是否会造成土壤钾的淋失，以及在黄瓜生育期间土壤溶液中钾浓度的状况如何，这些都是亟待解决的问题。长期定位试验能够系统的研究土壤肥力演变和肥效变化规律［14］，因此，本试验选择设施黄瓜整个生长季来研究土壤淋溶液中钾的淋失量及土壤溶液中钾的动态变化规律，这对于今后指导温室蔬菜生产中合理高效施用钾肥具有重要的现实意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及试验处理

试验于2012年10月-2013年8月在河北永清县优质蔬菜种植区的北岔口村（39°21′38.32″N，116°26′33.22″E）黄瓜温室大棚中进行。供试面积为：36.9 m×6.4 m。温室棚龄为11年，种植黄瓜的年限为1年，在种植黄瓜以前种植模式是豆角-番茄轮茬或甜瓜-芹菜轮茬。温室0～100 cm土壤具体基本理化性质如表1所示。供试黄瓜品种为802。供试肥料为农大固态掺混肥（3-2-3），农大液态掺混肥（15-0-6）及有机粪肥（鸡粪和牛粪，其中鸡粪养分含量为2.21-1.71-2.98，牛粪为1.03-0.35-1.97）。其中农大液态肥为追肥，其余肥料均为基肥。

试验设置3个处理：K0（不施钾处理），K1（推荐施钾处理，600 kg/hm2），K2（菜农常规施钾处理），整个黄瓜生育期，农户根据自己温室土壤的情况常规施钾量K2处理为3 022 kg/hm2。温室推荐施肥处理以及常规施肥处理钾素基追比均为7∶3。每个处理设3次重复，共9个小区，试验小区随机排列，温室小区面积分别为26.24 m2（4.1 m×6.4 m）。对于推荐施肥处理，温室氮、磷投入量分别为1 000，720 kg/hm2，其中氮素基追比均为1∶1，随灌溉水施入，磷素全部基施。各处理灌溉，农药喷施等田间管理按当地习惯方式进行，其中灌溉方式为沟灌，黄瓜整个生育期内灌水次数10次，总量约为5 550 m3/hm2。

表1 黄瓜温室0～100 cm土壤理化性质Tab.1 Soil physic-chem ical properties in differen t dep ths（0-100 cm）of cucum ber greenhouses

1.2 原位淋溶盘及土壤溶液提取器的安装

1.2.1 原位淋溶盘的安装 土壤淋溶液的收集采用原位淋溶盘装置，该装置采用任天志等［15］的专利。淋溶液接收盘的面积为0.2 m2（40 cm×50 cm），盘底铺一层0.15 mm尼龙过滤网，上面填装石英砂至盘口5 mm处，再覆盖一层0.15 mm尼龙过滤网。在黄瓜种植前15 d，每相邻2小区中间挖1个长1.5 m，宽1.0 m，深1.5 m深的操作坑。在坑的两端距地表100 cm处垂直剖面凿一个与淋溶盘规格相当的方洞（之所以在100 cm土层深度埋设淋溶盘，主要考虑到黄瓜的根系主要集中在100 cm土层内，如果养分淋出100 cm土层，黄瓜根系就吸收不到了，即养分随灌溉水淋失了），用凿方洞的土加水搅和成泥均匀覆于淋溶盘上，将淋溶盘放进洞里，盘底接一出水管，导入收集瓶内，洞口用泥填封。收集瓶内安装通气管和抽液管，分别延伸到地表，抽液管一端连接到取样瓶中，取样瓶另一端连接真空泵。开启真空泵后收集瓶中的淋溶液沿抽液管上升到取样瓶中。最后按土层回填操作坑，边填边灌水，以尽快恢复土壤原状。

1.2.2 土壤溶液提取器的安装 根据嫁接黄瓜根系在土体中的分布特征，在安装淋溶盘操作坑的4个角且距地表垂直距离35，95 cm处（35 cm对应黄瓜根层，95 cm对应非根层），分别安装土壤溶液提取器。先用土钻（土钻的直径3 cm）在选好位置的剖面上，距垂直方向30。向斜下方掏一个圆洞，大小可以放进土壤溶液提取器的陶土头（陶土头直径和长度分别为2，6 cm，在安装之前应浸水2 h左右，使其充分吸水），把陶土头放到掏好的圆洞里，再用掏出的土和成稀泥，慢慢灌入圆洞，使陶土头和土壤充分接触。土壤溶液提取器的陶土头是收集土壤溶液的部位，其孔隙粒径为1.0～1.5μm，因此，收集到的土壤溶液为清透的滤液。

1.3 样品采集与测定

在黄瓜开始收获至采摘结束期间，按小区详细记录每次收获的产量并计算其累积产量。

基础土样在黄瓜种植前采集黄瓜温室0～100 cm土层（每20 cm一层）的土壤样品，其基本理化性质的测定均按照常规方法进行［16］。

在黄瓜生长期间，每灌溉2次后用电动泵采集淋溶盘收集的淋溶液，并用量筒测量淋溶液体积，同时用滤纸对其进行过滤；用手压泵采集土壤溶液提取器中的土壤溶液，收集的溶液置于密封塑料盒中冷冻保存，在实验室中采用火焰光度法［17］对样品进行测定。在整个黄瓜生育期共采集淋溶液和土壤溶液7次，采样日期分别为2012年12月1日（定植期和缓苗期），2013年4月1日（苗期），4月23日（开花期），5月14日（初瓜期），5月24日（盛瓜期），6月18日（末瓜期），7月20日（拉秧期）。在定植期和缓苗期后对黄瓜进行追肥，追肥随灌溉水冲施至每个小区，每次追肥用量基本一致。

试验数据用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施钾量处理对温室黄瓜产量的影响

由表2可知，农民常规施肥处理（K2）与推荐施肥处理（K1）相比，两处理的产量并无明显差异，且后者经济产投比为前者的2.85倍，后者钾肥农学效率比前者高78.3%，这说明常规施肥处理并不会增加黄瓜的产量，分析原因是菜农常规施肥处理中肥料投入量过高，远远超出了达到目标产量黄瓜所需的钾素，并且土壤残留的速效钾含量就高达304 mg/kg，过多施用的钾素并没有显著提高黄瓜的产量，相反过量施用的钾肥或在土壤中累积或随水分淋出根层，造成钾素的浪费。综上分析，温室中推荐施肥量处理可大幅度提高黄瓜的经济效益。

表2 不同施钾量处理对温室黄瓜产量的影响Tab.2 Effects of d ifferent potassium fertilizer app licationson the yields of cucum ber in greenhouse

2.2 不同施钾量处理下温室土体不同部位土壤溶液中钾含量

利用土壤溶液提取器采集不同深度的土壤溶液，其中钾的浓度动态变化见图1。整个黄瓜生长周期，根层土壤溶液钾浓度为47.7～114.0 mg/L，3个处理均表现出先升高后降低再升高趋势，非根层土壤溶液钾浓度除菜农常规施钾量处理（K2：40.3～105.0 mg/L）表现出升高-降低-升高趋势，不施钾处理（K0：49.6～66.5 mg/L）和推荐施钾处理（K1：30.6～42.8 mg/L）各时期均无明显变化；根层和非根层土壤溶液中钾的含量变化不明显，是因为该温室中40～60 cm土层质地较轻，土体中钾素更易随灌溉水发生淋溶。

对不同部位土壤溶液中钾含量的动态变化特征进行分析，根据图1所示，根层土壤溶液中第2次，第3次取样浓度升高可能是因为黄瓜定植及缓苗期间灌溉水量较大，土壤表层中（0～40 cm）原来残留的钾素及底肥中的钾素容易由吸附态转化为水溶态，导致土壤溶液中钾浓度升高。黄瓜初瓜及盛瓜期（第4次及第5次），黄瓜需要吸收大量钾素供自身生长，这一阶段根层土壤溶液中钾浓度表现出下降趋势。末瓜期及拉秧期（第6次及第7次），黄瓜需要的养分钾素相对较少，因此，钾浓度又有一定的升高趋势。3个处理之间相比较，在黄瓜生长中前期（第1～3次取样）不施钾处理（K0）高于推荐施钾量处理（K1）和菜农常规施钾量处理（K2），分析原因可能是土壤中原来残存的钾素高于其他2个处理。从初瓜期（第4次）到拉秧期（第7次），菜农常规施钾量（K2）土壤溶液钾含量均高于其他2个处理，这是因为菜农在黄瓜的中后期施入的钾素远远超过黄瓜所需要的吸收量。非根层土壤溶液中钾浓度菜农常规施钾量处理（K2）明显高于其他2个处理（第5次除外），3个处理在黄瓜各生育期变化趋势不明显，这说明过量施用的钾肥已经随灌溉水淋溶至土体下层，易造成养分的浪费。

图1 根层和非根层土壤溶液中钾含量的动态变化Fig.1 Dynam ics of potassium concen trations in soil solu tion collected in root zone and non-root zone soil for greenhouse

2.3 不同施钾量处理对整个黄瓜生育期钾素淋失量的影响

从图2，3可以看出，温室土壤淋溶液中钾浓度含量较高，浓度为27.9～65.1 mg/L，平均浓度为48.2 mg/L，土壤钾的淋失量为154 kg/hm2。菜农常规施肥处理土壤淋溶液中钾浓度显著高于推荐施肥处理（P＜0.05）（图2）。整个黄瓜生长期，土壤中钾的淋失量为11.2～76.1 kg/hm2，推荐施肥处理（K1）与菜农常规施肥处理（K2）钾淋失量差异不显著，两者均明显高于不施肥处理（K0）（P＜0.05）（图3）。这可能是因为该土体构型中土壤较疏松，灌水时易发生土壤溶液的淋失，并且易溶于水的钾素也会随淋溶液一起下移，从而导致随着钾施用量的增加淋溶液中钾的浓度也逐渐增高，结合黄瓜整个生育期K0、K1、K2各处理收集到的淋溶液总量分别为10.4，25.4，19.4 L，因此，可以发现推荐施肥处理（K1）和菜农常规施肥处理（K2）钾淋失量显著高于不施肥处理（K0），而K1，K2这2个处理间则无显著差异。

图2 不同施肥处理对淋溶液中钾浓度的影响Fig.2 K concentrations of leaching solution in different fertilizer app lications

图3 不同施肥处理对黄瓜整个生育期土壤中K淋失量的影响Fig.3 Total am oun ts of potassium leaching in different fertilizer app lications during the cucum ber grow th period

3 讨论与结论

减量施肥是在不影响蔬菜经济产量的同时做到降低土壤养分的淋失，因此，经济效益与环境效益是选择合适施肥量需要考虑的2个重要指标。何传龙等［18］研究结果表明，减量施肥番茄产量好于习惯施肥，并且可以显著减少土壤养分的淋失。本试验中常规施钾量处理钾肥农学效率比推荐施钾量处理低78.3%，说明当地的习惯施钾量偏大，适当减少施钾量对黄瓜生长没有不利的影响。

相关研究表明，土壤中速效钾多分布在0～40 cm土层，随土层深度增加而呈现递减趋势，但随着施肥量和施肥技术的不同也会在40 cm以下一定的土层出现富集，最终在深层土壤中累积或进入地下水［19-20］。在本试验中，土壤中速效钾是随着土层深度的增加而递减的，但是在40～60，60～80 cm处出现速效钾的累积，尤其是在60～80 cm土层速效钾含量竟然达到862 mg/kg，且明显高于表层土壤。结合该层次土壤的机械组成综合分析发现，40～60 cm的土壤中含有大量的砂粒（41.1%），而粘粒的含量只有5.5%，在60～80 cm的土层中砂粒的含量锐减（4.3%），而粘粒的含量增加（15.9%），这些均表明40～60 cm土壤的质地很轻，随灌溉水进入该土层的钾素一部分在此处被吸附固定，很大部分则随水下移，当大量的钾素随水进入60～80 cm土层后（因为该层含有较大比例的粘粒），大部分的钾素在该层次被土壤胶体吸附，并且由于质地粘重，水分携钾素在该土层的移动也非常缓慢，双重原因造成钾素在该层土壤中大量累积。

基于上面对土壤剖面层次的分析，再结合不同层次土壤溶液中钾的含量和钾素的淋溶量来讨论本研究的结果。因为黄瓜的根系主要分布在0～40 cm的土层，所以本研究在根层35 m处埋设了土壤溶液提取器来监测根层钾素的变化规律，在非根层95 cm处同样埋设土壤溶液提取器以监测非根层钾素的动态变化规律，因此，本研究认为钾素淋出100 cm土体就是根系吸收不到了，也就是说如果钾素淋出100 cm土层，说明黄瓜所需要的养分随灌溉水淋失了。本试验通过对温室土壤不同部位土壤溶液中钾含量特征及对淋溶液钾淋失量进行分析结果表明，土壤淋溶液中钾浓度随施钾量增加呈增长趋势，常规施肥处理土壤淋溶液中钾浓度显著高于推荐施肥处理。推荐施肥处理土壤钾淋溶量与常规施肥处理差异不显著，但均显著高于不施肥处理，分析原因是黄瓜整个生育期各处理间收集的淋溶液总量存在差异。试验还表明，各处理土壤淋溶液中的钾浓度为27.9～65.1 mg/L，远大于CE颁布的饮用水质量标准中钾的最大容许浓度（12 mg/L），因此，在设施黄瓜种植区应当适宜减少钾肥的用量和大水漫灌，降低钾素淋失的风险。

利用常规施肥方式，施用大量肥料会增加土壤养分的淋失从而导致养分的浪费。本试验中不施肥、推荐施肥和常规施肥处理根层土壤溶液钾含量分别为49.2～113.7，47.7～88.5，52.8～91.7 mg/L；非根层土壤溶液钾含量分别为49.5～66.5，30.6～42.8，40.3～105 mg/L。此结果说明无论是根层还是非根层常规施肥处理土壤溶液中钾含量均高于其他2个处理，而推荐施肥处理土壤溶液钾含量略低于不施肥处理，结合考虑不同施肥处理对黄瓜产量的影响，分析原因是推荐施肥处理黄瓜整个生长期所需要吸收的钾素远远高于不施肥处理，导致土壤溶液中钾含量降低。一般情况，在质地较疏松的土壤中，植物生长所需要的养分容易淋出根层，造成肥料利用率低，而质地较粘的土壤则可以在一定程度上降低养分淋溶［10］。

综上所述，本试验中黄瓜整个生育期土壤钾的总淋失量为154 kg/hm2，存在一定程度的钾素淋失风险，因此，笔者推荐600 kg/hm2的施钾量，可以在保证产量的基础上降低钾素的淋失。

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Dynam ics of Potassium Concentrations in Soil Solution and Characteristics of Potassium Leaching from Soil in G reenhouses w ith Cucum ber

LIU Jianxia1，3，ZHAO Yingnan1，LIBowen1，LIU Wenju1，MA Li2
（1.College of Resources and Environmental Sciences，Agricultural University of Hebei，Key Lab for Farm land Ecological Environment of Hebei Province，Baoding 071001，China；2.Yongqing County Vegetable Adm inistration of Hebei Province，Yongqing 065600，China；3.Geophysical Exploration Academy of China Metallurgical Geology Bureau，Baoding 071001，China）

In order to probe into variation characteristics of leaching of potassium from soil，a study was conducted in cucumber greenhouse in Yongqing of Hebei Province to investigate dynam ics of potassium concentrations in soil solution and leaching of potassium from soils during the whole cucumber growth period by the different fertilizer application.The results showed that dynamics of potassium concentrations in soil solution collected in the depths at 35-40 cm and 95-100 cm soil layers.Potassium concentration（47.7-114.0 mg/L）for all the treatments increased at first，decreased subsequently and then increased again in soil solution at 35-40 cm for greenhouse. Meanwhile potassium concentrations in soil solution at95-100 cm（40.3-105.0 mg/L）kept the sim ilar dynamic trend to that at 95-100 cm for conventional potassium rate treatment.However，potassium concentrations in soil solution of CK（49.6-66.5 mg/L）and the treatment of recommended potassium rate（30.6-42.8 mg/L）kept stable during different periods at95-100 cm.Potassium levels of leaching solution increased with increase of potassium application rate and ranged at 27.9-65.1 mg/L for the cucumber greenhouse.Total amounts of potassium leaching from soil layer（0-100 cm）of the greenhouse was 154 kg/ha.Therefore，the application rates at 600 kg/ha could not only keep the high yields of cucumber and reduce soil potassium leaching loss，but also increase the econom ic benefit and environment benefit effectively.

Greenhouse soil；Potassium leaching；Potassium fertilizer agronomic efficiency；Soil solution；Soil texture

S151.9+3 文献标识码：A 文章编号：1000-7091（2016）03-0233-06

10.7668/hbnxb.2016.03.034

2016-03-17

国家科技支撑计划项目（2012BAD15B02）；河北省科技计划项目（14227305D）

刘建霞（1986-），女，河北吴桥人，硕士，主要从事设施蔬菜土壤硝酸盐面源污染研究。刘建霞、赵英男为同等贡献作者。

李博文（1963-），男，河北文安人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤环境科学研究。

刘文菊（1971-），女，河北景县人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤环境质量研究。