设施蔬菜大棚土壤氮磷钾养分富积降低土壤钙素的有效性

韩 巍，赵金月，李豆豆，郭磊磊，窦莉洋，刘 静，李 嵩，依艳丽

（沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866）

在我国，设施农业已经成为农民增产增收的重要产业之一。设施蔬菜农业生产中有机肥、化肥投入量远远高于当地的露地生产，随着种植年限的延长土壤氮磷钾的含量均大幅度提高，造成土壤次生盐渍化、酸化、养分不平衡、板结等问题[1–2]。钙素是植物生长的必需营养元素，蔬菜对钙元素的需求量仅次于氮、磷、钾元素[3]；设施蔬菜生产中氮磷钾化肥用量大，而钙肥的使用极少，随种植年限延长，作物对钙的吸收受到严重影响，设施土壤上蔬菜的土传病害和生理病害发病率显著上升，其中一些病害与钙素不足有密切关系[4–6]。周建斌等[7]发现西安市郊设施番茄土壤速效磷和钾富积，分别高达450 mg/kg和 673 mg/kg；陕西关中设施蔬菜土壤(0—200 cm) 养分累积速效氮、磷、钾分别为1520.9 kg/hm2、978.1 kg/hm2和 6567.8 kg/hm2。马文奇等[8]研究表明山东省大棚蔬菜土壤养分以磷的累积最为显著，每季番茄、黄瓜的P2O5累积量最高，是N和K2O的近3倍。土壤中大量氮、磷和钾养分的累积影响交换性钙的含量。徐海等[9]研究表明，长期大量施用化学氮肥使石灰性土壤表层交换性钙含量逐渐降低，脱钙作用使得土壤钙饱和度可以下降到50%以下。姜勇等[10]研究表明，与露地土壤相比，沈阳市郊种植5年的保护地土壤交换性钙平均含量下降6.38%。此外，魏玉奎等[11]对设施土壤磷素富集及磷素赋存形态转化的研究表明，随着种植年限的延长,CaHPO4·2H2O(Ca2-P)、Ca8H2(PO4)6·5H2O(Ca8-P)、AlPO4·nH2O(Al-P)、FePO4·2H2O(Fe-P)、闭蓄态磷 (O-P)、Ca10(PO4)6·F2(Ca10-P) 含量都有不同程度的富集，分别占总量的量9.74 %、22.18%、6.54%、5.86%、18.02%、37.66 %，而且主要以磷酸钙盐 (包括Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P型)，占总量的70%～74%的形态积累在不同土层中，其中增加的磷酸钙盐中Ca8-P和Ca10-P占70%，植物可以利用的Ca2-P占30%，Ca8-P和Ca10-P都是不能被植物利用的难溶态钙[12]。以上的研究表明，在设施土壤中K+、NH4+在含量高时可促进土壤交换性Ca2+解吸，土壤中积累大量的有效磷时可能引起有效态钙素 (交换性钙和水溶性钙) 向难溶性的磷酸钙盐态转化[13–14]。然而，前人的研究往往多关注钙素形态的有效性方面，忽略钙素和大量养分之间比例的变化。并且已有研究表明，在Mg不缺乏的石灰性土壤中，K/Mg比例的严重失调，是导致番茄病害的主要原因[15]。不同种植年限设施土壤中养分的积累程度不同，一方面，可能引起土壤中钙素形态和有效性的变化，另一方面，可能引起土壤中有效性钙与氮磷钾养分比例的变化，这都将决定植物对钙素的吸收。因此，综合研究不同种植年限设施土壤耕层中钙素的形态转化趋势、氮磷钾富积对有效态钙素含量和比例的影响，对于指导设施蔬菜平衡施肥、探索土传病害发生机理具有重要的理论与现实意义。

1 材料及方法

1.1 研究区域概况

辽宁海城市是全国日光温室蔬菜生产的发源地，设施农业种植历史悠久，并且近年来，随着辽宁省大力发展设施农业建设，海城市的设施农业种植面积在不断扩大，不同种植年限的设施蔬菜栽培土壤都有分布。以番茄连作、番茄和芸豆、黄瓜轮作的种植方式为主。有机肥一般在轮茬中间的歇棚期施入，主要以腐熟的鸡粪和牛粪为主，1∶1混施，施用量平均约60000 kg/hm2，所施用的牛粪含钙 16.2～18.4 g/kg，鸡粪含钙 21.2～28.2 g/kg[16]，化肥主要施用尿素、磷酸二铵和硫酸钾，施用方式普遍为冲施。极少施用含有中微量元素的肥料。

1.2 样品的采集及处理

本研究调查选取了海城地区不同种植年限(3～30年) 的代表性大棚38个，按照每三年为一个时间段将种植3～30年的大棚分为9组。采集了0—20 cm耕层的土壤样品，每个大棚土样为棚内随机采集5点混合而成。同时采集棚外露地0—20 cm土壤样品作为露地对照。风干后分别过20目筛和100目筛备用。

1.3 分析测定

一般来说，对土壤钙素的有效性和有效含量多用浸提难易和浸提量来评价。本文主要研究了设施土壤的水溶性钙、交换性钙、酸溶性钙、非酸溶性钙四种浸提态钙。其中水溶性钙和交换性钙为可被植物吸收利用态钙，分别代表土壤有效钙的供给强度和容量，二者相互交换保持动态平衡。酸溶性钙代表缓效态钙，非酸溶性钙是不能被植物吸收利用的无效形态钙素。

不同形态钙素的测定：水溶性钙采用无离子水浸提；交换性钙采用 1 mol/L NH4OAc (pH = 7) 交换；酸溶性钙采用0.25 mol/L HCl浸提出的钙减去水溶性和交换态的钙，非酸溶性钙是全钙减去酸溶性钙、交换性钙和水溶性钙；全钙采用HNO3-HClO4消化。溶液中钙素的测定均采用原子吸收分光光度计法。三种形态磷酸钙盐[Ca2-P代表CaHPO4·2H2O、Ca8-P代表 Ca8H2(PO4)6·5H2O、Ca10-P代表Ca10(PO4)6·F2]的钙含量测定方法是按照顾益初等[17]的石灰性土壤无机磷分级提取法。NaHCO3溶性磷代表Ca2-P，剩余土样用NH4OAc浸提，代表Ca8-P，最后用H2SO4浸提的磷代表Ca10-P，比色测定磷含量，再根据三种磷酸钙盐的分子式换算出相应的钙含量。有机质、有效磷和全磷按照《土壤农化分析》方法测定。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2003进行数据初步处理，用SPSS 16.0统计分析软件进行统计分析，以下图中数据是平均值加标准偏差 (n = 5)。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限设施耕层土壤有机质与全钙含量的变化

研究区域设施蔬菜生产中每年施入有机肥 (鸡粪和猪粪) 在 45000～75000 kg/hm2，平均 60000 kg/hm2左右。露地土壤有机质含量为22.89 g/kg，设施土壤有机质含量随种植年限增加而不断积累 (如图1所示)，种植年限在27～30年的土壤中有机质含量平均达到48.03 g/kg，是露地土壤的2.1倍。设施土壤全钙含量与有机质含量变化趋势一致，随种植年限的增加也呈现增加趋势，种植年限在27～30年的土壤中全钙含量最高可达51.89 g/kg，是露地土壤全钙含量 (44.92 g/kg) 的 1.2 倍。

2.2 不同种植年限设施土壤耕层中不同形态钙素的变化

2.2.1 水溶性钙和交换性钙的变化趋势 图 2表明，与设施土壤全钙含量随着种植年限的增加而增加的变化趋势不同，设施土壤水溶性钙的含量在种植3～11年期间呈上升趋势，9～11年达到最高 (104.1 mg/kg)，之后呈下降趋势；交换性钙含量在3～14年期间上升，最高达611.9 mg/kg，之后持续下降，在种植21～30年的土壤中交换性钙的含量变化较小，稳定在535.4 mg/kg，低于露地交换性钙含量 (543.6 mg/kg)。种植年限越长土壤的有效钙含量越低，这与种植年限越长的设施土壤上作物缺钙的生理性病害越严重的现象相一致。

图1 种植0～30年设施蔬菜土壤有机质含量和全钙含量变化Fig.1 Dynamic of soil organic matter and total Ca content from planting3to 30 years in greenhouse soil[注（Note）：数据是平均值 ± 标准偏差 Date are means ± SD (n = 5).]

图2 不同种植年限设施土壤水溶性钙和交换性钙的变化Fig.2 Content of water soluble Ca and exchangeable Ca at different planting ages in greenhouse soil

2.2.2 不同种植年限土壤磷酸盐态钙含量的变化 磷酸八钙和磷酸十钙为难溶性磷酸钙盐，二者的形成直接影响土壤中钙、磷的有效性。如图3所示，随着种植年限的增加，设施土壤中各种磷酸钙盐态Ca含量变化不同。磷酸二钙态Ca含量与水溶性钙的变化趋势一致，从种植年限3～11年呈不断上升趋势，11年含量达到最高 (247.4 mg/kg)，之后逐渐下降。磷酸八钙态Ca的含量也是呈先增加后降低的趋势，磷酸八钙态Ca的含量是在种植21～23年时达到最高 (591.7 mg/kg)，之后缓慢下降。磷酸十钙[Ca10(PO4)6(OH)2]态Ca含量与全钙变化一致，随着种植年限的增加一直在增加。在种植30年的土壤中磷酸二钙态Ca的含量与露地相差不大，磷酸八钙态Ca和磷酸十钙态Ca的增加量分别为247.6 mg/kg和299.8 mg/kg，分别是露地土壤的2.02倍和1.63倍。

图3 不同种植年限设施土壤中三种磷酸钙盐含量的变化Fig.3 Content of three calcium phosphates in greenhouse soil at different planting age

2.2.3 酸溶性钙和非酸溶性钙的变化趋势 酸溶性钙是0.25 mol/L HCl浸提出的钙减去水溶性和交换态的钙，非酸溶性钙是全钙中除去水溶性钙、交换性钙和酸溶性钙后剩余的各种难溶态钙。如图4所示，在3～30年的不同种植年限设施土壤中酸溶性钙和非酸溶性钙均随着种植年限的增加而呈上升趋势。相对于棚外露地土壤，种植3～30年间的设施土壤酸溶性钙和非酸溶性钙增加量分别在22.46～394.86 mg/kg和0.81～6.57 g/kg范围，分别占总钙增加量(0.84～6.97 g/kg 土) 的 2.7%～5.7% 和 94.3%～96.4%。表明设施土壤耕层中全钙含量增加的大部分是非酸溶性钙，即作物不可吸收利用的无效态钙。

图4 不同种植年限设施土壤酸溶态钙和非酸溶态钙含量Fig.4 Contents of acid soluble and insoluble Ca at different planting years in greenhouse soils

2.3 设施土壤氮磷钾素富积对钙素有效性的影响

本研究区域随种植年限增加设施土壤中有效氮及速效钾含量均迅速上升 (图5)；其中种植27～30年的土壤有效氮 (包括铵态氮、硝态氮、碱解氮)和速效钾含量分别高达369.03 mg/kg和637.05 mg/kg，分别是露地土壤的3.1倍和3.6倍。土壤有效磷含量在种植3～12年之间，土壤有效磷含量增加幅度较大；种植14年后，有效磷含量的变化缓慢，种植27～30年土壤的有效磷含量达到363.39 mg/kg，是露地土壤的3.5倍，说明随种植年限的延长土壤中氮磷钾素显著富集。

图5 不同种植年限设施土壤中有效磷、速效钾和有效氮含量Fig.5 Content of soil available N, K and Olsen-P in arable layer of greenhouse soil after different planting years

相关分析表明，土壤铵态氮、速效钾与土壤交换性钙呈极显著负相关 (r =–0.5451，n = 38，P ＜0.01；r =–0.4809，n = 38，P＜0.01) ，如图6所示，说明氮钾的积累降低了交换性钙含量，但是水溶性钙并未一直增加。有效磷与磷酸八钙Ca、磷酸十钙Ca 呈极显著的正相关 (r = 0.8089 和 r = 0.8057，P ＜0.01)，说明设施土壤中随磷素的增加，磷酸八钙和磷酸十钙含量也相应增加，使土壤中的水溶性钙离子形成磷酸钙盐沉淀，降低了有效钙的含量。土壤中不同形态的磷酸钙直接影响着土壤钙素的有效性。分析三种磷酸盐态钙与土壤中不同有效性的钙(水溶性钙、酸溶态钙和非酸溶态钙) 的关系发现，土壤磷酸二钙态钙含量与水溶性钙达到极显著的正相关关系 (y = 3.0428x – 24.75，r = 0.6615，P ＜0.01)，磷酸八钙态钙含量与酸溶性钙含量达到极显著的正相关关系 (y = 0.7547x + 434.68，r = 0.8119，P＜0.01)，磷酸十钙态钙含量与非酸溶性钙呈极显著正相关关系 (y = 0.6361x + 2987.5，r = 0.5884，P ＜0.01)。说明设施土壤中磷的大量积累促进了磷酸钙盐的形成，显著影响了钙的有效性。

2.4 不同种植年限设施土壤养分比例的变化

设施土壤与露地土壤相比各种养分均有不同程度的提高，但是各种养分提高的幅度不同，因此其养分的比例平衡产生很大的变化。土壤的碱解氮包括铵态氮，所以土壤的有效氮应为碱解氮与硝态氮之和。以有效氮为基础，计算不同种植年限的设施土壤氮、磷、钾、钙的比例结果如表1所示，设施土壤与露地土壤相比，在氮、磷、钾、钙养分比例中，磷的比例变化不大；钾的比例略有上升，但是随种植年限的变化没有规律性；水溶性钙所占比例在3～13年呈上升趋势，之后不断下降；交换性钙在氮、磷、钾、钙的比例中变化最为明显，其所占的比例随种植年限延长下降了近70%。

3 讨论

3.1 养分富集与钙素形态的关系

本研究区域化肥主要为尿素、磷酸二铵和硫酸钾，不施含钙化肥。所以土壤全钙的增加主要来自于常年施入的有机肥。该地区习惯用牛粪和鸡粪1∶1混施，牛粪含钙16.2～18.4 g/kg，鸡粪含钙21.2～28.2 g/kg[16]，按每年施用牛粪和鸡粪各 30000 kg/hm2计算，则每年平均带入设施土壤中的钙含量约为1260 kg/hm2，种植30年可向耕层土壤补充全钙约16.8 g/kg；而实际结果表明种植27～30年的设施土壤耕层全钙含量比露地土壤仅增加了6.97 g/kg，由此可见，较大一部分的钙被消耗了，因为设施农业生产的产出量大，每年作物吸收带走的钙量高，同时也会有一定量的钙向下层迁移[18]。

图6 土壤铵态氮、速效钾与交换性钙的关系Fig.6 The relation of ammonium nitrogen, available potassium and exchangeable calcium in greenhouse soil[注（Note）：**—P＜0.01.]

图7 有效磷与难溶性磷酸盐态钙的关系Fig.7 The relationship between Olsen-P and insoluble calcium phosphate content in greenhouse soil[注（Note）：**—P＜0.01.]

表1 不同种植年限设施土壤中氮、磷、钾、钙的比例Table1 The ratio of available N, Olsen-P, available K,water soluble Ca and exchangable Ca at different planting years of the greenhouse soils

设施土壤中普遍存在过量施肥造成养分在土壤中富集的现象。宁夏灰钙土地区种植30年的大棚速效钾、有效磷和硝态氮含量分别为614、123和423 mg/kg[19]，本研究区域速效钾 (637 mg/kg) 含量相近，有效磷 (363 mg/kg) 富集量更高。马文奇等[8]对山东省蔬菜大棚调查结果表明，NPK在土壤中均有大量累积,其中以磷最为突出，黄瓜每季P2O5累积量在4000 kg/hm2以上。我们的研究区域水溶性钙和交换性钙随着种植年限的增加 (氮磷钾不断累积) 先增加后降低，分别在9～11年和12～14年达到峰值(104.1 mg/kg 和 611.9 mg/kg)，30 年后交换性钙含量稳定在535.4 mg/kg，已经低于露地土壤 (543.6 mg/kg)。这个现象表明，此区域设施蔬菜土壤，前10年可以通过大量有机肥补充土壤中有效性钙含量，而种植30年后，土壤中有机肥补充的钙素增加速率明显小于植物吸收和钙素形态转化的速率之和，其中大量养分的富集可能是引起有效性钙素低于露地的主要原因之一。

在沈阳周边的设施土壤中，种植5年的温室土壤交换性钙含量显著大于露地，而种植11年的土壤就已经接近露地交换性钙含量，交换性钙和水溶性钾呈显著负相关，沈阳设施土壤中交换性钾含量是露地的9倍，而我们的研究区域种植30年后设施土壤中交换性钾含量是露地的6倍，说明过量的养分积累可能导致交换性钙含量迅速下降[10]。所以本研究此规律出现在种植20年后，这可能和有机肥料的投入和化肥的使用有直接的关系，从露地栽培改为设施栽培后，在一定时期内由于有机肥的施用，增加了土壤的有效钙数量，同时提高了胶体的吸附保存能力，但是由于随着NH4+和K+积累对土壤胶体吸附态Ca2+的交换解吸作用不断增强，交换性钙不断下降[14,20–21]，此时水溶性钙也出现下降趋势，这可能和设施栽培的土壤由于磷的大量积累有关，磷对钙的固定作用不可忽视。随着土壤中磷的积累，磷酸盐化合物依次向更稳定的形态转化：磷酸二钙[Ca(H2PO4)2·H2O、CaHPO4·2H2O、CaHPO4]→磷酸八钙Ca8H2(PO4)6·2H2O→磷酸十钙 Ca10(PO4)6(OH)2，其溶解度降低[12]，这些原因均可导致设施土壤种植达到一定年限后其交换态钙和水溶性钙不断降低。本研究中增加的钙94.3%～96.4%属无效态的非酸溶性钙，非酸溶性钙和磷酸十钙呈极显著正相关 (y = 3.0428x –24.75，r = 0.6615，n = 38，P＜0.01)。魏玉奎等[11]研究表明在种植13年的设施农业土壤增加的不能被植物吸收利用的Ca8-P和Ca10-P占70%，说明随着种植年限的延长无效态钙素的比例还会增加。磷素的积累促进了无效态钙素的增加。

总之，该区域大量投入氮、磷、钾养分10年后，设施土壤中有效性钙素的含量逐渐下降，在种植30年后明显低于露地。虽然，前10年土壤中NH4+和K+积累促进了有效性钙的增加，但是随着土壤中磷的积累，土壤中有效态钙逐渐转化为难容态钙，导致植物可利用的有效态钙减少。合理用量的化肥和活化土壤中难溶性磷酸钙可能是增加设施土壤钙素有效性的重要手段。

3.2 土壤有效钙与有效氮磷钾比例的变化趋势

一般认为，在土壤交换性钙的含量大于400 mg/kg时，作物不会缺钙[3]，本研究中，种植30年的设施土壤中交换性钙下降到 (535.4 mg/kg)，也高于此阈值。但是土壤钙素的缺乏分为绝对缺乏和养分不平衡产生的拮抗作用引起的间接缺乏[22–24]。本研究中，随种植年限的延长和土壤中氮磷钾的不断积累，有效性钙所占比例不断降低，种植30年后，相比于露地土壤，有效钙比例下降了近70%。闫波等[23]在种植五年的大棚中，研究得病番茄Mg/K严重失调时，各处理土壤交换性钙含量无显著变化，但是得病番茄比未得病番茄土壤中Ca/K比降低40%，发病率与Mg/K和Ca/K比例呈负相关，他们认为土壤中钾离子过高造成阳离子比例失调是诱导番茄病害的主要因素。在陕西关中地区也有相似的研究结果，日光温室Ca/K的比例明显低于大田土壤[24]。所以，随种植年限延长，虽然设施土壤的钙素总量与氮磷钾养分均大幅度提高，但是有效态钙与氮磷钾的比例却显著降低了，土壤中氮磷钾的不断积累导致设施土壤的钙素养分平衡问题越来越严重，有效态钙素的相对缺乏，进而引起植物对钙吸收受阻，这可能是设施蔬菜产生缺钙性症状的主要原因[22,24]。未来对于钙素和其它大量元素之间的比例与缺钙症状发病率之间的关系值得进一步研究。

4 结论

1) 随着种植年限的增加，设施土壤有机质、全钙、速效氮磷钾都呈现逐渐增加的趋势，而土壤中水溶性钙和交换性钙呈现先增加后降低的趋势，峰值分别出现在9～11年和12～14年，种植30年后氮和钾素的累积促进了有效性钙的减小，低于了露地土壤，而酸溶性钙和非酸溶性钙呈现逐渐增加的趋势，设施土壤总钙增加量的94.3%～96.4%属无效态的非酸溶性钙。

2) 种植30年后土壤有效性钙素的缺乏主要表现在养分的不平衡。随着种植年限的设施土壤的氮、磷、钾、钙养分比例中，磷的比例保持稳定；钾的比例略有上升，但是其变化没有规律性；水溶性钙所占比例在3～13年呈上升趋势，之后不断下降；交换性钙在氮磷钾钙的比例中变化最为明显，其所占的比例随种植年限延长而降低了近70%，养分比例不平衡引起的相对钙素缺乏应引起足够的重视。