我國設施農業土壤生態存在的問題及其解決措施

劉 甜，蔡喜運

大連理工大學 環境學院，遼寧大連 116024

設施農業是指在受控的室內環境中種植農作物的一種農業系統。與傳統的露地農業相比，設施農業可以大幅度提高生產力和水的使用效率等，設施農業的單位面積生產力比傳統農場高10～20倍。近年來，我國設施農業規模發展迅速，總面積超過世界設施農業的80%。在北京市的統計中，設施農業收入占農業總產值的比重在2019年已達到46%[1]。然而，為了盡可能實現較大的經濟效益，設施農業中常常出現土地密集使用、過度使用肥料和農藥，使用質量不明的灌溉水等情況。目前，設施農業中農戶都是根據自己的經驗進行管理，沒有針對土壤的具體情況進行管理，導致設施農業土壤的退化和污染問題，如土壤養分失調、土壤酸化、土壤次生鹽漬化和土壤農藥污染等，嚴重影響了作物的品質和產量，制約了設施農業的發展。

1 設施農業土壤質量退化存在的問題

1.1 土壤養分失調

設施農業土壤退化的一個重要特征是有機物的逐漸損失，也是設施農業土壤生產力下降的主要因素。測量國內有一定運行年限的設施農業土壤的有機質含量，發現其值為2.5%～4.0%，低于發達國家(8%～10%)。由于設施農業中作物生長季節很短，作物根系也不夠發達生根系統也有限，導致設施農業中作物對土壤中磷的利用率低。但施肥時長期過度施用高濃度復合肥，導致設施農業土壤出現氮磷元素富集的現象。而在種植中沒有及時補充微量元素，出現缺乏微量元素現象，如鉀元素等。設施農業連續種植同一作物或近緣作物后，同類作物對某些營養元素的選擇性吸收也會導致土壤養分不均衡。

1.2 土壤酸化

土壤酸化和設施農業中不合理的施肥和設施農業的特點密切相關。設施農業中為追求效益過量施用肥料不僅會造成土壤中營養元素的富集，還會導致土壤pH值下降，如銨態氮肥的過量施用會降低土壤的緩沖性能，一些生理酸性肥料在土壤中的積累會降低土壤pH值[2]。同時，設施農業高溫高濕的環境會加快有機質分解為有機酸，缺乏雨水淋溶導致這些酸性物質會在土壤中積累。此外，設施農業土壤中表層酸化更嚴重，這是因為設施農業土壤中的養分在高蒸發的條件下更易聚集在土壤表層。相關數據表明，全國不同地理位置的設施大棚中均出現了土壤酸化現象，杭州市設施栽培中土壤pH ＜ 5.5的占所測量設施土壤的30%，沈陽城郊被調查的設施栽培土壤中70.9%的大棚土壤pH ＜ 6.5[3]。土壤酸化會破壞土壤的團粒結構，影響土壤中正常微生物的活動。此外，土壤酸化還可能影響蔬菜對鉬、硼等微量元素的吸收利用。

1.3 土壤次生鹽漬化

設施農業土壤退化問題中另一突出現象是土壤次生鹽漬化嚴重。土壤表層的鹽化導致絕大部分肥料隨水流流失或固定在土壤表面，只有小部分能被作物吸收，這也進一步導致土壤表層養分的積累和肥料的超量施用。研究表明，連續耕種近十年的設施農業土壤耕作層含鹽量是露地土壤的4～11.8倍，若未正確使用和保護，設施農業土壤連續種植2～5年就會發生過量的鹽分累積。

造成土壤次生鹽漬化的原因包括不合理的種植管理方法和設施農業的環境條件。過量施用的化肥中的硝酸鹽、磷酸鹽等只有部分被吸收，剩余的將積累在土壤中。設施農業中頻繁灌溉和灌溉水自身鹽分高也會加劇土壤中鹽分的積累。設施農業土壤的高溫環境和土壤酸化問題加劇了土壤次生鹽漬化，高溫使土壤礦化率更高，土壤酸化使土壤中一些難溶的鈣鹽和鎂鹽溶解。此外，設施農業土壤缺乏雨水淋溶和蒸發量高于露地的情況，也會導致土壤鹽漬化更加嚴重。設施農業缺乏雨水淋溶使得土壤中的鹽不能正常流失，蒸發量大使得土壤中的鹽分隨著水分的蒸發聚集在土壤表層。

1.4 土壤物理性狀的惡化

研究表明，隨著設施農業長期密集種植和生產過程中化肥的過量使用，土壤的物理性狀出現惡化。其中，土壤板結問題較為突出。土壤出現板結后，土壤容重變大，透氣性能變差，不利于作物的生長。久而久之，耕作層也會變得更淺，土壤板結問題還會隨著設施栽培種植年限延長而逐漸變得嚴重。

1.5 土壤生物環境惡化

隨著作物的連年種植，設施農業土壤的生物環境逐漸惡化。設施土壤中連續種植同一作物或近緣作物后，同類作物長期分泌同種物質，會導致土壤微生物環境平衡被破壞。研究發現，黃瓜的根系會分泌一種酚類物質，這種酚類物質在土壤中累積到一定量就會影響作物的生長。而且作物殘體在土壤中的腐解也會產生有毒物質，有毒物質的積累可能會對同類或同科作物的生長產生不利的影響。

設施農業土壤還會出現有害微生物增加、土傳病害嚴重的問題。設施農業中長期連作為根系病害提供了生存環境，也是長期連作后植物容易出現病害的原因。設施農業中長期過量施用氮肥使得設施土壤中硝化細菌和反硝化細菌高于露地土壤，尤其是反硝化細菌。農戶對土壤消毒不徹底、防病不及時也會導致設施農業土壤中各種病菌的增殖。

1.6 土壤污染

設施農業中病蟲害比露地農業更嚴重，導致農戶在生產種植過程中大量施用農藥。同時，由于設施農業中棚膜對陽光和雨水的隔離，農藥的揮發和光解更慢。在不同類型的設施農業土壤中檢測到抗生素，發現所有樣品中都檢測出一種以上的抗生素。而且隨著種植年限的增加，設施農業土壤中的農藥殘留更高[4]。一些含重金屬的農藥和化肥還會導致設施土壤中重金屬含量超標，設施農業土壤中常見的重金屬污染有鉛、汞、鎘、砷等。根據報道，位于云南的設施農業土壤中重金屬鎘達到輕度污染，山西的設施農業土壤中汞污染較嚴重。

2 設施農業土壤修復技術進展

2.1 生物調控

選種耐鹽植物、合理輪作和套作是利用生物方式調控設施農業土壤質量退化的3大方法。選種耐鹽植物主要是防治土壤次生鹽漬化、降低土壤鹽分的有效方式。利用某些對鹽耐受性高和吸肥力強的植物對鹽漬化土壤進行植物洗鹽。常見蔬菜中，耐鹽能力排序：番茄＞茄子＞芹菜＞甜椒＞黃瓜。此外，禾本科作物的耐鹽受性通常優于設施蔬菜，如小麥、水稻、玉米等糧食作物。這是因為它們具有更發達的根系和更高大的植株，與蔬菜相比，禾本科作物吸收土壤中礦物質元素的能力更強，蒸發量更小，所以常常在休棚期種植糧食類作物，實現植物洗鹽。種植黃瓜后土壤的EC值下降了38%～49%，而種植玉米后土壤的EC值下降了55%～64%，玉米的除鹽效果顯著優于黃瓜[5]。

合理輪作可以有效減少連續重茬種植造成的土傳病害的發生。將不同種類、不同生物習性的植物進行輪作，不僅可以調節土壤養分失衡的情況，還可以調節土壤中微生物群落的種類，抑制有害微生物的累積，緩解連作障礙。比如黃瓜—番茄—菜豆—菜花的輪作可以通過不同作物吸收不同養分實現土壤養分損耗的平衡，換茬種植后也減少了土傳病害的發生。蓖麻—白菜—蓖麻和辣椒—白菜—辣椒的輪作可以在一定程度上減輕設施農業土壤的次生鹽漬化，在2年3茬的輪作實驗中分別使土壤的EC值下降了5%和33%。

套作也是減輕連作危害的一種簡單辦法。根據不同蔬菜的類型、根系的深淺還有其吸收土壤養分的特點，合理搭配不同的作物，并采用合理的種植方式和時間，可以有效減輕土傳病害的危害程度，還可以避免作物根系分泌物對同類作物產生的不利影響。研究表明，大蒜套種玉米可以有效減輕玉米螟的危害，在一代玉米螟發生期，與套種其他作物的玉米田相比，套種大蒜的田中玉米螟卵數量減少了50%，在未進行其他防治的條件下，套種大蒜的田一代玉米螟殘留量較其他非套種大蒜的下降了47.6%[6]。

2.2 合理施肥

實際生產中應根據不同作物需要的養分和現有土壤的狀態選擇合適的肥料，尤其是要重視微肥的施用。根據不同作物類型和同種作物在其不同生長階段對養分的不同需求量合理施肥，既能滿足作物生長的養分需求，還能避免肥料中過量的養分在土壤中累積，對減緩土壤鹽漬化問題有明顯的改善效果。對于多年耕作、肥力下降的設施土壤，施肥的主要原則是控氮、減磷、穩鉀,并根據不同土壤的情況選擇施用相關的微肥。對于土壤次生鹽漬化問題嚴重的設施農業土壤，還可以通過控制硝態氮肥來緩解。

在肥料種類選擇時還可以選擇緩性肥料和新型肥料，如有機肥和微生物肥。施用有機肥可以有效提高土壤有機質含量，還能增強土壤的團粒結構和緩沖性能，從而改善土壤物理性狀，土壤物理性狀改善后可以促使土壤表層的鹽分向下移動，緩解土壤鹽漬化。施用微生物肥可以調整土壤中微生物的群落結構，提高細菌和放線菌的數量。此外，還要重視根外施肥和少量多施，每次追肥的量不宜過多，且追肥后應多通風以減少有害氣體的累積。

2.3 水分調控

設施農業中應注意灌溉方式的選擇。單純的大水漫灌和溝灌會導致土壤水分蒸發量大，使得土壤中鹽分向表層積聚。改用滴灌和滲灌不僅可以減少土壤中水分的蒸發，還可以保持土壤中養分的平衡。研究表明，設施蔬菜采用滴灌方式時，與溝灌相比，土壤0～30 cm和30～60 cm的硝態氮分別上升了183.9%和80.5%，水分利用率上升了280.4%，土壤酶活性和黃瓜的產量顯著提升，滴灌在提高氮素利用、水肥利用和土壤酶活性等方面優勢顯著[7]。

對于鹽分較高的土壤，還可以利用合適的灌溉方式進行除鹽，種植前用水灌透土壤可以使土壤表面的鹽分下淋，實現洗鹽。對設施農業土壤灌水澆透后，表層土的鹽分溶解稀釋到水中，隨水進入至下層土中。杭州蔬菜科學研究所玻璃溫室內的實驗表明，灌水2 h后土壤的EC值就下降了0.32～0.4 mS/cm。張家港和無錫的試驗結果表明，大水灌溉土壤后，0～20 cm處土層的鹽分總量下降了59%。此外，用水灌透土壤后再加蓋地膜不僅可以實現洗鹽，地膜給土壤環境帶來的高溫環境還能達到殺蟲滅菌的效果。但是，采用灌水洗鹽的方式耗時相對較長，而且由于設施大棚內溫度較高，土壤中地下水蒸發后可能出現返鹽現象，同時深度灌溉后的洗鹽水中可能含有大量的氮、磷等元素，若不經過處理直接排放又會出現農業面源污染等新問題。利用設施大棚休棚期換茬空隙撤掉棚膜使土壤淋雨也是消除土壤次生鹽漬化障礙的一種簡單易行的有效措施。研究表明，揭掉棚膜淋雨后，設施土壤0～5 cm土層鹽分含量下降了79.5%。

生產種植中還應根據不同作物的生長特性進行合理灌溉。針對黃瓜、萵苣和芹菜等根系較淺的作物，應該提高灌水量和灌水頻率，保持土壤的濕潤。而西瓜、西紅柿和西葫蘆等根系較深的植物較根系淺的植物耐旱性更好，灌溉時應減少灌水量和降低頻次。作物處于不同生長期也應調整灌溉量和頻次。處于幼苗期的作物要保證土壤的含水量，當作物到發棵期時應注意控水。

2.4 施用改良劑

土壤改良劑能夠有效促進土壤團粒的形成，從而顯著改善土壤結構，保護土壤層，不僅增強了土壤肥力，還增強了耕作土壤保水、保土以及保肥的性能，進而提高作物產量。常用的土壤改良劑分為有機改良劑和無機改良劑，有機改良劑包括糞肥、草木灰和農作物的秸稈等，無機改良劑包括調節土壤酸化、解決土壤次生鹽漬化問題和實現土壤消毒的改良劑。

施用有機改良劑不僅能夠增強土壤的肥力，還能改善土壤的微生物環境。在實際應用中常將作物秸稈作為改良劑施用來提高土壤質量。研究表明，將玉米、大豆等C/N值高的秸稈覆蓋在土壤表層或還田不僅可以增加土壤有機質，還可以影響土壤中硝化和反硝化作用，減少NO2-的積累，有效減少鹽分在土壤表層的積累，提高土壤pH值[8]。但秸稈直接還田時，由于秸稈的木質素組分難以降解，常常需要配施秸稈腐熟菌劑。

夏季設施大棚休棚期對設施土壤進行高溫悶棚處理可以利用高溫有效殺滅土壤中的有害病蟲。施用無機改良劑時常與高溫悶棚相結合。常用的無機改良劑包括石灰類改良劑、碳酸氫銨改良劑和土壤熏蒸劑等[9]。石灰類改良劑不僅可以調節土壤酸化，還能對土壤有很好的消毒效果。碳酸氫銨改良劑在調節土壤酸化的同時還能防止土壤板結，并殺死土壤中的有害微生物。土壤熏蒸劑主要殺滅土壤中的有害微生物和昆蟲。

3 結束語

設施農業是提高農田生產力、獲得更多樣農產品的重要手段，設施農業在快速發展的同時出現了土壤質量退化嚴重的問題。常見的設施農業土壤退化問題包括土壤養分失調、土壤酸化、土壤次生鹽漬化、土壤生物環境惡化和土壤污染等。為了設施農業的可持續發展，修復退化的設施農業土壤迫在眉睫。常見的修復技術包括生物調控、合理施肥、水分調控和施用改良劑等。但關于這些修復技術實際修復效果的研究較少，也缺乏對整個設施農業土壤生態體系的評價指標，綜合評價設施農業土壤質量狀況和開發有效的設施農業土壤修復技術是值得研究的方向。