基質栽培鹽分積累成因的研究進展

（1北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心，北京100097；2中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193）

基質栽培鹽分積累成因的研究進展

熊 靜1，2陳 清2劉 偉1*

（1北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心，北京100097；2中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193）

基質栽培作為一種高產(chǎn)高效的栽培方式，也存在根際鹽分積累導致作物生理障礙、產(chǎn)量和品質下降等問題。本文從栽培環(huán)境、營養(yǎng)液、養(yǎng)分離子特性及基質種類等方面綜合分析了導致基質栽培根區(qū)鹽分積累的原因，并對今后的研究重點進行展望。

基質栽培；鹽分積累；栽培環(huán)境；營養(yǎng)液；養(yǎng)分離子

鹽分積累已成為導致作物產(chǎn)量和品質下降的主要農(nóng)業(yè)環(huán)境問題之一（Parida & Das， 2005）。在蔬菜種植過程中，鹽分積累易導致多種蔬菜出現(xiàn)各種各樣的病癥，如番茄和甜椒的臍腐病、茄子內部腐爛、結球萵苣和大白菜的干燒心、芹菜的黑心病等（Savvas & Lenz，1996；Navarro et al.，2002）。鹽分主要通過兩個途徑影響作物的正常生長：① 根際環(huán)境的滲透勢上升，進而產(chǎn)生滲透脅迫，影響作物對水分的吸收，導致作物體內鹽分積累；② 作物養(yǎng)分失衡和產(chǎn)生特殊離子毒害（L?uchli & Epstein，1990）。累積的鹽分對作物的影響表現(xiàn)在生理水平、激素水平和蛋白水平三個方面，如易導致作物葉片數(shù)、根系面積、根系活力、蒸騰速率、水分利用率、光合速率降低和質膜透性升高（Albacete et al.，2008；Stella et al.，2011）；葉片、木質部汁液和根系中脫落酸、乙烯的含量上升，細胞分裂素和生長素的含量降低（Albacete et al.，2008）；高鹽脅迫下，番茄耐鹽基因HAL1表達力增強，合成新蛋白物質抵抗鹽脅迫及逆向運輸?shù)鞍妆磉_力增強和NHX活性降低（Amini et al.，2007；Mu?oz-Mayor et al.，2008）。

與土壤栽培相比，基質栽培具有根際環(huán)境可控性強，作物產(chǎn)量高、品質好、潔凈無污染等優(yōu)點，是克服連作障礙、實現(xiàn)非耕地蔬菜生產(chǎn)的有效方式。但隨著基質使用時間的延長，基質栽培也存在根際鹽分積累的問題。本文從栽培環(huán)境、營養(yǎng)液、養(yǎng)分離子的特性和基質類型幾個方面綜合分析了基質栽培中鹽分積累的原因，旨在為今后開展避免或緩解基質鹽分積累的研究梳理思路。

1 栽培環(huán)境

設施栽培大多是在連棟溫室、日光溫室或塑料大棚等密閉的設施環(huán)境中進行，溫度、濕度和通氣狀況均與露地栽培有很大區(qū)別，鹽分積累現(xiàn)象較為嚴重。溫室四季被覆蓋，室內溫度一般比室外高7～20 ℃（傅理 等，2009；邱玉賓 等，2013），高溫致使土壤水分不斷從地表蒸發(fā)，導致根區(qū)鹽分離子濃度上升。其次，設施環(huán)境的高溫和通氣狀況差致使室內空氣濕度較高，陰天或灌水后濕度可高達90%以上（廉華，2001），高濕抑制了作物的蒸騰作用，使得礦質營養(yǎng)的運輸能力降低，生命力減弱，對養(yǎng)分的吸收量減少從而進一步導致根系環(huán)境中鹽分離子的累積。因缺乏雨水的沖洗，根區(qū)鹽分的積累難以得到緩解。以上現(xiàn)象在土壤設施栽培中十分明顯，設施基質栽培環(huán)境與設施土壤栽培基本一致，因此栽培環(huán)境對基質栽培鹽分積累的影響也類似。

露地基質栽培與露地土壤栽培類似，鹽分積累問題要小于設施栽培，鹽分積累的主要原因是由于肥料的過量投入，而環(huán)境因素的貢獻率相對較小。

2 營養(yǎng)液

營養(yǎng)液作為基質栽培中作物生長發(fā)育的養(yǎng)分和水分來源，對基質鹽分積累的影響也較大，主要從以下幾個方面影響著基質鹽分的積累。

2.1 水質

水質是保證作物安全高產(chǎn)的一個基本要素。配制營養(yǎng)液所用的水相當于一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉水。農(nóng)業(yè)用水的水質評價通常是考量其可溶性礦質元素和鹽分的含量，用電導率（EC值）來表征。適宜的灌溉用水標準為EC＜0.5 dS·m-1、Na+＜0.5 mmol·L-1，當灌溉水EC＞2 dS·m-1時，會對作物的生長產(chǎn)生鹽分脅迫，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因一是作物對水分的吸收量要大于礦質元素，使得礦質元素易濃縮在根區(qū)；二是水中的礦質元素還會改變營養(yǎng)液中的養(yǎng)分離子平衡，當營養(yǎng)液中的養(yǎng)分離子濃度超出作物的吸收量時根區(qū)就會出現(xiàn)養(yǎng)分離子的富集現(xiàn)象（Sonneveld，2000）。除了上述情況以外，水中還可能含有對作物生長產(chǎn)生危害的物質，導致作物出現(xiàn)病害進而減少養(yǎng)分的吸收，如富含過多的可溶性Fe2+與易造成作物葉片失綠，甚至枯死（van de Ende，1970）。針對水中的鹽分離子含量可能會導致根區(qū)鹽分的累積和對作物產(chǎn)生危害，Sonneveld（1993）提出了灌溉水中各礦質元素含量的適宜范圍，即Na+的適宜范圍為0.2～1.0 mmol·L-1、Cl-為0.3～1.5 mmol·L-1、Ca2+為0.7～2.0 mmol·L-1、Mg2+為0.3～0.7 mmol·L-1為0.5～1.5 mmol·L-1、Mn2+為5×10-3～15×10-3mmol·L-1、為10×10-3～55×10-3mmol·L-1、Zn2+為3×10-3～5×10-3mmol·L-1。

營養(yǎng)液用水主要為雨水或地下水。雨水具有低鹽分含量和低成本的優(yōu)勢，但來源不穩(wěn)定。地下水來源相對穩(wěn)定、水質較安全，但面臨水資源緊缺的壓力。不同水源中可溶性礦質元素含量有很大的不同，如酸雨地區(qū)雨水中富含，沿海地區(qū)雨水中富含Na+和Cl-，鹽堿地地下水Na+、Cl-含量高，我國華北地區(qū)地下水Ca2+、Mg2+、等含量很高，給我國華北地區(qū)基質栽培的健康發(fā)展帶來了很大的挑戰(zhàn)（郭宇飛和井淼，2012）。在實際生產(chǎn)中，應對當?shù)剞r(nóng)業(yè)用水的可溶性礦質元素含量進行分析，根據(jù)其具體的鹽分組成和含量對營養(yǎng)液配方進行相應的調整。

2.2 肥料類型

不同化學離子對EC值的貢獻率不同，貢獻率的大小與離子的化合價、電離常數(shù)、離子活度、離子對的生成常數(shù)及液溫相關（McNel et al.，1970）。在配制營養(yǎng)液過程中所用肥料的種類不同，對根區(qū)EC值的貢獻率不同。不同肥料與根區(qū)EC的相互關系如圖1所示，其中K2SO4與EC的相關關系為EC=0.208 c+0.45、（NH4）2SO4為EC=0.204 c+0.44、Ca（NO3）2為EC=0.180 c+0.39、KNO3為EC=0.119 c+0.24、NaCl為EC=0.106 c+0.17、NaNO3為EC=0.100 c+0.18、MgSO4為EC=0.094 c+0.73。K2SO4的貢獻率最大，MgSO4的貢獻率最?。⊿onneveld et al. ，1966）。因此在實際生產(chǎn)中，應根據(jù)作物對養(yǎng)分的需求量和EC值的需求特征來選擇肥料類型和用量。

2.3 營養(yǎng)液供應方式

營養(yǎng)液的供應方式分為開放式和封閉式。開放式是指營養(yǎng)液進入栽培系統(tǒng)后，回液不再被重新利用而直接排到環(huán)境中；封閉式是指營養(yǎng)液進入栽培系統(tǒng)后，回液經(jīng)回收處理后繼續(xù)使用。開放式易造成水肥利用率低和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染；封閉式水肥利用率高，節(jié)水節(jié)肥效果明顯，是環(huán)境友好型的栽培方式（Savvas et al.，2005；Carmassi et al.，2007）。兩種供液方式均會有根區(qū)鹽分積累現(xiàn)象產(chǎn)生，原因一是養(yǎng)分供應與作物養(yǎng)分吸收之間的不匹配，在不同生育階段，作物對養(yǎng)分的選擇性吸收會導致不同生育期部分“無效離子”的積累；二是作物對營養(yǎng)液中水分的吸收量大于對養(yǎng)分離子的吸收量，營養(yǎng)液中的養(yǎng)分離子積累效果明顯（Zekki et al.，1996；Savvas & Manos，1999）。與開放式相比，封閉式基質栽培系統(tǒng)的根區(qū)鹽分積累問題更為嚴重，原因是營養(yǎng)液循環(huán)使用，營養(yǎng)液中積累的養(yǎng)分離子再次進入根區(qū)，更易導致根區(qū)EC值的上升。因此，為了減少根區(qū)鹽分的積累，Sonneveld等（1999）及De等（1999）研究建議，不同營養(yǎng)液供液系統(tǒng)中營養(yǎng)液配方也應相應有所調整（表1）。

關于封閉式無土栽培營養(yǎng)液EC值和離子濃度的變化與作物種植時間的相互關系已有學者進行了系統(tǒng)的研究，結果表明隨著種植時間的不斷推移，營養(yǎng)液的EC值和Ca2+、Mg2+、Na+、、Cl-的濃度逐漸增大，K+、的濃度逐漸降低（Myat et al.，2013），循環(huán)營養(yǎng)液中K+濃度范圍為5～8 mmol·L-1、Ca2+為11～14 mmol·L-1、Mg2+為2.0～2.7 mmol·L-1、Na+為0.5～0.6 mmol·L-1、為14～19 mmol·L-1、為4～5 mmol·L-1、為1～4 mmol·L-1、Cl-為0.3～0.5 mmol·L-1（Tae & Jung，2011）。隨著營養(yǎng)液循環(huán)時間的增加，對根區(qū)鹽分積累的貢獻率也增加。為減少封閉式系統(tǒng)中根區(qū)鹽分的累積，需要定期對營養(yǎng)液進行更換，更換周期要綜合考慮水肥利用率、作物產(chǎn)量與品質的最大化。營養(yǎng)液的更換方式分為兩種：一是將循環(huán)營養(yǎng)液全部排出，使用全新的營養(yǎng)液；二是循環(huán)營養(yǎng)液與新鮮的營養(yǎng)液按比例進行混合。在實際生產(chǎn)中，為了操作的方便常根據(jù)循環(huán)營養(yǎng)液的EC值來判斷是否更換營養(yǎng)液，同時還應建立相應的營養(yǎng)液更換時間預測模型（Carmassi et al.，2005；Savvas et al.，2005）。

表1 不同供液系統(tǒng)中適宜的營養(yǎng)液配方（巖棉）

Myat（2013）對巖棉封閉系統(tǒng)中種植辣椒時營養(yǎng)液的更換頻率進行了研究，結果表明，當營養(yǎng)液配方為14.17 mmol·L-1、1.14 mmol·L-1、5.92 mmol·L-1K+、8.85 mmol·L-1Ca2+、3.17 mmol·L-1Mg2+、3.2 mmol·L-1，微量元素濃度為1.05 mg·L-1Fe2+、0.64 mg·L-1Zn2+、0.09 mg·L-1Cu2+、0.57 mg·L-1Mn2+、0.08 mg·L-1，EC為2.5 dS·m-1，營養(yǎng)液更換頻率為8周1次時，辣椒的產(chǎn)量和水肥利用率最高，當周期更換為4周或12周時，水肥利用率或產(chǎn)量較低。營養(yǎng)液的更換周期受作物品種、作物生長狀況、營養(yǎng)液配方、當?shù)販毓猸h(huán)境等因素的影響，因此建立EC值在線反饋調控和鹽分積累預測模型是實現(xiàn)基質栽培高產(chǎn)高效的技術保障。

2.4養(yǎng)分供應與吸收的關系

同一作物在不同生育期對各種養(yǎng)分的需求量不同，進而導致在不同生育期吸收量較少的離子易成為無效離子，殘留在循環(huán)營養(yǎng)液中加大基質中鹽分的積累，即產(chǎn)生養(yǎng)分供應與吸收的不匹配。甜菜在整個生育期內，對N的吸收速率表現(xiàn)出慢-快-慢的規(guī)律，對P、K的吸收速率則表現(xiàn)出逐漸上升的規(guī)律（趙沛義 等，2008）；黃瓜對N、P、K的吸收規(guī)律均呈S型曲線，結瓜期的養(yǎng)分吸收量最高（王麗英 等，2012）；番茄的吸K量則表現(xiàn)為營養(yǎng)生長階段低，坐果期高，Ca、Mg吸收量表現(xiàn)為營養(yǎng)生長階段高，結果期相對較低（Voogt，1988；Voogt & Sonneveld，1997）。

在基質栽培中養(yǎng)分來源于營養(yǎng)液，理論上講，為減少鹽分的累積可按照作物對養(yǎng)分的吸收規(guī)律來調整營養(yǎng)液配方。因此，Voogt（1993）給出了營養(yǎng)液配方的調整方案（表2）。但在實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)配方的精準化調整難度較大，主要原因為：① 營養(yǎng)液配方含有Ca2+、Mg2+、Fe3+等陽離子和、等陰離子，由于不存在單一元素的肥料，因此根據(jù)養(yǎng)分吸收規(guī)律來調整某一元素含量時會帶入伴隨離子，導致該伴隨離子的濃度發(fā)生改變，成為過剩離子，同樣會造成鹽分積累；② 作物對養(yǎng)分的吸收受作物品種、生育階段、環(huán)境條件、作物生長狀況等諸多因素的影響，很難做到隨時根據(jù)作物的變化調整營養(yǎng)液配方；③ 關于營養(yǎng)液配方與作物的養(yǎng)分吸收及根區(qū)鹽分累積之間的相互關系研究還比較欠缺。在未來的研究工作中，需要探明作物的養(yǎng)分吸收與根區(qū)鹽分累積之間的相互關系，從而反饋調節(jié)營養(yǎng)液配方。

表2 循環(huán)系統(tǒng)中番茄不同生育期營養(yǎng)液配方參照標準配方的調整方案mmol·L-1

3 養(yǎng)分離子

導致根區(qū)EC值提高的主要養(yǎng)分離子為Ca2+、K+、Mg2+、Na+、、、Cl-（余海英，2006；曾希柏 等，2010）。養(yǎng)分離子主要從兩方面影響根區(qū)的鹽分累積，一是養(yǎng)分離子自身的理化性質；二是養(yǎng)分離子之間的相互作用。養(yǎng)分離子理化性質不同，被作物的吸收速率、在根區(qū)的停留時間和移動性也不同（Bugbee，2004；Gransee & Fǖhrs，2013）。如表3所示，作物易吸收N、P、K等元素，且在根區(qū)易被去除，因此它們對根區(qū)鹽分累積的貢獻率較低；Ca、Mg、S屬于中量元素，含量較高，而作物對其吸收速率較低，難以去除，因此它們對根區(qū)鹽分累積的貢獻率較高（Bugbee，2004）。

表3 營養(yǎng)液中養(yǎng)分元素的吸收特性和去除率分類

養(yǎng)分離子的累積從兩方面影響著作物對無機養(yǎng)分的吸收，一是根區(qū)溶液的養(yǎng)分離子總濃度（EC值），不論其組成成分是什么，EC值過高均會抑制作物對水分和養(yǎng)分的吸收和轉運；二是養(yǎng)分離子之間的比例，某些離子之間比例失衡會產(chǎn)生拮抗作用，其中一種離子的富集會導致其他離子的吸收障礙，最終造成作物的生理缺素。如在陽離子中，Ca2+與Mg2+屬于被動吸收，它們的吸收與、K+、Na+之間存在相互競爭的關系，當、K+、Na+含量過高時，會抑制Ca2+、Mg2+的吸收（Mills et al.，1996；Li et al.，2013）。Ca2+的缺乏易使番茄和辣椒患臍腐病，JeongSim等（2012）研究了Ca2+/對辣椒臍腐病發(fā)病率的影響，結果表明隨著比例的逐漸降低，辣椒的發(fā)病率逐漸上升，辣椒臍腐病的患病率與K+和濃度的相關系數(shù)分別達到了0.82和0.65，與濃度總和的相關系數(shù)達到了0.92。除了Ca2+與其他陽離子產(chǎn)生直接的拮抗作用以外，Na+對其他陽離子吸收也有明顯的抑制作用。在陰離子中，Cl-與之間拮抗作用較為明顯，主要表現(xiàn)為Cl-會抑制的吸收（Fried & Broashaed，1967）。

關于鹽脅迫對養(yǎng)分吸收的影響已經(jīng)有了大量的研究成果，也逐步開始重視關于作物養(yǎng)分吸收受到抑制導致整個栽培系統(tǒng)離子間濃度失衡，進而加重鹽分積累的研究。離子的失衡主要包括營養(yǎng)液和根區(qū)環(huán)境中的離子失衡。目前，對隨著生育期的推移，營養(yǎng)液離子平衡的研究已取得實質性的進展，未來的研究工作將逐漸向根區(qū)環(huán)境推進。

4 基質種類

基質主要包括無機基質、有機基質和混合基質?；|顆粒一般帶負電荷，其對陽離子的吸附性強（李天林 等，1999；郭世榮，2011），不同種類基質的陽離子交換量（CEC）、化學組分等不同（表4）。陽離子交換量表征著基質對養(yǎng)分離子的吸附能力，陽離子交換量越大，對養(yǎng)分離子的吸附能力越強，陽離子在根區(qū)過分累積會導致鹽度的升高?；|中含有的營養(yǎng)元素可以供作物吸收利用和影響營養(yǎng)液的化學平衡，也會影響根區(qū)的鹽分濃度。有機基質在作物的生長過程中，其有機成分會發(fā)生分解釋放出養(yǎng)分，進而改變基質的化學成分（Bilderback et al.，2005）。有機基質的養(yǎng)分釋放強度遠遠大于無機基質，明確基質養(yǎng)分釋放規(guī)律和釋放強度，對營養(yǎng)液的科學化管理也有一定的參考價值。

表4 常用基質的理化性狀

5 展望

根際鹽分積累已成為制約基質栽培產(chǎn)量與品質大幅提高的重要因素，引起越來越多的科研人員和生產(chǎn)者的關注。但經(jīng)過大量的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，關于基質鹽分積累的成因仍然有很多研究的薄弱環(huán)節(jié)，如栽培環(huán)境對基質鹽分積累的影響，不同基質的養(yǎng)分釋放/吸附規(guī)律及對鹽分積累的影響，離子間拮抗作用對根區(qū)鹽分積累的影響等。加大對上述方面的研究，對進一步了解基質鹽分積累成因，采取有效措施控制基質鹽分積累具有重要意義。

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Research Progress on Causes of Salt Accumulation in Substrate Culture

XIONG Jing1，2，CHEN Qing2，LIU Wei1*

（1Beijing Vegetable Research Center，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China；2College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China）

As a high yielding and high efficient cultivation method，substrate culture also has some shortcomings such as physiological disorder，yield decline and quality losses，causes by salt accumulation in rhizosphere．This paper made a comprehensive analysis on the factors causing salt accumulation in rhizosphere in substrate culture，including environment，nutrient solution，properties of nutrient ions and substrate types，etc. This paper also prospected the future research orientation.

Substrate culture；Salt accumulation；Cultivation environment；Nutrient solution；Nutrient ions

熊靜，女，博士研究生，專業(yè)方向：環(huán)境科學與工程，E-mail：xjhappy. happy@163.com

*通訊作者（Corresponding author）：劉偉，女，研究員，碩士生導師，專業(yè)方向：設施園藝與無土栽培，E-mail：liuwei@nercv.org

2014-04-26；接受日期：2014-05-20

北京市果類蔬菜創(chuàng)新團隊項目（GCTDZJ2014033014），“十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃項目（2013AA103004），國家星火計劃項目（2012GA600002）