不同種植年限設施菜地土壤養分、重金屬含量變化及主導污染因子解析

井永蘋　李彥　薄錄吉　張英鵬　孫明　仲子文　張柏松

摘要：為探討不同種植年限對設施大棚土壤養分、重金屬累積量的影響及主要污染因子，研究了不同種植年限的大棚土壤速效氮磷鉀含量、有機質含量、pH值及重金屬累積量的變化，并對種植年限與土壤理化性狀和重金屬累積量之間的相關性進行了統計分析。結果表明，隨種植年限延長，土壤速效氮磷鉀、有機質含量均大量累積，速效氮磷、鉀含量分別是未建大棚時的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍；pH值明顯下降，每年約下降0.038個單位；而重金屬Cd、Cu、Zn元素則顯著升高，其中Cd超標現象嚴重，Cu、Zn含量均超土壤背景值；土壤速效氮磷、有機質含量與Cd、Cu、Zn含量均呈顯著正相關關系，由此推測土壤中重金屬Cd、Cu、Zn與速效氮磷、有機質有相似的來源，這說明不同種植年限的設施菜地土壤中均出現養分失衡、土壤酸化、重金屬累積等環境問題，其中主導污染因子為速效氮磷鉀及重金屬Cd元素，Cu、Zn元素為潛在污染因子。為保證設施大棚土壤的生態環境安全應提倡合理科學施肥方式。

關鍵詞：設施大棚；種植年限；理化性狀；重金屬；主導污染因子

中圖分類號：S151.9+X712 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0066-06

隨著設施蔬菜集約化生產的發展，全國設施蔬菜生產面積不斷擴大，從1983年的1.5萬公頃增長到2014年的360.1萬公頃，增長了近240倍。設施蔬菜種植已成為蔬菜產業的支柱。然而，頻繁的耕種和過量肥料及農藥的投入導致設施菜地土壤質量嚴重退化，氮磷流失加劇以及土壤重金屬、農藥殘留等環境問題，因此，了解設施菜地土壤養分、重金屬累積量的變化及對設施菜地主導污染因子進行解析，對提高設施菜地土壤質量、保持設施菜地生產力具有重要指導意義。

設施菜地的利用強度大，具有高投入高產出的特征，隨著種植年限的延長，土壤基礎理化性質和土壤生化環境都發生顯著變化。研究表明，高強度的設施蔬菜種植，使土壤產生酸化趨勢，同時，土壤中氮、磷、重金屬元素等大量累積，致使土壤環境和質量持續下降，增加了土壤養分元素及重金屬對周圍水體及種植作物的污染風險，最終導致設施菜地生產力下降，生產的蔬菜品質降低。Ju等對比研究了我國北方大棚蔬菜與小麥玉米輪作條件下土壤環境質量的差異，發現大棚菜地養分嚴重過剩，造成土壤pH值降低、電導率升高、Cd累積等問題。曾希柏等研究發現，中國菜地土壤重金屬含量超標問題較嚴重，菜地土壤重金屬超標率排序為：Cd>Hg>As>Zn>Cu>Cr>Pb。目前大量研究主要針對土壤理化性質、微生物群落結構以及重金屬累積量等方面，而有關設施菜地土壤隨著種植年限的增長所出現的主導污染因子的研究尚顯薄弱。特別是土壤條件不一致所得出的結論也相差甚遠。本研究通過采集山東省典型蔬菜種植基地的土壤樣品，分析測試土壤樣品中速效氮磷鉀、有機質、重金屬含量、pH值等指標，比較不同種植年限設施菜地養分和重金屬含量的差異，找出土壤中的主導污染因子，為設施菜地可持續利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 設施菜地基本情況及取樣方法

基于科學性、代表性和準確性的調查原則，選取山東省壽光市設施蔬菜種植具有典型代表性的孫家集、田柳、上口、留呂、寒橋、紀臺、華龍、稻田等8個鄉鎮，于2014年11月對這些鄉鎮17個村共計52個農戶的設施蔬菜大棚進行調查。為了使調查信息全面、準確和易于操作，采用問卷調查的方法，調查內容包括2014年蔬菜種植模式、肥料種類、肥料養分含量、施肥量、施肥時期、大棚面積、蔬菜產量、灌溉水源等多項指標。

壽光市設施大棚以種植茄果類蔬菜為主，如番茄、黃瓜、茄子、甜椒、絲瓜、苦瓜等。所調查的大棚蔬菜種植模式主要有4種：春茬和秋茬均種植番茄（n=6）；春茬和秋茬均種植黃瓜（n=11）；春茬和秋茬為茄果類蔬菜輪作（n=16）；一年只種植一茬茄子（n=14）。另外，有5個大棚種植長季節甜椒。以茄果類蔬菜輪作的種植模式最為常見。調查的52個設施大棚棚齡見表1，以種植1～5年的大棚數量最多，其次為11～15年，種植16～20年的大棚數量較少，有4個大棚的棚齡超過了20年。

在調查的52個大棚中，每個大棚分別采用“S”形取樣法用不銹鋼土鉆取5點0～20cm表層土樣制成混合土壤樣品，裝入塑料袋中標記密封，帶回實驗室。并用GPS定位采樣地點和海拔高度。土樣采回后部分及時冷凍保存，用于測定土壤NO^-₃-N；其余土壤風干，磨細過篩，用于測定土壤全氮、磷、鉀、有機質和重金屬含量。

1.2 測定方法及數據分析

全氮和速效磷、鉀測定參照文獻；重金屬按照常規分析方法測定；土壤中總汞含量：硝酸一硫酸消化一冷原子吸收光譜法測定；土壤總鉻：原子吸收光譜法。

運用Microsoft Excel和SPSS統計軟件進行相關數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限大棚土壤中速效氮磷鉀、有機質含量的變化

土壤速效氮磷鉀和有機質均是衡量土壤肥力的主要指標。在本研究中，隨著大棚種植年限的延長，土壤速效氮含量整體呈升高趨勢，在6～10年間增幅最快，而在11～20年間增幅相對緩慢，21～25年增長速度加快；土壤有效磷含量則一直呈現上升趨勢，在1～10年間上升幅度最大，11～20年之間趨于平緩，20年之后又呈快速上升趨勢；土壤速效鉀含量呈先升高后降低的趨勢，在6～10年間速效鉀的累積量最大，而后隨著種植時間的延長逐漸下降。隨著種植年限的延長，土壤氮磷比呈逐漸降低趨勢，降幅越來越大；氮鉀比和磷鉀比均呈持續增加的趨勢，且增幅相對穩定（表2）。土壤硝態氮含量隨著棚齡呈先升高后降低的趨勢，在11～15年累積量最高，達到184.9mg/kg，而后降低。

土壤有機質含量是衡量土壤肥力高低的重要指標之一。由圖1可見，種植年限在10年以下的大棚土壤有機質含量隨年限延長迅速升高，而后10～20年之間隨著棚齡增加，有機質含量增幅減緩，保持相對穩定，而20年以上的大棚土壤有機質又有明顯的積累。這與壽光地區大棚種植過程中每年都要投入大量有機肥有關，起初大棚的有機質消耗少于其積累，而后隨著種植過程中每年大棚多茬蔬菜的生長利用，造成有機質積累與消耗相對均衡，而后又出現消耗少于累積所致。

2.2 不同種植年限大棚土壤pH值的變化

土壤酸堿度對土壤肥力及植物生長影響很大。由圖2可知，大棚土壤pH值隨著種植年限的增加呈緩慢降低趨勢，每年pH值下降幅度約為0.038個單位，而在大棚種植的5～10年里下降幅度較大。這個結果與高新昊等的研究結果相似。

2.3 不同種植年限大棚土壤中重金屬含量的變化

對0～20cm表層土壤中的8種重金屬元素（Cr、Cu、Ni、Pb、zn、Cd、As、Hg）進行檢測，發現在pH值>7.5的范圍內，只有Cd存在超標點位，其他重金屬均沒超過國家土壤環境標準（GB15618-1995），見表3。

由表4可以看出，Cr、Cu、Cd含量均隨著種植年限的延長呈現遞增趨勢，Cr含量在1～20年的種植年限中含量始終低于土壤背景值，直到21～25年時Cr含量超過土壤背景值；Cu的含量在種植5年以上的土壤中其累積量開始高于背景值，并且隨著種植年限的延長呈不斷增加的趨勢；Cd含量在種植5年內其累積量就已經超過土壤背景值，種植年限大于5年的土壤Cd含量即已超出國家二級標準。在種植1～5年期間Zn含量就已經超過背景值，在6～10年問，土壤Zn含量隨著種植年限的延長其增加幅度較大，之后隨著種植年限的延長其含量趨于穩定，無顯著變化。種植年限在1～25年間Ni的含量一直低于背景值，在1～15年種植年限內其含量變化不顯著，從16～20年間，隨著種植年限的延長Ni含量有明顯的增加趨勢，直到種植25年其含量保持穩定。Pb、As的含量隨著種植年限的延長其含量無明顯累積現象，并且低于土壤背景值。因此，8種重金屬元素中Cd已經成為設施菜地重金屬的主導污染因子。而Cu和Zn元素隨著種植年限的延長含量不斷增加，且已超過土壤背景值，因此Cu、Zn成為污染風險較大的潛在污染因子。

2.4 Cd、Cu、Zn含量與土壤有機質、速效氮磷鉀含量的相關性分析

土壤中Cd存在超標點位，視為設施菜地重金屬的主導污染因子。由圖3可見，土壤中有機質含量、速效氮磷鉀含量均與Cd含量呈正相關。其中以有機質含量與Cd含量的相關程度最高（P<0.05），R²=0.9122，y=0.033x-0.3037，其次是速效氮、磷含量；最差的是速效鉀含量與Cd含量的相關性RV僅為0.0408。

Cu、Zn元素超過土壤背景值，且隨著種植年限的延長含量不斷增加，因此本研究中將Cu、Zn元素列為設施菜地土壤潛在污染因子。如表5所示，Cu、Zn元素與有機質、速效氮、速效磷含量均呈顯著或極顯著正相關關系。尤其是Cu與有機質、速效磷和Xn與速效氮含量相關程度最高。

由此可推測，設施菜地土壤中重金屬Cd、Cu、Zn與有機質、速效氮、速效磷可能具有相似的來源。

3 結論與討論

土壤中氮、磷、鉀元素是植物生長不可缺少的營養元素，但是過量施肥會造成養分累積，危害環境。唐海濱等報道土壤氮、磷、鉀養分含量隨種植年限的延長總體上呈增加趨勢。熊漢琴等報道大棚菜地土壤3年以后已明顯出現N、P嚴重富集。本研究中也發現，設施菜地土壤速效氮、磷、鉀的含量隨著種植年限的延長而不斷升高，土壤中的速效氮、磷、鉀已經出現嚴重累積現象。據曾路生報道，壽光土壤未建大棚前，土壤中速效氮、磷、鉀的平均含量分別是54.0、4.3、107.7mg/kg。本研究中速效氮、磷、鉀含量分別是未建大棚時的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍。土壤中高累積量的速效氮很容易隨水流進入水體環境引起水體富營養化，或經反硝化進入大氣環境，影響全球氣候變化，此外，速效氮中的硝態氮累積也是構成土壤鹽漬化的成因之一。與其他元素相比，磷素很容易受到化學固定作用，大部分以閉蓄態形式累積在土壤中，然而當土壤磷素積累到一定程度，淋失強度就會迅速增加，如本研究結果所示，速效磷的最高累積量已達302.2mg/kg，存在極大的淋失風險。同時，土壤中大量鉀元素的累積不僅造成鉀肥浪費，還會導致土壤產生次生鹽漬化。次生鹽漬化也是設施栽培中普遍存在的障礙因子。周德平等研究發現，當pH值從1年棚的7.6下降至11年棚的5.0時，土壤出現次生鹽漬化狀況，其土壤表層可見明顯鹽霜。

從本研究結果來看，設施菜地速效氮、磷、鉀已對其種植環境構成極大威脅，需要引起足夠的重視，應積極采取措施從源頭上控制氮、磷、鉀的投入，科學合理施肥。

菜地土壤重金屬含量狀況已成為制約蔬菜品質安全的重要因素之一。曾希柏等報道，20世紀90年代以來中國菜地土壤重金屬含量與全國土壤背景值相比出現了明顯的富集累積，且以Cd和Hg累積較為明顯。本研究中，對設施菜地土壤樣品進行Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As、Hg8種重金屬元素檢測，發現只有Cd存在超標現象，Cu、Zn元素含量未超標但高于土壤背景值。Cd、Cu、Zn含量均隨著種植年限的延長呈不斷增加的趨勢，并且與土壤有機質、速效氮磷含量有較高的相關性。根據本研究的結果推測，Cd、Cu、Zn與有機質、速效氮和速效磷的來源可能相似。隨著土壤中速效氮、磷的累積，重金屬Cd、Cu、Zn含量也不斷累積。此外，本研究結果顯示土壤pH值與種植年限呈負相關關系，隨著種植年限的延長，土壤pH值不斷降低。Ramos-Miras等報道，土壤pH值不斷降低會導致重金屬生物有效性增加。因此，隨著種植年限的延長，土壤酸化程度加深，重金屬的環境污染風險不斷增大。

綜合分析，本研究中設施菜地土壤中的主要污染因子分別為速效氮、速效磷、速效鉀、重金屬Cd，潛在的污染因子為重金屬元素Cu、Zn。設施大棚種植區有機和無機肥料的大量投入所帶來的一系列的環境問題已經成為設施蔬菜發展的制約因素。因此，應提倡合理施肥，協調好菜田土壤養分與作物吸收之間的平衡，改善土壤質量，以保證設施大棚土壤的生態環境安全和可持續發展。