不同灌溉条件下大棚土壤次生盐渍化特征与质量评价

2020-12-17钞锦龙郝小梅张鹏飞赵德一

节水灌溉 2020年12期

钞锦龙，郝小梅，胡磊，陶军，张鹏飞，赵德一

(1.太原师范学院地理科学学院，山西晋中 030619；2.北京师范大学地理科学学部，北京 100875)>

0 引言

随着经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对于反季节、可持续供应新鲜蔬菜水果的需求不断扩大[1]。因此，设施农业在农业产业结构不断调整的过程中发展成了渐受欢迎的农业种植模式。不仅实现了蔬菜水果的反季节供给，同时极大地增加了农民收入，缓解了就业压力[2,3]。但是在设施农业生产过程中，由于高度集约化种植再加上设施栽培具有高温、高湿且无雨水淋溶等特点，使得设施土壤出现一系列问题[4,5]。其中土壤次生盐渍化是设施土壤最为常见也是最为严重的土壤问题[6]，土壤盐渍化大大降低了作物根系的吸收作用，影响作物对养分的吸收[7]。随着年份的增长造成土壤板结、作物质量和产量下降，甚至对作物产生毒害[8,9]。

太谷县作为黄河一级支流——汾河流域重要的农业大县，农业发展历史悠久，近年来设施农业发展迅速，现已成为所临周边城市甚至省外重要的水果蔬菜供应基地。2016年，山西省政府通过《山西农谷建设初设方案》，山西“农谷”建设上升为省级战略，要求把太谷建设成一个以创新驱动、转型升级为核心，吸引力、创新力和竞争力较强的现代农业样板区、示范区[15]。因此，太谷县设施农业发展在山西“农谷”建设道路中面临很大的机遇。在前期对太谷县设施农业调研过程中发现，研究区大棚种植比例较大，2018年太谷县大棚面积达到4 443 万m2[16]，抽取地下水灌溉成为大棚种植的唯一灌溉水源，且灌溉方式普遍采用滴灌、沟灌这两种灌溉方式。根据前期对大棚种植农户的走访、调查，发现当地农户对大棚灌溉返盐以及土壤盐分状况及危害了解甚少。这一现象不仅会造成灌溉水的浪费，同时也会促使盐碱的表聚，不利于区域农业生产的可持续发展。因此，对研究区现有大棚不同灌溉方式下土壤次生盐渍化研究对当地农业生产具有现实的指导意义。为了提升本研究的科学性，所选大棚包括了区域主要棚龄类型，即近两年刚修建好的2年棚龄大棚，还有10年棚龄大棚以及20年棚龄大棚。本研究旨在探究太谷县大棚农业在现有滴灌和沟灌两种灌溉方式下，土壤0～1 m不同深度盐分状况及土壤八大离子的再分配状况，为完善区域农业水盐运动规律提供更为详细的参考，同时也可为山西“农谷”建设的可持续发展提出切实可行的建议。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

太谷县位于山西省晋中盆地中部，地处“七区二十三带”农业战略格局中的汾渭平原主产区、太原都市农业多功能示范区的核心示范区。距省会太原市 60 km，经度范围为112°28′E～ 113°01′ E，纬度范围为 37°12′ N～ 37°32′ N，面积为1 050 km2，山地、丘陵、平川分别占总面积的62.8%、20.2% 和17%，区内土壤以褐土为主。年平均气温 9.8 ℃，日照时数2 592 h，无霜期175～180 d，年降雨量463 mm，昼夜温差大。设施农业作为太谷县重要特色产业之一，已经经历了20多年的发展。到2015年，设施蔬菜产量达到85 万t，产值达到10 亿元。所研究大棚均为竹木—复合棚架结构为主的TGL1028型大棚，面积为1 000 m2；所研究大田土壤均为玉米种植区。

1.2 样品采集

本研究选取太谷县不同灌溉方式下设施大棚作为研究对象，使用原状土样采集器采集0～0.1、0.1～0.2、…、0.9～1 m 10个不同深度的土壤，按对角线采样法采集新鲜土壤。采样时间为2019年3月，当季主要作物有黄瓜、西葫芦、茄子、番茄、草莓，施肥方式主要是底施和追施，所施化肥主要有活力酶、黄腐酸钾、有机肥、三铵、钾肥等。同时采用同样的采样方法采集大田土壤作为对照，大田所种植植物为玉米，不进行灌溉，且采集时大田处于休耕状态。本次采集共获得设施大棚土壤样品180个，大田土壤样品50个。采集到的土壤装入聚乙烯塑料袋，标记密封，带回实验室。风干后研磨过 1 mm 筛，用于测定土壤盐分含量。

1.3 测定方法

土壤全盐量采用残渣烘干—质量法测定；重碳酸根离子、碳酸根采用双指示剂滴定法；氯离子采用硝酸银滴定法；硫酸根、钙离子、镁离子采用EDTA滴定法；钾离子、钠离子采用火焰光度计法；电导率(EC)采用电导仪测定法(水土比5∶1)测定。

1.4 土壤质量评价方法

为了解太谷地区灌溉方式对设施土壤次生盐渍化的影响程度，以大田土壤作为参考值，采用土壤相对质量评价法进行分析。具体计算公式如下：

(1)

(2)

1.5 数据处理

本研究中所有数据均为研究样本所测数据的算术平均值，数据处理采用Excel 2003和SPSS 22.0，作图均采用Origin 8.0完成。

2 结果与分析

2.1 设施大棚与大田土壤盐分含量

据表1可知，设施土壤全盐量以及电导率均大于大田土壤，说明设施农业种植造成大棚土壤盐分含量增加。其中，大田土壤全盐范围为0.54～1.30 g/kg，电导率范围为0.13～0.30 mS/cm，土壤中盐分含量小，并未出现土壤次生盐渍化现象；大棚土壤全盐量范围为0.99～12.61 g/kg，电导率范围达到0.20～3.54 mS/cm。说明太谷地区大棚种植造成大棚土壤盐分含量大大增加，根据土壤盐分分级标准[17,18]，已经出现较为严重的土壤盐渍化现象，不利于作物的培育与生长。

表1 大田与设施菜地土壤盐分含量状况Tab.1 Soil salinity in field and vegetable fields

2.2 不同灌溉条件下设施土壤剖面盐分含量变化特征

据图1可知，与大田土壤全盐量相比设施大棚土壤不论是采取滴灌还是沟灌灌溉方式全盐量都有所增长。其中，滴灌土壤全盐量增长量少且变化趋势与大田土壤盐分保持一致。滴灌条件下全盐量范围为0～2 g/kg，在0～1 m深度范围内全盐量波动幅度小且各深度变化范围也较小。说明滴灌条件下灌溉水量及盐分与作物根系吸收可基本达到动态平衡，盐分在土体内没有形成集聚[19]。尽管随着种植年份的增长，盐分含量也有了一定增长，但增长幅度很小。而采用沟灌灌溉方式的土壤盐分较大田土壤盐分有很大的变化，全盐量大大增加且在0～0.2 m之间存在明显的表聚现象，全盐量范围为1～10 g/kg，最大值大于10 g/kg，这与沟灌灌溉特点有直接关系。沟灌灌溉方式会使得大量水分在短时间内进入耕作层土壤，这一水分供给远大于作物的吸收能力，使得大量剩余水分在土壤表层(0～0.2 m)聚积[20]。在设施农业高温、高湿环境的作用下，水分蒸发使得大量盐分在土壤表层聚集。表层土壤盐分的大量增加使得土壤养分不能有效供给深层土壤从而对作物生长形成障碍[9]，随着种植年限的增加不利于设施农业的可持续发展。

图1 不同灌溉条件下设施菜地土壤盐分状况Fig.1 Soil salinity in protected vegetable fields under different irrigation conditions

2.3 不同灌溉条件下设施土壤盐基离子变化特点

图2 不同灌溉条件下设施土壤盐基离子变化特征Fig.2 Characteristics of salt ions in facility soil under different irrigation conditions

2.4 不同灌溉条件下设施土壤盐渍化特征指标相对质量指数

大棚土壤盐分含量变化特征指标相对质量指数如表2所示。根据实地调研，太谷地区设施农业种植大棚土壤每年育苗前均进行0.4 m的深翻耕作，因此对设施土壤0 ～ 0.4 m之间进行相对质量指数分析，了解大棚种植造成的土壤盐分指标增长率范围。根据相对质量指数分析结果，在所选质量指标中采用沟灌的设施土壤整体大于滴灌设施土壤，且各指标相对质量指数整体呈现出随着深度的增加不断减小的趋势；具体表现为沟灌较滴灌相比造成土壤中盐分离子在土壤耕层增长加快，尤其是Cl-和K+，而这两个离子是许多化肥含量较多的盐分离子，说明沟灌灌溉的大量水分会造成化肥中的盐分离子在土壤耕层积累。相反，滴灌相较于沟灌水分下渗深度浅，不会造成耕作层土壤盐基离子的垂向显著迁移，尤其是因蒸发而导致的上升迁移，持续而稳定的灌溉使得滴灌条件下土壤盐分离子得到有效压制，减缓土壤盐分离子在耕作层的集聚。

表2 0～0.4 m大棚土壤次生盐渍化特征相对质量指数Tab.2 Relative quality index of soil secondary salinization in greenhouse

3 讨论

现有研究表明，滴灌是有效的节水灌溉措施[7]。在本研究中可以得出，滴灌灌溉条件下，不仅可以大大缓解大棚土壤表层中盐分含量的集聚，而且在土壤深层与大田土壤相比也没有造成盐分含量大幅度的增加，因此有效减缓了大棚土壤次生盐渍化现象的发生。对于太谷地区水资源相对缺乏以及急需改善大棚土壤质量的情况下，滴灌灌溉是大棚种植未来可以加大推广的灌溉方式。而对于不同作物在不同灌溉条件下大棚土壤中盐分含量状况以及灌溉水自身对于盐渍化影响的探究，还需要做进一步的深入研究。因此，现已对不同灌溉条件下大棚土壤进行了采样，并且扩大了大棚棚龄的选择年份，争取尽可能控制变量得出灌溉方式对大棚土壤次生盐渍化的影响。

4 结论

(1)大棚土壤深度0～1 m范围内，全盐量呈现出随着深度的增加不断下降的趋势。其中滴灌条件下土壤全盐量范围为0～2 g/kg，没有出现土壤次生盐渍化现象；而沟灌土壤全盐量范围为1～10 g/kg，土壤次生盐渍化较严重且在土壤表层(0～0.2 m)呈现明显的表聚现象。滴灌灌溉方式可以有效缓解大棚土壤盐分聚集现象。