大棚土壤养分诊断与均衡施肥管理的效果研究

刘欢王娟娟朱紫娟赵佳秀蒋金杏钱晓晴王桂良

(1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.扬州大学土壤健康研究所，江苏 扬州 225000)

大棚栽培改变作物生长环境，在缩短作物生长周期的情况下获得较高的作物产量和经济效益[1-4]。新设大棚由于土壤养分供应强度往往难以满足大棚作物快速生长需求，一般需要大量投入有机肥料和化学肥料。但实际生产中多数农户只重视化学肥料的施用，包括单质氮肥和氮磷钾复合肥料。化学肥料所含养分种类不全，氮磷钾养分比例不协调，中微量元素也未得到科学施用。因此，大棚栽培尤其是经过几年种植的大棚施肥更加需要在充分了解土壤养分背景的条件下按需配方、合理施用，否则不仅难以发挥所施肥料的作物生产效率，还会进一步引发土壤养分失衡、酸化、次生盐渍化、结构退化、紧实闭气等一系列问题，并可能造成土壤环境和农作物产品污染等不良后果[5-7]。姚春霞等[8]研究表明，上海市郊大棚种植的18个绿叶菜类作物样品硝态氮含量范围在521.32～1413.76mg·kg-1，平均836.76mg·kg-1，根据蔬菜硝酸盐分级评价标准，其污染程度已达到了重度污染。大量施肥、施肥不均以及棚内光照不够是导致硝酸盐积累量增高的主要原因[8-10]。李元梅等[11]发现，种植多年后，土壤pH下降且大棚间差异较大；土壤电导率、全磷、硝酸盐含量和水溶性盐分都有增加，且在大棚间差异较大；分析表明，茄子产量与土壤有机质和全氮含量呈显著正相关关系，与水溶性盐、土壤电导率、硝酸盐含量、全磷含量等呈负相关关系。通过对土壤养分的分析，系统诊断可能制约作物生长的土壤限制因子尤其是土壤养分平衡状况，是科学推荐施肥、实施土壤养分精准管理的重要前提[12-15]。然而这些研究并没有在充分了解土壤养分背景的条件下进一步进行按需配方田间验证研究，特别是针对相关微量元素配方的施用效果验证试验较少。本文通过对土壤基本养分性状进行测定分析，初步拟定施肥配方及土壤管理措施，研究相关技术措施水平对小白菜产量、品质，以及土壤基本理化性状的影响，为该地区大棚小白菜栽培提供参考依据与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

大棚土壤调查范围包括扬州市广陵区和邗江区代表性大棚各5个。田间施肥试验设在具有广泛代表性的扬州市广陵区淮扬蔬菜生产基地大棚内进行。对10个代表性大棚土壤进行采样，测定土壤基本化学性状，分析土壤的作物生长限制因子。选择其中最具代表性的5号大棚进行以小白菜为供试作物的配方施肥和氮肥用量试验。试验土壤为长江冲积母质发育的潮土类灰潮土亚类黏质灰潮土属，土壤有机质19.46g·kg-1，pH5.75，电导率1.43mS·cm-1，碱解氮362mg·kg-1、有效磷118mg·kg-1、速效钾253mg·kg-1，水溶性钠104.8mg·kg-1、钙398.3mg·kg-1、镁200.7mg·kg-1、硝酸根1390.8mg·kg-1、硫酸根625.8mg·kg-1、碳酸氢根13.2mg·kg-1、氯离子293.4mg·kg-1，有效铁128.1mg·kg-1、锰48.7mg·kg-1、铜5.1mg·kg-1、锌16.3mg·kg-1、硼0.32mg·kg-1、钼0.12mg·kg-1。

供试作物为小白菜(Brassica chinensis Linn)，品种为“上海青”，移栽定植的株、行距均为0.20m。供试肥料：45%(15-15-15)复合肥、45%(15-5-25)复合肥、尿素(含N 46%)、硼砂(含B 11%)和钼酸钠(含Mo 35.5%)。

1.2 试验设计

每个小区长4m，宽5m，面积20m2。试验设6个处理和1个对照。对照T0：农民习惯施肥，即3000kg·hm-2商品有机肥，45%(15-15-15)复合肥750kg·hm-2，尿素225kg·hm-2；处理T1～T6：同样施用商品有机肥3000kg·hm-2，但复合肥养分结构则根据土壤相对富磷缺钾而作配方调整，改为45%(15-5-25)高钾复合肥750kg·hm-2，为了弥补土壤硼与钼2种微量元素供应不足，另施用硼砂30kg·hm-2和钼酸钠1.5kg·hm-2，然后在此基础上进行氮肥施用量处理，分别施用尿素0kg·hm-2、50kg·hm-2、100kg·hm-2、150kg·hm-2、200kg·hm-2、250kg·hm-2(分别为T1～T6)。

1.3 项目测定与数据分析

对采集的设施土壤样品进行有机质、pH、电导率，有效养分及水溶性盐及其组成离子含量进行测定，并依据《江苏省耕地质量监测指标分级标准》[16]对各项指标进行等级分析。在大棚田间小区试验过程中，注意观察土壤墒情，缺水时及时灌溉补水；记录小白菜不同生育期生长情况。收获前进行小区测产和采样，测定小白菜氮素吸收和硝酸盐含量情况。

2 结果与分析

2.1 土壤基本化学性状分析

2.1.1 土壤有机质和土壤有效氮、磷、钾含量

由表1可知，土壤有机质含量介于13.5～25.6g·kg-1，平均含量为20.3g·kg-1，勉强达到江苏省耕地质量监测指标分级标准2级(20.0～30.0g·kg-1)。大棚之间土壤碱解氮含量差异较大，变异系数高达80.5%，含量范围为43.8～624.5mg·kg-1，平均含量达到了469.3mg·kg-1。土壤有效磷含量介于50.4～192.5mg·kg-1，平均为119.2mg·kg-1，达到有效磷1级水平下限(35mg·kg-1)3倍以上，所测土样有效磷含量最低值50.4mg·kg-1，也达到了1级水平。土壤速效钾含量介于56.5～518.2mg·kg-1，平均为276.5mg·kg-1，达到了1级水平，但部分土样速效钾含量处于最低的5级水平(75mg·kg-1以下)。

表1 土壤有机质和碱解氮氮、有效磷、速效钾含量

2.1.2 土壤pH与电导率

表2为土壤pH与电导率测定值。土壤pH值范围在5.29～7.07，平均为5.98，处于监测指标的2级。土壤电导率在不同大棚间差异较大，变异系数达到了74.4%，范围在0.19～3.61mS·cm-1，平均达到了1.49mS·cm-1(相当于总盐量5.5g·kg-1)，处于4级水平。

表2 土壤pH与电导率

2.1.3 土壤水溶性盐离子组成

考虑到土壤已经发生明显的酸化作用，仅极个别土样pH值达到7左右，因此对土壤水溶性离子组成测定了除碳酸根之外的7大盐分离子，以及土壤中含量较高的阴离子硝酸根离子。所测土样钾、钠、钙、镁4种阳离子含量及K+/Mg2+和Ca2+/Mg2+情况见表3。土壤水溶性钾离子含量介于26.1～351.0mg·kg-1，平均109.7mg·kg-1；水溶性钠离子含量介于42.5～364.8mg·kg-1，平均119.5mg·kg-1；水溶性钙离子含量介于55.2～1078.2mg·kg-1，平均403.0mg·kg-1；水溶性镁离子含量介于65.3～892.7mg·kg-1，平均319.4mg·kg-1。含量高低依次为钙离子、镁离子、钠离子、钾离子。从3种离子的相对电荷比来看，K+/Mg2+在0.07～0.18，平均0.13，钾离子供应强度明显偏低；Ca2+/Mg2+在0.51～1.21，平均0.86，钙离子电荷浓度稍低于镁离子。

表3 土壤水溶性盐阳离子组成

由表4可知，土壤硝酸根含量介于229.6～5732.9mg·kg-1，平均2016.1mg·kg-1；土壤硫酸根含量介于81.5～1505.7mg·kg-1，平均630.6mg·kg-1；土壤碳酸氢根含量介于10.8～27.9mg·kg-1，平均15.9mg·kg-1；土壤氯离子含量介于112.8～792.6mg·kg-1，平均299.2mg·kg-1。含量高低依次为硝酸根、硫酸根、氯离子、碳酸氢根。

表4 土壤水溶性盐阴离子组成

4种阴离子的电荷占比如表5所示，硝酸根、硫酸根、碳酸氢根和氯离子电荷数与阴离子总电荷数比值的平均数分别为57.0%、23.6%、1.1%和18.3%。硝酸根占到50%以上，其次是硫酸根和氯离子，碳酸氢根占比极小。

表5 土壤水溶性盐阴离子电荷占比

2.1.4 土壤有效性微量元素含量

土壤有效性微量元素含量见表6，土壤有效性铁、锰、铜、锌、硼、钼养分含量的平均水平分别为91.7mg·kg-1、51.3mg·kg-1、2.9mg·kg-1、4.8mg·kg-1、0.30mg·kg-1和0.17mg·kg-1，肥力等级分别为1级、1级、1级、1级、4级、2级，在6种微量元素中，只有硼、钼不是1级，其余4种微量元素均比较丰富。但6种微量元素有效养分含量变异系数均较大，铁、锰、铜、锌、硼、钼养分最低含量的肥力等级处于3级、4级、2级、4级、5级、5级，可见部分土壤有效硼和有效钼水平处于最低的5级水平。土壤有效铁、锰最高含量分别达到了256.5mg·kg-1、142.4mg·kg-1，分别为1级水平下限(20.0mg·kg-1、50.0mg·kg-1)的12.8倍和2.8倍。

表6 土壤有效性微量元素含量

2.2 氮肥施用对小白菜产量及氮素吸收积累的影响

由图1可知，根据测土结果配方施肥的6个处理小白菜产量显著高于对照。在配方施肥的几个处理中，随着氮肥用量的增加，小白菜产量呈现出先增后减的趋势，但各处理之间差异不显著。对照处理小白菜含氮率最高，6种配方施肥处理小白菜含氮率随着氮肥用量的增加而提高，其中氮素施用水平接近对照的处理(T5、T6)小白菜含氮率显著低于对照处理。从累积吸氮量看，各配方施肥处理小白菜体内累积吸氮量稍高于对照处理，随着施氮量增加，小白菜体内累积吸氮量有增加趋势，但处理间差异不显著。各处理小白菜植株硝酸盐含量随施氮量增加而提高，与对照相比各配方施肥处理小白菜硝酸盐含量显著降低。

注：图中柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图1 不同处理对小白菜产量、含氮率、累积吸氮量和体内硝酸盐含量的影响

3 讨论

设施大棚中盲目施肥直接或间接引发土壤理化性状恶化，成为作物生长的障碍因素[17-19]。大棚土壤中积累大量的水溶性硝态氮、活性酸，以及可能存在的高量磷酸根、硫酸根、钾离子、钙离子、镁离子等，可能对相应的拮抗离子的有效性产生显著影响，联系养分之间的协同或拮抗作用，开展相关养分相对有效性的研究，建立高强度养分供应条件下养分丰欠水平诊断的相对指标体系，对未来指导我国大棚作物可持续生产均具有重要意义。

本研究表明，扬州主要大棚种植区设施土壤有机质含量平均含量为20.3g·kg-1，勉强达到江苏省耕地质量监测指标分级标准2级(20.0～30.0g·kg-1)，作为大棚种植土壤其有机质含量明显偏低，既不能满足保持良好土壤团粒结构的要求，也不能为作物生长环境变化起到很好的缓冲作用[20]。不同大棚之间碱解氮含量差异较大，含量偏高和不足现象并存。土壤有效磷含量总体较高，都处于1级水平。与土壤碱解氮相似，速效钾含量在不同大棚间最高达到了1级水平，而最低处于5级水平。总体来说，该地区大棚土壤有机质不足，土壤碱解氮严重过剩与不足并存，有效磷供应丰富，速效钾含量丰富与严重不足并存。在其他调查研究中也体现出相似的现象[21-23]。其主要原因是缺乏有关大棚土壤养分供应丰缺状况的科学诊断，无法根据土壤实际养分状况，开展精准平衡施肥。本研究根据试验地相对富磷缺钾的特征，通过减氮，降磷，增钾配方施肥，不仅可以提高小白菜产量，还可以降低小白菜体内硝酸盐的含量，提高小白菜品质安全。

硝酸根电荷数与阴离子总电荷数比值平均为57.0%，占到了50%以上。硝酸根的主要来源是氮肥施用，我国大面积施用的氮肥形态是铵态氮肥，进入土壤中的铵态氮肥在未被作物吸收利用前就可能大量被硝化转化成硝态氮，硝态氮尽管也可以被作物吸收利用，但前提是作物具有足够的硝酸还原能力[24,25]。作物硝酸还原能力受制于其硝酸还原酶活性，硝酸还原酶活性除了与作物本身生物学特性有关外，还与很多环境因素有关，其中钼素营养状况在很大程度上决定着作物硝酸还原酶活性[25,26]。本研究表明，扬州市郊区大棚土壤有效氮、磷、镁、铁、锰养分含量水平普遍过高或较高，土壤存在缺硼和缺钼问题。生产上应适当提高硼、钼肥的投入数量，严格控制氮肥的施用。本研究与对照相比各配方施肥处理小白菜硝酸盐含量显著降低，这可能是因为配方处理增施了钼肥，促进作物对吸收到体内的硝酸盐还原作用，从而降低了植株体内硝酸盐含量。其他研究同样表明施用钼肥对降低蔬菜体内硝酸盐含量具有显著作用[24-26]。

土壤电导率在不同大棚间差异较大，最小为0.19mS·cm-1，最大为3.61mS·cm-1，可见土壤次生盐渍化现象比较明显[27,28]。土壤EC值在2mS·cm-1以上时，必须严格控制与含量较高盐分离子对应肥料的施用，在促进养分平衡的同时，逐渐降低土壤次生盐渍化水平。如果播种作物仍难以出苗或移栽作物难以成活，则需要灌水洗盐或施用高碳氮比秸秆进行生物固持降盐处理[18]。土壤有效铁、锰最高含量分别达到了256.5mg·kg-1、142.4mg·kg-1，分别为1级水平下限的12.8和2.8倍。造成土壤有效铁、锰含量大幅提升的重要因素可能与土壤酸化和土壤渍水还原有密切的关系。部分大棚土壤由于结构性较差，加上覆膜和排水不畅，易导致土壤渍水缺氧还原，从而进一步引起土壤铁、锰还原并大量积累，造成土壤有效铁、锰养分含量偏高，应加强高品质有机肥施用，改良土壤结构，地势低洼区域应注意加强大棚排水降渍技术和工程措施的应用[18,19,29]。

4 结论

扬州市郊区代表性大棚土壤有机质含量较低，土壤碱解氮含量严重过剩或不足并存，有效磷供应丰富，速效钾含量丰富与严重不足并存。土壤有效铁、锰过多，铜、锌丰富，硼严重缺乏，钼供应不足。土壤水溶性硝酸根严重过剩。

基于土壤养分丰缺情况开展平衡施肥，平均使小白菜增产56.6%，植株含氮率降低27.3%，吸氮量增加13.9%，植株体内硝酸盐含量降低59.6%。

综合土壤养分丰缺情况和小白菜产量、氮素吸收及硝酸盐含量等多项指标，建议在配方施肥时加强硼、钼、钾肥施用，适当控制磷肥施用，减少氮肥施用。