填闲作物改良设施土壤次生盐渍化研究进展

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　　摘要 随着我国设施农业集约化的快速发展，设施土壤次生盐渍化日益严重，致使土壤养分失衡，从而导致设施农作物产量和品质下降的问题日益突显。介绍了填闲作物的选择及其对土壤氮素的淋洗和消减作用，以及残体还田对土壤功能的影响，并提出了今后填闲作物改良土壤盐渍化的研究与发展方向。
　　关键词 设施土壤;填闲作物;次生盐渍化
　　中图分类号 S156文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2019）10-0022-03
　　Abstract With the rapid development of facility agriculture in China，the secondary salinization of greenhouse soil is becoming more and more serious， which leads to the imbalance of soil nutrients and the decline of yield and quality of greenhouse crops. The paper expounded the research progress of the select catch corp， leaching and elimination of soil nitrogen by catch crops， effects of regression straw on soil function， and put forward research and development direction of soil salinization improvement with catch crops in the future.
　　Key words Facility soil;Catch crop;Secondary salinization
　　设施栽培是一种可控制性的栽培方式，它通过人为建立结构设施，改变不适宜作物生长的外界环境，从而为作物生长发育创造最适宜的生境条件[1]。目前设施栽培主要有塑料大棚、节能日光温室、地膜和人工气候室等[2]，均以种植蔬菜为主，其高产、高效的特点大大
　　提高了农业环境、土壤环境、水环境的综合利用水平，为我国北方地区四季提供新鲜蔬菜发挥了重要作用，满足了经济发展对蔬菜的需求，提高了农民的收入水平。但由于蔬菜本身根系不发达，无法充分利用土壤中的肥料，而且设施栽培条件下的土壤与露地栽培土壤条件有较大差异，主要体现在缺少自然条件下的雨水冲洗，设施内通气状况不良，且温度高、湿度大，加之广大农民单纯地追求高產量，在实际生产过程中过量灌水及施肥，久而久之导致土壤表层中的盐分离子大量累积，使土壤次生盐渍化的现象发生[3-4]。种植填闲作物可吸收土壤中累积的氮素，进而阻控氮素因淋洗而造成的损失，降低土壤电导率，同时改善土壤中微生物群落结构和种类，维持土壤健康，从而使设施土壤次生盐渍化的问题得到有效缓解[5-8]，笔者综述了填闲作物对设施土壤次生盐渍化的改良作用及近年来的研究成果，分析了填闲改良过程中存在的问题和发展方向，旨在为我国设施土壤的相关研究及蔬菜产业的发展提供科学依据和理论基础。
　　1 填闲作物的选择
　　填闲作物是指利用主要作物收获后与后茬播种前的空隙时间种植的耐盐、生长周期短、能够吸收土壤残留氮素、降低土壤耕层营养盐分离子含量的作物[9-10]。与大田生产不同，我国北方设施种植多为一年两季或越冬长茬，因此要求填闲作物多在7—9月种植。同时，由于不同作物对土壤环境的影响不同，保证主栽作物的健康生长是填闲作物的重要作用。不适宜的填闲作物对土壤环境产生不利的影响，进而对下茬作物产生负面效应。
　　是否有效且快速积累氮素是评价填闲作物的一个重要标准。生物量大的作物普遍能够快速而有效地积累氮，而我国北方夏季气温高，降水量大，适宜在此时种植填闲作物。根据这些植物特点和气候条件，填闲作物应选择生长期较短、生长迅速、生物量大、根系发达、光合作用强的作物。以上指标C4作物均优于C3作物，如甜高粱、苏丹草、苋菜、甜玉米等均具有填闲作物的特征，适合做填闲作物[11]，而且以甜玉米为填闲作物，在种植及生长过程中不进行施肥处理，仍获得较高的产量，且吸氮量达184～256 kg/hm2。
　　根系发育参数也是填闲作物选择的一个重要特征指数。如植物根系生长深度、根长的密度及单位时间内根系向下的生长速度等[12]。其中根长密度反映了根系分布，更能反映根系氮素吸收的能力。Wiesler等[13]研究发现能够高效利用土壤硝态氮的作物品种均具有较高的根长密度与较高的吸氮能力。此外，填闲作物根系的深浅程度对土壤内硝态氮的影响同样显著，深根系填闲作物可以降低设施土壤中剩余氮素的沉积。研究发现，意大利黑麦草的根系可降低1.0～1.5 m土层中硝态氮50%的含量，这是由于黑麦草的根系可达1 m左右，土壤表层的硝态氮被根系大量吸收，从而减少了其向下迁移。同时，通过对7种填闲作物根系生长情况进行研究，揭示了根系生长与土层硝态氮含量之间的关系，发现根系生长指标与0.5～1.0 m土层中硝态氮含量显著相关，而与0～0.5 m土层中硝态氮含量相关性不显著[14]。
　　填闲作物选择的另一项重要指标是根系发育时间。虽然2种不同作物的根系最终深度接近，但在生长过程中不同时期根的深度、密度及分布明显不同，将会对氮素的吸收利用产生直接影响[15]。
　　2 填闲作物对土壤氮素的淋洗与消减作用
　　填闲作物减少氮素淋洗的机理主要有以下3个方面：一是设施蔬菜收获后，根层土壤残留了大量的氮素，填闲作物根系快速吸收氮素的特性减少了土壤浅层的氮素向下的进一步迁移;二是填闲作物深根系的特点可以吸收土壤深层的氮素，减少了氮素的淋洗;三是填闲作物的蒸腾作用带走了土壤中的水分，缓解了大量降雨所导致的土壤中硝酸盐随水分的向下迁移。 　　早在20世纪初，就有人提出在休闲期种植耐盐且生长快、吸肥力强的填闲植物来降低土壤耕层的盐分离子含量，减少氮素淋溶[10，16-19]，填闲作物一方面通过其强大的根系分布能力吸收、拦截土壤中残留的氮素，使土壤剖层的氮素无法向根系以下土壤迁移。另一方面，填闲作物利用其深根系强大的吸氮能力将土壤下层累积的氮素吸收，使氮素被填闲作物所利用，避免了氮素向土壤下部的进一步沉积[20]。研究表明，填闲作物吸收土壤淋溶液中的氮可达19 g/m2[5]，每年可降低75%的硝态氮淋溶损失[21]，能够有效地减少硝酸盐在土壤剖层的积累和淋洗[22-23]。彭亚静等[24]研究发现，甜高粱、苋菜、甜玉米3种填闲作物均对硝态氮具有较强的消减能力。
　　由于玻璃温室和塑料温室全面覆盖的特点，缺少自然雨水和风化，使温室土壤硝酸盐含量终年累积，次生盐渍化的速度和程度较其他设施土壤发生早且严重[25]。研究表明，塑料温室的耕层土壤含盐量、硝酸盐含量分别为露地土壤的4.0和5.9倍，而玻璃温室则更严重，分别为露地土壤的11.8和16.5倍[26]。由此可见，硝酸盐累积是引起土壤次生盐渍化的原因之一。此外，Ca2+与连作大棚的盐渍化程度也具有显著相关性[27]。
　　近年来，研究者对夏季休闲期种植填闲作物治理土壤次生盐渍化进行研究[28-32]，结果表明电导率（EC值）的高低与土壤盐分的多少成正比，因此许多研究者将电导率（EC值）作为土壤盐渍化研究的一个重要指标。龙卫国[28]研究表明，玉米-蓖麻轮作在一定程度上能够增加土壤孔隙度、改善土壤酸碱度、降低土壤电导率，对土壤养分的平衡也有一定的作用。赵扩元等[29]于2005、2006年选择玉米、大葱对黄瓜连作土壤进行填闲，发现连续2年填闲，能够明显降低土壤电导率，土壤速效磷、速效钾含量也明显降低，但对土壤中全氮、速效磷的影响不大。李元等[30]以北京市昌平区3年设施菜地为研究对象，休闲期间种植甜玉米，土壤中的氮、磷、钾含量显著降低，而豆科作物毛苕子作为填闲作物，吸收无机态氮最多，达79.5%。速生叶菜可以明显降低土壤中的速效养分，降幅在20%～29%，甜玉米对速效养分降低更为明显，降幅最高达34%;相对于休闲菜田对照，种植速生叶菜和甜玉米后，土壤电导率也显著降低;陆扣萍等[31]研究发现甜玉米作为填闲作物可显著降低土壤（0～10 cm）的电导率，降幅达30%以上;文芳芳等[32]研究表明甜高粱和甜玉米是设施菜田理想的填闲作物，能够大幅减少土壤各盐分离子含量和土壤速效养分含量，显著降低土壤电导率和养分的积累，缓解设施土壤次生盐渍化的形成。
　　3 填闲作物残体还田对土壤功能的影响
　　利用填闲作物改善土壤盐渍化的同时，如果将填闲作物翻入土中还可释放其体内营养盐分库，为后季作物提供N、P、K及其他多种养分，进而提高土壤养分循环和土壤结构，有益于作物生长及地力培肥。刘娟等[33]研究表明，甜玉米填闲种植后，残体还田能够显著降低土壤容重，使土壤结构、物理与生物性状得到改善;同时检测结果显示有效磷、有效钾含量也明显增加。文芳芳等[32]将夏季填闲作物甜高粱、甜玉米、籽粒苋和苏丹草利用粉碎机翻压还田后，土壤中盐分离子含量大幅减少，显著降低了土壤表层的电导率，同时不同处理的有机质含量均呈上升趋势，为下茬作物提供了养分。此外，将填闲作物秸秆翻压还田还会影响土壤的微生物环境和线虫数量，从而降低致病菌积累，抑制病害的发生[34]。
　　4 小结与展望
　　由于目前设施蔬菜中氮肥的过量使用不可避免，填闲作物在吸收土壤中残留的硝酸盐、降低土壤盐渍化的同时，有效地改善了土壤环境，促进了土壤养分的利用，从而增加了设施土壤利用的可持续性。但填閑作物受诸多因素的影响，因此在今后的研究中应关注以下几点：①根据不同地区的设施土壤特点、气候特征及主栽作物，选择适合耕种的填闲作物并建立配套的栽培管理技术体系。
　　②根据土壤含盐量的不同，采用填闲作物轮作的方式，更新填闲品种，不断修复并保持土壤健康，最大程度地达到改良土壤次生盐渍化的目的。
　　③期待通过分子标记、分子设计育种等途径获得深根、生物量大、吸氮力强的“全能”填闲作物。
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