石羊河流域日光温室土壤环境质量时空演变规律

石羊河流域日光温室土壤环境质量时空演变规律

车宗贤²　李瑞琴²　于安芬²　赵有彪²　苏永生²　刘柱³

（1甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所；2甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所　甘肃兰州　730070；3甘肃省武威市凉州区蔬菜产业办公室　甘肃武威　733000）

摘要：通过对石羊河流域建棚5～14年日光温室的土壤采样检测，并将其与露地大田各项指标相比较，总体表现是随日光温室建棚年限增加，土壤养分、重金属残留、盐分等指标呈明显增长趋势，土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾均出现明显的累积，分别比露地农田高出35.8%、77.7%、140%和87.4%；有效锌、有效铜、有效铁分别比露地农田分别高出542%、245%和67.4%。同时土壤盐分及重金属砷、汞、铜的残留也呈现明显的累积趋势，分别高出露地农田400%、309%、871%和358.8%。但尚未超出阻碍作物生长的指标范围。

关键词：石羊河；日光温室；土壤质量；时空演变

近年来，随着石羊河流域综合治理项目的实施，河西走廊地区耕地的利用方式发生了很大的变化，设施农业特别是设施蔬菜产业作为综合经济效益和单方水效益较高的产业，逐渐成为河西走廊地区主要的种植业经济支柱，在一定程度上缓解了日益突出的生态用水与农业用水的矛盾，但同时也产生了许多新的问题。相当数量的农户在经济利益的驱动下，常年种植蔬菜，耕地的利用强度随之明显地增大。连作迫使蔬菜地长期超负荷生产，带来了种种不良效应，如病害蔓延、有毒有害物质积累等。本研究选择武威市凉州区日光温室蔬菜生产时间较长、规模较大、具代表性的高坝镇和发放镇，采集建棚年限在5～14年之间的32个日光温室土壤和10个乡镇的露地农田土壤，对0～40 cm耕作层剖面土壤养分、有机质、电导率、微量元素及重金属残留进行分析研究，为河西走廊地区设施农业的发展提供理论指导。

1　研究区域概况

武威市凉州区位于河西走廊东部，海拔1440.0～3262.9m，总面积50.81万hm²，耕地面积9.73万hm²，森林覆盖率10.13%，有效灌溉面积9.31万hm²。属温带

注：本文发表于《中国农学通报》，2010,26（22）：331～337.

大陆型干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季炎热，冬季严寒，年均降雨量210 mm，蒸发量2053.4 mm，空气干燥，昼夜温差悬殊。农业生产自然灾害主要有旱灾、冻灾、雹灾、干热风、扬沙扬尘、沙尘暴及病虫害等。全区农村辖37个乡镇，农业人口80.26万人。土壤类型南部祁连山以草甸黑土、栗土为主，中部平原以灌漠土为主，北部荒漠区以沙质土为主，土层深厚，质地优良。2007年，农作物播种面积9.57万hm²，夏秋比例52.8∶47.2，粮、经、饲比例76.7∶20.2∶3.1。科技对农业的贡献率为49%。

2　材料与方法

2.1　土样采集

于2008年3月在石羊河流域的凉州区高坝、发放、谢河、金羊、长城、东河、丰乐、西营、韩佐、黄羊、张义、柏树等12个乡镇采集建棚5～14年的日光温室0～40 cm耕作层土壤样品40份，露地农田土壤45份。各采样点用GPS精确定位，并判断土壤剖面质地类型，记录各采样点生产性能及管理等基本情况。每个样品由5个点混合，用“四分法”缩取l kg左右。

2.2　检测方法

按照GB15618-1995《土壤环境质量标准》中的规定，进行样品处理和分析测定。数据分析处理采用DPS应用软件。

3　结果与分析

3.1　日光温室土壤大量元素随建棚时间演变趋势

由表1经多重比较分析，日光温室土壤大量元素随建棚年限的增长而呈增加的趋势。其中，土壤全氮含量在建棚5年与10年、13年、14年之间的差异显著，而在10年、13年、14年之间差异不显著；土壤全磷含量在时间上的变异和全氮类似，即全磷含量在建棚5年与10年、13年、14年之间的差异显著，而在10年、13年、14年之间差异不显著；土壤全钾含量在时间上的变异与建棚年限关系不密切。土壤碱解氮含量在耕层随建棚年限的增长而增加，建棚9年以上的日光温室土壤碱解氮含量与建棚7年以下的相差较大，差异达到显著水平。土壤速效磷含量与建棚年限关系不密切，但总的趋势是建棚14年的日光温室土壤速效磷远远低于建棚年限低的。土壤速效钾含量随建棚年限的增长而有增加，建棚9年以下（含9年）与10年以上（含10年）的日光温室土壤速效钾含量相差较大，差异达到极显著水平。

3.2　日光温室土壤微量元素随建棚时间演变趋势

日光温室土壤微量元素随建棚年限的增长而增加的趋势，其中有效锌在建棚5年与10年、13年、14年之间的差异显著，而在10年、13年、14年之间差异不显著；有效锰随时间变异不明显；有效铜在建棚5年、10年与13年、14年之间的差异显著，而在5年、10年及13年、14年之间差异不显著；有效铁在建棚5年与10年、13年、14年之间的差异显著，而在10年、13年、14年之间差异不显著。

3.3　日光温室土壤重金属元素随建棚时间演变趋势

由表3作多重分析，日光温室土壤重金属随建棚年限的增长而有累积的趋势，

表1　日光温室土壤大量元素随建棚年限变化趋势

图1　土壤全量元素随建棚年限变化趋势

图2　土壤速效养分随建棚年限变化趋势

表2　日光温室土壤微量元素随建棚年限变化趋势

其中砷和铅最明显，砷在建棚5年与10年、13年、14年之间的差异显著，而在10年13年、14年之间差异不显著；铅在建棚5年、10年与13年、14年之间的差异显著，而在5年、10年及13年、14年之间差异不显著；镉随建棚年限的增长而有增加，但建棚年限之间差异不显著；铬和汞与建棚年限关系不密切。

3.4　日光温室土壤有机质、全盐及pH值随建棚时间演变趋势

图3　土壤微量元素随建棚年限变化趋势

表3　日光温室土壤重金属随建棚年限变化趋势

由表4可知，日光温室蔬菜0～40 cm耕层土壤有机质含量随种植年限的增长而有增加。经多重比较，建棚5年、7年的日光温室土壤有机质含量之间无差异，建棚9年以上日光温室土壤有机质与建棚年限5年以下土壤有机质相差较大，且差异达到显著水平。

日光温室蔬菜土壤全盐量随建棚年限的增长而增加。建棚年限9年、10年、14年的日光温室土壤全盐量与建棚年限7年、5年的土壤全盐量相差较大，差异达到显著水平，但均在作物的耐受范围之内。

日光温室土壤pH值与建棚年限关系不密切，但各样点之间的变异幅度比较大，最小值和最大值相差0.69个pH单位。

由图7～10可知，建棚5年以上的日光温室土壤养分明显增加，耕作层（0～40cm）全氮平均为1.82g/kg，比露地农田高出0.48g/kg；全磷平均为2.12g/kg，比露地农田高出0.84g/kg；碱解氮平均为208.38mg/kg，比露地农田高出98.38mg/kg；速效磷平均为78.55mg/kg，比露地农田高出45.83mg/ kg；速效钾平均为495.13mg/kg，比露地农田高出230.88mg/kg；有机质25.24g/kg，比露地农田高出3.18g/kg；土壤pH值与露地农田相比有降低的趋势，但下降幅度很小，只有0.81个pH值单位；土壤积盐明显，其电导率平均值为露地农田的4倍，但均尚未达到阻碍作物生长的指标；日光温室土壤微量元素除有效锰外，其他3项均远远高于露地农田，有效锌、有效铜、有效铁分别为7.45 mg/kg、5.31mg/kg、17.34 mg/kg，比露地农田分别高出6.29mg/kg、3.77 mg/kg、6.98mg/kg；日光温室土壤重金属砷、汞远远高于露地农田，砷、汞平均含量分别为26.89 mg/kg、0.68mg/kg，比露地农田分别高出20.32mg/kg、0.61mg/kg；露地农田的铬、铅高出设施蔬菜土壤近2倍，镉在日光温室和露地农田土壤中含量基本无差异。

图4　土壤重金属砷、铬、铅随建棚年限变化趋势

图5　土壤金属汞、镉随建棚年限变化趋势

表4　日光温室土壤有机质、土壤全盐及pH值随建棚年限变化趋势

图6　土壤理化性质随建棚年限变化趋势

图7　设施蔬菜与露地大田土壤速效养分

图8　设施蔬菜与露地大田土壤重金属含量及有机质、全钾比较

图9　设施蔬菜与露地大田土壤重金属及全盐量比较

图10　设施蔬菜与露地大田土壤养分比较

4　小结

4.1　日光温室土壤大、微量元素逐年增加趋势

日光温室建棚时间的长短对土壤养分影响程度不同，总体表现是建棚时间越长，对土壤养分含量影响越大，并朝着提高土壤质量的方向发展。日光温室土壤全氮、全磷、有效磷、速效钾均出现明显的累积，分别比露地农田高出35.8%、77.7%、140%和87.4%；有效锌、有效铜、有效铁分别比露地农田分别高出542%、245%和67.4%。说明土壤速效钾和微量元素（锌、铜、铁）在种植期间形成表聚，而且种植时间越长表聚越明显。有效锰变化不明确。

4.2　日光温室土壤有机质、盐分显著提高，pH值呈下降趋势

日光温室土壤有机质含量随建棚时间增加呈明显提高趋势，平均值为25.24 g/kg，比露地农田高出3.18 g/kg；土壤pH值与露地农田相比有降低的趋势，平均值下降了0.81个pH值单位；土壤积盐明显，其电导率平均值高达露地农田的4倍，但尚未达到阻碍作物生长的指标。

4.3　日光温室土壤重金属残留呈现明显累积趋势

日光温室土壤重金属砷、汞、铜、铅、镉残留随建棚时间增加呈现明显累积趋势，其中砷、汞、铜累积趋势显著，分别高出露地农田309%、871%和358.8%。铬变化不明确。

5　讨论

5.1　日光温室土壤重金属和微量元素累积原因分析

可能与日光温室大量施用有机肥，有机肥以猪粪为主有关，猪饲料添加剂中含大量砷、汞、铜，造成土壤中该成分积累，同时有机肥富集了大量微量元素，大量施用，导致土壤微量元素（锌、铜、铁）提高。

5.2　盐分累积原因分析

由于设施栽培高温环境条件下，土壤水分蒸发加强，盐分遂水上移积聚在土壤表层，导致设施栽培土壤全盐量明显高于露地。

5.3　土壤富营养化原因分析

设施栽培作物生长速度和生长量很大，需要投入大量的营养元素，但当地实际施肥中，对大量元素肥料投入量过大、比例不协调，一般是露地施肥量的3～5倍，有的高达l0倍，对微量元素肥料投入不足或未投入。由于作物对肥料的选择性按比例吸收，导致土壤中氮、磷、钾等大量元素和微量元素（锌、铜、铁等）含量增多，造成设施土壤养分富集。