設施土壤退化研究進展與展望

王子璐， 王祖偉

(天津師范大學城市與環境科學學院，天津 300387)

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設施土壤退化研究進展與展望

王子璐， 王祖偉*

(天津師范大學城市與環境科學學院，天津 300387)

設施土壤退化使得設施農業生產受到嚴重威脅。通過總結國內外的研究進展，從土壤酸化、次生鹽漬化、重金屬污染、養分比例失衡，及微生物系統改變等方面，綜述了設施土壤退化特征與成因，并展望了設施土壤退化的研究發展趨勢 。

設施土壤退化；酸化和次生鹽漬化；養分失衡；重金屬污染；微生物系統改變

隨著我國城市化發展速度的加快，對蔬菜的需求日益增加。我國已成為設施農業生產大國，面積和產量穩居世界第1，2012年我國設施農業種植面積已達世界設施農業種植面積的85%以上。設施農業是未來農業發展的主要方向[1]。設施農業大面積建設，雖然帶來了顯著效益，但由于自身的制約，土壤缺乏雨水洗淋，溫度、通風、濕度和肥料等與傳統種植有較大的區別，而且設施農業本身具有高集約化、高復種率、高施肥量等特點，導致一系列土壤退化問題[2-3]。土壤退化會造成土壤板結、肥力變差、微生物活性下降、蔬菜產量減少及質量下降等危害，進而影響生態環境以及人體健康。

筆者從設施土壤酸化、次生鹽漬化、重金屬污染、養分比例失衡，及微生物系統改變等方面闡述設施土壤退化現象，綜述當前國內外研究進展，并總結其特征及成因。在此基礎上，對未來的研究方向進行了展望。

1　設施土壤退化現象

1.1土壤酸化設施土壤酸化問題，很早就引起了學者們的關注，一些學者將土壤酸化作為設施土壤退化的主要指標之一。

研究表明，與露地耕種土壤相比，設施土壤表現出隨著種植年限的增加，土壤的緩沖性能降低，土壤pH下降而形成土壤酸化等特征[4-9]。例如哈爾濱市種植5、10、20 a的大棚土壤與露地土壤的pH相比，分別降低0.01、0.15、0.44，而大慶市種植5、14、30 a的大棚土壤pH，則分別降低0.02、0.39、0.50[5]。山東壽光種植1 a的設施土壤的pH為7.69，種植4 a的土壤pH為6.82，種植13 a的土壤pH降到4.31，而壽光土壤為褐土，土壤pH背景值在7.50左右[10]。土壤酸化不僅發生在北方，南方同樣出現土壤酸化的現象，例如長江三角洲地區隨著蔬菜種植年限的延長，土壤pH呈逐年降低的趨勢，3和10 a土壤pH分別比稻田低0.23和0.78[6]。

設施土壤的pH隨耕種周期變化而變化。設施農業因其自身的特點，分為種植期和休閑期。Shi等[11]對江蘇宜興蔬菜基地的研究表明，夏季輪作間隙土壤的pH逐漸上升，而在秋冬蔬菜生長期土壤則迅速酸化。而韓江培[3]研究發現，在蔬菜生長期，土壤pH逐漸上升，但在輪作間隙，土壤pH則明顯下降。從整個周期來看，土壤pH呈下降趨勢。

設施土壤的pH在剖面呈規律性變化。于群英等[12]對設施土壤pH的研究發現，酸化主要發生在耕作層，土層愈深則酸化程度愈低。Han等[9]對山東壽光設施土壤表層和亞表層酸化特征的研究和江蘇鹽城地區設施土壤剖面(0～40 cm)的研究也得到了相同的結果。但劉艷軍等[13]的研究表明，在0～30 cm土層中，各土層間(每10 cm為一層)土壤的pH無顯著差異。

造成設施土壤酸化的原因多種多樣，主要是由于各類化肥和有機肥料的長期過量使用[3,14-17]。各類化肥，特別是生理酸性鹽(硫酸銨)和其他銨態氮肥的過量使用，使土壤中NH4+的硝化作用增強，NO3-含量的增加，加速了土壤的酸化[14,18]。有機肥料，特別是糞肥中的銨態氮的硝化作用、有機氮的礦化和隨之而來的硝化作用、有機物降解產生的有機酸，加速了土壤的酸化[15-16]。植物對土壤離子的選擇性吸收和由根系分泌產生的致酸作用等也可導致產生土壤酸化。

1.2次生鹽漬化設施土壤次生鹽漬化是國內外蔬菜生產區普遍發生和存在的問題。設施農業土壤的鹽分組成和離子含量與成土母質、土壤類型、灌溉水、地下水礦化度、施用肥料種類與數量、栽培作物種類、灌溉方式、管理技術等天然及人為因素相關，表現出復雜性和多樣性[19]。設施土壤發生次生鹽漬化時，表觀特征為：當土壤干燥時，有明顯的返鹽現象，表面出現斑白鹽霜，破碎后呈灰白色粉末；土壤較為濕潤時，顏色較暗，在一定條件下形成斑塊狀鹽結皮。當鹽漬化的土壤較為潮濕時，表面常出現紫紅色膠狀物(紫球藻)，暗示土壤的含鹽量超過10 g/kg， 紫球藻可作為指示設施土壤嚴重鹽漬化的植物[20]。

設施土壤鹽分隨土壤深度不同而產生差異。Han等[9]研究發現，土壤次生鹽漬化集中發生在0～20、20～40 cm的土壤中，表現為K+和NO3-的增加、Ca2+和HCO3-的減少。杜磊等[21]研究得出，0～5和40～50 cm土層含鹽量較高，這2層可作為設施土壤鹽分的“活動面”。杜連鳳等[6，22-23]研究得出，鹽分主要積聚在0～20 cm土層，隨著土層的加深，含鹽量呈下降趨勢。童有為等[20]研究發現，玻璃溫室和塑料大棚耕層土壤(0～25 cm)鹽分分別是露地大田土壤的11.8和4.0倍，而25 cm以下土壤鹽分則差異不大。鄒長明等[18]對安徽蚌埠的設施土壤鹽分累積特性研究表明，大棚內土壤表層的含鹽總量是露地大田土壤相同層次的2.4～5.7倍，鹽分主要積累在0～15 cm土層，特別是0～5 cm土層。

設施土壤次生鹽漬化與種植年限和作物生長的季節性相關。陳碧華等[24]研究發現，設施農業土壤中鹽分的積累一般是隨種植年限的增長而加重。薛繼澄等[25]研究表明，設施土壤鹽分含量在3～5月可達3～4 g/kg；而在6～8月，因蔬菜旺盛生長，大量吸收養分，鹽分可降到2 g/kg以下；在次年3～5月，土壤中鹽分又可回升到3～4 g/kg。韓江培等[3，9，26]的研究表明，設施土壤含鹽量受作物生長的季節性影響明顯，鹽的含量會隨著蔬菜生長周期而呈現消長變化。

設施土壤次生鹽漬化的產生與設施環境及人為耕作管理密切相關[32]。封閉的栽培環境造成土壤特殊的水分運移方式，高溫蒸發強烈引起土壤水分向上運動，使鹽分在地表累積[22,33]； 盲目的大量施肥特別是氮肥的使用，宜造成硝酸鹽的累積并產生次生鹽漬化[16,20,34-35]；不合理的灌灌方式，長期淺灌和小水勤澆宜造成鹽分在地表積累[28-29]。

1.3重金屬污染對于設施土壤中重金屬的研究，國外學者很少涉及，其原因可能是國外的設施農業多采用無土栽培技術，栽培植物以花卉為主，重金屬不進入食物鏈，因而引起的關注較少。

在我國，設施農業絕大多數為有土栽培，設施土壤中重金屬問題逐漸引起許多學者的重視。Bai等[36]研究發現，甘肅武威設施土壤中Cd、Cu和Zn發生累積，與耕作年限呈顯著正相關，而Cr、Ni、Pb等基本不受影響。Chen[37]等對江蘇南京設施土壤的研究發現，Cd、Hg、Pb容易在土壤中累積，累積的關鍵因素是肥料的使用。Yang等[38]研究了我國北方地區設施農業有機肥使用對土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的累積和生物有效性。姚艷娟[39]對安徽省設施土壤的研究發現，Cd和Pb在土壤中產生累積。曾希柏等[40]對山東壽光設施土壤的研究發現，重金屬Zn的含量最高，其次是Cr、Cu；而毒性較大的元素As、Hg、Cd的含量相對較低。李樹輝[41]對山東壽光、河南商丘、吉林四平、甘肅武威等地設施土壤的研究發現，土壤中重金屬均出現了不同程度的累積，部分樣品中Cd、Ni、Zn的含量超過國家土壤環境質量Ⅱ級標準，耕種時間越長，累積量越大，有機肥是重金屬的主要來源。劉蘋等[42]研究了壽光市蔬菜大棚土壤中重金屬的含量，發現土壤中Hg、Cd、Zn 等含量明顯高于自然背景值。王俊等[43]研究表明，日光溫室土壤Zn累積隨種植年限和施肥量而增加。

對于設施土壤中重金屬的形態，也有部分學者進行了研究。王登啟[44]研究發現，設施土壤中重金屬的全量和有效態含量隨種植年限的增長有不同程度增加，但沒有分析重金屬有效態產生變化的原因。曾路生[45]研究發現，設施土壤中重金屬有效態含量隨種植年限的增長而增加，具有“表聚性”，其順序為Hg>As>Cu>Zn，重金屬有效態含量與pH呈顯著負相關[45]。趙明等[46]研究得出，施用有機肥可降低設施土壤中Pb的有效態含量、增加Cd的有效態含量，但對Cu、Zn和Cr的有效態含量無顯著影響；施用無機肥可提高土壤Cu和Cr的有效態含量，對Zn、Pb和Cd的有效態含量無顯著影響。劉洋等[47]研究了遼寧設施土壤中Cd、Ni、As有效態含量及其影響因素，發現Cd、Ni、As的有效態含量與種植年限、有機質之間為正相關關系，As的有效態含量與pH呈正相關，Cd、Ni的有效態含量與pH呈負相關。

造成設施土壤重金屬污染的原因包括污水灌溉，農藥、化肥、糞肥、塑料薄膜的使用等。姚艷娟[39]研究發現，大量含有Cu、As、Zn、Hg等重金屬的污水進入土壤。章圣強[49]的研究表明，農藥、化肥、糞肥中均含有數量不等的重金屬元素。塑料薄膜中含有Cd和Pb，長期使用會使土壤中Cd和Pb含量增加[48-49]。

1.4養分比例失衡設施蔬菜種植過程中，種植戶通過施用大量肥料來獲得高產。隨著施肥量的增加，特別是常量肥料的過量使用，不僅使土壤中養分含量不斷上升[50-52]，同時造成設施土壤養分比例失調。

在我國，設施土壤養分比例失調主要表現在全N、堿解N、速效P含量均高于露地，中量和微量元素缺乏[53]。秦巧燕等[50]研究表明，關中渭河流域設施栽培施肥量大，純N肥施用量超過1 800 kg/hm2，且多數設施土壤并未施過K肥，土壤中的K素嚴重缺乏。隨耕種年限增加，K和中微量元素處于虧缺狀態[54]。馬朝紅等[55]對山東省大棚蔬菜進行研究表明，N、P、K肥的投入比例為1∶0.53∶0.41，而豆類、茄果類和瓜類蔬菜的N、P、K需肥比例分別為1∶0.3∶1.44、1∶0.25∶1.58和1∶0.29∶1.47，投入量與需求量之間存在著明顯的差異。設施栽培過程中種植戶對Ca、Mg、S及微肥的認識不足，多數不施加Ca、Mg、S及微肥，使得土壤中大量元素含量明顯偏高，而中量元素及微量元素相對缺乏，導致養分比例不均衡。

1.5微生物系統改變設施土壤微生物群落及其數量變化可作為評價土壤肥力的重要指標，其變化特征決定于設施土壤生態環境的質量[54]。關于設施土壤微生物系統變化，已有大量的研究[56-61]。目前對于設施土壤微生物系統改變的研究，主要是土壤微生物區系和土壤酶2個方面。

土壤微生物區系主要由細菌、真菌和放線菌3大類組成。細菌居多，占土壤微生物總數的70%～90%，其次是放線菌，真菌最少[62]。Dick等[63]研究表明，設施土壤中微生物區系不同于露地土壤，細菌和真菌數量為大棚>溫室>露地，放線菌數量為大棚>露地>溫室，隨著連作次數增多，土壤微生物區系由 “細菌型”向“真菌型”轉變。

有關微生物總數與設施種植年限的關系，不同學者得出不同的結論。周藝敏等[64]研究認為，隨著種植年限的增加，微生物總數增加；張乃明等[65]研究認為，設施栽培下土壤微生物數量高于露地，但隨著種植年限的增加，其數量反而降低。關于設施土壤中的細菌隨種植年限變化的研究，唐詠等[66]對沈陽日光溫室進行研究得出，土壤中的氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的數量比露地高，且隨著種植年限的增長而增加，種植14 a比種植3 a的土壤分別增加了132×104、35×104和852×104cfu/g。對于放線菌數量隨種植年限的變化，唐詠等[66]研究得出種植年限越長，放線菌數量則越少。對于真菌數量隨種植年限的變化，姚圣梅等[67]對蔬菜大棚土壤微生物群落進行研究得出，種植時間較短，真菌數量較多；反之，真菌數量較少，但有害真菌的數量和種類增加。對設施土壤微生物總數隨季節的變化，王珊[68]研究認為設施土壤微生物總數隨季節變化呈現先高后低，高峰出現在6月，10月最低；細菌數量季節變化與微生物總數變化趨勢相同；真菌、放線菌數量的最大值都出現在3月。

目前對于設施土壤酶的研究中，較多的是對脲酶、轉化酶和脫氫酶等進行研究[68]。對脲酶，周禮愷等[69]研究得出，土壤脲酶參與土壤中含氮化合物的轉化，水解尿素生成氨，其活性影響著土壤中氮素的代謝。脲酶活性與土壤微生物數量、有機質、全N和速效P含量呈顯著正相關[68]。劉志民等[70]發現設施土壤脲酶活性比露地土壤高1～3倍，并隨種植年限的增長逐漸升高。對轉化酶，王珊[68]研究發現，設施土壤轉化酶的活性，隨種植年限的增長而降低，其高低與作物種類及種植年限有關。對脫氫酶，吳鳳芝等[71]研究得出過氧化氫酶活性比較穩定，設施種植年限對其影響不大。張國紅等[72]研究表明，設施土壤中過氧化氫酶活性隨種植年限的增加呈拋物線變化，種植3～4 a時達到較高水平。

2　展望

目前，對設施土壤退化的研究，已經取得了較大的進展，但由于設施農業栽培過程中，不同區域土壤理化性質不同，種植作物品種不同，栽培方式不同，施用化肥品種及投入量不同，自然和人為條件對設施農業的影響較大。不同栽培條件下，設施農業存在異質性，因此土壤退化的評價標準不能統一應用在廣泛的設施農業栽培中。設施土壤退化今后的研究，可以更多地集中在以下幾個方面。

2.2加強土壤養分中多種元素的研究當前對設施農業土壤養分的研究中，多重視研究N素，對P素和K素研究較少。作物生長中對K素的需求量大于N素，但是實際中K素的含量較少，多數學者認為是K肥施用量少，但沒有考慮K素在土壤中的淋失。對土壤養分中中量元素和微量元素的研究較少，學者也沒有進一步研究，在土壤退化條件下，土壤養分中中量元素和微量元素的變化規律。

2.3加強設施土壤中重金屬污染和微生物系統破壞的研究對土壤中重金屬污染和微生物系統破壞的研究較多，但對設施土壤中重金屬污染和微生物系統破壞的研究較少。目前，對在設施土壤退化條件下，設施土壤內重金屬的含量、形態及遷移轉化規律研究的較少。學者對設施土壤微生物系統改變的研究中，對微生物區系、土壤酶隨種植年限變化的研究較多，對他們在土壤剖面變化的研究較少。在設施土壤退化條件下，微生物系統變化情況還需要進行深入的討論。

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Research Advance and Prospect of Greenhouse Soil Degradation

WANG Zi-lu,WANG Zu-wei*

(College of Urban & Environment Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387)

Greenhouse soil degradation can cause serious threat to protected agriculture production.The study advances at home and abroad were summarized，the characteristics and causes of soil degradation were analyzed from aspects of acidification，secondary salinization， heavy metal pollution，nutrient imbalance and microbial system changes，and the future research trend was proposed.

Greenhouse soil degradation; Acidification and secondary salinization; Nutrient imbalance; Heavy metal pollution; Microbial system changes

國家自然科學基金項目(40973074)。

王子璐(1991- )，女，天津人，碩士研究生，研究方向：環境污染與修復。*通訊作者，教授，博士，從事土壤環境污染與修復研究。

2016-05-11

S 15；X 53

A

0517-6611(2016)18-095-04