太湖流域典型設(shè)施蔬菜地土壤結(jié)構(gòu)特征研究①

史藝杰，王美艷，徐勝祥，史學(xué)正，徐靈穎,2，于全波,2

太湖流域典型設(shè)施蔬菜地土壤結(jié)構(gòu)特征研究①

史藝杰1, 2，王美艷1*，徐勝祥1，史學(xué)正1，徐靈穎1,2，于全波1,2

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

以太湖地區(qū)稻田、露天菜地和設(shè)施菜地為研究對象，采集耕層和犁底層土壤進(jìn)行理化分析，以土壤大孔隙(>50 μm)和水穩(wěn)性團聚體表征土壤結(jié)構(gòu)，通過與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的稻田和露天蔬菜地兩種土地利用方式進(jìn)行對比，研究設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)的變化特征，并分析其影響因子。結(jié)果表明：設(shè)施蔬菜種植顯著增加了土壤大孔隙，并提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性，大孔隙方面主要增加了耕層(0 ~ 15 cm)50 ~ 500 μm和>500 μm團聚體的孔隙度，其孔隙度與稻田土壤相比分別提高了133% 和141%，與露天菜地土壤相比分別提高了120% 和50.4%；土壤團聚體表現(xiàn)為小團聚體減少，大團聚體增加，相比于稻田和露天菜地，耕層水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)提高了72.3% 和26.6%，團聚體破壞率(PAD)降低了46.5% 和37.8%；犁底層MWD分別提高了83.9% 和78.1%，PAD降低了42.9% 和44.8%。相關(guān)分析表明，土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)與有機質(zhì)含量和砂粒粉粒含量顯著相關(guān)。研究區(qū)土壤質(zhì)地為粉砂壤土，質(zhì)地輕，設(shè)施菜種植中有機肥施用量倍增，有機質(zhì)含量顯著提高，有利于增加設(shè)施菜地土壤的大孔隙，增加大團聚體含量，提高團聚體穩(wěn)定性。輕質(zhì)粉砂壤土進(jìn)行設(shè)施蔬菜種植后每茬施用有機肥11.3 t/hm2能改善土壤結(jié)構(gòu)，有效避免集約化種植后土壤板結(jié)現(xiàn)象。

設(shè)施菜地；土壤孔隙；團聚體；土壤有機質(zhì)

20世紀(jì)80年代以來，設(shè)施菜地因高產(chǎn)、高集約化、高經(jīng)濟效益等優(yōu)勢，在我國種植面積迅速擴大，至2017年我國設(shè)施蔬菜栽培面積已達(dá)370萬hm2，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過9 800億元[1-2]。與傳統(tǒng)農(nóng)田相比，設(shè)施蔬菜栽培是一種高溫高濕、無降水、高復(fù)種指數(shù)和高肥料投入的集約化種植方式，易造成設(shè)施蔬菜地土壤板結(jié)退化，導(dǎo)致設(shè)施菜地減產(chǎn)，甚至絕產(chǎn)[3-7]。因此，改良和維持設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)是保證設(shè)施菜地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

目前關(guān)于設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)的研究主要集中于土地利用方式、施肥和耕作管理措施的影響上。設(shè)施菜地轉(zhuǎn)變前的土地利用方式不同導(dǎo)致其土壤結(jié)構(gòu)變化方向不同。研究表明，南京谷里粉砂黏土水田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤孔隙半徑整體變小，土壤結(jié)構(gòu)惡化[5]；山東壽光砂質(zhì)潮土傳統(tǒng)旱地轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤孔隙度以每年0.26% 的速度遞增[8]。施用有機肥可以顯著改善設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)。申思雨等[9]研究表明，河北曲周潮土有機種植(施用雞糞堆肥)和無公害種植(施用有機肥加少量化肥)的設(shè)施菜地0 ~ 10 cm土層 >0.1 mm的孔隙較常規(guī)種植(施用化肥)分別高30.4% 和10.9%。Xu等[10]研究發(fā)現(xiàn)，長期有機肥投入顯著增加了設(shè)施蔬菜地的有機質(zhì)含量，有機質(zhì)含量的增加促進(jìn)了土壤的通氣性，有機質(zhì)含量增加1.00%，大孔隙(>50 μm)增加1.70%。耕作措施也影響設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)的變化。Herencia等[11]在壤土設(shè)施菜地的研究發(fā)現(xiàn)，施肥之前淺鑿耕作比施肥前不耕作更有助于有機質(zhì)和土壤顆粒結(jié)合，促進(jìn)有機質(zhì)改良土壤結(jié)構(gòu)的效果?？梢姡O(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了學(xué)者們的普遍關(guān)注，強烈人為作用下設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)一般表現(xiàn)為板結(jié)退化，但仍有部分研究結(jié)論恰恰相反，是否與土壤本身性質(zhì)和后期的管理措施密切相關(guān)，也還需進(jìn)一步的研究探索。

太湖地區(qū)是我國東部典型稻麥輪作區(qū)，也是長三角地區(qū)重要的蔬菜生產(chǎn)基地，20世紀(jì)90年代以來大面積的水田和露天菜地改為設(shè)施蔬菜種植。本文以太湖地區(qū)長期種植的稻田、露天菜地和設(shè)施菜地為研究對象，采集耕層和犁底層土壤進(jìn)行理化分析，以土壤大孔隙(>50 μm)、水穩(wěn)性團聚體表征土壤結(jié)構(gòu)，將設(shè)施菜地與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的稻田和露天菜地兩種土地利用方式進(jìn)行對比，探究設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)變化特征，分析其影響因子，為設(shè)施菜地土壤資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)太湖瀆區(qū)(31°25￠13.74￠￠N，120°1￠18.00￠￠E)，為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度和降水量分別為15.6 ℃和1 210 mm，約有231 d無霜期[12]。該地區(qū)毗鄰太湖，夜潮性明顯，水稻土為湖白土，菜地土壤為潮土[13]。研究選取的長期設(shè)施菜地、露天菜地、稻田距離小于1 km，各選5個面積約為333 m2的地塊作為重復(fù)。稻田是典型稻麥輪作制，每年6—9月種植水稻，11月至次年6月種植小麥，種植前施用3.38 t/hm2尿素作基肥。菜地作物種類有番茄、黃瓜、白菜、生菜和芹菜等。露天菜地平均每年種植2 ~ 3茬，平均每年施用有機肥(礱糠灰∶雞糞稻殼1∶2)27 t/hm2，復(fù)合肥1.35 t/hm2。設(shè)施菜地從9月到次年7月平均種植4茬，最多能種6茬，7月到9月休耕，每茬施用有機肥(礱糠灰∶雞糞稻殼1∶2)11.3 t/hm2，復(fù)合肥0.53 t/hm2，一般不追肥。

1.2 樣品采集與處理

2017年6月底采集土壤樣品。按耕作深度和土壤緊實程度劃分耕作層(0 ~ 15 cm)和犁底層(15 ~ 30 cm)，各層分別采集100 cm3原狀環(huán)刀土柱(直徑50.46 mm，高50 mm)3個，五點混合取土采集各層土樣2 kg裝入塑封袋內(nèi)帶回，在室內(nèi)風(fēng)干、研磨，分別過10目、60目、100目篩用于土壤理化性質(zhì)分析。同時，在耕層和犁底層分別采集2 kg土壤樣品帶回室內(nèi)，沿土壤自然結(jié)構(gòu)將土樣掰成直徑約1 cm的小塊，去除石礫、根系等雜質(zhì)，在陰涼處風(fēng)干后供后續(xù)水穩(wěn)性團聚體分析。

1.3 測定項目與方法

土壤容重采用環(huán)刀法(100 cm3)測定，總孔隙度根據(jù)容重計算獲得，土壤密度采用平均密度值2.65 g/cm3。土壤顆粒組成采用吸管法測定(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)，質(zhì)地分級采用美國制。土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化法[14]。

土壤大孔隙(>50 μm)孔隙度測定采用Eijkel-kamp Sandbox(08.01) 沙箱法[15-16]。根據(jù)Greenland[17]將土壤大孔隙區(qū)分為兩個主要的類型：①50 ~ 500 μm的傳輸孔隙；②>500 μm的孔隙，即裂隙。當(dāng)量孔徑(，mm)與壓力水頭(，cm)的計算公式為：(mm)=3/。將原狀土壤環(huán)刀置于水中浸泡至飽和(24 h)后稱重，再放入沙箱中，分別設(shè)置沙箱水頭為6 cm和60 cm，飽和含水量與6 cm壓力水頭下的含水量差值即為 >500 μm孔隙度，>50 μm的孔隙度對應(yīng)的是飽和含水量與60 cm水頭下含水量差值。

土壤水穩(wěn)性團聚體測定采用濕篩法[18]。取200 g風(fēng)干土樣，放入孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套篩上層，置于振蕩式機械篩分儀中篩分得到干篩土壤團聚體，按干篩各級團聚體比例配成50 g混合土樣，放置在孔徑依次分別為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套篩最上層，將套篩放入團粒分析儀中，加水沒過套篩最上層團聚體，靜置10 min后，開機將套篩上下振蕩10 min，分離出各級套篩上的水穩(wěn)性團聚體置于鋁盒內(nèi)烘干稱重，得到不同粒徑水穩(wěn)性團聚體含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)。

團聚體平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)計算公式為：

式中：MWD為團聚體平均重量直徑(mm)；X為任意徑級范圍內(nèi)的團聚體平均直徑(mm)；W為對應(yīng)于X的團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

團聚體破壞率(percentage of aggregate destruc-tion, PAD)計算公式為：

式中：PAD為團聚體破壞率(%)，0.25D為 >0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量(%)，0.25W為 >0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單因素ANOVA進(jìn)行方差分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性水平<0.05；相關(guān)分析用雙變量相關(guān)中的Spearman法，顯著性水平<0.05和<0.01；應(yīng)用Excel繪制圖表。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)施菜地土壤有機質(zhì)含量增加，容重降低

表1顯示，研究區(qū)土壤質(zhì)地比較均一，以粉砂為主，為粉砂(壤)土，粉粒含量基本高于80%，比較適宜蔬菜種植。與稻田和露天蔬菜地相比，設(shè)施菜地耕層土壤容重分別降低了12.0% 和8.30%，總孔隙度分別增加了10.8% 和6.90%；但3種利用方式下犁底層容重和孔隙度均無顯著差異。說明設(shè)施蔬菜種植顯著改善了土壤耕層結(jié)構(gòu)。設(shè)施菜地土壤有機質(zhì)積累明顯，耕層有機質(zhì)含量分別比稻田和露天菜地高108% 和78.7%，且犁底層有機質(zhì)含量也分別比稻田和露天菜地高44.7% 和79.8%。這可能得益于該區(qū)設(shè)施蔬菜種植中大量有機肥料的投入。

表1 3種土地利用方式的基本理化性質(zhì)

注：同列小寫字母不同表示同一土層不同土地利用方式間差異顯著(<0.05)，下表同。

2.2 設(shè)施菜地土壤傳輸孔隙明顯增加

研究區(qū)3種土地利用方式的土壤大孔隙度(當(dāng)量孔徑 >50 μm)分布情況如圖2所示。設(shè)施菜地耕層土壤各級孔隙度都有明顯增加，與稻田相比，50 ~ 500 μm和 >500 μm的孔隙度分別增加了133% 和140%；與露天菜地相比，50 ~ 500 μm和 >500 μm的孔隙度分別增加了120% 和50.4%，說明設(shè)施菜地土壤孔隙結(jié)構(gòu)明顯改善。3種利用方式下犁底層各級孔隙均無顯著差異，犁底層土壤孔隙沒有受到土地利用方式改變的影響。

2.3 設(shè)施菜地土壤大團聚體和團聚體穩(wěn)定性明顯增加

土壤團聚體含量分布如圖3所示，在耕層土壤中，相比于稻田和露天菜地，設(shè)施菜地<0.053 mm的小團聚體含量分別減少了49.0% 和41.4%，0.25 ~ 0.5 mm的大團聚體含量分別減少了36.6% 和24.4%，但0.5 ~ 1 mm大團聚體含量分別增加了54.6% 和31.1%，1 ~ 2 mm大團聚體含量分別增加了300% 和117%，即設(shè)施菜地大團聚體含量總體是增加的。0.25 ~ 0.5 mm團聚體含量的減少可能是因為形成了更大的團聚體。在犁底層土壤中也有相似的趨勢，設(shè)施菜地0.053 ~ 0.25 mm小團聚體含量較稻田和露天菜地減少了31.2% 和34.9%，0.5 ~ 1 mm大團聚體含量分別增加了89.7% 和142%。綜上，設(shè)施菜地對小團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)變具有明顯的促進(jìn)作用。

設(shè)施蔬菜種植對土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)和破壞率(PAD)影響顯著(表2)，相比于稻田和露天菜地，設(shè)施菜地耕層土壤中MWD分別提高了72.3% 和26.6%，PAD分別降低了46.5% 和37.8%；犁底層土壤中MWD分別提高了83.9% 和78.1%，PAD分別降低了42.9% 和44.8%。結(jié)果表明，設(shè)施蔬菜種植促進(jìn)土壤形成更穩(wěn)定的團聚體結(jié)構(gòu)。

(圖中小寫字母不同表示同一當(dāng)量孔徑下不同土地利用方式間差異達(dá)P<0.05顯著水平，下圖同)

圖2 3種土地利用方式下耕層(A)和犁底層(B)水穩(wěn)性團聚體含量分布

3 討論

3.1 設(shè)施蔬菜種植土壤結(jié)構(gòu)明顯改善

一般情況下，結(jié)構(gòu)良好的耕地，耕作層的容重大約在1.14 ~ 1.26 g/cm[19]，大孔隙度不低于10%[20]。本研究中設(shè)施蔬菜地耕層容重僅為1.10 g/cm3，大孔隙度高達(dá)19.4%，傳輸孔隙達(dá)14.9%，說明當(dāng)?shù)卦O(shè)施菜地種植后土壤孔隙結(jié)構(gòu)并未發(fā)生退化。另外，耕層土壤結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，設(shè)施菜地具有較高的大團聚體含量，其團粒結(jié)構(gòu)發(fā)育更穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)最好。雖然一些研究也證實了設(shè)施種植后土壤孔隙結(jié)構(gòu)有所改善，例如，河北曲周褐土上長期種植的設(shè)施菜地土壤容重比當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)農(nóng)田顯著降低了16.5%[21]。但是，許多研究認(rèn)為常規(guī)設(shè)施蔬菜種植會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化。例如，孔超等[5]研究江蘇南京粉砂質(zhì)黏壤土水稻田轉(zhuǎn)化為的設(shè)施蔬菜地土壤容重增加了8.80%，總孔隙度減少了20.8%，結(jié)構(gòu)惡化；蔡彥明等[22]和沃飛等[23]研究天津壤土設(shè)施菜地也發(fā)現(xiàn)，長期種植后其土壤容重增大了19.5%，總孔隙度減小了12.4%。萬毅林和高明[7]研究發(fā)現(xiàn)，重慶紫色土設(shè)施菜地1 ~ 0.25、＞3 和＞5 mm 水穩(wěn)性團聚體含量均表現(xiàn)為1 a＞5 a＞10 a，土壤團聚體破壞率也呈逐年增加趨勢，種植1 a的土壤團聚體破壞率為27.8%，5 a和10 a分別高達(dá)49.9% 和58.7%。造成這種差異的原因可能有以下兩方面：一方面，耕作土壤板結(jié)的主要原因來源于有機質(zhì)含量的降低[24]。本研究露天菜地和設(shè)施菜地為保證蔬菜生產(chǎn)施用了大量有機肥，每茬施用有機肥高達(dá)11.3 t/hm2，有效增加了有機質(zhì)含量，進(jìn)而維持了土壤結(jié)構(gòu)。研究表明，雞糞類有機肥施入能提高土壤中的微生物代謝進(jìn)而促進(jìn)團粒結(jié)構(gòu)發(fā)育，改良土壤結(jié)構(gòu)[24]；土壤大團聚體含量及大團聚體穩(wěn)定性隨有機肥施用量增加而增加[25]。其他設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)退化可能是大量施用化肥、有機肥施用量不足造成的。另一方面，通過對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)施種植后土壤結(jié)構(gòu)退化地區(qū)其土壤黏粒含量都在30% 以上，質(zhì)地黏重，黏粒在灌溉和耕作過程中易受擾動而壓實，填充孔隙[26-27]。而本研究中的土壤質(zhì)地為粉砂土和粉砂壤土，黏粒含量在10% 左右，不易在耕作和灌溉后將原有的大孔隙填壓，而且當(dāng)?shù)赝寥栏麑邮杷衫绲讓泳o實，既通氣透水又保水保肥，有利于團粒結(jié)構(gòu)發(fā)育。綜上，該地區(qū)設(shè)施菜地能維持良好的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，可能與大量施用有機肥和粉砂壤土質(zhì)地有關(guān)。

表2 3種土地利用方式下團聚體平均重量直徑和破壞率

3.2 土壤質(zhì)地和有機質(zhì)對維持土壤傳輸孔隙和團聚狀態(tài)起決定作用

表3顯示，土壤有機質(zhì)含量與50 ~ 500 μm傳輸孔隙孔隙度和團聚體水穩(wěn)性均呈極顯著正相關(guān)(< 0.01)，土壤砂粒含量也與傳輸孔隙孔隙度、大團聚體含量和水穩(wěn)性呈極顯著正相關(guān)，另外，土壤粉粒含量與傳輸孔隙孔隙度和大團聚體水穩(wěn)性呈極顯著負(fù)相關(guān)。可見，對土壤孔隙和團聚體性質(zhì)影響最大的主導(dǎo)因素是土壤有機質(zhì)和土壤質(zhì)地。

表3 土壤大孔隙、水穩(wěn)性團聚體與土壤基本性質(zhì)的相關(guān)性

注：表中*、**分別表示在<0.05、<0.01水平顯著相關(guān)。

圖3 大團聚體含量和傳輸孔隙度與砂粒和粉粒含量的線性關(guān)系

依據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，對土壤大團聚體(>0.25 mm)含量、傳輸孔隙(50 ~ 500 μm)度與粉、砂粒含量分別建立線性關(guān)系(圖4)，砂粒含量增加1.00%，大團聚體含量增加5.47%，傳輸孔隙度增加1.59%；粉粒含量增加1.00%，大團聚體含量減少3.40%，傳輸孔隙度減少0.88%。結(jié)果表明，土壤容重、有機質(zhì)和土壤質(zhì)地對維持土壤傳輸孔隙結(jié)構(gòu)和土壤團聚狀態(tài)具有重要作用。

4 結(jié)論

本研究區(qū)輕質(zhì)粉砂壤土進(jìn)行設(shè)施蔬菜種植后，每茬施用有機肥11.3 t/hm2，有效避免了集約化種植后的土壤板結(jié)現(xiàn)象，土壤耕層結(jié)構(gòu)得以改善，土壤大孔隙，尤其是傳輸孔隙(50 ~ 500 μm)顯著增加；并促進(jìn)了小團聚體結(jié)構(gòu)向大團聚體的轉(zhuǎn)化，大團聚體(>0.25 mm)總含量增加，團聚體穩(wěn)定性增強，土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)與有機質(zhì)含量和砂粉粒含量顯著相關(guān)。研究區(qū)土壤質(zhì)地為粉砂壤土，質(zhì)地輕，設(shè)施種植中有機肥施用量倍增，有機質(zhì)含量顯著提高，有利于加強設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)的改善。因此，質(zhì)地輕的土壤更適合設(shè)施蔬菜的種植，有機肥的施用對保持設(shè)施菜地土壤結(jié)構(gòu)非常重要。

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Study on Soil Structure Characteristics of Typical Greenhouse Vegetable Field in Taihu Lake Region

SHI Yijie1, 2, WANG Meiyan1*, XU Shengxiang1, SHI Xuezheng1, XU Lingying1,2, YU Quanbo1,2

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Traditional paddy fields, open vegetable fields and greenhouse vegetable fields in Taihu Lake region were taken as study objects. The topsoil and subsoil were collected and the physical and chemical properties were determined. Soil macropores (>50 μm), soil aggregates were chosen to characterize soil structure. The variation characteristics of soil structure were studied and the impact factors were analyzed.The results showed that greenhouse vegetable planting significantly increased soil macropores and improved the stability of soil aggregates. In terms of macroporosity, the greenhouse vegetable planting increased 50-500 μm and >500 μm porosity of the topsoil (0-15 cm), which was 133% and 141% higher than those of the paddy field, respectively, and increased by 120% and 50.4% compared with open vegetable field. The greenhouse soil showed a decrease in small aggregates and an increase in large aggregates, compared to paddy field and open vegetable field, the mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregates in the topsoil increased by 72.3% and 26.6%, the percentage of aggregate destruction (PAD) decreased by 46.5% and 37.8%, the MWD of the subsoil increased by 83.9% and 78.1%, and the PAD decreased by 42.9% and 44.8%, respectively. Correlation analysis showed that soil structural parameters were significantly correlated with the contents of organic matter, sands and silts. Soil texture of the study area was silty loam, the application of organic fertilizer (11.3 t/hm2) for greenhouse vegetable crop significantly improved soil macropores and increased large aggregates, thus, improved soil structure and effectively avoided soil compaction after intensive planting.

Greenhouse vegetable; Soil macropores; Soil aggregates; Soil organic matter

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.025

史藝杰, 王美艷, 徐勝祥, 等. 太湖流域典型設(shè)施蔬菜地土壤結(jié)構(gòu)特征研究. 土壤, 2020, 52(5): 1050–1056.

國家自然科學(xué)基金項目(41401240，41571209)和中科院南京土壤研究所“一三五”領(lǐng)域前沿項目(ISSASIP1627)資助。

史藝杰(1994—)，女，河北保定人，碩士研究生，主要從事土壤資源演變與高效利用研究。E-mail：yjshi@issas.ac.cn