張家川烏龍頭種植地土壤肥力與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

王彥君，章 梅，黃文魁，徐 輝，李艷杰，張谷春

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)，江蘇徐州 221000)

甘肅省作為典型的西部欠發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)省份，在貧困縣數(shù)量及分類(lèi)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查中，確定甘肅省43個(gè)貧困縣為國(guó)家扶貧工作的重點(diǎn)縣，而張家川縣則是43個(gè)國(guó)家重點(diǎn)貧困縣中的典型縣[1-2]。張家川以甘肅省千萬(wàn)畝林果基地建設(shè)為主導(dǎo)，以精準(zhǔn)扶貧富民產(chǎn)業(yè)培育為抓手，結(jié)合農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展以果品為主的林果經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)[3-5]。張家川烏龍頭，其嫩芽可食用，營(yíng)養(yǎng)豐富，味美醇厚，野味濃郁，是著名的上等山野菜，被譽(yù)為“山野菜之王”，具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景[6]。張家川縣土地資源較為豐富，土層深厚，氣候溫和，雨量適中，光照充足，晝夜溫差大，縣內(nèi)林緣區(qū)分布著大量野生烏龍頭，特殊的地理位置、自然環(huán)境和氣候條件適宜烏龍頭的培育和栽植。為了加快脫貧進(jìn)程，推進(jìn)烏龍頭種植產(chǎn)業(yè)，有必要對(duì)張家川縣典型烏龍頭種植區(qū)的土壤養(yǎng)分、肥力質(zhì)量及其環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為張家川烏龍頭產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，助力張家川精準(zhǔn)脫貧。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

張家川縣地處甘肅省東南部，以山地為主，最高點(diǎn)為秦家塬石廟梁，最低點(diǎn)為龍山鎮(zhèn)馬河村，海拔1 486m～2 659.4m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候[7]。由于地形的復(fù)雜多樣性，形成了明顯的地域型立體小氣候環(huán)境，中西部為溫和半干旱區(qū)、溫涼半干旱區(qū)和溫寒半干旱區(qū)，氣候溫和，光照充足，無(wú)霜期較長(zhǎng)，但雨量較少；東北部為溫寒半濕潤(rùn)區(qū)和溫寒濕潤(rùn)區(qū)，氣候偏冷，光照較差，無(wú)霜期較短，雨量充沛。張家川年平均氣溫7.5℃，無(wú)霜期163d左右，年平均降水量630mm，主要降水量集中在7—9月，年日照時(shí)數(shù)約2 044h，日照率46.2%以上，平均天日照5.6h左右，滿足烏龍頭生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

1.2 土壤樣品采集

綜合考慮土壤類(lèi)型、成土母質(zhì)類(lèi)型等因素，將樣點(diǎn)布設(shè)在土地利用方式最具代表性的地塊中，采樣區(qū)位于甘肅省張家川縣，選取劉堡鄉(xiāng)幺兒村、馬鹿鄉(xiāng)保平村、馬河村3個(gè)代表性烏龍頭種植區(qū)域，系統(tǒng)采集三個(gè)區(qū)域的表層0～20cm的土樣，共計(jì)43件，采樣點(diǎn)位置分布如圖1所示。每個(gè)點(diǎn)位樣品均有5個(gè)分樣等量均勻混合而成，用四分法留存1kg。將其放在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除其中的樹(shù)枝，草根、石塊等雜物，碾碎過(guò)10目孔徑篩后留存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 張家川縣土壤樣品采樣點(diǎn)分布Figure 1 Soil sampling point distributions in Zhangjiachuan County

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

采用綜合指數(shù)法對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法見(jiàn)表1。運(yùn)用Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行繪圖。

表1 測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法Table 1 Measuring indices and measurement methods

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分是由土壤提供的動(dòng)植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素[8-9]，分為大量元素、中量元素和微量元素，主要來(lái)源于土壤礦物質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)、人工施肥、灌溉等，是土壤肥力的基礎(chǔ)[10-11]。參考全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)各肥力指標(biāo)的平均值對(duì)張家川土壤養(yǎng)分進(jìn)行分級(jí)并進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖2。結(jié)合表2和圖2可以看出，張家川土壤中各肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)各不相同，表明其豐缺狀況不同。土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為1.38g/kg，肥力分級(jí)處于三級(jí)水平，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在1～1.5g/kg；速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為37.25 mg/kg，肥力分級(jí)處于5級(jí)水平，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30mg/kg的樣本數(shù)占總數(shù)的58%，較為貧乏；速效磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.1 mg/kg，肥力分級(jí)處于三級(jí)水平；速效鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為217 mg/kg，肥力分級(jí)處于1級(jí)水平。綜上，張家川縣土壤養(yǎng)分總體呈現(xiàn)鉀富集氮貧乏的特征，在種植過(guò)程中需要施加土壤改良劑、有機(jī)肥等措施來(lái)提高產(chǎn)量[13]。

圖2 土壤養(yǎng)分頻率分布Figure 2 Soil nutrient frequency distributions

表2 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)Table 2 Soil nutrient assessment categories

2.2 肥力評(píng)價(jià)

2.2.1 確定肥力指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)《土壤質(zhì)量指標(biāo)與評(píng)價(jià)》提出的主導(dǎo)性、生產(chǎn)性和穩(wěn)定性的肥力指標(biāo)選取原則[14-15]，結(jié)合種植烏龍頭土壤的功能及其特定的環(huán)境狀況，除了上述5個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)之外，另選取陽(yáng)離子交換容量、土壤pH值作為肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)。因?yàn)殛?yáng)離子交換容量大小代表土壤保肥性的高低，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[16]；土壤pH值對(duì)土壤性質(zhì)的影響較大。

綜上，選取陽(yáng)離子交換容量、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效氮、速效磷和速效鉀共7個(gè)指標(biāo)作為土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用相關(guān)系數(shù)法確定各個(gè)肥力指標(biāo)的權(quán)重。運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算各項(xiàng)肥力指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。基于表3獲得各項(xiàng)肥力指標(biāo)與其他肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值，將該平均值(如為負(fù)數(shù)，取絕對(duì)值)與所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值的絕對(duì)值總和的比值作為該肥力指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性Table 3 Soil fertility indices correlativity

表4 土壤各肥力指標(biāo)權(quán)重Table 4 Soil fertility index weights

2.2.2 確定肥力指標(biāo)隸屬度

隸屬度的計(jì)算是通過(guò)建立各個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)模型來(lái)確定的，常見(jiàn)的隸屬度函數(shù)有拋物線型和S型[17]，如公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

根據(jù)作物效應(yīng)，本研究中土壤pH值采用拋物線型，陽(yáng)離子交換容量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效氮含量、速效磷含量和速效鉀含量采用S型隸屬度函數(shù)。式中x1、x2、x3和x4是各肥力指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，參照全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]，并結(jié)合張家川土壤養(yǎng)分狀況，確定各肥力指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如表5所示。根據(jù)所屬隸屬度函數(shù)類(lèi)型，將各轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)據(jù)和土壤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別代入公式(1)和(2)，所得各個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度值見(jiàn)表6。

表5 隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Table 5 Turning point values giving on membership functions curve

表6 土壤各項(xiàng)肥力指標(biāo)相應(yīng)的隸屬度Table 6 Soil fertility indices corresponding membership grades

2.2.3 土壤綜合肥力指數(shù)

采用加權(quán)法則，土壤綜合肥力指數(shù)IFI，其計(jì)算方法如公式(3)所示：

(3)

式中：N為參評(píng)指標(biāo)的數(shù)量；wi為第i個(gè)肥力指標(biāo)的權(quán)重；ui為第i個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度。IFI值介于0～1，其值越接近于1，表明土壤肥力越高。根據(jù)全國(guó)耕地質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 33469—2016)，結(jié)合甘肅土壤質(zhì)量的特點(diǎn)，張家川土壤IFI值為0.61，屬于中等水平。

2.3 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤中各單項(xiàng)肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表7，根據(jù)Nielsen的劃分標(biāo)準(zhǔn)(變異系數(shù)<10%為弱變異性；10%～100%為中等變異性)[18-19]。從表7中可以看出Cd、Hg、As的標(biāo)準(zhǔn)差均小于1，說(shuō)明這三組數(shù)據(jù)的離散程度較小，但是受平均值的影響，Cd、Hg的變異系數(shù)較大，屬于中等變異；Zn含量的最大值為283 mg/kg，最小值為66.20 mg/kg，變化范圍較廣，其變異系數(shù)為38%，屬于中等變異。Pb、Cr、Cu、Ni變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異。值得注意的是，相較于背景值，土壤中所測(cè)的8種重金屬的含量均有所增大，其中，Pb、Cd、Hg的含量增加幅度較大，超過(guò)背景值20%以上。

表7 土壤中重金屬濃度的統(tǒng)計(jì)特征Table 7 Statistical features of soil heavy metal concentrations

參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》[21](GB15618—2018)中農(nóng)用地土壤污染篩選值，采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)張家川土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法如公式(4)和(5)所示：

Pi=Ci/Si

(4)

式中：Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數(shù)；Ci為調(diào)查點(diǎn)位中污染物i的實(shí)測(cè)值；Si為污染物i的參考值；Pi值介于0～1，未受到污染；介于1～2，輕度污染，介于2～3，中度污染；大于3，重度污染。

(5)

表8 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 Soil environmental quality assessed results

從單因子指數(shù)看，張家川烏龍頭種植地表層土壤中重金屬均未超標(biāo)，單因子污染指數(shù)從大到小的順序?yàn)椋篈s >Cd >Cr>Cu=Zn >Ni >Pb >Hg，As的單因子污染指數(shù)為0.56，接近于0.7。從綜合污染指數(shù)分析，張家川土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為1級(jí)，污染水平為清潔，未受污染。

通過(guò)上述分析，張家川土壤養(yǎng)分豐缺狀況不同，速效鉀含量豐富可能與當(dāng)?shù)刈魑锝斩掃€田有關(guān)[22]，研究表明，鉀在秸稈內(nèi)以離子形態(tài)存在，極易被淋洗出來(lái)，導(dǎo)致速效鉀的含量較高。此外，由于區(qū)域土壤中鹽基飽和度較高[20]，碳酸鹽溶解，造成pH值普遍較高；重金屬平均值均高于背景值是受當(dāng)?shù)厥┘佑谕寥乐械挠袡C(jī)肥(豬糞、牛糞、羊糞等)、化肥、農(nóng)藥等影響[23-24]，出現(xiàn)累積效應(yīng)。

3 結(jié)論

張家川縣典型烏龍頭種植區(qū)域中土壤各肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)各不相同，其豐缺狀況不同。其中，有機(jī)質(zhì)含量偏低，均值為16.6g/kg，屬四級(jí)；全氮含量適宜，屬三級(jí)；速效鉀、速效磷含量豐富，分別屬于二級(jí)和一級(jí)，而速效氮含量偏低，均值為37.25mg/kg，屬五級(jí)。通過(guò)綜合指數(shù)法，張家川土壤肥力綜合指數(shù)為0.61，屬于中等水平，需要施加土壤改良劑、有機(jī)肥等措施促進(jìn)烏龍頭生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量。土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為1級(jí)，未受污染，屬于安全等級(jí)，但重金屬含量均高于背景值，具有一定累積效應(yīng)。