暗管排水对大棚土壤次生盐渍化改良及番茄产量的影响.pdf

第 28 卷第 3 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.32012 年2 月Transactions of the CSAEFeb.201281暗管排水对大棚土壤次生盐渍化改良及番茄产量的影响张洁1,2，常婷婷1，邵孝侯1,2（1.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学水利水电学院，南京 210098）摘要：为探讨防治设施土壤次生盐渍化的措施，于发生次生盐渍化的大棚土壤内埋设埋深40 cm，间距6 m及埋深 70 cm，间距 8 m 的塑料暗管，研究土壤电导率（EC）、饱和导水率、体积质量等基本理化性质的变化，分析暗管排水对次生盐渍化土壤改良及番茄产量的影响。结果表明：埋设暗管可以明显降低次生盐渍化土壤的 EC 值，尤其是暗管上方的 EC 值显著低于对照；同时，土壤饱和导水率增加，体积质量降低而总孔隙度升高；番茄平均单果质量增加，产量显著提高，各项指标均表现为埋深 70 cm，间距 8 m 暗管的处理优于埋深 40 cm，间距 6 m 的处理。埋深 70 cm，间距 8 m 暗管的处理在大棚土壤次生盐渍化改良中的效果优于埋深 40 cm，间距 6 m 的处理。关键词：灌溉，排水，土壤含水率，次生盐渍化，电导率，番茄，产量doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.03.015中图分类号：S153文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-03-0081-06张洁，常婷婷，邵孝侯.暗管排水对大棚土壤次生盐渍化改良及番茄产量的影响J.农业工程学报，2012，28(3)：8186.Zhang Jie,Chang Tingting,Shao Xiaohou.Improvement effect of subsurface drainage on secondary salinization of greenhousesoil and tomato yieldJ.Transactions of the CSAE,2012,28(3):8186.(in Chinese with English abstract)0引言塑料大棚作为南方冬春季蔬菜生产的主要设施，具有较高的经济效益和社会效益。然而，由于大棚内环境长期处于半封闭状态，缺少雨水淋洗，同时肥料施用量过大等不合理的水肥管理导致大棚土壤次生盐渍化状况日益加重，已成为限制设施蔬菜发展的主要土壤障碍因子，阻碍设施农业生产的可持续发展1-2，针对改善设施土壤次生盐渍化的研究显得尤为重要。但目前有关设施土壤次生盐渍化改良的措施主要集中在农业措施方面，比如选用耐盐品种、合理栽培管理及生物除盐等方面2-4，而有关工程措施的应用则相对较少。暗管排水作为降低地下水位、提高脱盐效果、防止土壤盐渍化的一项措施，国内外在内陆盐渍地、滨海盐碱地土壤改良中均有应用，并且效果明显5-11，但有关在温室大棚等设施内埋设暗管排水对改善土壤次生盐渍化现象的相关研究还鲜见报道。本研究在发生土壤次生盐渍化的塑料大棚内埋设塑料波纹暗管，研究不同暗管埋设模式对次生盐渍化土壤的基本理化性质及番茄生产的影响，以期为次生盐渍化土壤改良提供技术依据与理论参考。收稿日期：2011-03-30修订日期：2011-09-19基金项目：国家自然科学基金（51009047）；江苏省自然科学基金（BK2009342）；公益性行业（农业）科研专项经费（200903001）；中央高校基本科研业务费（2011B02114）作者简介：张洁（1977），女（汉族），山东文登人，河海大学水利水电学院，博士，副教授，主要从事设施农业环境控制及盐碱地改良研究。Email:农业工程学会会员：张洁（E041100003M）1材料和方法1.1试验区概况试验于 2010 年夏季及秋季在南京市蔬菜花卉科学研究所内的塑料大棚中进行。该试验场地处江苏省南京市江宁区横溪镇驻地（31 72N，118 76E），属亚热带季风湿润气候区，当地年平均降雨天数 117 d，年降雨量1 106.5 mm，年平均温度 15.7，最大平均湿度 81%，无霜期 237 d。当地的地下水位常年较高，其中在雨季地下水位约为 0.4 m，旱季约为 1.0 m12。试验所采用塑料大棚土壤质地为重壤土，已连续栽培番茄长达 10 a土壤次生盐渍化情况严重，基本理化性质如表 1 所示。表 1供试土壤的基本理化性质Table 1Physicochemical property of testing soil土层/cm电导率/(ms cm-1)pH 值饱和导水率K10/(10-4cm s-1)体积质量/(g cm-3)总孔隙度/%0205.295.40.911.3947.5520402.955.60.411.5043.2340602.055.70.271.5342.261.2试验设计与供试材料暗管埋深和间距的大小因降雨、地势、土质情况不同而不同。依据本试验所处大棚土壤性质及地下水位等实际情况，在参考暗管埋设理论公式计算暗管埋深与间距的基础上13-14，试验共设 2 种模式的塑料暗管处理，分别为处理 1（Tr1）：暗管埋深 40 cm，间距 6 m；处理2（Tr2）：暗管埋深 70 cm，间距 8 m，每处理分别埋设农业水土工程农业工程学报2012 年826 根暗管，以不埋设暗管作为对照（CK），处理之间埋设 100 cm 深的塑料薄膜进行隔离,以防止土壤水分的侧向渗透。所采用暗管为直径 5 cm 的塑料波纹管，管外包有无纺布，排水总管采用普通 PVC 塑料管。Tr1 和 Tr2均在暗管排水的总管出口处分别安装水表记录从暗管排出水的水量，并挖 2 m 0.5 m 0.8 m 排水池，以收集排出的水分，及时用水泵将排水池中的水排出大棚。栽培番茄品种为“英石大红”，于温室中采用穴盘基质育苗，在秧苗 5 叶 1 心时定植，植株留三穗果后掐尖。番茄定植后于田间进行常规管理，处理间施肥量与灌溉制度均一致，其中肥料为三元复合肥 600 kg/hm2，作为基肥一次施入；根据植株生长发育需要在生育前期灌水量小而第一花序果实快速膨大期开始增大灌水量，通过水表控制并记录每次的灌溉量，最终各处理灌溉定额均为 170 mm。1.3测定指标与方法1.3.1表层土壤电导率监测自番茄定植之日起，在每次灌水之前采用英国 delta-t公司的 HH2/WET 土壤参数速测仪于田间直接测定各处理暗管正上方（处理 1、处理 2 分别记作 Tr1.1、Tr2.1）、相邻两根暗管中心处（分别记作 Tr1.2、Tr2.2）以及对照的表层土壤电导率（EC）；在果实膨大期连续测定 2 个灌水周期的表层土壤电导率周期变化。1.3.2不同层次土壤电导率测定在试验开始及结束时利用土钻采集各处理 020cm、2040 cm、4060 cm 层次的土样，取样位置同上。将土样风干后研磨，过 2 mm 筛后，准确称取 5 g，放入干燥的50 mL烧杯中，加入无二氧化碳的纯水25 mL,充分搅拌后静置，利用 METTLER TOLEDO FE30 电导率测定土壤溶液电导率。1.3.3土壤物理性质测定在试验开始及结束时用环刀多点采集各处理 020 cm、2040 cm、4060 cm 层次的原状土壤，其中Tr1 与 Tr2 取样位置为暗管正上方，采用南-55 型渗透率仪（南京土壤仪器厂）利用常水头法测定土壤饱和导水率；同时取土利用烘干法测定土壤体积质量，用环刀法测量土壤总孔隙度。1.3.4番茄产量测定在各处理番茄成熟后，分别测定不同花序果实的平均单果质量，计算总产量。各测定指标均在每一处理的中间位置的 3 个暗管区内进行，做为 3 次重复。数据采用 Excel 软件进行整理与处理，用 Spss 软件进行统计分析。夏季及秋季试验趋势基本一致，本文以夏季试验数据进行分析。2结果与分析2.1暗管排水对表层土壤电导率的影响2.1.1对番茄生育期内表层土壤电导率的影响从图 1 可以看出，Tr1 与 Tr2 不同位置的表层土壤电导率（EC）在番茄整个生育期内均呈下降的趋势并低于对照，表现为前期降低缓慢而之后明显下降，与对照间差异逐渐加大，尤其是 Tr2，其暗管正上方位置（Tr2.1）表层土壤 EC 较对照降低趋势最明显，即使在番茄生育前期 07-07 与 07-21 分别较对照低 4.60%、10.15%。从图中还可以看出，在 07-26 开始加大灌水量后，虽然暗管排水处理的表层土壤 EC 值均降低迅速，但 Tr2 的 Ec 值均低于 Tr1 的 相 对 应 位 置，表 现 为 Tr2.1Tr1.1Tr2.2Tr1.22040 cm 土层及4060 cm 土层的 EC值表现为 Tr2.1Tr2.2Tr1.1Tr1.24060 cm 土层 EC 值出现较试验前升高的现象，但依然低于对照。表 2埋设暗管对大棚内不同层次土壤电导率的影响Table 2Effect of subsurface drains on EC of different soil layers电导率/(ms cm-1)编号土层/cm试验开始时试验结束时0205.29 0.144.98 0.1820402.95 0.203.47 0.25CK40602.05 0.152.91 0.090205.29 0.142.42 0.3420402.95 0.202.24 0.28Tr1.140602.05 0.152.31 0.370205.29 0.142.92 0.1720402.95 0.202.33 0.41Tr1.240602.05 0.152.76 0.070205.29 0.142.19 0.1220402.95 0.201.30 0.11Tr2.140602.05 0.151.30 0.310205.29 0.142.68 0.2120402.95 0.202.10 0.18Tr2.240602.05 0.151.95 0.172.3盐分淋洗系数表 3 为不同暗管埋设模式下的盐分淋洗系数，即排水量与灌溉水量的比值7。从表中可以看出，Tr1 与 Tr2的盐分淋洗系数均较高，在各处理单位面积灌溉量一致的情况下，Tr1 的淋洗系数较 Tr2 偏低 21.74%。认为本试验条件下，由于土壤本身的特性以及次生盐渍化作用使得土壤的持水性差，通过暗管排出水量较多，而同样条件下 Tr2 更有利于大棚次生盐渍化土壤的排水降盐。表 3不同暗管埋设模式下的盐分淋洗系数Table 3Salinity leaching index under different subsurfacedrainage treatments处理灌溉定额/mm灌水总量/m3排水总量/m3淋洗系数Tr117024.54.30.18Tr217027.26.30.232.4暗管排水对土壤物理性质的影响土壤物理性质与排水性密切相关，从表 4 可以看出，各处理土壤体积质量均随土层加深呈增加的趋势，但在试验前后略有变化，表现为对照不同层次的土壤体积质量有所增加，而 Tr1 与 Tr2 则降低。与对照土壤孔隙度降低相反，Tr1 与 Tr2 的 060 cm 土层的土壤总孔隙度在试验结束时明显升高，其中，Tr1 的 020 cm、2040cm 土层总孔隙度分别比对照高 10.39%、10.17%，说明暗管埋设后能起到明显地改善土壤通气状况的作用。土壤饱和导水率的高低关系着是否能有效淋洗土壤盐分，从表中可以看出，在试验结束时，对照的土壤剖面饱和导水率呈降低趋势，而Tr1和Tr2则分别较试验前明显增加，尤其是 Tr2。表 4埋设暗管对大棚内不同层次土壤物理性质的影响Table 4Effect of subsurface drains on physical characteristics ofdifferent soil layers体积质量/(g cm-3)总孔隙度/%饱和导水率/(10-4cm s-1)处理土层/cm开始结束开始结束开始结束0201.391.4647.5544.860.910.7720401.501.5743.2339.810.410.34CK40601.531.5742.2640.770.270.200201.391.3447.4449.520.911.2020401.501.4943.2343.860.410.84Tr140601.531.5042.2643.400.270.610201.391.3747.4449.300.911.4420401.501.4743.2344.530.411.13Tr240601.531.5042.1443.400.270.972.5暗管排水对番茄平均单果质量及产量的影响由表 5 可以看出，Tr1 与 Tr2 不同位置的番茄果实平均单果质量与总产量均明显高于对照。其中，Tr1 与 Tr2的第 1 花序平均单果质量与对照差异较小，只有 Tr2.1 达显著差异；第 2 花序则表现为 Tr1 与 Tr2 的平均单果质量均显著高于对照；对第 3 花序而言，对照由于果实不发育不能形成产量。从表中还可以看出，Tr2 的 3 个花序平均单果质量均高于 Tr1 相对应位置，但处理间差异不显著。番茄果实的总产量表现为 Tr2Tr1CK，处理间均差异显著。表 5埋设暗管对大棚番茄平均单果重及产量的影响Table 5Effect of subsurface drains on fruit weight and yield oftomato平均单果质量/g处理第 1 花序第 2 花序第 3 花序总产量/(kg hm-2)CK102.8 b87.5b17 010 dTr1.1148.7 ab131.5 a93.8 a33 524 bTr1.2146.7 ab128.1 a63.3 a30 423 cTr2.1180.5 a171.0 a109.9 a41 436 aTr2.2151.9 ab162.5 a87.3 a36 157 b注：不同字母代表 P=0.05 时的差异显著性水平。农业工程学报2012 年843讨论3.1埋设暗管与大棚土壤电导率值土壤电导率是盐分胁迫程度的强度指标，反映了土壤含盐量的大小，根据水盐运移规律，土壤中的盐分主要是随水分而运动。许多研究者认为，暗管埋设可以有效地控制地下水位，并且可以截流排除入渗水，有利于土壤脱盐5,9-10。本研究表明，埋设不同埋深与间距的暗管均可降低大棚土壤 060 cm 土层的 EC 值，位于暗管上方位置的土壤，由于其排水性更佳，而“盐随水动”，最终其电导率较相邻两根暗管中间位置更低，其中埋深70 cm，间距 8 m 的暗管处理即 Tr2 的排水降盐效果要优于埋深 40 cm，间距 6 m 的暗管处理。Ritzema H P 等15的研究表明，在一季作物期间内，埋设暗管可以使土壤EC 降低 50%，而 Ghumman A R 等16认为可降低 17%，本试验中，埋设暗管后不同位置的表层土壤 Ec 值均较对照降低 36%以上，而其他土层 EC 值亦有显著下降。但Tr14060cm 土层的盐分含量较试验前略有增加，可能是由于上层土壤的盐分被淋洗到下层土体中，而暗管埋深较浅通过其排出的盐分较少，又缺少大量的水分将其向下淋洗，导致盐分在该层次土壤中积累，但依然低于明显对照。对灌水周期内的 EC 监测表明，各处理 EC 值在灌水后的第 1 天均最低，这是由于灌水后盐分随水进入下层，但随着蒸发作用水分向上运移，使得土壤中的盐分运移以向上为主8，导致灌水 3 d 后土壤 EC 值增大。虽然埋设暗管后能随水排走部分盐分，但本试验灌溉量在正常管理范围内，没有刻意加大，盐分需要逐渐排出，所以在试验过程中会出现明显“返盐”的现象。通常认为，在盐分淋洗过程中淋洗系数越大的处理，往往其盐分淋失的比例也越高，越容易从土体中排出盐分。本试验条件下，在灌溉定额一致的前提下，Tr1 的淋洗系数低于 Tr2，这可能是由于 Tr1 的暗管埋深较浅，导致灌溉后土体中部分水流垂直向下运动而无法从暗管排出，同时灌水量又不足以将盐分淋洗到更深层次的土壤中，另外，受到试验地地下水位较高的干扰，造成 Tr1的盐分淋洗效果不好，而 Tr2 在则可以有效的降低地下水位，同时排出盐分，减少其在土层中的积累。3.2埋设暗管与大棚土壤物理性质土壤盐碱度及作物产量受土壤基本特性和土壤水分运动状况的影响17-19，发生次生盐渍化后土壤板结、结构破坏，物理性质发生改变。土壤体积质量对土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移特征等都有非常大的影响，艾天成、李成敏等9的研究认为，暗管排水能有效地改善耕层土壤的物理环境，体积质量略有降低但总孔隙度增加明显，本试验与其研究结果一致。虽然对照容重在作物生长季节内有所增加，但不会持续此趋势，在下一季作物栽培前的翻耕可以有效的降低体积质量。土壤饱和导水率反映了土壤的入渗和渗漏性质，设施土壤中含有较多的交换性钠，且随盐分含量升高而增加，交换性钠会引起黏粒片扩胀分散，从而导致导水率下降。本试验中，埋设暗管后土壤饱和导水率增加，可能是由于暗管排水使得土壤中盐离子含量降低，交换性钠减少的原因。认为，埋设暗管可以在一定程度上改善土壤物理性质，对于大棚土壤的有效排水非常重要，可以降低次生盐渍化的发生。3.3埋设暗管与大棚番茄产量番茄产量与植株生长环境密切相关。本试验中，不同暗管埋设模式处理的番茄果实平均单果质量和总产量均明显高于对照，且有显著性差异。主要是由于暗管排水降低了土壤中的盐分含量，改善了植株的生长环境，植株长势增强，果实发育良好，而对照区土壤 EC 值一直维持在较高水平，对植株产生盐胁迫，导致单果重和产量较低，这与 Magan、Navarro 等19-20研究结果一致。4结论1）暗管排水对大棚土壤次生盐渍化的改良有利，可以促进土壤电导率降低，土壤体积质量减小、总孔隙度及饱和导水率等物理性质，其中，埋深 70 cm，间距 8 m的暗管埋设模式的改良效果好于埋深 40 cm，间距 6 m 的模式，而各处理暗管上方位置土壤的改良效果要好于相邻两根暗管的中间位置。2）埋设暗管后大棚番茄各花序平均单果质量均明显增加，总产量显著升高，表现为埋深 70 cm，间距 8 m 的暗管埋设模式产量高于埋深 40 cm，间距 6 m 的模式，且差异显著。参考文献1余海英，李廷轩，周健民.设施土壤次生盐渍化及其对土壤性质的影响J.土壤，2005，37(6)：581586.Yu Haiying,Li Tingxuan,Zhou Jianmin.Secondary salinizationof 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soil,a subsurface drainage system wasset up with plastic bellows buried in the soil of the greenhouse to probe into the measures against secondary salinizationof soil,and to study the changes of soil basic physicochemical properties through subsurface drainage.Soil electricalconductivity(EC),soil saturated hydraulic conductivit,bulk density,porosity and yield of tomato were studied.Thesystem was installed with two arrangements,space of 6 m and depth of 40 cm;space of 8 m and depth of 70 cm.Resultsshowed that the subsurface drainage system lowered the EC of different soil layers,especially the EC of soil whichabove the subsurface drainage.Meanwhile,saturated hydraulic conductivity of soil increased,bulk density decreased,but bulk porosity increased.The tomato yield increased as the average weight of single fruit increased.All theseindicators of the system with space 8 m and depth 70 cm were better than those of the system with space 6 m and depth40 cm.It is concluded that the effect of drainage system with space 8 m and depth 70 cm on improvement of soilsecondary salinization was more significant than that of the system with space 6 m and depth 40 cm in greenhouse.Key words:irrigation,drainage,soil moisture,secondary salinization,electrical conductivity,tomato,yield