張敬敏,隋申利,李艷瑋,魏 珉,趙利華
不同年限溫室土壤鹽分變化及對土壤退化的影響①
張敬敏1,2,隋申利2,李艷瑋2,魏 珉3,趙利華2
(1 濰坊科技學(xué)院山東省高校設(shè)施園藝實(shí)驗(yàn)室,山東壽光 262700;2 山東壽光歐亞菜有限公司,山東壽光 262704;3 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安 271018)
為明確種植年限與土壤鹽分及土壤退化間的關(guān)系,選擇栽培模式和管理方式相近的溫室,研究其土壤鹽分、pH和交換性鹽基離子隨種植年限的變化趨勢。結(jié)果表明:隨種植年限的增加,土壤全鹽量增加,第18年達(dá)1.833 g/kg;土壤K+和SO2– 4含量升高,Ca2+、Mg2+和HCO– 3含量降低;土壤中Na+和Cl–增量相對較少。土壤鹽離子之和占全鹽百分比在第6年平均為77.58%,而至第18年時為52.46%,說明隨著種植年限延長,土壤鹽離子組成已發(fā)生較大改變。土壤pH,第18年比第6年平均下降了1.01個單位,土壤交換性鹽基下降了20.11%。因而,隨溫室種植年限延長,土壤鹽漬化嚴(yán)重,酸化程度加重,交換能力下降,土壤肥力下降。
溫室;土壤;年限;鹽分;退化
土壤鹽漬化是土壤中可溶性鹽類隨水向表層移動,使表層可溶性鹽含量超過1 ~ 2 g/kg的過程,土壤表層含鹽量2 ~ 5 g/kg時可對植物產(chǎn)生不利影響。設(shè)施栽培中由于高水肥投入、高強(qiáng)度利用、高溫高濕、無自然雨淋等特殊條件,土壤鹽漬化問題較嚴(yán)重。余海英等[1]通過研究遼寧新民、山東壽光、江蘇常州及四川雙流4個地區(qū)64個具有代表性的設(shè)施土壤,認(rèn)為研究區(qū)域內(nèi)已有40% ~ 89% 的土壤含鹽量超過了作物正常生長的臨界含量。施毅超等[2]研究表明,江蘇省宜興市20% 的大棚土壤已發(fā)生次生鹽漬化,有些地方土壤含鹽量達(dá)到4.7 ~ 5.7 g/kg,表層鹽分含量是露地的4 倍~ 5 倍。童敏等[3]研究表明,保護(hù)地土壤的各種鹽基離子是正常土壤的4.3 倍~ 19.6倍。李濤等[4]研究表明,山東省約39.73% 的設(shè)施菜地出現(xiàn)不同程度的次生鹽漬化現(xiàn)象(輕度鹽漬化為28.64%,中度鹽漬化為8.37%,重度鹽漬化為2.29%)。而張緒美等[5]對江蘇太倉的大棚菜地研究得出,69.84% 的土壤鹽分累積量超過安全水平(51.59% 為輕度鹽土,10.32% 為中度鹽土,5.56% 為重度鹽土)。由此可看出溫室土壤次生鹽漬化問題的普遍性和嚴(yán)重性。
有關(guān)溫室土壤鹽分離子組成和數(shù)量的研究較多,但由于土壤類型、施肥種類和數(shù)量、灌溉水質(zhì)和種植管理方式等不同,鹽分離子種類和數(shù)量各不相同[1-10]。陳碧華等[8]對新鄉(xiāng)市不同種植年限大棚菜田研究表明,大棚菜田土壤陽離子以K+、Na+為主,陰離子主要以Cl–、NO– 2、NO– 3、SO2– 4為主;種植年限與土壤K+、Na+、Cl–、NO– 2、NO– 3、SO2– 4呈正相關(guān),與Ca2+、Mg2+、HCO– 3含量呈負(fù)相關(guān),且認(rèn)為K+、Na+、Cl–、NO– 2、NO– 3、SO2– 4是造成土壤鹽漬化的重要原因。童敏等[3]研究表明,保護(hù)地土壤陽離子以Ca2+、K+和NH4+為主,陰離子以NO– 3和SO2– 4為主。楊思存等[9]研究表明,隨著種植年限的延長,陽離子的組成始終以Ca2+為主,同時K+和Na+的含量大幅度增加,陰離子的組成由以HCO– 3為主變?yōu)橐訬O– 3和SO2– 4為主。溫室土壤鹽分離子種類和數(shù)量差異,引起土壤表面電荷的不同,土壤pH和土壤交換性鹽基也由此發(fā)生變化,研究種植年限與土壤鹽分變化、土壤pH和土壤交換性鹽基的關(guān)系,可從離子角度明確溫室土壤肥力變化的原因。
山東壽光是我國最大的溫室蔬菜生產(chǎn)基地,其“一鎮(zhèn)一品”蔬菜布局模式,使小區(qū)域內(nèi)種植和管理模式相近,且不同年限的溫室土壤之間具有較強(qiáng)的可比性,為研究溫室土壤特性提供了寶貴的實(shí)踐基地。本文以山東壽光孫集鎮(zhèn)種植和管理模式相近、年限不同的溫室土壤為研究對象,研究土壤鹽分、pH和交換性鹽基隨種植年限的變化趨勢,分析種植年限對鹽分和土壤肥力退化的影響,為科學(xué)管理溫室土壤提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)土壤樣品均采自山東省壽光市孫集鎮(zhèn),該村蔬菜種植模式一年兩茬(黃瓜-苦瓜)。不同年份,基肥穿插使用雞糞(年用量75 m3/hm2)或稻殼糞(240 m3/hm2)+豆餅(3 750 kg/hm2);追肥主要為氮磷鉀平衡的水溶性沖施肥(N∶P2O5∶K2O= 20∶20∶20),年施用量為3 000 kg/hm2。
選擇不同種植年限(6、8、10、12、14、18 a)的溫室土壤取樣,每年限取3個溫室,取樣時間為2016年7月左右,前茬作物采收完。五點(diǎn)取樣法,采樣深度為0 ~ 20 cm,將土樣剔除石塊和根系,風(fēng)干備用。
土壤全鹽采用質(zhì)量法測定;K+和Na+含量采用火焰光度法測定;Ca2+和Mg2+含量采用EDTA滴定法測定;CO2– 3和HCO– 3含量采用雙指示劑中和滴定法測定;SO2– 4含量采用容量法測定;Cl–含量采用硝酸銀滴定法測定;鹽離子之和由離子加和法求得。交換性鹽基采用乙酸銨交換法測定。土壤酸堿度( pH)采用電位法(水土比為5∶1) 測定。
數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理并制作股價圖,柱形圖最高最低點(diǎn)分別表示該指標(biāo)的最高值和最低值,平均值高于中間值則是實(shí)體柱,平均值低于中間值則是空體柱。同時采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性分析。
由圖1可見,土壤全鹽量隨種植年限的延長而增加;前期全鹽量增加較慢,第6、8、10年平均全鹽量分別為0.907、0.887和0.934 g/kg。隨著時間的延長,全鹽增加幅度變大,第12、14、18年的平均全鹽量分別為1.061、1.148和1.564 g/kg。且隨種植年限的延長,同年限的不同溫室間全鹽量差異較大,如第10年時,全鹽量最高為0.960 g/kg,最低為0.910 g/kg;而第18年時最高為1.833 g/kg,最低為1.382 g/kg,同年限溫室間差異可達(dá)0.451 g/kg,且土壤全鹽量超過1.0 g/kg,已發(fā)生次生鹽漬化,對植物生長有一定的危害。
(股價圖中,中間垂線最高、最低點(diǎn)分別表示該指標(biāo)的最高值和最低值,平均值高于中間值則是實(shí)體柱,平均值低于中間值則是空體柱)
2.2.1 土壤水溶性陽離子 由表1可見,土壤水溶性K+含量隨種植年限的延長而增加,不同棚室之間土壤K+差異有增加的趨勢。第6、8、10、12年,土壤水溶性K+含量無顯著差異,隨種植年限的增加,第14年和18年的溫室土壤與第6、8、10、12年的溫室土壤,存在顯著差異。第18年時土壤水溶性K+含量最高值為0.140 0 g/kg,最低值為0.080 0 g/kg。土壤水溶性Na+含量隨種植年限延長而增加,但整體較平緩,平均值在0.062 7 ~ 0.083 7 g/kg。
土壤水溶性Ca2+含量隨種植年限的延長而降低,第6年和第18年分別為0.197 3和0.168 7 g/kg,但整體變化較平緩,平均值介于0.197 3 ~ 0.154 7 g/kg。隨著種植年限的延長,同年限不同棚室之間差異變大,至第18年時,土壤水溶性Ca2+含量最高為0.238 0 g/kg,最低為0.132 0 g/kg。
表1 不同種植年限溫室土壤可溶性陽離子(g/kg)
注:同列不同小寫字母表示不同種植年限間差異在<0.05水平顯著,下同。
土壤水溶性Mg2+含量隨種植年限的延長而降低,第6和8年平均分別為0.117 3和0.143 0 g/kg,第10年急劇降低至0.089 7 g/kg,第18年平均為0.068 0 g/kg。前期同年限溫室土壤Mg2+含量差異較大,在第6年時最高為0.205 0 g/kg,最低為0.048 8 g/kg;隨著種植年限的增加,同年限溫室之間Mg2+含量差異變小,至第18年時,最高為0.081 2 g/kg,最低為0.057 0 g/kg。
由此可見,土壤中一價陽離子K+和Na+含量隨著溫室種植年限的延長而升高,而二價陽離子Ca2+、Mg2+含量卻隨種植年限的延長而降低。K+含量升高幅度較大,Mg2+含量降低幅度較大,可能是高量鉀肥投入,對Ca2+、Mg2+有一定的拮抗作用。
2.2.2 土壤水溶性陰離子 由表2可見,土壤水溶性SO2– 4含量總體隨種植年限的延長而升高,第6年平均為0.050 0 g/kg,第18年時平均為0.106 0 g/kg。同年限不同溫室的土壤SO2– 4含量差異較大,第12年時差異最大,最高為0.109 4 g/kg,最低為0.025 0 g/kg。
表2 不同種植年限溫室土壤水溶性陰離子(g/kg)
土壤水溶性HCO– 3含量隨種植年限的增加而降低,第6、8、10、12年平均含量分別為0.239 7、0.260 7、0.225 7和0.209 7 g/kg,第14和18年平均含量分別為0.148 7和0.154 0 g/kg。第12年時同年限土壤HCO– 3含量差異最大,最高為0.256 2 g/kg,最低為0.152 5 g/kg;第18年時最高為0.172 5 g/kg,最低為0.136 0 g/kg,差異變小。這可能是因?yàn)殡S土壤種植年限的增加,土壤板結(jié)加重,土壤呼吸作用減弱,土壤中HCO– 3含量也降低。
土壤水溶性Cl–含量隨種植年限的延長而稍有提高,但整體變化不大,各年限平均值分別為0.019 7、0.027 3、0.024 0、0.019 0、0.024 0 和0.032 0 g/kg,最高含量出現(xiàn)在第18年時,為0.038 0 g/kg,最低含量出現(xiàn)在第12年時,為0.010 7 g/kg。
2.2.3 水溶性鹽基之和及占全鹽的百分比 由圖2可見,溫室土壤鹽離子之和隨種植年限的增加而稍有降低,整體差異不大,各種植年限的平均值分別為0.702、0.729、0.690、0.589、0.574和0.697 g/kg。說明土壤溶液中,這些鹽分的絕對含量相對穩(wěn)定。但從鹽離子之和占全鹽的百分比來看,其隨著種植年限的延長而逐漸下降,各年限的平均值分別為77.58%、82.20%、73.95%、58.20%、54.13% 和46.47%,自第12年開始急劇降低。說明隨著種植年限延長,土壤鹽離子組成已發(fā)生較大改變,由于施肥量的增加,土壤中增加了許多其他鹽離子。
土壤鹽漬化和土壤酸化常相伴而生。由圖3可見,隨種植年限的延長,溫室土壤pH逐漸降低,各年限土壤pH平均為8.00、7.98、7.59、7.81、7.50和6.99。第6年和第18年相比,土壤pH下降了1.01個pH單位。H+被土壤膠體吸收后,隨著陽離子交換作用的進(jìn)行,鹽基飽和度逐漸下降,而氫飽和度逐漸提高。
圖2 不同年限溫室土壤水溶性鹽基之和及占全鹽的百分比
圖3 不同年限溫室土壤pH和交換性鹽基的變化
交換性鹽基指土壤膠體吸附的K+、Na+、Ca2+、Mg2+,可以反映土壤保蓄陽離子的能力,是土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一。溫室土壤交換性鹽基總量隨種植年限延長而降低。第6年時,最高為46.50 cmol/kg,最低為41.00 cmol/kg,平均為43.50 cmol/kg;至第18年時,最高為38.50 cmol/kg,最低為31.00 cmol/kg,平均為34.75 cmol/kg,第18年較第6年平均降低了20.11%。土壤交換性鹽基降低,土壤礦物質(zhì)營養(yǎng)元素流失嚴(yán)重,土壤肥力下降、板結(jié),不利于植物吸收養(yǎng)分。
土壤次生鹽漬化的發(fā)生與水肥管理措施密切相關(guān)[3-10]。有研究認(rèn)為,溫室種植4a或5 ~ 6 a土壤鹽分累計(jì)達(dá)到最高[1,5,8],如山東壽光文家鎮(zhèn)連續(xù)種植了4 a的設(shè)施土壤其含鹽量可達(dá)6.01 g/kg[1],之后因采取的各種管理措施,土壤鹽分趨于平緩或有所降低[5]。另有研究表明,隨著種植年限的延長,日光溫室耕層土壤鹽分含量持續(xù)增加[3]。據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果,水肥管理不當(dāng)?shù)那闆r下,種植3 a的溫室土壤鹽分可達(dá)高達(dá)2.90 g/kg[12]。但在本試驗(yàn)中,土壤全鹽量至種植第18年時最高含量1.833 g/kg,發(fā)生次生鹽漬化,但未達(dá)嚴(yán)重鹽漬化程度。這一方面由于不同溫室的管理和施肥量不同而造成的,另一方面是由取樣時間決定的,本次取樣時間為7月,是早春茬苦瓜生產(chǎn)后期,地溫高用肥量少,灌水次數(shù)較多,是一年當(dāng)中含鹽量最低的時間段,降至2 g/kg以下。
土壤水溶性陽離子主要包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+,陰離子主要包括CO2– 3、HCO– 3、Cl–、SO2– 4等。雖然各地菜田土壤鹽分及離子組成各不相同,但仍有許多相似之處[1-12]。多數(shù)研究認(rèn)為NO– 3和SO2– 4是設(shè)施土壤次生鹽漬化的主要特征之一[9,11,13],有些設(shè)施土壤中陰離子則以Cl–或SO2– 4為主,陽離子以Ca2+和K+為主[14-15]。本試驗(yàn)中,土壤水溶性陽離子前期以Ca2+和Mg2+含量較高,隨著種植年限的延長,K+和Na+含量升高,Mg2+含量逐漸降低;土壤水溶性陰離子,前期以HCO– 3含量較高,隨種植年限的延長,HCO– 3含量降低,但仍是土壤中主要的陰離子;隨種植年限的增加,陰離子以HCO– 3和SO2– 4為主。這一方面是由于研究區(qū)鉀肥多為硫酸鉀,長期過量施用,必然導(dǎo)致土壤中K+和SO2– 4含量增高;另一方面,由于K+與Ca2+、Mg2+間的拮抗作用,過量的鉀吸附在土壤膠體表面,導(dǎo)致Ca2+和Mg2+的流失較重。Na+的升高或許與土壤pH和土壤板結(jié)密切相關(guān),有待進(jìn)一步研究。從土壤鹽離子之和逐年降低來看,土壤中新增的鹽離子數(shù)量較多,鹽分種類也發(fā)生較大變化。
土壤次生鹽漬化與土壤酸化及交換性鹽基密切相關(guān)[16-18]。多數(shù)研究認(rèn)為NO– 3和SO2– 4含量在全鹽含量中所占比例的不斷上升是保護(hù)地土壤酸化的主要原因[15-17]。范慶鋒等[16]研究了遼寧省沈陽市于洪地區(qū)保護(hù)地土壤,栽培6 a后土壤pH從6.50降低至5.50以下,認(rèn)為土壤NO– 3、SO2– 4和Cl–大大增加,Ca2+、Mg2+和Na+相對比例的下降,是影響土壤 pH重要的原因。張敬敏等[12]通過室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)研究了土壤鹽分離子總電荷變化,認(rèn)為不合理的施肥使土壤陽離子的存留量降低,可引起土壤酸化。以上研究均表明,土壤鹽漬化引起的土壤陽離子的減少及陰離子的增加,是土壤酸化的根本原因。本研究也表明,隨種植年限延長,土壤中K+和Na+含量提高幅度低于Ca2+和Mg2+含量降低幅度,土壤交換性鹽基離子減少,陽離子電荷數(shù)減少,從而導(dǎo)致土壤酸化和供肥能力的降低。同時,HCO– 3還能水解可產(chǎn)生OH–,本研究中,隨著種植年限的延長,HCO– 3含量降低,也是引起土壤酸化的重要原因之一。因此,次生鹽漬化可造成土壤酸化和供肥能力的減弱,而造成土壤發(fā)生次生鹽漬化的主要原因是不合理施肥和管理模式等人為外在因素,合理正確的施肥是設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本。
1)隨種植年限的增加,溫室土壤全鹽量、水溶性K+和SO2– 4含量升高,水溶性Ca2+、Mg2+和HCO– 3含量降低;土壤中Na+和Cl–增量相對較少。土壤中K+和Na+含量提高幅度低于Ca2+和Mg2+含量降低幅度,陽離子電荷數(shù)減少,是導(dǎo)致土壤酸化的原因之一。
2)隨種植年限的增加,溫室土壤鹽離子之和變化不大,而鹽離子之和占全鹽卻逐漸下降,說明隨著種植年限延長,土壤鹽離子組成已發(fā)生較大改變,土壤中增加了許多其他鹽離子。
3)隨種植年限增加,溫室土壤交換性鹽基含量降低,土壤礦物質(zhì)營養(yǎng)元素流失嚴(yán)重。
4)土壤pH隨種植年限的增加而降低,H+被土壤膠體吸收后,土壤表面氫飽和度逐漸提高,鹽基飽和度逐漸下降,交換能力下降,土壤肥力下降。
[1] 余海英, 李廷軒, 周健民. 設(shè)施土壤鹽分的累積、遷移及離子組成變化特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(4): 642–650
[2] 施毅超, 胡正義, 龍為國, 等. 輪作對設(shè)施蔬菜大棚中次生鹽漬化土壤鹽分離子累積的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 19(3): 548–553
[3] 童敏, 陳文海, 滕明益, 等. 海寧市保護(hù)地土壤鹽漬化調(diào)查與成因分析[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 57(6): 955–958
[4] 李濤, 于蕾, 吳越, 等. 山東省設(shè)施菜地土壤次生鹽漬化特征及影響因素[J]. 土壤學(xué)報, 2018, 55(1): 100–110
[5] 張緒美,沈文忠,胡青青. 太倉市郊大棚菜地土壤鹽分累積與分布特征研究[J]. 土壤, 2017, 49(5): 987–991
[6] 呂真真, 楊勁松, 劉廣明, 等. 黃河三角洲土壤鹽漬化與地下水特征關(guān)系研究[J]. 土壤學(xué)報, 2017, 54(6): 1377– 1386
[7] 緱倩倩, 韓致文, 屈建軍, 等. 秦王川灌區(qū)農(nóng)田土壤鹽分離子特征分析[J]. 土壤, 2014, 46(1): 100–106
[8] 陳碧華, 楊和連, 李亞靈, 等. 不同種植年限大棚菜田土壤水溶性鹽分的變化特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(1): 241–245
[9] 楊思存, 霍琳, 王成寶, 等. 蘭州市日光溫室土壤鹽分積累及離子組成變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35 (8): 1541–1549
[10] 錢曉雍. 塑料大棚設(shè)施菜地土壤次生鹽漬化特征[J]. 中國土壤與肥料, 2017(5):73–78
[11] 黃紹文, 高偉, 唐繼偉, 等. 我國主要菜區(qū)耕層土壤鹽分總量及離子組成[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(4): 965–977
[12] 張敬敏, 隋申利, 魏珉. 不同營養(yǎng)液對溫室土壤鹽漬化的影響[J]. 北方園藝, 2016(20): 175–177
[13] 楊慧, 谷豐, 杜太生. 不同年限日光溫室土壤硝態(tài)氮和鹽分累積特性研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2014, 30(2): 240– 247
[14] 陳竹君, 王益權(quán), 許安民, 等. 施用不同種類氮肥對日光溫室土壤溶液離子組成的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2008, 14(5): 907–913
[15] 李鳳根, 張丹, 徐君, 等.浙江省設(shè)施栽培土壤鹽分的積累與組成特點(diǎn)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 57(6): 861–863
[16] 范慶鋒,張玉龍,陳重. 保護(hù)地蔬菜栽培對土壤鹽分積累及pH值的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2009, 23(1): 103– 106
[17] Wang H Y, Zhou J M, Chen X Q, et al. Interaction of NPK fertilizers during their transformation in soils: I. Dynamic changes of soil pH [J]. Pedosphere, 2003, 13(3): 257–262
[18] Li C B, Ji G L. Interactions of Cl–, SO2– 4 and H2PO– 4 anions with soils as inferred from conductivity dispersion[J]. Acta Pedologica Sinica, 1999, 36(1): 54–59
Soil Salinity Changes in Greenhouse with Years and Their Effects on Soil Degradation
ZHANG Jingmin1,2, SUI Shenli2, LI Yanwei2, WEI Min3, ZHAO Lihua2
(1 Weifang University of Science and Technology, Facility Horticulture Laboratory of Universities in Shandong, Shouguang, Shandong 262700, China; 2 Shouguang Ou-yate Vegetable Limited Company, Shouguang, Shandong 262704, China; 3College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China)
To understand the relationship between cropping years and soil salinity and degradation, the greenhouses with similar cultivation pattern and management but different years were selected, and variation of soil salinity, pH and exchangeable base were studied. The results showed that: with the increase of cropping years, soil total salt content increased, and reached to 1.833 g/kg in the 18thyear; K+and SO2– 4contents inceresed, Ca2+, Mg2+and HCO– 3contents decreased, while Na+and Cl–contents slightly increased. Total salt ions percentage accounted for 77.58% in the 6thyear and 52.46% in the 18thyear of total salt content, indicating the composition of soil salt ions were changed. Soil pH decreased by 1.01 units and soil exchangeable base decreased by 20.11% in 18thyear than the 6thyear. It can be concluded that with the increase of cultivation year, soil salinization and acidification became more and more serious and ion-exchange capacity decreased in greenhouse, which caused the degradation of soil fertility.
Greenhouse; Soil; Years; Salinization; Degradation
“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD05B03)、山東省高校設(shè)施園藝實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2018YY003)和山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(公益類)項(xiàng)目(2019GSF109113)資助。
張敬敏(1975—),女,山東濟(jì)寧人,博士,副教授,主要從事溫室土壤質(zhì)量調(diào)查與分析工作。E-mail:jmzhang1301@126.com
S157.4
A
10.13758/j.cnki.tr.2019.06.019