我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)存在的問(wèn)題及其解決措施

劉 甜，蔡喜運(yùn)

大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116024

設(shè)施農(nóng)業(yè)是指在受控的室內(nèi)環(huán)境中種植農(nóng)作物的一種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的露地農(nóng)業(yè)相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)可以大幅度提高生產(chǎn)力和水的使用效率等，設(shè)施農(nóng)業(yè)的單位面積生產(chǎn)力比傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)高10～20倍。近年來(lái)，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速，總面積超過(guò)世界設(shè)施農(nóng)業(yè)的80%。在北京市的統(tǒng)計(jì)中，設(shè)施農(nóng)業(yè)收入占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的比重在2019年已達(dá)到46%[1]。然而，為了盡可能實(shí)現(xiàn)較大的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)施農(nóng)業(yè)中常常出現(xiàn)土地密集使用、過(guò)度使用肥料和農(nóng)藥，使用質(zhì)量不明的灌溉水等情況。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)中農(nóng)戶都是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，沒(méi)有針對(duì)土壤的具體情況進(jìn)行管理，導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的退化和污染問(wèn)題，如土壤養(yǎng)分失調(diào)、土壤酸化、土壤次生鹽漬化和土壤農(nóng)藥污染等，嚴(yán)重影響了作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量退化存在的問(wèn)題

1.1 土壤養(yǎng)分失調(diào)

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化的一個(gè)重要特征是有機(jī)物的逐漸損失，也是設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)力下降的主要因素。測(cè)量國(guó)內(nèi)有一定運(yùn)行年限的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)其值為2.5%～4.0%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家(8%～10%)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中作物生長(zhǎng)季節(jié)很短，作物根系也不夠發(fā)達(dá)生根系統(tǒng)也有限，導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)中作物對(duì)土壤中磷的利用率低。但施肥時(shí)長(zhǎng)期過(guò)度施用高濃度復(fù)合肥，導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤出現(xiàn)氮磷元素富集的現(xiàn)象。而在種植中沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充微量元素，出現(xiàn)缺乏微量元素現(xiàn)象，如鉀元素等。設(shè)施農(nóng)業(yè)連續(xù)種植同一作物或近緣作物后，同類作物對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素的選擇性吸收也會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不均衡。

1.2 土壤酸化

土壤酸化和設(shè)施農(nóng)業(yè)中不合理的施肥和設(shè)施農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)密切相關(guān)。設(shè)施農(nóng)業(yè)中為追求效益過(guò)量施用肥料不僅會(huì)造成土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的富集，還會(huì)導(dǎo)致土壤pH值下降，如銨態(tài)氮肥的過(guò)量施用會(huì)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(huì)降低土壤pH值[2]。同時(shí)，設(shè)施農(nóng)業(yè)高溫高濕的環(huán)境會(huì)加快有機(jī)質(zhì)分解為有機(jī)酸，缺乏雨水淋溶導(dǎo)致這些酸性物質(zhì)會(huì)在土壤中積累。此外，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中表層酸化更嚴(yán)重，這是因?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中的養(yǎng)分在高蒸發(fā)的條件下更易聚集在土壤表層。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，全國(guó)不同地理位置的設(shè)施大棚中均出現(xiàn)了土壤酸化現(xiàn)象，杭州市設(shè)施栽培中土壤pH ＜ 5.5的占所測(cè)量設(shè)施土壤的30%，沈陽(yáng)城郊被調(diào)查的設(shè)施栽培土壤中70.9%的大棚土壤pH ＜ 6.5[3]。土壤酸化會(huì)破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，影響土壤中正常微生物的活動(dòng)。此外，土壤酸化還可能影響蔬菜對(duì)鉬、硼等微量元素的吸收利用。

1.3 土壤次生鹽漬化

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化問(wèn)題中另一突出現(xiàn)象是土壤次生鹽漬化嚴(yán)重。土壤表層的鹽化導(dǎo)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(jìn)一步導(dǎo)致土壤表層養(yǎng)分的積累和肥料的超量施用。研究表明，連續(xù)耕種近十年的設(shè)施農(nóng)業(yè)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(hù)，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤連續(xù)種植2～5年就會(huì)發(fā)生過(guò)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(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境條件。過(guò)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(shè)施農(nóng)業(yè)中頻繁灌溉和灌溉水自身鹽分高也會(huì)加劇土壤中鹽分的積累。設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的高溫環(huán)境和土壤酸化問(wèn)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(shè)施農(nóng)業(yè)土壤缺乏雨水淋溶和蒸發(fā)量高于露地的情況，也會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化更加嚴(yán)重。設(shè)施農(nóng)業(yè)缺乏雨水淋溶使得土壤中的鹽不能正常流失，蒸發(fā)量大使得土壤中的鹽分隨著水分的蒸發(fā)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(shè)施農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期密集種植和生產(chǎn)過(guò)程中化肥的過(guò)量使用，土壤的物理性狀出現(xiàn)惡化。其中，土壤板結(jié)問(wèn)題較為突出。土壤出現(xiàn)板結(jié)后，土壤容重變大，透氣性能變差，不利于作物的生長(zhǎng)。久而久之，耕作層也會(huì)變得更淺，土壤板結(jié)問(wèn)題還會(huì)隨著設(shè)施栽培種植年限延長(zhǎng)而逐漸變得嚴(yán)重。

1.5 土壤生物環(huán)境惡化

隨著作物的連年種植，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的生物環(huán)境逐漸惡化。設(shè)施土壤中連續(xù)種植同一作物或近緣作物后，同類作物長(zhǎng)期分泌同種物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致土壤微生物環(huán)境平衡被破壞。研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜的根系會(huì)分泌一種酚類物質(zhì)，這種酚類物質(zhì)在土壤中累積到一定量就會(huì)影響作物的生長(zhǎng)。而且作物殘?bào)w在土壤中的腐解也會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，有毒物質(zhì)的積累可能會(huì)對(duì)同類或同科作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利的影響。

設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤還會(huì)出現(xiàn)有害微生物增加、土傳病害嚴(yán)重的問(wèn)題。設(shè)施農(nóng)業(yè)中長(zhǎng)期連作為根系病害提供了生存環(huán)境，也是長(zhǎng)期連作后植物容易出現(xiàn)病害的原因。設(shè)施農(nóng)業(yè)中長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥使得設(shè)施土壤中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌高于露地土壤，尤其是反硝化細(xì)菌。農(nóng)戶對(duì)土壤消毒不徹底、防病不及時(shí)也會(huì)導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中各種病菌的增殖。

1.6 土壤污染

設(shè)施農(nóng)業(yè)中病蟲害比露地農(nóng)業(yè)更嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)戶在生產(chǎn)種植過(guò)程中大量施用農(nóng)藥。同時(shí)，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中棚膜對(duì)陽(yáng)光和雨水的隔離，農(nóng)藥的揮發(fā)和光解更慢。在不同類型的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中檢測(cè)到抗生素，發(fā)現(xiàn)所有樣品中都檢測(cè)出一種以上的抗生素。而且隨著種植年限的增加，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中的農(nóng)藥殘留更高[4]。一些含重金屬的農(nóng)藥和化肥還會(huì)導(dǎo)致設(shè)施土壤中重金屬含量超標(biāo)，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中常見(jiàn)的重金屬污染有鉛、汞、鎘、砷等。根據(jù)報(bào)道，位于云南的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中重金屬鎘達(dá)到輕度污染，山西的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中汞污染較嚴(yán)重。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)展

2.1 生物調(diào)控

選種耐鹽植物、合理輪作和套作是利用生物方式調(diào)控設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)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(duì)鹽耐受性高和吸肥力強(qiáng)的植物對(duì)鹽漬化土壤進(jìn)行植物洗鹽。常見(jiàn)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(yōu)于設(shè)施蔬菜，如小麥、水稻、玉米等糧食作物。這是因?yàn)樗鼈兙哂懈l(fā)達(dá)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(zhì)元素的能力更強(qiáng)，蒸發(fā)量更小，所以常常在休棚期種植糧食類作物，實(shí)現(xiàn)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(yōu)于黃瓜[5]。

合理輪作可以有效減少連續(xù)重茬種植造成的土傳病害的發(fā)生。將不同種類、不同生物習(xí)性的植物進(jìn)行輪作，不僅可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分失衡的情況，還可以調(diào)節(jié)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(guò)不同作物吸收不同養(yǎng)分實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分損耗的平衡，換茬種植后也減少了土傳病害的發(fā)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(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的次生鹽漬化，在2年3茬的輪作實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單辦法。根據(jù)不同蔬菜的類型、根系的深淺還有其吸收土壤養(yǎng)分的特點(diǎn)，合理搭配不同的作物，并采用合理的種植方式和時(shí)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(duì)同類作物產(chǎn)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(fā)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(shù)量減少了50%，在未進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同作物需要的養(yǎng)分和現(xiàn)有土壤的狀態(tài)選擇合適的肥料，尤其是要重視微肥的施用。根據(jù)不同作物類型和同種作物在其不同生長(zhǎng)階段對(duì)養(yǎng)分的不同需求量合理施肥，既能滿足作物生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求，還能避免肥料中過(guò)量的養(yǎng)分在土壤中累積，對(duì)減緩?fù)寥利}漬化問(wèn)題有明顯的改善效果。對(duì)于多年耕作、肥力下降的設(shè)施土壤，施肥的主要原則是控氮、減磷、穩(wěn)鉀,并根據(jù)不同土壤的情況選擇施用相關(guān)的微肥。對(duì)于土壤次生鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤，還可以通過(guò)控制硝態(tài)氮肥來(lái)緩解。

在肥料種類選擇時(shí)還可以選擇緩性肥料和新型肥料，如有機(jī)肥和微生物肥。施用有機(jī)肥可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，還能增強(qiáng)土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)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(dòng)，緩解土壤鹽漬化。施用微生物肥可以調(diào)整土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)，提高細(xì)菌和放線菌的數(shù)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(guò)多，且追肥后應(yīng)多通風(fēng)以減少有害氣體的累積。

2.3 水分調(diào)控

設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)注意灌溉方式的選擇。單純的大水漫灌和溝灌會(huì)導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)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(fā)，還可以保持土壤中養(yǎng)分的平衡。研究表明，設(shè)施蔬菜采用滴灌方式時(shí)，與溝灌相比，土壤0～30 cm和30～60 cm的硝態(tài)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(chǎn)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(yōu)勢(shì)顯著[7]。

對(duì)于鹽分較高的土壤，還可以利用合適的灌溉方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)洗鹽。對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤灌水澆透后，表層土的鹽分溶解稀釋到水中，隨水進(jìn)入至下層土中。杭州蔬菜科學(xué)研究所玻璃溫室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)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(wú)錫的試驗(yàn)結(jié)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(shí)現(xiàn)洗鹽，地膜給土壤環(huán)境帶來(lái)的高溫環(huán)境還能達(dá)到殺蟲滅菌的效果。但是，采用灌水洗鹽的方式耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，而且由于設(shè)施大棚內(nèi)溫度較高，土壤中地下水蒸發(fā)后可能出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象，同時(shí)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(jīng)過(guò)處理直接排放又會(huì)出現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染等新問(wèn)題。利用設(shè)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(jiǎn)單易行的有效措施。研究表明，揭掉棚膜淋雨后，設(shè)施土壤0～5 cm土層鹽分含量下降了79.5%。

生產(chǎn)種植中還應(yīng)根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)特性進(jìn)行合理灌溉。針對(duì)黃瓜、萵苣和芹菜等根系較淺的作物，應(yīng)該提高灌水量和灌水頻率，保持土壤的濕潤(rùn)。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(shí)應(yīng)減少灌水量和降低頻次。作物處于不同生長(zhǎng)期也應(yīng)調(diào)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(dāng)作物到發(fā)棵期時(shí)應(yīng)注意控水。

2.4 施用改良劑

土壤改良劑能夠有效促進(jìn)土壤團(tuán)粒的形成，從而顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，保護(hù)土壤層，不僅增強(qiáng)了土壤肥力，還增強(qiáng)了耕作土壤保水、保土以及保肥的性能，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。常用的土壤改良劑分為有機(jī)改良劑和無(wú)機(jī)改良劑，有機(jī)改良劑包括糞肥、草木灰和農(nóng)作物的秸稈等，無(wú)機(jī)改良劑包括調(diào)節(jié)土壤酸化、解決土壤次生鹽漬化問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)土壤消毒的改良劑。

施用有機(jī)改良劑不僅能夠增強(qiáng)土壤的肥力，還能改善土壤的微生物環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中常將作物秸稈作為改良劑施用來(lái)提高土壤質(zhì)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(jī)質(zhì)，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(shí)，由于秸稈的木質(zhì)素組分難以降解，常常需要配施秸稈腐熟菌劑。

夏季設(shè)施大棚休棚期對(duì)設(shè)施土壤進(jìn)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(wú)機(jī)改良劑時(shí)常與高溫悶棚相結(jié)合。常用的無(wú)機(jī)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(diào)節(jié)土壤酸化，還能對(duì)土壤有很好的消毒效果。碳酸氫銨改良劑在調(diào)節(jié)土壤酸化的同時(shí)還能防止土壤板結(jié)，并殺死土壤中的有害微生物。土壤熏蒸劑主要?dú)缤寥乐械挠泻ξ⑸锖屠ハx。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是提高農(nóng)田生產(chǎn)力、獲得更多樣農(nóng)產(chǎn)品的重要手段，設(shè)施農(nóng)業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)了土壤質(zhì)量退化嚴(yán)重的問(wèn)題。常見(jiàn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤退化問(wèn)題包括土壤養(yǎng)分失調(diào)、土壤酸化、土壤次生鹽漬化、土壤生物環(huán)境惡化和土壤污染等。為了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，修復(fù)退化的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤迫在眉睫。常見(jiàn)的修復(fù)技術(shù)包括生物調(diào)控、合理施肥、水分調(diào)控和施用改良劑等。但關(guān)于這些修復(fù)技術(shù)實(shí)際修復(fù)效果的研究較少，也缺乏對(duì)整個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量狀況和開(kāi)發(fā)有效的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤修復(fù)技術(shù)是值得研究的方向。