设施甜椒种植区土壤肥力现状评价——以福建省诏安县为例

孟祥明 ，吴良泉，刘 玮，颜晓军，张思文，许炜东，沈吉昌，郑朝元*

（1.福建农林大学 资源与环境学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 国际镁营养研究所，福建 福州 350002；3.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045；4.福建省诏安县农业农村局，福建 诏安 363500）

【研究意义】辣椒具有产量高、耐储存、营养丰富、上市时间长的特点，在全国范围内广泛种植，并呈现区域化分布[1]。作为浅根性作物，辣椒（甜椒）养分吸收能力相对较弱，为满足生长需求，结果期需要较高的根层土壤养分供应强度[2]。当根层土壤养分积累不足时会导致辣椒根系发育趋弱、养分吸收受阻；而根层土壤养分过度积累会导致养分利用效率低下、环境污染、土壤退化[3-5]。因此，客观地评价土壤肥力质量，对充分利用土壤资源，实现农业可持续发展具有重要意义[6-7]。【前人研究进展】土壤肥力质量可通过土壤中不同养分含量的丰缺程度进行评价，土壤有机质、大量元素和中微量元素等养分含量指标的综合表现能够稳定地评价耕作土壤肥力[8]。合理的养分资源投入有助于维持土壤养分的平衡，反之则会影响土壤健康和作物生长[9]。例如，蔬菜种植中氮肥过量施用会造成硝酸根离子在土壤中大量累积，导致土壤酸化和硝酸盐污染[10-11]；过量磷肥施用会降低土壤微量元素的有效性[12]；而钾肥的过量施用会影响土壤中铵离子的固定，因元素间的拮抗作用导致养分吸收失衡[13]。当土壤养分含量指标较多时，可先采用主成分分析方法对土壤养分含量指标进行客观筛选，再通过多元素耦合分析来综合定量评价土壤的肥力质量[14-15]。周利利[16]通过主成分分析发现，秭归县柑橘园土壤碱解氮含量较低，有效磷含量变异较大，土壤肥力整体偏低，需要制定合理的田间养分管理措施。王前登[17]基于主成分分析发现，适量培肥土壤以提高有机质含量有助于提升沙湾县农田土壤肥力。吴海燕[18]通过主成分分析发现，长期有机无机肥配施可以提升吉林黑土土壤肥力，有助于作物生长发育。【本研究切入点】诏安县地处福建南端的闽粤交界处，具有温度高、降雨少、光照足的气候特点，现已成为全国冬季甜椒北运的主产地之一。实际生产中，诏安设施甜椒种植体系养分投入过高，根层土壤养分逐年累积，为种植区的土壤环境带来了较大压力。为了构建健康土壤，维持诏安县设施甜椒产业的稳定可持续发展，亟需明确诏安县设施甜椒种植区土壤肥力现状。【拟解决的关键问题】本研究通过采用土壤调查的方式，对诏安县设施甜椒主产区土壤样品进行采集和分析，以全国第二次土壤普查养分分级标准为依据，明确诏安县设施甜椒土壤环境条件及养分状况，通过主成分分析，系统地评价设施甜椒土壤养分的肥力现状，为因地制宜地进行设施甜椒土壤养分管理、科学施肥、实现产业可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 环境背景

福建省诏安县地势由西北向东南倾斜，西北地区以山地为主，东南沿海地区为平原台地，成土母质为冲积物，耕作土壤类型以潴育水稻土为主。全县雨热充沛，年平均降雨量1 447.5 mm，且降雨主要集中在4—9月，大于10 ℃的年积温7 628.8 ℃，年平均无霜期360 d。

受地形、气候等条件影响，设施甜椒种植茬口为秋冬茬，每年9月育苗，持续采摘至次年4月，一年一季。种植模式以连作为主，主产区集中在白洋、梅洲、金星、四都、深桥、西潭、桥东和梅岭8个东南沿海乡镇，受政府技术推广及当地龙头企业带动，水肥一体化模式较为成熟。

1.2 土样采集

在福建省诏安县的白洋、梅洲、金星、四都、深桥、西潭、桥东和梅岭8 个设施甜椒主产乡镇的117 个大棚展开土壤调研，2017年6月份（设施甜椒拉秧期）对各棚0～20 cm、20～40 cm土层进行采样，共采集土壤样品234份。

每个大棚的土壤采集均按照“S”形取样方式，土钻取8 点同层土壤混合，混合样于牛皮纸上捏碎摊平，多次采用四分法对角取样，直至混合样品剩余1 kg左右，置于室内通风避光处自然风干，拣去动植物残体和大石块，磨碎并过20目和100目网筛，混合均匀后测定相应土壤养分。

1.3 土样测定指标及方法

有机质（g/kg）：称取过100 目的风干土样0.500 0 g，用油浴加热重铬酸钾容量法进行测定；碱解氮（mg/kg）：称取过20目的风干土样2.00 g，用1 N NaOH碱解扩散法进行测定；有效磷（mg/kg）：称取过20目的风干土样2.50 g，用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法进行测定；有效钾（mg/kg）：称取过20目的风干土样2.00 g，用1 N NH4OAc浸提-火焰光度法进行测定；交换性钙、镁（mg/kg）：称取过20目的风干土样2.00 g，用1 N NH4OAc交换浸提，清液通过电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy，ICP-OES）进行测定；有效铁、锰、铜、锌（mg/kg）：称取过20目的风干土样2.00 g，用0.1 N HCl 浸提，ICP-OES 上机测定；pH：称取过20 目的风干土样10.00 g，用水土比2.5:1 浸提，电位法进行测定[19]。

1.4 土壤养分含量评价标准

以全国第二次土壤普查养分分级标准[20]为依据进行评价。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2016整理计算，统计分析、PCA分析通过SPSS 22.0完成。

土壤各养分指标测定结果通过SPSS 22.0 提取主成分，计算各主成分得分情况，并以此为依据计算主成分综合得分情况，具体计算如下：

式中：F1、F2、F3、F4和F5分别为第1、2、3、4 和5 的主成分得分，有机质、碱解氮、速效磷、有效钾、有效钙、有效镁、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌分别是进行标准化后的数值。

以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，计算主成分综合表达式：

式中，F为主成分总得分，E1、E2、E3、E4和E5分别为第1、2、3、4和5主成分的特征值。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质和大量元素含量现状评价

设施甜椒土壤的有机质和大量元素含量情况见表1。0～20 cm 土层土壤中，有机质含量在6.7～30.6 g/kg，平均为18.5 g/kg；碱解氮含量在43.4～165.2 mg/kg，平均为112.0 mg/kg；有效磷含量在23.4～165.8 mg/kg，平均为96.3 mg/kg；有效钾含量在35.3～591.1 mg/kg，平均为248.2 mg/kg。20～40 cm 土层土壤中，有机质含量在2.2～25.2 g/kg，平均为10.6 g/kg；碱解氮含量在18.8～149.8 mg/kg，平均为69.5 mg/kg；有效磷含量在7.3～150.0 mg/kg，平均为45.3 mg/kg；有效钾含量在30.4～452.2 mg/kg，平均为138.9 mg/kg。0～20 cm 土层中，有机质、碱解氮、速效磷和有效钾变异系数均较小，分别为26.2%、23.7%、31.2%和39.6%；20～40 cm 土层中，有机质、碱解氮和速效钾变异系数较小，分别为33.9%、27.5%和40.4%；而有效磷变异系数较大，为50.2%。

表1 设施甜椒地土壤有机质和大量元素含量状况Tab.1 Contents of soil organic matter and macro elements in the sweet pepper field

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[20]，对设施甜椒土壤有机质和大量元素进行分级，结果如表2所示。0～20 cm土层中，有机质含量主要集中在三级和四级，分别占总体比例的58.1%和35.9%，整体上属于中等水平；碱解氮含量在二级、三级和四级的分别占29.1%、46.2%和12.8%，整体上属于中上水平；有效磷含量完全分布在一级和二级，分别占95.7%和4.3%，整体上属于偏高水平；速效钾含量分布主要集中在一级和二级，共占86.3%，三级四级的共占11.9%，五级和六级总占比仅为1.7%，整体评价较高。20～40 cm土层中，有机质含量在四级和五级的分别占54.7%和36.8%，整体上属于中下水平；碱解氮含量在四级和五级的分别占65.0%和26.5%，整体上属于中下水平；有效磷含量分布主要集中在一级和二级，共占89.7%，整体上属于偏高水平；速效钾含量在一级和二级的共占32.5%，三级四级的共占64.1%，五级和六级总占比仅为3.4%，整体评价为中上水平。

2.2 土壤中微量元素现状评价

设施甜椒土壤中微量元素含量如表3所示。0～20 cm土层中，土壤有效钙含量平均为1 224.4 mg/kg，有效镁含量平均为105.7 mg/kg，有效铁和有效锰含量的平均值分别为294.1 mg/kg和30.8 mg/kg，有效铜和有效锌含量的平均值分别为2.0 mg/kg和9.1 mg/kg。20～40 cm土层中，土壤有效钙含量平均为1 124.0 mg/kg，有效镁含量平均为72.9 mg/kg，有效铁和有效锰含量的平均值分别为177.6 mg/kg和33.0 mg/kg，有效铜和有效锌含量的平均值分别为1.4 mg/kg 和3.4 mg/kg。0～20 cm 土层中，土壤有效镁的变异系数最大，达到38.7%；有效锰变异系数最小，为29.8%；20～40 cm土层中，土壤有效锌的变异系数最大，达到43.9%；有效锰变异系数最小，为28.1%。

表2 设施甜椒土壤有机质和大量元素含量等级划分情况Tab.2 Classification for soil organic matter and macro elements in the sweet pepper field

表3 设施甜椒地土壤中微量元素含量状况Tab.3 Contents of micro elements in the sweet pepper field

施甜椒土壤微量元素分级结果见表4。0～20 cm 土层中，有效钙含量为一级和二级的分别占72.6%和15.4%，整体水平较高；有效镁含量为三级和四级的分别占52.1%和38.5%，整体水平为中下。有效铁、有效锌含量为一级水平的分别占100%和97.4%，含量丰富；有效锰、有效铜含量为一级和二级水平的分别共占83.7%、97.4%，整体水平较高。20～40 cm 土层中，有效钙含量为一级和二级水平的分别占60.8%和4.2%，整体评价较高；有效镁含量仅分布在三级、四级和五级，分别占15.0%、63.3%和21.7%，整体评价较低。有效铁、有效锰、有效铜和有效锌为一级、二级水平的分别共占100%、85.0%、85.0%和99.2%，整体评价较高。

表4 设施甜椒土壤中微量元素含量等级划分情况Tab.4 Classification for middle and micro elements in the sweet pepper field

2.3 区域养分含量丰缺现状

对诏安县白洋乡、梅洲乡和金星乡等8 个设施甜椒主产乡镇的0～20 cm 土层土壤养分含量进行分类统计（表5），参考全国第二次土壤普查养分分级标准，诏安县设施甜椒主产乡镇土壤养分含量现状具体如下：

白洋乡、梅洲乡、深桥镇和桥东镇等4个乡镇土壤有效磷、速效钾、有效钙、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量丰富，有机质、碱解氮和有效镁含量中等；金星乡和梅岭镇土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有效钙、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量丰富，有机质和有效镁含量中等；四都镇和西潭镇土壤有效磷、速效钾、有效钙、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量丰富，有机质和碱解氮中等，有效镁含量中下。

2.4 基于主成分分析的区域养分肥力评价

本研究选取10项土壤养分肥力指标进行主成分分析，以各主成分综合累积贡献率超过85%为提取原则，共提取5个主成分（表6）。第1主成分对方差的贡献率为40.81%，第2、第3、第4和5主成分对方差的贡献率分别为18.94%、11.02%、9.53%和5.68%。5个主成分的方差综合累积贡献率为85.98%，可以反映10个原始变量的大部分信息，进而衡量土壤肥力质量。

分析各主成分的向量值，在第1 主成分上，有机质、碱解氮、有效钙和有效镁有较大的向量值。土壤有机质反应土壤综合质量，而碱解氮、有效钙和有效镁代表土壤大量和中量元素的含量高低，因此第一主成分代表了大量、中量元素有效养分的供应。第2主成分上有效锰、有效锌和有效铜有较大的向量值，因此该主成分代表了微量元素的有效养分供应。第3主成分上有效铁有较大的向量值，第4主成分上速效磷有较大的向量值，第5主成分上有效锰有较大的向量值。

计算不同乡镇0～20 cm 土层采样点的主成分总得分，求出不同乡镇主成分得分平均值，对主产区的不同乡镇土壤质量进行综合评价（图1）。主成分得分越高，表示该区土壤肥力越高。如图所示，各乡镇土壤肥力存在差异，金星乡、梅岭镇和白洋乡土壤肥力较高，而梅洲乡、四都镇和西潭镇土壤肥力相对较差。8个乡镇主成分分析总得分由高到低依次为：金星乡、梅岭镇、白洋乡、桥东镇、深桥镇、梅州乡、四都镇和西潭镇。

表5 设施甜椒主产区土壤养分含量状况Tab.5 Soil nutrients in main production areas of sweet pepper

表6 影响土壤肥力质量各指标的主成分分析Tab.6 Principal component analysis for soil fertility indices

3 讨论与结论

耕作土壤养分含量是土壤的养分供应能力强弱的直观体现，对维持作物优质高产，制定科学施肥措施具有重要意义[21]。已有研究[22]表明，甜椒属于浅根系作物，根系多分布在0～20 cm 土层内，该层土壤养分供应充足可以有效促进甜椒的生长。本研究结果显示，诏安县设施甜椒产量较高，主产区0～20 cm 土层的土壤养分含量整体高于20～40 cm 土层；0～20 cm 土层中，土壤有机质和有效镁含量相对不足，其余元素养分含量均较为丰富，这与王倩姿[23]研究保定菜田土壤养分含量的结果类似。

图1 不同乡镇土壤主成分综合得分Fig.1 The scores of principal components in soils of different townships

自然因素和人为因素的耦合影响着诏安县设施甜椒主产区土壤养分含量，调研结果表明诏安县不同乡镇间存在一定的小尺度差异。区域气候条件和成土母质是导致诏安县土壤养分含量变化的主要自然因素。有研究[24]发现，区域性土壤有机质、有效镁含量易受气候因素影响。本研究中，诏安县东南临海，地型东南低、西北高，为热带海洋性季风气候，耕作土壤多为酸性红壤，常年高温多雨导致了设施甜椒主产区土壤有机质和有效镁含量整体偏低，乡镇间土壤养分含量存在差异。母质是主要成土因素之一，决定着土壤发育的类型和理化性质[25]。诏安设施甜椒主产区成土母质为冲积物，土壤类型为潴育水稻土，该类型土壤肥力整体相对较高。全国第二次土壤普查结果显示，主产区金星乡、梅岭镇土壤的熟化程度较高，土种以乌泥田为主，养分含量相对丰富；四都镇和西潭镇的土种以灰砂泥田为主，土壤质地不均，养分易淋洗，土壤养分含量相对较低。

养分管理策略是影响诏安县土壤养分含量变化的人为因素。有研究[26-27]发现，多年的肥料过量施用造成了土壤养分的逐年累积，影响着土壤养分的有效性。诏安县甜椒以秋冬茬设施栽培为主，生育期内地膜持续覆土，减少了土壤养分的淋洗；每季种植前土壤翻耕较浅，0～20 cm 和20～40 cm 土层的土壤无法充分混匀，这些生产习惯促使土壤养分在表层大量累积。同时，农户在生产中施用了较多的复合肥和农药，使得土壤中速效磷、速效钾等养分逐年累积，含量丰富；而有机肥和中微量元素肥投入不足，土壤有机质、有效镁等养分逐年亏损，含量较低。此外，不同乡镇设施甜椒的引进种植年限差异也会影响土壤养分含量。梅岭镇是诏安县最先推广设施甜椒种植的乡镇，种植年限较长，土壤养分累积时间较长，含量最为丰富[28]。因此，生产中要结合甜椒养分累积特征，根据土壤供应和作物需求不断优化养分投入，维持土壤养分的动态平衡。

土壤肥力是土壤各项养分含量丰缺的综合体现，科学地评价土壤肥力可以为合理施肥提供理论依据[29]。但是，不同区域间土壤养分含量有时会处于同一分级水平，对区域间土壤肥力的客观有效评价提出了挑战。本研究采用主成分分析法，将多个原始变量提炼为几个彼此独立的新变量，可有效客观地评价区域间土壤肥力状况[30]。评价结果表明，金星乡和梅岭镇土壤肥力总体较高，四都镇和西潭镇土壤肥力偏低，不同乡镇间表层土壤肥力存在一定的空间尺度差异。因此，在诏安县设施甜椒种植体系中要结合不同乡镇土壤肥力的实际情况，制定科学的田间养分管理体系。其中，白洋乡、桥东镇、深桥镇、梅州乡、四都镇和西潭镇可在合理施用有机肥改良土壤的情况下，适当增加氮肥用量以进一步提升土壤肥力。同时，针对四都镇和西潭镇存在土壤镁含量不足的情况，应合理增施镁肥从而避免最小养分限制，以便更好地发挥土壤潜力。

诏安县设施甜椒主产区土壤养分除有机质和有效镁含量相对缺乏外，大量元素和其他中微量元素含量丰富；不同乡镇土壤的不同养分含量差异主要集中在有效镁和碱解氮上。针对诏安县设施甜椒主产区土壤养分现状，生产中应结合设施甜椒各生长发育时期的需肥规律，适时调整施肥时期和肥料配比，根据区域内土壤养分小尺度差异化分布的现状，针对性地控制化肥中大量元素的投入，适当提升有机肥用量，改善土壤结构，合理增施镁肥，配施中微量元素肥，以实现诏安县设施甜椒土壤养分的均衡供应，促进设施甜椒的产效双增，实现产业的可持续发展。