一、設施農業土壤質量退化特征與成因

1設施土壤酸化特征與成因

與露地土壤相比設施土壤生態環境發生很大改變,設施土壤酸化成因主要體現如下:高溫高濕的條件使有機質分解得更快,產生更多的有機酸和腐殖酸;高復種指數下,為了保證作物的質量和產量,肥料施用量過大,偏施或過量施用化肥就成為設施土壤酸化的另一原因;高蒸發和無雨水淋洗使設施土壤養分易于在土壤表層積累,造成設施土壤表層酸化更為嚴重。孟鴻光[16]對沈陽城郊110個具有代表性的溫室大棚土壤的調查結果表明,土壤pH<6.5的大棚占調查總數的70.9%。杭州市蔬菜大棚內土壤pH介于4.8~7.8,pH<5.5的土樣占30%[17]。哈爾濱市種植5年、10年、20年的大棚土壤pH分別降低0.01、0.16、0.44,大慶市種植5年、14年、30年的大棚土壤pH分別降低0.02、0.39、0.50[18];在南方研究表明,種植6~7年的設施土壤pH下降1個單位[19]。這表明pH隨種植年限的增加而下降。

2設施土壤微生物區系破壞特征與成因

隨著設施栽培年限的延長,設施土壤生態環境發生改變,直接影響到設施土壤微生物的生存環境,從而導致設施內土壤微生物在種群、數量及活性上均與露地存在較大差別。設施土壤微生物主要由細菌、放線菌、真菌三大類別組成。據周藝敏[20]報道,隨種植年限增加,耕層和亞耕層微生物總量都呈增加趨勢。大棚土壤細菌數量為125~276.7cfu•g1,且隨棚齡增加而增大;真菌數量為136.7~203.3cfu•g1,放線茵數量為83.3~121.7cfu•g1,其中細菌和真菌表現為明顯種群擴大現象[21]。唐詠等[22]研究表明,氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量分別比棚外土壤增加1.07~2.28倍、50.47~68.79倍和4.33~9.32倍,真菌比例高于露地,其主要原因在于大棚土壤溫度發生了變化[23]。另外,土壤有機質含量較高,促進了土壤微生物的繁衍[24]。而放線菌在總量上介于細菌和真菌之間,相較于露地土壤數量減少。設施土壤微生物區系不同于大田土壤,研究表明細菌和真菌數量均表現為大棚>溫室>露地,放線菌數量表現為大棚>露地>溫室。從種類而言,真菌中以非病源性腐生性青霉、曲霉、小克銀漢霉為主[25]。細菌則表現為氨化細菌、硝化細菌的數量增加,尤其是反硝化細菌更為突出,這主要是設施土壤比露地土壤有效氮含量多的緣故[26]。張俊俠等[27]認為設施土壤真菌中腐霉菌數量增加,木霉菌數量降低,放線菌數量隨溫室使用年限增加而下降。據范君華等[28]研究,連作番茄大棚土壤酶活性隨栽培年限增加活性增強,轉化酶活性表現為8年>2年>4年,脲酶、過氧化氫酶、中性磷酸酶活性表現為8年>4年>2年。不同連作作物種類也會影響設施條件下土壤酶活性,賀麗娜等[29]研究報道,豇豆黃瓜和油菜黃瓜輪作能顯著提高土壤堿性磷酸酶活性。設施土壤理化性質和營養平衡被破壞,病原菌數量增多,青枯病、炭疽病、軟腐病和根結線蟲病等各種土傳病害頻繁發生。

3設施土壤養分失衡特征與成因

設施土壤養分失調主要表現在有機質、全氮、堿解氮、速效磷均高于露地栽培,中量和微量元素缺乏[30]。隨耕種年限增加,鉀和中微量元素處于虧缺狀態。導致作物生理缺素和抗逆性降低,病蟲害時有發生。如大棚番茄氮多鉀缺引起筋腐病、白菜缺鈣出現心腐病、番茄缺鈣易出現臍腐病等缺素癥狀[31]。同時,養分不平衡也會導致元素之間產生拮抗作用,影響作物吸收[32]。究其原因,一是施肥量大,過多施用高濃度復合肥,且復合肥中磷比例過高;據調查表明,某設施栽培區域施肥量大,僅純氮施用量就超過1800kg•hm2,在設施栽培中,不少地方習慣施用高濃度復合肥(15-15-15或16-16-16),多數設施土壤未施過鉀肥,土壤中鉀素嚴重缺乏[18]。二是設施栽培年限的延長促使了養分失衡的發生,失衡程度與設施類型、種植方式以及管理等方面有關。當前如何合理施用化肥和有機肥,防治設施土壤養分平衡,提高設施農業的土壤肥力和土壤質量,是亟待解決的重要問題。

4設施土壤有害物質累積與成因

據李見云等[3536]報道,重金屬銅、鋅、鉛含量隨大棚棚齡的增加有一定增加,鎘含量沒有明顯規律性,但這幾項重金屬含量均比農田含量高,農田及大棚重金屬含量均較土壤背景值有一定程度增加,但尚未超出國家環境質量標準。史靜等[37]報道,云南設施土壤中以鎘的污染程度最為嚴重,其單項污染指數大于1.0,已達輕度污染程度;運用內梅羅綜合污染指數法對不同栽培年限土壤重金屬元素含量進行評價,其綜合污染指數為0.98,污染水平已達警戒級;設施栽培年限為3~5年、6~8年及>10年時的污染指數都大于1.0,且隨栽培年限延長污染加劇。楊治平等[38]對山西省保護地土壤研究表明,砷、鎘污染較小,而汞污染比較嚴重。李德成等[39]報道,大棚土壤中多數重金屬元素含量在0~40cm土層內含量差異很小,與露地土壤相比,除1年棚齡的土壤外,土壤重金屬含量隨大棚使用年限的延長而有所增加,但尚未發生重金屬污染超標現象。從這些調查研究的結果來看,雖然設施土壤重金屬含量有一定積累,但除個別元素對環境有污染外,大多數重金屬元素尚未引起土壤環境污染。究其原因,栽培年限、輪作方式及土壤理化性狀對設施土壤重金屬污染物累積均造成影響[40]。而其中由于大量施用的家禽糞便和含鈣鎂磷肥等成分的復合肥中均含有一定重金屬元素所致。大量施肥導致土壤中重金屬元素含量增加的現象在世界各地均有發生[41]。

設施土壤在過量不合理施肥情況下容易造成有害氣體積累。施用尿素或銨態氮肥過多,以及廄肥、餅肥等有機肥未充分腐熟時,在高鹽分作用下,易產生大量氨氣;硫酸鹽化肥施用量較多,加之地溫較低等因素,在硫化細菌作用下放出二氧化硫氣體[41]。相對于露地土壤環境而言,設施條件下空氣流動性差,當氣體濃度高到某個極限時會發生危害。此外,也不能忽視有機肥源抗生素對設施土壤的影響,趙娜[42]分析了珠三角地區養豬場菜地、普通蔬菜基地、無公害蔬菜基地、綠色蔬菜基地等4種不同類型的菜地土壤中四環素類和磺胺類抗生素,檢測發現所有土壤樣品中均檢出一種以上抗生素,土壤中四環素類抗生素的平均含量高于磺胺類,不同類型菜地土壤中抗生素的總含量高低順序為:養豬場菜地>無公害蔬菜基地>普通蔬菜基地>綠色蔬菜基地。說明菜地土壤大量施加含有抗生素的有機肥后,加重了土壤抗生素污染。過量農藥施用也使大棚土壤農藥殘留加重,尹可鎖等[43]采用氣象色譜對滇池周邊不同年限大棚土壤中六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)殘留量進行了測定,結果表明大棚種植年限對土壤中殘留量影響顯著,種植年限長于10年的大棚土壤中HCHs和DDTs的殘留量顯著高于年限短于10年的大棚。

二、設施農業土壤改良與調控

1生物調控

某些生物覆蓋也是較好的調控手段之一,殷永嫻等[26]指出設施土壤內增施稻草、豆秸等有機物料,可降低土壤鹽分含量和鹽分表積,同時可促進各類群微生物的正?；顒雍途獍l育,減少土壤病源真菌的危害,提高土壤肥力。通過增強土壤中有益微生物的活性可減輕連作障礙。植物根際存在著一類有益的自生細菌(PGPR),它們通過各種間接或直接的方式抑制植物病原菌繁殖,并促進植物生長,是解決連作障礙中土傳病害的一條重要生物途徑[45]。利用EM原露(一種有效微生物活菌制劑)改良土壤,提高肥力,抑制土壤中有害微生物的生存與繁殖,增強植物代謝功能,能緩解連作障礙等設施土壤質量問題[15]。

2農業調控

合理輪作,運用肥料調控。在不同作物間進行合理輪作是預防連作障礙的調控措施之一。比如黃瓜番茄菜豆菜花輪作等[46],可以通過對養分的吸收來平衡土壤養分的損耗,又可通過輪作換茬減輕土傳病害的發生;其次,改變栽培種植時期,如栽培中錯過高溫期,或在高溫前采取預防措施,可減輕連作障礙的發生[47]。施毅超等[48]通過對輪作(蓖麻白菜蓖麻辣椒白菜辣椒)對土壤電導率(EC)和離子組成影響的研究結果建議,根據次生鹽漬化土壤主控鹽分離子以及不同作物對鹽分離子吸收累積偏向性選擇合適的輪作系統,實現輪作改良次生鹽漬化最佳效果。選擇合適肥料,根據肥料的性質和栽種設施作物的營養特性因地制宜地合理施用。肥料種類最好選用緩性肥料和有機無機復合肥料,進行少量多次施肥。對多年設施土壤在目前肥力水平下應以控氮、減磷、穩鉀,針對性施用微肥為施肥原則,重視根外施肥。為排除棚內有害氣體,溫室內及時通風換氣,尤其在追肥后幾天應多通風;尿素和硫銨作追肥時應適量,不用碳酸氫銨追肥。以上措施均可降低土壤中有害氣體濃度。

以水洗鹽,采用水分調控。改變灌溉方式,采用滴灌和滲灌措施代替大水漫灌和溝灌,減少水分蒸發量,防止土壤水層鹽分向上層積聚;對鹽分高的土壤進行充分浸泡洗鹽,保持水層3~5cm,浸泡5~7d排水;夏季高溫季節,提早撤膜淋雨溶鹽,使土壤表層鹽分隨雨淋溶到土壤深層,對于淺根系作物適當增加灌水數量和次數,深根系作物盡可能減少灌水量[1];以上措施可顯著改善土壤生態環境。

應用各種有機無機物料及土壤改良劑。自然界有許多有機或無機物料具有改良土壤的作用和功能,市場上也有不同類型的土壤改良劑產品。土壤改良劑可以顯著促進土壤團粒形成,有效改善土壤結構,提高土壤質量。目前關于設施土壤改良劑在防治土壤酸化方面主要集中為傳統的堿性礦物質制成的改良劑,如石灰改良劑,以及利用某些礦物和工業廢棄物如白云石、磷石膏、堿渣等礦物和制漿廢液污泥等工業廢棄物。土壤改良劑在江西紅壤上的應用結果表明,每667m2施用石灰石粉200kg，3年后表層土壤酸度顯著降低,土壤pH增加2~3個單位[47]。另外,磷礦粉、城市污水處理廠產生的堿性污泥等應用于酸性土壤的改良,也取得一定效果。以上改良劑的施用一定要注意污染物的前處理去除過程,否則磷石膏、磷礦粉、粉煤灰中含有的少量有毒金屬元素長期施用也存在污染環境的風險。土壤中施用有機、無機物料不僅能提高土壤的肥力水平,還能增加土壤微生物的活性,增強土壤自身的緩沖性能。用作改良土壤的有機物料種類很多,在農業中取材也比較方便,如家畜的糞肥、綠肥和草木灰、各種農作物的莖稈等。此外以生物炭為基質生產的土壤改良劑可以對酸化土壤、黏重土壤和污染土壤以及鹽漬化土壤進行改良,在低緯度地區的田間試驗表明,農田土壤施用20t•hm2以上的生物炭大約可減少10%的肥料施用量。同時,生物炭可有效吸附NO3與NH3,減少土壤中氨的揮發[49]。

對于用作土壤改良的無機物料,有研究表明腐殖酸(HA)、沸石、蛭石對設施土壤鹽分的影響,認為HA效果較好,不但可增強植物對養分的吸收能力,還可以增加土壤有機質、微生物活性等;而沸石和蛭石由于具有交換吸附作用和保肥特性,也可廣泛用于土壤改良;幾者的優化組合可明顯降低土壤鹽分。生物炭大多呈堿性,還田后可提高酸性土壤pH[50],降低土壤重金屬污染物的生物有效性。張偉明等[51]研究了在污灌區重金屬污染土壤中添加秸稈炭對水稻生長的影響,結果表明,不同秸稈炭處理均促進了水稻生長。近年來,還研發出營養型、復合型等新興改良劑,即將植物所需的營養元素、改良劑及礦物載體混合,制成營養型改良劑;復合型改良劑除了供應養分、降低酸度外,還具有疏松土壤、提高土壤保水能力的功能。但土壤改良劑的應用也存在一些問題,比如改良效果有限、有時會有不同程度的副作用以及成本高等缺點需要克服。

3工程措施改良調控

對鹽漬化程度高的土壤采用客土法進行消鹽,徹底改變土壤環境。具體方法是在蔬菜等作物收獲后,將設施土壤深耕,使相對含鹽較多的上層翻到下層,可以降低耕層土壤的鹽分,在一定程度上延長了大棚的使用年限。這種調控措施對于次生鹽漬化程度較重的設施土壤效果極其顯著。胡萍等[52]對設施土壤開展客土修復技術研究表明,將EC值較高(2.35mS•cm1)和較低(1.25mS•cm1)的設施土壤按照1︰1混合0~30cm深的土壤,可有效降低原有土壤的次生鹽漬化程度。同時,在表層15~20cm深處埋設隔離層增加土壤水的下滲能力,防止鹽分向表層積聚;此外,埋設暗管排水是防治土壤鹽漬化有效的措施之一,如將雙層波紋有孔塑料暗管分別埋在設施土壤30cm和60cm處,進行灌水洗鹽[53]。上海市采用垂直排水洗鹽方法,25~35cm、5~25cm和0~5cm3層的脫鹽率分別為60%、50%和80%[54],這種方法具有脫鹽土層深和耗水量少的優點。滴灌措施也能有效地淋洗、降低土壤鹽分。Noory等[55]研究表明,滲灌比傳統自由灌溉方式積鹽速度慢;劉洋等[56]研究表明,設施栽培中采用滲灌方式會使土壤鹽化速度減緩,以地下埋深30cm且帶防滲槽的效果最好。因此,大力發展滴灌和滲灌在設施栽培中的應用,確定適宜的灌溉強度和時間,可以有效防治設施土壤次生鹽漬化。此外,配合滴灌和噴灌等方式,對設施土壤進行表面覆蓋,可以抑制土壤水分蒸發,降低鹽分在表層積累[57]。

三、未來設施農業土壤研究展望

回顧過去20年,我國設施農業發展迅猛,設施栽培土壤面積迅速擴大,圍繞設施土壤質量退化與連作障礙的防控,國內學者從不同角度廣泛開展了研究探索,也取得了一定成績和階段性的成果。但仍然不能滿足設施農業生產的實際需要,概括起來存在以下5個方面的不足:(1)對設施土壤質量退化現象定性、定量描述研究多,探索形成原因和控制機理方面的研究少;(2)尚未形成設施農業土壤質量評價指標體系和質量標準;(3)在設施土壤改良與調控技術方面,單項技術措施研究多,綜合技術措施研究少,生物措施的作用未能充分挖掘,原創性的設施土壤改良與調控技術仍然十分缺乏;(4)大尺度、長時間設施土壤質量演變的長期定位研究和動態監測工作還十分滯后;(5)對于多數設施農業土壤而言,多種形式(鹽漬化、酸化、污染、土傳病害)的退化往往同時發生,而有關設施土壤退化因素疊加效應與交互作用機理研究尚未涉及。

展望未來,作為人多地少的農業大國,發展設施農業仍然是緩解我國人地矛盾的必然選擇,也就是說設施農業面積仍將穩中有升,國家“十二五”設施農業發展規劃和許多地方政府農業規劃內容都可支撐這一點。日益加重的設施土壤質量退化問題,呼喚更多的科技工作者投身到設施農業土壤研究隊伍中來,解決設施農業發展過程中出現的一系列土壤質量退化與連作障礙問題必將由地方需求上升為國家戰略。今后我國設施農業土壤質量退化研究應把關注的重點放在以下4個方面:(1)建立中國設施農業土壤研究協作網,互通信息,共享資源,研究制定統一規范的設施農業土壤質量的評價指標體系和研究方法,構建適于南方和北方不同的設施栽培特點的設施土壤質量標準體系;(2)深入開展設施土壤質量退化成因分析和演變機理探索,在此基礎上拓展新的調控與改良技術與方法,并加大對技術物化為產品的研發;(3)分區域建立設施土壤質量演變長期定位站點,系統研究不同退化形式之間的互相作用關系;(4)拓展包括生物技術、信息技術等新技術、新方法、新手段在設施農業土壤研究中的應用。（本文作者：史靜、張乃明、包立 單位：云南農業大學資源與環境學院）