设施黄瓜土壤化学性质对施肥时间的动态响应

林艳艳，杨殿林，王丽丽，赵建宁，赖 欣，王明亮，汪 洋

(农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

在我国，蔬菜已成为仅次于粮食作物的第二大作物，种植面积和总产量均居世界第一[1]。随着设施蔬菜产业的迅速发展，蔬菜生产的品种和产量快速增长。黄瓜作为居民常吃的蔬菜品种，其种植范围更为广泛。随着黄瓜需求量的不断增加，加上果菜类蔬菜本身需肥量相对较高，菜农在“施肥越多越增产”观念的误导下，化肥施用量居高不下。据统计，我国蔬菜化肥使用量占整个农作物化肥使用量的近1/5。根据2014 年化肥用量排序显示，前3位分别是设施黄瓜、设施番茄、设施茄子[2]。另外，由于设施大棚本身的特点:常年封闭式管理,无雨水淋溶；过度使用肥料，导致无法利用的氮磷钾元素下渗到地下水，且设施大棚多位于农村生活区内，这就对部分居民的饮用水造成了直接的安全隐患。因此，2015年农业部制定了《到2020年化肥、农药使用量零增长行动方案》[3]，科技部相继启动了十三五“双减”重大研发计划，以减少化肥农药的施用量，提质增效，促进设施蔬菜的可持续发展[4]。

蔬菜作物实际种植中，农户在施用化肥的基础上会投入有机肥，以提升土壤质量，保证作物品质。且施肥时间周期上多是主观推断，即“种植者感觉缺肥，随即施肥”，此种不科学的施肥方式为设施蔬菜种植带来了诸多问题，如有机肥中含有大量有效养分，导致养分投入量远超作物需求，富余的养分或在土壤中堆积，或随浇灌下渗入地下水，从而导致土壤板结，地下水污染等环境问题。

本试验旨在了解常年耕种的设施大棚内的土壤性质对施肥时间的动态响应。由于设施黄瓜种植根系较浅，主要集中在地下20～30 cm处，所以本试验主要研究0～20 cm处土壤的化学性质随施肥时间的动态变化规律，为化肥时间周期上的合理施加提供一定依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验棚A使用宏全-复合微生物菌肥(成分：有机质>30%，有效活菌数≥2 000万/g，用量0.33 kg/hm2；试验棚B使用格林凯尔全营养水溶性肥料(2种肥料均为本基地常用肥料)，其N∶P∶K=17∶9∶34，用量0.33 kg/hm2，配方含量见表1。两试验棚在试验期内采用相同的管理方式，在黄瓜采摘末期最后一次施肥时分别使用上述2种不同肥料，进而开展动态监测。

表1 格林凯尔全营养水溶性肥料配方含量Tab.1 Formula content of total nutrient water-soluble fertilizer in Greencare

1.2 样品采集

2017年11月黄瓜拔园后采集1 m深剖面土，分为0～20 cm，20～40 cm，40～100 cm 3层。此次取土主要为了解养分随土壤深度变化的规律。为减小上一茬黄瓜种植施肥的影响，动态监测试验选择拔园后2个样棚均“休棚”7 d后进行试验处理。各自采用试验设计所选肥料进行等量、同时间处理。动态土于2018年5月12日进行采集，即试验处理茬黄瓜收获末期最后一次施肥为开始时间。结束于2018年5月25日，分别为未施肥(CK)、施肥后2 h、1，2，3，5，7，10，14 d，取土深度为20 cm。

所有采集的土壤样品均分为干土部分及鲜土部分，鲜土采集后立即冻入冰箱，冷冻24 h后采用泡沫箱加冰袋的方式邮递回实验室。干土部分晒干、研磨分别过0.9，0.149 mm筛子，密封保存备用。

1.3 试验方法

pH 值采用玻璃电极法测定(按 NY/T 1377 规定的方法)；全氮采用原 GB 7173-1987测定(按 NY/T 5 规定的方法)，流动分析仪(Seal Analytical AA3)测定含量；碱解氮按 LY/T 1229 规定的方法测定。微生物量碳氮采用氯仿熏蒸浸提法测定[5]，测量仪器为Analytikjena multi N/C 3100；铵态氮、硝态氮采用氯化钾浸提的方法测定[6]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行统计处理和制图，采用SPSS 21.0进行方差分析(Duncan′s多重比较)。

2 结果与分析

2.1 土壤化学性质随土壤深度的变化特征

2.1.1 pH值随土壤深度的变化 从图1可以看出，在2个样棚内土壤pH值均在5.0～7.0，且pH值均是随土壤深度的增加逐渐升高，深层(40～100 cm)与表层(0～20 cm)相比差异显著(P<0.05)。表层土壤酸性较高。

图中不同小写字母表示棚A内差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示棚B内差异显著(P<0.05)。图2-4同。

In the picture different lowercase letters showed significant difference in greenhouse A, different uppercase letters showed significant difference in greenhouse B at the 0.05 level.The same as Tab.2-4.

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图1 pH值随土壤深度的变化特征
Fig.1 The change characteristics of pH with soil depth

2.1.2 铵态氮、硝态氮、碱解氮随土壤深度的变化 从图2可以看出，设施黄瓜大棚内土壤的各种氮素指标含量均随土壤深度的增加而降低。且表层土壤(0～20 cm)内3种氮素指标含量均高于或显著高于其他土层(P<0.05)。且2个棚内硝态氮含量均高于铵态氮。

2.2 土壤化学性质随施肥时间的动态变化特征

2.2.1 施肥对黄瓜大棚土壤pH值的影响 对黄瓜植株施肥后，分阶段采集土壤，进行pH值数据分析，从表2中可以看出：棚A施肥后pH值在14 d内均比未施肥(CK)低，除第5 天与CK差异不显著(P>0.05),其他时间内均呈现显著降低趋势(P<0.05)。棚B在施肥后pH值呈现升高趋势，但第5 天出现pH值回落与CK相同。其中施肥后2，7，10，14 d与未施肥相比均差异显著(P<0.05)。但是2个棚的pH值变化均在5.36～6.36，属于黄瓜生长的适宜pH值范围之内。

图2 铵态氮、硝态氮、碱解氮随土壤深度的变化特征Fig.2 The change characteristics of ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and alkaline nitrogen with soil depth

表2 土壤pH值对黄瓜大棚施肥后的动态响应Tab.2 Dynamic response of pH to fertilization in cucumber greenhouse

注：表中不同小写字母表示同一列差异显著(P<0.05) 。

Note: The different lowercase letters in the table showed significant differences in the same column at the 0.05 level.

2.2.2 施肥对黄瓜大棚土壤微生物量碳、氮含量的影响 由图3-A可见，随着施肥时间的变化，棚A、B内微生物量碳的变化趋势大致相同，均呈现先升高再降低的趋势。A棚内施肥后2 h、1 d、2 d的微生物量碳均显著高于未施肥(P<0.05)，2 d后微生物量碳含量开始下降，但3，5，7 d的含量仍显著高于未施肥(P<0.05)，到第10，14 天显著低于未施肥(P<0.05)。B棚内施肥后2 d内微生物碳下降趋势不显著(P>0.05)，到第3 天达到最高值后开始显著下降(P<0.05)，但仍显著高于未施肥(P<0.05)。

由图3-B可见，2个棚内微生物量氮均呈现先升高再降低，再升高降低的变化趋势，且与微生物量碳变化相同，均在施肥后第2天达到第1个高峰值。棚A内施肥后第7 天微生物量达到第2个高峰值且显著高于第2 天(P<0.05)。

图3 土壤微生物量碳、微生物量氮对黄瓜大棚施肥后的动态响应Fig.3 Dynamic response of Micro-biomass C and N to fertilization in cucumber greenhouse

2.2.3 施肥对黄瓜大棚土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮的影响 由图4-A可知，施肥后第2 天棚A、B内的铵态氮含量均达到最高值，分别为22.15,10.70 mg/kg，且A棚内此时的铵态氮含量显著高于试验期内其他时间的铵态氮含量(P<0.05)。

图4 土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮对黄瓜大棚施肥后的动态响应Fig.4 Dynamic response of ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and alkaline nitrogen to fertilization in cucumber greenhouse

由图4-B可知，A棚内硝态氮含量除第5天(269.56 mg/kg)、7天(195.7 mg/kg)、14天(230.35 mg/kg)外，其余时期均显著高于未施肥CK(254.12 mg/kg)。B棚内，施肥后到第5 天硝态氮含量持续显著(P<0.05)增加，5 d后逐渐下降，到第10,14 天显著(P<0.05)低于未施肥CK。

对于碱解氮而言(图4-C)，B棚内施肥2 d前的时间段内，土壤内碱解氮的含量变化无显著性差异(P>0.05)，到第5天碱解氮含量达到最大值，继而开始下降。而A棚内碱解氮的含量变化趋势复杂，可能与碱解氮本身不稳定有关。

在整个动态监测期结束后，A、B棚内土壤的碱解氮含量均恢复到未施肥时的水平(P<0.05)。研究者基于本试验认为，土壤碱解氮在一段时间内的变化与土壤添加的肥料有关，此种关系在维持一段时间后便会消失，但还需扩大采样时间来加以确定。

3 结论与讨论

设施大棚具有常年的统一及均一模式管理和高肥药投入等特点，造成设施大棚内土壤酸化且营养富集[7-9]。本试验结果表明，湖北试验棚内土壤酸化情况较为严重，土层越浅土壤酸化程度越高。Guo等[10]研究证明，土壤的酸化主要集中在表层土，且出现这种现象的原因与过量使用氮肥有关。在本试验中，经过对剖面土的养分分析得出，随着土壤深度的增加，土壤氮磷等养分含量逐渐降低，这与很多研究结果得出的结论一致[11-13]。由于本试验剖面土是在黄瓜拔园后休园阶段采集，此时距离施肥已有一段时间，但土壤表层(0～20 cm)的氮养分含量仍显著高于其他土层处，这可能与大棚内水分蒸发量大导致的深层水向地表移动有关。刘庆芳等[14]研究结果同样表明养分会出现表聚现象。

土壤pH值强烈影响微生物活动及伴随的有机质分解和养分释放[15]。本试验中2个棚内施加肥料后pH值虽有波动，但均在黄瓜生长适宜的酸碱度范围内。可能是由于多年的连续种植和统一管理及施肥习惯导致土壤的酸碱性固定。

碱解氮是可供作物近期吸收利用的氮，主要分布在土壤表层中，其含量的高低，取决于有机质含量的高低和土壤质量的好坏以及放入氮素化肥数量的多少[16-17]。本试验中，碱解氮随施加肥料后在14 d内波动变化，且2种肥料下碱解氮的变化规律不尽相同，但均随着时间的增长碱解氮逐渐恢复到未施肥的数值状态，由此可见，碱解氮含量的变化与所使用的肥料种类有直接关系，且伴随肥力的逐渐减弱碱解氮能恢复到原始状态。

土壤微生物生物量(Soil microbial biomass, SMB)是指土壤中除植物体以外所有体积小于 5×103μm3的微生物总量，是土壤有机质中具有生物活性的部分[18]。其中，土壤SMB-C、SMB-N含量等指标能够表征土壤肥力水平，既为土壤养分N、P、S的转化提供动力，又可储备N、P、S养分[19-20]。本试验中微生物量碳、微生物量氮随施肥时间呈现先后2次先增后降的趋势。这可能是因为肥源的加入导致微生物活动加强，但随着肥源的消耗，微生物活动逐渐减弱，由于本次施肥为生长末期，黄瓜叶片逐渐掉落，从而再次导致微生物利用落叶残体活动加强。

本试验大棚中硝态氮的含量要远远高于铵态氮，这可能是因为大棚蔬菜中禁止使用铵态氮肥所致，因为铵态氮挥发会对植物产生伤害。

综上所述，长期的统一管理及栽培导致2个大棚土壤酸化严重，且表层土(0～20 cm)酸化程度高于深层土壤。土壤的氮养分不同程度出现表聚现象，表层土的养分含量显著高于深层土。且铵态氮、硝态氮等养分的含量远高于黄瓜正常生长所需的量。

从动态监测数据综合分析土壤碱解氮、SMB-C、SMB-N、铵态氮及硝态氮发现，随着施肥时间的增长，土壤化学性质会随时间的升高降低，养分含量随施肥时间呈现动态波动性变化，但施肥后第2天肥效达到最高。

本试验监测期为14 d，14 d的监测结果显示，后期养分含量逐渐降低到未施肥时的状态且趋于稳定。但为了更好地了解后期养分含量的稳定值，需要进一步延长试验监测期，以期为制定施肥的合理周期提供更准确的依据。