設施菜地土壤污染現狀及防治對策

高波 李紅陽 王凱 孫星星 張俊喜 顧慧玲 馬晶晶

摘要 分析了設施菜地土壤次生鹽漬化、重金屬污染、抗生素污染現狀，強調科學施肥管理的重要性，提出了微生物技術的田間推廣及針對設施土壤環境質量標準的完善對策，為保障設施蔬菜產業可持續發展提供參考。

關鍵詞 設施菜地；土壤污染；防治對策

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）04-0064-03

Pollution Situation and Control Strategies of Greenhouse Vegetable Field Soil

GAO Bo，LI Hong-yang， WANG Kai* et al （Jiangsu Institute of Agricultural Sciences in Coastal Areas，Yancheng，Jiangsu 224002）

Abstract Several major pollution problems like soil secondary salinization， heavy metal pollution and antibiotic pollution in greenhouse vegetable field were analyzed. To solve these problems， we emphasized the importance of scientific fertilization management， suggested that the microbial technology should be intensively developed and soil environmental quality standards should be perfected for facility cultivation soil specifically， in order to provide reference for the greenhouse vegetable industry sustainable development.

Key words Greenhouse vegetable filed；Soil pollution；Control strategies

設施栽培作為一項提高蔬菜產量的有效途徑，對我國反季節和跨地區的蔬菜種植起著重要作用[1]。設施菜地的土壤質量不僅直接決定蔬菜的產量和品質，還影響著設施蔬菜種植的可持續發展。在當前土地資源日益緊張的背景下，健康、高效地發展設施蔬菜生產顯得尤為重要。因此，認識設施菜地土壤污染現狀與成因，合理利用現有的改良與修復技術，是保障蔬菜的安全生長及實現蔬菜生產和土地資源利用可持續發展的關鍵。筆者分析了近年來設施菜地土壤存在的3種主要污染問題，介紹了設施土壤現有的改良與修復技術，展望了微生物技術在設施菜地土壤改良中的應用前景，以期為設施蔬菜生產可持續發展提供參考。

1 設施菜地的污染現狀

目前，設施栽培方式主要有塑料大棚、玻璃溫室、日光溫室、小拱棚等，設施栽培高投入、高產出的集約化種植方式帶來了巨大的經濟效益。然而，隨著種植年限的增加，設施菜地土壤也存在一系列環境問題。

1.1 土壤次生鹽漬化

由于缺少雨水的淋洗和高肥料施用，設施菜地土壤多余的肥力極易殘留在土壤中，溫室大棚的溫度相對較高，土壤水氣蒸發量大，鹽分離子隨著土壤水分的向上運動逐漸向表層遷移和積聚[2]，土壤次生鹽漬化成為蔬菜設施栽培面臨的重要問題。

設施菜地土壤次生鹽漬化對蔬菜生產的危害主要表現在以下2方面：一方面，會影響土壤的養分供應平衡。設施土壤次生鹽漬化容易引起作物生理性病害，土壤中輕度硝酸鹽積累可造成蔬菜對各種營養元素的吸收不平衡，在酸性土壤上可引起Mn中毒，在堿性土壤上則可引起缺Fe、Zn、Cu等癥狀[3]；土壤中Na+過多會影響植株對K+、Ca2+、Mg2+等離子的吸收；Cl-與SO42-吸收過多，則可降低對HPO42-吸收，這種不平衡的吸收，不僅會造成營養失調，還可能造成單鹽毒害作用，在積鹽嚴重時黃瓜會有明顯的苦味，番茄的僵果率也會明顯增加。另一方面，會改變土壤微生物的狀況。土壤微生物群落和數量的變化可作為土壤肥力狀況的重要生物學指標，其變化有賴于土壤的肥料水平和環境狀況[4]。土壤次生鹽漬化會降低土壤中硝化細菌活性，抑制氮的氨化和硝化作用。張金錦等[5]研究表明，當土壤中NaCl達到2.0 g/kg時，氨化作用大為降低，達到10.0 g/kg時，氨化作用幾乎完全被抑制，從而導致蔬菜產量和品質下降。

設施菜地土壤的次生鹽漬化現象是一個普遍存在的問題，是目前限制設施蔬菜健康生長的主要影響因子之一。我國多個省市都有與設施菜地土壤次生鹽漬化相關的報道。余海英等[6]通過對山東、遼寧、江蘇、四川的實地調查后發現，設施栽培條件的土壤表面均有不同程度的白色鹽霜出現，有的甚至出現土壤鹽化板結致使作物無法正常生長，以山東和江蘇設施土壤的鹽漬化程度最為嚴重。Shi等[7]在對長江三角洲地區宜興、蘇州、常州、鎮江、揚州5市的抽樣調查表明，大棚蔬菜土壤有近1/3出現次生鹽漬化，連續種植4年以上的土壤就有可能發生次生鹽漬化。

1.2 土壤重金屬污染

土壤重金屬污染是土壤環境科學的重點研究內容，我國非常重視對菜地土壤重金屬的污染研究，有學者分別在不同區域對菜地土壤重金屬污染情況開展了調查與評價。近年來，由于設施蔬菜對市場供應量不斷增長，設施菜地土壤的重金屬污染也逐漸受到關注[8]。菜地土壤的重金屬含量不僅會直接影響蔬菜品質，還會通過食物鏈對人體健康造成威脅。目前，我國部分區域的設施菜地存在重金屬富集或超標現象，具有不同程度的污染與生態風險[9]。侯鵬程[10]對上海市松江區“浦南”典型設施菜地的研究表明，耕層土壤中重金屬均出現了不同程度的累積，且研究區設施菜地各剖面中 Cu、Pb、Cd、Cr、As 含量均高于露地栽培；曾希柏等[11]對不同類型菜地土壤中重金屬含量分析表明，設施菜地中Cu、Cr含量高于其他類型菜地，這表明設施菜地土壤的重金屬污染風險要高于其他種植類型。山東壽光是我國重要的設施蔬菜生產基地，學者對該地區不同農業利用方式下的土壤重金屬調查研究結果顯示，設施菜地0～20 cm表層土壤樣本Pb、As、Cr、Cu、Zn的平均含量分別為17.96[12]、9.62[13]、53.00[14]、33.91、124.20 mg/kg[15]，均高于露天菜地等其他土地利用類型，雖然其平均含量低于我國土壤環境質量標準，但部分種植年限較長的設施菜地土壤重金屬含量已超過了我國土壤環境質量 Ⅰ 級標準（GB 15618—1995）。這表明設施菜地出現了較為明顯的重金屬富集趨勢，由種植年限增加而導致的重金屬累積的環境風險尤其值得重視[16-18]。

一般認為，土壤重金屬來源于工業“三廢”、城市生活垃圾、農用化學品的投入及大氣沉降等[19]，設施菜地土壤重金屬的來源與露天菜地類似，但設施菜地更加追求經濟效益，復種指數高，肥料投入大，從而增大了重金屬的輸入量。研究表明，肥料投入是設施菜地土壤重金屬的重要來源[20]，其中磷肥是土壤中Cd的最大來源[21]。有機肥中的有機質可以對重金屬離子產生絡合作用，合理施用有機肥可以增強土壤對重金屬的吸附能力，但有機肥的投入也會帶來一定的重金屬污染。喬德波[22]研究表明，設施菜地土壤Zn和Cd的全量隨著有機肥施用量的增加而增大，長期施用有機肥可明顯增加土壤有效態重金屬在表土層的積累。筆者在對江蘇沿海地區多個大棚種植農戶調查發現，有機肥已成為部分農戶施用的主要肥料，但由于缺乏科學的處理和施用方式，許多有機肥未經過必要的處理被施用到田間，極易造成Cu、Zn、Cr等重金屬在土壤中的富集[23]。除肥料來源外，設施栽培過程中使用的塑料大棚和地膜中往往含有Cd和Pb，也容易造成重金屬污染[24]。

1.3 土壤抗生素污染

近年來，土壤環境出現了多種新型污染物，抗生素就是其中之一。抗生素作為治療和預防動物疾病的藥物被廣泛運用于畜禽養殖，又因為能刺激和促進動物生長，而被添加到飼料中。據統計，我國每年用于畜禽養殖的抗生素約占世界總產量的70%[25]。而畜禽糞便是有機肥的主要來源之一，大量進入土壤的抗生素通過對土壤微生物的毒性作用，可破壞土壤的生態系統平衡，并通過生物鏈被人體攝入，威脅人類健康[26]。

目前，我國設施菜地畜禽有機肥使用較為普遍，一些地區設施菜地的有機糞肥用量高于無機肥[27]，為節約成本，一些糞肥經過簡單處理后施用于設施菜地，給蔬菜生產帶來了安全隱患。張慧敏等[28]研究指出，施用畜禽糞肥農田表層土壤土霉素、四環素和金霉素的平均殘留量分別是未施畜禽糞肥農田的38、13、12倍，說明畜禽糞肥是農田土壤抗生素的重要來源。

2 設施菜地土壤改良與防治

設施菜地土壤環境質量的防與治是貫穿設施蔬菜生產過程的一項重要問題。近年來，人們越來越重視土壤改良與修復的研究，盡管許多新技術的引入提升了這類研究的科學性，但考慮到設施栽培成本等因素，部分技術并不利于大面積推廣，農戶更愿意接受簡單易行的防治措施。

2.1 科學的施肥管理

科學合理的施用肥料不僅能節約資源，還能從根本上預防土壤污染的發生。肥料投入是設施菜地土壤污染的來源，蔬菜是典型的喜肥作物，農戶為追求高產和高效，往往會過量施用肥料，造成浪費的同時也給設施土壤造成嚴重危害。

長期以來，人們對施肥方式、肥料用量、肥料品種做了大量研究，設施菜地由于缺少自然降雨的沖刷和淋洗，多余的肥料更容易在土壤中累積。秦巧燕等[29]研究表明，設施栽培土壤表層硝態氮的累積量遠高于相鄰露地。沈靈鳳等[30]將當地設施栽培習慣施肥量減半后施用，蔬菜的產量并未降低，卻極顯著降低了硝態氮的積累量，可見設施菜地如何精準有效施肥應引起重視。張樂平等[31]研究指出，在減氮處理下，添加消化抑制劑、脲酶抑制劑也能有效降低蔬菜中38%以上的亞硝酸鹽的積累。越來越多的研究表明，適量有機肥的投入能有效提高化肥利用率、促進作物生長，過多施用有機肥非但不能增產，還會對土壤環境造成影響。張迪等[32]研究顯示，當有機肥投入量過大時會造成設施菜地土壤中硝態氮不同程度的累積。綜上，合理減少肥料用量，適當添加土壤改良劑，規范有機肥施用可顯著減少土壤硝酸鹽積累；同時，有機肥的科學管理也是減少重金屬輸入及降低抗生素污染風險的重要手段。

2.2 微生物技術的應用

微生物修復是指利用天然存在或篩選培養的功能微生物群，在人為優化的適宜環境條件下，促進或強化微生物代謝功能，從而達到降低有毒污染物活性或降解成無毒物質來修復受污染土壤的技術[33]。化學農藥是保證作物生長不可或缺的物資，但同時也帶來了嚴重的土壤污染，設施菜地也同樣如此。對于土壤農藥污染的修復，微生物技術是一種被普遍認可的安全有效的方法。化學農藥在微生物的作用下被轉化和降解，從而達到對污染土壤的修復。此外，微生物還可以通過改變環境的理化特征來改變有機污染物的有效性，進而間接達到修復土壤的作用[34]。與化學農藥等有機污染物不同，重金屬離子并不會發生微生物或者化學降解，微生物對重金屬污染土壤的修復主要通過對重金屬的遷移或鈍化來實現[35]。微生物通過生物吸附和富集作用、氧化還原作用、溶解和沉淀作用以及微生物-植物相互作用4個方面來影響土壤重金屬的活性，以吸附和富集作用為例，微生物中的陰離子型基團與帶正電的重金屬離子通過離子交換、絡合、螯合、靜電吸附及共價吸附等作用進行結合，從而實現對土壤重金屬離子的固定[36]。

盡管目前針對設施菜地土壤抗生素的污染和修復研究相對匱乏，但設施菜地長期大量施用有機肥導致的抗生素污染不容忽視。微生物能使抗生素殘留物的結構發生變化，使其物理、化學性質發生改變，將抗生素殘留物的大分子化合物降解為小分子化合物，最終成為H2O和CO2，實現對環境污染的無害化[37]。堆肥是一種降低有機糞肥對土壤和作物污染的有效方法[38]，該方法利用多種微生物的作用，將生物殘體、糞便和藥渣等進行礦化、腐殖化和無害化，同時利用堆積時產生的高溫殺死糞便中的病菌等有害物質[39]。Wu等[40]研究表明，堆肥可有效降解糞肥中70%以上的四環素類抗生素。微生物技術以其高效、環保等特點在土壤污染的治理和修復過程中扮演著重要角色，近年來微生物藥肥的研制逐步深入，越來越多的微生物產品和技術應用于田間，對保護土壤環境質量起到重要作用，在設施蔬菜種植中具有廣闊的應用前景。

2.3 設施菜地土壤質量標準的完善

建立和完善土壤環境質量標準是保證農業健康持續發展的重要環節。然而，現行的土壤質量標準適用于農田、茶園、果園等土壤，并未專門針對設施農業設置具體要求，隨著設施農業的迅猛發展，設施土壤環境質量標準的制定和完善值得關注。監管部門應及時更新設施土壤環境中各類污染物標準，如重金屬的限制值。隨著國家對高效農業和循環農業的大力扶持，畜禽有機肥越來越得到農場主的青睞[41]。但越來越多的研究表明，過多施用有機肥非但不能增產，還會對土壤環境造成影響[9]。對此，需要科學管理設施菜地生產過程中有機肥的使用，完善設施菜地有機肥質量監測體系。《土壤污染防治行動計劃》[42]（簡稱“土十條”）中明確提出“推進土壤污染防治立法，建立健全法規標準體系”的要求，修訂肥料、飼料、灌溉用水中有毒有害物質限量標準，建立一套與設施菜地相適宜的藥肥投入標準勢在必行。

3 展望

土壤環境安全是蔬菜質量安全的基礎，也是農業生態安全的核心，提升設施土壤環境質量既要從污染來源入手，科學管理藥肥質量與投入，又要注重生產過程中的實時監控，及時對污染土壤進行治理與修復。合理開發利用微生物環保技術，研發推廣環境友好型農藥[43]，也是保障設施菜地土壤質量的重要課題。

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