陜西省設施農業土壤退化現狀分析①

張艷霞，陳智坤，胡文友，孫曉宇，黃 標*，田 康

陜西省設施農業土壤退化現狀分析①

張艷霞1,2，陳智坤1，胡文友2，孫曉宇3，黃 標2*，田 康2

(1 陜西省科學院土壤資源與生物技術應用重點實驗室，陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)，西安 710061；2 中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室(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，分別對陜北、關中、陜南148個重點設施蔬菜基地進行了大棚種植歷史、輪作現狀、水肥管理、病蟲害現狀等系統調查，并通過土壤樣品采集，分析了土壤基本性質、養分含量和重金屬含量。結果顯示，陜西省3個地區的設施土壤pH均顯著低于周邊大田土壤，且隨著設施種植年限增加土壤pH呈現持續下降趨勢；土壤次生鹽漬化特征明顯(EC > 500 μS/cm)；土壤養分積累現象普遍，特別是速效養分積累顯著；陜北、關中地區設施土壤部分重金屬累積超過大田土壤，表明該地區設施土壤退化現象明顯。結合設施農業調查資料發現，設施土壤退化的根本原因是利用強度過高、農用品投入過大，這將對設施生產與生態環境造成影響，因此，在該地區，開展設施土壤輪作休耕或修復工作非常必要。

土壤退化；養分失衡；設施農業；土壤修復

設施農業高強度的利用方式對土壤生產功能、污染物行為等影響突出，導致土壤退化，如酸化[1]、次生鹽漬化[2-3]、養分失衡[4]、污染物積累和有效性提高[4-6]等，產生連作障礙；同時，一些大田生產條件下易分解的農藥[7-8]、酞酸酯[9-10]和抗生素[11-12]等也會在土壤中積累，積累量可達大田土壤的數倍，嚴重影響設施農業生產發展和農產品質量安全[13]。陜西省作為我國西北地區主要的設施蔬菜生產基地之一，近年來，在省委、省政府對設施農業的政策扶持下，設施蔬菜總面積已從2008年的不足1.3萬hm2增至2014年的6.7萬hm2[14]，設施蔬菜總產量占全省蔬菜總產量的35.6%[15]。全省設施蔬菜每公頃凈收入達到15.8萬元[16]，設施農業已成為陜西省農民增收的主導產業。然而，隨之帶來的設施土壤質量惡化問題也不斷出現，這已成為制約陜西省設施農業可持續發展的主要矛盾。因此，本研究通過調查全省重點設施農業基地與土壤樣品分析，剖析陜西省設施農業土壤退化現狀特征，為下一步開展設施農業土壤輪作休耕和修復工作提供數據支撐，為當地或類似地區決策部門發展設施農業產業提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

陜西省是我國西部地區主要的蔬菜生產基地之一，設施面積約占西部設施總面積的15%[14]。秦嶺橫貫境內，陜北、關中、陜南的區域空間差異顯著，主要表現為：陜南處于秦嶺以南，為北亞熱帶大陸性濕潤季風氣候；植被覆蓋率高，土壤黏粒較多、pH呈弱酸性、有機質含量高；多為山區，交通不便；溫室類型以塑料大棚為主，全年蔬菜生產不停歇。關中處于秦嶺以北，為暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候，地勢平坦，是陜西主要糧食產區，土層較厚、土壤pH呈中偏弱堿性、有機質含量較高；塑料大棚與日光溫室比重相當，基本實現全年生產。陜北北接內蒙，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、有機質含量偏低；以日光溫室為主，夏季一般停歇，秋冬季進行蔬菜生產。

1.2 調查及樣品采集與處理

設施蔬菜生產基地土壤調查與采樣開展于2016年。通過對全省各縣規模以上設施農業示范園篩選，最終確定148家(其中，陜北47家，關中88家，陜南14家)設施蔬菜基地開展研究，涵蓋全省10個地級市。陜北以日光溫室為主，陜南以塑料大棚為主，關中地區兩種設施類型均普遍(圖1)。調查內容主要包括設施蔬菜大棚的種植歷史、種植年限、農膜使用、肥料使用、灌溉歷史、農藥使用、病蟲害情況等。

在這些設施蔬菜基地，共采集設施土壤樣品200份，對照農田土壤樣品130份，樣點采用GPS定位。在每一個設施蔬菜基地的棚內采用“之”字型采樣法[17]，采集5個表層土壤(0 ~ 20 cm)，混合均勻后取約1 kg裝入自封袋形成一個土壤樣品，對照樣品取自大棚外無大棚種植歷史的農田，包括小麥地、油菜地、稻田等，同樣為5個點的混合樣品。野外采集的土壤樣品經風干后，剔除石塊、植物根莖等雜質，研磨分別過10目篩用于土壤pH、電導率(EC)、有效磷(AvP)、速效鉀(AvK)測定；過60目篩用于陽離子交換量(CEC)、有機質(SOM)、全氮(TN)的測定；過100目篩用于Cd、As、Hg測定；過200目篩待全磷(TP)、全鉀(TP)、Cr、Cu、Pb、Zn等全量測定。

圖1 陜西省設施蔬菜基地設施大棚類型及采集點位

1.3 樣品分析

土壤pH采用水土比2.5∶1混勻，并用PHS-3C型酸度計進行測定；EC采用電導率儀(DDS-307)進行測定，水土比5∶1；AvP采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色，分光光度計測定；AvK測定采用NH4OAc提取，火焰光度計(FP650)分析；CEC測定采用NH4OAc-EDTA (1 mol/L:0.005 mol/L)提取，定氮儀(DDS-307)蒸餾方法測定；SOM采用外加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；TN采用濃H2SO4消化，凱氏定氮法測定。以上測試方法詳見《土壤農業化學分析方法》[17]一書。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譜(ICP-MS)測定[18]，As、Hg采用王水消解，原子熒光光譜法(AFS) 測定[19]。TP、TK、Cr、Cu、Pb、Zn等含量測定采用200目土壤通過壓片，X射線熒光光譜儀(PW2440X)測定[20]。

2 結果

2.1 設施農業土壤酸化及次生鹽漬化特征

設施土壤酸化、鹽化現象明顯，陜南、關中、陜北3個地區設施農業土壤pH均低于對應區域的大田土壤，其中陜北、關中地區差異均達到<0.01顯著水平(表1)。盡管陜南地區設施農業土壤pH較大田土壤差異沒有達到顯著水平，但其設施土壤的pH降幅最大(平均下降0.69個pH單位)，其次是陜北(0.52)、關中(0.25)。陜北設施蔬菜種植年限在10 a以上的土壤pH顯著高于種植年限在5 ~ 9 a的設施土壤；而關中和陜南地區，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、關中、陜南設施土壤EC值顯著高于大田土壤，設施土壤50% 以上的點位EC值超過500 μS/cm，銅川、安康等部分點位EC值超過1 000 μS/cm，說明設施大棚土壤已經發生次生鹽漬化。由于不同地區、不同種植年限設施蔬菜土壤樣本間EC的變異系數均較大，不同地區、不同種植年限間土壤EC差異并不顯著。

2.2 設施土壤主要養分累積狀況

設施土壤養分積累現象普遍，特別是土壤速效養分。與普通大田相比，設施土壤TN和TP顯著增加。與全國統一分級標準相比，陜北設施土壤TN處于4級，中等水平(0.75 ~ 1.0 g/kg)；而陜南和關中地區設施土壤處于第3等級，高水平(1.0 ~ 1.5 g/kg)。設施土壤TP積累更加明顯，3個區域設施土壤TP均處于第1等級，極高水平(>1.0 g/kg)。雖然普通大田土壤和設施土壤AvP都處于極高水平(> 40 mg/kg)，陜北、關中和陜南地區設施土壤AvP含量分別是對應大田土壤的2.92倍、3.22倍和2.61倍。3個區域設施土壤AvK含量都處于極高水平(>200 mg/kg)，設施大棚AvP:AvK比例明顯高于大田(表3)，說明設施土壤中有效磷和速效鉀的積累量不同。

表1 設施大棚與大田土壤pH、CEC、EC、SOM的比較

注：表中同列數據小寫字母和大寫字母不同分別表示大田和大棚土壤間差異達<0.05和<0.01顯著水平。

表2 種植年限對設施大棚土壤pH、CEC、EC、SOM的影響

注：同列數據小寫字母和大寫字母不同分別表示同一地區不同種植年限土壤間差異達<0.05和<0.01顯著水平。

表3 設施大棚與大田土壤N、P、K、AvK和AvP含量

注：同行數據小寫字母和大寫字母不同分別表示同一地區大田和大棚土壤間差異達0.05和0.01顯著水平。

2.3 設施土壤重金屬累積狀況

本文主要考察了重金屬在設施土壤中的累積情況。結果顯示，陜北、關中地區設施土壤Cd、Cu、Zn等累積量高于普通大田土壤，陜南地區僅Zn在設施土壤中的累積高于大田(表4)。與國家《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》(2006)進行比較，設施表層土壤Cd、Zn等累積已出現超標樣點，超標率在0.5% ~ 7.2%，在設施生產最強烈的關中地區較為突出。同時，部分重金屬(如Cd和Zn)含量隨種植年限的增加有增加趨勢(圖2)。

表4 設施大棚與大田間土壤重金屬含量比較(mg/kg)

圖 2 種植年限對不同區域設施土壤Cd和Zn含量的影響

3 討論

3.1 土壤退化導致作物連作障礙與環境問題

研究結果顯示，陜西設施土壤已經呈現酸化、次生鹽漬化、土壤速效養分積累、部分重金屬累積超標等土壤退化問題。結合現場調查結果來看，陜西省設施農業土壤的這些退化現象已普遍存在。土壤退化已對當地設施生產產生了一定的影響，集中表現在作物生長出現連作障礙。一般而言，設施土壤連作障礙主要表現在：①土傳病原菌侵染引起的植物病害[21]；②長期單一植物種植對某一種養分嗜好引起的養分失調；③植物自毒或化感物質積累[22]。調查發現，這些現象在陜西省不同地區的設施大棚中均有不同程度發生，如常見的線蟲病害、土壤鹽漬化明顯(表1、2)、設施土壤速效磷鉀比例明顯失調(表3)等。更嚴重的是，部分土壤退化顯著的大棚由于無法種植已被放棄，尤其在設施農業發展較早的地區，如大荔、涇陽、楊凌等地區，常見年代較老的設施大棚被棄之不用，而另尋新的土地種植，蠶食有限的土壤資源。

土壤退化可能還對設施環境產生較大的影響。主要表現在：①影響作物品質。隨著土壤pH降低、有機質積累、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影響水環境質量。土壤中氮磷、農藥、酞酸酯等物質累積，并會向周邊水環境遷移，尤其是陜西境內的設施灌溉主要取自地下水，這會增加地下水和地表水中養分或污染物超標風險，破壞水生環境[23]。③影響大氣環境質量[24]。作為高量施肥生產的設施農業生態系統，其氮肥利用很低，調查顯示設施蔬菜氮肥施用量高達每年2 000 kg/hm2，其中作物吸收僅利用10% ~ 30%，約30% 通過氨揮發和反硝化揮發進入大氣。

3.2 設施土壤質量改進措施設想

設施農業土壤退化及其生態效應形成的根本原因，是這一系統內土壤高強度單一利用、農用投入品高量使用，以及封閉的設施環境[14]。為解決這一問題，當地種植戶采取了多種措施進行防控。例如，現場調查發現，針對日光溫室大棚，種植戶選擇在7、8月份歇棚期，進行土壤熏蒸或悶棚滅菌操作，這些措施對短期內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，影響土壤的產出效能，甚至浪費土地資源。因此，要從根本上解決設施農業土壤退化問題，需要轉換思路，另辟蹊徑。

土壤輪作休耕[2, 25-26]是一種將農業生產由強度利用型轉變為生態友好型的農業生產方式，即通過合理配置資源，用養結合，促進土壤資源可持續利用，實現現代農業可持續發展?，F場調查發現，不少種植戶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。將這些經驗加以總結，并結合農產品的市場價格波動峰谷期、政府補貼政策，以及設施農業規?；a等發展趨勢，可將設施土壤輪作休耕形成體系，并加以推廣，最終解決設施農業土壤退化問題，實現設施農業的可持續發展。

4 結論

通過對陜西省陜北、關中、陜南3個地區的重點設施農業基地調查、土壤樣品采樣分析，發現陜西省設施土壤質量呈現退化趨勢，主要表現在4個方面：①設施土壤酸化，其中，陜南地區設施土壤pH降幅最大；②次生鹽漬化，設施土壤EC值顯著高于大田土壤；③土壤養分積累，其中TP、TN累積明顯；④部分地區設施土壤重金屬累積超過大田土壤。結合設施大棚調查資料，我們發現設施土壤退化已導致作物生產受到影響，同時土壤退化和污染物積累也可能對設施農田的生態環境產生影響。設施土壤退化的根本原因是設施土壤的高強度單一利用和高量投入。因此，采取有效措施防止設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。

[1] 史靜, 張乃明, 包立. 我國設施農業土壤質量退化特征與調控研究進展[J]. 中國生態農業學報, 2013, 31(7): 787–794.

[2] 施毅超, 胡正義, 龍為國, 等. 輪作對設施蔬菜大棚中次生鹽漬化土壤鹽分離子累積的影響[J]. 中國生態農業學報, 2011, 19(3): 548–553.

[3] 余海英, 李廷軒, 周健民. 設施土壤次生鹽漬化及其對土壤性質的影響[J]. 土壤, 2005, 37(6): 581–586.

[4] 蔡祖聰. 我國設施栽培養分管理中待解的科學和技術問題[J]. 土壤學報. 2019, 56(1): 36–43.

[5] 胡文友, 黃標, 馬宏衛, 等. 南方典型設施蔬菜生產系統鎘和汞累積的健康風險[J]. 土壤學報, 2014, 51(5): 1045–1055.

[6] 劉兆輝, 江麗華, 張文君, 等. 山東省設施蔬菜施肥量演變及土壤養分變化規律[J]. 土壤學報, 2008, 45(2): 296–303.

[7] 周威. 多菌靈、百菌清、毒死蜱在大棚和露地蔬菜及其土壤中的殘留特征[D]. 杭州: 浙江大學, 2013.

[8] 王少云. 多菌靈、百菌清、毒死蜱在大棚黃瓜和土壤中的殘留特征及其對土壤遺傳毒性的影響[D]. 杭州: 浙江大學, 2015.

[9] Ma T T, Wu L H, Chen L, et al. Phthalate esters contamination in soils and vegetables of plastic film greenhouses of suburb Nanjing, China and the potential human health risk[J]. Environmental Science and Pollution Research International, 2015, 22, 12018–12028.

[10] Wang J, Luo Y M, Teng Y, et al. Soil contamination by phthalate esters in Chinese intensive vegetable production systems with different modes of use of plastic film[J]. Environmental Pollution, 2013, 180: 265–73.

[11] 羅凱, 李文紅, 章海波, 等. 南京典型設施菜地有機肥和土壤中四環素類抗生素的污染特征調查[J]. 土壤, 2014, 46(2): 330–338.

[12] Yin C Y. Luo Y M, Teng Y, et al. Pollution characteristics and accumulation of antibiotics in typical protected vegetable soils[J]. Environmental Science, 2012, 33(8): 2810–2815.

[13] 褚素貞, 王莉麗, 賴麗芳. 蔬菜大棚土壤質量下降原因及改良方法的研究進展[J]. 安徽農業科學, 2015, 43(11): 78–80.

[14] Hu W, Zhang Y, Huang B, et al. Soil environmental quality in greenhouse vegetable production systems in eastern China: Current status and management strategies[J]. Chemosphere, 2017, 170: 183–195.

[15] 中國農業研究網. 陜西省蔬菜設施數量和面積不斷增加[N]. 2015. http://ny.chinairn.com/news/20150413/154007798.shtml.

[16] 陜西省農業廳. 設施蔬菜成陜西省效益最好的農業主導產業[N]. 2015. http://news.163.com/15/0509/19/AP6RF5J 000014AEE.html.

[17] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[18] 蔡蘋楊. 電感耦合等離子體質譜法測定土壤中的銅鋅鉛鎘[J]. 四川地質學報, 2015, 3(35): 452–454.

[19] 杜英秋. 王水消解–原子熒光光譜法測定土中砷和汞. 黑龍江農業科學[J]. 2013(10): 100–103.

[20] 陳霄龍. X射線熒光光譜法檢測土壤中重金屬的研究[D]. 長春: 長春理工大學, 2014.

[21] 王海霞, 王念平. 大棚蔬菜連作障礙防治措施[J]. 現代農業科技, 2007(16): 98–99.

[22] 繆其松, 張聰, 廣建芳, 等. 設施土壤連作障礙防控技術研究進展[J]. 北方園藝, 2017, 16: 180–185.

[23] 黃標, 胡文友, 虞云龍, 等. 我國設施蔬菜產地土壤環境質量問題及管理對策[J]. 中國科學院院刊, 2015, 30: 194–202.

[24] Wang G, Zhang R, Gomez M E, et al. Persistent sulfate formation from London Fog to Chinese haze[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113: 13630–13635.

[25] 錢晨晨, 黃國勤, 趙其國. 中國輪作休耕制度的應用進展[J]. 農學學報, 2017, 7(3): 37–41.

[26] 王志強, 黃國勤, 趙其國. 新常態下我國輪作休耕的內涵、意義及實施要點解析[J]. 土壤, 2017, 49(4): 651–657.

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. 陜西省設施農業土壤退化現狀分析. 土壤, 2020, 52(3): 640–644.

陜西省科學院重大研究專項(2016K-07)、陜西省重點研發專項重點項目(2017ZDXM-NY-049)、國家科技基礎性工作專項(2015FY110400-(2))和國家青年科學基金項目(41807497)資助。

(bhuang@issas.ac.cn)

張艷霞(1984—)，女，山西長治人，博士后，主要從事環境管理與土壤污染物暴露風險等相關研究。E-mail: yxzhang@issas.ac.cn