程曉楠，郭艷杰,2，張麗娟，吉艷芝，李博文,2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 保定，071001；2.華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定，071001）

施肥是設(shè)施西瓜生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，土壤養(yǎng)分對(duì)西瓜的健康生長(zhǎng)與產(chǎn)量提升至關(guān)重要。由于設(shè)施栽培環(huán)境具有溫濕度大、土壤透氣性差等特點(diǎn)，同時(shí)伴隨著高強(qiáng)度的水肥投入［1］，會(huì)加重土壤氮、磷、鉀等元素在土壤中的累積與流失，使養(yǎng)分利用率降低［2］、水土環(huán)境污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大威脅［3-4］，并制約區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

有研究發(fā)現(xiàn)陜西省設(shè)施西瓜生產(chǎn)中氮、磷、鉀肥施用過(guò)量的農(nóng)戶分別高達(dá)79.6%、88.9%和79.6%［5］，化肥氮、磷、鉀當(dāng)季平均盈余量分別是養(yǎng)分平均攜出量的1.2、3.7 和1.0 倍［6］；河北省蔬菜團(tuán)隊(duì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該省設(shè)施西瓜氮、磷、鉀養(yǎng)分投入是西瓜需求量的20、84 和7 倍［7］，高養(yǎng)分投入量的施肥特征非常不合理。設(shè)施西瓜、蔬菜等屬于淺根系作物［8］，過(guò)量的養(yǎng)分難以被吸收利用，只會(huì)隨著時(shí)間的推移而愈發(fā)加重養(yǎng)分在土壤中的累積［9-10］及向深層土壤遷移，從而造成養(yǎng)分浪費(fèi)和污染環(huán)境。有研究表明，東北、華北和西北地區(qū)地下水硝酸鹽超標(biāo)率分別為39.6%、19.3%和14.9%［11］。針對(duì)全國(guó)范圍的設(shè)施菜田研究發(fā)現(xiàn)，化肥養(yǎng)分的減施潛力為34.8%～67.1%［12］。因此，設(shè)施蔬菜田化肥減施是關(guān)鍵，明確設(shè)施菜田的養(yǎng)分投入與累積，對(duì)合理減肥、提質(zhì)增效與改善生態(tài)環(huán)境意義重大。

河北省憑借氣候優(yōu)勢(shì)及良好的地理位置，形成了以保定、衡水、廊坊、石家莊為代表的種植歷史悠久的西瓜優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)。但農(nóng)戶對(duì)設(shè)施西瓜的養(yǎng)分管理比較盲目，沒(méi)有統(tǒng)一的施肥標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，造成土壤養(yǎng)分的高量累積與淋失，易造成環(huán)境污染。因此，需要明確設(shè)施西瓜養(yǎng)分投入量、土壤養(yǎng)分累積與分布，預(yù)估環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，為設(shè)施西瓜施肥的標(biāo)準(zhǔn)建立與綠色安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省地處北緯36°05′～42°40′，東經(jīng)113°27′～119°50′之間，屬于溫帶大陸性氣候，大部分地區(qū)四季分明，年日照時(shí)數(shù)2 030.1 h，年無(wú)霜期81～84 d；平均年降雨量484.5 mm，1 月平均氣溫在3 ℃以下，7 月平均氣溫在18 至27 ℃。選取保定的清苑區(qū)與涿州市、衡水的饒陽(yáng)縣、阜城縣和故城縣、廊坊的固安縣、文安縣與永清縣、石家莊的新樂(lè)市9 個(gè)種植區(qū)，進(jìn)行調(diào)研、采樣。

1.2 調(diào)研設(shè)計(jì)

在2021 年4 月10 日至5 月20 日，對(duì)9 個(gè)區(qū)、縣進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。調(diào)研區(qū)土壤類型為潮土，表層土壤質(zhì)地為砂壤土（清苑區(qū)、涿州市、阜城縣、饒陽(yáng)縣、新樂(lè)市、固安縣）、輕壤土（故城縣、文安縣）、中壤土（永清縣）。調(diào)研主要包括：西瓜種植面積、產(chǎn)量、肥料種類與用量、施肥時(shí)間等。有效問(wèn)卷115份，按照1 縣3 村，每村3 戶的原則進(jìn)行0～200 cm土壤樣品的采集（間隔0～20 cm 一層），共采集81 個(gè)棚室，每個(gè)棚室按照“S”型布置多個(gè)采樣點(diǎn)，同一土層的多點(diǎn)混為1 個(gè)土壤樣品，共810 份土壤樣品。在每個(gè)棚室外面采集農(nóng)田土壤樣品，作為對(duì)照。

1.3 養(yǎng)分投入量核算

化肥養(yǎng)分投入量的計(jì)算根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶具體所施肥料的N、P2O5、K2O 養(yǎng)分含量及投入量進(jìn)行計(jì)算；有機(jī)肥養(yǎng)分投入量則是根據(jù)農(nóng)戶的投入量及《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》中各種肥料的養(yǎng)分含量進(jìn)行計(jì)算［13］。

1.4 土壤樣品測(cè)定方法

將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室充分混勻，一部分土壤放入4 ℃冰箱中保存，用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮，一部分土壤樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干、研磨分別過(guò)1 mm 和0.25 mm 篩用于測(cè)定土壤有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量。

硝態(tài)氮采用1 mol/L KCI 浸提-連續(xù)流動(dòng)分析儀（Skalar SAN++）測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用1 mol/L CH3COONH4浸提-火焰光度法測(cè)定［14］。

1.5 土壤養(yǎng)分豐缺狀況評(píng)價(jià)

結(jié)合河北省菜地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)［15］和沈漢等［16］的菜地土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定本研究的設(shè)施菜地地力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)施菜地地力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria for soil nutrients in facility vegetable plots

1.6 土壤養(yǎng)分表觀盈余量估算

土壤養(yǎng)分表觀盈余（kg/hm2）=各養(yǎng)分總投入（kg/hm2）-作物攜出養(yǎng)分（kg/hm2）［17］。

其中作物養(yǎng)分?jǐn)y出量主要為西瓜收獲時(shí)攜出的養(yǎng)分量。根據(jù)調(diào)研所得各西瓜主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量及西瓜吸收養(yǎng)分的比例（每生產(chǎn)1 000 kg 西瓜需要吸收N∶2.31 kg、P2O5∶0.89 kg、K2O∶3.02 kg，吸收比例為1∶0.39∶1.31［6］）進(jìn)行計(jì)算。

1.7 土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

設(shè)施西瓜田土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析是參考劉辰?。?8］提出的模型公式計(jì)算得到。深層土壤硝態(tài)氮累積量與土壤深度計(jì)算公式：y=1E-05x2+0.236x-35.211 和農(nóng)田硝態(tài)氮累積量計(jì)算公式：y=0.0013x2+0.1864x+55.358，其中x為硝態(tài)氮累積量（kg/hm2），y為土壤深度（cm）。

1.8 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、作圖，采用 SPSS 22.0 進(jìn)行單因素方差分析，選用 LSD（P＜0.05）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施西瓜田施肥量與空間分布特征

各地市的設(shè)施西瓜田施肥量與空間分布見(jiàn)表2，廊坊、保定、石家莊和衡水有機(jī)肥平均用量是對(duì)照農(nóng)田的1.22、1.17、1.02 和1.16 倍；其中保定有機(jī)肥施用量最高，石家莊市最低?；适┯昧亢馑昧孔罡撸寝r(nóng)田的1.12 倍，保定市化肥投入量最低，是農(nóng)田的1.51 倍，廊坊市和石家莊化肥投入量分別是農(nóng)田的1.00 和1.33 倍。可見(jiàn)河北省設(shè)施西瓜主產(chǎn)區(qū)施肥量和投入和空間分布都存在較大差距。

表2 設(shè)施西瓜產(chǎn)區(qū)有機(jī)肥與化肥施用量Table 2 The application amounts of organic and chemical fertilizer in facility watermelon production areas

2.2 設(shè)施西瓜田土壤養(yǎng)分投入量與表觀盈余量

由表3 可以看出，調(diào)研區(qū)平均養(yǎng)分投入比例與作物需求比例（1∶0.39∶1.31［5］）嚴(yán)重失衡。其中氮的養(yǎng)分投入最高，占總養(yǎng)分投入的43.13%～45.70%。全省N、P2O5、K2O 總養(yǎng)分平均投入量分別為768.02、405.10、662.55 kg/hm2，其中有機(jī)肥帶入N、P2O5、K2O 平均投入量占總養(yǎng)分投入的72.91%、54.03% 和55.65%；化 肥N、P2O5、K2O平均投入量分別占總養(yǎng)分投入的27.09%、45.97%和44.35%。河北省養(yǎng)分總投入中，饒陽(yáng)縣N、P2O5和K2O 投入量均最高；新樂(lè)市各養(yǎng)分投入量最低。

表3 河北省西瓜主產(chǎn)區(qū)各養(yǎng)分投入量與表觀盈余量Table 3 Nutrient input and apparent surplus in main watermelon production areas in Hebei Province

由于設(shè)施西瓜田養(yǎng)分投入量高，攜出量少，必然會(huì)造成養(yǎng)分大量盈余。由表3 可知，全省養(yǎng)分表觀盈余量表現(xiàn)為N ＞K2O ＞P2O5，其中N、P2O5、K2O 平均養(yǎng)分盈余量分別為640.01、353.78和495.20 kg/hm2；N、P2O5、K2O 養(yǎng) 分 的 平 均 盈余量分別為攜出量的5.00、7.21 和2.96 倍。其中饒陽(yáng)縣養(yǎng)分盈余量最高，新樂(lè)市盈余量最低，但N、P2O5、K2O 盈余量依然占到投入量的72.02%～85.96%。

2.3 土壤養(yǎng)分豐缺狀況評(píng)價(jià)

參照表1 對(duì)0～60 cm 各土層有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀來(lái)進(jìn)行豐缺狀況評(píng)價(jià)。由圖1（a）可知，0～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)處于豐富、中等和低水平的占比分別為40.74%、48.15%和11.11%；硝態(tài)氮由70.37%處于豐富水平，29.63%處于中等水平，在低和缺乏水平均沒(méi)有出現(xiàn)；土壤有效磷在4 個(gè)等級(jí)中均有分布，分別占比為33.33%、59.26%、7.41%和2.30%，以中等水平居多；土壤速效鉀含量100%達(dá)到豐富水平。

圖1 設(shè)施西瓜0～60 cm 土壤養(yǎng)分豐缺狀況評(píng)價(jià)Fig.1 Evaluation of nutrient abundance and deficiency in 0-60 cm soil layer in facility watermelon fields

圖1（b）為20～40 cm 土壤各養(yǎng)分豐缺狀況，其中土壤有機(jī)質(zhì)主要分布在中等和低水平中，占比分別為33.33%和66.67%；硝態(tài)氮主要分布在豐富、中等和低水平分別為44.44%、51.85% 和3.70%；有效磷主要分布在中等、低和缺乏水平中，占比分別為33.33%、59.26% 和7.41%；土壤速效鉀在豐富水平中占比最多為70.37%，中等和低水平分別為25.93%和3.70%。

40～60 cm 土壤養(yǎng)分豐缺狀況見(jiàn)圖1（c），有機(jī)質(zhì)處于低水平的占比高達(dá)92.59%、中等水平為7.41%；土壤硝態(tài)氮在4 個(gè)等級(jí)水平中均有出現(xiàn)，占比分別為7.41%、37.04%、18.52% 和37.04%；有效磷主要分布在低水平和缺乏水平中，占比為70.37%和29.63%；速效鉀在4 個(gè)等級(jí)中均有分布，占比分別為40.74%、14.81%、25.93%和18.52%。因此，設(shè)施西瓜種植區(qū)的有機(jī)質(zhì)提升是關(guān)鍵，嚴(yán)格控制氮、磷、鉀肥的投入量。

2.4 土壤養(yǎng)分累積分布

由圖2（a）可知，設(shè)施瓜田平均0～60 cm 的硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)為饒陽(yáng)縣＞阜城縣＞固安縣＞永清縣＞涿州市＞清苑區(qū)＞故城縣＞新樂(lè)市＞文安縣＞農(nóng)田，3 個(gè)土層的平均累積量分別是農(nóng)田的1.43、1.73 和1.52 倍。設(shè)施西瓜主產(chǎn)區(qū)硝態(tài)氮累積量隨土層加深而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但大多數(shù)設(shè)施西瓜主產(chǎn)區(qū)3 個(gè)土層之間差異不顯著。

圖2 0～60 cm 土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀累積量Fig.2 Accumulation of nitrate nitrogen, available phosphorus and available potassium in 0-60 cm soil layers

圖2（b）為0～60 cm 土壤有效磷累積量，總體表現(xiàn)為阜城縣＞饒陽(yáng)縣＞故城縣＞固安縣＞清苑區(qū)＞文安縣＞新樂(lè)市＞涿州市＞永清縣＞農(nóng)田；設(shè)施瓜田和農(nóng)田的土壤有效磷均在表層富集，有效磷累積量在110.78～284.54 kg/hm2范圍內(nèi)，是20～40 cm和40～60 cm 有效磷累積量的1.71～3.11 倍。

0～60 cm 土壤速效鉀累積量見(jiàn)圖2（c），0～60 cm 土壤速效鉀的平均累積量表現(xiàn)為阜城縣＞饒陽(yáng)縣＞故城縣＞永清縣＞清苑區(qū)＞固安縣＞文安縣＞新樂(lè)市＞涿州市＞農(nóng)田；設(shè)施瓜田0～20 cm 速效鉀的平均累積量最高，是農(nóng)田土壤的1.59 倍；各層土壤速效鉀累積量分別在758.36～1 142.61 kg/hm2、555.70～874.70 kg/hm2和403.37～740.63 kg/hm2之間。設(shè)施瓜田和農(nóng)田土壤在0～20 cm 土壤速效鉀累積量最高，顯著高于20～40 cm 和40～60 cm 的累積量。

綜上可知，河北省設(shè)施西瓜出產(chǎn)區(qū)土壤硝態(tài)氮累積量比有效磷和速效鉀有較強(qiáng)的移動(dòng)能力。

2.5 土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

2.5.1 0～200 cm 土壤NO3--N 淋失 土壤NO3--N的淋失是造成淺層地下水污染的重要因素，由圖2分析發(fā)現(xiàn)，NO3--N 在設(shè)施瓜田下層土壤的移動(dòng)性較強(qiáng)，0～60 cm 土壤硝態(tài)氮累積量無(wú)顯著差異，因此進(jìn)一步分析了設(shè)施瓜田0～200 cm 土壤NO3--N 含量（見(jiàn)圖3）。0～200 cm 各層硝態(tài)氮平均含量是農(nóng)田的1.26～3.84 倍；各縣均隨土層的加深而逐漸降低，其中永清縣、固安縣、涿州市、饒陽(yáng)縣、故城縣和阜城縣西瓜主產(chǎn)區(qū)硝態(tài)氮含量在0～20 cm 含量較高，均超過(guò)100 mg/kg；清苑區(qū)、阜城縣和永清縣在60～80 cm 硝態(tài)氮含量出現(xiàn)累積峰，為75.30、90.20和59.42 mg/kg，固安縣、永清縣則在120～140 cm出現(xiàn)累積峰，為45.99、42.41 mg/kg，這說(shuō)明河北省設(shè)施西瓜主產(chǎn)區(qū)中硝態(tài)氮有向深層淋失的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 各設(shè)施西瓜主產(chǎn)區(qū)0～200 cm 土壤NO3--N 含量Fig.3 The content of NO3--N in 0-200 cm soil layers of the main facility watermelon production areas

2.5.2 深層土壤NO3--N 累積量 硝態(tài)氮隨水遷移能力強(qiáng)，且設(shè)施種植中施肥量和灌水量大，會(huì)對(duì)地下水造成威脅。本文參考劉辰?。?8］關(guān)于設(shè)施土壤和農(nóng)田土壤硝態(tài)氮累積量與土壤深度的研究，來(lái)估算更深層土壤硝態(tài)氮累積量，并評(píng)估其污染地下水的潛力。由表4 可知，設(shè)施瓜田在15～20 m、20～25 m、25～30 m、30～35 m、35～40 m 的 硝態(tài)氮累積量，分別為1 403.55、1 304.39、1 223.68、1 156.34 和1 099.01 kg/hm2，分別是農(nóng)田的8.33、8.81、9.16、9.55 和9.51 倍。因此，設(shè)施瓜田若持續(xù)大量施肥，將使地下水環(huán)境面臨嚴(yán)重威脅。

表4 設(shè)施環(huán)境深層土壤硝態(tài)氮累積量Table4 Accumulation of nitrate nitrogen in deep soil of facility environment

3 討論與結(jié)論

3.1 設(shè)施西瓜養(yǎng)分投入量與表觀盈余量

設(shè)施蔬菜養(yǎng)分投入量以土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和蔬菜養(yǎng)分需求規(guī)律為依據(jù)［19］。但由于設(shè)施蔬菜對(duì)養(yǎng)分吸收有限，而連年的養(yǎng)分投入量卻有增無(wú)減，使養(yǎng)分在土壤中存量巨大，出現(xiàn)養(yǎng)分的表觀盈余［20］。本研究中，設(shè)施西瓜田N、P2O5、K2O 平均養(yǎng)分投入量分別為768.02、405.10、662.55 kg/hm2，分別超出吸收量的499.97%、721.37% 和295.88%。養(yǎng)分投入不僅要重視數(shù)量投入，更要注重養(yǎng)分投入比例，只有養(yǎng)分供應(yīng)比例平衡，才能夠促進(jìn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)與養(yǎng)分資源高效利用［12］。設(shè)施西瓜種植區(qū)養(yǎng)分投入比例（1∶0.53∶0.86）與西瓜需肥比例（1∶0.39∶1.31［6］）不協(xié)調(diào)，隨著種植年限的增加，必然會(huì)出現(xiàn)土壤養(yǎng)分失衡問(wèn)題［21］。因此，在河北設(shè)施西瓜施肥中，要降低氮、磷、鉀肥的用量，控制養(yǎng)分配施比例，注重有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥的合理配施，以改善土壤肥力，平衡養(yǎng)分供應(yīng)。

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)的豐缺狀況

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤組成部分之一，可為植物提供生產(chǎn)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［22］。調(diào)研發(fā)現(xiàn)全省有機(jī)肥平均投入量為47 550×103kg/hm2，而全省0～60 cm的土層中平均有機(jī)質(zhì)含量處于豐富水平占比不高，僅為13.58%；低水平占高達(dá)54.32%。這可能是由于種植區(qū)的有機(jī)肥來(lái)源主要是新鮮雞糞，而雞糞C/N 較小，易分解，高溫高濕環(huán)境使土壤有機(jī)質(zhì)礦化速度快，土壤有機(jī)質(zhì)不易累積［17］，從而使土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低。因此在今后設(shè)施西瓜生產(chǎn)中應(yīng)加大優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥的投入力度，以更好地培肥地力。

3.3 土壤養(yǎng)分累積分布

當(dāng)前設(shè)施西瓜生產(chǎn)中，有機(jī)肥和化肥的過(guò)量施用是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分富集的主要原因［23］。本研究中0～20 cm 土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量最高，分別是農(nóng)田的1.31 倍、1.46 倍和1.59 倍。因?yàn)樵谠O(shè)施生產(chǎn)中肥料用量大，且多為表施［24］，表層易形成養(yǎng)分富集層。各縣有效磷和速效鉀累積量均隨著土層加深而減少，而硝態(tài)氮的累積量在各層中均差異不顯著，這是因?yàn)橄鯌B(tài)硝態(tài)氮在土壤中隨水分的遷移能力比有效磷和速效鉀遷移能力強(qiáng)［25］。因此，河北省設(shè)施西瓜生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制施肥量，調(diào)整表面施肥方式與施肥深度，尤其磷、鉀肥可進(jìn)行分層施肥；同時(shí)控制灌溉水量，減少氮素的淋洗，可采用滴管施肥或少量多次的施肥方式，降低養(yǎng)分累積，提高養(yǎng)分利用率。

3.4 土壤硝態(tài)氮的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

硝態(tài)氮在土壤中的遷移性強(qiáng)，對(duì)土壤和地下水環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。本研究中，各縣土壤NO3--N 在0～20、20～40 和40～60 cm 土層中差異不顯著，且在60～80 cm和120～140 cm出現(xiàn)累積峰，這是因?yàn)樵O(shè)施西瓜灌水量高，造成土壤中累積的硝態(tài)氮峰值向下遷移［26］；同時(shí)本研究采用劉辰?。?8］土壤硝態(tài)氮累積量與土層深度的關(guān)系模型函數(shù)估算發(fā)現(xiàn)，150～400 cm 土層的硝態(tài)氮累積量是農(nóng)田的8.33～9.55 倍，這也驗(yàn)證了土壤硝態(tài)氮對(duì)淺層地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)是不可忽視的問(wèn)題。因此，適當(dāng)控制化肥氮用量，選擇合理的施肥方式，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)。