设施西瓜土壤养分投入与累积及环境风险分析

程晓楠，郭艳杰,2，张丽娟，吉艳芝，李博文,2

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室/河北产业协同创新中心，河北 保定，071001；2.华北作物改良与调控国家重点实验室，河北 保定，071001）

施肥是设施西瓜生产过程的重要环节，土壤养分对西瓜的健康生长与产量提升至关重要。由于设施栽培环境具有温湿度大、土壤透气性差等特点，同时伴随着高强度的水肥投入［1］，会加重土壤氮、磷、钾等元素在土壤中的累积与流失，使养分利用率降低［2］、水土环境污染，对生态环境产生巨大威胁［3-4］，并制约区域设施农业的可持续发展。

有研究发现陕西省设施西瓜生产中氮、磷、钾肥施用过量的农户分别高达79.6%、88.9%和79.6%［5］，化肥氮、磷、钾当季平均盈余量分别是养分平均携出量的1.2、3.7 和1.0 倍［6］；河北省蔬菜团队调查发现，该省设施西瓜氮、磷、钾养分投入是西瓜需求量的20、84 和7 倍［7］，高养分投入量的施肥特征非常不合理。设施西瓜、蔬菜等属于浅根系作物［8］，过量的养分难以被吸收利用，只会随着时间的推移而愈发加重养分在土壤中的累积［9-10］及向深层土壤迁移，从而造成养分浪费和污染环境。有研究表明，东北、华北和西北地区地下水硝酸盐超标率分别为39.6%、19.3%和14.9%［11］。针对全国范围的设施菜田研究发现，化肥养分的减施潜力为34.8%～67.1%［12］。因此，设施蔬菜田化肥减施是关键，明确设施菜田的养分投入与累积，对合理减肥、提质增效与改善生态环境意义重大。

河北省凭借气候优势及良好的地理位置，形成了以保定、衡水、廊坊、石家庄为代表的种植历史悠久的西瓜优势产区。但农户对设施西瓜的养分管理比较盲目，没有统一的施肥标准和规范，造成土壤养分的高量累积与淋失，易造成环境污染。因此，需要明确设施西瓜养分投入量、土壤养分累积与分布，预估环境风险问题，为设施西瓜施肥的标准建立与绿色安全生产提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省地处北纬36°05′～42°40′，东经113°27′～119°50′之间，属于温带大陆性气候，大部分地区四季分明，年日照时数2 030.1 h，年无霜期81～84 d；平均年降雨量484.5 mm，1 月平均气温在3 ℃以下，7 月平均气温在18 至27 ℃。选取保定的清苑区与涿州市、衡水的饶阳县、阜城县和故城县、廊坊的固安县、文安县与永清县、石家庄的新乐市9 个种植区，进行调研、采样。

1.2 调研设计

在2021 年4 月10 日至5 月20 日，对9 个区、县进行实地调查。调研区土壤类型为潮土，表层土壤质地为砂壤土（清苑区、涿州市、阜城县、饶阳县、新乐市、固安县）、轻壤土（故城县、文安县）、中壤土（永清县）。调研主要包括：西瓜种植面积、产量、肥料种类与用量、施肥时间等。有效问卷115份，按照1 县3 村，每村3 户的原则进行0～200 cm土壤样品的采集（间隔0～20 cm 一层），共采集81 个棚室，每个棚室按照“S”型布置多个采样点，同一土层的多点混为1 个土壤样品，共810 份土壤样品。在每个棚室外面采集农田土壤样品，作为对照。

1.3 养分投入量核算

化肥养分投入量的计算根据当地农户具体所施肥料的N、P2O5、K2O 养分含量及投入量进行计算；有机肥养分投入量则是根据农户的投入量及《中国有机肥料养分志》中各种肥料的养分含量进行计算［13］。

1.4 土壤样品测定方法

将土壤样品带回实验室充分混匀，一部分土壤放入4 ℃冰箱中保存，用于测定土壤硝态氮，一部分土壤样品经过自然风干、研磨分别过1 mm 和0.25 mm 筛用于测定土壤有效磷、速效钾和有机质等养分含量。

硝态氮采用1 mol/L KCI 浸提-连续流动分析仪（Skalar SAN++）测定；有机质采用外加热重铬酸钾容量法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用1 mol/L CH3COONH4浸提-火焰光度法测定［14］。

1.5 土壤养分丰缺状况评价

结合河北省菜地地力评价指标［15］和沈汉等［16］的菜地土壤评价标准来确定本研究的设施菜地地力评价标准，见表1。

表1 设施菜地地力评价标准Table 1 Evaluation criteria for soil nutrients in facility vegetable plots

1.6 土壤养分表观盈余量估算

土壤养分表观盈余（kg/hm2）=各养分总投入（kg/hm2）-作物携出养分（kg/hm2）［17］。

其中作物养分携出量主要为西瓜收获时携出的养分量。根据调研所得各西瓜主产区产量及西瓜吸收养分的比例（每生产1 000 kg 西瓜需要吸收N∶2.31 kg、P2O5∶0.89 kg、K2O∶3.02 kg，吸收比例为1∶0.39∶1.31［6］）进行计算。

1.7 土壤环境风险分析

设施西瓜田土壤环境风险分析是参考刘辰琛［18］提出的模型公式计算得到。深层土壤硝态氮累积量与土壤深度计算公式：y=1E-05x2+0.236x-35.211 和农田硝态氮累积量计算公式：y=0.0013x2+0.1864x+55.358，其中x为硝态氮累积量（kg/hm2），y为土壤深度（cm）。

1.8 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理、作图，采用 SPSS 22.0 进行单因素方差分析，选用 LSD（P＜0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 设施西瓜田施肥量与空间分布特征

各地市的设施西瓜田施肥量与空间分布见表2，廊坊、保定、石家庄和衡水有机肥平均用量是对照农田的1.22、1.17、1.02 和1.16 倍；其中保定有机肥施用量最高，石家庄市最低。化肥施用量衡水用量最高，是农田的1.12 倍，保定市化肥投入量最低，是农田的1.51 倍，廊坊市和石家庄化肥投入量分别是农田的1.00 和1.33 倍。可见河北省设施西瓜主产区施肥量和投入和空间分布都存在较大差距。

表2 设施西瓜产区有机肥与化肥施用量Table 2 The application amounts of organic and chemical fertilizer in facility watermelon production areas

2.2 设施西瓜田土壤养分投入量与表观盈余量

由表3 可以看出，调研区平均养分投入比例与作物需求比例（1∶0.39∶1.31［5］）严重失衡。其中氮的养分投入最高，占总养分投入的43.13%～45.70%。全省N、P2O5、K2O 总养分平均投入量分别为768.02、405.10、662.55 kg/hm2，其中有机肥带入N、P2O5、K2O 平均投入量占总养分投入的72.91%、54.03% 和55.65%；化 肥N、P2O5、K2O平均投入量分别占总养分投入的27.09%、45.97%和44.35%。河北省养分总投入中，饶阳县N、P2O5和K2O 投入量均最高；新乐市各养分投入量最低。

表3 河北省西瓜主产区各养分投入量与表观盈余量Table 3 Nutrient input and apparent surplus in main watermelon production areas in Hebei Province

由于设施西瓜田养分投入量高，携出量少，必然会造成养分大量盈余。由表3 可知，全省养分表观盈余量表现为N ＞K2O ＞P2O5，其中N、P2O5、K2O 平均养分盈余量分别为640.01、353.78和495.20 kg/hm2；N、P2O5、K2O 养 分 的 平 均 盈余量分别为携出量的5.00、7.21 和2.96 倍。其中饶阳县养分盈余量最高，新乐市盈余量最低，但N、P2O5、K2O 盈余量依然占到投入量的72.02%～85.96%。

2.3 土壤养分丰缺状况评价

参照表1 对0～60 cm 各土层有机质、硝态氮、有效磷和速效钾来进行丰缺状况评价。由图1（a）可知，0～20 cm 土壤有机质处于丰富、中等和低水平的占比分别为40.74%、48.15%和11.11%；硝态氮由70.37%处于丰富水平，29.63%处于中等水平，在低和缺乏水平均没有出现；土壤有效磷在4 个等级中均有分布，分别占比为33.33%、59.26%、7.41%和2.30%，以中等水平居多；土壤速效钾含量100%达到丰富水平。

图1 设施西瓜0～60 cm 土壤养分丰缺状况评价Fig.1 Evaluation of nutrient abundance and deficiency in 0-60 cm soil layer in facility watermelon fields

图1（b）为20～40 cm 土壤各养分丰缺状况，其中土壤有机质主要分布在中等和低水平中，占比分别为33.33%和66.67%；硝态氮主要分布在丰富、中等和低水平分别为44.44%、51.85% 和3.70%；有效磷主要分布在中等、低和缺乏水平中，占比分别为33.33%、59.26% 和7.41%；土壤速效钾在丰富水平中占比最多为70.37%，中等和低水平分别为25.93%和3.70%。

40～60 cm 土壤养分丰缺状况见图1（c），有机质处于低水平的占比高达92.59%、中等水平为7.41%；土壤硝态氮在4 个等级水平中均有出现，占比分别为7.41%、37.04%、18.52% 和37.04%；有效磷主要分布在低水平和缺乏水平中，占比为70.37%和29.63%；速效钾在4 个等级中均有分布，占比分别为40.74%、14.81%、25.93%和18.52%。因此，设施西瓜种植区的有机质提升是关键，严格控制氮、磷、钾肥的投入量。

2.4 土壤养分累积分布

由图2（a）可知，设施瓜田平均0～60 cm 的硝态氮累积量表现为饶阳县＞阜城县＞固安县＞永清县＞涿州市＞清苑区＞故城县＞新乐市＞文安县＞农田，3 个土层的平均累积量分别是农田的1.43、1.73 和1.52 倍。设施西瓜主产区硝态氮累积量随土层加深而呈现降低的趋势，但大多数设施西瓜主产区3 个土层之间差异不显著。

图2 0～60 cm 土壤硝态氮、有效磷和速效钾累积量Fig.2 Accumulation of nitrate nitrogen, available phosphorus and available potassium in 0-60 cm soil layers

图2（b）为0～60 cm 土壤有效磷累积量，总体表现为阜城县＞饶阳县＞故城县＞固安县＞清苑区＞文安县＞新乐市＞涿州市＞永清县＞农田；设施瓜田和农田的土壤有效磷均在表层富集，有效磷累积量在110.78～284.54 kg/hm2范围内，是20～40 cm和40～60 cm 有效磷累积量的1.71～3.11 倍。

0～60 cm 土壤速效钾累积量见图2（c），0～60 cm 土壤速效钾的平均累积量表现为阜城县＞饶阳县＞故城县＞永清县＞清苑区＞固安县＞文安县＞新乐市＞涿州市＞农田；设施瓜田0～20 cm 速效钾的平均累积量最高，是农田土壤的1.59 倍；各层土壤速效钾累积量分别在758.36～1 142.61 kg/hm2、555.70～874.70 kg/hm2和403.37～740.63 kg/hm2之间。设施瓜田和农田土壤在0～20 cm 土壤速效钾累积量最高，显著高于20～40 cm 和40～60 cm 的累积量。

综上可知，河北省设施西瓜出产区土壤硝态氮累积量比有效磷和速效钾有较强的移动能力。

2.5 土壤环境风险分析

2.5.1 0～200 cm 土壤NO3--N 淋失 土壤NO3--N的淋失是造成浅层地下水污染的重要因素，由图2分析发现，NO3--N 在设施瓜田下层土壤的移动性较强，0～60 cm 土壤硝态氮累积量无显著差异，因此进一步分析了设施瓜田0～200 cm 土壤NO3--N 含量（见图3）。0～200 cm 各层硝态氮平均含量是农田的1.26～3.84 倍；各县均随土层的加深而逐渐降低，其中永清县、固安县、涿州市、饶阳县、故城县和阜城县西瓜主产区硝态氮含量在0～20 cm 含量较高，均超过100 mg/kg；清苑区、阜城县和永清县在60～80 cm 硝态氮含量出现累积峰，为75.30、90.20和59.42 mg/kg，固安县、永清县则在120～140 cm出现累积峰，为45.99、42.41 mg/kg，这说明河北省设施西瓜主产区中硝态氮有向深层淋失的风险。

图3 各设施西瓜主产区0～200 cm 土壤NO3--N 含量Fig.3 The content of NO3--N in 0-200 cm soil layers of the main facility watermelon production areas

2.5.2 深层土壤NO3--N 累积量 硝态氮随水迁移能力强，且设施种植中施肥量和灌水量大，会对地下水造成威胁。本文参考刘辰琛［18］关于设施土壤和农田土壤硝态氮累积量与土壤深度的研究，来估算更深层土壤硝态氮累积量，并评估其污染地下水的潜力。由表4 可知，设施瓜田在15～20 m、20～25 m、25～30 m、30～35 m、35～40 m 的 硝态氮累积量，分别为1 403.55、1 304.39、1 223.68、1 156.34 和1 099.01 kg/hm2，分别是农田的8.33、8.81、9.16、9.55 和9.51 倍。因此，设施瓜田若持续大量施肥，将使地下水环境面临严重威胁。

表4 设施环境深层土壤硝态氮累积量Table4 Accumulation of nitrate nitrogen in deep soil of facility environment

3 讨论与结论

3.1 设施西瓜养分投入量与表观盈余量

设施蔬菜养分投入量以土壤养分供应能力和蔬菜养分需求规律为依据［19］。但由于设施蔬菜对养分吸收有限，而连年的养分投入量却有增无减，使养分在土壤中存量巨大，出现养分的表观盈余［20］。本研究中，设施西瓜田N、P2O5、K2O 平均养分投入量分别为768.02、405.10、662.55 kg/hm2，分别超出吸收量的499.97%、721.37% 和295.88%。养分投入不仅要重视数量投入，更要注重养分投入比例，只有养分供应比例平衡，才能够促进作物高产优质生产与养分资源高效利用［12］。设施西瓜种植区养分投入比例（1∶0.53∶0.86）与西瓜需肥比例（1∶0.39∶1.31［6］）不协调，随着种植年限的增加，必然会出现土壤养分失衡问题［21］。因此，在河北设施西瓜施肥中，要降低氮、磷、钾肥的用量，控制养分配施比例，注重有机肥与无机肥的合理配施，以改善土壤肥力，平衡养分供应。

3.2 土壤有机质的丰缺状况

土壤有机质是土壤组成部分之一，可为植物提供生产所需营养物质［22］。调研发现全省有机肥平均投入量为47 550×103kg/hm2，而全省0～60 cm的土层中平均有机质含量处于丰富水平占比不高，仅为13.58%；低水平占高达54.32%。这可能是由于种植区的有机肥来源主要是新鲜鸡粪，而鸡粪C/N 较小，易分解，高温高湿环境使土壤有机质矿化速度快，土壤有机质不易累积［17］，从而使土壤中有机质含量较低。因此在今后设施西瓜生产中应加大优质有机肥的投入力度，以更好地培肥地力。

3.3 土壤养分累积分布

当前设施西瓜生产中，有机肥和化肥的过量施用是导致土壤养分富集的主要原因［23］。本研究中0～20 cm 土壤氮、磷、钾养分累积量最高，分别是农田的1.31 倍、1.46 倍和1.59 倍。因为在设施生产中肥料用量大，且多为表施［24］，表层易形成养分富集层。各县有效磷和速效钾累积量均随着土层加深而减少，而硝态氮的累积量在各层中均差异不显著，这是因为硝态硝态氮在土壤中随水分的迁移能力比有效磷和速效钾迁移能力强［25］。因此，河北省设施西瓜生产中应严格控制施肥量，调整表面施肥方式与施肥深度，尤其磷、钾肥可进行分层施肥；同时控制灌溉水量，减少氮素的淋洗，可采用滴管施肥或少量多次的施肥方式，降低养分累积，提高养分利用率。

3.4 土壤硝态氮的环境风险分析

硝态氮在土壤中的迁移性强，对土壤和地下水环境带来的风险不容忽视。本研究中，各县土壤NO3--N 在0～20、20～40 和40～60 cm 土层中差异不显著，且在60～80 cm和120～140 cm出现累积峰，这是因为设施西瓜灌水量高，造成土壤中累积的硝态氮峰值向下迁移［26］；同时本研究采用刘辰琛［18］土壤硝态氮累积量与土层深度的关系模型函数估算发现，150～400 cm 土层的硝态氮累积量是农田的8.33～9.55 倍，这也验证了土壤硝态氮对浅层地下水的污染风险是不可忽视的问题。因此，适当控制化肥氮用量，选择合理的施肥方式，以实现高产、优质、高效、环保的生产目标。