设施农业高强度的利用方式对土壤生产功能、污染物行为等影响突出，导致土壤退化，如酸化^[1]、次生盐渍化^[2-3]、养分失衡^[4]、污染物积累和有效性提高^[4-6]等，产生连作障碍；同时，一些大田生产条件下易分解的农药^[7-8]、酞酸酯^[9-10]和抗生素^[11-12]等也会在土壤中积累，积累量可达大田土壤的数倍，严重影响设施农业生产发展和农产品质量安全^[13]。陕西省作为我国西北地区主要的设施蔬菜生产基地之一，近年来，在省委、省政府对设施农业的政策扶持下，设施蔬菜总面积已从2008年的不足1.3万hm²增至2014年的6.7万hm^2[14]，设施蔬菜总产量占全省蔬菜总产量的35.6%^[15]。全省设施蔬菜每公顷净收入达到15.8万元^[16]，设施农业已成为陕西省农民增收的主导产业。然而，随之带来的设施土壤质量恶化问题也不断出现，这已成为制约陕西省设施农业可持续发展的主要矛盾。因此，本研究通过调查全省重点设施农业基地与土壤样品分析，剖析陕西省设施农业土壤退化现状特征，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。

1 材料与方法 1.1 研究区域

陕西省是我国西部地区主要的蔬菜生产基地之一，设施面积约占西部设施总面积的15%^[14]。秦岭横贯境内，陕北、关中、陕南的区域空间差异显著，主要表现为：陕南处于秦岭以南，为北亚热带大陆性湿润季风气候；植被覆盖率高，土壤黏粒较多、pH呈弱酸性、有机质含量高；多为山区，交通不便；温室类型以塑料大棚为主，全年蔬菜生产不停歇。关中处于秦岭以北，为暖温带半湿润大陆性季风型气候，地势平坦，是陕西主要粮食产区，土层较厚、土壤pH呈中偏弱碱性、有机质含量较高；塑料大棚与日光温室比重相当，基本实现全年生产。陕北北接内蒙，为温带大陆性半干旱气候；榆林多为沙土地、延安多为黄土地，植被覆盖少，土壤pH呈中性偏碱性、有机质含量偏低；以日光温室为主，夏季一般停歇，秋冬季进行蔬菜生产。

1.2 调查及样品采集与处理

设施蔬菜生产基地土壤调查与采样开展于2016年。通过对全省各县规模以上设施农业示范园筛选，最终确定148家(其中，陕北47家，关中88家，陕南14家)设施蔬菜基地开展研究，涵盖全省10个地级市。陕北以日光温室为主，陕南以塑料大棚为主，关中地区两种设施类型均普遍(图 1)。调查内容主要包括设施蔬菜大棚的种植历史、种植年限、农膜使用、肥料使用、灌溉历史、农药使用、病虫害情况等。

在这些设施蔬菜基地，共采集设施土壤样品200份，对照农田土壤样品130份，样点采用GPS定位。在每一个设施蔬菜基地的棚内采用“之”字型采样法^[17]，采集5个表层土壤(0 ~ 20 cm)，混合均匀后取约1 kg装入自封袋形成一个土壤样品，对照样品取自大棚外无大棚种植历史的农田，包括小麦地、油菜地、稻田等，同样为5个点的混合样品。野外采集的土壤样品经风干后，剔除石块、植物根茎等杂质，研磨分别过10目筛用于土壤pH、电导率(EC)、有效磷(AvP)、速效钾(AvK)测定；过60目筛用于阳离子交换量(CEC)、有机质(SOM)、全氮(TN)的测定；过100目筛用于Cd、As、Hg测定；过200目筛待全磷(TP)、全钾(TP)、Cr、Cu、Pb、Zn等全量测定。

1.3 样品分析

土壤pH采用水土比2.5:1混匀，并用PHS-3C型酸度计进行测定；EC采用电导率仪(DDS-307)进行测定，水土比5:1；AvP采用NaHCO₃提取，钼锑抗比色，分光光度计测定；AvK测定采用NH₄OAc提取，火焰光度计(FP650)分析；CEC测定采用NH₄OAc-EDTA (1 mol/L:0.005 mol/L)提取，定氮仪(DDS-307)蒸馏方法测定；SOM采用外加热重铬酸钾氧化容量法测定；TN采用浓H₂SO₄消化，凯氏定氮法测定。以上测试方法详见《土壤农业化学分析方法》^[17]一书。土壤Cd采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定^[18]，As、Hg采用王水消解，原子荧光光谱法(AFS)测定^[19]。TP、TK、Cr、Cu、Pb、Zn等含量测定采用200目土壤通过压片，X射线荧光光谱仪(PW2440X)测定^[20]。

2 结果 2.1 设施农业土壤酸化及次生盐渍化特征

设施土壤酸化、盐化现象明显，陕南、关中、陕北3个地区设施农业土壤pH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P < 0.01显著水平(表 1)。尽管陕南地区设施农业土壤pH较大田土壤差异没有达到显著水平，但其设施土壤的pH降幅最大(平均下降0.69个pH单位)，其次是陕北(0.52)、关中(0.25)。陕北设施蔬菜种植年限在10 a以上的土壤pH显著高于种植年限在5 ~ 9 a的设施土壤；而关中和陕南地区，则种植年限10 a以上土壤pH低于种植5 ~ 9 a土壤，差异不显著(表 2)。陕北、关中、陕南设施土壤EC值显著高于大田土壤，设施土壤50%以上的点位EC值超过500 μS/cm，铜川、安康等部分点位EC值超过1 000 μS/cm，说明设施大棚土壤已经发生次生盐渍化。由于不同地区、不同种植年限设施蔬菜土壤样本间EC的变异系数均较大，不同地区、不同种植年限间土壤EC差异并不显著。

2.2 设施土壤主要养分累积状况

设施土壤养分积累现象普遍，特别是土壤速效养分。与普通大田相比，设施土壤TN和TP显著增加。与全国统一分级标准相比，陕北设施土壤TN处于4级，中等水平(0.75 ~ 1.0 g/kg)；而陕南和关中地区设施土壤处于第3等级，高水平(1.0 ~ 1.5 g/kg)。设施土壤TP积累更加明显，3个区域设施土壤TP均处于第1等级，极高水平(> 1.0 g/kg)。虽然普通大田土壤和设施土壤AvP都处于极高水平(> 40 mg/kg)，陕北、关中和陕南地区设施土壤AvP含量分别是对应大田土壤的2.92倍、3.22倍和2.61倍。3个区域设施土壤AvK含量都处于极高水平(> 200 mg/kg)，设施大棚AvP:AvK比例明显高于大田(表 3)，说明设施土壤中有效磷和速效钾的积累量不同。

2.3 设施土壤重金属累积状况

本文主要考察了重金属在设施土壤中的累积情况。结果显示，陕北、关中地区设施土壤Cd、Cu、Zn等累积量高于普通大田土壤，陕南地区仅Zn在设施土壤中的累积高于大田(表 4)。与国家《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(2006)进行比较，设施表层土壤Cd、Zn等累积已出现超标样点，超标率在0.5% ~ 7.2%，在设施生产最强烈的关中地区较为突出。同时，部分重金属(如Cd和Zn)含量随种植年限的增加有增加趋势(图 2)。

3 讨论 3.1 土壤退化导致作物连作障碍与环境问题

研究结果显示，陕西设施土壤已经呈现酸化、次生盐渍化、土壤速效养分积累、部分重金属累积超标等土壤退化问题。结合现场调查结果来看，陕西省设施农业土壤的这些退化现象已普遍存在。土壤退化已对当地设施生产产生了一定的影响，集中表现在作物生长出现连作障碍。一般而言，设施土壤连作障碍主要表现在：①土传病原菌侵染引起的植物病害^[21]；②长期单一植物种植对某一种养分嗜好引起的养分失调；③植物自毒或化感物质积累^[22]。调查发现，这些现象在陕西省不同地区的设施大棚中均有不同程度发生，如常见的线虫病害、土壤盐渍化明显(表 1、2)、设施土壤速效磷钾比例明显失调(表 3)等。更严重的是，部分土壤退化显著的大棚由于无法种植已被放弃，尤其在设施农业发展较早的地区，如大荔、泾阳、杨凌等地区，常见年代较老的设施大棚被弃之不用，而另寻新的土地种植，蚕食有限的土壤资源。

土壤退化可能还对设施环境产生较大的影响。主要表现在：①影响作物品质。随着土壤pH降低、有机质积累、盐分增加等可提高土壤中重金属的生物有效性和作物的吸收。②影响水环境质量。土壤中氮磷、农药、酞酸酯等物质累积，并会向周边水环境迁移，尤其是陕西境内的设施灌溉主要取自地下水，这会增加地下水和地表水中养分或污染物超标风险，破坏水生环境^[23]。③影响大气环境质量^[24]。作为高量施肥生产的设施农业生态系统，其氮肥利用很低，调查显示设施蔬菜氮肥施用量高达每年2 000 kg/hm²，其中作物吸收仅利用10% ~ 30%，约30%通过氨挥发和反硝化挥发进入大气。

3.2 设施土壤质量改进措施设想

设施农业土壤退化及其生态效应形成的根本原因，是这一系统内土壤高强度单一利用、农用投入品高量使用，以及封闭的设施环境^[14]。为解决这一问题，当地种植户采取了多种措施进行防控。例如，现场调查发现，针对日光温室大棚，种植户选择在7、8月份歇棚期，进行土壤熏蒸或闷棚灭菌操作，这些措施对短期内的土壤退化有一定效果。然而，一旦土壤退化超出土壤的耐受能力，这些措施的作用将大大减弱，最终不得不改种其他作物或弃耕，影响土壤的产出效能，甚至浪费土地资源。因此，要从根本上解决设施农业土壤退化问题，需要转换思路，另辟蹊径。

土壤轮作休耕^{[2, 25-26]}是一种将农业生产由强度利用型转变为生态友好型的农业生产方式，即通过合理配置资源，用养结合，促进土壤资源可持续利用，实现现代农业可持续发展。现场调查发现，不少种植户采取了一些轮作措施，如蔬菜-玉米轮作、蔬菜-蘑菇轮作等，取得了好的效果。将这些经验加以总结，并结合农产品的市场价格波动峰谷期、政府补贴政策，以及设施农业规模化生产等发展趋势，可将设施土壤轮作休耕形成体系，并加以推广，最终解决设施农业土壤退化问题，实现设施农业的可持续发展。

4 结论

通过对陕西省陕北、关中、陕南3个地区的重点设施农业基地调查、土壤样品采样分析，发现陕西省设施土壤质量呈现退化趋势，主要表现在4个方面：①设施土壤酸化，其中，陕南地区设施土壤pH降幅最大；②次生盐渍化，设施土壤EC值显著高于大田土壤；③土壤养分积累，其中TP、TN累积明显；④部分地区设施土壤重金属累积超过大田土壤。结合设施大棚调查资料，我们发现设施土壤退化已导致作物生产受到影响，同时土壤退化和污染物积累也可能对设施农田的生态环境产生影响。设施土壤退化的根本原因是设施土壤的高强度单一利用和高量投入。因此，采取有效措施防止设施土壤退化非常必要，而轮作休耕是防止土壤退化的重要措施之一。