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江苏沿江地区菜地土壤肥力评价及环境风险分析

2024-07-03张琦刘新红马啸驰罗佳马艳

江苏农业科学 2024年10期
关键词:环境风险模糊数学土壤养分

张琦 刘新红 马啸驰 罗佳 马艳

doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.032

摘要:菜地土壤集约化利用程度高,容易出现养分不平衡和过量积累等问题,从而严重影响蔬菜产业的可持续发展。为摸清江苏沿江地区菜地土壤的肥力水平,运用主成分分析和隶属度函数相结合的模糊数学评价方法,分析江苏沿江地区露地和设施菜地土壤的养分状况,并进行环境排放风险分析。结果表明,露地菜地土壤的有机质、硝态氮含量明显低于设施菜地土壤。与露地土壤相比,设施菜地土壤的电导率、氮磷养分含量均明显提高,其中有19.31%达到超高盐度水平,次生盐渍化严重,同时全氮、全磷平均含量为2.32、1.61 g/kg,均存在过量累积现象。菜地土壤的综合肥力整体处于中等水平,其中有46.88%的露地土壤综合肥力偏低,有机质、速效氮是其限制因子。设施菜地土壤有很高的氮磷流失风险,露地土壤存在磷素流失风险。据此,江苏沿江地区露地蔬菜土壤应增施有机肥,减少化肥使用量,使用缓释氮肥;设施土壤应减少氮磷肥施用。江苏沿江地区设施菜地土壤的综合肥力良好,主要问题是设施土壤盐渍化以及土壤氮磷养分过量累积;露地土壤的有机质、速效氮含量偏低且有酸化趋势。环境风险分析表明,江苏沿江地区的设施蔬菜土壤比露地土壤更容易发生氮磷流失风险,露地土壤容易发生磷素流失风险。

关键词:设施与露地蔬菜;模糊数学;土壤养分;土壤综合肥力评价;环境风险

中图分类号:S158  文献标志码:A

文章编号:1002-1302(2024)10-0234-07

收稿日期:2023-06-19

基金项目:国家重点研发计划(编号:2021YFD1700803)。

作者简介:张  琦(1998—),女,河南信阳人,硕士研究生,主要从事菜地土壤养分流失管控研究。E-mail:qizhang0420@163.com。

通信作者:马  艳,博士,研究员,主要从事土壤改良与功能肥料研究。E-mail:myjaas@ sina.com。

我国蔬菜产业发展迅速,生产规模位居世界第一。截至2019年,我国蔬菜播种面积达到2 087万hm2,产量为7.21亿t[1]。保障蔬菜产业平稳持续发展,对全面推进乡村振兴、提高农民收入具有重要作用。江苏省素有“山水江南,鱼米之乡”的美誉,2021年其蔬菜产量达5 856.57万t,年同比增长2.2%,居于全国第三[2]。江苏沿江地区河湖纵横,水资源丰富,发展农业优势得天独厚,是蔬菜产业集中分布的区域[3]。2021年南京、扬州、镇江、泰州、常州、无锡、南通、苏州等江苏沿江地区的蔬菜种植面积合计占全省蔬菜总种植面积的37.44%[4]。

土壤养分直接影响蔬菜的产量和品质。实际生产中为了更高的经济效益会大量施用化肥、有机肥等,加上长年连作等不合理的土地利用与耕作管理措施,导致土壤次生盐渍化、酸化、养分过量积累、蔬菜硝酸盐含量增加、土传病虫害增多等问题,也易造成水体污染[5-8]。韩沛华等研究发现,长三角地区设施菜地土壤酸化、盐渍化问题严重,养分积累明显[9]。沪郊菜地土壤也呈富营养化[10]。江苏省宜兴市典型大棚和露地蔬菜土壤的有效磷在表层过量累积[11]。西苕溪流域的露地菜地、设施菜地土壤的氮磷含量偏高[12]。太湖流域2019—2021年间菜地系统的氮、磷流失风险最高[13]。江苏沿江地区河湖众多,其菜地养分过量累积,对地下水及地表水形成的污染风险巨大。近年来江苏沿江地区由于种植方式、经营模式的转变,规模化种植日渐增多,不同种植户在施肥技术、施肥量、施肥种类方面相比以往也发生了较大转变,但对菜地土壤肥力评价及环境风险的相关研究尚不多见。

土壤综合肥力评价方法有主成分分析法、模糊综合评价法、内梅罗指数法、聚类分析法等[14-17],不同评价方法的侧重点不同,其评价结果所反映的意义也不相同。将模糊数学方法、多元统计方法运用到土壤肥力评价中,能提高土壤肥力评价的定量化和科学性[18]。而当前运用模糊数学法评价蔬菜土壤综合肥力的相关研究较为有限[19-20]。

本研究基于模糊数学方法对江苏沿江地区蔬菜主产区的设施和露地土壤肥力现状进行综合评价,并对环境风险进行分析,旨在了解江苏省沿江蔬菜种植区的土壤肥力丰缺状况,以期为蔬菜土壤养分管理和科学施肥提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  土壤采集及处理

2022年8—9月在南京、扬州、镇江、无锡、苏州等江苏省长江沿岸地区的典型蔬菜地进行0~20 cm 耕层土壤采样,设施菜地、露地菜地的样本采集量分别为145、96个。土壤样品去除杂物后,经自然风干,过100、20目筛,混合均匀后用于土壤指标测定。

1.2  测定项目及方法

土壤样品测试指标为酸碱度、电导率和有效磷、硝态氮、铵态氮、有机质、全氮、全磷、速效钾含量。土壤酸碱度、电导率均采用5 ∶1水土比测定;土壤有效磷含量采用碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定;土壤硝态氮、铵态氮含量采用氯化钾溶液浸提、流动分析仪测定;有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸氧化(外加热法)、硫酸亚铁滴定法测定;全氮含量采用凯氏定氮法测定;全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定[21]。

1.3  土壤肥力评价方法

1.3.1  土壤单项指标分级标准

参照第二次全国土壤普查结果及相关文献[19,22],确定菜地土壤酸碱度、电导率及有效磷、硝态氮、铵态氮、有机质、全氮、全磷、速效钾含量分级参考标准,详见表1、表2、表3。

1.3.2  土壤综合肥力评价

以土壤酸碱度、电导率及有效磷、硝态氮、铵态氮、有机质、全氮、全磷、速效钾含量作为土壤肥力综合评价指标。根据土壤肥力指标与作物生长效应曲线[19,23],酸碱度、电导率采用抛物线形隶属度函数:

f(x)=0.1,        x

0.9(x-x1)x3-x1+0.1,x1≤x

1.0,x3≤x≤x4

1.0-0.9(x-x4)x2-x4 ,x4

有效磷、硝态氮、铵态氮、有机质、全氮、全磷、速效钾含量采用“S”形隶属度函数:

f(x)=0.1,        x

0.9(x-x1)x2-x1+0.1,x1≤x

1.0,x≥x2。(2)

式中:f(x)为土壤各肥力指标的隶属度值,x1、x2、x3、x4分别为隶属函数的各个拐点。根据全国第二次土壤普查肥力等级和主成分分析法,确定公式(1)(2)中的拐点值及各因子权重(表4)。

将土壤各肥力指标的隶属度值与权重系数相乘,加和后即为土壤综合肥力评价指数IFI (3)。

IFI=∑ni=1Fi×Wi。(3)

式中:IFI为土壤综合肥力评价指数;Fi为第i个评价指标的隶属值;Wi为第i个评价指标的权重系数[23]。

1.4  氮磷流失风险评价

根据前人的研究结果,以土壤硝态氮含量 100 mg/kg、有效磷含量100 mg/kg作为氮磷流失临界值[19],计算不同栽培模式下菜地土壤中硝态氮、速效磷超过临界值的概率,公式为

Pi=UiNi。 (4)

式中:Pi为氮或磷的流失概率;i=1,2,分别代表露地、设施菜地土壤的2个类别;Ui为i组中硝态氮或有效磷超过临界值的样本数;Ni为i组的总样本数。Pi越大就表明流失风险越高。

1.5  数据统计与分析

试验数据采用Excel 2021软件处理,显著性差异和主成分分析由 SPSS Statistics 25.0 完成,用Origin软件作图。

2  结果与分析

2.1  江苏沿江地区菜地土壤养分统计特征值分析

2.1.1  土壤酸碱度

从表5可以看出,露地和设施土壤酸碱度变幅均处于强酸性和碱性之间,但绝大部分处于微酸性和中性(露地76.05%,设施82.07%)。从酸化程度看,露地土壤酸碱度均值低于设施土壤,但是,属于强酸性、酸性的露地土壤比设施土壤多9.47百分点,表明当前露地蔬菜土壤酸化程度比设施土壤的高。

2.1.2  土壤电导率

从表6可以看出,露地土壤的电导率普遍低于设施土壤。露地蔬菜土壤中,97.92%的土壤处于低盐度水平及以下,有1.04%的土壤处于超高盐度水平。设施蔬菜土壤中,有60.69%的土壤处于低盐度水平及以下,19.31%的土壤处于超高盐度水平。露地蔬菜土壤电导率平均值(213.78 μS/cm)小于设施蔬菜土壤 (640.05 μS/cm)(P<0.05)。设施土壤较露地土壤更容易出现盐渍化问题。

2.1.3  土壤有效磷、硝态氮、铵态氮、有机质、全氮、全磷、速效钾含量分析  从表7、表8可以看出,露地蔬菜土壤的有效磷平均含量为96.46 mg/kg,其中有41.67%的土壤有效磷处于较高及以上水平,23.96%的土壤处于低及以下水平。设施蔬菜土壤有效磷平均含量为153.19 mg/kg,较露地蔬菜土壤提高56.73 mg/kg,处于较高及以上水平的土壤占比增加至69.66%,低及以下水平的土壤占比减少到6.90%。

设施蔬菜土壤的硝态氮平均含量为118.55 mg/kg,是露地土壤(52.20 mg/kg)的2.27倍,并且31.72%的硝态氮含量达到高含量水平。露地土壤硝态氮含量仅有2.08%处于高含量水平,而有35.42%处于极低水平。

设施蔬菜土壤铵态氮平均含量(16.14 mg/kg)与露地蔬菜土壤接近(16.07 mg/kg),居于中等含量水平以下的比例大。露地土壤中,有72.92%的铵态氮含量低于20 mg/kg,未发现有土壤样品铵态氮含量处于高水平。设施蔬菜中,有78.62%的土壤铵态氮含量低于20 mg/kg,居于高含量水平的有3.45%。

露地蔬菜土壤有机质含量平均值为20.80 g/kg,整体居于中等水平,设施蔬菜土壤有机质含量平均值提升至32.07 g/kg,达到较高水平。设施蔬菜土壤有机质含量变异大(变异系数为42.06%),最高值达到72.37 g/kg,27.59%样本处于高水平,3.45%的样本处于极低水平。

设施蔬菜土壤的全氮含量高于露地菜地。与露地蔬菜土壤相比,设施土壤全氮含量平均值提高0.76 g/kg,整体处于较高水平及以上,其中有59.31%的土壤全氮含量在2.00 g/kg及以上,仅3.45%的土壤全氮含量处于低水平及以下。露地蔬菜土壤全氮含量平均值为1.56 g/kg,其中50.00%的土壤全氮含量处于中等及以下水平,而全氮含量在2.00 g/kg及以上的仅有19.79%。

露地蔬菜土壤和设施蔬菜土壤全磷含量整体处于高水平,平均值在1.00 g/kg以上。设施菜地土壤全磷含量高于露地,设施土壤全磷含量平均值为1.61 g/kg,较露地土壤提高0.59 g/kg,86.90%的土壤全磷含量在较高水平及以上,达到高含量水平的土壤占比77.93%,极易发生磷素流失风险。露地土壤全磷含量平均值为1.02 g/kg,64.59%的土壤全磷含量处于较高及以上水平。

设施蔬菜土壤速效钾平均含量为372.95 mg/kg。与露地土壤相比,设施土壤速效钾含量处于高水平的偏多,为49.66%,高14.24百分点。露地蔬菜土壤速效钾平均含量为258.58 mg/kg,处于较高水平,其中有15.63%的土壤速效钾含量处于极低水平。

2.2  菜地土壤综合肥力评价

2.2.1  隶属度

通过雷达图反映土壤各指标的平均隶属度值。由图1可以看出,在露地土壤中,土壤电导率、铵态氮含量隶属度函数值最小,平均值仅为0.10,硝态氮含量次之,平均值为0.12。针对设施土壤,土壤铵态氮含量隶属度函数值最小,平均值为0.10。土壤酸碱度和全磷、速效钾含量隶属度函数值在菜地露天、设施土壤均较高,平均值均大于0.70。土壤全磷含量隶属度函数值在露地、设施蔬菜土壤中,都始终保持最大值1.0。

2.2.2  土壤综合肥力指数

基于模糊数学、多元数理统计分析原理,对不同栽培方式下的土壤综合肥力状况进行综合评估。土壤综合肥力指数越接近1,表明土壤综合肥力越好。由表9可知,对于露地土壤,土壤综合肥力指数变幅在为0.11~0.93,仅有10.42%的土壤综合肥力处于优秀水平,16.67%的土壤肥力良好,肥力水平中等及以下的土壤占72.92%,其中肥力处于差水平的土壤占10.42%。设施土壤肥力水平相对露地土壤明显提升,土壤综合肥力指数变幅为0.12~1.00,土壤综合肥力水平处于优秀的占比达24.14%,肥力水平在良好的土壤占比增加至36.55%,仅有2.76%的土壤综合肥力处于差水平。

2.3  调研区土壤氮磷养分环境风险分析

根据硝态氮含量100 mg/kg、有效磷含量 100 mg/kg 作为氮磷流失临界值[19],露地土壤、设施土壤的氮素流失概率分别为0.16、0.45,磷素流失概率分别为0.42、0.70。设施土壤的氮磷流失风险较高,而露地土壤则是存在较高的磷流失风险。

3  讨论

3.1  江苏沿江地区土壤肥力状况分析与综合评价

通过对江苏沿江地区蔬菜主产区土壤化学性状的测定分析, 发现江苏沿江地区的设施菜地土壤综合肥力指数平均值达到0.64,明显高于苏北地区的设施土壤综合肥力指数(平均值为0.5)[19],土壤综合肥力良好。

酸化、盐渍化、养分盈余是菜地土壤常见的生产问题[5]。本研究区域内,露地、设施蔬菜土壤的养分和肥力状况存在酸化、盐渍化、氮磷养分高度累积的问题,但发生程度各有不同。曾路生等研究表明,多数蔬菜适宜在微酸性及中性(pH值为6.0~6.8)土壤中生长[24]。江苏沿江地区菜地土壤酸碱度大多数呈微酸性或中性,说明调研区域的大部分土壤适合蔬菜种植(表5),但是仍有21.88%的露地土壤和12.41%的设施土壤表现为酸化,土壤酸化问题仍需要持续关注。

调研区设施菜地土壤盐渍化较为严重,29.65%的土壤样品电导率处于高盐度及以上水平。从平均值来看,设施菜地土壤电导率是露地土壤的2.99倍,19.31%的设施土壤的电导率达1 000 μS/cm及以上,这不仅与化肥投入比例高、有机肥施用少有关,同时由于设施土壤自身的半封闭特性,缺少降水淋洗,养分在其土壤表层积累,导致土壤盐渍化程度更高[12]。

调研区设施菜地土壤的有效磷、全氮、全磷、速效钾含量总体处于中上水平。相关研究表明,在习惯施肥模式下,N、P的潜在流失率分别达到53.2%、89.88%[25]。调研区内59.31%的土壤全氮含量在2 g/kg及以上,77.93%的土壤全磷含量在 1 g/kg 及以上,表明设施土壤氮磷养分严重累积,但磷素积累程度更高,容易造成磷流失风险;畜禽粪便有机肥施用量过量,可能是磷素累积的主要原因[26]。今后应注意减少磷肥尤其是高磷含量有机肥的施入。本研究中,设施蔬菜地土壤的硝态氮含量普遍比露天菜地的高,与龙卫国等的结论[27]一致。但设施蔬菜土壤硝态氮含量平均值高达118.55 mg/kg,警示调研区地下水水体可能存在较高的污染风险[9]。露地土壤硝态氮含量普遍处于中等及以下水平,可能是由于采样期在夏季,自然降水导致露地土壤硝态氮部分淋出土体[28-29]。

相对于设施土壤,江苏沿江地区的大多数露地蔬菜土壤有机质含量过低,未达到蔬菜种植所需要求。史艺杰等认为,土壤有机质含量低与有机肥投入不足有关[30]。有调研发现,农户对于肥料的选择倾向于短期高效的化肥,轻视有机肥,只有少数农户施用有机肥[31]。设施土壤由于种植高附加值的果蔬,种植户普遍重施有机肥,土壤有机质含量处于高水平的有27.59%,这也可能是导致设施土壤磷素累积的重要原因[32]。

总的来看,相对于设施土壤,调研区露地蔬菜土壤综合肥力指数处于中等水平以下的占46.88%,占比接近一半,即土壤综合肥力差,表明露地蔬菜土壤存在施肥不足问题。根据各指标的隶属度值结果,露地土壤肥力限制的主要因子是有机质、速效氮含量。相反,24.14%的设施土壤综合肥力处于优秀水平,需要适当减少养分投入,调整养分投入结构,降低磷养分投入比例。

3.2  环境风险分析

调研区养分状况表明,氮磷养分过量累积可能导致氮磷流失风险,从而引发水体富营养化[6]。土壤氮磷流失程度受多方面的影响,不同区域的土壤氮磷流失的临界值也有所不同。氮素的流失形态主要是以土壤硝态氮为主,因此土壤的硝态氮含量反映土壤氮素的流失风险[33]。西苕溪流域的露地、设施菜地土壤的磷素流失阈值较高,分别为102.7、128.7 mg/kg,土壤磷素的阈值与土壤酸碱度有关[11],本研究里磷素流失阈值较低,可能是由于该地区土壤酸碱度比其他区域较高。本研究将土壤硝态氮含量100 mg/kg、有效磷含量100 mg/kg作为土壤氮磷流失的临界值[19]。露地土壤、设施土壤中,分别有16%、45%的样点超过氮素流失阈值,42%、70%的样点超过磷素流失阈值,表明江苏沿江地区的设施菜地土壤较露地土壤更易发生氮磷流失,而露地菜地土壤容易发生磷素流失。

3.3  施肥建议

为了保证蔬菜稳定及优质生长,应当在施肥过程中针对土壤的养分现状和蔬菜养分实际需求施肥;而种植者为了追求高产量盲目施肥,使得土壤养分在表层积累,造成土壤盐渍化,既影响蔬菜正常生长,又加剧水体污染的环境风险。针对设施土壤的盐渍化问题,应减少化肥投入,使用低磷含量的有机肥[8];也可以通过施用土壤调理剂和微生物菌肥改善土壤[34]。设施土壤存在氮磷养分累积现象,而露地土壤的有机质和速效氮含量偏低,土壤出现酸化趋势。据此,江苏沿江地区露地蔬菜土壤应增施有机肥,减少化肥使用量,使用缓释氮肥,也可以配施硝化抑制剂,降低土壤硝态氮含量;设施土壤应减少氮磷肥施用。

4  结论

江苏沿江地区设施菜地土壤的综合肥力良好,主要问题是设施土壤盐渍化以及土壤氮磷养分过量累积;露地土壤的有机质和速效氮含量偏低且有酸化趋势。环境风险分析表明,本调研区的设施蔬菜土壤比露地土壤更容易发生氮磷流失风险,露地土壤容易发生磷素流失风险。

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