基于养分含量和生化性状的南京城郊设施蔬菜土壤质量评价

江春玉，李忠佩，张 怡，李 明，刘 明

(中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008)

土壤具有为植物生长提供介质、调节与贮藏水资源、为土壤微生物和动物的活动提供支持以及作为环境缓冲器的服务功能，而土壤的这4项主要功能构成了土壤质量的基本要素。土壤质量的下降有时十分明显，例如不合理的土地利用导致的土壤退化，但是通常这一过程很缓慢且难以察觉，往往在相当长的一段时间后才在农产品质量上显现出来［1］。所以，势必要建立土壤质量的评价体系用于指导农业措施和确保农业的可持续发展。

设施农业是农业实现大规模商品化、现代化的集中体现［2］，但是，设施土壤长期处在高复种指数、高施肥量、高温高湿、高蒸发量、无雨水淋洗及反季节栽培等特殊环境下，其物理、化学和生物学性状容易发生变化［3］。随着设施栽培规模的不断扩大，种植年限的不断增长，设施土壤中出现的酸化板结、盐渍化、养分失调、重金属累积、微生物区系变化等现象日趋显著［4-5］，深入了解设施土壤的质量变化显得至关重要。至2008年末，南京市设施蔬菜总面积达1.067×104hm2，占全市蔬菜播种面积的11%左右，其中高档钢架大棚、高架防虫网、连栋温室等比例显著提高［6］。因此，本文以南京近郊的蔬菜土壤为研究对象，测定其常见理化和生物学性状指标，并采用主成分分析法进行土壤质量评价，以期为提出针对性的耕作管理措施和改善设施土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选择南京城郊锁石、谷里、西寇、江心洲和沧波门5个代表性的蔬菜基地为采样地点。5个蔬菜基地均以大、中棚为主，棚龄3～12年，江心洲地区土壤为灰潮土，其他地区土壤类型均为黄棕壤。

2011年1月至3月期间，根据作物种类和种植年限的差异，采用多点混合法在5个蔬菜基地分别采集 0～20 cm大棚土壤样品6、4、4、3和3份，共计20份。同时各基地采集露天菜地土壤1份作为对照。土样采回后拣去肉眼可见的植物残体及石砾，取部分新鲜土样过2.00 mm筛后，4℃保存;其余土样室内风干，分别过2.00 mm、1.00 mm和0.25 mm筛后备用。

1.2 测试项目及方法

土壤pH值(土水比1∶2.5，质量体积比)采用pH计测定;土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量-外加热法测定;土壤全氮含量采用开式法测定;土壤速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定;速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定［7］。硝态氮、铵态氮含量采用2 mol/L KCl浸提［7］，连续流动分析仪(AA3，SEAL，英国)测定。土壤转化酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定［8］，以 1 g土壤反应24 h后产生葡萄糖的毫克数表示;土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定［8］，以1 g土壤反应24 h后产生NH3-N的毫克数表示。

土壤微生物生物量碳(Cmic):采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提取［9］，TOC 自动分析仪(Multi N/C3100，德国耶拿)测定，根据熏蒸和未熏蒸处理土壤提取液中有机碳含量之差，乘以系数2.64，求得Cmic。微生物商(Cmic/Corg)为微生物生物量碳含量与土壤有机碳的比值(%)。土壤微生物功能多样性采用BIOLOGECO微平板测定;微生物碳代谢活性采用微平板每孔颜色平均变化率(AWCD)来描述;土壤微生物代谢多样性采用功能多样性指数(Shannon index)、优势度指数(Simpson index)和均匀度指数(McIntosh index)来评价［10-11］。

1.3 数据分析

采用Excel 2003对试验数据进行处理，用SPSS 15.0软件对试验数据进行描述性统计、相关性分析和主成分分析［12］。

2 结果与分析

2.1 土壤p H值和养分含量的变化

分析供试大棚和露天菜地耕层土壤的理化性状，结果显示，土壤pH值、有机质含量、全氮含量、速效磷含量和速效钾含量的变化范围分别为4.33～7.48、19.4 ～ 50.2 g/kg、0.50 ～ 1.31 g/kg、24.6 ～344.9 mg/kg和124.2～550.5 mg/kg，硝态氮和铵态氮的范围为22.0～555.7 mg/kg和3.7～176.8 mg/kg。土壤养分是土壤养分管理和合理施肥的基础，其变异系数是土壤性质的内在反映，能够区别不同土壤养分对外界条件的敏感性［13］。供试土壤pH值和养分指标的变异系数表现为铵态氮(136.2%)＞硝态氮(73.4%)＞速效磷(55.2%)＞速效钾(43.5%)＞全氮(24.3%)＞有机质(22.3%)＞pH值(17.5%)，土壤速效养分对大棚使用、种植方式、施肥条件等环境因素变化更为敏感。

按照沈汉等提出的菜地土壤养分评价标准［14］，64%供试土壤的pH值处于优良状态(5.5～7.5)，80%供试土壤的有机质含量达中上水平(＞30.0 g/kg)，而64%供试土壤的全氮含量较低(＜1.0 g/kg)，64%土壤的速效磷、96%土壤的速效钾和64%土壤的硝态氮含量处于丰富状态(分别 ＞90 mg/kg、＞150 mg/kg和＞100 mg/kg)，因此应适当降低南京城郊菜地肥料的投入。

比较各蔬菜基地间理化性状的差异(表1)，江心洲地区大棚土壤的pH值高于其他地区，而有机质、全氮及速效养分含量均明显低于其他地区，这可能与江心洲地区的土壤母质异于其他地区有关。谷里和锁石地区大棚土壤的pH值显著低于露天土壤，且低于大多数蔬菜适宜生长的pH 6.0～6.8［15］。与露天土壤相比，5个蔬菜基地设施栽培地土壤 pH值下降0.83个单位，表明设施栽培加速了土壤的酸化过程。土壤酸化可能与土壤环境局部变化及施肥的品种和数量有关［16］，可通过增施有机肥、减少酸性肥料和施用生理碱性肥料等措施调节土壤pH值。

由表1可知，大棚土壤的有机质和养分含量普遍高于露天土壤，在锁石和谷里地区尤为明显。供试菜地积累的速效态氮以硝态氮为主。相对于露天菜地，硝态氮和铵态氮在5个蔬菜基地设施栽培地的耕层土壤中有明显累积，其含量分别是露天菜地的1.6倍和6.0倍，这是由设施大棚内土壤水分蒸发强烈、深层土壤速效氮随水分上移而造成的。此外，蔬菜种植类型也是影响南京城郊土壤养分积累的重要因素，长期种植叶菜类蔬菜土壤(江心洲和沧波门地区)的全氮、速效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量低于茄果类蔬菜土壤(锁石、谷里和西寇地区)。

表1 土壤pH值和养分含量Table 1 p H values and nutrient contents of the soil samples

2.2 土壤酶活性、微生物生物量和群落功能多样性的变化

土壤酶活性能反映土壤营养物质的循环转化以及各种农业措施的作用效果，是评价土壤肥力的重要指标之一［17］。结果(表2)显示，谷里和江心洲地区大棚土壤转化酶活性显著高于露天土壤，其他地区大棚和露天土壤之间转化酶活性无显著性差异;谷里和沧波门地区大棚土壤脲酶活性显著高于露天土壤，其他地区两者无显著差异;西寇地区大棚及露天土壤转化酶和脲酶活性均高于其他地区。土壤脲酶活性的增加可能与大量和长期施用化肥氮有关。李粉茹等［18］认为土壤脲酶活性对菜地年龄和菜地类型的反应最敏感。

5个蔬菜基地设施土壤微生物生物量碳含量(Cmic)和微生物商(Cmic/Corg)分别比露天菜地低33.3%和51.6%，其中锁石和西寇地区大棚土壤的Cmic含量和Cmic/Corg值均显著低于同地区露天种植土壤(表2)。微生物商是反映生态系统变化及应变状况的可靠的微生物参数，处于平衡状态的土壤-植物系统中Cmic应为稳定值，在农业土壤中微生物商约为2.0% ～4.0%［19］。而本研究供试蔬菜土壤的微生物商普遍低于2.0%。较低的Cmic/Corg值可能意味着碳源的“平均可利用性”较低，即大部分碳源不易为微生物所利用，微生物的代谢活性也较低［20］。

微平板每孔颜色平均变化率(AWCD)可以表征微生物利用不同碳源的整体能力，由表2结果可知，培养96 h的AWCD趋于稳定，沧波门和谷里地区大棚土壤AWCD显著高于露天土壤，而江心洲地区则显著低于露天土壤。以96 h的AWCD数据进行微生物代谢多样性分析，除沧波门地区外，其他地区设施大棚土壤的微生物物种丰富度、优势度和均一度均低于同地区露天土壤。整体而言，与露天土壤相比，大棚土壤微生物物种丰富度和优势度下降，设施栽培条件下土壤优势微生物物种多样性降低。

表2 土壤的酶活性、微生物生物量和群落功能多样性Table 2 The enzyme activities，microbial biomass and community functional diversities of the soil samples

2.3 土壤理化性状指标之间的相关性

对25个供试土壤样品的性状进行相关性分析，表3列出了棚龄、土壤pH值、有机质含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、硝态氮含量、铵态氮含量、转化酶活性、脲酶活性、微生物生物量碳、微生物商、AWCD值、功能多样性指数、优势度指数和均匀度指数等16个指标之间的相互关系。可以看出，棚龄与土壤有机质、速效磷和速效钾含量呈显著正相关，大棚种植年限的增加有利于土壤养分的积累。土壤pH值与转化酶活性和微生物商呈显著正相关，与速效磷和铵态氮含量呈极显著负相关，可见大棚土壤pH值下降会降低土壤微生物代谢活性、提高磷的迁移率和铵态氮的稳定性。土壤速效钾含量与有机质和全氮含量呈极显著正相关，有机质含量的增加可以提高土壤胶黏吸附的钾离子数量，从而增加土壤速效钾含量。硝态氮、铵态氮与功能多样性指数呈负相关，土壤中过高的速效氮含量会影响微生物的多样性。表明AWCD值和均匀度指数与土壤有机质和速效钾含量呈显著正相关，表明供试土壤有机质含量的高低直接影响土壤微生物对碳源的利用和物种均一度。

表3 土壤理化性状指标的相关性Table 3 Correlations between physical and chemical properties parameters of soil

2.4 土壤质量评价

主成分分析法是土壤质量定量评价中应用最为广泛的数理统计方法［21］，可在复杂的土壤健康指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标，且能反映出原来全部指标所提供的大部分信息，因此本文采用主成分分析来综合评价供试蔬菜土壤的土壤质量。选取棚龄、土壤pH值、养分含量、转化酶活性、微生物生物量碳和土壤微生物多样性等15个因子作为主成分分析的评价指标。对原始数据进行标准化处理，求出矩阵的特征值和特征向量，计算特征值的贡献率和累积贡献率(表4)。根据累积贡献率≥85%的原则提取前5个主成分，5个主成分对于总方差的贡献率分别是28.88%、25.77%、14.74%、10.57%和6.25%，累积贡献率达到86.20%，即前5个主成分能把土壤全部指标提供信息的86.20%反映出来。因此，利用主成分分析供试土壤健康质量是可靠的。

土壤有机碳和全氮含量与土壤肥力水平密切相关;AWCD值、微生物优势度和均匀度反映了土壤微生物多样性特征;微生物商和功能多样性指数反映了土壤微生物代谢活性和多样性;pH值、棚龄等则反映了土壤目前所处的环境和速效养分状况。在第1主成分上，土壤有机质、全氮、速效钾、AWCD值、微生物优势度指数和均匀度指数有较大的正值，在第2主成分上，pH、微生物商和功能多样性指数有较大的正值，棚龄、速效磷、硝态氮、铵态氮有较大的负值(表4)。

表4 主成分分析结果Table 4 Results of principal component analysis

根据主成分计算公式Fk=ak1ZX1+ak2ZX2+……+akpZXp，其中:Fk为第k个主成分值，ak1、ak2……akp为系数矩阵，ZX1、ZX2……ZXp为原始变量经过标准化处理的值，可得到5个主成分与原15项指标的线性组合如下:F1=0.17ZX1+0.05ZX2+0.41ZX3+0.38ZX4+0.08ZX5+0.37ZX6+0.03ZX7+0.15ZX8+0.17ZX9+0.27ZX10+0.14ZX11+0.38ZX12－0.03ZX13+0.30ZX14+0.37ZX15，F2= － 0.23ZX1+0.38ZX2－0.12ZX3－0.12ZX4－0.34ZX5－0.21ZX6－0.30ZX7－0.33ZX8+0.07ZX9+0.22ZX10+0.32ZX11+0.13ZX12+0.37ZX13+ 0.31ZX14+0.09ZX15，F3=0.09ZX1+0.16ZX2+0.10ZX3+0.30ZX4+0.01ZX5－0.15ZX6+0.25ZX7－0.08ZX8+0.32ZX9+0.40ZX10+0.40ZX11－0.34ZX12－0.14ZX13－ 0.25ZX14－0.39ZX15，F4=0.07ZX1－0.29ZX2+0.23ZX3+0.07ZX4+0.50ZX5－0.12ZX6－0.13ZX7－0.26ZX8－0.56ZX9+0.23ZX10+0.18ZX11－0.06ZX12+0.33ZX13－0.01ZX14－0.06ZX15，F5= －0.62ZX1－0.42ZX2－0.13ZX3+0.06ZX4+0.08ZX5－0.25ZX6+0.15ZX7+0.47ZX8+0.09ZX9+0.11ZX10+0.22ZX11+0.05ZX12+0.04ZX13+0.19ZX14+0.04ZX15，

将标准化数据代入到以上公式，可得到25个土壤样品分别在5个主成分上的得分。再根据F=ΣbjFj=b1F1+b2F2+…+bkFk，其中:F为综合主成分值，F1、F2……FK为每个主成分值，b1、b2……bk为相应的贡献率，得 F=0.288 8F1+0.257 7F2+0.147 4F3+0.105 7F4+0.602 5F5，从而求得综合得分F(表5)。由结果可知，相比较而言，锁石地区供试土壤间健康质量相差较大，而谷里和沧波门地区，同地区土壤健康质量差异不明显，可见大棚蔬菜种类和种植方式的差异直接影响土壤质量的变化，增加种植蔬菜的种类和减少连作可防止或减缓大棚土壤质量的退化。5个蔬菜基地中，西寇地区土壤健康质量较好，适宜蔬菜生长;谷里和江心洲地区土壤综合得分普遍较低，结合土样分析结果可知，这2个地区的微生物生物量、代谢活性和微生物多样性均较低，另外，谷里地区酸化明显、速效养分含量较高，而江心洲地区土壤肥力水平较低，因此应根据土壤性质的变化，有针对性地采取改善设施土壤质量的措施。

表5 主成分综合得分和供试土壤质量排名Table 5 Overall scores of principal components and ranking of soil quality

3 结论

(1)土壤酸化、速效养分积累、微生物多样性降低是南京城郊设施菜地土壤的重要特征:与露天土壤相比，设施土壤的pH值下降0.83个单位，硝态氮和铵态氮含量分别提高63%和5.0倍，64%和96%土壤的速效磷和速效钾含量处于非常丰富的状态;设施土壤微生物物种丰富度和优势度下降，设施栽培使土壤优势微生物物种多样性降低。

(2)棚龄与土壤有机质和速效磷钾含量呈显著正相关，表明设施年限的增加有利于土壤肥力的积累。土壤pH值与土壤转化酶活性和微生物商呈显著正相关，与速效磷和铵态氮含量呈极显著负相关，设施土壤pH值下降会导致土壤微生物代谢活性的降低和磷素迁移率的增加。硝态氮、铵态氮与功能多样性指数呈负相关，土壤中过高的速效氮含量会影响微生物的多样性。

(3)主成分分析法可用于南京城郊蔬菜土壤质量的综合评价，前5个主成分能反映15个土壤指标信息的86.20%。西寇地区土壤质量较好，适宜蔬菜生长;谷里和江心洲地区土壤综合得分较低，结合土壤指标可知，这2个地区的微生物生物量、代谢活性和多样性较低，另外，谷里地区酸化明显、速效养分含量较高，而江心洲地区土壤肥力水平较低，因此应根据各地区土壤性质的差异，有针对性地采取防止土壤酸化，降低氮、磷、钾肥投入，减少氮损失等措施以改善设施土壤质量。

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