基于養分含量和生化性狀的南京城郊設施蔬菜土壤質量評價

江春玉，李忠佩，張 怡，李 明，劉 明

(中國科學院南京土壤研究所，土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

土壤具有為植物生長提供介質、調節與貯藏水資源、為土壤微生物和動物的活動提供支持以及作為環境緩沖器的服務功能，而土壤的這4項主要功能構成了土壤質量的基本要素。土壤質量的下降有時十分明顯，例如不合理的土地利用導致的土壤退化，但是通常這一過程很緩慢且難以察覺，往往在相當長的一段時間后才在農產品質量上顯現出來［1］。所以，勢必要建立土壤質量的評價體系用于指導農業措施和確保農業的可持續發展。

設施農業是農業實現大規模商品化、現代化的集中體現［2］，但是，設施土壤長期處在高復種指數、高施肥量、高溫高濕、高蒸發量、無雨水淋洗及反季節栽培等特殊環境下，其物理、化學和生物學性狀容易發生變化［3］。隨著設施栽培規模的不斷擴大，種植年限的不斷增長，設施土壤中出現的酸化板結、鹽漬化、養分失調、重金屬累積、微生物區系變化等現象日趨顯著［4-5］，深入了解設施土壤的質量變化顯得至關重要。至2008年末，南京市設施蔬菜總面積達1.067×104hm2，占全市蔬菜播種面積的11%左右，其中高檔鋼架大棚、高架防蟲網、連棟溫室等比例顯著提高［6］。因此，本文以南京近郊的蔬菜土壤為研究對象，測定其常見理化和生物學性狀指標，并采用主成分分析法進行土壤質量評價，以期為提出針對性的耕作管理措施和改善設施土壤質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選擇南京城郊鎖石、谷里、西寇、江心洲和滄波門5個代表性的蔬菜基地為采樣地點。5個蔬菜基地均以大、中棚為主，棚齡3～12年，江心洲地區土壤為灰潮土，其他地區土壤類型均為黃棕壤。

2011年1月至3月期間，根據作物種類和種植年限的差異，采用多點混合法在5個蔬菜基地分別采集 0～20 cm大棚土壤樣品6、4、4、3和3份，共計20份。同時各基地采集露天菜地土壤1份作為對照。土樣采回后揀去肉眼可見的植物殘體及石礫，取部分新鮮土樣過2.00 mm篩后，4℃保存;其余土樣室內風干，分別過2.00 mm、1.00 mm和0.25 mm篩后備用。

1.2 測試項目及方法

土壤pH值(土水比1∶2.5，質量體積比)采用pH計測定;土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定;土壤全氮含量采用開式法測定;土壤速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定;速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［7］。硝態氮、銨態氮含量采用2 mol/L KCl浸提［7］，連續流動分析儀(AA3，SEAL，英國)測定。土壤轉化酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定［8］，以 1 g土壤反應24 h后產生葡萄糖的毫克數表示;土壤脲酶活性采用靛酚比色法測定［8］，以1 g土壤反應24 h后產生NH3-N的毫克數表示。

土壤微生物生物量碳(Cmic):采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提取［9］，TOC 自動分析儀(Multi N/C3100，德國耶拿)測定，根據熏蒸和未熏蒸處理土壤提取液中有機碳含量之差，乘以系數2.64，求得Cmic。微生物商(Cmic/Corg)為微生物生物量碳含量與土壤有機碳的比值(%)。土壤微生物功能多樣性采用BIOLOGECO微平板測定;微生物碳代謝活性采用微平板每孔顏色平均變化率(AWCD)來描述;土壤微生物代謝多樣性采用功能多樣性指數(Shannon index)、優勢度指數(Simpson index)和均勻度指數(McIntosh index)來評價［10-11］。

1.3 數據分析

采用Excel 2003對試驗數據進行處理，用SPSS 15.0軟件對試驗數據進行描述性統計、相關性分析和主成分分析［12］。

2 結果與分析

2.1 土壤p H值和養分含量的變化

分析供試大棚和露天菜地耕層土壤的理化性狀，結果顯示，土壤pH值、有機質含量、全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量的變化范圍分別為4.33～7.48、19.4 ～ 50.2 g/kg、0.50 ～ 1.31 g/kg、24.6 ～344.9 mg/kg和124.2～550.5 mg/kg，硝態氮和銨態氮的范圍為22.0～555.7 mg/kg和3.7～176.8 mg/kg。土壤養分是土壤養分管理和合理施肥的基礎，其變異系數是土壤性質的內在反映，能夠區別不同土壤養分對外界條件的敏感性［13］。供試土壤pH值和養分指標的變異系數表現為銨態氮(136.2%)＞硝態氮(73.4%)＞速效磷(55.2%)＞速效鉀(43.5%)＞全氮(24.3%)＞有機質(22.3%)＞pH值(17.5%)，土壤速效養分對大棚使用、種植方式、施肥條件等環境因素變化更為敏感。

按照沈漢等提出的菜地土壤養分評價標準［14］，64%供試土壤的pH值處于優良狀態(5.5～7.5)，80%供試土壤的有機質含量達中上水平(＞30.0 g/kg)，而64%供試土壤的全氮含量較低(＜1.0 g/kg)，64%土壤的速效磷、96%土壤的速效鉀和64%土壤的硝態氮含量處于豐富狀態(分別 ＞90 mg/kg、＞150 mg/kg和＞100 mg/kg)，因此應適當降低南京城郊菜地肥料的投入。

比較各蔬菜基地間理化性狀的差異(表1)，江心洲地區大棚土壤的pH值高于其他地區，而有機質、全氮及速效養分含量均明顯低于其他地區，這可能與江心洲地區的土壤母質異于其他地區有關。谷里和鎖石地區大棚土壤的pH值顯著低于露天土壤，且低于大多數蔬菜適宜生長的pH 6.0～6.8［15］。與露天土壤相比，5個蔬菜基地設施栽培地土壤 pH值下降0.83個單位，表明設施栽培加速了土壤的酸化過程。土壤酸化可能與土壤環境局部變化及施肥的品種和數量有關［16］，可通過增施有機肥、減少酸性肥料和施用生理堿性肥料等措施調節土壤pH值。

由表1可知，大棚土壤的有機質和養分含量普遍高于露天土壤，在鎖石和谷里地區尤為明顯。供試菜地積累的速效態氮以硝態氮為主。相對于露天菜地，硝態氮和銨態氮在5個蔬菜基地設施栽培地的耕層土壤中有明顯累積，其含量分別是露天菜地的1.6倍和6.0倍，這是由設施大棚內土壤水分蒸發強烈、深層土壤速效氮隨水分上移而造成的。此外，蔬菜種植類型也是影響南京城郊土壤養分積累的重要因素，長期種植葉菜類蔬菜土壤(江心洲和滄波門地區)的全氮、速效磷、速效鉀、硝態氮和銨態氮含量低于茄果類蔬菜土壤(鎖石、谷里和西寇地區)。

表1 土壤pH值和養分含量Table 1 p H values and nutrient contents of the soil samples

2.2 土壤酶活性、微生物生物量和群落功能多樣性的變化

土壤酶活性能反映土壤營養物質的循環轉化以及各種農業措施的作用效果，是評價土壤肥力的重要指標之一［17］。結果(表2)顯示，谷里和江心洲地區大棚土壤轉化酶活性顯著高于露天土壤，其他地區大棚和露天土壤之間轉化酶活性無顯著性差異;谷里和滄波門地區大棚土壤脲酶活性顯著高于露天土壤，其他地區兩者無顯著差異;西寇地區大棚及露天土壤轉化酶和脲酶活性均高于其他地區。土壤脲酶活性的增加可能與大量和長期施用化肥氮有關。李粉茹等［18］認為土壤脲酶活性對菜地年齡和菜地類型的反應最敏感。

5個蔬菜基地設施土壤微生物生物量碳含量(Cmic)和微生物商(Cmic/Corg)分別比露天菜地低33.3%和51.6%，其中鎖石和西寇地區大棚土壤的Cmic含量和Cmic/Corg值均顯著低于同地區露天種植土壤(表2)。微生物商是反映生態系統變化及應變狀況的可靠的微生物參數，處于平衡狀態的土壤-植物系統中Cmic應為穩定值，在農業土壤中微生物商約為2.0% ～4.0%［19］。而本研究供試蔬菜土壤的微生物商普遍低于2.0%。較低的Cmic/Corg值可能意味著碳源的“平均可利用性”較低，即大部分碳源不易為微生物所利用，微生物的代謝活性也較低［20］。

微平板每孔顏色平均變化率(AWCD)可以表征微生物利用不同碳源的整體能力，由表2結果可知，培養96 h的AWCD趨于穩定，滄波門和谷里地區大棚土壤AWCD顯著高于露天土壤，而江心洲地區則顯著低于露天土壤。以96 h的AWCD數據進行微生物代謝多樣性分析，除滄波門地區外，其他地區設施大棚土壤的微生物物種豐富度、優勢度和均一度均低于同地區露天土壤。整體而言，與露天土壤相比，大棚土壤微生物物種豐富度和優勢度下降，設施栽培條件下土壤優勢微生物物種多樣性降低。

表2 土壤的酶活性、微生物生物量和群落功能多樣性Table 2 The enzyme activities，microbial biomass and community functional diversities of the soil samples

2.3 土壤理化性狀指標之間的相關性

對25個供試土壤樣品的性狀進行相關性分析，表3列出了棚齡、土壤pH值、有機質含量、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、硝態氮含量、銨態氮含量、轉化酶活性、脲酶活性、微生物生物量碳、微生物商、AWCD值、功能多樣性指數、優勢度指數和均勻度指數等16個指標之間的相互關系。可以看出，棚齡與土壤有機質、速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關，大棚種植年限的增加有利于土壤養分的積累。土壤pH值與轉化酶活性和微生物商呈顯著正相關，與速效磷和銨態氮含量呈極顯著負相關，可見大棚土壤pH值下降會降低土壤微生物代謝活性、提高磷的遷移率和銨態氮的穩定性。土壤速效鉀含量與有機質和全氮含量呈極顯著正相關，有機質含量的增加可以提高土壤膠黏吸附的鉀離子數量，從而增加土壤速效鉀含量。硝態氮、銨態氮與功能多樣性指數呈負相關，土壤中過高的速效氮含量會影響微生物的多樣性。表明AWCD值和均勻度指數與土壤有機質和速效鉀含量呈顯著正相關，表明供試土壤有機質含量的高低直接影響土壤微生物對碳源的利用和物種均一度。

表3 土壤理化性狀指標的相關性Table 3 Correlations between physical and chemical properties parameters of soil

2.4 土壤質量評價

主成分分析法是土壤質量定量評價中應用最為廣泛的數理統計方法［21］，可在復雜的土壤健康指標體系中篩選出若干個彼此不相關的綜合性指標，且能反映出原來全部指標所提供的大部分信息，因此本文采用主成分分析來綜合評價供試蔬菜土壤的土壤質量。選取棚齡、土壤pH值、養分含量、轉化酶活性、微生物生物量碳和土壤微生物多樣性等15個因子作為主成分分析的評價指標。對原始數據進行標準化處理，求出矩陣的特征值和特征向量，計算特征值的貢獻率和累積貢獻率(表4)。根據累積貢獻率≥85%的原則提取前5個主成分，5個主成分對于總方差的貢獻率分別是28.88%、25.77%、14.74%、10.57%和6.25%，累積貢獻率達到86.20%，即前5個主成分能把土壤全部指標提供信息的86.20%反映出來。因此，利用主成分分析供試土壤健康質量是可靠的。

土壤有機碳和全氮含量與土壤肥力水平密切相關;AWCD值、微生物優勢度和均勻度反映了土壤微生物多樣性特征;微生物商和功能多樣性指數反映了土壤微生物代謝活性和多樣性;pH值、棚齡等則反映了土壤目前所處的環境和速效養分狀況。在第1主成分上，土壤有機質、全氮、速效鉀、AWCD值、微生物優勢度指數和均勻度指數有較大的正值，在第2主成分上，pH、微生物商和功能多樣性指數有較大的正值，棚齡、速效磷、硝態氮、銨態氮有較大的負值(表4)。

表4 主成分分析結果Table 4 Results of principal component analysis

根據主成分計算公式Fk=ak1ZX1+ak2ZX2+……+akpZXp，其中:Fk為第k個主成分值，ak1、ak2……akp為系數矩陣，ZX1、ZX2……ZXp為原始變量經過標準化處理的值，可得到5個主成分與原15項指標的線性組合如下:F1=0.17ZX1+0.05ZX2+0.41ZX3+0.38ZX4+0.08ZX5+0.37ZX6+0.03ZX7+0.15ZX8+0.17ZX9+0.27ZX10+0.14ZX11+0.38ZX12－0.03ZX13+0.30ZX14+0.37ZX15，F2= － 0.23ZX1+0.38ZX2－0.12ZX3－0.12ZX4－0.34ZX5－0.21ZX6－0.30ZX7－0.33ZX8+0.07ZX9+0.22ZX10+0.32ZX11+0.13ZX12+0.37ZX13+ 0.31ZX14+0.09ZX15，F3=0.09ZX1+0.16ZX2+0.10ZX3+0.30ZX4+0.01ZX5－0.15ZX6+0.25ZX7－0.08ZX8+0.32ZX9+0.40ZX10+0.40ZX11－0.34ZX12－0.14ZX13－ 0.25ZX14－0.39ZX15，F4=0.07ZX1－0.29ZX2+0.23ZX3+0.07ZX4+0.50ZX5－0.12ZX6－0.13ZX7－0.26ZX8－0.56ZX9+0.23ZX10+0.18ZX11－0.06ZX12+0.33ZX13－0.01ZX14－0.06ZX15，F5= －0.62ZX1－0.42ZX2－0.13ZX3+0.06ZX4+0.08ZX5－0.25ZX6+0.15ZX7+0.47ZX8+0.09ZX9+0.11ZX10+0.22ZX11+0.05ZX12+0.04ZX13+0.19ZX14+0.04ZX15，

將標準化數據代入到以上公式，可得到25個土壤樣品分別在5個主成分上的得分。再根據F=ΣbjFj=b1F1+b2F2+…+bkFk，其中:F為綜合主成分值，F1、F2……FK為每個主成分值，b1、b2……bk為相應的貢獻率，得 F=0.288 8F1+0.257 7F2+0.147 4F3+0.105 7F4+0.602 5F5，從而求得綜合得分F(表5)。由結果可知，相比較而言，鎖石地區供試土壤間健康質量相差較大，而谷里和滄波門地區，同地區土壤健康質量差異不明顯，可見大棚蔬菜種類和種植方式的差異直接影響土壤質量的變化，增加種植蔬菜的種類和減少連作可防止或減緩大棚土壤質量的退化。5個蔬菜基地中，西寇地區土壤健康質量較好，適宜蔬菜生長;谷里和江心洲地區土壤綜合得分普遍較低，結合土樣分析結果可知，這2個地區的微生物生物量、代謝活性和微生物多樣性均較低，另外，谷里地區酸化明顯、速效養分含量較高，而江心洲地區土壤肥力水平較低，因此應根據土壤性質的變化，有針對性地采取改善設施土壤質量的措施。

表5 主成分綜合得分和供試土壤質量排名Table 5 Overall scores of principal components and ranking of soil quality

3 結論

(1)土壤酸化、速效養分積累、微生物多樣性降低是南京城郊設施菜地土壤的重要特征:與露天土壤相比，設施土壤的pH值下降0.83個單位，硝態氮和銨態氮含量分別提高63%和5.0倍，64%和96%土壤的速效磷和速效鉀含量處于非常豐富的狀態;設施土壤微生物物種豐富度和優勢度下降，設施栽培使土壤優勢微生物物種多樣性降低。

(2)棚齡與土壤有機質和速效磷鉀含量呈顯著正相關，表明設施年限的增加有利于土壤肥力的積累。土壤pH值與土壤轉化酶活性和微生物商呈顯著正相關，與速效磷和銨態氮含量呈極顯著負相關，設施土壤pH值下降會導致土壤微生物代謝活性的降低和磷素遷移率的增加。硝態氮、銨態氮與功能多樣性指數呈負相關，土壤中過高的速效氮含量會影響微生物的多樣性。

(3)主成分分析法可用于南京城郊蔬菜土壤質量的綜合評價，前5個主成分能反映15個土壤指標信息的86.20%。西寇地區土壤質量較好，適宜蔬菜生長;谷里和江心洲地區土壤綜合得分較低，結合土壤指標可知，這2個地區的微生物生物量、代謝活性和多樣性較低，另外，谷里地區酸化明顯、速效養分含量較高，而江心洲地區土壤肥力水平較低，因此應根據各地區土壤性質的差異，有針對性地采取防止土壤酸化，降低氮、磷、鉀肥投入，減少氮損失等措施以改善設施土壤質量。

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