杜雷，王素萍，張貴友，陳鋼，黃翔，姜利，程維舜，羅茜，張利紅，洪娟

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與安全研究所，武漢 430000）

土壤質(zhì)量是指土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量三方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量及促進動植物健康的能力［1］。土壤質(zhì)量是維持地球生物圈重要的因子，在對于不同土壤屬性的閾值與最適值、各種土壤屬性的不同水平間相互組合對土壤質(zhì)量的體現(xiàn)、各種土壤屬性與土壤功能之間的關(guān)系、形成各種土壤屬性的明確的土壤過程等問題的深入的機理性了解的基礎(chǔ)之上，建立土壤質(zhì)量的綜合評價［2，3］。中國的土壤質(zhì)量評價工作起步較晚，學(xué)者做了大量的工作。孫波等［4］、鄭昭佩等［5］提出了紅壤質(zhì)量評價指標的選擇原則，并從化學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)等方面探討了評價紅壤質(zhì)量動態(tài)變化可采用的指標體系。吳祥云等［6］從土壤微生物、土壤持水性、土壤物理、土壤化學(xué)性質(zhì)方面探討不同類型樟子松人工固沙林土壤質(zhì)量狀況，表明針闊混交林比針葉純林土壤質(zhì)量高，指出林木對土壤的改良作用是一個長期的持續(xù)過程。鄭華等［7］對南方紅壤侵蝕區(qū)主要森林恢復(fù)類型下土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀進行了比較研究，表明不同的森林恢復(fù)類型導(dǎo)致了土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的顯著差異。

土壤質(zhì)量的監(jiān)測與診斷已成為農(nóng)業(yè)土地可持續(xù)管理中的一個重要思想。土壤質(zhì)量監(jiān)測與診斷是建立種植全過程的技術(shù)服務(wù)新模式的基礎(chǔ)。針對中國集約化種植菜田土壤質(zhì)量變化和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)態(tài)勢不明、區(qū)域差異不明確等問題，通過監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及動態(tài)變化，逐步建立土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，闡明內(nèi)在聯(lián)系及發(fā)展規(guī)律，促進土地可持續(xù)利用；通過土壤診斷指標的研究，提高檢測效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，打造“從田間到餐桌”種植環(huán)境健康管理服務(wù)平臺。本研究在武漢市選擇長期種植茄果類葉菜類模式的土壤進行土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量與品質(zhì)監(jiān)測，探索該區(qū)域土壤質(zhì)量演變規(guī)律及影響因素，完善土壤健康診斷指標體系，為實現(xiàn)食品安全和土壤的可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院北部園區(qū)國家土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)中心觀測站內(nèi)進行。土壤為灰潮土，土壤pH為7.25，EC為0.251 mS/cm，容重為1.17 g/cm3，全氮含量1.17 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀16.38 g/kg，有機質(zhì)14.62 g/kg。試驗采用田間小區(qū)試驗，每小區(qū)面積32 m2，茄子與白菜輪作種植模式，設(shè)3個處理，分別為：①CK，對照，不施肥；②FP，習(xí)慣施肥（以當?shù)爻Ｒ?guī)施肥的施肥量為準，茄子季尿素609 kg/hm2，過磷酸鈣1 753 kg/hm2，硫酸鉀550 kg/hm2，白菜季為尿素750 kg/hm2，過磷酸鈣1 125 kg/hm2，硫酸鉀375 kg/hm2）；③OPT，推薦施肥，2/3化肥氮+1/3有機肥氮。茄子季為尿素500 kg/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2，硫酸鉀471 kg/hm2，有機肥5 300 kg/hm2；白菜季為尿素400 kg/hm2，過磷酸鈣600 kg/hm2，硫酸鉀312 kg/hm2，有機肥3 900 kg/hm2，每個處理3次重復(fù)。

1.2 試驗材料

供試材料：茄子品種為鄂茄4號，由武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜所提供；白菜品種為春來早白，購于市場。

供試肥料：尿素（N 46%），過磷酸鈣（P2O516%），硫酸鉀（K2O 51%），有機肥有機質(zhì)含量為47%，全氮（N）、全磷（P）、全鉀（K）含量分別為2.80%、0.76%、1.38%。

1.3 土壤樣品采集

選取每季作物成熟期植株根區(qū)土壤樣品，每處理小區(qū)依照“S形”取樣法五點混合取樣，四分法取0～20 cm植株根區(qū)土壤混合樣品，裝入自封袋帶回實驗室風(fēng)干、研磨，分析土壤化學(xué)性狀。

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

在每季作物收獲時采用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤飽和含水量和土壤田間持水量［8］等土壤理化性質(zhì)，交換性鈣和鎂的測定參見文獻［9］，陽離子交換量測定參見文獻［10］，其他項目測定參見文獻［11］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件處理分析，采用最小顯著法（LSD）進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤物理性狀的影響

不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤物理性狀的影響見圖1、圖2、圖3和圖4。每季種植完后，不同處理土壤的物理性質(zhì)有顯著相關(guān)性，兩季作物的土壤物理指標整體變化趨勢基本一致。由圖1可見，F(xiàn)P和CK的土壤容重?zé)o顯著差異，都顯著高于OPT。由圖2可見，F(xiàn)P和OPT的土壤孔隙度之間無顯著差異，但都顯著高于CK。白菜季種完后土壤孔隙度都整體略低于茄子季的土壤孔隙度。由圖3可見，茄子季CK的土壤飽和含水量最低，OPT的土壤飽和含水量最高，各處理差異顯著。由圖4可見，各處理間土壤田間持水量呈顯著差異，OPT顯著高于FP，F(xiàn)P顯著高于CK。

圖1 不同施肥對土壤容重的影響

圖2 不同施肥對土壤孔隙度的影響

圖3 不同施肥對土壤飽和含水量的影響

圖4 不同施肥對田間持水量的影響

2.2 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤化學(xué)性狀的影響

2.2.1 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤pH和EC的影響 不同施肥處理對土壤pH和EC的影響見圖5和圖6。茄子和白菜適宜的土壤pH為6.5～7.5。由圖5可見，種植一季茄子后，各處理的土壤pH都在適宜范圍內(nèi)，OPT和CK的土壤pH無顯著差異，F(xiàn)P的土壤pH顯著下降。白菜季各處理pH變化趨勢與茄子季一致，OPT和CK的土壤pH無顯著差異，F(xiàn)P呈下降趨勢。茄子和白菜土壤的適宜EC在0.8 mS/cm以下。由圖6可見，隨著種植時間的推移，施肥處理的土壤EC呈上升趨勢，CK的EC呈下降趨勢，但都在茄子和白菜的適宜范圍內(nèi)。茄子季和白菜季OPT的土壤EC和FP無顯著差異。

圖5 不同施肥對土壤pH的影響

圖6 不同施肥對土壤EC的影響

2.2.2 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤硝態(tài)氮和有機質(zhì)含量的影響 氮、磷、鉀作為肥料三要素，是作物高產(chǎn)優(yōu)先補充的養(yǎng)分。旱地土壤以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮的水平直接反映土壤短期氮素供應(yīng)狀況。由圖7可見，茄子季和白菜季各處理的土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢一致，CK最低，F(xiàn)P最高，各處理之間呈顯著差異。這可能與每個處理的施氮不同直接相關(guān)。由圖8可見，2輪作物土壤有機質(zhì)含量變化呈相同情況，OPT土壤有機質(zhì)含量顯著提高，F(xiàn)P和CK土壤有機質(zhì)含量無顯著差異，都顯著低于OPT，這可能跟OPT增施了有機肥有關(guān)。與CK相比，OPT土壤有機質(zhì)含量提高了54.9%。

圖7 不同施肥對土壤硝態(tài)氮的影響

圖8 不同施肥對土壤有機質(zhì)的影響

2.2.3 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤陽離子交換量的影響 土壤陽離子交換量是指土壤所能吸附和交換的陽離子容量，是土壤中黏土礦物和腐殖質(zhì)負離子的總量，反映土壤的保肥能力。由圖9可見，各處理土壤陽離子交換量在2種作物的土壤整體變化趨勢一致。施肥處理的土壤陽離子交換量高于CK，OPT土壤陽離子交換量比FP顯著提高。白菜季各處理的土壤陽離子交換量整體有所提高。

圖9 不同施肥對土壤陽離子交換量的影響

2.2.4 不同施肥處理對茄子白菜輪作土壤交換性鈣和交換性鎂的影響交換性鈣、鎂是土壤鹽基的重要組成部分，土壤鹽基類物質(zhì)不足會對作物生長造成影響，但某種鹽基類物質(zhì)過剩會阻礙其他鹽基成分的吸收，造成作物缺素。由圖10可見，不同作物各處理間交換性鈣含量變化不一致，茄子季CK和FP無顯著差異，但都顯著低于OPT；白菜季各處理的交換性鈣含量無顯著差異，CK和FP的交換性鈣含量與茄子季相比明顯上升，OPT無明顯變化。由圖11可見，茄子季和白菜季各處理交換性鎂含量無明顯變化，差異不顯著。

圖10 不同施肥對土壤交換性鈣的影響

圖11 不同施肥對土壤交換性鎂的影響

3 小結(jié)與討論

土壤物理性狀包括土壤的顏色、質(zhì)地、孔隙、結(jié)構(gòu)、水分、熱量和空氣狀況，土壤的機械物理性質(zhì)和電磁性質(zhì)等方面［12］。各種性質(zhì)和變化過程是相互聯(lián)系和制約的，其中以土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分居主導(dǎo)地位，它們的變化常引起土壤其他物理性質(zhì)和過程的變化［13］。本研究結(jié)果表明，OPT可以有效地改善土壤物理性狀，OPT與CK、FP相比降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度、飽和含水量和田間持水量，且隨著種植時間的增加，這種效應(yīng)具有穩(wěn)定的效益。這是因為OPT降低了化肥的施入量，增加了有機肥的施入。有機肥密度較低，具有較大的比表面積及疏松多孔的結(jié)構(gòu)，能夠保持水分和空氣，施入土壤后有一定的稀釋作用［14］。FP茄子季和白菜季土壤的物理性狀與CK相比也有改善，特別是在土壤飽和含水量和田間持水量方面，這可能是施肥更好地協(xié)調(diào)了土壤水、氣、肥、熱等條件，提高了微生物活性，從而提高了土壤保水性。

土壤化學(xué)性狀主要反映土壤固、液相的化學(xué)組成、化學(xué)變化以及固液相之間的反應(yīng)，內(nèi)容包括土壤固體顆粒的表面化學(xué)性質(zhì)及陽離子交換，土壤的酸堿性、氧化還原性等［15］。土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個重要指標，它是衡量土壤能夠提供作物生長所需的各種養(yǎng)分的能力［16，17］。

本研究結(jié)果表明，OPT對土壤pH有微弱降低作用，F(xiàn)P顯著降低了土壤的pH，這可能與化肥中有酸性肥料有關(guān)。2個施肥處理提高了土壤的EC，但都還在適宜范圍以內(nèi)。土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動的能量來源，是土壤團聚體的重要組成部分，是團聚體形成和保持穩(wěn)定的重要因素［18］。通過對兩季作物土壤有機質(zhì)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，OPT的有機質(zhì)含量顯著提高，并且隨著種植時間的延長而增加，這與養(yǎng)分積累的年限效益有關(guān)［19］。

施氮肥直接改變了土壤的硝態(tài)氮含量，F(xiàn)P的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于OPT和CK。施肥量，特別是氮肥量，不應(yīng)當超過土壤和作物的需要量。不同的土壤或相同土壤的不同地塊，在養(yǎng)分含量上存在差異，不同作物或同一作物的不同品種，各有其不同的生育特點，在生長發(fā)育過程中所需要的養(yǎng)分種類、數(shù)量和比例不一樣［20］。因此，在擬定施肥建議時必須嚴格按照作物的營養(yǎng)特性、預(yù)期產(chǎn)量和土壤的農(nóng)化性質(zhì)，來確定化肥的最適施用量。即要了解土壤肥力，才能做到合理施肥，減少淋失對生態(tài)環(huán)境的不良影響。OPT還提高了土壤的陽離子交換量和交換性鈣含量，但對交換性鎂含量無明顯影響。這可能與有機肥施入，提升了土壤表面庫侖力、氫鍵以及分子間的范德華力等有關(guān)，更利于將土壤陽離子吸附到土壤顆粒表面［21］。

土壤監(jiān)測需要長期的監(jiān)測和觀察，年限效益才會趨于穩(wěn)定。接下來會繼續(xù)對這種種植模式的土壤理化性質(zhì)進行監(jiān)測，以期得到更合理的數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的施肥建議。