长期施肥对设施蔬菜土壤理化及生物学性状的影响研究进展

曾子凡, 马 艳, 罗 佳, 郭德杰

(1.江苏大学环境与安全工程学院,江苏镇江 212013; 2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏南京 210014;3.国家农业环境六合观测实验站,江苏南京 210014)

设施农业是一种生产者通过使用相应的设施工程技术和生产手段,在生产环境能够在一定程度上被控制的前提下,以高效生产为目的的进行动物养殖和植物种植的现代农业生产方式。因其在相对可控环境下进行农作物生产的特质,使其能够全部或者部分性地摆脱自然资源的束缚,进而达到提高劳动生产率、资源利用率以及增加社会经济效益的目的[1]。由于我国耕地资源短缺,近年来,设施农业在蔬菜种植业发展中占据着越来越重要的地位,设施蔬菜种植面积占全国设施总面积的41.3%,占全国蔬菜种植面积的80%[2],发展设施蔬菜种植是农村经济和社会发展的重要推动力[3],对于蔬菜的周年供应和农民增收、农业增效具有重要贡献[4]。

设施农业的封闭性能形成独特的、可控的生长环境,通过对设施内微环境的合理调控可促进蔬菜的生长[5]。但研究发现,设施蔬菜土壤理化性状、酶活性、微生物群落和微生物数量都存在着显著的连作作用[6],同时,由于设施蔬菜复种率的持续上升,加上品种单一,造成了轮作倒茬的困难[7],连作还使蔬菜病虫害逐年增加。同时,设施蔬菜的施用也存在着氮(N)、磷(P)、钾(K)肥不足的问题,尤其是在追肥、提苗时,施用N、P、K比例严重失衡,会导致作物产量、质量、化肥利用率、效益降低及设施生产中肥效发挥、农田环境污染加剧等问题[8-9]。因此,施肥对设施蔬菜的生产起到关键的作用。

1 长期施用化肥对设施蔬菜土壤理化及生物学性状的影响

与露地土壤不同的是,为保持高频种植下作物养分供应,设施土壤施肥量往往较大,而处于高蒸发、高温、高湿、无雨水淋溶的环境下[10-11],长期连续施用高量的化肥设施辣椒土壤易出现板结、次生盐渍化和酸化等连作障碍,具有更高的土壤退化风险[12],这些土壤品质的下降和生态环境的恶化,将会对蔬菜的生长产生更大的影响,不但会造成产量的下降,而且还会对粮食和人体的健康造成危害[13],亟待解决。

1.1 长期单施化肥对设施蔬菜土壤物理性状的影响

土壤物理性质影响着植物根系和土壤生物活动,对作物生长起到重要作用。在实际生产中,随着种植年限的增加,土壤一般呈现容重上升、孔隙度下降的变化趋势[14-15],此外,施肥、灌溉等农艺手段对土壤容重、孔隙度均有影响[16-17]。有研究表明,连续2年单施化肥使设施蔬菜土壤容重显著提升,而孔隙度暂无变化[18];连续10年单施化肥与对照(不施肥)的孔隙度和土壤容重相当,使土体变紧实,物理性质趋劣[19]。在高集约化、高复种指数的设施环境下,随着种植年限的延长,设施菜地表层(0～20 cm)土壤容重普遍高于正常值,总孔隙度下降及田间最大持水量普遍低于正常值,土壤出现板结化现象,土壤供肥能力、透气性、水分运输能力降低[20]。

1.2 长期单施化肥对设施蔬菜土壤化学性状的影响

1.2.1 长期单施化肥对设施蔬菜土壤盐含量与电导率的影响 设施蔬菜土壤次生盐渍化的发生比例显著高于露地蔬菜土壤。随着在大棚种植设施蔬菜年限的延长,土壤中所含盐分显著累积[21],表层盐分含量、电导率呈上升趋势,在1～3年连作大棚中土壤盐分可增加1～2倍甚至2.5倍[22],连续种植5～6年时,设施土壤盐分及其中主要盐离子含量达到最大值,通过调整农艺手段、改进管理措施后有所降低,但仍显著高于露地蔬菜土壤[23]。这是由于自然状态下土壤水分由表层渗流至深层土壤,而由于设施土壤被季节性或长年覆盖,棚内温度较高、蒸发量大,使得深层水分不断通过毛细作用上移,当水分运动方向受到改变,总是由下向上移动时,水体中被溶解的盐分也随着水分的迁移,从而到土壤表层,进而大量聚积[24]。同时由于设施蔬菜复种指数高,产出量大,往往施肥量大且施用次数多,在我国南北方许多蔬菜主产区,氮磷化肥的大量施用是导致设施蔬菜土壤盐分增加而产生次生盐渍化的主要原因[25-26],特别是氮肥,在设施蔬菜中,施用过多会导致土壤中硝态氮的积累,从而加重土壤的二次盐渍化[27],结果造成土壤理化性质恶化,对设施作物的产量与质量产生一定的影响。

1.2.2 长期单施化肥对设施蔬菜土壤酸度的影响 在我国土地资源密集的环境中,土壤酸化一直是一个重要的问题。土壤酸化是土壤复合物吸收一定浓度的酸性离子并使其淋失的一种过程[28]。随着全球工业化进程的加快带来的酸沉淀和高强度的农业土地使用,使大量的外来H+进入土壤,加剧了酸化进程,给生态和农林生产带来了极大的威胁。

氮肥对土壤酸化作用在长期定位试验中得到更为量化的理解[34]。施用氮肥30年后,土壤表层(0～15 cm)pH值随施氮时间的延长而降低,与施氮量呈显著正相关。第10年土壤pH值降低到5.0以下,同时产量的下降与土壤pH值的变化幅度有直接关系[35]。酸化现象在设施条件下也更为突出。在陕西,连作设施蔬菜土壤耕层平均pH值对比相邻对照菜田降低了5.7%[36];在云南、江西等地的调查中,连作13年设施大棚耕层土的pH值下降了0.72[37];连续种植蔬菜15年后设施黄潮土由碱性变为中性,土壤pH值平均每年下降0.05～0.06,连作5、10、23年的塑料大棚黑姜土菜地pH值分别下降了0.46、0.95、1.26,约每年下降0.08,由中性变为酸性[38]。

有研究发现,施入硫酸铵和尿素对耕地土壤硝化作用促进明显,使土壤显著酸化[39]。添加硫酸铵、尿素和碳酸氢铵培养35 d,对本身酸度较高(pH值为4.46和4.82)的土壤硝化作用无直接影响,而显著促进了中性偏酸(pH值为6.27)土壤的硝化作用,土壤酸化明显[40]。故氮肥的不合理施用带来的酸化问题不容小觑,尤其对于设施蔬菜土壤而言,合理的施肥手段具有重要意义。

1.2.3 长期单施化肥对设施蔬菜土壤养分含量的影响 化肥作为速效肥,施入土壤后养分释放速度快,合理施用下不易在土壤中累积,但由于不同农地特征、不同作物以及农户施肥习惯等因素,单施化肥往往存在施用过量现象[41]。我国化肥施用存在氮肥、磷肥过量较严重,钾肥施用不足的普遍现象[42],使施肥成本增高,肥害增多;同时由于元素间存在拮抗作用,土壤氮磷含量过多则会降低钙、镁、硼、锌等中微量元素养分的有效性[43],故连作时蔬菜易出现脐腐病(缺钙)、缺镁症(缺镁)、茎裂病(缺硼)等缺素病害[44]。

1.3 长期单施化肥对设施蔬菜土壤生物学性状的影响

土壤生物学性状的观测通常指微生物性状和土壤酶活性2个方面。土壤微生物是土壤生态系统中非常活跃的一种生物,包括细菌、真菌、放线菌等,它们是土壤的主要组成成分,同时也是土壤物质的转化和能量的循环,可反映出土壤中物质代谢的旺盛程度[45]。施肥为作物生长提供养分的同时影响着土壤微生物活动。已有研究表明,古菌、细菌和真菌的β多样性以及土壤功能主要受氮肥驱动,连续28～50年施氮降低了土壤中古菌丰度,增加了细菌和真菌丰度[46],同时增加了古菌和真菌的多样性而减少了细菌的多样性[47]。但也有研究表明,随着土壤中氮素积累量的增多,土壤酸碱度等指标变化使土壤中细菌、放线菌不仅数量减少并且所占比例降低,是致使蔬菜发病率升高的重要因素[48]。而长期投入氮素通过增加细菌丰度来加速土壤微生物潜在的硝化活性,刺激硝化活动,从而形成恶性循环,使整个农业系统更加依赖外部氮输入[49]。在设施条件下连续施肥3年,设施菜地微生物Shannon-Wiener多样性指数、Margalef物种丰富度指数以化肥处理最低,而Simpson’s多样性指数、Evenness均匀度指数和细菌丰度相对不施肥土壤均变化不大[50]。不同施肥方式对温室内的土壤微生物分布均造成了影响,尤其是在单施化肥的情况下,真菌、放线菌等有害菌的增多,使土壤连作障碍的可能性更大[51]。

土壤微生物活动的主要来源主要通过微生物活动分泌、植物根系分泌及植物残体、植物区系的降解等,它对土壤养分的转化、养分的固定、矿化等具有重要的影响[52]。脲酶可促使含氮化合物水解,生成植物生长所需的氮素;过氧化氢酶能将其分解为氧和水,从而降低了活性氧对植物的毒性;蔗糖酶和磷酸酶分别为土壤提供植物易吸收的小分子糖类(如葡萄糖和果糖)和有效磷;蛋白酶可促使蛋白质分解成氨基酸,从而为植株提供N,以上几种土壤酶活性受到广泛关注。38年以上的长期施肥能够显著改善土壤中的有机质和微生物数量,改善其理化性质,并能促进微生物的生长与繁殖,提高了土壤葡萄糖水解酶和乙酰水解酶的活性[53],同时显著提升了蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性、脲酶活性、土壤纤维素酶活性,但相较配施有机肥或秸秆,其提升效果最低[54]。在设施环境下,随连作年限增加,土壤中的酶如脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性呈显著降低趋势[55],其中脲酶、蔗糖酶、蛋白酶的活性呈倒“U”形变化趋势,脲酶、蔗糖酶的活性在连作3年后达到峰值,蛋白酶在连作5年的土壤中活性最高,过氧化氢酶、磷酸酶的活性随连作年限的增加而逐年下降[56]。

综上,短期内单施化肥对设施土壤微生物多样性、丰度及酶活性有一定提升,但长期施用下设施土壤有害微生物随施用年限延长占比变高,设施蔬菜连作病害发生风险增大,同时土壤酶活性也随种植年限的增加有下降趋势。

2 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤理化及生物学性状的影响

长期施用化肥为设施蔬菜土壤带来了许多问题,为保障设施作物生产,必须探究出更为合理的施肥手段。在提倡发展绿色农业和食品安全的今天,作为一种具有营养全面、肥效长、来源广泛、可就地取材等优点的肥料,有机肥又一次受到了人们的关注。而有机肥受肥源、茬口、田间耕作管理的影响,分解速度较慢,难以在短期内满足作物的营养需要,单一施用或施用量不足时会影响蔬菜的自然品质。在作物增产方面,施用氮、钾肥仍为提高设施蔬菜产量的关键措施,而有研究表明连续10年种植后,施用有机肥与化学氮肥对设施蔬菜的增产效应相当[57],配施达到最高提升效果[58],故化肥减量与有机肥结合施用即有机肥替代化肥技术[59]成为目前设施生产中主流施肥手段。有研究显示,采用化肥与有机肥复合施肥方式的农户达68.67%[60],有机肥替代技术在实际生产应用中也受到广泛认可。

2.1 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤物理性状的影响

有机肥替代化肥施用,可以使土壤的容重、孔隙度和各项水力学性能得到明显的改善,从而使土壤的结构和水力学性能得到改善[61]。连续施用22年后有机肥显著增加了土壤有机碳和土壤孔隙度,各施肥处理中,有机肥配施化肥处理的水稳性团聚体粒径最大[45]。在安徽淮北32年的定位试验中同样表明,单施有机肥和有机肥化肥配施均显著降低了表层土壤容重,但配施的效果最明显[62]。而设施环境下有别于露地土壤,有机肥替代施用显著降低了设施蔬菜土壤容重,改善了土壤结构,总孔隙度为50%～60%,通气孔隙度为10%～20%,均有利于土壤微生物活动和作物生长[63],但随肥料用量的增大,土壤的含水率和容重呈现先增大后减小的趋势,而总孔隙度则呈现出先减小后增大的趋势[64],而长期施用下,随着大棚种植年限的增加,土壤容重每年以0.007 g/cm3的速度递减,呈极显著降低的变化趋势,同时孔隙度约以每年0.256%的速度增加[65]。综上,有机肥替代施用显著优化了土壤的物理性状,改善了土壤结构,长期施用下土壤容重、孔隙度等指标虽有劣化趋势,但相对不施肥及单施化肥,土壤质量劣化有较大缓和。

2.2 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤化学性状的影响

2.2.1 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤酸化、盐渍化的影响 已有大量研究表明,有机肥替代相比单施化肥显著提高了设施土壤酸碱度,减缓了酸化现象[66-69],而连续施用鸡粪有机肥5年后设施栽培土壤由于硝态氮和速效磷的累积,其pH值也呈下降趋势[70],说明有机肥替代仅能减缓酸化速度,长期施用下设施土壤仍有酸化风险。有机肥替代对设施蔬菜土壤电导率的影响与替代比例和有机肥种类均有关,但目前结论不统一。有研究表明,施用化肥显著提升了设施土壤EC值,而畜禽肥与无机肥组合施用进一步显著提高了土壤EC值[67,71];也有研究表明,有机肥施用降低了设施蔬菜土壤EC值[72-73]。但长期施用条件下,随着设施蔬菜种植年限的延长,土壤中的盐离子交换量逐渐增多,而阳离子交换能力的增强则使得该设施蔬菜的盐基饱和度维持在一定的水平[74],长期连作后土壤电导率显著高于短期连作土壤[75]。

2.2.2 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤养分含量的影响 有机肥替代化肥施用,使得设施土壤有机质和全氮含量显著增加,速效养分含量随替代比例的增加先增加后减少,土壤中碱解氮、有效磷和速效钾含量显著增加[76-78]。同时,土壤中的氮、磷、钾养分含量不断增加,促进了交换性钙、镁、硫的解吸,故有机肥替代技术也能提升设施土壤中其他养分元素含量[79]。而在长期施用有机肥条件下,随着设施蔬菜生长年限的延长,土壤中的硝态N、速效P、速效K等营养物质的含量逐渐增多,营养物质的富集程度显著提高,积累强度也随之提高[80],土壤中过高的养分积累使设施土壤中盐分含量逐年增加[81]。

2.2.3 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤重金属累积的影响 化肥和有机肥的施用均会导致土壤中的重金属浓度逐步升高,并具有重金属污染的危险,而有机肥与化肥配施则使得土壤中的重金属浓度升高幅度更大[82]。不同比例有机肥替代化肥不同程度提高了土壤有效态铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)含量[83-84],其中土壤有效态Cu、锌(Zn)含量随有机肥替代施用量的增加而增加,有效态铅(Pb)含量随替代量的增加而降低[85],而土壤中全量重金属均随有机肥用量的增加表现为递增趋势[86],同时有机肥替代化肥施用显著提高了玉米籽粒中的Zn含量[87]。故有机肥替代化肥施用下,土壤及作物具有更高的重金属污染风险。

2.3 有机肥替代化肥施用对设施蔬菜土壤生物学性状的影响

通过28年的施肥和有机肥-无机肥的配施,可以使土壤中的细菌数量、多样性和丰富程度得到明显的改善,但配施对微生物群落构成的影响更为明显,使放线菌门的相对丰度明显下降,拟杆菌门的相对丰度增大,对土壤生态系统的稳定与健康更为有利[88]。设施环境下,有机肥替代施用对设施蔬菜根际土壤的微生物种群数量和土壤酶活性具有显著的影响:短期施入,植物根际土壤细菌、放线菌及微生物的总数均有明显的提高,而真菌的数量则有所下降[89];脲酶、过氧化氢酶活性均显著提高[90],故相较于单施化肥在一定程度上改善了设施土壤微生物区系,并提高了土壤微生物代谢活性。连续有机肥替代施用10年后,设施土壤细菌、真菌和古菌丰度的变化与单独施用肥料基本一致,增加了古真菌的广古菌和深古菌的相对丰度,使其相对丰度下降,使设施土壤微生物区系向更健康的方向发展。连续有机肥替代同时促进了土壤胞外酶的分泌,土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性较单施化肥模式均增加[91]。故在设施环境下,长期有机肥替代施用相较单施化肥,土壤微生物性状及酶活性均得到较大改善,通过调节土壤微生物区系和提高土壤微生物代谢活性等方面,进而提升土壤质量。

3 总结与展望

长期施用化肥使设施土壤易发生土壤板结、物理质量下降,同时造成更高的土壤酸化盐渍化风险,且随着种植年限增加,土壤微生物区系变化,易使蔬菜发生病害,同时土壤酶活也随种植年限延长而下降。而随着有机肥替代化肥技术的广泛应用,单施化肥对土壤带来的问题得到一定程度的解决,有机肥替代施用显著优化了设施土壤的物理性状,并在提升土壤养分的同时显著减缓了土壤酸化、盐渍化现象,有机肥替代施用显著提高了微生物群落的物种丰富度和有益微生物占比以及土壤酶活性,增强了土壤微生态系统的稳定性。

目前露地环境下长期定位试验开展较多,时限多集中在10年以上,不同施肥处理对土壤各方面的综合影响有一定评判依据,而设施环境下有机肥替代试验研究周期多为1～2茬,长期定位试验开展较少,时限大多集中在1～5年,对土壤各方面性状影响的所得结论仍存在一定局限性。因此,长期有机肥替代施用对于设施蔬菜土壤的综合影响还有待进一步研究,以期为设施环境合理施肥提供一定的参考。