碱性大棚土壤剖面pH值与盐分的相关性

王嫒华++段增强++汤英

摘要：为深入了解碱性大棚土壤剖面上pH值与盐分的相关性，对定点试验基地的54个剖面样品进行综合分析。结果显示，电导率（EC值）、全盐量以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3含量均随着土壤剖面深度的增加而减少，pH值、HCO-3含量则随着土壤剖面深度的增加而增大。土壤耕层（0～20 cm）的可溶性盐分离子主要为NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+，而下层土壤（20～80 cm）的可溶性盐分离子主要为HCO-3、NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+。pHw值（去CO2去离子水浸提测定的pH值）与EC值、全盐量、离子含量总和以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3离子的含量均具有显著的负线性相关性，而pHCa值（0.01 mol/L CaCl2浸提测定的pH值）与各盐分指标的相关性总体弱于pHw值；在整个剖面上，HCO-3含量与EC值呈显著负相关，与pHw值呈显著正相关。以上结果表明，pH值与盐分含量具有显著相关性，且HCO-3含量与pHCa值可综合反映碱性大棚土壤剖面的酸化与次生盐渍化状况；尽管大棚土壤酸化和次生盐渍化现象明显，但目前更应关注次生盐渍化的控制和治理。

关键词：pH值；酸化；设施土壤；盐分积累；次生盐渍化；剖面

中图分类号： S153；S156文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0537-04

设施栽培是目前发展最快的农业生产栽培模式，在蔬菜的反季节栽培和跨地区种植中起重要作用。设施栽培已成为我国很多地区的支柱产业，极大增加了农民收入，产生了良好的经济效益和社会效益，越来越多的良田被用于建设日光温室或大棚。由于设施内土壤长期处于高肥料施用量、高集约化、高复种指数、高温高湿、无降水淋洗的环境中，土壤质量严重退化，中性、碱性土壤的快速酸化与次生盐渍化是其重要特征，对设施农业的可持续发展、农产品安全、生态环境均造成不利影响[1-4]。江苏省太仓市陆渡镇现代农业示范园自2007年建造以来大力发展大棚蔬菜，是江苏省苏州市、上海市等地蔬菜的重要供应点。高强度的连作使新建大棚在5年内即出现土壤板结、表层泛盐、地表发红、杂草丛生、土传病害严重、蔬菜严重减产等现象。以该示范园内一试验基地的土壤（碱性）为研究对象，探讨pH值、盐分组成在土壤剖面的分布特征，以及pH值与盐分积累量之间的相关性，为合理控制并治理当地大棚土壤的酸化及次生盐渍化提供依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

江苏省太仓市地处北亚热带南部季风性湿润气候区，四季分明，历年平均气温15.5 ℃、降水量1 078.1 mm、日照时数 1 960.9 h、无霜期226 d。太仓市位于江苏省东南部、长江口南岸，东北濒长江，古代为滨海村落，是长江三角洲冲积平原，自古以来为水稻生产基地，土壤肥沃。

试验于2012年9月进行，选取江苏省太仓市陆渡镇现代农业示范园区内闲置的八连栋大型塑料大棚作为试验基地，开展定点试验，监测土壤pH值及盐分的剖面分布状况。棚内土壤为渗育型水稻土，基本理化性质见表1。由于土壤质量问题，该大棚内地表大面积泛红，叶菜类无法正常生长，被菜农闲置。大棚坐北朝南，南北总长40 m、东西总长64 m、单栋棚宽8 m、高5 m。大棚常年覆膜，但棚顶两侧可卷起透气通风。棚内可覆2层膜，膜高4.5 m。地面上有钢管搭建的小拱棚，宽4.0 m、高约1.8 m，可于严冬加盖3层膜以保温。棚内开展6个施肥处理，进行土壤质量及作物生长影响试验。小区宽1.5 m、长16.0 m，每个处理设3次重复，随机排列。对作物进行常规管理，轮茬顺序为青椒（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），采用滴灌带进行灌溉，灌溉水为河水。

1.2样品的采集

每茬作物收获后，于每个小区取3个剖面混成一个样品，3个剖面沿中心线等距分布，剖面分6层，分别为0～5、5～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm。3茬共采集54个剖面样品。

1.3样品分析项目

土壤采回后风干并除杂，过1 mm筛，保存备用。样品的测定项目包括电导率、pH值（H2O）、pH值（CaCl2）以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3、HCO-3离子的含量，各盐分离子含量的计算结果均以干土质量计。pH值采用pHS-3C型酸度计测定，液土比（质量比）为5 ∶1。当浸提剂为去二氧化碳去离子水且振荡时间为5 min时，测定值记为pHw值；当浸提剂为0.01 mol/L CaCl2且振荡时间为1 h时，测定值记为pHCa值。EC值采用DDS-11A型电导仪测定，液土比为 5 ∶1。各盐分离子含量的测定水土比均为5 ∶1，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4的含量采用ICP测定，Cl-、HCO-3的含量采用滴定法测定[5]，NO-3的含量采用双波长比色法测定[6]。全盐量为8种盐分离子质量之和，离子含量总和为8种盐分离子摩尔含量之和。

1.4数据处理

采用SPSS 19.0、Sigmaplot 10.0、Excel 2003软件进行统计分析并作图，采用Duncans法进行多重比较（P<0.05）。本研究不考虑土样来源于何种处理，仅分析剖面深度对土壤pH值及盐分分布的影响。

2结果与分析

2.1pH值及盐分的剖面分布状况

由表2可知，pHw值、pHCa值均随剖面深度的增加显著升高，且pHw值与pHCa值的差值显著增大；EC值、全盐量均随剖面深度的增加显著下降。在0～20 cm范围内，pH值、EC值、全盐量的变化幅度较为剧烈；而在20～80 cm范围内，pH值、EC值、全盐量的变化幅度较小，表现出明显的耕层酸化和积盐现象。与初始全盐量（表1）相比，整个剖面的全盐量均显著增加，但20～80 cm的EC值无显著差异。

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3离子含量及其占总量的比例（贡献率）均随剖面深度的增加逐渐下降，而HCO-3离子的含量及其占总量的比例（贡献率）随之逐渐增加（图1）。阳离子中，Na+与Ca2+是主要的贡献离子；阴离子中，在0～20 cm范围内，SO2-4与NO-3是主要的贡献离子，而在20～80 cm范围内，HCO-3是最主要的贡献离子。阴离子（不包含HCO-3）在剖面上的变化幅度显著高于阳离子，0～5 cm 阳离子含量是60～80 cm阳离子含量的243～4.55倍，阴离子（不包含HCO-3）则为6.47～9.69倍，HCO-3在底层的离子含量是表层的1.36倍。阳离子对离子总量的贡献率在剖面上波动较小，而阴离子的贡献率在剖面上波动较大，且Cl-、SO2-4、NO-3贡献率的下降与HCO-3贡献率的上升相平衡。

2.2pH值与盐分、各离子含量的相关性

对整个剖面和每一层样品的pHw值、pHCa值、pHw-pHCa值与其相对应的EC值、全盐量、离子总量、各离子含量进行相关性分析。结果表明，在整个剖面和每一层土壤中，pHw值与EC值、全盐量、离子总量及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3的含量均有显著的负线性相关性；HCO-3在整个剖面上与pHw值呈显著正相关，而在20～40 cm 土壤上与pHw值呈显著负相关，在0～5、5～10、10～20、40～60、60～80 cm 土壤上与pHw值不相关（表3）。pHCa值与各盐分指标的相关性总体弱于pHw值与各盐分指标的相关性，在40～60 cm 土壤上，pHCa值与EC值、全盐量、离子总含量均不相关。尽管如此，在整个剖面上和每一层土壤中，pHw值与pHCa值的差值均表现出与EC值、全盐量、离子总量显著负相关性。

3讨论

灌溉方式及灌溉水性质影响盐分在土壤剖面的分布[7-8]，本试验基地所处园区内河网纵横，地下水位在80～100 cm之间，距离长江入海口不足70 km，地下水的EC值可达 800 μS/cm 以上。大棚长期处于高温状态，有利于地下水向上迁移，以致于作物在几乎不灌溉的情况下正常生长，这有利于可溶性盐向地表迁移，造成盐分表聚现象。由于灌溉量小，盐分不易向下迁移，且土壤在长期的水稻栽培中形成坚硬的犁底层，使盐分较难向下迁移。表2和图1均显示，盐分的剧烈变化主要出现在0～20 cm，20 cm以下的EC值、全盐量、各离子含量下降幅度均大幅减小。本研究中只有0～5 cm土壤的EC值大于600 μS/cm，属于中盐度土壤[4]，可使多数作物生长受阻，尤其是浅根系叶菜类作物；因此，这类土壤应尽

量种植深根系、较耐盐的蔬菜作物。在整个土壤剖面上，HCO-3以外的7种离子含量均随土壤深度的增加而减少，但从各离子所占盐分总量的比例来看，阳离子所占比例相对稳定；Cl-、SO2-4、NO-3贡献率的下降与HCO-3贡献率的上升相平衡，表明阴离子受剖面深度的影响更大。可能的原因为碱性土壤带负电荷较多，同性相斥，有利于阴离子向下迁移。

当地施肥以复合肥和尿素为主，本研究中部分处理施有有机肥，因此在土壤主要的盐分离子中，NO-3、SO2-4、Ca2+、K+主要来自于化肥和有机肥，而Na+、Mg2+、Cl-、HCO-3主要来自于土壤本身或地下水。在这些离子中，K+易被矿物固定，导致其在可溶性盐中所占比例最小；其他3种人为添加的离子NO-3、SO2-4、Ca2+对耕层盐分的贡献率最大，这与已有研究的结论[1，9]相一致，表明次生盐渍化主要由大量施肥所致。可溶性盐中Ca2+与SO2-4结合成的硫酸钙是微溶盐，而浸提可溶性盐的土水比远大于田间状况，较高的Ca2+、SO2-4含量并不代表其在土壤溶液中具有高浓度；因此，本研究中大棚土壤内可能对作物生长产生危害的盐分离子应以Na+、NO-3为主，Ca2+、SO2-4次之。已有研究表明，钠盐对作物生长的危害明显高于钙盐[10-12]，因此在盐害的控制与治理中要更加关注钠的影响。

在土壤发生盐分积累的同时，土壤pH值也有所降低[1，13]，通常将pH值降低这一现象称为酸化。在该试验基地，1 kg土壤（土壤容重为1.21 g/cm3）每下降1个单位的pH值需要164.98 mmol H+。在所施氮肥为尿素且所有氮均转化为硝态氮的理想条件下，0～5 cm层土壤的pHw值由8.22下降至7.66（表1、表2），尿素施用量须达6 810 kg/hm2，而在3茬作物的栽培中不可能达到该施肥量，因此土壤pHw值下降幅度过大无法完全用质子贡献解释。前期研究发现，pHw值的测定极易受盐分影响，少量盐的存在即可使pH值下降0.5个单位或更多，不同类型的盐对pH值测定的影响程度因盐的离子组成和土壤类型而异[12，14]。大量研究表明，pHw值与盐分总量、各离子含量（不包含HCO-3）具有显著负相关性（表4）[1，15]；因此，盐分积累在一定程度上使pHw值下降，且与质子无关。pHCa值受盐分影响的程度显著弱于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），尿素施用量仅需1 455 kg/hm2，而3茬作物的施氮量往往超过这一水平；因此，采用pHCa值指示大棚含盐土壤因质子增加导致的酸化更为合理[12，14]。HCO-3主要来源于土壤本身，可与质子反应，在整个剖面上HCO-3与pHw值、pHCa值均呈极显著正相关（表4）[13]，又因酸化同时伴随着盐分积累，使HCO-3在整个剖面上与EC值呈极显著负相关（表3）。已有研究表明，随着种植年限的延长，HCO-3含量、pH值下降，EC值上升[1，13]。可见，HCO-3含量及其对盐分总量的贡献率可在一定程度上反映碱性土壤剖面的酸化、次生盐渍化状况。如果生产过程中向土壤施入大量含碳酸盐或碳酸氢盐的物质（如石灰、含石灰的有机肥），HCO-3含量可能随着剖面深度的加深而逐渐减少[3]，则HCO-3对酸化、次生盐渍化的意义有待重新评价。

综上所述，在大棚生产过程中，耕层土壤盐分积累现象和酸化现象明显，主要由肥料的大量施用导致。由于本研究中的土壤为碱性土壤，且酸碱缓冲容量较大，轻微的酸化使土壤pH值趋于中性化，有利于土壤中养分的活化；HCO-3的减少可增加大棚内空气的二氧化碳体积分数，起到气肥的作用，有利于作物生长。在这一类土壤上，应加强对土壤次生盐渍化问题的关注，并主要关注Na+和NO-3的危害。

4结论

在作物的生产管理过程中，大棚土壤表现出明显的耕层酸化和次生盐渍化现象。EC值、全盐量及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、NO-3的含量均随着土壤剖面深度的增加而减少，pH值、HCO-3含量则随着剖面深度的增加而增大。土壤耕层（0～20 cm）可溶性盐分离子主要为NO-3、SO2-4、Ca2+、Na+，从土壤溶液中离子浓度的角度考虑，蔬菜生产中应重点关注Na+和NO-3的危害。pHw值的测定受盐分含量影响较大，而pHCa值的测定受盐分含量影响较小，后者可更好地反映含盐土壤因质子增加导致的土壤酸化现象。在整个剖面上，HCO-3含量与EC值呈显著负相关，与pHw值呈显著正相关，可在一定程度上综合反映大棚土壤剖面的酸化、次生盐渍化状况。

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