設施大棚農業對土壤肥力及環境質量的影響研究

余雪鋒 郭肖穎 曹傳莉 董召榮 朱江

摘要[目的]研究設施大棚農業對土壤肥力和土壤環境質量的影響。[方法]通過對設施蔬菜大棚的土壤和露天蔬菜種植地的土壤分別進行采樣分析，測定其中的養分和重金屬元素的含量，根據所測結果利用指數和法和污染指數法進行評價。[結果]設施大棚土壤中的養分元素含量，均高于露天農田，指數和法評價其肥力達到了一級或者二級水平；設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，污染指數法評價表明，土壤均處于清潔水平。[結論]設施大棚農業提高了土壤的肥力，但是重金屬在土壤中的積累作用明顯。

關鍵詞溫室大棚；土壤理化性質；重金屬；評價標準

中圖分類號S151.9文獻標識碼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

設施農業是一種不同于露天農業栽培，由人為控制作物生長環境的作物種植方式。因為大棚種植具有良好的經濟效益和社會效益[1]，所以引起廣大農業工作者的重視。與此相關的是設施農業的土壤性質和重金屬污染也成為焦點問題。

溫室大棚土壤性質因耕作方式和環境的改變，其理化性質有別于露天種植，多數研究者的研究結果表明，大棚菜地土壤與露天農田土壤相比，其各類養分指標均有所增加，并且隨著種植年限的增加，這種現象更加明顯[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，有學者建議為有效降低環境風險，需要適當地降低施肥量，并且種植抗金屬污染能力較強的蔬菜[5]。而這個工作的實施需建立在摸清設施大硼中土壤的理化性質和重金屬含量的基礎上，為此，對淮南市謝家集某設施蔬菜大棚土壤的理化性質和重金屬元素進行調查，通過設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和重金屬含量的特點，并通過指數和法和污染指數法對2種栽培措施下土壤的肥力和環境質量進行評價，為當地設施大棚土壤的合理利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1樣品采集與處理

謝家集區處在淮南市的西部，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。農民以種植蔬菜為主，所以大硼設施比較普遍，研究區在此地區設定了不同種植蔬菜的4個大棚為采樣點，分別為西瓜、黃瓜、辣椒、草莓，記為樣點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日在選定的樣點進行樣品的采集：在每個樣點按測定要求采集0～20 cm的耕層土樣3個，帶回實驗室處理后，裝袋編號，用于各指標項目的測定。

1.2分析方法

土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法；

土壤堿解氮測定采用堿解擴散法；

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。所取土樣經強氧化處理后用ICP-AES法測定[6-7]。

1.3研究方法

1.3.1土壤肥力評價方法——指數和法[8-9]。

指數和法是應用土壤綜合肥力指數（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農田土壤肥力的主要因素，即有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀。評價結果分為6個等級，并用分值表示（表1）。

首先確定權重，土壤各項理化性質和單項土壤養分在土壤中所占比例不同，采用各指標間的相關系數來表示各指標的權重[10]。

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

式中，Wi為各單項評價指標的權重，Ii為單項評價指標的分值。

土壤養分綜合等級根據土壤肥力綜合指數進行劃分，將合肥市周邊的土壤養分綜合指數劃分為5個等級（表2），依據土壤肥力綜合指數對土壤肥力進行綜合評價。

1.3.2土壤環境質量評價方法[9]。

（1）單因子指數評價法。

由實測值與相應標準值的比值，根據結果進行分類，可以大致反映研究區土壤污染狀況。選用當地自然背景值和結合評價點的土壤 pH的國家土壤環境質量標準（GB15618—1995）作為評價標準。

單因子指數法計算公式為：

Pi= Ci/Si（2）

式中，Pi為土壤中污染物 i 的環境質量指數，

Ci為污染物i的實測值（mg/kg）；

Si為污染物的評價標準（mg/kg）；Pi≤1 表示未污染；

Pi>1表示污染，Pi值越大，污染越嚴重。土壤環境質量背景值見表3。

（2）內梅羅綜合污染指數法。

為了更全面了解和評價區域的土壤環境質量，進一步開展綜合污染指數的評價。其中，綜合污染指數的計算方法為：

P綜=（）2+P2max2（3）

式中，P綜為土壤中的污染指數；

Pmax為土壤各因子污染指數中的最大值；

為土壤各因子污染指數的平均值。

綜合污染指數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準見表4。

1.4數據處理

采用 Microsoft Excel和SPSS Statistics 19.0軟件處理數據。

2結果與分析

2.1土壤理化性質與重金屬含量測定結果

對淮南市謝家集區的4個設施大棚土壤和露天種植土壤5個樣點進行采樣測定后，得到各采樣點的土壤理化性質和重金屬測定值如表5和表6。

由表5可以看出，4個設施大棚土壤的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，造成土壤中硝態氮含量增加，使土壤酸化[11]。淮南謝家集地區土壤偏酸性。pH的下降應與土壤環境局部變化、施肥品種及施肥量有關。

由表5可知，4個設施大棚的土壤有機質含量均比露天高，因為設施農業有機肥的投入會比露天自然農田高，而且生產蔬菜的過程中遺留下來的大量根茬和植物遺體，使土壤中有機質增加。

大棚內土壤全氮和堿解氮的含量也比露天高，其中樣點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致菜地土壤氮素（主要以硝態氮形式）嚴重累積[11]。

在4個設施大棚中，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。

4個設施大棚的土壤全鉀、速效鉀元素含量均比對照高。因為鉀元素是植物必需大量營養元素，可以改善植物品質、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采樣點的Cr以外，與露天對照相比均有所增加，說明設施大棚農業土壤中的5種重金屬含量均呈現不同程度的累積現象。通過對調查時的施肥情況進行統計，設施大棚種植模式下的化肥、有機肥施用量遠遠高于露天大田，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，相關研究也表明Cd是容易積累不容易移動的金屬[16]。Cr在該設施大棚中沒有像其他重金屬一樣增加，反而在采樣點S2和S3含量有所下降，這也許和取樣點或者是大棚年齡與累積情況有關。

2.2利用指數和法評價設施大棚農業對土壤肥力的影響

根據5個樣點所測土壤養分含量，采用各指標間的單相關系數（表7）來表示各指標的相關系數平均數和權重系數（表8）。利用指數和法得出5個樣點土壤肥力綜合指數值（IFI）和土壤肥力水平等級（表9）。

土壤肥力指數和法評價結果顯示，4個設施大棚農業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，說明研究區域內4個設施大棚農業的土壤肥力水平的差異并不明顯，但是略高于對照，是因為4個樣點為設施大棚農業，分別種植了西瓜、黃瓜、辣椒和草莓，進行了統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，經調查是因為S2的種植時間較其他樣點時間稍短。

2.3利用單因子和內梅羅綜合污染指數法評價設施大棚農業的環境質量

以我國的土壤環境質量標準（GB 15168—1995）二級標準限值為標準，得到淮南市謝家集區的土壤環境質量評價如表10。從表10可以看出，4個設施大棚和露天土壤中的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn單因子指數均小于1，都未超標，由于國家制定的二級標準是為保障農業生產、維護人體健康的土壤限制值，表明該采樣點代表的淮南市謝家集周邊設施土壤中含量符合土壤環境質量二級標準，還屬于保障農業發展和人體健康的限定范圍內。但是4個設施大棚農業的單因子指數均比露天高，說明設施大棚農業重金屬在土壤中的累積作用明顯。

從內梅羅綜合污染指數評價結果來看，4個設施大棚農業和露天的綜合污染指數為0.359～0.510，均小于污染程度安全限定值0.700，表明淮南謝家集區設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的綜合污染指數比露天高，有可能跟種植蔬菜品種或者是區域有關，但也說明設施大棚這種種植方式會加劇重金屬的積累。

3結論

（1）淮南謝家集區4個設施大棚農業土壤同一種養分元素測定的含量差異較小，而和露天農田土壤相比，其各養分指標均有所增加；利用土壤肥力指數和法可以看出設施大棚的土壤肥力水平因為長期種植、施肥和有效管理導致土壤肥力水平較露天高，說明設施大棚農業提高了土壤肥力水平。

（2）單因子污染指數法評價表明，淮南謝家集設施大棚農業土壤的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；內梅羅綜合污染指數法評價表明，5種土壤中重金屬含量在清潔的范圍內，說明設施大棚農業會對土壤的環境質量產生影響。

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