不同施肥處理下茄子白菜輪作模式土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)與診斷

杜雷，王素萍，張貴友，陳鋼，黃翔，姜利，程維舜，羅茜，張利紅，洪娟

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與安全研究所，武漢 430000）

土壤質(zhì)量是指土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量三方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力［1］。土壤質(zhì)量是維持地球生物圈重要的因子，在對(duì)于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相互組合對(duì)土壤質(zhì)量的體現(xiàn)、各種土壤屬性與土壤功能之間的關(guān)系、形成各種土壤屬性的明確的土壤過(guò)程等問(wèn)題的深入的機(jī)理性了解的基礎(chǔ)之上，建立土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)［2，3］。中國(guó)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)工作起步較晚，學(xué)者做了大量的工作。孫波等［4］、鄭昭佩等［5］提出了紅壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇原則，并從化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)等方面探討了評(píng)價(jià)紅壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化可采用的指標(biāo)體系。吳祥云等［6］從土壤微生物、土壤持水性、土壤物理、土壤化學(xué)性質(zhì)方面探討不同類型樟子松人工固沙林土壤質(zhì)量狀況，表明針闊混交林比針葉純林土壤質(zhì)量高，指出林木對(duì)土壤的改良作用是一個(gè)長(zhǎng)期的持續(xù)過(guò)程。鄭華等［7］對(duì)南方紅壤侵蝕區(qū)主要森林恢復(fù)類型下土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀進(jìn)行了比較研究，表明不同的森林恢復(fù)類型導(dǎo)致了土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的顯著差異。

土壤質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與診斷已成為農(nóng)業(yè)土地可持續(xù)管理中的一個(gè)重要思想。土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)與診斷是建立種植全過(guò)程的技術(shù)服務(wù)新模式的基礎(chǔ)。針對(duì)中國(guó)集約化種植菜田土壤質(zhì)量變化和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)態(tài)勢(shì)不明、區(qū)域差異不明確等問(wèn)題，通過(guò)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及動(dòng)態(tài)變化，逐步建立土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，闡明內(nèi)在聯(lián)系及發(fā)展規(guī)律，促進(jìn)土地可持續(xù)利用；通過(guò)土壤診斷指標(biāo)的研究，提高檢測(cè)效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，打造“從田間到餐桌”種植環(huán)境健康管理服務(wù)平臺(tái)。本研究在武漢市選擇長(zhǎng)期種植茄果類葉菜類模式的土壤進(jìn)行土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量與品質(zhì)監(jiān)測(cè)，探索該區(qū)域土壤質(zhì)量演變規(guī)律及影響因素，完善土壤健康診斷指標(biāo)體系，為實(shí)現(xiàn)食品安全和土壤的可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院北部園區(qū)國(guó)家土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)中心觀測(cè)站內(nèi)進(jìn)行。土壤為灰潮土，土壤pH為7.25，EC為0.251 mS/cm，容重為1.17 g/cm3，全氮含量1.17 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀16.38 g/kg，有機(jī)質(zhì)14.62 g/kg。試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn)，每小區(qū)面積32 m2，茄子與白菜輪作種植模式，設(shè)3個(gè)處理，分別為：①CK，對(duì)照，不施肥；②FP，習(xí)慣施肥（以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥的施肥量為準(zhǔn)，茄子季尿素609 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣1 753 kg/hm2，硫酸鉀550 kg/hm2，白菜季為尿素750 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣1 125 kg/hm2，硫酸鉀375 kg/hm2）；③OPT，推薦施肥，2/3化肥氮+1/3有機(jī)肥氮。茄子季為尿素500 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣750 kg/hm2，硫酸鉀471 kg/hm2，有機(jī)肥5 300 kg/hm2；白菜季為尿素400 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣600 kg/hm2，硫酸鉀312 kg/hm2，有機(jī)肥3 900 kg/hm2，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料：茄子品種為鄂茄4號(hào)，由武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜所提供；白菜品種為春來(lái)早白，購(gòu)于市場(chǎng)。

供試肥料：尿素（N 46%），過(guò)磷酸鈣（P2O516%），硫酸鉀（K2O 51%），有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)含量為47%，全氮（N）、全磷（P）、全鉀（K）含量分別為2.80%、0.76%、1.38%。

1.3 土壤樣品采集

選取每季作物成熟期植株根區(qū)土壤樣品，每處理小區(qū)依照“S形”取樣法五點(diǎn)混合取樣，四分法取0～20 cm植株根區(qū)土壤混合樣品，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨，分析土壤化學(xué)性狀。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

在每季作物收獲時(shí)采用環(huán)刀法測(cè)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［8］等土壤理化性質(zhì)，交換性鈣和鎂的測(cè)定參見(jiàn)文獻(xiàn)［9］，陽(yáng)離子交換量測(cè)定參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］，其他項(xiàng)目測(cè)定參見(jiàn)文獻(xiàn)［11］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件處理分析，采用最小顯著法（LSD）進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤物理性狀的影響

不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤物理性狀的影響見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4。每季種植完后，不同處理土壤的物理性質(zhì)有顯著相關(guān)性，兩季作物的土壤物理指標(biāo)整體變化趨勢(shì)基本一致。由圖1可見(jiàn)，F(xiàn)P和CK的土壤容重?zé)o顯著差異，都顯著高于OPT。由圖2可見(jiàn)，F(xiàn)P和OPT的土壤孔隙度之間無(wú)顯著差異，但都顯著高于CK。白菜季種完后土壤孔隙度都整體略低于茄子季的土壤孔隙度。由圖3可見(jiàn)，茄子季CK的土壤飽和含水量最低，OPT的土壤飽和含水量最高，各處理差異顯著。由圖4可見(jiàn)，各處理間土壤田間持水量呈顯著差異，OPT顯著高于FP，F(xiàn)P顯著高于CK。

圖1 不同施肥對(duì)土壤容重的影響

圖2 不同施肥對(duì)土壤孔隙度的影響

圖3 不同施肥對(duì)土壤飽和含水量的影響

圖4 不同施肥對(duì)田間持水量的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤化學(xué)性狀的影響

2.2.1 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤pH和EC的影響 不同施肥處理對(duì)土壤pH和EC的影響見(jiàn)圖5和圖6。茄子和白菜適宜的土壤pH為6.5～7.5。由圖5可見(jiàn)，種植一季茄子后，各處理的土壤pH都在適宜范圍內(nèi)，OPT和CK的土壤pH無(wú)顯著差異，F(xiàn)P的土壤pH顯著下降。白菜季各處理pH變化趨勢(shì)與茄子季一致，OPT和CK的土壤pH無(wú)顯著差異，F(xiàn)P呈下降趨勢(shì)。茄子和白菜土壤的適宜EC在0.8 mS/cm以下。由圖6可見(jiàn)，隨著種植時(shí)間的推移，施肥處理的土壤EC呈上升趨勢(shì)，CK的EC呈下降趨勢(shì)，但都在茄子和白菜的適宜范圍內(nèi)。茄子季和白菜季OPT的土壤EC和FP無(wú)顯著差異。

圖5 不同施肥對(duì)土壤pH的影響

圖6 不同施肥對(duì)土壤EC的影響

2.2.2 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量的影響 氮、磷、鉀作為肥料三要素，是作物高產(chǎn)優(yōu)先補(bǔ)充的養(yǎng)分。旱地土壤以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮的水平直接反映土壤短期氮素供應(yīng)狀況。由圖7可見(jiàn)，茄子季和白菜季各處理的土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)一致，CK最低，F(xiàn)P最高，各處理之間呈顯著差異。這可能與每個(gè)處理的施氮不同直接相關(guān)。由圖8可見(jiàn)，2輪作物土壤有機(jī)質(zhì)含量變化呈相同情況，OPT土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，F(xiàn)P和CK土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異，都顯著低于OPT，這可能跟OPT增施了有機(jī)肥有關(guān)。與CK相比，OPT土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了54.9%。

圖7 不同施肥對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響

圖8 不同施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

2.2.3 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤陽(yáng)離子交換量的影響 土壤陽(yáng)離子交換量是指土壤所能吸附和交換的陽(yáng)離子容量，是土壤中黏土礦物和腐殖質(zhì)負(fù)離子的總量，反映土壤的保肥能力。由圖9可見(jiàn)，各處理土壤陽(yáng)離子交換量在2種作物的土壤整體變化趨勢(shì)一致。施肥處理的土壤陽(yáng)離子交換量高于CK，OPT土壤陽(yáng)離子交換量比FP顯著提高。白菜季各處理的土壤陽(yáng)離子交換量整體有所提高。

圖9 不同施肥對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的影響

2.2.4 不同施肥處理對(duì)茄子白菜輪作土壤交換性鈣和交換性鎂的影響交換性鈣、鎂是土壤鹽基的重要組成部分，土壤鹽基類物質(zhì)不足會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成影響，但某種鹽基類物質(zhì)過(guò)剩會(huì)阻礙其他鹽基成分的吸收，造成作物缺素。由圖10可見(jiàn)，不同作物各處理間交換性鈣含量變化不一致，茄子季CK和FP無(wú)顯著差異，但都顯著低于OPT；白菜季各處理的交換性鈣含量無(wú)顯著差異，CK和FP的交換性鈣含量與茄子季相比明顯上升，OPT無(wú)明顯變化。由圖11可見(jiàn)，茄子季和白菜季各處理交換性鎂含量無(wú)明顯變化，差異不顯著。

圖10 不同施肥對(duì)土壤交換性鈣的影響

圖11 不同施肥對(duì)土壤交換性鎂的影響

3 小結(jié)與討論

土壤物理性狀包括土壤的顏色、質(zhì)地、孔隙、結(jié)構(gòu)、水分、熱量和空氣狀況，土壤的機(jī)械物理性質(zhì)和電磁性質(zhì)等方面［12］。各種性質(zhì)和變化過(guò)程是相互聯(lián)系和制約的，其中以土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分居主導(dǎo)地位，它們的變化常引起土壤其他物理性質(zhì)和過(guò)程的變化［13］。本研究結(jié)果表明，OPT可以有效地改善土壤物理性狀，OPT與CK、FP相比降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量，且隨著種植時(shí)間的增加，這種效應(yīng)具有穩(wěn)定的效益。這是因?yàn)镺PT降低了化肥的施入量，增加了有機(jī)肥的施入。有機(jī)肥密度較低，具有較大的比表面積及疏松多孔的結(jié)構(gòu)，能夠保持水分和空氣，施入土壤后有一定的稀釋作用［14］。FP茄子季和白菜季土壤的物理性狀與CK相比也有改善，特別是在土壤飽和含水量和田間持水量方面，這可能是施肥更好地協(xié)調(diào)了土壤水、氣、肥、熱等條件，提高了微生物活性，從而提高了土壤保水性。

土壤化學(xué)性狀主要反映土壤固、液相的化學(xué)組成、化學(xué)變化以及固液相之間的反應(yīng)，內(nèi)容包括土壤固體顆粒的表面化學(xué)性質(zhì)及陽(yáng)離子交換，土壤的酸堿性、氧化還原性等［15］。土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)，它是衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分的能力［16，17］。

本研究結(jié)果表明，OPT對(duì)土壤pH有微弱降低作用，F(xiàn)P顯著降低了土壤的pH，這可能與化肥中有酸性肥料有關(guān)。2個(gè)施肥處理提高了土壤的EC，但都還在適宜范圍以內(nèi)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是植物的養(yǎng)分來(lái)源和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來(lái)源，是土壤團(tuán)聚體的重要組成部分，是團(tuán)聚體形成和保持穩(wěn)定的重要因素［18］。通過(guò)對(duì)兩季作物土壤有機(jī)質(zhì)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，OPT的有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，并且隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，這與養(yǎng)分積累的年限效益有關(guān)［19］。

施氮肥直接改變了土壤的硝態(tài)氮含量，F(xiàn)P的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于OPT和CK。施肥量，特別是氮肥量，不應(yīng)當(dāng)超過(guò)土壤和作物的需要量。不同的土壤或相同土壤的不同地塊，在養(yǎng)分含量上存在差異，不同作物或同一作物的不同品種，各有其不同的生育特點(diǎn)，在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需要的養(yǎng)分種類、數(shù)量和比例不一樣［20］。因此，在擬定施肥建議時(shí)必須嚴(yán)格按照作物的營(yíng)養(yǎng)特性、預(yù)期產(chǎn)量和土壤的農(nóng)化性質(zhì)，來(lái)確定化肥的最適施用量。即要了解土壤肥力，才能做到合理施肥，減少淋失對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響。OPT還提高了土壤的陽(yáng)離子交換量和交換性鈣含量，但對(duì)交換性鎂含量無(wú)明顯影響。這可能與有機(jī)肥施入，提升了土壤表面庫(kù)侖力、氫鍵以及分子間的范德華力等有關(guān)，更利于將土壤陽(yáng)離子吸附到土壤顆粒表面［21］。

土壤監(jiān)測(cè)需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和觀察，年限效益才會(huì)趨于穩(wěn)定。接下來(lái)會(huì)繼續(xù)對(duì)這種種植模式的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期得到更合理的數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的施肥建議。