环境科学  2014, Vol. 35 Issue (12): 4705-4711   PDF    
上海市郊设施大棚次生盐渍化土壤盐分含量调查及典型对应分析
唐冬1,2, 毛亮2, 支月娥2, 张进忠 1, 周培2,3, 柴晓彤2    
1. 西南大学资源环境学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715;
2. 上海交通大学农业与生物学院, 农业部都市农业(南方)重点实验室, 上海 200240;
3. 上海交通大学陆伯勋食品安全研究中心, 上海 200240
摘要:调查和分析了上海市郊出现耕作障碍的设施栽培土壤的盐分特征. 随着种植年限的增加,设施栽培盐渍化土壤中含盐量表现出先升高后降低的趋势. 大棚盐渍化土壤主要以微盐渍土、轻度盐渍土和盐土为主,分别占17.39%、56.52%和13.04%,其中崇明县芦笋大棚土壤的盐渍化程度最高. 大棚土壤盐分离子组成中,阳离子以Ca2+和Na+为主,其次为Mg2+;阴离子以NO3-和SO42-为主,其次为Cl-. 施肥方式、种植年限、作物种类和管理水平都会影响盐渍化程度,使得土壤含盐量和盐分离子的变化较大. 典型对应分析发现,Ca2+、Mg2+和NO3-含量受种植年限影响较大;长期施用单一肥料会加重土壤次生盐渍化,混施化肥和有机肥的土壤盐渍化程度较低;根据土壤中盐分离子与样方的关系,上海市郊设施栽培土壤可划分为4种类型,每种类型土壤受不同盐分离子的影响,其中以受Ca2+、Mg2+、NO3-和Cl-影响的土壤最多,应重点控制.
关键词上海市郊     次生盐渍化     设施大棚土壤     盐分含量     典型对应分析    
Investigation and Canonical Correspondence Analysis of Salinity Contents in Secondary Salinization Greenhouse Soils in Shanghai Suburb
TANG Dong1,2, MAO Liang2, ZHI Yue-e2, ZHANG Jin-zhong 1, ZHOU Pei2,3, CHAI Xiao-tong2    
1. Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Key Laboratory of Urban Agriculture (South), Ministry of Agriculture, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
3. Bor.S.Luh Food Safety Research Center, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Abstract: The salinity characteristics of greenhouse soils with cropping obstacles in Shanghai suburb were investigated and analyzed. The salinity contents of the salinization greenhouse soils showed a trend of first increasing and then decreasing with the increasing cropping duration. The salinized soils mainly included slightly salted, mildly salted and salted soils, which accounted for 17.39%, 56.52% and 13.04%, respectively. Among them, the degree of salinity in greenhouse soil planted with asparagus in Chongming County was the highest. Among the salt ions in greenhouse soils, the cations were mainly Ca2+ and Na+, while the anions were mainly NO3- and SO42-. The degree of salinity was mainly influenced by fertilization mode, cropping duration, crop type and management level, which led to the great variation in the salinity contents and salt ions. Canonical correspondence analysis found that the contents of Ca2+, Mg2+ and NO3- in greenhouse soils were greatly affected by cropping duration, and the degree of salinity would be enhanced and attenuated with long-term application of single fertilizer and mixed application of chemical fertilizer and organic manure, respectively. The greenhouse soils in Shanghai suburb could be classified as four patterns influenced by the relationship between salinity ions and samples, and the most soils were influenced by Ca2+, Mg2+, NO3- and Cl-, which required to be primarily controlled.
Key words: Shanghai suburb     secondary salinization     greenhouse soil     salinity content     canonical correspondence analysis    

设施栽培在蔬菜和重要经济作物的反季节、 跨区域种植中发挥着重要作用. 2008年,我国设施栽培面积突破330万hm2,其中设施蔬菜年种植面积达到34.7万hm2[1]. 由于设施环境的封闭性、 盲目施肥、 不合理灌溉和管理不当等原因,设施土壤出现养分不均衡、 板结和次生盐渍化等问题,其中次生盐渍化最为突出[2]. 土壤出现次生盐渍化能显著降低植物根系的吸收能力,改变作物对土壤养分的需求[3],势必加大肥料施用,加重土壤中盐分积累,加剧土壤次生盐渍化. 随着设施使用年限的增加,土壤盐分积累问题越来越突出,不仅危害土壤生态环境,还对作物产生毒害[4].

目前,上海市郊设施菜地面积达到5000 hm2,占常年菜地面积的1/3[5],设施大棚蔬菜成为市场供给的主要来源之一.由于肥料投入量大、自然淋洗少和管理不当等原因,设施大棚土壤出现不同程度的次生盐渍化,作物生长发生障碍,严重威胁了设施栽培的可持续发展[6]. 现有研究大多局限在该市某一区域,分析种植年限(一般为1~5 a)、 种植方式和土层深度等单一因素对盐渍化的影响,而多区域、 多因素对设施大棚土壤盐渍化的影响研究还鲜见报道. 为此,本研究在充分调查上海市郊设施大棚次生盐渍化土壤盐分含量的基础上,用典型对应分析研究盐分离子含量与采样区域、 种植年限和施肥方式等因素的对应关系,探讨种植年限和施肥方式对土壤盐渍化的影响,以期为次生盐渍化土壤污染防治提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 土壤样品采集

2013年9月~2014年1月,在上海市郊的崇明、 南汇(现属浦东新区)、 奉贤、 松江、 嘉定、 闵行和青浦等7个区县各大园艺场,以作物发生生长障碍、 土表出现明显盐渍化的设施大棚土壤为研究对象,采用“S形”采样法,随机采集30个问题大棚的表层土样(0~20 cm),同一大棚土壤样品由多点取样混合而成. 同时在崇明采集露天旱地、 稻田表土样品为对照. 除稻田土样属黏土外,其余土样均属壤土(主要为中壤和轻壤). 所有土样分成两批,一批自然风干,一批在-20℃冰箱中冷藏保存. 1.2 分析方法

取风干土壤,利用“四分法”取舍土样,磨碎、 过0.2 mm筛后保存待测. 土样分析方法见文献[7],土壤有机质:K2Cr2O7滴定法测定; 土壤水溶性盐分(EC):用1 ∶5的土水比浸提,电导率仪测定; 土壤pH:玻璃电极法; 土壤全盐:烘干残渣法; SO42-:EDTA间接配位滴定法; CO32-和HCO3-:双指示剂中和滴定法; Cl-:沉淀滴定法; NO3-:用AA3流动注射分析仪(SEAL公司,德国)测定; K+、 Na+、 Ca2+和Mg2+:ICP-OES法. 1.3 数据统计与处理

用Origin 8.0、 SPSS 19.0和Canoco 5.0软件处理数据. 在用Canoco 5.0软件进行典型对应分析(CCA)时,将采样点作为“sample”,盐分离子作为“species”,pH、 EC、 种植年限(years)、 单施有机肥(OM)、 单施化肥(CF)、 混施化肥与有机肥(CF+OM)作为“environment variable”,将OM、 CF、 CF+OM转化为“0~1”变量,导入数据后,利用软件中的“analysis”功能,选择“constrained (species~environment variable)”进行CCA,数据转化方式选用对数形式,排序次数为系统默认,最终获得CCA图. 2 结果与讨论 2.1 上海市郊设施大棚土壤次生盐渍化现状

上海市郊设施土壤和对照土壤的基本理化性质如表 1所示.

表 1 上海市郊土壤样品的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of soil samples in Shanghai suburb

表 1可以看出,设施大棚土壤的pH最低为6.04,与旱地和稻田土壤比较,呈现一定程度的酸化. 这是由于大棚土壤处于封闭环境,硝酸盐易在表层聚集[8],使土壤pH下降,引起土壤酸化,从而增大土壤中盐分阳离子特别是Ca2+、 Mg2+的活性,进而增加EC值. 在特定的环境条件和管理措施下,绝大多数永久性农田的土壤有机质含量趋于稳定水平[9]. 在含盐量较高的大棚土壤中,有机质含量的平均值为2.96%,总体处于正常范围; 但是,含盐量变化较大,最小值和最大值分别为0.94 g ·kg-1和21.70 g ·kg-1,变异系数为106.23%.

上海市郊设施大棚次生盐渍化土壤的分级结果见表 2. 从中可以看出,根据土壤盐渍化分级标准,上海市郊设施耕作障碍的大棚土壤中非盐渍土、 微盐渍土、 轻度盐渍土、 中度盐渍土、 重度盐渍土和盐土分别占4.35%、 17.39%、 56.52%、 4.35%、 4.35%和13.04%,其中崇明县芦笋大棚的盐渍化程度最高(平均含盐量为18.54 g ·kg-1). 总体来说,上海设施大棚土壤次生盐渍化程度呈现加重的趋势.

表 2 土壤盐渍化程度分级标准及土样所占比例 Table 2 Graduation standard of salinity degree and the percentages of soil samples
2.2 土壤盐分离子及其相关性分析

由于上海各地大棚的原始土壤、 施肥方式、 作物类型和种植年限等因素不尽相同,使得引起盐渍化的离子各不相同,造成不同大棚之间的盐渍化程度差异较大[10, 11, 12]. 例如,在同一种植年限下,种植茄瓜类蔬菜的大棚土壤含盐量一般比种植叶类蔬菜的土壤高,这是由不同种类蔬菜的需肥量差异造成的. 图 1为上海市郊次生盐渍土中盐分离子的箱线图. 从中可以看出,由于不同地区土壤盐渍化程度和主要盐害离子的差异,采集的设施大棚土样中盐分离子的标准差较大,其中以NO3-的标准差最大; 阳离子以Ca2+、 Na+为主,其次为Mg2+; 阴离子以NO3-和SO42-为主,其次为Cl-,HCO3-含量很低,基本不含CO32-. 按易溶性盐形成的盐土进行分类,上海市郊大棚土壤中阴离子浓度比[HCO3-+CO32-]/[SO42-+Cl-]<1,且[Cl-]/[SO42-]<1,属于氯化物-硫酸型盐土和硫酸型盐土; 阳离子浓度比[Na++K+]/[Ca2++Mg2+]为0.2~1.2,且[Mg2+]/[Ca2+]<2,属于Ca2+-Na+型盐土和Ca2+型盐土,这与姚春霞等[13]的研究结果基本一致.

图 1 上海市郊次生盐渍土中盐分离子的箱线图 Fig. 1 Box plots of salt ions in secondary salination soils in Shanghai suburb

明确土壤中各离子间、离子与含盐量间的关联性,有利于了解设施大棚土壤积累盐分的构成特点,为治理次生盐渍化土壤提供科学依据. Pearson相关分析结果(表 3)表明,除HCO3-外,其它离子均与 含盐量呈极显著正相关,以K+、 Ca2+、 Mg2+和NO3-与含盐量的相关系数较高,均大于0.9;NO3-分别与K+、 Ca2+和Mg2+呈极显著正相关,Ca2+与Mg2+呈极显著正相关,Ca2+与Na+无显著相关性. 由此看来,含盐量的主要贡献离子是K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+、 NO3-、 Cl-和SO42-; 以NO3-的相关性最高,土壤含盐量随NO3-含量的增加而增加. 因此,上海市郊设施大棚土壤次生盐渍化的特点表现为硝酸盐积累,是作物生理障碍的主导因子,与滨海盐土和内陆盐碱土明显不同. 由于化肥中富含K+、 Ca2+、 Mg2+和NO3-等离子,而有机肥中除N、 P、 K 外,Na+和Cl-较多,按此将盐分离子分为两组,受施肥类型差异的影响,这两组离子的组内相关系数较高,而组间相关系数较低,甚至无相关性. 另外,上海地区大棚土壤中HCO3-含量极低,与含盐量和其它离子均无相关性,这与当地的土质有关.

表 3 土壤含盐量及离子相关矩阵 Table 3 Correlation matrix of soil salinity and its ion components
2.3 不同种植年限次生盐渍化大棚土壤盐分离子的组成特点

按种植年限对设施大棚盐渍土中含盐量和离子组成进行统计分析,获得如表 4所示的结果. 从中可以看出,随着种植年限的增加,含盐量的平均值呈现先增加后降低的趋势,与Herrero等[14]的研究结果类似; 各离子平均含量也表现出与平均含盐量相似的变化趋势. 含盐量的变异系数随种植年限明显增大,种植3~5 a的土样为56.12%,6~9 a和10 a以上的土样分别达到108.61%和103.62%,说明在短期内(5 a以下)不同大棚土壤中含盐量的变化差异不大,6 a以上的大棚土壤随种植年限的增加表现出不同程度的盐渍化. Ca2+、 Mg2+和NO3-变异系数的变化趋势也与含盐量相似,种植年限越高,不同大棚间的差异越大. 但是,部分离子变异系数的变化趋势不同:K+和Na+在不同种植年限间均表现出较大变异,说明大棚土壤中两种离子含量的差异较大; SO42-在不同种植年限间的变异系数较小,维持在相对稳定的水平,说明大棚土壤中SO42-含量受种植年限的影响较小; Cl-的变异系数随种植年限增加而逐渐减小,说明种植年限越长,Cl-的地方差异越低. 与正常土样中离子含量比较(见表 4),除HCO3-外,设施大棚盐渍土表的含盐量和盐分离子含量均明显高于正常土样.

表 4 不同年限土壤及正常土样的含盐量和离子组成 (n=30)/g ·kg-1 Table 4 Salinities and ion components in soils after different cultivated years and in normal soil(n=30)/g ·kg-1
2.4 不同施肥方式下次生盐渍化大棚土壤盐分离子的组成特点

按施肥方式对设施大棚盐渍土中含盐量和离子组成进行统计分析,获得如表 5所示的结果.

表 5 不同施肥方式下土壤含盐量和离子组成 (n=30)/g ·kg-1 Table 5 Salinities and ion components in soils with different fertilization modes(n=30)/g ·kg-1

表 5中可以看出,大棚土壤平均含盐量表现为单施化肥>单施有机肥>混施有机肥和化肥,说明过量和不合理施用化肥对土壤盐渍化的贡献最大; Ca2+、 NO3-和SO42-的平均含量均以单施化肥最高,单施有机肥最低,这是由于化肥中富含这些离子,而微生物需要一定时间分解有机肥供作物吸收; K+、 Na+和Cl-的平均含量以单施有机肥最高,混施有机肥和化肥最低,有机肥特别是粪肥中含有一定量的Na+和Cl-,长期不合理施用有机肥会使土壤中N、 P、 K含量过高,还会造成Na+和Cl-在土壤中积累; Mg2+的平均含量为单施有机肥≈单施化肥>混施有机肥和化肥. 单施化肥的大棚土壤,除HCO3-和SO42-外,其它离子和含盐量的变异系数均大于100%,不同地区差异较大,这与该地区的施肥类型、 施肥量和施肥习惯等有关; 在单施有机肥的大棚土壤中HCO3-和SO42-的变异系数较大,不同地区差异明显,则是因为上海地区土壤中HCO3-含量不高,SO42-可能受其它因素的影响; 混施有机肥和化肥的大棚土壤含盐量和盐分离子的变异系数均较低,采用该种施肥方式的各样点土壤均无明显差异. 2.5 大棚土壤盐分离子的典型对应分析

利用Canoco 5.0软件对大棚土壤的盐分离子进行典型对应分析以反映盐分离子与环境变量(如pH、 EC、 施肥方式、 种植年限)和采样区域之间的关系,获得如图 2所示的结果.

图 2 上海市郊设施大棚次生盐渍土的典型对应分析(CCA) Fig. 2 Canonical correspondence analysis of the secondary saline soils in greenhouse in Shanghai suburb

图 2中,特征根的F=4.0,P=0.002,轴1、 轴2、 轴3和轴4的特征根的相关系数分别为0.8101、 0.8365、 0.6744和0.5356,到轴4的累计合理解释变量为99.87%. 环境变量(environment variable)间夹角的余弦值表示二者的相关关系; 盐分离子(species)间的距离为卡方距离,表明它们之间的亲疏关系; 盐分离子对环境变量线段的投影点到空箭头的距离表示环境变量对盐分离子的影响,距离越短,影响越大,即在该环境变量中,盐分离子有较大的积累量; 盐分离子和样方(sample)间的距离代表盐分离子对样方的影响,距离越近,该离子的盐害作用越明显,根据该距离的远近可将采样点按照一定区域划分为不同类型,每种类型受不同盐分离子的影响.

上海市郊大棚次生盐渍土中pH与OM呈正相关,说明施加有机肥会使土壤发生一定程度的碱化; 而pH与CF呈负相关,说明施加化肥会使土壤出现一定程度的酸化. 盐分离子中,Ca2+、 Mg2+与NO3-的距离较近,说明硝酸盐积累较高的区域,Ca2+和Mg2+的浓度也比较高,NO3-与Ca2+、 Mg2+的相关分析也说明这一点. EC与种植年限呈正相关,说明随着种植年限的增加,含盐量也增加. 根据相关性分析,Ca2+、 Mg2+和NO3-与含盐量的相关系数较高(>0.9),且为大棚盐渍化的主要离子,而它们对years的投影点到空心箭头的距离较近,说明3种离子的积累量随种植年限的增加而增大. 另外,这3种离子在单施化肥的大棚土壤中较容易积累,Sebilo等[15]用氮同位素示踪法研究发现,长期施用化肥造成35%~39%的氮素残留于土壤,出现不同程度的盐渍化. 因此,在防治次生盐渍化土壤时,除关注NO3-外,还应重视Ca2+和Mg2+的影响. 而Na+、 Cl-、 HCO3-和SO42-受种植年限的影响相对较小,主要来自于采样地区土壤中的本底含量. 同一种植年限下,不同施肥方式对含盐量和盐分离子的影响不同. 化肥以离子形式为作物直接提供营养元素,长期不合理施用化肥对土壤盐分的积累影响较大[16],将造成土壤中K+、 Ca2+、 Mg2+和NO3-过剩,积聚在土壤表层,打破土壤营养平衡,导致蔬菜、 瓜果等农产品的产量和品质下降,与张北赢等[17]和吕家珑等[18]的研究结果一致; OM、 EC与years呈一定负相关,说明短期内有机肥在一定程度上可以改良盐渍化土壤[19],但长期不合理施用有机肥,Cl-和Na+会在土壤中积累,产生盐害[20]; CF+OM与EC呈负相关,且与years无明显相关性,表明混施有机肥和化肥的大棚土壤盐渍化程度较低,不受种植年限的影响,这是因为适量施入有机肥可在一定程度上增强土壤微生物活性[21],固持化肥矿化出来的氮,降低氮素损失[22]. Verma等[23]和Brar等[24]也发现混施化肥与有机肥可增加土壤中的活跃性碳和水溶性碳含量,显著改善土壤环境. 与单施化肥或有机肥比较,混施化肥和有机肥的土壤中养分释放更符合作物的需肥规律,土壤中盐分离子的积累量大幅下降,减轻了次生盐渍化程度. 因此,合理混施有机肥和化肥可有效防治土壤次生盐渍化. 另外,私人管理和农场管理的大棚土壤盐渍化程度不同[25],由于私人管理在施肥量控制和空间利用等方面具有一定的盲目性,管理者的知识水平也有一定局限性,基本不采取任何土壤保护性措施; 而农场管理相对比较科学,管理者文化程度较高,会针对土壤和作物出现的问题,采取应对措施. 一般来说,私人管理对土壤的破坏大,农场管理破坏较小.

根据盐分离子到各采样点的距离,可将上海次生盐渍化大棚土样可分为4种类型,在图 2中分别用4个区域表示. 区域I(I号类型)为崇明县的部分盐渍化大棚土壤,受Na+、 Cl-和HCO3-的影响较大,这是因为崇明岛由水流冲击而成,四面环海,原始土壤本身属于NaCl型滨海盐土[26],加之该地区长期单施有机肥; 区域Ⅱ(Ⅱ号类型)为崇明县的另一部分盐渍化大棚土壤,受K+、 Ca2+、 Mg2+和NO3-的影响较大,种植芦笋年限在10年左右,加之该地区长期大量单施化肥; 区域Ⅲ(Ⅲ号类型)包括奉贤、 闵行、 青浦、 部分南汇和部分嘉定地区的大棚土壤,涵盖大部分盐渍化土壤,以混施化肥和有机肥为主,存在园艺场管理和私人管理等多种方式,受Ca2+、 Mg2+、 NO3-和Cl-的影响较大,应重点控制; 区域Ⅳ(Ⅳ号类型)为松江、 部分嘉定和南汇地区的大棚土壤,主要受SO42-的影响,原始土壤可能受上海地区H2SO4型酸沉降的影响[27],且长期不合理施用化肥. 因此,治理设施次生盐渍化土壤应当因地制宜,采用合适的修复技术. 3 结论

(1)随着种植年限的增加,上海市郊耕作障碍设施大棚土壤的平均含盐量呈现先升高后降低的趋势. 其中,非盐渍土、 微盐渍土、 轻度盐渍土、 中度盐渍土、 重度盐渍土和盐土分别占4.35%、 17.39%、 56.52%、 4.35%、 4.35%和13.04%,崇明县芦笋大棚的盐渍化程度最高.

(2)大棚盐渍土的含盐量与阴阳离子含量间的相关性较好,阳离子以Ca2+和Na+为主,其次为Mg2+; 阴离子以NO3-和SO42-为主,其次为Cl-. NO3-是最主要的积累离子.

(3)施肥方式、 种植年限、 种植作物类型和管理水平均会影响次生盐渍化程度. Ca2+、 Mg2+和NO3-积累量随种植年限的增加而增大; 长期单施有机肥或化肥,分别造成土壤碱化或酸化现象,加重土壤次生盐渍化; 合理混施化肥和有机肥的大棚土壤盐渍化程度较低,且不受种植年限的影响.

(4)根据盐分离子和采样点的关系,可将上海市郊设施栽培土壤划分为4种类型. 大部分大棚土壤主要受Ca2+、 Mg2+、 NO3-和Cl-的影响,应重点控制.

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