邛海流域設施葡萄園土壤養分與地下水污染特征研究

廖思遠，秦延文*，劉志超，楊晨晨，時瑤，馬迎群，肖克彥，林穎美

1.中國環境科學研究院水環境管理研究室

2.西昌生態環境監測站

近20年來，我國設施農業取得了快速的發展，2019年全國大中拱棚設施面積達370萬hm2，占世界設施農業面積的80%，我國設施農業的總面積和總產量均居世界第一位[1]。然而，設施農業實際生產中化肥和農藥的投入量往往較大[2]，且設施農田不受雨水直接沖刷淋洗，具有不同于普通農田的封閉種植環境和特殊的灌溉方式。有研究表明，隨著種植年限的增加，設施農田土壤易出現養分的大量累積[3-6]；此外，土壤中累積的氮、磷養分還會在重力和水力作用下進入潛水層，對地下水造成污染[7-8]。王朔等[9-10]研究表明，西藏各地區設施葡萄土壤均面臨嚴峻的酸化、鹽漬化和養分富集等問題，過量施肥是主要原因；金晟等[11]的研究發現，山東省壽光市設施蔬菜田土壤中氮、磷濃度超標嚴重，耕作層土壤中的氮、磷極易隨地表灌溉水進入地表水和地下水系統；高偉等[12]的研究表明，天津地區多年設施蔬菜種植區地下水中無機鹽濃度可達種植大田的100倍。

邛海位于四川省西昌市東南部，是四川省第二大淡水湖泊，對西昌的生態環境和社會經濟發展起著重要的作用。邛海周邊鄉鎮以農業發展為主，且以設施農業發展為主體。對邛海水質的調查結果表明，其主要污染指標為總氮（TN）和總磷（TP）[13-15]。設施農業種植過程中肥料的長期施用可能引起的地下水和邛海水質污染問題不容忽視。對邛海流域的研究主要集中于邛海水質和入湖口污染調查方面[16-22]，而對設施農業土壤養分累積和地下水污染特征的研究較為鮮見，且國內關于設施農業的研究多集中在設施蔬菜方面，對設施葡萄的研究相對較少。筆者以邛海北岸的西昌市設施葡萄種植面積最大的川興鎮為研究區，通過對不同種植年限的設施葡萄園土壤及對應區域地下水的氮、磷濃度進行分析，探討土壤養分分布規律，進一步揭示地下水環境的污染特征，以期為設施葡萄種植中合理高效利用肥料、土壤持續利用和邛海水環境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

川興鎮位于四川省西昌市東南部、邛海北岸，屬亞熱帶高原季風氣候，年均氣溫為18 ℃，年均降水量為1 000 mm左右，降水主要集中在6—8月。依據《西昌市耕地地力評價技術報告（2009年）》，研究區耕地土壤屬于砂質沖積物，土壤平均pH為7.6，TN平均濃度為1.74 g/kg，速效氮（AN）平均濃度為129 mg/kg，速效磷（AP）平均濃度為 16 mg/kg。

川興鎮冬暖夏涼，光熱資源豐富，造就了葡萄生長的適宜環境。根據資料調研，西昌市從20世紀80年代開始種植葡萄，最早便在川興鎮種植。2020年，川興鎮設施葡萄種植面積達621.61 hm2，占西昌市設施葡萄種植面積的50%以上。據調查，川興鎮設施葡萄屬于高強度施肥種植，不同生長階段需要大量不同組分的肥料，3—5月主要施加氮、磷肥，5—6月施加平衡性水溶肥，后期主要施加磷、鉀肥，休眠期（1—2月）主要施加腐熟有機肥，年施肥總次數約15次，單次施肥總量約150 kg/hm2。

1.2 樣品采集與分析測試方法

1.2.1 樣點布設與樣品采集

于2020年10月底針對不同種植年限設施葡萄園的土壤以及相應葡萄園的地下水進行布點和采樣，此時正值葡萄采收期，種植期內的施肥工作基本結束。采集附近普通露天農田的土壤和地下水樣品、農田附近井水樣品、未耕作過的背景土壤樣品作為對照。具體采樣點位分布及信息詳見圖1和表1。

表1 采樣點編號及樣品類型Table 1 Label of sampling points and types of samples

圖1 研究區采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

采集3種類型土壤樣品，包括不同種植年限（1～16 a）的設施葡萄園土壤7處，普通農田土壤1處，以及未耕作過的背景土壤1處。土樣的采集參照HJ/T 166—2004《土壤環境監測技術規范》[23]中的隨機多點混合采樣法，采集0～20 cm表層土壤樣品，密封保存于自封袋中，帶回實驗室用于進一步處理分析。

采集設施葡萄園土壤的同時采集相應地下水樣品共7處，采集普通農田土壤時采集相應地下水樣品1處。此外，采集設施葡萄園附近2處具有代表性的灌溉井水，其中#1井深度為9 m，#2井深度為5 m，均屬于淺層地下水。地下水的采集參照HJ/T 164—2004《地下水環境監測技術規范》[24]，在相應的土壤采樣點用土鉆鉆取至200 cm深度左右(根據地下水滲出量)時有地下水滲出，用細管吸出地下水導入聚乙烯瓶中，于4 ℃冷藏保存，并及時測定。

1.2.2 樣品測定方法

土壤樣品測定方法參照《土壤分析技術規范》[25]，測定指標包括粒度、電導率（EC）、pH、有機質(OM)、TN、TP、AN 和AP，其中粒度采用Malvern 2000激光粒度分析儀測定。地下水樣品測定方法參照 GB/T 14848—2017《地下水質量標準》[26]，測定指標包括TN、總溶解態氮(TDN)、硝態氮(NO3-N)、TP、總溶解態磷(TDP)。

1.2.3 數據處理與分析

依據全國第二次土壤普查各項養分指標分級標準[27]（表2），對川興鎮設施葡萄園和普通農田的土壤肥力狀況進行分析。地下水中氮、磷濃度參照GB/T 14848—2017進行分析。

表2 全國第二次土壤普查分級標準Table 2 Classification standards of soil fertility posed by the 2nd National Soil Survey

利用Excel軟件進行原始采樣數據的整理，利用SPSS軟件對數據進行統計學分析，利用Origin和ArcGIS軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤粒徑組成特征

土壤的粒徑組成直接影響著土壤基本性狀，與作物的生長發育也有著密切的關系。根據Shepard沉積物分類方法[28]得到研究區土壤樣品的粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，研究區普通農田和背景土壤均屬于砂質粉砂；設施葡萄園土壤屬于黏土質粉砂，黏土（<4 μm）占比為18.76%～25.37%，平均值為21.25%；粉砂（4～63 μm）占比為56.49%～73.89%，平均值為64.99%。整體上，研究區土壤樣品均屬于砂質土壤，與《西昌市耕地地力評價技術報告（2009年）》結果相符。

圖2 研究區土壤粒徑分布Fig.2 Distribution of soil particle size in the study area

2.2 土壤酸化、鹽漬化狀況

土壤pH測定結果見表3。由表3可知，設施葡萄園土壤pH為5.59～6.58，平均值為5.97，顯著低于背景土壤。該土壤與普通農田土壤相比pH均有不同程度的降低，平均比普通農田下降了0.77，下降幅度為11.42%。

表3 研究區土壤pH、EC測定結果Table 3 Measurement results of soil pH and EC in the study area

土壤EC是指示土壤水溶性鹽濃度的指標，而土壤水溶性鹽也是評價土壤次生鹽漬化的重要指標。由表3可見，相比背景土壤和普通農田土壤，設施葡萄園土壤EC明顯較高，為2.09～7.29 mS/cm，平均值為5.40 mS/cm，分別為背景土壤和普通農田土壤的49.1倍和12.6倍。

2.3 土壤有機質水平

土壤中各種養分濃度的測定結果如表4所示。OM濃度是衡量土壤肥力的重要指標之一。由表4可知，設施葡萄園土壤OM濃度為2.17%～3.25%，平均值為2.77%，分別為背景土壤和普通農田土壤的3.1倍和2.4倍。根據第二次全國土壤普查確定的土壤養分濃度分級標準[27]，研究區設施葡萄園土壤OM平均濃度為三級（中上）水平，普通農田土壤OM濃度為四級（中）水平，背景土壤OM濃度為五級（低）水平。

表4 研究區土壤養分濃度測定結果Table 4 Measurement results of soil nutrient concentration in the study area

2.4 土壤氮、磷累積及原因

2.4.1 氮、磷累積特征

土壤氮、磷濃度測定結果如表4所示。由表4可知，設施葡萄園土壤TN和TP濃度均達到了土壤養分分級的一級（極高）標準，且相較于背景土壤和普通農田土壤均明顯更高。設施葡萄園表層土壤TN濃度為1.55～2.76 g/kg，平均值為2.11 g/kg，分別是普通農田土壤、背景土壤的1.8倍和4.1倍；TP為1.52～2.47 g/kg，平均值為1.99 g/kg，分別是普通農田土壤和背景土壤的2.3倍和3.5倍。

AN、AP是指土壤中可被作物吸收利用的氮、磷養分形態，二者均是土壤肥力的重要參數。由表4可知，設施葡萄園土壤AN和AP濃度平均值均達到土壤養分分級的一級（極高）標準。相較于背景土壤和普通農田土壤，設施葡萄園土壤中的AN、AP養分發生了明顯累積，且AN的增幅更高。設施葡萄園表層土壤中AN濃度為650.09～811.57 mg/kg，平均值為701.80 mg/kg，分別是普通農田土壤和背景土壤的2.1倍和8.2倍；AP濃度為104.94～161.95 mg/kg，平均值為134.82 mg/kg，分別是普通農田土壤和背景土壤的2.4倍和6.5倍。依據《西昌市耕地地力評價技術報告（2009年）》，耕地土壤AN和AP濃度調查值分別為129 和16 mg/kg。相比之下，設施葡萄園土壤的AN和AP濃度平均值均明顯較高，分別是耕地土壤調查值的5.4倍和8.4倍。

總體上，研究區設施葡萄園土壤中氮、磷養分濃度較高，累積特征較為明顯。將川興鎮設施葡萄園與其他地區設施農田土壤氮、磷濃度進行比較，結果如表5所示。由表5可知，川興鎮設施葡萄園土壤中TN、TP濃度較其他地區的設施蔬菜田更高，土壤中AN和AP濃度較其他地區的設施葡萄園更高，同時TN/TP相對較低。這說明相較于其他地區的設施農田，川興鎮設施葡萄園土壤中氮、磷養分累積量較多，且磷素累積強度更高。

表5 設施農業不同種植類型區土壤氮、磷濃度對比Table 5 Comparison of TN and TP concentrations in the soil of different planting types of protected agriculture

2.4.2 氮、磷累積原因

設施葡萄園土壤中氮、磷養分的累積與施肥方式和施用量密切相關，將川興鎮設施葡萄園與其他地區設施農業的施肥特點進行對比，結果如表6所示。由表6可知，與其他地區設施農業相比，川興鎮設施葡萄園磷肥的施用量相對較高，但氮肥、磷肥施用量比相對較低。調查文獻中設施蔬菜種植區氮肥、磷肥施用量比較高，部分地區如山東省、山西省，其氮肥施用量分別達到磷肥施用量的3.1倍和2.5倍，同時也有部分地區磷肥施用量相對過多，如天津市、陜西省，其氮肥、磷肥施用量比低于常規蔬菜作物所需的氮磷比例（2:1）[36]。設施葡萄和設施蔬菜的養分主要都來源于有機肥基施，不同的是設施葡萄施肥次數相對較多，且在果實轉色期時，會投入大量磷肥促進果實增甜上色[37]。

表6 設施農業不同種植類型區土壤氮、磷施肥量對比Table 6 Comparison of N and P fertilization quantity in the soil of different planting types of protected agriculture

2.4.3 土壤pH、EC、粒度對土壤氮、磷濃度的影響

土壤養分濃度與土壤pH、EC、粒度相關性分析結果如表7所示。由表7可知，土壤pH、EC和粒度組成對土壤養分濃度均有顯著影響。其中，土壤pH與土壤養分濃度呈顯著負相關（與TN、TP的相關系數分別為-0.775和-0.792，與AN、AP相關系數分別為-0.847和-0.774），表明土壤的酸化程度受到氮、磷濃度的影響，長期大量施肥會造成土壤中氮、磷養分大量累積，從而加重土壤的酸化[47]，這與王朔等[9-10]的研究結果一致。土壤EC與土壤養分濃度呈顯著正相關，說明隨著設施種植年限延長，施肥過度導致的養分剩余在土壤中逐年累積，使土壤中鹽分累積量不斷增加，土壤鹽漬化程度隨之升高。因此，了解設施葡萄土壤肥力狀況及其變化規律是設施葡萄合理施肥的基礎，控制肥料的施用量也有利于降低土壤酸化趨勢和鹽漬化風險。

土壤粉砂占比對土壤養分濃度有著顯著影響。采集的土壤樣品均為砂質土壤，土壤養分濃度與粉砂（4～63 μm）占比呈顯著正相關（TN、TP 與粉砂占比的相關系數分別為0.786和0.694，AN、AP與粉砂占比的相關系數分別為0.678和0.698，OM與粉砂占比的相關系數為 0.749），與砂粒（63～1 000 μm）占比呈顯著負相關。這說明土壤主要組成粒徑越細，土壤的氮、磷和有機質濃度也越高，這與杜雅仙等[48-49]的研究結果一致。

2.4.4 種植年限對土壤氮、磷濃度的影響

土壤養分濃度與種植年限相關性分析的結果（表7）表明，隨著種植年限的增加，土壤中氮、磷濃度會發生明顯累積，土壤中TN、TP濃度與種植年限呈顯著正相關，相關系數分別為0.774和0.772。由不同種植年限設施土壤中氮、磷濃度特征〔圖3(a)〕也可以看出，隨著種植年限的增加，土壤中TN和TP表現出相似的增長趨勢，其中種植年限為12和16 a的設施葡萄園土壤中TN和TP濃度更高。

表7 設施葡萄園土壤養分濃度與土壤性質、種植年限相關性分析結果Table 7 Results of correlation analysis between nutrient concentration, soil properties and planting years in the soil of facility vineyards

相關性分析結果也表明，土壤中AN、AP濃度與種植年限無明顯相關關系。圖3(b)表明，設施葡萄園土壤中AN、AP濃度隨著種植年限的增加呈現先減少后增加的趨勢。這是由于種植初期（1～2 a）果樹較小，掛果少，對養分的需求量小，施加的肥料不被充分吸收，因此土壤中養分盈余較多。此后隨著種植年限的增加，果樹年生長量大，果實對養分的吸收增強，導致土壤中AN、AP濃度降低；達到一定的種植年限后，果樹對土壤養分的吸收能力下降，土壤中剩余養分逐年積累，老齡期果園土壤速效養分又會逐漸上升，這與李志軍等[50-51]的研究結果一致。

圖3 研究區土壤中氮、磷濃度特征Fig.3 Characteristics of N and P concentrations in soil in the study area

2.5 地下水污染特征

設施葡萄園地下水中氮、磷濃度測定結果如圖4所示。由圖4可知，設施葡萄園地下水TN濃度為14.65～33.44 mg/L，平均值為 25.82 mg/L；TP 濃度為0.144～0.431 mg/L，平均值為0.228 mg/L。普通農田地下水TN濃度為8.13 mg/L，TP濃度為0.157 mg/L。2處灌溉水井TN濃度平均值為7.16 mg/L，TP濃度平均值為0.057 mg/L。設施葡萄園地下水的TN和TP濃度均相對更高，其中TN 濃度分別是普通農田和灌溉水井的3.2倍和3.6倍，TP濃度分別是1.5倍和4.0倍。隨著種植年限的增加，設施葡萄園地下水中TN濃度逐漸升高；TP濃度除g6采樣點明顯較高外，其他不同種植年限采樣點相差不大，可能是因為g6采樣點磷肥施用量偏多，磷素累積下滲量超出了土壤磷素淋溶閾值，導致土壤淋出液的磷濃度急劇增加，這與劉蕾等[52-53]的研究結果一致。

圖4 研究區地下水中氮、磷濃度特征Fig.4 Characteristics of N and P concentrations in the groundwater of the study area

設施葡萄園地下水NO3-N濃度為12.27～31.09 mg/L，平均值為22.12 mg/L，屬于GB/T 14848—2017 Ⅳ類水質；而普通農田和灌溉用井水地下水NO3-N濃度平均值分別為6.33和5.40 mg/L，均屬于Ⅲ類水質。設施葡萄園地下水中NO3-N約占TN的86%，普通農田地下水中約占78%，灌溉井水中約占75%。設施葡萄園地下水中NO3-N占比較高，說明設施葡萄園土壤中NO3-N更易淋洗下滲，成為地下水安全的隱患。隨著種植年限的增加，設施葡萄園地下水中NO3-N濃度整體呈升高趨勢，與地下水中TN濃度變化趨勢基本一致。可見，設施葡萄種植已經對地下水造成了污染，并且隨著種植年限的增加，污染加重[54]。設施農業種植過程中，施肥過量會導致不能被作物吸收的過剩氮、磷養分在土壤中大量累積，并在灌溉水流作用下發生下移，由此引發地下水中氮、磷污染[55]。有研究表明，土壤中氮的利用率為土壤供給量的1/3，當氮肥施用量超過作物生長需求，且灌溉強度較高時，會造成土壤中硝態氮隨灌溉水淋溶到地下水中，引起地下水硝酸鹽濃度超標[56-58]。王朔等[9,11]在西藏、山東壽光的研究也發現了類似結果。種植區地下水中TN濃度遠高于TP濃度，原因可能是土壤對磷素的吸附能力較強，導致磷素在土壤中移動性弱，由此造成了土壤中氮的淋失量高于磷。

3 討論

研究區不同種植年限設施葡萄園土壤均面臨酸化、鹽漬化和養分過量投入問題。長時間種植施肥導致土壤中養分盈余累積是土壤酸化、鹽漬化的主要原因。土壤酸化和鹽分積聚會危害作物的生長和品質，設施葡萄正常生長的EC為1.5 mS/cm左右，而川興鎮設施葡萄園土壤EC平均值為5.40 mS/cm，遠超出葡萄正常生長范圍。

研究區設施葡萄園土壤中氮、磷養分濃度較高，累積特征較為明顯。根據第二次全國土壤普查確定的土壤養分濃度分級標準，設施葡萄園土壤OM平均濃度為三級（中上）水平，TN、TP、AN和AP濃度均達到了土壤養分分級的一級（極高）標準。隨著種植年限的增加，土壤中有機質和氮、磷養分明顯發生累積。設施葡萄園土壤中氮、磷養分的累積與施肥方式及施肥量密切相關。川興鎮設施葡萄園磷肥的施用量相對較高，研究表明，由于磷在土壤中易被固定，使得磷肥的利用率相比氮肥更低，為滿足作物對磷素的需求，大量的磷肥被施入土壤，磷素會在土壤中大量累積，從而可能會通過徑流和淋洗途徑對區域水環境造成污染[59]。

研究區設施葡萄種植已經對地下水造成了硝酸鹽污染，并且隨著種植年限的增加，污染加重。川興鎮地下水埋深較淺，僅為1.5～2.5 m，施肥過量在短時間內即可對淺層地下水硝酸鹽濃度產生影響。大量化肥的施用，盡管在正常年份當季施肥不致很快進入地下水，但從調查結果可以看出，隨著種植年限的增加，地下水中氮濃度逐漸升高，這說明土壤中剩余氮的累積勢必會提高其向下淋洗的機會。西昌市屬亞熱帶高原季風氣候區，雨量充沛、降水集中，地下水資源豐富，而邛海相對于周邊設施葡萄園海拔地勢較低，因此設施葡萄園土壤中累積的氮、磷通過下滲進入地下水體，會增加邛海水質的污染風險。

4 結論

（1）研究區設施葡萄園土壤中氮、磷養分累積量較高，磷素累積顯著，不同形態氮、磷養分的平均濃度均達到全國第二次土壤普查各項養分指標分級標準中的一級標準。土壤中氮、磷濃度與種植年限、鹽漬化程度及土壤粉砂占比呈顯著正相關，與土壤的酸化程度呈顯著負相關。

（2）設施葡萄園地下水中硝酸鹽濃度相對較高，為GB/T 14848—2017 中的Ⅳ類。盡管磷肥施用量較多，但是由于土壤對磷素的吸附能力較強，土壤養分淋失主要以硝態氮為主，且隨著種植年限的增加，地下水中氮濃度逐漸升高，長期設施葡萄種植導致的土壤剩余氮累積會增加地下水體硝酸鹽污染的風險，從而對邛海水質存在潛在的污染影響。