山东省寿光市设施蔬菜大棚土壤质量调查与评价——亲土在线-农业土壤治理大数据平台(上)

Investigation and Evaluation of Soil Quality of Vegetable Greenhouses in Shouguang City, Shandong Province—Pro-Soil Online-Big Data Platform for Agricultural Soil Remediation (Part Ⅰ)

金晟 Sheng JIN , 朴成淳 Chengchun PIAO , 商照聪 Zhaocong SHANG , 段路路 Lulu DUAN , 亓昭英 Zhaoying QI

1 金友立生态农业〔上海〕股份有限公司上海 200062 Jinyouli Ecological Agriculture 〔Shanghai〕 Co., Ltd., Shanghai 200062, China 2 上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China 3 中国化工企业管理协会土壤健康分会北京 100011 Soil Health Branch of CCEMA, Beijing 100011, China

摘要：

设施蔬菜是我国非常重要的农产品，然而一些不当的农事操作和长期连作可能会导致设施蔬菜大棚土壤耕性降低、病虫害严重、农业面源污染等一系列问题，影响设施蔬菜大棚的可持续发展。为了更好地掌握设施蔬菜大棚的土壤质量情况，有针对性地提出绿色、环保、经济的土壤管理方法，选取山东省寿光市典型的设施蔬菜大棚，对其土壤理化性质、肥力状况、重金属和有机物污染情况、病虫害情况进行了综合评价与分级。研究结果表明，调查对象耕作层(0~15 cm)土壤物理性质良好，但深层土壤(15~45 cm)容易形成犁底层，导致植物根系生长环境恶化; 耕作层土壤化学态的氮、磷、钾含量超标严重，可能存在过量施肥情况，大量鸡粪的使用也导致土壤偏弱碱性; 无重金属和有机物污染问题，病虫害主要以根结线虫为主。通过调查分析，确定了目标设施蔬菜大棚耕作过程的主要限制因子及其对连作障碍的贡献，为有针对性地开展土壤改良工作提供了依据。

关键词：

设施蔬菜大棚; 土壤质量; 土壤改良; 调查; 评价;

Abstract：

The greenhouse vegetable is a very important agricultural product in China. However, some improper farming operations and long-term continuous cropping may lead to a series of vegetable greenhouse problems such as reduced soil tilth, serious pests and diseases, and agricultural non-point source pollution, which affect the sustainable development of vegetable greenhouse industry. In order to better understand the soil quality of vegetable greenhouses and provide targeted green, environmentally-friendly and economic soil management method, a comprehensive evaluation and classification is conducted including soil physical and chemical properties, fertility status, heavy metal and organic pollution condition, pests and diseases condition in selected typical vegetable greenhouses in Shouguang City, Shandong Province. The research results show that the soil physical properties of the cultivated layer (0-15 cm) are good, but the deep soil (15-45 cm) is liable to form a plow pan, which leads to the deterioration of the plant root growth environment; in cultivated layer the chemical nitrogen, phosphorus, and potassium content exceed the standard seriously, and there may exist excessive fertilization. The use of a large amount of chicken manure also has caused the soil to be weakly alkaline. There is no pollution of heavy metals and organic matter, and the plant diseases and pests are mainly root-knot nematodes. Through investigation and analysis, the main limiting factors of cultivation process in the target vegetable greenhouses, and their contribution to continuous cropping obstacles are identified, which provide basis for targeted soil improvement.

Keyword：

vegetable greenhouse; soil quality; soil improvement; investigation; evaluation;

设施蔬菜是我国非常重要的农产品，设施蔬菜产业在我国一些区域已成为农业的支柱产业^[1]。近年来，我国的设施农业建设发展迅猛，设施农业生产面积已居世界首位，设施蔬菜的种植面积、产量居世界首位^[2-3]。然而，由于生产管理过程中的不当农事操作，我国的设施蔬菜大棚容易出现土壤耕性下降^[1]、重金属和有机物污染^[4-5]、病虫害严重^[6]、环境污染^[3]等问题，进而导致设施蔬菜产量降低、品质恶化等一系列不良现象，影响设施蔬菜大棚的可持续发展。山东省寿光市是“中国蔬菜之乡”，是我国重要的蔬菜生产基地。通过对寿光市典型的设施蔬菜大棚土壤特性进行调查及评价，以期更好地掌握土壤存在的问题，为绿色、环保、经济的设施蔬菜大棚土壤管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

选择寿光市文家街道农家庄的3个旧式温室大棚A-1^#、B-1^#和C-1^#以及一栋展会的新式温室大棚D-1^#为研究目标，3个旧式大棚分别命名为O1、O2和O3，新式大棚命名为N1。

1.2 采样方法

采样时，先将异物较多的表土(深度1 cm左右)去除后用铁锹挖取一次形成小坑，从小坑壁面的耕作层(0~15 cm)和深层(15~45 cm)进行采样。按照以上方法在大棚内的5~10处采集样品，再将样品混合在一起，从中取2 kg装入取样袋作为检测样品。

1.3 测定方法与评估标准

采样后实地直接进行土壤理化性质的测定，包括土壤紧实程度(硬度、密度、孔隙率等)、土壤pH、电导率、盐分等项目，土壤理化性质评估标准如表 1所示。土壤肥力丰缺程度和重金属与有机污染物含量在实验室内完成，农业用地的土壤肥力丰缺指标、重金属评估标准和有机污染物评估标准如表 2、表 3和表 4所示。

表 1

土壤理化性质评估标准

项目	优	良好	差	极差
土壤硬度/mm	＜21	21~24	24~27	＞27
容积密度/(g·cm^-3)	0.9~1.0	1.0~1.3	1.3~1.6	＞2.0
孔隙率¹⁾/%	＞60	50~60	40~50	＜40
透水性/(cm·s^-1)	＞1×10^-3	1×10^-4~1×10^-3	1×10^-5~1×10^-4	＜1×10^-5
pH(1:5)	6.0~6.5	5.5~6.06.5~7.0	4.5~5.57.0~8.0	＜4.5＞8.0
电导率/(S·m^-1)	＜0.2	0.2~1.0	1.0~1.5	＞2.0
w(盐分)/%	＜0.05	0.05~0.20	0.20~0.50	＞0.50
注: 1)黏土或壤土:沙土为(40%~60%):(25%~30%)

表 2

土壤肥力丰缺指标

项目	高	中等	低	极低
w(有机质)/%	＞5.0	3.0~5.0	＜3.0
w(全氮)/%	＞0.12	0.06~0.12	＜0.06
阳离子交换量/(cmol·kg^-1)	＞20	6~20	＜6
硝态氮/(mg·kg^-1)	100~200	50~100	25~50	＜25
速效磷/(mg·kg^-1)	＞100	25~100	＜25
交换性钾/(cmol·kg^-1)	＞0.8	0.7~0.8	0.5~0.7	＜0.5
交换性钙/(cmol·kg^-1)	＞5.0	2.5~5.0	＜2.5
交换性镁/(cmol·kg^-1)	＞3.0	0.6~3.0	＜0.6

表 3

重金属评估标准 mg/kg

项目	按pH分组(旱地)¹⁾
项目	≤5.5	5.5~6.5	6.5~7.5	＞7.5
总镉	0.25	0.30	0.45	0.80
总铅	80	80	80	80
总铬	120	150	200	250
总铜	50	50	100	100
总锌	150	150	200	200
注: 1)数据来自GB 15618—2008《土壤环境质量标准》(修订)土壤无机污染物的环境质量第二级标准值

表 4

有机污染物评估标准 mg/kg

项目	按土壤有机质含量分组¹⁾
项目	≤20 g/kg	＞20 g/kg
苯并(a)蒽	0.10	0.20
苯并(a)芘	0.10	0.10
苯并(b)荧蒽	0.10	0.30
苯并(k)荧蒽	0.20	0.50
二苯并(a, h)蒽	0.10	0.20
茚并(1, 2, 3-cd)芘	0.10	0.30
菲	0.50	1.00
蒽	0.50	1.00
荧蒽	0.50	1.00
芴	0.50	1.00
芘	0.50	1.00
苯并(g, h, i)苝	0.50	1.00
苊烯(二氢苊)	0.50	1.00
滴滴涕总量	0.10	0.10
六六六总量	0.05	0.05
邻苯二甲酸酯类总量	10.00	10.00
注: 1)数据来自GB 15618—2008《土壤环境质量标准》(修订)土壤有机污染物的环境质量第二级标准值

1.4 统计方法

原始数据采用Excel软件进行整理，采用SPSS软件进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 设施蔬菜大棚土壤理化特性

分析4个大棚的土壤理化性质测定结果(表 5)可发现: 4个大棚耕作层土壤硬度与容积密度均低于深层土壤，平均值分别为14 mm、1.3 g/m³和27 mm、1.9 g/m³; 耕作层土壤空隙率与透气性均高于深层土壤，平均值分别为59%、0.000 26 cm/s和38%、0.000 11 cm/s; 耕作层土壤的理化性质均达到了良好，而深层土壤的理化性质均较差。上述结果表明，在设施蔬菜大棚中，深层土壤的物理特性明显差于耕作层土壤，其可能的原因是频繁的耕耘和灌水导致耕作层的黏土移至底部并结合在一起后形成了犁底层。4个大棚耕作层土壤电导率状况极差，盐分状况差，而深层土壤的情况明显优于耕作层，这是因为犁底层的形成会阻碍植物根部的发育，导致耕作层积水时出现氧气不足和盐分积累现象。盐分过高可能会影响植物根部从土壤吸收水分，导致植物枯死。4个大棚的土壤pH平均为7.2，仅N1的土壤pH达到良好，其余3个蔬菜大棚的土壤pH均偏高，呈弱碱性，其主要原因是施用鸡粪所致。适宜的土壤pH对植物的养分吸收能力影响很大，如植物吸收磷的最佳土壤pH范围为6.0~6.5。当土壤pH超过7时，氮素极易以氨挥发的形式损失，还会导致叶面破损。

表 5

土壤理化性质测定结果

项目	土层深度/cm	O1	O2	O3	N1	平均值
土壤硬度/mm	0~15	14	16	14	12	14
土壤硬度/mm	15~45	29	34	32	14	27
容积密度/(g·cm^-3)	0~15	1.3	1.5	1.4	0.9	1.3
容积密度/(g·cm^-3)	15~45	1.9	2.0	2.1	1.4	1.9
空隙率/%	0~15	59	55	58	62	59
空隙率/%	15~45	36	29	32	54	38
透气性/(cm·s^-1)	0~15	0.000 26	0.000 28	0.000 23	0.000 25	0.000 26
透气性/(cm·s^-1)	15~45	0.000 11	0.000 09	0.000 12	0.000 13	0.000 11
电导率/(S·m^-1)	0~15	4.40	4.20	4.00	2.90	3.90
电导率/(S·m^-1)	15~45	1.60	0.72	0.86	0.58	0.94
w(盐分)/%	0~15	0.29	0.31	0.30	0.19	0.27
w(盐分)/%	15~45	0.08	0.09	0.10	0.08	0.09
pH(1:5)	0~15	7.3	8.0	7.4	6.0	7.2

2.2 设施蔬菜大棚土壤养分状况

4个大棚的土壤养分状况测定结果(表 6)表明: 3个旧式大棚耕作层土壤的有机质含量均为中等，新式大棚耕作层土壤的有机质含量较低，而深层土壤的有机质含量差异不大，且耕作层土壤的有机质含量均高于深层土壤; 4个大棚的土壤全氮含量差异不大，且耕作层土壤全氮含量均高于深层土壤; 不同土层间的土壤阳离子交换量差异不大，但旧式大棚的土壤阳离子交换量优于新式大棚。

表 6

土壤养分状况测定结果

项目	土层深度/cm	O1	O2	O3	N1	平均值
w(有机质)/%	0~15	3.8	4.8	3.3	2.3	3.6
w(有机质)/%	15~45	2.8	3.1	2.1	2.2	2.6
w(全氮)/%	0~15	0.25	0.27	0.20	0.24	0.24
w(全氮)/%	15~45	0.14	0.15	0.13	0.12	0.14
阳离子交换量/(cmol·kg^-1)	0~15	13.0	12.0	12.0	5.6	10.6
阳离子交换量/(cmol·kg^-1)	15~45	10.0	9.3	12.0	11.0	10.6
速效磷/(mg·kg^-1)	0~15	893	599	750	453	674
速效磷/(mg·kg^-1)	15~45	52	34	46	38	42
硝态氮/(mg·kg^-1)	0~15	171	152	167	146	159
硝态氮/(mg·kg^-1)	15~45	77	63	45	45	58
交换性钾/(cmol·kg^-1)	0~15	1.5	1.5	1.1	0.7	1.2
交换性钾/(cmol·kg^-1)	15~45	0.25	0.22	0.36	0.30	0.28
交换性钙/(cmol·kg^-1)	0~15	7.3	7.2	8.1	5.3	7.0
交换性钙/(cmol·kg^-1)	15~45	4.8	3.6	4.9	4.5	4.4
交换性镁/(cmol·kg^-1)	0~15	2.9	2.6	3.1	2.5	2.8
交换性镁/(cmol·kg^-1)	15~45	1.6	1.1	1.3	0.6	1.2

新、旧2种大棚的土壤硝态氮和速效磷含量差异较大，新式大棚的土壤速效磷和硝态氮含量均低于旧式大棚，而这2种养分在耕作层土壤中的含量远高于深层土壤。耕作层土壤速效磷含量的平均值是深层土壤的16倍，耕作层土壤硝态氮含量的平均值是深层土壤的2.7倍，表明温室大棚耕作层氮和磷盈余情况严重，可能引起氮和磷随径流水和淋洗水进入地表水和地下水系统，进而可能导致水体氮和磷含量超标。

耕作层土壤交换性钾、交换性钙和交换性镁含量也明显高于深层土壤。值得注意的是，3个旧式大棚耕作层土壤速效钾含量均较高，可能会影响根系附近溶液的渗透压，进而抑制作物对水分的吸收。

2.3 重金属和有机污染物含量

4个大棚耕作层土壤重金属和有机污染物含量(表 7)均在农田标准以下，其中:重金属主要为镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)和锌(Zn); 有机污染物主要包括多环芳烃、有机氯农药以及邻苯二甲酸酯类物质。可见，4个大棚的土壤并不存在重金属和有机污染物污染的问题。

表 7

耕作层土壤重金属和有机污染物含量 mg/kg

项目	O1	O2	O3	N1
重金属
总镉(Cd)	＜0.5	＜0.5	＜0.5	＜0.5
总铅(Pb)	15.2	11.8	15.2	17.3
总铬(Cr)	65.8	38.3	49.0	65.1
总铜(Cu)	1 220	410	1 130	693
总锌(Zn)	未检出	未检出	未检出	未检出
多环芳烃
苯并(a)蒽	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
苯并(a)芘	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
苯并(b)荧蒽	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
苯并(k)荧蒽	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
二苯并(a, h)蒽	＜0.05	＜0.05	＜0.05	＜0.05
茚并(1, 2, 3-cd)芘	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
菲	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
蒽	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
荧蒽	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
芴	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
芘	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
苯并(g, h, i)苝	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
苊烯(二氢苊)	＜0.1	＜0.1	＜0.1	＜0.1
有机氯农药
滴滴涕总量	未检出	未检出	未检出	未检出
六六六总量	＜0.07	＜0.07	＜0.07	＜0.07
邻苯二甲酸酯类总量	＜0.5	＜0.5	＜0.5	＜0.5

2.4 土壤病虫害情况

4个大棚均为蔬菜(黄瓜、西红柿、茄子、青圆椒等)连作农田，病虫害主要根源是根线虫，为了避免病虫害，其中O3采用太阳热进行消毒。

2.4.1 危害特点

侵入到植物根部的2龄幼虫移动分散后排出特殊的生物活性物质形成巨细胞(多核细胞)，土壤中的养分会集中移向巨细胞，导致植物营养失调，根部逐渐失去吸收养分和水分的功能。长期受到巨细胞影响后，植物地表以上部分越来越弱，节间越来越短，叶色渐变，最后会引起早期落叶。

影响蔬菜生长的线虫主要有高弓根结线虫、花生根结线虫、北方根结线虫及南方根结线虫。线虫的寄生范围较广，通常给瓠果、茄科、豆科、萝卜、胡萝卜、生菜、白菜等30多种蔬菜带来危害。

2.4.2 生活习性

根结线虫多分布在深度为0~20 cm的土壤内，特别是在深度3~9 cm的土壤中线虫数量最多，常以卵或2龄幼虫随植株残体遗留在土壤中或粪肥中越冬或翌年环境适宜时以2龄幼虫从植株嫩根侵入并繁殖为害，而在日光温室中可终年为害。线虫可通过带虫土或苗及灌溉水传播，在土壤温度25~30 ℃、土壤湿度为40%~70%条件下繁殖很快，在10 ℃以下停止活动，55 ℃时10 min死亡，在无寄主条件下可存活1年。

根线虫侵入寄主植物的最佳温度为15~20 ℃，最佳生育温度为20~25 ℃，30 ℃以上时寄生会明显减少。

由于根线虫是单性生殖，幼虫侵入到寄主后根据营养情况等生长环境，从雌性变为雄性。

2.4.3 解决方法

线虫危害严重时，可通过化学药剂或太阳热进行消毒。太阳热消毒是在7月至8月的高温期将土壤温度提高至40 ℃左右并形成厌氧环境后进行消毒的方法。杀灭有害菌和杂草的适宜温度如表 8所示。

表 8

杀灭有害菌和杂草的适宜温度

温度/℃	杀灭的有害菌和杂草
45~50	线虫、水霉菌(疫霉属)、菌核
50~60	大部分的植物性细菌、土壤害虫
60~70	大部分的植物病原真菌、霉菌、丝状真菌、细菌及病毒
70~80	大部分的杂草种子
90~100	耐热性杂草

在太阳热消毒过程中，高温的保持和快速形成厌氧环境非常重要，故需要腐熟速度较快的有机物(稻草、堆肥等)和石灰，也可以利用蒸汽或水达到土壤消毒的效果。

土壤病虫害的程度因土壤湿度、土壤温度、土壤性质及种类、堆肥种类等土壤条件有所差异，给线虫和病原菌的生长提供良好的环境或盐分积累导致植物生长环境恶化时，病虫害的危害加剧。因此，保持健康的土壤(植物生长较好且腐生性微生物或有益菌等大量存在的稳定的土壤环境)有助于提高植物抵御病虫害的能力。

2.5 小结

由于多年连作或高强度的轮作，土壤耕性容易变差。调查结果表明，4个大棚的耕作层土壤物理性质良好，但深层土壤容易形成犁底层，进而导致耕作层出现盐分累积、电导率状况变差等现象，影响植物根系发育。对土壤适当深松或可改善此种状况^[7]。

调查结果表明，4个大棚的耕作层土壤有机质含量中等，化学态的氮、磷和钾含量超标严重，表明过量施肥情况可能比较严重。耕作层土壤中的氮和磷极易随地表径流或淋洗水进入地表水和地下水系统，造成水体富营养化。鸡粪的施用导致土壤酸碱性变差。因此，在设施蔬菜大棚的管理中，应注意适当减少氮肥、磷肥和钾肥的投入量，用适量酸性有机肥替代化肥，在降低生产成本的同时可控制设施蔬菜生产对农业面源污染的影响^[8]。

4个大棚的土壤并不存在重金属和有机污染物污染的问题，但线虫问题严重，应适时对设施大棚进行消毒，如高温闷棚、蒸熏等，也可通过合理轮作以保证蔬菜产量^[9]。

ckwx 参考文献

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