松華壩流域有機(jī)蔬菜種植對土壤質(zhì)量的影響評價

田 偉，吳云成， 劉明慶，楊濤明，陳 鍔，劉 宇，席運(yùn)官，趙克強(qiáng)① (.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 004；.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 65004；.甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 7000)

松華壩流域為滇池主要入湖河流盤龍江的徑流區(qū)，是昆明市重要的飲用水水源地，占昆明城市日供水量的50 %以上。研究表明有機(jī)農(nóng)業(yè)是控制農(nóng)業(yè)面源污染、保護(hù)江河水質(zhì)、實現(xiàn)農(nóng)民增收的有效手段[1-2]。為了協(xié)調(diào)環(huán)境保護(hù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)系，當(dāng)?shù)卣膭钤谒幢Ｗo(hù)區(qū)發(fā)展有機(jī)種植。

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，農(nóng)田土壤質(zhì)量直接影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。生產(chǎn)強(qiáng)度提高、施肥不合理、除草劑或農(nóng)藥濫用均能對農(nóng)田土壤質(zhì)量造成嚴(yán)重影響[3-4]。近年來，有機(jī)農(nóng)業(yè)作為一種可持續(xù)的、環(huán)境友好型生產(chǎn)方式，得到了廣泛認(rèn)可。汪潤池等[5]和李麗娜等[6]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)生產(chǎn)可以豐富土壤生物多樣性。王磊等[2]2016年對華北和華中地區(qū)14個典型農(nóng)場的土壤調(diào)查同樣表明有機(jī)種植可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量8%～115%。

我國有機(jī)蔬菜基地極少采取休耕、綠肥種植和秸稈還田等技術(shù)提升土壤肥力，而以施用外源商品有機(jī)肥為主，普遍存在有機(jī)肥過量施用的問題[7]。通過長期定位實驗發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用以畜禽糞便為主要來源的有機(jī)肥，可能導(dǎo)致土壤重金屬和磷累積、土壤微生物多樣性下降等[8-9]。在云南地區(qū)特殊氣候條件和土地利用強(qiáng)度下，有機(jī)蔬菜種植基地同一地塊每年輪作4季以上，且每季均進(jìn)行有機(jī)肥施用。因此，客觀評價松華壩流域有機(jī)生產(chǎn)對土壤質(zhì)量的影響有利于有機(jī)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和水環(huán)境保護(hù)。該研究以松華壩流域2個典型有機(jī)蔬菜種植基地和1個常規(guī)蔬菜種植基地作為研究對象，綜合評價了有機(jī)蔬菜生產(chǎn)對土壤質(zhì)量的影響，旨在探討高強(qiáng)度有機(jī)生產(chǎn)條件下土壤質(zhì)量變化以及評估有機(jī)生產(chǎn)對農(nóng)田土壤重金屬生物有效性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇云南省昆明市松華壩流域的2個典型有機(jī)蔬菜種植基地和1個常規(guī)蔬菜種植基地為評估對象，有機(jī)和常規(guī)基地均采用葉菜類-塊根塊莖類或茄果類-葉菜類的輪作模式。

自制有機(jī)肥是有機(jī)種植基地養(yǎng)分的主要來源。有機(jī)基地Ⅰ施用的有機(jī)肥原料為外購的羊糞、鴿子糞和水稻或玉米秸稈等?；夭捎脳l垛式的有機(jī)肥發(fā)酵方式，發(fā)酵過程采用翻拋機(jī)進(jìn)行機(jī)械翻堆，以便物料充分混勻且獲得充足的氧氣。腐熟后的有機(jī)肥理化性質(zhì)為:w(有機(jī)質(zhì))為52.34%，w(全氮)為2.03%，w(全磷)為1.42%，w(全鉀)為1.37%。葉菜種植投入量為0.8 t ·(667 m2)-1，塊根塊莖或茄果類種植投入量為2.0 t·(667 m2)-1，年均有機(jī)肥投入總量約5.6 t·(667 m2)-1；有機(jī)基地Ⅱ施用的有機(jī)肥原料是豬糞(來源于有機(jī)尾菜飼養(yǎng)的豬)、廢棄尾菜、基地雜草和基地林下腐殖土，就地經(jīng)過靜態(tài)堆置充分發(fā)酵后施用。有機(jī)肥的理化性質(zhì)為：w(有機(jī)質(zhì))為62.17%，w(全氮)為0.97%，w(全磷)為1.03%，w(全鉀)為0.89%。葉菜種植投入量為0.8～1.0 t·(667 m2)-1，塊根塊莖或茄果類種植投入量為1.5～2.0 t·(667 m2)-1，年均有機(jī)肥投入總量約4.6～5.0 t·(667 m2)-1。常規(guī)種植基地養(yǎng)分的主要來源為尿素、復(fù)合肥、礦物磷肥等化學(xué)肥料，投入量約400 kg·(667 m2)-1。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1土壤樣品采集

選取常規(guī)蔬菜種植5 a以上的基地土壤作為對照，比較分析有機(jī)基地Ⅰ有機(jī)種植1 a(YJ1-1)、3 a(YJ1-2)、6 a(YJ1-3)的地塊和有機(jī)基地Ⅱ有機(jī)種植10 a(YJ2)的地塊土壤質(zhì)量。

土壤樣品采集時，根據(jù)采樣地塊面積，均勻劃分為5個等面積小區(qū)，每個小區(qū)采用棋盤式布點隨機(jī)選取5個點位，采集0～25 cm土層土壤，每個點位采集土壤200 g，將5個點位采集的土壤充分混合均勻后，采用四分法獲取土壤樣品。一半土壤樣品經(jīng)風(fēng)干過篩后用于土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的測定。一半土壤樣品4 ℃條件下保存，用于土壤微生物活性的測定。每個處理5個重復(fù)。

1.2.2測定項目及方法

對土壤pH值、總氮、總磷、總鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量等肥力指標(biāo)進(jìn)行測定[9]。土壤總有機(jī)質(zhì)(TOM)、高活性有機(jī)質(zhì)(HLOM)、中活性有機(jī)質(zhì)(MLOM)和總活性有機(jī)質(zhì)(LOM)含量采用高錳酸鉀氧化法測定[10]，按照KMnO4氧化劑濃度(33、167、333 mmol·L-1)將活性有機(jī)質(zhì)分為3組，分別為高活性有機(jī)質(zhì)、中活性有機(jī)質(zhì)和總活性有機(jī)質(zhì), 不能被KMnO4氧化的稱其為非活性有機(jī)質(zhì)。

土壤微生物活性采用熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性進(jìn)行分析，F(xiàn)DA水解酶活性測定方法參考劉海芳等[11]和馬星竹[12]的方法, 在490 nm下比色測定熒光素濃度，F(xiàn)DA 水解酶活性用每千克干土每小時分解產(chǎn)生的熒光素的含量表示，每個處理重復(fù)3 次。

土壤樣品中重金屬有效態(tài)含量分別采用二乙三胺五乙酸(DTPA)溶液浸提法[13]、氯化鈣(CaCl2)溶液浸提法[14]和稀鹽酸浸提法[15]測定。提取后采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES測定浸提液中Cu、 Zn、Cd 和Ni 4種重金屬含量。

1.3 土壤綜合肥力評價方法構(gòu)建

選擇8項土壤常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)作為土壤肥力綜合評價指標(biāo)[16]，分別是土壤pH值、有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、速效氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、全鉀(TK)及速效鉀(AK)含量。根據(jù)土壤肥力指標(biāo)與作物生長效應(yīng)曲線，土壤pH值采用拋物線隸屬度函數(shù)，其余7項指標(biāo)采用采用S型隸屬度函數(shù)。根據(jù)全國第二次土壤普查肥力等級和相關(guān)系數(shù)法確定式(1)和(2)各因子權(quán)重(表1)。

表1 各指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點取值及權(quán)重

S型隸屬度函數(shù)計算公式為

(1)

拋物線型隸屬度函數(shù)計算公式為

(2)

根據(jù)上述各指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重系數(shù)，計算各處理土壤綜合肥力指數(shù)(IFI，IFI)，公式為

(3)

式(3)中，n為參評因子數(shù)；Wi為第i個因子的權(quán)重；Fi為第i個因子的隸屬度值。

1.4 土壤活性有機(jī)質(zhì)測定及土壤碳庫管理指數(shù)計算

根據(jù)土壤TOM、HLOM、MLOM和LOM含量計算土壤碳庫管理指數(shù)(SCPMI)。

SCPI=STOM/CTOM，

(4)

L=SLOM/SNLOM，

(5)

LI=SL/CL，

(6)

SCPMI=SCPI×LI×100。

(7)

式(4)～(7)中，SCPI為碳庫指數(shù)；STOM為有機(jī)基地樣品中TOM含量，g·kg-1；CTOM為常規(guī)基地樣品中TOM含量，g·kg-1；L為碳庫活度；SLOM為有機(jī)基地樣品中LOM含量，g·kg-1；SNLOM為有機(jī)基地樣品中非活性有機(jī)質(zhì)含量，g·kg-1；LI為活度指數(shù)；SL為樣品碳庫活度；CL為常規(guī)基地樣品碳庫活度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件處理，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)種植對土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分的影響

如表2所示，以CF為對照，有機(jī)種植均顯著提高了土壤pH值，YJ1-2和YJ1-3處理顯著增加了土壤總養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量，而YJ2處理除土壤總氮、總鉀、速效氮含量顯著高于CF處理外，其余養(yǎng)分指標(biāo)均無顯著差異。

2.2 有機(jī)種植對土壤有機(jī)質(zhì)各組分的影響

如表3所示，與CF相比，YJ1-2、YJ1-3和YJ2處理土壤總有機(jī)質(zhì)(TOM)、高活性有機(jī)質(zhì)(HLOM)、中活性有機(jī)質(zhì)(MLOM)和總活性有機(jī)質(zhì)(LOM)含量均顯著增加，YJ1-1處理各組分有機(jī)質(zhì)含量與CF處理無顯著差異。CF處理LOM占TOM的比例為8.65%，顯著高于各有機(jī)處理。

表2 各基地土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

表3 有機(jī)蔬菜生產(chǎn)對土壤有機(jī)質(zhì)含量和組分的影響

2.3 有機(jī)蔬菜種植對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)計算結(jié)果如圖1所示， YJ1-2和YJ2處理碳庫管理指數(shù)比CF處理有所增加，但差異不顯著；YJ1-3處理顯著增加，增加比例為38.0%。

直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間土壤碳庫管理指數(shù)差異顯著 (P<0.05)。CF為常規(guī)處理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分別為有機(jī)基地Ⅰ從事 有機(jī)生產(chǎn)1、3、6 a 處理；YJ2為有機(jī)基地Ⅱ從事有機(jī)生產(chǎn)10 a處理。

2.4 有機(jī)蔬菜種植對土壤綜合肥力的影響

基于模糊數(shù)學(xué)方法，對常規(guī)種植和有機(jī)種植土壤肥力狀況進(jìn)行綜合評價。按照標(biāo)準(zhǔn)土壤綜合肥力指數(shù)可分為5個等級，分別為優(yōu)(>0.80)、良(>0.60～0.80)、中等(>0.40～0.60)、差(>0.20～0.40)和很差(≤0.20)。如圖2所示，常規(guī)種植和有機(jī)種植土壤綜合肥力指數(shù)均處于良好以上水平。其中，YJ1-2和YJ1-3處理綜合肥力等級指數(shù)均大于0.80，處于優(yōu)等級。

2.5 有機(jī)蔬菜種植對土壤微生物活性的影響

土壤FDA水解酶活性是反映土壤微生物活性的重要指標(biāo)。如圖3所示，YJ1-2、YJ1-3和YJ2處理FDA水解酶活性分別為72.32、56.68和51.88 mg·kg-1，較CF處理的41.95 mg·kg-1分別增加72.37%、32.73%和17.68%，而CF處理和YJ1-1處理之間無顯著差異。

直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間土壤綜合肥力評價指數(shù)差異顯著 (P<0.05)。CF為常規(guī)處理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分別為有機(jī)基地Ⅰ從事 有機(jī)生產(chǎn)1、3、6 a 處理；YJ2為有機(jī)基地Ⅱ從事有機(jī)生產(chǎn)10 a處理。

直方柱上方英文小寫字母不同表示各處理間土壤FDA水解酶活性差異顯著 (P<0.05)。CF為常規(guī)處理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分別為有機(jī)基地Ⅰ從事 有機(jī)生產(chǎn)1、3、6 a 處理；YJ2為有機(jī)基地Ⅱ從事有機(jī)生產(chǎn)10 a處理。

2.6 有機(jī)蔬菜種植對土壤重金屬有效性的影響

為了充分比較有機(jī)種植對土壤重金屬生物有效性的影響，選取3種常用的有效態(tài)重金屬提取方法對各土壤樣品中有效態(tài)重金屬進(jìn)行了提取。結(jié)果如表4所示，HCl和DTPA提取態(tài)重金屬含量明顯高于CaCl2溶劑提取態(tài)，且HCl和DTPA提取態(tài)重金屬含量變化規(guī)律相似。在HCl和DTPA提取條件下，與CF處理相比，有機(jī)基地Ⅰ的土壤中Zn的有效態(tài)含量顯著增加，而與有機(jī)基地Ⅱ的含量差異不顯著。有機(jī)種植基地各處理Cu、Cd和Ni有效態(tài)含量顯著低于CF處理，且隨著種植年限延長含量有降低的趨勢。另外，YJ1-2、YJ1-3和YJ2中Zn、Cu和Cd的總量均有一定的積累。

表4 有機(jī)蔬菜種植對土壤重金屬有效性的影響

3 討論

3.1 有機(jī)種植與土壤綜合肥力、土壤有機(jī)質(zhì)組分和碳庫管理指數(shù)

采用單一土壤養(yǎng)分指標(biāo)難以反映土壤的綜合肥力。為了更全面地評估有機(jī)種植對土壤肥力的影響，采用模糊評價和主成分分析構(gòu)建了土壤綜合肥力評價方法。研究結(jié)果表明松華壩流域常規(guī)種植和有機(jī)種植土壤綜合肥力指數(shù)均處于良好以上水平。其中，YJ1-2和YJ1-3處理等級指數(shù)均大于0.8，處于優(yōu)等級。郭文忠等[17]將土壤的綜合肥力指數(shù)劃分為5個等級，而當(dāng)綜合肥力指數(shù)大于0.8則認(rèn)為土壤肥力處于優(yōu)等級。但是YJ1-1、YJ2與CF處理綜合肥力處于同一等級，表明有機(jī)種植年限和有機(jī)物料投入類型和投入量均是影響土壤綜合肥力的重要因素。有機(jī)基地Ⅱ投入的有機(jī)物料有機(jī)質(zhì)含量明顯高于有機(jī)基地Ⅰ，而養(yǎng)分含量規(guī)律則完全相反。

在綜合評估有機(jī)與常規(guī)蔬菜種植基地土壤肥力基礎(chǔ)上，筆者重點從有機(jī)質(zhì)組分和碳庫管理的角度評價了有機(jī)與常規(guī)土壤培肥措施對土壤質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與CF相比，土壤TOM、HLOM、MLOM和LOM含量均顯著增加。LOM是土壤中易被土壤微生物分解礦化的那部分活性較高的有機(jī)質(zhì)，田小明等[18]和王改玲等[19]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥或秸稈等有機(jī)物料的投入均能提高土壤LOM含量，但是不同來源的有機(jī)物料在營養(yǎng)成分上有較大的差別，如果施用有機(jī)物料后其成分在土壤中不能被有效轉(zhuǎn)化，那么即使含量較高，評價效果也不理想。這也是YJ2處理LOM含量較有機(jī)基地Ⅰ的YJ1-2和YJ1-3處理低的重要原因。

CMI是土壤碳變化的系統(tǒng)的、敏感的監(jiān)測指標(biāo)，能夠反映農(nóng)作措施使土壤質(zhì)量下降或更新的程度[10]。CMI升高，表明施肥或耕作措施對土壤具有培肥作用，土壤性能向良性發(fā)展[20]。徐明崗等[21]研究結(jié)果表明較單一的化肥處理有機(jī)物料的投入更有利于CMI和土壤質(zhì)量的提高，與該研究結(jié)論相符。因此，可以認(rèn)為長期的有機(jī)種植是有效的土壤培肥措施。

3.2 有機(jī)種植與土壤微生物活性

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，是驅(qū)動土壤養(yǎng)分循環(huán)的發(fā)動機(jī)。相對于土壤的基本理化參數(shù)(EC值、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等)，土壤微生物活性對外源污染物更加敏感[22]，例如土壤微生物量、土壤酶活性和代謝熵等常用于評價土壤肥力變化和污染情況。筆者重點關(guān)注了有機(jī)種植對土壤FDA水解酶的影響，土壤FDA水解酶是快速、準(zhǔn)確分析土壤微生物活性的有效方式[20]。

YJ1-2、YJ1-3和YJ2處理FDA水解酶活較CF分別增加了72.37%、32.73%和17.68%。有機(jī)物料的投入、土壤肥力提升和土壤物理性質(zhì)的改善引起的土壤微生物數(shù)量增加是影響有機(jī)蔬菜種植土壤FDA水解酶活性的重要因素[8]。DEBOSZ等[23]開展了11個月的實驗室培養(yǎng)實驗，發(fā)現(xiàn)園林堆肥和污泥均能顯著提高土壤FDA水解酶活性和土壤微生物多樣性，與該研究結(jié)論一致，但有機(jī)與常規(guī)生產(chǎn)對土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響尚有待進(jìn)一步的研究。

3.3 有機(jī)生產(chǎn)與土壤重金屬有效性

筆者對松華壩流域主要農(nóng)田土壤和對應(yīng)作物中的重金屬分布狀況進(jìn)行了初步調(diào)查和風(fēng)險評估，分析結(jié)果表明整個區(qū)域地塊存在Cd和Ni的輕度污染狀況(數(shù)據(jù)未顯示)，但是農(nóng)作物并未超過GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中規(guī)定的限值。

有機(jī)種植基地各處理Cu、Cd和Ni 3種重金屬有效態(tài)含量顯著低于CF處理，且隨著種植年限延長含量有降低的趨勢。有機(jī)肥中腐殖化程度較高的大分子物質(zhì)能有效降低土壤中重金屬的有效性[24]。有機(jī)種植土壤pH值和低活性有機(jī)質(zhì)含量增加也是減少重金屬有效性的重要因素[25]。然而，有機(jī)基地Ⅰ的3個土壤樣品中有效態(tài)Zn含量明顯增加，這可能是由于連續(xù)施用以畜禽糞便為主要原料的有機(jī)肥顯著增加了土壤Zn的總量，而土壤中重金屬有效態(tài)含量與重金屬總量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[26]。因此，可以認(rèn)為有機(jī)生產(chǎn)模式是控制中輕度污染農(nóng)田土壤重金屬生物有效性的重要方式，但必須嚴(yán)格控制有機(jī)物料中重金屬含量、腐熟程度和投入總量。重金屬含量較低的有機(jī)肥對土壤中重金屬具有更強(qiáng)的吸附能力[27]，另外，有機(jī)物料中可溶性有機(jī)質(zhì)含量高時投入到土壤后易被微生物降解，從而增加重金屬有效性[28]。

目前GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》依據(jù)重金屬總量進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價，但實際對人體健康造成危害的是具有生物有效性的重金屬形態(tài)。該研究選取3種常用的有效態(tài)重金屬提取方法對各土壤樣品中有效態(tài)重金屬進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)對于松華壩流域的蔬菜土壤，CaCl2提取能力明顯弱于其他2種提取劑。土壤理化性質(zhì)差異能夠在一定程度上影響提取劑對不同種類重金屬的提取效率[29]，比較不同提取劑對重金屬的提取量與植物對重金屬吸收量之間的相關(guān)性，可以更好地指示重金屬的生物有效性。但是，可能由于不同農(nóng)作物種類對重金屬吸附能力差異較大，3種提取劑提取的土壤中同種重金屬有效態(tài)含量與農(nóng)作物中重金屬含量并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

4 結(jié)論

(1)與常規(guī)蔬菜種植相比，長期(>3 a)種植有機(jī)蔬菜能夠顯著提高土壤綜合肥力、土壤總有機(jī)質(zhì)、總活性有機(jī)質(zhì)、高活性有機(jī)質(zhì)、中活性有機(jī)質(zhì)含量和土壤碳庫管理指數(shù)，長期有機(jī)種植是有效的土壤培肥措施。

(2)與常規(guī)蔬菜種植相比，長期(>3 a)種植有機(jī)蔬菜顯著降低了土壤中有效態(tài)重金屬Cu、Cd和Ni含量，長期的有機(jī)種植能夠有效降低土壤中重金屬的有效性，有利于農(nóng)田土壤安全生產(chǎn)。