随着有机农业的兴起，有机种植的土壤面积越来越大，种植过程中大量有机肥代替化肥，必然对土壤肥力质量产生深刻影响。土壤肥力是建立可持续农业的重要物质基础^[1]，国内外学者开展了大量有机和常规种植下的土壤肥力特性差异的比较研究。在物理性质方面，Pimentel等^[2]研究结果表明相比于常规农业系统，有机农业系统土壤容重明显减小，水稳性大团聚体含量增加，稳定性增加；王开勇等^[3]研究发现常规农作大豆田转换为有机农作大豆田后，较小团聚体显著增加，土壤团聚体稳定性增大。大量研究都表明有机种植有利于改善土壤结构，增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性，增加土壤中团聚体的数量和稳定性。在化学性质方面，Ryan等^[4]在澳大利亚有机蔬菜定位试验结果表明：有机农业提高了土壤有机碳和阳离子交换量，土壤中含有较高的全氮、全磷等养分含量；和文龙等^[5]对不同栽培方式下土壤肥力的研究结果表明，与常规栽培相比，有机栽培显著提高了土壤有机质、有效磷、速效钾含量等。由此可见，相比常规种植，有机种植更有利于保持和提高土壤养分，改善土壤的化学性质。在生物性质方面，Marinari等^[6]比较有机和常规两个相邻的农场，发现有机管理显著改善了土壤营养和微生物条件，有效提高了土壤微生物生物量和酶活性；汪润池等^[7]对比分析有机与常规种植蔬菜地土壤微生物群落特征的差异，结果表明：有机蔬菜地土壤微生物生物量，酸性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性及可培养真菌、放线菌菌落数显著高于常规蔬菜地。不少研究都表明相对于常规种植，有机种植中大量施用有机肥有利于提高土壤生物多样性，改善土壤生态环境。然而，大多数研究都仅仅选取了部分指标，将有机种植条件下多种土壤理化指标进行土壤肥力评估的研究还很少。国内目前虽然也开展了一些有机和常规种植的比较研究，但结论多基于短期试验结果，长期定位试验还比较少。另外，他们对土壤质量的评估大多还是定性的比较研究，鲜有对其进行定量化的综合评价^[8-9]。

因此，本研究利用中国农业大学河北曲周实验站有机种植长期定位试验，同时以无公害和常规种植作为对比，分析不同种植模式下的土壤肥力状况，并对不同种植模式下的土壤肥力质量特性进行定量化评价，从而为推动我国有机农业发展提供一定的理论依据和技术支持^[10]。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验为有机蔬菜温室长期定位试验，于2002年3月在中国农业大学曲周实验站(36º52'N，115º01'E)进行，实验站位于河北省邯郸市曲周县北部，属温带半湿润季风气候区，光、热、水等气候资源比较丰富，但受季风的强烈影响，冬春寒冷干燥，夏季温暖多雨，属一年两熟种植区。年均降水量604 mm。原始土壤为盐化潮褐土，试验前为多年菜田。试验采用的日光温室为拱圆式，长52 m、宽7 m，占地面积约0.04 hm²。试验前土壤基础养分状况见表 1。

1.2 试验设计

长期定位试验已连续进行了15 a，主要种植作物为春季番茄(3—7月)和秋冬季黄瓜(9—1月)。试验设3个处理(表 2)：①有机种植(ORG)：只施用有机肥(EM堆肥和干鸡粪)，不使用化肥，有机肥施用量达到25 t/hm²；病虫害防治以人工防治和物理防治为主，如人工捉虫、黄板诱杀、使用防虫网，加强田间观察，及时清理受害植株、叶片等，硫磺熏蒸灭菌。②无公害种植(LOW)：以有机肥(EM堆肥和干鸡粪)为主，为15 t/hm²，少量施用化肥，化肥用量为400 kg/hm²；病虫害防治以生物防治为主，病虫害严重时使用低毒低残留的化学农药进行防治，主要施用农药有防治潜叶蝇的斑潜净，治蚜虫、白粉虱的灭蚜威、蚜虱一遍净，治菜青虫的阿虫螨丁，治病害的生物制剂、硫磺熏蒸、甲霜灵、农用链霉素、雷多米尔、病毒立刻等。③常规种植(CON)：采用常规管理方式，有机肥施用量为9 t/hm²，化肥施用量为2 t/hm²；病虫害防治以化学防治为主，治虫用氯氰菊酯、敌敌畏、甲胺磷，病害防治用瑞毒霉、甲霜铜等。

1.3 样品采集

每个种植模式地块各设3个小区，每个小区内采取S形布点取样，每5个点为一个混合样，采样时先清除地表杂物，均匀采集0 ~ 20 cm的土壤，多点混合后的样品按四分法取舍，保留1 kg左右，用塑封袋装好带回室内。分取一部分新鲜土壤样品，过2 mm筛后，保存在4 ℃冰箱中，用于测定土壤中微生物生物量碳。其余土壤样品经自然风干，去除石砾和作物根系残渣，按四分法分取一部分扰动土样用于土壤中水稳性团聚体测定。另一部分按要求磨细过2 mm尼龙筛后，用于测定土壤理化指标和土壤酶活性。

1.4 测定项目与方法

土壤物理性质：土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定。

土壤化学性质：有机质采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定；全氮采用半微量开氏法测定；全磷采用H₂SO₄-HClO₄消煮-钼锑抗比色法测定；碱解氮采用1 mol/L NaOH碱解-扩散法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗吸光光度法测定；速效钾采用NH₄Ac浸提-火焰光度法测定；pH采用pH计测定(水土比2.5:1)；电导率(EC)采用电导仪测定(水土比5:1)；阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定。

土壤生物性质：微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定；脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定；过氧化氢酶采用0.1 mol/L KMnO₄滴定法测定。

1.5 数据处理

原始数据先经过Microsoft Excel程序进行整理，运用SPSS单因素方差分析对不同种植模式下土壤肥力指标进行显著性检验，least significance difference (LSD)法进行均值比较，因子分析进行主成分分析。

利用各级团聚体数据，根据公式(1)、(2)计算平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)。通过公式3拟合，求出分形维数D。

$ {\rm{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\bar x}_i}{w_i}} $

(1)

$ {\rm{GWD}} = \exp \sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}\ln {x_i}} $

(2)

$ \lg \left[ {\frac{{M(r < {{\bar x}_i})}}{{{M_T}}}} \right] = (3 - D)\lg \left( {\frac{{{{\bar x}_i}}}{{{x_{\max }}}}} \right) $

(3)

式中：w_i为i粒级团聚体含量(g/kg)，x_i为某级团聚体平均直径(mm)，M_T为团聚体总重量(g)，x_max为团聚体的最大粒径(mm)。

2 结果与分析 2.1 有机种植对温室土壤物理性质的影响

土壤容重不仅用于鉴定土壤颗粒间排列的紧实度，而且是计算土壤孔隙度和空气含量的必要数据^[11]。如图 1、2所示，有机种植下土壤容重相比无公害和常规种植分别降低8.87%、26.14%，而土壤含水量明显高于无公害和常规种植，说明有机种植改善了温室土壤的孔隙结构，有利于提高温室土壤的透气性，提高植物根系穿透能力和温室土壤微生物的活性，有利于养分的吸收和运输，进而影响作物的生长发育。

土壤结构是土壤肥力的基础，团聚体大小粒级不同，在养分的保持和供应中的作用不同^[12]，水稳性团聚体与土壤肥力稳定性有密切关系^[13]。由表 3可以看出，不同种植模式对温室土壤的团聚体特性产生明显影响。与常规种植相比，有机种植在一定程度上提高了温室土壤中水稳性大团聚体的含量，温室土壤中水稳性大团聚体含量以有机种植为最高，无公害种植次之，常规种植最低，且差异显著。有机种植下土壤水稳性大团聚体含量高达58.02%，相比常规种植提高了225.96%。这说明不同种植模式导致温室土壤团聚体的含量发生变化，有机种植更有利于温室土壤团聚体的形成。

团聚体的稳定性一般用MWD和GMD来表示，大团聚体的百分比越高，MWD的值越大，团聚体越稳定，GMD值越大^[14]。由表 4可看出，不同种植模式下土壤团聚体的MWD和GMD均是ORG > LOW > CON，有机种植土壤团聚体的MWD、GMD值在不同程度上高于无公害和常规种植，MWD分别提高59.02%、125.58%，GMD分别提高56.82%、109.09%，说明有机种植下土壤的团聚状况好于无公害和常规种植。

分形维数D是更敏感且更准确地评价土壤团聚体特征的参数，土壤团聚结构分形维数与土壤性质之间存在显著定量关系^[15]。根据表 4，有机种植下D值分别低于无公害和常规种植7.53%、11.34%，说明与常规种植相比，有机种植下土壤的团聚状况更好，而且土壤团聚体水稳性更高。

2.2 有机种植对温室土壤化学性质的影响 2.2.1 有机种植下土壤养分的变异现象

由表 5可知，不同种植模式下有机质含量有明显差异，其有机质含量表现为ORG > LOW > CON。与试验前土壤基础养分状况相比，各种植模式有机质含量分别提升66.39%、54.25%、22.32%，有机种植下的土壤有机质含量显著提高，这说明有机种植对有机质含量提升最多最快。温室土壤中全氮含量与有机质含量呈明显的相关关系，有机种植土壤全氮含量显著高于无公害和常规种植，分别提高47.20%、107.39%，这是因为有机种植长期施用有机肥，增加了土壤中易矿化的有机氮含量，且有利于晶格中固定铵的释放。有机种植土壤中全磷含量显著高于无公害和常规种植，均提高22.97%，这表明有机种植大量施用有机肥增加了温室土壤磷素供应水平。

其次，从表 5中可明显看出，碱解氮含量与全氮含量变化趋势一致，有机种植土壤碱解氮含量分别显著高于无公害和常规种植111.98%、135.14%，说明温室土壤中整体氮素供应能力较强。有机种植土壤有效磷含量分别显著高于无公害和常规种植58.85%、70.86%，说明有机种植土壤中供磷能力远大于常规种植。这主要是因为有机肥中含有大量易于分解的有机磷，且有机种植长期施用有机肥提高了温室土壤腐植酸含量和微生物多样性，促进了无机磷的溶解。不同种植模式对温室土壤速效钾含量的影响差异显著，呈现LOW > ORG > CON的趋势，这与试验前土壤基础速效钾含量就是无公害种植最高有关。综上所述，施用有机肥能够提高温室土壤肥力，增强温室土壤的保肥供肥能力。

2.2.2 有机种植对土壤基础化学性质的影响

大量施用有机肥有利于维持土壤化学性质稳定。由图 3可知，3种种植模式下土壤pH都在7左右，为中性。相较而言，有机种植下土壤pH略低于常规种植，但是差异并不显著，而无公害种植下土壤pH虽然显著低于有机种植和常规种植，但仅相差约0.3。

土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标，而土壤水溶性盐是土壤的重要属性之一，是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的因素^[16]。如图 4所示，有机种植与常规种植的土壤电导率相差不大，而无公害种植的电导率虽显著高于有机和常规种植，但是仍然在适宜范围内。

综上所述，尽管经过了长达15 a的长期定位试验，3种种植模式对温室土壤pH和EC值仍然没有较大的影响，两个指标仍然处于正常水平。

土壤阳离子交换量是评价土壤缓冲能力、土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据。由图 5可知，3种种植模式下的土壤CEC具有显著差异，表现为ORG > LOW > CON。由此可以说明，有机种植大量施用有机肥有利于增加温室土壤胶体表面的阳离子总量，其保肥性能要显著强于无公害和常规种植。

2.3 有机种植对温室土壤生物性质的影响

土壤微生物生物量碳与土壤中C、N、P、S等养分的循环密切相关，其变化可直接或间接地反映土壤耕作制度和土壤肥力的变化。如图 6所示，不同种植模式土壤微生物生物量碳含量为：ORG > LOW > CON，且差异达显著水平。与无公害和常规种植相比，有机种植土壤微生物生物量碳含量分别提高32.84%、109.30%。由此说明有机种植长期大量施用有机肥，不但增加了温室土壤养分，同时也为微生物提供了充足的碳源，促进了温室土壤微生物的生长与繁殖。

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向^[17]，其活性是土壤肥力评价的重要指标之一^[18]，同时也是土壤自净能力评价的一个重要指标。土壤脲酶对提高尿素氮肥利用率有重要意义^[19]，磷酸酶活性对于土壤中磷的转化过程、方向及强度具有重要意义，而过氧化氢酶活性与土壤有机质含量、微生物数量有关，因此本研究选择测定了土壤脲酶、磷酸酶及过氧化氢酶活性。

由表 6可知，土壤脲酶活性表现为ORG > LOW > CON，差异达显著水平，说明有机种植大量施用有机肥，提高了温室土壤脲酶活性，改善了温室土壤氮素供应水平。有机种植下土壤磷酸酶活性显著高于常规种植，说明有机种植下土壤中全磷与有效磷供应水平较高，同时，磷酸酶活性较大，更有利于温室土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性。无公害与常规种植下土壤过氧化氢酶活性无显著差异，而有机种植下土壤过氧化氢酶活性显著高于无公害和常规种植，说明有机种植在一定程度上能促进温室土壤过氧化氢酶活性的提高，其肥力特性更加突出。

2.4 土壤肥力质量指标的主成分分析

主成分分析是数学上对数据降维的一种方法，它以最少的信息丢失为前提，将众多的原有变量综合成较少的几个综合指标^[20]。本研究对16个土壤肥力指标进行主成分分析，通过表 7中主成分分析结果，主成分1贡献率达到了42.644%，3个主成分累计贡献率达91.052%，基本解释了数据的全部变异，可以涵盖温室土壤各指标的大部分信息，温室土壤肥力的综合状况得到较好的体现。因此，选择的公共因子对不同种植模式的土壤肥力评价是可行的、合理的。

原始变量与主成分的相关系数可用载荷值来表征，载荷值大的变量即可认为是该主成分的主要影响因子^[21]。图 7是主成分1和主成分2的一个二维因子载荷分布图，从图中我们可以明显看出，主成分1以水稳性团聚体、有机质、全氮、全磷、有效磷、CEC、脲酶和过氧化氢酶为主要影响因子，包含了物理、化学、生物三方面的性质，因此其贡献率达到了42.644%，解释了指标近一半的变异信息。

最后通过各主成分得分计算综合得分，对不同种植模式下土壤肥力质量进行评价^[22]。如图 8所示，有机种植综合得分最高为1.514，无公害种植得分为0.099，常规种植得分为-1.613，在不同种植模式中最低。由此可见，与常规种植相比，有机种植明显提高了温室土壤肥力，温室土壤肥力大小顺序为ORG > LOW > CON。

3 讨论

本研究在长期定位试验的基础上，分析了有机、无公害、常规3种不同种植模式对土壤物理性质、土壤化学性质及土壤生物性质的影响，并采用主成分分析法对土壤肥力质量进行定量化评价。

研究发现经过15 a的比较试验，有机种植有利于改善温室土壤中土粒间松紧程度，增加温室土壤通透性并且显著改善了温室土壤团粒结构，为作物生长提供了更好的物理环境条件，该结果与李思萌等^[23]、申思雨等^[24]的研究结果一致。由于有机种植施入大量的有机肥能促进温室土壤中矿物质风化，从而增加温室土壤中养分含量；另外有机肥本身也含有大量养分，从而有利于提高温室土壤中养分含量，因此有机种植有效提升了温室土壤肥力，同时有机基地土壤的供肥能力更强，更能及时满足作物生长需要；另外有机种植增加了温室土壤阳离子交换量，从而有利于提高温室土壤保肥保水能力，Sanwal等^[25]、Pimentel等^[2]、蔡祖聪和马毅杰^[26]的研究也得到了类似的结论。由于有机种植直接促进温室土壤中有机质含量增加，提高温室土壤肥力，同时提高温室土壤微生物活性，改善温室土壤微生物群落；此外，由于温室土壤理化性质的改善，影响到地上植被的生长，有利于温室土壤微生物的繁衍，从而间接地影响温室土壤微生物群落，导致微生物多样性提高，该结果与Kaur等^[27]、Edesi等^[28]、王延军等^[29]的研究结果一致。

在选用综合评价方法方面，主成分分析法降维得到的综合变量集中了原始变量的大部分信息，它通过计算综合主成分函数得分，可以对客观现象进行科学的评价，并且能够更加体现信息的贡献影响力^[30]。因此，采用主成分分析结果基本能够客观反映不同种植模式的土壤肥力质量，有助于分析有机种植对温室土壤肥力质量的影响^[31]。本研究结果表明：由于有机种植长期大量施用有机肥能够改善温室土壤结构，为温室土壤提供大量养分，提高有机质含量，培肥温室土壤，维持地力，进而加强温室土壤生物的繁殖能力和活性，因此改善了温室土壤生产的有利因素，有利于温室土壤培肥，该结果与Aziz等^[32]、Gomiero等^[33]、纪荣婷等^[34]的研究结果一致。

4 结论

1) 有机种植有利于降低温室土壤容重，提高温室土壤含水量，促进了温室土壤中大团聚体的形成，提高了温室土壤中水稳性大团聚体的数量和稳定性，为作物生长提供了更好的物理环境条件。

2) 有机种植土壤中有机质和氮、磷、钾养分含量在不同程度上高于无公害和常规种植，有利于提高温室土壤中养分含量，其次施用有机肥增加了温室土壤阳离子交换量，从而有利于提高温室土壤保肥保水能力。

3) 有机种植增强了温室土壤微生物活性及酶活性，有利于温室土壤微生物的繁衍，导致微生物多样性提高。

4) 3种种植模式主成分评分综合得分分别为有机1.514，无公害0.099，常规-1.613，有机种植明显提高了温室土壤肥力质量，改善了温室土壤生产性状，对温室土壤的培肥效果显著高于传统种植模式和无公害种植模式。