太谷县巨鑫现代农业示范园区日光温室土壤肥力质量评价

米美霞，陈玉鹏，张海波

（山西农业大学城乡建设学院，山西太谷030801）

日光温室种植可以提供反季节蔬菜，更好地满足人们的日常需求，提高生活质量，所以被大面积推广。然而，该种植模式复种指数高，农业投入（农药、化肥、有机肥、塑料薄膜）增加，环境封闭（温湿度增加、无降雨淋润），容易引起土壤退化，影响蔬菜品质和人类健康[1-4]。日光温室种植引起的土壤质量问题有农药残留、氮素和磷素累积、盐渍化、土壤抗药性增加、重金属和邻苯二甲酸酯类（PAEs）累积等[5-8]。

由于气候条件、土壤性质和管理方式不同，日光温室内土壤性质也表现出区域分异特征。高新昊等[9]研究认为，山东寿光温室土壤容重随着种植年限的增加逐渐减小。杨亚红等[10]以延安子长为研究区对不同种植年限温室土壤理化性质的演变进行了研究，结果表明，温室内土壤容重的变化与植物类型和土层深度有关，在0～60 cm土层，土壤容重整体随土层深度加深逐渐增大，其中，种植葫芦后，10～40 cm土层土壤容重较露地土壤显著降低，种植油桃和番茄0～10cm土层容重降低，但20～60cm土层土壤容重却大幅增加。黄绍文等[8]分区研究了我国温室土壤性质分异特征，结果发现，温室土壤和露地土壤pH值表现出不同的区域变化特征，温室土壤pH值是西北地区的土壤（7.9）显著高于东北和黄淮海地区的土壤（分别为6.9和7.1），露地土壤pH值是黄淮海和西北地区的土壤显著高于东北地区和南方地区的土壤。可见，区域性温室土壤性质研究是建设高效设施农业管理措施、提高土壤质量的关键。

太谷县位于山西省晋中盆地东北部（112°28′～113°01′E，37°12′～37°32′N），农业基础条件好，是山西省的商品粮基地和农业高新技术产业示范区。根据《太原都市区规划（2016—2035年）》，太谷县为山西农谷建设的重要区域。县域内温室土壤性质调查和研究是制定区域土壤生态环境治理措施的基础。现有关于太谷县温室土壤性质的研究主要针对土壤化学性质和微量元素的变化进行[11-13]，缺少土壤物理性质和综合肥力评价方面的研究。

本研究以太谷县巨鑫现代农业示范园区日光温室土壤为对象，露天土壤为对照，分析日光温室种植模式下耕层不同深度土壤物理性质和化学性质的变化特征，分别进行单项肥力质量评价和综合肥力质量评价，确定研究区土壤肥力质量现状，为太谷县设施农业土壤修复提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

太谷县海拔767～900 m，属于典型的温带大陆性气候，全县年平均气温10.4℃，10℃以上有效积温3 675℃，日照时数2 592.2 h，无霜期175～180 d，日最大降水量84.5 mm，年降水量462.9 mm。降水量年内分布不均，主要集中在7—9月，占到全年总降水量的60%以上。

巨鑫现代农业示范园区（下文称“园区”）位于108 国道太谷县北汪村段（112.51°E，37.40°N），占地面积133.3 hm2。园区内53.3 hm2现代农业科技创新园区，是由山西农业大学与山西巨鑫伟业农业科技开发有限公司、金谷投资公司在“十二五”期间合作建设。研究所选日光温室建于2014年，日光温室剖面形状为扇形，长90 m，宽10 m，东西走向布局，其前墙为砖墙，后墙和侧墙为土墙，日光温室内以混凝土柱、钢管及钢桁架为支撑，其外部设有卷帘机。作物的种植方向为东西方向，作物根部皆用地膜覆盖。种植的植物为黄瓜、香瓜、圣女果、番茄和草莓，以轮作为主，使用的化肥以大量元素水溶肥料为主；有机肥以蚯蚓粪、羊粪为主。温室灌溉用水来自于地下井水，灌溉方式为滴灌。土壤各粒径平均百分比分别为黏粒24.4%、粉粒27.3%、砂粒48.3%，为黏壤土（国际制）。

1.2 试验方法

本研究通过野外调查取样和室内分析相结合的方法进行。2018年4月上旬采样。在园区内随机选取3个日光温室（园区内原始编号分别为9、11、19）及其相邻露地为样地，温室内设置9个取样点，横向每隔2 m设置一个取样点，取样点距温室边界3 m；纵向每隔30 m设置一个取样点，取样点距温室边界15 m。露地多点混合取样作为对照。分别在0～20、20～40 cm这2个土层深度取样。用环刀取原状土样，土钻取扰动土样，带回实验室待测。

1.3 测定项目及方法

原状土样带回室内测定容重和饱和导水率，饱和导水率采用定水头法测定。扰动土样带回室内风干、研磨、过筛后，用于测定土壤颗粒组成（马尔文激光粒度仪MS 2000，英国）、酸碱度（Sartorius PB-10 pH计，德国）、电导率（DDS-307A型电导率仪，中国上海）、有机碳（耶拿Multi N/C 2100，德国）、全磷和全氮含量。其中，测定的有机碳含量乘以1.724得到有机质含量；全磷通过高氯酸-硫酸消煮，钼锑抗比色法测定，全氮用凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理

试验数据的统计分析和作图用Microsoft Excel 2007和Origin 2018软件。首先计算温室内各指标9个样点测定值变异系数（变异系数＝（标准差/平均值）×100%），温室内9个采样点土壤黏粒含量、容重、孔隙度的变异系数均小于10%，属于弱变异。0～20、20～40 cm这2个土层土壤饱和导水率变异系数分别为88.8%和93.1%，属于中等变异。这说明除土壤饱和导水率外，取样位置对各物理指标测定值影响较小。进行统计分析时，日光温室内样本数为27（9个采样点×3个温室）个，露地样本数为3个。样本数均小于30个，通过双样本t检验对温室内外、2个土层深度分别进行两两比较，均在95%置信区间内进行。参照全国第二次土壤普查数据及有关标准对各土壤指标进行单项评价，采用改进的内梅罗指数法对土壤肥力质量进行综合评价，土壤综合肥力系数及各属性分肥力系数计算过程参见文献[14-15]。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质分析

温室内外不同土层土壤黏粒含量、容重、孔隙度和饱和导水率见图1。0～20、20～40 cm这2个土层土壤指标t检验结果如表1所示，日光温室和露地土壤指标t检验结果如表2所示。

表1 不同土层土壤性质比较（t检验）

由图1、表1、表2可知，温室内外土壤黏粒含量均为0～20 cm土层＜20～40 cm土层。露地土壤黏粒含量高于温室内。温室内0～20、20～40 cm这2个土层容重平均值分别为（1.34±0.02）、（1.42±0.02）g/cm3，孔隙度分别为 0.50±0.02 和 0.47±0.02；温室外0～20、20～40 cm这2个土层深度容重平均值分别为（1.25±0.02）、（1.36±0.02）g/cm3，孔隙度分别为0.53±0.01和0.49±0.01；温室内、外0～20 cm土层容重显著低于20～40 cm土层，0～20 cm土层孔隙度均显著高于20～40 cm土层。温室土壤容重与露地在统计学上无显著差异。温室内0～20、20～40 cm这2个土层土壤饱和导水率平均值分别为（0.69±0.16）、（0.65±0.13）mm/min，露地 2 个土层土壤饱和导水率平均值分别为（0.90±0.14）、（0.67±0.15）mm/min。土壤饱和导水率在2个土层深度、温室内外均无显著差异。

2.2 土壤化学性质分析

由图2结合表1、表2的t检验结果可知，温室内pH值变化范围为7.88～8.91，平均pH值为8.40，属于碱性土壤；露地土壤平均pH值为8.49，温室内与露地土壤pH无显著差异。

温室内随土层深度增加，土壤电导率减小大约50%（由 916 μS/cm减小至 445 μS/cm）。相对于露天土壤，温室种植区电导率显著增加（表1），0～20cm土层增加了86%，20～40cm土层增加了69%。因此，温室种植区土壤出现次生盐渍化现象，且越接近地表，盐渍化程度越严重；根据土壤盐渍化程度分级，研究区温室内土壤属于中度盐土[8]。温室内有机质、总氮和总磷含量均为0～20 cm土层大于20～40 cm，有机质含量温室内（8.16 g/kg）显著低于温室外（13.4 g/kg），温室内外总磷和总氮含量在统计学上无显著差异。耕层有机肥施用、植物残茬归田是接近表层养分含量较高的原因。

2.3 土壤肥力质量综合评价

土壤质地、容重、pH值、有机质含量、电导率、全氮和全磷含量作为土壤肥力质量综合评价的指标，计算各属性分肥力系数和土壤综合肥力指数（表 3）。

表3 土壤肥力系数

根据土壤综合肥力指数值进行本研究区土壤肥力等级评价。一、二、三、四肥力等级对应的土壤综合肥力指数范围分别为≥2.7、≥1.8＜2.7、≥0.9＜1.8和＜0.9[14]。据此，本研究区土壤肥力等级均属于三等（肥力系数介于0.9～1.8），土壤肥沃程度均处于一般水平。综合肥力系数温室内土壤小于露地土壤，这说明温室内土壤肥力质量已有退化现象。其中，电导率值增加、有机质含量减小是土壤肥力质量退化的主要原因。

进一步引用马晓瑾等[13]2017年的部分测定结果，利用pH、电导率、有机质含量、碱解氮、有效磷和有效钾含量6个指标计算土壤各属性分肥力系数和综合肥力系数，种植年限为 1、2、4、6、8、12、14 a的大棚土壤肥力系数值列于表4。由表4可知，太谷县域内各种植年限大棚土壤肥力等级均属于三等（肥力系数均介于0.9～1.8），温室内土壤肥力质量与种植年限有关。随着种植年限增加，大棚土壤肥力系数呈先减小后增大的趋势。大棚种植年限为4 a时，其土壤综合肥力系数最小（1.30）；种植年限为14 a时，其土壤综合肥力系数最大（1.69）。

表4 太谷县不同年限大棚土壤肥力系数

3 结论与讨论

本研究对山西太谷县巨鑫现代农业示范园区日光温室种植模式下土壤性质进行评估，结果表明，较露地土壤，温室内土壤黏粒含量较高，且温室内0～20 cm土层黏粒含量小于20～40 cm土层。黏粒随灌溉水在土壤剖面上发生迁移，相对于露地，温室内种植频率高，灌溉次数多，所以易引起黏粒向下迁移。20～40 cm土层中露地黏粒更高，说明温室内土壤黏粒迁移深度大于40 cm，可能在40 cm以下某一个土层中出现黏粒的累积。

日光温室内土壤无明显压实现象，土壤容重0～20 cm＜20～40 cm，饱和导水率无明显变化。高新昊等[9]研究表明，随着温室种植年限的延长（1～25 a），容重逐渐降低，寿光市每年土壤容重的降低速率为0.007 g/cm3。周德平等[16]报道，与1 a大棚种植区相比，种植8 a以后土壤容重下降超过20%，1、3、5 a温室种植区土壤容重无显著差异。蔡彦明等[17]的研究则表明，种植10、15 a的蔬菜地耕作层土壤容重分别比5 a高出8.25%和19.59%。可见，影响温室种植区土壤容重的因素较为复杂，除种植年限以外，还可能与研究区土壤质地和田间管理方式（施肥、耕作、蔬菜种类等）有关。本研究区温室种植年限为4 a，与露地土壤相比，土壤容重的差异未达到统计学上显著水平，但温室内土壤容重有增加的趋势。土壤容重增加到一定程度，土壤有明显压实现象（土壤容重大于1.6 g/cm3）则会影响植物根系的穿插，阻碍植物生长。总体上该区目前温室内土壤容重和孔隙度均处于良好的物理状态，适宜于植物生长。土壤饱和导水率是反映土壤入渗性能的重要参数，直接影响作物的生长发育。本研究首次对太谷县温室种植区土壤饱和导水率进行了初步的探讨，土壤饱和导水率无明显规律性，因此，对该区温室种植区土壤饱和导水率在时间和深度上还需进行扩展研究，以得到更为可靠的研究结果。

该研究区土壤为碱性土壤，温室内土壤无明显酸化现象。根据山西土壤分类，晋中地区属于石灰性褐土，pH在8.1～8.4范围[18]，因此，研究区土壤未出现明显酸化现象。程红艳等[11]2007年选取太谷县内35个蔬菜温室中的土壤进行研究，pH值最小值为7.46，最大值为8.25，平均值为7.79。可见，本研究区土壤pH值较高，可能是区域土壤性质空间变异性的表现。马晓瑾等[13]研究认为,种植年限为6 a，土壤pH具有减小的趋势。本研究区种植年限短，而且土壤已发生明显盐渍化，可能是未发生明显酸化的原因。但随着种植年限延长，可能会有酸化现象发生。一般认为，石灰性土壤（pH值为8.0～8.5）若适度酸化，趋于中性或者微酸性，会利于大多数蔬菜生长。过度酸化至酸性或强酸性则会危害蔬菜发育，影响蔬菜品质，应加以适当的人工措施干预。

温室内土壤出现次生盐渍化现象，且越接近地表，盐渍化程度越严重。接近地表土壤盐渍化严重的原因主要体现在以下几个方面，一是施肥过量或偏施氮肥，肥料通过地表进入土壤，表层残留较多。二是温室种植引起环境条件的改变，降雨淋溶减小，温室内温度高，蒸发强，使得盐离子在地表聚集。三是种植多茬植物后，植物根系富集的作用。盐渍化程度严重，将影响植物生长。蔬菜正常生长的土壤电导率极限为600 μS/cm[8]，本研究结果表明，表层（0～20 cm）电导率大于此极限值，将影响后续种植的蔬菜生长。

温室内土壤有机质消耗大，有机质含量低于露地土壤，磷素含量较为丰富，氮素较为匮乏。根据我国第二次土壤普查的养分分级标准，温室内土壤有机质含量等级为五级（6～10 g/kg），温室外土壤有机质含量等级为四级（10～20 g/kg），等级划分与程红艳等[11]的研究结果一致。已有研究表明，与露天菜地相比，设施蔬菜地土壤有机质含量高于露天菜地[19-21]，但略低于大田土壤[22]。本研究区温室种植则造成土壤有机质消耗，一方面由于温室内温度高、分解快，不利于土壤有机质的积累，另一方面可能是前期有机肥施用量不足造成的。温室内外土壤全磷含量等级均为一级（＞1 g/kg），全氮含量等级均为六级（＜0.5 g/kg）。因此，该区磷素丰富，有机质和氮素匮乏。在后期管理中应增施有机肥和氮肥，控制磷肥输入，以满足植物生长需求。

该研究区温室内土壤综合肥力质量发生轻微退化，肥力处于一般水平，存在养分失衡现象。引用马晓瑾等[13]对太谷县域内土壤性质研究结果，计算各属性肥力系数和综合肥力系数。尽管所选指标有差异，但是巨鑫现代农业示范园区内土壤肥力等级与太谷县域内大棚土壤肥力等级一致，均为三等。而且种植年限为4 a的土壤肥力质量发生退化，也进一步验证了本研究结果的可靠性。从种植第6年开始，土壤肥力质量开始恢复。因此，本研究区应提倡合理施肥，改善土壤质量，以保证土壤肥力的可持续性。因土壤性质变化与种植年限有关，所以有必要针对该区进行跟踪调查研究。