我国设施栽培土壤退化特征及修复技术研究进展

2021-11-27卢维宏张乃明

蔬菜 2021年11期

于泓，卢维宏，张乃明,2

（1.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201；2.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南昆明 650201）

以高技术、高投入、高产出为特征的高度集约化设施农业代表了现代农业的发展方向[1]，而设施土壤是指长期设施栽培条件下耕种的农业土壤，是设施农业赖以发展的物质基础。中国从20世纪50年代就开始简易设施栽培技术的探索，至90年代开始集中引进大型连栋温室，经过40多年的快速发展，到2020年全国温室大棚栽培面积达370万hm2，其中连栋温室面积100万hm2，设施栽培总面积已突破400万hm2。随着设施栽培面积的不断增加，栽种年限不断延长，长期的高强度利用、覆盖及大水、大肥的投入导致温室大棚内的微环境发生改变，出现了土壤酸化、盐渍化、作物连作障碍及有害元素积累等问题。从面积来看，我国设施栽培土壤分布在黄淮海及环渤海湾地区的设施面积约占57%，长江中下游的约占20%，西北地区的约占11%，剩余其他区域约占12%；其中，山东省面积最大，约60万hm2。山东、东北和西北地区设施蔬菜面积约占全国设施蔬菜的70%左右。按产量来看，山东年产量5 080万t，其次是河北省，年产量约4 229万t，山东、河南、河北、江苏、辽宁5省生产出全国约2/3的蔬菜。按蔬菜种类分布来看，设施番茄面积居于首位，其次是黄瓜，再者是茄子、辣椒[2]。已有研究数据显示，在全国主要设施菜地的耕层土壤中，轻度盐渍化的比例占38.2%，中度盐渍化的比例占4.7%，且设施栽培土壤盐渍化程度显著高于露天栽培土壤[3]；因此，充分认识设施栽培土壤退化原因及设施栽培土壤改良与修复技术，对设施农业持续健康发展具有重要指导意义。

1 设施栽培土壤主要退化特征及成因

1.1 次生盐渍化

由于气候条件、母质类型等原因，南酸北碱是我国土壤的主要特征；但是，设施大棚内在高温、高蒸发且没有漫灌条件，外加不合理施肥，极易出现土壤盐渍化现象。设施土壤的次生盐渍化是最常见、最严重的问题。土壤次生盐渍化最明显的特征是土壤表面出现一层白色盐霜，当白色盐霜由白变绿再变红（紫球藻）时，土壤的含盐量已经超过10 g/kg[4]，可对植株的生长造成严重的影响。灌溉不完全是土壤盐渍化的主要原因。设施土壤最常见的灌溉方式就是喷灌、滴灌及沟灌。钞锦龙等[5]研究表明，沟灌后的含盐量一般要高于滴灌和渗灌。沟灌导致土壤水分增加不均匀，外加温室大棚内温度高、蒸发量大，所以盐渍化现象更加严重。研究发现设施菜地中SO42-、Cl-、Mg2＋、Na＋的含量均与全盐含量呈极显著正相关，其中SO42-、Mg2＋含量与全盐含量的相关系数更高[6]。伴随着对设施栽培的高度重视，大量的化肥投入，单一蔬菜种类的种植，导致土壤中的单一离子浓度越来越高，土壤盐渍化程度也就越来越严重。

1.2 土壤酸化

土壤酸化指的是土壤吸收性复合体接受了一定数量的致酸离子，使土壤中碱性离子淋失的过程[7]。土壤酸化是一种土壤退化的表现形式。张艳霞等[8]研究表明，陕南、关中、陕北3个地区设施农业土壤pH值均低于对应区域的大田土壤，其中陕北、关中地区差异均达到极显著水平。南方设施土壤酸化更加严重。南方土壤pH值较北方土壤pH值低，土壤致酸离子（交换性H＋、交换性Al3＋）含量高，土壤酸化更加严重。徐仁扣[9]研究表明，大量化肥、农药的施用使得土壤有机酸、营养阳离子被吸收后产生的生理酸物质含量不断增加，且铵态氮肥用量达80 kg/hm2时就会加速土壤酸化；设施栽培土壤施肥量远远高于同区域露天栽培土壤，土壤酸化程度较露天土壤更加严重。Van等[10]提出土壤内部质子源和外部质子源的概念，发现由内部质子源引起的土壤酸化速度缓慢。设施土壤酸化虽然与灌溉水pH值有关，但主要原因是温室大棚内温度高，且通风时间短，土壤内二氧化碳浓度较高，极易生成碳酸，而碳酸正是土壤中H＋的主要来源[11]。土壤酸化是一个漫长的过程，但设施土壤发生酸化的速率快于同区域露天栽培土壤。

1.3 连作障碍

导致连作障碍发生最根本的原因是连作蔬菜等作物根区微生物多样性失调，根区的有益微生物数量、种类减少，繁殖率降低，有毒有害病原菌数量增加，导致植株发生各种土传病害[12]。设施菜地由于长时间单一种植，根际土壤累积了大量根系分泌物、植物残体中的病原菌、虫卵及自毒物质（醌类、肉桂酸及其衍生物、香豆素等）[13]，对设施土壤中作物的生长产生不良影响。连作5年时茄子、辣椒产生的自毒物质香豆酸、肉桂酸、邻苯二甲酸二丁酯能显著降低土壤酶活性和加重根际酸化[14]。泗洪县石集乡蔬菜生产多年茄果类连作，导致土壤养分失衡、微生物比例失调，茄子灰霉病频发、畸形果增多，平均667 m2减产约500 kg[15]。根结线虫是一类对多种作物造成危害的寄生线虫，几乎可以侵染所有的作物，对农户的经济效益产生巨大影响。虽然，目前已经有有效防治根结线虫的方法，如利用淡紫拟青霉、穿刺巴氏杆菌等，但由于淡紫拟青霉对人身体存在潜在威胁，穿刺巴氏杆菌的培养成本高，都没有得到广泛的应用[16]。在设施栽培土壤中，真菌对土壤的肥力水平有着较大的影响。土壤微生物由细菌型转变为真菌型，真菌数量越多，肥力越差，对作物的不利影响也就越大[17]。

连作障碍发生的另一个重要因素是土壤酶活性降低。土壤酶在有机质的转化、腐殖质和无机胶体的形成、元素的循环过程中起到至关重要的作用。土壤酶数量虽然低，但有着无可替代的作用，过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶等同样也是土壤健康评价的重要指标。长期的单一种植、单一施肥、再生水灌溉，必然导致土壤酶活性降低，养分利用不充分，最终导致设施栽培蔬菜多种连作障碍现象发生[18-19]。

1.4 重金属元素积累

设施菜地重金属元素的累积不仅对设施土壤造成严重污染，还对设施蔬菜的食用安全存在潜在威胁。从我国重金属累积的空间分布来看，我国南部设施土壤重金属含量以Cd、Hg、Pb含量最高，北部设施土壤重金属以Cu、As、Cr含量最高[20]。设施农业重金属含量除了受人为喷施农药、化肥影响外，土壤重金属背景值也是影响重金属含量高的重要原因之一。

董达诚[21]对陆良设施菜地土壤重金属来源解析结果表明，土壤重金属元素Cd、Cu、Zn、Pb和As主要与种植蔬菜过程中施用化肥和农药有关；露天菜地中Pb主要来源于交通污染源，Cr受人类活动影响较小，主要取决于自然背景值。磷肥中含有较多的Hg、Cd、As、Zn、Pb，氮肥中含Pb量较高，畜禽粪便堆肥则含有较高的Cu、Zn、Cr、Ni[22]。秦丽娟等[23]采用单因子污染指数对兰州设施土壤重金属进行检测，结果表明：重金属Cr只有2个县（区）超标，其他县（区）未超标，重金属Pb、Cd、Hg和As在研究样地均出现超标现象。郭畔等[24]对沈阳新民设施土壤重金属进行了调查检测，结果表明：新民设施土壤重金属Cu、Cd、Hg这3种元素出现超标现象，Hg含量已经达到污染水平，对蔬菜的生长已经产生了重大影响。重金属含量的高低不仅影响土壤的污染程度，还影响设施蔬菜的品质和食品安全问题。

2 设施栽培土壤退化改良与修复技术研究进展

2.1 土壤次生盐渍化改良

2.1.1 种植填闲作物

种植填闲作物不仅可以吸收由于过量施肥而残留在土壤中的硝酸盐，降低土壤盐渍化程度，而且对土壤的理化性质也有所改善。设施土壤种植填闲作物苋菜不仅可以增加经济效益，同样可以降低土壤淋溶液硝态氮、铵态氮与磷含量[25]。种植白菜、小麦等填闲作物，可显著降低土壤电导率及铵态氮含量[26]。

2.1.2 科学灌水排盐

科学的灌水排盐就是要以水洗盐，将设施土壤表层的盐分随着水分带走，高温蒸发不易将土壤盐分带回表层，降低土壤表层的盐分累积。在休闲期，采用大水漫灌的方式，每667 m2进行2～3次灌水且每次不少于100 m3，才能达到洗盐的目的。在作物生长时期，采用缩短畦头，接通大明沟等方式，将土壤表层的盐基离子清除[27]。

2.1.3 外源添加碳调节剂

过度施肥导致土壤发生次生盐渍化的主要原因是表层土壤累积了过多的NO3-，根据碳氮互作原理，随着土壤碳调节剂的加入，无机氮转化为有机氮，不仅能有效减轻土壤次生盐渍化，而且还能增加有机质含量[28]。外源添加有机材料后，灌溉可明显降低土壤EC值，若在没有灌溉条件下，长时间持续添加有机物料，也能降低土壤EC值[29]。

2.2 土壤酸化改良

2.2.1 测土配方施肥

测土配方施肥是指根据作物的需肥量、需肥时期来合理施肥。测土配方施肥不仅能减少大量元素的投入，更能补齐中微量元素的短板，提高肥料利用率，减少致酸离子进入土壤，减缓土壤酸化过程[30]。

2.2.2 外源添加改良剂

土壤酸化的改良措施还倾向于在设施土壤休耕时期外源添加生物炭、石灰、复合肥料、微生物菌剂等，改善土壤的理化性质，增加土壤有益微生物数量，杀菌防虫等。从而改善土壤酸化、板结等土壤退化问题[31]。当生物炭施入酸化土壤后，羧基会与土壤中的氢离子结合从而降低土壤中的酸根离子浓度[32]，从而达到降低土壤酸性的目的。

2.3 土壤连作障碍改良

2.3.1 更改种植模式

轮作、套作是一种有效且容易实现的解决连作障碍的种植模式[33]。以西兰花、糯玉米、青刀豆为试验材料设置不同套种模式，可有效提高有机质含量及脲酶活性，提高作物对无机氮的吸收，维持过氧化氢酶及多酚氧化酶的活性[34-35]。茄子、大蒜套作可减轻茄子的黄萎病的发生，提高茄子的品质，提高土壤中速效养分的含量[36]。马铃薯和玉米间套作，提高了土壤酶活性，提高了养分利用率，同时提高了土壤细菌、真菌、放线菌数量，使土壤向着高肥效的“细菌型”土壤类型发展[37]。在连作障碍严重的设施栽培土壤中，合理的搭配套作、轮作、间作模式，可有效降低连作障碍的发生，改善土壤质量，减轻自毒物质的危害。调整种植模式对于土壤连作障碍有很好的防治作用。

2.3.2 嫁接技术

嫁接成为近些年提高作物抗性、抵抗作物发生连作障碍的新型技术手段。嫁接一般也与间套作配合使用。茄子、西瓜、番茄等作物通过嫁接，增强了作物对干旱、高温的耐性及对肉桂酸、香草酸等化感物质的抗性，提高了土壤酶活性[38-40]，形成有益循环，对改善设施土壤的次生盐渍化、连作障碍等效果显著。

2.3.3 培育耐性品种

通过简单序列重复标记SSR、单核苷酸多态性SNP等手段定向筛选耐性基因，继而筛选出耐性品种。目前在耐性品种抗性高、品质好、产量高等方面都有了不小的收获，如茄子的抗青枯病品种[41]、低钾耐性大豆品种[42]、重金属低累积水稻、小麦品种[43]、番茄砧木双抗品种[44]等。种植耐性品种对于治理土壤酸化、次生盐渍化、重金属污染都有很好的效果。耐性品种已经在生产、生活中得到了广泛应用。

2.3.4 电消毒法

电消毒法是一种较为常见的土壤消毒方法，对线虫、韭蛆等顽固性害虫具有较好的灭杀效果。电消毒可以平衡土壤酸碱性、灭杀土传病害的病原微生物[12,45-46]，也可以促进难溶态的矿物质的分解转化，提高养分利用率的效果[47]。有研究表明，综合生产成本、耗电量等因素考虑，在通电10 min，电极差选择750 mm或500 mm时效果最佳[48]。

2.3.5 热水消毒法

热水消毒法是指将常压热水锅生产的80～95 ℃的热水，通过开口洒水管灌入土壤，在表面盖上保温膜，利用高温来消灭土壤中的病原菌及害虫的方法。研究发现，热水消毒可有效减少土壤中根结线虫数量[49-50]。这种方法需水量较大，不宜在缺水的地区使用。

2.4 土壤重金属污染修复

2.4.1 客土法

客土法就是将重金属污染、次生盐渍化严重的土壤用其他化学性质较好的土壤来替换，以达到可以耕作的目的。客土法不仅对重金属污染有效，对盐渍化严重的土壤同样适用。薛铸等[51]研究表明，龟裂碱地沙质客土可促进番茄、白菜、油麦菜的生长及其产量的提高。客土法来改善设施土壤重金属污染、土壤盐渍化的效果虽然快捷有效[52]，但这种方法成本很高，对于污染严重的土壤也要有后续封存或其他处理，不能实现广泛的推广。

2.4.2 化学稳定法

可选用效果较好的土壤钝化剂，将钝化剂施入土壤中，让钝化剂与土壤充分混匀，保持一定的含水量，将有效态的重金属离子稳定在土壤中[53]。硅钙镁肥与改性腐植酸复合施用对土壤中Cd含量降低50%，小麦中Cd含量降低70%[54]。何丽质[55]研究发现，使用海泡石、过磷酸钙、羟基磷灰石等9种材料均可降低油菜、小白菜、油麦菜中镉含量，且能达到显著水平。这种方法一方面可直接稳定重金属元素，另一方面通过升高土壤pH值，从而降低土壤重金属活性。

2.4.3 生物吸附（还原）法

生物吸附（还原）法是利用微生物的氧化还原反应来改变重金属离子的价态，从而降低重金属有效态、活性及其毒性[56]。例如，Cr6＋比Cr3＋的水溶性、迁移性要高得多，且Cr6＋比Cr3＋毒性要强100倍[57]。除了利用微生物改变金属离子价态，微生物还可以通过胞内吸附、胞外吸附、表面吸附来改善土壤重金属污染状况[58]。熊芬等[59]研究了烟曲霉胞外聚合物对重金属Pb2＋的去除效果，结果在pH值为6.5、时间为3 h时，重金属去除率可达73.48%。

利用超富集植物修复被重金属污染的土壤是一种绿色、安全且便宜的修复方式，其原理是利用超富集植物对于重金属的耐性，通过对土壤中重金属的固定、吸收富集或者挥发来减少重金属对土壤的污染[60]如龙葵、宝山堇菜、蜈蚣草等对Cr有较好的吸收富集效果[61-62]；马蔺、东南景天等对于Pb的吸收富集效果较好[63-64]。利用超富集植物修复矿区污染土壤的研究逐步增多，但很少有人研究超富集植物对设施土壤的改良修复效果。

3 存在问题及解决措施

3.1 存在的问题

3.1.1 退化土壤改良调理剂产品标准不完善

目前生物炭、腐植酸、海泡石及相关微生物等作为土壤退化的修复剂或调理剂在退化土壤改良中已有广泛的研究和应用；但是，目前市场上仍存在诸多问题，如生物炭有木质生物炭、秸秆生物炭、壳类生物炭等，来源广[65]，并且加工工艺（设备、温度等）存在较大差异等，造成不同来源、不同工艺的生物炭的功能特性、使用方法、使用量、使用效果各异；另外，腐植酸、海泡石亦存在此类问题。同时，有机粪肥（鸡粪、猪粪）、污泥中易存在重金属二次污染问题，将有机粪肥、污泥等做成土壤调理剂前需要进行严格检测。

3.1.2 缺乏科学的适于设施栽培的轮作制度

目前设施土壤没有实现真正意义上的轮作，如甘蓝、白菜、油菜等十字花科蔬菜，对于养分喜好相同，虽然存在轮作现象，但仍会发生土壤养分失衡及蔬菜根肿病、黑腐病等土传病害[66]。

3.1.3 缺乏基于设施栽培土壤健康评价体系

目前设施栽培土壤利用方式多为先掠夺，后补偿，即建棚初期多为掠夺式利用，如复种指数偏高、过量施肥[1]（尤其氮肥、磷肥、畜禽粪便）、集约化程度高等，导致土壤质量退化速率急剧升高，而质量评价及改良（修复）措施严重滞后，且治理成本偏高。总之，我国设施栽培需要相对科学合理的耕作措施及较为全面的土壤健康评价体系。

3.1.4 设施栽培模式单一

我国设施栽培模式单一，以土培为主，对于土壤的依赖程度过高，导致土壤发生退化和污染，严重影响蔬菜的产量及品质[67]；另外，在科研方面，如何利用无土栽培技术（基质栽培、水培等）减轻设施蔬菜对于土壤的依赖，及利用基质为原料来改良退化土壤的研究相对较少，尤其是推广应用更少。

3.2 解决措施

3.2.1 完善土壤改良调理产品的标准

完善产品标准从以下方面着手：第一，目前关于土壤调理剂的叫法颇多（土壤改良剂、土壤修复剂、土壤钝化剂等），名称不具有统一性，需要市场监管机构统一认证；第二，对土壤调理剂产品生产厂家、生产步骤、材料来源要严格把控；第三，建立健全不同类型土壤调理剂进入市场的监管制度。

3.2.2 实行合理的种植模式

针对不同类型蔬菜对矿质（特别是中微量）元素的差异吸收特性进行系统性研究，在设施栽培中施行科学合理的种植（如轮作、间作、套作）模式，缓解设施栽培土壤质量退化速率，如白菜与大葱[68]、黄瓜与西芹[69]、菜豆与辣椒[70]套作，既大幅降低了病虫害的发生，又能提高蔬菜的品质及产量。

3.2.3 定时对设施大棚进行健康评价

自设施大棚建棚开始，应采用多目标协同的土壤质量评价方法对设施土壤进行评价（耕地地力综合指数法[71]、康奈尔土壤健康评价法[72]等），当土壤发生土壤质量退化特征时，及时采取补充营养元素、添加调理剂等措施，以防止或减缓土壤退化。

3.2.4 拓展新型设施栽培模式

降低设施栽培对土壤的依赖程度，加大新型设施农业栽培模式的应用，如基质栽培、岩棉栽培、水培、气雾栽培等。无土栽培在设施蔬菜中凭借自身优势，可降低蔬菜病虫害的发生，提高蔬菜品质和产量[73]，并加速蔬菜生产实现现代化、高效化、规模化的步伐。

4 展望

我国蔬菜设施栽培面积还在持续增加，新的土壤环境问题还会不断出现，设施栽培土壤的退化特征及修复改良依然是研究的热点。基于设施栽培土壤目前现状及存在的问题，建议从土壤退化机理、土壤功能性微生物、土壤监测体系及土壤评价体系等方面进行深入研究，为我国设施栽培土壤可持续利用提供参考。

4.1 深入开展设施土壤退化机理研究

从蔬菜—肥料—土壤—环境相互作用的角度，对设施蔬菜土壤退化机理进行综合研究，探明土壤退化的原因，并采取相对应的解决措施。单一的措施只能短期解决土壤退化问题，而要从根本上解决问题，还需要从综合的角度对土壤退化的机理进行深入的探讨和研究。

4.2 重视设施土壤功能性微生物的研究

微生物肥料中的土壤功能微生物对土壤改良与修复调控研究已经有了一系列的成果。郝祥蕊等[74]研究表明，在使用微生物菌剂后，可抑制病原菌的繁殖，优化微生物群落结构，提高作物对土壤养分的吸收。但目前土壤功能微生物因土壤环境变化存在调控效果不稳定、调控方向不明确等问题，未来需要对定向提升核心微生物功能的技术进行深入研究[75]。