陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化現(xiàn)狀分析①

張艷霞，陳智坤，胡文友，孫曉宇，黃 標(biāo)*，田 康

陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化現(xiàn)狀分析①

張艷霞1,2，陳智坤1，胡文友2，孫曉宇3，黃 標(biāo)2*，田 康2

(1 陜西省科學(xué)院土壤資源與生物技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)，西安 710061；2 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008；3 陜西省微生物研究所，西安 710043)

本文以陜西省為例，分別對(duì)陜北、關(guān)中、陜南148個(gè)重點(diǎn)設(shè)施蔬菜基地進(jìn)行了大棚種植歷史、輪作現(xiàn)狀、水肥管理、病蟲(chóng)害現(xiàn)狀等系統(tǒng)調(diào)查，并通過(guò)土壤樣品采集，分析了土壤基本性質(zhì)、養(yǎng)分含量和重金屬含量。結(jié)果顯示，陜西省3個(gè)地區(qū)的設(shè)施土壤pH均顯著低于周邊大田土壤，且隨著設(shè)施種植年限增加土壤pH呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)；土壤次生鹽漬化特征明顯(EC > 500 μS/cm)；土壤養(yǎng)分積累現(xiàn)象普遍，特別是速效養(yǎng)分積累顯著；陜北、關(guān)中地區(qū)設(shè)施土壤部分重金屬累積超過(guò)大田土壤，表明該地區(qū)設(shè)施土壤退化現(xiàn)象明顯。結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤退化的根本原因是利用強(qiáng)度過(guò)高、農(nóng)用品投入過(guò)大，這將對(duì)設(shè)施生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境造成影響，因此，在該地區(qū)，開(kāi)展設(shè)施土壤輪作休耕或修復(fù)工作非常必要。

土壤退化；養(yǎng)分失衡；設(shè)施農(nóng)業(yè)；土壤修復(fù)

設(shè)施農(nóng)業(yè)高強(qiáng)度的利用方式對(duì)土壤生產(chǎn)功能、污染物行為等影響突出，導(dǎo)致土壤退化，如酸化[1]、次生鹽漬化[2-3]、養(yǎng)分失衡[4]、污染物積累和有效性提高[4-6]等，產(chǎn)生連作障礙；同時(shí)，一些大田生產(chǎn)條件下易分解的農(nóng)藥[7-8]、酞酸酯[9-10]和抗生素[11-12]等也會(huì)在土壤中積累，積累量可達(dá)大田土壤的數(shù)倍，嚴(yán)重影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[13]。陜西省作為我國(guó)西北地區(qū)主要的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地之一，近年來(lái)，在省委、省政府對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的政策扶持下，設(shè)施蔬菜總面積已從2008年的不足1.3萬(wàn)hm2增至2014年的6.7萬(wàn)hm2[14]，設(shè)施蔬菜總產(chǎn)量占全省蔬菜總產(chǎn)量的35.6%[15]。全省設(shè)施蔬菜每公頃凈收入達(dá)到15.8萬(wàn)元[16]，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為陜西省農(nóng)民增收的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。然而，隨之帶來(lái)的設(shè)施土壤質(zhì)量惡化問(wèn)題也不斷出現(xiàn)，這已成為制約陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要矛盾。因此，本研究通過(guò)調(diào)查全省重點(diǎn)設(shè)施農(nóng)業(yè)基地與土壤樣品分析，剖析陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化現(xiàn)狀特征，為下一步開(kāi)展設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤輪作休耕和修復(fù)工作提供數(shù)據(jù)支撐，為當(dāng)?shù)鼗蝾?lèi)似地區(qū)決策部門(mén)發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

陜西省是我國(guó)西部地區(qū)主要的蔬菜生產(chǎn)基地之一，設(shè)施面積約占西部設(shè)施總面積的15%[14]。秦嶺橫貫境內(nèi)，陜北、關(guān)中、陜南的區(qū)域空間差異顯著，主要表現(xiàn)為：陜南處于秦嶺以南，為北亞熱帶大陸性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候；植被覆蓋率高，土壤黏粒較多、pH呈弱酸性、有機(jī)質(zhì)含量高；多為山區(qū)，交通不便；溫室類(lèi)型以塑料大棚為主，全年蔬菜生產(chǎn)不停歇。關(guān)中處于秦嶺以北，為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)型氣候，地勢(shì)平坦，是陜西主要糧食產(chǎn)區(qū)，土層較厚、土壤pH呈中偏弱堿性、有機(jī)質(zhì)含量較高；塑料大棚與日光溫室比重相當(dāng)，基本實(shí)現(xiàn)全年生產(chǎn)。陜北北接內(nèi)蒙，為溫帶大陸性半干旱氣候；榆林多為沙土地、延安多為黃土地，植被覆蓋少，土壤pH呈中性偏堿性、有機(jī)質(zhì)含量偏低；以日光溫室為主，夏季一般停歇，秋冬季進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)。

1.2 調(diào)查及樣品采集與處理

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地土壤調(diào)查與采樣開(kāi)展于2016年。通過(guò)對(duì)全省各縣規(guī)模以上設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園篩選，最終確定148家(其中，陜北47家，關(guān)中88家，陜南14家)設(shè)施蔬菜基地開(kāi)展研究，涵蓋全省10個(gè)地級(jí)市。陜北以日光溫室為主，陜南以塑料大棚為主，關(guān)中地區(qū)兩種設(shè)施類(lèi)型均普遍(圖1)。調(diào)查內(nèi)容主要包括設(shè)施蔬菜大棚的種植歷史、種植年限、農(nóng)膜使用、肥料使用、灌溉歷史、農(nóng)藥使用、病蟲(chóng)害情況等。

在這些設(shè)施蔬菜基地，共采集設(shè)施土壤樣品200份，對(duì)照農(nóng)田土壤樣品130份，樣點(diǎn)采用GPS定位。在每一個(gè)設(shè)施蔬菜基地的棚內(nèi)采用“之”字型采樣法[17]，采集5個(gè)表層土壤(0 ~ 20 cm)，混合均勻后取約1 kg裝入自封袋形成一個(gè)土壤樣品，對(duì)照樣品取自大棚外無(wú)大棚種植歷史的農(nóng)田，包括小麥地、油菜地、稻田等，同樣為5個(gè)點(diǎn)的混合樣品。野外采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，剔除石塊、植物根莖等雜質(zhì)，研磨分別過(guò)10目篩用于土壤pH、電導(dǎo)率(EC)、有效磷(AvP)、速效鉀(AvK)測(cè)定；過(guò)60目篩用于陽(yáng)離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)的測(cè)定；過(guò)100目篩用于Cd、As、Hg測(cè)定；過(guò)200目篩待全磷(TP)、全鉀(TP)、Cr、Cu、Pb、Zn等全量測(cè)定。

圖1 陜西省設(shè)施蔬菜基地設(shè)施大棚類(lèi)型及采集點(diǎn)位

1.3 樣品分析

土壤pH采用水土比2.5∶1混勻，并用PHS-3C型酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定；EC采用電導(dǎo)率儀(DDS-307)進(jìn)行測(cè)定，水土比5∶1；AvP采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色，分光光度計(jì)測(cè)定；AvK測(cè)定采用NH4OAc提取，火焰光度計(jì)(FP650)分析；CEC測(cè)定采用NH4OAc-EDTA (1 mol/L:0.005 mol/L)提取，定氮儀(DDS-307)蒸餾方法測(cè)定；SOM采用外加熱重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定；TN采用濃H2SO4消化，凱氏定氮法測(cè)定。以上測(cè)試方法詳見(jiàn)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]一書(shū)。土壤Cd采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定[18]，As、Hg采用王水消解，原子熒光光譜法(AFS) 測(cè)定[19]。TP、TK、Cr、Cu、Pb、Zn等含量測(cè)定采用200目土壤通過(guò)壓片，X射線熒光光譜儀(PW2440X)測(cè)定[20]。

2 結(jié)果

2.1 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤酸化及次生鹽漬化特征

設(shè)施土壤酸化、鹽化現(xiàn)象明顯，陜南、關(guān)中、陜北3個(gè)地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤pH均低于對(duì)應(yīng)區(qū)域的大田土壤，其中陜北、關(guān)中地區(qū)差異均達(dá)到<0.01顯著水平(表1)。盡管陜南地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤pH較大田土壤差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平，但其設(shè)施土壤的pH降幅最大(平均下降0.69個(gè)pH單位)，其次是陜北(0.52)、關(guān)中(0.25)。陜北設(shè)施蔬菜種植年限在10 a以上的土壤pH顯著高于種植年限在5 ~ 9 a的設(shè)施土壤；而關(guān)中和陜南地區(qū)，則種植年限10 a以上土壤pH低于種植5 ~ 9 a土壤，差異不顯著(表2)。陜北、關(guān)中、陜南設(shè)施土壤EC值顯著高于大田土壤，設(shè)施土壤50% 以上的點(diǎn)位EC值超過(guò)500 μS/cm，銅川、安康等部分點(diǎn)位EC值超過(guò)1 000 μS/cm，說(shuō)明設(shè)施大棚土壤已經(jīng)發(fā)生次生鹽漬化。由于不同地區(qū)、不同種植年限設(shè)施蔬菜土壤樣本間EC的變異系數(shù)均較大，不同地區(qū)、不同種植年限間土壤EC差異并不顯著。

2.2 設(shè)施土壤主要養(yǎng)分累積狀況

設(shè)施土壤養(yǎng)分積累現(xiàn)象普遍，特別是土壤速效養(yǎng)分。與普通大田相比，設(shè)施土壤TN和TP顯著增加。與全國(guó)統(tǒng)一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，陜北設(shè)施土壤TN處于4級(jí)，中等水平(0.75 ~ 1.0 g/kg)；而陜南和關(guān)中地區(qū)設(shè)施土壤處于第3等級(jí)，高水平(1.0 ~ 1.5 g/kg)。設(shè)施土壤TP積累更加明顯，3個(gè)區(qū)域設(shè)施土壤TP均處于第1等級(jí)，極高水平(>1.0 g/kg)。雖然普通大田土壤和設(shè)施土壤AvP都處于極高水平(> 40 mg/kg)，陜北、關(guān)中和陜南地區(qū)設(shè)施土壤AvP含量分別是對(duì)應(yīng)大田土壤的2.92倍、3.22倍和2.61倍。3個(gè)區(qū)域設(shè)施土壤AvK含量都處于極高水平(>200 mg/kg)，設(shè)施大棚AvP:AvK比例明顯高于大田(表3)，說(shuō)明設(shè)施土壤中有效磷和速效鉀的積累量不同。

表1 設(shè)施大棚與大田土壤pH、CEC、EC、SOM的比較

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母不同分別表示大田和大棚土壤間差異達(dá)<0.05和<0.01顯著水平。

表2 種植年限對(duì)設(shè)施大棚土壤pH、CEC、EC、SOM的影響

注：同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母不同分別表示同一地區(qū)不同種植年限土壤間差異達(dá)<0.05和<0.01顯著水平。

表3 設(shè)施大棚與大田土壤N、P、K、AvK和AvP含量

注：同行數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母不同分別表示同一地區(qū)大田和大棚土壤間差異達(dá)0.05和0.01顯著水平。

2.3 設(shè)施土壤重金屬累積狀況

本文主要考察了重金屬在設(shè)施土壤中的累積情況。結(jié)果顯示，陜北、關(guān)中地區(qū)設(shè)施土壤Cd、Cu、Zn等累積量高于普通大田土壤，陜南地區(qū)僅Zn在設(shè)施土壤中的累積高于大田(表4)。與國(guó)家《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(2006)進(jìn)行比較，設(shè)施表層土壤Cd、Zn等累積已出現(xiàn)超標(biāo)樣點(diǎn)，超標(biāo)率在0.5% ~ 7.2%，在設(shè)施生產(chǎn)最強(qiáng)烈的關(guān)中地區(qū)較為突出。同時(shí)，部分重金屬(如Cd和Zn)含量隨種植年限的增加有增加趨勢(shì)(圖2)。

表4 設(shè)施大棚與大田間土壤重金屬含量比較(mg/kg)

圖 2 種植年限對(duì)不同區(qū)域設(shè)施土壤Cd和Zn含量的影響

3 討論

3.1 土壤退化導(dǎo)致作物連作障礙與環(huán)境問(wèn)題

研究結(jié)果顯示，陜西設(shè)施土壤已經(jīng)呈現(xiàn)酸化、次生鹽漬化、土壤速效養(yǎng)分積累、部分重金屬累積超標(biāo)等土壤退化問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的這些退化現(xiàn)象已普遍存在。土壤退化已對(duì)當(dāng)?shù)卦O(shè)施生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響，集中表現(xiàn)在作物生長(zhǎng)出現(xiàn)連作障礙。一般而言，設(shè)施土壤連作障礙主要表現(xiàn)在：①土傳病原菌侵染引起的植物病害[21]；②長(zhǎng)期單一植物種植對(duì)某一種養(yǎng)分嗜好引起的養(yǎng)分失調(diào)；③植物自毒或化感物質(zhì)積累[22]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象在陜西省不同地區(qū)的設(shè)施大棚中均有不同程度發(fā)生，如常見(jiàn)的線蟲(chóng)病害、土壤鹽漬化明顯(表1、2)、設(shè)施土壤速效磷鉀比例明顯失調(diào)(表3)等。更嚴(yán)重的是，部分土壤退化顯著的大棚由于無(wú)法種植已被放棄，尤其在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較早的地區(qū)，如大荔、涇陽(yáng)、楊凌等地區(qū)，常見(jiàn)年代較老的設(shè)施大棚被棄之不用，而另尋新的土地種植，蠶食有限的土壤資源。

土壤退化可能還對(duì)設(shè)施環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。主要表現(xiàn)在：①影響作物品質(zhì)。隨著土壤pH降低、有機(jī)質(zhì)積累、鹽分增加等可提高土壤中重金屬的生物有效性和作物的吸收。②影響水環(huán)境質(zhì)量。土壤中氮磷、農(nóng)藥、酞酸酯等物質(zhì)累積，并會(huì)向周邊水環(huán)境遷移，尤其是陜西境內(nèi)的設(shè)施灌溉主要取自地下水，這會(huì)增加地下水和地表水中養(yǎng)分或污染物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，破壞水生環(huán)境[23]。③影響大氣環(huán)境質(zhì)量[24]。作為高量施肥生產(chǎn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其氮肥利用很低，調(diào)查顯示設(shè)施蔬菜氮肥施用量高達(dá)每年2 000 kg/hm2，其中作物吸收僅利用10% ~ 30%，約30% 通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化揮發(fā)進(jìn)入大氣。

3.2 設(shè)施土壤質(zhì)量改進(jìn)措施設(shè)想

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化及其生態(tài)效應(yīng)形成的根本原因，是這一系統(tǒng)內(nèi)土壤高強(qiáng)度單一利用、農(nóng)用投入品高量使用，以及封閉的設(shè)施環(huán)境[14]。為解決這一問(wèn)題，當(dāng)?shù)胤N植戶(hù)采取了多種措施進(jìn)行防控。例如，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，針對(duì)日光溫室大棚，種植戶(hù)選擇在7、8月份歇棚期，進(jìn)行土壤熏蒸或悶棚滅菌操作，這些措施對(duì)短期內(nèi)的土壤退化有一定效果。然而，一旦土壤退化超出土壤的耐受能力，這些措施的作用將大大減弱，最終不得不改種其他作物或棄耕，影響土壤的產(chǎn)出效能，甚至浪費(fèi)土地資源。因此，要從根本上解決設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化問(wèn)題，需要轉(zhuǎn)換思路，另辟蹊徑。

土壤輪作休耕[2, 25-26]是一種將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由強(qiáng)度利用型轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)友好型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，即通過(guò)合理配置資源，用養(yǎng)結(jié)合，促進(jìn)土壤資源可持續(xù)利用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少種植戶(hù)采取了一些輪作措施，如蔬菜-玉米輪作、蔬菜-蘑菇輪作等，取得了好的效果。將這些經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，并結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)峰谷期、政府補(bǔ)貼政策，以及設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等發(fā)展趨勢(shì)，可將設(shè)施土壤輪作休耕形成體系，并加以推廣，最終解決設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)陜西省陜北、關(guān)中、陜南3個(gè)地區(qū)的重點(diǎn)設(shè)施農(nóng)業(yè)基地調(diào)查、土壤樣品采樣分析，發(fā)現(xiàn)陜西省設(shè)施土壤質(zhì)量呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：①設(shè)施土壤酸化，其中，陜南地區(qū)設(shè)施土壤pH降幅最大；②次生鹽漬化，設(shè)施土壤EC值顯著高于大田土壤；③土壤養(yǎng)分積累，其中TP、TN累積明顯；④部分地區(qū)設(shè)施土壤重金屬累積超過(guò)大田土壤。結(jié)合設(shè)施大棚調(diào)查資料，我們發(fā)現(xiàn)設(shè)施土壤退化已導(dǎo)致作物生產(chǎn)受到影響，同時(shí)土壤退化和污染物積累也可能對(duì)設(shè)施農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。設(shè)施土壤退化的根本原因是設(shè)施土壤的高強(qiáng)度單一利用和高量投入。因此，采取有效措施防止設(shè)施土壤退化非常必要，而輪作休耕是防止土壤退化的重要措施之一。

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Soil Degradation in Greenhouse Vegetable Production Systems in Shaanxi

ZHANG Yanxia1,2, CHEN Zhikun1, HU Wenyou2, SUN Xiaoyu3, HUANG Biao2*, TIAN Kang2

(1 Key Laboratory of Soil Resource & Biotech Applications, Shaanxi Academy of Sciences, Xi'an Botanical Garden of Shaanxi Province, Institute of Botany of Shaanxi Province, Xi'an 710061, China; 2 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Microbiology Institute of Botany of Shaanxi Province, Xi’ an 710043, China)

The objective of this paper is to investigate the status of plastic greenhouse (PG) soil degradation in Shaanxi Province. 148 PGs in Shaanxi were chosen to conduct the questionnaire surveys on production and management. A total of 330 soil samples in PGs and open fields were collected, and soil pH, soil organic matter (SOM), electrical conductivity (EC), cation exchange capacity (CEC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), bioavailable phosphorus (AvP), bioavailable potassium (AvK) and heavy metals were analyzed. Results showed that the mean value of pH in PG soil was lower than the level in open field soil, and PG soil planted over 10 years had the lowest pH. The mean value of EC in PG soil was much higher than the level in open field soil. The rations of N: P: K and AvP: AvK in PG soil were respectively higher than those levels in open field soil, showing nutrient imbalance of PG soil. Heavy metals accumulation was more serious in PG soil than in open field soil in northern Shaanxi and the middle of Shaanxi, especially Cd, Cu, and Zn. In conclusion, PG soil degradation is serious in Shaanxi Province. PG soil degradation is closely related to highly intensive agricultural input and yearly continuous cropping, thus, it is very urgent to adopt crop rotation and fallow systems to improve PG soil quality.

Soil degradation; Nutrient imbalance; Facility agriculture; Soil remediation

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.031

張艷霞, 陳智坤, 胡文友, 等. 陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化現(xiàn)狀分析. 土壤, 2020, 52(3): 640–644.

陜西省科學(xué)院重大研究專(zhuān)項(xiàng)(2016K-07)、陜西省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2017ZDXM-NY-049)、國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2015FY110400-(2))和國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41807497)資助。

(bhuang@issas.ac.cn)

張艷霞(1984—)，女，山西長(zhǎng)治人，博士后，主要從事環(huán)境管理與土壤污染物暴露風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)研究。E-mail: yxzhang@issas.ac.cn