我国设施农业土壤生态存在的问题及其解决措施

刘 甜，蔡喜运

大连理工大学 环境学院，辽宁大连 116024

设施农业是指在受控的室内环境中种植农作物的一种农业系统。与传统的露地农业相比，设施农业可以大幅度提高生产力和水的使用效率等，设施农业的单位面积生产力比传统农场高10～20倍。近年来，我国设施农业规模发展迅速，总面积超过世界设施农业的80%。在北京市的统计中，设施农业收入占农业总产值的比重在2019年已达到46%[1]。然而，为了尽可能实现较大的经济效益，设施农业中常常出现土地密集使用、过度使用肥料和农药，使用质量不明的灌溉水等情况。目前，设施农业中农户都是根据自己的经验进行管理，没有针对土壤的具体情况进行管理，导致设施农业土壤的退化和污染问题，如土壤养分失调、土壤酸化、土壤次生盐渍化和土壤农药污染等，严重影响了作物的品质和产量，制约了设施农业的发展。

1 设施农业土壤质量退化存在的问题

1.1 土壤养分失调

设施农业土壤退化的一个重要特征是有机物的逐渐损失，也是设施农业土壤生产力下降的主要因素。测量国内有一定运行年限的设施农业土壤的有机质含量，发现其值为2.5%～4.0%，低于发达国家(8%～10%)。由于设施农业中作物生长季节很短，作物根系也不够发达生根系统也有限，导致设施农业中作物对土壤中磷的利用率低。但施肥时长期过度施用高浓度复合肥，导致设施农业土壤出现氮磷元素富集的现象。而在种植中没有及时补充微量元素，出现缺乏微量元素现象，如钾元素等。设施农业连续种植同一作物或近缘作物后，同类作物对某些营养元素的选择性吸收也会导致土壤养分不均衡。

1.2 土壤酸化

土壤酸化和设施农业中不合理的施肥和设施农业的特点密切相关。设施农业中为追求效益过量施用肥料不仅会造成土壤中营养元素的富集，还会导致土壤pH值下降，如铵态氮肥的过量施用会降低土壤的缓冲性能，一些生理酸性肥料在土壤中的积累会降低土壤pH值[2]。同时，设施农业高温高湿的环境会加快有机质分解为有机酸，缺乏雨水淋溶导致这些酸性物质会在土壤中积累。此外，设施农业土壤中表层酸化更严重，这是因为设施农业土壤中的养分在高蒸发的条件下更易聚集在土壤表层。相关数据表明，全国不同地理位置的设施大棚中均出现了土壤酸化现象，杭州市设施栽培中土壤pH ＜ 5.5的占所测量设施土壤的30%，沈阳城郊被调查的设施栽培土壤中70.9%的大棚土壤pH ＜ 6.5[3]。土壤酸化会破坏土壤的团粒结构，影响土壤中正常微生物的活动。此外，土壤酸化还可能影响蔬菜对钼、硼等微量元素的吸收利用。

1.3 土壤次生盐渍化

设施农业土壤退化问题中另一突出现象是土壤次生盐渍化严重。土壤表层的盐化导致绝大部分肥料随水流流失或固定在土壤表面，只有小部分能被作物吸收，这也进一步导致土壤表层养分的积累和肥料的超量施用。研究表明，连续耕种近十年的设施农业土壤耕作层含盐量是露地土壤的4～11.8倍，若未正确使用和保护，设施农业土壤连续种植2～5年就会发生过量的盐分累积。

造成土壤次生盐渍化的原因包括不合理的种植管理方法和设施农业的环境条件。过量施用的化肥中的硝酸盐、磷酸盐等只有部分被吸收，剩余的将积累在土壤中。设施农业中频繁灌溉和灌溉水自身盐分高也会加剧土壤中盐分的积累。设施农业土壤的高温环境和土壤酸化问题加剧了土壤次生盐渍化，高温使土壤矿化率更高，土壤酸化使土壤中一些难溶的钙盐和镁盐溶解。此外，设施农业土壤缺乏雨水淋溶和蒸发量高于露地的情况，也会导致土壤盐渍化更加严重。设施农业缺乏雨水淋溶使得土壤中的盐不能正常流失，蒸发量大使得土壤中的盐分随着水分的蒸发聚集在土壤表层。

1.4 土壤物理性状的恶化

研究表明，随着设施农业长期密集种植和生产过程中化肥的过量使用，土壤的物理性状出现恶化。其中，土壤板结问题较为突出。土壤出现板结后，土壤容重变大，透气性能变差，不利于作物的生长。久而久之，耕作层也会变得更浅，土壤板结问题还会随着设施栽培种植年限延长而逐渐变得严重。

1.5 土壤生物环境恶化

随着作物的连年种植，设施农业土壤的生物环境逐渐恶化。设施土壤中连续种植同一作物或近缘作物后，同类作物长期分泌同种物质，会导致土壤微生物环境平衡被破坏。研究发现，黄瓜的根系会分泌一种酚类物质，这种酚类物质在土壤中累积到一定量就会影响作物的生长。而且作物残体在土壤中的腐解也会产生有毒物质，有毒物质的积累可能会对同类或同科作物的生长产生不利的影响。

设施农业土壤还会出现有害微生物增加、土传病害严重的问题。设施农业中长期连作为根系病害提供了生存环境，也是长期连作后植物容易出现病害的原因。设施农业中长期过量施用氮肥使得设施土壤中硝化细菌和反硝化细菌高于露地土壤，尤其是反硝化细菌。农户对土壤消毒不彻底、防病不及时也会导致设施农业土壤中各种病菌的增殖。

1.6 土壤污染

设施农业中病虫害比露地农业更严重，导致农户在生产种植过程中大量施用农药。同时，由于设施农业中棚膜对阳光和雨水的隔离，农药的挥发和光解更慢。在不同类型的设施农业土壤中检测到抗生素，发现所有样品中都检测出一种以上的抗生素。而且随着种植年限的增加，设施农业土壤中的农药残留更高[4]。一些含重金属的农药和化肥还会导致设施土壤中重金属含量超标，设施农业土壤中常见的重金属污染有铅、汞、镉、砷等。根据报道，位于云南的设施农业土壤中重金属镉达到轻度污染，山西的设施农业土壤中汞污染较严重。

2 设施农业土壤修复技术进展

2.1 生物调控

选种耐盐植物、合理轮作和套作是利用生物方式调控设施农业土壤质量退化的3大方法。选种耐盐植物主要是防治土壤次生盐渍化、降低土壤盐分的有效方式。利用某些对盐耐受性高和吸肥力强的植物对盐渍化土壤进行植物洗盐。常见蔬菜中，耐盐能力排序：番茄＞茄子＞芹菜＞甜椒＞黄瓜。此外，禾本科作物的耐盐受性通常优于设施蔬菜，如小麦、水稻、玉米等粮食作物。这是因为它们具有更发达的根系和更高大的植株，与蔬菜相比，禾本科作物吸收土壤中矿物质元素的能力更强，蒸发量更小，所以常常在休棚期种植粮食类作物，实现植物洗盐。种植黄瓜后土壤的EC值下降了38%～49%，而种植玉米后土壤的EC值下降了55%～64%，玉米的除盐效果显著优于黄瓜[5]。

合理轮作可以有效减少连续重茬种植造成的土传病害的发生。将不同种类、不同生物习性的植物进行轮作，不仅可以调节土壤养分失衡的情况，还可以调节土壤中微生物群落的种类，抑制有害微生物的累积，缓解连作障碍。比如黄瓜—番茄—菜豆—菜花的轮作可以通过不同作物吸收不同养分实现土壤养分损耗的平衡，换茬种植后也减少了土传病害的发生。蓖麻—白菜—蓖麻和辣椒—白菜—辣椒的轮作可以在一定程度上减轻设施农业土壤的次生盐渍化，在2年3茬的轮作实验中分别使土壤的EC值下降了5%和33%。

套作也是减轻连作危害的一种简单办法。根据不同蔬菜的类型、根系的深浅还有其吸收土壤养分的特点，合理搭配不同的作物，并采用合理的种植方式和时间，可以有效减轻土传病害的危害程度，还可以避免作物根系分泌物对同类作物产生的不利影响。研究表明，大蒜套种玉米可以有效减轻玉米螟的危害，在一代玉米螟发生期，与套种其他作物的玉米田相比，套种大蒜的田中玉米螟卵数量减少了50%，在未进行其他防治的条件下，套种大蒜的田一代玉米螟残留量较其他非套种大蒜的下降了47.6%[6]。

2.2 合理施肥

实际生产中应根据不同作物需要的养分和现有土壤的状态选择合适的肥料，尤其是要重视微肥的施用。根据不同作物类型和同种作物在其不同生长阶段对养分的不同需求量合理施肥，既能满足作物生长的养分需求，还能避免肥料中过量的养分在土壤中累积，对减缓土壤盐渍化问题有明显的改善效果。对于多年耕作、肥力下降的设施土壤，施肥的主要原则是控氮、减磷、稳钾,并根据不同土壤的情况选择施用相关的微肥。对于土壤次生盐渍化问题严重的设施农业土壤，还可以通过控制硝态氮肥来缓解。

在肥料种类选择时还可以选择缓性肥料和新型肥料，如有机肥和微生物肥。施用有机肥可以有效提高土壤有机质含量，还能增强土壤的团粒结构和缓冲性能，从而改善土壤物理性状，土壤物理性状改善后可以促使土壤表层的盐分向下移动，缓解土壤盐渍化。施用微生物肥可以调整土壤中微生物的群落结构，提高细菌和放线菌的数量。此外，还要重视根外施肥和少量多施，每次追肥的量不宜过多，且追肥后应多通风以减少有害气体的累积。

2.3 水分调控

设施农业中应注意灌溉方式的选择。单纯的大水漫灌和沟灌会导致土壤水分蒸发量大，使得土壤中盐分向表层积聚。改用滴灌和渗灌不仅可以减少土壤中水分的蒸发，还可以保持土壤中养分的平衡。研究表明，设施蔬菜采用滴灌方式时，与沟灌相比，土壤0～30 cm和30～60 cm的硝态氮分别上升了183.9%和80.5%，水分利用率上升了280.4%，土壤酶活性和黄瓜的产量显著提升，滴灌在提高氮素利用、水肥利用和土壤酶活性等方面优势显著[7]。

对于盐分较高的土壤，还可以利用合适的灌溉方式进行除盐，种植前用水灌透土壤可以使土壤表面的盐分下淋，实现洗盐。对设施农业土壤灌水浇透后，表层土的盐分溶解稀释到水中，随水进入至下层土中。杭州蔬菜科学研究所玻璃温室内的实验表明，灌水2 h后土壤的EC值就下降了0.32～0.4 mS/cm。张家港和无锡的试验结果表明，大水灌溉土壤后，0～20 cm处土层的盐分总量下降了59%。此外，用水灌透土壤后再加盖地膜不仅可以实现洗盐，地膜给土壤环境带来的高温环境还能达到杀虫灭菌的效果。但是，采用灌水洗盐的方式耗时相对较长，而且由于设施大棚内温度较高，土壤中地下水蒸发后可能出现返盐现象，同时深度灌溉后的洗盐水中可能含有大量的氮、磷等元素，若不经过处理直接排放又会出现农业面源污染等新问题。利用设施大棚休棚期换茬空隙撤掉棚膜使土壤淋雨也是消除土壤次生盐渍化障碍的一种简单易行的有效措施。研究表明，揭掉棚膜淋雨后，设施土壤0～5 cm土层盐分含量下降了79.5%。

生产种植中还应根据不同作物的生长特性进行合理灌溉。针对黄瓜、莴苣和芹菜等根系较浅的作物，应该提高灌水量和灌水频率，保持土壤的湿润。而西瓜、西红柿和西葫芦等根系较深的植物较根系浅的植物耐旱性更好，灌溉时应减少灌水量和降低频次。作物处于不同生长期也应调整灌溉量和频次。处于幼苗期的作物要保证土壤的含水量，当作物到发棵期时应注意控水。

2.4 施用改良剂

土壤改良剂能够有效促进土壤团粒的形成，从而显著改善土壤结构，保护土壤层，不仅增强了土壤肥力，还增强了耕作土壤保水、保土以及保肥的性能，进而提高作物产量。常用的土壤改良剂分为有机改良剂和无机改良剂，有机改良剂包括粪肥、草木灰和农作物的秸秆等，无机改良剂包括调节土壤酸化、解决土壤次生盐渍化问题和实现土壤消毒的改良剂。

施用有机改良剂不仅能够增强土壤的肥力，还能改善土壤的微生物环境。在实际应用中常将作物秸秆作为改良剂施用来提高土壤质量。研究表明，将玉米、大豆等C/N值高的秸秆覆盖在土壤表层或还田不仅可以增加土壤有机质，还可以影响土壤中硝化和反硝化作用，减少NO2-的积累，有效减少盐分在土壤表层的积累，提高土壤pH值[8]。但秸秆直接还田时，由于秸秆的木质素组分难以降解，常常需要配施秸秆腐熟菌剂。

夏季设施大棚休棚期对设施土壤进行高温闷棚处理可以利用高温有效杀灭土壤中的有害病虫。施用无机改良剂时常与高温闷棚相结合。常用的无机改良剂包括石灰类改良剂、碳酸氢铵改良剂和土壤熏蒸剂等[9]。石灰类改良剂不仅可以调节土壤酸化，还能对土壤有很好的消毒效果。碳酸氢铵改良剂在调节土壤酸化的同时还能防止土壤板结，并杀死土壤中的有害微生物。土壤熏蒸剂主要杀灭土壤中的有害微生物和昆虫。

3 结束语

设施农业是提高农田生产力、获得更多样农产品的重要手段，设施农业在快速发展的同时出现了土壤质量退化严重的问题。常见的设施农业土壤退化问题包括土壤养分失调、土壤酸化、土壤次生盐渍化、土壤生物环境恶化和土壤污染等。为了设施农业的可持续发展，修复退化的设施农业土壤迫在眉睫。常见的修复技术包括生物调控、合理施肥、水分调控和施用改良剂等。但关于这些修复技术实际修复效果的研究较少，也缺乏对整个设施农业土壤生态体系的评价指标，综合评价设施农业土壤质量状况和开发有效的设施农业土壤修复技术是值得研究的方向。