不同施肥類型下設施農業土壤質量的累積特征

曾艷++李征++張靜涵++安樹青++冷欣++李寧

摘要：以江蘇省南京地區設施農業土壤為對象，研究了施化肥為主和施有機肥2種施肥類型下，設施農業土壤的基本性質和養分含量在縱向剖面的累積特征。結果表明：設施農業中，施化肥為主表層土壤酸化現象明顯，施有機肥表層土壤鹽漬化現象明顯。2種施肥類型下表層土壤各養分含量均顯著高于露天土，施有機肥耕作方式在提高土壤養分方面整體優于施化肥為主。設施農業土壤在縱向剖面累積特征明顯，施化肥為主的酸化現象在0～20 cm土層明顯，鹽分含量在各土層中穩定，土壤全氮、全磷含量同時出現表層聚集和向下遷移的特征，其中底層累積更為明顯；施有機肥耕作方式下土壤酸化主要集中在20～60 cm，土壤鹽分、全氮、全磷含量變化均在0～20 cm土層累積較多。設施農業中長期高投入的施肥，無論施化肥為主或有機肥為主，土壤均出現不同程度的酸化、鹽漬化和養分累積現象，因此設施農業中應采取合理施肥措施，減少持續施肥時間較長區域的有機肥、氮肥、磷肥的施用量，以改善土壤質量惡化狀況。

關鍵詞：設施農業；有機肥；化肥；養分；累積

中圖分類號： S158文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0465-05

收稿日期：2015-04-30

基金項目：公益性行業（環保）科研專項（編號：20110918）。

作者簡介：曾艷（1989—），女，貴州德江人，碩士研究生，從事濕地生態多樣性研究。E-mail：zengyan2206@163.com。

通信作者：李寧，博士后，從事群落生態學研究方向。E-mail：lining196@126.com。設施農業是通過現代農業工程和技術改變自然環境，使植物獲取生長所需的溫度、濕度、光照、水肥等條件，進而達到有效生產并獲得較高產出的農業[1]。設施農業因其單產高、受季節影響小等優點，可大幅提高土地利用效率，有效解決人多地少地區的農業持續發展問題，是我國蔬菜生產的重要方式之一[2]。在設施農業高投入、高產出的生產模式下，人們往往忽視了由此產生的環境問題，尤其是土壤環境質量惡化，它不僅影響了設施農業可持續發展，也對農產品安全及生態環境造成了不利影響[3]。設施農業高溫、高濕、高蒸發、無雨水淋溶的特性容易誘發土壤質量問題的產生，土壤酸堿性變化、鹽分積累、養分富集、蔬菜品質下降甚至導致部分種植年限較長的大棚不適宜蔬菜生產[4-6]。不同類型肥料合理施用對于保障設施農業土壤環境健康具有重要意義。化肥是采用化學或物理方法制成，含有農作物生長需要的一種或幾種營養元素，施用見效快，但容易造成土壤質量下降、營養失調，加劇土壤磷、鉀的耗竭，導致硝態氮累積[7]。有機肥通常是指農牧業的廢棄物（包括動植物的殘體、糞便等）經過發酵、腐熟等過程制成的肥料，不僅含有植物所必需的大量元素、微量元素，還含有豐富的有機養分，能促進土壤中微生物的繁殖，是改善土壤理化性質的重要物質，對提高土壤肥力、作物產量和品質及增強作物抗逆性具有重要作用，其缺點是肥效慢[8-10]。李吉進等研究表明，施用適量有機肥可以提高蔬菜產量，降低蔬菜硝酸鹽含量[11]。劉樸方等研究表明，有機肥更有利于改善土壤性質[12]。基于有機肥在保肥養地等方面的良好作用，設施菜地有機肥的施用量不斷增加[13]。本研究通過比較不同施肥類型下設施農業土壤質量狀況，分析長期施用化肥為主或有機肥條件下土壤化學性質和養分的縱向剖面累積特征，以期為設施農業土壤肥料的合理利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

江蘇省南京市地處我國東南部長江下游，屬于北亞熱帶季風氣候區，四季分明，降水充沛，年平均溫度16.2 ℃，年平均降水量1 298.4 mm，市域面積6 587 km2，行政區劃包括11 區2 縣。其中，江寧區試驗區是長期種植水稻而形成的水耕人為土，經營方式主要為公司經營和分散式農戶承包，設施種植年限集中在7～8年，底肥以化肥為主，輔以少量農家肥，每年施2～5次，各種化肥的季總施用量為2 000 kg/hm2。追肥以復合肥、尿素為主，追肥1～2次，追肥中復合肥的季施用量為600 kg/hm2，尿素的季施用量為450 kg/hm2。溧水區試驗區以黃泥土為主，是一個成立于2002年的有機蔬菜生產公司，底肥與追肥均施用生物有機肥，每季施用量達3 300 kg/hm2。

1.2樣品采集

供試土壤樣品采集于2011年12月，根據每個大棚的實際大小，在均勻分布點原則基礎上，通過多點法（3～5點）采集表層土壤（0～20 cm），將混勻的鮮土用四分法留取1 kg 左右，裝入聚乙烯塑料袋，標記密封，帶回實驗室。共采集表層土壤樣品90個，其中設施菜地78個，露天菜地（種植過程中不使用塑料大棚和地膜覆蓋的區域）樣本12個。設施菜地土壤樣品中以化肥為主54個，有機肥24個。同時，為了進一步研究設施農業土壤縱向剖面的化學性質以及氮、磷累積特征，在表層土壤取土附近，對可能產生污染來源的區域隨機選取27個不同施肥類型樣點。利用土鉆多點鉆取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深5層土樣，分別將同一大棚同一土層土樣混勻裝袋，密封保存，帶回實驗室進行測定。設施農業不同剖面土壤樣品中以化肥為主15個，有機肥7個，露天土5個。

1.3樣品分析

野外采集的土壤樣品經風干后，在室內剔除石塊、植物根莖等雜質，研磨后分別過10、60、100目篩，供土壤樣品分析。其中，表層（0～20 cm）土壤測定pH值、EC值、有機質含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量等指標；剖面（0～100 cm）土壤測定不同土層土壤樣品的pH值、EC值、全氮、全磷含量。采用常規方法[14] 測定所有指標。采用玻璃電極法測定pH值；采用電導率儀法測定電導率（EC）；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機質含量；采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定土壤有機質含量；采用高氯酸-硫酸消化-凱氏定氮法測定全氮含量；采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用乙酸銨提取-火焰光度法測定有效鉀含量。

1.4數據分析

采用Excel 2010、SPSS 19.0軟件處理與分析數據，非參數Kolmogorov-Smirnov檢驗數據分布規律，運用非參數檢驗中2個或多個獨立樣本分析，通過Kruskal-Wallis單因素ANOVA成對比較進行顯著性檢驗，α=0.05。

2結果與分析

2.1不同施肥類型表層土壤pH值與EC值

設施農業中施有機肥的表層土壤pH值最高，其平均值接近中性水平，與露天土差異不顯著。施化肥為主的表層土壤pH平均值為5.12，顯著低于有機肥和露天土（圖1）。不同施肥類型下表層土壤EC值由高到低依次為有機肥>化肥為主>露天土。設施農業土壤EC值顯著高于露天土。其中，施有機肥的土壤EC值最高，為1.78 mS/cm，分別是施化肥為主和露天土土壤EC值的4.6倍、5.1倍。

2.2不同施肥類型表層土壤各養分含量的特征

由表1可以看出，設施農業中施有機肥、施化肥、施霧天圖土壤的有機質含量范圍分別為23.46～65.04、20.05～3999、11.69～42.29 g/kg。施有機肥表層土壤的有機質含量顯著高于施化肥和露天土。

設施農業和露天土表層土壤全氮和速效鉀含量的變化規律與有機質含量的變化規律一致。設施農業表層土壤的含氮量和速效鉀含量均高于露天土。其中，施有機肥土壤全氮的平均含量為2.45 g/kg，顯著高于施化肥為主和露天土。施有機肥土壤速效鉀的平均含量為0.84 g/kg，分別是施化肥為主和露天土速效鉀含量的2.9倍、3.2倍。不同施肥類型下表層土壤全磷含量和有效磷含量變化規律一致。設施農業中2種施肥類型的全磷含量、有效磷含量均顯著高于露天土，2種施肥類型間全磷含量、有效磷含量均無顯著差異。施化肥為主的土壤全磷含量變異系數較大，其次為露天土，施有機肥土壤最低。有效磷含量方面，施化肥為主的表層土壤最高，其次為施有機肥土壤，露天土有效磷含量最低。

2.3不同施肥類型下設施農業土壤pH值、EC值

由圖2可知，設施農業土壤pH值縱向累積的變化比露天土壤更加劇烈。施化肥為主土壤pH值在0～20 cm土壤酸化現象明顯，且pH值隨土壤深度的增加而升高。其中0～20 cm 的土層pH值為5.53，明顯低于20～40 cm土層的pH值。20～40 cm及更深土層40～60 cm和 60～80cm間pH值差異不大。施有機肥土壤的縱向累積狀況與施化肥為主土壤相反，0～60 cm土壤pH值隨著土層深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤pH值為6.72，20～40 cm土壤pH值為652，40～60 cm土層土壤pH值為6.15，60～80 cm土層土壤pH值為6.65。

由圖2可知，設施土壤中施化肥為主的土壤EC值隨著土層深度的增加變化不大。施有機肥土壤的土壤EC值在不同土層深度中的變化規律近似“S”形曲線，且EC值在各土層深度均高于施化肥為主土壤。其中，0～60 cm剖面施有機肥土壤EC值隨著土層深度的增加逐漸降低，由0～20 cm的 0.69 mS/cm 降低到40～60 cm的0.35 mS/cm，在60～80 cm土層深度EC值又有所增加，是同等土層施化肥為主土壤的2.4倍。80～100 cm土層EC值相較60～80 cm有所降低，為0.43 mS/cm。

2.4不同施肥類型下設施農業土壤全氮、全磷含量

由圖3可知，設施農業中施有機肥和化肥為主土壤全氮、全磷平均含量在各土層均高于露天土。0～20 cm土層深度施有機肥全氮、全磷含量分別是同等土層施化肥為主的12倍、1.1倍。施有機肥土壤全氮、全磷含量隨著土層深度的變化呈現近似“S” 形變化曲線，0～60 cm土壤隨著土層深度的增加，全氮、全磷的含量相應減少，40～60 cm土壤的平均含氮量為0.67 g/kg。60～80 cm土層含氮量增加，其含氮量增加到1.13 g/kg，80～100 cm土層含氮量繼續降低至093 g/kg。施化肥為主的土壤全氮和全磷含量變化規律均為0～20 cm土層全氮和全磷含量高于20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，后3個土層的各指標含量相差不大，但在土層80～100 cm 全氮和全磷含量又有所增加，并且為所有土層的最大值。

3結論與討論

3.1不同施肥類型設施農業表層土壤pH值和EC值的累積特征

本研究結果顯示，設施農業中施有機肥表層土壤的pH值接近中性水平，與露天土差異不顯著。有機肥由于自身的組成成分，有助于微生物的存活，能增強土壤的緩沖能力，緩解土壤酸化速度，一定程度上起到了維持土壤pH值穩定的效果[15]。相反，施化肥為主的表層土壤pH值顯著低于施有機肥土壤，僅為5.12，甚至低于蔬菜生理障礙的臨界土壤酸堿性5.52[16]。這主要是由于設施農業種植方式下，化學肥料高投入、復種指數多、施用頻率高等特征，導致肥料中帶有的SO2-4、Cl-等強酸性離子殘留在土壤中引起土壤酸性增加[2]。電導率（EC）是衡量土壤鹽漬化程度的指標，通常與含鹽量表現為正相關關系，可以反映土壤鹽分情況[17]。與露天土相比，不管是施有機肥還是施化肥為主種植方式下，其表層土壤的EC值均顯著增加。Chen等指出，過量施用有機肥和化肥可能使得某些未被作物吸收利用的養分及肥料的副成分大量殘留在土壤中，導致土壤鹽基離子增加[18]。同時，設施大棚內的高溫、高蒸發量，導致水分的運動方向總是由下向上移動，深層水分不斷通過毛細管作用上移，溶解其中的鹽分，隨后移至土壤表層聚積，離子濃度增加[19]，從而導致土壤EC值升高。何文壽提出，當設施農業土壤電導率大于0.5 mS/cm時，標志土壤鹽分開始超標；當電導率達到1.0 mS/cm時，土壤已經鹽漬化；當電導率達3.0 mS/cm時，土壤已經嚴重鹽漬化[20]。本研究結果表明，施有機肥土壤EC值為1.78 mS/cm，表明長期大量施用有機肥導致表層土壤出現鹽漬化現象。

3.2不同施肥類型設施農業表層土壤各養分含量的累積特征

有機質含量是衡量菜地土壤肥力高低的主要指標。本研究結果表明，設施農業施有機肥表層土壤的有機質含量分別是化肥為主和露天土的1.7倍、1.9倍。有機肥在提高土壤有機質含量方面效果顯著。同時土壤中有機質含量高，并不意味著就對農作物生長有利，過量有機質累積不但浪費肥料，也是土壤酸化、鹽漬化發生的來源[21]。本研究結果表明，設施農業表層土壤全氮、速效鉀含量變化與有機質含量的規律相同。施有機肥土壤全氮含量分別是施化肥為主和露天土的1.5倍和1.6倍。梁國慶等通過長期試驗也證實了有機肥料區的土壤含氮量最高，而化肥區僅略高于不施肥區[22]。這可能是由于大量施用氮肥提高了作物根茬和根分泌物的量，亦即增加了歸還土壤的有機氮量，這部分氮比土壤原有的有機氮易礦化。化肥中無機形態的氮較多，在澆灌過程中容易流失。相反，土壤持續獲得有機肥的施入，有機氮在土壤中完成其全部分解過程需要經過漫長歲月，導致有機氮殘留逐漸累積形成豐富的氮庫[23]。充足的鉀對于增加蔬菜產量、提高蔬菜品質具有良好效果，連續施用有機肥對提高土壤速效鉀含量發揮了重要作用。胡田田等指出，速效鉀含量在150～250 mg/kg 之間為適應范圍，大于350 mg/kg為過量[24]。本研究中施有機肥的表層土壤速效鉀含量為840 mg/kg，是參考值的2.4倍，這與研究區的黃泥土母質鉀素含量豐富有關，并且高投入量的有機肥也增加了鉀素的含量。魯如坤提出，菜地土壤有效磷含量的豐缺指標為：小于33 mg/kg為嚴重缺乏，33～60 mg/kg為缺乏，60～90 mg/kg為適宜，大于 90 mg/kg 為偏高[25]。本研究結果表明，在有機肥（140 mg/kg）和化肥為主（180 mg/kg）2種施肥類型下，土壤有效磷含量均超過正常值2倍左右。長期施用化肥或有機肥均能有效增加設施農業表層土壤中的磷素含量。因此，筆者認為，肥料的高投入量是導致設施農業土壤磷素積累的關鍵原因。有效磷是植物體吸收磷素的直接來源，土壤有效磷是評價土壤磷素供應水平的重要指標，它的動態變化除了受土壤自身的理化性質和自然因素等影響以外，還與施肥量和作物吸磷量有很大關系[26]。在設施農業栽培條件下，土壤幾乎不受雨水淋溶，加之大量施入有機肥，雖然作物吸收利用的帶出量很大，但仍然會造成磷素在土壤表層的累積。

3.3不同施肥類型設施農業土壤質量縱向累積特征

本研究結果表明，0～20 cm施化肥為主土壤酸化現象明顯，施有機肥土壤出現不同的酸化趨勢主要集中在20～60 cm 2個土層。施化肥為主或有機肥的耕作方式下上層土壤pH值的降低或增加與肥料自身的性質有關。施有機肥的耕作方式下20～60 cm土層出現不同程度酸化，這可能是由于該區域過量的有機肥礦化分解過程中產生大量有機酸，在設施農業特殊的環境條件下，植物根系和土壤微生物的代謝作用旺盛，產生大量的CO2，土壤酸性增加；施化肥為主的耕作方式下下層土壤pH值增加，可能是由于大量化肥在表層快速分解，少量農家肥在下層土壤作用增加，提高了土壤的緩沖性能；隨著土層加深，無論施化肥為主或有機肥，受表層影響較小，土壤的酸化程度均越來越輕[27]。本研究結果表明，施化肥為主的耕作方式下，土壤EC值在縱向剖面的變化波動不大，各土層含鹽量較低且均勻分布，這可能是由于該研究區中添加的部分有機肥緩慢分解進入深層土壤，促進了土壤礦質-有機復合體，有利于增加土壤對鹽分的緩沖性，土壤電導率水平穩定有關[28]。筆者發現，本研究區農戶習慣于通過接棚晾曬與雨水灌溉達到除鹽的效果，緩慢降低了土壤深層的鹽分累積速度。施有機肥土壤EC值在0～20 cm和60～80 cm土層處較高，其值分別為0.69、0.65 mS/cm，是同層土壤中施化肥為主的1.8、2.4倍，說明長期施有機肥設施農業土壤鹽分同時存在向底層遷移和向表層聚集2種聚集方式，但表層土壤的累積量更高。這符合鹽分隨水運動規律：一方面，設施土壤中有機肥的高投入量增加了鹽分離子的向下淋洗量；另一方面，設施農業的高溫、高蒸發特征導致鹽分離子又隨著土壤水分的向上運動而逐漸向表層遷移、聚積。電導率隨縱向剖面的變化規律可能與設施農業投入使用的年限有關，設施農業種植時間越長，土壤越容易出現表層和底層鹽分的累積[29]。本研究中設施農業有機肥種植年限達到10年左右，其土壤含鹽量的縱向剖面累積特征與周鑫鑫等的研究結果[30]一致。

施肥不僅影響設施農業土壤表面各養分含量的變化，隨著施肥年限的增加，養分的向下遷移也會影響其垂直分布。設施農業中，施有機肥土壤的全氮、全磷含量在縱向剖面的變化規律與EC值相同，即在0～20 cm和60～80 cm發生養分累積現象，并以表層聚集為主；施化肥為主的土壤全氮、全磷含量在0～20 cm和80～100 cm出現累積，且底層聚集現象更明顯。有機肥和化肥長期的高投入量，導致設施農業土壤養分在表層聚集，但隨著種植時間的延長以及設施灌溉的方式不同，氮、磷養分開始向深層土壤轉移，施有機肥研究區種植年限長達10年，且實行嚴格的滴灌，土壤水分向下運動，60～80 cm 土層發生弱淋溶淀積，養分含量升高。由于過量施用氮肥和磷肥，施化肥為主土壤中氮、磷元素向下的遷移量或遷移速度可能高于施有機肥，所以施化肥為主土壤底層累積量較高。黨廷輝研究結果表明，氮肥或氮肥與有機肥配施都可能引起硝態氮的深層淋溶，氮肥用量越大，淋溶量及深度愈大，且有機肥的長期施用產生的硝態氮累積深度較淺、累積量較低[31]。Elrashidi等研究發現，長期施肥引起土壤表層磷的富集，在較大的降水量條件下，表層土壤富集的磷可遷移到地下水層[32]。也有研究表明，氮、磷養分含量的增加一定程度上可能會引起地下水的污染[33]。因此明確不同施肥類型下土壤養分在剖面的累積規律，對于評價不同施肥類型養分的有效性和可能引起的環境質量問題也具有重要意義。

本研究結果表明，設施農業土壤因施肥類型不同而呈現差異。表層土壤中長期施用有機肥有助于維持土壤正常pH值，但會引起土壤EC值的增加，鹽分累積而出現鹽漬化現象；施用化肥為主的表層土壤酸化明顯。施化肥為主或施有機肥表層土壤養分含量累積明顯。設施農業土壤縱向剖面發生鹽分和養分累積并有向下遷移的現象，其中施化肥為主土壤鹽分積累在表層和底層，但未出現鹽漬化現象，氮、磷在底層累積量增加。施有機肥土壤酸化現象發生在20～60 cm，0～20 cm 和60～80 cm土層鹽分累積并發生鹽漬化，同時養分也積聚在含鹽量增加的土層。因此，針對不同施肥類型下設施農業土壤質量惡化的現象，提倡合理施用化肥和有機肥[34]，尤其是減少單施有機肥區域的肥料施用量，適當降低氮肥、磷肥的持續投入，并根據季節變化和蔬菜種植模式的需肥條件，結合精確滴灌技術，有效改善土壤質量問題，提高設施農業的施肥效率，最終達到保障農產品種植安全的目的。

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曾艷 李征 張靜涵 安樹青 冷欣 李寧

摘要：以江蘇省南京地區設施農業土壤為對象，研究了施化肥為主和施有機肥2種施肥類型下，設施農業土壤的基本性質和養分含量在縱向剖面的累積特征。結果表明：設施農業中，施化肥為主表層土壤酸化現象明顯，施有機肥表層土壤鹽漬化現象明顯。2種施肥類型下表層土壤各養分含量均顯著高于露天土，施有機肥耕作方式在提高土壤養分方面整體優于施化肥為主。設施農業土壤在縱向剖面累積特征明顯，施化肥為主的酸化現象在0～20 cm土層明顯，鹽分含量在各土層中穩定，土壤全氮、全磷含量同時出現表層聚集和向下遷移的特征，其中底層累積更為明顯；施有機肥耕作方式下土壤酸化主要集中在20～60 cm，土壤鹽分、全氮、全磷含量變化均在0～20 cm土層累積較多。設施農業中長期高投入的施肥，無論施化肥為主或有機肥為主，土壤均出現不同程度的酸化、鹽漬化和養分累積現象，因此設施農業中應采取合理施肥措施，減少持續施肥時間較長區域的有機肥、氮肥、磷肥的施用量，以改善土壤質量惡化狀況。

關鍵詞：設施農業；有機肥；化肥；養分；累積

中圖分類號： S158文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0465-05

收稿日期：2015-04-30

基金項目：公益性行業（環保）科研專項（編號：20110918）。

作者簡介：曾艷（1989—），女，貴州德江人，碩士研究生，從事濕地生態多樣性研究。E-mail：zengyan2206@163.com。

通信作者：李寧，博士后，從事群落生態學研究方向。E-mail：lining196@126.com。設施農業是通過現代農業工程和技術改變自然環境，使植物獲取生長所需的溫度、濕度、光照、水肥等條件，進而達到有效生產并獲得較高產出的農業[1]。設施農業因其單產高、受季節影響小等優點，可大幅提高土地利用效率，有效解決人多地少地區的農業持續發展問題，是我國蔬菜生產的重要方式之一[2]。在設施農業高投入、高產出的生產模式下，人們往往忽視了由此產生的環境問題，尤其是土壤環境質量惡化，它不僅影響了設施農業可持續發展，也對農產品安全及生態環境造成了不利影響[3]。設施農業高溫、高濕、高蒸發、無雨水淋溶的特性容易誘發土壤質量問題的產生，土壤酸堿性變化、鹽分積累、養分富集、蔬菜品質下降甚至導致部分種植年限較長的大棚不適宜蔬菜生產[4-6]。不同類型肥料合理施用對于保障設施農業土壤環境健康具有重要意義。化肥是采用化學或物理方法制成，含有農作物生長需要的一種或幾種營養元素，施用見效快，但容易造成土壤質量下降、營養失調，加劇土壤磷、鉀的耗竭，導致硝態氮累積[7]。有機肥通常是指農牧業的廢棄物（包括動植物的殘體、糞便等）經過發酵、腐熟等過程制成的肥料，不僅含有植物所必需的大量元素、微量元素，還含有豐富的有機養分，能促進土壤中微生物的繁殖，是改善土壤理化性質的重要物質，對提高土壤肥力、作物產量和品質及增強作物抗逆性具有重要作用，其缺點是肥效慢[8-10]。李吉進等研究表明，施用適量有機肥可以提高蔬菜產量，降低蔬菜硝酸鹽含量[11]。劉樸方等研究表明，有機肥更有利于改善土壤性質[12]。基于有機肥在保肥養地等方面的良好作用，設施菜地有機肥的施用量不斷增加[13]。本研究通過比較不同施肥類型下設施農業土壤質量狀況，分析長期施用化肥為主或有機肥條件下土壤化學性質和養分的縱向剖面累積特征，以期為設施農業土壤肥料的合理利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

江蘇省南京市地處我國東南部長江下游，屬于北亞熱帶季風氣候區，四季分明，降水充沛，年平均溫度16.2 ℃，年平均降水量1 298.4 mm，市域面積6 587 km2，行政區劃包括11 區2 縣。其中，江寧區試驗區是長期種植水稻而形成的水耕人為土，經營方式主要為公司經營和分散式農戶承包，設施種植年限集中在7～8年，底肥以化肥為主，輔以少量農家肥，每年施2～5次，各種化肥的季總施用量為2 000 kg/hm2。追肥以復合肥、尿素為主，追肥1～2次，追肥中復合肥的季施用量為600 kg/hm2，尿素的季施用量為450 kg/hm2。溧水區試驗區以黃泥土為主，是一個成立于2002年的有機蔬菜生產公司，底肥與追肥均施用生物有機肥，每季施用量達3 300 kg/hm2。

1.2樣品采集

供試土壤樣品采集于2011年12月，根據每個大棚的實際大小，在均勻分布點原則基礎上，通過多點法（3～5點）采集表層土壤（0～20 cm），將混勻的鮮土用四分法留取1 kg 左右，裝入聚乙烯塑料袋，標記密封，帶回實驗室。共采集表層土壤樣品90個，其中設施菜地78個，露天菜地（種植過程中不使用塑料大棚和地膜覆蓋的區域）樣本12個。設施菜地土壤樣品中以化肥為主54個，有機肥24個。同時，為了進一步研究設施農業土壤縱向剖面的化學性質以及氮、磷累積特征，在表層土壤取土附近，對可能產生污染來源的區域隨機選取27個不同施肥類型樣點。利用土鉆多點鉆取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深5層土樣，分別將同一大棚同一土層土樣混勻裝袋，密封保存，帶回實驗室進行測定。設施農業不同剖面土壤樣品中以化肥為主15個，有機肥7個，露天土5個。

1.3樣品分析

野外采集的土壤樣品經風干后，在室內剔除石塊、植物根莖等雜質，研磨后分別過10、60、100目篩，供土壤樣品分析。其中，表層（0～20 cm）土壤測定pH值、EC值、有機質含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量等指標；剖面（0～100 cm）土壤測定不同土層土壤樣品的pH值、EC值、全氮、全磷含量。采用常規方法[14] 測定所有指標。采用玻璃電極法測定pH值；采用電導率儀法測定電導率（EC）；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機質含量；采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定土壤有機質含量；采用高氯酸-硫酸消化-凱氏定氮法測定全氮含量；采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用乙酸銨提取-火焰光度法測定有效鉀含量。

1.4數據分析

采用Excel 2010、SPSS 19.0軟件處理與分析數據，非參數Kolmogorov-Smirnov檢驗數據分布規律，運用非參數檢驗中2個或多個獨立樣本分析，通過Kruskal-Wallis單因素ANOVA成對比較進行顯著性檢驗，α=0.05。

2結果與分析

2.1不同施肥類型表層土壤pH值與EC值

設施農業中施有機肥的表層土壤pH值最高，其平均值接近中性水平，與露天土差異不顯著。施化肥為主的表層土壤pH平均值為5.12，顯著低于有機肥和露天土（圖1）。不同施肥類型下表層土壤EC值由高到低依次為有機肥>化肥為主>露天土。設施農業土壤EC值顯著高于露天土。其中，施有機肥的土壤EC值最高，為1.78 mS/cm，分別是施化肥為主和露天土土壤EC值的4.6倍、5.1倍。

2.2不同施肥類型表層土壤各養分含量的特征

由表1可以看出，設施農業中施有機肥、施化肥、施霧天圖土壤的有機質含量范圍分別為23.46～65.04、20.05～3999、11.69～42.29 g/kg。施有機肥表層土壤的有機質含量顯著高于施化肥和露天土。

設施農業和露天土表層土壤全氮和速效鉀含量的變化規律與有機質含量的變化規律一致。設施農業表層土壤的含氮量和速效鉀含量均高于露天土。其中，施有機肥土壤全氮的平均含量為2.45 g/kg，顯著高于施化肥為主和露天土。施有機肥土壤速效鉀的平均含量為0.84 g/kg，分別是施化肥為主和露天土速效鉀含量的2.9倍、3.2倍。不同施肥類型下表層土壤全磷含量和有效磷含量變化規律一致。設施農業中2種施肥類型的全磷含量、有效磷含量均顯著高于露天土，2種施肥類型間全磷含量、有效磷含量均無顯著差異。施化肥為主的土壤全磷含量變異系數較大，其次為露天土，施有機肥土壤最低。有效磷含量方面，施化肥為主的表層土壤最高，其次為施有機肥土壤，露天土有效磷含量最低。

2.3不同施肥類型下設施農業土壤pH值、EC值

由圖2可知，設施農業土壤pH值縱向累積的變化比露天土壤更加劇烈。施化肥為主土壤pH值在0～20 cm土壤酸化現象明顯，且pH值隨土壤深度的增加而升高。其中0～20 cm 的土層pH值為5.53，明顯低于20～40 cm土層的pH值。20～40 cm及更深土層40～60 cm和 60～80cm間pH值差異不大。施有機肥土壤的縱向累積狀況與施化肥為主土壤相反，0～60 cm土壤pH值隨著土層深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤pH值為6.72，20～40 cm土壤pH值為652，40～60 cm土層土壤pH值為6.15，60～80 cm土層土壤pH值為6.65。

由圖2可知，設施土壤中施化肥為主的土壤EC值隨著土層深度的增加變化不大。施有機肥土壤的土壤EC值在不同土層深度中的變化規律近似“S”形曲線，且EC值在各土層深度均高于施化肥為主土壤。其中，0～60 cm剖面施有機肥土壤EC值隨著土層深度的增加逐漸降低，由0～20 cm的 0.69 mS/cm 降低到40～60 cm的0.35 mS/cm，在60～80 cm土層深度EC值又有所增加，是同等土層施化肥為主土壤的2.4倍。80～100 cm土層EC值相較60～80 cm有所降低，為0.43 mS/cm。

2.4不同施肥類型下設施農業土壤全氮、全磷含量

由圖3可知，設施農業中施有機肥和化肥為主土壤全氮、全磷平均含量在各土層均高于露天土。0～20 cm土層深度施有機肥全氮、全磷含量分別是同等土層施化肥為主的12倍、1.1倍。施有機肥土壤全氮、全磷含量隨著土層深度的變化呈現近似“S” 形變化曲線，0～60 cm土壤隨著土層深度的增加，全氮、全磷的含量相應減少，40～60 cm土壤的平均含氮量為0.67 g/kg。60～80 cm土層含氮量增加，其含氮量增加到1.13 g/kg，80～100 cm土層含氮量繼續降低至093 g/kg。施化肥為主的土壤全氮和全磷含量變化規律均為0～20 cm土層全氮和全磷含量高于20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，后3個土層的各指標含量相差不大，但在土層80～100 cm 全氮和全磷含量又有所增加，并且為所有土層的最大值。

3結論與討論

3.1不同施肥類型設施農業表層土壤pH值和EC值的累積特征

本研究結果顯示，設施農業中施有機肥表層土壤的pH值接近中性水平，與露天土差異不顯著。有機肥由于自身的組成成分，有助于微生物的存活，能增強土壤的緩沖能力，緩解土壤酸化速度，一定程度上起到了維持土壤pH值穩定的效果[15]。相反，施化肥為主的表層土壤pH值顯著低于施有機肥土壤，僅為5.12，甚至低于蔬菜生理障礙的臨界土壤酸堿性5.52[16]。這主要是由于設施農業種植方式下，化學肥料高投入、復種指數多、施用頻率高等特征，導致肥料中帶有的SO2-4、Cl-等強酸性離子殘留在土壤中引起土壤酸性增加[2]。電導率（EC）是衡量土壤鹽漬化程度的指標，通常與含鹽量表現為正相關關系，可以反映土壤鹽分情況[17]。與露天土相比，不管是施有機肥還是施化肥為主種植方式下，其表層土壤的EC值均顯著增加。Chen等指出，過量施用有機肥和化肥可能使得某些未被作物吸收利用的養分及肥料的副成分大量殘留在土壤中，導致土壤鹽基離子增加[18]。同時，設施大棚內的高溫、高蒸發量，導致水分的運動方向總是由下向上移動，深層水分不斷通過毛細管作用上移，溶解其中的鹽分，隨后移至土壤表層聚積，離子濃度增加[19]，從而導致土壤EC值升高。何文壽提出，當設施農業土壤電導率大于0.5 mS/cm時，標志土壤鹽分開始超標；當電導率達到1.0 mS/cm時，土壤已經鹽漬化；當電導率達3.0 mS/cm時，土壤已經嚴重鹽漬化[20]。本研究結果表明，施有機肥土壤EC值為1.78 mS/cm，表明長期大量施用有機肥導致表層土壤出現鹽漬化現象。

3.2不同施肥類型設施農業表層土壤各養分含量的累積特征

有機質含量是衡量菜地土壤肥力高低的主要指標。本研究結果表明，設施農業施有機肥表層土壤的有機質含量分別是化肥為主和露天土的1.7倍、1.9倍。有機肥在提高土壤有機質含量方面效果顯著。同時土壤中有機質含量高，并不意味著就對農作物生長有利，過量有機質累積不但浪費肥料，也是土壤酸化、鹽漬化發生的來源[21]。本研究結果表明，設施農業表層土壤全氮、速效鉀含量變化與有機質含量的規律相同。施有機肥土壤全氮含量分別是施化肥為主和露天土的1.5倍和1.6倍。梁國慶等通過長期試驗也證實了有機肥料區的土壤含氮量最高，而化肥區僅略高于不施肥區[22]。這可能是由于大量施用氮肥提高了作物根茬和根分泌物的量，亦即增加了歸還土壤的有機氮量，這部分氮比土壤原有的有機氮易礦化。化肥中無機形態的氮較多，在澆灌過程中容易流失。相反，土壤持續獲得有機肥的施入，有機氮在土壤中完成其全部分解過程需要經過漫長歲月，導致有機氮殘留逐漸累積形成豐富的氮庫[23]。充足的鉀對于增加蔬菜產量、提高蔬菜品質具有良好效果，連續施用有機肥對提高土壤速效鉀含量發揮了重要作用。胡田田等指出，速效鉀含量在150～250 mg/kg 之間為適應范圍，大于350 mg/kg為過量[24]。本研究中施有機肥的表層土壤速效鉀含量為840 mg/kg，是參考值的2.4倍，這與研究區的黃泥土母質鉀素含量豐富有關，并且高投入量的有機肥也增加了鉀素的含量。魯如坤提出，菜地土壤有效磷含量的豐缺指標為：小于33 mg/kg為嚴重缺乏，33～60 mg/kg為缺乏，60～90 mg/kg為適宜，大于 90 mg/kg 為偏高[25]。本研究結果表明，在有機肥（140 mg/kg）和化肥為主（180 mg/kg）2種施肥類型下，土壤有效磷含量均超過正常值2倍左右。長期施用化肥或有機肥均能有效增加設施農業表層土壤中的磷素含量。因此，筆者認為，肥料的高投入量是導致設施農業土壤磷素積累的關鍵原因。有效磷是植物體吸收磷素的直接來源，土壤有效磷是評價土壤磷素供應水平的重要指標，它的動態變化除了受土壤自身的理化性質和自然因素等影響以外，還與施肥量和作物吸磷量有很大關系[26]。在設施農業栽培條件下，土壤幾乎不受雨水淋溶，加之大量施入有機肥，雖然作物吸收利用的帶出量很大，但仍然會造成磷素在土壤表層的累積。

3.3不同施肥類型設施農業土壤質量縱向累積特征

本研究結果表明，0～20 cm施化肥為主土壤酸化現象明顯，施有機肥土壤出現不同的酸化趨勢主要集中在20～60 cm 2個土層。施化肥為主或有機肥的耕作方式下上層土壤pH值的降低或增加與肥料自身的性質有關。施有機肥的耕作方式下20～60 cm土層出現不同程度酸化，這可能是由于該區域過量的有機肥礦化分解過程中產生大量有機酸，在設施農業特殊的環境條件下，植物根系和土壤微生物的代謝作用旺盛，產生大量的CO2，土壤酸性增加；施化肥為主的耕作方式下下層土壤pH值增加，可能是由于大量化肥在表層快速分解，少量農家肥在下層土壤作用增加，提高了土壤的緩沖性能；隨著土層加深，無論施化肥為主或有機肥，受表層影響較小，土壤的酸化程度均越來越輕[27]。本研究結果表明，施化肥為主的耕作方式下，土壤EC值在縱向剖面的變化波動不大，各土層含鹽量較低且均勻分布，這可能是由于該研究區中添加的部分有機肥緩慢分解進入深層土壤，促進了土壤礦質-有機復合體，有利于增加土壤對鹽分的緩沖性，土壤電導率水平穩定有關[28]。筆者發現，本研究區農戶習慣于通過接棚晾曬與雨水灌溉達到除鹽的效果，緩慢降低了土壤深層的鹽分累積速度。施有機肥土壤EC值在0～20 cm和60～80 cm土層處較高，其值分別為0.69、0.65 mS/cm，是同層土壤中施化肥為主的1.8、2.4倍，說明長期施有機肥設施農業土壤鹽分同時存在向底層遷移和向表層聚集2種聚集方式，但表層土壤的累積量更高。這符合鹽分隨水運動規律：一方面，設施土壤中有機肥的高投入量增加了鹽分離子的向下淋洗量；另一方面，設施農業的高溫、高蒸發特征導致鹽分離子又隨著土壤水分的向上運動而逐漸向表層遷移、聚積。電導率隨縱向剖面的變化規律可能與設施農業投入使用的年限有關，設施農業種植時間越長，土壤越容易出現表層和底層鹽分的累積[29]。本研究中設施農業有機肥種植年限達到10年左右，其土壤含鹽量的縱向剖面累積特征與周鑫鑫等的研究結果[30]一致。

施肥不僅影響設施農業土壤表面各養分含量的變化，隨著施肥年限的增加，養分的向下遷移也會影響其垂直分布。設施農業中，施有機肥土壤的全氮、全磷含量在縱向剖面的變化規律與EC值相同，即在0～20 cm和60～80 cm發生養分累積現象，并以表層聚集為主；施化肥為主的土壤全氮、全磷含量在0～20 cm和80～100 cm出現累積，且底層聚集現象更明顯。有機肥和化肥長期的高投入量，導致設施農業土壤養分在表層聚集，但隨著種植時間的延長以及設施灌溉的方式不同，氮、磷養分開始向深層土壤轉移，施有機肥研究區種植年限長達10年，且實行嚴格的滴灌，土壤水分向下運動，60～80 cm 土層發生弱淋溶淀積，養分含量升高。由于過量施用氮肥和磷肥，施化肥為主土壤中氮、磷元素向下的遷移量或遷移速度可能高于施有機肥，所以施化肥為主土壤底層累積量較高。黨廷輝研究結果表明，氮肥或氮肥與有機肥配施都可能引起硝態氮的深層淋溶，氮肥用量越大，淋溶量及深度愈大，且有機肥的長期施用產生的硝態氮累積深度較淺、累積量較低[31]。Elrashidi等研究發現，長期施肥引起土壤表層磷的富集，在較大的降水量條件下，表層土壤富集的磷可遷移到地下水層[32]。也有研究表明，氮、磷養分含量的增加一定程度上可能會引起地下水的污染[33]。因此明確不同施肥類型下土壤養分在剖面的累積規律，對于評價不同施肥類型養分的有效性和可能引起的環境質量問題也具有重要意義。

本研究結果表明，設施農業土壤因施肥類型不同而呈現差異。表層土壤中長期施用有機肥有助于維持土壤正常pH值，但會引起土壤EC值的增加，鹽分累積而出現鹽漬化現象；施用化肥為主的表層土壤酸化明顯。施化肥為主或施有機肥表層土壤養分含量累積明顯。設施農業土壤縱向剖面發生鹽分和養分累積并有向下遷移的現象，其中施化肥為主土壤鹽分積累在表層和底層，但未出現鹽漬化現象，氮、磷在底層累積量增加。施有機肥土壤酸化現象發生在20～60 cm，0～20 cm 和60～80 cm土層鹽分累積并發生鹽漬化，同時養分也積聚在含鹽量增加的土層。因此，針對不同施肥類型下設施農業土壤質量惡化的現象，提倡合理施用化肥和有機肥[34]，尤其是減少單施有機肥區域的肥料施用量，適當降低氮肥、磷肥的持續投入，并根據季節變化和蔬菜種植模式的需肥條件，結合精確滴灌技術，有效改善土壤質量問題，提高設施農業的施肥效率，最終達到保障農產品種植安全的目的。

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