2021-4-9 | 生态问题论文
作者：李萍萍 单位：江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室
0引言
以蔬菜作物为主体的设施园艺产业在中国取得了快速的发展，设施面积已由1980年的0.7万hm2发展到2009年的超过335万hm2。通过这些农业设施，可以有效改善农业生产的环境条件，对提高农业的抗灾能力和土地生产力、增加菜农的经济收入，以及均衡蔬菜周年供应、提高人民生活水平都起到了积极作用。但是设施园艺经过近30年的实践，也出现了一些土壤生态环境问题及由此带来的农产品质量安全问题。对这些问题进行深入分析，并提出解决问题的途径，是设施园艺实现可持续发展的重要保证。
1设施园艺中存在的主要生态环境问题分析根据生产调研和文献资料报道，设施农业的主要生态问题有耕作层土壤盐基离子积累，土壤次生盐渍化；土壤营养元素失衡，呈现酸化趋势；设施内的连作障碍严重，土传病害、自毒作用等；蔬菜硝酸盐含量增加，内在品质降低等几个方面。
1.1耕层土壤次生盐渍化
在温室、大棚连年种植的条件下，土壤耕作层的盐分呈现不断积累的趋势。据吴凤芝等对哈尔滨郊区的大棚土壤测定[1]，10年以上大棚土壤总盐量高于露地4.2～6.5倍，仅种植黄瓜2年的大棚土壤总盐量也比露地高2.1倍。据何文寿[2]测定宁夏峡口栽种3～10年的日光温室蔬菜土壤，其盐分含量比露地菜田高0.5～3倍，且随棚龄延长而明显上升。据刘兆辉等调查[3]，寿光县26个被抽样大棚的硝态氮平均含量高达195.7mg/kg，速效磷和钾的含量分别为158.8mg/kg和274.5mg/kg，比露地土壤分别高6倍和2.56倍。杜连凤等[4]对河北省蔬菜大棚的采样调查结果表明：土壤的EC值（电导率）与相邻粮田比较，0～20cm土壤EC增加244%，20～80cm土壤增加50%～73%，并且土壤盐分随着种植年限的增加呈增加的趋势。黄锦法等[5]对嘉兴平原设施蔬菜地的调查也表明土壤有盐渍化的趋势。可见，无论是北方还是南方，东部还是西部，土壤次生盐渍化现象普遍较明显，已经造成了各地设施作物的生理机能和产量的下降。造成设施土壤盐渍化的主要原因有：一是缺乏科学的施肥指导，经营者为了追求高产高效，设施蔬菜栽培的用肥量远远高于露地栽培，可以达到4～10倍[6-7]，据作者测定，采用常规的施肥量，一季黄瓜或生菜种植后，土壤N、P元素都有盈余。连年积累，就使土壤的盐分逐年上升。二是保护地土壤不同于露地土壤，因为长年或季节性有玻璃或塑料农膜覆盖，土壤得不到雨水的淋溶，土壤内的盐分随水分的蒸发向上运动而聚集于地表耕作层，这样就加快了土壤次生盐渍化[8-9]。
1.2营养元素失衡，设施土壤酸化
李见云等和李俊良等[10-11]对山东寿光大棚设施土壤养分状况研究结果表明，蔬菜施肥氮、磷、钾的比例为1∶0.96∶0.36，与蔬菜作物氮、磷、钾的比例一般为1∶0.5∶1.25的需求相比极不合理。因此，随大棚棚龄的增加，速效N、P含量有显著的增加，速效K含量增加幅度不大。过量的不合理的施肥，使得设施蔬菜肥料的利用率较低，产投比降下降。刘兆辉等[12]研究表明，1997年寿光设施蔬菜氮肥的表观利用率为21.33%，磷肥的表观利用率只有2.82%，钾肥的利用率较高达到61.34%。2004年氮肥和磷肥总用量有所减少，钾肥用量有所增加，但是施肥量仍然远远高出作物的需求量。由于氮磷用量多，而钾肥用量太少，植物抗逆性差，导致病虫害严重。土壤营养元素失衡还带来土壤酸化的问题。由于施用N肥及其他生理酸性化肥过量，造成了设施土壤pH值下降的趋势。赵风艳等[13]对哈尔滨和大庆等地的研究，土壤pH值有随种植年限的增加而下降的趋势。孟鸿光等[14]对沈阳市城郊110个具有代表性的大棚土壤pH测定结果表明,土壤pH＜6.5的大棚占调查总数的70.9%，其中部分大棚土壤pH＜4.1。黄锦法等[5]的研究认为,由于施肥过量及结构不合理引起了嘉兴平原设施土壤的盐害、生理缺素和pH偏酸。土壤酸化不仅导致土壤中有机物的矿化与分解速率减缓，影响土壤中养分的有效性和作物的营养状况，也影响根系及地上部一些器官的生长正常发育和作物产量[15]。
1.3设施内连作障碍严重
设施园艺的特点是专业化程度较高，种植的作物种类相对较少，所以连作盛行。特别是有些地方强调规模化生产，设施内多年生产一种作物，这就带来了严重的连作障碍。根据喻景权等[16-18]的研究，土壤连作障碍主要集中在土传病虫害的蔓延、土壤理化性状的劣化和自毒作用的发生等几个方面。连作造成的最大危害是土传病害加重。目前设施园艺中以栽培番茄、茄子和辣椒等茄科作物，或黄瓜、甜瓜、西瓜等葫芦科作物连作为主，而茄科和葫芦科这两个科都有共同的土传病害，为忌连作和不宜连作的作物[19]。吕卫光等和袁龙刚等[20-21]研究，黄瓜和辣椒连作后土壤微生物区系改变，微生物由“细菌型”土壤向“真菌型”土壤转化，土传病虫害加重。此外，由于设施连作带来的土壤pH过低，也抑制部分有益微生物的活性和正常的生理代谢，加重一些土传病害的发生[15]。植物通过残体分解、根系分泌物及地上部淋溶等途径，会产生一些酚类、萜类等代谢物，这些化学物质自毒现象也很普遍[22]。YuJQ等[22]研究表明，黄瓜根系分泌物中有对-羟基苯甲酸、苯甲酸等酚酸化合物，这些物质对黄瓜吸收养分有直接的阻碍作用。日本学者初田勇一认为，西瓜不能耐连作是根系分泌出抑制生长的水杨酸造成的[24]。马云华等[25]研究表明，伴随连作年限的增加，日光温室黄瓜连作土壤中酚酸类物质（对羟基苯甲酸、阿魏酸、苯甲酸）明显积累。在试验设定的酚酸类物质处理浓度范围内，土壤尖孢镰刀菌和甜瓜疫霉的数量一直呈上升趋势。可见，连作障碍是自毒物质与土传病害共同作用的。在连作条件下，设施土壤的理化性状会有明显变化。黄毅等[6]研究，长时间地进行各种田间作业对棚内土壤的频繁践踏、灌溉和高剂量的施肥破坏了土壤团粒结构，使大孔隙减少，板结，通透性差。赵风艳等[13]研究，随着种植年限的增加，土壤水稳性团聚体的数量增加，毛细管孔隙发达，持水性变好，通气透水性变差。吕卫光等[20]研究，黄瓜连作后土壤次生盐渍化加重，P过剩，K则消耗过多，造成养分不平，严重影响了设施园艺产业的可持续发展。
1.4设施环境导致蔬菜硝酸盐含量增加
硝酸盐在动物体内经微生物的作用极易还原成亚硝酸盐，它可使直接使动物缺氧中毒，而且能和胃中的含氮化合物结合成强致癌物质亚销胺。为了保护人类健康，世界卫生组织及联合国粮农组织规定硝酸盐的日摄入量及蔬菜体内的硝酸盐含量均有过规定[26]，因此，对蔬菜硝酸盐的含量也引起了重视。近年来，对施肥量或土壤盐分含量与土壤硝酸盐之间的关系、土壤硝酸盐含量与蔬菜产品硝酸盐含量的关系等方面都有不少研究。如李文庆等[27]认为，土壤硝酸盐随施肥的增加而增加，所以不管大棚利用年限长短，土壤硝酸盐含量均比露地显著增加，硝酸盐的积累与总盐量的积累有相同的趋势，这与吴凤芝等[1]的结论一致。据山东农业大学对寿光县26个大棚的抽样调查，土壤硝态氮平均含量高达195.7mg/kg[3]，使得蔬菜的产品品质下降，蔬菜硝酸盐含量较高。这些研究都表明设施土壤的硝酸盐含量高。刘明月等[28]研究了施肥量与芹菜体内硝酸盐含量的关系，结果表明：Ｎ肥的施用与芹菜体内硝酸盐积累呈正相关，P、K肥的施用与之呈负相关，但三元素之间具有交互作用。刘明池等[29]人研究指出，N肥达到一定施肥量后，黄瓜产量并不随施肥量的增加而增加，而果实的硝酸盐含量随施肥的增加而增加。高祖明等[30]的研究也有相近的结论。综合各方面的研究，由于在设施生产条件下，土壤中盐分含量高，因此硝酸盐也高，进而导致蔬菜产品中超标的现象时常发生。此外，蔬菜体内硝酸盐含量还与光照等环境因子相关。周秋月等[31-32]研究表明，生菜、莴苣硝酸盐的累积与光强和光照时间呈负相关。由于覆盖物的遮挡，设施内的光强比露地低，因此要降低蔬菜硝酸盐含量，就更需要从改善土壤状况着手进行解决。