堿性大棚土壤剖面pH值與鹽分的相關性

王嬡華++段增強++湯英

摘要：為深入了解堿性大棚土壤剖面上pH值與鹽分的相關性，對定點試驗基地的54個剖面樣品進行綜合分析。結果顯示，電導率（EC值）、全鹽量以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3含量均隨著土壤剖面深度的增加而減少，pH值、HCO-3含量則隨著土壤剖面深度的增加而增大。土壤耕層（0～20 cm）的可溶性鹽分離子主要為NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+，而下層土壤（20～80 cm）的可溶性鹽分離子主要為HCO-3、NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+。pHw值（去CO2去離子水浸提測定的pH值）與EC值、全鹽量、離子含量總和以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3離子的含量均具有顯著的負線性相關性，而pHCa值（0.01 mol/L CaCl2浸提測定的pH值）與各鹽分指標的相關性總體弱于pHw值；在整個剖面上，HCO-3含量與EC值呈顯著負相關，與pHw值呈顯著正相關。以上結果表明，pH值與鹽分含量具有顯著相關性，且HCO-3含量與pHCa值可綜合反映堿性大棚土壤剖面的酸化與次生鹽漬化狀況；盡管大棚土壤酸化和次生鹽漬化現象明顯，但目前更應關注次生鹽漬化的控制和治理。

關鍵詞：pH值；酸化；設施土壤；鹽分積累；次生鹽漬化；剖面

中圖分類號： S153；S156文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0537-04

設施栽培是目前發展最快的農業生產栽培模式，在蔬菜的反季節栽培和跨地區種植中起重要作用。設施栽培已成為我國很多地區的支柱產業，極大增加了農民收入，產生了良好的經濟效益和社會效益，越來越多的良田被用于建設日光溫室或大棚。由于設施內土壤長期處于高肥料施用量、高集約化、高復種指數、高溫高濕、無降水淋洗的環境中，土壤質量嚴重退化，中性、堿性土壤的快速酸化與次生鹽漬化是其重要特征，對設施農業的可持續發展、農產品安全、生態環境均造成不利影響[1-4]。江蘇省太倉市陸渡鎮現代農業示范園自2007年建造以來大力發展大棚蔬菜，是江蘇省蘇州市、上海市等地蔬菜的重要供應點。高強度的連作使新建大棚在5年內即出現土壤板結、表層泛鹽、地表發紅、雜草叢生、土傳病害嚴重、蔬菜嚴重減產等現象。以該示范園內一試驗基地的土壤（堿性）為研究對象，探討pH值、鹽分組成在土壤剖面的分布特征，以及pH值與鹽分積累量之間的相關性，為合理控制并治理當地大棚土壤的酸化及次生鹽漬化提供依據。

1材料與方法

1.1研究區域概況

江蘇省太倉市地處北亞熱帶南部季風性濕潤氣候區，四季分明，歷年平均氣溫15.5 ℃、降水量1 078.1 mm、日照時數 1 960.9 h、無霜期226 d。太倉市位于江蘇省東南部、長江口南岸，東北瀕長江，古代為濱海村落，是長江三角洲沖積平原，自古以來為水稻生產基地，土壤肥沃。

試驗于2012年9月進行，選取江蘇省太倉市陸渡鎮現代農業示范園區內閑置的八連棟大型塑料大棚作為試驗基地，開展定點試驗，監測土壤pH值及鹽分的剖面分布狀況。棚內土壤為滲育型水稻土，基本理化性質見表1。由于土壤質量問題，該大棚內地表大面積泛紅，葉菜類無法正常生長，被菜農閑置。大棚坐北朝南，南北總長40 m、東西總長64 m、單棟棚寬8 m、高5 m。大棚常年覆膜，但棚頂兩側可卷起透氣通風。棚內可覆2層膜，膜高4.5 m。地面上有鋼管搭建的小拱棚，寬4.0 m、高約1.8 m，可于嚴冬加蓋3層膜以保溫。棚內開展6個施肥處理，進行土壤質量及作物生長影響試驗。小區寬1.5 m、長16.0 m，每個處理設3次重復，隨機排列。對作物進行常規管理，輪茬順序為青椒（2012年9月至2013年5月）—玉米（2013年6—8月）—青椒（2013年8月至2014年5月），采用滴灌帶進行灌溉，灌溉水為河水。

1.2樣品的采集

每茬作物收獲后，于每個小區取3個剖面混成一個樣品，3個剖面沿中心線等距分布，剖面分6層，分別為0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm。3茬共采集54個剖面樣品。

1.3樣品分析項目

土壤采回后風干并除雜，過1 mm篩，保存備用。樣品的測定項目包括電導率、pH值（H2O）、pH值（CaCl2）以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3、HCO-3離子的含量，各鹽分離子含量的計算結果均以干土質量計。pH值采用pHS-3C型酸度計測定，液土比（質量比）為5 ∶1。當浸提劑為去二氧化碳去離子水且振蕩時間為5 min時，測定值記為pHw值；當浸提劑為0.01 mol/L CaCl2且振蕩時間為1 h時，測定值記為pHCa值。EC值采用DDS-11A型電導儀測定，液土比為 5 ∶1。各鹽分離子含量的測定水土比均為5 ∶1，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4的含量采用ICP測定，Cl-、HCO-3的含量采用滴定法測定[5]，NO-3的含量采用雙波長比色法測定[6]。全鹽量為8種鹽分離子質量之和，離子含量總和為8種鹽分離子摩爾含量之和。

1.4數據處理

采用SPSS 19.0、Sigmaplot 10.0、Excel 2003軟件進行統計分析并作圖，采用Duncans法進行多重比較（P<0.05）。本研究不考慮土樣來源于何種處理，僅分析剖面深度對土壤pH值及鹽分分布的影響。

2結果與分析

2.1pH值及鹽分的剖面分布狀況

由表2可知，pHw值、pHCa值均隨剖面深度的增加顯著升高，且pHw值與pHCa值的差值顯著增大；EC值、全鹽量均隨剖面深度的增加顯著下降。在0～20 cm范圍內，pH值、EC值、全鹽量的變化幅度較為劇烈；而在20～80 cm范圍內，pH值、EC值、全鹽量的變化幅度較小，表現出明顯的耕層酸化和積鹽現象。與初始全鹽量（表1）相比，整個剖面的全鹽量均顯著增加，但20～80 cm的EC值無顯著差異。

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3離子含量及其占總量的比例（貢獻率）均隨剖面深度的增加逐漸下降，而HCO-3離子的含量及其占總量的比例（貢獻率）隨之逐漸增加（圖1）。陽離子中，Na+與Ca2+是主要的貢獻離子；陰離子中，在0～20 cm范圍內，SO2-4與NO-3是主要的貢獻離子，而在20～80 cm范圍內，HCO-3是最主要的貢獻離子。陰離子（不包含HCO-3）在剖面上的變化幅度顯著高于陽離子，0～5 cm 陽離子含量是60～80 cm陽離子含量的243～4.55倍，陰離子（不包含HCO-3）則為6.47～9.69倍，HCO-3在底層的離子含量是表層的1.36倍。陽離子對離子總量的貢獻率在剖面上波動較小，而陰離子的貢獻率在剖面上波動較大，且Cl-、SO2-4、NO-3貢獻率的下降與HCO-3貢獻率的上升相平衡。

2.2pH值與鹽分、各離子含量的相關性

對整個剖面和每一層樣品的pHw值、pHCa值、pHw-pHCa值與其相對應的EC值、全鹽量、離子總量、各離子含量進行相關性分析。結果表明，在整個剖面和每一層土壤中，pHw值與EC值、全鹽量、離子總量及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3的含量均有顯著的負線性相關性；HCO-3在整個剖面上與pHw值呈顯著正相關，而在20～40 cm 土壤上與pHw值呈顯著負相關，在0～5、5～10、10～20、40～60、60～80 cm 土壤上與pHw值不相關（表3）。pHCa值與各鹽分指標的相關性總體弱于pHw值與各鹽分指標的相關性，在40～60 cm 土壤上，pHCa值與EC值、全鹽量、離子總含量均不相關。盡管如此，在整個剖面上和每一層土壤中，pHw值與pHCa值的差值均表現出與EC值、全鹽量、離子總量顯著負相關性。

3討論

灌溉方式及灌溉水性質影響鹽分在土壤剖面的分布[7-8]，本試驗基地所處園區內河網縱橫，地下水位在80～100 cm之間，距離長江入海口不足70 km，地下水的EC值可達 800 μS/cm 以上。大棚長期處于高溫狀態，有利于地下水向上遷移，以致于作物在幾乎不灌溉的情況下正常生長，這有利于可溶性鹽向地表遷移，造成鹽分表聚現象。由于灌溉量小，鹽分不易向下遷移，且土壤在長期的水稻栽培中形成堅硬的犁底層，使鹽分較難向下遷移。表2和圖1均顯示，鹽分的劇烈變化主要出現在0～20 cm，20 cm以下的EC值、全鹽量、各離子含量下降幅度均大幅減小。本研究中只有0～5 cm土壤的EC值大于600 μS/cm，屬于中鹽度土壤[4]，可使多數作物生長受阻，尤其是淺根系葉菜類作物；因此，這類土壤應盡

量種植深根系、較耐鹽的蔬菜作物。在整個土壤剖面上，HCO-3以外的7種離子含量均隨土壤深度的增加而減少，但從各離子所占鹽分總量的比例來看，陽離子所占比例相對穩定；Cl-、SO2-4、NO-3貢獻率的下降與HCO-3貢獻率的上升相平衡，表明陰離子受剖面深度的影響更大。可能的原因為堿性土壤帶負電荷較多，同性相斥，有利于陰離子向下遷移。

當地施肥以復合肥和尿素為主，本研究中部分處理施有有機肥，因此在土壤主要的鹽分離子中，NO-3、SO2-4、Ca2+、K+主要來自于化肥和有機肥，而Na+、Mg2+、Cl-、HCO-3主要來自于土壤本身或地下水。在這些離子中，K+易被礦物固定，導致其在可溶性鹽中所占比例最小；其他3種人為添加的離子NO-3、SO2-4、Ca2+對耕層鹽分的貢獻率最大，這與已有研究的結論[1，9]相一致，表明次生鹽漬化主要由大量施肥所致。可溶性鹽中Ca2+與SO2-4結合成的硫酸鈣是微溶鹽，而浸提可溶性鹽的土水比遠大于田間狀況，較高的Ca2+、SO2-4含量并不代表其在土壤溶液中具有高濃度；因此，本研究中大棚土壤內可能對作物生長產生危害的鹽分離子應以Na+、NO-3為主，Ca2+、SO2-4次之。已有研究表明，鈉鹽對作物生長的危害明顯高于鈣鹽[10-12]，因此在鹽害的控制與治理中要更加關注鈉的影響。

在土壤發生鹽分積累的同時，土壤pH值也有所降低[1，13]，通常將pH值降低這一現象稱為酸化。在該試驗基地，1 kg土壤（土壤容重為1.21 g/cm3）每下降1個單位的pH值需要164.98 mmol H+。在所施氮肥為尿素且所有氮均轉化為硝態氮的理想條件下，0～5 cm層土壤的pHw值由8.22下降至7.66（表1、表2），尿素施用量須達6 810 kg/hm2，而在3茬作物的栽培中不可能達到該施肥量，因此土壤pHw值下降幅度過大無法完全用質子貢獻解釋。前期研究發現，pHw值的測定極易受鹽分影響，少量鹽的存在即可使pH值下降0.5個單位或更多，不同類型的鹽對pH值測定的影響程度因鹽的離子組成和土壤類型而異[12，14]。大量研究表明，pHw值與鹽分總量、各離子含量（不包含HCO-3）具有顯著負相關性（表4）[1，15]；因此，鹽分積累在一定程度上使pHw值下降，且與質子無關。pHCa值受鹽分影響的程度顯著弱于pHw值（表4）[12，14，16-17]，0～5 cm土壤的pHCa值由7.43下降至 7.31（表1、表2），尿素施用量僅需1 455 kg/hm2，而3茬作物的施氮量往往超過這一水平；因此，采用pHCa值指示大棚含鹽土壤因質子增加導致的酸化更為合理[12，14]。HCO-3主要來源于土壤本身，可與質子反應，在整個剖面上HCO-3與pHw值、pHCa值均呈極顯著正相關（表4）[13]，又因酸化同時伴隨著鹽分積累，使HCO-3在整個剖面上與EC值呈極顯著負相關（表3）。已有研究表明，隨著種植年限的延長，HCO-3含量、pH值下降，EC值上升[1，13]。可見，HCO-3含量及其對鹽分總量的貢獻率可在一定程度上反映堿性土壤剖面的酸化、次生鹽漬化狀況。如果生產過程中向土壤施入大量含碳酸鹽或碳酸氫鹽的物質（如石灰、含石灰的有機肥），HCO-3含量可能隨著剖面深度的加深而逐漸減少[3]，則HCO-3對酸化、次生鹽漬化的意義有待重新評價。

綜上所述，在大棚生產過程中，耕層土壤鹽分積累現象和酸化現象明顯，主要由肥料的大量施用導致。由于本研究中的土壤為堿性土壤，且酸堿緩沖容量較大，輕微的酸化使土壤pH值趨于中性化，有利于土壤中養分的活化；HCO-3的減少可增加大棚內空氣的二氧化碳體積分數，起到氣肥的作用，有利于作物生長。在這一類土壤上，應加強對土壤次生鹽漬化問題的關注，并主要關注Na+和NO-3的危害。

4結論

在作物的生產管理過程中，大棚土壤表現出明顯的耕層酸化和次生鹽漬化現象。EC值、全鹽量及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3的含量均隨著土壤剖面深度的增加而減少，pH值、HCO-3含量則隨著剖面深度的增加而增大。土壤耕層（0～20 cm）可溶性鹽分離子主要為NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+，從土壤溶液中離子濃度的角度考慮，蔬菜生產中應重點關注Na+和NO-3的危害。pHw值的測定受鹽分含量影響較大，而pHCa值的測定受鹽分含量影響較小，后者可更好地反映含鹽土壤因質子增加導致的土壤酸化現象。在整個剖面上，HCO-3含量與EC值呈顯著負相關，與pHw值呈顯著正相關，可在一定程度上綜合反映大棚土壤剖面的酸化、次生鹽漬化狀況。

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