Amelioration of <i>Zea mays</i> on Secondary Salinization of Vegetable Greenhouse Soil

LEI Fei; TAN Hao; XIAO Tongbin; FU Chuangliang; LIU Guobiao; ZHANG Dongming; WU Jiayu; ZHANG Wen

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.02.005

Chinese Journal of Tropical Crops >

2020 , Vol. 41 >Issue 2: 237 - 243

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.02.005

Crop Culture and Nutrition, Genetic Breeding

Amelioration of Zea mays on Secondary Salinization of Vegetable Greenhouse Soil

LEI Fei ¹^,²^,³ ,
TAN Hao ¹^,²^,³ ,
XIAO Tongbin ¹^,²^,³ ,
FU Chuangliang ¹^,²^,³ ,
LIU Guobiao ¹^,²^,³ ,
ZHANG Dongming ¹^,²^,³ ,
WU Jiayu ¹^,²^,³ ,
ZHANG Wen ^,⁴^,^*

Expand

^1. Institute of Agro-Environment and Soil, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571100, China
^2. Scientific Observing and Experimental Station of Hainan Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Haikou, Hainan 571100, China
^3. Hainan Key Laboratory of Arable Land Conservation, Haikou, Hainan 571100, China
^4. Vegetable Research Institute, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571100, China

^* ZHANG Wen,E-mail： hnzhangwen@163.com。

Received date: 2019-05-31

Request revised date: 2019-07-16

Online published: 2020-03-21

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Abstract

In order to understand the improvement effects of Zea mays on the secondary salinization of vegetable greenhouse soil, five cultivars of Z. mays (Xianyunuo 2, Taixi 2, Taixi 3, Bohong 5 and Meilan 16) were selected to study the nutrient accumulation of maize and the variation of soil nutrient, secondary salinization in different soil layers. The total biomass, nitrogen uptake, phosphorus uptake, calcium uptake and magnesium uptake of Xianyunuo 2 were the highest, which was 714.94, 12.30, 2.70, 6.11 and 1.13 kg/667 m ², respectively. Compared with no catch crop, maize palnting could reduce the content of soil available N, available P, available K, exchangeable calcium, exchangeable magnesium in the 0-20 cm soil layer, and the reduction of soil available N, available P, exchangeable calcium, exchangeable magnesium content of Xianyunuo 2 were bigger than those of the other cultivars. Soil EC of the 0-20 cm soil layer dropped by 15.18% to 35.43% after the five cultivars planted, and Xianyunuo 2 showed the largest decline. Therefore, in the interim period of vegetable greenhouse, planting maize could reduce soil nutrient accumulation and remit soil secondary salinization.

Key words： vegetable greenhouse; Zea mays; secondary salinization

Cite this article

LEI Fei , TAN Hao , XIAO Tongbin , FU Chuangliang , LIU Guobiao , ZHANG Dongming , WU Jiayu , ZHANG Wen . Amelioration of Zea mays on Secondary Salinization of Vegetable Greenhouse Soil[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2020 , 41(2) : 237 -243 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.02.005

温室大棚长期处于缺少雨水淋洗和高集约化、高复种指数、高肥料施用量的生产状态下,特殊的生态环境与不合理的水肥管理措施极易导致温室大棚土壤次生盐渍化^[1]。次生盐渍化使得土壤养分主要集中在表层,表层中可溶性盐离子主要为钙和硝酸根离子^[2]。因此,次生盐渍化的发生不仅会导致蔬菜中硝酸盐含量增加,蔬菜品质下降,且会引起地下水体污染及NO和N₂O排放增加等问题^[3]。次生盐渍化土壤的改良措施主要包括调控灌溉、施肥措施、种植填闲作物和耐盐作物及利用土壤动物和微生物进行改良^[4,5]。这些措施各具优势,但种植填闲作物因操作简单而适合大面积推广。

填闲作物是在设施栽培休闲期,种植耐盐且生长快、吸肥能力强的植物来降低土壤耕层的盐基离子含量^[4],主要包括种植玉米、苏丹草、苋菜和大葱等。梁浩等^[6]研究发现,以甜玉米为填闲作物对在京郊设施地土壤硝态氮的淋洗有明显的阻控作用。文方芳等^[7]在北京房山地区种植夏季填闲作物籽粒苋、苏丹草、甜高粱和甜玉米后,土壤的各盐分离子大幅度减少,土壤电导率（EC）降低,其中甜玉米的脱盐效果最佳。玉米作为C₄作物,吸肥能力强,在种植结束后还可以收获玉米,获得一定的经济效益,具有较高的推广价值。海南夏秋渡淡蔬菜生产基地有1万hm²,夏秋季高温多雨,蔬菜生产难度大,大棚配套设施不齐全,可用于夏秋蔬菜生产的设施大棚仅为0.2万hm²左右^[8,9],适合在大棚的休闲期种植玉米作为填闲作物。但在通过种植玉米改良蔬菜大棚次生盐渍化土壤方面的研究较少,对不同玉米品种改良蔬菜大棚次生盐渍化土壤的能力仍有待研究。为此,本研究通过开展种植不同品种玉米改良蔬菜大棚的次生盐渍化效果的试验,研究在不施肥条件下,不同品种玉米的养分积累情况及不同土壤层次养分和盐渍化的变化情况,以期为蔬菜大棚土壤次生盐渍化改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年7月4日至9月在海南省农业科学院试验基地（海南省澄迈县永发镇）进行。玉米品种分别为‘美兰16号’、‘伯洪5号’、‘泰选2号’、‘泰选3号’和‘鲜玉糯2号’,其中‘美兰16号’购自海南绿川种苗有限公司,‘伯洪5号’、‘泰选2号’、‘泰选3号’购自海南伯洪实业有限公司,‘鲜玉糯2号’由海南省农业科学院粮食作物研究所提供。供试大棚土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

Tab. 1 Basic properties of the experimental soil

土层 Soil profile /cm	pH	有机质 Organic matter/%	碱解氮 Available N /(mg·kg^-1)	速效磷 Available P /(mg·kg^-1)	速效钾 Available K /(mg·kg^-1)	交换性钙 Exchangeable Ca/(mg·kg^-1)	交换性镁 Exchangeable Mg/(mg·kg^-1)	电导率EC/(μS·cm^-1)
0~20	5.48	1.56	148.70	204.70	136.50	2171.60	309.20	1518
20~40	5.57	1.53	124.80	208.70	115.70	1533.00	253.60	898

1.2 方法

1.2.1 试验处理 2018年7月4日播种玉米,9月21日收获。每小区面积为1.5 m×3.5 m,随机排列,每个处理均重复3次。株行距为35 cm× 100 cm,以不种植任何填闲作物为对照,并定期进行人工除草,整个生育期不施肥。

1.2.2 指标测定试验结束后,将玉米根系整体挖出,并用清水冲洗,分别称籽粒、秸秆和空穗鲜重,然后105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干至恒重,称其干重。采用H₂SO₄-H₂O₂消煮,凯氏定氮法测定氮含量,钒钼黄比色法测定磷含量,AA-6300C型原子吸收分光光度计测定钾、钙和镁含量。

分别取耕作层0~20、20~40 cm土壤,带回实验室自然风干,过筛后,备用。采用扩散吸收法测定碱解氮;0.5 mol/L NaHCO₃浸提,硫酸钼锑抗比色法测定有效磷;用1 mol/L乙酸铵浸提,火焰光度计测定速效钾;用1 mol/L乙酸铵浸提,AA-6300C型原子吸收分光光度计测定土壤交换性镁、交换性钙;用水土比5:1电导率法测定土壤电导率（EC）。

1.3 数据处理

采用Microsoft office excel 2007软件对原始数据进行整理计算、绘制图表,采用SPSS软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米的生物量和吸氮量

不同品种玉米的生物量和吸氮量见表2。由表2可知,‘鲜玉糯2号’的总生物量最大,为714.94 kg/667 m²,显著高于其他品种;‘泰系3号’的籽粒最重,达113.81 kg/667 m²,显著高于‘伯洪5号’和‘泰系2号’,但与‘鲜玉糯2号’和‘美兰16号’差异不显著。‘鲜玉糯2号’的空穗和秸秆量最大,分别为144.28、461.67 kg/667 m²,显著高于其他品种。在吸氮量方面,‘鲜玉糯2号’的总吸氮量最高,为12.30 kg/667m²,其次为‘泰系3号’,‘泰系2号’最低。其中,‘泰系3号’的籽粒吸氮量最高,显著高于其他品种。‘泰系2号’的空穗吸氮量最高,为1.22 kg/667 m²。‘鲜玉糯2号’的秸秆吸氮量最大,为9.31 kg/ 667 m²,与‘泰系3号’差异不显著,但显著高于其他品种。

表2 不同品种玉米生物量和吸氮量

Tab. 2 Biomass and N uptake of different cultivars of maize

品种 Cultivar	生物量Biomass/[kg·(667 m)^-2]				吸氮量Nitrogen uptake/[kg·(667 m)^-2]
品种 Cultivar	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total
鲜玉糯2号	109.00±3.79^a	144.28±4.04^a	461.67±8.47^a	714.94±9.31^a	1.98±0.12^b	0.99±0.15^ab	9.31±0.61^a	12.30±0.49^a
泰系3号	113.81±3.83^a	85.25±7.39^b	321.90±8.47^b	520.96±7.33^b	2.83±0.32^a	0.79±0.12^ab	7.70±0.49^ab	11.32±0.88^b
伯洪5号	91.50±3.87^b	86.38±5.72^b	319.35±4.71^b	497.24±11.40^b	2.06±0.20^b	0.90±0.15^ab	7.47±0.30^bc	10.42±0.43^bc
美兰16号	108.52±0.29^a	82.07±7.60^b	266.84±12.71^c	457.43±14.68^c	1.98±0.15^b	0.69±0.01^b	5.81±0.76^cd	8.49±0.90^cd
泰系2号	69.92±5.73^c	95.27±5.73^b	207.54±4.24^d	372.72±4.24^d	1.54±0.12^b	1.22±0.20^a	4.34±0.44^d	7.12±0.17^d

	Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).
	注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.2 不同品种玉米的吸磷量和吸钾量

由表3可知,在吸磷量方面,‘鲜玉糯2号’的总吸磷量显著高于其他品种,为2.70 kg/ 667 m²,其次为‘伯洪5号’,最低为‘美兰16号’。‘鲜玉糯2号’、‘泰系3号’、‘伯洪5号’和‘美兰16号’的籽粒吸磷量差异不显著,但显著高于‘泰系2号’。但‘泰系2号’的空穗吸磷量最高,为0.44 kg/667 m²,其次为‘鲜玉糯2号’,其含量为0.37 kg/667 m²,‘泰系3号’的空穗吸磷量最低,为0.24 kg/667 m²。‘鲜玉糯2号’的秸秆吸磷量最高,为2.01 kg/667 m²,显著高于其他品种。在吸钾量方面,‘伯洪5号’的总吸钾量显著高于其他品种,为12.31 kg/667 m²,但其他品种间的差异不显著。‘泰系3号’的籽粒吸钾量最高,含量为0.85 kg/667 m²,其次为‘伯洪5号’,含量为0.79 kg/667 m²。‘伯洪5号’的空穗吸钾量最高,显著高于‘泰系3号’、‘美兰16号’和‘泰系2号’,但与‘鲜玉糯2号’差异不显著。另外,‘伯洪5号’的秸秆吸钾量最高,为10.24 kg/667 m²,显著高于其他品种。

表3 不同品种玉米吸磷量和吸钾量

Tab. 3 Phosphorus and potassium uptake of different maize cultivars

品种 Cultivar	吸磷量Phosphorus uptake/[kg·(667 m)^-2]				吸钾量Potassium uptake/[kg·(667 m)^-2]
品种 Cultivar	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total
鲜玉糯2号	0.32±0.03^a	0.37±0.02^ab	2.01±0.05^a	2.70±0.08^a	0.62±0.06^c	1.25±0.11^a	6.51±0.29^b	8.38±0.26^b
泰系3号	0.34±0.02^a	0.24±0.02^c	1.43±0.09^b	2.01±0.09^bc	0.85±0.08^a	0.66±0.05^b	6.57±0.40^b	8.08±0.37^b
伯洪5号	0.32±0.02^a	0.32±0.03^bc	1.58±0.08^b	2.23±0.09^b	0.79±0.03^ab	1.28±0.21^a	10.24±0.44^a	12.31±0.49^a
美兰16号	0.32±0.02^a	0.27±0.03^c	1.22±0.05^c	1.81±0.06^c	0.67±0.03^bc	0.40±0.05^b	6.60±0.34^b	7.65±0.37^b
泰系2号	0.23±0.02^b	0.44±0.03^a	1.23±0.02^c	1.91±0.03^c	0.59±0.05^c	0.32±0.02^b	6.57±0.75^b	7.48±0.75^b

	Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).
	注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.3 不同品种玉米的吸钙量和吸镁量

由表4可知,在吸钙量方面,‘鲜玉糯2号’的总吸钙量最高,为6.11 kg/667 m²,显著高于其他品种。‘鲜玉糯2号’和‘美兰16号’的籽粒吸钙量最高,均为0.15 kg/667 m²。‘泰系2号’空穗的吸钙量显著高于其他品种,为0.29 kg/667 m²,但其他品种间的差异不显著。‘鲜玉糯2号’的秸秆吸钙量最高,为5.76 kg/667 m²,‘泰系2号’最低,为2.24 kg/667 m²。在吸镁量方面,‘鲜玉糯2号’的总吸镁量为最高,为1.13 kg/667 m²,显著高于其他品种。‘泰系3号’的籽粒吸镁量最高,显著高于其他品种;但是各品种的空穗吸镁量差异不显著;‘鲜玉糯2号’的秸秆吸镁量为最高,为0.87 kg/667 m²。

表4 不同品种玉米吸钙量和吸镁量

Tab. 4 Calcium and magnesium uptake of different maize cultivars

品种 Cultivar	吸钙量Calcium uptake/[kg·(667 m)^-2]				吸镁量Magnesium uptake/[kg·(667 m)^-2]
品种 Cultivar	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total	籽粒 Grains	空穗 Empty ears	秸秆 Straw	合计 Total
鲜玉糯2号	0.15±0.01^a	0.20±0.01^b	5.76±0.29^a	6.11±0.29^a	0.12±0.02^b	0.14±0.02^a	0.87±0.05^a	1.13±0.06^a
泰系3号	0.14±0.01^ab	0.20±0.03^b	3.63±0.17^b	3.98±0.2^b	0.15±0.02^a	0.11±0.02^a	0.72±0.02^b	0.98±0.01^b
伯洪5号	0.12±0.02^b	0.15±0.02^b	3.19±0.09^b	3.46±0.08^b	0.14±0.01^b	0.12±0.02^a	0.69±0.02^bc	0.94±0.02^b
美兰16号	0.15±0.02^a	0.18±0.02^b	2.53±0.14^c	2.85±0.12^c	0.14±0.01^b	0.11±0.02^a	0.59±0.03^c	0.84±0.02^c
泰系2号	0.09±0.01^c	0.29±0.05^a	2.24±0.06^c	2.62±0.06^c	0.09±0.01^b	0.14±0.02^a	0.46±0.03^d	0.69±0.03^d

	Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).
	注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

2.4 不同品种玉米对土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的影响

玉米收获后的土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量见图1。由图1A可知,与不种植任何填闲作物的对照相比,种植5个品种玉米能显著降低土壤0~20 cm和20~40 cm的碱解氮含量,降低幅度分别为12.83%~23.39%和4.09%~14.37%。其中,‘鲜玉糯2号’收获后土壤0~20 cm和20~40 cm的碱解氮含量均低于其他品种。由图1B可知,‘鲜玉糯2号’和‘伯洪5号’对土壤0~20 cm的速效磷消减能力较强,与对照相比,其速效磷含量的降低幅度分别为15.29%和10.12%。但在20~40 cm土层,各品种的速效磷消减能力差异不显著。由图1C可见,各玉米品种对土壤0~20 cm速效钾含量的消减能力为：‘伯洪5号’>‘鲜玉糯2号’>‘美兰16号’>‘泰系3号’>‘泰系2号’。其中,‘伯洪5号’和‘鲜玉糯2号’的土壤速效钾含量显著小于对照。在20~40 cm土层,‘伯洪5号’处理的土壤速效钾含量显著小于其他品种和对照,而其他4个品种与对照处理间差异不显著。可见,各品种玉米对土壤中的碱解氮、速效磷和速效钾均有一定的消减作用,特别是‘鲜玉糯2号’,其对碱解氮和速效磷的消减能力最强,‘伯洪5号’对速效钾的消减能力最强。

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图1 种植不同品种玉米土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的含量

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 1 Soil available N, available P and available K content after planted different maize cultivars

Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).

2.5 不同品种玉米对土壤中交换性钙、交换性镁和电导率的影响

玉米收获后的土壤和对照土壤的交换性钙、交换性镁含量和EC见图2。由图2A可知,与不种植填闲作物的对照土壤相比,种植5个品种玉米均能显著降低0~20 cm土层中的交换性钙含量,降低幅度为10.68%~19.10%。‘鲜玉糯2号’和‘泰系3号’能显著降低20~40 cm土层的交换性钙含量,但其他品种玉米种植的消减效果不显著。由图2B可知,‘鲜玉糯2号’0~20 cm土层中的交换性镁的消减能力最佳,消减量为43.00 mg/kg。与对照相比,各品种玉米20~40 cm土层中的交换性镁含量差异不显著。对由图2C可见,种植玉米后0~20 cm土层的EC显著降低,下降幅度为15.18%~35.43%,其中‘鲜玉糯2号’下降幅度最大,而种植玉米虽然可降低20~40 cm土层的EC,但差异不显著。

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图2 种植不同品种玉米土壤中交换性钙、交换性镁的含量和EC

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Soil exchangeable calcium, exchangeable magnesium content and EC after planted different maize cultivars

Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).

3 讨论

种植填闲作物是一种容易操作的次生盐渍化改良方式,很多设施菜地每年都有休闲期,在此期间种植填闲作物可有效消减土壤氮素和可溶性盐基离子以及改善土壤微生物区系结构等^{[10,11,12,13]}。玉米作为一种C₄类作物,不仅能在短时间内快速生长,具有生物量大、根系深、耐高温的特点^[6],还具有较高的经济价值,是理想的填闲作物之一。尹兴等^[11]发现,与白菊花、牛膝相比,间作甜玉米的总吸氮量最高,对土壤剖面的硝态氮消解能力也是最强的。本研究表明,与不种植任何填闲作物的对照相比,‘鲜玉糯2号’、‘泰系2号’、‘泰系3号’、‘伯洪5号’和‘美兰16号’5种玉米均能降低0~20 cm土层中的碱解氮、速效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁含量及EC,但20~40 cm土层中的养分含量及EC下降幅度不及0~20 cm土层,这与玉米的大部分根系主要分布在0~20 cm浅层土壤中,其对20~40 cm土层中的养分吸收有限相关。研究结果说明,种植玉米能缓解浅层土壤次生盐渍化,但深层土壤效果不佳,这与其他的研究结果一致^[14]。本研究还发现,与其他品种相比,‘鲜玉糯2号’对0~20 cm土层中碱解氮、速效磷、交换性钙和交换性镁含量消减能力最佳,降低量分别为33.30、36.40、411.00、43.00 mg/kg。这与‘鲜玉糯2号’的总生物量最大,其吸氮量、吸磷量、吸钙量及吸镁量也最高有着密切的关系。

钙是次生盐渍化土壤中阳离子的主要组成部分,有别于滨海盐渍化土和内陆盐碱土。杨静等^[2]研究发现,在江苏省某次生盐渍化严重的土壤中,钙占阳离子总量的59.71%。因此,钙是次生盐渍化土壤评价的重要参数^[15]。本研究的供试大棚为多年蔬菜大棚,因次生盐渍化问题而荒废,其交换性钙含量高达2171.60 mg/kg。有研究表明^[16,17],土壤中过量的钙对磷素有效性有影响,还会抑制作物对钾素的吸收,从而使作物生长受到抑制。文方芳等发现^[7],与籽粒苋、苏丹草和甜高粱相比,种植甜玉米后土壤交换性钙离子下降幅度最高,本研究发现,与对照相比,5个品种玉米种植后,0~20 cm土层中的交换性钙含量均显著降低,降低幅度达10.68%~19.10%,其中‘鲜玉糯2号’效果最为显著。这说明在海南夏秋季,以玉米作为填闲作物对大棚土壤次生盐渍化的改良是可行的,同时,玉米品种的选择也十分重要。

EC是评价土壤盐渍化的另一个重要参数^[18],土壤的电导率和水溶性盐存在极显著相关性,电导率法也被广泛应用于土壤盐渍化研究中^[19,20]。研究发现^[21,22,23],多年大棚生产蔬菜土壤的EC显著高于露地蔬菜土壤,土壤EC超过500 μS/cm,作物生长容易受阻。本研究对照土壤0~20 cm的EC为1455.33 μS/cm,远高于500 μS/cm。代立兰等^[24]研究发现,栽培甜菜和籽粒苋使土壤的EC下降,下降幅度为12.8%~30.9%。Gabriel等^[25]研究发现,比休耕处理相比,在休闲期种植大麦和野豌豆,土壤盐分淋溶减少了6 mg/667 m²。张春兰等^[26]发现,与柽麻、黄瓜相比,玉米降低EC效果最佳。本研究发现,种植玉米后,EC下降了15.18%~35.43%,但因土壤EC本底值较高,玉米收获后EC仍高于900 μS/cm,如需使用大棚,还需进一步改良。

综上可知,本研究中所选的5种玉米,‘鲜玉糯2号’的生物量和吸氮量、吸磷量、吸钙量及吸镁量最大,‘伯洪5号’的钾吸收量最大。供试5种玉米对海南地区蔬菜大棚的次生盐渍化均具有一定的改良作用,‘鲜玉糯2号’对碱解氮、速效磷以及交换性钙镁离子的消减效果和EC降低效果最佳,但对速效钾的消减效果不及‘伯洪5号’。从土层分布来看,5种玉米品种对0~20 cm土层中的速效养分、钙镁离子消减效果及EC的降低效果较20~40 cm土层更佳。总体来看,种植玉米不仅能实现海南次生盐渍化蔬菜大棚土壤养分的快速消减,还能获得一定的经济效益,其中‘鲜玉糯2号’是所选择5种玉米中对次生盐渍化改良效应最好的品种。

References

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