集约化农业对土壤质量的影响研究——以惠州平潭某农场为例

李楚海，陈文裕，陈金凤，陈锦嫦，黄锐彬，吴鹏豹*，邓木彬

（1.福建师范大学 旅游学院，福建 福州 350117；2.惠州学院地理与旅游学院，广东惠州 516007；3.广州大学 地理科学与遥感学院，广东 广州 510006）

1 引言

1.1 研究背景及意义

农业集约化是在单位面积的耕地上投入较多的技术、资金和劳动，以期获取相对较高的单位面积产量，同时又能减少每单位内农产品劳动消耗的一种现代农业经营方式，是现代农业发展的趋势.这种经营模式需要大型农业机器和高新科技的支持，对于提高现代农业生产的科技含量以及对农业机械的推广有一定的调整和优化作用，甚至能促进产业结构的调整.集约化经营在减少农业投入的同时还能提高土地生产率和利用率，增加农业经济效益，是现代农业的客观要求.

磷和氮是土壤中对植物的生长具有重要意义的微量元素.相关研究指出，速效养分的含量对土壤肥力有重要影响，而速效磷是速效养分中的重要组成部分，是对作物生长最有效的养分之一［1］.氮是植物必需的元素之一，它是构成叶绿素的重要成分.土壤中的氮元素流失，植物体中的叶绿素含量就会下降，叶色变黄，光合产物会随光合作用的减弱而减少.此外，土壤pH值与容重的改变也会使土壤养分发生显著变化，土壤pH值能影响氮、磷等微量元素的转化和释放，进而影响土壤养分的保持能力；土壤中的矿质营养在中性土壤中有效性最高，土壤偏酸或偏碱都会影响植物对一部分元素的吸收，尤其是对微量元素的利用［2］.土壤容重主要是影响水分的入渗速度，土壤容重越大，水分入渗越慢［3］，因此容重也是本研究的观测指标之一.通过对比集约化经营与传统农户经营下的农田土壤质量，以揭示集约化经营模式对土壤质量的影响规律.

1.2 研究区域概况

本研究以惠州市平潭某农场及其周边的土壤为研究对象.惠州市位于亚热带季风气候区，土壤以红壤为主，淋溶非常强烈，土壤养分流失严重，各种土壤养分相对缺乏.研究区农场（如图1所示），在近年来实现了农业的集约化、机械化、专业化生产，引进了许多先进设备；生产过程中主要施用有机肥料；在病虫控制方面以预防为主，同时采用捕虫灯、轮作等方法，做到少用药.在耕种和管理流程中，使用轨道式大面积自动喷灌设备来进行施肥、洒水、喷药等，基本实现机械化和自动化作业.

图1 研究区农业位置

1.3 样品采集与处理

本研究共对6处采样点分别采集3个样本，共18个土壤样本.1个露天的传统耕地，1个露天的集约化经营的四棱豆种植区和4个在塑料大棚中的集约化种植区，分别为玉米、花卉、哈密瓜和葡萄种植区.容重的测定采用环刀法，将收集的土壤样本放入烧杯，待风干后，放入烘干机中，在105℃下烘干10 h，取出后用电子天平称量重量，通过公式计算得到土壤的容重［1］；pH值的测定采用pH计电位法，实验中选用液土比为2.5∶1，并采用水浸提取［1］；速效磷的测定采用盐酸浸提－钼锑抗比色法［1］；铵态氮的测定采用半微量凯氏法.

1.4 数据计算及处理

实验数据采用Excel和SPSS25软件进行分析.容重和铵态氮采用均值比较的方法；pH值和速效磷采用单因素方差分析法对样品差异性进行显著性分析，在95%的可靠性下对不同类型土壤之间差异性进行比较分析.

2 结果与分析

2.1 不同经营方式农田土壤pH值和容重分析

本次采用18个样本进行研究，结果显示土壤pH值的平均值是6.18，大体上呈现酸性.将各样本的pH值与平均pH的值进行比较（如表1所示），可以发现传统耕地的pH值最高，呈中性，花卉、四棱豆的pH值跟平均值接近，也呈中性，玉米，葡萄、哈密瓜的pH值偏低，偏酸性较明显.土壤偏酸性，主要跟惠州的地理位置和气候条件有关.惠州地处南方，年平均气温高，降水充沛，植被生长旺盛，在高温多雨的夏季，植物残体容易被分解；另一方面，土壤中的碱性物质易溶于水，在雨季土壤中的碱性成分被冲走，酸性成分富集，pH偏低.

表1 土壤pH值描述统计

利用SPSS软件，以不同的经营模式为可控变量，以土壤中的pH值为相应变量，对应的6种不同作物下的土壤进行单因素方差分析检验，从表2可以得出，不同的经营模式下土壤的pH值存在着较明显的差异（P<0.05），集约化利用耕地下的土壤pH值总体上低于传统耕作方式下的农田.传统耕作模式下的土壤pH值约为6.66，集约化种植玉米、葡萄和哈密瓜的土壤pH分别为5.58，6.14，5.44，这几个种植区土壤的pH值与传统耕作区土壤pH值存在显著性差异特征（P<0.05）.集约化种植花卉区的土壤pH约为6.63，集约化种植四棱豆的土壤pH约为6.60，这两个种植区没有显著性差异（P>0.05），所以集约化种植四棱豆和花卉对土壤的pH值没有产生显著的影响.

表2 传统种植区与集约化种植区pH比较表

相关研究表明，土壤的酸碱度跟不同的母质土壤有一定的相关性，母质土壤类型不同，所对应的pH值也会有所差异［4］.惠州市平潭的土壤主要是由红色砂岩、砂页岩、花岗岩等岩石风化而成，所以当地土壤pH值呈中性和弱酸性，再加上当地的气候条件的影响，该地的传统土壤pH值维持在6.5左右.同时，长期的施肥等人为活动也会使土壤呈酸化的趋势.由于传统耕地和四棱豆种植区的土壤都是露天种植的，总的来说pH值的差异较小，所以在同样露天的环境下，集约化种植对pH值的影响幅度较小.从数据可以看出，在塑料大棚中的4个种植区中，有3个种植区的pH发生了较明显的变化，尤其是玉米和哈密瓜种植区的pH偏酸性更为明显.

土壤容重是土壤中最为重要的物理性状之一，不仅可以综合反映土壤的通透性以及松紧度，还可以综合反映土壤的肥力状况及所在地区的生产力水平［5］.对于土壤容重数据，是通过对比不同耕作区的土壤容重与所有样本平均值的差异来进行综合分析（如图2所示）.土壤容重的均值为1.51 g/cm3，各类样本的容重数值之间没有显著差异.在样本中，玉米、葡萄和四棱豆种植区的土壤容重高于平均值，其中葡萄种植区的土壤容重最大，为1.74 g/cm3，比平均值高出15.5%.土壤容重会影响水分的入渗速度，随着容重增大，水分入渗速度会降低.在测定的样本中，集约化经营下的土壤容重总体上高于传统耕种模式下的土壤容重.进行土壤采样的时间，正处于多雨的夏季.露天的采样点，即传统、四菱豆种植区在太阳的照射下水分蒸发比较快，采集过程中发现在土壤20厘米以下，四棱豆种植区会比传统耕地更湿润，而数据也证明了四棱豆种植区的土壤容重较大，土壤就相对松散干燥、下渗快，水分含量也就少.其他在塑料大棚内的采样点均采用滴灌、喷灌等方式进行浇灌，并且在大棚内受到太阳照射的影响小，蒸发较慢，湿度也相对较高.因此，可以得出土壤含水量与土壤容重之间的相关关系是呈正相关.韩宾研究结果表明，当土壤容重在1.5 g/cm3时，可以满足农作物生长的需要，而当土壤容重值在1.5 g/cm3以上，且有继续增长趋势时，会影响农作物根系的发育，不利于农作物的生长［6］.从所测的数据来看，土壤容重超过1.5 g/cm3的主要在玉米、葡萄和四棱豆这几个采用集约化种植的区域，这几个区域有一个共同点就是它们的积水比较多，湿度大；对此需要农场工作人员加强排水系统的建设以及保持大棚区内有一定的通透性，对农作物进行保护性种植.

图2 土壤容重条形图

2.2 不同经营方式农田土壤速效磷、铵态氮含量分析

在自然状态下，土壤中的氮元素主要有来自生物固氮、人为施加氮肥以及随着降水的作用而带入土壤的氮.影响土壤铵态氮含量的因素很多，近年来，研究人员开展了众多有关成土母质、耕作制度、气候条件以及施肥等与土壤氮含量变化有关的研究.张浩等［7］研究表明，土地利用和农业经营的方式、成土母质对土壤铵态氮空间变异影响最为显著.此外，气候条件的变化也会影响土壤氮素的含量，其中降水对土壤氮元素的淋洗作用和反硝化作用等化学作用有直接影响，这些因素会影响土壤中有机质的矿化程度从而间接影响土壤铵态氮含量.根据资料显示，在降雨较多的年份土壤氮素的损失相比较正常年份增加10%左右［8］；温度升高会增加土壤N2O的排放，不利于土壤氮素的积累［9］.氮肥是土壤氮素最重要的来源之一，人工追加氮肥会影响土壤的氮素循环［10］.因此，土壤铵态氮含量的变化，不仅会受氮肥施用的影响，也会受到施加氮肥与气候交互效应所产生的显著影响，为了提高农作物产量，在氮元素淋失严重的亚热带地区，人工施加氮肥是维持土壤铵态氮含量的有效途径［11］.

不同种植制度下土壤的水、气、热等物理性状的差异将会直接影响土壤有机氮的矿化和积累.由于土壤中的氮绝大部分以有机结合态氮存在，因此，随着土壤有机质含量的增加，相应的，土壤的微生物数量也会随之增加，使其生命活动更加旺盛，增加了氮的矿化程度.土壤有机质的积累和分解很大程度上决定了土壤氮的积累消耗程度的大小.不同作物的需氮量不同，也会影响氮肥在土壤中的残留量.此外，还有一个影响土壤氮素循环和转化的重要因素便是不同作物根际微生物在组成上的差异性.

在研究区的耕作土地区域中，土壤铵态氮平均含量为0.00129 g·kg-1（如表3所示），总体偏低.由于各数值之间差异很小，进行单因素方差分析的实际意义不大，本文只进行均值的描述.根据全国土壤养分含量分级标准，根据铵态氮的数量含量小于0.05 g·kg-1，可以划分属于国家六级标准.按照华南地区土壤铵态氮分级指标低、中、高水平划分，根据研究区域土壤氮含量，可以将其划分在低水平的阶段内.在不同作物区中，平均铵态氮含量最高的是玉米种植区0.001493 g·kg-1，平均氮含量最小的是传统种植区0.00084 g·kg-1.无论是传统耕地还是集约化种植，土壤铵态氮的含量都相差很小，变化不明显.从总体上看，集约化种植区的铵态氮含量略高于传统种植区，主要原因有以下两个方面：其一，处于亚热带季风气候区，在自然状态下雨水的强烈淋溶会使氮素等迅速淋失，而维持土壤氮元素最好的途径之一就是人为施加氮肥.在集约化种植区，采用先进的滴灌等技术，可以在灌溉时给作物精确追加养分，由于集约化的大规模管理，让土壤氮元素等得到及时的补充.其二，由于集约化的种植区中，有4个位于塑料大棚中，在多暴雨的夏季避免了雨水的直接淋溶，在一定程度上有利于土壤养分的积累，从而更有利于作物生长.

表3 铵态氮实验数据

在研究区耕地中，土壤速效磷平均含量为7.14 mg·kg-1（如表4所示），样本间均值有较大差异，其中最大值为是8.20 mg·kg-1，最小值是6.15 mg·kg-1，分别出现在花卉种植区和传统耕作的农田.18个样本土壤速效磷的含量的差异性具有统计学意义（P<0.05），在样本中，花卉种植区速效磷的均值最高，是样本总体均值的1.11倍；葡萄和玉米种植区的速效磷含量也相对较高；葡萄和玉米种植区的土壤速效磷含量也维持在一个较高的水平；传统耕地和哈密瓜种植区中土壤速效磷含量相对较低，均低于平均含量.

表4 土壤速效磷描述统计

对18个样品进行单因素方差分析检验，从表5可以看出，不同利用模式下农田土壤速效磷存在显著性差异（P<0.05），具体表现在集约化利用耕地速效磷含量显著高于传统耕作方式下的农田，样本中速效磷含量可高达8.2031mg·kg-1，约为后者的1.25倍.

表5 传统种植区与集约化种植区速效磷比较表

传统耕作模式下土壤中速效磷含量为6.25 mg·kg-1，玉米种植区为7.42 m g·kg-1，葡萄种植区为7.43 mg·kg-1，花卉种植区为7.89 mg.kg-1，四棱豆种植区为7.24 mg·kg-1，玉米、花卉和四棱豆种植区土壤与传统耕作土壤速效磷含量具有显著性差异.哈密瓜种植区为6.57 mg·kg-1，集约化种植哈密瓜没有显著增加土壤中速效磷含量.根据全国第二次土壤普查养分分级标准，所有土壤样品的速效磷含量介于6.25 mg·kg-1~8.25 mg·kg-1之间，属于4级分类，总体上偏低.

相关研究表明，南方地区红壤中的磷素当季利用率不足25%，因为在红壤中富含铁和铝，这两种元素容易将磷素等养分固定，使作物难以吸收.此外，在集中的降水和灌溉水的作用下，土壤里的磷素会进入水体，不仅降低了土壤原有的肥力，还会造成水体富营养化等问题，危及生态［12］.此外，人类活动也是导致速效磷含量变化的重要因素，灌溉和施肥等活动都可能会加剧土壤的酸化.集约化的耕作方式与传统耕作方式最大的不同在于更专业化和科学化，人为的影响非常大，为了提高土地利用效率，会通过施加化肥、有机肥等方式改良土壤，以增加作物产量.与铵态氮在塑料大棚中的变化相似，速效磷的含量有一定的富集现象.主要是因为露天的传统耕地在雨水的淋溶下容易流失，在塑料大棚中的耕地没有受到雨水的直接淋溶，速效磷等养分淋失作用降低，更容易积累；加上人工定期精准施肥，所以即使在露天的四棱豆种植区，速效磷含量也会比较高.

3 研究建议

（1）根据不同的农作物选择合适的耕作方式.集约化的经营模式，会由于农作物不同从而导致农作物土壤中的速效磷含量产生差异，所以根据农作物的种类选择合适的耕作方式，对促进农作物的生产具有一定的积极作用.

（2）人为施肥要适量，避免过量.出于提高农作物产量的目的，人们往往会在农作物生长的过程中使用大量的农药，导致土壤的养分发生变化，加速了土壤的酸化，使土壤的结构被破坏，养分流失.

（3）进行农作物耕作之前对区域的气候土壤条件进行适当的分析.土壤中各种要素成分的含量与该地所处的自然条件有密切的联系，在耕作之前，对区域的气候土壤条件进行适当的分析，可以了解到人为因素在农作物的生长过程中的影响程度.

（4）目前研究区域内大多数种植区可以满足农作物的生长需要，但也存在着少部分种植区土壤养分过剩、土壤含水量过多等不利于农作物生长的因素，因此还需要农场管理人员加强园区的种植管理，采取相关措施减少不利因素对农作物的影响.

4 研究结论

集约化的管理模式更容易导致农田中的酸性增强，尤其是在塑料大棚中集约化耕作，使土壤偏酸性明显.同时也会使土壤容重略有增大，但是差异不显著，这主要跟耕作的农业机器有关，南方地区多采用小型农业机器，对土壤压实作用不明显.此外，受到气候和成土母质的影响，南方地区的土壤中铵态氮和速效磷等含量总体偏低，而集约化的种植会减少养分的淋失，加上人为的精准施肥，使土壤中的氮、磷更容易富集，土壤肥力更高.