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(天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

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設(shè)施土壤退化研究進(jìn)展與展望

王子璐， 王祖?zhèn)?

(天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

設(shè)施土壤退化使得設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，從土壤酸化、次生鹽漬化、重金屬污染、養(yǎng)分比例失衡，及微生物系統(tǒng)改變等方面，綜述了設(shè)施土壤退化特征與成因，并展望了設(shè)施土壤退化的研究發(fā)展趨勢(shì) 。

設(shè)施土壤退化；酸化和次生鹽漬化；養(yǎng)分失衡；重金屬污染；微生物系統(tǒng)改變

隨著我國(guó)城市化發(fā)展速度的加快，對(duì)蔬菜的需求日益增加。我國(guó)已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，面積和產(chǎn)量穩(wěn)居世界第1，2012年我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積已達(dá)世界設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積的85%以上。設(shè)施農(nóng)業(yè)是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)大面積建設(shè)，雖然帶來(lái)了顯著效益，但由于自身的制約，土壤缺乏雨水洗淋，溫度、通風(fēng)、濕度和肥料等與傳統(tǒng)種植有較大的區(qū)別，而且設(shè)施農(nóng)業(yè)本身具有高集約化、高復(fù)種率、高施肥量等特點(diǎn)，導(dǎo)致一系列土壤退化問(wèn)題[2-3]。土壤退化會(huì)造成土壤板結(jié)、肥力變差、微生物活性下降、蔬菜產(chǎn)量減少及質(zhì)量下降等危害，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境以及人體健康。

筆者從設(shè)施土壤酸化、次生鹽漬化、重金屬污染、養(yǎng)分比例失衡，及微生物系統(tǒng)改變等方面闡述設(shè)施土壤退化現(xiàn)象，綜述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并總結(jié)其特征及成因。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1　設(shè)施土壤退化現(xiàn)象

1.1土壤酸化設(shè)施土壤酸化問(wèn)題，很早就引起了學(xué)者們的關(guān)注，一些學(xué)者將土壤酸化作為設(shè)施土壤退化的主要指標(biāo)之一。

研究表明，與露地耕種土壤相比，設(shè)施土壤表現(xiàn)出隨著種植年限的增加，土壤的緩沖性能降低，土壤pH下降而形成土壤酸化等特征[4-9]。例如哈爾濱市種植5、10、20 a的大棚土壤與露地土壤的pH相比，分別降低0.01、0.15、0.44，而大慶市種植5、14、30 a的大棚土壤pH，則分別降低0.02、0.39、0.50[5]。山東壽光種植1 a的設(shè)施土壤的pH為7.69，種植4 a的土壤pH為6.82，種植13 a的土壤pH降到4.31，而壽光土壤為褐土，土壤pH背景值在7.50左右[10]。土壤酸化不僅發(fā)生在北方，南方同樣出現(xiàn)土壤酸化的現(xiàn)象，例如長(zhǎng)江三角洲地區(qū)隨著蔬菜種植年限的延長(zhǎng)，土壤pH呈逐年降低的趨勢(shì)，3和10 a土壤pH分別比稻田低0.23和0.78[6]。

設(shè)施土壤的pH隨耕種周期變化而變化。設(shè)施農(nóng)業(yè)因其自身的特點(diǎn)，分為種植期和休閑期。Shi等[11]對(duì)江蘇宜興蔬菜基地的研究表明，夏季輪作間隙土壤的pH逐漸上升，而在秋冬蔬菜生長(zhǎng)期土壤則迅速酸化。而韓江培[3]研究發(fā)現(xiàn)，在蔬菜生長(zhǎng)期，土壤pH逐漸上升，但在輪作間隙，土壤pH則明顯下降。從整個(gè)周期來(lái)看，土壤pH呈下降趨勢(shì)。

設(shè)施土壤的pH在剖面呈規(guī)律性變化。于群英等[12]對(duì)設(shè)施土壤pH的研究發(fā)現(xiàn)，酸化主要發(fā)生在耕作層，土層愈深則酸化程度愈低。Han等[9]對(duì)山東壽光設(shè)施土壤表層和亞表層酸化特征的研究和江蘇鹽城地區(qū)設(shè)施土壤剖面(0～40 cm)的研究也得到了相同的結(jié)果。但劉艷軍等[13]的研究表明，在0～30 cm土層中，各土層間(每10 cm為一層)土壤的pH無(wú)顯著差異。

造成設(shè)施土壤酸化的原因多種多樣，主要是由于各類(lèi)化肥和有機(jī)肥料的長(zhǎng)期過(guò)量使用[3,14-17]。各類(lèi)化肥，特別是生理酸性鹽(硫酸銨)和其他銨態(tài)氮肥的過(guò)量使用，使土壤中NH4+的硝化作用增強(qiáng)，NO3-含量的增加，加速了土壤的酸化[14,18]。有機(jī)肥料，特別是糞肥中的銨態(tài)氮的硝化作用、有機(jī)氮的礦化和隨之而來(lái)的硝化作用、有機(jī)物降解產(chǎn)生的有機(jī)酸，加速了土壤的酸化[15-16]。植物對(duì)土壤離子的選擇性吸收和由根系分泌產(chǎn)生的致酸作用等也可導(dǎo)致產(chǎn)生土壤酸化。

1.2次生鹽漬化設(shè)施土壤次生鹽漬化是國(guó)內(nèi)外蔬菜生產(chǎn)區(qū)普遍發(fā)生和存在的問(wèn)題。設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的鹽分組成和離子含量與成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型、灌溉水、地下水礦化度、施用肥料種類(lèi)與數(shù)量、栽培作物種類(lèi)、灌溉方式、管理技術(shù)等天然及人為因素相關(guān)，表現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性[19]。設(shè)施土壤發(fā)生次生鹽漬化時(shí)，表觀特征為：當(dāng)土壤干燥時(shí)，有明顯的返鹽現(xiàn)象，表面出現(xiàn)斑白鹽霜，破碎后呈灰白色粉末；土壤較為濕潤(rùn)時(shí)，顏色較暗，在一定條件下形成斑塊狀鹽結(jié)皮。當(dāng)鹽漬化的土壤較為潮濕時(shí)，表面常出現(xiàn)紫紅色膠狀物(紫球藻)，暗示土壤的含鹽量超過(guò)10 g/kg， 紫球藻可作為指示設(shè)施土壤嚴(yán)重鹽漬化的植物[20]。

設(shè)施土壤鹽分隨土壤深度不同而產(chǎn)生差異。Han等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤次生鹽漬化集中發(fā)生在0～20、20～40 cm的土壤中，表現(xiàn)為K+和NO3-的增加、Ca2+和HCO3-的減少。杜磊等[21]研究得出，0～5和40～50 cm土層含鹽量較高，這2層可作為設(shè)施土壤鹽分的“活動(dòng)面”。杜連鳳等[6，22-23]研究得出，鹽分主要積聚在0～20 cm土層，隨著土層的加深，含鹽量呈下降趨勢(shì)。童有為等[20]研究發(fā)現(xiàn)，玻璃溫室和塑料大棚耕層土壤(0～25 cm)鹽分分別是露地大田土壤的11.8和4.0倍，而25 cm以下土壤鹽分則差異不大。鄒長(zhǎng)明等[18]對(duì)安徽蚌埠的設(shè)施土壤鹽分累積特性研究表明，大棚內(nèi)土壤表層的含鹽總量是露地大田土壤相同層次的2.4～5.7倍，鹽分主要積累在0～15 cm土層，特別是0～5 cm土層。

設(shè)施土壤次生鹽漬化與種植年限和作物生長(zhǎng)的季節(jié)性相關(guān)。陳碧華等[24]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中鹽分的積累一般是隨種植年限的增長(zhǎng)而加重。薛繼澄等[25]研究表明，設(shè)施土壤鹽分含量在3～5月可達(dá)3～4 g/kg；而在6～8月，因蔬菜旺盛生長(zhǎng)，大量吸收養(yǎng)分，鹽分可降到2 g/kg以下；在次年3～5月，土壤中鹽分又可回升到3～4 g/kg。韓江培等[3，9，26]的研究表明，設(shè)施土壤含鹽量受作物生長(zhǎng)的季節(jié)性影響明顯，鹽的含量會(huì)隨著蔬菜生長(zhǎng)周期而呈現(xiàn)消長(zhǎng)變化。

設(shè)施土壤次生鹽漬化的產(chǎn)生與設(shè)施環(huán)境及人為耕作管理密切相關(guān)[32]。封閉的栽培環(huán)境造成土壤特殊的水分運(yùn)移方式，高溫蒸發(fā)強(qiáng)烈引起土壤水分向上運(yùn)動(dòng)，使鹽分在地表累積[22,33]； 盲目的大量施肥特別是氮肥的使用，宜造成硝酸鹽的累積并產(chǎn)生次生鹽漬化[16,20,34-35]；不合理的灌灌方式，長(zhǎng)期淺灌和小水勤澆宜造成鹽分在地表積累[28-29]。

1.3重金屬污染對(duì)于設(shè)施土壤中重金屬的研究，國(guó)外學(xué)者很少涉及，其原因可能是國(guó)外的設(shè)施農(nóng)業(yè)多采用無(wú)土栽培技術(shù)，栽培植物以花卉為主，重金屬不進(jìn)入食物鏈，因而引起的關(guān)注較少。

在我國(guó)，設(shè)施農(nóng)業(yè)絕大多數(shù)為有土栽培，設(shè)施土壤中重金屬問(wèn)題逐漸引起許多學(xué)者的重視。Bai等[36]研究發(fā)現(xiàn)，甘肅武威設(shè)施土壤中Cd、Cu和Zn發(fā)生累積，與耕作年限呈顯著正相關(guān)，而Cr、Ni、Pb等基本不受影響。Chen[37]等對(duì)江蘇南京設(shè)施土壤的研究發(fā)現(xiàn)，Cd、Hg、Pb容易在土壤中累積，累積的關(guān)鍵因素是肥料的使用。Yang等[38]研究了我國(guó)北方地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)有機(jī)肥使用對(duì)土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的累積和生物有效性。姚艷娟[39]對(duì)安徽省設(shè)施土壤的研究發(fā)現(xiàn)，Cd和Pb在土壤中產(chǎn)生累積。曾希柏等[40]對(duì)山東壽光設(shè)施土壤的研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Zn的含量最高，其次是Cr、Cu；而毒性較大的元素As、Hg、Cd的含量相對(duì)較低。李樹(shù)輝[41]對(duì)山東壽光、河南商丘、吉林四平、甘肅武威等地設(shè)施土壤的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬均出現(xiàn)了不同程度的累積，部分樣品中Cd、Ni、Zn的含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，耕種時(shí)間越長(zhǎng)，累積量越大，有機(jī)肥是重金屬的主要來(lái)源。劉蘋(píng)等[42]研究了壽光市蔬菜大棚土壤中重金屬的含量，發(fā)現(xiàn)土壤中Hg、Cd、Zn 等含量明顯高于自然背景值。王俊等[43]研究表明，日光溫室土壤Zn累積隨種植年限和施肥量而增加。

對(duì)于設(shè)施土壤中重金屬的形態(tài)，也有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。王登啟[44]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤中重金屬的全量和有效態(tài)含量隨種植年限的增長(zhǎng)有不同程度增加，但沒(méi)有分析重金屬有效態(tài)產(chǎn)生變化的原因。曾路生[45]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤中重金屬有效態(tài)含量隨種植年限的增長(zhǎng)而增加，具有“表聚性”，其順序?yàn)镠g>As>Cu>Zn，重金屬有效態(tài)含量與pH呈顯著負(fù)相關(guān)[45]。趙明等[46]研究得出，施用有機(jī)肥可降低設(shè)施土壤中Pb的有效態(tài)含量、增加Cd的有效態(tài)含量，但對(duì)Cu、Zn和Cr的有效態(tài)含量無(wú)顯著影響；施用無(wú)機(jī)肥可提高土壤Cu和Cr的有效態(tài)含量，對(duì)Zn、Pb和Cd的有效態(tài)含量無(wú)顯著影響。劉洋等[47]研究了遼寧設(shè)施土壤中Cd、Ni、As有效態(tài)含量及其影響因素，發(fā)現(xiàn)Cd、Ni、As的有效態(tài)含量與種植年限、有機(jī)質(zhì)之間為正相關(guān)關(guān)系，As的有效態(tài)含量與pH呈正相關(guān)，Cd、Ni的有效態(tài)含量與pH呈負(fù)相關(guān)。

造成設(shè)施土壤重金屬污染的原因包括污水灌溉，農(nóng)藥、化肥、糞肥、塑料薄膜的使用等。姚艷娟[39]研究發(fā)現(xiàn)，大量含有Cu、As、Zn、Hg等重金屬的污水進(jìn)入土壤。章圣強(qiáng)[49]的研究表明，農(nóng)藥、化肥、糞肥中均含有數(shù)量不等的重金屬元素。塑料薄膜中含有Cd和Pb，長(zhǎng)期使用會(huì)使土壤中Cd和Pb含量增加[48-49]。

1.4養(yǎng)分比例失衡設(shè)施蔬菜種植過(guò)程中，種植戶(hù)通過(guò)施用大量肥料來(lái)獲得高產(chǎn)。隨著施肥量的增加，特別是常量肥料的過(guò)量使用，不僅使土壤中養(yǎng)分含量不斷上升[50-52]，同時(shí)造成設(shè)施土壤養(yǎng)分比例失調(diào)。

在我國(guó)，設(shè)施土壤養(yǎng)分比例失調(diào)主要表現(xiàn)在全N、堿解N、速效P含量均高于露地，中量和微量元素缺乏[53]。秦巧燕等[50]研究表明，關(guān)中渭河流域設(shè)施栽培施肥量大，純N肥施用量超過(guò)1 800 kg/hm2，且多數(shù)設(shè)施土壤并未施過(guò)K肥，土壤中的K素嚴(yán)重缺乏。隨耕種年限增加，K和中微量元素處于虧缺狀態(tài)[54]。馬朝紅等[55]對(duì)山東省大棚蔬菜進(jìn)行研究表明，N、P、K肥的投入比例為1∶0.53∶0.41，而豆類(lèi)、茄果類(lèi)和瓜類(lèi)蔬菜的N、P、K需肥比例分別為1∶0.3∶1.44、1∶0.25∶1.58和1∶0.29∶1.47，投入量與需求量之間存在著明顯的差異。設(shè)施栽培過(guò)程中種植戶(hù)對(duì)Ca、Mg、S及微肥的認(rèn)識(shí)不足，多數(shù)不施加Ca、Mg、S及微肥，使得土壤中大量元素含量明顯偏高，而中量元素及微量元素相對(duì)缺乏，導(dǎo)致養(yǎng)分比例不均衡。

1.5微生物系統(tǒng)改變?cè)O(shè)施土壤微生物群落及其數(shù)量變化可作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其變化特征決定于設(shè)施土壤生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量[54]。關(guān)于設(shè)施土壤微生物系統(tǒng)變化，已有大量的研究[56-61]。目前對(duì)于設(shè)施土壤微生物系統(tǒng)改變的研究，主要是土壤微生物區(qū)系和土壤酶2個(gè)方面。

土壤微生物區(qū)系主要由細(xì)菌、真菌和放線菌3大類(lèi)組成。細(xì)菌居多，占土壤微生物總數(shù)的70%～90%，其次是放線菌，真菌最少[62]。Dick等[63]研究表明，設(shè)施土壤中微生物區(qū)系不同于露地土壤，細(xì)菌和真菌數(shù)量為大棚>溫室>露地，放線菌數(shù)量為大棚>露地>溫室，隨著連作次數(shù)增多，土壤微生物區(qū)系由 “細(xì)菌型”向“真菌型”轉(zhuǎn)變。

有關(guān)微生物總數(shù)與設(shè)施種植年限的關(guān)系，不同學(xué)者得出不同的結(jié)論。周藝敏等[64]研究認(rèn)為，隨著種植年限的增加，微生物總數(shù)增加；張乃明等[65]研究認(rèn)為，設(shè)施栽培下土壤微生物數(shù)量高于露地，但隨著種植年限的增加，其數(shù)量反而降低。關(guān)于設(shè)施土壤中的細(xì)菌隨種植年限變化的研究，唐詠等[66]對(duì)沈陽(yáng)日光溫室進(jìn)行研究得出，土壤中的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量比露地高，且隨著種植年限的增長(zhǎng)而增加，種植14 a比種植3 a的土壤分別增加了132×104、35×104和852×104cfu/g。對(duì)于放線菌數(shù)量隨種植年限的變化，唐詠等[66]研究得出種植年限越長(zhǎng)，放線菌數(shù)量則越少。對(duì)于真菌數(shù)量隨種植年限的變化，姚圣梅等[67]對(duì)蔬菜大棚土壤微生物群落進(jìn)行研究得出，種植時(shí)間較短，真菌數(shù)量較多；反之，真菌數(shù)量較少，但有害真菌的數(shù)量和種類(lèi)增加。對(duì)設(shè)施土壤微生物總數(shù)隨季節(jié)的變化，王珊[68]研究認(rèn)為設(shè)施土壤微生物總數(shù)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)先高后低，高峰出現(xiàn)在6月，10月最低；細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化與微生物總數(shù)變化趨勢(shì)相同；真菌、放線菌數(shù)量的最大值都出現(xiàn)在3月。

目前對(duì)于設(shè)施土壤酶的研究中，較多的是對(duì)脲酶、轉(zhuǎn)化酶和脫氫酶等進(jìn)行研究[68]。對(duì)脲酶，周禮愷等[69]研究得出，土壤脲酶參與土壤中含氮化合物的轉(zhuǎn)化，水解尿素生成氨，其活性影響著土壤中氮素的代謝。脲酶活性與土壤微生物數(shù)量、有機(jī)質(zhì)、全N和速效P含量呈顯著正相關(guān)[68]。劉志民等[70]發(fā)現(xiàn)設(shè)施土壤脲酶活性比露地土壤高1～3倍，并隨種植年限的增長(zhǎng)逐漸升高。對(duì)轉(zhuǎn)化酶，王珊[68]研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤轉(zhuǎn)化酶的活性，隨種植年限的增長(zhǎng)而降低，其高低與作物種類(lèi)及種植年限有關(guān)。對(duì)脫氫酶，吳鳳芝等[71]研究得出過(guò)氧化氫酶活性比較穩(wěn)定，設(shè)施種植年限對(duì)其影響不大。張國(guó)紅等[72]研究表明，設(shè)施土壤中過(guò)氧化氫酶活性隨種植年限的增加呈拋物線變化，種植3～4 a時(shí)達(dá)到較高水平。

2　展望

目前，對(duì)設(shè)施土壤退化的研究，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但由于設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培過(guò)程中，不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)不同，種植作物品種不同，栽培方式不同，施用化肥品種及投入量不同，自然和人為條件對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響較大。不同栽培條件下，設(shè)施農(nóng)業(yè)存在異質(zhì)性，因此土壤退化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一應(yīng)用在廣泛的設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培中。設(shè)施土壤退化今后的研究，可以更多地集中在以下幾個(gè)方面。

2.2加強(qiáng)土壤養(yǎng)分中多種元素的研究當(dāng)前對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分的研究中，多重視研究N素，對(duì)P素和K素研究較少。作物生長(zhǎng)中對(duì)K素的需求量大于N素，但是實(shí)際中K素的含量較少，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是K肥施用量少，但沒(méi)有考慮K素在土壤中的淋失。對(duì)土壤養(yǎng)分中中量元素和微量元素的研究較少，學(xué)者也沒(méi)有進(jìn)一步研究，在土壤退化條件下，土壤養(yǎng)分中中量元素和微量元素的變化規(guī)律。

2.3加強(qiáng)設(shè)施土壤中重金屬污染和微生物系統(tǒng)破壞的研究對(duì)土壤中重金屬污染和微生物系統(tǒng)破壞的研究較多，但對(duì)設(shè)施土壤中重金屬污染和微生物系統(tǒng)破壞的研究較少。目前，對(duì)在設(shè)施土壤退化條件下，設(shè)施土壤內(nèi)重金屬的含量、形態(tài)及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究的較少。學(xué)者對(duì)設(shè)施土壤微生物系統(tǒng)改變的研究中，對(duì)微生物區(qū)系、土壤酶隨種植年限變化的研究較多，對(duì)他們?cè)谕寥榔拭孀兓难芯枯^少。在設(shè)施土壤退化條件下，微生物系統(tǒng)變化情況還需要進(jìn)行深入的討論。

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Research Advance and Prospect of Greenhouse Soil Degradation

WANG Zi-lu,WANG Zu-wei*

(College of Urban & Environment Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387)

Greenhouse soil degradation can cause serious threat to protected agriculture production.The study advances at home and abroad were summarized，the characteristics and causes of soil degradation were analyzed from aspects of acidification，secondary salinization， heavy metal pollution，nutrient imbalance and microbial system changes，and the future research trend was proposed.

Greenhouse soil degradation; Acidification and secondary salinization; Nutrient imbalance; Heavy metal pollution; Microbial system changes

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40973074)。

王子璐(1991- )，女，天津人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境污染與修復(fù)。*通訊作者，教授，博士，從事土壤環(huán)境污染與修復(fù)研究。

2016-05-11

S 15；X 53

A

0517-6611(2016)18-095-04