邛海流域设施葡萄园土壤养分与地下水污染特征研究

廖思远，秦延文*，刘志超，杨晨晨，时瑶，马迎群，肖克彦，林颖美

1.中国环境科学研究院水环境管理研究室

2.西昌生态环境监测站

近20年来，我国设施农业取得了快速的发展，2019年全国大中拱棚设施面积达370万hm2，占世界设施农业面积的80%，我国设施农业的总面积和总产量均居世界第一位[1]。然而，设施农业实际生产中化肥和农药的投入量往往较大[2]，且设施农田不受雨水直接冲刷淋洗，具有不同于普通农田的封闭种植环境和特殊的灌溉方式。有研究表明，随着种植年限的增加，设施农田土壤易出现养分的大量累积[3-6]；此外，土壤中累积的氮、磷养分还会在重力和水力作用下进入潜水层，对地下水造成污染[7-8]。王朔等[9-10]研究表明，西藏各地区设施葡萄土壤均面临严峻的酸化、盐渍化和养分富集等问题，过量施肥是主要原因；金晟等[11]的研究发现，山东省寿光市设施蔬菜田土壤中氮、磷浓度超标严重，耕作层土壤中的氮、磷极易随地表灌溉水进入地表水和地下水系统；高伟等[12]的研究表明，天津地区多年设施蔬菜种植区地下水中无机盐浓度可达种植大田的100倍。

邛海位于四川省西昌市东南部，是四川省第二大淡水湖泊，对西昌的生态环境和社会经济发展起着重要的作用。邛海周边乡镇以农业发展为主，且以设施农业发展为主体。对邛海水质的调查结果表明，其主要污染指标为总氮（TN）和总磷（TP）[13-15]。设施农业种植过程中肥料的长期施用可能引起的地下水和邛海水质污染问题不容忽视。对邛海流域的研究主要集中于邛海水质和入湖口污染调查方面[16-22]，而对设施农业土壤养分累积和地下水污染特征的研究较为鲜见，且国内关于设施农业的研究多集中在设施蔬菜方面，对设施葡萄的研究相对较少。笔者以邛海北岸的西昌市设施葡萄种植面积最大的川兴镇为研究区，通过对不同种植年限的设施葡萄园土壤及对应区域地下水的氮、磷浓度进行分析，探讨土壤养分分布规律，进一步揭示地下水环境的污染特征，以期为设施葡萄种植中合理高效利用肥料、土壤持续利用和邛海水环境保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

川兴镇位于四川省西昌市东南部、邛海北岸，属亚热带高原季风气候，年均气温为18 ℃，年均降水量为1 000 mm左右，降水主要集中在6—8月。依据《西昌市耕地地力评价技术报告（2009年）》，研究区耕地土壤属于砂质冲积物，土壤平均pH为7.6，TN平均浓度为1.74 g/kg，速效氮（AN）平均浓度为129 mg/kg，速效磷（AP）平均浓度为 16 mg/kg。

川兴镇冬暖夏凉，光热资源丰富，造就了葡萄生长的适宜环境。根据资料调研，西昌市从20世纪80年代开始种植葡萄，最早便在川兴镇种植。2020年，川兴镇设施葡萄种植面积达621.61 hm2，占西昌市设施葡萄种植面积的50%以上。据调查，川兴镇设施葡萄属于高强度施肥种植，不同生长阶段需要大量不同组分的肥料，3—5月主要施加氮、磷肥，5—6月施加平衡性水溶肥，后期主要施加磷、钾肥，休眠期（1—2月）主要施加腐熟有机肥，年施肥总次数约15次，单次施肥总量约150 kg/hm2。

1.2 样品采集与分析测试方法

1.2.1 样点布设与样品采集

于2020年10月底针对不同种植年限设施葡萄园的土壤以及相应葡萄园的地下水进行布点和采样，此时正值葡萄采收期，种植期内的施肥工作基本结束。采集附近普通露天农田的土壤和地下水样品、农田附近井水样品、未耕作过的背景土壤样品作为对照。具体采样点位分布及信息详见图1和表1。

表1 采样点编号及样品类型Table 1 Label of sampling points and types of samples

图1 研究区采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

采集3种类型土壤样品，包括不同种植年限（1～16 a）的设施葡萄园土壤7处，普通农田土壤1处，以及未耕作过的背景土壤1处。土样的采集参照HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[23]中的随机多点混合采样法，采集0～20 cm表层土壤样品，密封保存于自封袋中，带回实验室用于进一步处理分析。

采集设施葡萄园土壤的同时采集相应地下水样品共7处，采集普通农田土壤时采集相应地下水样品1处。此外，采集设施葡萄园附近2处具有代表性的灌溉井水，其中#1井深度为9 m，#2井深度为5 m，均属于浅层地下水。地下水的采集参照HJ/T 164—2004《地下水环境监测技术规范》[24]，在相应的土壤采样点用土钻钻取至200 cm深度左右(根据地下水渗出量)时有地下水渗出，用细管吸出地下水导入聚乙烯瓶中，于4 ℃冷藏保存，并及时测定。

1.2.2 样品测定方法

土壤样品测定方法参照《土壤分析技术规范》[25]，测定指标包括粒度、电导率（EC）、pH、有机质(OM)、TN、TP、AN 和AP，其中粒度采用Malvern 2000激光粒度分析仪测定。地下水样品测定方法参照 GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[26]，测定指标包括TN、总溶解态氮(TDN)、硝态氮(NO3-N)、TP、总溶解态磷(TDP)。

1.2.3 数据处理与分析

依据全国第二次土壤普查各项养分指标分级标准[27]（表2），对川兴镇设施葡萄园和普通农田的土壤肥力状况进行分析。地下水中氮、磷浓度参照GB/T 14848—2017进行分析。

表2 全国第二次土壤普查分级标准Table 2 Classification standards of soil fertility posed by the 2nd National Soil Survey

利用Excel软件进行原始采样数据的整理，利用SPSS软件对数据进行统计学分析，利用Origin和ArcGIS软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤粒径组成特征

土壤的粒径组成直接影响着土壤基本性状，与作物的生长发育也有着密切的关系。根据Shepard沉积物分类方法[28]得到研究区土壤样品的粒径分布如图2所示。由图2可知，研究区普通农田和背景土壤均属于砂质粉砂；设施葡萄园土壤属于黏土质粉砂，黏土（<4 µm）占比为18.76%～25.37%，平均值为21.25%；粉砂（4～63 µm）占比为56.49%～73.89%，平均值为64.99%。整体上，研究区土壤样品均属于砂质土壤，与《西昌市耕地地力评价技术报告（2009年）》结果相符。

图2 研究区土壤粒径分布Fig.2 Distribution of soil particle size in the study area

2.2 土壤酸化、盐渍化状况

土壤pH测定结果见表3。由表3可知，设施葡萄园土壤pH为5.59～6.58，平均值为5.97，显著低于背景土壤。该土壤与普通农田土壤相比pH均有不同程度的降低，平均比普通农田下降了0.77，下降幅度为11.42%。

表3 研究区土壤pH、EC测定结果Table 3 Measurement results of soil pH and EC in the study area

土壤EC是指示土壤水溶性盐浓度的指标，而土壤水溶性盐也是评价土壤次生盐渍化的重要指标。由表3可见，相比背景土壤和普通农田土壤，设施葡萄园土壤EC明显较高，为2.09～7.29 mS/cm，平均值为5.40 mS/cm，分别为背景土壤和普通农田土壤的49.1倍和12.6倍。

2.3 土壤有机质水平

土壤中各种养分浓度的测定结果如表4所示。OM浓度是衡量土壤肥力的重要指标之一。由表4可知，设施葡萄园土壤OM浓度为2.17%～3.25%，平均值为2.77%，分别为背景土壤和普通农田土壤的3.1倍和2.4倍。根据第二次全国土壤普查确定的土壤养分浓度分级标准[27]，研究区设施葡萄园土壤OM平均浓度为三级（中上）水平，普通农田土壤OM浓度为四级（中）水平，背景土壤OM浓度为五级（低）水平。

表4 研究区土壤养分浓度测定结果Table 4 Measurement results of soil nutrient concentration in the study area

2.4 土壤氮、磷累积及原因

2.4.1 氮、磷累积特征

土壤氮、磷浓度测定结果如表4所示。由表4可知，设施葡萄园土壤TN和TP浓度均达到了土壤养分分级的一级（极高）标准，且相较于背景土壤和普通农田土壤均明显更高。设施葡萄园表层土壤TN浓度为1.55～2.76 g/kg，平均值为2.11 g/kg，分别是普通农田土壤、背景土壤的1.8倍和4.1倍；TP为1.52～2.47 g/kg，平均值为1.99 g/kg，分别是普通农田土壤和背景土壤的2.3倍和3.5倍。

AN、AP是指土壤中可被作物吸收利用的氮、磷养分形态，二者均是土壤肥力的重要参数。由表4可知，设施葡萄园土壤AN和AP浓度平均值均达到土壤养分分级的一级（极高）标准。相较于背景土壤和普通农田土壤，设施葡萄园土壤中的AN、AP养分发生了明显累积，且AN的增幅更高。设施葡萄园表层土壤中AN浓度为650.09～811.57 mg/kg，平均值为701.80 mg/kg，分别是普通农田土壤和背景土壤的2.1倍和8.2倍；AP浓度为104.94～161.95 mg/kg，平均值为134.82 mg/kg，分别是普通农田土壤和背景土壤的2.4倍和6.5倍。依据《西昌市耕地地力评价技术报告（2009年）》，耕地土壤AN和AP浓度调查值分别为129 和16 mg/kg。相比之下，设施葡萄园土壤的AN和AP浓度平均值均明显较高，分别是耕地土壤调查值的5.4倍和8.4倍。

总体上，研究区设施葡萄园土壤中氮、磷养分浓度较高，累积特征较为明显。将川兴镇设施葡萄园与其他地区设施农田土壤氮、磷浓度进行比较，结果如表5所示。由表5可知，川兴镇设施葡萄园土壤中TN、TP浓度较其他地区的设施蔬菜田更高，土壤中AN和AP浓度较其他地区的设施葡萄园更高，同时TN/TP相对较低。这说明相较于其他地区的设施农田，川兴镇设施葡萄园土壤中氮、磷养分累积量较多，且磷素累积强度更高。

表5 设施农业不同种植类型区土壤氮、磷浓度对比Table 5 Comparison of TN and TP concentrations in the soil of different planting types of protected agriculture

2.4.2 氮、磷累积原因

设施葡萄园土壤中氮、磷养分的累积与施肥方式和施用量密切相关，将川兴镇设施葡萄园与其他地区设施农业的施肥特点进行对比，结果如表6所示。由表6可知，与其他地区设施农业相比，川兴镇设施葡萄园磷肥的施用量相对较高，但氮肥、磷肥施用量比相对较低。调查文献中设施蔬菜种植区氮肥、磷肥施用量比较高，部分地区如山东省、山西省，其氮肥施用量分别达到磷肥施用量的3.1倍和2.5倍，同时也有部分地区磷肥施用量相对过多，如天津市、陕西省，其氮肥、磷肥施用量比低于常规蔬菜作物所需的氮磷比例（2:1）[36]。设施葡萄和设施蔬菜的养分主要都来源于有机肥基施，不同的是设施葡萄施肥次数相对较多，且在果实转色期时，会投入大量磷肥促进果实增甜上色[37]。

表6 设施农业不同种植类型区土壤氮、磷施肥量对比Table 6 Comparison of N and P fertilization quantity in the soil of different planting types of protected agriculture

2.4.3 土壤pH、EC、粒度对土壤氮、磷浓度的影响

土壤养分浓度与土壤pH、EC、粒度相关性分析结果如表7所示。由表7可知，土壤pH、EC和粒度组成对土壤养分浓度均有显著影响。其中，土壤pH与土壤养分浓度呈显著负相关（与TN、TP的相关系数分别为-0.775和-0.792，与AN、AP相关系数分别为-0.847和-0.774），表明土壤的酸化程度受到氮、磷浓度的影响，长期大量施肥会造成土壤中氮、磷养分大量累积，从而加重土壤的酸化[47]，这与王朔等[9-10]的研究结果一致。土壤EC与土壤养分浓度呈显著正相关，说明随着设施种植年限延长，施肥过度导致的养分剩余在土壤中逐年累积，使土壤中盐分累积量不断增加，土壤盐渍化程度随之升高。因此，了解设施葡萄土壤肥力状况及其变化规律是设施葡萄合理施肥的基础，控制肥料的施用量也有利于降低土壤酸化趋势和盐渍化风险。

土壤粉砂占比对土壤养分浓度有着显著影响。采集的土壤样品均为砂质土壤，土壤养分浓度与粉砂（4～63 µm）占比呈显著正相关（TN、TP 与粉砂占比的相关系数分别为0.786和0.694，AN、AP与粉砂占比的相关系数分别为0.678和0.698，OM与粉砂占比的相关系数为 0.749），与砂粒（63～1 000 µm）占比呈显著负相关。这说明土壤主要组成粒径越细，土壤的氮、磷和有机质浓度也越高，这与杜雅仙等[48-49]的研究结果一致。

2.4.4 种植年限对土壤氮、磷浓度的影响

土壤养分浓度与种植年限相关性分析的结果（表7）表明，随着种植年限的增加，土壤中氮、磷浓度会发生明显累积，土壤中TN、TP浓度与种植年限呈显著正相关，相关系数分别为0.774和0.772。由不同种植年限设施土壤中氮、磷浓度特征〔图3(a)〕也可以看出，随着种植年限的增加，土壤中TN和TP表现出相似的增长趋势，其中种植年限为12和16 a的设施葡萄园土壤中TN和TP浓度更高。

表7 设施葡萄园土壤养分浓度与土壤性质、种植年限相关性分析结果Table 7 Results of correlation analysis between nutrient concentration, soil properties and planting years in the soil of facility vineyards

相关性分析结果也表明，土壤中AN、AP浓度与种植年限无明显相关关系。图3(b)表明，设施葡萄园土壤中AN、AP浓度随着种植年限的增加呈现先减少后增加的趋势。这是由于种植初期（1～2 a）果树较小，挂果少，对养分的需求量小，施加的肥料不被充分吸收，因此土壤中养分盈余较多。此后随着种植年限的增加，果树年生长量大，果实对养分的吸收增强，导致土壤中AN、AP浓度降低；达到一定的种植年限后，果树对土壤养分的吸收能力下降，土壤中剩余养分逐年积累，老龄期果园土壤速效养分又会逐渐上升，这与李志军等[50-51]的研究结果一致。

图3 研究区土壤中氮、磷浓度特征Fig.3 Characteristics of N and P concentrations in soil in the study area

2.5 地下水污染特征

设施葡萄园地下水中氮、磷浓度测定结果如图4所示。由图4可知，设施葡萄园地下水TN浓度为14.65～33.44 mg/L，平均值为 25.82 mg/L；TP 浓度为0.144～0.431 mg/L，平均值为0.228 mg/L。普通农田地下水TN浓度为8.13 mg/L，TP浓度为0.157 mg/L。2处灌溉水井TN浓度平均值为7.16 mg/L，TP浓度平均值为0.057 mg/L。设施葡萄园地下水的TN和TP浓度均相对更高，其中TN 浓度分别是普通农田和灌溉水井的3.2倍和3.6倍，TP浓度分别是1.5倍和4.0倍。随着种植年限的增加，设施葡萄园地下水中TN浓度逐渐升高；TP浓度除g6采样点明显较高外，其他不同种植年限采样点相差不大，可能是因为g6采样点磷肥施用量偏多，磷素累积下渗量超出了土壤磷素淋溶阈值，导致土壤淋出液的磷浓度急剧增加，这与刘蕾等[52-53]的研究结果一致。

图4 研究区地下水中氮、磷浓度特征Fig.4 Characteristics of N and P concentrations in the groundwater of the study area

设施葡萄园地下水NO3-N浓度为12.27～31.09 mg/L，平均值为22.12 mg/L，属于GB/T 14848—2017 Ⅳ类水质；而普通农田和灌溉用井水地下水NO3-N浓度平均值分别为6.33和5.40 mg/L，均属于Ⅲ类水质。设施葡萄园地下水中NO3-N约占TN的86%，普通农田地下水中约占78%，灌溉井水中约占75%。设施葡萄园地下水中NO3-N占比较高，说明设施葡萄园土壤中NO3-N更易淋洗下渗，成为地下水安全的隐患。随着种植年限的增加，设施葡萄园地下水中NO3-N浓度整体呈升高趋势，与地下水中TN浓度变化趋势基本一致。可见，设施葡萄种植已经对地下水造成了污染，并且随着种植年限的增加，污染加重[54]。设施农业种植过程中，施肥过量会导致不能被作物吸收的过剩氮、磷养分在土壤中大量累积，并在灌溉水流作用下发生下移，由此引发地下水中氮、磷污染[55]。有研究表明，土壤中氮的利用率为土壤供给量的1/3，当氮肥施用量超过作物生长需求，且灌溉强度较高时，会造成土壤中硝态氮随灌溉水淋溶到地下水中，引起地下水硝酸盐浓度超标[56-58]。王朔等[9,11]在西藏、山东寿光的研究也发现了类似结果。种植区地下水中TN浓度远高于TP浓度，原因可能是土壤对磷素的吸附能力较强，导致磷素在土壤中移动性弱，由此造成了土壤中氮的淋失量高于磷。

3 讨论

研究区不同种植年限设施葡萄园土壤均面临酸化、盐渍化和养分过量投入问题。长时间种植施肥导致土壤中养分盈余累积是土壤酸化、盐渍化的主要原因。土壤酸化和盐分积聚会危害作物的生长和品质，设施葡萄正常生长的EC为1.5 mS/cm左右，而川兴镇设施葡萄园土壤EC平均值为5.40 mS/cm，远超出葡萄正常生长范围。

研究区设施葡萄园土壤中氮、磷养分浓度较高，累积特征较为明显。根据第二次全国土壤普查确定的土壤养分浓度分级标准，设施葡萄园土壤OM平均浓度为三级（中上）水平，TN、TP、AN和AP浓度均达到了土壤养分分级的一级（极高）标准。随着种植年限的增加，土壤中有机质和氮、磷养分明显发生累积。设施葡萄园土壤中氮、磷养分的累积与施肥方式及施肥量密切相关。川兴镇设施葡萄园磷肥的施用量相对较高，研究表明，由于磷在土壤中易被固定，使得磷肥的利用率相比氮肥更低，为满足作物对磷素的需求，大量的磷肥被施入土壤，磷素会在土壤中大量累积，从而可能会通过径流和淋洗途径对区域水环境造成污染[59]。

研究区设施葡萄种植已经对地下水造成了硝酸盐污染，并且随着种植年限的增加，污染加重。川兴镇地下水埋深较浅，仅为1.5～2.5 m，施肥过量在短时间内即可对浅层地下水硝酸盐浓度产生影响。大量化肥的施用，尽管在正常年份当季施肥不致很快进入地下水，但从调查结果可以看出，随着种植年限的增加，地下水中氮浓度逐渐升高，这说明土壤中剩余氮的累积势必会提高其向下淋洗的机会。西昌市属亚热带高原季风气候区，雨量充沛、降水集中，地下水资源丰富，而邛海相对于周边设施葡萄园海拔地势较低，因此设施葡萄园土壤中累积的氮、磷通过下渗进入地下水体，会增加邛海水质的污染风险。

4 结论

（1）研究区设施葡萄园土壤中氮、磷养分累积量较高，磷素累积显著，不同形态氮、磷养分的平均浓度均达到全国第二次土壤普查各项养分指标分级标准中的一级标准。土壤中氮、磷浓度与种植年限、盐渍化程度及土壤粉砂占比呈显著正相关，与土壤的酸化程度呈显著负相关。

（2）设施葡萄园地下水中硝酸盐浓度相对较高，为GB/T 14848—2017 中的Ⅳ类。尽管磷肥施用量较多，但是由于土壤对磷素的吸附能力较强，土壤养分淋失主要以硝态氮为主，且随着种植年限的增加，地下水中氮浓度逐渐升高，长期设施葡萄种植导致的土壤剩余氮累积会增加地下水体硝酸盐污染的风险，从而对邛海水质存在潜在的污染影响。