黃翔 王素萍 曾凡菊 陳鋼 洪娟 杜雷 程維舜 張貴友 羅茜 姜利 張利紅

摘要：對武漢市主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)設施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］土壤（0～20 cm）和農(nóng)產(chǎn)品進行取樣，并檢測土壤理化指標和微生物數(shù)量及農(nóng)產(chǎn)品品質指標。結果表明，研究區(qū)域內土壤酸堿度空間變異較大，pH在4.91～7.16；土壤有機質含量變化范圍在9.43～30.75 g/kg；種植土壤的硝態(tài)氮含量非常豐富，有效磷和速效鉀含量均處于較高水平；土壤容重和緊實度較為接近，土壤田間持水量因種植方式的不同存在一定差異；設施栽培土壤中真菌數(shù)量變化不大，而細菌和放線菌數(shù)量浮動較明顯。通過主成分分析方法對武漢市設施西瓜土壤的健康評價指標進行篩選，初步選擇了pH、速效鉀含量、有機質含量、硝態(tài)氮含量、田間持水量和細菌含量等指標作為評價指標。

關鍵詞：設施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］；土壤；健康評價；武漢市

中圖分類號：S651；S151.9 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）11-0046-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.009 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Preliminary construction of soil health evaluation index for facility watermelon cultivation in Wuhan City

HUANG Xiang1， WANG Su-ping1， ZENG Fan-ju2， CHEN Gang1， HONG Juan1， DU Lei1，

CHENG Wei-shun1， ZHANG Gui-you1， LUO Xi1， JIANG Li1， ZHANG Li-hong1

（1.Institute of Environment and Safety，Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan ?430046， China； 2.Anlu Agricultural Technology Promotion Center， Anlu ?432600， Hubei， China）

Abstract： The samples of soil （0～20 cm） and agricultural products of facility cultivation watermelon ［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］ were collected from major agricultural production areas in Wuhan City， and the physical and chemical indexes， the number of microorganisms of soil， and the quality indexes of agricultural products were detected. The results showed that the spatial variation of soil pH was from 4.91 to 7.16， and the variation of organic matter content was from 9.43 g/kg to 30.75 g/kg. The content of nitrate nitrogen in planting soil was very rich， and the content of available phosphorus and available potassium was at a high level. The soil bulk density and soil compactness were relatively close， and the soil water holding capacity in the field was different with different methods. The quantity of fungi in soil under facility cultivation did not change much， while the number of bacteria and actinomycetes fluctuated obviously. The soil health evaluation indexes of facility cultivation watermelon in Wuhan City were screened by principal component analysis method， and pH， available potassium， organic matter content， nitrate nitrogen， field water holding capacity and bacterial quantity were selected as evaluation indexes.

Key words： facility watermelon［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］； soil； health evaluation； Wuhan City

由于環(huán)境的不斷變化，加上耕地不合理利用導致土壤酸化、鹽漬化、耕層變淺、生物多樣性下降、土傳病害加重等種植障礙頻頻發(fā)生，嚴重影響了健康食品的產(chǎn)出，給人類健康帶來了威脅。因此，培育健康土壤對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大［1］。土壤健康的概念最早由Doran等［2］在2000年提出，是指土壤維持植物、動物和人類重要生命系統(tǒng)的持續(xù)能力。如何定義并量化耕地土壤健康狀況，科學應用土壤功能評價指標與表征方法，實現(xiàn)耕地土壤健康維護與表達成為土壤健康研究的重中之重。近年來，針對土壤健康評價體系，國內外研究成果主要有SMAF土壤管理評價框架、CASH土壤健康評價、HSHT土壤健康測試和耕地地力綜合指數(shù)等。但這些土壤評價體系主要以化學和物理指標為主導，對土壤生物學特性未引起足夠的重視［3］。梁文舉等［4］通過研究總結了土壤健康的生物學表征指標，表明土壤微生物、酶活性、微食物網(wǎng)及蚯蚓對土壤健康具有指示作用。

土壤健康評價體系的指標選擇應遵循一些基本原則，如代表性、敏感性、實際操作易獲得性以及高性價比。另外，收獲的農(nóng)作物最終是人類進行食用，與人體健康息息相關，因此作物的產(chǎn)量和品質也應該作為土壤健康評估的指標［5-7］。通過這些原則選擇進入評價體系的指標，便于采集，實際應用性強，利于現(xiàn)實推廣使用。

設施栽培在中國農(nóng)業(yè)史上占有重要地位，截至2013年，中國設施蔬菜栽培面積達370萬hm2，隨著中國節(jié)能型日光溫室的發(fā)展，設施栽培面積更是有了大幅度的增加。但設施栽培在高投入、高收益的同時，種植土壤酸化、鹽漬化、養(yǎng)分失衡、生理性病害、線蟲等土壤問題已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一個難題。因此，本試驗對武漢市設施西瓜［Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai］種植土壤及收獲農(nóng)產(chǎn)品進行取樣，監(jiān)測種植過程中土壤理化性狀、微生物及收獲農(nóng)產(chǎn)品品質等指標，利用主成分分析法篩選出了影響土壤健康的主要因子，以期為武漢市及其他周邊地區(qū)設施瓜菜土壤評價和修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢市地處長江中下游平原，江漢平原東部，是國家區(qū)域中心城市（華中）、副省級市和湖北省省會。位于東經(jīng)113°41′—115°05′，北緯29°58′—31°22′，最東端位于新洲區(qū)徐古鎮(zhèn)將軍山村，最西端位于蔡甸區(qū)侏儒街國光村，最南端位于江夏區(qū)湖泗街道均堡村，最北端位于黃陂區(qū)蔡店街道李沖村。該地區(qū)屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫15.8～17.5 ℃，年日照總時數(shù)在2 000 h以上，年降水量約為1 100 mm，活動積溫為4 500～5 150 ℃，年無霜期為200～240 d。

1.2 采樣地點

土壤采樣地點分布在武漢市設施農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，具體采樣信息見表1。

1.3 采樣時間及方法

1.3.1 采樣時間 于2021年5月至2022年6月分別在不同設施栽培地區(qū)瓜果定植前取土。

1.3.2 土樣的采集方法 針對設施栽培大棚土壤系統(tǒng)診斷取樣，采用W形五點取樣法對設施大棚內0～20 cm表層土使用取土器材和環(huán)刀進行取樣，去除植物根系和石塊后，將取回的部分鮮土樣在4 ℃下保存，用來測定微生物數(shù)量；剩余土樣風干后過 ? 1 mm和0.25 mm篩，用于土壤化學指標測定。

1.3.3 作物產(chǎn)品的采集 在盛果期，取作物長勢適中的新鮮果實10個，將采集的新鮮果實樣品帶回實驗室分析品質指標。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤物理指標 在作物耕種期前采用環(huán)刀法測定土壤容重和土壤田間持水量［8］；采用SC-900土壤緊實度儀直接測定土壤緊實度。

1.4.2 土壤化學指標 土壤酸堿度采用pH計測定；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法測定；土壤硝態(tài)氮含量采用KCl浸提-紫外分光光度法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［8］；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定［9］。

1.4.3 土壤微生物指標 采用稀釋平板計數(shù)法測定土壤中微生物數(shù)量。細菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌培養(yǎng)采用改良高氏Ⅰ號培養(yǎng)基；真菌培養(yǎng)采用馬丁氏培養(yǎng)基。每處理重復3次，結果以每克干土所含微生物數(shù)量表示［10］。

1.4.4 作物品質指標 成熟期采集西瓜可鮮食部分，采用水楊酸硝化法測定硝酸鹽含量；采用2，6-二氯靛酚滴定法測定維生素C含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量［11］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SAS 9.4軟件處理分析數(shù)據(jù)，采用最小顯著法（LSD）進行差異顯著性檢驗。主成分分析采用Proc Princomp運算過程。

2 結果與分析

2.1 不同地區(qū)設施栽培土壤化學性質

從表2可以看出，研究區(qū)土壤酸堿度空間變異較大，pH在4.91～7.16變化，差異顯著（P<0.05）。江夏金口、黃陂武湖、漢南紗帽和天興洲栽培土壤酸堿性均處于6.0～7.5，屬于中性狀態(tài)，而蔡甸侏儒和東西湖東山土壤pH小于6.0，種植土壤處于酸性狀態(tài)。土壤有機質是植物營養(yǎng)的重要來源之一，由于本研究區(qū)域內土壤類型有差異以及不同耕作習慣，土壤有機質含量變化范圍在9.43～30.75 g/kg，基本上囊括了土壤有機質缺乏、中等及豐富狀態(tài)。土壤有機質不僅對養(yǎng)分循環(huán)、微生物活動存在影響，并能促進土壤形成良好的結構，還能夠減輕由于重金屬和農(nóng)藥污染帶來的影響。從整體來看，研究區(qū)域內大部分設施栽培的土壤有機質含量在15.0 g/kg以上，其中江夏金口土壤有機質含量高達30.75 g/kg，而天興洲土壤有機質含量最低，為9.43 g/kg。

氮素對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量影響較大。一般情況下，旱作植物對土壤中的硝態(tài)氮吸收較多，對銨態(tài)氮選擇較少。磷素也是作物生長必需的大量元素之一，磷以多種途徑參與植物體內的代謝過程，土壤中的磷有效性對農(nóng)田生產(chǎn)力有直接影響，作物吸收利用的磷素主要為有效磷，其含量可作為評價土壤磷素豐缺的標準。在作物的生長過程中，若是鉀素供應不足，會造成作物生理失調而減產(chǎn)。鉀素在增強作物抗寒、抗旱、抗倒伏、抗病蟲害以及保障農(nóng)產(chǎn)品品質上起著重要作用，因此，鉀元素也經(jīng)常被稱為品質元素［12］。本研究結果表明，不同地區(qū)設施栽培土壤的硝態(tài)氮含量大部分都在100 mg/kg以上，含量非常豐富，有效磷含量在18.89～66.60 mg/kg，速效鉀含量在190.13～368.82 mg/kg。

土壤陽離子交換量是指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，是土壤中黏土礦物和腐殖質的負離子的總量，是其對NH4+、Ca2+、Mg2+、K+等陽離子的保持能力，代表著土壤保肥能力。同時，土壤陽離子交換量也影響土壤緩沖能力，是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)［13］。通過調查研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)設施栽培土壤陽離子交換量差別比較明顯，其大小順序為江夏金口（33.47 cmol/kg）、東西湖東山（28.75 cmol/kg）、漢南紗帽（28.26 cmol/kg）、蔡甸侏儒（22.57 cmol/kg）、黃陂武湖（11.25 cmol/kg）、天興洲（9.56 cmol/kg）。

2.2 不同地區(qū)設施栽培土壤物理特性和微生物數(shù)量

土壤的物理性質能體現(xiàn)土壤的疏松性、結構性、持水性、透氣性等方面的能力。土壤容重是基本的土壤物理指標，可以綜合性地反映土壤的孔隙狀況、松緊程度、透氣性、透水性、保水能力等［14］。土壤田間持水量是評價土壤水源涵養(yǎng)能力的關鍵指標，可以反映土壤持水量性能的優(yōu)劣［15］。由表3可知，不同產(chǎn)區(qū)設施栽培土壤物理指標方面，土壤容重和緊實度較為接近，土壤田間持水量因種植方式的不同存在一定差異。土壤微生物在土壤中參與有機質和各種養(yǎng)分的分解和轉化，與土壤質量或肥力高低密切相關，且土壤細菌是土壤微生物的主要組成部分［16］。由表3可知，不同地區(qū)設施栽培土壤中真菌數(shù)量變化不大，而細菌和放線菌數(shù)量浮動較明顯。

2.3 不同地區(qū)設施栽培農(nóng)產(chǎn)品品質

蔬菜和水果是人體攝入硝酸鹽的主要來源。硝酸鹽本身對人體無害或毒害相對較低，但人體攝入的硝酸鹽在細菌的作用下可還原成亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽可導致高鐵血紅蛋白血癥；另外，亞硝酸鹽又可與次級胺結合成為強致癌物質亞硝酸胺，從而誘發(fā)消化系統(tǒng)癌變，對人類健康構成了極大的潛在威脅［17］。因此，控制果蔬中的硝酸鹽含量至關重要。由圖1可知，硝酸鹽含量方面，江夏金口和東西湖東山采集的樣品硝酸鹽含量處在較高水平（≥300 mg/kg），黃陂武湖和蔡甸侏儒次之（250～300 mg/kg），漢南紗帽和天興洲的樣品最低（≤250 mg/kg）。

可溶性糖包括絕大部分的單糖、寡糖。它們在植物體內可以儲存能量、介質轉移、作為結構物質和功能分子如糖蛋白的配基［18］。由圖2可知，天興洲樣品可溶性糖含量最高（>4.0%），其次為黃陂武湖、東西湖東山、蔡甸侏儒、漢南紗帽（3.0%～4.0%），最低為江夏金口（<3.0%）。

維生素C是一種具有生物氧化還原等重要作用的水溶性維生素，由于具有防治壞血病的功效，又被稱為抗壞血酸［19］。人體不能合成維生素C，必須由膳食補充。由圖3可知，黃陂武湖、蔡甸侏儒、東西湖東山和天興洲采集的樣品維生素C含量處于相同水平（≥40 mg/100 g），漢南紗帽次之（35～40 mg/100 g），江夏金口的樣品最低（<35 mg/100 g）。

硝酸鹽、可溶性糖和維生素C只是眾多品質考察指標中的代表，簡單通過品質指標的高低不是判別品質好壞的根本方法，需要通過綜合的研判才能得出最終的結果。

2.4 調查指標主成分分析

利用主成分分析法對本研究中所有調查的指標進行排序編碼，并分別命名為X1（pH）、X2（有機質含量）、X3（有效磷含量）、X4（速效鉀含量）、X5（陽離子交換量）、X6（硝態(tài)氮含量）、X7（土壤容重）、X8（田間持水量）、X9 （緊實度）、X10（細菌數(shù)量）、X11（真菌數(shù)量）、X12（放線菌數(shù)量）、X13（可溶性糖含量）、X14（維生素C含量）、X15（硝酸鹽含量）。采用標準化公式對調查指標的數(shù)據(jù)進行無量綱處理，公式如式（1）所示。

[X′i=Xi-XiSi] （1）

式中，[X′i]為i指標的標準化值；[Xi]為i指標數(shù)值；[Xi]為i指標的平均值；[Si]為i指標的標準差。將各指標標準化后得出基本方程組。利用SAS軟件進行編程，通過proc princomp運算過程，主成分分析結果共提取了4個主成分，其特征值分別為5.64、4.52、3.15和1.07，貢獻率分別為37.60%、30.16%、21.03%、7.15%（表4）。

表4 各主成分特征及方差貢獻率

[主成分 特征值 方差貢獻率//% 累積方差貢獻率//% 1 5.64 37.60 37.60 2 4.52 30.16 67.76 3 3.15 21.03 88.79 4 1.07 7.15 95.94 ]

由系數(shù)矩陣可得第1主成分的表達式為Z1=0.401 3X4+0.387 2X13+0.356 4X14；第2主成分的表達式為Z2=0.317 9X2+0.446 4X6+0.450 5X15；第3主成分的表達式為Z3=0.516 6X1+0.324 5X8+0.421 3X10；第4主成分的表達式為Z4=0.505 3X3+0.667 4X5。

方程系數(shù)的絕對值越大，說明該主成分受該指標的影響也就越大。由此可知，決定第1主成分Z1大小的主要因素為速效鉀含量、可溶性糖含量、維生素C含量；決定第2主成分Z2大小的主要因素為有機質含量、硝態(tài)氮含量和硝酸鹽含量；決定第3主成分Z3大小的主要因素為pH、田間持水量和細菌數(shù)量；決定第4主成分Z4大小的主要因素為有效磷含量和陽離子交換量。Z1指向土壤產(chǎn)出品質健康；Z2指向土壤潛在隱性健康；Z3指向土壤微生物健康；Z4貢獻率很小，僅做參考。

3 討論

3.1 土壤健康評價的物理和化學指標

農(nóng)業(yè)設施生產(chǎn)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢，伴隨著種植過程中氮、磷、鉀肥的大量施用，加上種植年限的增加，設施土壤的基本理化性狀較以往將會發(fā)生很大改變。本試驗對武漢市6個設施西瓜生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)土壤和農(nóng)產(chǎn)品進行取樣分析，結果表明，6個產(chǎn)區(qū)土壤的基本理化指標具有一定差異，蔡甸侏儒和東西湖東山設施土壤pH小于6.0，特別是東西湖東山土壤pH僅為4.91，酸化嚴重，建議使用土壤調節(jié)劑對酸堿性進行適當調節(jié)。土壤有機質在土壤中的累積、合成和分解是土壤形成作用的主要特征，是評價土壤肥力水平的重要指標［20］。本研究表明，6個產(chǎn)區(qū)土壤有機質含量差異顯著（P<0.05），5個產(chǎn)區(qū)的土壤有機質含量均顯著高于天興洲（P<0.05），這可能與當?shù)赝寥佬纬蓷l件和農(nóng)戶種植習慣有關。

氮、磷、鉀作為肥料“三要素”，在設施農(nóng)業(yè)種植過程中被大量投入，尤其是氮肥和磷肥在實際生產(chǎn)中投入量遠高于蔬菜生長的吸收量，未吸收的養(yǎng)分在種植土壤中不斷積累。本研究調查發(fā)現(xiàn)，江夏金口、黃陂武湖、蔡甸侏儒、漢南紗帽和東西湖東山設施栽培土壤的硝態(tài)氮含量在100 mg/kg以上，種植土壤的有效氮含量非常豐富，6個產(chǎn)區(qū)有效磷含量在18.89～66.60 mg/kg，速效鉀含量在190.13～368.82 mg/kg，以湖北省耕地質量監(jiān)測指標分級標準（鄂耕肥〔2018〕16號）作為分析參考來看，研究區(qū)域土壤的有效磷和速效鉀含量均處于較高水平。通過調查發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)設施栽培土壤陽離子交換量（CEC）差別比較明顯，其大小順序為江夏金口（33.47 cmol/kg）、東西湖東山（28.75 cmol/kg）、漢南紗帽（28.26 cmol/kg）、蔡甸侏儒（22.57 cmol/kg）、黃陂武湖（11.25 cmol/kg）、天興洲（9.56 cmol/kg）；不同產(chǎn)區(qū)設施栽培土壤物理指標方面，土壤容重和緊實度較為接近，土壤田間持水量因種植方式的不同存在一定差異。

3.2 土壤健康評價的生物學指標

相對于土壤物理和化學指標，在土壤健康評價時，生物學指標出現(xiàn)的頻率較低。土壤生物包括細菌、真菌、藻類、原生動物和線蟲等，這些生命體相互作用，互相影響，對土壤健康維持作用明顯。隨著科研的不斷深入，國內外學者對生物學指標的選擇開展了大量的研究工作，一些生物指標，如土壤微生物、蚯蚓數(shù)量、微生物生物量碳氮比、土壤呼吸參數(shù)、土壤活性炭等指標被用來評價土壤健康狀況［21］。本研究主要考察了土壤細菌、放線菌、真菌的數(shù)量，結果顯示，不同產(chǎn)區(qū)設施栽培土壤中真菌數(shù)量變化較小，而細菌和放線菌數(shù)量浮動較明顯。

3.3 土壤健康評價的農(nóng)產(chǎn)品指標

人類為了生存通過土壤種植收獲農(nóng)作物，農(nóng)作物進入人類的食物鏈為人類提供能量，農(nóng)作物的品質與人體健康緊密相關。因此，作物的產(chǎn)量和品質也應該作為土壤健康評價的指標。由于種植品種和種植模式的不同，設施栽培所收獲農(nóng)產(chǎn)品在單產(chǎn)和總產(chǎn)量方面差異很大，所以本研究主要選擇幾個經(jīng)常考察品質指標進行篩選。從整體來看，所選的指標可以體現(xiàn)不同產(chǎn)區(qū)之間收獲農(nóng)產(chǎn)品的品質差異，對土壤健康評價體系指標篩選具有指導作用。

通過主成分分析將本研究所選擇指標進行篩選，其分別指向土壤產(chǎn)出品質健康、土壤潛在隱性健康、土壤微生物健康，并對武漢市設施西瓜種植土壤健康評價指標進行了初步選擇，提出以土壤pH、速效鉀含量、有機質含量、硝態(tài)氮含量、田間持水量和細菌數(shù)量等為評價指標。但如果要進行更全面、精準評價，還需結合土壤中微量元素和其他生產(chǎn)指標以及更進一步擴大取樣樣本容量。

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