种植年限对和田市设施菜田土壤养分累积分布的影响＊

2021-11-15王志伟刘义飞刘文科中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京0008塔里木大学植物科技学院新疆阿拉尔843300

农业工程技术 2021年22期

王奇，王志伟，刘义飞，刘文科**（.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 0008；.塔里木大学植物科技学院，新疆阿拉尔 843300）

设施农业已成为农业现代化的重要标志，是现代化农业发展的重要建设任务[1]。现如今，中国设施园艺面积占世界总面积的85%，是世界上设施园艺面积最大的国家[2]。设施蔬菜栽培因其集约化程度高、农业环境适应力强、技术含量高等特点，使得农业生产不再受限于季节、地形的影响，有效地提高了农业资源的综合效益[3]。新疆作为中国典型的灌溉农业区，近年来在设施农业方面取得了飞速发展。2016～2017 年设施农业总面积稳定在93.7 万亩（6.25 万hm2），设施农产品总产量300 万t 以上[4]。新疆地区10月～次年6月以反季节蔬菜供应为主，温室大棚年产值高达375000 元/hm2，是露天菜田的3.13 倍[5]。随着和田市现代农业发展要求和农业产业结构调整的需求，以及该地区气候干燥，降水量极少，昼夜温差大等特点，设施菜田在和田市农业中占比逐年增大。但由于设施农业中特殊的环境条件如半封闭性结构、高复种指数、高温高湿、自然光入射少和缺乏雨水淋洗等，导致土壤耕层结构恶化，土壤的理化性状和养分状况也随之发生显著变化，进而引起土壤环境质量下降（如土壤养分失调、病虫害加剧、硝酸盐大量积聚、土壤次生盐渍化、作物连作障碍、产量和品质下降等），严重制约了设施蔬菜生产的可持续发展[6]。而这些变化除了与设施特殊的生态环境有关外，还与生产管理者的土壤管理、施肥技术以及温室的种植年限有着密不可分的关系[7]。因此，研究不同种植年限设施土壤养分分布特征对制定合理的施肥方案、改善土壤环境、提高温室蔬菜品质等具有重要意义。

目前，针对不同地区的设施温室土壤的理化性状已经做了大量研究。其中对土壤硝态氮、有效磷含量和EC 的研究对改善设施土壤理化性质有着重要意义。硝态氮是作物吸收氮的主要形态，其含量在土壤中的增加对蔬菜起到增产，改善品质的作用。设施菜田土壤氮素累积以硝态氮为主，然而硝态氮本身带负电荷，不易被土壤胶体吸附，易随灌溉水向下淋洗，硝态氮在设施栽培土体内的积聚最终会产生环境负效应[8]。周光涛等[5]研究表明大棚菜地随着种植年限的增加，土壤硝态氮有增加的趋势，过量施肥和不合理灌溉使大棚菜田产生深层积累。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷组分，同时也是土壤磷素养分供应水平高低的指标，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力。磷素过量积累是设施菜田的显著特征，主要由于有机肥以粪肥投入为主，复合肥中磷素比例偏高，收获作物带走量仅占磷素投入的7.2%[9]。研究表明随种植年限增加，土壤有效磷含量呈逐年递增的趋势。土壤电导率反映了土壤盐分累积的情况。EC 过高也会增大土壤盐渍化的几率[10]。曹舰艇等[11]研究表明随着蔬菜大棚种植年限的延长，土壤电导率值呈增加趋势。设施栽培对土壤有机质、养分、盐分等方面的动态变化产生了深刻影响。但有关和田地区不同种植年限设施菜田的土壤理化现状的探讨尚有缺乏，且多数研究者主要集中于单个年份设施菜田土壤环境，在不同年限设施菜田土壤养分的变化等方面研究尚不清楚。

因此，为了探讨和田市不同种植年限对设施菜田土壤养分累积分布的影响，选取新疆维吾尔自治区和田市现代农业园区的不同种植年限日光温室中不同土层深度的土壤作为研究对象，对0～60 cm 土层（每20 cm 为一个土层）硝态氮、有效磷、EC 进行了研究，分析不同种植年限和田市沙漠设施菜田土壤养分的累积分布规律，以期对新疆沙漠设施菜田确定合理的养分调控措施，为当地设施菜田的可持续发展提供理论依据。

研究区概况与方法

研究区概况与取样

试验所在地为新疆维吾尔自治区和田市现代农业园区（E79°55´，N37°7´），属于暖温带极端干旱的荒漠气候。气候特点是春季多沙暴、浮尘天气，夏季炎热干燥，年均降水量35 mm，年蒸发量2480 mm。光照充足，热量丰富，无霜期长，昼夜温差大。当地耕层土壤肥力整体状况较差，土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾含量普遍偏低，速效磷含量较为丰富，土壤盐渍化程度较高。

本试验选择种植年限分别为1 年、2 年、3 年、4 年（分别用1a、2a、3a、4a 表示）的日光温室。每个年限温室各选择2个，每个温室按照东西走向在中心线上等距选3个点；土层选择3个深度，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。由于所选取温室栽培方式均为起垄栽培，故取样点均选在作物行间中间位置(走道位置)。试验所选日光温室调查内容汇总如表1。

表1 日光温室调查内容汇总

试验于2019 年11月进行，样本的采集使用管形土钻，采集不同土层的土壤剖面样品，采集深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，每个采样点的取土深度和采样量均一致，将每个分层取的土壤样品取出后混匀然后留50 g 用自封袋密封好并编号，共采集72个土壤样品。

测定项目和方法

土壤EC、有效磷、硝态氮的测定均采用土壤农化常规分析方法[12]。有效磷采用ATC-173流动注射分析仪测定。土壤电导率采用ATC-160电导率仪测定（水土比为5:1）。硝态氮测定用1 mol/L 的KCl 浸提（水土比为5:1）ATC-173流动注射分析仪分别测定。采用Microsoft Excel 2013 软件对数据进行处理，并采用GraphPad Prism 6 软件作图，采用SPSS 25.0 统计分析软件对数据进行差异显著性检验（LSD 法，α=0.05）。

结果与分析

不同年限设施菜田土壤硝态氮含量的变化

0～60 cm 土层硝态氮含量在前三年变化幅度较小，而在第四年显著升高（图1）。0～20 cm 土层硝态氮含量呈现出随设施菜田种植年限的增长先降低再升高的趋势。除1a 外，2a，3a，4a 设施菜田土壤硝态氮含量随种植年限的增长而升高，尤其4a 硝态氮含量达到26.18 mg/kg，显著高于1a，2a，3a 硝态氮含量。20～40 cm 土层，除3a 外，1a，2a，4a 设施菜田土壤硝态氮含量表现出随种植年限的增长而升高的趋势，4a 硝态氮含量显著高于1a，2a，3a。40～60 cm 土层，1a，2a，3a 硝态氮含量变化趋势不明显，4a 硝态氮含量显著高于1a，2a，3a。0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 土层，1a，2a，3a 硝态氮含量无显著差异性，4a 硝态氮含量显著高于1a，2a，3a。由此可见设施菜田土壤硝态氮含量随种植年限的增加在各土层出现不同程度累积，且设施菜田土壤在4a 达到最大值。值得注意的是在0～40 cm 土层，硝态氮含量随着深度的增加呈现出明显下降的趋势，而20～40 cm，40～60 cm 土层硝态氮含量则无明显变化。尤其以0～20 cm 表层土壤硝态氮含量最高，1a，2a，3a，4a 分别达到7.64 mg/kg，3.15 mg/kg，5.79 mg/kg，26.18 mg/kg。20～40 cm，40～60 cm 土层硝态氮含量无明显变化，设施菜田土壤中硝态氮含量出现了明显的表聚现象。

图1 和田市不同种植年限设施菜0～60 cm 土层土壤田硝态氮浓度分布特征

不同年限设施菜田土壤有效磷的变化

如图2 所示，0～20 cm 土层有效磷含量呈现出随设施菜田种植年限的增长先升高再降低的趋势，其中3a 有效磷含量达到最大值，为29.23 mg/kg，显著高于1a，2a。并且1a，2a，3a 土壤有效磷含量呈现出随设施菜田种植年限的增长而升高的趋势，4a 时有效磷含量下降。20～40 cm 土层土壤有效磷含量呈现出随设施菜田种植年限的增长而升高的趋势，1a 有效磷含量显著低于4a；2a，3a 和4a 有效磷的含量没有显著性差异。40～60 cm 土层2a 有效磷的含量达到最大值，为8.82 mg/kg，显著高于1a，3a。并且除2a 外，1a，3a，4a 土壤有效磷含量呈现出随设施菜田种植年限的增长而升高的趋势。0～40 cm 土层各种植年限土壤有效磷含量均呈现出随土壤深度的增加而降低的趋势。尤其在0～20 cm 土层，有效磷含量达到最高值。而20～40 cm，40～60 cm土层有效磷含量则无明显变化。设施菜田各土层土壤有效磷含量随种植年限的增加而逐渐累积，并且在0～20 cm 土层累积明显。

图2 和田市不同种植年限设施菜田0～60 cm 土层土壤有效磷浓度分布特征

不同年限设施菜田土壤电导率的变化

0～60 cm 土层电导率（EC）在前三年变化幅度较小，而在第四年出现大幅提升（图3）。0～20 cm 土层EC 呈现出随种植年限的增加先降低再升高的趋势。除1a 外，2a、3a、4a 土壤EC 随种植年限的增加有升高的趋势，1a，2a，3a，4a 没有显著性差异。20～40 cm 土层除3a外，1a，2a，4a土壤EC随种植年限的增加有升高的趋势，4a土壤EC达到最大值，为51.73μS/cm，显著高于1a，2a，3a。40～60cm 土层，4a 土壤EC 显著高于1a，2a，3a，达到最大值，为48.28 μS/cm；1a 土壤EC 显著高于2a，3a。0～40 cm 土层土壤EC 随土壤深度的增加而大幅下降，而20～40 cm，40～60 cm 土层EC 无明显变化。在0～20 cm 土层，各种植年限土壤EC 都达到最高值。设施菜田土壤出现了明显的上层累积现象。

图3 和田市不同种植年限设施菜田0～60 cm 土层土壤EC 分布特征

讨论

氮是设施蔬菜生长过程中不可或缺的大量元素，而硝态氮是设施蔬菜吸收氮的主要形态。本试验结果表明，0～20 cm 土层硝态氮含量最高，且设施菜田剖面深度有一定的硝酸盐积累。这与刘庆芳等[13]的研究结果相同。由图2 可以看出，0～60 cm 土层硝态氮含量随着土壤深度的增加呈现出明显下降的趋势，0～20 cm 土层土壤硝态氮含量达到最高，出现明显的表聚现象，这主要由设施菜田的施肥方式、施肥深度以及施肥量导致。周建斌等[14]研究表明过量施用氮肥是引起土壤盐分累积的主要原因。对于不同种植年限0～20 cm土层，1a 设施菜田硝态氮浓度高于2a 和3a，可能主要与温室初建时大量施用有机肥、灌溉以及土壤外部环境的剧烈波动有关。除1a 外，土壤硝态氮含量表现出随种植年限的增长而升高的趋势，试验结果同周光涛等[5]和党菊香等[15]的结论一致，与杨红等[16]的研究结果略有不同，可能与土壤类型、种植作物种类以及肥水管理方式等有关，具体原因需要进行更深入的研究。本试验表明4a 设施菜田土壤硝态氮含量是1a、2a、3a 土壤的3～8 倍，说明设施菜田种植年限达到四年后，硝态氮含量出现了明显的“陡增”现象，这主要与4a 施用有机肥过多以及冲施水溶肥频率过高导致的。设施菜田土壤中硝态氮容易因设施内土壤水分蒸发被带到土壤表层，从而造成硝态氮在土壤表层积聚；频繁灌水也会造成硝态氮随灌溉水向下淋洗。硝态氮在设施菜田土壤表层的积聚很容易使农产品中硝态氮积累量超出食品安全标准[17]。因此，硝态氮在土壤表层的过量累积是一个十分值得关注的生态环境问题。

有效磷是土壤中可以被植物所吸收的磷组分，同时也是土壤中磷素养分供应水平高低的指标。本试验中0～20 cm 土层土壤有效磷含量显著高于20～40 cm、40～60 cm 土层。0～40 cm土层土壤有效磷含量随着土壤深度的增加而下降，且在0～20 cm 土层出现了明显累积。这是由于施入土壤中的磷元素主要累积在0～20 cm土层导致的，这与路超等[18]的研究一致。其中3a 土壤有效磷含量平均值达到29.23 mg/kg，分别是1a，2a 的11.69、3.12 倍。本试验结果表明随设施菜田种植年限的延长，土壤有效磷浓度呈增加的趋势，这与郑杰[10]的研究结果相一致。其中0～20 cm 土层4a 有效磷含量出现回落，其主要原因是由于种植4 年的设施菜田施用的有机肥为发酵牛粪。虽然发酵牛粪年施用量高达10～15 m3，但由于发酵牛粪有效磷含量远低于发酵鸡粪，再加之灌水较勤等管理因素，从而导致4a 有效磷含量低于3a。0～20 cm 土层1a 有效磷含量显著低于3a，4a，可能是由于新棚中施用的磷肥量较少并没有形成较大的积累。40～60 cm土层2a 有效磷含量显著高于1a、3a，这很可能是由于其施用有机肥以及磷肥总量高于其他种植年限导致的。40～60 cm 土层2a 有效磷含量明显高于其20～40 cm 土层，这是由于种植2 年的设施菜田灌水较勤，使得表层有效磷随着灌水向土壤深层进行淋溶。一些研究者提出设施菜田有效磷含量的丰缺指标为：60～100 mg/kg 为中，100～150 mg/kg 为高，低于60 mg/kg 为较低水平[19]。按照这一标准衡量，测定的8个日光温室土壤有效磷含量均处于较低水平，需要增施磷肥。因此，如何指导菜农合理施用磷肥，对设施土壤的可持续利用以及农产品的产量、品质有着重要意义。

土壤电导率反映了土壤盐分累积的情况。次生盐渍化是影响设施菜田生产的重要障碍性因子，它不仅破坏了土壤的理化性质，还会影响到农产品的产量及品质。次生盐渍化的产生主要是由于过度施肥使得土壤硝酸盐含量增加[10，16]及全盐含量积累，从而抑制设施内农作物的生长发育、降低农产品的产量以及品质[20]。本研究中，随着土层深度的增大土壤电导率呈现递减的趋势，土壤盐渍化主要发生在表层土壤中，表现为表层（0～20 cm）土壤电导率值明显高于深层（20～40 cm、40～60 cm）土壤，这与范庆锋等[21]研究一致。其主要原因可能是温室密封式的建筑构造，导致其缺少自然淋洗，加之温室内温度过高、蒸发量较大等特点，使土壤水分向上运动，从而导致表层土壤出现盐分累积[11]。本研究结果表明，随设施菜田种植年限的增加，土壤电导率呈增加的趋势，土壤有盐渍化的趋势，这与陈碧华等[22]的研究结果一致。其主要原因是设施菜田施肥量大于作物吸收量，过量施肥导致化肥转化物及其副成分残留，从而引起无机盐在土壤中累积[23]，再加上设施菜田复种指数高，随种植年限的增加，土壤中无机盐含量呈显著增加趋势。目前，化肥超施已成为设施菜田土壤盐类聚集的直接原因。因此，在今后的的生产中，制定合理的施肥方案和管理措施，对防止设施菜田土壤次生盐渍化以及设施土壤的可持续利用具有重要意义。