湖南省油菜主產區(qū)土壤養(yǎng)分含量與重金屬污染風險評價

熊廷浩，黃益國，周 旋，魯艷紅，資 濤，胡宇倩，宋海星，*

(1.湖南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128； 2.衡陽市農業(yè)科學研究所，湖南 衡南 421101； 3.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125)

油菜是我國重要的油料作物之一，常年種植面積約737萬hm2，年產量約1 450萬t[1]。湖南是油菜生產大省，近年來種植面積穩(wěn)定在120萬hm2以上，年產量約210萬t?？茖W、合理地評價耕地土壤肥力能更好地了解土壤本質，為指導施肥、改良土壤、調整農業(yè)生產結構、發(fā)展精準農業(yè)等提供科學依據[2]，從而更好地利用現有的土壤資源[3]。充分調查和準確評價湖南油菜主產區(qū)耕地的土壤肥力和施肥狀況，對當地油菜產業(yè)發(fā)展具有積極的現實意義。

油菜生育期長，生物產量高，是一種需肥量較大的作物。一般而言，在我國油菜生產中，氮、磷、鉀、硼是限制產量提高的主要因素；但近年來，由施肥失衡、地力偏失導致的其他營養(yǎng)元素的短板日漸顯現[4]。此外，海拔、成土母質、氣候、種植品種、耕作方式和施肥水平等因素也都會對農田土壤的肥力產生深刻影響，導致不同油菜種植區(qū)域的耕地土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生較大變異[1，5]。叢日環(huán)等[6]調查發(fā)現，長江中下游不同冬油菜種植區(qū)的土壤有機質、全氮和有效磷含量均處于適宜或豐富的水平，但三熟制地區(qū)有相當比例的土壤需提高有效硼含量。張智等[7]將地統計學與地理信息學方法相結合，分析湖北、湖南、江西3省土壤樣品中微量元素含量的分布特征和空間變異，發(fā)現與第二次土壤普查相比，土壤有效態(tài)鐵、錳、銅含量均有大幅提升，鮮有缺乏，但土壤有效態(tài)鋅和硼含量的增幅相對較小，分別有30.8%和17.7%的耕地處于缺乏狀態(tài)。在本研究檢索范圍內，關于湖南省油菜種植區(qū)土壤營養(yǎng)元素的研究僅限于少量的氮磷鉀養(yǎng)分評價方面，對于土壤中其他養(yǎng)分和重金屬方面的研究較少。為此，本研究擬運用養(yǎng)分虧缺指數方法，分析湖南省油菜主產區(qū)土壤養(yǎng)分含量及其空間分布特征，并運用污染指數法對土壤重金屬污染風險進行評價，旨在為當地冬油菜產區(qū)的安全生產、土壤養(yǎng)分平衡管理和科學施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查區(qū)概況

本研究共采集56份土壤樣本，其中，在湖南省油菜種植面積排前4位的常德(29.21萬hm2)、衡陽(20.88萬hm2)、益陽(13.26萬hm2)、岳陽(11.75萬hm2)分別采集10份、10份、10份、14份土壤樣本，在種植面積相對較小的長沙(5.05萬hm2)、郴州(6.21萬hm2)和株洲(3.53萬hm2)分別采集5份、4份、3份土壤樣本。上述取樣點所在地區(qū)的油菜種植面積合計占湖南省油菜種植總面積的約70%。

1.2 土樣樣品采集與調查

于2018年4—5月(油菜角果發(fā)育期)，在每個樣點按照“S”形路線，依照“隨機”“等量”和“多點混合”的原則進行采樣，避開路邊、溝邊、田埂、肥堆等特殊部位，采集0～20 cm耕層土壤約2.0 kg，帶回實驗室，風干磨細后過篩，測定土壤養(yǎng)分、有效態(tài)重金屬含量和pH值。同時，調查并記錄各采樣點的輪作模式、種植方式和產量。

1.3 檢測方法

土壤pH值采用電位法(水土浸提的體積質量比2∶1)測定；有機質含量采用外加熱—重鉻酸鉀容量法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；交換性鈣和交換性鎂含量采用乙酸銨浸提—原子吸收分光光度法測定；有效硫含量采用磷酸鹽浸提—硫酸鋇比濁法測定；有效硼含量采用沸水浸提—甲亞胺姜黃素比色法測定；有效鉬含量采用草酸—草酸銨浸提法測定；有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提—原子吸收分光光度法測定；有效鉛、有效鎘、有效鎳含量采用原子吸收光譜法測定[8]。

1.4 土壤肥力評價

1.4.1 統計學特征

用算術平均數評價樣本的集中性。用變異系數(CV)表示樣本的離散程度，并按其CV值劃分為3類：<15%，弱變異；15%～75%，中等變異；>75%，強變異[9]。

1.4.2 土壤肥力單項指標評價

根據油菜的生長情況，突出油菜養(yǎng)分需求，對湖南油菜主產區(qū)的土壤肥力單項指標進行評價，評價項目主要包括土壤pH值，以及有機質、全氮、有效磷、速效鉀、有效硼、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效鉬、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量。

依據第二次全國土壤普查的分級標準，將土壤酸堿性分為6級：強酸性(<4.5)，弱酸性(4.5～<5.5)，微酸性(5.5～<6.5)，中性(6.5～<7.5)，堿性(7.5～<8.5)，強堿性(≥8.5)[10]。除土壤速效磷、速效鉀和有效硼分級指標參考鄒娟[11]的研究結果，有效鉬分級指標參考劉鵬等[12]的研究結果外，其他土壤養(yǎng)分均參考第二次全國土壤普查制定的分級指標[10]。各指標均分為缺乏(缺乏和嚴重缺乏)、中等(輕度缺乏和潛在缺乏)、豐富共3級[11]，將相應指標整理于表1。

1.4.3 土壤綜合肥力評價

結合本研究實際情況，選取土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、有效硼、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效鐵、有效錳、有效銅含量和pH值用于土壤綜合肥力評價。

為了消除參評指標間的量綱差異，首先對選定的某項土壤養(yǎng)分指標進行標準化處理，將其轉化為肥力系數(IFI)[12]：

(1)

式(1)中：V為IFI的值；xa、xc分別對應于表1中相應土壤養(yǎng)分缺乏、豐富的臨界值；xb為xa、xc的平均值。對于土壤pH值而言，xa、xc分別取值4.5、8.5。

表1 土壤養(yǎng)分分級標準

通過上述方法標準化后，IFI的值介于0～3，各項指標間的可比性、對油菜生長需求的針對性都變得更強。各土壤養(yǎng)分指標同一級別的肥力系數接近，可比性高，且當測定值超過上限臨界值時，肥力系數不再提高，更符合油菜對土壤養(yǎng)分的需求并不是越高越好的生產實際。

采用修正后的內梅羅(Nemoro)指數公式[13]計算土壤綜合肥力(I)：

(2)

式(2)中：Imean和Imin分別為針對各項土壤養(yǎng)分指標測算的IFI中的平均值和最小值；n為參與評價的土壤養(yǎng)分指標的個數(本文為12)。根據I值將土壤綜合肥力分為4個等級：<0.9，貧瘠；0.9～<1.80，一般；1.8～<2.7，肥沃；≥2.7，很肥沃。

1.5 土壤重金屬污染風險評價

選取GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》中的污染風險篩選值(低于或等于該值，對農產品質量安全、農作物生長、土壤生態(tài)環(huán)境的風險較低)作為評價標準。本研究中的土壤樣本為耕作土壤，且大部分為水旱輪作，故采用較為嚴格的風險篩選值進行判別，且僅判別有效態(tài)的銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鎳(Ni)。將其風險篩選值整理于表2。

表2 農用地土壤重金屬風險篩選值

采用土壤單項污染指數法(Pi)對各重金屬進行單項評價：

(3)

式(3)中：Pi為土壤中重金屬i的污染指數；Ci為重金屬i含量的實測值；Si為重金屬i的風險篩選值。當Pi≤1時，表示未污染；當13時，表示重度污染[11，14]。

1.6 數據分析

采用Excel 2016、SPSS 21軟件進行數據整理和單因素方差分析，使用WPS 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)油菜生產概況

調查表明，研究區(qū)的油菜耕作主要包括水稻-油菜、玉米-油菜、棉花-油菜、芝麻-油菜和蔬菜-油菜共5種輪作模式。其中，水稻-油菜模式占比最大(73.2%)，其次為玉米-油菜(8.9%)、蔬菜-油菜(7.1%)，棉花-油菜和芝麻-油菜模式各占5.4%。油菜播種方式主要分為直播和移栽2種，其中，直播占比62.5%(n=35)，移栽占比37.5%(n=21)。這說明，在當下湖南農村青壯勞動力欠缺的背景下，研究區(qū)的油菜生產正在轉向直播等輕簡化栽培方式。研究區(qū)的油菜產量在1 500～2 250 kg·hm-2的占46.4%(n=26)，在1 500 kg·hm-2以下的占39.3%(n=22)，在2 250 kg·hm-2以上的占14.3%(n=8)。相比長江中游其他省份[15]，研究區(qū)內大部分地塊的油菜產量處于中低水平，具有較大的增產空間。油菜產量雖受土壤養(yǎng)分狀況的影響，但也取決于氣候、土壤類型等其他因素。在湖南，油菜生長季的降水量比較大，易發(fā)生土壤漬害，會嚴重影響油菜產量。因此，在湖南省油菜產區(qū)，除要合理施肥改善地力外，通過開溝、排漬等措施改善土壤條件對于提高油菜產量來說也非常重要。

2.2 研究區(qū)土壤肥力評價

對研究區(qū)的土壤肥力進行評價(表3)：土壤pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀的肥力系數分別為1.6、1.9、2.4、2.2、1.7，有效硼、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效鉬的肥力系數分別為2.0、3.0、3.0、1.0、3.0、3.0、3.0、3.0、3.0。經測算，研究區(qū)的土壤綜合肥力為1.67，土壤肥力一般。

表3 研究區(qū)的土壤肥力特征

研究區(qū)土壤pH值平均值為5.7，變幅為4.3～8.0，變異系數為19.9%，中等變異。其中，73.2%的土壤樣品呈弱酸性和微酸性(4.5～6.5)，且以呈弱酸性的占比最高(50.0%)，微酸性的占比次之(23.2%)，16.0%的土壤樣品呈堿性(>7.5～8.5)，強酸性和中性的樣品占比最少，各占5.4%(圖1)?？傮w來看，研究區(qū)土壤主要呈弱酸性、微酸性。

研究區(qū)的土壤有機質平均含量為29.0 g·kg-1，變幅為11.0～57.0 g·kg-1，變異系數為35.0%，中等變異。其中，有機質含量缺乏的占25.0%，中等的占58.9%，豐富的占16.1%(圖2)?？傮w來看，研究區(qū)土壤有機質含量中等。

研究區(qū)的土壤全氮平均含量為1.7 g·kg-1，變幅為0.8～2.8 g·kg-1，變異系數為29.5%，中等變異。其中，土壤全氮含量缺乏的占7.2%，中等的占58.9%，豐富的占33.9%。總體來看，研究區(qū)土壤全氮含量中等。

研究區(qū)的土壤有效磷平均含量為23.2 mg·kg-1，變幅為2.9～126.3 mg·kg-1，變異系數為90.6%，強變異。其中，土壤有效磷含量缺乏的占28.6%，中等的占46.4%，豐富的占25.0%?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效磷含量中等，且各地間差異較大。

研究區(qū)的土壤速效鉀平均含量為103.4 mg·kg-1，變幅為42.0～212.0 mg·kg-1，變異系數為38.8%，中等變異。其中，土壤速效鉀含量缺乏和豐富的各占7.2%，中等的占85.6%?？傮w來看，研究區(qū)土壤速效鉀含量中等。

研究區(qū)的土壤有效硼平均含量為0.4 mg·kg-1，變幅為0.2～1.0 mg·kg-1，變異系數為93.7%，強變異。其中，土壤有效硼含量缺乏和豐富的各占3.6%，中等的占92.8%?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效硼含量中等。

研究區(qū)的土壤交換性鈣平均含量為1 994 mg·kg-1，變幅為145.4～6 410 mg·kg-1，變異系數為62.6%，中等變異。其中，土壤交換性鈣含量缺乏的占5.4%，中等的占44.6%，豐富的占50.0%?？傮w來看，研究區(qū)土壤交換性鈣含量豐富。

研究區(qū)的土壤交換性鎂平均含量為148.2 mg·kg-1，變幅為25.9～418.3 mg·kg-1，變異系數為51.3%，中等變異。其中，土壤交換性鎂含量缺乏的占5.4%，中等的占39.3%，豐富的占55.3%?？傮w來看，研究區(qū)土壤交換性鎂含量豐富。

研究區(qū)的土壤有效硫平均含量為22.1 mg·kg-1，變幅為5.0～59.6 mg·kg-1，變異系數為34.4%，中等變異。其中，土壤有效硫含量缺乏的占69.6%，中等的占26.8%，豐富的占3.6%?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效硫含量缺乏。

研究區(qū)的土壤有效鐵平均含量為191.5 mg·kg-1，變幅為8.7～433.5 mg·kg-1，變異系數為69.5%，中等變異。其中，土壤有效鐵含量缺乏的占1.8%，中等的占19.6%，豐富的占78.6%。總體來看，研究區(qū)土壤有效鐵含量豐富。

研究區(qū)的土壤有效錳平均含量為66.2 mg·kg-1，變幅為9.3～264.3 mg·kg-1，變異系數為73.6%，中等變異。其中，土壤有效錳含量中等的占12.5%，豐富的占87.5%，無有效錳含量缺乏的樣本。總體來看，研究區(qū)土壤有效錳含量豐富。

研究區(qū)的土壤有效銅平均含量為4.5 mg·kg-1，變幅為0.9～9.0 mg·kg-1，變異系數為34.3%，中等變異。其中，土壤有效銅含量中等的占3.6%，豐富的占96.4%，無有效銅含量缺乏的樣本?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效銅含量豐富。

研究區(qū)的土壤有效鋅平均含量為5.1 mg·kg-1，變幅為0.7～17.1 mg·kg-1，變異系數為63.8%，中等變異。其中，土壤有效鋅含量中等的占10.7%，豐富的占89.3%，無有效鋅含量缺乏的樣本?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效鋅含量豐富。

研究區(qū)的土壤有效鉬平均含量為0.2 mg·kg-1，變幅為0～0.5 mg·kg-1，變異系數為61.5%，中等變異。其中，土壤有效鉬含量缺乏的占55.4%，中等的占21.4%，豐富的占23.2%?？傮w來看，研究區(qū)土壤有效鉬含量中等。

2.3 研究區(qū)土壤重金屬污染風險評價

研究區(qū)土壤有效態(tài)Cd的Pi平均值為0.75(未污染)，變異系數87.4%，為強變異。其中，未污染(Pi≤1)樣本占比最多(80.3%)，輕度污染(13)樣本各占1.8%。研究區(qū)土壤有效態(tài)Cu、Zn、Pb、Ni的Pi平均值分別為0.08、0.02、0.10、0.01，變異系數分別為39.7%、64.3%、65.8%、64.6%，均為中等變異?？傮w來看，研究區(qū)立地環(huán)境中銅、鋅、鉛、鎳的重金屬污染風險極低。

3 討論

對耕作土壤的養(yǎng)分狀況進行調查與評價是指導作物合理施肥與開展養(yǎng)分管理的重要依據[16]。

表4 研究區(qū)土壤重金屬污染風險

近年來，我國冬油菜種植區(qū)的土壤肥力穩(wěn)中有升，但速效養(yǎng)分相對缺乏的面積擴大，施肥對油菜增產的貢獻率逐漸增大。換言之，油菜豐產需建立在科學施肥的基礎上[17]。本調查發(fā)現，湖南油菜主產區(qū)的土壤普遍呈微酸性和弱酸性，這不利于油菜對土壤中鈣、鎂等元素的吸收，若不加以適當調控，長此以往，會加速土壤貧瘠和重金屬的活化，增加土傳病害的發(fā)生概率。土壤有機質在提高土壤養(yǎng)分有效性、緩沖性和保肥性，減輕或消除土壤農藥和重金屬污染，改善土壤結構，增強蓄水性和通氣性等方面具有重要意義[18]，是評價土壤肥力的重要指標之一。劉云慧等[19]研究表明，化肥施用量的大幅上升能促進作物產量提高，增加土壤中作物殘茬和根的有機質輸入，進一步提高土壤有機質含量。但本調查發(fā)現，湖南油菜主產區(qū)土壤有機質含量不足的現象比較突出，83.9%的土壤樣本表現為有機質含量缺乏或中等，這可能與農戶長期未施用有機肥和秸稈焚燒不還田有關，今后應注意采取增加土壤有機質含量的措施，如增施商品有機肥、秸稈還田、種植綠肥等，提升土壤肥力。

鄒娟[11]研究表明，長江流域油菜種植區(qū)的N、P、K含量大部分處于缺乏或中等水平。本調查表明，湖南省油菜主產區(qū)的土壤全氮、有效磷、速效鉀含量缺乏的比例分別為7.2%、28.6%和7.2%，中等的比例分別為58.9%、46.4%和85.6%，另外，還分別有33.9%和25.0%的土壤樣本全氮和速效磷含量豐富，可見氮、磷、鉀養(yǎng)分缺乏的情況并不嚴重。調查中，土壤鉀素缺乏的比例大于氮、磷，可能與當地生產中鉀肥投入量相對不足有關[20]。因此，在施肥過程中應根據土壤N、P、K養(yǎng)分狀況，適當控制氮肥和磷肥的投入，防止過量施肥導致環(huán)境污染。

土壤中微量元素含量的差異主要是由局部地形、土壤類型、氣候條件等因素造成的土壤礦物風化分解速率差異引起的[21]。白由路等[22]認為，我國土壤有效鎂含量較低的區(qū)域主要集中在長江以南地區(qū)，有54%的土壤需要不同程度地補充鎂素肥料。鄒娟[11]研究表明，長江流域油菜種植區(qū)土壤Ca、Mg、Fe、Mn、Cu含量相對豐富，B大部分處于缺乏或中等水平，S和Zn可能是油菜生產中的土壤養(yǎng)分潛在缺乏因子。雖然油菜生長需要的大量元素養(yǎng)分遠超過中、微量元素，但由于生產中往往只重視大量元素肥料的應用，土壤中、微量元素反而因得不到補充而含量下降。本調查表明，有效硫、交換性鈣和交換性鎂的缺乏和中等比例合計分別為96.4%、50.0%和44.7%，有效硼和有效鉬的缺乏和中等比例合計分別為96.4%和76.8%，可見硼、硫、鉬元素普遍缺乏，還有約一半的土壤缺少鈣和鎂。湖南油菜主產區(qū)大部分是酸性或微酸性土壤，鐵、錳、銅、鋅的有效性較高，其含量均超過豐富級。因此，針對湖南省油菜種植區(qū)的土壤養(yǎng)分現狀，在施用大量元素肥料的同時，應合理增施硼肥，適當補充含硫、鈣、鎂、鉬肥料。這既是避免最小養(yǎng)分限制的重要施肥策略，也是實現湖南省油菜產業(yè)減肥增效目標的重點方向。施用有機肥不僅能夠增加土壤有機質含量，還可補充中、微量元素。顯然，有機無機肥配施也是今后值得推廣的施肥方向。

代天飛等[23]研究表明，重金屬在油菜籽粒中的累積遠小于在莖中的累積，而油菜收獲物恰是油菜籽，因此關于油菜重金屬污染風險方面的研究相對較少。但是，隨著油菜食用價值的提升，油菜薹的食用需求量日漸增長，人們對油菜的收獲期望也不再僅僅局限于油菜籽，故深入研究油菜對重金屬的累積特性及其食用風險的必要性日益突出。本調查在湖南油菜主產區(qū)立地環(huán)境中并未發(fā)現鉛、鎳污染，有19.7%的土壤樣本有鎘污染風險，但多為輕度污染。針對鎘污染，可采取施用石灰、有機肥和堿性肥料等方法來降低土壤中重金屬的有效性，從而降低油菜鎘污染風險。

總之，本調查顯示，湖南省油菜種植區(qū)土壤有機質和多種養(yǎng)分缺乏現象比較普遍，從缺乏和中等合計比例來看，有機質、全氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效硼和有效鉬分別為83.9%、66.1%、75.0%、92.8%、50.0%、44.7%、96.4%、96.4%和76.8%，但多數為中等。因此，在油菜生產中，除土壤自身能供應的養(yǎng)分外，還普遍需要通過施肥的方式補充氮、磷、鉀和硼、硫、鉬養(yǎng)分，另需適當補充鈣、鎂養(yǎng)分。其中，氮素養(yǎng)分容易損失，且60%的氮素需在薹期前積累，應通過基追結合的方式施用，約60%～70%做基肥，30%～40%做追肥。如果一次性施用緩控釋氮肥，應保證薹期前和后期釋放氮素的比例為(60%～70%)∶(30%～40%)，其余元素可一次性基施。油菜專用全營養(yǎng)緩控釋復合(混)肥能平衡供應多種營養(yǎng)元素，控制氮素釋放速度，一次施用可滿足全生育期養(yǎng)分需求，建議采用。此外，還可結合有機無機肥配施等施肥方法對土壤養(yǎng)分進行綜合管理。