全 文 ：强还原方法对退化设施蔬菜地土壤的修复*
朱同彬摇 孟天竹摇 张金波摇 蔡祖聪**
(南京师范大学地理科学学院, 南京 210046)
摘摇 要摇 设施蔬菜地大量施用化肥及不合理轮作易引起土壤盐分累积、酸化和土传病害的发
生,导致土壤退化.快速且有效地改良退化土壤,可以提高蔬菜产量和菜农的经济收入.在蔬
菜生长发生障碍的设施土壤中,分别加入 0、3. 75、7. 50 和 11. 3 t·hm-2的风干紫花苜蓿,淹水
条件下密封大棚创造强还原环境 31 d,测定土壤理化性质的变化,并记录黄瓜产量. 结果表
明: 强还原处理使土壤氧化还原电位(Eh)迅速下降至 0 mV以下,能有效地消除土壤积累的
硝态氮,显著提高土壤 pH,降低土壤电导率,其变化幅度随紫花苜蓿添加量的增加而增大.经
强还原方法处理后,设施蔬菜地黄瓜产量达到 53. 3 ~ 57郾 9 t·hm-2,显著高于上一季未处理黄
瓜产量(10. 8 t·hm-2) .淹水添加有机物料创造的强还原条件,可以短期内有效地改良退化设
施蔬菜地土壤.
关键词摇 强还原方法摇 设施蔬菜地摇 退化摇 修复
文章编号摇 1001-9332(2013)09-2619-06摇 中图分类号摇 S153摇 文献标识码摇 A
Effects of strong reductive approach on remediation of degraded facility vegetable soil. ZHU
Tong鄄bin, MENG Tian鄄zhu, ZHANG Jin鄄bo, CAI Zu鄄cong (College of Geography Science, Nanjing
Normal University, Nanjing 210046, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(9): 2619-2624.
Abstract: High application rate of chemical fertilizers and unreasonable rotation in facility vegetable
cultivation can easily induce the occurrence of soil acidification, salinization, and serious soil鄄borne
diseases, while to quickly and effectively remediate the degraded facility vegetable soil can consid鄄
erably increase vegetable yield and farmers爷 income. In this paper, a degraded facility vegetable
soil was amended with 0, 3. 75, 7. 50, and 11. 3 t C·hm-2 of air鄄dried alfalfa and flooded for 31
days to establish a strong reductive environment, with the variations of soil physical and chemical
properties and the cucumber yield studied. Under the reductive condition, soil Eh dropped quickly
below 0 mV, accumulated soil NO3 - was effectively eliminated, soil pH was significantly raised,
and soil EC was lowered, being more evident in higher alfalfa input treatments. After treated with
the strong reductive approach, the cucumber yield in the facility vegetable field reached 53. 3-57郾 9
t·hm-2, being significantly higher than that in un鄄treated facility vegetable field in last growth sea鄄
son (10. 8 t·hm-2). It was suggested that strong reductive approach could effectively remediate
the degraded facility vegetable soil in a short term.
Key words: strong reductive approach; facility vegetable field; degradation; remediation.
*中国博士后科学基金项目(2012M511299)、土壤与农业可持续发
展国家重点实验室开放项目(0812201211)和国家自然科学基金重
点项目(40830531,40921061)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zccai@ njnu. edu. cn
2012鄄12鄄31 收稿,2013鄄07鄄01 接受.
摇 摇 设施蔬菜栽培因集约化生产程度和复种指数
高、受季节影响小等优点,种植面积在我国迅速扩
大.但由于大量施用化肥及不合理的轮作,易导致土
壤出现严重的酸化、盐渍化、硝态氮和硫酸根大量积
累及土传病害的发生[1-4],土壤质量退化,蔬菜产量
大幅度下降,严重影响了农民的经济收入和蔬菜种
植的可持续发展.实际农业生产中,设施蔬菜出现生
长障碍时,农民常采用改种水稻或短时间淹水的方
法改良土壤,前者费时、费工,且大幅度降低经济收
入,后者土壤得不到根本修复. 朱同彬等[5]的研究
结果表明,单纯淹水对硝态氮的去除效果非常有限.
因此,发展一种快速有效修复退化设施蔬菜地土壤
的方法势在必行.
目前,还原土壤灭菌方法是防治土传病害和消
除连作障碍的新方法[6-7] . 该方法主要通过在土壤
中添加新鲜有机物料(但不淹水)来改变土壤氧化
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 9 月摇 第 24 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2013,24(9): 2619-2624
还原条件,一定程度上杀灭土壤中的病原微生物,但
能说明其作用效果的田间试验数据很少且机理尚不
清楚.综合已有的研究结果,在夏季高温蔬菜种植休
闲期,采用淹水+闷棚+有机物料的方法,创造土壤
强烈还原条件,称之为“强还原方法冶,可有利于退
化设施蔬菜地土壤的改良. 考虑到我国南方地区设
施蔬菜地多为种植多年的水稻田改种而来,土壤中
坚实的犁底层有利于水分的保持[8],可以实施此方
法,本研究开展了土壤强烈还原条件修复退化设施
蔬菜地土壤的大田试验,旨在寻求一种适合于我国
南方地区的快速修复退化设施蔬菜地土壤的方法,
为设施蔬菜可持续生产提供理论和技术支持.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验地点与供试作物
试验于 2011 年 6—11 月在江苏省南京市郊区
麒麟门镇后村(32毅07忆 N, 118毅97忆 E)进行,选取的 3
个相邻且已发生生长障碍的钢管塑料大棚,均由种
植 20 年以上的水稻田改种而来,且为同一农民管
理,土壤类型为普通简育水耕人为土.大棚使用面积
为 45 m伊6 m=270 m2,棚龄约为 10 年,主要种植番
茄( Lycopersicon esculintum)、黄瓜(Cucumis sativus)
和辣椒(Capsicum annuum)等蔬菜作物.试验开展前
一季种植的作物为黄瓜,枯萎病发病严重,发病率在
60% ~80%以上,产量仅为 9. 3 ~ 12. 9 t·hm-2 . 3 个
大棚的土壤理化性质基本相同,0 ~ 20 cm 土层土壤
pH 4. 35, 电导率 0. 74 mS · cm-1, 全碳 15郾 2
g·kg-1,全氮 2. 17 g·kg-1,NH4 + 8. 87 mg·kg-1,
NO3 - 126 mg·kg-1,容重 1. 25 g·cm-3,SO4 2- 774
mg·kg-1 .
供试作物为黄瓜,品种为津春 4 号,由天津市农
业科学院黄瓜研究所育成.秋季黄瓜在 2011 年 8 月
1 日播种育苗,8 月 23 日移栽定植,9 月 29 日开始
收获,11 月 28 日收获完毕. 栽培方式为传统的畦
栽,畦面宽 60 cm,沟宽 40 cm,每畦两行,间距 30
cm,株距 40 cm.
供试有机物料为紫花苜蓿(Medicago sativa),产
自山东省无棣县柳堡镇. 紫花苜蓿风干后粉碎,过
140 目筛,有机碳含量为 549 g·kg-1,全氮含量为
20. 3 g·kg-1,C / N为 27. 1.
1郾 2摇 试验设计
本试验采用淹水添加紫花苜蓿创造强还原条件
修复退化设施蔬菜地土壤的方法,共设置 4 个紫花
苜蓿施用量:0、3. 75、7. 50 和 11. 3 t C·hm-2,分别
以 C0、C3. 75、C7. 5 0和 C11. 3表示.每个大棚两头和小区
间各空置 1 m,起垄作为缓冲带.小区面积为 10 m伊
6 m=60 m2,每个大棚为一个组,作为一次重复,大
棚内各处理随机排列.由于实际操作困难,本试验未
设立不淹水对照.
2011 年 6 月 16 日将不同用量的紫花苜蓿均匀
撒于各小区,翻耕,与土壤混合均匀,灌水,直至土层
完全饱和,且水层高于土层约 5 cm,淹水 31 d,期间
补充水分,使土层一直处在淹没状态,封闭设施大
棚.分别在淹水第 3、8、13、22 和 31 天采样,测定土
壤 pH、EC、Eh、NH4 +、NO3 -和 SO4 2-含量. 淹水 31 d
后,排水并揭棚,7 d 左右即可晾干土壤. 2011 年 7
月 27 日,再次对落干的土壤取样并测定上述指标.
2011 年 8月 21 日(移栽定植黄瓜前 2 d)施肥,并深
耕细耙,使肥料与土壤混合均匀,各处理氮、磷、钾肥
和有机肥施用量相同,尿素 75 kg N·hm-2、过磷酸钾
180 kg P2O5·hm-2、硫酸钾 150 kg K2O·hm-2和腐熟
鸡粪(含 N 2. 3% )800 kg hm-2作底肥一次施入,分
别在初果期(第一穗果膨大期)和盛果期(第一穗果
采收期)追施尿素 45 和 30 kg N hm-2 . 蔬菜大棚由
同一农户直接管理,田间水分管理及病虫害防治按
照当地农民传统的方法,各小区相同.
1郾 3摇 测定方法
土壤理化性质按照鲁如坤《土壤农业化学分析
方法》测定[9]:土壤 pH 值(水土质量比 2. 5 颐 1)采
用 DMP鄄2 pH计(Quark Ltd. , Nanjing, China)测定,
电导率 EC(水土比 5 颐 1)采用电导率仪(KangYi
Corp. , China)测定,Eh值采用 DMP鄄2 mV计(Quark
Ltd. , Nanjing, China)测定,有机碳采用重铬酸钾容
量法测定,全氮采用半微量开氏法测定,SO4 2-含量
(水土比 5 颐 1)采用比浊法测定,NH4 + 鄄N 和 NO3 - 鄄N
含量采用 SkalarplusSan流动分析仪测定.
1郾 4摇 数据处理
采用 SPSS 13. 0 软件进行数据处理和方差分析
(one鄄way ANOVA),采用 Duncan法进行差异显著性
检验(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤温度、pH、EC和 Eh的变化
淹水闷棚后,棚内气温和土壤温度快速升高,淹
水 13 d,棚内温度由初始的 22. 7 益上升到 35 益,10
cm 处土壤温度接近 30 益 .淹水 31 d,棚内温度接近
40 益,10 cm土壤温度达到 35 益 (图 1),整个处理
过程中棚外空气温度显著低于棚内温度,仅由开始
0262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 处理过程中棚内外气温和 0 ~ 10 cm土壤温度的变化
Fig. 1 摇 Changes of air temperature inside and outside green鄄
house and soil temperature in 0-10 cm depth during treatment
process (mean依SD).
玉:棚外气温 Air temperature outside greenhouse; 域:棚内气温 Air
temperature inside greenhousei; 芋: 0 ~ 10 cm 土层温度 Soil tempera鄄
ture in 0-10 cm depth.
的 16. 1 益升至 25. 6 益 . 淹水初期各处理土壤 pH
快速升高,与初始 pH(4. 35)相比,淹水 8 d C0、
C3. 75、C7. 50和 C11. 3处理分别提高到 5. 2、5. 47、5. 76
和 6郾 49,随后各处理 pH 继续升高,pH 与淹水时间
呈显著的线性关系(图 2).淹水 31 d,添加紫花苜蓿
处理土壤 pH(6. 77 ~ 7. 21)显著高于对照(6. 01),
以 C7. 5 0和 C11. 3处理最高. 淹水处理土壤晾干后,各
处理土壤 pH又降至 6. 0 以下(表 1),但紫花苜蓿处
理(5. 52 ~ 5. 73)仍高于对照(5. 33),差异达到显著
水平.
各处理土壤 EC 值显著降低(图 2). 淹水前土
壤 EC为 0. 74 mS·cm-1,淹水 31 d 后 4 个处理 EC
降至 0. 19 ~ 0. 29 mS·cm-1,处理之间无显著差异.
淹水处理土壤晾干后,4 个处理土壤 EC 略有升高,
达到 0. 39 ~ 0. 60 mS·cm-1,紫花苜蓿施用量越高,
EC越大,但处理之间差异不显著(表 1).
摇 摇 淹水条件下,土壤 Eh 快速下降,不同处理间有
显著差异(图 2).与淹水前土壤 Eh(362 mV)相比,
淹水 13 d C0处理 Eh 下降到 31. 1 mV,之后相对稳
定 .而添加紫花苜蓿处理的土壤Eh下降更快,且添
加量越大,下降越明显,C3. 75处理淹水 13 d 土壤 Eh
降至-35. 6 mV,C7. 5 0和 C11. 3处理淹水 8 d 后已降至
-80 mV以下,之后保持相对稳定.淹水 31 d 紫花苜
蓿处理土壤 Eh显著低于对照,但 3 个紫花苜蓿处理
之间无显著性差异.
2郾 2摇 土壤 SO4 2-、NH4 +和 NO3 -的变化
由图 3 可以看出,淹水初期各处理 SO4 2-含量略
有升高,与初始 SO4 2-含量(774 mg·kg-1)相比,C0
和 C3. 75处理淹水 8 d时达到最大,分别为 860 和 871
mg·kg-1,而 C7. 50和 C11. 3处理提前至 3 d 达到最大,
分别为 1306 和 2009 mg·kg-1 . 随后各处理土壤中
SO4 2-含量随淹水时间延长持续下降,淹水 31 d,C0
处理 SO4 2- 含量 (464 mg · kg-1 ) 高于 C3. 75 ( 241
mg·kg-1)、 C7. 50 ( 115 mg · kg-1 ) 和 C11. 3 ( 80
mg·kg-1)处理,但处理之间差异不显著. 值得注意
的是,淹水处理土壤晾干后,各处理土壤 SO4 2-含量
又有所回升,达到 789 ~ 1402 mg·kg-1(表 1),由于
重复间变异极大,所以各处理间差异不显著.
摇 摇 淹水过程中,各处理土壤铵态氮含量均持续升
高,紫花苜蓿施用量越大,铵态氮含量提高越快(图
3).与初始铵态氮含量(8. 87 mg N·kg-1)相比,淹
水 31 d,C0、C3. 75、C7. 50和 C11. 3处理土壤铵态氮含量
分别达到 28. 1、47. 2、69. 9 和 78. 4 mg N·kg-1,与
紫花苜蓿加入量呈显著正相关 ( R2 = 0. 97, P <
0郾 05).相反,淹水条件下添加不同量紫花苜蓿均显
著降低了土壤硝态氮含量,但紫花苜蓿添加量越大,
土壤硝态氮含量下降越快. 与淹水前土壤硝态氮含
量(126 mg N·kg-1)相比,C0、C3. 75、C7. 50和 C11. 3处理
分别在淹水第 13 天 (4. 15 mg N·kg-1)、8 天(4郾 49
mg N·kg-1)、3 天(7. 61 mg N·kg-1)和 3 天(5郾 14
mg N·kg-1)降至 10 mg N·kg-1以下,之后土壤硝态
氮含量一直低于 1 mg N·kg-1(图 3).淹水 31 d,各处
理土壤硝态氮含量无显著性差异 (P > 0. 05).
淹水处理土壤晾干后,4个处理土壤铵态氮含量降
表 1摇 不同处理淹水晾干后土壤理化性质
Table 1摇 Soil physical and chemical properties in different treatments after water drainage and moderate air鄄drying
紫花苜蓿处理
Alfalfa treatment
pH EC
(mS·cm-1)
SO4 2-
(mg·kg-1)
NH4 +
(mg N·kg-1)
NO3 -
(mg N·kg-1)
C0 5. 33依0. 19c 0. 39依0. 14a 789依506a 13. 3依6. 16a 56. 5依6. 5a
C3. 75 5. 52依0. 21b 0. 51依0. 14a 898依633a 14. 5依5. 45a 68. 8依15. 0a
C7. 5 0 5. 55依0. 12b 0. 50依0. 20a 1096依338a 14. 1依7. 38a 59. 0依21. 8a
C11. 3 5. 73依0. 17a 0. 60依0. 14a 1402依458a 10. 2依3. 05a 74. 8依17. 2a
C0:对照 Control; C3. 75: 3. 75 t·hm-2; C7. 5 0: 7. 50 t·hm-2; C11. 3: 11. 3 t·hm-2 . 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) Different
small letters in the same column indicated significant difference among treatments at 0. 05 level. 下同 The same below.
12629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 朱同彬等: 强还原方法对退化设施蔬菜地土壤的修复摇 摇 摇 摇
图 2摇 淹水条件下添加不同量紫花苜蓿处理的土壤 pH、EC
和 Eh的变化
Fig. 2摇 Dynamics of soil pH, EC and Eh in different alfalfa ap鄄
plication treatments under flooding condition (mean依SD).
C0:对照 Control; C3. 75: 3. 75 t·hm-2; C7. 50: 7. 50 t·hm-2; C11. 3:
11. 3 t·hm-2 . 下同 The same below.
10. 2 ~ 14. 5 mg N·kg-1,硝态氮含量升至 56. 5 ~
74. 8 mg N·kg-1,各处理之间无显著性差异(表 1).
2郾 3摇 不同处理对黄瓜产量的影响
淹水并添加紫花苜蓿处理后,黄瓜发病率大大
表 2摇 不同处理黄瓜产量1)
Table 2摇 Yield of cucumber in different treatments
紫花苜蓿
处理
Alfalfa
treatment
处理产量
Yield in
treated field
(t·hm-2)
稻田改种设施大棚
初期 1 ~ 3 年产量
Yield in vegetable field
converted from rice
field for 1-3 years
(t·hm-2)
设施大棚出现
障碍时产量
Yield in degraded
vegetable field
(t·hm-2)
C0 54. 9依1. 8a 49. 0依2. 56 10. 8依1. 14
C3. 75 53. 3依2. 8a
C7. 50 57. 9依8. 6a
C11. 3 55. 0依7. 6a
1)稻田改种设施大棚初期 1 ~ 3 年黄瓜产量和设施大棚出现障碍时
黄瓜产量为农户调查数据(n = 15) The cucumber yields in 1-3 years
vegetable field converted from rice field and in degraded vegetable field
were obtained from the investigation of farmers (n=15).
图 3摇 淹水条件下添加不同量紫花苜蓿处理的土壤 SO4 2-、
NH4 +和 NO3 -的变化
Fig. 3摇 Dynamics of soil SO4 2-, NH4 + and NO3 - in different al鄄
falfa application treatments under flooding condition ( mean 依
SD).
至降低,平均发病率低于 3% ,病株多位于大棚边
缘,发生时间也由处理前的黄瓜生长前期推迟到生
长后期,对产量影响不大. 处理后,黄瓜产量显著提
高(表 2),C0、C3. 75、C7. 50和 C11. 3处理黄瓜产量分别
达到 54. 9、53. 3、57. 9 和 55. 0 t·hm-2,各处理无显
著差异,但已达到甚至略超过稻田改种设施大棚初
期 1 ~ 3 年的黄瓜产量(49. 0 t·hm-2),显著高于设
施大棚出现障碍时的黄瓜产量(10. 8 t·hm-2),增
产率达到 392% ~435% .
3摇 讨摇 摇 论
目前改良退化设施蔬菜地土壤的方法主要包括
客土法、施用石灰等碱性物质、施用有机肥料、土壤
接种有益微生物、短期淹水、种植填闲作物或轮作水
稻等措施[10-15] .这些措施或是针对退化设施蔬菜地
特定障碍因素,如抑制土传病原菌生长、降低酸化、
提高有机质含量等,但没有彻底改变土壤微生物的
2262 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
生长环境,未能从根本上修复退化蔬菜地土壤,或是
操作不便,费时、费工.
从本研究结果来看,夏季高温蔬菜种植休闲期,
淹水添加有机物料创造土壤强烈还原条件,可以达
到快速且有效改良退化设施蔬菜地土壤的目的. 淹
水+有机物料+闷棚 31 d 可完全消除土壤中积累的
硝态氮(图 1),紫花苜蓿施用量越大,硝态氮去除越
快,硫酸根含量表现出相同趋势,这与朱同彬等[5]
室内培养结果相一致. 淹水加有机物料创造的强还
原环境还能够提高土壤 pH,降低 EC(图 2),表明强
还原方法可降低土壤酸化和盐渍化.此外,加入的有
机物料经高温腐解转化生成有机质可以改变土壤的
物理性质,如改善土壤结构,有利于土壤透水、透气
及蔬菜根系的生长[13,16],添加的有机物料矿化产生
铵态氮(图 5),还可减少化肥的施用.虽然我们没有
直接测定改良过程中土壤微生物群落结构及病原微
生物数量和活性的变化,但土壤环境的强烈改变[6]
及还原过程中产生的氮硫气态产物[17-18]或有机物
料分解产生的有机酸[19-20]可以抑制或杀灭土传病
原菌.由此可见,强还原方法可通过同时改变土壤物
理、化学和生物学性质达到改良退化设施蔬菜地土
壤的目的.值得注意的是,强还原方法修复退化设施
蔬菜地土壤过程中,可能会产生有害气体(N2O 和
挥发性硫气体) [5,21]及硝态氮的淋溶,减少其负面环
境效应也应引起充分重视.
与前期已退化设施蔬菜土壤种植的黄瓜产量
(10. 8 t·hm-2)相比,采用强还原方法处理后黄瓜
产量显著提高,达到 53. 3 ~ 57. 9 t·hm-2,已超过稻
田改种设施大棚初期黄瓜产量(49. 0 t·hm-2). 值
得注意的是,淹水不加紫花苜蓿的对照处理土壤理
化性质和黄瓜产量与淹水加紫花苜蓿处理无明显差
异,说明利用夏季休闲期,较长时间(本研究 31 d)
的淹水+高温闷棚处理,也能有效改良退化设施蔬
菜地土壤,提高蔬菜产量. 但是,朱同彬等[5]室内试
验结果表明,30 益条件下,仅进行淹水处理不能有
效去除退化蔬菜地土壤积累的硝态氮,其原因可能
在于较短的淹水时间(10 d). 淹水添加高量紫花苜
蓿虽然没有显著提高黄瓜产量,但能加快消除土壤
积累的硝态氮,提高 pH 和降低 EC 的进程,这说明
淹水添加高量有机物料能够缩短退化设施蔬菜地土
壤的处理时间.本试验中,处理后在设施大棚边缘有
少量黄瓜发病,主要原因可能是大棚外排水沟中的
病原微生物能够随水等途径迁移扩散进来.因此,使
用本方法处理退化设施蔬菜地土壤的同时,还应该
完善农田基础设施,如疏通排水设施,避免大雨时雨
水倒灌进入大棚,影响蔬菜的生长.
4摇 结摇 摇 论
在夏季高温蔬菜种植休闲期,较长时间(本研
究 31 d)的淹水+高温闷棚,能有效改良退化设施蔬
菜地土壤,而淹水添加有机物料+高温闷棚创造的
强还原环境能够缩短处理时间. 实际农业生产中改
良退化设施蔬菜地土壤,可以根据前后二季作物的
间隔时间,确定合理的有机物料添加量.如果两茬蔬
菜作物种植间隔时间较短,可以适当加大有机物料
用量,反之则减少有机物料用量.
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作者简介摇 朱同彬,男,1983 年生,博士研究生.主要从事土
壤氮素循环过程研究. E鄄mail: zhutongbin@ gmail. com
责任编辑摇 张凤丽
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