随着设施农业的迅速发展，粗放的水肥管理加之设施内特定的温湿条件，日益加剧的土壤退化问题已经严重制约了设施蔬菜的可持续发展^[1]。土壤酸化是设施土壤退化的主要表现形式之一，不仅直接危害作物根系的生长发育，还影响土壤养分平衡和土壤微生物区系，进而间接影响作物生长，导致作物减产^[2-3]。

大量施肥，尤其是施用氮肥导致土壤酸化已成为共识^[4]。目前对设施土壤酸化的研究主要集中在化肥单施及有机无机配施等施肥措施方面，结果表明，有机无机配施有效减缓了设施土壤酸化进程^[1]。除施肥外，灌溉作为设施土壤水分的主要来源，直接影响土壤中养分和致酸离子等的迁移转化过程，是导致设施土壤酸化的重要原因^[5]。过量灌溉不但会导致表层土壤酸化，还会因氮素淋洗引起养分累积进而产生底土酸化^[6]。不同灌溉方式对设施土壤酸化影响的研究表明，沟灌、滴灌和渗灌处理的土壤活性酸、交换性酸含量均为表层土壤大于底层土壤，并表现为沟灌 < 渗灌 < 滴灌^[7]，且在长期条件下，滴灌比沟灌和渗灌更有利于防止土壤盐分累积与酸化^[8]。

灌水下限是灌溉的起点，是灌水定额、时间和次数的综合体现^[9-10]。探明不同灌水下限对设施栽培土壤灌溉与酸碱缓冲性能等酸度特征关系的影响，对减缓土壤酸化进程和保障设施土壤可持续发展具有重要的实践意义。然而，目前关于灌水对设施土壤酸化的研究主要集中在灌溉方式上，不同灌水下限与致酸离子关系的研究鲜有报道。因此，本研究基于连续11年不同灌水下限的设施土壤长期定位试验，研究灌水下限对设施土壤酸化的影响，旨在寻求设施土壤适宜的灌水下限，为设施土壤灌溉管理、减缓设施土壤酸化提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况与试验设计

灌水下限长期定位试验始于2012年，试验地位于沈阳农业大学设施生产试验基地(41°49′N，123°34′E)。该地区属于温带半湿润大陆性气候。试验每年4—8月种植番茄，其余时间为休耕期，相同灌溉、施肥等管理措施至采样时已持续11年。试验地土壤为棕壤，试验开始前表层0~20 cm土壤基本理化性质为：有机质含量10.9 g/kg，全氮含量1.4 g/kg，碱解氮含量57.8 mg/kg，有效磷含量25.2 mg/kg，速效钾含量90.2 mg/kg，pH 7.1。

根据试验区域水分管理实践和设施番茄水分需求，长期定位试验共设4个不同灌水下限处理，对应的土壤水吸力值分别为25 kPa(W₁)、35 kPa(W₂)、45 kPa(W₃)和55 kPa(W₄)，灌溉上限均为6.3 kPa(对应土壤田间持水量)。每个处理4个重复，小区面积2.5 m²，各试验小区间用埋深60 cm的塑料薄膜隔开，防止小区间水分和养分的运移。

供试作物为番茄，按照当地常规株行距种植并进行田间管理，每株留四穗果。在番茄定植前，各小区施用等量有机肥和化肥，其中膨化鸡粪26.4 t/hm²和磷肥(P₂O₅)220 kg/hm²作为基肥，氮肥(N)300 kg/hm²和钾肥(K₂O)300 kg/hm²分为3次分别在定植前、第一和第二穗果膨大期时等量施入。膨化鸡粪有机肥有机碳含量为100.9 g/kg，全氮含量15.6 g/kg。

番茄定植并经过缓苗水处理后，采用滴灌方式进行水分管理。为确定灌溉时间和灌溉量，各小区埋设张力计和TDR探头指示土壤水吸力值的变化，灌水下限土壤含水量由土壤吸力值算出，即当30 cm深度土层张力计读数达到对应的灌水下限土壤水吸力值时(每日清晨8:00—8:30)，依据观测值，根据土壤水分特征曲线计算土壤体积含水量(公式(1))，再根据土壤体积含水量，计算各小区单次灌水所需水量(公式(2))。

$ \begin{aligned} \theta & =0.5205\left[1+(6382.43 h)^{11.501}\right]^{-0.0094}(r=0.995, \\ P<0.01) & \end{aligned} $

(1)

式中：h为土壤水吸力(kPa)；θ为土壤体积含水量(cm³/cm³)。

$ Q=\left(Q_{\mathrm{f}}-Q_1\right) \times H \times R \times S $

(2)

式中：Q是一次灌水水量(m³)；Q_f和Q_l分别为灌水上限和下限土壤含水量(m³/m³)；H为计划湿润层厚度(m)，本研究H=0.3 m；R为土壤湿润比，本研究R=0.5；S为小区面积(m²)。

1.2 样品采集与测定

于2022年番茄收获期分层采集0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm土层土壤样品。每小区按“S”形布设5个采样点采集并混匀，一部分新鲜土样储存于4℃冰箱用于土壤矿质氮含量测定；一部分土样经自然风干、研磨后用于土壤理化性质和酸碱缓冲曲线等项目的测定。

其中，采用pH计(Thermo Orion 3-Star pH，US)(土水质量比1∶2.5)测定土壤pH；采用酸碱中和滴定法测定土壤交换性酸总量和交换性H⁺、Al³⁺含量^[11]；采用AA3自动分析仪(Seal Analytical，USA)测定土壤NO₃^–-N和NH₄⁺-N含量；采用元素分析仪(Elementar Vario EL Ⅲ，Germany)测定土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量。土壤HCO₃^–含量采用双指示剂中和法测定^[11]。土壤交换性盐基总量(EB)为交换性钾、钠、钙、镁离子之和。采用火焰光度法测定交换性钾、钠离子，采用原子吸收分光光度法测定交换性钙、镁离子^[11]。

土壤酸碱缓冲曲线测定：分别称取各处理各土层的10 g土样于21只玻璃烧杯中，并依次编号，其中在1~10号烧杯中依次加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 mL的0.2 mol/L H₂SO₄；在12~21号烧杯中依次加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、6.5 mL的0.1 mol/L NaOH；在11号烧杯中不加酸碱。各烧杯均加入无CO₂蒸馏水，使各烧杯总体积达25 mL，室温下间歇振荡72 h后，测定土壤pH。以pH为横坐标，酸碱加入量为纵坐标，建立酸碱缓冲曲线。对酸碱缓冲曲线中pH 4~9段进行线性拟合，斜率即为酸碱缓冲容量(pHBC)。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析和Pearson相关分析，LSD法进行差异显著性检验。采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析 2.1 不同灌水下限对设施土壤剖面pH的影响

不同灌水下限土壤剖面pH如图 1所示，不同处理土壤pH随土层深度的增加总体表现为增加趋势。与底层土壤(40~50 cm)相比，W₁、W₂、W₃和W4处理表层土壤(0~10 cm)的pH分别降低了5.17%、5.52%、2.48% 和7.27%，其中W₄处理各土层土壤pH变异最大，以30~40 cm土壤pH最高。同一土层不同处理之间土壤pH差异显著(P < 0.05)。总体上，W₄处理各土层土壤pH均显著低于W₁、W₂和W₃处理。

2.2 不同灌水下限对设施土壤酸碱缓冲性能的影响 2.2.1 对设施土壤酸碱缓冲曲线的影响

不同灌水下限设施土壤的酸碱缓冲曲线如图 2所示。随着酸碱的加入，各处理各土层土壤pH均呈现先快速变化后逐渐趋于平缓。随土层增加，各处理的pH变化极差表现为在0~10、10~20 cm两个土层W₂和W₃处理均小于其他处理，而在20~30 cm土层各处理差异较小，在30~40、40~50 cm土层W₂和W₃处理高于其他处理。整体上，W₂和W₃处理土壤酸碱缓冲曲线最陡。此外，各处理土壤酸碱缓冲曲线的变化总体均为表层小于底层。

2.2.2 对设施土壤pHBC的影响

不同灌水下限设施土壤的pHBC如图 3A所示，可见，各处理土壤pHBC总体上表现为随土层深度增加而降低的趋势。同一土层不同灌水下限处理对土壤pHBC影响显著，0~10 cm表现为：W₃≈W₂ > W₁ > W₄，10~20、20~30、40~50 cm均表现为W₂处理pHBC最大。随土层深度增加，各处理间差异减小。

2.3 不同灌水下限设施土壤交换性酸含量及组成 2.3.1 对设施土壤交换性酸含量及组成的影响

不同灌水下限土壤交换性酸总量及其组分交换性H⁺和交换性Al³⁺含量如图 3B所示。各处理土壤交换性酸总量总体上随土层深度增加而逐渐降低，以W₁和W₄处理在10~20 cm土层最大。各土层中W₄处理的交换性酸总量均显著高于其他3个处理，土壤交换性H⁺和交换性Al³⁺占交换性酸总量比例范围分别为50.02%~78.80% 和21.20%~49.98%，即交换性H⁺在交换性酸中占主导地位，表现为各处理各土层的交换性H⁺与交换性酸总量的分布特征基本一致。各土层中W₂处理的交换性H⁺含量均显著低于其他处理；各土层交换性Al³⁺含量表现为W₄处理显著高于其他处理。

交换性酸总量与交换性H⁺、交换性Al³⁺含量的关系如图 4A所示。交换性H⁺和交换性Al³⁺均与交换性酸总量呈极显著正相关关系(P < 0.01)，但随交换性酸总量的增加两者的变化趋势不同。交换性H⁺含量的增长速率随交换性酸总量增加表现为对数增长的变化趋势，而交换性Al³⁺含量随交换性酸总量增加呈现幂函数增长的变化趋势，即交换性H⁺含量表现为增加趋于平缓，而交换性Al³⁺含量表现为持继续增加势。进一步分析交换性H⁺、交换性Al³⁺占交换性酸总量的比例与交换性酸总量的关系，如图 4B所示，二者均可以采用一元二次函数模型拟合其与交换性酸总量之间的关系。在研究范围内，随交换性酸总量增加，交换性H⁺占比表现为降低的趋势，而交换性Al³⁺占比则表现为增加的趋势。

2.3.2 pH与交换性酸的关系

图 5显示了不同灌水下限处理土壤pH与交换性酸总量、交换性H⁺和交换性Al³⁺的线性关系。一元一次模型(y=ax+b，其中x为交换性酸含量(交换性酸总量、交换性H⁺和交换性Al³⁺)，y为土壤pH)可以很好地拟合pH和交换性酸总量及其组分的相关关系，模型拟合优度均达到极显著水平(P < 0.01)。随交换性酸总量、交换性H⁺和交换性Al³⁺含量的增加，不同灌水下限土壤pH均呈下降趋势。不同处理模型斜率k绝对值的变化表现为：对于交换性酸总量和交换性H⁺，W₄ > W₁ > W₃ > W₂；对于交换性Al³⁺，W₄ > W₂ > W₁ > W₃。

2.4 不同灌水下限对设施土壤HCO₃^–和交换性盐基总量的影响

不同灌水下限处理设施土壤HCO₃^–含量和交换性盐基总量如图 6所示。各处理土壤HCO₃^–含量和交换性盐基总量总体上均表现为随土层深度增加而降低的趋势，同一土层不同灌水下限对土壤HCO₃^–含量和交换性盐基总量的影响均显著。各土层HCO₃^–含量均表现为W₄处理含量最低。除0~10 cm土层W₃处理HCO₃^–含量最高外，W₂处理HCO₃^–含量在其他土层均最高。除30~40 cm土层外，均表现为W₂处理交换性盐基总量最大。

2.5 灌水下限对设施土壤碳、氮含量的影响

不同灌水下限处理设施土壤的全氮和有机碳含量如图 7所示。各处理土壤全氮和有机碳含量总体表现出随土层深度增加而降低的趋势，10~30 cm土层表现为大幅下降，表层(0~10 cm)分别是底层(40~50 cm)的2.57倍~3.14倍和1.98倍~3.13倍。灌水下限对土壤全氮含量的影响主要体现在10~20 cm土层，各处理间的差异随土层深度增加逐渐减小，且W₂处理的全氮含量在10~50 cm土层均较高。

表 1为不同灌水下限处理各土层土壤NO₃^–-N和NH₄⁺-N含量。除W₁处理的NO₃^–-N含量随土层深度增加先升高后降低外，其余均随土层深度增加而降低。同一土层不同处理间的NO₃^–-N含量差异显著，且W₂处理的NO₃^–-N含量在各土层中均为最低。各处理的NH₄⁺-N含量均随土层深度增加逐渐降低，但除10~20 cm土层外，其余土层不同处理间差异不显著。

3 讨论 3.1 土壤酸度与土壤酸碱缓冲性能的关系

本研究表明，不同灌水下限处理的土壤酸碱缓冲曲线存在差异(图 2)，说明不同处理不同土层的酸碱缓冲能力有所不同。表层土壤的酸碱缓冲性能优于底层土壤，其原因可能是施用化肥、有机肥提高了土壤有机质含量和阳离子交换量，增强了土壤对酸碱的缓冲能力。土壤酸碱缓冲能力的差异与加入体系的酸碱数量有关，较少的酸碱加入量，土壤pH变化较快，表明土壤对酸碱的缓冲能力较小；随加入体系的酸碱数量增加，土壤酸碱缓冲曲线变化速率较慢，表明土壤酸碱缓冲能力较强，这与土壤处于不同pH缓冲体系及主导的土壤矿物种类有关^[12]。如当酸加入量增加使得体系pH < 4时，土壤处于铝硅酸盐主导体系，酸缓冲曲线变化平缓，而随pH增加，土壤处于可交换性阳离子及羟基铝主导的体系，其碱缓冲能力较强^[13]。本研究中，W₂处理土壤酸碱缓冲曲线的pH变化相对于其他处理较为缓慢，曲线较为平缓，进一步表明W₂处理的土壤酸碱缓冲能力要优于其他处理。

3.2 影响土壤酸化的因素分析

研究表明，土壤pH越低时土壤交换性酸总量越大，交换性H⁺、交换性Al³⁺含量也随之上升^[14]。本研究表明，当交换性酸总量升高到一定数值，即土壤pH下降到一定程度时，交换性Al³⁺占比将大于交换性H⁺，在土壤酸度变化中居于主导地位。这表明土壤酸度较低时土壤酸化主要由交换性H⁺引起；但随着土壤酸度增大，逐渐转变为交换性Al³⁺主导土壤酸化^[5]。土壤有机碳对于提高土壤质量和作物产量有着重要的意义。本研究表明，土壤pH和各土层有机碳含量均呈正相关关系(图 8)。其原因可能是有机质含有一些碱性物质，这些物质在分解过程中能够中和部分酸性物质，进而使土壤的pH趋于中性^[15]；其次，腐殖质是有机质在土壤中分解的产物，具有很强的酸碱缓冲能力，能吸附H⁺，从而在一定范围内提高土壤pH^[16]；此外，有机质是土壤中微生物的食物来源，微生物的代谢活动能释放出不同类型的碱性物质，使得土壤pH上升，尤其是在土壤中有较高含量的有机质时^[17]。土壤酸化的本质之一是土壤盐基离子的淋失^[18]。土壤交换性盐基离子通过离子交换来维持土壤pH稳定，高盐基饱和度能够增强土壤对pH变化的缓冲性能^[19]。本研究中，W₂处理土壤交换性盐基总量在0~30 cm显著大于其他处理，该结果与刘莉等^[20]关于重庆酸性紫色土阳离子交换特征对酸缓冲容量的影响研究结果相一致。其原因可能是，W₁处理灌溉量较少，土壤溶液中的H⁺占据主导地位，盐基离子被置换进入土壤溶液，导致胶体表面盐基离子减少，盐基饱和度下降^[21]；而灌溉量过高(W₃和W₄处理)会增加土壤水分含量，水分易向下渗漏，形成强烈的淋溶作用，盐基离子随水分下移至深层土壤或地下水，导致表层土壤盐基饱和度下降^[22]，这也进一步证实了为什么土壤底层pH高于表层。

由图 8可知，pH与HCO₃^–为正相关关系。HCO₃^–作为弱酸的共轭碱，其含量的升高有助于抑制土壤酸化^[23]。本研究表明，相较于其他灌水下限处理，W₂处理提高了土壤HCO₃^–含量，其原因可能是土壤含水量较低时，土壤孔隙度减少，阻碍HCO₃^–迁移与再分布^[24]；而含水量过高时(W₃和W₄处理)，植物会优先吸收K⁺等易移动的阳离子，导致土壤胶体表面的Ca²⁺被置换，释放的Ca²⁺与HCO₃^–结合而沉淀，降低了土壤HCO₃^–含量^[21]。

3.3 灌水下限影响土壤酸化的机理探讨

本研究团队前期在同一试验地开展的研究结果表明，不同灌水下限处理在单位面积灌水量和灌水频率方面存在差异^[25]，这可能进一步影响灌水过程及灌水后土壤水分运移特征以及离子累积与分布，从而对土壤酸化差异产生重要影响^[26]。W₄处理单次灌水量最大，灌水后0~30 cm土层全面湿润且水分含量最高，水分可向下运移至深层土壤^[27]，H⁺、Al³⁺和NO₃^–等致酸离子可随水分迁移至深层土壤^[24]，且不同的致酸离子的形态、电荷数量及其离子半径各不相同，导致离子的移动性能存在差异^[7]，吸附能力强的H⁺和Al³⁺交换到土壤胶体表面点位，导致该处理底层土壤的致酸离子含量高于其他灌水下限处理。此外，设施环境土表蒸发量大，水分向上运移使得灌水量大的W₄处理有更多的NO₃^–迁移至表层土壤，其表聚更为明显。因此，W₄处理土壤pH在整个土体均低于其他3个处理。由图 8可知，各土层土壤pH与NO₃^–-N含量均呈负相关，也进一步表明二者的关系。

W₂和W₃处理局部湿润土体，与W₁处理相比灌溉次数少，与W₄处理相比单次灌溉量少。W₂和W₃处理的各土层交换性酸含量均显著低于W₁和W₄处理，尤其是在0~30 cm土层差异更明显。相较于W₁和W₄处理，W₂和W₃处理抑制土壤酸化，其原因可能与施用的尿素水解转化为NH₄⁺-N，进一步发生硝化作用有关。灌溉加速了土壤盐基离子和NO₃^–-N向下淋溶迁移，进而增加土壤交换性酸含量，降低土壤交换性盐基离子含量。与W₄处理相比，W₂和W₃处理的灌溉水用量较低，引起阳离子和NO₃^–-N的淋失量减少，土壤酸化程度相对较低，这可能是不同灌水下限处理土壤酸化差异的机理。

与其他处理相比，W₁处理单次灌水量少，但灌溉次数最多，总灌水量最大，土壤处于频繁的干湿交替状态^[25]，更有利于有机质矿化分解，因此在10~30 cm土层有机碳含量显著降低，而有机质对致酸离子(H⁺和Al³⁺)的络合能力同时降低^[28]，这可能导致表层和底层土壤交换性酸含量高于W₂和W₃处理，进而降低土壤pH。总的来说，灌水下限因其灌溉频率和灌溉量的不同，影响土壤交换性盐基离子、交换性H⁺和交换性Al³⁺、盐分离子的迁移和积累，进而影响土壤pH的变化；同时，通过影响土壤酸碱缓冲能力，进而影响土壤pH变化速率。

4 结论

1) 设施土壤pH表现为随土层深度增加而增加，且不同灌水下限显著影响土壤pH，适当降低灌水下限有利于提高土壤pH、降低交换性酸总量及其组成。不同灌水下限处理土壤的酸碱缓冲曲线均为表层变化小于底层，灌水下限35 kPa处理有利于提高土壤酸碱缓冲容量。

2) 相关分析表明，土壤pH与交换性酸总量及其主要占比交换性H⁺含量均呈负相关关系，且以灌水下限35 kPa处理土壤pH变化率最小。不同灌水下限处理土壤pH与交换性酸总量(交换性H⁺、Al³⁺)均呈显著负相关关系，与土壤酸碱缓冲容量、交换性盐基总量和HCO₃^–含量呈正相关关系。

3) 灌水下限35 kPa处理因土壤盐基离子总量、有机碳和HCO₃^–含量高，H⁺、Al³⁺和NO₃^–等致酸离子含量低，进而提高了土壤酸碱缓冲容量，相较其他处理抑制土壤酸化。综合考虑土壤pH与酸碱缓冲性能、交换性酸、盐基离子之间的关系，灌水下限35 kPa为供试设施土壤最适宜的水分管理措施。