不同種植年限設(shè)施菜地土壤養(yǎng)分、重金屬含量變化及主導污染因子解析

井永蘋　李彥　薄錄吉　張英鵬　孫明　仲子文　張柏松

摘要：為探討不同種植年限對設(shè)施大棚土壤養(yǎng)分、重金屬累積量的影響及主要污染因子，研究了不同種植年限的大棚土壤速效氮磷鉀含量、有機質(zhì)含量、pH值及重金屬累積量的變化，并對種植年限與土壤理化性狀和重金屬累積量之間的相關(guān)性進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，隨種植年限延長，土壤速效氮磷鉀、有機質(zhì)含量均大量累積，速效氮磷、鉀含量分別是未建大棚時的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍；pH值明顯下降，每年約下降0.038個單位；而重金屬Cd、Cu、Zn元素則顯著升高，其中Cd超標現(xiàn)象嚴重，Cu、Zn含量均超土壤背景值；土壤速效氮磷、有機質(zhì)含量與Cd、Cu、Zn含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，由此推測土壤中重金屬Cd、Cu、Zn與速效氮磷、有機質(zhì)有相似的來源，這說明不同種植年限的設(shè)施菜地土壤中均出現(xiàn)養(yǎng)分失衡、土壤酸化、重金屬累積等環(huán)境問題，其中主導污染因子為速效氮磷鉀及重金屬Cd元素，Cu、Zn元素為潛在污染因子。為保證設(shè)施大棚土壤的生態(tài)環(huán)境安全應(yīng)提倡合理科學施肥方式。

關(guān)鍵詞：設(shè)施大棚；種植年限；理化性狀；重金屬；主導污染因子

中圖分類號：S151.9+X712 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0066-06

隨著設(shè)施蔬菜集約化生產(chǎn)的發(fā)展，全國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)面積不斷擴大，從1983年的1.5萬公頃增長到2014年的360.1萬公頃，增長了近240倍。設(shè)施蔬菜種植已成為蔬菜產(chǎn)業(yè)的支柱。然而，頻繁的耕種和過量肥料及農(nóng)藥的投入導致設(shè)施菜地土壤質(zhì)量嚴重退化，氮磷流失加劇以及土壤重金屬、農(nóng)藥殘留等環(huán)境問題，因此，了解設(shè)施菜地土壤養(yǎng)分、重金屬累積量的變化及對設(shè)施菜地主導污染因子進行解析，對提高設(shè)施菜地土壤質(zhì)量、保持設(shè)施菜地生產(chǎn)力具有重要指導意義。

設(shè)施菜地的利用強度大，具有高投入高產(chǎn)出的特征，隨著種植年限的延長，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)和土壤生化環(huán)境都發(fā)生顯著變化。研究表明，高強度的設(shè)施蔬菜種植，使土壤產(chǎn)生酸化趨勢，同時，土壤中氮、磷、重金屬元素等大量累積，致使土壤環(huán)境和質(zhì)量持續(xù)下降，增加了土壤養(yǎng)分元素及重金屬對周圍水體及種植作物的污染風險，最終導致設(shè)施菜地生產(chǎn)力下降，生產(chǎn)的蔬菜品質(zhì)降低。Ju等對比研究了我國北方大棚蔬菜與小麥玉米輪作條件下土壤環(huán)境質(zhì)量的差異，發(fā)現(xiàn)大棚菜地養(yǎng)分嚴重過剩，造成土壤pH值降低、電導率升高、Cd累積等問題。曾希柏等研究發(fā)現(xiàn)，中國菜地土壤重金屬含量超標問題較嚴重，菜地土壤重金屬超標率排序為：Cd>Hg>As>Zn>Cu>Cr>Pb。目前大量研究主要針對土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)以及重金屬累積量等方面，而有關(guān)設(shè)施菜地土壤隨著種植年限的增長所出現(xiàn)的主導污染因子的研究尚顯薄弱。特別是土壤條件不一致所得出的結(jié)論也相差甚遠。本研究通過采集山東省典型蔬菜種植基地的土壤樣品，分析測試土壤樣品中速效氮磷鉀、有機質(zhì)、重金屬含量、pH值等指標，比較不同種植年限設(shè)施菜地養(yǎng)分和重金屬含量的差異，找出土壤中的主導污染因子，為設(shè)施菜地可持續(xù)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)施菜地基本情況及取樣方法

基于科學性、代表性和準確性的調(diào)查原則，選取山東省壽光市設(shè)施蔬菜種植具有典型代表性的孫家集、田柳、上口、留呂、寒橋、紀臺、華龍、稻田等8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于2014年11月對這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)17個村共計52個農(nóng)戶的設(shè)施蔬菜大棚進行調(diào)查。為了使調(diào)查信息全面、準確和易于操作，采用問卷調(diào)查的方法，調(diào)查內(nèi)容包括2014年蔬菜種植模式、肥料種類、肥料養(yǎng)分含量、施肥量、施肥時期、大棚面積、蔬菜產(chǎn)量、灌溉水源等多項指標。

壽光市設(shè)施大棚以種植茄果類蔬菜為主，如番茄、黃瓜、茄子、甜椒、絲瓜、苦瓜等。所調(diào)查的大棚蔬菜種植模式主要有4種：春茬和秋茬均種植番茄（n=6）；春茬和秋茬均種植黃瓜（n=11）；春茬和秋茬為茄果類蔬菜輪作（n=16）；一年只種植一茬茄子（n=14）。另外，有5個大棚種植長季節(jié)甜椒。以茄果類蔬菜輪作的種植模式最為常見。調(diào)查的52個設(shè)施大棚棚齡見表1，以種植1～5年的大棚數(shù)量最多，其次為11～15年，種植16～20年的大棚數(shù)量較少，有4個大棚的棚齡超過了20年。

在調(diào)查的52個大棚中，每個大棚分別采用“S”形取樣法用不銹鋼土鉆取5點0～20cm表層土樣制成混合土壤樣品，裝入塑料袋中標記密封，帶回實驗室。并用GPS定位采樣地點和海拔高度。土樣采回后部分及時冷凍保存，用于測定土壤NO^-₃-N；其余土壤風干，磨細過篩，用于測定土壤全氮、磷、鉀、有機質(zhì)和重金屬含量。

1.2 測定方法及數(shù)據(jù)分析

全氮和速效磷、鉀測定參照文獻；重金屬按照常規(guī)分析方法測定；土壤中總汞含量：硝酸一硫酸消化一冷原子吸收光譜法測定；土壤總鉻：原子吸收光譜法。

運用Microsoft Excel和SPSS統(tǒng)計軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限大棚土壤中速效氮磷鉀、有機質(zhì)含量的變化

土壤速效氮磷鉀和有機質(zhì)均是衡量土壤肥力的主要指標。在本研究中，隨著大棚種植年限的延長，土壤速效氮含量整體呈升高趨勢，在6～10年間增幅最快，而在11～20年間增幅相對緩慢，21～25年增長速度加快；土壤有效磷含量則一直呈現(xiàn)上升趨勢，在1～10年間上升幅度最大，11～20年之間趨于平緩，20年之后又呈快速上升趨勢；土壤速效鉀含量呈先升高后降低的趨勢，在6～10年間速效鉀的累積量最大，而后隨著種植時間的延長逐漸下降。隨著種植年限的延長，土壤氮磷比呈逐漸降低趨勢，降幅越來越大；氮鉀比和磷鉀比均呈持續(xù)增加的趨勢，且增幅相對穩(wěn)定（表2）。土壤硝態(tài)氮含量隨著棚齡呈先升高后降低的趨勢，在11～15年累積量最高，達到184.9mg/kg，而后降低。

土壤有機質(zhì)含量是衡量土壤肥力高低的重要指標之一。由圖1可見，種植年限在10年以下的大棚土壤有機質(zhì)含量隨年限延長迅速升高，而后10～20年之間隨著棚齡增加，有機質(zhì)含量增幅減緩，保持相對穩(wěn)定，而20年以上的大棚土壤有機質(zhì)又有明顯的積累。這與壽光地區(qū)大棚種植過程中每年都要投入大量有機肥有關(guān)，起初大棚的有機質(zhì)消耗少于其積累，而后隨著種植過程中每年大棚多茬蔬菜的生長利用，造成有機質(zhì)積累與消耗相對均衡，而后又出現(xiàn)消耗少于累積所致。

2.2 不同種植年限大棚土壤pH值的變化

土壤酸堿度對土壤肥力及植物生長影響很大。由圖2可知，大棚土壤pH值隨著種植年限的增加呈緩慢降低趨勢，每年pH值下降幅度約為0.038個單位，而在大棚種植的5～10年里下降幅度較大。這個結(jié)果與高新昊等的研究結(jié)果相似。

2.3 不同種植年限大棚土壤中重金屬含量的變化

對0～20cm表層土壤中的8種重金屬元素（Cr、Cu、Ni、Pb、zn、Cd、As、Hg）進行檢測，發(fā)現(xiàn)在pH值>7.5的范圍內(nèi)，只有Cd存在超標點位，其他重金屬均沒超過國家土壤環(huán)境標準（GB15618-1995），見表3。

由表4可以看出，Cr、Cu、Cd含量均隨著種植年限的延長呈現(xiàn)遞增趨勢，Cr含量在1～20年的種植年限中含量始終低于土壤背景值，直到21～25年時Cr含量超過土壤背景值；Cu的含量在種植5年以上的土壤中其累積量開始高于背景值，并且隨著種植年限的延長呈不斷增加的趨勢；Cd含量在種植5年內(nèi)其累積量就已經(jīng)超過土壤背景值，種植年限大于5年的土壤Cd含量即已超出國家二級標準。在種植1～5年期間Zn含量就已經(jīng)超過背景值，在6～10年問，土壤Zn含量隨著種植年限的延長其增加幅度較大，之后隨著種植年限的延長其含量趨于穩(wěn)定，無顯著變化。種植年限在1～25年間Ni的含量一直低于背景值，在1～15年種植年限內(nèi)其含量變化不顯著，從16～20年間，隨著種植年限的延長Ni含量有明顯的增加趨勢，直到種植25年其含量保持穩(wěn)定。Pb、As的含量隨著種植年限的延長其含量無明顯累積現(xiàn)象，并且低于土壤背景值。因此，8種重金屬元素中Cd已經(jīng)成為設(shè)施菜地重金屬的主導污染因子。而Cu和Zn元素隨著種植年限的延長含量不斷增加，且已超過土壤背景值，因此Cu、Zn成為污染風險較大的潛在污染因子。

2.4 Cd、Cu、Zn含量與土壤有機質(zhì)、速效氮磷鉀含量的相關(guān)性分析

土壤中Cd存在超標點位，視為設(shè)施菜地重金屬的主導污染因子。由圖3可見，土壤中有機質(zhì)含量、速效氮磷鉀含量均與Cd含量呈正相關(guān)。其中以有機質(zhì)含量與Cd含量的相關(guān)程度最高（P<0.05），R²=0.9122，y=0.033x-0.3037，其次是速效氮、磷含量；最差的是速效鉀含量與Cd含量的相關(guān)性RV僅為0.0408。

Cu、Zn元素超過土壤背景值，且隨著種植年限的延長含量不斷增加，因此本研究中將Cu、Zn元素列為設(shè)施菜地土壤潛在污染因子。如表5所示，Cu、Zn元素與有機質(zhì)、速效氮、速效磷含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。尤其是Cu與有機質(zhì)、速效磷和Xn與速效氮含量相關(guān)程度最高。

由此可推測，設(shè)施菜地土壤中重金屬Cd、Cu、Zn與有機質(zhì)、速效氮、速效磷可能具有相似的來源。

3 結(jié)論與討論

土壤中氮、磷、鉀元素是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，但是過量施肥會造成養(yǎng)分累積，危害環(huán)境。唐海濱等報道土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量隨種植年限的延長總體上呈增加趨勢。熊漢琴等報道大棚菜地土壤3年以后已明顯出現(xiàn)N、P嚴重富集。本研究中也發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地土壤速效氮、磷、鉀的含量隨著種植年限的延長而不斷升高，土壤中的速效氮、磷、鉀已經(jīng)出現(xiàn)嚴重累積現(xiàn)象。據(jù)曾路生報道，壽光土壤未建大棚前，土壤中速效氮、磷、鉀的平均含量分別是54.0、4.3、107.7mg/kg。本研究中速效氮、磷、鉀含量分別是未建大棚時的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍。土壤中高累積量的速效氮很容易隨水流進入水體環(huán)境引起水體富營養(yǎng)化，或經(jīng)反硝化進入大氣環(huán)境，影響全球氣候變化，此外，速效氮中的硝態(tài)氮累積也是構(gòu)成土壤鹽漬化的成因之一。與其他元素相比，磷素很容易受到化學固定作用，大部分以閉蓄態(tài)形式累積在土壤中，然而當土壤磷素積累到一定程度，淋失強度就會迅速增加，如本研究結(jié)果所示，速效磷的最高累積量已達302.2mg/kg，存在極大的淋失風險。同時，土壤中大量鉀元素的累積不僅造成鉀肥浪費，還會導致土壤產(chǎn)生次生鹽漬化。次生鹽漬化也是設(shè)施栽培中普遍存在的障礙因子。周德平等研究發(fā)現(xiàn)，當pH值從1年棚的7.6下降至11年棚的5.0時，土壤出現(xiàn)次生鹽漬化狀況，其土壤表層可見明顯鹽霜。

從本研究結(jié)果來看，設(shè)施菜地速效氮、磷、鉀已對其種植環(huán)境構(gòu)成極大威脅，需要引起足夠的重視，應(yīng)積極采取措施從源頭上控制氮、磷、鉀的投入，科學合理施肥。

菜地土壤重金屬含量狀況已成為制約蔬菜品質(zhì)安全的重要因素之一。曾希柏等報道，20世紀90年代以來中國菜地土壤重金屬含量與全國土壤背景值相比出現(xiàn)了明顯的富集累積，且以Cd和Hg累積較為明顯。本研究中，對設(shè)施菜地土壤樣品進行Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As、Hg8種重金屬元素檢測，發(fā)現(xiàn)只有Cd存在超標現(xiàn)象，Cu、Zn元素含量未超標但高于土壤背景值。Cd、Cu、Zn含量均隨著種植年限的延長呈不斷增加的趨勢，并且與土壤有機質(zhì)、速效氮磷含量有較高的相關(guān)性。根據(jù)本研究的結(jié)果推測，Cd、Cu、Zn與有機質(zhì)、速效氮和速效磷的來源可能相似。隨著土壤中速效氮、磷的累積，重金屬Cd、Cu、Zn含量也不斷累積。此外，本研究結(jié)果顯示土壤pH值與種植年限呈負相關(guān)關(guān)系，隨著種植年限的延長，土壤pH值不斷降低。Ramos-Miras等報道，土壤pH值不斷降低會導致重金屬生物有效性增加。因此，隨著種植年限的延長，土壤酸化程度加深，重金屬的環(huán)境污染風險不斷增大。

綜合分析，本研究中設(shè)施菜地土壤中的主要污染因子分別為速效氮、速效磷、速效鉀、重金屬Cd，潛在的污染因子為重金屬元素Cu、Zn。設(shè)施大棚種植區(qū)有機和無機肥料的大量投入所帶來的一系列的環(huán)境問題已經(jīng)成為設(shè)施蔬菜發(fā)展的制約因素。因此，應(yīng)提倡合理施肥，協(xié)調(diào)好菜田土壤養(yǎng)分與作物吸收之間的平衡，改善土壤質(zhì)量，以保證設(shè)施大棚土壤的生態(tài)環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展。