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  土壤  2020, Vol. 52 Issue (1): 139-144  DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2020.01.020
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引用本文  

张凯凯, 赵爽, 陈慧杰, 赵佳淼, 江泾, 陈发棣, 房伟民. 暗排技术对设施连作土壤改良及切花菊品质的影响. 土壤, 2020, 52(1): 139-144.
ZHANG Kaikai, ZHAO Shuang, CHEN Huijie, ZHAO Jiamiao, JIANG Jing, CHEN Fadi, FANG Weimin. Effect of Subsurface Pipe Drainage System on Greenhouse Soil Improvement and Cut Chrysanthemum Quality in Continuous Cropping System. Soils, 2020, 52(1): 139-144.

基金项目

江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2016077-06),江苏省农业三新工程项目(SXGC2017280),江苏省农业科技自主创新资金项目(CX161025)和中央高校基本科研业务费专项项目(KYCYL201501)资助

通讯作者

房伟民, fangwm@njau.edu.cn

作者简介

张凯凯(1993—),男,山东临沂人,硕士研究生,研究方向为观赏植物土传病害防控及连作土壤改良。E-mail:2015104103@njau.edu.cn
暗排技术对设施连作土壤改良及切花菊品质的影响
张凯凯1,2 , 赵爽1,2 , 陈慧杰1,2 , 赵佳淼1,2 , 江泾1,2 , 陈发棣1,2 , 房伟民1,2     
1. 南京农业大学园艺学院,南京 210095;
2. 农业部景观设计重点实验室,南京 210095
摘要:针对温室、大棚等设施栽培条件下的土壤随着连作年限的增加,土壤理化性状变劣、养分比例失调、土壤次生盐渍化加重、生产性能降低这一现象,采用暗管排水排盐技术,在稻草还田(800 kg/hm2)配套措施条件下,研究了暗管不同埋管间距(2、4、6 m)对设施连作表层土(0 ~ 15 cm)有机质、速效养分(碱解氮、有效磷和速效钾)、盐分含量以及切花菊‘神马’品质的影响。结果表明:暗排技术能明显增强切花菊的根系活力,对切花菊主要品质(株高、茎粗、花径、舌状花数及生物量)的提高具有积极作用,其中4 m的埋管间距处理效果最佳;对土壤有机质和速效养分含量的提高效果埋管间距4 m处理显著高于埋管间距2 m和6 m处理;暗排技术对于土壤的降渍排盐作用明显,可显著降低表层土壤的含水量、电导率、全盐量以及主要盐分离子含量(Ca2+和SO2– 4),并且随着埋管间距的减小,降渍排盐的效果越明显。综合比较分析各相关试验结果,结合暗管埋设初期成本投入的考虑,4 m的埋管间距处理能最有效地改良设施连作土壤及提高切花菊的品质。
关键词暗管排水排盐技术    埋管间距    切花菊品质    土壤改良    

菊花(Chrysanthemum morifolium)原产于我国,是我国十大传统名花和世界四大切花之一,占鲜切花总产量的30%[1]。由于切花菊种植经济效益高,其设施化栽培面积以及规模化生产范围不断加大,连茬种植导致了严重的连作障碍。连作障碍土壤理化性状变劣、养分比例失调、土壤次生盐渍化加重、生产性能降低[2]。因此,改良设施切花菊土壤结构,提升切花菊土壤质量,提高切花菊产量及品质,进而促进设施土壤的可持续利用已成为切花菊设施生产亟待解决的关键问题和重要需求。

暗管排水排盐技术是国际上盐碱地治理的领先技术,其核心思路是通过埋设地下透水暗管,排除土壤中过多的水分,降低地下水位,并通过灌溉、降水等淋洗手段去除土壤中过多的盐分,达到土壤改良的目的[3-5]。暗管排水排盐技术可以有效地排水排涝,防治涝渍害的发生;可以有效地淋盐洗盐,提高土壤脱盐速率,降低土壤含盐量;可以有效降低地下水位,控制返盐,防治盐渍害的发生;还可以排除土壤中过多的水分,增加土壤的通气空隙,调节土壤的水气比例,改善土壤环境,促进植物的生长[6]。农田埋设暗管后,地下暗管排水取代地表明沟排水,可避免明沟排水占用大量耕地和边坡塌陷的问题,减少了明沟的数量,提高了土地的利用率,便于农业机械作业[7]。发展至今,暗管排水排盐技术通常被应用于防治土壤浸渍化、沼泽化和盐碱化,尤其是在地下水埋深浅的盐碱区得到大力推广应用。有研究表明滨海盐渍土地区埋设暗管可以显著提高土壤脱盐速率,增加脱盐层深度,淡化表层地下水,为作物的生长创造良好的生长环境[8-9]

目前,暗管排水排盐技术的研究主要集中在大田暗管埋设下的水分转化与水盐运移规律[10-12]、暗管新材质新滤料的研发、暗管埋设参数的确定、暗管埋设方式的改进[13]等方面,对于温室大棚等设施应用暗排技术的研究报道较少,暗排技术用于设施农业鲜见。本研究在连续多年单一种植切花菊的连栋大棚内施用暗管排水排盐技术,通过研究不同暗管间距对切花菊‘神马’的生长及设施连作土壤理化性质的影响,探讨暗排技术在设施连作土壤上应用的可行性,以期为改良设施连作土壤及提高土地生产能力提供理论参考和技术支持。

1 材料与方法 1.1 试验条件及材料

试验于南京农业大学“中国菊花种质资源保存中心”实验基地的连栋塑料大棚中进行。该连栋大棚已经连续多年单一种植切花菊,土壤质量已严重下降。

供试切花菊‘神马’为长势均一的扦插生根苗,插穗由上海虹华园艺有限公司提供。

1.2 试验设计

试验设置2、4、6 m三个暗管间距,同时进行稻草还田(800 kg/hm2)作为配套措施。试验处理包括:无暗管和无配套措施(CK)、无暗管和有配套措施(CK1)、暗管间距2 m和有配套措施(B2)、暗管间距4 m和有配套措施(B4)、暗管间距6 m和有配套措施(B6)5个处理。暗管采用直径11 cm的PVC打孔波纹管,孔径2 cm。暗管在2015年12月用荷兰进口机械埋管,开沟深度0.6 m,使用砂滤料,制动埋管。

试验地经机械翻耕整地起垄,垄高15 cm,垄宽80 cm,垄间行距55 cm。各处理选用长势均一的扦插生根苗于2016年8月17日定植于垄上。各处理设3个重复小区,每个小区定植240株扦插苗,小区规格为每行定植8株,株距10 cm,行距10 cm,小区之间用20 cm隔离带进行隔离。定植后进行正常水肥管理。

1.3 测定项目及方法

切花菊盛花时,从各处理3个重复小区中随机选择90株植株,测定切花菊的株高、茎粗、叶绿素、含氮量、花径、舌状花数、植株鲜重、生物量、根系活力。植株叶绿素及含氮量采用浙江托普仪器公司生产的植株养分速测仪TYS-3N在田间进行测定(叶绿素含量为SPAD值)。植株根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定[14]

切花菊采收前随机多点采集表层土壤样品,采样深度均为0 ~ 15 cm,混匀,经自然风干后磨碎,过1 mm筛,进行相关指标的测定。土壤含水量采用烘干法测定[15];电导率采用上海仪电雷磁DDS-307型电导率仪测定;有机质含量采用电热板加热-重铬酸钾容量法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;有效磷含量采用钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用火焰光度计法测定[16];全盐量用残渣烘干-质量法测定;K+、Na+采用火焰光度计法测定;Ca2+、Mg2+利用EDTA滴定法测定;CO32-、HCO3-利用双指示剂-中和滴定法测定;Cl-利用硝酸银滴定法测定;SO42-利用EDTA间接络合滴定法测定[16]

所有指标均进行3次重复测定。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007对试验数据进行统计与整理,采用SPSS20软件对数据进行单因素方差分析和差异显著性检验(SSR法,P < 0.05)。

2 结果 2.1 暗排技术对切花菊根系活力和品质的影响

图 1可知,相比CK处理,其余4个处理(CK1、B2、B4、B6)切花菊根系活力均有显著性增加,CK处理切花菊根系活力最低,为163.2 μg/(g·h)。与CK处理相比,不同埋管间距(B2、B4和B6)处理根系活力分别提高36.1%、37.3%、33.1%,其中,B4处理对于提高切花菊根系活力最为明显,B6处理根系活力低于B2和B4处理,但显著高于CK1处理,表明暗管技术配合稻草还田管理对根系活力的影响要强于单一稻草还田管理。

(不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05),下图同) 图 1 不同埋管间距对切花菊根系活力的影响 Fig. 1 Root activities of cut chrysanthemums with different pipe spacing

切花菊品质是一个综合的概念,涉及指标众多,评价难度较大。为了明确不同埋管间距对切花菊品质的影响,本研究从植株花、茎、叶3个方面的相关指标进行切花菊品质评价。由表 1可知,与CK处理相比,其余处理切花菊品质各项指标均有提高。其中B4处理对切花菊品质影响最大,对切花菊株高、茎粗、叶绿素含量、花径、舌状花数等指标有显著提高,分别提高22.2%、17.0%、13.9%、9.0 %、35.1 %。不同埋管间距(B2、B4和B6)处理间只有生物量指标达显著差异水平(P < 0.05),B4处理的生物量显著高于B2和B6处理,达9.54 g/株;与单一稻草还田(CK1)处理相比,B4处理在株高、花径和生物量指标上显著提高,说明暗管排水排盐技术可以有效地促进植株的生长从而提高切花菊的品质。

表 1 不同埋管间距对切花菊品质的影响 Table 1 Qualities of cut chrysanthemums with different pipe spacing
2.2 暗排技术对表层土壤基本性质的影响

土壤有机质作为土壤中最活跃的成分,能够为作物提供养分,是评价土壤肥力高低的重要指标之一。由图 2可见,CK处理有机质含量最低,为31.57 g/kg,但采取稻草还田配套措施后,有机质含量显著提高,即CK1处理为38.51 g/kg。与CK处理相比,B2、B4和B6处理的有机质含量显著提高。其中,B4处理的土壤有机质含量最高,且有机质含量显著高于B2和B6处理,说明3个暗管处理中暗管间距为4 m的处理对土壤有机质含量的增加效果最为明显。

图 2可见,与CK相比,采取稻草还田配套措施后,CK1的速效钾和有效磷含量显著提高,碱解氮含量无显著变化,表明单一的稻草还田处理可以显著地增加土壤速效钾和有效磷的含量;与CK相比,暗排技术(B2、B4和B6)处理的有效磷和速效钾含量均显著增加,其中B4处理的有效磷和速效钾含量最高,分别为44.82 mg/kg和330.01 mg /kg,但B2和B6处理有效磷和速效钾含量显著低于CK1。暗排技术(B2、B4和B6)处理中只有B4处理的碱解氮含量相比于CK显著提高,达到159.60 mg/kg,表明当暗管间距为4 m时搭配稻草还田处理能更有效地提高土壤有效磷、速效钾和碱解氮的含量,对于表层土壤速效养分的增加效果最好。

CK处理的表层土壤含水量最高,为223.3 g/kg。暗排技术处理(B2、B4和B6)的土壤含水量显著低于CK处理,分别降低87.7、83.3和63.3 g/kg。其中B2处理的土壤含水量最低,B4处理次之,但处理之间差异不显著;与CK1处理相比,B2和B4处理的土壤含水量显著降低,B6处理的土壤含水量显著增加,说明暗管间距为2 m或4 m时搭配稻草还田措施能更有利于暗管排水作用从而降低表层土壤含水量。

图 2 不同埋管间距对表层土壤基本性质的影响 Fig. 2 Soil basic properties of surface soils with different pipe spacing
2.3 暗排技术对表层土壤盐分指标的影响

图 3可知,与CK处理相比,各处理土壤电导率(EC)显著降低,表明暗排技术及稻草还田配套措施可以对于降低土壤电导率具有积极作用。其中施用暗排技术(B2、B4和B6)处理表层土壤电导率低于CK1处理,而且不同暗管间距的降低幅度为2 m > 4 m > 6 m。可见,暗排技术配施稻草还田处理对土壤电导率的影响更大,且暗管间距越小土壤电导率降低越多。

土壤全盐量的变化可以判断土壤的盐渍状况和盐分动态。由图 3可见,与CK处理相比,CK1处理土壤全盐量降低显著,说明稻草还田配套措施对于降低表层土壤含盐量起积极作用。与CK处理相比,B2、B4和B6处理全盐量均显著下降,分别降低了299.9、264.3和268.1 mg/kg。而且B2、B4和B6处理全盐量低于CK1处理,其中B2处理表层土壤全盐量最低。可见,暗排技术对土壤全盐量有改善作用,不同暗管间距的改善效果为2 m > 4 m > 6 m。

表 2可知,研究区土壤的主要阳离子为Ca2+和Na+,阴离子主要为与HCO3-和SO42-。与CK处理相比,CK1处理阴离子中SO42-和CO32-含量均下降显著,HCO3-和Cl-处理含量显著增加,而阳离子中除K+有所增加外其他离子均明显下降,说明稻草还田配套措施可有效降低表层土壤阳离子含量。与CK1处理相比,施用暗排技术的(B2、B4和B6)处理除HCO3-和Mg2+外其他离子均显著下降,其中SO42-的含量为B2 > B6 > B4,Ca2+的含量为B4 > B6 > B2,Na+的含量为B4 > B2 > B6。可见,暗管技术搭配稻草还田措施更有利于降低表层土壤盐分离子含量。

图 3 不同埋管间距对表层土壤电导率和全盐量的影响 Fig. 3 Electrical conductivities and total salt contents of surface soils with different pipe spacing

表 2 不同埋管间距对表层土壤盐分离子组成的影响 Table 2 Salt compositions of surface soils with different pipe spacing
3 讨论

暗管排水是相对于明沟而言的。长期以来,我国农田普遍采用明沟排水,明排存在沟坡不稳定、沟道淤积、占用耕地、易生杂草等诸多问题。20世纪60年代,河南、江苏等省率先开展暗管排水试验。此后,该技术逐渐由排水发展至降渍排盐双重功能,并作为我国改良土壤盐渍化的一项重要工程措施,在滨海盐碱土、干旱半干旱地区盐碱土、苏打盐碱土、大棚次生盐碱土、涝渍土等不同类型土壤的多个地区开展了不同程度的应用研究[17]。多位学者开展了田间排水降渍效果试验研究,结果均表明,应用暗排技术可改善土壤质量进而提高水稻、小麦、棉花等农作物的产量和品质[18-20]。本研究结果发现,暗排技术对于切花菊‘神马’的根系活力的增强具有积极作用,增强了切花菊的根系活力进而影响地上部分的长势。在茎、叶和花上相关指标均有不同程度的提高进而增强切花菊的整体品质,经济效益增大。这与暗排技术对土壤有效的改良作用息息相关。本研究结果表明,4 m间距暗管排水可以降低地下水位和地下水矿化度,提高土体脱盐效果最佳, 与魏开基等[21]的研究结果相符。

土壤有机质是土壤肥力的最重要因子,是土壤质量的核心表现。其能够提供作物养分,起到保水、保肥和缓冲作用,能够促进团粒结构的形成,改善土壤物理条件[22]。本研究结果表明,暗排技术可以增加土壤有机质的含量,并且不同暗管间距之间增幅不一,当暗管间距为4 m时土壤有机质含量增加最多。这与田玉福等[23]关于在改土基础上暗管间距小于20 m处理对表层土壤渗透性和土壤有机质含量有显著改善作用的研究结果一致。土壤养分是土壤肥力的重要物质基础,农作物吸收的氮磷钾绝大部分是从土壤中吸收的。其中,速效养分是指碱解氮、有效磷、速效钾。在李晓华[7]的研究中,暗管排水可以增加土壤有机质量,降低土壤全氮量,增加土壤全磷量,增加土壤速效氮、磷、钾含量。本研究发现,在稻草还田配套条件下暗管间距为4 m时土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的含量分别提高9.27%、271.34%和100%,这一结果表明4 m暗管间距排水能明显改善土壤肥力,这是由于暗管排水处理后研究区土壤条件得以改善,微生物新陈代谢加强,有效微生物对秸秆中养分的释放具有一定促进作用,从而使得有机质含量和速效养分含量也逐步增加[24];2 m和6 m暗管间距排水处理土壤碱解氮含量有所下降,这是由于4 m暗管间距排水处理后植株根系活力和土壤有机质含量高于2 m和6 m暗管间距排水处理,有机质含量的高低直接影响碱解氮的含量,碱解氮含量随着有机质含量的增加而增加[25],以及植物根系的吸收作用等综合作用的结果[26]

土壤电导率(EC)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[27-29]。本研究表明,埋设不同间距的暗管均可降低表层土壤的含水量、电导率和全盐量,具有有效的排水和降盐作用。其中土壤含水量、电导率和全盐量均随暗管间距的减小而降低。上述结果表明,暗管间距越小,降渍排盐效果越明显。对于表层土壤水溶性盐基离子施用暗排技术的处理(B2、B4和B6)可使除HCO3-和Mg2+外其他离子均显著下降,HCO3-和Mg2+含量不降反升一方面可能由于土壤对其有很强的吸附性,不易于向下淋洗[30],另一方面可能随着暗排技术的应用使土壤微生物环境得到明显改善,植物根系活动所释放的有机酸和酶类物质对土壤中MgCO3的活化作用,使得土壤中的Mg2+含量增加且土壤pH降低,H+增多,CO32-与H+结合生成HCO3-,导致离子含量升高[31]。但是,在一定区域范围内,间距的缩小势必会增加暗管的数量、增大一次性投资,同时也相应增加后期的维护、管理费用,因此,最佳间距的确定,必须合理平衡降渍效果和资金投入的矛盾。暗排技术因各地区的排盐降渍需求各不相同,因此不宜制定统一的技术标准。但本研究结果可为今后制定具有地区适宜性的暗管间距及相应配套技术的技术标准和实施规程提供重要的理论参考。

4 结论

稻草还田条件下施用暗排技术可显著增加设施连作土壤表层有机质和速效养分(碱解氮、有效磷和速效钾)的含量,增强切花菊根系活力,且降渍排盐效果明显,从而促进切花菊品质的提高。不同埋管间距处理之间的降渍脱盐效果有差异,埋管间距越小效果越明显;不同埋管间距对土壤有机质和速效养分影响显著,埋管间距为4 m时,土壤有机质和速效养分含量显著高于2 m和6 m,且切花菊根系活力最大。综合考虑,稻草还田条件下施用暗排技术,4 m的埋管间距可有效改良设施连作土壤及提高切花菊品质。

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Effect of Subsurface Pipe Drainage System on Greenhouse Soil Improvement and Cut Chrysanthemum Quality in Continuous Cropping System
ZHANG Kaikai1,2 , ZHAO Shuang1,2 , CHEN Huijie1,2 , ZHAO Jiamiao1,2 , JIANG Jing1,2 , CHEN Fadi1,2 , FANG Weimin1,2     
1. College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Key Laboratory of Landscape Design, Ministry of Agriculture, Nanjing 210095, China
Abstract: With the increase of continuous cropping years, the physical and chemical properties of greenhouse soil is deteriorating, the proportion of nutrients is out of balance gradually, the secondary stalinization of soil is increasing, and the production performance is reducing more and more seriously. In this study, under the condition of straw returning to field at 800 kg/hm2, the subsurface pipe drainage system was used to investigate the effects of different pipe spacing (2, 4 and 6 m) on organic matter content, available nutrients (available nitrogen, available phosphorus and available potassium) and salt content in surface soil (0–15cm) as well as the quality of cut chrysanthemum 'Jimba'. The results showed that the subsurface pipe drainage system significantly enhanced the root activity of cut chrysanthemum and had a positive improvement in the quality of cut chrysanthemum (plant height, stem diameter, flower diameter, ray floret number and shoot dry weight). Among the treatments evaluated, 4 m pipe spacing treatment improved soil organic matter and available nutrient contents more significantly compared with 2 m and 6 m pipe spacing treatments. 4 m pipe spacing not only had positive effects on groundwater depth controlling and desalination, but also had significant effect on reducing water content, electrical conductivity, total salt content and the main salt ions contents (Ca2+ and SO2– 4) in the surface soil. With the decrease of buried pipe spacing, the effects of groundwater depth controlling and desalination became more obvious. Combined with the initial cost of embedded buried pipe into account, the treatment of 4 m pipe spacing is regarded as the most economical way to improve both soil and cut chrysanthemum qualities in continuous cropping greenhouse.
Key words: Subsurface pipe drainage system    Subsurface pipe spacing    Cut chrysanthemum quality    Soil Improvement