填閑作物改良設施土壤次生鹽漬化研究進展

王洋 未曉巍

摘要 隨著我國設施農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，設施土壤次生鹽漬化日益嚴重，致使土壤養(yǎng)分失衡，從而導致設施農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降的問題日益突顯。介紹了填閑作物的選擇及其對土壤氮素的淋洗和消減作用，以及殘體還田對土壤功能的影響，并提出了今后填閑作物改良土壤鹽漬化的研究與發(fā)展方向。

關鍵詞 設施土壤;填閑作物;次生鹽漬化

中圖分類號 S156文獻標識碼 A

文章編號 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

設施栽培是一種可控制性的栽培方式，它通過人為建立結(jié)構設施，改變不適宜作物生長的外界環(huán)境，從而為作物生長發(fā)育創(chuàng)造最適宜的生境條件[1]。目前設施栽培主要有塑料大棚、節(jié)能日光溫室、地膜和人工氣候室等[2]，均以種植蔬菜為主，其高產(chǎn)、高效的特點大大

提高了農(nóng)業(yè)環(huán)境、土壤環(huán)境、水環(huán)境的綜合利用水平，為我國北方地區(qū)四季提供新鮮蔬菜發(fā)揮了重要作用，滿足了經(jīng)濟發(fā)展對蔬菜的需求，提高了農(nóng)民的收入水平。但由于蔬菜本身根系不發(fā)達，無法充分利用土壤中的肥料，而且設施栽培條件下的土壤與露地栽培土壤條件有較大差異，主要體現(xiàn)在缺少自然條件下的雨水沖洗，設施內(nèi)通氣狀況不良，且溫度高、濕度大，加之廣大農(nóng)民單純地追求高產(chǎn)量，在實際生產(chǎn)過程中過量灌水及施肥，久而久之導致土壤表層中的鹽分離子大量累積，使土壤次生鹽漬化的現(xiàn)象發(fā)生[3-4]。種植填閑作物可吸收土壤中累積的氮素，進而阻控氮素因淋洗而造成的損失，降低土壤電導率，同時改善土壤中微生物群落結(jié)構和種類，維持土壤健康，從而使設施土壤次生鹽漬化的問題得到有效緩解[5-8]，筆者綜述了填閑作物對設施土壤次生鹽漬化的改良作用及近年來的研究成果，分析了填閑改良過程中存在的問題和發(fā)展方向，旨在為我國設施土壤的相關研究及蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科學依據(jù)和理論基礎。

1 填閑作物的選擇

填閑作物是指利用主要作物收獲后與后茬播種前的空隙時間種植的耐鹽、生長周期短、能夠吸收土壤殘留氮素、降低土壤耕層營養(yǎng)鹽分離子含量的作物[9-10]。與大田生產(chǎn)不同，我國北方設施種植多為一年兩季或越冬長茬，因此要求填閑作物多在7—9月種植。同時，由于不同作物對土壤環(huán)境的影響不同，保證主栽作物的健康生長是填閑作物的重要作用。不適宜的填閑作物對土壤環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，進而對下茬作物產(chǎn)生負面效應。

是否有效且快速積累氮素是評價填閑作物的一個重要標準。生物量大的作物普遍能夠快速而有效地積累氮，而我國北方夏季氣溫高，降水量大，適宜在此時種植填閑作物。根據(jù)這些植物特點和氣候條件，填閑作物應選擇生長期較短、生長迅速、生物量大、根系發(fā)達、光合作用強的作物。以上指標C4作物均優(yōu)于C3作物，如甜高粱、蘇丹草、莧菜、甜玉米等均具有填閑作物的特征，適合做填閑作物[11]，而且以甜玉米為填閑作物，在種植及生長過程中不進行施肥處理，仍獲得較高的產(chǎn)量，且吸氮量達184～256 kg/hm2。

根系發(fā)育參數(shù)也是填閑作物選擇的一個重要特征指數(shù)。如植物根系生長深度、根長的密度及單位時間內(nèi)根系向下的生長速度等[12]。其中根長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]研究發(fā)現(xiàn)能夠高效利用土壤硝態(tài)氮的作物品種均具有較高的根長密度與較高的吸氮能力。此外，填閑作物根系的深淺程度對土壤內(nèi)硝態(tài)氮的影響同樣顯著，深根系填閑作物可以降低設施土壤中剩余氮素的沉積。研究發(fā)現(xiàn)，意大利黑麥草的根系可降低1.0～1.5 m土層中硝態(tài)氮50%的含量，這是由于黑麥草的根系可達1 m左右，土壤表層的硝態(tài)氮被根系大量吸收，從而減少了其向下遷移。同時，通過對7種填閑作物根系生長情況進行研究，揭示了根系生長與土層硝態(tài)氮含量之間的關系，發(fā)現(xiàn)根系生長指標與0.5～1.0 m土層中硝態(tài)氮含量顯著相關，而與0～0.5 m土層中硝態(tài)氮含量相關性不顯著[14]。

填閑作物選擇的另一項重要指標是根系發(fā)育時間。雖然2種不同作物的根系最終深度接近，但在生長過程中不同時期根的深度、密度及分布明顯不同，將會對氮素的吸收利用產(chǎn)生直接影響[15]。

2 填閑作物對土壤氮素的淋洗與消減作用

填閑作物減少氮素淋洗的機理主要有以下3個方面：一是設施蔬菜收獲后，根層土壤殘留了大量的氮素，填閑作物根系快速吸收氮素的特性減少了土壤淺層的氮素向下的進一步遷移;二是填閑作物深根系的特點可以吸收土壤深層的氮素，減少了氮素的淋洗;三是填閑作物的蒸騰作用帶走了土壤中的水分，緩解了大量降雨所導致的土壤中硝酸鹽隨水分的向下遷移。

早在20世紀初，就有人提出在休閑期種植耐鹽且生長快、吸肥力強的填閑植物來降低土壤耕層的鹽分離子含量，減少氮素淋溶[10，16-19]，填閑作物一方面通過其強大的根系分布能力吸收、攔截土壤中殘留的氮素，使土壤剖層的氮素無法向根系以下土壤遷移。另一方面，填閑作物利用其深根系強大的吸氮能力將土壤下層累積的氮素吸收，使氮素被填閑作物所利用，避免了氮素向土壤下部的進一步沉積[20]。研究表明，填閑作物吸收土壤淋溶液中的氮可達19 g/m2[5]，每年可降低75%的硝態(tài)氮淋溶損失[21]，能夠有效地減少硝酸鹽在土壤剖層的積累和淋洗[22-23]。彭亞靜等[24]研究發(fā)現(xiàn)，甜高粱、莧菜、甜玉米3種填閑作物均對硝態(tài)氮具有較強的消減能力。

由于玻璃溫室和塑料溫室全面覆蓋的特點，缺少自然雨水和風化，使溫室土壤硝酸鹽含量終年累積，次生鹽漬化的速度和程度較其他設施土壤發(fā)生早且嚴重[25]。研究表明，塑料溫室的耕層土壤含鹽量、硝酸鹽含量分別為露地土壤的4.0和5.9倍，而玻璃溫室則更嚴重，分別為露地土壤的11.8和16.5倍[26]。由此可見，硝酸鹽累積是引起土壤次生鹽漬化的原因之一。此外，Ca2+與連作大棚的鹽漬化程度也具有顯著相關性[27]。

近年來，研究者對夏季休閑期種植填閑作物治理土壤次生鹽漬化進行研究[28-32]，結(jié)果表明電導率（EC值）的高低與土壤鹽分的多少成正比，因此許多研究者將電導率（EC值）作為土壤鹽漬化研究的一個重要指標。龍衛(wèi)國[28]研究表明，玉米-蓖麻輪作在一定程度上能夠增加土壤孔隙度、改善土壤酸堿度、降低土壤電導率，對土壤養(yǎng)分的平衡也有一定的作用。趙擴元等[29]于2005、2006年選擇玉米、大蔥對黃瓜連作土壤進行填閑，發(fā)現(xiàn)連續(xù)2年填閑，能夠明顯降低土壤電導率，土壤速效磷、速效鉀含量也明顯降低，但對土壤中全氮、速效磷的影響不大。李元等[30]以北京市昌平區(qū)3年設施菜地為研究對象，休閑期間種植甜玉米，土壤中的氮、磷、鉀含量顯著降低，而豆科作物毛苕子作為填閑作物，吸收無機態(tài)氮最多，達79.5%。速生葉菜可以明顯降低土壤中的速效養(yǎng)分，降幅在20%～29%，甜玉米對速效養(yǎng)分降低更為明顯，降幅最高達34%;相對于休閑菜田對照，種植速生葉菜和甜玉米后，土壤電導率也顯著降低;陸扣萍等[31]研究發(fā)現(xiàn)甜玉米作為填閑作物可顯著降低土壤（0～10 cm）的電導率，降幅達30%以上;文芳芳等[32]研究表明甜高粱和甜玉米是設施菜田理想的填閑作物，能夠大幅減少土壤各鹽分離子含量和土壤速效養(yǎng)分含量，顯著降低土壤電導率和養(yǎng)分的積累，緩解設施土壤次生鹽漬化的形成。

3 填閑作物殘體還田對土壤功能的影響

利用填閑作物改善土壤鹽漬化的同時，如果將填閑作物翻入土中還可釋放其體內(nèi)營養(yǎng)鹽分庫，為后季作物提供N、P、K及其他多種養(yǎng)分，進而提高土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤結(jié)構，有益于作物生長及地力培肥。劉娟等[33]研究表明，甜玉米填閑種植后，殘體還田能夠顯著降低土壤容重，使土壤結(jié)構、物理與生物性狀得到改善;同時檢測結(jié)果顯示有效磷、有效鉀含量也明顯增加。文芳芳等[32]將夏季填閑作物甜高粱、甜玉米、籽粒莧和蘇丹草利用粉碎機翻壓還田后，土壤中鹽分離子含量大幅減少，顯著降低了土壤表層的電導率，同時不同處理的有機質(zhì)含量均呈上升趨勢，為下茬作物提供了養(yǎng)分。此外，將填閑作物秸稈翻壓還田還會影響土壤的微生物環(huán)境和線蟲數(shù)量，從而降低致病菌積累，抑制病害的發(fā)生[34]。

4 小結(jié)與展望

由于目前設施蔬菜中氮肥的過量使用不可避免，填閑作物在吸收土壤中殘留的硝酸鹽、降低土壤鹽漬化的同時，有效地改善了土壤環(huán)境，促進了土壤養(yǎng)分的利用，從而增加了設施土壤利用的可持續(xù)性。但填閑作物受諸多因素的影響，因此在今后的研究中應關注以下幾點：①根據(jù)不同地區(qū)的設施土壤特點、氣候特征及主栽作物，選擇適合耕種的填閑作物并建立配套的栽培管理技術體系。

②根據(jù)土壤含鹽量的不同，采用填閑作物輪作的方式，更新填閑品種，不斷修復并保持土壤健康，最大程度地達到改良土壤次生鹽漬化的目的。

③期待通過分子標記、分子設計育種等途徑獲得深根、生物量大、吸氮力強的“全能”填閑作物。

參考文獻

[1] 張乃明.設施農(nóng)業(yè)理論與實踐[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006：1-103.

[2] 科學技術部中國農(nóng)村技術開發(fā)中心組.設施農(nóng)業(yè)在中國[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社，2006：1-3.

[3] 曾希柏，白玲玉，蘇世鳴，等.山東壽光不同種植年限設施土壤的酸化與次生鹽漬化[J].生態(tài)學報，2010，30（7）：1853-1859.

[4] LI W Q，ZHANG M，VAN DER ZEE S.Salt contents in soils under plastic greenhouse gardening in China[J].Pedosphere，2001，11（4）：359-367.

[5] VOS J，VAN DER PUTTEN P E L.Field observations on nitrogen catch crops.I. Potential and actual growth and nitrogen accumulation in relation to sewing date an d crop species[J].Plant and soil，1997，195（2）：299-309.

[6] KRISTENSEN H L，THORUPKRISTENSEN K.Root growth and nitrate up take of three different catch crops in deep soil layers[J].Soil science society of America journal， 2004，68（2）：529-537.

[7] RINNOFNER T，F(xiàn)RIEDEL J K，DE KRUIJFF R，et al.Effect of catch crops on N dynamics and following crops in organic farming[J].Agronomy for sustainable development，2008，28（4）：551-558.

[8] EICHLERLBERMANN B， KHNE S， KOWALSKI B，et al. Effect of catch cropping on phosphorus bioavailability in comparison to organic and inorganic fertilization[J].Journal of plant nutrition，2008，31（4）：659-676.

[9] VOS J，VAN DER PUTTEN P E L，HUSSEIN M H，et al.Field observations on nitrogen catch crops：Ⅱ Root length and root length distribution in relation to species and nitrogen supply[J].Plant and soil，1998，201（1）：149-155.

[10] 王金龍，阮維斌.4種填閑作物對天津黃瓜溫室土壤次生鹽漬化改良作用的初步研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28（9）：1849-1854.

[11] 任智慧，陳清，李花粉，等.填閑作物防治菜田土壤硝酸鹽污染的研究進展[J].環(huán)境污染治理技術與設備，2003，4（7）：13-17.

[12] VAN DAM A M，LEFFELAAR P A.Root，soil water and nitrogen dynamics in a catch crop：Soil system in the Wageningen Rhizolab[J].Netherlands journal of agricultural science，1998，46（3/4）：267-284.

[13] WIESLER F，HORST W J.Root growth and nitrate utilization of maize cultivars under field conditions[J].Plant and soil，1994，163（2）：267-277.

[14] THORUPKRISTENSEN K.Root development of nitrogen catch crops and of a succeeding crop of broccoli[J].Acta Agriculturae Scandinavica，Section BSoil & Plant Science，1993，43（1）：58-64.

[15] MUNKHOLM L J， HANSEN E M. Catch crop biomass production， nitrogen uptake and root development under different tillage systems[J].Soil use and management，2012，28（4）：517-529.

[16] THORUPKRISTENSEN K，MAGID J，JENSEN L S.Catch crops and green manures as biological tools in nitrogen management in temperate zones[J].Advances in agronomy，2003，79：227-302.

[17] SAINJU U M，SINGH B P.Winter cover crops for sustainable agricultural systems：Influence on soil properties，water quality，and crop yields[J].HortScience，1997，32（1）：21-28.

[18] WANG Q，LI Y，KLASSEN W.Influence of summer cover crops on conservation of soil water and nutrients in a subtropical area[J].Soil and water conservation，2005，60（1）：58-63.

[19] TONITTO C，DAVID M B，DRINKWATER L E.Replacing bare fallows with cover crops in fertilizerintensive cropping systems：A metaanalysis of crop yield and N dynamics[J].Agriculture ecosystems and environment，2006，112（1）：58-72.

[20] 屈興紅，何文壽，何進智，等.填閑作物防治保護地土壤硝酸鹽淋溶損失的研究進展[J].農(nóng)業(yè)科學研究，2007，28（2）：72-75.

[21] GUSTAFSON A，F(xiàn)LEISCHER S，JOELSSON A.A catchmentoriented and cost-effective policy for water protection[J].Ecological engingeering，2000，14（4）：419-427.

[22] 任智慧.京郊露地菜田土壤硝酸鹽累積及阻控對策[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2003.

[23] GUO R Y，LI X L，CHRISTIE P，et al.Influence of root zone nitrogen management and a summer catch crop on cucumber yield and soil mineral nitrogen dynamics in intensive production systems[J].Plant and soil，2008，313（1/2）：55-70.

[24] 彭亞靜，郝曉然，吉艷芝，等.填閑種植對棚室菜田累積氮素消減及黃瓜生長的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2015，48（9）：1774-1784.

[25] 吳鳳芝，劉德，王東凱，等.大棚蔬菜連作年限對土壤主要理化性狀的影響[J].中國蔬菜，1998（4）：5-8.

[26] 童有為，陳淡飛.溫室土壤次生鹽漬化的形成和治理途徑研究[J].園藝學報，1991，18（2）：159-162.

[27] 汪羞德，喬紅霞，朱愛鳳，等.連棟大棚土壤次生鹽漬化特點及防治[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（Z1）：119-122.

[28] 龍衛(wèi)國.不同輪作作物對設施菜地次生鹽漬化土壤改良效應研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2009：43-51.

[29] 趙擴元，李俊良，劉慶花，等.填閑作物對日光溫室土壤理化性狀及黃瓜產(chǎn)量的影響[J].青島農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2007，24（4）：286-290.

[30] 李元，高麗紅，吳艷飛，等.夏季填閑作物對日光溫室土壤環(huán)境的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2006，37（3）：531-534.

[31] 陸扣萍，閔炬，施衛(wèi)明，等.填閑作物甜玉米對太湖地區(qū)設施菜地土壤硝態(tài)氮殘留及淋失的影響[J].土壤學報，2013，50（2）：331-339.

[32] 文芳芳，韓寶，于躍躍，等.4種填閑作物對設施菜田土壤次生鹽漬化的改良效果[J].中國農(nóng)技推廣，2015，31（4）：44-46.

[33] 劉娟，田永強，高麗紅.夏季填閑作物及秸稈還田對日光溫室黃瓜連作土壤養(yǎng)分和微生物的影響[J].中國蔬菜，2011（8）：12-16.

[34] 李敏.不同填閑模式對溫室黃瓜生長及土壤環(huán)境的影響[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2015.