渭河上游地区温室菜地土壤肥力演变特征研究

俄胜哲，黄　涛，王亚男，曾希柏，袁金华，车宗贤，郭永杰

(1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070； 2．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081)



渭河上游地区温室菜地土壤肥力演变特征研究

俄胜哲1,2，黄涛1，王亚男2，曾希柏2，袁金华1，车宗贤1，郭永杰1

(1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070； 2．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所， 北京 100081)

在陇东南渭河上游地区的天水市武山县，通过田间采样的方法，以不同种植年限的温室和露地的耕层土壤(0～20 cm)为研究对象，研究了长期连作温室蔬菜对土壤pH、全盐、有机质及氮磷钾养分的影响。结果表明：不同种植年限温室菜地的土壤pH都明显低于其露地大田，而且随种植年限的延长，pH逐渐降低，与种植年限显著负相关，年均降低0.05个单位。而土壤全盐含量与种植年限呈显著正相关，年均增加0.091个百分点。连续14年种植温室蔬菜土壤全盐含量达到0.34%，是露地土壤的6.35倍。土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量也随种植年限逐渐增加，与种植年限显著正相关，连续14年种植温室蔬菜后，土壤的速效氮、速效磷和速效钾含量分别达到230.17、342.17 mg·kg-1和263.00 mg·kg-1，显著的高于大田。

渭河上游，温室菜地，土壤肥力

设施蔬菜利用特殊覆盖结构克服了传统露地蔬菜生产的季节性气候限制，使蔬菜在较适宜的环境条件下常年生产，均衡供应，从而大幅提高了土地利用效率和农民的收入，在我国广大地区迅速发展。据统计，目前我国设施蔬菜种植面积已逾270万hm2，产量达1.68亿t，年产值超过4 000亿元，成为世界上设施蔬菜栽培面积最大的国家[1-2]。我国设施蔬菜栽培的特点是高投入、高产出、高效益。在利益驱动下，菜农一味追求高产，长期盲目过量施肥，可能会导致土壤养分大量积累且不均衡，引起蔬菜品质下降、土壤污染加剧、土壤综合质量退化等问题[3]。长期设施栽培可导致土壤酸化、次生盐渍化、硝态氮大量累积及土壤质量退化等问题[4-7]。长期种植温室蔬菜对土壤质量的影响已成为不容忽视的问题。

武山县位于甘肃省东南部,渭河上游。以渭河流域为主的河谷川道地区地势平坦、水源充足、光照条件好、气候温和， 蔬菜生产历史悠久，蔬菜生产发展较快，已成为农民增收、农业增效的支柱产业。目前全县蔬菜种植面积达到1.4万hm2，产量达64万t，总产值超过4亿元、占农业总收入的40%以上[8-9]，然而，有关此区域设施菜地土壤质量变化的报道鲜见。本文以武山县马力镇北顺村不同种植年限的温室菜地为研究对象，探讨设施菜地的长期高强度耕作和大量施肥对土壤质量的影响，以期为该区域设施蔬菜的科学施肥、土壤管理和设施蔬菜产业的可持续发展提供数据支持。

1　材料与方法

1.1研究区概况

供试土样采于天水市武山县马力镇北顺村的无公害蔬菜生产基地，东经105°08′，北纬34°57′。此区域属大陆性半湿润半干旱季风气候区，海拔2 370 m，年降水量530 mm左右，年均气温8.9℃，无霜期160 d，≥10℃的有效积温3 400℃。土壤类型为黄绵土。日光温室多为干打垒土温室，建棚前为小麦～玉米轮作大田。温室内种植的蔬菜种类多为黄瓜连作，其茬口一般为每年10月底到翌年6月底，7～10月休闲晒田。温室施用的化肥主要为氮磷钾复合肥(N∶P2O5:K2O=15∶15∶10)，年均投入量为5 t·hm-2，最高为8 t·hm-2。氮磷钾复合肥中氮源为尿素，磷源为磷酸二氢铵，钾源为硫酸钾。有机肥为纯动物粪便，平均施用量为25 t·hm-2(干重)，最高可达50 t·hm-2。大田主栽作物是小麦和玉米，一年一熟。小麦氮施用量为N 0.15 t·hm-2，磷施用量为P2O50.1 t·hm-2，玉米施肥量是小麦的2倍左右。小麦秸秆直接还田，玉米秸秆移除用作饲料。

1.2样品采集与处理

2013年12月份在天水市武山县马力镇北顺村的无公害蔬菜生产基地选择种植年限为2、6、11年和14年日光温室和露地。同一年限选的3个栽培管理措施相近、且近1周内无灌水和施肥的日光温室。露地对照同样选择栽培管理措施相近的3块。温室于黄瓜植株的行间按照 “S”型采样路线，在温室的前部、中部和尾部选择5个采样点，露地同样在田块的前部、中部和尾部选择5个采样点，去除表层秸秆、杂草等杂质后，采用直径为5.0 cm土钻采集0～20 cm表层土壤，5个采样点的样品混合均匀后，采用四分法留样约1.0 kg左右，装入聚乙烯塑料自封袋，标记密封，带回实验室风干。去掉植物根系、落叶、石块等，过100目筛后，用于测定分析。

1.3分析测定

pH采用电位法(水∶土为2.5∶1)测定；水溶性盐总量测定采用电导法(水土比5∶1)测定；全氮采用开氏法；全磷和全钾采用NaHCO3熔融，钼锑抗比色法和火焰光度法测定；有机质含量采用重铬酸钾外加热法；碱解氮含量采用碱解扩散法；速效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效钾含量采用1 mol·L-1乙酸铵浸提，火焰分光光度计测定。

1.4统计与分析

应用Excel 2007和SPSS11.0分析软件制作图表和对数据进行统计分析，多重比较采用LSD法，图表中不同字母表示处理间差异在P≤0.05水平上显著。

2　结果与分析

2.1设施土壤pH和全盐随年限变化

不同种植年限设施菜地土壤(0～20 cm)的pH明显低于露地大田，但种植2年的设施菜地土壤pH与露地大田相比差异不显著，连续种植6、11年和14年的设施土壤pH显著低于露地大田(图1)。连续种植2、6年和11年的设施土壤pH也存在显著性差异，而11年与14年土壤pH差异不显著(图1)。设施菜地土壤随种植年限的延长，土壤pH逐渐降低。如将露地视为设施菜地种植年限为0年，设施菜地土壤pH(y)随种植年限(x)变化可用y=-0.05x+8.19较好地拟合，拟合度达极显著水平(R2=0.99**，P<0.01)(图1)，由此表明，设施土壤pH年均降低0.05个单位。

不同种植年限设施土壤全盐含量都显著的高于露地大田土壤。不同种植年限设施土壤全盐含量差异也达到显著水平(图1)。设施土壤的全盐含量随种植年限延长逐渐增加。露地大田土壤(0～20 cm)的全盐含量为0.05%，连续种植蔬菜14年后，土壤全盐含量达到0.34%，是露地土壤的6.35倍。视露地为设施菜地种植年限0年，土壤全盐(y)随种植年限(x)的变化可由线性模型y=0.091x+0.018拟合，R2=0.91**，P<0.01。

2.2设施土壤养分随年限变化

设施土壤(0～20 cm)的有机质、全氮和碱解氮含量显著的高于露地土壤相应有机质及氮含量，不同种植年限设施土壤有机质、全氮和碱解氮平均含量是露地土壤的1.68、1.84和2.34倍(表1)。不同种植年限设施土壤的有机质、全氮和碱解氮含量也存在明显差异。设施土壤的有机质、全氮和碱解氮含量都随种植年限的延长明显增加，碱解氮的增幅最大，其次为全氮。全氮的增幅大于有机质的增幅，致使碳氮比随种植年限延长逐渐降低，但不同年限间差异不显著。若视露地为设施菜地种植年限0年，有机质、全氮和碱解氮含量随年限的变化可用一元线性模型较好地拟合(表2)。

图1　设施土壤pH和全盐随种植年限的变化

注：同列字母不同表示处理间差异在P<0.05水平显著。

Note :The letters in the table indicate the data in different years are significantly different on the levelP<0.05.

表2　土壤养分含量与种植年限的相互关系

注：*，**表示拟合度达到P<0.05水平显著和P<0.01水平显著。

Note: The *,** in the table indicate the fitting degree are significantly on the levelP<0.05 andP<0.01, respectively.

同样，设施土壤(0～20 cm)全磷、全钾、速效磷和速效钾的含量亦明显高于露地大田土壤，其中全磷、全钾和速效磷与露地大田相比差异达到显著水平。虽然种植年限为2年和6年设施土壤速效钾含量与露地大田差异不显著，但连续种植11年后，其差异也达到极显著水平(表1)。设施土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾含量随着种植年限的延长而逐渐增加，设施菜地连续种植14年土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾含量是露地大田的4.31、1.34、23.13倍和1.75倍，速效磷的增幅最大，其次为有效钾。同样，若视露地为设施菜地种植年限0年，设施土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾含量随种植年限变化同样可用一元线性模型拟合(表2)，拟合度均达到极显著或显著水平。

2.3设施土壤化学性质的相互关系

设施菜地长期过量施肥，氮磷钾和有机质等养分大量累积，由表3可以看出，不同种植年限设施土壤(0～20 cm)的全盐、pH、有机质、全氮、全磷、全钾及碱解氮、速效磷和速效钾含量间存在极显著的相关关系， 其中pH与全盐、有机质、全氮、全磷、全钾及碱解氮、速效磷和速效钾含量显著负相关，而与全盐、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著正相关。

表3　设施土壤质量参数间的相关系数

注：*，**表示相关性达到P<0.05水平显著和P<0.01水平显著。

Note: The *,** in the table indicate the relationship degree are significantly on the levelP<0.05 andP<0.01, respectively.

3　结论与讨论

3.1设施种植对土壤pH和盐渍化的影响

设施土壤酸化可能与长期过量施有机肥和化肥有关，有机肥经过微生物的降解和氨化作用产生大量的NH4+，无机氮肥(尿素、磷酸二铵)也含有大量的NH4+，其中一部分NH4+被土壤胶体吸附和植物吸收，绝大部分则是在硝化细菌的作用下转化为NO3-，同时释放出H+[6]。同时某些盐分离子的累积也可使土壤pH降低，如Ca2+和SO42-，Ca2+将酸性胶基上的H+置换到土壤溶液中，也可加快土壤酸化过程[7]。李粉茹等[10]研究报道，安徽黄潮土菜地和黑姜土设施菜地土壤pH年均降低0.05～0.06个单位，与本研究结果相似。本研究结果也显示，pH随种植年限逐渐降低，可用y=-0.05x+8.19较好的拟合(P<0.01)，年均降低0.05个单位。而曾路生等[11]在山东寿光潮土上研究得出，设施菜地连作8年pH就降低1个单位，年均降幅是本研究的2倍左右；曾希柏等[5]进一步指出，设施种植年限12年前，土壤pH值有随种植年限逐渐降低，12年后土壤pH值又呈现出一定的上升趋势，与本研究的变化趋势略有不同。这些研究结果差异的原因可能与土壤母质、土壤缓冲性能、施肥量及最大种植年限不同有关，该研究最大种植年限为14年，可能未达到pH值再次上升的年限。

日光温室高温、高湿和强蒸发的环境条件促进了土壤盐分的积累和表聚，也促进了土壤固相物质的快速分解与盐基离子释放，更进一步加深设施菜地土壤次生盐渍化[4]。但是长期不合理地大量投肥，是造成设施菜地土壤次生盐渍化的重要原因之一[7]。设施栽培条件下，菜农追求高产，往往超量施肥，化肥的投入远远超过了蔬菜正常生长需要的量而逐渐在土壤中积累，从而导致了土壤全盐含量的升高[12]。本研究结果表明，设施土壤全盐含量与种植年限显著正相关，随种植年限的变化可由线性模型y=0.091x+0.018拟合，连续种植蔬菜14年后，土壤全盐含量达到0.34%，是露地土壤的6.35倍。陈碧华等[4]在新乡潮土上研究发现，设施土壤水溶性盐总量上升幅度与种植年限极显著相关，连续种植30年后，可溶性盐含量达1.2%，而且K+、Na+、Cl-、NO3-和SO42-的含量均与土壤水溶性盐总量呈极显著相关，而且致酸离子Ca2+、NO3-和SO42-是造成土壤含盐总量随种植年限增加的重要原因，由此表明，设施菜地酸化和次生盐渍化具有同步性。而伊田等[3]在陕西杨凌地区研究结论与本研究则不同，设施土壤电导率在1～3年迅速上升，3～10年趋于平稳，研究结果差异可能与土壤理化性状、种植制度及施肥量不同有关。杜新民等[13]进一步研究指出，黄瓜、番茄、辣椒的生育障碍临界点分别为1.2、1.5、1.5 mS·cm-1，临汾市种植8年的日光温室土壤盐分累积量达到0.47%，土壤电导率1.08 mS·cm-1，已接近黄瓜的生育障碍临界点。本研究区域温室菜地最大种植年限为14年，土壤全盐含量为0.35%，虽在生育障碍临界点以下，但已出现轻微的盐渍化现象，应考虑通过深翻，灌溉排盐等措施，控制盐渍化进一步发展。

3.2设施种植对土壤养分的影响

设施种植肥水投入是普通大田的几倍甚至十几倍，远远超出当季作物的需求量，而且注重有机肥的施用，致使肥料利用率不高，其中磷肥的利用率仅为11%，甚至更低，土壤中氮、磷、钾等养分出现大量盈余[1]。刘建霞等[12]研究表明，温室土壤中有机质、碱解氮、速效磷、速效钾及有效态铁、锌含量与种植年限表现出不同程度的正相关关系，养分随种植年限在土壤中都有不同程度的累积。吕福堂等[14]研究报道5、10年和14年日光温室表层土壤速效P含量都超过200 mg·kg-1，速效钾的含量均超过300 mg·kg-1。这些结论与本研究结论相似，本研究结果亦显示设施土壤(0～20 cm)的有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量显著的高于露地，而且随种植年限逐渐增加，特别是磷和钾，连续14年种植设施蔬菜土壤速效磷含量达到342.17 mg·kg-1，是大田土壤的10倍左右，速效钾含量也达263.00 mg·kg-1，对水体环境和土壤环境都构成一定威胁，该产区菜农应根据蔬菜的养分需求选择性的施肥，适当减少肥料的投入量，以降低蔬菜种植生产成本和土壤环境污染风险。

4　结　论

陇东南渭河上游地区长期连作温室蔬菜，土壤有明显酸化和次生盐渍化现象，土壤pH年均降低0.05个单位，全盐含量年均增加0.091百分点。土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾等养分含量也随种植年限延长明显增加，连续14年设施种植，土壤速效磷含量高达342.17 mg·kg-1，有向下层土壤淋失风险。长期大量不合理投肥是造成设施菜地土壤次生盐渍化、土壤pH降低和土壤养分大量积累的主要原因，因此，设施种植应根据蔬菜的养分需求选择施肥种类，调整施肥量，降低生产成本和环境污染风险，同时应结合深翻、覆盖及灌溉排盐等措施控制土壤盐渍化。

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[3]伊田，梁东丽，王松山，等.不同种植年限对设施栽培土壤养分累积及其环境的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2010,38(7):111-117.

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[12]刘建霞，马理，李博文，等.不同种植年限黄瓜温室土壤理化性质的变化规律[J].水土保持学报,2013,27(5):164-168.

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[14]吕福堂，张秀省，董杰.日光温室土壤速效养分剖面分布和累积特征研究[J]. 土壤通报,2010,41(5):1110-1114.

Study on greenhouse soil fertility characteristics of Weihe River upstream

E Sheng-zhe1,2, HUANG Tao1, WANG Ya-nan2, ZENG Xi-bai2, YUAN Jin-hua1, CHE Zong-xian1, GUO Yong-jie1

(1.Institute of Soil and Fertilizer and Save water Agricultural, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou, Gansu 730070, China;2.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalScience,Beijing100081,China)

The effects of long-term continuous cropping greenhouse vegetables on soil pH, total salt, organic matter, and N, P and K nutrients content of topsoil (0～20 cm) were studied through open field and greenhouse topsoil sampling during different cropping years in Wushan county Tianshui city located upstream of Weihe River. The results showed that pH of topsoil (0～20 cm) in greenhouse vegetable field during different cultivation years was all significantly lower than that of the open field, and with the extension of cultivation years, soil pH become declined significantly. Moreover, soil pH was significantly negatively related with cultivation years, 0.05 pH decline per year. In contrast, the soil total salt content was significantly positively related to cultivation years with 0.091% increase per year. For 14 years continuous cropping with greenhouse vegetables, soil total salt content reached to 0.34%, 6.35 times as much as that in the open field. Soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus and available potassium contents were also gradually increased with the increase of cultivation years. After 14 years of continuous cropping with greenhouse vegetables, soil available N, available P and available K contents reached to 230.17, 342.17 mg·kg-1and 263.00 mg·kg-1, respectively, significantly higher than those in the open field.

Weihe River upstream; greenhouse vegetable; soil fertility

1000-7601(2016)05-0205-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.31

2015-05-22

国家科技支撑计划课题(2012BAD05B06)

俄胜哲(1978—)，男，甘肃庆阳人，博士，主要从事植物营养与土壤生态等方面研究。 E-mail：eshengzhe@163.com。

曾希柏。E-mail：zengxibai@caas.cn。

S158.2

A