不同种植年限设施西瓜土壤可溶性盐组分变化特征

　　摘 要：为研究设施西瓜种植年限对土壤可溶性盐组分变化的影响，采用田间取样及室内分析相结合的方法，研究连续种植不同年限(0~6年)西瓜的设施土壤可溶性盐含量及组分的变化。结果表明：与麦地土壤相比，设施西瓜土壤pH值显著降低(P<0.01);土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加(P<0.01);电导率显著增加且随着设施西瓜种植年限的延长而显著增加趋势(R2 =0.90，P<0.01)。设施西瓜土壤可溶性盐阳离子以Ca2+ 和Mg2+ 为主，阴离子以SO4 2- 和NO3 - 为主。随着设施西瓜种植年限的增加，设施西瓜土壤可溶性盐总量显著增加(R2 =0.93，P<0.01)，增加的可溶性盐主要为Ca2+ 、K+ 、NO3 - 和Cl- ，分配比例分别为31.3%、10.1%、23.6%和15.0%。相关分析表明，供试的设施西瓜土壤速效磷、速效钾与盐基离子 Na+ 、K+ 、SO4 2- 和Mg2+ 含量显著相关(P<0.05)，土壤电导率(EC)与土壤可溶性盐总量相关关系达到显著水平(P<0.05)。

　　关键词：种植年限;设施西瓜土壤;土壤速效养分;次生盐渍化

　　0 引言

　　中国自引进设施栽培技术以来，因经济效益高、受季节影响小等优点而迅速发展。西瓜是国内重要的经济作物，是设施农业栽培中较为常见的水果之一， 2003 年国内的西瓜栽培面积为 219.9 万 hm2 ，占世界西瓜栽培面积的 58.2%[1] 。2003 年以后，中国的西瓜栽培面积和年产量都呈增长趋势。目前种植面积己占世界西瓜总面积的 1/2 以上，产量占世界总产量的 2/3 以上[2-3] 。中国己经成为世界西瓜产业的第一大国，设施西瓜种植在调整农业产业结构、增加农民收入中发挥着越来越重要的作用[4] 。但是，由于设施西瓜种植过程中施肥量大，土壤大都处于密闭环境，雨水淋洗少，加之不合理的管理措施，导致设施西瓜土壤酸化和次生盐渍化突出，严重制约着国内西瓜产业的可持续发展[5-6] 。

　　氮肥的施用是提高作物产量的重要手段。1981— 2008年，中国氮肥消费量从1118万t增加到3292万t，约占全球氮肥总量的35%[7] 。养分过量投入在设施农业生产中时有发生，尤其突出的是氮肥大量施用。已有研究证实，设施农业生产过程中以有机肥和化肥形式投入的氮量远超出作物本身的氮素需求量，是大田粮食作物的数十倍，造成氮肥利用率较低[8-9] 。大量的氮素一部分以氮的不同形态残留于土壤中，一部分通过不同途径损失于环境之中，这不仅造成农作物品质下降，同时引起了一系列环境问题，特别是水体污染[10-11] 及N2O 等温室气体排放[12] 。另一方面，设施土壤硝态氮的产生往往伴随着土壤pH值下降和盐分含量的提高，种植数年的设施土壤易发生酸化和盐渍化[13-14] ，对土壤环境产生直接的危害，影响作物的生长[15] 。因此深入了解设施土壤可溶性盐组成对研究设施土壤次生盐渍化形成和治理具有重要的意义。国内外学者已经较为全面地研究了施肥、水分运筹和管理方式等对设施土壤可溶性盐分含量及组分的影响，但针对种植年限与设施土壤可溶性盐组分变化关系的研究还较少。明确不同种植年限设施西瓜土壤可溶性盐组分变化特征对深入认识设施土壤次生盐渍化问题和合理施肥具有重要的参考意义。笔者选择山东省不同种植年限的设施西瓜土壤作为研究对象，研究种植年限对设施西瓜土壤可溶性盐组分的影响，旨在为设施西瓜土壤次生盐渍化问题的相关研究提供参考。

　　1 材料与方法

　　1.1 研究区域概况

　　供试土壤采自山东省潍坊市昌乐县。昌乐县是中国著名的“西瓜之乡”，西瓜种植面积超过1万hm2 。昌乐县属东部暖温带季风型大陆性气候，年平均气温 12.6，年平均降雨量 594.6 mm。地形属低山丘陵区。土壤耕层pH 6.2~8.0，平均有机质1.19%。试验点选择在昌乐县鄌郚镇崔家漳河村的设施西瓜种植园(36°19′— 36°46′N，118°43′—119°10′E)。设施西瓜棚的化学氮肥和有机肥施用量分别为500 kg N/hm2 和4 t/hm2 。有机肥为鸡粪，鸡粪中全氮、全钾和全磷平均含量分别为 1.64%、0.83%和1.53%。有机肥全部以基肥的形式施用;化学肥料一般为尿素，以基肥和追肥的形式施用，比例为 4:3，追肥在西瓜授粉后的 10 天施用。西瓜的管理方式与当地农民习惯相同。

　　1.2 土壤样品采集与分析

　　于2017年1月于西瓜移栽前采集土壤样品。为避免施肥对实验结果的影响，采样时间在基肥施用之前。考虑到随着种植年限的增加，土壤酸化程度和肥力差异较大，选择种植西瓜0、1、2、3、4、5、6年的日光温室为研究对象。不同种植年限的设施西瓜棚及对照的麦地(0年)均选自同一个行政村(昌乐县鄌郚镇崔家漳河村)且地理位置较为集中，以保证土壤的成土母质、地下水位和气候等自然条件一致。每个设施西瓜棚的种植面积均相同(长60 m，宽10 m)。每个种植年限选择3个设施西瓜棚作为试验重复。前人的研究表明，设施栽培土壤中盐分的运移同时存在着明显的向底层迁移和向表层聚集2种方式，但以表层聚集方式为主[16] 。因此，每个日光温室采用S点法采集表层(0~ 20 cm)土壤样本，将相同种植年限的 3 个日光温室土壤样品混合成一个样品，共有6个土壤样品。麦地土壤样品的采样方式与设施西瓜棚一致。所采集的土壤样品充分混匀后风干过筛，用于基本理化性质和可溶性盐含量的测定。土壤基本理化性质和可溶性盐含量参照土壤农化分析测定[17] 。

　　1.3 计算方法及数据处理

　　不同种植年限设的施西瓜土壤基本理化性质、可溶性盐基离子和可溶性盐总量的差异及其与种植年限的关系采用 SPSS 18.0 和 Excel 2003 软件进行分析。采用单因素方差分析(LSD，P<0.05)统计不同种植年限对土壤理化性质、可溶性盐基离子和可溶性盐总量的影响。种植年限与土壤理化性质、可溶性盐组分和可溶性盐总量之间的关系采用皮尔森相关分析(Pearson correlation analysis)进行。

　　2 结果与分析

　　2.1 土壤性质

　　麦地改为设施西瓜棚并连续种植 6年西瓜后，土壤基本理化性质发生了显著的变化(表1)。由于西瓜种植管理过程中化学肥料的大量施用，设施西瓜土壤的pH值显著低于麦地，以种植3年的土壤pH值最低 (pH 5.08)。与pH值的变化趋势相比，种植西瓜后土壤电导率显著高于麦地土壤(P<0.05)，且随种植年限的增加显著增加(R2 =0.90，P<0.01)。设施西瓜土壤速效养分含量均显著高于麦地土壤(P<0.05)，其中速效钾含量随种植年限的增加而显著增加(R2 =0.72，P<0.05)，速效磷和碱解氮含量随种植年限的变化没有明显规律。

　　2.2 设施西瓜土壤可溶性盐含量

　　供试土壤各组分可溶性盐含量及可溶性盐总量如表2所示。不同土壤可溶性盐各组分含量及总量均差异 显 著 (P<0.05)。 麦 地 土 壤 可 溶 性 盐 总 量 仅 为 569.2 mg/kg，改为设施西瓜棚种植西瓜6年后增加至 2311.9 mg/kg，增加了 1742.7 mg/kg，增幅 306.2%。麦地改为设施西瓜棚种植西瓜后，土壤各组分可溶性盐含量显著增加(P<0.05)。种植6年西瓜后，土壤可溶性盐中的阳离子Na+ 、K+ 、Ca2+ 、Mg2+ 含量分别比麦地土壤提高了0.9、1.9、16.9、15.1倍，Ca2+ 和Mg2+ 组分增加幅度最大;阴离子 NO3 - 、HCO3 - 、Cl- 和 SO4 2- 含量分别比麦地土壤提高了 11.4、0.3、4.0、0.8 倍，NO3 - 组分增加幅度最大。

　　将供试土壤可溶性盐基离子总量与各组分进行线性回归分析，结果如图1和表3所示。回归分析得到的曲线斜率表明，设施西瓜棚种植西瓜6年后，土壤增加的可溶性盐量在阳离子Na+ 、K+ 、Ca2+ 、Mg2+ 中的分配比例分别是4.6%、10.1%、31.3%、7.4%;土壤增加的可溶性盐量在阴离子 NO3 - 、HCO3 - 、Cl- 、SO4 2- 中的分配比例分别是 23.6%、2.2%、15.0%、6.0%，主要分配于 Ca2+ 和 NO3 - 组分中，占总可溶性盐基离子的54.9%。 2.3 不同种植年限土壤可溶性盐基离子组分结构变化

　　麦地土壤可溶性盐中阳离子占可溶性盐离子总量百分比的大小顺序为Na+ >K+ >Ca2+ >Mg2+ ，阴离子的大

　　小顺序为HCO3 - >SO4 2- >Cl- >NO3 (- 图2)。由于增加的可溶性盐含量在各盐基离子中分配比例不同，改为设施西瓜棚种植西瓜后，土壤可溶性阳离子比例大小的顺序也发生改变。Ca2+ 、Mg2+ 和NO3 - 从麦地土壤的5.8%、 1.4%、6.5%分别增加到种植 6 年后的 25.4%、5.4%、 19.9% ，而 Na + 、HCO3 - 和 SO4 2- 的 比 例 则 由 15.1% 、 24.8%、19.4%分别降至7.2%、7.7%、8.7%。种植西瓜6 年后设施西瓜棚土壤盐基离子占可溶性盐总量的大小顺序为Ca2+ >K+ >Na+ >Mg2+ ，阴离子的大小顺序为NO3 - > Cl- >SO4 2- >HCO3 (- 图2)。

　　2.4 种植年限对可溶性盐含量的影响

　　从图 3a 可以看出，随着设施西瓜种植年限的增加，土壤可溶性盐总量显著增加(P<0.01)。土壤电导率与可溶性盐也极显著相关(图3b)。土壤可溶性盐总量与土壤速效养分含量相关关系不显著。随着设施西瓜种植年限的增加，Na + 、Ca2 + 、Mg2 + 、NO3 - 、Cl- 和 HCO3 - 的含量显著增加(表4)。各离子与土壤pH值呈负相关，但相关系数不显著。Ca2+ 、Mg2+ 、NO3 - 、Cl- 和HCO3 - 与土壤电导率显著相关(P<0.05)。土壤速效磷含量与Na+ 、K+ 和SO4 2- 显著相关。土壤速效钾含量与 Na+ 和Mg2+ 相关系数达到显著水平(表4)。

　　3 结论

　　(1)麦地改为设施西瓜地后土壤pH值显著降低，电导率显著增加;土壤速效磷、速效钾和碱解氮含量显著增加。

　　(2)麦地改为设施西瓜地后，土壤可溶性盐总量及各组分含量发生了显著变化。设施西瓜土壤可溶性盐总量显著高于麦地且随着种植年限的增加呈线性增加。设施西瓜土壤增加的可溶性盐量基离子主要分配于Ca2+ 和NO3 - 组分中，占总可溶性盐基离子的54.9%。

　　(3)相关分析表明，土壤电导率与可溶性盐总量及盐基离子相关性显著，土壤可溶性盐基离子含量是影响设施西瓜土壤电导率的重要因素。

　　在设施西瓜种植的过程中，在考虑经济效益的同时，应充分考虑设施土壤的可持续发展和环境效益，减少化学肥料的施用。对于已出现盐渍化现象的设施西瓜土壤，可以采用强还原的方法改善土壤盐渍化的状况。

　　4 讨论

　　4.1 设施西瓜土壤酸化与速效养分累积

　　土壤酸化问题目前已经成为设施作物种植过程中面临的重要问题，严重制约着设施西瓜种植业的可持续发展[15] 。据报道，国内农田土壤均发生了不同程度的酸化现象，其主要原因是氮肥的大量施用[7] ，而连续种植西瓜和蔬菜的设施土壤表现的更加明显。本研究结果表明，麦地改为设施西瓜棚连续种植西瓜6年后，土壤pH值较麦地土壤显著降低，土壤电导率(EC)显著增加且随西瓜种植年限的增加呈线性增加(图3)。同时土壤速效养分显著高于麦地土壤，这可能是由于农民为了追求高产而过量施肥造成的[16] 。有研究认为，单位面积的设施土壤肥料的用量是大田土壤的4倍之多，而设施作物吸收利用的养分却仅为大田作物的2 倍左右，大量未被利用的养分及其他化学组分(Cl- 、 NO3 - 、SO4 2- )积累于土壤中导致土壤酸化(pH值降低)和盐分的积累[18] 。本研究结果也表明，设施西瓜种植过程中施用的化肥和有机肥的量远超西瓜本身需要的量，不仅造成氮磷钾肥在土壤中的积累，同时也造成了土壤酸化，而且残留在土壤中未被利用的养分成为盐基离子的主要来源，造成设施土壤可溶性盐含量增加[18] 。

　　4.2 不同种植年限设施西瓜土壤可溶性盐含量及其组成的测定意义

　　小麦地改为设施西瓜地后，可溶性盐含量显著增加，导致土壤中累积了大量的盐基离子。供试土壤中累积的阴离子以SO4 2- 和NO3 - 离子为主，分别占阴离子总量的 16.9%~39.2%和 13.7%~38.5%。2 种阴离子累积的主要原因除肥料的大量施用外，硝态氮的累积还可能是因为土地利用方式的改变刺激了土壤的硝化作用，增加了土壤硝态氮的产生量。硝态氮累积的一个直接后果就是提高土壤盐分含量，引起设施西瓜土壤质量退化[19] 。本研究中，硝态氮的含量与EC呈显著的正相关关系(R2 =0.950，P<0.01)，进一步证实了硝态氮是影响土壤盐分的一个重要因子[20] 。设施西瓜种植过程中大量的灌溉会增加硝态氮的淋溶，极易引起当地地下水硝态氮含量升高[9] 。根据国内对硫酸盐型盐化潮土的划分标准[20] ，土壤水溶性盐总量在2.0~4.0 g/kg 时，土壤即为轻度盐渍化土壤，4.0~6.0 g/kg 为中度， 6.0~10.0 g/kg 为重度，高于 10.0 g/kg 则为盐土。在本研究的供试土壤中，种植6年的设施西瓜土壤可溶性盐总的含量为 2.31 g/kg，已达到轻度盐渍化的程度。根据供试土壤可溶性盐总量随种植年限的变化规律(图3a)，预计再过6年即可达到中度盐渍化程度，如果种植过程中有促进可溶性盐含量增加的管理措施(如增加施肥等)，到达中度和重度盐渍化程度的时间会缩短。因此，需要采取合理、有效的措施控制设施西瓜土壤的盐渍化程度，如减少施肥、垂直淋洗和淹水条件下添加有机物料等[21-24] 。

　　4.3 展望

　　西瓜是对土壤盐分含量较为敏感的作物。文献报道表明，在苗期土壤可溶性盐含量达到2.0 g/kg即可抑制西瓜苗的生长并影响后期西瓜的产量和品质[25- 26] 。本研究区域以设施西瓜棚种植西瓜为主，在夏季换茬休闲期大多采用揭膜或灌溉淋洗等方式去除一定量的可溶性盐基离子，且西瓜多以嫁接苗为主，加之种植西瓜的时间不长，所以因连作产生次生盐渍化危害的现象还不多，但其发展趋势值得重视。本研究结果表明，设施西瓜土壤盐基离子以 Ca2+ 、Mg2+ 、NO3 - 和 SO4 2- 为主，在关注这些盐基离子的同时也不可以忽略 Cl- 和 HCO3 - 离子在土壤中的积累，因为后者对西瓜的危害比SO4 2- 和NO3 - 严重[27-29] 。综上所述，种植6年后，设施西瓜土壤酸化、次生盐渍化问题已初现，如不及时采取措施治理，这些问题将制约该地区设施农业的可持续发展。

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