“民以食为天，食以土为本”，土壤是赖以生存的自然资源，为作物生存提供了养分来源与物理支撑^[1]。土壤质量是保证食品安全的前提。土地在人口急剧增加的压力下过度利用，导致土壤退化、土壤肥力下降，带来土壤酸碱化、污染等一系列问题^[2-3]。土壤质量调查及评价有利于及时掌握土壤质量的现状和变化，进而实现合理的、可持续的利用土地。土壤养分是土壤肥力质量评价的主要部分^[4-5]，一般地将土壤 pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾作为土壤肥力评价指标^[6]，用来反映土壤综合肥力，广泛地应用于评价作物、蔬菜种植模式的土壤。

我国设施蔬菜种植广泛，面积已达 400 万 hm² 以上^[7]。设施蔬菜给土壤带来严重的环境威胁值得关注^[8]。因其具有收益高、固定性、高复种指数的特点，大部分菜农为追求产量而超量施肥、喷施农药^[9]，从而导致土壤盐渍化、重金属污染、土壤氮素、磷素积累现象突出^[10-11]。另外，土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，毒害土壤-植物系统、降低蔬菜品质，进一步危及人体健康。国内关于区域设施蔬菜土壤酸化、盐渍化、养分积累以及酶活性等方面的研究报道很多^[12]，但对土壤中的重金属元素的研究结论尚不一致^[13]。主要原因是土壤类型、施肥措施、污染源不一致所致。天津市辖 16个行政区，主要涉农区有 10个，且拟到 2025年发展 6.7万 hm² 设施农业，占到天津现有 40万 hm² 耕地面积的 17%，在北方蔬菜供应区中占有重要地位，是北方蔬菜供应重镇，耕地面积少，生产任务重，高投入高产出的设施种植模式对其土壤质量的长期影响有待于进一步研究。刘雅明等^[14]调查了天津武清区设施土壤重金属，发现浅层 （0～20 cm）土壤比深层（40～60 cm）更容易聚集 Cu、 Zn和 Cd，As、Pb、Cr 和 Ni的含量相对变化较小。陈宗娟等^[15]对天津东南部区域土壤调查发现，Cd为重度累积，As 为中度累积，Co、Cu、Pb、Ni、V 和 Zn 为轻度累积，Cr 和Hg 基本处于背景值水平。目前，尚缺少对天津市整体设施蔬菜土壤质量的调查。因此，本研究针对天津市设施蔬菜进行土壤养分和重金属调查，为全面了解设施蔬菜土壤的养分状况和重金属污染状况提供基础资料，为下一步的土壤调查及改良修复工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2021 年在天津市的北辰区（BC）、宝坻区（BD）、滨海新区（BH）、东丽区（DL）、静海区（JH）、津南区（JN）、蓟州区（JX）、宁河区（NH）、武清区（WQ）、西青区（XQ）10 个区的设施蔬菜土壤取样（图1），对其进行种植年限、土壤质量调查和评价，重点分析土壤化学性质、重金属含量等。选取集中种植代表性的设施蔬菜大棚，用 GPS 记录采样点的经纬度，采用 Arcmap 绘制采样点图，共采集 66 个点，每个采样点 3 个重复，用不锈钢土钻采样，深度 0～20 cm。土壤样品风干后去除植物、石块等杂质，过 2.00、0.149 mm 筛备用。

1.2 样品分析

依据鲍士旦《土壤农化分析》^[16] 测定碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、有机质（SOM）、全盐（Salt）、pH 6 种土壤化学指标。土壤碱解氮测定采用碱解扩散法。有效磷测定采用碳酸氢钠浸提、钼锑抗比色法。速效钾测定采用火焰光度比色法。土壤有机质测定采用重铬酸钾滴定法。土壤全盐测定采用残渣烘干质量法。土壤 pH 测定采用电位法。采用原子吸收光谱仪测定 Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8种土壤重金属指标^[16]，测定中采用国家土壤标准样品 （GBW07419）进行质量控制，加标回收率控制在 92.3%～103.5% 之间，每个样品重复测定 3 个平行样，8 种元素的相对标准偏差为 1.9%～7.8%。天津盐碱地土壤 pH>7.5，采用土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值 GB 15618—2018 中“pH>7.5” 标准及天津市重金属背景值^[17] （表1）进行评价。

1.3 数据分析

数据处理采用 R 3.5.1 的“agricolae”和“stats” 数据包进行统计分析，图表采用 Sigmaplot 12.5 绘制。

2 结果与分析

2.1 设施蔬菜土壤养分状况及相关分析

通过土壤理化性质的对比统计分析发现，天津设施蔬菜土壤中 AK、SOM、pH 具有很强的地域性，区间差异显著（P ≤ 0.05）；而土壤中AN、 AP、Salt 区间差异不显著，地域性差别不明显（图2）。

注：不同小写字母代表处理间差异显著（P<0.05）。

天津设施蔬菜土壤中 AN 含量范围为 111.15～240.33 mg/kg，10 个区的平均 AN 含量为 184.87 mg/kg，变异系数为 0.34，跨度较小、含量较集中（图3），最低值在北辰，最高值在津南（图2）；AP 含量为 106.95～316.88 mg/kg，10 个区的平均 AP 含量为 249.24 mg/kg，变异系数为 0.44； AK 为 418.34～1258.78 mg/kg，10 个区的平均 AK 含量为 768.36 mg/kg，变异系数为 0.49，含量跨度大，区间差异显著，武清区的 AK 含量最低，宁河区最高；SOM 为 23.50～50.82 g/kg，10 个区的平均 SOM 含量为 35.11 g/kg，变异系数为 0.30；10 个区的平均 Salt 含量为 2.55‰，范围为 1.14‰～3.50‰，变异系数较大，为 0.58，其中滨海新区、东丽区、静海区的土壤 Salt 含量都在 3‰以上，静海区最高，北辰区最低；10 个区的土壤偏碱性，平均土壤 pH 为 7.91，pH 的范围为 7.28～8.46，变异系数为 0.05（图3）。

相关分析表明 AN、AP、AK、SOM、Salt、pH 均与种植施肥年限呈正相关关系（图4），其中，AP （P<0.01）、AK（P=0.05）、SOM（P=0.04）与种植施肥年限呈显著正相关关系，表明随着种植年限增长，土壤肥力提升；Salt 与种植年限的关系较弱，说明导致盐分积累的主要原因不只是施肥等种植措施，而有可能是自身的地理位置和地下水水位原因导致^[18]。

2.2 设施蔬菜土壤重金属含量分析

根据 GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值，土壤中的 8 种土壤重金属指标 Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni 中，Pb、 As、Hg、Cr 4 种重金属的分布存在明显的地域差异性（P ≤ 0.05），而 Cd、Cu、Zn、Ni4 种重金属的分布不存在地域差异（图5）。天津设施蔬菜土壤中的 Cd、As、Hg、Cu、Zn 平均含量分别为 0.55、 10.83、0.12、34.30、107.20 mg/kg，比天津背景值高出 511%、13%、43%、19%、35%，高的超出率主要与近几年肥料、农药大量使用和大气沉降增加有关； Pb、Cr、Ni 平均含量分别为 19.09、50.41、30.04 mg/kg，比天津背景值低 9%、40%、10%，重金属的降低主要与植物的重金属转移、富集相关。设施土壤主要污染物为 Cd，静海区为（0.65±0.11）mg/kg、西青区为（0.83±0.36）mg/kg，超过 Cd 风险筛选值的 8.46%、37.54%，可能会对农产品、土壤环境造成风险，应当加强土壤和农产品的协同监测，采取安全利用措施；其余 7 种重金属均在风险筛选值范围内，且远低于风险筛选值。

注：CV 为变异系数。

注：虚线代表了 GB 15618—2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值。

Cd、Hg、Cr、Cu、Zn 与种植施肥年限呈正相关关系（图6），而 Pb、As、Ni 与种植施肥年限呈负相关关系，其中 Cd（P=0.02）、Hg（P<0.01）、 Cu（P<0.05）、Zn（P=0.01）与种植施肥年限正相关关系显著，说明种植措施、施肥制度带来一定量的重金属污染积累，施用农用肥和复合肥可能是重金属累积主要的来源之一。

通过 Pearson 相关分析（图7）发现，AN、AP、 AK、SOM 4 种肥力指标间有高度的正相关关系，说明肥料配施有助于地力提升。同时，设施蔬菜土壤中 Salt 与土壤中的 AN、AP、AK、SOM 含量呈正相关，有机质的增加、肥力提升主要来源于施肥，表明施肥会增加土壤 Salt 含量，导致土壤盐渍化；相反地，pH 与 AN、AP 呈负相关关系，说明施肥增加的同时，存在土壤酸化的现象。

3 讨论

3.1 设施蔬菜土壤质量现状及存在问题

天津莅临渤海湾，深受海水和地下水位影响，盐渍化土地面积广大^[18]；区域特点为“一缺三高一低”，即缺水、土壤含盐量高、地下水位高、地下水矿化度高、海拔低，导致农作物产量较低、经济效益差等问题。因地制宜的施肥制度是改良当地土壤问题的一个重要途径。施肥、种植制度等措施不当，会加重现有问题的严重程度。过量施肥容易导致产量低、易倒伏、营养失调，同时存在土壤氮磷淋失、重金属积累等问题。设施蔬菜生产是一项高投入高产出集约化的种植模式，过量养分投入不仅会带来养分流失，也会对蔬菜品质及周围环境带来不良影响^[19]。因此，本研究针对天津市 10 个涉农区的设施蔬菜进行土壤调查，发现各区间在 AK、SOM、pH 间差异明显；而土壤 AN、AP、Salt 含量间地域性差别不明显。同时， AN、AP、AK、SOM、Salt、pH 均与种植施肥年限呈正相关关系，说明随着设施蔬菜种植年限的增长，土壤养分、肥力在不断提升，同时也引入了部分盐分危害，引起土壤酸化。Pearson 相关分析发现，AN、AP、AK、SOM 4 种肥力指标间呈现显著正相关关系，Salt 与之呈显著正相关关系，pH 与 AN、AP、Salt 呈负相关，说明了天津现有的种植模式在增加土壤养分的同时，起到了降低 pH、酸化土壤、土壤盐分积累的作用。同样的，在设施蔬菜种植的大省，施肥会显著增加山东^[7]、河南^[20]、河北^[21]等地的设施蔬菜土壤 SOM 含量，地区间差异主要是施用肥料的不同导致，尤其是高降解速率鸡粪的大量施用，对土壤 AN 含量贡献较高^[22]。土壤酸化的原因主要是由土壤中的有机酸、AP 和 AK 所导致，王子璐^[23]发现 NO₃^- 是宁河区、武清区设施土壤酸化总贡献效应最显著的因子。

实施设施蔬菜土壤改良方法，使得土壤孔隙度改变、物理结构改善^[24]、土壤质量提升，进而影响土壤酶活性和微生物多样性^[25]。相反的，施肥制度不合理、管理措施不当，容易造成土壤颗粒态氮磷流失^[26]，加重土壤酸化、盐碱化等问题，尤其是种植年限长的设施蔬菜土壤，如 pH 在 7 年内由 8.00 降到 6.85^[7]，主要酸化原因是长期大量化肥投入造成土壤硝酸盐累积。土壤氮、磷、钾等养分随着种植年限的增加而逐渐增加^[27]，与我们的调查结果一致。但有时会造成部分设施蔬菜土壤出现营养物质的富集现象^[28]。在本次调查中，天津设施蔬菜土壤中的平均有机质含量为 35.11 g/kg，比全国第二次土壤普查结果（全国农田耕层土壤 SOM 平均含量为 19.80 g/kg、天津的土壤 SOM 含量为 15.00 g/kg^[29]）分别增加了 77%、 132%；土壤氮磷含量较高，存在累积、淋溶风险，磷素淋失临界值为 29.96～156.78 mg/kg^[30]，天津设施土壤的平均磷含量为 249.24 mg/kg，存在较强的淋溶风险^[31]。因此，在以后的种植要合理施肥，以防种植成本与土壤质量出现不平衡问题。

3.2 设施蔬菜土壤重金属积累现状

设施蔬菜土壤退化的另一个重要表现是重金属积累，主要来源于含重金属的农药、化肥的施用、废气废水废渣排放等，导致土壤重金属积累、污染环境、土壤质量下降。设施蔬菜土壤重金属的累积受多种因素影响，如种植年限、栽培模式、水肥管理及土壤理化性状等^[26]。对天津市 10 个区设施蔬菜土壤的 8 种重金属调查发现，7 种重金属含量（Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni） 均在土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选 GB 15618—2018 范围以内，天津市设施蔬菜土壤主要污染物为 Cd，平均含量为 0.55 mg/kg，比天津背景值高出 511%，静海区、西青区设施蔬菜采样点的 Cd 含量超过风险筛选值。Cd 是农业活动的标志元素，常作为农药的有效成分被广泛使用，易挥发和迁移，设施土壤 Cd 污染主要来源于大量施用的有机肥、化肥、农药以及灌溉用水，天津市 Cd 污染的主要原因可能是有机肥和农药不合理的大量施用以及污染地表水灌溉导致^[32]。刘雅明等^[14]利用主成分分析天津重金属来源，结果表明，设施菜地土壤中 Ni、As、Cr 和 Pb 的来源为自然源，Cd、Zn 和 Cu 的来源主要为人为源。为了进一步减少重金属污染的危害，可以采用污染修复技术降低重金属危害，如风化煤、富里酸和胡敏酸对 Cd 修复有较好的效果^[33]；另外，生物炭也可以缓解土壤中重金属胁迫，尤其是对 Cd 的污染修复^[34]。设施土壤重金属的富集与分布受到人类活动、种植方式的影响^[35]，下一步可以加强污染区的监测及专项治理来改善设施土壤环境，为健康农产品供应做好保障。

4 结论

天津 10 个涉农区的设施蔬菜土壤中 AK、SOM、 pH 具有明显的地域性，AN、AP、Salt 地域性差异不显著。天津设施蔬菜土壤中的平均 SOM 含量为 35.11 g/kg，比全国农田耕层土壤 SOM 平均含量增加了 77%。10 个区的平均土壤 Salt 含量为 2.55‰，滨海新区、东丽区、静海区的土壤 Salt 含量均在 3‰ 以上；10 个区的土壤偏碱性，土壤平均 pH 为 7.91。设施蔬菜多年的高强度水肥投入与种植制度在一定程度上起到了减轻土壤盐碱危害、降低土壤 pH 的作用，伴随种植年限的增长，逐步缓解土壤盐碱胁迫。但要注意种植成本与土壤质量间的不平衡问题，以及土壤中重金属的积累，尤其是 Cd 的污染，天津市设施蔬菜土壤平均 Cd 含量为 0.55 mg/kg，比天津背景值高出 511%。本研究为天津的设施蔬菜土壤调查、土壤改良提供了基础数据和参考。

参考文献