王立革，焦晓燕，韩雄，王劲松，董二伟，武爱莲
（山西省农业科学院农业环境与资源研究所，太原030006）
摘要：以高垄覆膜水肥一体化技术（FG+H）为试验处理，膜下沟灌（FP）为对照，通过田间试验研究了高垄覆膜水肥一体化技术对设施土壤理化性状及蔬菜产量的影响。结果表明，定植后26~55 天，FG+H处理明显提高了20 cm处地温；定植后118~154 天，5、10、15、20、25 cm处地温均低于FP。FG+H处理的表层土壤饱和导水率明显提高，是FP 的2.2 倍。FG+H处理可明显降低0~60 cm土壤硬度，而对土壤密度无明显影响。FG+H处理0~20 cm土壤全氮、有效磷、速效钾、有机质含量比FP分别提高18.4%、47.6%、34.9%和20.9%，且明显降低了0~200 cm土壤剖面硝态氮含量。FG+H处理相对FP 有缓解土壤酸化和盐化的趋势。FG+H处理番茄采收期相对FP 推迟约10 天左右，但FG+H处理番茄总产量相对FP 提高了19.9%。本研究结果表明，FG+H处理不仅明显改善了设施土壤理化性状，而且番茄产量也明显提高。
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关键词 ：日光温室；高垄覆膜；水肥一体化；土壤理化性状；蔬菜产量
中图分类号：S153 文献标志码：A 论文编号：2014-0500
0 引言
设施土壤是设施农业赖以发展的物质基础[1]，随着中国设施栽培面积的迅速扩大及栽培年限的增加，设施土壤环境恶化，已成为制约设施农业可持续发展的瓶颈[2]。连作障碍以及灌溉施肥是影响设施土壤环境的2 个因素，轮作倒茬是缓解连作障碍既经济又有效的措施之一，但在实际生产中，受蔬菜市场影响以及经济利益驱动，轮作倒茬难以实施，而传统的灌溉施肥方式不仅造成水肥资源浪费，同时也导致了土壤养分失衡[3]、C/N 比失调[4]、次生盐渍化[5]、酸化[6]等一系列问题，并且肥料种类对设施土壤pH和EC 值也有不同程度的影响[7]。因此，改变灌溉施肥方式可以达到改善设施土壤环境的目的。
水肥一体化是实现水肥同步管理和高效精准的节水农业技术措施，灌溉时间、灌溉量及灌溉定额等技术参数对土壤pH、EC和全盐含量有一定的影响[8]，水肥一体化不仅可降低土壤硝态氮淋洗，提高氮肥利用率[9-10]，而且也能促进土壤团粒结构的形成[11-12]。若水肥一体化与传统开沟种植模式相结合，不仅会引起根系周边土壤随水流向沟底造成根系外露，而且也会降低养分利用率，高垄栽培与水肥一体化技术结合将会避免上述问题的发生。已有研究证明，采用高垄模式种植大豆，不仅可降低土壤密度，提高土壤温度，而且也提高了大豆的产量[13,14]；露地种植马铃薯采用高垄栽培水肥一体化技术，不仅可以增加马铃薯产量，而且也可提高氮素利用率[15]；尤秀娜等[16]在盐碱地种植黄瓜时采用高垄栽培结合水肥一体化技术，不仅改善了黄瓜品质，同时也起到淋洗盐分的效果，使盐碱土EC值降低了52%。
综上所述，高垄栽培水肥一体化技术应用于露地生产，不仅能够增加作物产量、提高氮素利用率，而且也能降低盐碱土EC 含量，而设施土壤因长期处于封闭或半封闭状态，形成了特殊的生态环境，势必导致土壤环境异与露地土壤以及盐碱土。因此，该技术对设施土壤环境及蔬菜产量的影响尚不完全清楚，为此，通过研究高垄覆膜水肥一体化技术对设施土壤理化性状及蔬菜产量的影响，以期完善该技术的研究内容，为设施蔬菜生产提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地位于山西省晋中市榆次区庄子乡南赵村，地处东经112°48′44″，北纬37°38′15″，属温暖半干旱大陆性气候，年平均气温8.4℃，无霜期123 天左右，年平均降水量445 mm。温室土壤类型为石灰性褐土，其基本理化性状见表1。
1.2 试验材料与设计
温室种植年限为3 年，供试蔬菜为番茄，品种为劳斯特，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)是在种植行处建梯形高垄，下垄宽65~70 cm，上垄宽45~50 cm，垄高20 cm，垄上整平（如图1 所示），番茄定植在垄上距边缘5~10 cm 处，每行番茄铺设1 条滴灌管，定植后25~30 天覆盖地膜；以膜下沟灌(FP)为对照，种植行开沟，番茄定植与沟坡中上部，定植后25~30 天将地膜跨垄沟覆盖，膜下沟内灌溉；高垄覆膜滴灌(FG+H)和膜下沟灌(FP)面积均为400 m2。
选择株高20 cm 左右，6~7 片真叶的健壮番茄苗，于2010 年11 月6 日定植，2011 年5 月24 日拉秧。定植前每处理施腐熟优质鸡粪48 t/hm2，有机肥养分含量为全氮(TN)24.69 g/kg，全磷(TP)4.03 g/kg，全钾(TK)9.76g/kg。番茄生育期的养分输入量及灌溉量见表2。
1.3 样品采集及测定方法
番茄定植后，在FG+H和FP 区种植行的2 株中间安装5、10、15、20、25 cm曲管直角地温计1 组（每处理3 次重复），从定植后26 天开始，每天上午8:30—9:00记录地温。
番茄拉秧后，分别在FG+H和FP 处理区用铁锹挖60 cm土壤剖面（3 次重复），每10 cm为单位用硬度计（日本Daiki Rika Kogyo Co. Ltd.生产的Daiki A-1505）测定土壤硬度，避开土壤硬度测量点用环刀取样测定土壤密度；另在各处理区选择3个点位，用Hood IL-2700入渗仪（德国U GT GmbH）测定表层土壤饱和导水率。
每处理区另选3 条种植行，在每行的2 株中间用土钻采集0~200 cm土壤剖面样品，以20 cm为单位将土样分开装袋并标记，带回室内风干后研磨过0.15 和2 mm筛，分析测定0~200 cm土壤NO3--N含量，0~20 cm土壤全氮(TN)、有效磷、速效钾(AK)、有机质(OM)、pH和EC。
NO3--N采用2 mol/L KCl浸提、三通道流动比色仪测定；全氮(TN)采用浓H2SO4消煮全自动凯氏定氮仪测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用1 mol/L NH4Ac 浸提、火焰光度法测定；有机质(OM)采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤pH和EC 值按水土比为5:1 浸提，采用酸度计和电导仪测定。
进入采收期时，分别称量每次各处理区番茄产量并做好记录，按下列式(1)计算累计产量。
式中：Y：累计产量；i：第i 次采收产量；n：采收次数；ai：每次采收产量。
1.4 数据分析
试验数据采用Microsoft Office Excel 2010 和Minitab 15软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 高垄覆膜水肥一体化技术对地温的影响
由图2 可以看出，定植后26~59 天，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)明显提高了20 cm 处地温，而5、10、15、25 cm 处地温与膜下沟灌(FP)相近。随着定植时间的延长，在定植后59~85 和110~115 天，出现了2次明显的降温过程，这主要是受外界气候条件影响所致，在此期间，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)与膜下沟灌(FP)地温相近且变化变化趋势一致。定植后115~118 天，不同层次地温迅速回升，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)与膜下沟灌(FP)地温回升幅度相近。定植后118~154 天，不同层次地温均表现出高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)低于膜下沟灌(FP)，这是受外界气候回升的影响，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)灌溉频率相对增加所致。
2.2 高垄覆膜水肥一体化技术对土壤硬度和密度的影响
土壤硬度是指破碎土壤所受的阻力，硬度越大破土的阻力越大，作物根系生长的阻力越大。0~60 cm土壤硬度测定结果显示（图3），高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)相对膜下沟灌(FP)土壤硬度变化幅度较大，除了30 cm处23.2 kg/cm2与膜下沟灌(FP）24.8 kg/cm2无明显差异外(P＞0.05)，其余层次的土壤硬度明显低于FP(P＜0.05)。
土壤密度是土壤物理性质的重要参数，与土壤质地、土壤结构及有机质含量有关，由图3 可以看出，FG+H处理0~60 cm土壤密度的变化范围1.4~1.6 g/cm3均高于FP 的1.3~1.5 g/cm3，但统计分析差异并未达到显著水平(P＞0.05)。
2.3 高垄覆膜水肥一体化技术对土壤饱和导水率的影响
土壤饱和导水率是指土壤中的孔隙全部被水充满时，单位水势梯度下，单位时间内通过单位面积的水量，是反映土壤饱和渗透性能的物理性质之一。其数值越大，表明土壤的渗透性能越好。由图4 可知，FG+H 处理的表层土壤饱和导水率40 mm/h 显著高于FP处理18 mm/h(P＜0.05)，说明FG+H 处理明显增加了土壤的渗透性能，这与闫映宇等[17]的研究结果相一致。
2.4 高垄覆膜水肥一体化技术对土壤剖面硝态氮分布的影响
由图5可以看出，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)0~200 cm土壤剖面NO3--N含量高峰值出现在100 cm处33.9 mg/kg，膜下沟灌(FP)出现在180 cm处192.7 mg/kg，与定植前（基础土）相比，FG+H和FP 不同层次NO3--N含量均高于定植前，但统计分析显示，FG+H处理与定植前无明显差异(P＞0.05)，FP与定植前差异达到极显著水平(P＜0.01)。
硝态氮淋洗与灌溉方式、灌溉量、氮素施用量以及土壤质地等因素有关。由灌溉量和氮素输入量可知（表2），番茄整个生育期，FP 累计灌溉量3360 t/hm2是FG+H 处理2160 t/hm2 的1.6 倍，FP 氮素累计输入量638 t/hm2是FG+H处理308 t/hm2的2.1 倍，这可能是FP处理0~200 cm 土壤剖面硝态氮含量明显高于FG+H的重要原因。
2.5 高垄覆膜水肥一体化技术对土壤养分及pH、EC的影响
由表3 可知，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)0~20 cm 土壤全氮(TN)、有效磷、速效钾(AK)、有机质(OM)含量，相对膜下沟灌(FP)分别提高18.4%、47.6%、34.9%、20.9%，统计分析显示，差异均未达到显著水平(P＞0.05)；高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)土壤pH高于膜下沟灌(FP)0.04 个单位(P＞0.05)；EC 值相对FP降低了19.1%(P＞0.05)。
2.6 高垄覆膜水肥一体化技术对番茄产量的影响
由图6 可以看出，在定植后136 天时，膜下沟灌(FP)处理番茄进入采收期，相对高垄覆膜水肥一体化处理(FG+H)番茄采收期的146 天提前约10 天左右。在定植后136~161 天，FP 处理番茄产量高于FG+H处理，定植后161 天至拉秧，FG+H 处理番茄产量高于FP。就总产量而言，FG + H 处理番茄总产量190119.1 kg/hm2显著高于膜下沟灌(FP)158577.7 kg/hm2(P＜0.05)，总产量相对提高了19.9%。
3 结论与讨论
土壤温度受农业生产影响较大，如耕作方式、灌溉方式、作物种类、天气以及土壤类型等[18]，当作物种类、气候条件和土壤质地条件一致时，耕作方式和灌溉方式则成为影响土壤温度的重要因素。本研究结果表明，定植后26~59 天，高垄覆膜水肥一体化处理(FG+H)相对膜下沟灌(FP)明显提高了20 cm 处的土壤温度，而这段时期正处于设施蔬菜根系生长阶段，从而有助于培养壮苗，为抵御低温胁迫和提高产量奠定基础；由于高垄覆膜水肥一体化处理(FG+H)每次灌溉量均低于膜下沟灌(FP)，随着外界气温的逐步回升，土壤蒸发量加大，因此，必须增加FG+H处理的灌溉频率才能满足作物的生长，所以，在番茄生长后期（定植后118~154 天），不同层次土壤温度均表现出FG+H处理低于FP。
土壤硬度和密度均会影响作物根系生长，土壤硬度达到1.5 MPa 即15 kg/cm2时（1 MPa 相当于每平方厘米面积上的承受压力为10 kg），能促进甜菜侧根系生长[19]，当土壤强度达2.5 MPa即25 kg/cm2时，根的生长完全被抑制[20]，并且在同一生育期，紧实土壤（密度为1.55 g/cm3）相对疏松土壤(1.25 g/cm3)有利于激发黄瓜根系加粗生长[21]。本研究中FG+H处理0~60 cm 土壤硬度变化范围在18.3~23.2 kg/cm2，FP 在23.5~24.8 kg/cm2，且FG+H处理0~60 cm 土壤密度在1.39~1.6 g/cm3的变化范围略高于FP 的1.31~1.56 g/cm3，因此，FG+H 处理相对FP 是否有利于激发作物根系生长，还需作进一步的相关研究。
影响土壤饱和导水率的因素包括土壤水分特性、质地、土壤结构、土壤中阳离子组成与含量、土温、有机质含量、土地利用方式等[17]，本研究结果显示，FG+H处理的表层土壤饱和导水率显著高于FP对照，其原因需作深一步的研究和探讨。
硝态氮是植物能够直接吸收利用的速效性氮素，不易被土壤胶体所吸附，易随水移动[9]。FG+H处理相对FP 在低灌溉量和低氮素输入量的基础上，降低了0~200 cm土壤剖面硝态氮含量，该研究结果与前人[9,12,15]研究结果相同。虽然高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)的肥料施用量低于膜下沟灌(FP)，但收获后的土壤养分含量较高与膜下沟灌(FP)，因此，在采用高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)时，还需合理施用肥料用量。高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)对0~20 cm 土壤pH和EC 值虽然无明显影响，但相对膜下沟灌(FP)有降低土壤酸化和盐化的风险。
对番茄产量的研究结果显示，高垄覆膜水肥一体化(FG+H)处理的番茄采收期相对FP 推迟约10 天左右，但在定植后161 天至拉秧，FG+H处理的番茄产量始终高于FP，最终，FG+H处理番茄总产量相对FP 提高了19.9%。因此在实际生产中，采用高垄覆膜水肥一体化技术，可适当选择定植时间，以取得更大的经济效益。
本研究结果表明，高垄覆膜水肥一体化技术(FG+H)相对膜下沟灌(FP)明显改善了设施土壤的温度、硬度和入渗性能，降低了硝态氮的淋洗，同时番茄产量明显提高。
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