不同施肥處理下辣椒-甘藍輪作模式土壤質量監測與診斷分析

杜 雷，王素萍，陳 鋼，黃 翔，張貴友，姜 利，程維舜，羅 茜，張利紅，洪 娟

（武漢市農業科學院環境與安全研究所，武漢 430345）

土壤質量是指土壤肥力質量、土壤環境質量及土壤健康質量3方面的綜合量度，即土壤在生態系統的范圍內維持生物的生產能力、保護環境質量及促進動植物健康的能力［1］。土壤質量是維持地球生物圈最重要的因子之一，土壤質量的綜合評價必須建立在對不同土壤屬性的閾值與最適值，各種土壤屬性的不同水平間的相互組合對土壤質量的體現，各種土壤屬性與土壤功能之間的關系，形成各種土壤屬性的明確的土壤過程等問題的機理性的了解基礎之上［2，3］。中國的土壤質量評價工作雖然起步晚，國內學者也在這方面做了大量的工作。孫波等［4］提出了紅壤質量評價指標的選擇原則，并從化學、物理學和生物學3個方面探討了評價紅壤質量動態變化可采用的指標體系。吳祥云等［5］從土壤微生物、持水性、物理和化學性質方面探討不同類型樟子松人工固沙林土壤質量狀況，結果表明針闊混交林比針葉純林土壤質量高，同時指出林木對土壤的改良作用是一個長期的持續過程。鄭華等［6］對南方紅壤侵蝕區4種主要森林恢復類型下土壤物理、化學、生物學性狀進行了比較研究，結果表明不同的森林恢復類型導致了土壤物理、化學和生物學性質的顯著差異。

土壤質量的監測與診斷已成為農業土地可持續管理中的一個重要思想。土壤質量監測與診斷是建立“種植全過程的技術服務新模式”的基礎，針對中國集約化種植菜田土壤質量變化和生態環境效應態勢不明、區域差異不明確等核心問題，通過監測農業生產要素及動態變化，逐步建立土壤質量和農業環境數據庫，闡明內在聯系及發展規律，促進土地可持續利用；通過土壤診斷指標的研究，提高檢測效率，節約農業生產成本，打造“從田間到餐桌”種植環境健康管理服務平臺。本試驗對辣椒-甘藍輪作模式土壤的理化性質進行監測，分析輪作模式下不同施肥處理對土壤理化指標的影響，通過土壤診斷，提出土壤改良措施和種植計劃措施，大力倡導和指導建立健康種植體系，讓人們吃到健康的食物和蔬菜，同時維護土壤健康，實現土壤生產可持續性。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設在武漢市農業科學院蔬菜研究所長期種植大棚試驗地——湖北省武漢市黃陂區（114°27′48″E，30°42′38″N）。土壤類型為黏壤灰潮土，辣椒與甘藍輪作，劃分試驗小區，每小區面積32 m2。

1.2 試驗設計

辣椒和甘藍處理相同，均設3個處理：①不施肥對照（CK）；②習慣施肥（FP），通過調查，以當地常規施肥的施肥量為準，辣椒季施用尿素609 kg/hm2、過磷酸鈣1 753 kg/hm2、硫酸鉀550 kg/hm2，甘藍季施用尿素700 kg/hm2、過磷酸鈣1 125 kg/hm2、硫酸鉀375 kg/hm2；③推薦施肥（OPT），2/3化肥氮+1/3有機肥氮，即辣椒季施用尿素500 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、硫酸鉀471 kg/hm2、有機肥5 300 kg/hm2，甘藍季施用尿素400 kg/hm2、過磷酸鈣600 kg/hm2、硫酸鉀312 kg/hm2、有機肥3 900 kg/hm2。每個處理3次重復。

供試肥料養分含量：尿素含N 46%，過磷酸鈣含P2O516%，硫酸鉀含K2O 51%；有機肥中有機質含量為47%，全氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）含量分別為2.80%、0.76%、1.38%。

試驗開始前土壤pH為7.09，容重為1.12 g/cm3，電導率（EC）為0.288 mS/cm，全氮含量為1.05 g/kg，全磷含量為0.68 g/kg，全鉀含量為18.35 g/kg，有機質含量為13.25 g/kg。

1.3 土壤樣品采集

采集每季作物成熟期植株根區土壤樣品，每處理小區依照S形取樣法選取5點混合取樣，四分法取0～20 cm植株根區土壤混合樣品，裝入自封袋帶回實驗室進行風干、研磨等處理，一部分土樣過20目篩用于土壤pH、EC、陽離子交換量、交換性鈣和交換性鎂的測定，另一部分土樣過100目篩用于土壤全氮和有機質的測定。

1.4 分析方法

在每季作物收獲時采用環刀法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤飽和含水量和土壤田間持水量［7］；土壤化學性質的測定方法參見《土壤農化分析》［8］。交換性鈣和交換性鎂的測定采用NY/T 1121.13—2006［9］，陽離子交換量采用HJ 889—2017［10］。

1.5 數據處理

采用Excel 2010和SPSS17.0軟件處理分析數據，采用最小顯著法（LSD）進行差異顯著性水平檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤物理性質的影響

由表1可知，每一季種植完后，不同處理間土壤的物理性質呈明顯相關性。辣椒季和甘藍季的土壤物理指標變化趨勢基本一致，FP處理和OPT處理的土壤容重之間無顯著差異，但均低于CK，其中OPT處理與CK差異顯著（P＜0.05），平均降幅為8.85%。各處理與土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量之間呈明顯相關性，土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量均表現為OPT＞FP＞CK。各處理甘藍收獲后土壤飽和含水量和田間持水量均比辣椒季有所提高。

表1 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤物理性質的影響

2.2 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤p H的影響

通過診斷土壤pH，可以為作物提供適宜的pH條件。辣椒和甘藍生長的適宜pH為6.5～7.5。由圖1可以看出，種植一季辣椒后，各處理的pH都在適宜范圍內，OPT處理和CK的土壤pH無顯著差異，但都顯著高于FP處理（P＜0.05）。甘藍收獲后，各處理pH有小幅度變化，OPT處理和CK的土壤pH稍微有所提高，FP處理依然呈下降趨勢，并且FP處理的土壤pH已不在辣椒和甘藍生長的適宜范圍之內。

圖1 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤p H的影響

2.3 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤EC的影響

EC指示土壤中鹽類的濃度，代表土壤中養分的濃度，EC低表示土壤中肥料含量少，EC高表示土壤中肥料含量較多，如果EC過高，則要減少基肥施用量。蔬菜適宜EC一般在0.8 mS/cm以下。由圖2可知，隨著種植時間的推移，FP處理和OPT處理的土壤EC呈上升趨勢，CK的EC呈下降趨勢，但目前都在作物適宜范圍內。2種作物收獲后，OPT處理與FP處理的土壤EC無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤EC的影響

2.4 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤全氮含量的影響

土壤全氮含量是指土壤中各種形態氮素含量之和。土壤全氮含量處于動態變化之中，它的消長取決于氮的積累和消耗的相對多寡，特別是取決于氮的生物積累和水解作用。由圖3可以看出，辣椒種植完后，各處理土壤全氮無顯著差異，這可能是辣椒生育期過長，消耗掉土壤中的養分。甘藍種植后，施肥處理的土壤全氮與CK相比都顯著提高（P＜0.05），OPT處理的土壤全氮略高于FP處理。甘藍季各處理土壤全氮含量較辣椒季整體增加。

圖3 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤全氮含量的影響

2.5 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤有機質含量的影響

土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物。土壤有機質是改良土壤物理性質、化學性質、生物性質的重要物質，同時也是衡量土壤肥力的重要指標。由圖4可以看出，2輪作物種植完后土壤有機質含量變化呈相同規律，OPT處理土壤有機質含量升高，顯著高于FP處理和CK（P＜0.05），后兩者之間無顯著差異。這可能與OPT處理增施了有機肥有關。隨著種植時間的推移，各處理有機質含量略有上升的趨勢。

圖4 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤有機質含量的影響

2.6 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量（CEC）是指土壤所能吸附和交換的陽離子容量，是土壤中黏土礦物和腐殖質的陽離子的總量，代表土壤的保肥能力。由圖5可以看出，各處理之間土壤陽離子交換量在2種作物種植后整體變化趨勢一致。施肥處理的土壤陽離子交換量都顯著高于CK（P＜0.05），OPT處理的土壤陽離子交換量又顯著高于FP處理（P＜0.05）。種植完甘藍后，各處理的土壤陽離子交換量整體都有所提高。

圖5 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤陽離子交換量的影響

2.7 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤交換性鈣和交換性鎂含量的影響

交換性鈣、交換性鎂是土壤鹽基的重要組成部分。土壤鹽基類物質不足會對作物的生長造成各種各樣的影響，但鹽基類物質過剩也會阻礙其他鹽基成分的吸收，從而造成作物缺素。由圖6和圖7可以看出，各處理間，交換性鈣和交換性鎂呈相同變化趨勢，隨著種植時間的延長，交換性鈣和交換性鎂含量都有上升趨勢，甘藍季都整體高于辣椒季。OPT處理的交換性鈣高于FP處理和CK；各處理之間交換性鎂含量無明顯變化，差異不顯著。

圖6 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤交換性鈣含量的影響

圖7 不同施肥處理對辣椒-甘藍輪作土壤交換性鎂含量的影響

3 小結與討論

土壤作為一種重要的自然資源可以為人類生產食物和纖維，并維持地球上的生態系統。土壤質量主要取決于土壤的自然組成部分，也與由人類利用和管理導致的變化有關。作為一個復雜的功能實體，土壤質量不能夠直接測定，但可以通過土壤質量指標來監測和診斷。土壤質量的好壞取決于土地利用方式、生態系統類型、地理位置、土壤類型以及土壤內部各種特征的相互作用，土壤質量診斷與評價分析應由土壤質量指標來確定。本試驗通過對2輪作物的土壤理化性狀監測與診斷，辣椒季和甘藍季的土壤物理指標變化趨勢基本一致，施肥能改善土壤物理性質，但OPT處理效果更佳，與CK相比，OPT處理顯著降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量。這可能是因為有機肥本身密度較低，且具有巨大的比表面積及疏松多孔的結構，能夠保持水分和空氣，施入土壤后具有一定的稀釋作用［11］。土壤容重是土壤物理性質中最重要的性質，土壤容重越小說明土壤結構、透氣透水性能越好。土壤容重的變化除了本身影響水分和氧氣的供應外，還可影響許多其他性質和過程［12］。土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量能反映土壤水分滲透、可利用性、排水和水氣平衡等功能指標，對全面監測土壤物理結構有重要意義。

對土壤pH、電導率、離子交換量和養分含量的分析對評價土壤質量的化學方面是必要的，因為它們提供了一個能夠反映土壤提供養分和緩沖化學改良能力的測定指標［13，14］。pH可以影響很多土壤生物學性質和化學性質間的關系。離子交換量是評價土壤保持和提供養分能力的重要屬性。通過對2輪作物土壤pH的監測，發現施肥處理都有土壤酸化現象，FP處理最顯著，與CK相比，土壤pH降低了12.41%。這與李娟等［15］的研究一致，化肥長期配施增量豬廄肥顯著提高了土壤微生物量碳氮及土壤養分含量，增強土壤脲酶和過氧化氫酶活性，明顯降低土壤pH。2種作物收獲后，2種施肥處理顯著提高了土壤的EC，但OPT處理與FP處理2種施肥處理間的土壤EC無顯著差異。土壤EC的高低反映了土壤中肥料含量的多少，EC與硝態氮含量的關系密切，一般也可用于推算土壤硝態氮含量［16］。土壤有機質是土壤的重要組成部分，是植物的養分來源和土壤微生物生命活動的能量來源，是土壤團聚體的重要組成部分，是團聚體形成和保持穩定的重要影響因素［17］。2輪作物種植完后OPT處理土壤有機質含量顯著高于FP處理和CK，比CK提高了50.68%，FP處理和CK有機質含量無差異顯著性，說明長期施用有機肥能提高土壤有機質含量。土壤交換性鈣、交換性鎂含量受土壤類型、成土母質、海拔高度的影響［18］，與有機質、水解性氮、有效磷含量密切相關［19］，也受離子間協同或拮抗效應影響［20］。2輪作物種完后，交換性鈣、交換性鎂整體都呈增長趨勢，但各處理間的交換性鈣、交換性鎂含量變化不顯著，OPT處理的交換性鈣、交換性鎂含量略高于FP處理和CK。

土壤監測需要一個長期的監測和觀察，這樣年限效益才會趨于穩定，本試驗接下來會繼續對這種種植模式的土壤理化性質進行監測，以期得到更合理的數據，為農民的生產提供科學施肥建議。