藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤pH及养分的变化特征

2019-07-17曹舰艇张新军

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2019年8期

曹舰艇,杨红,彭艳,张新军

(1西藏农牧学院 a高原生态研究所，b资源与环境学院，西藏林芝860000；2 西藏高原森林生态教育部重点实验室，西藏林芝860000；3西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站，西藏林芝860000)

设施大棚内环境具有良好的可控性，可通过人工调节大棚内的温度、湿度以及土壤肥力状况等因素，满足作物常年生产条件，故大棚成为目前蔬菜生产的主要设施。尤其在寒冷和干旱地区，大棚栽培更是非常重要的蔬菜栽培方式。但蔬菜大棚高温、高湿、高蒸发、高施肥量、高产出及无降水淋洗、超强度利用等特点[1-2]，导致土壤中盐分和养分大量富集，从而引起土壤环境质量下降[3]，严重制约和阻碍设施大棚的可持续利用，因此蔬菜大棚土壤养分变化特征成为广大学者关注的焦点。

在蔬菜大棚生产管理过程中，由于缺乏科学合理的施肥方案，盲目过量施肥导致大棚土壤养分富集[4]、重金属积累[5-6]，引起土壤酸化、盐渍化[7-8]和地下水污染[9]，导致土壤生物活性降低[10]、分解能力下降[11]，从而使蔬菜品质降低，造成严重的经济及环境问题。故研究不同种植年限蔬菜大棚土壤养分分布特征及酸化状况，对制定合理的施肥管理方案、节约资源、改善土壤环境、提高大棚蔬菜品质等具有十分重要的意义。

西藏林芝地区气候具有年均温低、年温差小、昼夜温差大、无霜期短及季节干湿分明等特点[12]，导致该地区极不适宜露地蔬菜栽培，故大棚设施成了当地蔬菜生产的主要方式。同时，西藏土壤发育不成熟，对水、肥的保蓄性能极差[13]，在这种土壤条件下，大棚的生产管理对土壤养分状况的影响效应更值得关注。本试验以藏东南八一镇不同种植年限蔬菜大棚及周边农田土壤为研究对象，分析不同种植年限蔬菜大棚土壤养分分布特征及酸化状况，旨在为藏东南八一镇蔬菜大棚土壤的可持续利用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土样采集于西藏林芝市八一镇蔬菜大棚及其周边农田，该样区位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江中下游，念青唐古拉山脉与喜马拉雅山脉之间，地理坐标94.303 5°-94.314 1°E，29.191 3°-29.215 9° N，海拔约3 100 m。气候类型为高原温带半湿润性季风气候，常年分为明显的干季和雨季(雨季一般为4-10月份，干季一般为11-翌年3月份)，全年日照充足，日照时数约1 988.6 h，年均温度较低，为8.2 ℃，降水量主要来源于沿雅鲁藏布江河谷深入内陆的印度洋暖湿气流，年均降水量630～650 mm。在大棚建设过程中，对大棚表层土壤(0～30 cm)进行了一次客土改良，客土土壤类型为棕壤，30 cm以下土壤为沙壤。

相对农田的一年一熟制而言，大棚蔬菜产值和复种指数较高，故对蔬菜大棚的投入相对较高。据调查，本研究中农田有机肥和化肥的年投入量分别为675.45和328.25 kg/hm2，在每年的播种期(4-5月份)施肥；蔬菜大棚有机肥和化肥的年投入量分别为1 963.26和962.33 kg/hm2，每种植1季追肥1～2次(每年种植3季)。有机肥主要以猪粪和牛粪为主，化肥主要为尿素、磷酸二铵、硫酸钾、氯化钾和复合微生物肥(总养分(N+P2O5+K2O)=6%)。

1.2 土壤样品采集与测定

本试验选择藏东南林芝市八一镇不同种植年限蔬菜大棚及周边农田土壤为研究对象，农田作物以青稞、油菜为主，蔬菜大棚是由农田改建而成，改建前主要作物为青稞或油菜。分别选择种植2，7和15年的蔬菜大棚各1个及其周边农田作为试验样地，每个样地设置3个样点，作为3个重复，每个样点采集0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60和60～70 cm土层的样品，共采集土壤样品84份，装入自封袋并带回实验室。将土样在室内去除可见的石块、植物残体等非土壤成分后自然风干，过筛备用。

土壤pH值采用pH计(Model IQ150)测定(V(水)∶m(土)为5∶1)：准确称取过1 mm筛的风干土壤样品5.0 g，加去CO2水25 mL，搅拌1 min，静置30 min后测定；土壤电导率值采用电导率仪(DDS-307型)测定(V(水)∶m(土)为5∶1)：准确称取过1 mm筛的风干土壤样品50.0 g，加去CO2水250 mL，振荡3 min，静置30 min后测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤速效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定；碱解氮含量用碱解扩散法测定[14]。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007进行数据处理，土壤各养分指标方差分析采用SPSS 19.0，各养分指标分布特征及回归分析采用Origin 9.0进行做图分析，各指标垂直空间变异系数=(标准差/平均值)×100%。

2 结果与分析

2.1 种植年限对蔬菜大棚土壤pH的影响

由图1可知，随着土层深度的增加，土壤pH值呈逐渐增加的趋势。在0～70 cm土层，农田以及种植2，7和15年的蔬菜大棚土壤pH值分别介于5.74～6.59，4.79～5.88，4.63～5.42和4.67～6.09，且随土层深度的增加，蔬菜大棚土壤pH的变化程度较农田明显。种植2，7，15年的蔬菜大棚土壤pH值剖面垂直空间变异系数分别为7.26%，5.83%和9.23%，而农田垂直空间变异系数仅为4.86%，表明外界对蔬菜大棚土壤的干扰程度较农田强。

图1 藏东南不同种植年限蔬菜大棚0～70 cm土层土壤pH的变化情况Fig.1 Changes of soil pH in 0-70 cm of vegetable greenhouses at different planting yearsin southeastern Tibet

图2显示，随着蔬菜大棚种植年限的延长，土壤pH值呈“V”型变化趋势，与农田土壤相比，蔬菜大棚初建2年时土壤pH值显著下降，土壤酸化现象明显，这可能主要与大棚初建时的大量施肥密切相关；在种植7年时，土壤酸化程度进一步加剧，其pH值降低至5.08±0.22，已成为强酸性土壤[15]；在种植15年时，土壤pH值略有回升，其值为5.38±0.30。农田与种植2，7，15年的蔬菜大棚土壤pH值之间差异均达极显著水平。

图柱上标不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同Different capital letters indicate extremely significant difference (P<0.01),and different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).The same below图2 藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤pH值的比较Fig.2 Comparison of soil pH of vegetable greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

2.2 种植年限对蔬菜大棚土壤电导率的影响

土壤盐渍化是蔬菜大棚土壤退化的主要表现形式之一，可用土壤电导率值进行科学评价。由图3可知，土壤电导率值随土层深度的增加呈降低趋势，且降低速率以农田最小，为5.94(斜率，下同)，15年蔬菜大棚最大，为13.46。与0～10 cm土层相比，农田以及种植2，7，15年蔬菜大棚60～70 cm土层土壤电导率值分别降低了39.83%，47.42%，49.98%和52.57%。随土层深度的增加，蔬菜大棚土壤电导率值垂直空间变异性较农田明显，农田土壤电导率值垂直空间变异系数为17.66%，种植2，7，15年蔬菜大棚变异系数分别为24.71%，25.28%和28.46%。不同种植年限蔬菜大棚土壤电导率值剖面分布均呈现出明显的表聚现象。农田及2年蔬菜大棚0～10 cm土层电导率值与10～20 cm土层之间差异均未达显著水平(P>0.05，n=3)，与其他各土层电导率值之间差异均达极显著水平(P<0.01，n=3)。7年和15年蔬菜大棚0～10 cm土层电导率值与10～20 cm土层之间差异均达显著水平(P<0.05，n=3)，与其他各土层电导率值之间差异均达极显著水平(P<0.01，n=3)。

图4显示，随种植年限的增加，土壤电导率值呈增加趋势，且农田与15年蔬菜大棚土壤电导率值之间差异达显著水平(P<0.05，n=7)。种植年限为2年的蔬菜大棚土壤电导率平均值较农田仅增加了3.46 μS/cm，7年和15年的蔬菜大棚土壤电导率平均值分别较农田增加了20.03和27.56 μS/cm。表明在蔬菜大棚使用初期土壤电导率值增加较缓慢，随着种植年限的增加，由于化肥的施用，各种盐离子在土壤中逐渐积累，导致土壤电导率值逐年增加。吴多三等[16]研究表明，育苗土壤的障碍电导率值指标为800 μS/cm，一般土壤的障碍电导率值指标为1 000 μS/cm，本研究中的土壤电导率值(75.80±13.39)～(103.36±29.42) μS/cm虽不至于对蔬菜的育苗及蔬菜生长发育产生明显障碍，但必须引起高度重视。

图3 藏东南不同种植年限蔬菜大棚0～70 cm土层土壤电导率的变化情况
Fig.3 Changes of soil electrical conductivity in 0-70 cm of vegetable greenhouses at different planting yearsin southeastern Tibet

图4 藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤电导率的比较
Fig.4 Comparison of soil conductivity of vegetable greenhouses at different years of planting in southeastern Tibet

2.3 种植年限对蔬菜大棚土壤有机质含量的影响

由图5可知，土壤有机质含量随土层深度的增加呈降低趋势，且蔬菜大棚土壤有机质含量随土层深度增加而降低的幅度远大于农田。种植2，7，15年蔬菜的大棚土壤有机质含量剖面垂直空间变异系数分别为34.97%，32.74%和45.29%，农田土壤垂直空间变异系数为21.64%。在0～10 cm土层，农田和种植2，7，15年蔬菜的大棚土壤有机质含量分别为(21.98±3.76)，(36.12±4.35)，(36.52±1.47)和(45.30±3.32) g/kg；当土层深度增加至60～70 cm时，农田和种植2，7，15年蔬菜的大棚土壤有机质含量分别降低至(12.03±1.60)，(14.01±1.48)，(13.38±1.36)和(13.72±2.17) g/kg。经方差分析可知，农田0～10 cm土层土壤有机质含量仅与50～60及60～70 cm土层之间差异达极显著水平(P<0.01，n=3)，与其余各土层土壤有机质含量之间差异均未达显著水平(P>0.05，n=3)；种植2，7，15年蔬菜的大棚0～10 cm土层土壤有机质含量除了与10～20 cm土层之间差异未达显著水平(P>0.05，n=3)外，均与20～30 cm土层之间差异达显著水平(P<0.05，n=3)，与30～40，40～50，50～60及60～70 cm土层之间差异均达极显著水平(P<0.01，n=3)。表明与相邻农田土壤相比，蔬菜大棚土壤有机质含量的“表聚”现象更加明显。

由图6可知，大棚土壤有机质含量随蔬菜大棚种植年限的延长呈增加趋势，蔬菜大棚在使用2，7和15年时，其土壤有机质含量分别较农田土壤增加了36.66%，49.54%和59.52%。经方差分析可知，不同种植年限蔬菜大棚土壤之间有机质含量差异不显著(P>0.05，n=7)，种植年限为2和7年的蔬菜大棚与农田土壤之间有机质含量差异亦不显著(P>0.05，n=7)，但种植15年的蔬菜大棚与农田土壤之间有机质含量差异达显著水平(P<0.05，n=7)。

图5 藏东南不同种植年限蔬菜大棚0～70 cm土层土壤有机质含量的变化情况
Fig.5 Changes of soil organic matter content in 0-70 cm of vegetable greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

图6 藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤有机质含量的比较
Fig.6 Comparison of soil organic matter content in vegetable greenhouses at different planting years in Southeast Tibet

2.4 种植年限对蔬菜大棚土壤全氮含量的影响

由图7可知，随土层深度的增加，土壤全氮含量呈降低趋势。农田和种植2，7，15年的蔬菜大棚垂直剖面土壤全氮含量分别为(0.72±0.43)～(2.85±0.40)，(1.35±0.62)～(4.52±0.52)，(0.98±0.35)～(5.15±0.65)和(1.65±0.45)～(6.91±1.13) g/kg。在0～30 cm土层，土壤全氮含量随土层深度的增加而降低的速率大于30～70 cm土层。与农田相比，蔬菜大棚土壤全氮含量“表聚”现象更加明显，且随土层深度的增加，蔬菜大棚土壤全氮含量垂直空间变异性大于农田，其中种植2，7，15年蔬菜的大棚土壤全氮含量垂直空间变异系数分别为50.42%，59.47%和56.24%，农田土壤全氮含量垂直空间变异系数为48.10%。

图7 藏东南不同种植年限蔬菜大棚0～70 cm土层土壤全氮含量的变化情况
Fig.7 Changes of total nitrogen content in 0-70 cm of vegetable greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

图8 藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤全氮含量的比较
Fig.8 Comparison of soil total nitrogen content in vegetable greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

由图8可知，不同种植年限蔬菜大棚土壤全氮平均含量均高于农田土壤全氮平均含量，种植2，7，15年的蔬菜大棚土壤全氮平均含量较农田土壤分别增加了29.96%，39.74%和91.60%，且蔬菜大棚土壤全氮平均含量(y)随种植年限(x)延长的变化趋势可用线性函数进行表示，即:y=0.099x+1.907(R2=0.948**)。造成这种差异的主要原因是氮肥的大量施用导致氮素在土壤中累积，同时，灌溉使得氮素不断向深层土壤淋溶，种植年限较长的大棚土壤中全氮含量逐渐增加。方差分析结果表明，除15年蔬菜大棚与相邻农田土壤之间全氮平均含量差异显著(P<0.05，n=7)外，种植年限为2和7年的蔬菜大棚及农田土壤之间全氮平均含量差异均未达显著水平(P>0.05，n=7)。

2.5 种植年限对蔬菜大棚土壤速效氮、速效磷和速效钾含量的影响

如图9所示，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量随土层深度的增加均呈降低趋势，且主要集中在0～20 cm土层，表现为明显的“表聚”性。农田和种植2，7及15年的蔬菜大棚0～20 cm土层土壤速效氮、速效磷、速效钾含量分别是20～70 cm土层的2.42，1.82，1.83，1.90倍；2.33，1.76，1.67和1.36倍及1.99，2.37，2.32和1.94倍。

由图10可知，与农田相比，蔬菜大棚土壤速效氮、速效磷、速效钾含量平均值均明显增加。种植年限为2，7及15年的蔬菜大棚土壤速效氮含量平均值分别较农田增加了22.64%，22.89%和41.32%，但其差异均不显著(P>0.05，n=7)；速效磷含量平均值分别较农田增加了74.89%，114.01%和154.03%，其中种植15年的蔬菜大棚与农田土壤之间速效磷含量差异显著(P<0.05，n=7)；土壤速效钾含量平均值分别较农田增加了3.75%，7.93%和19.29%。大棚土壤速效氮、速效磷、速效钾含量平均值随种植年限的延长而增加，且以速效磷的增幅最大，速效钾最小。这主要是因为相对于氮素和钾素而言，磷素不易挥发，不易淋溶，容易被土壤固定[17]，故造成本研究中土壤速效磷含量的增幅大于速效氮和速效钾。

图9 藏东南不同种植年限蔬菜大棚0～70 cm土层土壤速效养分含量的变化Fig.9 Changes of soil available nutrient contents in 0-70 cm of vegetable greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

图10 藏东南不同种植年限蔬菜大棚土壤速效养分含量的比较Fig.10 Comparison of soil available nutrient contents in vegetable greenhouses at different planting years in Southeast Tibet

2.6 不同种植年限蔬菜大棚土壤理化指标间的关系

将农田及不同种植年限蔬菜大棚剖面土壤各指标按土层平均后进行Pearson相关性分析，结果(表1)表明，土壤各理化指标之间在P=0.01或P=0.05水平(双侧)上均表现出极强的相关性，Pearson相关性系数绝对值均大于0.949，且除土壤pH值与其他各指标之间呈显著负相关外，其他各理化指标之间均表现为显著正相关关系，特别是土壤全氮与土壤速效氮、速效磷、速效钾之间的Pearson相关系数较大，其值分别为0.994，0.995和0.971。表明藏东南八一镇不同种植年限蔬菜大棚土壤主要养分之间均具有明显的相关性，这主要与土壤养分来源以及各组分间的转化机制等有关。

表1 藏东南不同种植年限大棚土壤理化指标间的相关性Table 1 Correlation of soil physical and chemical indicators in greenhouses at different planting years in southeastern Tibet

注：**表示在P<0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在P<0.05水平(双侧)上显著相关。

Note:**.Significantly correlated atP<0.01 level (bilateral);*.Significantly correlated atP<0.05 level (bilateral).

3 讨论

3.1 不同种植年限蔬菜大棚土壤酸化及影响因素

本研究中，相对农田而言，蔬菜大棚土壤酸化现象更加严重。这主要与蔬菜大棚高温、高湿的微环境相关，较高的温度和湿度更有利于土壤中物质的代谢，如作物根系的分泌及植物残体、土壤生物的代谢物分解等，而上述过程将会向土壤释放大量的有机酸，从而导致蔬菜大棚土壤pH值小于相邻农田土壤。熊汉琴等[20]对种植1，3，5，7和9年的蔬菜大棚土壤酸化状况的研究表明，随种植年限的延长，土壤pH值呈降低趋势。李粉茹等[21]对种植5，10，15和23年的蔬菜大棚土壤pH值变化情况进行了研究，结果表明，随种植年限的延长，土壤pH值呈降低趋势。但本研究结果表明，随蔬菜大棚种植年限的延长，pH值呈“V”型变化趋势，即与农田土壤pH值相比，蔬菜大棚初建2年时，土壤pH值明显下降，土壤酸化现象明显，在种植7年时，土壤酸化程度进一步加剧，其pH值降低至5.08±0.22，已成为强酸性土壤，作物吸收水分和养分的功能开始受到抑制[22]；而在种植15年时，土壤pH值略有增加。这与前人的研究结果存在差异，其原因可能主要与当地的施肥方式、土壤类型等有关，当土壤酸性低至开始影响作物的生长、作物出现烂根等现象时，菜农开始大量施用有机肥，同时采用大量施用生石灰的方式来改善土壤酸化程度。据调查，该研究区域以有机肥作为基肥的年施用量为1 963.26 kg/hm2，石灰作为基肥的年施用量为900 kg/hm2。肖辉等[23]研究表明，施用天然有机肥可以明显提高土壤pH，减缓土壤酸化速率，生石灰的主要化学成分是CaO，是强碱性物质，中和酸性的能力很强，生石灰施入土壤后会与土壤中的酸性物质发生酸碱中和反应，生成氢氧化物沉淀，从而有效提高土壤的pH值。因此，在蔬菜大棚种植15年时土壤pH值稍有增加，减缓了土壤的酸化速率。为了蔬菜大棚土壤的可持续利用，在今后的生产过程中还应该注意合理的轮作倒茬，即根据蔬菜对土壤养分利用量的差异，进行科学合理的轮作倒茬，从而使土壤中的养分维持在一个平衡状态，降低一价阳离子对土壤胶体及植物中H+的置换，亦可减缓土壤的酸化速率。

3.2 不同种植年限蔬菜大棚土壤电导率值的分布特征及影响因素

次生盐渍化作为蔬菜大棚生产过程中十分重要的障碍性因子，严重影响蔬菜大棚土壤的可持续利用，并会限制蔬菜大棚作物产量。土壤次生盐渍化主要是因为大量施用化肥导致的土壤硝酸盐含量增加[24]及全盐含量累积，从而抑制农作物生长发育、降低农产品产量和品质[25]，可用电导率值进行科学评价。谭海燕等[26]研究表明，土壤电导率(y)与土壤水溶性盐含量(x)之间呈显著正相关关系，关系方程式为y=243.03x。本研究中，土壤盐渍化主要发生在表层土壤中，表现为表层(0～10 cm)土壤电导率值明显高于深层(10～70 cm)土壤，这与范庆锋等[27]的研究结果一致。原因主要可能是大棚封闭式的建筑构造特点，导致其缺少自然淋洗，加之蔬菜大棚温度高、蒸发量大等特点，使土壤水分向上运动，从而易导致表层土壤中盐分累积。另外，不合理的灌溉方式也会导致表层土壤积盐[28]。

3.3 不同种植年限蔬菜大棚土壤养分的分布特征及影响因素

本研究中，蔬菜大棚土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷及速效钾含量均随土层深度的增加呈降低趋势，即土壤养分存在明显的“表聚”现象，这与相关研究者的结果一致[32-33]。出现此现象的原因有以下几方面：一方面主要与藏东南八一镇蔬菜大棚长期的连续生产和大量施肥密切相关；另一方面，由于蔬菜大棚温度较高，表层土壤水分蒸发强烈，进一步带动地下水和表层水分不断上升，导致土壤养分被带到表层土壤而聚集；另外，大棚较高的温度使得表层土壤酶活性较高[34]，有利于植物残体分解，也可增加根层土壤的养分含量；在本研究调查过程中，蔬菜大棚的灌溉主要采用“小水勤灌”的方式，而这种灌溉方式极有利于养分向表层土壤聚集[35]，故这也是导致本研究区域养分在表层土壤中累积的重要原因。表层土壤养分的累积，将使得土壤养分含量是大棚蔬菜所需土壤养分含量的数倍甚至更高，这将可能影响蔬菜产量和品质以及威胁生态环境的安全。

本研究中，相对于农田而言，蔬菜大棚土壤养分累积现象更加明显，且随蔬菜大棚种植年限的延长，土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷及速效钾含量的累积作用十分明显，这与周建斌等[36]和高新昊等[37]的研究结果一致，即随种植年限的延长，土壤养分含量呈增加趋势。这主要是因为本研究区域蔬菜大棚的复种次数和灌溉频率均高于农田，蔬菜大棚“一水一肥、一茬一肥”的施肥方式也导致其土壤养分远高于农田，且随着种植年限的延长在土壤中逐年累积。

由于不同种类蔬菜对养分的需求量不同，故在当前肥料高投入的蔬菜大棚生产模式下，将导致土壤养分含量失衡，从而影响大棚蔬菜的质和量。本研究中，土壤养分含量失衡已严重影响大棚蔬菜的质和量(蔬菜在幼苗期有严重的烂根现象)。然而，就此现象，菜农以继续增加化肥和农药的施用量来提高蔬菜的产量，这将成为阻碍蔬菜大棚土壤可持续利用和危害人体健康的关键因素。故在今后的生产过程中，寻找一条有效改良蔬菜大棚土壤的对策势在必行。