設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)對土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量的影響研究

余雪鋒 郭肖穎 曹傳莉 董召榮 朱江

摘要[目的]研究設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。[方法]通過對設(shè)施蔬菜大棚的土壤和露天蔬菜種植地的土壤分別進(jìn)行采樣分析，測定其中的養(yǎng)分和重金屬元素的含量，根據(jù)所測結(jié)果利用指數(shù)和法和污染指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。[結(jié)果]設(shè)施大棚土壤中的養(yǎng)分元素含量，均高于露天農(nóng)田，指數(shù)和法評價(jià)其肥力達(dá)到了一級或者二級水平；設(shè)施大棚土壤中的重金屬元素 Cu、Cr、Cd、Pb、Zn的含量均比露天種植地高，污染指數(shù)法評價(jià)表明，土壤均處于清潔水平。[結(jié)論]設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)提高了土壤的肥力，但是重金屬在土壤中的積累作用明顯。

關(guān)鍵詞溫室大棚；土壤理化性質(zhì)；重金屬；評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號S151.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）35-0090-04

Abstract [Objective] To study the effect of agricultural greenhouse on soil fertility and soil environmental quality. [Method] The contents of nutrients and heavy metal elements were determined by sampling and analysis of the soils of vegetable greenhouses and open soils in open field. The indexes were evaluated by exponential method and pollution index method according to the measured results. [Result]Nutrient content of agricultural greenhouse was higher than that of open field.Soil fertility reach to first level or second level by exponential method evaluating.Contents of Cu， Cr， Cd， Pb and Zn in the greenhouse were higher than those of in the open field， and the fertility of the greenhouse was higher than that of the open field. The content was higher than that of open field， and soil was at the clean level by pollution index method evaluating. [Conclusion] Greenhouse agriculture increased the soil fertility， but the accumulation of heavy metals in the soil was obvious.

Key wordsGreenhouse；Soil physical and chemical properties；Heavy metal；Evaluation standard

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種不同于露天農(nóng)業(yè)栽培，由人為控制作物生長環(huán)境的作物種植方式。因?yàn)榇笈锓N植具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]，所以引起廣大農(nóng)業(yè)工作者的重視。與此相關(guān)的是設(shè)施農(nóng)業(yè)的土壤性質(zhì)和重金屬污染也成為焦點(diǎn)問題。

溫室大棚土壤性質(zhì)因耕作方式和環(huán)境的改變，其理化性質(zhì)有別于露天種植，多數(shù)研究者的研究結(jié)果表明，大棚菜地土壤與露天農(nóng)田土壤相比，其各類養(yǎng)分指標(biāo)均有所增加，并且隨著種植年限的增加，這種現(xiàn)象更加明顯[2]。而大棚的重金屬含量也會增加，引起土壤的污染[3-4]。因此，有學(xué)者建議為有效降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，需要適當(dāng)?shù)亟档褪┓柿浚⑶曳N植抗金屬污染能力較強(qiáng)的蔬菜[5]。而這個工作的實(shí)施需建立在摸清設(shè)施大硼中土壤的理化性質(zhì)和重金屬含量的基礎(chǔ)上，為此，對淮南市謝家集某設(shè)施蔬菜大棚土壤的理化性質(zhì)和重金屬元素進(jìn)行調(diào)查，通過設(shè)施大棚與相鄰露地菜田土壤的采樣分析，研究2種栽培方式下土壤的理化性質(zhì)和重金屬含量的特點(diǎn)，并通過指數(shù)和法和污染指數(shù)法對2種栽培措施下土壤的肥力和環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，為當(dāng)?shù)卦O(shè)施大棚土壤的合理利用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集與處理

謝家集區(qū)處在淮南市的西部，位于淮河與東淝河之間，此地氣候溫和，土壤肥沃，地勢平坦，土層深厚。農(nóng)民以種植蔬菜為主，所以大硼設(shè)施比較普遍，研究區(qū)在此地區(qū)設(shè)定了不同種植蔬菜的4個大棚為采樣點(diǎn)，分別為西瓜、黃瓜、辣椒、草莓，記為樣點(diǎn)S1、S2、S3、S4，同時選用相近相同面積的露天種植的蔬菜地為對照（CK）。于2015年8月20日在選定的樣點(diǎn)進(jìn)行樣品的采集：在每個樣點(diǎn)按測定要求采集0～20 cm的耕層土樣3個，帶回實(shí)驗(yàn)室處理后，裝袋編號，用于各指標(biāo)項(xiàng)目的測定。

1.2分析方法

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；

土壤堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法；

土壤有效磷測定采用0.5 mol/ L NaHCO3 浸提-鉬銻抗比色法；

土壤速效鉀測定采用1 mol/ L NH4AC浸提-火焰光度法；

土壤全磷全鉀測定采用堿熔融-鉬銻抗比色法，土壤全鉀測定采用堿熔融-火焰光度法。

土壤重金屬元素：HCl-HNO3-HClO4消解，ICP-AES測定Cu、Cr、Pb、Zn，ICP-MS測定Cd。所取土樣經(jīng)強(qiáng)氧化處理后用ICP-AES法測定[6-7]。

1.3研究方法

1.3.1土壤肥力評價(jià)方法——指數(shù)和法[8-9]。

指數(shù)和法是應(yīng)用土壤綜合肥力指數(shù)（IFI）值的大小來表示土壤的綜合肥力等級。該研究主要考慮影響評價(jià)農(nóng)田土壤肥力的主要因素，即有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀。評價(jià)結(jié)果分為6個等級，并用分值表示（表1）。

首先確定權(quán)重，土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)和單項(xiàng)土壤養(yǎng)分在土壤中所占比例不同，采用各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)來表示各指標(biāo)的權(quán)重[10]。

然后確定土壤肥力綜合指數(shù)值（IFI），將參與綜合評價(jià)的參評因子的權(quán)重值，與其相對應(yīng)的參評因子的分值指標(biāo)相乘，然后相加和，所求得的總和即為土壤肥力綜合指數(shù)值（IFI），計(jì)算公式為：IFI=∑（Wi×Ii）（1）

式中，Wi為各單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，Ii為單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的分值。

土壤養(yǎng)分綜合等級根據(jù)土壤肥力綜合指數(shù)進(jìn)行劃分，將合肥市周邊的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)劃分為5個等級（表2），依據(jù)土壤肥力綜合指數(shù)對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)。

1.3.2土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法[9]。

（1）單因子指數(shù)評價(jià)法。

由實(shí)測值與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的比值，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分類，可以大致反映研究區(qū)土壤污染狀況。選用當(dāng)?shù)刈匀槐尘爸岛徒Y(jié)合評價(jià)點(diǎn)的土壤 pH的國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

單因子指數(shù)法計(jì)算公式為：

Pi= Ci/Si（2）

式中，Pi為土壤中污染物 i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，

Ci為污染物i的實(shí)測值（mg/kg）；

Si為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg）；Pi≤1 表示未污染；

Pi>1表示污染，Pi值越大，污染越嚴(yán)重。土壤環(huán)境質(zhì)量背景值見表3。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。

為了更全面了解和評價(jià)區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)一步開展綜合污染指數(shù)的評價(jià)。其中，綜合污染指數(shù)的計(jì)算方法為：

P綜=（）2+P2max2（3）

式中，P綜為土壤中的污染指數(shù)；

Pmax為土壤各因子污染指數(shù)中的最大值；

為土壤各因子污染指數(shù)的平均值。

綜合污染指數(shù)法綜合反映各種污染物對土壤的影響，更全面，更具有代表性。土壤污染物的分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel和SPSS Statistics 19.0軟件處理數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)與重金屬含量測定結(jié)果

對淮南市謝家集區(qū)的4個設(shè)施大棚土壤和露天種植土壤5個樣點(diǎn)進(jìn)行采樣測定后，得到各采樣點(diǎn)的土壤理化性質(zhì)和重金屬測定值如表5和表6。

由表5可以看出，4個設(shè)施大棚土壤的pH均比對照低，造成這種情況的原因可能是過多地施用氮肥，造成土壤中硝態(tài)氮含量增加，使土壤酸化[11]?；茨现x家集地區(qū)土壤偏酸性。pH的下降應(yīng)與土壤環(huán)境局部變化、施肥品種及施肥量有關(guān)。

由表5可知，4個設(shè)施大棚的土壤有機(jī)質(zhì)含量均比露天高，因?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)有機(jī)肥的投入會比露天自然農(nóng)田高，而且生產(chǎn)蔬菜的過程中遺留下來的大量根茬和植物遺體，使土壤中有機(jī)質(zhì)增加。

大棚內(nèi)土壤全氮和堿解氮的含量也比露天高，其中樣點(diǎn)S3的全氮含量比露天高89%，堿解氮含量比對照高76%，這可能是由于過多地施用氮肥和大棚長期種植蔬菜導(dǎo)致菜地土壤氮素（主要以硝態(tài)氮形式）嚴(yán)重累積[11]。

在4個設(shè)施大棚中，土壤全磷含量為0.475～0.607 g/kg，均高于露天。由于蔬菜的生產(chǎn)方式及高輸出，所以大棚蔬菜用地土壤磷含量明顯高于露天的糧田土壤[12-13]。有效磷含量為37.0～53.0 mg/kg，高出露天2倍多。這可能與磷肥的投入量和管理水平有關(guān)。

4個設(shè)施大棚的土壤全鉀、速效鉀元素含量均比對照高。因?yàn)殁浽厥侵参锉匦璐罅繝I養(yǎng)元素，可以改善植物品質(zhì)、提升植物抗性以及增加植物中維生素和糖分含量，所以鉀肥的大量施用致使大棚蔬菜土壤的施鉀量增加[14-15]。但是因此也產(chǎn)生了鉀肥的濫用濫施，造成土壤中鉀含量的增加。

由表6可以看出，重金屬含量除S2和S3采樣點(diǎn)的Cr以外，與露天對照相比均有所增加，說明設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)土壤中的5種重金屬含量均呈現(xiàn)不同程度的累積現(xiàn)象。通過對調(diào)查時的施肥情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)施大棚種植模式下的化肥、有機(jī)肥施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于露天大田，因此長期大量施用肥料是大棚土壤重金屬元素含量偏高的原因之一。其中，Cd增加的幅度最大，相關(guān)研究也表明Cd是容易積累不容易移動的金屬[16]。Cr在該設(shè)施大棚中沒有像其他重金屬一樣增加，反而在采樣點(diǎn)S2和S3含量有所下降，這也許和取樣點(diǎn)或者是大棚年齡與累積情況有關(guān)。

2.2利用指數(shù)和法評價(jià)設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)對土壤肥力的影響

根據(jù)5個樣點(diǎn)所測土壤養(yǎng)分含量，采用各指標(biāo)間的單相關(guān)系數(shù)（表7）來表示各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均數(shù)和權(quán)重系數(shù)（表8）。利用指數(shù)和法得出5個樣點(diǎn)土壤肥力綜合指數(shù)值（IFI）和土壤肥力水平等級（表9）。

土壤肥力指數(shù)和法評價(jià)結(jié)果顯示，4個設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)的土壤肥力為一級或者二級，對照的土壤肥力綜合水平為二級，說明研究區(qū)域內(nèi)4個設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)的土壤肥力水平的差異并不明顯，但是略高于對照，是因?yàn)?個樣點(diǎn)為設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)，分別種植了西瓜、黃瓜、辣椒和草莓，進(jìn)行了統(tǒng)一的施肥等其他治理，所以土壤肥力水平較高，只有S2的土壤肥力水平偏低，經(jīng)調(diào)查是因?yàn)镾2的種植時間較其他樣點(diǎn)時間稍短。

2.3利用單因子和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)的環(huán)境質(zhì)量

以我國的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15168—1995）二級標(biāo)準(zhǔn)限值為標(biāo)準(zhǔn)，得到淮南市謝家集區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)如表10。從表10可以看出，4個設(shè)施大棚和露天土壤中的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn單因子指數(shù)均小于1，都未超標(biāo)，由于國家制定的二級標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的土壤限制值，表明該采樣點(diǎn)代表的淮南市謝家集周邊設(shè)施土壤中含量符合土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，還屬于保障農(nóng)業(yè)發(fā)展和人體健康的限定范圍內(nèi)。但是4個設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)的單因子指數(shù)均比露天高，說明設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)重金屬在土壤中的累積作用明顯。

從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果來看，4個設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)和露天的綜合污染指數(shù)為0.359～0.510，均小于污染程度安全限定值0.700，表明淮南謝家集區(qū)設(shè)施大棚土壤均處于清潔水平，尚未受到重金屬污染，但是S1和S4的綜合污染指數(shù)比露天高，有可能跟種植蔬菜品種或者是區(qū)域有關(guān)，但也說明設(shè)施大棚這種種植方式會加劇重金屬的積累。

3結(jié)論

（1）淮南謝家集區(qū)4個設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)土壤同一種養(yǎng)分元素測定的含量差異較小，而和露天農(nóng)田土壤相比，其各養(yǎng)分指標(biāo)均有所增加；利用土壤肥力指數(shù)和法可以看出設(shè)施大棚的土壤肥力水平因?yàn)殚L期種植、施肥和有效管理導(dǎo)致土壤肥力水平較露天高，說明設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)提高了土壤肥力水平。

（2）單因子污染指數(shù)法評價(jià)表明，淮南謝家集設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)土壤的5種重金屬元素的含量比露天種植的蔬菜地的高，但均未造成污染；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)表明，5種土壤中重金屬含量在清潔的范圍內(nèi)，說明設(shè)施大棚農(nóng)業(yè)會對土壤的環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。

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