我國設施栽培土壤退化特征及修復技術研究進展

于 泓，盧維宏，張乃明,2

（1.云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室，云南 昆明 650201）

以高技術、高投入、高產出為特征的高度集約化設施農業(yè)代表了現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展方向[1]，而設施土壤是指長期設施栽培條件下耕種的農業(yè)土壤，是設施農業(yè)賴以發(fā)展的物質基礎。中國從20世紀50年代就開始簡易設施栽培技術的探索，至90年代開始集中引進大型連棟溫室，經(jīng)過40多年的快速發(fā)展，到2020年全國溫室大棚栽培面積達370萬hm2，其中連棟溫室面積100萬hm2，設施栽培總面積已突破400萬hm2。隨著設施栽培面積的不斷增加，栽種年限不斷延長，長期的高強度利用、覆蓋及大水、大肥的投入導致溫室大棚內的微環(huán)境發(fā)生改變，出現(xiàn)了土壤酸化、鹽漬化、作物連作障礙及有害元素積累等問題。從面積來看，我國設施栽培土壤分布在黃淮海及環(huán)渤海灣地區(qū)的設施面積約占57%，長江中下游的約占20%，西北地區(qū)的約占11%，剩余其他區(qū)域約占12%；其中，山東省面積最大，約60萬hm2。山東、東北和西北地區(qū)設施蔬菜面積約占全國設施蔬菜的70%左右。按產量來看，山東年產量5 080萬t，其次是河北省，年產量約4 229萬t，山東、河南、河北、江蘇、遼寧5省生產出全國約2/3的蔬菜。按蔬菜種類分布來看，設施番茄面積居于首位，其次是黃瓜，再者是茄子、辣椒[2]。已有研究數(shù)據(jù)顯示，在全國主要設施菜地的耕層土壤中，輕度鹽漬化的比例占38.2%，中度鹽漬化的比例占4.7%，且設施栽培土壤鹽漬化程度顯著高于露天栽培土壤[3]；因此，充分認識設施栽培土壤退化原因及設施栽培土壤改良與修復技術，對設施農業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要指導意義。

1 設施栽培土壤主要退化特征及成因

1.1 次生鹽漬化

由于氣候條件、母質類型等原因，南酸北堿是我國土壤的主要特征；但是，設施大棚內在高溫、高蒸發(fā)且沒有漫灌條件，外加不合理施肥，極易出現(xiàn)土壤鹽漬化現(xiàn)象。設施土壤的次生鹽漬化是最常見、最嚴重的問題。土壤次生鹽漬化最明顯的特征是土壤表面出現(xiàn)一層白色鹽霜，當白色鹽霜由白變綠再變紅（紫球藻）時，土壤的含鹽量已經(jīng)超過10 g/kg[4]，可對植株的生長造成嚴重的影響。灌溉不完全是土壤鹽漬化的主要原因。設施土壤最常見的灌溉方式就是噴灌、滴灌及溝灌。鈔錦龍等[5]研究表明，溝灌后的含鹽量一般要高于滴灌和滲灌。溝灌導致土壤水分增加不均勻，外加溫室大棚內溫度高、蒸發(fā)量大，所以鹽漬化現(xiàn)象更加嚴重。研究發(fā)現(xiàn)設施菜地中SO42-、Cl-、Mg2＋、Na＋的含量均與全鹽含量呈極顯著正相關，其中SO42-、Mg2＋含量與全鹽含量的相關系數(shù)更高[6]。伴隨著對設施栽培的高度重視，大量的化肥投入，單一蔬菜種類的種植，導致土壤中的單一離子濃度越來越高，土壤鹽漬化程度也就越來越嚴重。

1.2 土壤酸化

土壤酸化指的是土壤吸收性復合體接受了一定數(shù)量的致酸離子，使土壤中堿性離子淋失的過程[7]。土壤酸化是一種土壤退化的表現(xiàn)形式。張艷霞等[8]研究表明，陜南、關中、陜北3個地區(qū)設施農業(yè)土壤pH值均低于對應區(qū)域的大田土壤，其中陜北、關中地區(qū)差異均達到極顯著水平。南方設施土壤酸化更加嚴重。南方土壤pH值較北方土壤pH值低，土壤致酸離子（交換性H＋、交換性Al3＋）含量高，土壤酸化更加嚴重。徐仁扣[9]研究表明，大量化肥、農藥的施用使得土壤有機酸、營養(yǎng)陽離子被吸收后產生的生理酸物質含量不斷增加，且銨態(tài)氮肥用量達80 kg/hm2時就會加速土壤酸化；設施栽培土壤施肥量遠遠高于同區(qū)域露天栽培土壤，土壤酸化程度較露天土壤更加嚴重。Van等[10]提出土壤內部質子源和外部質子源的概念，發(fā)現(xiàn)由內部質子源引起的土壤酸化速度緩慢。設施土壤酸化雖然與灌溉水pH值有關，但主要原因是溫室大棚內溫度高，且通風時間短，土壤內二氧化碳濃度較高，極易生成碳酸，而碳酸正是土壤中H＋的主要來源[11]。土壤酸化是一個漫長的過程，但設施土壤發(fā)生酸化的速率快于同區(qū)域露天栽培土壤。

1.3 連作障礙

導致連作障礙發(fā)生最根本的原因是連作蔬菜等作物根區(qū)微生物多樣性失調，根區(qū)的有益微生物數(shù)量、種類減少，繁殖率降低，有毒有害病原菌數(shù)量增加，導致植株發(fā)生各種土傳病害[12]。設施菜地由于長時間單一種植，根際土壤累積了大量根系分泌物、植物殘體中的病原菌、蟲卵及自毒物質（醌類、肉桂酸及其衍生物、香豆素等）[13]，對設施土壤中作物的生長產生不良影響。連作5年時茄子、辣椒產生的自毒物質香豆酸、肉桂酸、鄰苯二甲酸二丁酯能顯著降低土壤酶活性和加重根際酸化[14]。泗洪縣石集鄉(xiāng)蔬菜生產多年茄果類連作，導致土壤養(yǎng)分失衡、微生物比例失調，茄子灰霉病頻發(fā)、畸形果增多，平均667 m2減產約500 kg[15]。根結線蟲是一類對多種作物造成危害的寄生線蟲，幾乎可以侵染所有的作物，對農戶的經(jīng)濟效益產生巨大影響。雖然，目前已經(jīng)有有效防治根結線蟲的方法，如利用淡紫擬青霉、穿刺巴氏桿菌等，但由于淡紫擬青霉對人身體存在潛在威脅，穿刺巴氏桿菌的培養(yǎng)成本高，都沒有得到廣泛的應用[16]。在設施栽培土壤中，真菌對土壤的肥力水平有著較大的影響。土壤微生物由細菌型轉變?yōu)檎婢?，真菌?shù)量越多，肥力越差，對作物的不利影響也就越大[17]。

連作障礙發(fā)生的另一個重要因素是土壤酶活性降低。土壤酶在有機質的轉化、腐殖質和無機膠體的形成、元素的循環(huán)過程中起到至關重要的作用。土壤酶數(shù)量雖然低，但有著無可替代的作用，過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶等同樣也是土壤健康評價的重要指標。長期的單一種植、單一施肥、再生水灌溉，必然導致土壤酶活性降低，養(yǎng)分利用不充分，最終導致設施栽培蔬菜多種連作障礙現(xiàn)象發(fā)生[18-19]。

1.4 重金屬元素積累

設施菜地重金屬元素的累積不僅對設施土壤造成嚴重污染，還對設施蔬菜的食用安全存在潛在威脅。從我國重金屬累積的空間分布來看，我國南部設施土壤重金屬含量以Cd、Hg、Pb含量最高，北部設施土壤重金屬以Cu、As、Cr含量最高[20]。設施農業(yè)重金屬含量除了受人為噴施農藥、化肥影響外，土壤重金屬背景值也是影響重金屬含量高的重要原因之一。

董達誠[21]對陸良設施菜地土壤重金屬來源解析結果表明，土壤重金屬元素Cd、Cu、Zn、Pb和As主要與種植蔬菜過程中施用化肥和農藥有關；露天菜地中Pb主要來源于交通污染源，Cr受人類活動影響較小，主要取決于自然背景值。磷肥中含有較多的Hg、Cd、As、Zn、Pb，氮肥中含Pb量較高，畜禽糞便堆肥則含有較高的Cu、Zn、Cr、Ni[22]。秦麗娟等[23]采用單因子污染指數(shù)對蘭州設施土壤重金屬進行檢測，結果表明：重金屬Cr只有2個縣（區(qū)）超標，其他縣（區(qū)）未超標，重金屬Pb、Cd、Hg和As在研究樣地均出現(xiàn)超標現(xiàn)象。郭畔等[24]對沈陽新民設施土壤重金屬進行了調查檢測，結果表明：新民設施土壤重金屬Cu、Cd、Hg這3種元素出現(xiàn)超標現(xiàn)象，Hg含量已經(jīng)達到污染水平，對蔬菜的生長已經(jīng)產生了重大影響。重金屬含量的高低不僅影響土壤的污染程度，還影響設施蔬菜的品質和食品安全問題。

2 設施栽培土壤退化改良與修復技術研究進展

2.1 土壤次生鹽漬化改良

2.1.1 種植填閑作物

種植填閑作物不僅可以吸收由于過量施肥而殘留在土壤中的硝酸鹽，降低土壤鹽漬化程度，而且對土壤的理化性質也有所改善。設施土壤種植填閑作物莧菜不僅可以增加經(jīng)濟效益，同樣可以降低土壤淋溶液硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與磷含量[25]。種植白菜、小麥等填閑作物，可顯著降低土壤電導率及銨態(tài)氮含量[26]。

2.1.2 科學灌水排鹽

科學的灌水排鹽就是要以水洗鹽，將設施土壤表層的鹽分隨著水分帶走，高溫蒸發(fā)不易將土壤鹽分帶回表層，降低土壤表層的鹽分累積。在休閑期，采用大水漫灌的方式，每667 m2進行2～3次灌水且每次不少于100 m3，才能達到洗鹽的目的。在作物生長時期，采用縮短畦頭，接通大明溝等方式，將土壤表層的鹽基離子清除[27]。

2.1.3 外源添加碳調節(jié)劑

過度施肥導致土壤發(fā)生次生鹽漬化的主要原因是表層土壤累積了過多的NO3-，根據(jù)碳氮互作原理，隨著土壤碳調節(jié)劑的加入，無機氮轉化為有機氮，不僅能有效減輕土壤次生鹽漬化，而且還能增加有機質含量[28]。外源添加有機材料后，灌溉可明顯降低土壤EC值，若在沒有灌溉條件下，長時間持續(xù)添加有機物料，也能降低土壤EC值[29]。

2.2 土壤酸化改良

2.2.1 測土配方施肥

測土配方施肥是指根據(jù)作物的需肥量、需肥時期來合理施肥。測土配方施肥不僅能減少大量元素的投入，更能補齊中微量元素的短板，提高肥料利用率，減少致酸離子進入土壤，減緩土壤酸化過程[30]。

2.2.2 外源添加改良劑

土壤酸化的改良措施還傾向于在設施土壤休耕時期外源添加生物炭、石灰、復合肥料、微生物菌劑等，改善土壤的理化性質，增加土壤有益微生物數(shù)量，殺菌防蟲等。從而改善土壤酸化、板結等土壤退化問題[31]。當生物炭施入酸化土壤后，羧基會與土壤中的氫離子結合從而降低土壤中的酸根離子濃度[32]，從而達到降低土壤酸性的目的。

2.3 土壤連作障礙改良

2.3.1 更改種植模式

輪作、套作是一種有效且容易實現(xiàn)的解決連作障礙的種植模式[33]。以西蘭花、糯玉米、青刀豆為試驗材料設置不同套種模式，可有效提高有機質含量及脲酶活性，提高作物對無機氮的吸收，維持過氧化氫酶及多酚氧化酶的活性[34-35]。茄子、大蒜套作可減輕茄子的黃萎病的發(fā)生，提高茄子的品質，提高土壤中速效養(yǎng)分的含量[36]。馬鈴薯和玉米間套作，提高了土壤酶活性，提高了養(yǎng)分利用率，同時提高了土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量，使土壤向著高肥效的“細菌型”土壤類型發(fā)展[37]。在連作障礙嚴重的設施栽培土壤中，合理的搭配套作、輪作、間作模式，可有效降低連作障礙的發(fā)生，改善土壤質量，減輕自毒物質的危害。調整種植模式對于土壤連作障礙有很好的防治作用。

2.3.2 嫁接技術

嫁接成為近些年提高作物抗性、抵抗作物發(fā)生連作障礙的新型技術手段。嫁接一般也與間套作配合使用。茄子、西瓜、番茄等作物通過嫁接，增強了作物對干旱、高溫的耐性及對肉桂酸、香草酸等化感物質的抗性，提高了土壤酶活性[38-40]，形成有益循環(huán)，對改善設施土壤的次生鹽漬化、連作障礙等效果顯著。

2.3.3 培育耐性品種

通過簡單序列重復標記SSR、單核苷酸多態(tài)性SNP等手段定向篩選耐性基因，繼而篩選出耐性品種。目前在耐性品種抗性高、品質好、產量高等方面都有了不小的收獲，如茄子的抗青枯病品種[41]、低鉀耐性大豆品種[42]、重金屬低累積水稻、小麥品種[43]、番茄砧木雙抗品種[44]等。種植耐性品種對于治理土壤酸化、次生鹽漬化、重金屬污染都有很好的效果。耐性品種已經(jīng)在生產、生活中得到了廣泛應用。

2.3.4 電消毒法

電消毒法是一種較為常見的土壤消毒方法，對線蟲、韭蛆等頑固性害蟲具有較好的滅殺效果。電消毒可以平衡土壤酸堿性、滅殺土傳病害的病原微生物[12,45-46]，也可以促進難溶態(tài)的礦物質的分解轉化，提高養(yǎng)分利用率的效果[47]。有研究表明，綜合生產成本、耗電量等因素考慮，在通電10 min，電極差選擇750 mm或500 mm時效果最佳[48]。

2.3.5 熱水消毒法

熱水消毒法是指將常壓熱水鍋生產的80～95 ℃的熱水，通過開口灑水管灌入土壤，在表面蓋上保溫膜，利用高溫來消滅土壤中的病原菌及害蟲的方法。研究發(fā)現(xiàn)，熱水消毒可有效減少土壤中根結線蟲數(shù)量[49-50]。這種方法需水量較大，不宜在缺水的地區(qū)使用。

2.4 土壤重金屬污染修復

2.4.1 客土法

客土法就是將重金屬污染、次生鹽漬化嚴重的土壤用其他化學性質較好的土壤來替換，以達到可以耕作的目的?？屯练ú粌H對重金屬污染有效，對鹽漬化嚴重的土壤同樣適用。薛鑄等[51]研究表明，龜裂堿地沙質客土可促進番茄、白菜、油麥菜的生長及其產量的提高?？屯练▉砀纳圃O施土壤重金屬污染、土壤鹽漬化的效果雖然快捷有效[52]，但這種方法成本很高，對于污染嚴重的土壤也要有后續(xù)封存或其他處理，不能實現(xiàn)廣泛的推廣。

2.4.2 化學穩(wěn)定法

可選用效果較好的土壤鈍化劑，將鈍化劑施入土壤中，讓鈍化劑與土壤充分混勻，保持一定的含水量，將有效態(tài)的重金屬離子穩(wěn)定在土壤中[53]。硅鈣鎂肥與改性腐植酸復合施用對土壤中Cd含量降低50%，小麥中Cd含量降低70%[54]。何麗質[55]研究發(fā)現(xiàn)，使用海泡石、過磷酸鈣、羥基磷灰石等9種材料均可降低油菜、小白菜、油麥菜中鎘含量，且能達到顯著水平。這種方法一方面可直接穩(wěn)定重金屬元素，另一方面通過升高土壤pH值，從而降低土壤重金屬活性。

2.4.3 生物吸附（還原）法

生物吸附（還原）法是利用微生物的氧化還原反應來改變重金屬離子的價態(tài)，從而降低重金屬有效態(tài)、活性及其毒性[56]。例如，Cr6＋比Cr3＋的水溶性、遷移性要高得多，且Cr6＋比Cr3＋毒性要強100倍[57]。除了利用微生物改變金屬離子價態(tài)，微生物還可以通過胞內吸附、胞外吸附、表面吸附來改善土壤重金屬污染狀況[58]。熊芬等[59]研究了煙曲霉胞外聚合物對重金屬Pb2＋的去除效果，結果在pH值為6.5、時間為3 h時，重金屬去除率可達73.48%。

利用超富集植物修復被重金屬污染的土壤是一種綠色、安全且便宜的修復方式，其原理是利用超富集植物對于重金屬的耐性，通過對土壤中重金屬的固定、吸收富集或者揮發(fā)來減少重金屬對土壤的污染[60]如龍葵、寶山堇菜、蜈蚣草等對Cr有較好的吸收富集效果[61-62]；馬藺、東南景天等對于Pb的吸收富集效果較好[63-64]。利用超富集植物修復礦區(qū)污染土壤的研究逐步增多，但很少有人研究超富集植物對設施土壤的改良修復效果。

3 存在問題及解決措施

3.1 存在的問題

3.1.1 退化土壤改良調理劑產品標準不完善

目前生物炭、腐植酸、海泡石及相關微生物等作為土壤退化的修復劑或調理劑在退化土壤改良中已有廣泛的研究和應用；但是，目前市場上仍存在諸多問題，如生物炭有木質生物炭、秸稈生物炭、殼類生物炭等，來源廣[65]，并且加工工藝（設備、溫度等）存在較大差異等，造成不同來源、不同工藝的生物炭的功能特性、使用方法、使用量、使用效果各異；另外，腐植酸、海泡石亦存在此類問題。同時，有機糞肥（雞糞、豬糞）、污泥中易存在重金屬二次污染問題，將有機糞肥、污泥等做成土壤調理劑前需要進行嚴格檢測。

3.1.2 缺乏科學的適于設施栽培的輪作制度

目前設施土壤沒有實現(xiàn)真正意義上的輪作，如甘藍、白菜、油菜等十字花科蔬菜，對于養(yǎng)分喜好相同，雖然存在輪作現(xiàn)象，但仍會發(fā)生土壤養(yǎng)分失衡及蔬菜根腫病、黑腐病等土傳病害[66]。

3.1.3 缺乏基于設施栽培土壤健康評價體系

目前設施栽培土壤利用方式多為先掠奪，后補償，即建棚初期多為掠奪式利用，如復種指數(shù)偏高、過量施肥[1]（尤其氮肥、磷肥、畜禽糞便）、集約化程度高等，導致土壤質量退化速率急劇升高，而質量評價及改良（修復）措施嚴重滯后，且治理成本偏高?？傊覈O施栽培需要相對科學合理的耕作措施及較為全面的土壤健康評價體系。

3.1.4 設施栽培模式單一

我國設施栽培模式單一，以土培為主，對于土壤的依賴程度過高，導致土壤發(fā)生退化和污染，嚴重影響蔬菜的產量及品質[67]；另外，在科研方面，如何利用無土栽培技術（基質栽培、水培等）減輕設施蔬菜對于土壤的依賴，及利用基質為原料來改良退化土壤的研究相對較少，尤其是推廣應用更少。

3.2 解決措施

3.2.1 完善土壤改良調理產品的標準

完善產品標準從以下方面著手：第一，目前關于土壤調理劑的叫法頗多（土壤改良劑、土壤修復劑、土壤鈍化劑等），名稱不具有統(tǒng)一性，需要市場監(jiān)管機構統(tǒng)一認證；第二，對土壤調理劑產品生產廠家、生產步驟、材料來源要嚴格把控；第三，建立健全不同類型土壤調理劑進入市場的監(jiān)管制度。

3.2.2 實行合理的種植模式

針對不同類型蔬菜對礦質（特別是中微量）元素的差異吸收特性進行系統(tǒng)性研究，在設施栽培中施行科學合理的種植（如輪作、間作、套作）模式，緩解設施栽培土壤質量退化速率，如白菜與大蔥[68]、黃瓜與西芹[69]、菜豆與辣椒[70]套作，既大幅降低了病蟲害的發(fā)生，又能提高蔬菜的品質及產量。

3.2.3 定時對設施大棚進行健康評價

自設施大棚建棚開始，應采用多目標協(xié)同的土壤質量評價方法對設施土壤進行評價（耕地地力綜合指數(shù)法[71]、康奈爾土壤健康評價法[72]等），當土壤發(fā)生土壤質量退化特征時，及時采取補充營養(yǎng)元素、添加調理劑等措施，以防止或減緩土壤退化。

3.2.4 拓展新型設施栽培模式

降低設施栽培對土壤的依賴程度，加大新型設施農業(yè)栽培模式的應用，如基質栽培、巖棉栽培、水培、氣霧栽培等。無土栽培在設施蔬菜中憑借自身優(yōu)勢，可降低蔬菜病蟲害的發(fā)生，提高蔬菜品質和產量[73]，并加速蔬菜生產實現(xiàn)現(xiàn)代化、高效化、規(guī)模化的步伐。

4 展望

我國蔬菜設施栽培面積還在持續(xù)增加，新的土壤環(huán)境問題還會不斷出現(xiàn)，設施栽培土壤的退化特征及修復改良依然是研究的熱點?；谠O施栽培土壤目前現(xiàn)狀及存在的問題，建議從土壤退化機理、土壤功能性微生物、土壤監(jiān)測體系及土壤評價體系等方面進行深入研究，為我國設施栽培土壤可持續(xù)利用提供參考。

4.1 深入開展設施土壤退化機理研究

從蔬菜—肥料—土壤—環(huán)境相互作用的角度，對設施蔬菜土壤退化機理進行綜合研究，探明土壤退化的原因，并采取相對應的解決措施。單一的措施只能短期解決土壤退化問題，而要從根本上解決問題，還需要從綜合的角度對土壤退化的機理進行深入的探討和研究。

4.2 重視設施土壤功能性微生物的研究

微生物肥料中的土壤功能微生物對土壤改良與修復調控研究已經(jīng)有了一系列的成果。郝祥蕊等[74]研究表明，在使用微生物菌劑后，可抑制病原菌的繁殖，優(yōu)化微生物群落結構，提高作物對土壤養(yǎng)分的吸收。但目前土壤功能微生物因土壤環(huán)境變化存在調控效果不穩(wěn)定、調控方向不明確等問題，未來需要對定向提升核心微生物功能的技術進行深入研究[75]。

4.3 建立設施栽培土壤質量監(jiān)測與評價體系

目前對農田（耕地）土壤質量評價與監(jiān)測體系已經(jīng)取得了重要成果，但針對設施栽培土壤監(jiān)測評價體系鮮有研究。未來急需建立土壤質量專項調查及常規(guī)檢測[76]，通過對設施栽培土壤的調查檢測評價，確定土壤質量等級，并根據(jù)不同等級的土壤采取相應的措施。