我國設施栽培養分管理中待解的科學和技術問題*

蔡祖聰

（南京師范大學地理科學學院江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，南京 210023）

設施栽培由于其較高的人為可控性，在一定程度上可以突破氣候對作物生長的限制，產量高且穩定，具有較高的經濟效益等優點，在過去40年中，我國的設施栽培發展極為迅速，種植面積大幅度增加，至2017年我國設施蔬菜栽培面積已達370萬公頃，產業產值超過9 800億元［1］。設施栽培快速發展為保障城鄉居民蔬菜和瓜果供應，增加農民收入發揮了極為重要的作用。然而，在另一方面，設施栽培土壤普遍快速退化，大量施用化肥和農藥威脅生態環境安全。設施栽培正面臨著可持續發展的嚴峻挑戰。一般情況下，我國設施栽培土壤連續種植3～5年即出現程度不同的連作障礙現象，表現為土壤酸化、次生鹽漬化、養分失衡和自毒物質積累，病蟲害發生頻率升高，作物產量和品質下降，甚至絕收。當土壤嚴重退化時只能棄棚，造成對土壤資源的破壞和經濟上的損失。王廣印等［2］對河南省設施蔬菜地的調查表明，連續種植5年以下出現連作障礙的設施大棚蔬菜地高達84.6%，日光溫室達56.9%；種植20年以上存在連作障礙的大棚溫室達100%，日光溫室達99.3%。我國其他省份的設施栽培土壤退化情況與此類似［3-4］。高強度種植和養分管理不合理是導致設施栽培土壤出現嚴重連作障礙問題的主要原因，其中，養分管理不合理是最為普遍和最為突出的原因。我國設施栽培中的養分管理不合理有設施栽培發展歷史短，生產者主要從大田生產者轉變而來，缺少設施栽培養分管理經驗的因素，但是，更為關鍵和更為嚴重的問題則是對設施栽培中土壤養分轉化和作物吸收規律的基礎研究嚴重不足，且至今未引起高度重視，致使科學工作者和農技科技推廣者本身無足夠的知識儲備用以指導生產者提高養分管理水平。本文討論設施栽培養分管理中尚未很好解決的科學問題，旨在推動對設施栽培養分管理的研究，提高設施栽培養分管理水平，遏止設施栽培土壤連作障礙因子的形成速度。

1 如何確定設施栽培的合理養分投入量？

設施栽培中N、P、K養分投入量大，利用率低，短期內在土壤中大量積累，導致土壤酸化和次生鹽漬化，環境風險增加。余海英等［5］對21世紀初山東壽光設施蔬菜地養分用量的調查表明，該地區每年氮、磷、鉀養分的平均投入量為4 088 kg·hm-2、3 656 kg·hm-2和3 438 kg·hm-2，其中隨化肥投入的氮、磷、鉀養分分別占到各養分總量的63%、61%和66%，而氮、磷、鉀養分的利用率分別僅為24%、8%和46%。由于大量施用氮、磷、鉀肥，土壤中硝態氮平均含量高達254 mg·kg-1，是當地大田土壤的21倍；土壤耕層（0～20 cm）有效磷平均含量達248 mg·kg-1，最高達377 mg·kg-1，平均為大田土壤的5.4 倍，而且遠遠超過適宜蔬菜生長的有效磷含量范圍；速效鉀含量平均達486 mg·kg-1，最高達764 mg·kg-1，平均為大田土壤的3.7 倍。蔡紅明等［6］對陜西193個日光溫室養分投入量及土壤養分積累的調查結果與此相似，年均氮、磷（P2O5）、鉀（K2O）養分總投入量分別為1 944 kg· hm-2，1 587 kg· hm-2和1 799 kg·hm-2，而養分攜出量僅占氮、磷、鉀養分總投入量的22%、7%和36%。雖然設施栽培的農戶很少刻意施用硫肥，但由于磷和鉀肥大多施用含硫的過磷酸鈣和硫酸鉀，設施栽培土壤中還存在無機硫大量積累的現象。如對采自安徽和縣大棚蔬菜土壤的測定表明，其SO42-含量高達917 mg·kg-1［7］，甚至超過了我國南方土壤全硫含量的最高報道值［8］。據筆者了解，隨著設施栽培經營者養分管理經驗的不斷積累，他們的養分管理水平正在不斷提高，N、P、K肥料施用量有趨于合理化的趨向，一些設施栽培土壤連續種植10年以上，連作障礙問題仍在有效控制程度內。王印廣等［2］的調查發現，在河南省出現了設施栽培連續種植30年而未出現嚴重連作障礙的個案。但是，總體而言，設施栽培中化肥過量施用的問題依然十分普遍和嚴重。

在我國，有關作物養分管理的研究主要集中于大田栽培的大宗作物，如水稻、小麥和玉米；在養分元素上重點關注氮，針對磷、鉀肥合理施用量的研究相對較少，針對中、微量元素施用量的研究更稀少。但是，即使對于大田栽培的水稻、小麥和玉米的氮肥管理，合理施用量的理論計算仍有相當大的不確定性，施肥量的確定主要還是依靠經營者的經驗和對大量數據的統計分析［9］。設施栽培條件下，由于大棚內的特殊小氣候，作物對養分的需求規律不同于大田栽培作物，因此，大田栽培的合理施肥量定量方法不一定適用于設施栽培。設施栽培作物種類繁多，同一作物種植在不同季節，它們對養分的需求量和需求規律各不相同，更增加了設施栽培條件下確定合理施肥量的復雜性和難度。

設施栽培為作物生長營造了不同于大田的小氣候條件，溫室內濕度大，氣溫升高快，土壤升溫滯后于氣溫升高［10］。較高的空氣濕度降低了葉片的水分脅迫，提高了氣孔導度，因而具有較高的光合速率和干物質積累速率［11］。較高的光合速率和干物質積累對氮、磷、鉀及其他中量和微量養分元素的吸收提出了更高的要求。但是，較高的空氣濕度降低作物的蒸騰速率，不利于通過蒸騰吸收和轉運的養分吸收［12-14］。此外，作物對土壤養分的吸收和植株體內的轉運依賴于土壤溫度［15］。土壤溫度滯后于氣溫升高意味著土壤養分的有效性提高過程滯后于光合作用速率的提高過程。光合速率和干物質積累速率增加而土壤養分吸收和轉運不能相應地提高，必然負反饋于光合作用和干物質積累，使作物產量降低。溫室作物的快速生長，使根系快速吸收養分，在根周圍土壤形成所謂的養分耗竭區［16］。為了使作物的養分吸收和轉運速率與光合速率和干物質積累速率相一致，縮小養分耗竭區，提高養分在土壤或土壤溶液中的濃度（或活度），增加單位蒸騰水分攜帶的養分量，似乎是彌補蒸騰不足而減少的養分吸收量的一條有效途徑。由此可以看出，施用較大田栽培條件下更多的肥料，保持較高的土壤養分濃度應是設施栽培條件下，滿足作物養分需求的客觀需要。但是，針對各種作物及不同的生長階段，設施栽培的土壤養分濃度需要提高到何種程度才能滿足作物生長的需要，至今尚無科學答案。

土壤養分的作物有效性不但與作物吸收能力有關，而且還與養分在土壤中的轉化、運移等特性有關。設施栽培條件下，土壤微生物區系和活性發生很大的變化［17-18］。由于土壤微生物在養分轉化中的重要性，土壤微生物區系及其活性的變化必然影響土壤養分的有效性，從而影響合理的肥料施用量。此外，設施栽培土壤酸化和次生鹽漬化也對土壤養分有效性產生影響。顯然，由于設施栽培的作物養分需求規律不同于大田作物，基于大田作物生產的施肥模型，如“肥料效應函數模型”、“養分平衡模型”等［16］不一定適用于設施栽培作物。事實上，目前尚無適合于定量設施栽培作物養分需求量和需求規律的施肥模型。由于事實上缺少量化設施栽培合理施肥量的科學確定方法，在“寧使過量，不使缺乏”意愿的驅使下，必然導致經營者過量施用化肥。在設施栽培土壤中大量積累硝態氮、磷和鉀的情況下，經營者仍然大量施用氮、磷、鉀肥料，這是純粹的心理因素驅動還是確有客觀的需求，仍是一個無明確答案的問題。

可以預期設施栽培的經營者通過不斷的摸索和總結，針對經營的土壤、作物和設施栽培的小氣候條件，將會逐漸掌握肥料的合理施用量，但這會是一個相當長的過程。科學工作者有責任通過設計科學的試驗方案，總結出設施栽培下各種作物的養分需求量和需求時間的確定方法，并將相關的知識傳播給設施栽培經營者，以縮短他們自己摸索的時間，盡早實現設施栽培下的養分科學管理。

2 如何判斷設施栽培土壤養分是否平衡？

土壤養分失衡是設施栽培常見的作物連作障礙因子之一。據王印廣等［2］對河南設施栽培土壤的調查，無論是大棚還是日光溫室，養分失衡均是發生率最高的連作障礙因子。作物體C、N、P、K等養分含量雖然隨生長階段和土壤有效養分含量的比例不同而發生一定的變化［19-20］，但對于特定的作物，元素含量之間存在相對穩定的比例關系，這是生態化學計量學的主要研究內容［21］。如果施肥投入的養分比例與作物需求的養分比例不一致，隨著種植時間的延長必然會出現土壤養分失衡問題，施入量超過作物需求的養分在土壤中相對富集，相反，施入量小于作物需求的養分在土壤中相對貧乏。但是，分析作物收獲的各種養分元素輸出量，只能提供土壤各種養分元素輸出的部分數據。由于各種養分元素在土壤中的含量、有效性及其損失途徑不同，依據土壤養分投入和作物收獲輸出的平衡關系仍難以判斷土壤中各種養分元素是否可保持對作物的平衡供應。因此，實現“養分平衡”的概念，在生產實際中并不是一件容易的事。養分資源的有效供應也是實現養分平衡供應的重要因素。我國大田生產中，從20世紀初至今，由于氮、磷、鉀化肥的不平衡發展以及科學認知水平的局限性，土壤氮、磷、鉀養分的平衡狀況發生了多次變化。在化學氮肥大量施用之前，我國土壤以缺氮為主，缺磷次之，鉀相對豐富。20世紀80年代，由于化肥施用重氮磷，輕鉀肥，在全國范圍內開始出現土壤鉀素供應不足，在北方半干旱和干旱區則土壤剖面中硝酸鹽大量積累的問題（參見文獻［22］）。由此可見，即使在大田生產中，我國實現氮磷鉀肥的平衡施用也經歷了長時間的摸索過程，而且仍面臨著養分供應不平衡的潛在風險。

在設施栽培中，由于大量施用氮磷鉀復合肥，短時間內土壤中氮磷鉀以及伴隨著磷鉀一起施入的硫同步大量積累。但這并不等于氮、磷、鉀、硫養分供應達到了平衡狀態。況且，土壤養分平衡，不僅僅是氮、磷、鉀大量元素之間的平衡，還包括中量元素之間和微量元素之間的平衡，大量元素與中量元素的平衡，大量元素與微量元素的平衡，中量元素與微量元素的平衡等。由于設施栽培中大量施用氮、磷、鉀和硫，普遍忽視對中量和微量元素的補充，既有可能中、微量元素補充不足引起的養分不平衡，還有大量元素過分積累，導致中、微量元素相對不足的養分不平衡，養分失衡是必然的結果。

對土壤養分供應是否平衡作出判斷或診斷是實施平衡施肥的基礎。作物的缺素癥狀或與缺素有關的生理病害是診斷作物是否缺少某一元素或養分是否平衡的主要指標［2］。但是，當作物出現缺素癥狀時再補充施肥，往往不能完全恢復缺素引發的對作物生長發育的損害，缺素造成的損害有時甚至是不可逆的。土壤診斷有可能提供作物是否可能缺素的事先判斷，但是，我們至今仍然缺乏有效的土壤養分供應是否平衡的土壤診斷方法。當今的土壤學似乎也失去了診斷土壤養分是否平衡的興趣和自信。所以，土壤養分平衡仍然流于概念而無實際可操作的定量指標。

設施栽培作物種類繁多，它們對各種養分的需求量各不相同，所以，為設施栽培作物提供土壤養分供應是否平衡的土壤診斷方法是對土壤學的一大挑戰。

3 如何評估土壤養分大量積累的生產和環境效應？

在我國，設施栽培土壤大量元素氮、磷、鉀大量積累是極為常見的現象［2-4,23］。由于磷、鉀肥多以硫酸鹽形態施入土壤，硫伴隨著磷、鉀的積累而積累［7,24］，對于硫的積累很少引起人們的重視。就大田土壤而言，氮、磷、鉀積累往往意味著肥力水平的提高，對作物生產基本上是正面的積極效應，但可能引起不利的環境效應，如氨揮發和N2O排放增加，硝態氮和磷徑流與淋溶增加，影響地表水和地下水質量等。設施栽培土壤的氮、磷、鉀的積累遠遠超過自然土壤和大田土壤所能達到的程度，硫的積累量也往往遠遠超過非酸性硫酸鹽土壤所能達到的程度［7-8,24］。設施栽培中大量元素氮、磷、鉀和硫含量遠高于大田土壤中正常含量水平的積累，可能導致它們具有不同于大田土壤的生產和環境效應。

設施栽培土壤中大量積累的氮、磷、鉀元素作為作物養分的有效性并不十分清楚，也很少被研究。對土壤中大量積累的氮、磷、鉀元素的作物有效性進行深入研究將可為確定設施栽培作物的肥料合理施用量提供科學依據，是設施栽培中一個值得研究的科學問題。硫元素通常作為磷、鉀肥的組成成分而被動地施入土壤，磷、鉀肥的合理施用也必然使硫的輸入量趨于合理。

不同于大田土壤，設施栽培土壤中大量積累的氮、磷、鉀和硫對作物生長可以產生嚴重的不利影響，是設施栽培土壤生產力退化的主要因素。土壤中積累的氮和硫分別以硝酸鹽和和硫酸鹽形態存在，導致設施栽培土壤次生鹽漬化，不僅直接抑制作物生長，而且可能誘發作物土傳病害。孫世中等［24］的研究表明，設施栽培的香石竹枯萎病發病率與土壤電導率顯著相關。我國施用的氮肥基本都是銨態氮肥或產銨態氮肥，如尿素，銨態氮被作物吸收或發生硝化作用釋放質子是設施栽培土壤酸化的主要成因。鉀作為植物的必需元素，幾乎不存在對作物生長發育的直接不利影響，但研究表明，如果加入到土壤K+的比例和數量過高，非但未提高K+離子活度，還造成膠體上Ca2+的大量解吸，導致土壤膠體穩定性降低及K、Ca、Mg 三者的比例嚴重失衡［25-26］。磷與很多作物必需營養元素，如Zn、Fe等可以生成溶解度很低的化合物，從而影響這些元素的作物有效性；磷酸根離子還可與以陰離子態被作物吸收的養分元素，如鉬、硅、硼等的吸收產生競爭而影響它們的作物有效性［27］。總體而言，我們對設施栽培土壤中大量積累的氮、磷、鉀和硫的作物有效性及它們對其他養分元素作物有效性的影響還所知甚少。回答這些問題不僅可促進土壤學和植物營養學的發展，而且也是生產實際的需要。

設施栽培土壤積累大量的氮、磷、鉀和硫，它們向大氣和水體擴散、產生不利環境效應的風險極大，因而引起了人們的高度重視［5,23,28］。現有的研究大多集中于氮和磷向環境的遷移和擴散方面，對鉀和硫向環境遷移和擴散的研究較少。對北京平原農區地下水硝態氮含量的調查表明，設施栽培區地下水中硝態氮含量顯著高于其他種植區地下水硝態氮含量［29］。山東壽光大棚蔬菜生產區，2003至2005年的監測期間，地下水硝態氮呈現逐年上升趨勢［30］。Yusef［23］對山東75個代表性溫室蔬菜大棚的調查表明，土壤滲濾液中溶解性磷平均達3.43 mg·L-1，遠大于大田土壤滲濾液中的溶解性磷濃度。設施栽培的N2O、NO和NH3排放更是受到高度的關注［31-32］。

設施栽培的土壤水分運移規律不同于大田土壤，因此，養分元素在土壤剖面中的遷移規律必然有別于大田土壤。設施栽培在揭棚以外的時間，阻隔了自然降水，避免了自然降水引起的水分向下運移。如果采用滴灌方式，灌溉引起的水分向下運移也非常有限。由于設施栽培中土壤水分以向上運移為主，所以，鹽分的表聚現象非常嚴重，導致土壤的次生鹽漬化。如果采用大水漫灌，或者長時間揭棚接受自然降水的淋洗，表聚的大量養分，尤其是硝態氮將向下遷移。因此，硝態氮向土壤剖面下層遷移的現象也不在少數［28,33］，甚至進入地下水［29］。同樣，設施栽培的水分運移規律也將影響養分的水平遷移。由此可見，研究設施栽培的土壤養分遷移和擴散規律，評估其對水體環境的影響，必須考慮其與大田不同的水分運移特點。

對于以氣體形式排放到大氣的氮的研究，更應該考慮設施栽培對氣體擴散的阻隔作用。由于設施栽培對氣體擴散的阻隔作用，箱式法測定的含氮氣體排放通量只能反映棚內土壤界面這些氣體的釋放速率，而不一定能夠反映其向棚外大氣的擴散速率，尤其是對于水溶性的氨和大氣化學活性很強的NOx，它們中的一部分很可能因不能及時擴散到大氣而返回到土壤，N2O也存在被進一步還原為N2的可能。顯然，測定以氣體形式排放到大氣的土壤養分元素量，必須同時考慮土壤界面的釋放和棚內空氣與棚外大氣的交換。評估設施栽培的環境影響首先必須保證監測方法和技術可以獲得客觀、真實的數據。

4 如何降低土壤已經積累的大量養分？

已如上述，由于過量施肥，設施栽培土壤普遍積累了大量氮、磷、鉀和硫，導致土壤質量退化，因此，去除這些養分元素，尤其是導致土壤次生鹽漬化的硝酸鹽和硫酸鹽的過量積累，是修復設施栽培退化土壤的重要任務之一。目前生產中常用的去除過量積累的養分元素的方法包括輪作、淋洗和強還原土壤處理［34］。輪作對這些養分需求量大的作物可以降低這些養分在土壤中的積累量。輪作旱地作物，需要較長的時間才能修復退化土壤，雖然可以避免養分資源的浪費，但經濟效益較低。若輪作水稻，同時還能起到淋洗的作用，但受到水資源、土壤滲透性、大棚結構等的制約，并非普遍適用。灌水淋洗對去除硝態氮的效果較好，對磷、鉀和硫的淋洗效果不佳，而且淋洗使大量硝態氮進入水體，造成對水體的污染，不應該成為鼓勵采用的方法。強還原土壤處理可以快速去除土壤積累的硝態氮，但對磷、鉀幾乎不具有去除效果，對于硫也只能將無機硫轉化為有機硫，以氣態硫排放出土壤的量很少［7］。當強還原土壤處理結束、恢復到好氣狀態時，由無機硫轉化而來的有機硫又很快礦化為無機硫，使土壤再次快速酸化和次生鹽漬化。可見，目前的方法對于去除過量積累的硫均還存在嚴重不足。據筆者了解，在南方酸性土壤地區，設施栽培生產實際中亟需快速且經濟的去除土壤中過量積累的磷、鉀和硫的方法，尤其是去除硫的方法。對于北方石灰性土壤，大量積累的磷、鉀、硫是否對土壤養分平衡、土壤生產和環境產生了不利影響還少見報道。

5 結 語

在農業生產的養分管理方面，尤其是化肥的合理施用方面，我國的科學研究始終滯后于生產實際。我國的設施栽培已經快速發展，在養分管理方面出現了大量的問題，而科學研究多側重于揭示設施栽培過量施肥的事實及其由此造成的對土壤質量和環境的不利影響，可用于指導科學施肥和解決生產中養分管理問題的研究成果非常有限。為了解決設施栽培養分管理中的科學問題，實現設施栽培的可持續發展，我國亟需組織力量，系統地研究在設施栽培特殊的小氣候、土壤水分運移、作物生長和養分吸收特點以及高復種指數下，土壤養分轉化規律，水、土、氣和作物之間的相互作用機理及其對土壤養分有效性的影響。隨著生物學、大數據管理和運用、監測和分析技術等的快速發展和在土壤、植物營養研究中的廣泛應用，只要政府重視，土壤和植物營養學研究者持之以恒，作物養分管理中一些長期懸而未決的科學問題必將最終得到解決。