赤峰地區(qū)設(shè)施番茄主產(chǎn)區(qū)土壤健康評價

秦立金 張美玲 李亞如 張玲玲 崔麗穎 夏雨夢 龐鑫艷 王艷雪 劉利紅

（1.赤峰學院農(nóng)業(yè)科學研究院 內(nèi)蒙古赤峰024000；2.赤峰學院化學與生命科學學院 內(nèi)蒙古赤峰024000）

土壤健康與土壤質(zhì)量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡的基礎(chǔ)，土壤健康不僅是生態(tài)施肥的目標和基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)涵[1]。 而土壤健康管理的基礎(chǔ)是確定土壤健康的關(guān)鍵性指標并進行評價[2]，這對土地管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[3]。 土壤物理學評價，包括土壤容重和土壤孔隙度，通過改善土壤結(jié)構(gòu)，促進團粒結(jié)構(gòu)形成，滿足作物根系對水、肥、氣和熱的要求，對作物的生長發(fā)育具有重要意義[4]。 化學評價包括土壤EC 值、pH、有機質(zhì)含量、大量和中微量元素等。 而重金屬則主要包括鉛、鋅、銅、砷、汞、鉻等[5]。

國內(nèi)有關(guān)礦區(qū)[6-7]、污染農(nóng)田[8-9]的土壤重金屬風險評價的研究已見報道。 近幾年，赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，由于其獨特的地理位置和氣候條件，設(shè)施番茄種植已成為當?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)。 土壤是一個復雜和動態(tài)的生物系統(tǒng)[10]，土壤健康與否關(guān)系到我國糧食食品安全， 也已成為近幾年來廣大學者研究的熱點。 篩選出影響赤峰市設(shè)施番茄土壤健康的主因子并進行科學而全面的分析， 對赤峰市設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

因此， 本試驗對赤峰市寧城縣大城子和松山區(qū)大廟鎮(zhèn)2 個主要設(shè)施番茄主產(chǎn)區(qū)的土壤進行取樣，測定其基本理化和重金屬含量等指標， 通過對各指標及各指標間的相關(guān)性分析， 篩選影響土壤健康的因子， 為以后赤峰市其他及周邊地區(qū)的設(shè)施蔬菜土壤評價和修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

土壤采樣點：寧城縣大城子鎮(zhèn)和松山區(qū)大廟鎮(zhèn)。

1.2 采樣時間及方法

1.2.1 采樣時間 2018 年5 月至2019 年2 月期間，分別在不同地區(qū)不同茬口番茄定植前取土。

1.2.2 土樣采集方法 采用“W”型5 點取樣法，使用土鉆取番茄根際20 cm 土層土，裝入塑料袋，做好標記，記錄日期和采樣地，帶回實驗室處理。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤基本理化指標測定方法 pH： 離子選擇電極法；EC 值（電導率）：雷磁 DDS-307A 測定；有機質(zhì)：重鉻酸鉀稀釋熱法；總碳：紅外吸收光譜法；有機碳：重鉻酸鉀容量法； 總氮：自動定氮儀法測定；硝態(tài)氮：雙波段紫色比色法；銨態(tài)氮：氯化鉀浸提靛酚藍比色法；總磷：堿熔-鉬銻抗分光光度法；有效磷：碳酸氫鈉浸提， 鉬銻抗比色法； 全鉀： 酸溶、 火焰光度法。

1.3.2 土壤重金屬含量測定方法 采用HJ766-2015方法。 汞、砷、鉛、鎘：石墨爐原子吸收分光光度法；鉻、銅、鋅：電感耦合等離子體質(zhì)譜法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2007 軟件和 SPSS 23.0 進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)土壤基本理化性狀分析

2.1.1 pH 不同地區(qū)土壤pH 測定結(jié)果見表1，研究區(qū)土壤酸堿度空間差異較大， 在6.97～8.26 之間變化。 寧城地區(qū)土壤pH 變化范圍6.97～7.93，平均值為7.47，標準差為0.37，變異系數(shù)為4.95%。 松山大廟土壤pH 變化范圍 7.85～8.26，平均值為8.07，標準差為0.17，變異系數(shù)為2.11%，寧城地區(qū)變異系數(shù)大于松山大廟。 pH 在 6.5～7.5 之間， 土壤為中性或近于中性，pH 在 7.5～8.5 之間，土壤為微堿性。 通過對 2 個地區(qū)pH 的比較，寧城地區(qū)土壤屬于中性土，而松山區(qū)大廟土壤偏堿性。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤 pH 差異顯著（P＜0.05），寧城地區(qū) pH 小于松山大廟。

表1 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤pH 比較

2.1.2 土壤EC 值 EC 值代表土壤電導率， 是測定土壤水溶性鹽的指標。 土壤水溶性鹽代表表層土壤中可被植物利用的礦質(zhì)營養(yǎng)。不同地區(qū)土壤EC 值測定結(jié)果見表2， 寧城和大廟地區(qū)番茄設(shè)施土壤的EC值差異較大，變化范圍為 280.33～1 355.00 mS/cm。 寧城地區(qū)土壤EC 值在330.00～1 355.00 mS/cm，平均值為691.20 mS/cm，標準差為393.78 mS/cm，變異系數(shù)為 56.97%。 松山大廟地區(qū)土壤 EC 值在 280.33～667.33 mS/cm， 平均值為 471.73 mS/cm， 標準差為145.69 mS/cm，變異系數(shù)為30.88%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤 EC 值差異不顯著（P＞0.05），但寧城地區(qū)土壤電導率高于松山大廟地區(qū)， 且變異系數(shù)較大。

2.1.3 土壤有機質(zhì)含量 土壤有機質(zhì)是植物營養(yǎng)的主要來源之一，能夠促進植物的生長發(fā)育，改善土壤的物理性質(zhì)，促進微生物和土壤生物的活動，促進土壤中營養(yǎng)元素的分解，在一定范圍內(nèi)，有機質(zhì)的含量和土壤肥力水平成正比。 不同地區(qū)土壤有機質(zhì)含量測定結(jié)果見表3， 不同地區(qū)有機質(zhì)含量差異較大，變化范圍為1.59%～5.49%， 寧城地區(qū)有機質(zhì)含量在2.87%～5.49%，平均值為3.95%，標準差為1.03%，變異系數(shù)為26.08%。 松山大廟地區(qū)的有機質(zhì)含量在1.59%～3.00%，平均值為2.30%，標準差為0.64%，變異系數(shù)為27.82%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤有機質(zhì)含量差異顯著（P＜0.05），寧城地區(qū)有機質(zhì)含量大于松山大廟，變異系數(shù)小于松山大廟。

表3 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤有機質(zhì)含量比較

2.1.4 土壤有機碳、 總氮與C/N 不同地區(qū)土壤有機碳、總氮和C/N 測定結(jié)果見表4，不同地區(qū)有機碳、總氮差異較大，有機碳變化范圍為0.92%～3.19%，寧城地區(qū)土壤有機碳在1.67%～3.19%之間， 平均值為2.29%，標準差為0.60%，變異系數(shù)為26.20%。松山大廟土壤有機碳在0.92%～1.74%， 平均值為1.34%，標準差為0.37%，變異系數(shù)為27.61%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤有機碳差異顯著 （P＜0.05），寧城地區(qū)有機碳高于松山大廟， 變異系數(shù)小于松山大廟。 總氮變化范圍為0.092%～0.312%，寧城地區(qū)總氮在0.184%～0.312%之間，平均值為0.236%，標準差為0.049%， 變異系數(shù)為 20.76%。 松山大廟總氮在0.092%～0.170%， 平均值為 0.135%， 標準差為0.038%， 變異系數(shù)為28.15%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤總氮差異顯著（P＜0.05），寧城地區(qū)總氮高于松山區(qū)大廟，變異系數(shù)小于松山大廟。 C/N變化范圍為 9.05～10.64，寧城地區(qū) C/N 在 9.05～10.22之間， 平均值為9.62， 標準差為0.56， 變異系數(shù)為5.82%。 松山大廟 C/N 在 9.38～10.64，平均值為 9.92，標準差為0.53，變異系數(shù)為5.34%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤 C/N 差異不顯著（P＞0.05）。

表4 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤C/N 比較

2.1.5 土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮 氮素是植物生長必須的的營養(yǎng)元素之一， 土壤中的氮素含量直接表征了土壤為植物提供氮的潛能，氮分為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。不同地區(qū)土壤 硝態(tài)氮和銨態(tài)氮測定結(jié)果見表5，不同地區(qū)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮差異較大， 硝態(tài)氮變化范圍為15.30～101.00 mg/kg，寧城地區(qū)土壤硝態(tài)氮在38.10～101.00 mg/kg 之間，平均值為 72.84 mg/kg，標準差為28.48 mg/kg，變異系數(shù)為39.10%。 松山大廟土壤硝態(tài)氮在15.30～96.70 mg/kg，平均值為45.36 mg/kg，標準差為31.12 mg/kg，變異系數(shù)為68.61%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤硝態(tài)氮差異不顯著（P＞0.05）。 寧城地區(qū)土壤銨態(tài)氮在 6.21～12.20 mg/kg之間， 平均值為8.89 mg/kg， 標準差為 2.42 mg/kg，變異系數(shù)為27.22%。 松山大廟土壤銨態(tài)氮在3.48～9.14 mg/kg，平均值為5.58 mg/kg，標準差為2.39 mg/kg，變異系數(shù)為42.83%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤銨態(tài)氮差異不顯著（P＞0.05）。

表5 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮比較

2.1.6 土壤全磷和有效磷含量 不同地區(qū)土壤全磷和有效磷測定結(jié)果見表6，不同地區(qū)土壤全磷和有效磷含量差異較大，全磷變化范圍為992～2 247 mg/kg，寧城 地區(qū)土壤全磷在1 656～1 936 mg/kg 之間，平均值為1 807.60 mg/kg，標準差為101.72 mg/kg，變異系數(shù)為5.63%。 松山大廟土壤全磷在992～2 096 mg/kg，平均值為1 680.80 mg/kg，標準差為507.95 mg/kg，變異系數(shù)為30.22%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤總磷差異不顯著 （P＞0.05）。 有效磷變化范圍為96.4～232.0 mg/kg， 寧城地區(qū)土壤有效磷在 180～219 mg/kg 之間， 平均值為 196.80 mg/kg， 標準差為24.61 mg/kg，變異系數(shù)為12.51%。松山大廟土壤有效磷在 96.4～232.0 mg/kg，平均值為 159.08 mg/kg，標準差為65.78 mg/kg，變異系數(shù)為41.35%。 兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤有效磷差異不顯著（P＞0.05）。

表6 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤全磷和有效磷比較

2.1.7 土壤全鉀和速效鉀含量 不同地區(qū)土壤全鉀和速效鉀測定結(jié)果見表7，不同地區(qū)土壤全鉀和速效鉀含量差異較大，全鉀變化范圍為2.16%～2.51%，寧城地區(qū)土壤全鉀在2.24%～2.51%之間， 平均值為2.41%，標準差為0.12%，變異系數(shù)為4.98%。 松山大廟土壤全鉀在2.16%～2.27%，平均值為2.23%，標準差為0.05%，變異系數(shù)為2.24%。兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤全鉀差異顯著（P＜0.05），寧城地區(qū)全鉀含量高于松山大廟，變異系數(shù)大于松山大廟。 速效鉀變化范圍為262.00～863.00 mg/kg， 寧城地區(qū)土壤速效鉀在 393.00～863.00 mg/kg 之間， 平均值為577.40 mg/kg， 標準差為 172.76 mg/kg， 變異系數(shù)為29.92%。 松山大廟土壤速效鉀在262.00～731.00 mg/kg，平均值為517.60 mg/kg，標準差為208.76 mg/kg，變異系數(shù)為2.24%。兩獨立樣本t檢驗表明，2 個地區(qū)土壤速效鉀差異不顯著（P>0.05）。

表7 不同地區(qū)設(shè)施番茄土壤全鉀和速效鉀含量比較

2.1.8 土壤理化指標相關(guān)性分析 不同地區(qū)土壤理化指標相關(guān)性分析見表8，不同地區(qū)土壤理化指標間具有一定相關(guān)關(guān)系。 pH 與C/N 呈正相關(guān)根系，但差異不顯著；與其他指標均呈負相關(guān)關(guān)系，其中，與硝態(tài)氮呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.82；與銨態(tài)氮和全鉀呈顯著負相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)分別為-0.72 和-0.92。EC 值與各指標間未達到顯著相關(guān)。 有機質(zhì)含量與各指標均呈現(xiàn)正相關(guān)，其中，與有機碳和總氮呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為1.00 和0.99。 C/N 與有效鉀呈正相關(guān)，未達到顯著；與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.65 和-0.71。 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮和全鉀呈顯著正相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)分別為0.84 和0.80。 銨態(tài)氮與全磷和全鉀呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.67 和0.75。全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.82。 有效磷與有效鉀呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.68。 其余指標間未達到顯著差異。

表8 不同地區(qū)土壤理化指標相關(guān)性分析

2.2 不同地區(qū)重金屬含量分析

不同地區(qū)土壤重金屬含量見表9，2 個地區(qū)土壤Cd 與 Hg 含量差異顯著（P＜0.05），且寧城地區(qū)二者含量高于大廟地區(qū)。 Cd 的變化范圍0.11～0.16 mg/kg，寧城地區(qū)Cd 含量平均值為0.14 mg/kg， 松山大廟為0.11 mg/kg；Hg 的變化范圍為 0.014～0.045 mg/kg，寧城地區(qū)平均為0.029 mg/kg，松山大廟為0.016 mg/kg。其余幾種重金屬含量，2 個地區(qū)差異不顯著。 2 個地區(qū)不同重金屬含量變異系數(shù)差異較大， 其中，Hg 和Cu 含量的變異系數(shù)較大， 分別達到 45.45%和22.21%；As、Cd、Cr、Pb 和 Zn 變異系數(shù)較小。

表9 不同地區(qū)土壤重金屬含量比較（單位：mg/kg）

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤基本理化指標評價

我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中側(cè)重氮磷鉀肥的大量施用，但隨著設(shè)施種植年限的增加，設(shè)施土壤的基本理化性狀會發(fā)生改變。 本試驗對赤峰市2 個設(shè)施番茄主產(chǎn)區(qū)土壤進行了取樣， 研究表明，2 個地區(qū)土壤的基本理化指標具有一定差異，寧城地區(qū)土壤pH 值顯著低于松山大廟。 番茄生長適宜的土壤酸堿度（pH）以6.0～7.0 為宜，因此，寧城地區(qū)土壤酸堿性更適宜番茄生長，松山大廟土壤偏堿，建議底肥多使用有機肥或生物有機肥。 土壤有機質(zhì)對土壤穩(wěn)定性、肥力和作物生產(chǎn)力至關(guān)重要， 土壤有機質(zhì)超分子結(jié)構(gòu)受到耕作和土地管理的強烈影響[11]。 本研究表明，2 個地區(qū)土壤有機質(zhì)含量差異顯著， 寧城地區(qū)高于松山大廟， 這可能與寧城地區(qū)農(nóng)戶種植習慣和當?shù)赝寥罈l件等有關(guān)。 有研究表明，沿緯度梯度，土壤有機質(zhì)與土壤微生物群落組成和功能有密切相關(guān)[12]。

溶解性有機碳作為一種活性和流動碳， 在陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[13]。在土壤生產(chǎn)力和功能、 全球糧食安全和減緩氣候變化方面具有關(guān)鍵環(huán)境重要性的變量[14]。 本研究表明，寧城地區(qū)有機碳顯著高于松山區(qū)大廟。 相關(guān)分析結(jié)果表明，有機碳與有機質(zhì)相關(guān)系數(shù)為1， 與全氮達到99%極顯著相關(guān)。 土壤的C/N 是衡量土壤C 和N 營養(yǎng)平衡狀況的指標，與土壤質(zhì)地和養(yǎng)分有著密切關(guān)系。 相關(guān)研究表明，C/N 越小，土壤質(zhì)量越高，越能為植物生長提供養(yǎng)分，土壤中 C/N 通常在 8.1～12.1。 本研究中，2 個地區(qū)的C/N 均在我國土壤正常值范圍內(nèi)。 相關(guān)分析結(jié)果表明，C/N 與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮呈現(xiàn)顯著負相關(guān)， 而與總氮無相關(guān)性。

在我國， 氮磷鉀肥料投入量過高是設(shè)施農(nóng)業(yè)施肥的主要特點，尤其是生產(chǎn)中重視氮肥和磷肥，而氮肥和磷肥在生產(chǎn)中的投入量遠遠高于蔬菜本身吸收量，多余養(yǎng)分在土壤中積累。 實際生產(chǎn)中，氮肥的利用率約35%左右，磷肥的利用率在10%～25%，鉀肥在40%～50%[15]。 土壤中正常硝態(tài)氮的含量在150～200 mg/kg，銨態(tài)氮含量的正常范圍是在10～15 mg/kg。本研究表明， 寧城地區(qū)土壤的總氮和銨態(tài)氮含量顯著高于大廟地區(qū)， 但2 個地區(qū)土壤的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均較我國土壤正常含量偏低。 磷是植物生長所必需的主要元素之一， 參與植物呼吸作用和光合作用等。 本研究表明，寧城地區(qū)和松山大廟土壤全磷和有效磷差異不顯著。 鉀是植物營養(yǎng)的三要素之一,在植物體內(nèi)具有激活酶，調(diào)節(jié)植物碳、氮代謝過程，進而改善作物品質(zhì)、促進葉綠素的合成和光合作用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鉀肥的大量施用已成為實現(xiàn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的重要措施[16]。 本研究中，2 個地區(qū)土壤中全鉀差異顯著，寧城地區(qū)高于松山大廟。 我國土壤全鉀含量在0.3%～3.6%，2 個地區(qū)全鉀含量均在正常值范圍內(nèi)。

3.2 土壤重金屬含量評價

土壤重金屬的含量反映了土壤的污染程度，是土壤污染的重點研究對象， 主要包括砷 （As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、汞(Hg)、鉛（Pb）、鋅（Zn）。 砷以化合物的形式存在，很容易進入土壤中，造成一定程度的砷污染，非污染土壤砷含量為1～95 mg/kg。 鎘是天然形成的，變化范圍在 0.01～0.70 mg/kg，Cd 化合物有劇烈的毒性，易長期積累，引起慢性中毒，能降低植物中ATP 酶活性，阻礙K 向植物根內(nèi)輸導。鉻會引起植物細胞質(zhì)壁分離，導致細胞組織失水，影響種子萌發(fā)，我國土壤中平均鉻含量都小于80 mg/kg，一般為50～60 mg/kg。我國土壤銅的平均含量約為22 mg/kg，植物中含銅量過高，就會引起葉片發(fā)黃。 植物根系和葉片都可以吸收汞，如果作物出現(xiàn)汞中毒，就會枯萎、衰敗死亡，一般非污染土表土含汞不超過0.4 mg/kg。自然狀態(tài)下的土壤含鉛量為10～30 mg/kg，當植物中含鉛量超過一定濃度時，會抑制植物某些酶的活性，從而影響植物的光合作用，植物吸收養(yǎng)分不充足，造成減產(chǎn)。 鋅會參與植物中葉綠素和多種酶的合成，植物的含鋅量為10～100 mg/kg。

本研究表明，2 個地區(qū)土壤重金屬含量均不超標，其中，寧城地區(qū)的鎘（Cd）和汞（Hg）含量顯著高于松山大廟。因此，可選擇鎘（Cd）和汞（Hg）作為土壤重金屬含量評價指標。

綜上所述， 對赤峰地區(qū)設(shè)施番茄土壤的健康評價，可初步選擇pH、有機質(zhì)含量、有機碳、全氮、銨態(tài)氮、有效磷、全鉀、Cd 和 Hg 等指標。 但如果要進行更準確、精準的評價，還需結(jié)合中微量元素和土壤生物學指標，以及進一步增加取樣樣本容量。