常规、无公害和有机蔬菜生产模式对土壤性状的影响

张阿克， 韩 卉， 杨合法， 李 季

(1.中国农业大学资源环境学院，北京 100193;2.中国农业大学曲周实验站，河北 曲周 057250)

中国农产品分为无公害、绿色和有机3个等级。无公害农产品是国家农产品质量的基本保障，限量使用化肥和农药;有机食品对产地环境、投入品和管理要求严格，禁止使用化肥和农药。由于不同生产模式施肥种类和数量的差异，常规模式长期大量施用化肥，有机模式只施用有机肥，势必会对土壤理化性状带来一定的影响。土壤理化性状是研究土壤功能的基本指标和土壤肥力水平的内在条件，也是综合反映土壤质量的重要组成部分［1-2］。本研究以中国农业大学曲周试验站日光温室蔬菜生产定位试验为基础，探讨长期不同施肥条件下土壤理化性质变化情况，以期为合理施肥和调控土壤肥力提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

本试验为日光温室蔬菜生产长期定位试验，于2002年3月在中国农业大学曲周实验站(36°52'N，115°01'E)进行，实验站位于河北省邯郸市曲周县北部，属温带半湿润季风气候区，年均降雨量604 mm。试验设计常规(Conventional)、无公害(Low-input)和有机(Organic)3种日光温室蔬菜生产模式，温室土壤为盐化潮褐土。试验采用的日光温室为拱圆式，长52 m，宽7 m，占地面积约0.04 hm2。2002年3月试验前土壤基础养分状况和2012年不同生产模式养分投入量分别见表1和表2。

表1 试验前土壤基础养分状况Table 1 Essential nutrients condition of soil before experiment

1.2 土壤理化性状的测定

1.2.1 土壤样品与前处理 每个日光温室分为3个小区，每个小区内按S型取样，每5个点为一个混合样，0～20 cm和20～40 cm两个深度取样。土样取回后室温下风干研磨，过0.25 mm和1.00 mm筛孔后进行测定。

1.2.2 土壤物理性质测定 土壤容重采用环刀法测定;土壤质地用激光粒度仪测定。

1.2.3 土壤化学性质测定 有机质用重铬酸钾容量法(外加热法)测定;全氮用半微量凯氏定氮法测定;全磷用高氯酸-硫酸-钼锑抗比色法测定;速效钾用NH4Ac浸提火焰光度法测定;碱解氮用碱解扩散法测定;速效磷用Olsen方法测定;pH值用电位法测定。

1.3 数据处理与分析

数据经过Microsoft Excel 2010(Office win7)程序进行整理，数据变异性及方差分析使用SPSS v.20.0(SPSS，Chicago，USA)程序。当比较不同模式相关指标差异时，采用单因素方差分析-显著性差异法(Tukey)进行多重比较，绘图用Excel 2010进行。

2 结果与分析

2.1 3种生产模式下土壤容重变化

从图1可以看出在0～20 cm土层，有机模式、无公害模式和常规模式土壤容重依次增大，并呈显著差异，常规和无公害模式分别比有机模式土壤容重高44.2%和22.6%。20～40 cm土层常规模式土壤容重最大，无公害与有机模式土壤容重无明显差异。0～20 cm土层常规、无公害和有机模式土壤容重分别比20～40 cm土层土壤容重高 10.1%、21.7%和1.47%，有机模式0～20 cm与20～40 cm土壤容重无明显差异。

图1 不同生产模式土壤容重Fig.1 Soil bulk density in different cropping systems

综上所述，施入有机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养分和水分的移动，进而影响作物的生长发育，最终对产量造成影响［3］。而常规模式长期大量使用化肥，土壤相对紧实，不利于作物根系的生长。

2.2 3种生产模式下土壤质地变化

不同种植模式下土壤颗粒组成分析结果(表3)显示，3种模式0～20 cm和20～40 cm土层黏粒含量在0～15%范围内，粉砂粒含量在0～45%范围内，砂砾含量在55% ～85%范围内，3种模式各土壤颗粒类别含量均无明显差异，土壤质地为砂质壤土。从2002年开始采用不同施肥方式管理，土壤质地没有变化，土壤质地的类别和特点主要继承了成土母质的类别和特点，土壤颗粒组成在短时间内受耕作、施肥条件的影响较小，是土壤的一个自然属性。经过10年大量有机肥的投入，有机模式土壤颗粒组成与常规模式无明显差异。有机和无公害模式下黏粒的含量高于常规模式下黏粒的含量，说明施入有机肥增加了土壤黏粒的含量，有利于提高土壤对水分和养分的保蓄能力。

表3 不同生产模式土壤颗粒组成Table 3 Composition of soil particles in different cropping systems

2.3 3种模式下土壤有机质含量的变化

由图2可知，经过10年不同的施肥管理，3种模式0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机质都有增加趋势，2012年3月蔬菜种植前常规、无公害和有机模式0～20 cm土层土壤有机质含量分别比试验前增加了23.6%、116.8%和190.1%;2012年3月蔬菜种植前3种模式20～40cm土层土壤有机质含量分别比试验前增加26.8%、90.7%和157.3%。2012年3月3种模式土壤有机质含量有明显差异，有机模式土壤有机质含量最高，这与有机模式下每年施用大量有机肥有关，有机肥对土壤有机质含量的提升有直接贡献。3种模式下随着施用有机肥比例的增加，土壤有机质含量呈递增趋势，可见有机肥对于提升土壤有机质含量的作用高于化肥;常规模式下土壤有机质含量也有增加趋势，并与种植前有明显差异，说明施用化肥也能提高土壤有机质含量，主要原因是增加了作物残留物。

图2 不同生产模式土壤有机质含量的变化Fig.2 Changes of soil organic matter content in three cropping systems

在长期单施化肥条件下，化肥对土壤有机质含量的提升没有直接贡献，对土壤有机质含量的提高有直接贡献的是有机肥的施用量和作物残留物［4］。长期定位试验结果显示土壤有机质平均年增量基本是逐年减少，说明施肥和作物残留物对提高土壤有机质含量的贡献越来越少。

2.4 3种种植模式下土壤全氮含量变化

由图3可知，常规、无公害和有机模式2012年3月蔬菜种植前0～20 cm土层土壤全氮含量分别比试验前增加了23.2%、78.7%和166.8%，20～40 cm土层土壤全氮含量分别比试验前增加了8.7%、58.2%和94.4%。土壤全氮含量的变化趋势和有机质含量变化趋势相同。氮肥提高土壤全氮含量的作用并不明显，而有机肥在土壤中有明显的净残留，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损失，损失途径主要有氨挥发、硝化-反硝化、淋洗，无明显的净残留，因此施用氮肥对于提高土壤全氮含量的作用不明显;施用有机肥增加了土壤中易矿化的有机氮含量，而且有利于晶格中固定的铵的释放，提高土壤全氮量效果明显。

图3 不同生产模式土壤全氮含量的变化Fig.3 Changes of soil total nitrogen content in three cropping systems

2.5 不同生产模式下土壤碱解氮含量的变化

从图4可知，2012年常规、无公害和有机模式0～20 cm土层土壤碱解氮含量分别比试验前增加了－6.47%、80.52%和108.40%，20～40 cm土层土壤碱解氮含量分别比试验前增加了－7.33%、88.27%和169.82%;无公害和有机模式下0～20 cm和20～40 cm土层土壤碱解氮都有增加的趋势，而常规模式土壤碱解氮下降。常规模式土壤中碱解氮主要来源于投入的化肥，而2012年3月取样是在上茬作物收获后，下茬作物种植前，还没有施入底肥。常规模式土壤速效养分主要来源于化肥，收获后土壤中碱解氮无明显的净残留，需要不断地补充速效肥料来补充土壤的速效氮，而无公害和有机模式下投入了大量的有机肥，有机肥中有机质的矿化可以增加土壤中的碱解氮。有机模式能够满足生长周期长的作物后期养分的供应，常规模式在后期追施化肥才能满足植物对氮肥的需求。

图4 不同生产模式土壤碱解氮含量的变化Fig.4 Changes of soil alkaline hydrolytic nitrogen content in three cropping systems

2.6 不同生产模式下土壤全磷含量的变化

常规、无公害和有机生产模式0～20 cm土壤全磷含量从 2002年3月的 1.23 g/kg、1.25 g/kg和1.41 g/kg，分别增长到2012年3月的2.09 g/kg、2.04 g/kg和2.29 g/kg，分别增加69.6%、63.5% 和62.1%。常规、无公害和有机生产模式0～20 cm土层土壤全磷含量分别比试验前增加了30.9%、76.8% 和57.1%，0～20 cm和20～40 cm土层3种模式土壤全磷含量无显著差异，不同施肥处理都显著提高了土壤全磷含量(图5)。大量研究结果表明，长期施用化肥和有机肥都能提高土壤全磷含量，而有机肥提升效果并不明显优于化肥，施用化肥和有机肥可以分别增加土壤中无机磷和有机磷的含量［6-7］。常规生产模式下由于底肥中施用了过磷酸钙，土壤速效磷含量也增高，磷在土壤中移动性小， 重施磷肥后其残留时间长，累积性强。

图5 不同生产模式土壤全磷含量的变化Fig.5 Changes of soil total phosphorus content in three cropping systems

2.7 3种模式下土壤速效磷含量的变化

2012年常规、无公害和有机模式0～20 cm土层土壤速效磷含量分别比试验前增加了42.3%、70.8% 和154.0%，20～40 cm土层土壤速效磷含量明显低于0～20 cm土层土壤速效磷含量(图6)。常规、无公害、有机生产模式20～40 cm土层土壤速效磷含量从2002年的35.0 m g/kg、17.1 mg/kg和33.3 mg/kg，分别增长到 2012年的 68.3 mg/kg、171.4 mg/kg和293.3 mg/kg，分别增加了117.9%、356.2%和671.2%。有机模式下土壤速效磷增幅最大，长期大量施用有机肥，明显增加了下层土壤速效磷的含量，对地下水产生环境风险。

无论是施用磷肥还是有机肥，都能提高土壤速效磷的含量，但是有机肥的效果更加明显，有机肥中主要含有易于分解的有机磷，而施用有机肥提高了土壤有机质含量和微生物多样性，促进无机磷的溶解［8-9］。

2.8 3种模式下土壤速效钾含量的变化

由图7可知，经过10年不同的施肥管理，三种模式0～20 cm和20～40 cm土层土壤速效钾含量都有增加趋势。2012年3月蔬菜种植前常规、无公害和有机模式0～20 cm土层土壤速效钾含量分别比试验前增加了136.1%、56.3% 和138.5%，20～40 cm土层土壤速效钾含量分别比试验前增加了194.3%、289.8%和368.1%。0～20 cm土层土壤速效钾含量有机模式最高，无公害模式次之，常规模式最低，这是由于一方面有机肥本身含有速效钾，另一方面可能与长期施用有机肥提高了土壤有机质含量，土壤中有机质含量的提高有助于促进矿物钾的释放有关［10］。

2.9 3种模式下土壤pH值的变化

0～20 cm土层有机模式土壤pH值最大，无公害和常规模式pH值水平相当，3种模式无明显差异;20～40 cm土层常规和无公害模式土壤pH值大于0～20 cm土层pH值，而有机模式20～40 cm土层pH值小于0～20 cm土层，3种模式也无明显差异(图8)。表明连续施用有机肥能保持土壤pH值的稳定，长期单独或大量施用无机氮肥会导致土壤pH值下降。

土壤酸碱度受作物生长的影响，由于收获的作物带走了土壤中的盐基阳离子，导致土壤pH值下降，土壤酸性增强［11］。长期施用氮肥，会降低土壤pH值。由于试验前土壤为盐碱地改造土，经过10年的不同施肥管理，土壤pH值变幅较小，常规和无公害模式土壤pH值有下降趋势，有机模式土壤pH值略有上升趋势。

3 讨论

经过10年不同施肥管理，0～20 cm和20～40 cm土层土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾和有机质含量都有不同程度的提升，有机模式土壤养分提升幅度最大，这与 Sara 等［12］和刘畅等［13］的研究结果一致。在0～20 cm土层，常规模式速效钾含量增加了136.1%，增幅最大;无公害和有机模式土壤有机质增幅最大，分别比试验前增加了116.8% 和190.1%。国外很多长期定位试验也都证明，有机种植模式下土壤的有机质含量较高，如瑞士粮草轮作有机农业定位试验表明，经过21年的施肥管理，使用畜肥显著影响了土壤的有机质含量［14］，本研究结果与此相符。在20～40 cm土层，常规模式速效钾含量增加了194.3%，增幅最大;无公害和有机模式土壤速效磷增幅最大，分别比试验前增加了356.2% 和368.1%。土壤磷、钾含量呈逐年上升趋势主要是因为大部分磷、钾在土壤中以难溶或固定形态存在，迁移以扩散方式为主，施入的养分保留在土壤中的较多而流失的较少。

2012年3 种模式下土壤容重及全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量均有显著差异，但3种模式土壤全磷含量和土壤质地无明显差异。2012年有机模式下0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机质含量，全氮、全磷及速效氮、磷、钾含量明显高于常规模式和无公害模式。有机模式土壤容重最小，表明有机生产模式在提高土壤养分、降低土壤容重方面优于常规模式。有机模式土壤pH值较稳定，常规和无公害模式土壤pH值有下降趋势。

从养分循环的角度而言，本试验只测定了土壤中的养分含量，还应该测定包括肥料、植株、果实、淋洗水以及以其他形式损失的氮、磷、钾的量，通过计算得出每种生产模式的养分平衡表，为确定科学的施肥量提供依据。

有机模式下每年投入的有机肥量比较大，纯氮的施用量远远大于欧盟有机蔬菜生产氮肥限量施用标准(170 kg/hm2)，对地下水产生了一定的环境风险。

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