露地种植和大棚种植是目前蔬菜种植的主要方式,露地种植经济效益低于大棚种植,但生态效益高于大棚种植[1]。樱桃番茄是海南冬季瓜菜主要经济作物,以露地种植为主,年种植面积约6667万hm2[2]。由于种植年限的增加,越来越严重的土壤酸化、板结、植株生长矮小、叶片异常等连作障碍问题已经影响到了农户的正常生产,最直接的影响是樱桃番茄产量和品质下降。调查研究发现,这些樱桃番茄种植区土壤pH小于5.0,而樱桃番茄适宜的土壤pH为5.6~6.7[3];樱桃番茄需肥量大,农户常施用的肥料大部分为复合肥、尿素等酸性或生理酸性化肥[4],这类化肥的过量使用加剧了土壤酸化程度[5];高温高湿多雨的环境中,露地种植酸性土壤的养分淋溶流失速率加快等。研究表明土壤酸化会加快钾、钙、镁从土壤胶体表面的溶解而流失[6],在高温高湿环境中的番茄植株容易缺钙和镁等;铜、锰、锌、铁等微量元素在酸性土壤中溶解度提高[7],如土壤锰过剩会导致番茄植株徒长、失绿等症状。因此,改良酸化严重的土壤、培肥土壤地力和减少酸性化肥的施用是提高海南省樱桃番茄亩产量的重要措施。
目前调节土壤酸度的方法主要有施用石灰[8]、钢渣磷肥[9]、生物质炭[10]以及钙镁磷肥[11,12,13]等碱性物质,这些碱性物质通过科学施用均能达到提高土壤pH和钙、镁等元素活性的作用。但是,农户在实际生产中逐渐认识到连续撒施石灰会产生碳酸钙和硫酸钙沉淀而导致土壤板结,停止施用后存在较强的复酸化过程[14]。另外,钢渣磷肥、生物质炭等碱性固体物质大规模农用的环境风险还有待评价等[11,12,13]。上述碱性物质大部分为固体颗粒物质,调节土壤pH效果持久,但是养分释放和起效慢。因此,课题组结合调节土壤酸度和培肥地力,设计了一种适用于改良酸性土壤的营养液（简称改良液）。前期有关改良液应用效果的研究表明,改良液可以有效提高大棚酸性土壤pH和钙、镁、铁元素的活性[15],降低土壤中Cd2+活性[16]。但是,由于露地种植受到天气、土壤等外在因素的影响较大,其土壤理化特性与大棚种植存在较大差别,因此有必要开展露地种植模式下酸性土壤改良田间试验。本研究拟将樱桃番茄（Solanum lycopersicom L.）露地种植酸性土壤作为试验对象,探讨改良液施用对露地酸性土壤pH和矿物质元素的作用效果,以及对植株叶片、果实样品中铜、锰、锌、铁元素含量的影响,为改良液科学治理酸性土壤积累丰富的理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试土壤:儋州市两院宝岛新村5队（19°29′27.38″ N,109°29′29.57″ E）‘千禧’樱桃番茄露地种植土壤。
供试肥料:改良液是中国热带农业科学院分析测试中心研发的碱性含腐殖酸水溶肥料,pH（1:250）为10,腐殖酸含量大于30 g/L,氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）含量总和大于200 g/L;复合肥为挪威雅苒国际有限公司生产的硫酸钾型复合肥料,氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）含量均为15%;有机肥为儋州绿宝丰农资有限公司生产。
主要试剂:二乙三胺五乙酸（分析纯）,乙酸铵（分析纯）,广州化学试剂厂;硝酸（分析纯）,盐酸（分析纯）,乙醇（分析纯）,广州化学试剂厂。
试验仪器:FE20实验室pH计,Mettler Toledo公司;MK II M6原子吸收光谱仪,Thermo Electron公司;Optima 8300电感耦合等离子体发射光谱仪,Perkin Elmer公司;KJELTEC 8420凯氏定氮仪,FOSS公司。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 樱桃番茄苗于10月28日移栽,试验共设2个小区:试验区和对照区。试验区和对照区各设3个平行小区,面积（666.7 m2）相同,区组排列。整个樱桃番茄生育期施肥以基肥和追肥方式进行。其中,50 kg/667m2复合肥、1000 kg有机肥作为基肥一次性施入土壤,追肥处理为:（1）对照区,常规施用复合肥,2.5 kg/667 m2复合肥稀释100倍后采用滴灌方式施肥,相隔1周施加1次;（2）试验区,1.2 kg/667 m2复合肥稀释100倍~1.0 kg/667 m2改良液稀释500倍,采用滴灌方式施肥,施肥方式和次数同对照区。各处理小区统一田间管理。
1.2.2 采样与制样方法 土壤、樱桃番茄叶片和果实样品的采集和制备参照《土壤农化分析》[17]。
土壤样品:采集追肥后第1~16周试验区和对照区土壤样品,每个小区的土壤样品参照“S”形线路采集耕层土样（0~20 cm）,随机取5点,混合5点土壤样品,混匀后按照四分法选取待制样土壤样品,研磨过10、20、60目筛,分装入封口袋,保存供分析测试用。
叶片样品:追肥第16周后,试验区和对照区参照“S”形线路选取正常生长且长势一致的樱桃番茄植株,采集同一个高度的樱桃番茄植株新生叶片样品,采集了7份试验区新叶样品和6份对照区新叶样品,每份样品重量约500 g,每份样品单独制样,洗净后,80 ℃烘干,粉碎研磨过筛,室温下存放,待测。
果实样品:樱桃番茄挂果后,选取樱桃番茄成熟果实,采集了16份试验区果实样品和8份对照区果实样品,每份样品重量不少于500 g,每份样品单独制样,洗净后取果肉部分制成匀浆,冷冻存放,待测。
1.3 数据处理
采用OriginPro 2016软件进行相关数据的计算、处理和制图,采用统计分析软件SPSS 16.0进行多重比较和显著性检验。
2 结果与分析
2.1 改良液对露地酸性土壤pH的影响
从施用改良液后开始,监测第1、4、8、12、16周试验区和对照区表层土壤pH的变化趋势。由图1可知,随着改良液施用时间的累积,试验区表层土壤pH先上升,第8周后回落,达到第12周后又开始上升,不会产生土壤pH过碱的现象,可见改良液对土壤pH的调节具有明显的缓冲能力。施肥16周后,试验区土壤pH为5.90,提升了0.3个单位;对照区土壤pH为5.46,降低了0.2个单位。与对照区土壤pH比较,改良液配施追肥的试验区土壤pH的提升效果显著。
2.2 改良液对露地酸性土壤阳离子交换量、交换性钙、交换性镁含量的影响
2.3 改良液对露地酸性土壤有效铜、锰、锌、铁含量的影响
2.4 改良液对樱桃番茄叶片组织和果实样品中钙、镁、铜、锰、锌、铁含量的影响
复合肥单施和改良液-复合肥配施对樱桃番茄新叶组织和果实吸收钙、镁、铜、锰、锌、铁等矿物质元素的影响如表1所示。与对照区比较,试验区新叶组织样品中铜元素含量显著低于对照区,果实样品中锰含量显著低于对照区。试验区樱桃番茄新叶组织中钙、镁、锰、锌、铁元素含量和果实样品中钙、镁、铜、锌、铁元素的含量与对照区的差异不显著。
表1 樱桃番茄新叶组织和果实样品中矿物质元素含量测定结果Tab. 1 Determination of mineral elements in tender leaf and fruits of cherry-tomato |
| 元素 Element | 樱桃番茄新叶组织Tender leaf of cherry-tomato | 樱桃番茄果实样品Fruits of cherry-tomato | ||
|---|---|---|---|---|
| 试验区Treated plot | 对照区Control plot | 试验区Treated plot | 对照区Control plot | |
| 钙/(mg·kg-1) | 38 319±3 111 | 35 512±7 905 | 79.2±15.7 | 78.4±11.8 |
| 镁/(mg·kg-1) | 6 587±401 | 6 357±1 018 | 118±12 | 109±11 |
| 铜/(mg·kg-1) | 658±159** | 911±120** | 0.826±0.158 | 0.958±0.201 |
| 锰/(mg·kg-1) | 620±131 | 659±148 | 1.65±0.19* | 1.89±0.31* |
| 锌/(mg·kg-1) | 33.4±7.6 | 32.1±2.9 | 1.74±0.31 | 1.67±0.22 |
| 铁/(mg·kg-1) | 300±22 | 338±40 | 3.95±0.79 | 3.51±0.70 |
Note: * indicates significant difference at 0.05 level, ** indicates significant difference at 0.01 level, the results of new leaf tissue test were calculated as dry sample and fruit sample test results as fresh sample. | |
注:*为差异显著（P<0.05）;**为差异极显著（P˂0.01）;新叶组织测试结果以干样计,果实样品测试结果以湿样计。 |
3 讨论
我国热区土壤多为酸性至强酸性,主要是由气候、植株代谢、人为活动（如施肥等）等因素导致的。土壤酸碱度按pH由小到大的顺序一般可分为极强酸性（pH<4.5）、强酸性（pH 4.5~5.5）、弱酸性（pH 5.5~6.5）、中性（pH 6.5~7.5）、弱碱性（pH 7.5~8.5）和强碱性（pH>8.5）[25]。改良液-复合肥配施追肥后的樱桃番茄试验区土壤pH为5.90,为弱酸性土壤;复合肥追肥后的樱桃番茄对照区土壤pH为5.46,为强酸性土壤。试验结果表明,改良液改变了原土壤pH增加幅度,这是由于改良液利用配方组分之间的化学反应释放氢氧根,中和土壤溶液的氢离子,使土壤pH升高,而且不会造成土壤过碱的危害,对露地酸性土壤pH的调节效果良好,与大棚酸性土壤pH改良效果[15]一致。
土壤阳离子交换量直接反映了土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力,主要受土壤质地、土壤pH的影响。由于海南岛常年处于高温高湿多雨的气候环境,露地酸性土壤的阳离子交换量通常很低[26]。本研究樱桃番茄种植地土壤阳离子交换量小于10 cmol(+)/kg,为保肥力和缓冲力较弱的土壤[27]。改良液配施追肥后,试验区表层土壤阳离子交换量显著高于对照区,其原因可能为改良液提升露地酸性土壤pH后,增加了土壤胶体可变负电荷量,提高土壤阳离子交换量,土壤的保肥能力增加;土壤胶体可变负电荷量增加,使得胶体交换位点增加,从而增加对钙、镁盐基离子的吸附保护,减少淋溶。土壤矿物质元素主要集中在黏粒和粉粒之中,而土壤pH直接影响微量元素的存在形态、有效性及迁移转化[25]。与对照区土壤比较,改良液配施追肥对试验区土壤交换性钙的提升效果显著,有利于需钙量较大的樱桃番茄植株的生长,但是试验区土壤交换性镁的含量与对照区的差异不显著,且试验区植株新叶和果实中钙、镁含量与对照区的差异也不显著,可能与土壤性质、施肥方法、植株代谢等因素相关[25],需要通过试验进一步研究和分析。试验区土壤有效铜含量显著低于对照区,有效锰、锌、铁含量与对照区的差异不显著,虽然土壤pH升高会降低铜、锰、锌、铁等元素的活性,但根据全国土壤有效态微量元素的评价标准[28],土壤有效铜、锰、锌、铁的临界值分别为0.2、10.0、1.0、7.0 mg/kg,试验区土壤的有效铜、锰、锌、铁含量仍高于临界值,能满足露地樱桃番茄生长对微量元素的需求,这一点在樱桃番茄新叶和果实样品中铜、锰、锌、铁的含量测定结果中得到证实。
4 结论
改良液替代部分复合肥追肥后能显著提高和保持露地樱桃番茄酸性土壤pH。随着改良液施用时间的增加,改良液显著提高试验区土壤阳离子交换量和交换性钙含量,显著降低土壤的有效铜含量,对交换性镁和有效锰、锌、铁含量的影响不显著,而且追肥过程中不会产生植株缺素或过量的危害,可以满足植株生长对矿物质元素的需求,可以达到对土壤调酸和培肥同时进行的效果,适用于改良受天气等外界因素影响较多的露地酸性土壤,可替代部分酸性化肥作追肥施用。