張阿克， 韓 卉， 楊合法， 李 季

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，北京 100193;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站，河北 曲周 057250)

中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品分為無(wú)公害、綠色和有機(jī)3個(gè)等級(jí)。無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品是國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的基本保障，限量使用化肥和農(nóng)藥;有機(jī)食品對(duì)產(chǎn)地環(huán)境、投入品和管理要求嚴(yán)格，禁止使用化肥和農(nóng)藥。由于不同生產(chǎn)模式施肥種類(lèi)和數(shù)量的差異，常規(guī)模式長(zhǎng)期大量施用化肥，有機(jī)模式只施用有機(jī)肥，勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤理化性狀帶來(lái)一定的影響。土壤理化性狀是研究土壤功能的基本指標(biāo)和土壤肥力水平的內(nèi)在條件，也是綜合反映土壤質(zhì)量的重要組成部分［1-2］。本研究以中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗(yàn)站日光溫室蔬菜生產(chǎn)定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討長(zhǎng)期不同施肥條件下土壤理化性質(zhì)變化情況，以期為合理施肥和調(diào)控土壤肥力提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)為日光溫室蔬菜生產(chǎn)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，于2002年3月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站(36°52'N，115°01'E)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)站位于河北省邯鄲市曲周縣北部，屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量604 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)常規(guī)(Conventional)、無(wú)公害(Low-input)和有機(jī)(Organic)3種日光溫室蔬菜生產(chǎn)模式，溫室土壤為鹽化潮褐土。試驗(yàn)采用的日光溫室為拱圓式，長(zhǎng)52 m，寬7 m，占地面積約0.04 hm2。2002年3月試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況和2012年不同生產(chǎn)模式養(yǎng)分投入量分別見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況Table 1 Essential nutrients condition of soil before experiment

1.2 土壤理化性狀的測(cè)定

1.2.1 土壤樣品與前處理 每個(gè)日光溫室分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)內(nèi)按S型取樣，每5個(gè)點(diǎn)為一個(gè)混合樣，0～20 cm和20～40 cm兩個(gè)深度取樣。土樣取回后室溫下風(fēng)干研磨，過(guò)0.25 mm和1.00 mm篩孔后進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤質(zhì)地用激光粒度儀測(cè)定。

1.2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定;全氮用半微量凱氏定氮法測(cè)定;全磷用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀用NH4Ac浸提火焰光度法測(cè)定;堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;速效磷用Olsen方法測(cè)定;pH值用電位法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Microsoft Excel 2010(Office win7)程序進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)變異性及方差分析使用SPSS v.20.0(SPSS，Chicago，USA)程序。當(dāng)比較不同模式相關(guān)指標(biāo)差異時(shí)，采用單因素方差分析-顯著性差異法(Tukey)進(jìn)行多重比較，繪圖用Excel 2010進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種生產(chǎn)模式下土壤容重變化

從圖1可以看出在0～20 cm土層，有機(jī)模式、無(wú)公害模式和常規(guī)模式土壤容重依次增大，并呈顯著差異，常規(guī)和無(wú)公害模式分別比有機(jī)模式土壤容重高44.2%和22.6%。20～40 cm土層常規(guī)模式土壤容重最大，無(wú)公害與有機(jī)模式土壤容重?zé)o明顯差異。0～20 cm土層常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式土壤容重分別比20～40 cm土層土壤容重高 10.1%、21.7%和1.47%，有機(jī)模式0～20 cm與20～40 cm土壤容重?zé)o明顯差異。

圖1 不同生產(chǎn)模式土壤容重Fig.1 Soil bulk density in different cropping systems

綜上所述，施入有機(jī)肥可以降低土壤容重，增加土壤通透性，提高植物根系穿透能力和土壤微生物的活性有利于養(yǎng)分和水分的移動(dòng)，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，最終對(duì)產(chǎn)量造成影響［3］。而常規(guī)模式長(zhǎng)期大量使用化肥，土壤相對(duì)緊實(shí)，不利于作物根系的生長(zhǎng)。

2.2 3種生產(chǎn)模式下土壤質(zhì)地變化

不同種植模式下土壤顆粒組成分析結(jié)果(表3)顯示，3種模式0～20 cm和20～40 cm土層黏粒含量在0～15%范圍內(nèi)，粉砂粒含量在0～45%范圍內(nèi)，砂礫含量在55% ～85%范圍內(nèi)，3種模式各土壤顆粒類(lèi)別含量均無(wú)明顯差異，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。從2002年開(kāi)始采用不同施肥方式管理，土壤質(zhì)地沒(méi)有變化，土壤質(zhì)地的類(lèi)別和特點(diǎn)主要繼承了成土母質(zhì)的類(lèi)別和特點(diǎn)，土壤顆粒組成在短時(shí)間內(nèi)受耕作、施肥條件的影響較小，是土壤的一個(gè)自然屬性。經(jīng)過(guò)10年大量有機(jī)肥的投入，有機(jī)模式土壤顆粒組成與常規(guī)模式無(wú)明顯差異。有機(jī)和無(wú)公害模式下黏粒的含量高于常規(guī)模式下黏粒的含量，說(shuō)明施入有機(jī)肥增加了土壤黏粒的含量，有利于提高土壤對(duì)水分和養(yǎng)分的保蓄能力。

表3 不同生產(chǎn)模式土壤顆粒組成Table 3 Composition of soil particles in different cropping systems

2.3 3種模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

由圖2可知，經(jīng)過(guò)10年不同的施肥管理，3種模式0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)都有增加趨勢(shì)，2012年3月蔬菜種植前常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比試驗(yàn)前增加了23.6%、116.8%和190.1%;2012年3月蔬菜種植前3種模式20～40cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比試驗(yàn)前增加26.8%、90.7%和157.3%。2012年3月3種模式土壤有機(jī)質(zhì)含量有明顯差異，有機(jī)模式土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，這與有機(jī)模式下每年施用大量有機(jī)肥有關(guān)，有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升有直接貢獻(xiàn)。3種模式下隨著施用有機(jī)肥比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈遞增趨勢(shì)，可見(jiàn)有機(jī)肥對(duì)于提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的作用高于化肥;常規(guī)模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量也有增加趨勢(shì)，并與種植前有明顯差異，說(shuō)明施用化肥也能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，主要原因是增加了作物殘留物。

圖2 不同生產(chǎn)模式土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.2 Changes of soil organic matter content in three cropping systems

在長(zhǎng)期單施化肥條件下，化肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升沒(méi)有直接貢獻(xiàn)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高有直接貢獻(xiàn)的是有機(jī)肥的施用量和作物殘留物［4］。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果顯示土壤有機(jī)質(zhì)平均年增量基本是逐年減少，說(shuō)明施肥和作物殘留物對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)越來(lái)越少。

2.4 3種種植模式下土壤全氮含量變化

由圖3可知，常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式2012年3月蔬菜種植前0～20 cm土層土壤全氮含量分別比試驗(yàn)前增加了23.2%、78.7%和166.8%，20～40 cm土層土壤全氮含量分別比試驗(yàn)前增加了8.7%、58.2%和94.4%。土壤全氮含量的變化趨勢(shì)和有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)相同。氮肥提高土壤全氮含量的作用并不明顯，而有機(jī)肥在土壤中有明顯的凈殘留，有助于土壤全氮量的提高［5］。施入的氮肥除了被作物吸收利用外有部分損失，損失途徑主要有氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗，無(wú)明顯的凈殘留，因此施用氮肥對(duì)于提高土壤全氮含量的作用不明顯;施用有機(jī)肥增加了土壤中易礦化的有機(jī)氮含量，而且有利于晶格中固定的銨的釋放，提高土壤全氮量效果明顯。

圖3 不同生產(chǎn)模式土壤全氮含量的變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen content in three cropping systems

2.5 不同生產(chǎn)模式下土壤堿解氮含量的變化

從圖4可知，2012年常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式0～20 cm土層土壤堿解氮含量分別比試驗(yàn)前增加了－6.47%、80.52%和108.40%，20～40 cm土層土壤堿解氮含量分別比試驗(yàn)前增加了－7.33%、88.27%和169.82%;無(wú)公害和有機(jī)模式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤堿解氮都有增加的趨勢(shì)，而常規(guī)模式土壤堿解氮下降。常規(guī)模式土壤中堿解氮主要來(lái)源于投入的化肥，而2012年3月取樣是在上茬作物收獲后，下茬作物種植前，還沒(méi)有施入底肥。常規(guī)模式土壤速效養(yǎng)分主要來(lái)源于化肥，收獲后土壤中堿解氮無(wú)明顯的凈殘留，需要不斷地補(bǔ)充速效肥料來(lái)補(bǔ)充土壤的速效氮，而無(wú)公害和有機(jī)模式下投入了大量的有機(jī)肥，有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)的礦化可以增加土壤中的堿解氮。有機(jī)模式能夠滿足生長(zhǎng)周期長(zhǎng)的作物后期養(yǎng)分的供應(yīng)，常規(guī)模式在后期追施化肥才能滿足植物對(duì)氮肥的需求。

圖4 不同生產(chǎn)模式土壤堿解氮含量的變化Fig.4 Changes of soil alkaline hydrolytic nitrogen content in three cropping systems

2.6 不同生產(chǎn)模式下土壤全磷含量的變化

常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)生產(chǎn)模式0～20 cm土壤全磷含量從 2002年3月的 1.23 g/kg、1.25 g/kg和1.41 g/kg，分別增長(zhǎng)到2012年3月的2.09 g/kg、2.04 g/kg和2.29 g/kg，分別增加69.6%、63.5% 和62.1%。常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)生產(chǎn)模式0～20 cm土層土壤全磷含量分別比試驗(yàn)前增加了30.9%、76.8% 和57.1%，0～20 cm和20～40 cm土層3種模式土壤全磷含量無(wú)顯著差異，不同施肥處理都顯著提高了土壤全磷含量(圖5)。大量研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥都能提高土壤全磷含量，而有機(jī)肥提升效果并不明顯優(yōu)于化肥，施用化肥和有機(jī)肥可以分別增加土壤中無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷的含量［6-7］。常規(guī)生產(chǎn)模式下由于底肥中施用了過(guò)磷酸鈣，土壤速效磷含量也增高，磷在土壤中移動(dòng)性小， 重施磷肥后其殘留時(shí)間長(zhǎng)，累積性強(qiáng)。

圖5 不同生產(chǎn)模式土壤全磷含量的變化Fig.5 Changes of soil total phosphorus content in three cropping systems

2.7 3種模式下土壤速效磷含量的變化

2012年常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式0～20 cm土層土壤速效磷含量分別比試驗(yàn)前增加了42.3%、70.8% 和154.0%，20～40 cm土層土壤速效磷含量明顯低于0～20 cm土層土壤速效磷含量(圖6)。常規(guī)、無(wú)公害、有機(jī)生產(chǎn)模式20～40 cm土層土壤速效磷含量從2002年的35.0 m g/kg、17.1 mg/kg和33.3 mg/kg，分別增長(zhǎng)到 2012年的 68.3 mg/kg、171.4 mg/kg和293.3 mg/kg，分別增加了117.9%、356.2%和671.2%。有機(jī)模式下土壤速效磷增幅最大，長(zhǎng)期大量施用有機(jī)肥，明顯增加了下層土壤速效磷的含量，對(duì)地下水產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)論是施用磷肥還是有機(jī)肥，都能提高土壤速效磷的含量，但是有機(jī)肥的效果更加明顯，有機(jī)肥中主要含有易于分解的有機(jī)磷，而施用有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物多樣性，促進(jìn)無(wú)機(jī)磷的溶解［8-9］。

2.8 3種模式下土壤速效鉀含量的變化

由圖7可知，經(jīng)過(guò)10年不同的施肥管理，三種模式0～20 cm和20～40 cm土層土壤速效鉀含量都有增加趨勢(shì)。2012年3月蔬菜種植前常規(guī)、無(wú)公害和有機(jī)模式0～20 cm土層土壤速效鉀含量分別比試驗(yàn)前增加了136.1%、56.3% 和138.5%，20～40 cm土層土壤速效鉀含量分別比試驗(yàn)前增加了194.3%、289.8%和368.1%。0～20 cm土層土壤速效鉀含量有機(jī)模式最高，無(wú)公害模式次之，常規(guī)模式最低，這是由于一方面有機(jī)肥本身含有速效鉀，另一方面可能與長(zhǎng)期施用有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的提高有助于促進(jìn)礦物鉀的釋放有關(guān)［10］。

2.9 3種模式下土壤pH值的變化

0～20 cm土層有機(jī)模式土壤pH值最大，無(wú)公害和常規(guī)模式pH值水平相當(dāng)，3種模式無(wú)明顯差異;20～40 cm土層常規(guī)和無(wú)公害模式土壤pH值大于0～20 cm土層pH值，而有機(jī)模式20～40 cm土層pH值小于0～20 cm土層，3種模式也無(wú)明顯差異(圖8)。表明連續(xù)施用有機(jī)肥能保持土壤pH值的穩(wěn)定，長(zhǎng)期單獨(dú)或大量施用無(wú)機(jī)氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤pH值下降。

土壤酸堿度受作物生長(zhǎng)的影響，由于收獲的作物帶走了土壤中的鹽基陽(yáng)離子，導(dǎo)致土壤pH值下降，土壤酸性增強(qiáng)［11］。長(zhǎng)期施用氮肥，會(huì)降低土壤pH值。由于試驗(yàn)前土壤為鹽堿地改造土，經(jīng)過(guò)10年的不同施肥管理，土壤pH值變幅較小，常規(guī)和無(wú)公害模式土壤pH值有下降趨勢(shì)，有機(jī)模式土壤pH值略有上升趨勢(shì)。

3 討論

經(jīng)過(guò)10年不同施肥管理，0～20 cm和20～40 cm土層土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量都有不同程度的提升，有機(jī)模式土壤養(yǎng)分提升幅度最大，這與 Sara 等［12］和劉暢等［13］的研究結(jié)果一致。在0～20 cm土層，常規(guī)模式速效鉀含量增加了136.1%，增幅最大;無(wú)公害和有機(jī)模式土壤有機(jī)質(zhì)增幅最大，分別比試驗(yàn)前增加了116.8% 和190.1%。國(guó)外很多長(zhǎng)期定位試驗(yàn)也都證明，有機(jī)種植模式下土壤的有機(jī)質(zhì)含量較高，如瑞士糧草輪作有機(jī)農(nóng)業(yè)定位試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)21年的施肥管理，使用畜肥顯著影響了土壤的有機(jī)質(zhì)含量［14］，本研究結(jié)果與此相符。在20～40 cm土層，常規(guī)模式速效鉀含量增加了194.3%，增幅最大;無(wú)公害和有機(jī)模式土壤速效磷增幅最大，分別比試驗(yàn)前增加了356.2% 和368.1%。土壤磷、鉀含量呈逐年上升趨勢(shì)主要是因?yàn)榇蟛糠至?、鉀在土壤中以難溶或固定形態(tài)存在，遷移以擴(kuò)散方式為主，施入的養(yǎng)分保留在土壤中的較多而流失的較少。

2012年3 種模式下土壤容重及全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均有顯著差異，但3種模式土壤全磷含量和土壤質(zhì)地?zé)o明顯差異。2012年有機(jī)模式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量，全氮、全磷及速效氮、磷、鉀含量明顯高于常規(guī)模式和無(wú)公害模式。有機(jī)模式土壤容重最小，表明有機(jī)生產(chǎn)模式在提高土壤養(yǎng)分、降低土壤容重方面優(yōu)于常規(guī)模式。有機(jī)模式土壤pH值較穩(wěn)定，常規(guī)和無(wú)公害模式土壤pH值有下降趨勢(shì)。

從養(yǎng)分循環(huán)的角度而言，本試驗(yàn)只測(cè)定了土壤中的養(yǎng)分含量，還應(yīng)該測(cè)定包括肥料、植株、果實(shí)、淋洗水以及以其他形式損失的氮、磷、鉀的量，通過(guò)計(jì)算得出每種生產(chǎn)模式的養(yǎng)分平衡表，為確定科學(xué)的施肥量提供依據(jù)。

有機(jī)模式下每年投入的有機(jī)肥量比較大，純氮的施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于歐盟有機(jī)蔬菜生產(chǎn)氮肥限量施用標(biāo)準(zhǔn)(170 kg/hm2)，對(duì)地下水產(chǎn)生了一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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