不同有机物料施用年限对设施菜地土壤养分和重金属含量的影响

赵国华，潘先庭，沈赟芸，何圣昊，陈贵

（1.嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴314001；2.嘉兴市农业科学研究院 农业生态环境研究室，浙江 嘉兴314016）

设施蔬菜是一种集约化程度高、环境设施和技术以及相应操作管理方法配套的综合生产体系。近年来，随着我国种植业结构的优化和调整，设施蔬菜产业得到迅猛发展。然而，由于设施蔬菜特殊的种植环境，比如几乎无雨冲淋，环境处于相对封闭的状态，温度、湿度高，化学肥料和有机肥施用不平衡等原因，导致随着种植年限延长设施蔬菜土壤环境恶化，酸化和次生盐渍化加重，引起蔬菜的生长发育受到抑制，产量和品质降低［1］。另外，设施蔬菜种植过程中施用大量动物性有机肥，长期使用易造成土壤重金属含量超标，从而增加蔬菜产品的重金属污染的风险，危害人类健康。刘荣乐等［2］对全国14个省（市）取样并调查测定了184个有机肥样品，其中猪粪中的Zn、Cu、Cd、As，鸡粪中的 Cr、Ni，堆肥与厩肥中的Hg、Pb的平均含量均高于其它有机废弃物，表明猪粪、鸡粪、堆肥与厩肥的受污染程度最重。

嘉兴是长三角地区的重要蔬菜输出地，设施菜地土壤质量直接关系蔬菜品种和人类健康。本研究通过调查嘉兴地区某设施蔬菜基地土壤理化性状、盐渍化程度和重金属含量现状，以期为设施菜地优化管理和栽培制度提供参考。

1 试验设计

1.1 样品采集方式

以嘉兴地区某设施蔬菜生产基地为调查对象，对施用不同有机物料和施用年限的设施菜地土壤（详见表1）进行样品采集，方式为S形采集，之后多点土壤进行混合。土壤采集深度为土表以下0～20cm耕层土壤。土壤样品采集后，经自然风干，磨细，分别过20目和100目筛用于土壤理化性状和重金属含量测定分析。

表1 设施菜地不同有机物料和施用年限表Table 1 The organic materials and the years of cultivation

1.2 分析方法

土壤pH值：点位法；土壤全氮：采用H2SO4－混合催化剂（CuSO4＋K2SO4＋Se）消解，凯氏定氮法测定；速效磷含量：采用NaHCO3浸提－钼锑抗比色法测定；速效钾含量：采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定；有机质含量：采用K2Cr2O7－H2SO4容量法—外加热法测定；电导率：采用梅特勒电导率测定仪测定；溶解性有机物含量［3］，称取一定重量土壤样品，土水比1∶10，在室温下，200r·min－1水平振荡提取16h后在4℃，12 000r·min－1离心20min，上清液过0.45μm的滤膜，滤液中的有机物即为DOM，DOM 浓度采用TOC仪（Liqui TOCⅡ）测定水溶性有机碳（DOC）。重金属测定：分析天平称取0.1g左右的土壤样品消解管中，分别加入4mL HNO3和1mLHF，摇匀，静置，移入Mar6微波消解仪中（具体条件见表2）后，消解液采用ICP－AES测定。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2013进行处理分析。

表2 微波消解条件Table 2 Microwave digestion conditions

2 结果与分析

2.1 不同年限有机物料施用对设施菜地土壤养分的影响

土壤的基本理化性质见表3。除连续2年施用菌渣外，其它处理土壤的全氮含量基本无较大变动，说明年限不同有机物料施用对菜地土壤全氮影响较小。然而，对速效磷而言，其含量远超0.04g·kg－1含量很丰富水平的最低值，说明设施菜地土壤磷存在超累积现象，这无疑增加了农业面源污源的风险系数。在不同处理当中，施用腐熟鸡粪的土壤速效磷含量相对较高，但不同年限处理间无明显变化趋势。在不同处理当中，施用腐熟鸡粪的土壤速效钾含量相对较低，且不同年限处理间无明显趋势。

吴珏等［4］人的上海市奉贤区的设施菜地研究结果表明随着年限增加，土壤有机质、全氮、有效磷含量呈上升趋势。徐步洲等［5］选取武汉市郊设施菜地为研究对象，总磷和速效磷含量随年限增长而上升。这与本研究结果相同。

表3 不同年限有机物料施用下设施菜地土壤养分状况／g·kg－1Table 3 Soil nutrients with the different years and organic material of cultivation／g·kg－1

2.2 不同年限有机物料施用对设施菜地pH和盐渍化的影响

土壤中有机质能够改善土壤结构，减少地面蒸发，既利于盐分下淋，又堵盐分上升。能增强微生物活动，产生各种有机酸，中和土壤碱性，释放各种养分。此外，有机质本身的吸附力还具有一定的缓冲作用［6］。研究人员发现，随着耕作带来的土壤不断熟化，土壤有机质的不断升高，土壤的盐分呈不断下降趋势［7］。由表4可见，各处理设施菜地土壤有机质含量均达到很丰富含量（＞4%）水平，说明该设施菜地土壤有机质含量不仅能够很好地满足蔬菜生长需求而且有利于减控土壤盐渍化的发生。在各处理当中，2年连续施用菌渣土壤的有机质含量最高，达7.28%，这与其全氮含量最高相对应。而其它处理有机质含量间则无特别明显变化。在施用腐熟鸡粪处理当中，随施用年限延长，有机质含量呈先升高再降低趋势。

表4 同年限有机物料施用下设施菜地土壤有机物质和盐渍化特性Table 4 Soil Organic Matter and l salinization with the different years and organic material of cultivation

土壤有机质中的可溶性有机质组分（dissolved organic matter，简称DOM）是土壤有机质的重要组成部分，DOM比固相有机质具有更多的活性点位［8，9］。Na＋、Ca2＋、K＋、Mg2＋四种盐分离子本身也是DOM的重要无机组成部分。土壤中DOM通过离子交换、吸附、络合、螯合［10］。此次调查结果表明，连续2年施用菌渣土壤的DOM含量最高，这与其有机质含量最高相对应。在不同年限连续施用腐熟鸡粪处理中DOM随施用年限的延长而呈下降趋势。电导率值能够反映土壤的总盐分含量［11］。通过分析发现，不同处理电导率值与对应有机质含量和DOM有一定关系，说明土壤有机质和DOM含量高有利于降低或调控土壤盐分含量。

由表4可知，施用不同有机物料的设施菜地土壤pH值基本处于蔬菜生长的正常范围。从施用腐熟鸡粪不同时间长度的3个处理可见，土壤pH并未出现随种植年限增加呈下降趋势的现象。这可能是由于该菜篮子基地长期施用有机物料的结果。

然而，施用腐熟鸡粪各处理土壤电导率均高于施用菌渣和猪粪有机肥，且当连续施用腐熟鸡粪由2年增至6年，土壤电导率也明显降低。然而，当施用时间由6年增至14年时则不明显。当与土壤电导率和含盐量之间关系对照后，发现此次调查的各处理除连续2年施用腐熟鸡粪土壤电导率略高于标准（电导率：0～2，对应盐分含量：＜1.0g·kg－1，为非盐渍化土壤）外，其它各处理土壤均未达到盐渍化标准（电导率：2～4，对应盐分含量：1.0～3.0g·kg－1，为盐渍化土）。说明，多施用有机肥是防控设施蔬菜土壤盐渍化的有效方式。

2.3 不同年限有机物料施用对设施菜地土壤重金属含量的影响

设施菜地土壤重金属超标在很多研究中均有报道［12～15］。本次调查发现嘉兴地区代表性设施蔬菜亦存在重金属超标问题（见表5）。通过与表6土壤环境质量标准（GB 15618－1995）中重金属元素含量对比，发现除砷（As）和镉（Cd）外，其它各重金属元素均未超标。其中，各处理土壤As与对应土壤 As含量标准相比，分别超标3.87、2.69、2.88、2.70和3.49倍，土壤 Cd分别超标5.53、0.20、9.37、3.87和17.17倍。此结果说明长年大量施用有机物料可能增加设施菜地土壤重金属污染的风险，而且随施用年限的增加土壤重金属含量可能呈增加超势。对比其他人的研究结果：侯鹏程［15］等研究上海松江“浦南”地区设施菜地发现土壤样品中Cd超标，其它重金属未超标，李树辉博士［16］对山东寿光、河南商丘、吉林四平及甘肃武威设施菜地重金属进行详细调查，发现Cd超标问题最为突出，土壤重金属含量随着年限的延长呈现不同程度的累积趋势。从我国其他区域不同省份的设施栽培土壤的情况看，各地的设施土壤重金属均呈现累积趋势，这与本研究所得结论和规律是基本吻合的，并且在该区的土壤中还发现重金属As超标。

表5 不同年限有机物料施用下设施菜地土壤重金属含量／mg·kg－1Table 5 Soil heavy metals contents with the different years and oganic material of cultivation／mg·kg－1

表6 土壤环境质量标准（GB 15618－1995）—重金属含量标准／mg·kg－1Table 6 Environmental quality standard for soil－heavy metal standard content／mg·kg－1

这可能主要是由于施用有机物料中含有一定量的重金属所致［2，17］。另一方面也与设施菜地土壤常处于封闭状态下，温湿度高，水分蒸发量大，缺少雨水淋洗，土地利用频度高紧密相关［18］。鉴于此种情况，设施菜地有机肥施用应注意1.多施用质量有保证的商品有机肥；2.多施用绿肥；3.改变蔬菜种植模式，由以前种植叶菜类为主改为果菜类为主。4.延长揭棚时间，加大淋洗量，使过量重金属移至耕层土壤以下；5.应加强对产生蔬菜的监测力度。做好以上几点，将在很大程度上降低超量重金属通过蔬菜进入食物链的风险。

3 结论

长期施用有机物料对改善设施菜地土壤酸碱度和防控土壤盐渍化有益。然而，长期施用重金属含量高的有机物料增加了设施菜地土壤重金属含量超标的风险，特别是砷（As）和镉（Cd）。因此，应加强对设施菜地有机物料施用和种植模式的管理，减少因土壤重金属超标而造成的健康风险。

［1］张光星，王靖华，薛亚明，等.浅析我国设施蔬菜生产中存在的问题与对策［J］.沈阳农业大学学报，2000，31（1）：140－143.

［2］刘荣乐，李书田，王秀斌，等.我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析［J］.农业环境科学学报，2005，24（2）：392－397.

［3］占新华，周立祥，黄焕忠.城市污泥堆肥中水溶性有机物的理化特性变化［J］.中国环境科学，2003，23（4）：390－394

［4］吴珏，王伟群，朱峰.上海市奉贤区设施菜地土壤理化性状分析［J］.长江蔬菜，2011（20）：53－55

［5］徐步洲，余婉霞，高和凤，等.设施菜地土壤pH 值与磷素变化特征研究［J］.湖南农业科学，2013（7）：57－60

［6］陈恩凤，王汝镛，王春裕.我国盐碱土改良研究的进展与展望［J］.土壤通报，1979（1）：1－4.

［7］陈子锐，王景宏，何高斌.苏北滨海盐渍土的分布及演变［J］.土壤，1986（4）：208－210.

［8］Grasso D，Chin Y，Weber W J.Structural and behavioral characteristics of a commercial humic acid and natural dissolved aquatic organic matter［J］.Chemosphere，1990，21（10）：1181－1197.

［9］李睿，屈明.土壤溶解性有机质的生态环境效应［J］.生态环境，2004，13（2）：271－275.

［10］Lin C F，Lee D Y，Chen W T，et al.Determination of stability constant for the dissolved organic matter／copper（II）complex using a real－time full spectra fluorescence spectrophotometer［J］.Communications in Soil Science ＆ Plant Analysis，1993，24（19／20）：2585－2593.

［11］王润屹，姚祥坦，黄凌云.嘉兴市设施蔬菜栽培土壤质量调查分析［J］.现代农业科技，2011（17）：261－262.

［12］李精超，胡小凤，李文一，等.设施蔬菜基地土壤重金属污染分析及防治研究［J］.中国农学通报，2010，26（18）：393－396.

［13］宋启道，方佳，王富华，等.广东省主要蔬菜产地土壤中重金属含量调查与评价［J］.环境污染与防治，2008，30（5）：91－93.

［14］沈体忠，彭文勇，周桃仙.天门市菜地土壤和蔬菜重金属含量及其健康风险评估［J］.湖北植保，2012（3）：57－61.

［15］侯鹏程.上海松江“浦南”地区设施菜地土壤重金属含量及其风险评价［J］.浙江农业学报，2014（6）：1609－1614.

［16］李树辉.北方设施菜地重金属的累积特征及防控对策研究［D］.中国农业科学院，2011.

［17］黄鸿翔，李书田，李向林，等.我国有机肥的现状与发展前景分析［J］.土壤肥料，2006（1）：3－8.

［18］姜勇，梁文举，张玉革.温室蔬菜栽培对土壤DTPA浸提态铁锰铜锌含量的影响［J］.土壤通报，2006，37（6）：1184－1187.