基于无机多孔改良剂的设施蔬菜板结土壤复退研究.docx

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基于无机多孔改良剂的设施蔬菜板结土壤复退研究

　　基于无机多孔改良剂的设施蔬菜板结土壤复退研究

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　　摘要：

设施蔬菜种植由于高强度人为作用易造成土壤板结，影响蔬菜的产量和品质，板结土壤的改良修复具有重要现实意义。

传统方法难以实现长效改良，施有机肥时效低，掺沙法则存在效率低、效果差等缺点，本研究设想利用一种新型的无机多孔改良剂——泡沫砂来重塑土壤结构，实现土壤改良。

采集板结退化严重的大棚土壤与泡沫砂按照比例混合，温室模拟大棚浇水，采集环刀样，测定各指标的变化，探讨泡沫砂对于土壤物理结构的改良效果。

结果表明，0-5cm土层改良效果明显，由于实验过程中的自然沉降，该土层所受影响较小；T1的土壤含水量降低趋向（a=0.18）明显慢于T2（a=0.20）和CK（a=0.22），泡沫砂对土壤的保水性有一定的改良效果，改良的幅度与孔隙度成负相关。

T2的容重为1.05-1.18g/cm3，低于CK容重（1.31-1.39g/cm3），孔隙度随着泡沫砂体积的增加而增加，泡沫砂改良剂能够明显改善土壤通气结构。

　　关键词：

泡沫砂；改良；设施蔬菜地；保水性；通气性；孔隙度

TheResearchofHardenedVegetableSoilImprovement

BasedonanInorganicPorousAmendment

Abstract:

Duetothehighintensityofhumanactivity,thesoilbecamecompactedeasilywithgreenhousevegetablecultivation,whichaffectsthequantityandqualityofvegetables,soithasimportantrealisticmeaningtorepairandimprovethecompactedsoil.Traditionalmethodscannotachievelong-termimprovement,justlikefertilizingorganicfertilizer,whichhaslowtimelesseffect,andmixingsand,whichhasinefficiencyandbadeffect.Therefore,theissuecameupwithanewideathatthroughtheinorganicporousconditionercalledfoamsandtochangesoilstructure,achievingthesoilimprovement.Firstly,collectthegreenhousesoilwithserioussoilhardenanddegenerationandmixedthemwithfoamsandaccordingtotheproportionality;then,putthemintothegreenhouseasgreenhousewateringsimulation;afterthat,collecttheringcutter,andmeasuretheindexchanges,todiscussthefoamsand’seffectofsoilphysicalstructureimprovement.Theresultsshowed0-5cmsoillayershadsignificantdifference,whichhadgoodimprovementobviously,becausetheselayershadlesseffectthan5-10cm’sonnaturalsettingwhileexperiment.ThedecreasetendencyofsoilmoisturesuggestedthatT1（a=0.18）decreasemoreslowlythanT2（a=0.20）andCK（a=0.22）.Foamsandhadeffectonwaterholdingcapacity,andtheameliorationextenthadnegativecorrelationwithporosity.T2’sbulkdensitywas1.05-1.18g/cm3,whichwaslowerthanCK’s（1.31-1.39g/cm3）.Foamsandmodifiedagentcanimprovethesoilarabilitystructuresignificantly,andtheporosityincreasewiththeincreaseoffoamsandvolume.

Keywords:

FoamSand;Improvement;VegetableGreenhouse;WaterRetention;Breathability;Porosity

目录

摘要I

关键词I

AbstractII

KeywordsII

目录III

1引言1

2国内外研究现状1

2.1大棚土壤板结退化研究趋势1

2.2板结退化土壤改良研究进展2

3研究内容与技术路线3

3.1研究区概况3

3.2研究内容4

4材料与方法4

4.1实验材料4

4.2实验设计5

4.2.1土壤改良实验5

4.2.2土壤样品采集与分析6

4.3数据处理与统计6

5结果与讨论7

5.1泡沫砂对退化土壤物理性状的影响7

5.1.1容重7

5.1.2田间持水量7

5.1.3孔隙度8

5.2泡沫砂对土壤持水性能的响应9

5.2.1土壤含水量9

5.2.2保水性11

6结论与展望12

6.1结论12

6.2展望12

参考文献14

1引言

近年来，随着城市化的不断推进和人民生活水平的显著提高，人们对蔬菜的需求量激增，设施蔬菜地作为一种密集型的土地利用方式，具有高肥料投入和高产出栽培的特征[1-2]，在农业用地中的比例不断上升，大棚蔬菜作为其中最重要的种植方式之一，在农业生产领域占据极为重要的地位。

中国作为世界上设施蔬菜的第一大国，近年来蔬菜产量急速增加，截至2010年底，我国的设施蔬菜种植面积约达到466.7万hm2，比2004年末的253.3万hm2翻了近一番，总产值达7000亿元，分别占蔬菜和全国种植业总产值的65%和20%[3]。

设施蔬菜的快速发展过程中也带来了大量的问题，如土壤盐渍化[4-5]、土壤酸化[6]和土壤养分失衡[7]等方面，土壤板结问题也成为设施蔬菜种植过程里较为突出的问题之一。

土壤板结作为影响设施蔬菜种植的重要阻碍因子之一，受到了国内外学者的普遍重视。

高强度的耕种使得大棚土壤较易发生土壤板结，一般5年左右板结现象就比较明显。

土壤长期板结造成孔隙不断减少，容重增大，蔬菜的养分的吸收区间受限，植物根系生长受到抑制，蔬菜长势受到极大影响，甚至可能引起倒伏等病害，土壤板结已经成为设施蔬菜种植中产量和质量的关键影响因素，因此板结退化土壤的改良修复研究对设施农业的可持续发展具有重要意义。

江苏省对蔬菜需求量较为庞大，统计数据表明，至2014年底，南京蔬菜年总产量308.65万吨[8]。

由于城市化的快速发展，大量城市附近郊区的老蔬菜地被划拨为建设用地，以南京为例，至2010年，已有6667hm2高产稳产的老菜地被征收占用[9]。

由于中国东南部以盛产水稻著称，为满足人们对蔬菜的需求，近年来大量农户为增加收入将农业土地利用方式从水稻田改为密集型的设施蔬菜地，原本肥沃的水稻田经过长期耕种，熟化层土壤质地黏重，较为紧实，有良好的蓄水功能，被转为设施蔬菜地后，土壤周围的小气候环境发生明显的变化，长期的密闭空间导致短时间内土壤质量发生了重大改变，高温高湿的大棚气候使得大棚蔬菜地土壤保水性较强，但通气性差[10]，阻碍了蔬菜的生长。

2国内外研究现状

2.1大棚土壤板结退化研究趋势

　　土壤是否透气对植物的生长有着重要影响，透气性差的土壤较易导致植物毒素积累，发生倒伏、烂根现象，郭志敏[11]通过对根际通气性的研究表明，增加植物根际的通气性，可以有效降低根际CO2过度累积，明显提升马铃薯的产量。

保持土壤空气流通，O2含量增加，有机质转化加快，蔬菜根系发达，可以增加蔬菜的品质，而通气不良则会导致CO2大量富集，可能导致根腐病的产生[12]。

蔡彦明等人的研究表明，随着种植年限的不断增加，大棚土壤的孔隙不断减少，引起土壤容重的增大，导致土壤通气结构变差。

通气孔隙的减少主要是由于大规模的化肥使用[6,13]，如长江中下游的设施蔬菜地，单位面积蔬菜大棚的肥料投入量超出露天大田的3-9倍[14]，使得土壤结构受到严重破坏[15]，通气孔隙大量减少[16]，土壤易发生板结，土壤通气性变差[17]，渗透性差[18]，影响蔬菜产量和品质[19-20]。

另外，由于大棚常年连作，有毒物质大量积累，导致有益微生物种群减少，影响O2含量。

蔬菜属于需水量大的作物，土壤的含水量（相对含水量）要维持在60%-70%，才能保证生长良好[21]。

蔬菜大棚由于良好的密闭性和保温性，土壤水分在耕作层运行过程中除了灌水后第一天是靠重力和土壤吸力下渗，之后的时间会根据地面蒸发的关系，向地表聚集[22-24]，随着种植年限的延长，土壤形成板结层[25]，透水性和蓄水性变差[26]，可溶性盐类随着毛细管作用上升到土壤耕层，附着在表层，使得耕层保水能力下降，蔬菜产量下降[27]。

2.2板结退化土壤改良研究进展

水稻田改种设施蔬菜地后随着种植年限的延长发生了结构退化，容易出现板结粘重，通气性差等问题。

为了防止大棚土壤结构的进一步恶化，国内外许多专家学者在土壤改良方面进行了研究，现在应用较广的改良措施包括客土深翻、轮作换茬等措施。

其中土壤改良剂，由于其极佳的土壤结构改良效果，而且能够充分调节土壤水、肥、气、热状况某一方面或者多个方面，防止土壤进一步退化的优点，成为土壤修复的重要措施之一，主要类型包括天然型、合成型、天然合成共聚物型以及生物型[28]。

土壤改良剂的种类丰富，不仅可以提高产量[29-30]，改善果实品质[31]，增加经济效益，还可以改善土壤结构[32-33]，修复连作障碍[34]。

土壤改良剂的研究从19世纪末期开始，目前研究较多的主要还是单一改良剂，包括石膏、沸石、绿肥等，为了提高改良的效果，近年来许多专家学者开始研究施用方式对土壤结构改良的影响，例如使用狭槽法施用石膏可以增加其施用率，提高改良效果[35]。

在土壤通气结构改良方面，现在普遍适用的方法主要是掺入沙子、施加有机肥等传统措施，但由于沙子自身的容重大，掺入之后只能增加沙子之间的孔隙，增加通气孔隙的效果不佳；而有机肥在高温高湿的环境下只能实现短时的改良效果。

近年来，国内外很多专家学者开始研究能否将传统的土壤改良剂进行混合，取得了不少的成果，例如魔芋超级吸水剂（KSAP）[36]、聚丙烯酸/凹凸棒黏土复合保水剂[37]和生物碳保水剂[38]等在土壤结构的改善和保水性能的提高上都有显著效果，但在通气性的改良方面收效甚微。

蔬菜大棚由于其特殊的生态环境，土壤保水性能优良但通气透水性差，加入合适的土壤改良剂可以降低土壤容重，改善固、气、液的三相比，提高土壤的农业产值和价值[39]。

现阶段的改良剂主要针对传统土壤的保水性能，或者侧重于化学、生物某一方面，在透气性能上鲜有效果，且存在时效差、利用率低的问题。

本研究提出的泡沫砂是一种通过特殊工艺加工而成的无机材料，形似沙粒，呈蜂窝状，像固体状泡沫，容重小，孔隙度高，具有质量轻，通气性好，吸水性强，保水保肥性能优良等特点。

本研究通过对南京市谷里蔬菜大棚土壤进行实验，添加孔隙大小不同、配比不同的混合型泡沫砂，与传统板结退化的大棚土壤混合均匀，观测土壤通气孔隙和保水性能各指标的变化，确定混合泡沫砂的最佳添加量，测定改良效果，为蔬菜大棚的土质改良提供依据。

3研究内容与技术路线

3.1研究区概况

江苏省南京市地处北纬31度14分至32度37分，东经118度22分至119度14分，属于北亚热带季风气候区，其中春天和秋天时间较短，夏天和冬天较长，年平均气温为15.7℃，最高温度为39.7℃，最低温度为-13.1℃，年平均降水为1072.9mm。

该市的南京市重点现代农业示范园区谷里现代农业示范园区位于宁马高速以东，板霞路以西，南至大谷路西延线，主要土壤类型为水稻土，农田以稻麦轮作为主，有十几年的设施蔬菜栽培历史，菜农每年种植蔬菜3-4茬，6-11月份进行露天种植，11-6月份则进行大棚种植。

图1南京市谷里农业示范园大棚

Figure1AgriculturedemonstrationgardeninNanjingGuli

3.2研究内容

本课题以该设施蔬菜基地作为研究区域，选用板结退化严重的蔬菜大棚土壤进行温室盆栽改良实验，以未改良的大棚土壤作为对照，在板结严重的土壤中掺入不同比例的泡沫砂，按设计要求装盆后放至水中直至淹水饱和，取出晒干后，重新再让土壤饱和，反复共计让土壤饱和5次，淹水饱和实验结束后采集环刀样品，测定并计算相关的孔隙度指标，研究不同泡沫砂掺入量的改良效果，技术路线如图2所示。

图2技术路线图

Figure2Technologywiringdiagram

4材料与方法

4.1实验材料

　　供试土壤来自南京市的谷里农业示范园大棚（水稻田转为蔬菜大棚），土壤类型为水稻土，土壤容重为1.07g/cm3。

泡沫砂是一种新型无机多孔长效改良剂，形似沙粒，呈蜂窝状，像固体状泡沫，其主要成分是由粘土岩通过焙烧或其他处理方式得到的土质颗粒状基质，具有质量轻，通气性好，吸水性强，保水保肥性能优良等优点。

由于肥沃的土壤需要有良好的透气性和保水性，而这两者属于对立特性，故在改良时需考虑两者之间的平衡，避免一边倒的结果。

为实现以上改良目标，本研究选择采用掺入容重不同的混合泡沫砂，通过设计添加不同配比的泡沫砂，以期实现气、液、固三态的平衡。

其中，本研究所采用的改良剂包括：

泡沫砂G20，孔隙较小，松散容重约为0.5g/cm3，土壤pH值为6.7；泡沫砂T20，孔隙较大，粒径为2-7mm，松散容重为0.19-0.26g/cm3。

4.2实验设计

4.2.1土壤改良实验

选择板结退化严重的设施蔬菜大棚，取0-10cm的土样带回温室进行盆栽改良实验，供试样品与不同配比的基质混合装盆前需过2mm筛。

实验共设3个处理（表1），每个处理3个重复，合计9盆，花盆选用2加仑规格（大号），230*215*180mm3（盆口*高*盆底，实际容积6.5升）大小的花盆。

考虑到大棚土壤进行盆栽，容重不会太大，实验测定南京大棚土装满盆后总重量为6.95kg，容重1.07g/cm3，改良剂T20容重为0.22g/cm3。

实验时间为2013年11月15日到2014年4月11日，共五次淹水实验，每次观测称重的时间为上午11:

20，并以此作为饱和含水量的起点，实验地点设置在南京土壤研究所温室内，花盆采取随机区组排列，花盆与花盆之间的距离近30cm。

表1实验所需材料（占栽培土壤体积的百分比）

Table1Soilexperimentmaterials（percentageofcultivatedsoilvolume）

处理

南京大棚土壤：

混合泡沫砂

南京大棚

土壤

泡沫砂G20

（2-6mm）

泡沫砂T20

（2-7mm）

CK

—

100%

－

－

T1

80%:

20%

80%

6%

14%

T2

70%:

30%

70%

9%

21%

本实验按表1的实施方案把南京大棚土壤与泡沫砂混合均匀后装盆，装盆时，盆底孔周围放小量小石子，以防滞水。

在石子之上放一层约60目的尼龙网，以防土粒被水带出盆外，放好后称重。

根据表1装土壤或土壤混合物，装完后再称重，每个处理的3个重复填量需保持一致，装盆时每个处理需采一小袋样品以测定含水量。

按设计要求装盆后，将盆放入装满水的水槽内，让水从花盆底孔往上吸，还没有吸足时，用塑料喷壶向花盆土壤洒水，先洒一些，停15分钟，再洒，反复多次，直至土壤饱和，直至土壤饱和，从水槽内将盆取出，置于土壤所温室内太阳下晒，晒干后，再像前面至土壤饱和，置于土壤所温室内太阳下晒，晒干后，再像前面一样至土壤饱和，让土壤饱和共计5次。

5次淹水饱和后覆盖，在实验室内放置24小时。

把盆放置于温室内，模拟大棚环境，从土壤饱和时算起，每过24小时称一次重，直到所有处理的土壤含水量都低于凋萎系数以下，观测泡沫砂改良后土壤保水性和持水性的变化。

4.2.2土壤样品采集与分析

盆栽改良实验结束以后，对每一个盆试样品按0-5cm、5-10cm的深度分别采集环刀样品，每盆每层采集2个环刀，即每个处理6个重复，其中3个重复样品用于持水性能的指标测定，另外3个重复用于沙箱测定土壤通气孔隙（>30um）。

实验时间自2014年6月11日始，实验地点在南京土壤所实验室，样品采集前先对环刀进行编号，测定并记录各环刀重量，取环刀样品后当即测定环刀与土壤的共同质量并记录。

（1）通气孔隙测定

将环刀样品放入沙箱内，饱和24小时后，调整压力值到0.1bar，平衡后，取出样品测量样品质量，之后放入烘箱（105℃）烘干，得出干土重，计算土壤通气孔隙。

（2）持水性能测定

将环刀样品浸水饱和（24h），取出自然放置，分别于2h、24h、48h、第3天、第6天、第8天、第10天半、第13天时称重并记录环刀样品重量，放置13天后，所有样品放入烘箱内（105℃）烘干，得出干土重。

根据土样的干土重，记录并计算土壤容重、总孔隙度、田间持水量，饱和后放置不同时间土壤含水量等指标。

4.3数据处理与统计

　　所有数据均采用Excel2010进行计算、分析、处理与作图，采用SPSS17.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析方法（one-wayANOVA）和LSD法（p<0.05水平）进行各组间的多重比较，检验不同处理之间指标的显著性差异水平。

5结果与讨论

5.1泡沫砂对退化土壤物理性状的影响

5.1.1容重

土壤容重，又称土壤假比重，是土壤在自然状态下单位体积的烘干土重，是反映土壤疏松程度的重要指标，土壤容重越小，说明土壤孔隙越多，土质越疏松，通气性越好[40]。

本研究将三组不同处理的环刀样品进行饱和淹水后，放至烘箱至恒重，计算得的土壤容重如表2所示：

在0-5cm土层中土壤容重存在显著性差异（p<0.05），其中T2低于其他处理，T1居于中间水平，CK始终处于最高；在5-10cm土层中，个水平下方差保持一致，各处理之间符合原方差假设，容重差异不显著（p>0.05），T2的容重处于最低，T1居于中间水平，CK始终处于最高，结果与0-5cm保持一致。

实验表明，总体上看，加入泡沫砂改良剂可以增加土壤孔隙度，对0-5cm和5-10cm土层土壤均有较好的改良效果，说明添加泡沫砂改良剂对大棚土壤的通气性能有不同程度的改善，其中T2的效果较为明显。

表2平均容重（g/cm3）

Table2Averagesoilbulkdensityofsamples（g/cm3）

平均容重（g/cm3）

0-5cm

5-10cm

CK

1.31±0.02a

1.39±0.03a

T1

1.14±0.12c

1.25±0.01a

T2

1.05±0.06b

1.18±0.06a

同列中不同的小写字母表明在p<0.05存在显著性差异；采用LSD检验组间差异性水平

注：

CK为100%大棚土壤;T1为80%南京大棚土壤+6%泡沫砂G20+14%泡沫砂T20;T2为70%南京大棚土壤+9%泡沫砂G20+21%泡沫砂T20

5.1.2田间持水量

田间持水量是在除去土壤重力水的前提条件下，土壤毛管孔隙本身的悬着水分所能达到最大的持水量，它可以反映土壤对作物水分的供给速率，传统方法包括田间测定法、威尔科克斯法、沙箱法等[41]。

本课题分别采用了围框淹灌法和沙箱法进行田间持水量的测定，得到的结果如表3所示：

由两种方法得到的结果基本保持一致，其中对照CK的田间持水量最大，T1居于中间，T2最低，其中0-5cm土层的通气性改善效果更加明显。

总体来看，由于通气性和持水性成对立关系，可以发现两组处理在通气性方面都有一定改善，说明添加改良剂对改善土壤通气性有明显效果，其中T2的效果更明显，说明高比例的泡沫砂添加量更有助于改善通气结构。

表3平均田间持水量（%）

Table3Averagefieldcapacityofsamples（%）

平均田间

持水量（%）

围框淹灌法

沙箱法

0-5cm

5-10cm

0-5cm

5-10cm

CK

17.97±0.89cA

18.93±1.41aB

18.31±0.59bA

19.31±0.91aB

T1

17.79±3.28bA

16.58±0.50aB

18.27±1.95cA

18.05±0.56aB

T2

17.68±1.76aA

18.24±0.43aC

16.67±0.72aA

18.82±1.22aB

同列中不同的小写字母、同行中不同的大写字母表明在p<0.05存在显著性差异；采用LSD检验组间差异性水平

注：

CK为100%大棚土壤;T1为80%南京大棚土壤+6%泡沫砂G20+14%泡沫砂T20;T2为70%南京大棚土壤+9%泡沫砂G20+21%泡沫砂T20

5.1.3孔隙度

土壤孔隙是比较土壤水、气交换的重要指标，本研究在不同处理条件下所获环刀样品的土壤孔隙指标如表4所示：

在气相率方面，对照CK最低，其次为T1，T2最高，在0-5cm土层的孔隙度存在显著性差异，在5-10cm土层的孔隙度差异不显著；在液相率方面，对照CK最低，T1和T2之间存在差异，但总体改变不大。

以上研究结果表明，T1和T2两种处理方式总体上侧重于提高大棚土壤的通气性能，在保水性方面改变不大，其中T2效果较为明显，0-5cm土层效果更佳。

表4孔隙度指标（%）

Table4Soilporosityindexofsamples（%）

组别

通气孔隙

持水孔隙

总孔隙度

0-5cm

5-10cm

0-5cm

5-10cm

0-5cm

5-10cm

CK

0.38a

0.33a

0.13a

0.15a

0.51a

0.48a

T1

0.44b

0.36a

0.14b

0.17a

0.57b

0.53a

T2

0.47c

0.38a

0.14c

0.18a

0.60c

0.55a

同列中不同的小写字母表明在p<0.05存在显著性差异；采用LSD检验组间差异性水平

注：

CK为100%大棚土壤;T1为80%南京大棚土壤+6%泡沫砂G20+14%泡沫砂T20;T2为70%南京大棚土壤+9%泡沫砂G20+2