武汉市设施西瓜种植土壤健康评价指标初步构建

黄翔 王素萍 曾凡菊 陈钢 洪娟 杜雷 程维舜 张贵友 罗茜 姜利 张利红

摘要：对武汉市主要农业生产区设施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］土壤（0～20 cm）和农产品进行取样，并检测土壤理化指标和微生物数量及农产品品质指标。结果表明，研究区域内土壤酸碱度空间变异较大，pH在4.91～7.16；土壤有机质含量变化范围在9.43～30.75 g/kg；种植土壤的硝态氮含量非常丰富，有效磷和速效钾含量均处于较高水平；土壤容重和紧实度较为接近，土壤田间持水量因种植方式的不同存在一定差异；设施栽培土壤中真菌数量变化不大，而细菌和放线菌数量浮动较明显。通过主成分分析方法对武汉市设施西瓜土壤的健康评价指标进行筛选，初步选择了pH、速效钾含量、有机质含量、硝态氮含量、田间持水量和细菌含量等指标作为评价指标。

关键词：设施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］；土壤；健康评价；武汉市

中图分类号：S651；S151.9         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2023）11-0046-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.009 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Preliminary construction of soil health evaluation index for facility watermelon cultivation in Wuhan City

HUANG Xiang1， WANG Su-ping1， ZENG Fan-ju2， CHEN Gang1， HONG Juan1， DU Lei1，

CHENG Wei-shun1， ZHANG Gui-you1， LUO Xi1， JIANG Li1， ZHANG Li-hong1

（1.Institute of Environment and Safety，Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan  430046， China； 2.Anlu Agricultural Technology Promotion Center， Anlu  432600， Hubei， China）

Abstract： The samples of soil （0～20 cm） and agricultural products of facility cultivation watermelon ［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］ were collected from major agricultural production areas in Wuhan City， and the physical and chemical indexes， the number of microorganisms of soil， and the quality indexes of agricultural products were detected. The results showed that the spatial variation of soil pH was from 4.91 to 7.16， and the variation of organic matter content was from 9.43 g/kg to 30.75 g/kg. The content of nitrate nitrogen in planting soil was very rich， and the content of available phosphorus and available potassium was at a high level. The soil bulk density and soil compactness were relatively close， and the soil water holding capacity in the field was different with different methods. The quantity of fungi in soil under facility cultivation did not change much， while the number of bacteria and actinomycetes fluctuated obviously. The soil health evaluation indexes of facility cultivation watermelon in Wuhan City were screened by principal component analysis method， and pH， available potassium， organic matter content， nitrate nitrogen， field water holding capacity and bacterial quantity were selected as evaluation indexes.

Key words： facility watermelon［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］； soil； health evaluation； Wuhan City

由于環境的不断变化，加上耕地不合理利用导致土壤酸化、盐渍化、耕层变浅、生物多样性下降、土传病害加重等种植障碍频频发生，严重影响了健康食品的产出，给人类健康带来了威胁。因此，培育健康土壤对农业可持续发展意义重大［1］。土壤健康的概念最早由Doran等［2］在2000年提出，是指土壤维持植物、动物和人类重要生命系统的持续能力。如何定义并量化耕地土壤健康状况，科学应用土壤功能评价指标与表征方法，实现耕地土壤健康维护与表达成为土壤健康研究的重中之重。近年来，针对土壤健康评价体系，国内外研究成果主要有SMAF土壤管理评价框架、CASH土壤健康评价、HSHT土壤健康测试和耕地地力综合指数等。但这些土壤评价体系主要以化学和物理指标为主导，对土壤生物学特性未引起足够的重视［3］。梁文举等［4］通过研究总结了土壤健康的生物学表征指标，表明土壤微生物、酶活性、微食物网及蚯蚓对土壤健康具有指示作用。

土壤健康评价体系的指标选择应遵循一些基本原则，如代表性、敏感性、实际操作易获得性以及高性价比。另外，收获的农作物最终是人类进行食用，与人体健康息息相关，因此作物的产量和品质也应该作为土壤健康评估的指标［5-7］。通过这些原则选择进入评价体系的指标，便于采集，实际应用性强，利于现实推广使用。

设施栽培在中国农业史上占有重要地位，截至2013年，中国设施蔬菜栽培面积达370万hm2，随着中国节能型日光温室的发展，设施栽培面积更是有了大幅度的增加。但设施栽培在高投入、高收益的同时，种植土壤酸化、盐渍化、养分失衡、生理性病害、线虫等土壤问题已经成为产业发展面临的一个难题。因此，本试验对武汉市设施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］种植土壤及收获农产品进行取样，监测种植过程中土壤理化性状、微生物及收获农产品品质等指标，利用主成分分析法筛选出了影响土壤健康的主要因子，以期为武汉市及其他周边地区设施瓜菜土壤评价和修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武汉市地处长江中下游平原，江汉平原东部，是国家区域中心城市（华中）、副省级市和湖北省省会。位于东经113°41′—115°05′，北纬29°58′—31°22′，最东端位于新洲区徐古镇将军山村，最西端位于蔡甸区侏儒街国光村，最南端位于江夏区湖泗街道均堡村，最北端位于黄陂区蔡店街道李冲村。该地区属北亚热带季风性湿润气候，年均气温15.8～17.5 ℃，年日照总时数在2 000 h以上，年降水量约为1 100 mm，活动积温为4 500～5 150 ℃，年无霜期为200～240 d。

1.2 采样地点

土壤采样地点分布在武汉市设施农业主产区，具体采样信息见表1。

1.3 采样时间及方法

1.3.1 采样时间 于2021年5月至2022年6月分别在不同设施栽培地区瓜果定植前取土。

1.3.2 土样的采集方法 针对设施栽培大棚土壤系统诊断取样，采用W形五点取样法对设施大棚内0～20 cm表层土使用取土器材和环刀进行取样，去除植物根系和石块后，将取回的部分鲜土样在4 ℃下保存，用来测定微生物数量；剩余土样风干后过   1 mm和0.25 mm筛，用于土壤化学指标测定。

1.3.3 作物产品的采集 在盛果期，取作物长势适中的新鲜果实10个，将采集的新鲜果实样品带回实验室分析品质指标。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤物理指标 在作物耕种期前采用环刀法测定土壤容重和土壤田间持水量［8］；采用SC-900土壤紧实度仪直接测定土壤紧实度。

1.4.2 土壤化学指标 土壤酸碱度采用pH计测定；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法测定；土壤硝态氮含量采用KCl浸提-紫外分光光度法測定；有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定［8］；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定［9］。

1.4.3 土壤微生物指标 采用稀释平板计数法测定土壤中微生物数量。细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌培养采用改良高氏Ⅰ号培养基；真菌培养采用马丁氏培养基。每处理重复3次，结果以每克干土所含微生物数量表示［10］。

1.4.4 作物品质指标 成熟期采集西瓜可鲜食部分，采用水杨酸硝化法测定硝酸盐含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素C含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量［11］。

1.5 数据处理

采用Excel 2013和SAS 9.4软件处理分析数据，采用最小显著法（LSD）进行差异显著性检验。主成分分析采用Proc Princomp运算过程。

2 结果与分析

2.1 不同地区设施栽培土壤化学性质

从表2可以看出，研究区土壤酸碱度空间变异较大，pH在4.91～7.16变化，差异显著（P<0.05）。江夏金口、黄陂武湖、汉南纱帽和天兴洲栽培土壤酸碱性均处于6.0～7.5，属于中性状态，而蔡甸侏儒和东西湖东山土壤pH小于6.0，种植土壤处于酸性状态。土壤有机质是植物营养的重要来源之一，由于本研究区域内土壤类型有差异以及不同耕作习惯，土壤有机质含量变化范围在9.43～30.75 g/kg，基本上囊括了土壤有机质缺乏、中等及丰富状态。土壤有机质不仅对养分循环、微生物活动存在影响，并能促进土壤形成良好的结构，还能够减轻由于重金属和农药污染带来的影响。从整体来看，研究区域内大部分设施栽培的土壤有机质含量在15.0 g/kg以上，其中江夏金口土壤有机质含量高达30.75 g/kg，而天兴洲土壤有机质含量最低，为9.43 g/kg。

氮素对作物生长发育和产量影响较大。一般情况下，旱作植物对土壤中的硝态氮吸收较多，对铵态氮选择较少。磷素也是作物生长必需的大量元素之一，磷以多种途径参与植物体内的代谢过程，土壤中的磷有效性对农田生产力有直接影响，作物吸收利用的磷素主要为有效磷，其含量可作为评价土壤磷素丰缺的标准。在作物的生长过程中，若是钾素供应不足，会造成作物生理失调而减产。钾素在增强作物抗寒、抗旱、抗倒伏、抗病虫害以及保障农产品品质上起着重要作用，因此，钾元素也经常被称为品质元素［12］。本研究结果表明，不同地区设施栽培土壤的硝态氮含量大部分都在100 mg/kg以上，含量非常丰富，有效磷含量在18.89～66.60 mg/kg，速效钾含量在190.13～368.82 mg/kg。

土壤阳离子交换量是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，是土壤中黏土矿物和腐殖质的负离子的总量，是其对NH4+、Ca2+、Mg2+、K+等阳离子的保持能力，代表着土壤保肥能力。同时，土壤阳离子交换量也影响土壤缓冲能力，是评价土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据［13］。通过调查研究发现，不同地区设施栽培土壤阳离子交换量差别比较明显，其大小顺序为江夏金口（33.47 cmol/kg）、东西湖东山（28.75 cmol/kg）、汉南纱帽（28.26 cmol/kg）、蔡甸侏儒（22.57 cmol/kg）、黄陂武湖（11.25 cmol/kg）、天兴洲（9.56 cmol/kg）。

2.2 不同地区设施栽培土壤物理特性和微生物数量

土壤的物理性质能体现土壤的疏松性、结构性、持水性、透气性等方面的能力。土壤容重是基本的土壤物理指标，可以综合性地反映土壤的孔隙状况、松紧程度、透气性、透水性、保水能力等［14］。土壤田间持水量是评价土壤水源涵养能力的关键指标，可以反映土壤持水量性能的优劣［15］。由表3可知，不同产区设施栽培土壤物理指标方面，土壤容重和紧实度较为接近，土壤田间持水量因种植方式的不同存在一定差异。土壤微生物在土壤中参与有机质和各种养分的分解和转化，与土壤质量或肥力高低密切相关，且土壤细菌是土壤微生物的主要组成部分［16］。由表3可知，不同地区设施栽培土壤中真菌數量变化不大，而细菌和放线菌数量浮动较明显。

2.3 不同地区设施栽培农产品品质

蔬菜和水果是人体摄入硝酸盐的主要来源。硝酸盐本身对人体无害或毒害相对较低，但人体摄入的硝酸盐在细菌的作用下可还原成亚硝酸盐，而亚硝酸盐可导致高铁血红蛋白血症；另外，亚硝酸盐又可与次级胺结合成为强致癌物质亚硝酸胺，从而诱发消化系统癌变，对人类健康构成了极大的潜在威胁［17］。因此，控制果蔬中的硝酸盐含量至关重要。由图1可知，硝酸盐含量方面，江夏金口和东西湖东山采集的样品硝酸盐含量处在较高水平（≥300 mg/kg），黄陂武湖和蔡甸侏儒次之（250～300 mg/kg），汉南纱帽和天兴洲的样品最低（≤250 mg/kg）。

可溶性糖包括绝大部分的单糖、寡糖。它们在植物体内可以储存能量、介质转移、作为结构物质和功能分子如糖蛋白的配基［18］。由图2可知，天兴洲样品可溶性糖含量最高（>4.0%），其次为黄陂武湖、东西湖东山、蔡甸侏儒、汉南纱帽（3.0%～4.0%），最低为江夏金口（<3.0%）。

维生素C是一种具有生物氧化还原等重要作用的水溶性维生素，由于具有防治坏血病的功效，又被称为抗坏血酸［19］。人体不能合成维生素C，必须由膳食补充。由图3可知，黄陂武湖、蔡甸侏儒、东西湖东山和天兴洲采集的样品维生素C含量处于相同水平（≥40 mg/100 g），汉南纱帽次之（35～40 mg/100 g），江夏金口的样品最低（<35 mg/100 g）。

硝酸盐、可溶性糖和维生素C只是众多品质考察指标中的代表，简单通过品质指标的高低不是判别品质好坏的根本方法，需要通过综合的研判才能得出最终的结果。

2.4 调查指标主成分分析

利用主成分分析法对本研究中所有调查的指标进行排序编码，并分别命名为X1（pH）、X2（有机质含量）、X3（有效磷含量）、X4（速效钾含量）、X5（阳离子交换量）、X6（硝态氮含量）、X7（土壤容重）、X8（田间持水量）、X9 （紧实度）、X10（细菌数量）、X11（真菌数量）、X12（放线菌数量）、X13（可溶性糖含量）、X14（维生素C含量）、X15（硝酸盐含量）。采用标准化公式对调查指标的数据进行无量纲处理，公式如式（1）所示。

[X′i=Xi-XiSi] （1）

式中，[X′i]为i指标的标准化值；[Xi]为i指标数值；[Xi]为i指标的平均值；[Si]为i指标的标准差。将各指标标准化后得出基本方程组。利用SAS软件进行编程，通过proc princomp运算过程，主成分分析结果共提取了4个主成分，其特征值分别为5.64、4.52、3.15和1.07，贡献率分别为37.60%、30.16%、21.03%、7.15%（表4）。

表4 各主成分特征及方差贡献率

[主成分 特征值 方差贡献率//% 累积方差贡献率//% 1 5.64 37.60 37.60 2 4.52 30.16 67.76 3 3.15 21.03 88.79 4 1.07 7.15 95.94 ]

由系数矩阵可得第1主成分的表达式为Z1=0.401 3X4+0.387 2X13+0.356 4X14；第2主成分的表达式为Z2=0.317 9X2+0.446 4X6+0.450 5X15；第3主成分的表达式为Z3=0.516 6X1+0.324 5X8+0.421 3X10；第4主成分的表达式为Z4=0.505 3X3+0.667 4X5。

方程系数的绝对值越大，说明该主成分受该指标的影响也就越大。由此可知，决定第1主成分Z1大小的主要因素为速效钾含量、可溶性糖含量、维生素C含量；决定第2主成分Z2大小的主要因素为有机质含量、硝态氮含量和硝酸盐含量；决定第3主成分Z3大小的主要因素为pH、田间持水量和细菌数量；决定第4主成分Z4大小的主要因素为有效磷含量和阳离子交换量。Z1指向土壤产出品质健康；Z2指向土壤潜在隐性健康；Z3指向土壤微生物健康；Z4贡献率很小，仅做参考。

3 讨论

3.1 土壤健康评价的物理和化学指标

农业设施生产是未来农业发展的一个重要趋势，伴随着种植过程中氮、磷、钾肥的大量施用，加上种植年限的增加，设施土壤的基本理化性状较以往将会发生很大改变。本试验对武汉市6个设施西瓜生产产区土壤和农产品进行取样分析，结果表明，6个产区土壤的基本理化指标具有一定差异，蔡甸侏儒和东西湖东山设施土壤pH小于6.0，特别是东西湖东山土壤pH仅为4.91，酸化严重，建议使用土壤调节剂对酸碱性进行适当调节。土壤有机质在土壤中的累积、合成和分解是土壤形成作用的主要特征，是评价土壤肥力水平的重要指标［20］。本研究表明，6个产区土壤有机质含量差异显著（P<0.05），5个产区的土壤有机质含量均显著高于天兴洲（P<0.05），这可能与当地土壤形成条件和农户种植习惯有关。

氮、磷、钾作为肥料“三要素”，在设施农业种植过程中被大量投入，尤其是氮肥和磷肥在实际生产中投入量远高于蔬菜生长的吸收量，未吸收的养分在种植土壤中不断积累。本研究调查发现，江夏金口、黄陂武湖、蔡甸侏儒、汉南纱帽和东西湖东山设施栽培土壤的硝态氮含量在100 mg/kg以上，种植土壤的有效氮含量非常丰富，6个产区有效磷含量在18.89～66.60 mg/kg，速效钾含量在190.13～368.82 mg/kg，以湖北省耕地质量监测指标分级标准（鄂耕肥〔2018〕16号）作为分析参考来看，研究区域土壤的有效磷和速效钾含量均处于较高水平。通过调查发现，不同地区设施栽培土壤阳离子交换量（CEC）差别比较明显，其大小顺序为江夏金口（33.47 cmol/kg）、东西湖东山（28.75 cmol/kg）、汉南纱帽（28.26 cmol/kg）、蔡甸侏儒（22.57 cmol/kg）、黄陂武湖（11.25 cmol/kg）、天兴洲（9.56 cmol/kg）；不同产区设施栽培土壤物理指标方面，土壤容重和紧实度较为接近，土壤田间持水量因种植方式的不同存在一定差异。

3.2 土壤健康评价的生物学指标

相对于土壤物理和化学指标，在土壤健康评价时，生物学指标出现的频率较低。土壤生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物和线虫等，这些生命体相互作用，互相影响，对土壤健康维持作用明显。随着科研的不断深入，国内外学者对生物学指标的选择开展了大量的研究工作，一些生物指标，如土壤微生物、蚯蚓数量、微生物生物量碳氮比、土壤呼吸参数、土壤活性炭等指标被用来评价土壤健康状况［21］。本研究主要考察了土壤细菌、放线菌、真菌的数量，结果显示，不同产区设施栽培土壤中真菌数量变化较小，而细菌和放线菌数量浮动较明显。

3.3 土壤健康评价的农产品指标

人类为了生存通过土壤种植收获农作物，农作物进入人类的食物链为人类提供能量，农作物的品质与人体健康紧密相关。因此，作物的产量和品质也应该作为土壤健康评价的指标。由于种植品种和种植模式的不同，设施栽培所收获农产品在单产和总产量方面差异很大，所以本研究主要选择几个经常考察品质指标进行筛选。从整体来看，所选的指标可以体现不同产区之间收获农产品的品质差异，对土壤健康评价体系指标筛选具有指导作用。

通过主成分分析将本研究所选择指标进行筛选，其分别指向土壤产出品质健康、土壤潜在隐性健康、土壤微生物健康，并对武汉市设施西瓜种植土壤健康评价指标进行了初步选择，提出以土壤pH、速效钾含量、有机质含量、硝态氮含量、田间持水量和细菌数量等为评价指标。但如果要进行更全面、精准评价，还需结合土壤中微量元素和其他生产指标以及更进一步扩大取样样本容量。

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