不同施肥处理下辣椒-甘蓝轮作模式土壤质量监测与诊断分析

杜 雷，王素萍，陈 钢，黄 翔，张贵友，姜 利，程维舜，罗 茜，张利红，洪 娟

（武汉市农业科学院环境与安全研究所，武汉 430345）

土壤质量是指土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量3方面的综合量度，即土壤在生态系统的范围内维持生物的生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的能力［1］。土壤质量是维持地球生物圈最重要的因子之一，土壤质量的综合评价必须建立在对不同土壤属性的阈值与最适值，各种土壤属性的不同水平间的相互组合对土壤质量的体现，各种土壤属性与土壤功能之间的关系，形成各种土壤属性的明确的土壤过程等问题的机理性的了解基础之上［2，3］。中国的土壤质量评价工作虽然起步晚，国内学者也在这方面做了大量的工作。孙波等［4］提出了红壤质量评价指标的选择原则，并从化学、物理学和生物学3个方面探讨了评价红壤质量动态变化可采用的指标体系。吴祥云等［5］从土壤微生物、持水性、物理和化学性质方面探讨不同类型樟子松人工固沙林土壤质量状况，结果表明针阔混交林比针叶纯林土壤质量高，同时指出林木对土壤的改良作用是一个长期的持续过程。郑华等［6］对南方红壤侵蚀区4种主要森林恢复类型下土壤物理、化学、生物学性状进行了比较研究，结果表明不同的森林恢复类型导致了土壤物理、化学和生物学性质的显著差异。

土壤质量的监测与诊断已成为农业土地可持续管理中的一个重要思想。土壤质量监测与诊断是建立“种植全过程的技术服务新模式”的基础，针对中国集约化种植菜田土壤质量变化和生态环境效应态势不明、区域差异不明确等核心问题，通过监测农业生产要素及动态变化，逐步建立土壤质量和农业环境数据库，阐明内在联系及发展规律，促进土地可持续利用；通过土壤诊断指标的研究，提高检测效率，节约农业生产成本，打造“从田间到餐桌”种植环境健康管理服务平台。本试验对辣椒-甘蓝轮作模式土壤的理化性质进行监测，分析轮作模式下不同施肥处理对土壤理化指标的影响，通过土壤诊断，提出土壤改良措施和种植计划措施，大力倡导和指导建立健康种植体系，让人们吃到健康的食物和蔬菜，同时维护土壤健康，实现土壤生产可持续性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在武汉市农业科学院蔬菜研究所长期种植大棚试验地——湖北省武汉市黄陂区（114°27′48″E，30°42′38″N）。土壤类型为黏壤灰潮土，辣椒与甘蓝轮作，划分试验小区，每小区面积32 m2。

1.2 试验设计

辣椒和甘蓝处理相同，均设3个处理：①不施肥对照（CK）；②习惯施肥（FP），通过调查，以当地常规施肥的施肥量为准，辣椒季施用尿素609 kg/hm2、过磷酸钙1 753 kg/hm2、硫酸钾550 kg/hm2，甘蓝季施用尿素700 kg/hm2、过磷酸钙1 125 kg/hm2、硫酸钾375 kg/hm2；③推荐施肥（OPT），2/3化肥氮+1/3有机肥氮，即辣椒季施用尿素500 kg/hm2、过磷酸钙750 kg/hm2、硫酸钾471 kg/hm2、有机肥5 300 kg/hm2，甘蓝季施用尿素400 kg/hm2、过磷酸钙600 kg/hm2、硫酸钾312 kg/hm2、有机肥3 900 kg/hm2。每个处理3次重复。

供试肥料养分含量：尿素含N 46%，过磷酸钙含P2O516%，硫酸钾含K2O 51%；有机肥中有机质含量为47%，全氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）含量分别为2.80%、0.76%、1.38%。

试验开始前土壤pH为7.09，容重为1.12 g/cm3，电导率（EC）为0.288 mS/cm，全氮含量为1.05 g/kg，全磷含量为0.68 g/kg，全钾含量为18.35 g/kg，有机质含量为13.25 g/kg。

1.3 土壤样品采集

采集每季作物成熟期植株根区土壤样品，每处理小区依照S形取样法选取5点混合取样，四分法取0～20 cm植株根区土壤混合样品，装入自封袋带回实验室进行风干、研磨等处理，一部分土样过20目筛用于土壤pH、EC、阳离子交换量、交换性钙和交换性镁的测定，另一部分土样过100目筛用于土壤全氮和有机质的测定。

1.4 分析方法

在每季作物收获时采用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤饱和含水量和土壤田间持水量［7］；土壤化学性质的测定方法参见《土壤农化分析》［8］。交换性钙和交换性镁的测定采用NY/T 1121.13—2006［9］，阳离子交换量采用HJ 889—2017［10］。

1.5 数据处理

采用Excel 2010和SPSS17.0软件处理分析数据，采用最小显著法（LSD）进行差异显著性水平检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤物理性质的影响

由表1可知，每一季种植完后，不同处理间土壤的物理性质呈明显相关性。辣椒季和甘蓝季的土壤物理指标变化趋势基本一致，FP处理和OPT处理的土壤容重之间无显著差异，但均低于CK，其中OPT处理与CK差异显著（P＜0.05），平均降幅为8.85%。各处理与土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量之间呈明显相关性，土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量均表现为OPT＞FP＞CK。各处理甘蓝收获后土壤饱和含水量和田间持水量均比辣椒季有所提高。

表1 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤物理性质的影响

2.2 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤p H的影响

通过诊断土壤pH，可以为作物提供适宜的pH条件。辣椒和甘蓝生长的适宜pH为6.5～7.5。由图1可以看出，种植一季辣椒后，各处理的pH都在适宜范围内，OPT处理和CK的土壤pH无显著差异，但都显著高于FP处理（P＜0.05）。甘蓝收获后，各处理pH有小幅度变化，OPT处理和CK的土壤pH稍微有所提高，FP处理依然呈下降趋势，并且FP处理的土壤pH已不在辣椒和甘蓝生长的适宜范围之内。

图1 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤p H的影响

2.3 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤EC的影响

EC指示土壤中盐类的浓度，代表土壤中养分的浓度，EC低表示土壤中肥料含量少，EC高表示土壤中肥料含量较多，如果EC过高，则要减少基肥施用量。蔬菜适宜EC一般在0.8 mS/cm以下。由图2可知，随着种植时间的推移，FP处理和OPT处理的土壤EC呈上升趋势，CK的EC呈下降趋势，但目前都在作物适宜范围内。2种作物收获后，OPT处理与FP处理的土壤EC无显著差异（P＞0.05）。

图2 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤EC的影响

2.4 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤全氮含量的影响

土壤全氮含量是指土壤中各种形态氮素含量之和。土壤全氮含量处于动态变化之中，它的消长取决于氮的积累和消耗的相对多寡，特别是取决于氮的生物积累和水解作用。由图3可以看出，辣椒种植完后，各处理土壤全氮无显著差异，这可能是辣椒生育期过长，消耗掉土壤中的养分。甘蓝种植后，施肥处理的土壤全氮与CK相比都显著提高（P＜0.05），OPT处理的土壤全氮略高于FP处理。甘蓝季各处理土壤全氮含量较辣椒季整体增加。

图3 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤全氮含量的影响

2.5 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤有机质含量的影响

土壤有机质是指土壤中含碳的有机化合物。土壤有机质是改良土壤物理性质、化学性质、生物性质的重要物质，同时也是衡量土壤肥力的重要指标。由图4可以看出，2轮作物种植完后土壤有机质含量变化呈相同规律，OPT处理土壤有机质含量升高，显著高于FP处理和CK（P＜0.05），后两者之间无显著差异。这可能与OPT处理增施了有机肥有关。随着种植时间的推移，各处理有机质含量略有上升的趋势。

图4 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤有机质含量的影响

2.6 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤阳离子交换量的影响

土壤阳离子交换量（CEC）是指土壤所能吸附和交换的阳离子容量，是土壤中黏土矿物和腐殖质的阳离子的总量，代表土壤的保肥能力。由图5可以看出，各处理之间土壤阳离子交换量在2种作物种植后整体变化趋势一致。施肥处理的土壤阳离子交换量都显著高于CK（P＜0.05），OPT处理的土壤阳离子交换量又显著高于FP处理（P＜0.05）。种植完甘蓝后，各处理的土壤阳离子交换量整体都有所提高。

图5 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤阳离子交换量的影响

2.7 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤交换性钙和交换性镁含量的影响

交换性钙、交换性镁是土壤盐基的重要组成部分。土壤盐基类物质不足会对作物的生长造成各种各样的影响，但盐基类物质过剩也会阻碍其他盐基成分的吸收，从而造成作物缺素。由图6和图7可以看出，各处理间，交换性钙和交换性镁呈相同变化趋势，随着种植时间的延长，交换性钙和交换性镁含量都有上升趋势，甘蓝季都整体高于辣椒季。OPT处理的交换性钙高于FP处理和CK；各处理之间交换性镁含量无明显变化，差异不显著。

图6 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤交换性钙含量的影响

图7 不同施肥处理对辣椒-甘蓝轮作土壤交换性镁含量的影响

3 小结与讨论

土壤作为一种重要的自然资源可以为人类生产食物和纤维，并维持地球上的生态系统。土壤质量主要取决于土壤的自然组成部分，也与由人类利用和管理导致的变化有关。作为一个复杂的功能实体，土壤质量不能够直接测定，但可以通过土壤质量指标来监测和诊断。土壤质量的好坏取决于土地利用方式、生态系统类型、地理位置、土壤类型以及土壤内部各种特征的相互作用，土壤质量诊断与评价分析应由土壤质量指标来确定。本试验通过对2轮作物的土壤理化性状监测与诊断，辣椒季和甘蓝季的土壤物理指标变化趋势基本一致，施肥能改善土壤物理性质，但OPT处理效果更佳，与CK相比，OPT处理显著降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量。这可能是因为有机肥本身密度较低，且具有巨大的比表面积及疏松多孔的结构，能够保持水分和空气，施入土壤后具有一定的稀释作用［11］。土壤容重是土壤物理性质中最重要的性质，土壤容重越小说明土壤结构、透气透水性能越好。土壤容重的变化除了本身影响水分和氧气的供应外，还可影响许多其他性质和过程［12］。土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量能反映土壤水分渗透、可利用性、排水和水气平衡等功能指标，对全面监测土壤物理结构有重要意义。

对土壤pH、电导率、离子交换量和养分含量的分析对评价土壤质量的化学方面是必要的，因为它们提供了一个能够反映土壤提供养分和缓冲化学改良能力的测定指标［13，14］。pH可以影响很多土壤生物学性质和化学性质间的关系。离子交换量是评价土壤保持和提供养分能力的重要属性。通过对2轮作物土壤pH的监测，发现施肥处理都有土壤酸化现象，FP处理最显著，与CK相比，土壤pH降低了12.41%。这与李娟等［15］的研究一致，化肥长期配施增量猪厩肥显著提高了土壤微生物量碳氮及土壤养分含量，增强土壤脲酶和过氧化氢酶活性，明显降低土壤pH。2种作物收获后，2种施肥处理显著提高了土壤的EC，但OPT处理与FP处理2种施肥处理间的土壤EC无显著差异。土壤EC的高低反映了土壤中肥料含量的多少，EC与硝态氮含量的关系密切，一般也可用于推算土壤硝态氮含量［16］。土壤有机质是土壤的重要组成部分，是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源，是土壤团聚体的重要组成部分，是团聚体形成和保持稳定的重要影响因素［17］。2轮作物种植完后OPT处理土壤有机质含量显著高于FP处理和CK，比CK提高了50.68%，FP处理和CK有机质含量无差异显著性，说明长期施用有机肥能提高土壤有机质含量。土壤交换性钙、交换性镁含量受土壤类型、成土母质、海拔高度的影响［18］，与有机质、水解性氮、有效磷含量密切相关［19］，也受离子间协同或拮抗效应影响［20］。2轮作物种完后，交换性钙、交换性镁整体都呈增长趋势，但各处理间的交换性钙、交换性镁含量变化不显著，OPT处理的交换性钙、交换性镁含量略高于FP处理和CK。

土壤监测需要一个长期的监测和观察，这样年限效益才会趋于稳定，本试验接下来会继续对这种种植模式的土壤理化性质进行监测，以期得到更合理的数据，为农民的生产提供科学施肥建议。