不同施肥处理下茄子白菜轮作模式土壤质量监测与诊断

杜雷，王素萍，张贵友，陈钢，黄翔，姜利，程维舜，罗茜，张利红，洪娟

（武汉市农业科学院环境与安全研究所，武汉 430000）

土壤质量是指土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量三方面的综合量度，即土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的能力［1］。土壤质量是维持地球生物圈重要的因子，在对于不同土壤属性的阈值与最适值、各种土壤属性的不同水平间相互组合对土壤质量的体现、各种土壤属性与土壤功能之间的关系、形成各种土壤属性的明确的土壤过程等问题的深入的机理性了解的基础之上，建立土壤质量的综合评价［2，3］。中国的土壤质量评价工作起步较晚，学者做了大量的工作。孙波等［4］、郑昭佩等［5］提出了红壤质量评价指标的选择原则，并从化学、物理学和生物学等方面探讨了评价红壤质量动态变化可采用的指标体系。吴祥云等［6］从土壤微生物、土壤持水性、土壤物理、土壤化学性质方面探讨不同类型樟子松人工固沙林土壤质量状况，表明针阔混交林比针叶纯林土壤质量高，指出林木对土壤的改良作用是一个长期的持续过程。郑华等［7］对南方红壤侵蚀区主要森林恢复类型下土壤物理、化学、生物学性状进行了比较研究，表明不同的森林恢复类型导致了土壤物理、化学和生物学性质的显著差异。

土壤质量的监测与诊断已成为农业土地可持续管理中的一个重要思想。土壤质量监测与诊断是建立种植全过程的技术服务新模式的基础。针对中国集约化种植菜田土壤质量变化和生态环境效应态势不明、区域差异不明确等问题，通过监测农业生产要素及动态变化，逐步建立土壤质量和农业环境数据库，阐明内在联系及发展规律，促进土地可持续利用；通过土壤诊断指标的研究，提高检测效率，节约农业生产成本，打造“从田间到餐桌”种植环境健康管理服务平台。本研究在武汉市选择长期种植茄果类叶菜类模式的土壤进行土壤质量和作物产量与品质监测，探索该区域土壤质量演变规律及影响因素，完善土壤健康诊断指标体系，为实现食品安全和土壤的可持续利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在武汉市农业科学院北部园区国家土壤质量数据中心观测站内进行。土壤为灰潮土，土壤pH为7.25，EC为0.251 mS/cm，容重为1.17 g/cm3，全氮含量1.17 g/kg，全磷0.76 g/kg，全钾16.38 g/kg，有机质14.62 g/kg。试验采用田间小区试验，每小区面积32 m2，茄子与白菜轮作种植模式，设3个处理，分别为：①CK，对照，不施肥；②FP，习惯施肥（以当地常规施肥的施肥量为准，茄子季尿素609 kg/hm2，过磷酸钙1 753 kg/hm2，硫酸钾550 kg/hm2，白菜季为尿素750 kg/hm2，过磷酸钙1 125 kg/hm2，硫酸钾375 kg/hm2）；③OPT，推荐施肥，2/3化肥氮+1/3有机肥氮。茄子季为尿素500 kg/hm2，过磷酸钙750 kg/hm2，硫酸钾471 kg/hm2，有机肥5 300 kg/hm2；白菜季为尿素400 kg/hm2，过磷酸钙600 kg/hm2，硫酸钾312 kg/hm2，有机肥3 900 kg/hm2，每个处理3次重复。

1.2 试验材料

供试材料：茄子品种为鄂茄4号，由武汉市农业科学院蔬菜所提供；白菜品种为春来早白，购于市场。

供试肥料：尿素（N 46%），过磷酸钙（P2O516%），硫酸钾（K2O 51%），有机肥有机质含量为47%，全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）含量分别为2.80%、0.76%、1.38%。

1.3 土壤样品采集

选取每季作物成熟期植株根区土壤样品，每处理小区依照“S形”取样法五点混合取样，四分法取0～20 cm植株根区土壤混合样品，装入自封袋带回实验室风干、研磨，分析土壤化学性状。

1.4 土壤理化性质测定

在每季作物收获时采用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤饱和含水量和土壤田间持水量［8］等土壤理化性质，交换性钙和镁的测定参见文献［9］，阳离子交换量测定参见文献［10］，其他项目测定参见文献［11］。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 17.0软件处理分析，采用最小显著法（LSD）进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤物理性状的影响

不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤物理性状的影响见图1、图2、图3和图4。每季种植完后，不同处理土壤的物理性质有显著相关性，两季作物的土壤物理指标整体变化趋势基本一致。由图1可见，FP和CK的土壤容重无显著差异，都显著高于OPT。由图2可见，FP和OPT的土壤孔隙度之间无显著差异，但都显著高于CK。白菜季种完后土壤孔隙度都整体略低于茄子季的土壤孔隙度。由图3可见，茄子季CK的土壤饱和含水量最低，OPT的土壤饱和含水量最高，各处理差异显著。由图4可见，各处理间土壤田间持水量呈显著差异，OPT显著高于FP，FP显著高于CK。

图1 不同施肥对土壤容重的影响

图2 不同施肥对土壤孔隙度的影响

图3 不同施肥对土壤饱和含水量的影响

图4 不同施肥对田间持水量的影响

2.2 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤化学性状的影响

2.2.1 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤pH和EC的影响 不同施肥处理对土壤pH和EC的影响见图5和图6。茄子和白菜适宜的土壤pH为6.5～7.5。由图5可见，种植一季茄子后，各处理的土壤pH都在适宜范围内，OPT和CK的土壤pH无显著差异，FP的土壤pH显著下降。白菜季各处理pH变化趋势与茄子季一致，OPT和CK的土壤pH无显著差异，FP呈下降趋势。茄子和白菜土壤的适宜EC在0.8 mS/cm以下。由图6可见，随着种植时间的推移，施肥处理的土壤EC呈上升趋势，CK的EC呈下降趋势，但都在茄子和白菜的适宜范围内。茄子季和白菜季OPT的土壤EC和FP无显著差异。

图5 不同施肥对土壤pH的影响

图6 不同施肥对土壤EC的影响

2.2.2 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤硝态氮和有机质含量的影响 氮、磷、钾作为肥料三要素，是作物高产优先补充的养分。旱地土壤以硝态氮为主，硝态氮的水平直接反映土壤短期氮素供应状况。由图7可见，茄子季和白菜季各处理的土壤硝态氮含量变化趋势一致，CK最低，FP最高，各处理之间呈显著差异。这可能与每个处理的施氮不同直接相关。由图8可见，2轮作物土壤有机质含量变化呈相同情况，OPT土壤有机质含量显著提高，FP和CK土壤有机质含量无显著差异，都显著低于OPT，这可能跟OPT增施了有机肥有关。与CK相比，OPT土壤有机质含量提高了54.9%。

图7 不同施肥对土壤硝态氮的影响

图8 不同施肥对土壤有机质的影响

2.2.3 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤阳离子交换量的影响 土壤阳离子交换量是指土壤所能吸附和交换的阳离子容量，是土壤中黏土矿物和腐殖质负离子的总量，反映土壤的保肥能力。由图9可见，各处理土壤阳离子交换量在2种作物的土壤整体变化趋势一致。施肥处理的土壤阳离子交换量高于CK，OPT土壤阳离子交换量比FP显著提高。白菜季各处理的土壤阳离子交换量整体有所提高。

图9 不同施肥对土壤阳离子交换量的影响

2.2.4 不同施肥处理对茄子白菜轮作土壤交换性钙和交换性镁的影响交换性钙、镁是土壤盐基的重要组成部分，土壤盐基类物质不足会对作物生长造成影响，但某种盐基类物质过剩会阻碍其他盐基成分的吸收，造成作物缺素。由图10可见，不同作物各处理间交换性钙含量变化不一致，茄子季CK和FP无显著差异，但都显著低于OPT；白菜季各处理的交换性钙含量无显著差异，CK和FP的交换性钙含量与茄子季相比明显上升，OPT无明显变化。由图11可见，茄子季和白菜季各处理交换性镁含量无明显变化，差异不显著。

图10 不同施肥对土壤交换性钙的影响

图11 不同施肥对土壤交换性镁的影响

3 小结与讨论

土壤物理性状包括土壤的颜色、质地、孔隙、结构、水分、热量和空气状况，土壤的机械物理性质和电磁性质等方面［12］。各种性质和变化过程是相互联系和制约的，其中以土壤质地、土壤结构和土壤水分居主导地位，它们的变化常引起土壤其他物理性质和过程的变化［13］。本研究结果表明，OPT可以有效地改善土壤物理性状，OPT与CK、FP相比降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量，且随着种植时间的增加，这种效应具有稳定的效益。这是因为OPT降低了化肥的施入量，增加了有机肥的施入。有机肥密度较低，具有较大的比表面积及疏松多孔的结构，能够保持水分和空气，施入土壤后有一定的稀释作用［14］。FP茄子季和白菜季土壤的物理性状与CK相比也有改善，特别是在土壤饱和含水量和田间持水量方面，这可能是施肥更好地协调了土壤水、气、肥、热等条件，提高了微生物活性，从而提高了土壤保水性。

土壤化学性状主要反映土壤固、液相的化学组成、化学变化以及固液相之间的反应，内容包括土壤固体颗粒的表面化学性质及阳离子交换，土壤的酸碱性、氧化还原性等［15］。土壤肥力是反映土壤肥沃性的一个重要指标，它是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力［16，17］。

本研究结果表明，OPT对土壤pH有微弱降低作用，FP显著降低了土壤的pH，这可能与化肥中有酸性肥料有关。2个施肥处理提高了土壤的EC，但都还在适宜范围以内。土壤有机质是土壤的重要组成部分，是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源，是土壤团聚体的重要组成部分，是团聚体形成和保持稳定的重要因素［18］。通过对两季作物土壤有机质的监测发现，OPT的有机质含量显著提高，并且随着种植时间的延长而增加，这与养分积累的年限效益有关［19］。

施氮肥直接改变了土壤的硝态氮含量，FP的土壤硝态氮含量显著高于OPT和CK。施肥量，特别是氮肥量，不应当超过土壤和作物的需要量。不同的土壤或相同土壤的不同地块，在养分含量上存在差异，不同作物或同一作物的不同品种，各有其不同的生育特点，在生长发育过程中所需要的养分种类、数量和比例不一样［20］。因此，在拟定施肥建议时必须严格按照作物的营养特性、预期产量和土壤的农化性质，来确定化肥的最适施用量。即要了解土壤肥力，才能做到合理施肥，减少淋失对生态环境的不良影响。OPT还提高了土壤的阳离子交换量和交换性钙含量，但对交换性镁含量无明显影响。这可能与有机肥施入，提升了土壤表面库仑力、氢键以及分子间的范德华力等有关，更利于将土壤阳离子吸附到土壤颗粒表面［21］。

土壤监测需要长期的监测和观察，年限效益才会趋于稳定。接下来会继续对这种种植模式的土壤理化性质进行监测，以期得到更合理的数据，为农业生产提供科学的施肥建议。