陕西省设施农业土壤退化现状分析.pdf

土 壤 Soils 2020 52 3 640 644 基金项目 陕西省科学院重大研究专项 2016K 07 陕西省重点研发专项重点项目 2017ZDXM NY 049 国家科技基础性工作专项 2015FY110400 2 和国家青年科学基金项目 41807497 资助 通讯作者 bhuang 作者简介 张艳霞 1984 女 山西长治人 博士后 主要从事环境管理与土壤污染物暴露风险等相关研究 E mail yxzhang DOI 10 13758 ki tr 2020 03 031 张艳霞 陈智坤 胡文友 等 陕西省设施农业土壤退化现状分析 土壤 2020 52 3 640 644 陕西省设施农业土壤退化现状分析 张艳霞 1 2 陈智坤 1 胡文友 2 孙晓宇 3 黄 标 2 田 康 2 1 陕西省科学院土壤资源与生物技术应用重点实验室 陕西省西安植物园 陕西省植物研究所 西安 710061 2 中国科学院土壤环境与 污染修复重点实验室 南京土壤研究所 南京 210008 3 陕西省微生物研究所 西安 710043 摘 要 本文以 陕西省为 例 分 别对陕北 关中 陕南 148 个重 点设施蔬 菜基地 进行了大 棚种植 历史 轮 作现状 水肥管 理 病 虫 害现状等 系统调 查 并通过 土壤 样品采集 分析 了土壤基 本性质 养 分含量 和重 金属含量 结果 显示 陕西省 3 个地区的 设施土 壤 pH 均显著 低于 周边大田 土壤 且随着设 施种植 年限增加 土壤 pH 呈现持 续下降 趋势 土 壤次生 盐渍化特 征明显 EC 500 S cm 土壤养分 积累现 象普遍 特 别是 速效养分 积累显 著 陕北 关 中 地区设施 土壤部 分重金属 累积超 过大田土 壤 表 明该地区 设施土 壤 退化现象 明显 结合设施 农业调 查资料发 现 设 施土壤退 化的根 本原因是 利用强 度过高 农 用品 投入过大 这将 对设施生 产与生 态 环境造成影响 因此 在该地区 开展设施土壤轮作休耕或修复工作非常必要 关键词 土壤退化 养分失衡 设施农业 土壤修复 中图分类号 X53 文献标志码 A Soil Degradation in Greenhouse Vegetable Production Systems in Shaanxi ZHANG Yanxia 1 2 CHEN Zhikun 1 HU Wenyou 2 SUN Xiaoyu 3 HUANG Biao 2 TIAN Kang 2 1 Key Laboratory of Soil Resource 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 Abstract 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 Key words Soil degradation Nutrient imbalance Facility agriculture Soil remediation 设施农业高强度的利用方式对土壤生产功能 污 染物行为等影响突出 导致土壤退化 如酸化 1 次 生盐渍化 2 3 养分失衡 4 污染物积累和有效性提 高 4 6 等 产生连作障碍 同时 一些大田生产条件 下易分解的农药 7 8 酞酸酯 9 10 和抗生素 11 12 等也会 在土壤中积累 积累量可达大田土壤的数倍 严重影 响设施农业生产发展和农产品质量安全 13 陕西省 作为我国西北地区主要的设施蔬菜生产基地之一 近 第 3 期 张 艳 霞 等 陕 西省设施农业土壤退化现状分析 641 年来 在省委 省政府对设施农业的政策扶持下 设 施蔬菜总面积已从 2008 年的不足 1 3 万 hm 2 增至 2014 年的 6 7 万 hm 2 14 设施蔬菜总产量占全省蔬菜 总产量的 35 6 15 全省设施蔬菜每公顷净收入达到 15 8 万元 16 设施农业已成为陕西省农民增收的主 导产业 然而 随之带来的设施土壤质量恶化问题也 不断出现 这已成为制约陕西省设施农业可持续发展 的主要矛盾 因此 本研究通过调查全省重点设施农 业基地与土壤样品分析 剖析陕西省设施农业土壤退 化现状特征 为下一步开展设施农业土壤轮作休耕和 修复工作提供数据支撑 为当地或类似地区决策部门 发展设施农业产业提供参考 1 材料与方法 1 1 研究区域 陕西省是我国西部地区主要的蔬菜生产基地之 一 设施面积约占西部设施总面积的 15 14 秦岭 横贯境内 陕北 关中 陕南的区域空间差异显著 主要表现为 陕南处于秦岭以南 为北亚热带大陆性 湿润季风气候 植被覆盖率高 土壤黏粒较多 pH 呈弱酸性 有机质含量高 多为山区 交通不便 温 室类型以塑料大棚为主 全年蔬菜生产不停歇 关中 处于秦岭以北 为暖温带半湿润大陆性季风型气候 地势平坦 是陕西主要粮食产区 土层较厚 土壤 pH 呈中偏弱碱性 有机质含量较高 塑料大棚与日 光温室比重相当 基本实现全年生产 陕北北接内蒙 为温带大陆性半干旱气候 榆林多为沙土地 延安多 为黄土地 植被覆盖少 土壤 pH 呈中性偏碱性 有 机质含量偏低 以日光温室为主 夏季一般停歇 秋 冬季进行蔬菜生产 1 2 调查及样品采集与处理 设施蔬菜生产基地土壤调查与采样开展于 2016 年 通过对全省各县规模以上设施农业示范园筛选 最终确定 148 家 其中 陕北 47 家 关中 88 家 陕 南 14 家 设施蔬菜基地开展研究 涵盖全省 10 个地 级市 陕北以日光温室为主 陕南以塑料大棚为主 关中地区两种设施类型均普遍 图 1 调查内容主要 包括设施蔬菜大棚的种植历史 种植年限 农膜使用 肥料使用 灌溉历史 农药使用 病虫害情况等 在这些设施蔬菜基地 共采集设施土壤样品 200 份 对照农田土壤样品 130 份 样点采用 GPS 定 位 在每一个设施蔬菜基地的棚内采用 之 字型 采样法 17 采 集 5 个表层土壤 0 20 cm 混合均匀 后取约 1 kg 装入自封袋形成一个土壤样品 对照样 图 1 陕西省设施蔬菜基地设施大棚类型及采集点位 品取自大棚外无大棚种植历史的农田 包括小麦地 油菜地 稻田等 同样为 5 个点的混合样品 野外采 集的土壤样品经风干后 剔除石块 植物根茎等杂质 研磨分别过 10 目筛用于土壤 pH 电导率 EC 有 效 磷 AvP 速效钾 AvK 测定 过 60 目筛用于阳离子 交换量 CEC 有机质 SOM 全氮 TN 的测定 过 100 目筛用于 Cd As Hg 测定 过 200 目筛待全磷 TP 全钾 TP Cr Cu Pb Zn 等全量测定 1 3 样品分析 土壤 pH 采用水土比 2 5 1 混匀 并用 PHS 3C 型酸度计进行测定 EC 采用电导率仪 DDS 307 进行 测定 水土比 5 1 AvP 采用 NaHCO 3 提取 钼锑 抗比色 分光光度计测定 AvK 测定采用 NH 4 OAc 提取 火焰光度计 FP650 分析 CEC 测定采用 NH 4 OAc EDTA 1 mol L 0 005 mol L 提取 定氮仪 DDS 307 蒸馏方法测定 SOM 采用外加热重铬酸钾 氧化容量法测定 TN 采用浓 H 2 SO 4 消化 凯氏定 氮法测定 以上测试方法详见 土壤农业化学分析 方法 17 一书 土壤 Cd 采用盐酸 硝酸 氢氟酸 高 氯酸消解 电感耦合等离子体质谱 ICP MS 测定 18 As Hg 采用王水消解 原子荧光光谱法 AFS 测 定 19 TP TK Cr Cu Pb Zn 等含量测定采用 200 目土壤通过压片 X 射线荧光光谱仪 PW2440X 测定 20 642 土 壤 第 52 卷 2 结果 2 1 设施农业土壤酸化及次生盐渍化特征 设施土壤酸化 盐化现象明显 陕南 关中 陕 北 3 个地区设施农业土壤 pH 均低于对应区域的大田 土壤 其中陕北 关中地区差异均达到 P1 0 g kg 虽然普通大田土壤 和设施土壤 AvP 都处于极高水平 40 mg kg 陕北 关中和陕南地区设施土壤 AvP 含量分别是对应大田 土壤的 2 92 倍 3 22 倍和 2 61 倍 3 个区域设施土 壤 AvK 含量都处于极高水平 200 mg kg 设施大棚 AvP AvK 比例明显高于大田 表 3 说明设施土壤中 有效磷和速效钾的积累量不同 表 1 设施大棚与大田土壤 pH CEC EC SOM的比较 pH EC S cm CEC mmol kg SOM g kg 土壤 来源 陕北 关中 陕南 陕北 关中 陕南 陕北 关中 陕南 陕北 关中 陕南 大田 8 72 A 8 19 A 6 86 a 127 55 B 177 17 B 143 07 B 63 39 a 175 19 a 165 45 a 6 2 B 12 8 b 15 2 b 大棚 8 20 B 7 94 B 6 17 a 482 95 A 548 80 A 669 77 A 70 57 a 174 18 a 174 17 a 10 6 A 16 9 a 19 2 a 注 表中同列数据小写字母和大写字母不同分别表示大田和大棚土壤间差异达 P 0 05 和 P10 27 8 33 0 52 a 390 77 306 40 b 7 9 4 2 B 65 25 24 34 b 1 4 17 8 14 0 62 ab 443 74 593 53 ab 9 7 5 2 B 63 56 31 50 b 陕北 5 9 11 7 81 0 57 b 845 50 598 74 a 15 9 7 8 A 86 57 22 98 a 10 50 7 89 0 60 a 547 75 585 05 a 15 8 8 7 a 183 96 58 87 a 1 4 23 8 00 0 61 a 557 36 668 57 a 18 1 8 7 a 147 92 40 08 a 关中 5 9 18 7 91 0 44 a 524 86 417 10 a 16 2 5 8 a 171 83 60 36 a 10 11 5 91 1 06 a 776 55 669 00 a 16 1 3 3 a 158 64 56 02 a 1 4 21 6 94 0 82 a 517 19 504 64 a 18 4 11 0 a 185 44 82 08 a 陕南 5 9 6 6 41 1 12 a 438 48 211 37 a 15 1 4 3 a 136 08 62 39 a 注 同列数据小写字母和大写字母不同分别表示同一地区不同种植年限土壤间差异达 P 0 05 和 P 0 01 显著水平 表 3 设施大棚与大田土壤 N P K AvK 和 AvP 含量 陕北 关中 陕南 指标 大田 大棚 大田 大棚 大田 大棚 样本量 42 56 75 93 24 51 TN g kg 0 44 0 27 B 0 76 0 53 A 0 93 0 54 B 1 24 0 71 A 0 98 0 42 B 1 48 0 81 A TP g kg 0 77 0 32 B 1 11 0 51 A 1 09 0 52 B 1 52 0 76 A 1 10 0 39 B 1 58 0 80 A TK g kg 17 62 1 31 a 17 56 1 09 a 19 32 1 09 a 19 55 1 53 a 19 26 2 37 b 20 65 2 39 a N P K 2 5 4 4 100 4 3 6 3 100 5 3 6 2 100 7 0 8 6 100 5 6 6 2 100 8 4 9 0 100 AvP mg kg 41 85 64 23 B 122 16 107 78 A 44 40 76 54 B 142 94 112 36 A 59 79 62 19 B 156 33 98 22 A AvK mg kg 185 05 104 04 B 273 66 183 76 A 277 76 281 14 B 422 65 54 88 A 151 83 65 37 B 303 61 300 31 A AvP AvK 23 100 66 100 24 100 77 100 32 100 84 100 注 同行数据小写字母和大写字母不同分别表示同一地区大田和大棚土壤间差异达 P 0 05 和 P 0 01 显著水平 第 3 期 张 艳 霞 等 陕 西省设施农业土壤退化现状分析 643 2 3 设施土壤重金属累积状况 本文主要考察了重金属在设施土壤中的累积情 况 结果显示 陕北 关中地区设施土壤 Cd Cu Zn 等累积量高于普通大田土壤 陕南地区仅 Zn 在设 施土壤中的累积高于大田 表 4 与国家 温室蔬菜 产地环境质量评价标准 2006 进行比较 设施表层 土壤 Cd Zn 等累积已出现超标样点 超标率在 0 5 7 2 在设施生产最强烈的关中地区较为突出 同 时 部分重金属 如 Cd 和 Zn 含量随种植年限的增加 有增加趋势 图 2 表 4 设施大棚与大田间土壤重金属含量比较 mg kg 陕北 关中 陕南 重金属 大田 大棚 大田 大棚 大田 大棚 As 9 30 1 85 9 18 1 65 11 65 1 15 11 40 1 32 10 28 4 12 9 70 2 09 Cd 0 12 0 04 0 13 0 04 0 20 0 08 0 24 0 16 0 37 0 49 0 26 0 10 Cr 45 75 8 15 48 04 10 37 56 05 9 75 58 71 13 01 90 70 24 30 72 46 14 81 Cu 17 78 2 59 18 64 3 35 23 34 3 07 26 03 8 86 31 98 12 60 28 76 7 05 Hg 0 04 0 06 0 04 0 03 0 08 0 12 0 10 0 11 0 11 0 10 0 10 0 07 Pb 16 55 2 04 16 72 2 10 24 25 6 53 23 69 6 05 26 76 4 48 24 83 5 02 Zn 57 70 17 15 63 46 8 36 74 42 14 08 90 04 36 36 98 15 37 27 105 89 4 35 图 2 种植年限对不同区域设施土壤 Cd 和 Zn 含量的影响 3 讨论 3 1 土壤退化导致作物连作障碍与环境问题 研究结果显示 陕西设施土壤已经呈现酸化 次 生盐渍化 土壤速效养分积累 部分重金属累积超标 等土壤退化问题 结合现场调查结果来看 陕西省设 施农业土壤的这些退化现象已普遍存在 土壤退化已 对当地设施生产产生了一定的影响 集中表现在作物 生长出现连作障碍 一般而言 设施土壤连作障碍主 要表现在 土传病原菌侵染引起的植物病害 21 长期单一植物种植对某一种养分嗜好引起的养分 失调 植物自毒或化感物质积累 22 调查发现 这些现象在陕西省不同地区的设施大棚中均有不同 程度发生 如常见的线虫病害 土壤盐渍化明显 表 1 2 设施土壤速效磷钾比例明显失调 表 3 等 更 严重的是 部分土壤退化显著的大棚由于无法种植已 被放弃 尤其在设施农业发展较早的地区 如大荔 泾阳 杨凌等地区 常见年代较老的设施大棚被弃之 不用 而另寻新的土地种植 蚕食有限的土壤资源 土壤退化可能还对设施环境产生较大的影响 主 要表现在 影响作物品质 随着土壤 pH 降低 有 机质积累 盐分增加等可提高土壤中重金属的生物有 效性和作物的吸收 影响水环境质量 土壤中氮磷 农药 酞酸酯等物质累积 并会向周边水环境迁移 尤其是陕西境内的设施灌溉主要取自地下水 这会增 加地下水和地表水中养分或污染物超标风险 破坏水 生环境 23 影响大气环境质量 24 作为高量施肥 生产的设施农业生态系统 其氮肥利用很低 调查显 示设施蔬菜氮肥施用量高达每年 2 000 kg hm 2 其 中 作物吸收仅利用 10 30 约 30 通过氨挥发和 644 土 壤 第 52 卷 反硝化挥发进入大气 3 2 设施土壤质量改进措施设想 设施农业土壤退化及其生态效应形成的根本原 因 是这一系统内土壤高强度单一利用 农用投入品 高量使用 以及封闭的设施环境 14 为解决这一问 题 当地种植户采取了多种措施进行防控 例如 现 场调查发现 针对日光温室大棚 种植户选择在 7 8 月份歇棚期 进行土壤熏蒸或闷棚灭菌操作 这些 措施对短期内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 这些措施的作用将大大 减弱 最终不得不改种其他作物或弃耕 影响土壤的 产出效能 甚至浪费土地资源 因此 要从根本上解 决设施农业土壤退化问题 需要转换思路 另辟蹊径 土壤轮作休耕 2 25 26 是一种将农业生产由强度 利用型转变为生态友好型的农业生产方式 即通过合 理配置资源 用养结合 促进土壤资源可持续利用 实现现代农业可持续发展 现场调查发现 不少种植 户采取了一些轮作措施 如蔬菜 玉米轮作 蔬菜 蘑菇轮作等 取得了好的效果 将这些经验加以总结 并结合农产品的市场价格波动峰谷期 政府补贴政 策 以及设施农业规模化生产等发展趋势 可将设施 土壤轮作休耕形成体系 并加以推广 最终解决设施 农业土壤退化问题 实现设施农业的可持续发展 4 结论 通过对陕西省陕北 关中 陕南 3 个地区的重点 设施农业基地调查 土壤样品采样分析 发现陕西省 设施土壤质量呈现退化趋势 主要表现在 4 个方面 设施土壤酸化 其中 陕南地区设施土壤 pH 降幅 最大 次生盐渍化 设施土壤 EC 值显著高于大田 土壤 土壤养分积累 其中 TP TN 累积明显 部分地区设施土壤重金属累积超过大田土壤 结合设 施大棚调查资料 我们发现设施土壤退化已导致作物 生产受到影响 同时土壤退化和污染物积累也可能对 设施农田的生态环境产生影响 设施土壤退化的根本 原因是设施土壤的高强度单一利用和高量投入 因 此 采取有效措施防止设施土壤退化非常必要 而轮 作休耕是防止土壤退化的重要措施之一 参考文献 1 史静 张乃明 包立 我国设施农业土壤质量退化特征 与调控研究进展 J 中国生态农业学报 2013 31 7 787 794 2 施毅超 胡正义 龙为国 等 轮作对设施蔬菜大棚中 次生盐渍化土壤盐分离子累积的影响 J 中国生态农业 学报 2011 19 3 548 553 3 余海英 李廷轩 周健民 设施土壤次生盐渍化及其对 土壤性质的影响 J 土壤 2005 37 6 581 586 4 蔡祖聪 我国设施栽培养分管理中待解的科学和技术问 题 J 土壤学报 2019 56 1 36 43 5 胡文友 黄标 马宏卫 等 南方典型设施蔬菜生产系 统镉和汞累积的健康风险 J 土壤学报 2014 51 5 1045 1055 6 刘兆辉 江丽华 张文君 等 山东省设施蔬菜施肥量 演变及土壤养分变化规律 J 土壤学报 2008 45 2 296 303 7 周威 多菌灵 百菌清 毒死蜱在大棚和露地蔬菜及其 土壤中的残留特征 D 杭州 浙江大学 2013 8 王少云 多菌灵 百菌清 毒死蜱在大棚黄瓜和土壤中 的残留特征及其对土壤遗传毒性的影响 D 杭州 浙江 大学 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 罗凯 李文红 章海波 等 南京典型设施菜地有机肥 和土壤中四环素类抗生素的污染特征调查 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 褚素贞 王莉丽 赖丽芳 蔬菜大棚土壤质量下降原因 及改良方法的研究进展 J 安徽农业科学 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 中国农业研究网 陕西省蔬菜设施数量和面积不断增加 N 2015 16 陕西省农业厅 设施蔬菜成陕西省效益最好的农业主导 产业 N 2015 000014AEE html 17 鲁如坤 土壤农业化学分析方法 M 北京 中国农业科 技出版社 2000 18 蔡苹杨 电感耦合等离子体质谱法测定土壤中的铜锌铅 镉 J 四川地质学报 2015 3 35 452 454 19 杜英秋 王水消解 原子荧光光谱法测定土中砷和汞 黑 龙江农业科学 J 2013 10 100 103 20 陈霄龙 X 射线荧光光谱法检测土壤中重金属的研究 D 长春 长春理工大学 2014 21 王海霞 王念平 大棚蔬菜连作障碍防治措施 J 现代 农业科技 2007 16 98 99 22 缪其松 张聪 广建芳 等 设施土壤连作障碍防控技 术研究进展 J 北方园艺 2017 16 180 185 23 黄标 胡文友 虞云龙 等 我国设施蔬菜产地土壤环境质 量问题及管理对策 J 中国科学院院刊 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 钱晨晨 黄国勤 赵其国 中国轮作休耕制度的应用进 展 J 农学学报 2017 7 3 37 41 26 王志强 黄国勤 赵其国 新常态下我国轮作休耕的内 涵 意义及实施要点解析 J 土壤 2017 49 4 651 657