常規、無公害和有機蔬菜生產模式對土壤性狀的影響

張阿克， 韓 卉， 楊合法， 李 季

(1.中國農業大學資源環境學院，北京 100193;2.中國農業大學曲周實驗站，河北 曲周 057250)

中國農產品分為無公害、綠色和有機3個等級。無公害農產品是國家農產品質量的基本保障，限量使用化肥和農藥;有機食品對產地環境、投入品和管理要求嚴格，禁止使用化肥和農藥。由于不同生產模式施肥種類和數量的差異，常規模式長期大量施用化肥，有機模式只施用有機肥，勢必會對土壤理化性狀帶來一定的影響。土壤理化性狀是研究土壤功能的基本指標和土壤肥力水平的內在條件，也是綜合反映土壤質量的重要組成部分［1-2］。本研究以中國農業大學曲周試驗站日光溫室蔬菜生產定位試驗為基礎，探討長期不同施肥條件下土壤理化性質變化情況，以期為合理施肥和調控土壤肥力提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

本試驗為日光溫室蔬菜生產長期定位試驗，于2002年3月在中國農業大學曲周實驗站(36°52'N，115°01'E)進行，實驗站位于河北省邯鄲市曲周縣北部，屬溫帶半濕潤季風氣候區，年均降雨量604 mm。試驗設計常規(Conventional)、無公害(Low-input)和有機(Organic)3種日光溫室蔬菜生產模式，溫室土壤為鹽化潮褐土。試驗采用的日光溫室為拱圓式，長52 m，寬7 m，占地面積約0.04 hm2。2002年3月試驗前土壤基礎養分狀況和2012年不同生產模式養分投入量分別見表1和表2。

表1 試驗前土壤基礎養分狀況Table 1 Essential nutrients condition of soil before experiment

1.2 土壤理化性狀的測定

1.2.1 土壤樣品與前處理 每個日光溫室分為3個小區，每個小區內按S型取樣，每5個點為一個混合樣，0～20 cm和20～40 cm兩個深度取樣。土樣取回后室溫下風干研磨，過0.25 mm和1.00 mm篩孔后進行測定。

1.2.2 土壤物理性質測定 土壤容重采用環刀法測定;土壤質地用激光粒度儀測定。

1.2.3 土壤化學性質測定 有機質用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定;全氮用半微量凱氏定氮法測定;全磷用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法測定;速效鉀用NH4Ac浸提火焰光度法測定;堿解氮用堿解擴散法測定;速效磷用Olsen方法測定;pH值用電位法測定。

1.3 數據處理與分析

數據經過Microsoft Excel 2010(Office win7)程序進行整理，數據變異性及方差分析使用SPSS v.20.0(SPSS，Chicago，USA)程序。當比較不同模式相關指標差異時，采用單因素方差分析-顯著性差異法(Tukey)進行多重比較，繪圖用Excel 2010進行。

2 結果與分析

2.1 3種生產模式下土壤容重變化

從圖1可以看出在0～20 cm土層，有機模式、無公害模式和常規模式土壤容重依次增大，并呈顯著差異，常規和無公害模式分別比有機模式土壤容重高44.2%和22.6%。20～40 cm土層常規模式土壤容重最大，無公害與有機模式土壤容重無明顯差異。0～20 cm土層常規、無公害和有機模式土壤容重分別比20～40 cm土層土壤容重高 10.1%、21.7%和1.47%，有機模式0～20 cm與20～40 cm土壤容重無明顯差異。

圖1 不同生產模式土壤容重Fig.1 Soil bulk density in different cropping systems

綜上所述，施入有機肥可以降低土壤容重，增加土壤通透性，提高植物根系穿透能力和土壤微生物的活性有利于養分和水分的移動，進而影響作物的生長發育，最終對產量造成影響［3］。而常規模式長期大量使用化肥，土壤相對緊實，不利于作物根系的生長。

2.2 3種生產模式下土壤質地變化

不同種植模式下土壤顆粒組成分析結果(表3)顯示，3種模式0～20 cm和20～40 cm土層黏粒含量在0～15%范圍內，粉砂粒含量在0～45%范圍內，砂礫含量在55% ～85%范圍內，3種模式各土壤顆粒類別含量均無明顯差異，土壤質地為砂質壤土。從2002年開始采用不同施肥方式管理，土壤質地沒有變化，土壤質地的類別和特點主要繼承了成土母質的類別和特點，土壤顆粒組成在短時間內受耕作、施肥條件的影響較小，是土壤的一個自然屬性。經過10年大量有機肥的投入，有機模式土壤顆粒組成與常規模式無明顯差異。有機和無公害模式下黏粒的含量高于常規模式下黏粒的含量，說明施入有機肥增加了土壤黏粒的含量，有利于提高土壤對水分和養分的保蓄能力。

表3 不同生產模式土壤顆粒組成Table 3 Composition of soil particles in different cropping systems

2.3 3種模式下土壤有機質含量的變化

由圖2可知，經過10年不同的施肥管理，3種模式0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機質都有增加趨勢，2012年3月蔬菜種植前常規、無公害和有機模式0～20 cm土層土壤有機質含量分別比試驗前增加了23.6%、116.8%和190.1%;2012年3月蔬菜種植前3種模式20～40cm土層土壤有機質含量分別比試驗前增加26.8%、90.7%和157.3%。2012年3月3種模式土壤有機質含量有明顯差異，有機模式土壤有機質含量最高，這與有機模式下每年施用大量有機肥有關，有機肥對土壤有機質含量的提升有直接貢獻。3種模式下隨著施用有機肥比例的增加，土壤有機質含量呈遞增趨勢，可見有機肥對于提升土壤有機質含量的作用高于化肥;常規模式下土壤有機質含量也有增加趨勢，并與種植前有明顯差異，說明施用化肥也能提高土壤有機質含量，主要原因是增加了作物殘留物。

圖2 不同生產模式土壤有機質含量的變化Fig.2 Changes of soil organic matter content in three cropping systems

在長期單施化肥條件下，化肥對土壤有機質含量的提升沒有直接貢獻，對土壤有機質含量的提高有直接貢獻的是有機肥的施用量和作物殘留物［4］。長期定位試驗結果顯示土壤有機質平均年增量基本是逐年減少，說明施肥和作物殘留物對提高土壤有機質含量的貢獻越來越少。

2.4 3種種植模式下土壤全氮含量變化

由圖3可知，常規、無公害和有機模式2012年3月蔬菜種植前0～20 cm土層土壤全氮含量分別比試驗前增加了23.2%、78.7%和166.8%，20～40 cm土層土壤全氮含量分別比試驗前增加了8.7%、58.2%和94.4%。土壤全氮含量的變化趨勢和有機質含量變化趨勢相同。氮肥提高土壤全氮含量的作用并不明顯，而有機肥在土壤中有明顯的凈殘留，有助于土壤全氮量的提高［5］。施入的氮肥除了被作物吸收利用外有部分損失，損失途徑主要有氨揮發、硝化-反硝化、淋洗，無明顯的凈殘留，因此施用氮肥對于提高土壤全氮含量的作用不明顯;施用有機肥增加了土壤中易礦化的有機氮含量，而且有利于晶格中固定的銨的釋放，提高土壤全氮量效果明顯。

圖3 不同生產模式土壤全氮含量的變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen content in three cropping systems

2.5 不同生產模式下土壤堿解氮含量的變化

從圖4可知，2012年常規、無公害和有機模式0～20 cm土層土壤堿解氮含量分別比試驗前增加了－6.47%、80.52%和108.40%，20～40 cm土層土壤堿解氮含量分別比試驗前增加了－7.33%、88.27%和169.82%;無公害和有機模式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤堿解氮都有增加的趨勢，而常規模式土壤堿解氮下降。常規模式土壤中堿解氮主要來源于投入的化肥，而2012年3月取樣是在上茬作物收獲后，下茬作物種植前，還沒有施入底肥。常規模式土壤速效養分主要來源于化肥，收獲后土壤中堿解氮無明顯的凈殘留，需要不斷地補充速效肥料來補充土壤的速效氮，而無公害和有機模式下投入了大量的有機肥，有機肥中有機質的礦化可以增加土壤中的堿解氮。有機模式能夠滿足生長周期長的作物后期養分的供應，常規模式在后期追施化肥才能滿足植物對氮肥的需求。

圖4 不同生產模式土壤堿解氮含量的變化Fig.4 Changes of soil alkaline hydrolytic nitrogen content in three cropping systems

2.6 不同生產模式下土壤全磷含量的變化

常規、無公害和有機生產模式0～20 cm土壤全磷含量從 2002年3月的 1.23 g/kg、1.25 g/kg和1.41 g/kg，分別增長到2012年3月的2.09 g/kg、2.04 g/kg和2.29 g/kg，分別增加69.6%、63.5% 和62.1%。常規、無公害和有機生產模式0～20 cm土層土壤全磷含量分別比試驗前增加了30.9%、76.8% 和57.1%，0～20 cm和20～40 cm土層3種模式土壤全磷含量無顯著差異，不同施肥處理都顯著提高了土壤全磷含量(圖5)。大量研究結果表明，長期施用化肥和有機肥都能提高土壤全磷含量，而有機肥提升效果并不明顯優于化肥，施用化肥和有機肥可以分別增加土壤中無機磷和有機磷的含量［6-7］。常規生產模式下由于底肥中施用了過磷酸鈣，土壤速效磷含量也增高，磷在土壤中移動性小， 重施磷肥后其殘留時間長，累積性強。

圖5 不同生產模式土壤全磷含量的變化Fig.5 Changes of soil total phosphorus content in three cropping systems

2.7 3種模式下土壤速效磷含量的變化

2012年常規、無公害和有機模式0～20 cm土層土壤速效磷含量分別比試驗前增加了42.3%、70.8% 和154.0%，20～40 cm土層土壤速效磷含量明顯低于0～20 cm土層土壤速效磷含量(圖6)。常規、無公害、有機生產模式20～40 cm土層土壤速效磷含量從2002年的35.0 m g/kg、17.1 mg/kg和33.3 mg/kg，分別增長到 2012年的 68.3 mg/kg、171.4 mg/kg和293.3 mg/kg，分別增加了117.9%、356.2%和671.2%。有機模式下土壤速效磷增幅最大，長期大量施用有機肥，明顯增加了下層土壤速效磷的含量，對地下水產生環境風險。

無論是施用磷肥還是有機肥，都能提高土壤速效磷的含量，但是有機肥的效果更加明顯，有機肥中主要含有易于分解的有機磷，而施用有機肥提高了土壤有機質含量和微生物多樣性，促進無機磷的溶解［8-9］。

2.8 3種模式下土壤速效鉀含量的變化

由圖7可知，經過10年不同的施肥管理，三種模式0～20 cm和20～40 cm土層土壤速效鉀含量都有增加趨勢。2012年3月蔬菜種植前常規、無公害和有機模式0～20 cm土層土壤速效鉀含量分別比試驗前增加了136.1%、56.3% 和138.5%，20～40 cm土層土壤速效鉀含量分別比試驗前增加了194.3%、289.8%和368.1%。0～20 cm土層土壤速效鉀含量有機模式最高，無公害模式次之，常規模式最低，這是由于一方面有機肥本身含有速效鉀，另一方面可能與長期施用有機肥提高了土壤有機質含量，土壤中有機質含量的提高有助于促進礦物鉀的釋放有關［10］。

2.9 3種模式下土壤pH值的變化

0～20 cm土層有機模式土壤pH值最大，無公害和常規模式pH值水平相當，3種模式無明顯差異;20～40 cm土層常規和無公害模式土壤pH值大于0～20 cm土層pH值，而有機模式20～40 cm土層pH值小于0～20 cm土層，3種模式也無明顯差異(圖8)。表明連續施用有機肥能保持土壤pH值的穩定，長期單獨或大量施用無機氮肥會導致土壤pH值下降。

土壤酸堿度受作物生長的影響，由于收獲的作物帶走了土壤中的鹽基陽離子，導致土壤pH值下降，土壤酸性增強［11］。長期施用氮肥，會降低土壤pH值。由于試驗前土壤為鹽堿地改造土，經過10年的不同施肥管理，土壤pH值變幅較小，常規和無公害模式土壤pH值有下降趨勢，有機模式土壤pH值略有上升趨勢。

3 討論

經過10年不同施肥管理，0～20 cm和20～40 cm土層土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀和有機質含量都有不同程度的提升，有機模式土壤養分提升幅度最大，這與 Sara 等［12］和劉暢等［13］的研究結果一致。在0～20 cm土層，常規模式速效鉀含量增加了136.1%，增幅最大;無公害和有機模式土壤有機質增幅最大，分別比試驗前增加了116.8% 和190.1%。國外很多長期定位試驗也都證明，有機種植模式下土壤的有機質含量較高，如瑞士糧草輪作有機農業定位試驗表明，經過21年的施肥管理，使用畜肥顯著影響了土壤的有機質含量［14］，本研究結果與此相符。在20～40 cm土層，常規模式速效鉀含量增加了194.3%，增幅最大;無公害和有機模式土壤速效磷增幅最大，分別比試驗前增加了356.2% 和368.1%。土壤磷、鉀含量呈逐年上升趨勢主要是因為大部分磷、鉀在土壤中以難溶或固定形態存在，遷移以擴散方式為主，施入的養分保留在土壤中的較多而流失的較少。

2012年3 種模式下土壤容重及全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量均有顯著差異，但3種模式土壤全磷含量和土壤質地無明顯差異。2012年有機模式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機質含量，全氮、全磷及速效氮、磷、鉀含量明顯高于常規模式和無公害模式。有機模式土壤容重最小，表明有機生產模式在提高土壤養分、降低土壤容重方面優于常規模式。有機模式土壤pH值較穩定，常規和無公害模式土壤pH值有下降趨勢。

從養分循環的角度而言，本試驗只測定了土壤中的養分含量，還應該測定包括肥料、植株、果實、淋洗水以及以其他形式損失的氮、磷、鉀的量，通過計算得出每種生產模式的養分平衡表，為確定科學的施肥量提供依據。

有機模式下每年投入的有機肥量比較大，純氮的施用量遠遠大于歐盟有機蔬菜生產氮肥限量施用標準(170 kg/hm2)，對地下水產生了一定的環境風險。

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