不同种植年限设施菜地土壤养分、重金属含量变化及主导污染因子解析

井永苹　李彦　薄录吉　张英鹏　孙明　仲子文　张柏松

摘要：为探讨不同种植年限对设施大棚土壤养分、重金属累积量的影响及主要污染因子，研究了不同种植年限的大棚土壤速效氮磷钾含量、有机质含量、pH值及重金属累积量的变化，并对种植年限与土壤理化性状和重金属累积量之间的相关性进行了统计分析。结果表明，随种植年限延长，土壤速效氮磷钾、有机质含量均大量累积，速效氮磷、钾含量分别是未建大棚时的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍；pH值明显下降，每年约下降0.038个单位；而重金属Cd、Cu、Zn元素则显著升高，其中Cd超标现象严重，Cu、Zn含量均超土壤背景值；土壤速效氮磷、有机质含量与Cd、Cu、Zn含量均呈显著正相关关系，由此推测土壤中重金属Cd、Cu、Zn与速效氮磷、有机质有相似的来源，这说明不同种植年限的设施菜地土壤中均出现养分失衡、土壤酸化、重金属累积等环境问题，其中主导污染因子为速效氮磷钾及重金属Cd元素，Cu、Zn元素为潜在污染因子。为保证设施大棚土壤的生态环境安全应提倡合理科学施肥方式。

关键词：设施大棚；种植年限；理化性状；重金属；主导污染因子

中图分类号：S151.9+X712 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）04-0066-06

随着设施蔬菜集约化生产的发展，全国设施蔬菜生产面积不断扩大，从1983年的1.5万公顷增长到2014年的360.1万公顷，增长了近240倍。设施蔬菜种植已成为蔬菜产业的支柱。然而，频繁的耕种和过量肥料及农药的投入导致设施菜地土壤质量严重退化，氮磷流失加剧以及土壤重金属、农药残留等环境问题，因此，了解设施菜地土壤养分、重金属累积量的变化及对设施菜地主导污染因子进行解析，对提高设施菜地土壤质量、保持设施菜地生产力具有重要指导意义。

设施菜地的利用强度大，具有高投入高产出的特征，随着种植年限的延长，土壤基础理化性质和土壤生化环境都发生显著变化。研究表明，高强度的设施蔬菜种植，使土壤产生酸化趋势，同时，土壤中氮、磷、重金属元素等大量累积，致使土壤环境和质量持续下降，增加了土壤养分元素及重金属对周围水体及种植作物的污染风险，最终导致设施菜地生产力下降，生产的蔬菜品质降低。Ju等对比研究了我国北方大棚蔬菜与小麦玉米轮作条件下土壤环境质量的差异，发现大棚菜地养分严重过剩，造成土壤pH值降低、电导率升高、Cd累积等问题。曾希柏等研究发现，中国菜地土壤重金属含量超标问题较严重，菜地土壤重金属超标率排序为：Cd>Hg>As>Zn>Cu>Cr>Pb。目前大量研究主要针对土壤理化性质、微生物群落结构以及重金属累积量等方面，而有关设施菜地土壤随着种植年限的增长所出现的主导污染因子的研究尚显薄弱。特别是土壤条件不一致所得出的结论也相差甚远。本研究通过采集山东省典型蔬菜种植基地的土壤样品，分析测试土壤样品中速效氮磷钾、有机质、重金属含量、pH值等指标，比较不同种植年限设施菜地养分和重金属含量的差异，找出土壤中的主导污染因子，为设施菜地可持续利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 设施菜地基本情况及取样方法

基于科学性、代表性和准确性的调查原则，选取山东省寿光市设施蔬菜种植具有典型代表性的孙家集、田柳、上口、留吕、寒桥、纪台、华龙、稻田等8个乡镇，于2014年11月对这些乡镇17个村共计52个农户的设施蔬菜大棚进行调查。为了使调查信息全面、准确和易于操作，采用问卷调查的方法，调查内容包括2014年蔬菜种植模式、肥料种类、肥料养分含量、施肥量、施肥时期、大棚面积、蔬菜产量、灌溉水源等多项指标。

寿光市设施大棚以种植茄果类蔬菜为主，如番茄、黄瓜、茄子、甜椒、丝瓜、苦瓜等。所调查的大棚蔬菜种植模式主要有4种：春茬和秋茬均种植番茄（n=6）；春茬和秋茬均种植黄瓜（n=11）；春茬和秋茬为茄果类蔬菜轮作（n=16）；一年只种植一茬茄子（n=14）。另外，有5个大棚种植长季节甜椒。以茄果类蔬菜轮作的种植模式最为常见。调查的52个设施大棚棚龄见表1，以种植1～5年的大棚数量最多，其次为11～15年，种植16～20年的大棚数量较少，有4个大棚的棚龄超过了20年。

在调查的52个大棚中，每个大棚分别采用“S”形取样法用不锈钢土钻取5点0～20cm表层土样制成混合土壤样品，装入塑料袋中标记密封，带回实验室。并用GPS定位采样地点和海拔高度。土样采回后部分及时冷冻保存，用于测定土壤NO^-₃-N；其余土壤风干，磨细过筛，用于测定土壤全氮、磷、钾、有机质和重金属含量。

1.2 测定方法及数据分析

全氮和速效磷、钾测定参照文献；重金属按照常规分析方法测定；土壤中总汞含量：硝酸一硫酸消化一冷原子吸收光谱法测定；土壤总铬：原子吸收光谱法。

运用Microsoft Excel和SPSS统计软件进行相关数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限大棚土壤中速效氮磷钾、有机质含量的变化

土壤速效氮磷钾和有机质均是衡量土壤肥力的主要指标。在本研究中，随着大棚种植年限的延长，土壤速效氮含量整体呈升高趋势，在6～10年间增幅最快，而在11～20年间增幅相对缓慢，21～25年增长速度加快；土壤有效磷含量则一直呈现上升趋势，在1～10年间上升幅度最大，11～20年之间趋于平缓，20年之后又呈快速上升趋势；土壤速效钾含量呈先升高后降低的趋势，在6～10年间速效钾的累积量最大，而后随着种植时间的延长逐渐下降。随着种植年限的延长，土壤氮磷比呈逐渐降低趋势，降幅越来越大；氮钾比和磷钾比均呈持续增加的趋势，且增幅相对稳定（表2）。土壤硝态氮含量随着棚龄呈先升高后降低的趋势，在11～15年累积量最高，达到184.9mg/kg，而后降低。

土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标之一。由图1可见，种植年限在10年以下的大棚土壤有机质含量随年限延长迅速升高，而后10～20年之间随着棚龄增加，有机质含量增幅减缓，保持相对稳定，而20年以上的大棚土壤有机质又有明显的积累。这与寿光地区大棚种植过程中每年都要投入大量有机肥有关，起初大棚的有机质消耗少于其积累，而后随着种植过程中每年大棚多茬蔬菜的生长利用，造成有机质积累与消耗相对均衡，而后又出现消耗少于累积所致。

2.2 不同种植年限大棚土壤pH值的变化

土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长影响很大。由图2可知，大棚土壤pH值随着种植年限的增加呈缓慢降低趋势，每年pH值下降幅度约为0.038个单位，而在大棚种植的5～10年里下降幅度较大。这个结果与高新昊等的研究结果相似。

2.3 不同种植年限大棚土壤中重金属含量的变化

对0～20cm表层土壤中的8种重金属元素（Cr、Cu、Ni、Pb、zn、Cd、As、Hg）进行检测，发现在pH值>7.5的范围内，只有Cd存在超标点位，其他重金属均没超过国家土壤环境标准（GB15618-1995），见表3。

由表4可以看出，Cr、Cu、Cd含量均随着种植年限的延长呈现递增趋势，Cr含量在1～20年的种植年限中含量始终低于土壤背景值，直到21～25年时Cr含量超过土壤背景值；Cu的含量在种植5年以上的土壤中其累积量开始高于背景值，并且随着种植年限的延长呈不断增加的趋势；Cd含量在种植5年内其累积量就已经超过土壤背景值，种植年限大于5年的土壤Cd含量即已超出国家二级标准。在种植1～5年期间Zn含量就已经超过背景值，在6～10年问，土壤Zn含量随着种植年限的延长其增加幅度较大，之后随着种植年限的延长其含量趋于稳定，无显著变化。种植年限在1～25年间Ni的含量一直低于背景值，在1～15年种植年限内其含量变化不显著，从16～20年间，随着种植年限的延长Ni含量有明显的增加趋势，直到种植25年其含量保持稳定。Pb、As的含量随着种植年限的延长其含量无明显累积现象，并且低于土壤背景值。因此，8种重金属元素中Cd已经成为设施菜地重金属的主导污染因子。而Cu和Zn元素随着种植年限的延长含量不断增加，且已超过土壤背景值，因此Cu、Zn成为污染风险较大的潜在污染因子。

2.4 Cd、Cu、Zn含量与土壤有机质、速效氮磷钾含量的相关性分析

土壤中Cd存在超标点位，视为设施菜地重金属的主导污染因子。由图3可见，土壤中有机质含量、速效氮磷钾含量均与Cd含量呈正相关。其中以有机质含量与Cd含量的相关程度最高（P<0.05），R²=0.9122，y=0.033x-0.3037，其次是速效氮、磷含量；最差的是速效钾含量与Cd含量的相关性RV仅为0.0408。

Cu、Zn元素超过土壤背景值，且随着种植年限的延长含量不断增加，因此本研究中将Cu、Zn元素列为设施菜地土壤潜在污染因子。如表5所示，Cu、Zn元素与有机质、速效氮、速效磷含量均呈显著或极显著正相关关系。尤其是Cu与有机质、速效磷和Xn与速效氮含量相关程度最高。

由此可推测，设施菜地土壤中重金属Cd、Cu、Zn与有机质、速效氮、速效磷可能具有相似的来源。

3 结论与讨论

土壤中氮、磷、钾元素是植物生长不可缺少的营养元素，但是过量施肥会造成养分累积，危害环境。唐海滨等报道土壤氮、磷、钾养分含量随种植年限的延长总体上呈增加趋势。熊汉琴等报道大棚菜地土壤3年以后已明显出现N、P严重富集。本研究中也发现，设施菜地土壤速效氮、磷、钾的含量随着种植年限的延长而不断升高，土壤中的速效氮、磷、钾已经出现严重累积现象。据曾路生报道，寿光土壤未建大棚前，土壤中速效氮、磷、钾的平均含量分别是54.0、4.3、107.7mg/kg。本研究中速效氮、磷、钾含量分别是未建大棚时的2.5～3.5倍、33.9～70.3倍、4.5～5.6倍。土壤中高累积量的速效氮很容易随水流进入水体环境引起水体富营养化，或经反硝化进入大气环境，影响全球气候变化，此外，速效氮中的硝态氮累积也是构成土壤盐渍化的成因之一。与其他元素相比，磷素很容易受到化学固定作用，大部分以闭蓄态形式累积在土壤中，然而当土壤磷素积累到一定程度，淋失强度就会迅速增加，如本研究结果所示，速效磷的最高累积量已达302.2mg/kg，存在极大的淋失风险。同时，土壤中大量钾元素的累积不仅造成钾肥浪费，还会导致土壤产生次生盐渍化。次生盐渍化也是设施栽培中普遍存在的障碍因子。周德平等研究发现，当pH值从1年棚的7.6下降至11年棚的5.0时，土壤出现次生盐渍化状况，其土壤表层可见明显盐霜。

从本研究结果来看，设施菜地速效氮、磷、钾已对其种植环境构成极大威胁，需要引起足够的重视，应积极采取措施从源头上控制氮、磷、钾的投入，科学合理施肥。

菜地土壤重金属含量状况已成为制约蔬菜品质安全的重要因素之一。曾希柏等报道，20世纪90年代以来中国菜地土壤重金属含量与全国土壤背景值相比出现了明显的富集累积，且以Cd和Hg累积较为明显。本研究中，对设施菜地土壤样品进行Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As、Hg8种重金属元素检测，发现只有Cd存在超标现象，Cu、Zn元素含量未超标但高于土壤背景值。Cd、Cu、Zn含量均随着种植年限的延长呈不断增加的趋势，并且与土壤有机质、速效氮磷含量有较高的相关性。根据本研究的结果推测，Cd、Cu、Zn与有机质、速效氮和速效磷的来源可能相似。随着土壤中速效氮、磷的累积，重金属Cd、Cu、Zn含量也不断累积。此外，本研究结果显示土壤pH值与种植年限呈负相关关系，随着种植年限的延长，土壤pH值不断降低。Ramos-Miras等报道，土壤pH值不断降低会导致重金属生物有效性增加。因此，随着种植年限的延长，土壤酸化程度加深，重金属的环境污染风险不断增大。

综合分析，本研究中设施菜地土壤中的主要污染因子分别为速效氮、速效磷、速效钾、重金属Cd，潜在的污染因子为重金属元素Cu、Zn。设施大棚种植区有机和无机肥料的大量投入所带来的一系列的环境问题已经成为设施蔬菜发展的制约因素。因此，应提倡合理施肥，协调好菜田土壤养分与作物吸收之间的平衡，改善土壤质量，以保证设施大棚土壤的生态环境安全和可持续发展。