东北黑土区设施栽培对土壤养分的影响——以哈尔滨地区为例

张继舟，于志民，王立民，吕品

（黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨150040）

东北黑土区设施栽培对土壤养分的影响
——以哈尔滨地区为例

张继舟，于志民，王立民，吕品*

（黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，哈尔滨150040）

设施蔬菜土壤养分是制约蔬菜生长及品质的关键因子，迄今有关东北黑土区设施栽培对土壤养分的影响的研究鲜见报道。本研究以哈尔滨市为研究区，通过调查取样，分析了黑土区设施蔬菜栽培土壤的碱解氮、速效磷、速效钾、有机质和pH的丰缺程度，比较了设施蔬菜土壤与露天蔬菜土壤的养分含量。结果表明：（1）设施蔬菜土壤的碱解氮含量处于亏缺状态，其他土壤养分含量均处于高水平状态。（2）哈尔滨市设施蔬菜土壤养分含量均较露地蔬菜土壤高。碱解氮、速效磷和速效钾含量起初随着设施使用年限的增加而增加，到第8年达到最大值，随后开始降低。土壤有机质的含量到第8年达到最大值，随后开始降低。土壤pH随设施使用年限的增加起初变化不大，到第8年明显降低，达到最低值，之后又有所上升。（3）哈尔滨市区内的设施蔬菜土壤速效磷含量高，外县的设施蔬菜土壤碱解氮、速效钾和有机质含量高，郊区的设施蔬菜土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质的含量均最低。本项研究表明，设施栽培使哈尔滨地区土壤速效养分及有机质含量发生明显变化，且随着地区不同而差异明显，土壤养分含量随设施使用年限而变化，使用8年的设施菜地土壤中pH值最低，碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量最高。

东北黑土区；设施栽培土壤；设施使用年限；土壤养分

蔬菜的设施栽培是通过改善局部范围环境，为其生长发育提供良好条件的生产技术。2012年中国蔬菜播种面积为2035.26万公顷，总产量逾7.09亿吨，人均占有量587.7公斤[1]。设施栽培在蔬菜生产中占据重要地位，约占蔬菜总产值的40%[2]。在我国的北方寒冷地区，蔬菜的设施种植尤为重要，提高了蔬菜周年生产与均衡供应水平，缩小了蔬菜价格季节差，促进了农民增收，已成为各地农业的支柱产业，具有广阔的发展前景，已在国民经济发展中占据日益重要的位置[3]。

东北黑土区是世界三大黑土区之一，是我国重要的商品粮和蔬菜生产基地，面积约3967.3万公顷，分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古的90个市县（区）[4]。哈尔滨市位于东北黑土区的中部，是其典型市，对哈尔滨市设施蔬菜土壤养分的研究，能一定程度的反映东北黑土区的设施蔬菜土壤养分状况。

从2006年起，哈尔滨市围绕郊区“粮改菜”和“一圈两带”蔬菜产业布局，逐渐扩大蔬菜生产规模，现有设施面积栽培2万公顷，产量达到15亿公斤[5]。在哈尔滨，设施栽培能够反季节生产蔬菜，早春时期蔬菜价格高，效益好。在早春2月，温度低，光照少时，菜农为了追求高产，使蔬菜速生、高产，大量施用化肥以促进蔬菜养分吸收。由于设施栽培独特的水、气、热环境，导致养分在土壤表层大量富集，进而可能影响到蔬菜的产量和品质[6，7]。

目前，我国对设施菜地土壤的研究主要集中在土壤盐分的变化[8-12]和重金属含量的变化[13-15]方面，对东北黑土区设施栽培对土壤养分的影响的研究鲜见报道。

本文对哈尔滨市所辖的11个区（市县）进行了设施蔬菜土壤养分含量的研究，分析了设施栽培对哈尔滨市土壤养分的影响程度，结果可指明哈尔滨市设施蔬菜土壤养分随时间和空间的变异现象，以期探明不同地区土壤养分含量的差异，指导设施蔬菜种植的科学与均衡施肥，为防治东北黑土区设施菜地土壤质量退化提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与土地管理

哈尔滨市地处中国东北地区，黑龙江省南部（E125°42′-130°10′，N44°04′-46°40′）。气候为中温带大陆性季风气候，年平均降水量569.1mm，四季分明，冬季1月平均气温约-19℃；夏季7月的平均气温约23℃。土壤以黑土和草甸黑土为主。本研究所采集的土壤类型为草甸黑土。

对研究区设施蔬菜的施肥种类、结构、用量及作物种植情况的调查表明，该区域主要以黄瓜、番茄等蔬菜轮作为主，种植方式与管理依据地区不同而不同，哈尔滨市区内及郊区（双城市、宾西县、松北区、阿城区）有机肥施用的主要以鸡粪为主，占施用量的70%以上，而五常市、巴彦县、尚志市有机肥施用以牛粪为主，占施用量的80%以上。各区所使用的化肥种类大致相当，均是以氮磷钾复合肥（N：P2O5：K2O=15：15：15）、磷酸二铵、尿素和硫酸钾为主，其中复合肥和磷酸二铵占化肥用量的70%以上。近10年硫酸钾的施用量大增，约为10年前的5倍之多。其中化肥年均投入量约9.1 t/（hm2·a），最高为26.9 t/（hm2·a），有机肥的平均施用量约195.1 t/（hm2·a）（以鲜重计）。相邻的露天菜地的化肥用量平均约为2.8 t/（hm2·a），最高为6.7 t/（hm2·a），有机肥的平均施用量达到21.6 t/（hm2·a）（以鲜重计）。可见设施蔬菜土壤的肥料投入远大于露天蔬菜土壤，特别是有机肥的投入约为露天蔬菜土壤的10倍左右。

1.2 土壤样品布设及采集

土壤样品采集于2014年5月，在哈尔滨市的尚志市采集土壤样品4个（其中设施土壤3个，露天菜地土壤1个），阿城区采集土壤样品7个（其中设施土壤6个，露天菜地土壤1个），道外区采集土壤样品5个（其中设施土壤4个，露天菜地土壤1个），香坊区采集土壤样品10个（其中设施土壤8个，露天菜地土壤2个），道理区采集土壤样品10个（其中设施土壤8个，露天菜地土壤1个），南岗区采集土壤样品6个（其中设施土壤4个，露天菜地土壤2个），双城市采集土壤样品11个（其中设施土壤9个，露天菜地土壤2个），五常市采集土壤样品10个（其中设施土壤8个，露天菜地土壤2个），宾县采集土壤样品5个（其中设施土壤4个，露天菜地土壤1个），巴彦县采集土壤样品6个（其中设施土壤5个，露天菜地土壤1个），松北区采集土壤样品8个（其中设施土壤7个，露天菜地土壤1个）。其中种植年限3-16年不等。总共采集设施土壤样品65个，相邻的露天菜地采集土壤样品16个，总共81个土壤样品。每一土样按“之”字型7点混合而成，约1kg左右，样品采集深度为0-20cm，采样地点用GPS定位。

1.3 土壤样品的处理与测定

将土壤样品去除非土壤成分后风干，磨碎，先过0.841mm尼龙筛，部分储存于磨口玻璃瓶，再过0.147mm尼龙筛，保存于自封袋中待测。

土壤有机质的测定采用德国耶拿总碳氮分析仪（analytikjena multiN/C 2100S）测定；pH采用水土比为2.5：1，玻璃电极法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用碳酸氢钠浸提，比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提，火焰光度法测定。

1.4 数据计算与分析

用SPSS16.0软件对土壤养分含量进行描述性统计，并进行不同地区养分含量的聚类分析，对不同地区和不同年限的土壤养分含量进行单因素方差分析（one-way ANOVA），用最小显著差异法（LSD）法进行多重比较，显著性水平设定为α=0.05；应用ArcGIS9.3软件绘制采样点位置图。

2 结果与分析

2.1 设施土壤养分特征的描述性统计

设施蔬菜土壤的养分含量见表1。可知碱解氮的平均值为82mg/kg，最大值为最小值的3.7倍，处于亏缺状态（与表2比较，下同）；速效磷的平均值为173mg/kg，最大值为最小值的14.1倍，处于丰富状态；速效钾的平均值为351mg/kg，最大值为最小值的8.2倍，处于丰富状态；有机质的平均值为36.99g/kg，最大值为最小值的4.7倍，处于高肥力水平；pH的平均值为6.67，最大值为最小值的1.2倍，处于中性水平。

比较设施蔬菜土壤与邻近露天蔬菜土壤养分含量的平均值可知，设施蔬菜土壤的pH与露天蔬菜土壤的pH差异不显著，其他养分含量均显著高于相邻的露天蔬菜土壤（P＜0.05）。

2.2 设施栽培地点对设施蔬菜土壤养分含量的影响

哈尔滨市不同地区设施蔬菜土壤的养分含量如图1所示，可知，碱解氮的最高值（112mg/kg）出现在尚志市，最低值（63mg/kg）出现在南岗区，方差分析显示，尚志市与香坊区差异不显著，两区与其他各区（市县）比较差异显著（P＜0.05），其他各区（市县）之间差异不显著；速效磷的最高值（229mg/kg）出现在香坊区，最低值（73mg/kg）出现在阿城区，方差分析显示，香坊区、巴彦县、尚志市、道里区与南岗区之间差异不显著，香坊区与松北区之间差异显著（P＜0.05），松北区与阿城区之间差异显著（P＜0.05）；速效钾的最高值（578mg/kg）出现在巴彦县，最低值（227mg/kg）出现在香坊区，方差分析显示，从含量第二高的道里区到含量最低的香坊区彼此之间差异不显著，巴彦县与五常市之间差异显著（P＜0.05）；有机质的最高值（52.90g/kg）出现在尚志市，最低值（24.45g/kg）出现在南岗区，方差分析显示，尚志市与五常市之间差异不显著，与其他各个区（市县）之间差异显著（P＜0.05），五常市、香坊区、巴彦县之间差异不显著，道外区与比之含量低的各区之间差异不显著，香坊区与阿城区之间差异显著（P＜0.05）；pH的最高值（6.99）出现在阿城区，最低值（6.42）出现在巴彦县，方差分析显示，阿城区与道外区和道里区之间差异不显著，双城市与比其含量低的各区（市县）之间差异不显著，五常市与香坊区之间差异显著（P＜0.05）。

表1 哈尔滨市设施蔬菜土壤与露天菜地土壤的养分含量的描述性统计

表2 土壤养分含量的丰缺标准[16]

如图2所示，将哈尔滨地区不同区（市县）的土壤养分性状进行聚类分析，把具有相似性状的地点归为一类，结果表明：道里区、南岗区、香坊区、道外区聚为一类，该类四个区属于哈尔滨市区，称为市区类；双城市、宾西县、松北区、阿城区聚为一类，该类四个区属于哈尔滨郊区，称为郊区类；五常市、巴彦县、尚志市聚为一类，该类四个区属于哈尔滨外县，称为外县类。每一类中不同地点的肥力特征均受到相似的影响，其中第一类中土壤速效磷具有较高的含量；第二类中碱解氮、速效磷、速效钾及有机质的含量均低于第一类和第三类；第三类中碱解氮、速效钾和有机质均高于其他两类。可见设施栽培的地区差异影响了土壤的养分含量水平。

2.3 设施栽培时间对设施蔬菜土壤养分含量的影响

由图3可知，碱解氮、速效磷和速效钾含量起初随着设施使用年限的增加而增加，到第8年达到最大值，随后开始降低，设施使用第15、16年的土壤碱解氮含量较第6年有所下降，但是彼此之间未达到差异显著水平，第15、16年的速效磷和速效钾含量均较第6年有所下降，并且彼此之间达到差异显著水平（P＜0.05）。

土壤有机质的含量到设施使用第8年时达到最大值，随后开始降低。设施使用第8年的土壤有机质含量与其他年份土壤有机质含量之间差异显著（P＜0.05），设施其他年份与露天菜地土壤有机质含量之间均达到差异显著水平（P＜0.05）。

土壤pH值随设施使用年限的增加起初变化不大，到第8年降低明显，达到最低值，之后又有所上升。设施使用8年的土壤pH值与其他年份相比差异显著（P＜0.05），其他年份之间均未达到差异显著水平。

3 讨论

本研究中哈尔滨市设施蔬菜土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾显著高于露天蔬菜土壤，其原因主要是由于大量施用化肥和有机肥所致。有研究表明，设施蔬菜土壤的有机肥和化肥的施用量是露天菜地土壤的5倍之多，多年的大量肥料施用势必造成土壤养分的累积[17]，这与本研究中的设施蔬菜土壤施肥量数倍于露天菜地土壤相符。

研究发现，设施蔬菜土壤有机质、速效磷和速效钾均处于高水平状态，但碱解氮含量却处于缺乏状态。蔬菜生长需要适宜的土壤养分环境，超量和不足均对起产生负面影响，从而影响到蔬菜的产量和品质。研究表明，氮素供应不足老叶褪绿脱落，植株矮小

产量低；氮素过多植株徒长易倒伏，成熟延后，抗逆性差。磷素不足植物代谢过程受阻，植株瘦小，延迟成熟，果实与种子小且不饱满；磷素过多影响植株对其他元素的吸收，植物易患缺素症。钾素不足可使植物生长速率下降，抗逆性差，易倒伏，产生赤枯病；钾素过多植物果实出现灼伤病和苦陷病，储藏中易腐烂[18]。目前，化肥是土壤氮磷钾素的主要来源[19]，有机肥亦可为土壤提供多种养分[20]，常与无机肥配合施用。在设施栽培中，菜农大量施用化肥和有机肥致使土壤中养分大量积累。哈尔滨市设施蔬菜土壤原本处于氮素富集、磷钾素缺乏状态，故而研究者提出减氮、增磷钾的施肥方案[21]，近10年来哈尔滨菜农大量施用磷钾肥，而减少氮肥的施用，故土壤中速效磷钾处于含量极高的状态，而速效的氮素含量出现了匮乏的状态。因此，应定期进行测土施肥，以平衡土壤中的养分，使蔬菜健康的生长。

图1 哈尔滨市不同地区设施蔬菜土壤的养分含量

续图1哈尔滨市不同地区设施蔬菜土壤的养分含量

图2 哈尔滨市不同地区设施土壤养分含量聚类图

图3 不同种植年限设施蔬菜土壤的养分含量

设施栽培具有施肥量大的特点，其养分的来源主要是有机和无机肥料。据调查，使用7年左右的设施地，会普遍出现作物生长不良、病害等问题，导致作物减产，这与土壤养分的积累密切相关[22]。由于设施栽培长期处于高集约化、高复种指数、高施肥量的生产状态下，使土壤养分含量在初期便迅速累积，当含量累积到限制作物正常生长时，农户便会减少投入并采取揭棚、翻耕甚至闲置不用等一系列措施，使土壤条件改善。这恰好解释了本研究中8年的设施蔬菜土壤养分含量的特殊性。

本文结果表明，阿城区和南岗区有机质含量相对较低，而尚志市和五常市相对较高。一方面由于是阿城区和南岗区施用的有机肥80%以为是鸡粪，鸡粪在土壤中分解快不利于土壤有机质的积累[23]，而尚志市和五常市施用牛粪的比例较大，特别是尚志市，牛粪的施用占有机肥的70%；另一方面可能是土壤本底值所致，尚志市和五常市属山区，土壤有机质含量本底就很高，故而致使目前有机质含量处于高水平状态。

续图3不同种植年限设施蔬菜土壤的养分含量

4 结论

设施栽培使哈尔滨地区土壤速效养分及有机质含量发生明显变化，且随着地区不同而差异明显，土壤养分含量随设施使用年限而变化，使用8年的设施菜地土壤中pH值最低，碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量最高。

[1]农业部.2012年全国各地蔬菜、西瓜、甜瓜、草莓、马铃薯播种面积和产量[J].中国蔬菜，2014（1）：94．

[2]余海英，李廷轩，周健民.设施土壤次生盐渍化及其对土壤性质的影响[J].土壤，2005，37（6）：581-586.

[3]曾希柏，白玲玉，苏世鸣，等.山东寿光不同种植年限设施土壤的酸化与盐渍化[J].生态学报，2010，30（7）：1853-1859.

[4]范昊明，蔡强国，陈光，等.世界三大黑土区水土流失与防治比较分析[J].自然资源学报，2005，20（3）：387-393.

[5]张哲源，徐建东.哈尔滨市设施蔬菜种植面积增至30万亩.华夏经纬网. http://www.huaxia.com/lthq/ltkx/2012/09/3001405.html.

[6]刘兆辉，江丽华，张文君，等.设施菜地土壤养分演变规律及对地下水威胁的研究[J].土壤通报，2008，39（2）：293-297.

[7]郁志华，朱秀芳，朱培淼.昆山市农产品产地土壤重金属含量调查与评价[J].农业环境与发展，2008，25（3）：114-117.

[8]姜伟，王建国，靳玉荣，等.设施土壤盐分变化规律及其相关分析研究[J].华北农学报，2010，25（2）：200-205.

[9]史静，邓玉龙，张乃明，等.云南设施土壤盐分累积特征研究[J].土壤，2009，41（6）：921-925.

[10]艾天成，武美燕，胡学玉.武汉市郊设施栽培土壤盐分累积特征[J].长江流域资源与环境，2010，19（10）：1226-1230.

[11]刘媛媛，李廷轩，余海英，等.有机肥与尿素配施对设施土壤盐分含量与组成变化的影响[J].农业环境科学学报，2009，28（2）：292-298.

[12]张锡洲，王永东，余海英，等.不同形态氮肥对设施土壤盐分含量和离子组成的影响[J].水土保持学报，2009，23（5）：16-20，50.

[13]楚纯洁，王章涵，周金风，等.设施菜地和露天菜地的土壤重金属含量及累积特征[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（4）：125-132.

[14]Liu Ping,Zhao H J,Wang L L,et al.Analysis of heavy metal sources for vegetable soils from Shandong province,China[J]. Agricultural Sciences in China,2011,10(1):109-119.

[15]Lu A X,Wang J H,Qin X Y,et al.Multivariate and geostatistical analyses of the spatial distribution and origin of heavy metals in the agricultural soils in Shunyi,Beijing,China[J].Science of the Total Environment,2012(425):66-74.

[16]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

[17]史静，张乃明，包立.我国设施农业土壤质量退化特征与调控研究进展[J].中国生态农业学报，2013，21（7）：787-794.

[18]白宝璋，史芝文.植物生理学[M].北京：中国科学技术出版社，1992.

[19]黄化刚，张锡洲，李廷轩，等.典型设施栽培地区养分平衡及其环境风险[J].农业环境科学学报，2007，26（2）：676-682.

[20]索东让.长期定位试验中化肥与有机肥结合效应研究[J].干旱地区农业研究，2005，23（2）：71-75.

[21]赵凤艳，吴风芝，刘德，等.大棚菜地土壤理化特性的研究[J].土壤肥料，2000（2）：11-13.

[22]余海英，李廷轩，周健民.典型设施栽培土壤盐分变化规律及潜在的环境效应研究[J].土壤学报，2006，43（4）：571-576．

[23]刘兆辉，江丽华，张文君，等.山东省设施蔬菜施肥量演变及土壤养分变化规律[J].土壤学报，2008，45（2）：296-303.

Effect of Greenhouse Cultivation on Soil Nutrients in Black Soil Region of Northeast China——A case study of Harbin, Heilongjing province,China

ZHANG Ji-zhou et al
(Institute of Natural Resources and Ecology,HAS.National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Wetlands and Ecological Conservation,Harbin 150040,China)

The nutrient of greenhouse vegetable soil is a key factor that restricts the growth and quality of vegetables,so far about the effect of greenhouse cultivation on soil nutrients in black soil region of Northeast China are fresh.In this study, taking Harbin as the study area,abundance degree of alkali hydrolyzable nitrogen,available phosphorus,available potassium, pH value and organic matter of greenhouse vegetable cultivation soil in the black soil area were analyzed after field investigation, and comprised the content between greenhouse vegetable soil and open-air vegetable soil.The results showed that:(1)Soil alkali hydrolyzable nitrogen content was deficient,the other nutrients content were in a high level state.(2)The pH value of greenhouse vegetable soil is lower than open-air vegetable soil,while the other nutrients content of greenhouse vegetable soil is higher than open-airvegetablesoil.Thecontentofalkalihydrolyzable nitrogen,availablephosphorus,availablepotassiuminitially increased with the using time increased,reached a highest value in the eighth year,then decreased again.Soil organic matter content reached a highest value in the eighth year,then decreased again.Soil pH value changed little in the first few years after green houses began to be in service,while decreased to the lowest value obviousely in the eighth year,then increased again.(3)The content of available phosphorus was high in Harbin city,the content of alkali hydrolyzable nitrogen,available potassium and organic matter were high in Harbin county,while the content of alkalihydrolyzablenitrogen,availablephosphorus,available potassium and organic matter were low in the suburb of Harbin. This study shows that the soil available nutrients and organic matter content in Harbin region were significantly changed with the greenhouse cultivation,and there was significantly differences with regions changed.Soil pH was the lowest,while the other nutrients content were highest in the eighth year of greenhouse soil.

Black soil region of Northeast China; Greenhouse cultivation soil; Different cultivating years of greenhouse; Soil nutrition

S151.9+3

A

张继舟（1980-），男，吉林省吉林人，硕士，副研究员，主要从事土壤环境的研究工作。

吕品（1975-），女，黑龙江哈尔滨人，副研究员，博士生，主要从事土壤环境的研究工作。

（2016-08-27收稿M编辑）

1003-7853（2016）05-0023-07

院所基本应用技术研究专项（STJB2015-4）；黑龙江省科学院科学基金项目；黑龙江省科技攻关项目（GC12C205）及黑龙江省科学院青年创新基金重点项目资助