设施农业土壤质量退化改良措施分析

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一、设施农业土壤质量退化特征与成因

1设施土壤酸化特征与成因

与露地土壤相比设施土壤生态环境发生很大改变,设施土壤酸化成因主要体现如下:高温高湿的条件使有机质分解得更快,产生更多的有机酸和腐殖酸;高复种指数下,为了保证作物的质量和产量,肥料施用量过大,偏施或过量施用化肥就成为设施土壤酸化的另一原因;高蒸发和无雨水淋洗使设施土壤养分易于在土壤表层积累,造成设施土壤表层酸化更为严重。孟鸿光[16]对沈阳城郊110个具有代表性的温室大棚土壤的调查结果表明,土壤pH<6.5的大棚占调查总数的70.9%。杭州市蔬菜大棚内土壤pH介于4.8~7.8,pH<5.5的土样占30%[17]。哈尔滨市种植5年、10年、20年的大棚土壤pH分别降低0.01、0.16、0.44,大庆市种植5年、14年、30年的大棚土壤pH分别降低0.02、0.39、0.50[18];在南方研究表明,种植6~7年的设施土壤pH下降1个单位[19]。这表明pH随种植年限的增加而下降。

2设施土壤微生物区系破坏特征与成因

随着设施栽培年限的延长,设施土壤生态环境发生改变,直接影响到设施土壤微生物的生存环境,从而导致设施内土壤微生物在种群、数量及活性上均与露地存在较大差别。设施土壤微生物主要由细菌、放线菌、真菌三大类别组成。据周艺敏[20]报道,随种植年限增加,耕层和亚耕层微生物总量都呈增加趋势。大棚土壤细菌数量为125~276.7cfu•g1,且随棚龄增加而增大;真菌数量为136.7~203.3cfu•g1,放线茵数量为83.3~121.7cfu•g1,其中细菌和真菌表现为明显种群扩大现象[21]。唐咏等[22]研究表明,氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量分别比棚外土壤增加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温度发生了变化[23]。另外,土壤有机质含量较高,促进了土壤微生物的繁衍[24]。而放线菌在总量上介于细菌和真菌之间,相较于露地土壤数量减少。设施土壤微生物区系不同于大田土壤,研究表明细菌和真菌数量均表现为大棚>温室>露地,放线菌数量表现为大棚>露地>温室。从种类而言,真菌中以非病源性腐生性青霉、曲霉、小克银汉霉为主[25]。细菌则表现为氨化细菌、硝化细菌的数量增加,尤其是反硝化细菌更为突出,这主要是设施土壤比露地土壤有效氮含量多的缘故[26]。张俊侠等[27]认为设施土壤真菌中腐霉菌数量增加,木霉菌数量降低,放线菌数量随温室使用年限增加而下降。据范君华等[28]研究,连作番茄大棚土壤酶活性随栽培年限增加活性增强,转化酶活性表现为8年>2年>4年,脲酶、过氧化氢酶、中性磷酸酶活性表现为8年>4年>2年。不同连作作物种类也会影响设施条件下土壤酶活性,贺丽娜等[29]研究报道,豇豆黄瓜和油菜黄瓜轮作能显著提高土壤碱性磷酸酶活性。设施土壤理化性质和营养平衡被破坏,病原菌数量增多,青枯病、炭疽病、软腐病和根结线虫病等各种土传病害频繁发生。

3设施土壤养分失衡特征与成因

设施土壤养分失调主要表现在有机质、全氮、碱解氮、速效磷均高于露地栽培,中量和微量元素缺乏[30]。随耕种年限增加,钾和中微量元素处于亏缺状态。导致作物生理缺素和抗逆性降低,病虫害时有发生。如大棚番茄氮多钾缺引起筋腐病、白菜缺钙出现心腐病、番茄缺钙易出现脐腐病等缺素症状[31]。同时,养分不平衡也会导致元素之间产生拮抗作用,影响作物吸收[32]。究其原因,一是施肥量大,过多施用高浓度复合肥,且复合肥中磷比例过高;据调查表明,某设施栽培区域施肥量大,仅纯氮施用量就超过1800kg•hm2,在设施栽培中,不少地方习惯施用高浓度复合肥(15-15-15或16-16-16),多数设施土壤未施过钾肥,土壤中钾素严重缺乏[18]。二是设施栽培年限的延长促使了养分失衡的发生,失衡程度与设施类型、种植方式以及管理等方面有关。当前如何合理施用化肥和有机肥,防治设施土壤养分平衡,提高设施农业的土壤肥力和土壤质量,是亟待解决的重要问题。

4设施土壤有害物质累积与成因

据李见云等[3536]报道,重金属铜、锌、铅含量随大棚棚龄的增加有一定增加,镉含量没有明显规律性,但这几项重金属含量均比农田含量高,农田及大棚重金属含量均较土壤背景值有一定程度增加,但尚未超出国家环境质量标准。史静等[37]报道,云南设施土壤中以镉的污染程度最为严重,其单项污染指数大于1.0,已达轻度污染程度;运用内梅罗综合污染指数法对不同栽培年限土壤重金属元素含量进行评价,其综合污染指数为0.98,污染水平已达警戒级;设施栽培年限为3~5年、6~8年及>10年时的污染指数都大于1.0,且随栽培年限延长污染加剧。杨治平等[38]对山西省保护地土壤研究表明,砷、镉污染较小,而汞污染比较严重。李德成等[39]报道,大棚土壤中多数重金属元素含量在0~40cm土层内含量差异很小,与露地土壤相比,除1年棚龄的土壤外,土壤重金属含量随大棚使用年限的延长而有所增加,但尚未发生重金属污染超标现象。从这些调查研究的结果来看,虽然设施土壤重金属含量有一定积累,但除个别元素对环境有污染外,大多数重金属元素尚未引起土壤环境污染。究其原因,栽培年限、轮作方式及土壤理化性状对设施土壤重金属污染物累积均造成影响[40]。而其中由于大量施用的家禽粪便和含钙镁磷肥等成分的复合肥中均含有一定重金属元素所致。大量施肥导致土壤中重金属元素含量增加的现象在世界各地均有发生[41]。

设施土壤在过量不合理施肥情况下容易造成有害气体积累。施用尿素或铵态氮肥过多,以及厩肥、饼肥等有机肥未充分腐熟时,在高盐分作用下,易产生大量氨气;硫酸盐化肥施用量较多,加之地温较低等因素,在硫化细菌作用下放出二氧化硫气体[41]。相对于露地土壤环境而言,设施条件下空气流动性差,当气体浓度高到某个极限时会发生危害。此外,也不能忽视有机肥源抗生素对设施土壤的影响,赵娜[42]分析了珠三角地区养猪场菜地、普通蔬菜基地、无公害蔬菜基地、绿色蔬菜基地等4种不同类型的菜地土壤中四环素类和磺胺类抗生素,检测发现所有土壤样品中均检出一种以上抗生素,土壤中四环素类抗生素的平均含量高于磺胺类,不同类型菜地土壤中抗生素的总含量高低顺序为:养猪场菜地>无公害蔬菜基地>普通蔬菜基地>绿色蔬菜基地。说明菜地土壤大量施加含有抗生素的有机肥后,加重了土壤抗生素污染。过量农药施用也使大棚土壤农药残留加重,尹可锁等[43]采用气象色谱对滇池周边不同年限大棚土壤中六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)残留量进行了测定,结果表明大棚种植年限对土壤中残留量影响显著,种植年限长于10年的大棚土壤中HCHs和DDTs的残留量显著高于年限短于10年的大棚。

二、设施农业土壤改良与调控

1生物调控

某些生物覆盖也是较好的调控手段之一,殷永娴等[26]指出设施土壤内增施稻草、豆秸等有机物料,可降低土壤盐分含量和盐分表积,同时可促进各类群微生物的正常活动和均衡发育,减少土壤病源真菌的危害,提高土壤肥力。通过增强土壤中有益微生物的活性可减轻连作障碍。植物根际存在着一类有益的自生细菌(PGPR),它们通过各种间接或直接的方式抑制植物病原菌繁殖,并促进植物生长,是解决连作障碍中土传病害的一条重要生物途径[45]。利用EM原露(一种有效微生物活菌制剂)改良土壤,提高肥力,抑制土壤中有害微生物的生存与繁殖,增强植物代谢功能,能缓解连作障碍等设施土壤质量问题[15]。

2农业调控

合理轮作,运用肥料调控。在不同作物间进行合理轮作是预防连作障碍的调控措施之一。比如黄瓜番茄菜豆菜花轮作等[46],可以通过对养分的吸收来平衡土壤养分的损耗,又可通过轮作换茬减轻土传病害的发生;其次,改变栽培种植时期,如栽培中错过高温期,或在高温前采取预防措施,可减轻连作障碍的发生[47]。施毅超等[48]通过对轮作(蓖麻白菜蓖麻辣椒白菜辣椒)对土壤电导率(EC)和离子组成影响的研究结果建议,根据次生盐渍化土壤主控盐分离子以及不同作物对盐分离子吸收累积偏向性选择合适的轮作系统,实现轮作改良次生盐渍化最佳效果。选择合适肥料,根据肥料的性质和栽种设施作物的营养特性因地制宜地合理施用。肥料种类最好选用缓性肥料和有机无机复合肥料,进行少量多次施肥。对多年设施土壤在目前肥力水平下应以控氮、减磷、稳钾,针对性施用微肥为施肥原则,重视根外施肥。为排除棚内有害气体,温室内及时通风换气,尤其在追肥后几天应多通风;尿素和硫铵作追肥时应适量,不用碳酸氢铵追肥。以上措施均可降低土壤中有害气体浓度。

以水洗盐,采用水分调控。改变灌溉方式,采用滴灌和渗灌措施代替大水漫灌和沟灌,减少水分蒸发量,防止土壤水层盐分向上层积聚;对盐分高的土壤进行充分浸泡洗盐,保持水层3~5cm,浸泡5~7d排水;夏季高温季节,提早撤膜淋雨溶盐,使土壤表层盐分随雨淋溶到土壤深层,对于浅根系作物适当增加灌水数量和次数,深根系作物尽可能减少灌水量[1];以上措施可显著改善土壤生态环境。

应用各种有机无机物料及土壤改良剂。自然界有许多有机或无机物料具有改良土壤的作用和功能,市场上也有不同类型的土壤改良剂产品。土壤改良剂可以显著促进土壤团粒形成,有效改善土壤结构,提高土壤质量。目前关于设施土壤改良剂在防治土壤酸化方面主要集中为传统的碱性矿物质制成的改良剂,如石灰改良剂,以及利用某些矿物和工业废弃物如白云石、磷石膏、碱渣等矿物和制浆废液污泥等工业废弃物。土壤改良剂在江西红壤上的应用结果表明,每667m2施用石灰石粉200kg，3年后表层土壤酸度显著降低,土壤pH增加2~3个单位[47]。另外,磷矿粉、城市污水处理厂产生的碱性污泥等应用于酸性土壤的改良,也取得一定效果。以上改良剂的施用一定要注意污染物的前处理去除过程,否则磷石膏、磷矿粉、粉煤灰中含有的少量有毒金属元素长期施用也存在污染环境的风险。土壤中施用有机、无机物料不仅能提高土壤的肥力水平,还能增加土壤微生物的活性,增强土壤自身的缓冲性能。用作改良土壤的有机物料种类很多,在农业中取材也比较方便,如家畜的粪肥、绿肥和草木灰、各种农作物的茎秆等。此外以生物炭为基质生产的土壤改良剂可以对酸化土壤、黏重土壤和污染土壤以及盐渍化土壤进行改良,在低纬度地区的田间试验表明,农田土壤施用20t•hm2以上的生物炭大约可减少10%的肥料施用量。同时,生物炭可有效吸附NO3与NH3,减少土壤中氨的挥发[49]。

对于用作土壤改良的无机物料,有研究表明腐殖酸(HA)、沸石、蛭石对设施土壤盐分的影响,认为HA效果较好,不但可增强植物对养分的吸收能力,还可以增加土壤有机质、微生物活性等;而沸石和蛭石由于具有交换吸附作用和保肥特性,也可广泛用于土壤改良;几者的优化组合可明显降低土壤盐分。生物炭大多呈碱性,还田后可提高酸性土壤pH[50],降低土壤重金属污染物的生物有效性。张伟明等[51]研究了在污灌区重金属污染土壤中添加秸秆炭对水稻生长的影响,结果表明,不同秸秆炭处理均促进了水稻生长。近年来,还研发出营养型、复合型等新兴改良剂,即将植物所需的营养元素、改良剂及矿物载体混合,制成营养型改良剂;复合型改良剂除了供应养分、降低酸度外,还具有疏松土壤、提高土壤保水能力的功能。但土壤改良剂的应用也存在一些问题,比如改良效果有限、有时会有不同程度的副作用以及成本高等缺点需要克服。

3工程措施改良调控

对盐渍化程度高的土壤采用客土法进行消盐,彻底改变土壤环境。具体方法是在蔬菜等作物收获后,将设施土壤深耕,使相对含盐较多的上层翻到下层,可以降低耕层土壤的盐分,在一定程度上延长了大棚的使用年限。这种调控措施对于次生盐渍化程度较重的设施土壤效果极其显著。胡萍等[52]对设施土壤开展客土修复技术研究表明,将EC值较高(2.35mS•cm1)和较低(1.25mS•cm1)的设施土壤按照1︰1混合0~30cm深的土壤,可有效降低原有土壤的次生盐渍化程度。同时,在表层15~20cm深处埋设隔离层增加土壤水的下渗能力,防止盐分向表层积聚;此外,埋设暗管排水是防治土壤盐渍化有效的措施之一,如将双层波纹有孔塑料暗管分别埋在设施土壤30cm和60cm处,进行灌水洗盐[53]。上海市采用垂直排水洗盐方法,25~35cm、5~25cm和0~5cm3层的脱盐率分别为60%、50%和80%[54],这种方法具有脱盐土层深和耗水量少的优点。滴灌措施也能有效地淋洗、降低土壤盐分。Noory等[55]研究表明,渗灌比传统自由灌溉方式积盐速度慢;刘洋等[56]研究表明,设施栽培中采用渗灌方式会使土壤盐化速度减缓,以地下埋深30cm且带防渗槽的效果最好。因此,大力发展滴灌和渗灌在设施栽培中的应用,确定适宜的灌溉强度和时间,可以有效防治设施土壤次生盐渍化。此外,配合滴灌和喷灌等方式,对设施土壤进行表面覆盖,可以抑制土壤水分蒸发,降低盐分在表层积累[57]。

三、未来设施农业土壤研究展望

回顾过去20年,我国设施农业发展迅猛,设施栽培土壤面积迅速扩大,围绕设施土壤质量退化与连作障碍的防控,国内学者从不同角度广泛开展了研究探索,也取得了一定成绩和阶段性的成果。但仍然不能满足设施农业生产的实际需要,概括起来存在以下5个方面的不足:(1)对设施土壤质量退化现象定性、定量描述研究多,探索形成原因和控制机理方面的研究少;(2)尚未形成设施农业土壤质量评价指标体系和质量标准;(3)在设施土壤改良与调控技术方面,单项技术措施研究多,综合技术措施研究少,生物措施的作用未能充分挖掘,原创性的设施土壤改良与调控技术仍然十分缺乏;(4)大尺度、长时间设施土壤质量演变的长期定位研究和动态监测工作还十分滞后;(5)对于多数设施农业土壤而言,多种形式(盐渍化、酸化、污染、土传病害)的退化往往同时发生,而有关设施土壤退化因素叠加效应与交互作用机理研究尚未涉及。

展望未来,作为人多地少的农业大国,发展设施农业仍然是缓解我国人地矛盾的必然选择,也就是说设施农业面积仍将稳中有升,国家“十二五”设施农业发展规划和许多地方政府农业规划内容都可支撑这一点。日益加重的设施土壤质量退化问题,呼唤更多的科技工作者投身到设施农业土壤研究队伍中来,解决设施农业发展过程中出现的一系列土壤质量退化与连作障碍问题必将由地方需求上升为国家战略。今后我国设施农业土壤质量退化研究应把关注的重点放在以下4个方面:(1)建立中国设施农业土壤研究协作网,互通信息,共享资源,研究制定统一规范的设施农业土壤质量的评价指标体系和研究方法,构建适于南方和北方不同的设施栽培特点的设施土壤质量标准体系;(2)深入开展设施土壤质量退化成因分析和演变机理探索,在此基础上拓展新的调控与改良技术与方法,并加大对技术物化为产品的研发;(3)分区域建立设施土壤质量演变长期定位站点,系统研究不同退化形式之间的互相作用关系;(4)拓展包括生物技术、信息技术等新技术、新方法、新手段在设施农业土壤研究中的应用。（本文作者：史静、张乃明、包立 单位：云南农业大学资源与环境学院）