溫室大棚寒地黑土質(zhì)量綜合評價及安全性分析

于久茹，王 雪，劉 輝，魏 嘉，鄒繼穎，2*，侯哲生，2

(1.吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林省秸稈原料化工程研究中心，吉林 吉林 132022)

寒地黑土是指發(fā)育在北緯40°～50°之間的寒溫帶濕潤、半濕潤地區(qū)，具有深厚腐殖層的高寒黑色土壤.寒地黑土有機質(zhì)含量3%～10%，約是黃土的10倍，土壤肥力高，外觀呈“純黑色”，較適宜農(nóng)耕[1].寒地黑土是種植糧食、蔬菜的寶貴土壤，具有“熊貓土”之稱.習(xí)近平總書記在吉林省四平市梨樹縣考察時強調(diào)：“要認(rèn)真總結(jié)和推廣梨樹模式，采取有效措施切實把黑土地這個‘耕地中的大熊貓’保護(hù)好、利用好，使之永遠(yuǎn)造福人民”.因此對寒地黑土的研究是極其重要的.

自然干擾和農(nóng)業(yè)實踐，如耕作、灌溉、焚燒、農(nóng)藥和化肥的使用，會導(dǎo)致土壤質(zhì)地、水分、pH值和有機質(zhì)等物理和化學(xué)參數(shù)的失衡.pH值、土壤有機質(zhì)、金屬含量等因素可以直觀地反映出土壤環(huán)境質(zhì)量[2-3].高緯寒地土壤質(zhì)量變化與生態(tài)環(huán)境和經(jīng)營水平密切相關(guān)[4].因此，本文以吉林省四平市梨樹縣某溫室大棚的寒地黑土為例，通過對土壤的pH值、有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷、金屬含量、顆粒等調(diào)查研究，分析土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及安全性.

1 實驗部分

1.1 樣品采集

本實驗樣點采集區(qū)域為某溫室農(nóng)用大棚，采樣點位于吉林省四平市梨樹縣，北緯43°17′43″，東經(jīng)124°16′26″，海拔146.06 m.作物日照年平均氣溫為8.4 ℃，年平均降雨量為692.2 mm，雨量集中在每年的5-10月.采樣時間為8月份，該區(qū)的土壤屬于寒地黑土[5].

溫室大棚材質(zhì)為塑料，溫室長100 m，寬12.5 m，種植作物以豆角(Vigna unguiculata(Linn.)Walp.)為主，近5年都是上半年種植豆角，下半年種植西紅柿(Lycopersicon esculentum Miller)，連續(xù)不歇茬種植.土壤施肥量大，主要施用含有K、Ca、Mg的化肥和農(nóng)用有機肥，灌溉用水為地下水.每年秋天會將溫室內(nèi)的土壤旋耕約20 cm.

采樣方法為梅花5點采樣法，分別為A、B、C、D、E 5點.在溫室內(nèi)側(cè)距離溫室各邊緣0.2 m處對種植組土壤進(jìn)行分層采樣，分別標(biāo)記為A、B、C、D.在距溫室寬6.2 m和距溫室長49.8 m處對對照組土壤進(jìn)行分層采樣，標(biāo)記為E.將采集好的樣品分類放入不同的密封袋中，貼好標(biāo)簽，帶回備用.同時記錄采樣地點的環(huán)境狀況.

1.2 試劑與儀器

采集的土壤鮮樣采用烘干法測定土壤的含水率.將采集的土壤樣品風(fēng)干，過篩，然后對土壤進(jìn)行基本理化指標(biāo)的測定.對所采集的土壤通過測定pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤的粒徑以及金屬含量進(jìn)行分析，所有測定方法均參考《土壤分析技術(shù)規(guī)范》(第二版)[6].其中顆粒的測量方法是進(jìn)行改進(jìn)的方法，采用吸量法結(jié)合顆粒圖像分析儀測定土壤粒徑.

1.3 實驗過程

FA2004N電子天平：上海菁海儀器有限公司；DNG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)烘干燥箱：上海精宏儀器有限公司；ZCA-1000火焰原子吸收分光光度計：北京中和測通儀器有限責(zé)任公司；T9紫外分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；WKL-702顆粒圖像分析儀：上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司.實驗所得數(shù)據(jù)采用Office和Origin進(jìn)行分析處理.

1.4 評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1 pH評價模型

(1)

式中，Xmin為土壤指標(biāo)的最小值；Xmax為土壤指標(biāo)的最大值；F(X)為pH隸屬值[7].

1.4.2 有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷評價模型

(2)

式中，Ymin為土壤指標(biāo)的最小值；Ymax為土壤指標(biāo)的最大值；F(Y)為養(yǎng)分隸屬值[7].

1.4.3 土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)

(3)

式中,F綜為土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)；Wi為i個因子權(quán)重，權(quán)重利用熵值法計算；Ni為i個因子隸屬系數(shù)；n為評價因子的總數(shù)目[8].

1.4.4 土壤單因子污染指數(shù)

(4)

式中，Pi為土壤中污染物i的單項污染指數(shù)，Pi越大，污染越嚴(yán)重；Ci為土壤中污染物i的實測值[9]；Si為土壤中污染物i標(biāo)準(zhǔn)值[10].標(biāo)準(zhǔn)值選用GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量》作為土壤污染評價標(biāo)準(zhǔn)[11].Pi分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[12].

1.4.5 土壤綜合污染指數(shù)

(5)

式中，P綜為綜合污染指數(shù)；Pmax為所有單項污染指數(shù)的最大值；Pavg為土壤各單項污染指數(shù)中的平均值[8].P綜分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[12].

1.4.6 土壤潛在生態(tài)危害指數(shù)

(6)

(7)

(8)

表1 各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤質(zhì)量特征分析

2.1.1 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)

研究區(qū)土壤基本指標(biāo)如表2所示，與國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照[14]，粉粒含量在40%～100%的土壤為粉砂質(zhì)壤土.土壤pH范圍為5.28～6.70，表層與深層pH平均值分別為5.72、6.05.土壤有機質(zhì)平均值分別為27.02、19.19 g·kg-1，與國家二級標(biāo)準(zhǔn)[15]比對確定該土壤等級為三級.土壤堿解氮平均值分別為733.31、316.22 g·kg-1，有效磷平均值分別為86.86、71.60 g·kg-1，速效鉀平均值分別為556.86、120.44 g·kg-1，與國家二級標(biāo)準(zhǔn)[6]比對確定該土壤有效養(yǎng)分含量為一級土壤營養(yǎng)含量.表層與深層對比，表層指標(biāo)含量明顯高于深層指標(biāo)含量.各指標(biāo)變異系數(shù)在0.74%～142.78%之間，顆粒的變異系數(shù)最小，低于6%，速效鉀的變異系數(shù)最大，超過20%.

表2 土壤基本理化指標(biāo)

土壤為粉砂質(zhì)土壤，土壤松散，CO2、O2透過率較高，呈酸性，與以往研究吉林省土壤呈酸性結(jié)果一致[16].土壤養(yǎng)分分布不均勻，速效鉀、堿解氮、有效磷、有機質(zhì)表層與深層養(yǎng)分含量差異較大，表層含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于深層含量，不同土層間差異性顯著，這與張連金等人研究結(jié)果相似[17].有效磷、堿解氮、速效鉀表層含量高于深層含量可能為長期施肥是通過化肥與水按比例混合澆灌在土壤表層所導(dǎo)致.有機質(zhì)含量表層高于深層的原因主要分為兩點，第1點由于栽培的植物在衰老期葉子會自然脫落，積累在土壤表面，遷移進(jìn)入到土壤，在土壤微生物的作用下腐解，使胡敏酸以及富里酸含量增加[18].而腐殖質(zhì)組分為富里酸與胡敏酸[19]，所以富里酸與胡敏酸的增加使腐殖質(zhì)酸總碳量增加，從而使表層有機質(zhì)含量高于深層有機質(zhì)含量；第2點，長期施加化肥以及有機肥，土壤養(yǎng)分含量升高，從而土壤有機質(zhì)含量升高，這與劉學(xué)彤、鄭春蓮等人研究結(jié)論相似[20].由于化肥與水按比例混合澆灌在土壤表層，從而導(dǎo)致上層0～5 cm有機質(zhì)含量高于下層5～10 cm有機質(zhì)含量.因此適當(dāng)殘留管理，可以提高土壤有機碳庫，提高土壤質(zhì)量[21].

2.1.2 不同土層質(zhì)量單因素評價

雷達(dá)圖中的屬性坐標(biāo)點離原點越遠(yuǎn)狀態(tài)越好，各屬性坐標(biāo)點圍成的多邊形面積越大則其評價對象的整體狀態(tài)越好[17].土壤不同層的指標(biāo)隸屬度見圖1.

圖1 土壤指標(biāo)隸屬度雷達(dá)圖

上層土壤整體狀態(tài)好于下層土壤，表明土層的深淺會影響隸屬度的數(shù)值，隸屬度隨土壤深度的增加而降低，與張連金等研究結(jié)論一致[17].隸屬度函數(shù)值最小的為速效鉀，其次是堿解氮，說明速效鉀與堿解氮為影響研究區(qū)土壤質(zhì)量的限制性因子[17].可能是因為氮、鉀元素均為當(dāng)年消耗，磷元素則為次年消耗[22]，使速效鉀、堿解氮指標(biāo)狀態(tài)劣于有效磷指標(biāo)狀態(tài).

2.2 土壤質(zhì)量評價

2.2.1 土壤質(zhì)量綜合評價

土壤的質(zhì)量綜合評價指數(shù)越大，表示土壤質(zhì)量越好[23].通過土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)公式計算，結(jié)果見圖2，上層土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)數(shù)值高于下層土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)數(shù)值.D點相對于其他值高出很多，說明D點土壤質(zhì)量比其他點較好，更有利于作物的生長.土壤質(zhì)量高低順序為D(0.75)>C(0.6)>E(0.43)>B(0.4)>A(0.23).如圖2所示，A點土壤質(zhì)量綜合指數(shù)低于E點土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，可能是農(nóng)藥和化肥的使用不均勻，導(dǎo)致綜合評價指數(shù)較低.

采樣點圖2 土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)散點圖

2.2.2 土壤金屬污染評價

通過計算土壤金屬單因子污染指數(shù)對土壤進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示.

采樣點圖3 單因子污染指數(shù)散點圖

金屬Cd的單因子污染指數(shù)高于其他金屬單因子污染指數(shù)，但各金屬單因子污染指數(shù)均在0

通過計算土壤金屬綜合污染指數(shù)對土壤進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示.綜合污染指數(shù)依次為A0-5(0.49)

采樣點圖4 綜合污染指數(shù)散點圖

通過計算土壤金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)對土壤進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示.各重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)依次為B5-10(3.80)

表3 土壤潛在生態(tài)危害指數(shù)

土壤各金屬含量通過與GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量》進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，各采樣點金屬含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值.單因子污染指數(shù)各數(shù)值(0

3 結(jié) 論

通過對處于溫室大棚的寒地黑土土壤pH、土壤肥力、土壤粒徑以及土壤重金屬等因子進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：速效鉀與堿解氮為影響研究區(qū)土壤質(zhì)量的限制性因子；農(nóng)用溫室大棚土壤的肥力較高，土壤為粉砂質(zhì)壤土，呈酸性；有效磷、堿解氮、速效鉀含量均達(dá)到國家一級標(biāo)準(zhǔn)，只有有機質(zhì)含量為國家三級標(biāo)準(zhǔn)；土壤重金屬含量均未超過農(nóng)用土壤國家標(biāo)準(zhǔn)，土壤生態(tài)危害等級較低.

吉林省是產(chǎn)糧大省，所產(chǎn)糧食、蔬菜輸入我國各地，種植作物土壤的安全問題是不可忽略的.習(xí)總書記在視察吉林省四平市梨樹縣時也強調(diào)一定要做好黑土的保護(hù).因此我們應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行種植，對黑土進(jìn)行保護(hù).溫室種植作為吉林省四平市梨樹縣廣泛的種植形式，對此類溫室寒地黑土的研究是極為重要的.本次研究只研究單個溫室寒地黑土的評價指數(shù)，不同地區(qū)所處環(huán)境不同、種植形式不同對土壤的各項理化性質(zhì)影響有所不同，金屬含量過高可以直接影響糧食的產(chǎn)量.因此對溫室寒地黑土的研究還需繼續(xù)完善.這將有利于我國對溫室寒地黑土的治理，也有利于我國糧食、蔬菜安全的把控.