香榧林地土壤養(yǎng)分和重金屬含量的時(shí)空變化研究

劉亞群，劉榮昌，程詩(shī)明，成亮，柏明娥，胡單，劉汝明，韓素芳

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.淳安縣富溪林場(chǎng)，浙江 杭州 311700；3.柯城區(qū)林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 衢州 324000）

香榧Torreya grandis‘Merrillii’為我國(guó)特有珍稀干果樹種，是近年來(lái)發(fā)展較快、經(jīng)濟(jì)效益較好的名特優(yōu)果樹之一，在我國(guó)已有1 000 多年的栽培歷史[1-2]，主產(chǎn)于浙江會(huì)稽山脈的諸暨、紹興、嵊州、東陽(yáng)和磐安5 縣（市）[3-5]。浙江省諸暨市趙家鎮(zhèn)鐘家?guī)X村及其附近村莊，是當(dāng)今香榧栽培最為集中的產(chǎn)地，再加上周邊嵊州市谷來(lái)鎮(zhèn)、紹興市稽東鎮(zhèn)、諸暨市和東陽(yáng)市相接的會(huì)稽山余脈東白山區(qū)以及磐安縣的玉山至墨林一帶，形成了目前的香榧中心產(chǎn)地[6-7]，其產(chǎn)量約占我國(guó)香榧總產(chǎn)量的95%[8]。

香榧喜深厚肥沃、土質(zhì)疏松的砂壤土、壤土[9-10]。王小明等[11]對(duì)會(huì)稽山區(qū)香榧種群生境的調(diào)查結(jié)果表明，香榧分布區(qū)母巖類型主要為酸性凝灰?guī)r，75.2%的分布區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量大于2%，61.6%的分布區(qū)土層厚度大于80 cm，最適宜的土壤類型為山地黃泥土和黃泥土。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，隨著香榧價(jià)格的大幅上升，香榧林的管理水平也得到大幅提高，施肥作為主要的管理措施被應(yīng)用于香榧栽培和管理中，使得土壤的營(yíng)養(yǎng)水平發(fā)生了很大的變化。戴文圣等[12]對(duì)香榧主產(chǎn)區(qū)的諸暨、紹興、嵊州、東陽(yáng)、磐安5 縣（市）11 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的林地土壤養(yǎng)分進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，香榧林地土壤中的全N、全P、全K 和水解性N 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為豐富，速效K 相對(duì)不足，F(xiàn)e、B、Mn 等營(yíng)養(yǎng)元素豐富，且變異系數(shù)較小。近年來(lái)，隨著浙江省各地香榧引種栽培面積的不斷擴(kuò)大，管理水平參差不齊，為追求產(chǎn)量，大量施用肥料特別是無(wú)機(jī)肥等問題凸顯[13-16]。董家琦[17]等的研究結(jié)果顯示，2019 年，香榧主產(chǎn)區(qū)諸暨、嵊州、柯橋及東陽(yáng)的土壤肥力存在顯著的空間差異，土壤酸化及養(yǎng)分失衡現(xiàn)象較為嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分受人為活動(dòng)影響明顯；存在重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[18]。

為進(jìn)一步摸清浙江省香榧林地土壤肥力的時(shí)空變異情況，科學(xué)合理地制定土壤養(yǎng)分管理和施肥決策，2019年，本研究對(duì)浙江省香榧主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分及重金屬含量狀況進(jìn)行了調(diào)查分析，并與2003 年戴文圣等[12,19-20]的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行同區(qū)域縱向?qū)Ρ妊芯浚云跒橄汩籍a(chǎn)地制定精準(zhǔn)土壤管理技術(shù)，促進(jìn)林地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

為研究香榧主產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)期施肥等人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)土壤肥力及重金屬含量的影響，2019 年9—10 月，選擇香榧主產(chǎn)區(qū)嵊州、諸暨、磐安、東陽(yáng)、柯橋5 縣（市）7 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)19 個(gè)香榧林地進(jìn)行調(diào)查取樣。根據(jù)林地面積，在樣地的上、中、下坡各確定3 個(gè)采樣單元（保證每13.33 hm2至少有1 個(gè)采樣單元），采樣單元內(nèi)按照S 形曲線隨機(jī)確定采集點(diǎn)3～ 5 個(gè)，按照0～ 20 cm 和＞20～ 40 cm 土層分兩層取樣，每層取1～ 2 kg，同一采樣單元內(nèi)的土壤樣品按上、下兩層分別合并，并依據(jù)四分法留取1 kg 左右土壤樣品。共計(jì)采集114 個(gè)土壤樣品，于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、去雜、研磨、過篩后保存?zhèn)溆谩?020 年1—3 月，進(jìn)行土壤肥力指標(biāo)測(cè)定。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地概況Table 1 Information of sample plots

表1 （續(xù)）

1.2 土壤指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 土壤大量元素含量和pH 值測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用總有機(jī)碳分析儀燃燒法（LY/T 1237—1999）；土壤pH 值測(cè)定采用電位法（LY/T 1239—1999）；土壤水解性N 含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法（LY/T 1228—2015）；土壤有效P 含量測(cè)定采用鹽酸-硫酸雙酸浸提一鉬銻抗比色法（LY/T 1232—2015）；土壤速效K 含量測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度法（LY/T 1234—2015）。

1.2.2 土壤中、微量元素含量測(cè)定 土壤Ca、Mg 含量測(cè)定用原子吸收光譜法（NY/T 296—1995）；土壤Zn含量測(cè)定用原子吸收光譜法（GB/T 17138—1997）；土壤B 含量測(cè)定用姜黃素吸光度法（全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心土壤分析技術(shù)規(guī)范（第二版）；土壤Mn、Fe 含量測(cè)定用原子吸收光譜法（全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心土壤分析技術(shù)規(guī)范（第二版））；土壤Mo 含量測(cè)定用電感耦合等離子質(zhì)譜儀法（HJ 803—2016）；土壤Se 含量測(cè)定用原子熒光光度法（NY/T 1104—2006）。

1.2.3 土壤重金屬含量測(cè)定 土壤Cd、Pb 含量測(cè)定用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T 17141—1997）；土壤Hg 含量測(cè)定用冷原子吸收分光光度法（NY/T 1121.10—2006）；土壤As 含量測(cè)定用共價(jià)氫化物原子熒光光度法（NY/T 1121.11—2006）；土壤Cu 含量測(cè)定用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138—1997）。

1.3 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2；土壤重金屬含量限值按國(guó)家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（NY/T391—2013）》[21]，見表3。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of soil nutrient content

表3 土壤重金屬含量限值Table 3 Limit of heavy metal content in soil

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Microsoft Excel 2003 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并與同一區(qū)域戴文圣等[12,19-20]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)19 個(gè)樣地的土壤樣品肥力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將每個(gè)采樣單元0～ 20 cm 和＞20～ 40 cm 兩個(gè)剖面的土樣測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到采樣單元土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù)，再將每個(gè)樣地所有采樣單元的數(shù)值進(jìn)行平均，得到19 個(gè)樣地的土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 香榧林地土壤養(yǎng)分狀況

由表4 和表5 土壤養(yǎng)分分析結(jié)果表明，19 個(gè)樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為33.76 g·kg-1，94.73%以上樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量大于2%，處于中等以上水平，其中1 級(jí)水平的林地占31.57%，2 級(jí)（高）水平的林地占26.32%，說(shuō)明香榧林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，且空間分布差異不大，變異系數(shù)為26.07%；土壤水解N 含量平均為223.54 mg·kg-1，均處于2 級(jí)及以上水平，其中1 級(jí)水平的林地占89.47%，2 級(jí)水平的林地占10.53%，說(shuō)明香榧林地的土壤水解N 含量總體處于極高水平，且空間分布差異不大，變異系數(shù)為30.17%；土壤有效P 含量為28.01～ 440.92 mg·kg-1，平均為241.83 mg·kg-1，除磐安縣安文街道東川村10 號(hào)樣地的土壤有效P 含量處于2 級(jí)水平外，其余94.73%的林地土壤有效P 含量均處于1 級(jí)水平，說(shuō)明香榧林地的土壤有效P 含量水平極高，空間分布差異也不大，變異系數(shù)為30.17%；土壤速效K 含量平均為159.52 mg·kg-1，處于中等以上水平的林地占78.94%，其中，1 級(jí)水平的林地占42.11%，2 級(jí)水平的林地占15.79%，3 級(jí)水平的林地占21.04%，處于極低水平的林地占5.27%，相較于土壤水解N 和土壤有效P 含量，香榧林地的土壤速效K 含量總體水平居中，且分布不均勻，變異系數(shù)達(dá)57.10%；土壤pH 值的變幅為4.23～ 5.60，平均為4.75，大部分林地的土壤呈酸性和強(qiáng)酸性，其中，酸性土壤（4.5～ 5.5）占52.63%，強(qiáng)酸性土壤（<4.5）占36.84%，弱酸性土壤（5.5～ 6.5）僅占10.53%，說(shuō)明香榧林地的土壤pH 值總體偏低，土壤有酸化趨勢(shì)。

表4 香榧林地土壤養(yǎng)分狀況Table 4 Soil nutrient contentof T.grandis ‘Merrillii’ stand

表5 香榧林地土壤養(yǎng)分等級(jí)Table 5 Soil nutrient grade of T.grandis‘Merrillii’ stand

2.2 香榧林地土壤中、微量元素含量狀況

香榧林地土壤中、微量元素的含量及分布等級(jí)分析表明（表6），土壤中量元素Ca 含量的變幅為0.33～ 3.65 g·kg-1，平均為1.36 g·kg-1；土壤中量元素Mg 含量平均為3.54 g·kg-1，變幅為1.66～ 5.67 g·kg-1，各樣地間Ca、Mg 含量差異較大，分布不均勻，其變異系數(shù)分別為66.64%和29.16%。土壤微量元素變異系數(shù)最大的為Se，其變異系數(shù)高達(dá)92.30%，含量平均為1.14 mg·kg-1；其次是B，含量平均為168.89 mg·kg-1，其變異系數(shù)為66.89%。變異系數(shù)最小的為Mo，其變異系數(shù)僅為21.22%。

表6 香榧林地土壤中、微量元素含量Table 6 Medium and trace element contents in soil of T.grandis‘Merrillii’ stand

2.3 香榧林地土壤重金屬含量狀況

由表7可以看出，香榧林地中土壤重金屬As平均含量為12.01 mg·kg-1，除13號(hào)樣地的平均含量為26.68 mg·kg-1，超出NY/T391—2013 限值25 mg·kg-1外，在其余樣地土壤中的含量均未超標(biāo)。重金屬Cd 含量平均為0.2 mg·kg-1，其中1、3、5、10 號(hào)樣地的Cd 含量超出限值。重金屬Pb、Hg 和Cu 含量的平均值分別為31.66 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1和10.56 mg·kg-1，所有樣地土壤中的含量均在限值范圍內(nèi)，且變異系數(shù)均在50%以下，相對(duì)于As、Cd 其空間分布差異不大。以上分析表明，香榧林地中土壤重金屬含量除個(gè)別樣品超標(biāo)外，大部分樣品的含量符合NY/T391—2013。

表7 香榧林地土壤重金屬含量Table 7 Heavy metal content in soil of T.grandis ‘Merrillii’ stand

2.4 香榧林地土壤養(yǎng)分和重金屬含量變化

將本次測(cè)定結(jié)果與2003 年戴文圣等[12,19-20]對(duì)同一區(qū)域19 個(gè)樣地的土壤養(yǎng)分和重金屬含量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表8。由表8 中可看出，2003 年和2019 年，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別為14.53 g·kg-1和 33.76 g·kg-1，增加了19.23 g·kg-1，提高了132.35%；土壤水解性N 含量2019 年比2003 年增加32.04 mg·kg-1，提高了16.73%；土壤有效P 含量2019 年比2003 年增加165.29 mg·kg-1，提高了215.95%；土壤速效K 含量比2003 年增加57.31 mg·kg-1，提高了56.07%；而土壤pH 2019 年比2003 年下降0.78，下降了14.10 %，土壤酸性增強(qiáng)。

表8 2003 年與2019 年香榧林地土壤養(yǎng)分和重金屬含量變化Table 8 Comparison on soil nutrient and heavy metal content in T.grandis ‘Merrillii’ stand in 2003 and 2019

中、微量元素的含量變化情況為：Ca、Mg、Zn、Mn 含量2019 年比2003 年均有不同程度地減少，下降最多和最少的分別為Ca、Mg（分別下降47.69%、4.32%），微量元素Mo、Fe、B 含量等均有不同程度地增加，其中Mo 和Fe 含量增加較大，分別增加0.60 mg·kg-1（增加461.54%）和15.50 mg·kg-1（增加90.12%）。

從土壤重金屬含量變化來(lái)看，除Cd 和Hg 含量2019 年比2003 年稍有增加外，其余指標(biāo)均有不同程度的下降，其中As 和Pb 含量2019 年比2003 年分別下降了12.21 mg·kg-1（下降50.41%）和18.1 mg·kg-1（下降36.37%），Cu 含量下降了0.62 mg·kg-1（下降5.55%）。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

自浙江省實(shí)施“香榧南擴(kuò)”戰(zhàn)略以來(lái)，截至2019 年，全省香榧種植面積達(dá)4.8 萬(wàn)hm2，與主產(chǎn)區(qū)立地條件的差異對(duì)新發(fā)展香榧林地施肥等生產(chǎn)管理水平提出了更高的要求[22]。筆者于2018—2020 年對(duì)全省香榧種植面積逾333 hm2共計(jì)20 個(gè)縣（市、區(qū)）的香榧林地土壤肥力進(jìn)行了肥力測(cè)定。目前，對(duì)浙江省香榧土壤肥力的評(píng)價(jià)研究較少，沒有相應(yīng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，亟需根據(jù)全省特別是主產(chǎn)區(qū)香榧土壤肥力情況制定科學(xué)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。戴文圣等[12]采用南方紅黃壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部有關(guān)綠色食品產(chǎn)地土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諸暨、紹興、嵊州、東陽(yáng)和磐安5 縣（市）的香榧林地土壤肥力（2003 年）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，香榧林地土壤中N、P、K 比例失調(diào)，表現(xiàn)為多數(shù)土壤N 過量，少數(shù)土壤P 過量或不足，多數(shù)土壤K 缺乏，并提出“控氮穩(wěn)磷增鉀”的施肥方案。

近年來(lái)，隨著香榧價(jià)格的不斷提高，香榧林地的經(jīng)營(yíng)管理水平也大幅提高，科研人員在提高土壤肥力及改善林地土壤理化性質(zhì)等方面開展了一系列的研究工作[23-29]，為香榧的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供了較好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本研究采用全國(guó)第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)，與2003 年同一村級(jí)區(qū)域相比，香榧林地土壤有效P、有機(jī)質(zhì)及速效K 含量分列大量養(yǎng)分增幅的前三，Mo、B、Se 等微量元素總量增幅較大，說(shuō)明通過“控氮穩(wěn)磷增鉀”以及增施微量元素等經(jīng)營(yíng)理念的加強(qiáng)，香榧林地的土壤理化性質(zhì)得到整體提升，但土壤養(yǎng)分失衡問題仍然存在，速效K 含量仍有5.27%樣地處于極低水平。與2003 年相比，土壤pH 下降了0.78，土壤酸化嚴(yán)重，交換性鹽基陽(yáng)離子隨降雨淋失，其中，以中、微量元素中的Ca 含量降幅最大（47.69%），施肥種類、配比、數(shù)量及方式的不合理是不可忽視的原因之一[17]。同時(shí)，隨土壤pH 下降，土壤重金屬活性增加，As 和Cd含量存在超標(biāo)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，與王敏等[18]的香榧主產(chǎn)區(qū)土壤Cd 重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)最大，整體處于輕微生態(tài)危害研究結(jié)論相符。因此，強(qiáng)化生態(tài)化經(jīng)營(yíng)，制定精準(zhǔn)土壤管理方案仍是目前香榧提升產(chǎn)量、保證品質(zhì)和質(zhì)量安全的重要技術(shù)措施。

3.2 結(jié)論

除速效K（含量極低，為5.27%），香榧主產(chǎn)區(qū)土壤大量元素的含量均處于中等以上水平；中、微量元素處于不同程度的中等變異；少量土壤存在重金屬As、Cd 超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。與2003 年同一區(qū)域相比，土壤有效P 和有機(jī)質(zhì)含量增幅較大，土壤酸化嚴(yán)重，Ca 含量降幅較大，建議香榧主產(chǎn)區(qū)林地土壤管理以提升現(xiàn)有養(yǎng)分利用率、改善物理性質(zhì)為目標(biāo)，制定“控氮減磷平衡鉀”的科學(xué)配施方案，增加生物有機(jī)肥和生物菌肥用量；嚴(yán)格控制重金屬施入性外源污染。新發(fā)展香榧林宜根據(jù)土壤肥力測(cè)定結(jié)果，參照主產(chǎn)區(qū)管理經(jīng)驗(yàn)制定科學(xué)施肥方案。