方 慧， 顏秋曉， 柳小蘭， 黃文粵， 何騰兵，3， 王道平， 林昌虎，

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025； 2.貴州省中科院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550002；3.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州貴陽(yáng) 550025)

油菜(BrassicanapusL.)別稱油白菜、苦菜，屬十字花科蕓薹屬植物，其總產(chǎn)值與種植面積在我國(guó)四大油料作物中排名第二[1-3]，也是貴州省最主要的油料作物。研究表明，油菜品質(zhì)和質(zhì)量除了受自身基因影響外，土壤環(huán)境特別是土壤理化性質(zhì)也是極為關(guān)鍵的因素[4]。此外，我國(guó)耕地土壤重金屬污染問題比較突出，研究結(jié)果表明，油料作物特別是油菜對(duì)重金屬有較強(qiáng)的耐受性和吸收能力，繼而導(dǎo)致的食品安全問題更嚴(yán)重[5]，因此關(guān)注油菜生長(zhǎng)過程中土壤是否清潔同樣重要。目前對(duì)油菜生長(zhǎng)的土壤理化性質(zhì)及重金屬的研究主要集中于外源物質(zhì)的施用方面，李東潔研究表明，油菜生長(zhǎng)過程中污泥及赤泥施入有利于調(diào)節(jié)土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量等，同時(shí)污泥施用還可以提高土壤可利用性Zn含量[6]；任英亞通過油菜盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用醋糟堆肥后低肥力土壤的pH值基本保持穩(wěn)定，土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著提高[7]；李曉莉研究了沼肥和化肥配施對(duì)石灰性土壤理化性質(zhì)的影響，沼液化肥配施降低了土壤pH值，但提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)沼液的施入對(duì)提高土壤中Cu和Zn的含量較為明顯，對(duì)Pb、Cr、Cd作用不明顯[8]；此外，菌糠的施入會(huì)降低土壤pH值，而生物炭的施入則會(huì)使pH值升高，不同處理菌糠均能提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量[9]。當(dāng)前對(duì)油菜各個(gè)生長(zhǎng)期土壤理化性質(zhì)及重金屬含量變異的研究比較粗略，因此本研究將對(duì)此進(jìn)行細(xì)化，并對(duì)土壤重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為今后在油菜生長(zhǎng)過程中及時(shí)改善土壤環(huán)境狀況、提高油菜產(chǎn)量和質(zhì)量作出一定的貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)域位于貴州省遵義市播州區(qū)石板鎮(zhèn)，海拔約為800 m，東經(jīng)為106°44′28″、北緯為27°30′11″，年平均氣溫為15.1 ℃，年降水量為1 020.6 mm，無(wú)霜期291 d，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，1年2熟，土壤類型為石灰性水稻土。該區(qū)域無(wú)污水灌溉，附近沒有工礦等污染源，面積約為450 m2(30 m×15 m)。油菜品種為油研57號(hào)，為甘藍(lán)型半冬性隱性核不育兩系雜交品種，國(guó)家審定編號(hào)為2013001。此品種幼苗半直立，株高約為193 cm，產(chǎn)量約為4 446 kg/hm2，抗倒性強(qiáng)，宜四川、云南、貴州、重慶等冬油菜區(qū)種植。油菜播種及田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)，播種前施用腐熟有機(jī)肥牛糞(Cr含量為12.54 mg/kg，Pb含量為8.85 mg/kg，Cu含量為19.25 mg/kg，Zn含量為82.99 mg/kg，Cd含量為 0.81 mg/kg)作為基肥，施用量約為30 000 kg/hm2，苗期采樣后施用尿素(總氮量≥46.4%)作為追肥，施用量約為 150 kg/hm2。間苗后行距為35 cm，苗間距為20 cm。

1.2 樣品的采集與測(cè)定

樣品采集分油菜播種前和油菜的4個(gè)生育時(shí)期(苗期、抽薹期、花期、收獲期)。油菜播種前、苗期、抽薹期、花期、收獲期的采樣時(shí)間分別為2016年10月21日、2016年12月1日、2017年2月11日、2017年3月22日、2017年5月5日。

采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡(jiǎn)稱GPS)定位，在研究區(qū)土壤海拔、成土母質(zhì)、坡向和種植年限基本一致的條件下，采用五點(diǎn)取樣法采集耕作層表層(0～20 cm)和底層(20～40 cm)根區(qū)土壤，每個(gè)土樣在1.0 kg左右，記錄裝袋，與此同時(shí)做好采樣記錄。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除雜質(zhì)，按四分法將其充分混合后，用木棍碾壓研磨，全部過2 mm的孔徑篩，再用四分法取出一部分研磨，全部過0.25 mm的孔徑篩。將過篩樣品置于密封袋中，并做好標(biāo)簽保存?zhèn)溆谩?/p>

依據(jù)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并參照《土壤農(nóng)化分析》[10]和中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)[11]定土壤理化指標(biāo)：(1)土壤pH值采用電位法(土液比為1.0 ∶2.5)；(2)土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；(3)土壤氧化還原電位(Eh)采用鉑電極直接測(cè)定法測(cè)定；(4)土壤機(jī)械組成采用簡(jiǎn)易比重計(jì)法測(cè)定；(5)重金屬Cr、Cd、Pb、Cu、Zn含量采用HNO3-HF微波消解，ICP-OES(prodigy xp)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

按照統(tǒng)計(jì)學(xué)基本要求，剔除試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異常值，運(yùn)用Excel 2003和DPS 7.5對(duì)土壤的理化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并制表成圖進(jìn)行分析。

參照《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)》[12](表1)，選取對(duì)土壤質(zhì)量和油菜品質(zhì)關(guān)系密切的5種重金屬元素(Cr、Cd、Pb、Cu、Zn)作為土壤污染狀況的評(píng)級(jí)因子。根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定(試行)》，將土壤單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合評(píng)價(jià)方法相結(jié)合[13-14]，采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體計(jì)算方法如下：

式中：Pi表示環(huán)境中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci表示環(huán)境中污染物i的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；Si表示污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Pi>1時(shí)，為污染。

根據(jù)綜合污染指數(shù)對(duì)耕作層表層、底層土壤中5種重金屬元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行等級(jí)劃分(表2)。

表1 GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)》

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械組成

在油菜全生育期中，表層和底層土壤機(jī)械組成的變化情況是基本一致的(圖1)，所占比例最大的是粗粉沙(26.4%～35.2%)，所占比例最小的是粗沙及中沙(1.5%～3.8%)，但收獲期表層土壤細(xì)沙比例(29.6%)略大于粗粉沙(26.4%)。黏粒所占比例從播種前至收獲期呈現(xiàn)先減小后增大再減小的狀態(tài)，在抽薹期所占比例(表層為24.5%，底層為30.6%)達(dá)到最大，與之相反的是細(xì)沙，從播種前至收獲期細(xì)沙所占的比例先增大后減小然后再增大。此外，細(xì)沙粉和中粉沙的比例一直比較穩(wěn)定。油菜全生長(zhǎng)期中土壤機(jī)械組成的變化與根系分泌物、根系的生長(zhǎng)以及土壤中的其他生物的活動(dòng)密不可分。

2.2 土壤pH值

土壤pH值是土壤酸堿性的直接反應(yīng)，也是土壤重要的理化指標(biāo)之一，不僅會(huì)影響重金屬的有效性和毒性，還會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。研究區(qū)域土壤呈中性和微堿性(圖2)，適合油菜生長(zhǎng)。在油菜的生長(zhǎng)過程中，表層土壤pH值變化不明顯，波動(dòng)區(qū)間極窄，介于7.80～7.92之間；底層土壤pH值變化比較大，自播種前到花期呈下降趨勢(shì)，收獲期又回升。苗期之前底層土壤pH值比表層土壤pH值高，之后底層土壤pH值均低于表層土壤。

2.3 土壤氧化還原電位

土壤氧化還原電位(oxidation-reduction potential，簡(jiǎn)稱Eh)是反映土壤氧化還原狀況綜合性的強(qiáng)度指標(biāo)。在油菜全生長(zhǎng)期中，表層土壤和底層土壤Eh變化趨勢(shì)一致(圖3)，整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在抽薹期達(dá)到最大(表層土壤Eh為 179 mV，底層土壤Eh為193 mV)，開花期雖有下降，但在收獲期又保持回升趨勢(shì)。表層土壤Eh略低于底層土壤，Eh均為正值，且在10～193 mV之間，處于中度還原狀態(tài)。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)

油菜全生長(zhǎng)期中，耕作層表層土壤的有機(jī)質(zhì)明顯高于底層土壤(圖4)。表層土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈下降趨勢(shì)，在抽薹期和花期小幅增長(zhǎng)；底層土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì)，在花期和收獲期小幅下降。油菜在生長(zhǎng)過程中養(yǎng)分物質(zhì)的吸收雖會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量的降低，但土壤中的動(dòng)植物、微生物等頻繁活動(dòng)產(chǎn)生的大量分泌物也會(huì)增加其含量。

2.5 土壤重金屬含量

農(nóng)田土壤中重金屬會(huì)隨著作物生長(zhǎng)富集到植株體內(nèi)，同時(shí)在作物生長(zhǎng)過程中降水也會(huì)導(dǎo)致重金屬的流失，從而引起作物不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤中重金屬含量的變化。由圖5可知，在表層土壤中Cr(71.18～84.36 mg/kg)和Zn(70.94～82.16 mg/kg)含量較高，Cd含量(1.41～1.73 mg/kg)最低。油菜全生長(zhǎng)期中Cr和Zn一直處于波動(dòng)狀態(tài)，自播種前到收獲期含量有增有減；Cd含量在油菜生長(zhǎng)過程中先增大后減小，抽薹期含量最大。Pb(35.22～44.54 mg/kg)和Cu(16.94～19.75 mg/kg)含量變化趨勢(shì)一樣，自播種前到花期含量保持遞減狀態(tài)，到收獲期又緩緩回升。

底層土壤中重金屬含量最高的是Cr(77.06～83.93 mg/kg)，最低的仍是Cd(1.06～1.93 mg/kg)(圖6)，Cd含量在油菜全生長(zhǎng)期呈波動(dòng)狀態(tài)，由于其含量較低，所以增減幅度不參與整體比較。Cr、Zn、Cu三者變化趨勢(shì)一致，即播種前到苗期略增長(zhǎng)，隨后均下降，但變化量極小，Pb含量的波動(dòng)前期比后期大。

2.6 油菜全生長(zhǎng)期中土壤理化性質(zhì)及重金屬含量變異程度分析

表層土壤理化性狀變異系數(shù)在2.99%～78.41%之間，底層土壤理化性狀變異系數(shù)在5.44%～60.91%之間，均為弱變異和中等變異(表3)。表層和底層土壤Eh變異最強(qiáng)(變異系數(shù)分別為78.41%和60.91%)，其次是細(xì)沙和黏粒(細(xì)沙的變異系數(shù)分別為46.10%、60.76%，黏粒的變異系數(shù)分別為31.93%、36.88%)。表層土壤變異最弱的是土壤有機(jī)質(zhì)含量(變異系數(shù)為2.99%)，底層土壤變異最弱的是土壤pH(變異系數(shù)為5.44%)。

表3 油菜全生長(zhǎng)期中土壤理化性質(zhì)及重金屬含量變異程度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

土壤重金屬Cd和Pb含量變異程度大于其他33種重金屬，且底層土壤變異程度大于表層，Cd和Pb在表層土壤的變異系數(shù)分別為7.47%、7.79%，在底層土壤的變異系數(shù)分別為 22.35%、14.14%。

2.7 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

參照我國(guó)1995年頒布的GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算油菜各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期土壤重金屬含量的單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)和油菜生長(zhǎng)過程中重金屬含量的綜合污染指數(shù)(P綜)，進(jìn)而對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

由表4可知，土壤重金屬Cd在表層和底層土壤均為中度污染(表層土壤P綜為2.791，底層土壤P綜為2.929)，表層土壤重金屬Cd在抽薹期污染最嚴(yán)重，底層土壤在花期污染最嚴(yán)重，其他4種元素在2層土壤中均處于安全等級(jí)。各重金屬元素在油菜全生長(zhǎng)期中單項(xiàng)因子污染指數(shù)變化趨勢(shì)均不一致，但就綜合污染指數(shù)而言，除了Pb，其他4種重金屬元素在底層土壤綜合污染指數(shù)大于表層土壤，這可能與雨水的淋溶作用以及油菜對(duì)表層土壤重金屬的富集作用有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

在油菜全生育期中，表層和底層土壤機(jī)械組成的變化情況基本一致，變異程度最大的是細(xì)沙，其次是黏粒，但二者的變化此消彼長(zhǎng)，在抽薹期黏粒所占比例達(dá)到最大，細(xì)沙比例降到最小，這與根系的生長(zhǎng)及根系分泌物有關(guān)。抽薹期根系迅速生長(zhǎng)會(huì)破壞之前土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)根系分泌物也會(huì)快速黏結(jié)土壤顆粒，陶俊的研究也表明，總體上0.500～1.000 mm徑級(jí)的根系對(duì)減小沙粒含量、增大黏粒含量、改善土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成貢獻(xiàn)最大[15]。

底層土壤pH值較表層變化略大，但都在適合油菜生長(zhǎng)的pH值范圍內(nèi)。底層土壤pH值自播種前到花期一直下降隨后又回升，油菜播種之前和苗期底層土壤pH值比表層高，但是底層土壤pH值在抽薹期、開花期和收獲期均低于表層，這是因?yàn)槎杭竟?jié)降水量大于蒸發(fā)量，土壤的淋溶作用強(qiáng)烈，土壤溶液中鹽基離子隨水滲透向下移動(dòng)，并隨之出現(xiàn)交換性鋁[16]，故耕作層底層土壤有酸化的趨勢(shì)，苗期采樣過后弱堿性肥料尿素的施用使表層土壤pH值沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，收獲期氣溫升高，水分蒸發(fā)再次將鹽分帶離底層土壤。

土壤Eh波動(dòng)范圍在10～193 mV之間，屬于中等變異，處于中等還原狀態(tài)，花期土壤Eh驟降，說明土壤通氣性變差，當(dāng)?shù)赜筒说幕ㄆ谠?月中旬至4月中旬，這段時(shí)間降水量大且頻率高，土壤水分含量高，通氣性差。一般來(lái)說，表層土壤通氣狀況更好，土壤Eh應(yīng)該更高，但良好的通氣狀況也更有利于好氧微生物的生長(zhǎng)，好氧微生物在生長(zhǎng)過程中消耗掉大量的氧氣，反過來(lái)又降低了土壤Eh[17]，因此表層土壤Eh略低于底層土壤。云貴高原冬春季節(jié)受寒潮天氣影響降水多，且平時(shí)地形降水頻繁，故播種前要及時(shí)翻耕土地，油菜在生長(zhǎng)過程中，特別是花期降水多要做好清溝排水措施，保證土壤良好的通氣狀況。

表4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

油菜在全生育期中表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于底層，這與朱書法等的研究結(jié)果[18]一致。表層土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈下降趨勢(shì)，一方面是因?yàn)橛筒松L(zhǎng)主要從表層土壤汲取養(yǎng)分物質(zhì)，另一方面是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)通過淋溶作用向下遷移；底層土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì)，在花期和收獲期含量降低，同時(shí)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量在收獲期也在降低，這是因?yàn)橛筒嗽诖松陂g須要大量的養(yǎng)分物質(zhì)來(lái)保證植株的開花與結(jié)果，因此導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)極大虧損。

表層土壤Pb和Cu含量自播種前到花期保持遞減趨勢(shì)，到收獲期又小幅度回升，Cr和Zn含量在油菜整個(gè)生育期中處于波動(dòng)狀態(tài)，Cd含量在油菜全生育期中先增大后減?。坏讓油寥繡r、Zn、Cu含量變化趨勢(shì)一致，但變化不明顯；Pb含量從播種前到抽薹期波動(dòng)大，后期變化小，Cd含量呈先降低后增高然后又降低的趨勢(shì)，變異程度均大于表層土壤；5種重金屬中Cd含量最低，但Cd污染最嚴(yán)重，表層土壤中度污染，底層土壤重度污染，Cr、Pb、Zn、Cu含量雖高，但均安全。油菜在生長(zhǎng)過程中土壤重金屬含量的變化有多方面的原因：一是基肥牛糞的施用；二是油菜生長(zhǎng)過程中對(duì)重金屬的富集；三是隨降水的流失；四是枯葉掉落和油菜花凋謝將重金屬歸還土壤。

為在油菜生長(zhǎng)過程中及時(shí)改善土壤環(huán)境狀況，提高油菜的產(chǎn)量、品質(zhì)和質(zhì)量，保證食品安全，現(xiàn)提出以下建議：有機(jī)肥施用前測(cè)定重金屬含量，選用含量低的有機(jī)肥；花期降水量大，大雨過后要及時(shí)清溝排水，保證土壤良好的通氣性；采摘枯黃菜葉，避免將重金屬再次帶回土壤。