20世纪80年代以来，设施菜地因高产、高集约化、高经济效益等优势，在我国种植面积迅速扩大，至2017年我国设施蔬菜栽培面积已达370万hm²，产业产值超过9 800亿元^[1-2]。与传统农田相比，设施蔬菜栽培是一种高温高湿、无降水、高复种指数和高肥料投入的集约化种植方式，易造成设施蔬菜地土壤板结退化，导致设施菜地减产，甚至绝产^[3-7]。因此，改良和维持设施菜地土壤结构是保证设施菜地生产力和可持续发展的重要措施。

目前关于设施菜地土壤结构的研究主要集中于土地利用方式、施肥和耕作管理措施的影响上。设施菜地转变前的土地利用方式不同导致其土壤结构变化方向不同。研究表明，南京谷里粉砂黏土水田转变为设施菜地后土壤孔隙半径整体变小，土壤结构恶化^[5]；山东寿光砂质潮土传统旱地转变为设施菜地后土壤孔隙度以每年0.26% 的速度递增^[8]。施用有机肥可以显著改善设施菜地土壤结构。申思雨等^[9]研究表明，河北曲周潮土有机种植(施用鸡粪堆肥)和无公害种植(施用有机肥加少量化肥)的设施菜地0 ~ 10 cm土层 > 0.1 mm的孔隙较常规种植(施用化肥)分别高30.4% 和10.9%。Xu等^[10]研究发现，长期有机肥投入显著增加了设施蔬菜地的有机质含量，有机质含量的增加促进了土壤的通气性，有机质含量增加1.00%，大孔隙(> 50 µm)增加1.70%。耕作措施也影响设施菜地土壤结构的变化。Herencia等^[11]在壤土设施菜地的研究发现，施肥之前浅凿耕作比施肥前不耕作更有助于有机质和土壤颗粒结合，促进有机质改良土壤结构的效果。可见，设施菜地土壤结构已经引起了学者们的普遍关注，强烈人为作用下设施菜地土壤结构一般表现为板结退化，但仍有部分研究结论恰恰相反，是否与土壤本身性质和后期的管理措施密切相关，也还需进一步的研究探索。

太湖地区是我国东部典型稻麦轮作区，也是长三角地区重要的蔬菜生产基地，20世纪90年代以来大面积的水田和露天菜地改为设施蔬菜种植。本文以太湖地区长期种植的稻田、露天菜地和设施菜地为研究对象，采集耕层和犁底层土壤进行理化分析，以土壤大孔隙(> 50 μm)、水稳性团聚体表征土壤结构，将设施菜地与当地传统的稻田和露天菜地两种土地利用方式进行对比，探究设施菜地土壤结构变化特征，分析其影响因子，为设施菜地土壤资源的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于江苏省宜兴市周铁镇太湖渎区(31°25'13.74N，120°1'18.00E)，为亚热带季风气候，年平均温度和降水量分别为15.6 ℃和1 210 mm，约有231 d无霜期^[12]。该地区毗邻太湖，夜潮性明显，水稻土为湖白土，菜地土壤为潮土^[13]。研究选取的长期设施菜地、露天菜地、稻田距离小于1 km，各选5个面积约为333 m²的地块作为重复。稻田是典型稻麦轮作制，每年6—9月种植水稻，11月至次年6月种植小麦，种植前施用3.38 t/hm²尿素作基肥。菜地作物种类有番茄、黄瓜、白菜、生菜和芹菜等。露天菜地平均每年种植2 ~ 3茬，平均每年施用有机肥(砻糠灰∶鸡粪稻壳1∶2)27 t/hm²，复合肥1.35 t/hm²。设施菜地从9月到次年7月平均种植4茬，最多能种6茬，7月到9月休耕，每茬施用有机肥(砻糠灰∶鸡粪稻壳1∶2)11.3 t/hm²，复合肥0.53 t/hm²，一般不追肥。

1.2 样品采集与处理

2017年6月底采集土壤样品。按耕作深度和土壤紧实程度划分耕作层(0 ~ 15 cm)和犁底层(15 ~ 30 cm)，各层分别采集100 cm³原状环刀土柱(直径50.46 mm，高50 mm)3个，五点混合取土采集各层土样2 kg装入塑封袋内带回，在室内风干、研磨，分别过10目、60目、100目筛用于土壤理化性质分析。同时，在耕层和犁底层分别采集2 kg土壤样品带回室内，沿土壤自然结构将土样掰成直径约1 cm的小块，去除石砾、根系等杂质，在阴凉处风干后供后续水稳性团聚体分析。

1.3 测定项目与方法

土壤容重采用环刀法(100 cm³)测定，总孔隙度根据容重计算获得，土壤密度采用平均密度值2.65 g/cm³。土壤颗粒组成采用吸管法测定(以质量分数计)，质地分级采用美国制。土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化法^[14]。

土壤大孔隙(> 50 μm)孔隙度测定采用Eijkel-kamp Sandbox(08.01) 沙箱法^[15-16]。根据Greenland^[17]将土壤大孔隙区分为两个主要的类型：①50 ~ 500 μm的传输孔隙；② > 500 μm的孔隙，即裂隙。当量孔径(d，mm)与压力水头(H，cm)的计算公式为：d(mm)=3/H。将原状土壤环刀置于水中浸泡至饱和(24 h)后称重，再放入沙箱中，分别设置沙箱水头为6 cm和60 cm，饱和含水量与6 cm压力水头下的含水量差值即为 > 500 μm孔隙度，> 50 μm的孔隙度对应的是饱和含水量与60 cm水头下含水量差值。

土壤水稳性团聚体测定采用湿筛法^[18]。取200 g风干土样，放入孔径依次为5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套筛上层，置于振荡式机械筛分仪中筛分得到干筛土壤团聚体，按干筛各级团聚体比例配成50 g混合土样，放置在孔径依次分别为5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm的套筛最上层，将套筛放入团粒分析仪中，加水没过套筛最上层团聚体，静置10 min后，开机将套筛上下振荡10 min，分离出各级套筛上的水稳性团聚体置于铝盒内烘干称重，得到不同粒径水稳性团聚体含量(以质量分数计)。

团聚体平均重量直径(mean weight diameter, MWD)计算公式为：

$ \text{MWD(mm)=}\sum\limits_{i = 1}^n {{X_i}{W_i}} $

(1)

式中：MWD为团聚体平均重量直径(mm)；X_i为任意径级范围内的团聚体平均直径(mm)；W_i为对应于X_i的团聚体质量分数。

团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction, PAD)计算公式为：

$ \text{PAD=} \frac{{{R_{0.25}}_{\rm{D}} - {R_{0.25}}_{\rm{W}}}}{{{R_{0.25}}_{\rm{D}}}}×100\% $

(2)

式中：PAD为团聚体破坏率(%)，R_0.25D为 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量(%)，R_0.25W为 > 0.25 mm水稳性团聚体含量(%)。

1.4 数据处理

采用SPSS 24.0对数据进行分析，单因素ANOVA进行方差分析，Duncan法进行多重比较，显著性水平P < 0.05；相关分析用双变量相关中的Spearman法，显著性水平P < 0.05和P < 0.01；应用Excel绘制图表。

2 结果 2.1 设施菜地土壤有机质含量增加，容重降低

表 1显示，研究区土壤质地比较均一，以粉砂为主，为粉砂(壤)土，粉粒含量基本高于80%，比较适宜蔬菜种植。与稻田和露天蔬菜地相比，设施菜地耕层土壤容重分别降低了12.0% 和8.30%，总孔隙度分别增加了10.8% 和6.90%；但3种利用方式下犁底层容重和孔隙度均无显著差异。说明设施蔬菜种植显著改善了土壤耕层结构。设施菜地土壤有机质积累明显，耕层有机质含量分别比稻田和露天菜地高108% 和78.7%，且犁底层有机质含量也分别比稻田和露天菜地高44.7% 和79.8%。这可能得益于该区设施蔬菜种植中大量有机肥料的投入。

2.2 设施菜地土壤传输孔隙明显增加

研究区3种土地利用方式的土壤大孔隙度(当量孔径 > 50 µm)分布情况如图 2所示。设施菜地耕层土壤各级孔隙度都有明显增加，与稻田相比，50 ~ 500 µm和 > 500 µm的孔隙度分别增加了133% 和140%；与露天菜地相比，50 ~ 500 µm和 > 500 µm的孔隙度分别增加了120% 和50.4%，说明设施菜地土壤孔隙结构明显改善。3种利用方式下犁底层各级孔隙均无显著差异，犁底层土壤孔隙没有受到土地利用方式改变的影响。

2.3 设施菜地土壤大团聚体和团聚体稳定性明显增加

土壤团聚体含量分布如图 3所示，在耕层土壤中，相比于稻田和露天菜地，设施菜地 < 0.053 mm的小团聚体含量分别减少了49.0% 和41.4%，0.25 ~ 0.5 mm的大团聚体含量分别减少了36.6% 和24.4%，但0.5 ~ 1 mm大团聚体含量分别增加了54.6% 和31.1%，1 ~ 2 mm大团聚体含量分别增加了300% 和117%，即设施菜地大团聚体含量总体是增加的。0.25 ~ 0.5 mm团聚体含量的减少可能是因为形成了更大的团聚体。在犁底层土壤中也有相似的趋势，设施菜地0.053 ~ 0.25 mm小团聚体含量较稻田和露天菜地减少了31.2% 和34.9%，0.5 ~ 1 mm大团聚体含量分别增加了89.7% 和142%。综上，设施菜地对小团聚体向大团聚体转变具有明显的促进作用。

设施蔬菜种植对土壤水稳性团聚体平均重量直径(MWD)和破坏率(PAD)影响显著(表 2)，相比于稻田和露天菜地，设施菜地耕层土壤中MWD分别提高了72.3% 和26.6%，PAD分别降低了46.5% 和37.8%；犁底层土壤中MWD分别提高了83.9% 和78.1%，PAD分别降低了42.9% 和44.8%。结果表明，设施蔬菜种植促进土壤形成更稳定的团聚体结构。

3 讨论 3.1 设施蔬菜种植土壤结构明显改善

一般情况下，结构良好的耕地，耕作层的容重大约在1.14 ~ 1.26 g/cm^[19]，大孔隙度不低于10%^[20]。本研究中设施蔬菜地耕层容重仅为1.10 g/cm³，大孔隙度高达19.4%，传输孔隙达14.9%，说明当地设施菜地种植后土壤孔隙结构并未发生退化。另外，耕层土壤结构结果显示，设施菜地具有较高的大团聚体含量，其团粒结构发育更稳定，结构最好。虽然一些研究也证实了设施种植后土壤孔隙结构有所改善，例如，河北曲周褐土上长期种植的设施菜地土壤容重比当地传统农田显著降低了16.5%^[21]。但是，许多研究认为常规设施蔬菜种植会导致土壤结构退化。例如，孔超等^[5]研究江苏南京粉砂质黏壤土水稻田转化为的设施蔬菜地土壤容重增加了8.80%，总孔隙度减少了20.8%，结构恶化；蔡彦明等^[22]和沃飞等^[23]研究天津壤土设施菜地也发现，长期种植后其土壤容重增大了19.5%，总孔隙度减小了12.4%。万毅林和高明^[7]研究发现，重庆紫色土设施菜地1 ~ 0.25、＞3和＞5 mm水稳性团聚体含量均表现为1 a＞5 a＞10 a，土壤团聚体破坏率也呈逐年增加趋势，种植1 a的土壤团聚体破坏率为27.8%，5 a和10 a分别高达49.9% 和58.7%。造成这种差异的原因可能有以下两方面：一方面，耕作土壤板结的主要原因来源于有机质含量的降低^[24]。本研究露天菜地和设施菜地为保证蔬菜生产施用了大量有机肥，每茬施用有机肥高达11.3 t/hm²，有效增加了有机质含量，进而维持了土壤结构。研究表明，鸡粪类有机肥施入能提高土壤中的微生物代谢进而促进团粒结构发育，改良土壤结构^[24]；土壤大团聚体含量及大团聚体稳定性随有机肥施用量增加而增加^[25]。其他设施菜地土壤结构退化可能是大量施用化肥、有机肥施用量不足造成的。另一方面，通过对比发现，设施种植后土壤结构退化地区其土壤黏粒含量都在30% 以上，质地黏重，黏粒在灌溉和耕作过程中易受扰动而压实，填充孔隙^[26-27]。而本研究中的土壤质地为粉砂土和粉砂壤土，黏粒含量在10% 左右，不易在耕作和灌溉后将原有的大孔隙填压，而且当地土壤耕层疏松犁底层紧实，既通气透水又保水保肥，有利于团粒结构发育。综上，该地区设施菜地能维持良好的土壤孔隙结构，可能与大量施用有机肥和粉砂壤土质地有关。

3.2 土壤质地和有机质对维持土壤传输孔隙和团聚状态起决定作用

表 3显示，土壤有机质含量与50 ~ 500 μm传输孔隙孔隙度和团聚体水稳性均呈极显著正相关(P < 0.01)，土壤砂粒含量也与传输孔隙孔隙度、大团聚体含量和水稳性呈极显著正相关，另外，土壤粉粒含量与传输孔隙孔隙度和大团聚体水稳性呈极显著负相关。可见，对土壤孔隙和团聚体性质影响最大的主导因素是土壤有机质和土壤质地。

依据相关性分析结果，对土壤大团聚体(> 0.25 mm)含量、传输孔隙(50 ~ 500 µm)度与粉、砂粒含量分别建立线性关系(图4)，砂粒含量增加1.00%，大团聚体含量增加5.47%，传输孔隙度增加1.59%；粉粒含量增加1.00%，大团聚体含量减少3.40%，传输孔隙度减少0.88%。结果表明，土壤容重、有机质和土壤质地对维持土壤传输孔隙结构和土壤团聚状态具有重要作用。

4 结论

本研究区轻质粉砂壤土进行设施蔬菜种植后，每茬施用有机肥11.3 t/hm²，有效避免了集约化种植后的土壤板结现象，土壤耕层结构得以改善，土壤大孔隙，尤其是传输孔隙(50 ~ 500 µm)显著增加；并促进了小团聚体结构向大团聚体的转化，大团聚体(> 0.25 mm)总含量增加，团聚体稳定性增强，土壤结构参数与有机质含量和砂粉粒含量显著相关。研究区土壤质地为粉砂壤土，质地轻，设施种植中有机肥施用量倍增，有机质含量显著提高，有利于加强设施菜地土壤结构的改善。因此，质地轻的土壤更适合设施蔬菜的种植，有机肥的施用对保持设施菜地土壤结构非常重要。