水旱輪作對土壤pH、有機質和重金屬含量的影響

摘要：在水旱輪作模式下分水作和旱作2次采樣分析了土壤pH、有機質含量及重金屬污染物的分布變化規(guī)律。結果表明，水旱輪作情形下，水作pH、有機質含量比旱作整體偏高，偏高點位占比分別為85.7%、76.2%；重金屬砷、鉛、銅、鎳、鋅含量旱作比水作高，偏高的點位占比分別為61.9%、88.1%、64.3%、76.2%、69.0%，僅鉻含量水作比旱作高，偏高的點位占比為71.4%。與旱作相比，水作pH中位值高0.55，增幅為8.0%，有機質含量中位值高9.6 g/kg，增幅為35.6%，砷、鉛、銅、鎳和鋅含量中位值分別下降8.2%、9.2%、11.7%、7.8%、4.8%，而鉻含量中位值則增加了14.3%。

關鍵詞：土壤；水旱輪作；農用地；環(huán)境監(jiān)測；pH；有機質；重金屬

中圖分類號：X833 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）10-0018-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.10.004 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The distribution changes of soil pH， organic matter content and heavy metal pollutants in paddy fields and dry fields under the paddy-upland rotation were studied. The results showed that the pH and organic matter content in paddy fields were generally higher than those in dry fields， accounting for 85.7% and 76.2% respectively. The contents of heavy metals such as As， Pb， Cu， Ni and Zn were higher in dry fields than in paddy fields， accounting for 61.9%， 88.1%， 64.3%， 76.2% and 69.0%， respectively. Only Cr content was higher in paddy fields than in dry fields， accounting for 71.4%. Compared with dry fields， the soil pH median value in paddy fields had increased by 0.55， with an increase of 8.0%， the soil organic matter median content in paddy fields had increased by 9.6 g/kg， with an increase of 35.6%， and the median content of As， Pb， Cu， Ni and Zn in paddy fields had decreased respectively 8.2%， 9.2%， 11.7%， 7.8% and 4.8%， while Cr median content increased by 14.3%.

Key words： soil； paddy-upland rotation； agricultural land； environmental monitoring； pH； organic matter； heavy metal

水旱輪作是指在同一農田上，按季節(jié)交替循環(huán)有序種植水稻和旱地作物（如小麥、油菜等）的種植模式，其中小麥-水稻和油菜-水稻輪作模式應用最為廣泛。中國水旱輪作的稻田面積已達1 400萬hm2，占全國稻田總面積的35%左右。水旱輪作模式主要分布于長江流域，以小麥-水稻和油菜-水稻輪作模式為主［1］，目前上海市稻區(qū)主要以單季稻-冬閑或水稻-小麥（油菜）輪作模式為主。由于長期連作導致土壤生態(tài)環(huán)境失衡、生態(tài)惡化，有研究表明，稻田水旱輪作是克服水稻連作障礙的有效途徑［2，3］，但近年來這一體系也面臨著生產力下降或徘徊不前、養(yǎng)分管理不合理及環(huán)境污染嚴重等問題［4］。

水旱輪作方面的研究集中在土壤肥力、土壤理化性質、土壤重金屬形態(tài)及生物有效性、土壤微生物群落等方面，一般是對不同耕作方式間引起的差異進行研究。史瓊彬等［5］的研究結果表明，常規(guī)平作下有機質含量高于水旱輪作，免耕和長期淹水能降低有機質的礦化速度，耕作方式對土壤重金屬含量的影響不顯著。徐媛等［6］指出，水旱輪作各土層有機質含量高于旱作土壤，其中0～10 cm高出21%，可能與水作條件下植物殘體分解變慢腐殖化程度增加有關。王昌全等［7］研究了水稻-小麥輪作下水稻土重金屬形態(tài)特征及其生物有效性，統(tǒng)計分析了各形態(tài)含量的分配順序和累積影響效應。常同舉等［8］指出耕作方式是影響土壤重金屬含量、有效性和垂直分布的重要因素，水旱輪作下土壤pH和有機質含量較其他方式降低，銅、鋅、鉛和鎘總量在不同耕作方式間差異不顯著。

水旱輪作模式下干濕交替的過程可能會影響土壤理化性質，短期內可能影響重金屬形態(tài)和植物的吸收，長期則可能影響重金屬總量［9］，而環(huán)境監(jiān)測領域更多關注于污染物總量的限制。農用地環(huán)境質量標準中污染物限值也按用地類型作了劃分，從側面說明了用地類型引起的差異存在。本試驗研究了水旱輪作下水作和旱作土壤理化性質及重金屬濃度的差異，對優(yōu)化農用地土壤環(huán)境質量監(jiān)測具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 布點

布點時采取隨機和等量原則，采用系統(tǒng)隨機布點法并輔助專業(yè)判斷，選取上海市代表性的農田地塊。根據土壤類型，將整個上海市區(qū)域分成10 km×10 km網格，根據衛(wèi)星圖及歷史采樣信息，判斷該地塊農用地利用情況，選取水旱輪作地，共計布設點位42個，研究區(qū)域點位分布見圖1。

1.2 樣品采集

農田土壤環(huán)境監(jiān)測采集耕作層0～20 cm土壤，分2個時間段，分別在水作期（7—9月）和旱作期（2—4月）采集土壤樣品，考慮到水作淹水土壤性質存在物理化學平衡的過程，因此水田樣品采集時間控制在孕穗期至灌漿期。利用點位衛(wèi)星圖件到達目標點位大致范圍后，利用手持GPS確認預設采樣點坐標，采樣位置應在目標點位10 m之內，且應觀察、優(yōu)選符合代表性土壤要求的位置。做好采樣記錄，在手機衛(wèi)星圖上對該點位做好標記，方便下次精準定位同一點位采集樣品，減小同一點位位置差異。

1.3 試驗分析與數據處理

采集后的樣品風干后制樣，土壤重金屬的測定采用便攜式X射線熒光光譜儀（以下簡稱PXRF），設備型號XOS HD Rocksand。采用PXRF測量時，樣品粒徑統(tǒng)一為0.15 mm，樣品裝入專用樣品杯至深度約2/3處，杯口覆上麥拉膜并套上樣品環(huán)，防止樣品倒置測量時灑出或沾染，測試前倒置樣品杯緩慢搖動，使樣品均勻分布在測量面上。農用地土壤中金屬鎘、汞的自然含量太低，大多數樣本低于儀器檢出限。對于砷、鉛、鉻、銅、鎳和鋅6種重金屬，采用PXRF對國標土壤樣品GSS18進行12次測定，相對標準偏差分別為4.4%、1.8%、5.1%、4.4%、4.8%和1.2%，測定平均值與標準值相對誤差分別為1.6%、-4.2%、2.7%、2.6%、4.4%和-1.0%，分析性能優(yōu)，PXRF測定值與實驗室測定值有良好的相關性［10］。土壤pH和有機質含量的測定采用NY/T 1121.2—2006方法。數據的統(tǒng)計分析采用Excel2013、SPSS軟件，研究區(qū)域及點位分布圖采用ArcGIS軟件繪制，頻次分布圖和散點圖采用Origin2017軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 水旱輪作對pH的影響

水作土壤pH范圍為5.74～8.56，中位值為7.42，變異系數為10.1%；旱作土壤pH范圍為5.08～8.64，中位值為6.87，變異系數為12.6%；旱作pH比水作數據離散程度高。統(tǒng)計檢驗表明，pH頻率分布具有明顯的正態(tài)分布特性。頻數分布（圖2a）表明，水作土壤pH主要分布在6.0～8.5，點位占比為95.2%；旱作土壤pH主要分布在5.5～8.0，點位占比為88.1%。水作土壤pH頻數峰值出現在8.0～8.5，頻數13，占比為30.9%；旱作土壤pH頻數峰值出現在7.5～8.0，頻數9，點位占比為21.4%。土壤pH條件是影響土壤中重金屬活性的首要因子，土壤pH越低，重金屬活性越強，越容易被農作物吸收，尤其是在pH 5.5以下的土壤中活性強，而在pH 5.5以上的土壤中活性明顯下降，為此，現行農用地污染風險管控標準將pH劃分為4 檔（pH≤5.5、5.5<pH≤6.5、6.5<pH≤7.5、pH>7.5）分別規(guī)定限值。水旱輪作模式下水作和旱作各點位土壤pH在該4檔下占比分別為0和4.8%、14.3%和30.9%、33.3%和35.7%、52.4%和28.6%，在pH≤6.5的偏酸性條件下，旱作占比為35.7%，高于水作的14.3%，在pH>7.5的偏堿性環(huán)境下水作占比為52.4%，高出旱作23.8個百分點，而不同pH將直接決定評價標準值的選定進而影響土壤環(huán)境質量的評價。

為研究水旱輪作下土壤pH差異，對42個點位按點位序號繪制散點圖，結果如圖2b所示。結合圖2并通過計算同一點位水作與旱作土壤pH的差值發(fā)現，差值范圍為-0.51～1.61，差值為正的比例為85.7%，差值中位值為0.56，說明在水作下pH較旱作整體偏高，這與圖2b大部分水作pH落點在旱作之上的直觀觀察結果一致。水作土壤pH中位值較旱作高0.55，增幅為8.0%。對水旱輪作下水作和旱作土壤pH測定值進行配對樣本T檢驗和相關性分析，發(fā)現水作與旱作土壤pH呈極顯著相關（P<0.01，n=42），相關系數為0.817，說明同一點位的酸堿度雖然因種植方式產生差異，但本底環(huán)境卻基本相同。對水作與旱作土壤pH進行差異檢驗，呈顯著性差異（P<0.01，n=42），說明在水旱輪作模式下，可能因為灌水及氧化還原條件等不同，給土壤理化環(huán)境帶來了較大影響。

2.2 水旱輪作對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是土壤組分，不僅是評價土壤肥力和質量的重要指標，也是影響重金屬在土壤中賦存形態(tài)及遷移轉化歸趨的重要物質［5］。水作土壤有機質含量范圍為9.8～69.5 g/kg，中位值為36.6 g/kg，變異系數為34.8%；旱作土壤有機質含量范圍為10.6～48.3 g/kg，中位值為27.0 g/kg，變異系數為36.3%；旱作土壤有機質含量離散程度稍高于水作。統(tǒng)計檢驗表明，有機質含量頻數分布具有明顯的正態(tài)分布特性。頻數分布（圖3a）表明，水作土壤有機質含量主要分布在20～60 g/kg，旱作土壤有機質含量主要分布在10～40 g/kg，頻數均為37，占比均為88.1%，水作土壤有機質含量整體上比旱作高。水作土壤有機質含量頻數峰值出現在30～40 g/kg，頻數為12，占比為28.6%；旱作土壤有機質含量頻數峰值出現在20～30 g/kg，頻數為16，占比為38.1%。

為研究水旱輪作下土壤有機質含量差異，對42個點位按點位序號繪制散點圖，結果如圖3b所示。結合圖3并通過計算同一點位水作與旱作土壤有機質含量的差值發(fā)現，差值范圍為-32.7～48.4 g/kg，差值為正的比例為76.2%，差值中位值為9.5 g/kg，說明在水作狀態(tài)下有機質含量整體偏高，這與圖3b上大部分水作有機質含量落點在旱作之上的直觀觀察結果一致。水作土壤有機質含量中位值較旱作增加了9.6 g/kg，增加了35.6%。土壤有機質是土壤肥力的重要指標，可影響土壤養(yǎng)分含量和生產力，改善土壤物理結構。楊小林等［11］的研究表明，有機質含量表現為水田>水旱輪作>旱地；李冬初等［12］的研究也表明水田有機質含量顯著高于旱地。在旱季作物生長季節(jié)，良好的通氣條件使土壤處于氧化狀態(tài)，促進了土壤有機質礦化，也加速了土壤有機質的流失，這可能導致水作土壤有機質含量高于旱地。對水旱輪作下水作與旱作2個時期土壤有機質含量進行配對樣本T檢驗和相關性分析，發(fā)現水作與旱作土壤有機質含量呈顯著正相關（P<0.05，n=42），相關系數為0.311，說明盡管有機質含量的影響因素較多，但底質的同一性使水旱輪作模式并不能使有機質含量產生根本性差異。對水旱輪作土壤有機質含量進行差異檢驗，發(fā)現水作與旱作土壤有機質含量呈顯著差異（P<0.01，n=42），說明農田可能進行了不同肥料施加等差異性措施，包括有機肥料的使用等增加農田肥力以及農作物秸稈是否還田等，影響了有機質的輸入和產出，這在很大程度上改變了土壤有機質含量格局。

有研究表明，土壤酸堿度與有機質含量存在顯著性相關［13］。土壤酸堿度對土壤微生物種類、種群結構以及微生物活性產生影響，土壤有機質含量對提升土壤緩沖性能，減少土壤pH波動具有重要作用。為研究水旱輪作下土壤酸堿度和有機質的相互作用，對水旱輪作模式下土壤pH與有機質含量進行了相關性分析，發(fā)現水作土壤pH與水作土壤有機質含量呈顯著負相關，相關系數為-0.378（P<0.05，n=42），旱作則無顯著相關關系。

2.3 水旱輪作對土壤重金屬含量的影響

水旱輪作條件下，土壤各重金屬含量分布情況詳見表1。其中，水作和旱作土壤砷、鎳、鉻分布范圍上下限差異不大，鉛、銅、鋅的上下限范圍則相對較大，主要是個別點偏離較大導致。砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅水作時中位值分別為7.8、27.8、70.2、27.3、32.9、94.3 mg/kg，旱作時中位值分別為8.5、30.6、61.4、30.9、35.7、99.1 mg/kg，水作與旱作相比，重金屬含量差異明顯，砷、鉛、銅、鎳和鋅含量分別下降了8.2%、9.2%、11.7%、7.8%、4.8%，而鉻含量則增加了14.3%，增幅明顯。水作土壤各重金屬的變異系數均小于對應旱作，說明旱作時土壤重金屬含量較水作離散，其中砷、鉻和鎳差異不大，鉛和鋅相差約10個百分點，銅差異最大，達23.6個百分點。統(tǒng)計檢驗表明，各重金屬含量頻數分布具有明顯的正態(tài)分布特性。各重金屬元素具體分布情況如圖4所示，水旱輪作時各元素主要分布范圍均有一定重疊，說明水旱輪作時重金屬含量有一定的共同分布基礎。

為進一步研究水旱輪作下各點位土壤重金屬含量差異，對42個點位按序號繪制散點圖，如圖5所示，結果顯示，除鉻元素外，其他5種重金屬元素整體上水作時比旱作時低。為了計算各點位水作和旱作土壤重金屬含量的具體高低分布情況，計算水作和旱作測定值的差值，結果見表1，6種重金屬中，砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅的水作與旱作測定值差值為正的比例分別為38.1%、11.9%、71.4%、35.7%、23.8%、31.0%，說明鉻元素水作測定值比旱作高，除鉻元素外，其他元素水作測定值均比旱作時低，這與圖上直觀觀察結果一致，其中，出現旱作重金屬測定值高于水作的概率從高到低的順序依次為鉛、鎳、鋅、銅和砷。

為研究水旱輪作下水作與旱作土壤各重金屬元素的相關性和差異性，對水作與旱作土壤各重金屬含量進行配對樣本T檢驗和相關性分析，發(fā)現水作與旱作土壤各重金屬元素呈極顯著相關（P<0.01，n=42），相關系數和顯著性檢驗結果如表2所示。其中鉛、銅、鋅3個元素的相關性系數較高，分別為0.859、0.822、0.851，說明水旱輪作雖然對三者有所影響，但仍然具有極強的關聯性。對水旱輪作下水作與旱作土壤各重金屬含量進行差異顯著性檢驗，發(fā)現6種重金屬水作與旱作間均呈顯著差異（P<0.05，n=42），其中，鉛、鉻、銅、鎳呈極顯著差異（P<0.01，n=42）。這說明水旱輪作給不同重金屬元素帶來的影響不同，各種元素在水作和旱作不同的理化性質下具有不同的物理化學行為，直接影響到各元素的遷移和轉換，進而直接影響其在土壤環(huán)境中的含量。

有研究指出旱作條件會增加土壤的氧化還原電位，土壤中的部分養(yǎng)分元素被氧化生成高價態(tài)的難溶性沉淀，該元素對植物的有效性降低［4］，可能導致水作時作物對重金屬元素的吸收大于旱作，或者水田由于淋溶作用導致重金屬元素向土壤下層遷移，因而水作時重金屬含量比旱作整體略低。這與本研究結果大體一致，砷、鉛、銅、鎳和鋅含量水作較旱作低，但鉻含量在大多數樣本中（71.4%）表現為水作含量高。旱作時作物秸稈等的還田可使農田土壤重金屬含量大體持平不至于過度流失。

3 討論

水旱輪作模式下，由于淹水導致土壤環(huán)境完全不同，使得水作和旱作的土壤理化性質和重金屬含量產生了明顯差異。pH、有機質含量水作比旱作時整體偏高，二者差值為正的點位占比分別為85.7%和76.2%，與旱作相比，水作pH中位值高0.55，增加了8.0%，有機質含量中位值高9.6 g/kg，增加了35.6%。水作pH>7.5的點位占比為52.4%，高出旱作23.8個百分點。水旱輪作下水作與旱作土壤pH、有機質含量均存在顯著相關性和顯著差異，說明輪作土地的本底環(huán)境基本相同，但種植模式的差異還是改變了土壤理化性質格局。

重金屬砷、鉛、銅、鎳、鋅含量旱作時比水作時高，點位占比分別為61.9%、88.1%、64.3%、76.2%、69.0%，僅鉻在水作時較旱作高，占比為71.4%。與旱作相比，水作土壤砷、鉛、銅、鎳和鋅含量的中位值分別低0.7、2.8、3.6、2.8、4.8 mg/kg，降幅分別為8.2%、9.2%、11.7%、7.8%、4.8%，而鉻含量中位值則高8.8 mg/kg，增幅為14.3%。各重金屬元素在輪作時主要分布范圍均有一定重疊，說明水旱輪作時重金屬含量有一定的共同分布基礎。水旱輪作時水作與旱作土壤各重金屬含量呈極顯著相關，鉛、銅、鋅3個元素的相關系數較高，同時水作與旱作土壤各重金屬含量存在顯著差異，說明水旱差異的不同影響了各元素的物理化學行為和遷移分配。本研究僅指出水旱數據分布差異，并未詳細研究淹水、旱地下土壤不同的物理化學特征及重金屬賦存形態(tài)，未從深層次上尋找差異引起的原因，這是后續(xù)研究需要補足的地方。當然，關于重金屬有效態(tài)等形態(tài)方面的研究在農業(yè)、礦區(qū)等土壤重金屬污染區(qū)域較多，對于清潔土壤居多的地域研究較少，從環(huán)境監(jiān)測的角度，元素總量的監(jiān)測還是居于主導位置。

《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中篩選值按用地類型（水田與其他）進行區(qū)分，且對于水旱輪作地采用較嚴格的風險篩選值，這是否合理值得進一步探究。因為在輪作過程中重金屬含量也是有差異趨向的，按現行標準直接選用從嚴標準，可能導致評價出的污染水平略高，評價趨于保守。本研究表明，砷、鉻在水旱用地類型下測定值高低與標準中限值高低一致，但鉛與標準值限值高低相反，而銅、鎳、鋅在國標中卻沒有水旱用地類型區(qū)分，而本研究中其值在水作下更低。標準制定的過程中也要綜合考慮差異，制定更為契合實際污染水平的標準，而且在當前冬閑養(yǎng)田盛行的情況下，監(jiān)測人員可能無法判別是否屬于輪作，直接影響到了標準值的選用。

對于水旱輪作地的環(huán)境監(jiān)測，應該合理選擇采樣時間，建議不同年份應統(tǒng)一采樣時間，可以在同一時期采樣，避免水旱輪作引起的差異，提升農田土壤歷史監(jiān)測數據的可比性。對于目前開始興起的冬閑養(yǎng)田，部分區(qū)域的水田可能不再采用水旱輪作，采樣人員在現場可能碰到無法判別是否屬于水旱輪作的情形，將直接影響到后續(xù)土壤環(huán)境質量的評價。直接根據種植類型判斷是屬于水田還是旱地，進而選用相應標準是否更能準確反映農用地土壤的環(huán)境質量水平，還值得進一步研究。

4 小結

1）水旱輪作模式下水作與旱作土壤理化性質和重金屬水平存在差異。水作土壤pH和有機質含量整體較旱作高，中位值分別高8.0%、35.6%。砷、鉛、銅、鎳和鋅水作較旱作時稍低，中位值分別降低8.2%、9.2%、11.7%、7.8%、4.8%，僅鉻含量水田高于旱地，中位值增加14.3%。本研究旨在揭示水作和旱地下的數據差異，指導監(jiān)測時機的選擇，增加歷史監(jiān)測數據的可比性。

2）對現行標準下水旱輪作地采用從嚴標準評價土壤環(huán)境質量，同一田塊采樣時間的選擇可能會引起監(jiān)測差異，導致水作時采樣土壤環(huán)境質量評價趨于清潔，旱作時采樣趨于污染水平略高。建議每年統(tǒng)一采樣時間，環(huán)境質量標準直接按水旱實際用地類型劃分。

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收稿日期：2023-09-22

基金項目：上海市科委科技基金項目（19DZ1205303）

作者簡介：鄧 飛（1989-），男，湖北荊門人，工程師，碩士，主要從事土壤和地下水環(huán)境監(jiān)測與評估研究，（電話）021-24011836（電子信箱）269123532@qq.com；通信作者，朱夢杰（1982-），男，高級工程師，主要從事土壤地下水環(huán)境監(jiān)測與評估，（電子信箱）mjzhu@sthj.shanghai.gov.cn。