陕西省设施农业土壤环境质量与退化成因研究

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设施农业高度集约化的利用方式对土壤生产功能、污染物行为等影响突出,导致土壤发生退化。陕西省作为我国西北地区主要的设施农业生产基地之一,设施农业生产已成为陕西省农民增收的主导产业。然而,相较于传统农业生产模式,设施农业高种植强度及化肥农药的过量投入,带来了一系列土壤质量恶化问题,并逐步成为陕西省设施农业可持续发展的限制因素。因此,为表征设施农业土壤退化特征,剖析其土壤退化的成因,评价其生态与健康风险,对土壤质量状况进行综合评估,本研究选取全省范围内165家设施农业基地开展研究,并且分区域对设施农业基地土壤样品进行分析,明确陕南、关中和陕北地区设施农业土壤退化现状及特征,为下一步开展设施农业土壤轮作休耕和修复工作提供数据支撑,为当地或类似地区决策部门发展设施农业产业提供参考。主要结果如下:(1)设施农业土壤酸化和盐渍化特征明显,其土壤p H较大田下降0.53个单位,EC(547.11 u S cm-1)是大田(157.14 u S cm-1)的3倍之多。此外,设施农业的养分积累也较明显,其土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、速效磷(Pav)和速效钾(Kav)含量较大田分别高出27%、49%、42%、3%、200%和54%。在设施农业系统中有大量的土壤养分盈余,氮(N)、磷(P)和钾(K)的平均养分平衡分别为1407.0、682.9和1169.1 kg ha-1season-1。土壤P/K比反映了土壤养分盈余状况,陕南和关中地区的P/K比(0.080、0.077)高于陕北地区(0.061)。不同地区间土壤p H和养分含量也有差异,陕北地区土壤的p H下降0.59个单位,明显高于关中地区(0.25)和陕南地区(0.34)的p H下降幅度。不同地区间土壤p H和养分的差异是受到施肥量和土壤类型的综合影响。整体上,陕西省设施农业种植体系中过量施肥会加速土壤酸化、次生盐渍化和养分累积过程。土壤的养分失衡,酸化及次生盐渍化在一定程度上会随种植年限的延长而加重。综上,陕西省的设施农业种植正面临因不合理施肥带来的挑战,需要制定合理的养分管理策略以维持土壤的可持续利用。(2)陕西省设施农业土壤中7种重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn)的含量均高于大田土壤。陕南地区土壤Cd、Hg、Pb、Cr、Cu和Zn浓度高于当地背景值,关中地区Cd、Pb、Zn浓度显著高于背景值,陕北地区Pb和Zn浓度高于背景值。土壤重金属污染水平表现为陕南地区最严重,其次为关中地区,陕北地区污染较轻。地质累积指数显示,Cd的累积程度较高,而其他重金属的累积程度较低。潜在个体生态风险指数显示Cd和Hg的污染情况较为严重,产生的生态风险较高。从污染负荷指数判断,设施农业土壤重金属污染较大田栽培土壤更为严重,陕南地区土壤污染程度较重,关中地区次之,陕北地区较轻。针对陕西土壤重金属污染问题,无论是在设施农业还是在大田生产系统中,最有效的途径是控制土壤重金属污染的工业来源和农业来源。相关部门应实施严格的污染物排放标准,并进行适当的农业管理,以控制土壤中重金属的输入。(3)设施农业蔬菜样品中,叶菜类蔬菜较水果类和果菜类蔬菜更容易积累重金属,重金属的浓度由高到低依次为Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd。陕北地区的果蔬中重金属含量高于关中地区。水果类作物和果菜类蔬菜中重金属的迁移能力为Cu>Zn>Cd>Cr>As>Pb。叶菜类蔬菜为Cd>Zn>Cu>Cr>As>Pb。陕北地区蔬菜重金属迁移能力高于关中地区。果蔬可食用部位中重金属的潜在健康风险值依次为:As>Cu>Zn>Cd>Pb>Cr。陕北地区中As、Cu、Zn、Pb、Cr的潜在健康风险值均明显高于关中地区。(4)设施农业土壤质量总体处于中等水平,主要是由于养分不均衡造成的,且与环境质量密切相关。根据设施农业土壤质量指数(0.6-0.8)为高产样点时所对应样点的土壤,得出设施农业土壤最小数据集适宜性阈值为:p H为6.0-7.1,全氮为0.8-1.28 g/kg,速效磷为73-184 mg/kg,铜为15.9-17.1 mg/kg,砷为6.8-7.3 mg/kg。因此,针对陕西省设施农业种植体系存在的土壤质量问题,应根据不同地区的背景条件进行优化平衡施肥。陕北地区采用少量多次施肥原则并且适量增加钾肥的施入,关中和陕南地区应当降低粪肥的施用量,同时补充追肥的施用量和强度。同时开展适宜的轮作、间作和套作的种植模式,合理灌溉,做到施肥、灌溉与种植技术的合理结合,解决设施农业土壤退化问题,有效提高土壤质量,进而实现设施农业的可持续发展。
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