長期連作下不同栽培措施對設施蔬菜土壤理化性狀的影響

段宏凱， 高利娟， 劉東生， 鄒國元， 左 強， 宋大平

(1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097； 2.山西農業大學農學院，山西太谷 030801)

山東壽光被稱為“中國蔬菜之鄉”，其設施蔬菜種植已有很長時間，許多地區形成了“一村一品”的發展格局[1]。“一村一品”的長期連作栽培模式是造成設施蔬菜連作障礙的主要原因，也是設施栽培中的一個關鍵問題[2]。設施大棚中連年種植1種蔬菜，對土壤中氮、磷、鉀以及其他中微量元素的利用與轉化有較大的影響。而且由于單一作物的栽培措施不會有較大幅度的變動，長期的相近施肥措施會使肥料中的元素在土壤中富集起來，導致土壤含鹽量增加，特別是硝酸鹽含量增加[3]。農戶不合理的施肥技術不僅降低肥料利用率，也嚴重影響土壤中營養元素的平衡。如氮素化肥的不合理施用會增加土壤中的硝態氮、銨態氮、氮氧化物的排放量[4-5]，造成土壤鹽堿化、溫室氣體的大量排放，對植株的生長發育產生不利影響，降低果實的品質、口感以及經濟效益[6]。本試驗調研壽光“一村一品”設施蔬菜的栽培措施與土壤肥力水平，對研究壽光蔬菜種植技術，重點是肥料減施技術對環境效應的評價體系具有重要意義。

專家學者們對壽光以及其他地區的設施蔬菜的氮肥投入對不同蔬菜的影響進行了許多研究。例如，姜慧敏等在壽光官路村日光溫室大棚中研究不同施氮模式對日光溫室番茄產量、品質及土壤肥力的影響，提出在農民習慣用量的基礎上減少氮肥施用量的30%～50%，并結合施用秸稈調節土壤C/N和滴灌的集成模式，可以達到減施氮肥的效果，提高肥料的利用率[7-9]。盧家柱等研究不同施氮量對茄子產量、品質及肥料利用率的影響，認為適量的氮肥有利于提高茄子的品質和肥料的利用率[10-11]。彭強等對減量控釋氮肥對大棚甜椒產量及土壤硝態氮、銨態氮分布的影響，認為在農民習慣性施肥基礎上施用70%控釋肥可以保證較高的產量和較好的果實品質[12]。李俊良等在壽光文家街道西陳村研究保護地番茄養分利用及土壤氮素淋失時提出傳統的大水漫灌會造成土壤養分累積、硝酸鹽淋失嚴重、肥料利用率低等問題[13]。黃化剛等學者對山東壽光設施蔬菜栽培地區施肥狀況進行調研時發現，養分投入主要以化肥為主，每年投入的氮肥高達2 538 kg/hm2，過量施用氮肥，不僅造成氮肥利用率降低，當季利用率不到10%，而且大量盈余的養分進入環境，存在嚴重的環境污染問題[14]。張彥才等研究磷肥對日光溫室番茄林營養和產量及土壤酶活性的影響[15]。徐福利等在對日光溫室滴灌條件下黃瓜氮磷有機肥肥效與施肥模式研究中，提出日光溫室黃瓜種植應以有機肥為主，氮磷肥配合施用的栽培模式[16-18]。

前人已經對設施蔬菜的氮肥、磷肥、鉀肥以及有機肥的合理配施比例范圍提出了許多意見與建議，并對各地的栽培措施提出許多改進方案。但對長期連作下的不同設施蔬菜的不同栽培措施對不同土層土壤肥力變化情況的研究還比較少，對氮、磷、鉀、有機質含量與pH值、EC值在不同設施蔬菜各層土壤的富集與淋失問題的研究還較淺。

本試驗通過對比壽光地區不同農戶對采用多年連作制度的不同設施蔬菜采取相應栽培措施對土壤肥力及不同土層之間肥力的差異情況進行研究，為壽光地區設施蔬菜減施化肥對環境效益的評價體系的構建以及為改進壽光設施蔬菜的栽培措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗在山東壽光地區測取土樣與填寫調查問卷，壽光位于118°32′～119°10′E、36°41′～37°19′N，屬于暖溫帶季風區大陸性氣候。試驗測取5種設施蔬菜，每種設施蔬菜取3個棚，每個棚取3層土。5種設施蔬菜分別為茄子(A1)、絲瓜(A2)、番茄(A3)、黃瓜(A4)和辣椒(A5)，土層分為0～30 cm(B1)、30～60 cm(B2)、60～90 cm(B3)。

1.2 試驗方法

試驗于2017年6月10—21日拉秧期分2次在壽光地區長期采用連作制度種植設施茄子、絲瓜、番茄、黃瓜和辣椒的設施大棚內測取土壤和填寫調查問卷。每種作物取3個溫室大棚，每個大棚取5鉆土，每鉆分成3層，即0～30、30～60、60～90 cm，分別裝入不同的自封袋中，保存于4℃的保溫箱中。檢測地點在北京市農林科學院植物營養與資源研究所。

土壤各層水分、全氮、速效磷、速效鉀、有機質含量與pH值、EC值的測定參考文獻[19-20]。

硝態氮與銨態氮含量的測定：稱取鮮土樣10 g于三角瓶，加入50 mL的1 mol/L NaCl溶液，振動30 min后浸提，用流動分析儀測定硝態氮與銨態氮的含量。

由于土壤有機質主要累積于土壤表層，因此本試驗只測0～30 cm土層有機質含量。

1.3 數據分析

用Excel 2010進行數據統計與作圖，用SPSS 21統計軟件進行方差分析，如果差異顯著(P<0.05)，則進行Tukey HSD比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同設施蔬菜土壤及不同土層對土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量的影響

2.1.1 對土壤全氮含量的影響 由圖1可知，土層0～30 cm的土壤全氮含量高于土層30～60、60～90 cm的含量，可見隨著土層深度的增加，土壤全氮含量逐漸減少。0～30 cm土層中設施茄子、絲瓜、番茄、黃瓜和辣椒土壤全氮含量較 30～60、60～90 cm土層中全氮含量高，其中番茄該土層全氮含量較30～60 cm與60～90 cm土層全氮含量達顯著差異水平(P<0.05)，其他4種蔬菜均達極顯著差異水平(P<0.01)，這說明不同設施蔬菜的不同栽培措施水平對表層土的全氮含量有顯著影響。連作設施黃瓜土壤全氮含量的標準差波動較小，說明農戶在黃瓜栽培措施中總氮投入量相差不大。設施茄子的0～30 cm土層全氮量(2.36 g/kg)極顯著高于 30～60 cm 土層土壤全氮含量(1.24 g/kg)，又均極顯著高于60～90 cm土層土壤全氮含量(0.42 g/kg)，說明農戶的設施茄子栽培措施對土壤全氮含量影響顯著。設施絲瓜的0～30 cm土層土壤全氮含量(1.86 g/kg)極顯著高于其他2個土層土壤全氮含量(P<0.01)。設施黃瓜與辣椒的0～30 cm土層土壤全氮含量跟其他2層土壤全氮含量形成極顯著差異(P<0.01)，30～60、60～90 cm土壤全氮含量分別為0.87、0.61 g/kg，但這兩者之間未達顯著性差異水平，說明壽光地區農戶對設施黃瓜與辣椒的總氮投入量相差不多，且氮素的轉移問題較輕。

2.1.2 對土壤銨態氮含量的影響 由圖2可知，5種設施蔬菜0～30 cm土層土壤銨態氮平均含量(12.77 mg/kg)>30～60 cm土壤銨態氮平均含量(6.34 mg/kg)>60～90 cm 土壤銨態氮平均含量(4.34 mg/kg)，且隨著土層深度的加深，銨態氮含量減少，且減少幅度逐漸變小，30～60 cm與60～90 cm 土壤銨態氮含量差異均未達顯著水平。設施絲瓜土壤整體的銨態氮含量為5.62 mg/kg，低于其他4種設施蔬菜土壤整體的銨態氮含量，且3層土壤銨態氮含量差異未達顯著性水平，說明壽光地區設施絲瓜的栽培措施沒有引起土壤中銨態氮含量的顯著增加。設施茄子、番茄的 0～30 cm土層土壤銨態氮含量分別為12.71、11.09 mg/kg，與60～90 cm土層土壤銨態氮含量3.81、3.28 mg/kg達顯著差異(P<0.05)。設施黃瓜0～30 cm土層土壤銨態氮含量與30～60、60～90 cm 土層土壤銨態氮呈極顯著差異(P<0.01)，30～60、60～90 cm 土層土壤銨態氮含量分別為7.62、3.52 mg/kg，兩者之間未達顯著差異。設施辣椒各土層土壤銨態氮含量差異不顯著。0～30 cm土層中設施黃瓜土壤銨態氮含量最大，為20.91 mg/kg，說明設施黃瓜施用銨態氮的相關肥料量較多；30～60 cm與60～90 cm 土層中5種設施蔬菜的土壤銨態氮含量基本差異不大，說明壽光地區的設施蔬菜土壤中銨態氮的累積主要集中在上層土壤中。

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2.1.3 對土壤硝態氮含量的影響 由圖3可知，0～30 cm土層5種設施蔬菜土壤硝態氮平均含量為25.67 mg/kg，高于30～60、60～90 cm土壤硝態氮含量18.64、18.67 mg/kg。30～60 cm土層中設施茄子的土壤硝態氮含量為 25.12 mg/kg，高于設施辣椒的土壤硝態氮含量 13.10 mg/kg。設施茄子、黃瓜的整體土壤硝態氮含量高于設施絲瓜、番茄和辣椒，設施茄子與黃瓜在60～90 cm土壤硝態氮含量達明顯差異，說明不同設施蔬菜的栽培措施中硝態氮肥施用量存在明顯差異。設施黃瓜0～30 cm土壤硝態氮含量最大，為36.10 mg/kg，較60～90 cm土壤硝態氮含量19.11 mg/kg達顯著差異(P<0.05)，說明設施黃瓜的栽培過程中施用硝態氮肥的量較其他設施蔬菜多，造成了表層富集。

2.2 不同設施蔬菜土壤及不同土層對土壤速效磷、速效鉀含量的影響

2.2.1 對土壤速效磷含量的影響 由圖4可知，5種設施蔬菜0～30 cm土層土壤速效磷含量為334.00 mg/kg，顯著高于30～60 cm土層速效磷含量156.47 mg/kg(P<0.05)，顯著高于60～90 cm土壤中速效磷66.55 mg/kg(P<0.05)，說明壽光地區農戶在設施蔬菜的栽培措施中對速效磷相關肥料的施用量較大。0～30 cm土壤中設施茄子土壤速效磷含量最大，為441.44 mg/kg，說明設施茄子的栽培措施中施用速效磷肥量高于其他4種設施蔬菜。60～90 cm土層中設施番茄、黃瓜、辣椒土壤速效磷含量之間差異不明顯，設施黃瓜土壤速效磷含量在該土層最大，為118.44 mg/kg，高于其他4種設施蔬菜。設施茄子整體土壤速效磷含量最高，為253.71 mg/kg，設施番茄整體土壤速效磷含量最低，為114.15 mg/kg。設施茄子、絲瓜土壤速效磷含量在0～30 cm土層顯著高于30～60 cm 土層(P<0.05)，30～60 cm土層土壤速效磷含量顯著高于60～90 cm土層(P<0.05)。設施番茄、黃瓜和辣椒不同土層土壤速效磷含量差異規律相近，0～30 cm土層土壤速效磷含量顯著高于30～60、60～90 cm(P<0.05)，30～60 cm和60～90 cm土層之間土壤速效磷含量未達顯著差異水平，說明壽光地區農戶對設施茄子、絲瓜在速效磷方面的管理方面相近，對設施黃瓜、番茄和辣椒在速效磷方面的管理水平相近。

2.2.2 對土壤速效鉀含量的影響 由圖5可知，5種設施蔬菜0～30 cm土層土壤速效鉀含量為913.73 mg/kg>30～60 cm 土壤速效鉀含量494.46 mg/kg>60～90 cm土壤速效鉀含量289.38 mg/kg，反映出壽光地區農戶的設施蔬菜的栽培措施已經影響到不同土層中土壤速效鉀含量的分布情況，使速效鉀在上層土壤中富集。0～30 cm土層中設施絲瓜土壤速效鉀含量最高，為1 231.66 mg/kg，設施番茄在該層土壤速效鉀含量最低，為476.99 mg/kg。在30～60 cm土層中，設施番茄土壤速效鉀含量仍然最低，為164.91 mg/kg，這說明壽光地區農戶在設施番茄栽培措施中施入速效鉀肥量較其他設施蔬菜少。設施茄子、絲瓜和黃瓜在3個土層之間土壤速效鉀含量均達顯著差異(P<0.05)，即0～30 cm土層土壤速效鉀含量顯著高于其他土層土壤速效鉀含量(P<0.05)，30～60 cm 土壤速效鉀含量顯著高于60～90 cm土層土壤速效鉀含量(P<0.05)。說明壽光地區農戶在設施茄子、絲瓜和黃瓜生長過程中使用速效鉀肥量較為相近。

2.3 不同設施蔬菜土壤及不同土層對土壤有機質含量、pH值、EC值的影響

2.3.1 對土壤有機質含量的影響 由圖6可知，設施番茄 0～30 cm土壤有機質含量10.22 g/kg顯著低于其他4種設施蔬菜土壤。設施茄子、絲瓜、黃瓜和辣椒的0～30 cm土壤有機質含量差異未達顯著水平，但含量均達20 g/kg以上。說明壽光地區在栽培設施番茄的過程中有機肥上投入較少，相反，在栽培設施茄子過程中有機肥投入最多，其他設施蔬菜的有機肥投入量較為相近。

2.3.2 對土壤pH值的影響 由圖7可知，60～90 cm土層土壤pH均值為7.85，高于30～60 cm土層土壤pH值均值 7.59，高于0～30 cm土層土壤pH值均值，說明壽光地區設施蔬菜土壤存在不同程度的酸化問題。在0～30 cm土層中設施茄子土壤pH值為6.8，低于其他設施蔬菜該土層土壤pH值，說明壽光地區設施茄子的土壤酸化程度比其他設施蔬菜嚴重。30～60 cm土層中設施辣椒土壤pH值最高，為8.03；60～90 cm 土層中5種設施蔬菜土壤pH值差異性未達明顯差異水平。設施茄子、絲瓜、黃瓜和辣椒3個土層土壤pH值均未達顯著差異，只有設施番茄0～30 cm土層土壤pH值顯著高于60～90 cm土層(P<0.05)，說明壽光地區農戶在設施茄子、絲瓜、黃瓜和辣椒的栽培措施中對土壤pH值的影響較小。

3 討論與結論

3.1 不同農戶對不同設施蔬菜的栽培措施對全氮、銨態氮和硝態氮含量的影響

多數專家學者研究認為，增施氮肥對于提高設施蔬菜的維生素C、有機酸、可溶性固形物、蛋白質等主要營養成分含量具有促進作用[21]，但不合理的施氮量又會是造成土壤中養分和鹽分的大量累積，氮肥利用率降低，蔬菜體內硝態氮含量富集嚴重及蔬菜營養品質下降的重要原因[22]。雷寶坤等研究壽光菜田土壤質量問題時發現，土壤全氮含量較附近糧田相比增加了0.61 g/kg，土壤全氮的增長量是有機質的2倍[23]。樊兆博等在壽光地區研究傳統漫灌施肥和滴灌施肥時發現，2種栽培體系土壤全氮含量差異不顯著；平均每季硝態氮殘留量與淋洗量均為傳統漫灌施肥體系遠大于滴灌施肥體系[24-25]。余海英在調研壽光設施蔬菜土壤時發現，設施栽培條件下養分的投入量遠大于作物生長的實際需要量，設施土壤耕層(0～20 cm)全氮、硝態氮、銨態氮平均含量分別為露地土壤的1.9、21.2、1.6倍[26]。郭金花在2014年調研壽光地區設施蔬菜施肥養分平衡結果與2004年設施蔬菜施肥養分平衡的研究發現，氮的利用率降低了30.6%[27]。

本研究發現，壽光地區設施蔬菜土壤的全氮、銨態氮、硝態氮含量隨著土層深度的增加而逐漸減少，且減少幅度逐漸變小，說明壽光地區的設施蔬菜土壤中全氮、銨態氮、硝態氮主要累積在上層土壤中，造成了表層富集，與余海英的研究結果[26]相近，反映出壽光地區農戶對設施蔬菜的栽培措施已對土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量產生顯著影響，與郭佩秋的研究結果[28]相近。壽光地區不同農戶在設施黃瓜栽培措施中總氮投入量相差不大，且設施黃瓜的銨態氮與硝態氮相關化肥投入量較其他設施蔬菜多。壽光地區農戶的設施絲瓜的栽培措施中沒有引起土壤中銨態氮、硝態氮含量的顯著增加。設施辣椒的各層土壤硝態氮含量均較其他設施蔬菜低，且對 30～60 cm土壤中的硝態氮吸收量較其他蔬菜多。壽光地區的設施茄子、番茄和辣椒的栽培措施沒有對不同土層硝態氮含量造成顯著影響。但由于沒有長期定位觀察，對不同設施蔬菜與不同耕作措施對土壤全氮、銨態氮和硝態氮含量的動態變化情況還須進一步探討研究。

3.2 不同農戶對不同設施蔬菜的栽培措施對速效磷、速效鉀的影響

近年來，不少學者對壽光地區設施蔬菜的化肥投入量進行多年調查，劉蘋等分別在2010、2004、1997年在壽光地區進行多次調研，在調研過程中發現，近十幾年來，有機氮磷鉀的投入量呈現增加趨勢，化肥氮和磷的投入量呈現下降趨勢，而化肥鉀的投入量一直增加，2010年的投入量是1997年的近2倍[29-30]。由此印證本研究中土壤速效鉀最高含量達 1 600 mg/kg，而過量施用鉀肥對壽光設施果菜類蔬菜的生長發育產生嚴重的影響，如茄果類蔬菜的臍腐病、生長點壞死、葉片黃化、果實皺皮以及番茄籽粒外露等病害。而趙文艷等研究發現，隨著氮鉀肥施用量的增加，土壤硝態氮、速效鉀及土壤水溶性鹽分含量均顯著增加，而土壤鹽分含量的增加會極顯著的引起番茄葉片中脯氨酸含量的增加[31]。郭金花在2014年調研壽光地區設施蔬菜施肥養分平衡結果與2004年設施蔬菜施肥養分平衡的研究結果顯示，磷、鉀的利用率降低了20.5%、44%，嚴重影響生態環境[27]。

本研究結果同樣顯示，壽光地區農戶的設施蔬菜的栽培措施中對速效磷、速效鉀相關化肥的施用量較大，已經顯著影響到不同土層中土壤速效磷、速效鉀含量的分布情況，使速效磷、速效鉀在上層土壤中富集，與劉蘋等的研究結果[29-30]一致。說明壽光地區農戶在設施茄子、絲瓜生長過程中使用速效磷、速效鉀肥量較為相近。壽光地區農戶在設施番茄栽培措施中施入速效鉀肥量較其他設施蔬菜少。壽光地區不同農戶對設施黃瓜的栽培措施中速效鉀肥施入量相差較小，對設施絲瓜的栽培措施中施用速效磷相關肥料量相差較大。有關不同設施蔬菜土壤速效磷、速效鉀含量的變化規律還有許多不足之處，須進一步定點定位繼續試驗驗證。

3.3 不同農戶對不同設施蔬菜的栽培措施對有機質含量、pH值和EC值的影響

前人對山東省設施蔬菜施肥量的調研中發現，土壤pH值有降低的趨勢[32]。李俊良等發現，一個種植13年的設施土壤pH值降至4.3[13]?；实倪^量施用首先造成土壤溶液大幅度升高，導致鹽害發生，影響蔬菜根系的生長發育，而根系生長不良又影響蔬菜作物的健康生長。?？×岬劝l現，壽光地區農戶有機肥主要施用雞糞[33]。曾路生等研究提出，壽光設施過量施肥導致土壤逐漸酸化和鹽堿化[32]。郭金花提出，隨著種植年限的增加，有機肥施用量減少，而化肥的施用量卻增加[27]。

本研究發現，壽光地區不同設施蔬菜土壤存在不同程度的酸化問題，與李俊良等的研究結果[13]相近，其中壽光地區農戶在設施茄子、番茄、黃瓜和辣椒栽培措施中較設施絲瓜的栽培措施對表層土pH值造成了顯著的影響。壽光地區農戶對不同設施蔬菜的不同栽培措施之間對比發現，未對土壤EC值產生顯著差異，且沒有顯著改變土層間土壤EC值的差異規律，與設施外面土壤EC值的差異還有待進一步研究探討。壽光地區農戶在設施番茄有機質投入量較少外，其他設施蔬菜有機質投入量相差不大。本研究中有機質雖然大部分為22%以上，但較北京地區設施蔬菜土壤有機質含量40%以上還有差距，原因大概是由于壽光地區使用的有機肥85%以上是雞糞，雞糞在土壤中不利于土壤有機質的積累[30]，而北京地區設施蔬菜施用有機肥以廄肥的比例較高。

總之，壽光地區不同農戶對不同設施蔬菜的不同栽培措施對土壤肥力產生顯著影響。土壤大部分指標都處于較高水平，但不同營養元素含量配比不均衡的問題也相對突出，養分投入過量問題已經相當嚴重。壽光地區農戶可以根據不同設施蔬菜施用不同比例的復合肥及緩沖肥，但是施用比例是否符合蔬菜生長規律還須進一步定點定位調研。壽光地區設施蔬菜中的有機質投入應該加大廄肥的投入量，來顯著增加土壤有機碳的含量，以達到碳氮比例的平衡，促進壽光地區設施蔬菜從追求產量向產量與質量并重方面轉變，用供給側結構性改革思維與綠色農業發展標準促進壽光地區設施蔬菜產業可持續發展。