盧金海， 李博文， 楊志新， 趙 洪

(河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北保定 071000)

設施栽培作為一項提高蔬菜、花卉等作物產(chǎn)量的有效途徑，近年來在我國迅猛發(fā)展，以日光溫室和塑料大棚為主的設施栽培面積已超過100萬hm2[1-2]。河北省永清縣作為全國優(yōu)質(zhì)設施栽培蔬菜基地，設施蔬菜種植面積達到21 133 hm2，其中設施黃瓜面積為4 800 hm2。由于設施環(huán)境的特殊性，溫室土壤常出現(xiàn)酸化、次生鹽漬化、微生物區(qū)系失調(diào)和殘留的硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬超標等問題，其中重金屬含量超標尤為突出[3]。因此，設施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的生態(tài)安全問題越來越受到關注。

蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的重金屬平衡決定著土壤中重金屬的變化趨勢及污染積累，進而對蔬菜生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。目前，大多學者集中在對土壤重金屬的評價分析上，而對系統(tǒng)中重金屬凈積累研究尚少。Dach等對比研究波蘭、荷蘭農(nóng)業(yè)區(qū)的重金屬平衡水平發(fā)現(xiàn)，高強度的種植模式會加大土壤生態(tài)系統(tǒng)對重金屬的積累，從而嚴重影響土壤環(huán)境及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)安全性[4]；王麗英等對河北省設施蔬菜土壤微量金屬元素調(diào)查與評價表明，該地區(qū)土壤出現(xiàn)不同程度的重金屬污染和微量元素積累[5]。

施肥是影響土壤重金屬含量的重要因素，有研究表明，大量施肥的菜地土壤中某些重金屬含量顯著高于種植糧食作物的農(nóng)田土壤[6-7]。目前，有關設施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)控制重金屬積累的安全施肥研究尚未見報道。本研究以具有代表性管理模式的河北省永清縣日光溫室黃瓜為對象，通過連續(xù)2年的定位試驗，以建立減少重金屬積累的安全施肥方案，為降低土壤環(huán)境質(zhì)量風險提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省廊坊市永清縣永清鎮(zhèn)北岔口村，116°25′37″～116°25′52″E、39°13′34″～39°19′51″N，為國家級無公害蔬菜生產(chǎn)基地，屬北溫帶亞濕潤氣候區(qū)，大陸性季風氣候，雨熱同季，年平均日照2 740 h，年平均降水540 mm，年平均氣溫 11.5 ℃。試驗選用種植10年黃瓜的廊坊40型日光溫室大棚，土壤類型為潮褐土，質(zhì)地為壤土，土壤有機質(zhì)含量為 2.70%，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為146.5、400.2、684.0 mg/kg，pH值為7.5左右。黃瓜管理模式在當?shù)鼐哂休^強的代表性，生產(chǎn)茬口一般為每年的10月底到翌年6、7月份。

1.2 試驗設計

試驗在1個溫室大棚內(nèi)完成，共設5個不同的施肥處理(表1、表2)，灌水、噴施農(nóng)藥與菜農(nóng)常規(guī)管理基本一致。每處理重復3次，試驗小區(qū)隨機排列。

表1 第1年設施黃瓜不同施肥處理及其用量

注：處理T2、T3、T4磷、鉀肥施用量不變，P2O5、K2O用量分別為360、600 kg/hm2；有機氮由有機配方肥、雞糞提供。表2同。表中農(nóng)大的全稱為河北農(nóng)業(yè)大學，下同。

表2 第2年設施黃瓜不同施肥處理及其用量

1.3 樣品采集與制備

采集溫室的灌溉水樣及施用的各種肥料；化肥樣品磨碎，過100目篩，雞糞帶回實驗室，稱鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，磨碎，過100目篩，備用。以每試驗小區(qū)為采樣單元，分別于黃瓜種植前、每年黃瓜收獲后按“Z形布點法”等量采集深度為0～20 cm 的土壤，組成1個小區(qū)混合樣品；去除生物殘留及沙石，自然風干，過2 mm篩；取土樣300 g，研磨，過0.150 mm篩，備用。采集黃瓜果實及瓜秧，稱鮮質(zhì)量；用自來水沖洗2次，用去離子水沖洗1次，晾干；黃瓜樣品打成勻漿，經(jīng)消煮浸提制備成浸提液，瓜秧烘干、粉碎，過100目篩，備用。黃瓜開始收獲至采摘結束，記錄每試驗小區(qū)的收獲產(chǎn)量。

1.4 樣品測定

采用“四酸(鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸)分解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法”測定土壤樣品、化肥、雞糞中的重金屬Cd含量；采用“二酸(硝酸、高氯酸)分解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法”測定灌溉水樣中的重金屬Cd含量；采用“高壓消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法”測定植物樣品Cd含量。設施黃瓜蔬菜系統(tǒng)Cd的輸入量計算公式為：

式中：Q為輸入重金屬元素總量；n為施肥或灌溉的管理次數(shù)；Ci為施肥或灌溉水中Cd的含量；Mi為施肥或灌溉的量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2003、SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同肥料中Cd含量

試驗結果表明，有機肥(雞糞)、菌力寶、磷酸二銨、復合肥、三友菌肥、硫酸鉀、農(nóng)大固態(tài)肥、農(nóng)大液肥、氨基酸水溶肥的Cd含量分別為(0.250 0±0.020 0)、(0.050 0±0.003 6)、(0.032 0±0.001 7)、(0.016 0±0.001 0)、(0.014 0±0.002 0)、(0.006 3±0.000 2)、(0.006 3±0.000 1)、(0.004 4±0.000 3)、(0.001 5±0.000 2) mg/kg，雞糞、菌力寶、磷酸二銨的Cd含量顯著高于其他肥料，且相互間差異顯著(P<0.05)，氨基酸水溶肥的Cd含量顯著低于雞糞、菌力寶、二銨、復合肥(P<0.05)，而復合肥、三友菌肥、硫酸鉀、農(nóng)大固態(tài)肥、農(nóng)大液肥的Cd含量相互間差異不顯著(P<0.05)。

2.2 不同施肥處理下土壤Cd的輸入量

日光溫室大棚黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤重金屬的輸入量主要由化肥與有機肥施入量、農(nóng)藥投入量、灌溉用水量決定，由于灌溉用水、農(nóng)藥的重金屬含量極低(小于0.000 1 mg/kg)或無法檢出，故二者對Cd的輸入影響忽略不計。由圖1可見，設施黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)中，有機肥Cd輸入量占總施肥量Cd的輸入比例相對較高，而施用化肥導致Cd的輸入量相對較低；T2、T3、T4、T5處理第1年的化肥Cd輸入量分別為0.001 5、0.001 7、0.001 6、0.022 1 mg/m2，有機肥Cd輸入量分別為0.292、0.327、0.327、2.916 mg/m2，有機肥Cd輸入量分別占總肥料量Cd輸入量的99.49%、99.48%、99.51%、99.25%；T2、T3、T4、T5處理第2年的化肥Cd輸入量分別為0.001 3、0.001 4、0.001 3、0.010 1 mg/m2，有機肥Cd輸入量分別為0.361、0.361、0.361、1.492 mg/m2，有機肥Cd輸入量分別占總肥料量Cd輸入量的99.64%、99.61%、99.64%、99.33%；5個不同施肥處理中，T1、T2、T3、T4處理Cd輸入量明顯低于農(nóng)民常規(guī)施肥處理(T5處理)，第1年Cd輸入量分別比T5處理減少100.00%、90.01%、88.81%、88.82%，第2年分別比T5處理減少100%、75.88%、75.87%、75.88%；2年黃瓜種植期內(nèi)，減氮施肥處理(T3、T4處理)之間Cd的輸入量差異不明顯。

2.3 不同施肥處理下土壤Cd的輸出量

日光溫室大棚黃瓜生產(chǎn)系統(tǒng)土壤重金屬的輸出量主要由黃瓜秸稈、產(chǎn)出黃瓜果實的量所決定。由表3、表4可見，不同施肥處理間黃瓜果實、秸稈Cd含量差異不顯著，秸稈Cd含量明顯高于黃瓜果實。由圖2可見，2年內(nèi)，不同施肥處理黃瓜秸稈的Cd輸出量明顯高于黃瓜果實；T1、T2、T3、T4、T5處理第1年的Cd輸出量分別為0.098、0.194、0.133、0.161、0.085 mg/m2，其中黃瓜秸稈Cd輸出量分別占輸出總量的83.11%、80.47%、82.41%、83.80%、86.28%；T1、T2、T3、T4、T5處理第2年的Cd輸出量分別為0.086、0.100、0.089、0.083、0.085 mg/m2，其中黃瓜秸稈Cd輸出量均占輸出總量的86.70%、97.54%、97.04%、97.24%、86.28%；T2處理的Cd輸出量相對最高，2年內(nèi)分別為T1、T3、T4、T5處理的 1.60、1.32、1.20、1.73倍。

表3 不同施肥處理第1年的黃瓜產(chǎn)量、秸稈干質(zhì)量及其Cd含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.4 不同施肥處理下土壤Cd的凈積累量

重金屬總平衡量是由總輸入量、總輸出量相減而確定的。由圖3可見，除空白對照T1處理外，其他處理均有不同程度的Cd凈積累，其中T5處理的Cd凈積累量明顯高于其他處理； 與T5處理相比， T2、T3、T4處理第1年Cd凈積累分別比T5處理減少96.51%、93.12%、93.96%，第2年分別比T5處理減少81.48%、80.67%、80.30%。試驗表明，T2處理(推薦氮肥用量)的Cd凈積累量2年內(nèi)均相對最低，第1年為 0.100 mg/m2，第2年為0.262 mg/m2。

表4 不同施肥處理第2年的黃瓜產(chǎn)量、秸稈干質(zhì)量及其Cd含量

2.5 設施黃瓜系統(tǒng)不同施肥處理下的產(chǎn)投比

由表5可見，第1年T5處理的黃瓜產(chǎn)量顯著高于其他施肥處理，而第2年T5處理的黃瓜產(chǎn)量與其他施肥處理T2、T3、T4差異不顯著；處理T2、T3、T4的產(chǎn)投比明顯高于T5處理，其中T2處理的產(chǎn)投比相對最高，第1、第2年產(chǎn)投比分別為53.5、73.7。

3 結論與討論

對溫室大棚黃瓜采取不同施肥處理，分析Cd的輸出、輸入量、凈積累及黃瓜產(chǎn)投比等，結果表明，雞糞的Cd含量相對最高，為(0.250 0±0.020 0) mg/kg，這可能是導致土壤重金屬Cd輸入高的重要因素，這與前人研究結論[8-9]較為一致；黃瓜2年種植期內(nèi)，推薦氮肥用量、減氮施肥處理比常規(guī)施肥處理能夠有效減少重金屬Cd的輸入，降低Cd的積累，相互間對Cd的凈積累差異不明顯；不同施肥處理的黃瓜秸稈Cd輸出量明顯高于黃瓜果實；推薦氮肥用量處理Cd的輸出量相對最高，凈積累量相對最低，產(chǎn)投比相對最高。

表5 設施黃瓜系統(tǒng)不同施肥處理下的黃瓜產(chǎn)量與產(chǎn)投比

有研究表明，有機肥施用量的增加，將會導致土壤有機質(zhì)的逐漸增加，腐殖酸活化性能也增強，而有機物的分解使有機結合態(tài)重金屬逐漸釋放，重金屬的生物有效性明顯增強[10]，如長期施用畜禽糞便等有機肥，將極易造成土壤重金屬的積累[11-13]。溫室黃瓜雖然施用的肥料其重金屬Cd含量均低于國家肥料限量標準，但長期施用大量農(nóng)家肥確實會引起土壤Cd的積累，增加土壤重金屬污染風險，而調(diào)整施肥方案，可有效控制或減輕土壤重金屬Cd的污染。

[1]李東坡，武志杰，梁成華，等. 設施土壤生態(tài)環(huán)境特點與調(diào)控[J]. 生態(tài)學雜志，2004，23(5)：192-197.

[2]何文壽. 設施農(nóng)業(yè)中存在的土壤障礙及其對策研究進展[J]. 土壤，2004，36(3)：235-242.

[3]董 艷，董 坤，魯 耀，等. 設施栽培對土壤化學性質(zhì)及微生物區(qū)系的影響[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報，2009，24(3)：418-424.

[4]Dach J，Starmans D. Heavy metals balance in polish and dutch agronomy：actual state and previsions for the future[J]. Agriculture Ecosystems and Environment，2005，107(4)：309-316.

[5]王麗英，陳麗莉，張彥才，等. 河北省設施蔬菜土壤微量金屬元素狀況評價及來源分析[J]. 華北農(nóng)學報，2009，24(增刊2)：268-272.

[6]Sheppard S C，Grant C A，Sheppard M I，et al. Risk indicator for agricultural inputs of trace elements to Canadian soils[J]. Journal of Environmental Quality，2009，38(3)：919-932.

[7]Huang S W，Jin Ji Y. Status of heavy metals in agricultural soils as affected by different patterns of land use[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2008，139(1/2/3)：317-327.

[8]Stanners D，Bourdeau P. Europe’s environment：the dobris assessment[M]. Denmark：European environment agency. Copenhagen，1995.

[9]Moolenaar S W，Lexmond T M. Heavy-metal balances of agro-ecosystems in the Netherlands[J]. Journal of Agricultural Science，1998，46(2)：171-192.

[10]Uchimiya M，Bannon D I. Solubility of lead and copper in biochar-amended small arms range soils：influence of soil organic carbon and pH[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2013，61(32)：7679-7688.

[11]王開峰，彭 娜，王凱榮，等. 長期施用有機肥對稻田土壤重金屬含量及其有效性的影響[J]. 水土保持學報，2008，22(1)：105-108.

[12]王 穎，韓曉日，孫杉杉，等. 長期定位施肥對棕壤重金屬的影響及其環(huán)境質(zhì)量評價[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2008，39(4)：442-446.

[13]潘偉彬，李 延，莊衛(wèi)民，等. 施肥對紅壤性水稻土鋅、銅形態(tài)及有效性的影響[J]. 福建農(nóng)業(yè)學報，2000，15(2)：45-49.