基于大棚黄瓜土壤养分及氮积累特征的分析

连艳会，潘飞飞，李新峥*

(1.河南科技学院园艺园林学院，河南 新乡 453003；2.河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心，河南 新乡 453003)

【研究意义】近年来，随着人们生活水平的提高，设施蔬菜种植面积逐渐增加，到2013年设施蔬菜种植面积增加到370万hm2[1]，已经发展成为农民增收的重要支柱产业[2-4]。然而，由于在种植黄瓜过程中，施肥措施不当，容易使黄瓜土壤中盐分含量过高、地下水中硝酸盐含量增加、土壤酸化与次生盐渍化加重[5-9]，造成土壤养分失调，过量的肥料施入土壤中不能完全被黄瓜吸收，就会以气体或淋溶方式损失，存在严重的生态环境风险，甚至影响蔬菜产量[10-16]。然而，土壤是蔬菜正常生长的基础坏境，不同种植年限的蔬菜大棚中土壤肥力、盐渍化及酸碱度、土壤电导率、全氮、全磷、速效养分和有机质含量等存在显著的差异[17-19]。【前人研究进展】大多数学者的研究显示，随着种植年限的增加，土壤有机质、全氮、全磷、速效磷、土壤盐分、硝态氮等含量呈逐渐增加、先增加后稳定或先增加后稍降低的趋势，造成菜田土壤养分不同程度的失衡，蔬菜生长受限制[20]。这种养分随种植年限变化趋势的差异，可能会因菜田本身的土壤肥力状况、施肥管理状况、栽培作物种类等的不同而异[21]。此外，土壤各种养分尤其是作物需求量最大的氮素的储量及其储存形态与作物当季可利用养分密切相关，速效形态养分更利于作物当季吸收利用，而缓效或迟效态养分则更利于作物后期或后季植物的吸收利用[22]。因此，有必要在调查不同种植年限土壤全量养分的基础上，分析其不同形态的储量，为今后施肥管理措施的制定提供一些理论依据。【本研究切入点】本研究拟通过不同种植年限大棚土壤肥力状况调研，了解土壤养分含量随种植年限的变化，分析主要养分不同形态的储量及分配状况，探讨不同种植年限大棚土壤的合理施肥管理措施。【拟解决的关键问题】以期在最大限度地发挥土壤自身养分供应能力的前提下，高效合理施肥，减少不必要的肥料损失、降低环境风险。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于牧野区朱庄屯村，在新乡市市区中北部(35°18′N，113°54′E)，东西横穿整个新乡市区。该区属暖温带大陆性气候，四季分明，冬寒夏热，秋凉春早，全年平均气温14 ℃，7月最热，平均27.3 ℃；1月最冷，平均0.2 ℃；年平均降水量573.4 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2400 h，土地肥沃、光热充沛。该区大棚冬春季主栽黄瓜，秋冬季主栽番茄。通过不同种植年限大棚肥料施用状况的调查得知，就黄瓜季而言，基肥为商品有机肥(鹤壁市禾盛生物科技有限公司提供)，追肥为水溶性的复合化肥(河南心连心有限公司提供)，养分投入量如表1所示。就番茄季而言，因菜农施肥习惯普遍存在成区成片现象，所以不同大棚间肥料施用量、种类、时间基本相同，不再赘述。同时，以该区农田(冬小麦-夏玉米轮作)为0年设施蔬菜种植年限的对照，调查小麦季的肥料施用状况。

1.2 样品采集与处理

试验以长期种植小麦-玉米的农田(0年)为对照，以番茄-黄瓜栽培年限分别为2、3、13、16、18年的设施大棚为不同种植年限处理。于2018年6-7月黄瓜拉秧后，分别采集不同种植年限的设施菜田土壤(0～40 cm土层，每20 cm一层)，于同年6月农田小麦收获后，采集同一土层土样。每个棚内设有3个小区。土壤样品的采集按小区内多点混合采样，每个设施大棚采集混合土样3份，作为该种植年限的3次重复，装于自封袋内，带回实验室用于各项指标的分析测定。

表1 不同种植年限大棚黄瓜季肥料施用状况

将采回的新鲜土样，一部分过2 mm筛，分别放于自封袋中，并做好标记，置于-20 ℃的冰箱内待用，该土壤用于测定土壤铵态氮、硝态氮和微生物量氮含量。剩余土样，平铺于报纸上，置于通风处，待自然风干后，磨细，过0.15 mm筛，分别放于自封袋中，并做好标记待用，该土壤用于测定土壤固定态铵、全氮、磷、钾及速效磷钾等含量。

1.3 测定指标及方法

各指标的测定均采用常规方法：土壤pH采用1∶2.5土水比悬液电位测定法；土壤电导率采用上海雷磁DDS-307电导率仪测定；土壤有机质采用灼烧法测定；微生物量氮的测定采用氯仿熏蒸-凯式定氮法；固定态铵采用Silver-Bremner法；硝态氮采用紫外分光光度法；铵态氮采用靛酚蓝比色法；全氮采用元素分析仪测定；全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定；全钾采用火焰光度法；速效磷采用0.5 mol/L碳酸钠浸提，钼蓝比色测定；速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提，火焰光度计测定。

1.4 数据处理及分析

试验数据均采用Excel 2010和DPS(15.10)软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限对大棚土壤基本理化性状的影响

由图1可知，0～20 cm土层的土壤全氮、全磷、全钾、有机质、速效磷、速效钾含量和电导率整体上高于土层20～40 cm。不同种植年限大棚土壤的全氮含量均高于农田，且随种植年限的增加，土壤全氮含量呈先增后降的趋势，其中，种植年限为16年时达最大，0～20、20～40 cm土壤全氮含量分别是农田土壤的1.83、1.69倍(图1-a)。而对于不同土层，不同种植年限大棚土壤的有机质含量均低于农田(图1-b)。不同种植年限大棚土壤电导率均显著(P<0.05)高于农田，其中，种植年限为2年时达最大，0～20、20～40 cm土层分别是农田的4.32、1.71倍。农田土壤的pH显著高于其他种植年限大棚土壤，且随种植年限的增加，土壤pH呈下降趋势。相关分析结果同样显示，土壤pH与种植年限间呈负相关关系(表2)。

图1 不同种植年限土壤基本理化性状分析Fig.1 Analysis of basic physical and chemical properties of soils with different planting years

表2 不同种植年限的土壤基本理化性状的相关分析

注：表中**表示在0.01水平上显著相关，*表示在0.05水平上显著相关。

Note: ** in the table indicates a significant correlation at the 0.01 level, and * indicates a significant correlation at the 0.05 level.

大棚土壤各土层的速效磷、全磷含量均显著高于农田(图1-e，f)，当种植年限达16年时，0～20 cm土层速效磷含量达到最大，是农田的4.03倍；当种植年限达13年时，各土层中全磷含量达到最大，分别是农田的1.72、1.59倍。除种植年限为2年的大棚外，其他种植年限大棚土壤的速效钾含量均高于农田，土壤全钾含量显著低于农田。相关分析结果显示(表2)，土壤全氮、速效磷含量与种植年限间均呈显著和极显著(P<0.01)正相关。土壤速效钾含量也与种植年限间呈正相关，但差异并未达显著水平。说明与农田土壤相比，大棚土壤的全氮、速效磷、速效钾均表现出不同程度的增加，且随种植年限的增加呈现一定的累积特性。此外，土壤全氮与速效磷、速效钾、有机质间均呈极显著正相关，速效磷与速效磷、速效钾与有机质间亦呈正相关，差异达显著水平。

通过对不同种植年限土壤基本理化性状的相关分析(表2)可以看出，土壤中各个养分特性与种植年限存在不同程度的相关。其中，速效磷含量与种植年限呈极显著正相关，全氮与种植年限呈显著正相关，随种植年限的增加，速效磷、全氮累积量也随之增加。全氮与全磷、速效磷、速效钾、有机质，全磷与速效钾，全钾与pH，速效磷与速效钾呈极显著正相关，达到极显著水平。全氮与种植年限，全磷与速效磷、有机质，全钾与有机质，速效钾与有机质呈正相关，达到显著水平。不同养分之间相互影响，相互制约，氮磷钾含量施用过多，土壤中养分积累量增加，土壤盐分含量的增加，导致土壤酸化，有机质含量减少。

2.2 不同种植年限对大棚土壤氮素及其分配的影响

由图2-a、2-b可知，各种植年限处理，0～20 cm土层中土壤铵态氮、硝态氮累积量普遍低于20～40 cm土层，且就铵态氮而言，大棚土壤各土层的铵态氮累积量均显著高于农田。而就硝态氮而言，种植年限为13、16年的大棚各土层的硝态氮累积量均显著高于农田，且种植年限为16年时土壤硝态氮累积量为最大，同等条件下相应的淋失风险也较高。铵态氮和硝态氮累计之和呈现先下降后上升的趋势，其中，种植年限为16年的大棚土壤累积量达到最大。各个种植年限处理下，0～20 cm土层中土壤微生物量氮累积量显著高于20～40 cm土层，大棚中各土层的累积量仍显著高于农田(图2-c)，平均是农田的1.50倍。各个大棚中土壤固定态铵的累积量亦高于农田(图2-d)，平均是农田的1.55倍，当种植年限为16年时，0～20 cm土层土壤固定态铵累积量达最大。

图2 不同种植年限土壤氮素累积量的分析Fig.2 Analysis of soil nitrogen accumulation in different planting years

由图3可知，在0～40 cm土层范围内，除种植年限为16年的大棚外，其他种植年限大棚中土壤铵态氮占全氮的比例均高于农田；而就硝态氮而言，不同种植年限大棚土壤的硝态氮占全氮的比例则均低于农田。以有机形态为主的其它未测组分氮占全氮比例最高，变化在58.32 %～71.22 %范围之间，其中，以农田土壤最低，大棚土壤均高于农田土壤。

相关分析(表3)表明，土壤全氮与微生物量氮、固定态铵、铵态氮及硝态氮都存在显著或极显著的正相关。此外，土壤铵态氮、微生物量氮和固定态铵两两之间存在极显著的正相关，土壤全氮、铵态氮与种植年限呈显著正相关，在一定条件下，不同养分含量之间，随种植年限的增加而增加。

图3 不同种植年限土层中不同形态氮组成的变化Fig.3 Variations of different forms of nitrogen in soil layers of different planting years

3 讨 论

土壤养分含量是判定植株生长状况的重要依据，土壤中速效养分含量的高低直接影响植株长势，进而影响产量。有许多学者对设施菜田土壤养分含量做了研究[23]，由于设施菜田长期处于封闭、半封闭的环境中，几乎无雨水冲刷，长期过量施肥，造成棚内养分积累现象严重。

随种植年限的增加，0～20 cm土层土壤全氮、全磷、全钾、有机质、速效磷、速效钾含量和电导率整体上高于20～40 cm土层。这主要是因为肥料表施造成，该地区施肥采用随水冲施，表层水分含量随温度的升高水分子运动加快，使用的肥料大部分吸收聚集在表层，导致表层养分含量高于下层[24]。全氮、全磷、全钾、电导率、速效磷、速效钾的养分含量整体上高于农田；农田的全钾含量显著高于其他种植年限的大棚。农田土壤的pH显著高于其他土壤，土壤有机质含量低于农田。蔬菜正常生长的电导率临界值一般为0.6 mS/cm，然而，本研究中使用年限为2、16、18年的黄瓜大棚电导率值分别是1.06、0.87、0.92，电导率值偏高，含盐量较大，达到高盐度水平。使用年限为2、3、16、18年的土壤pH在5.5～6.5，普遍呈现微酸性，农田土壤pH在6.5～7.5，呈现中性，土壤太酸太碱都是限制作物生产及品质的重要因素。土壤的pH与种植年限呈负相关，随着种植年限的增加，土壤pH呈现受施肥及生理生长的影响而下降。土壤电导率和土壤pH呈负相关，电导率的增加会导致pH值的降低，过量的施用氮肥、黄瓜根系的呼吸作用、根系的分泌物、根茬的降解均会降低土壤pH[25]，进而导致土壤的酸化。菜田有机质含量临界值一般大于等于40 g/kg，达到显著水平。本研究中不同种植年限的黄瓜大棚有机质含量均高于40 g/kg，有机质含量达到富集，但有机质含量显著低于农田，可能是农田前期种植玉米，施用的有机肥增多，导致有机质含量增加。随种植年限的的增加，土壤全磷、全钾含量整体上呈现上升趋势，到达一定年限后呈现下降，这与薛延丰[26]、王辉等[27]研究结果一致，本研究中种植年限为18年的大棚中全磷含量显著低于农田，全钾含量整体上低于农田，可能是农田种植的前茬作物(玉米)施用磷肥、钾肥过多，而利用率低，造成磷、钾含量累积。不同种植年限大棚速效磷含量均大于150 mg/kg，达到高水平，土壤速效磷含量整体上呈现上升的趋势，这与郭文龙[28]、郭红伟[29]研究结果一致，磷在土壤中移动性较小，如遇到浇灌，过量的速效磷在土壤中存在很大的环境风险[30]。不同种植年限大棚速效钾含量整体上高于100 mg/kg，达到中水平，土壤速效钾含量整体上呈现先上升，当达到一定年限时均显著下降，这与刘兆辉等[31]，郭红伟等[29]研究结果一致，土壤中速效磷含量变化与速效钾呈正相关，与种植年限呈极显著(P<0.01)正相关，速效磷、速效钾均为速效养分，能被当季植物吸收利用，土壤速效钾含量也与种植年限间呈正相关，但差异并未达显著水平。

表3 不同种植年限土层中各形态氮含量的相关分析

注：表中**表示在0.01水平上显著相关，*表示在0.05水平上显著相关。

Note: ** in the table indicates a significant correlation at the 0.01 level, and * indicates a significant correlation at the 0.05 level.

在0～20 cm土层中土壤铵态氮、硝态氮累积量普遍低于20～40 cm土层，硝态氮在土壤表面的累积量会随着施用氮肥量的增加继续增加[32-33]，表层土壤含量维持较高水平，此时，硝态氮会向深层迁移，发生淋溶，下层土壤累积量增加，种植年限为2、3、18年的大棚，硝态氮累积量低于农田，可能是土壤中进行硝化、反硝化作用，硝态氮转化为铵态氮，土壤中硝态氮含量减少。在0～20 cm土层中各个种植年限的土壤微生物量氮累积量显著高于20～40 cm土层含量，大棚中累积量显著高于农田，土壤微生物量氮是土壤氮素的一个重要储备库，在土壤氮循环与转化过程中起着重要的调节作用，是重要的参与者[34]。微生物量氮累积量随种植年限的增加，呈现先上升，达到一定年限后下降，由于长期施用化肥，表层微生物量氮累积量比下层含量高。大棚中土壤固定态铵的累积量高于农田，固定态铵是存在于黏土矿物层不能被中性盐替换出来的铵离子，是氮素的重要储存库和供给源，在土壤中含量较高，有效性较强[35-36]。随种植年限的的增加，土壤固定态铵累积量呈现先上升后下降的趋势，这与范绍博[37]研究结果一致。土壤全氮与微生物量氮、固定态铵、铵态氮及硝态氮都存在显著或极显著的正相关。土壤全氮、铵态氮与种植年限呈显著正相关，微生物量氮、固定态铵、铵态氮及硝态氮都随土壤全氮含量的增加而增加。

在0～40 cm土层范围内，除种植年限为16年的大棚外，其他种植年限大棚中土壤铵态氮占全氮的比例均高于农田；不同种植年限大棚土壤的硝态氮占全氮的比例则均低于农田。以有机形态为主的其它未测组分氮占全氮比例最高，变化在58.32 %～71.22 %范围之间，大棚土壤均高于农田土壤。在不同种植年限的大棚土壤矿化氮量的差异受土壤理化特性的影响较大[38-39]。主要受土壤有机碳、全氮含量的影响[40]，施加不同肥料对土壤理化性质、有机氮组分含量和土壤中微生物量均产生影响，进而改变土壤有机氮的转化方向及各组分在矿化过程中的贡献。长期单施氮肥会导致土壤中无机氮含量过高，使氮的利用率降低，增加地下水中的氮污染。单施秸秆可以促进土壤中无机氮被微生物固定，提高有机氮组分的微生物利用性，在实际种植过程中，化学肥料与外源有机肥料配施，可以有效地提高土壤肥力和改善作物产量[41]。

4 结 论

随种植年限的增加，0～20 cm土层土壤全氮、全磷、全钾、有机质、速效磷、速效钾含量和电导率整体上均高于土层20～40 cm。全氮、全磷、全钾、电导率、速效磷、速效钾的养分含量整体上高于农田。不同种植年限大棚土壤的pH显著低于农田土壤，土壤有机质含量低于农田土壤。

通过对固定态铵、微生物量氮、硝态氮、铵态氮累积量的分析，0～20 cm土层中土壤铵态氮、硝态氮累积量普遍低于土层20～40 cm，在0～20 cm土层中各个种植年限的土壤微生物量氮累积量显著高于20～40 cm土层含量，大棚中累积量显著高于农田。大棚中土壤固定态铵的累积量高于农田，当种植年限为16年时，0～20 cm土层土壤固定态铵累积量达最大。土壤全氮与微生物量氮、固定态铵、铵态氮及硝态氮都存在显著或极显著的正相关。

在0～40 cm土层范围内，除种植年限为16年的大棚外，其他种植年限大棚中土壤铵态氮占全氮的比例均高于农田；不同种植年限大棚土壤的硝态氮占全氮的比例则低于农田。以有机形态为主的其它未测组分氮占全氮比例最高，变化在58.32 %～71.22 %范围之间，大棚土壤均高于农田土壤。

综上分析，不同种植年限的大棚黄瓜土壤养分含量存在显著差异，随种植年限的增加，土壤养分不断变化，应根据各地区土壤养分状况，采取合理的施肥措施。