太谷縣巨鑫現代農業示范園區日光溫室土壤肥力質量評價

米美霞，陳玉鵬，張海波

（山西農業大學城鄉建設學院，山西太谷030801）

日光溫室種植可以提供反季節蔬菜，更好地滿足人們的日常需求，提高生活質量，所以被大面積推廣。然而，該種植模式復種指數高，農業投入（農藥、化肥、有機肥、塑料薄膜）增加，環境封閉（溫濕度增加、無降雨淋潤），容易引起土壤退化，影響蔬菜品質和人類健康[1-4]。日光溫室種植引起的土壤質量問題有農藥殘留、氮素和磷素累積、鹽漬化、土壤抗藥性增加、重金屬和鄰苯二甲酸酯類（PAEs）累積等[5-8]。

由于氣候條件、土壤性質和管理方式不同，日光溫室內土壤性質也表現出區域分異特征。高新昊等[9]研究認為，山東壽光溫室土壤容重隨著種植年限的增加逐漸減小。楊亞紅等[10]以延安子長為研究區對不同種植年限溫室土壤理化性質的演變進行了研究，結果表明，溫室內土壤容重的變化與植物類型和土層深度有關，在0～60 cm土層，土壤容重整體隨土層深度加深逐漸增大，其中，種植葫蘆后，10～40 cm土層土壤容重較露地土壤顯著降低，種植油桃和番茄0～10cm土層容重降低，但20～60cm土層土壤容重卻大幅增加。黃紹文等[8]分區研究了我國溫室土壤性質分異特征，結果發現，溫室土壤和露地土壤pH值表現出不同的區域變化特征，溫室土壤pH值是西北地區的土壤（7.9）顯著高于東北和黃淮海地區的土壤（分別為6.9和7.1），露地土壤pH值是黃淮海和西北地區的土壤顯著高于東北地區和南方地區的土壤?？梢?，區域性溫室土壤性質研究是建設高效設施農業管理措施、提高土壤質量的關鍵。

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部（112°28′～113°01′E，37°12′～37°32′N），農業基礎條件好，是山西省的商品糧基地和農業高新技術產業示范區。根據《太原都市區規劃（2016—2035年）》，太谷縣為山西農谷建設的重要區域?？h域內溫室土壤性質調查和研究是制定區域土壤生態環境治理措施的基礎?，F有關于太谷縣溫室土壤性質的研究主要針對土壤化學性質和微量元素的變化進行[11-13]，缺少土壤物理性質和綜合肥力評價方面的研究。

本研究以太谷縣巨鑫現代農業示范園區日光溫室土壤為對象，露天土壤為對照，分析日光溫室種植模式下耕層不同深度土壤物理性質和化學性質的變化特征，分別進行單項肥力質量評價和綜合肥力質量評價，確定研究區土壤肥力質量現狀，為太谷縣設施農業土壤修復提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

太谷縣海拔767～900 m，屬于典型的溫帶大陸性氣候，全縣年平均氣溫10.4℃，10℃以上有效積溫3 675℃，日照時數2 592.2 h，無霜期175～180 d，日最大降水量84.5 mm，年降水量462.9 mm。降水量年內分布不均，主要集中在7—9月，占到全年總降水量的60%以上。

巨鑫現代農業示范園區（下文稱“園區”）位于108 國道太谷縣北汪村段（112.51°E，37.40°N），占地面積133.3 hm2。園區內53.3 hm2現代農業科技創新園區，是由山西農業大學與山西巨鑫偉業農業科技開發有限公司、金谷投資公司在“十二五”期間合作建設。研究所選日光溫室建于2014年，日光溫室剖面形狀為扇形，長90 m，寬10 m，東西走向布局，其前墻為磚墻，后墻和側墻為土墻，日光溫室內以混凝土柱、鋼管及鋼桁架為支撐，其外部設有卷簾機。作物的種植方向為東西方向，作物根部皆用地膜覆蓋。種植的植物為黃瓜、香瓜、圣女果、番茄和草莓，以輪作為主，使用的化肥以大量元素水溶肥料為主；有機肥以蚯蚓糞、羊糞為主。溫室灌溉用水來自于地下井水，灌溉方式為滴灌。土壤各粒徑平均百分比分別為黏粒24.4%、粉粒27.3%、砂粒48.3%，為黏壤土（國際制）。

1.2 試驗方法

本研究通過野外調查取樣和室內分析相結合的方法進行。2018年4月上旬采樣。在園區內隨機選取3個日光溫室（園區內原始編號分別為9、11、19）及其相鄰露地為樣地，溫室內設置9個取樣點，橫向每隔2 m設置一個取樣點，取樣點距溫室邊界3 m；縱向每隔30 m設置一個取樣點，取樣點距溫室邊界15 m。露地多點混合取樣作為對照。分別在0～20、20～40 cm這2個土層深度取樣。用環刀取原狀土樣，土鉆取擾動土樣，帶回實驗室待測。

1.3 測定項目及方法

原狀土樣帶回室內測定容重和飽和導水率，飽和導水率采用定水頭法測定。擾動土樣帶回室內風干、研磨、過篩后，用于測定土壤顆粒組成（馬爾文激光粒度儀MS 2000，英國）、酸堿度（Sartorius PB-10 pH計，德國）、電導率（DDS-307A型電導率儀，中國上海）、有機碳（耶拿Multi N/C 2100，德國）、全磷和全氮含量。其中，測定的有機碳含量乘以1.724得到有機質含量；全磷通過高氯酸-硫酸消煮，鉬銻抗比色法測定，全氮用凱氏定氮法測定。

1.4 數據處理

試驗數據的統計分析和作圖用Microsoft Excel 2007和Origin 2018軟件。首先計算溫室內各指標9個樣點測定值變異系數（變異系數＝（標準差/平均值）×100%），溫室內9個采樣點土壤黏粒含量、容重、孔隙度的變異系數均小于10%，屬于弱變異。0～20、20～40 cm這2個土層土壤飽和導水率變異系數分別為88.8%和93.1%，屬于中等變異。這說明除土壤飽和導水率外，取樣位置對各物理指標測定值影響較小。進行統計分析時，日光溫室內樣本數為27（9個采樣點×3個溫室）個，露地樣本數為3個。樣本數均小于30個，通過雙樣本t檢驗對溫室內外、2個土層深度分別進行兩兩比較，均在95%置信區間內進行。參照全國第二次土壤普查數據及有關標準對各土壤指標進行單項評價，采用改進的內梅羅指數法對土壤肥力質量進行綜合評價，土壤綜合肥力系數及各屬性分肥力系數計算過程參見文獻[14-15]。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質分析

溫室內外不同土層土壤黏粒含量、容重、孔隙度和飽和導水率見圖1。0～20、20～40 cm這2個土層土壤指標t檢驗結果如表1所示，日光溫室和露地土壤指標t檢驗結果如表2所示。

表1 不同土層土壤性質比較（t檢驗）

由圖1、表1、表2可知，溫室內外土壤黏粒含量均為0～20 cm土層＜20～40 cm土層。露地土壤黏粒含量高于溫室內。溫室內0～20、20～40 cm這2個土層容重平均值分別為（1.34±0.02）、（1.42±0.02）g/cm3，孔隙度分別為 0.50±0.02 和 0.47±0.02；溫室外0～20、20～40 cm這2個土層深度容重平均值分別為（1.25±0.02）、（1.36±0.02）g/cm3，孔隙度分別為0.53±0.01和0.49±0.01；溫室內、外0～20 cm土層容重顯著低于20～40 cm土層，0～20 cm土層孔隙度均顯著高于20～40 cm土層。溫室土壤容重與露地在統計學上無顯著差異。溫室內0～20、20～40 cm這2個土層土壤飽和導水率平均值分別為（0.69±0.16）、（0.65±0.13）mm/min，露地 2 個土層土壤飽和導水率平均值分別為（0.90±0.14）、（0.67±0.15）mm/min。土壤飽和導水率在2個土層深度、溫室內外均無顯著差異。

2.2 土壤化學性質分析

由圖2結合表1、表2的t檢驗結果可知，溫室內pH值變化范圍為7.88～8.91，平均pH值為8.40，屬于堿性土壤；露地土壤平均pH值為8.49，溫室內與露地土壤pH無顯著差異。

溫室內隨土層深度增加，土壤電導率減小大約50%（由 916 μS/cm減小至 445 μS/cm）。相對于露天土壤，溫室種植區電導率顯著增加（表1），0～20cm土層增加了86%，20～40cm土層增加了69%。因此，溫室種植區土壤出現次生鹽漬化現象，且越接近地表，鹽漬化程度越嚴重；根據土壤鹽漬化程度分級，研究區溫室內土壤屬于中度鹽土[8]。溫室內有機質、總氮和總磷含量均為0～20 cm土層大于20～40 cm，有機質含量溫室內（8.16 g/kg）顯著低于溫室外（13.4 g/kg），溫室內外總磷和總氮含量在統計學上無顯著差異。耕層有機肥施用、植物殘茬歸田是接近表層養分含量較高的原因。

2.3 土壤肥力質量綜合評價

土壤質地、容重、pH值、有機質含量、電導率、全氮和全磷含量作為土壤肥力質量綜合評價的指標，計算各屬性分肥力系數和土壤綜合肥力指數（表 3）。

表3 土壤肥力系數

根據土壤綜合肥力指數值進行本研究區土壤肥力等級評價。一、二、三、四肥力等級對應的土壤綜合肥力指數范圍分別為≥2.7、≥1.8＜2.7、≥0.9＜1.8和＜0.9[14]。據此，本研究區土壤肥力等級均屬于三等（肥力系數介于0.9～1.8），土壤肥沃程度均處于一般水平。綜合肥力系數溫室內土壤小于露地土壤，這說明溫室內土壤肥力質量已有退化現象。其中，電導率值增加、有機質含量減小是土壤肥力質量退化的主要原因。

進一步引用馬曉瑾等[13]2017年的部分測定結果，利用pH、電導率、有機質含量、堿解氮、有效磷和有效鉀含量6個指標計算土壤各屬性分肥力系數和綜合肥力系數，種植年限為 1、2、4、6、8、12、14 a的大棚土壤肥力系數值列于表4。由表4可知，太谷縣域內各種植年限大棚土壤肥力等級均屬于三等（肥力系數均介于0.9～1.8），溫室內土壤肥力質量與種植年限有關。隨著種植年限增加，大棚土壤肥力系數呈先減小后增大的趨勢。大棚種植年限為4 a時，其土壤綜合肥力系數最?。?.30）；種植年限為14 a時，其土壤綜合肥力系數最大（1.69）。

表4 太谷縣不同年限大棚土壤肥力系數

3 結論與討論

本研究對山西太谷縣巨鑫現代農業示范園區日光溫室種植模式下土壤性質進行評估，結果表明，較露地土壤，溫室內土壤黏粒含量較高，且溫室內0～20 cm土層黏粒含量小于20～40 cm土層。黏粒隨灌溉水在土壤剖面上發生遷移，相對于露地，溫室內種植頻率高，灌溉次數多，所以易引起黏粒向下遷移。20～40 cm土層中露地黏粒更高，說明溫室內土壤黏粒遷移深度大于40 cm，可能在40 cm以下某一個土層中出現黏粒的累積。

日光溫室內土壤無明顯壓實現象，土壤容重0～20 cm＜20～40 cm，飽和導水率無明顯變化。高新昊等[9]研究表明，隨著溫室種植年限的延長（1～25 a），容重逐漸降低，壽光市每年土壤容重的降低速率為0.007 g/cm3。周德平等[16]報道，與1 a大棚種植區相比，種植8 a以后土壤容重下降超過20%，1、3、5 a溫室種植區土壤容重無顯著差異。蔡彥明等[17]的研究則表明，種植10、15 a的蔬菜地耕作層土壤容重分別比5 a高出8.25%和19.59%?？梢?，影響溫室種植區土壤容重的因素較為復雜，除種植年限以外，還可能與研究區土壤質地和田間管理方式（施肥、耕作、蔬菜種類等）有關。本研究區溫室種植年限為4 a，與露地土壤相比，土壤容重的差異未達到統計學上顯著水平，但溫室內土壤容重有增加的趨勢。土壤容重增加到一定程度，土壤有明顯壓實現象（土壤容重大于1.6 g/cm3）則會影響植物根系的穿插，阻礙植物生長?？傮w上該區目前溫室內土壤容重和孔隙度均處于良好的物理狀態，適宜于植物生長。土壤飽和導水率是反映土壤入滲性能的重要參數，直接影響作物的生長發育。本研究首次對太谷縣溫室種植區土壤飽和導水率進行了初步的探討，土壤飽和導水率無明顯規律性，因此，對該區溫室種植區土壤飽和導水率在時間和深度上還需進行擴展研究，以得到更為可靠的研究結果。

該研究區土壤為堿性土壤，溫室內土壤無明顯酸化現象。根據山西土壤分類，晉中地區屬于石灰性褐土，pH在8.1～8.4范圍[18]，因此，研究區土壤未出現明顯酸化現象。程紅艷等[11]2007年選取太谷縣內35個蔬菜溫室中的土壤進行研究，pH值最小值為7.46，最大值為8.25，平均值為7.79?？梢?，本研究區土壤pH值較高，可能是區域土壤性質空間變異性的表現。馬曉瑾等[13]研究認為,種植年限為6 a，土壤pH具有減小的趨勢。本研究區種植年限短，而且土壤已發生明顯鹽漬化，可能是未發生明顯酸化的原因。但隨著種植年限延長，可能會有酸化現象發生。一般認為，石灰性土壤（pH值為8.0～8.5）若適度酸化，趨于中性或者微酸性，會利于大多數蔬菜生長。過度酸化至酸性或強酸性則會危害蔬菜發育，影響蔬菜品質，應加以適當的人工措施干預。

溫室內土壤出現次生鹽漬化現象，且越接近地表，鹽漬化程度越嚴重。接近地表土壤鹽漬化嚴重的原因主要體現在以下幾個方面，一是施肥過量或偏施氮肥，肥料通過地表進入土壤，表層殘留較多。二是溫室種植引起環境條件的改變，降雨淋溶減小，溫室內溫度高，蒸發強，使得鹽離子在地表聚集。三是種植多茬植物后，植物根系富集的作用。鹽漬化程度嚴重，將影響植物生長。蔬菜正常生長的土壤電導率極限為600 μS/cm[8]，本研究結果表明，表層（0～20 cm）電導率大于此極限值，將影響后續種植的蔬菜生長。

溫室內土壤有機質消耗大，有機質含量低于露地土壤，磷素含量較為豐富，氮素較為匱乏。根據我國第二次土壤普查的養分分級標準，溫室內土壤有機質含量等級為五級（6～10 g/kg），溫室外土壤有機質含量等級為四級（10～20 g/kg），等級劃分與程紅艷等[11]的研究結果一致。已有研究表明，與露天菜地相比，設施蔬菜地土壤有機質含量高于露天菜地[19-21]，但略低于大田土壤[22]。本研究區溫室種植則造成土壤有機質消耗，一方面由于溫室內溫度高、分解快，不利于土壤有機質的積累，另一方面可能是前期有機肥施用量不足造成的。溫室內外土壤全磷含量等級均為一級（＞1 g/kg），全氮含量等級均為六級（＜0.5 g/kg）。因此，該區磷素豐富，有機質和氮素匱乏。在后期管理中應增施有機肥和氮肥，控制磷肥輸入，以滿足植物生長需求。

該研究區溫室內土壤綜合肥力質量發生輕微退化，肥力處于一般水平，存在養分失衡現象。引用馬曉瑾等[13]對太谷縣域內土壤性質研究結果，計算各屬性肥力系數和綜合肥力系數。盡管所選指標有差異，但是巨鑫現代農業示范園區內土壤肥力等級與太谷縣域內大棚土壤肥力等級一致，均為三等。而且種植年限為4 a的土壤肥力質量發生退化，也進一步驗證了本研究結果的可靠性。從種植第6年開始，土壤肥力質量開始恢復。因此，本研究區應提倡合理施肥，改善土壤質量，以保證土壤肥力的可持續性。因土壤性質變化與種植年限有關，所以有必要針對該區進行跟蹤調查研究。