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(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)，具有深厚腐殖層的高寒黑色土壤.寒地黑土有機(jī)質(zhì)含量3%～10%，約是黃土的10倍，土壤肥力高，外觀(guān)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(chēng).習(xí)近平總書(shū)記在吉林省四平市梨樹(shù)縣考察時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要認(rèn)真總結(jié)和推廣梨樹(shù)模式，采取有效措施切實(shí)把黑土地這個(gè)‘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(duì)寒地黑土的研究是極其重要的.

自然干擾和農(nóng)業(yè)實(shí)踐，如耕作、灌溉、焚燒、農(nóng)藥和化肥的使用，會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)地、水分、pH值和有機(jī)質(zhì)等物理和化學(xué)參數(shù)的失衡.pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、金屬含量等因素可以直觀(guān)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(yíng)水平密切相關(guān)[4].因此，本文以吉林省四平市梨樹(shù)縣某溫室大棚的寒地黑土為例，通過(guò)對(duì)土壤的pH值、有機(jī)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

本實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)采集區(qū)域?yàn)槟硿厥肄r(nóng)用大棚，采樣點(diǎn)位于吉林省四平市梨樹(shù)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(shí)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(zhǎng)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(jī)肥，灌溉用水為地下水.每年秋天會(huì)將溫室內(nèi)的土壤旋耕約20 cm.

采樣方法為梅花5點(diǎn)采樣法，分別為A、B、C、D、E 5點(diǎn).在溫室內(nèi)側(cè)距離溫室各邊緣0.2 m處對(duì)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(zhǎng)49.8 m處對(duì)對(duì)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(lèi)放入不同的密封袋中，貼好標(biāo)簽，帶回備用.同時(shí)記錄采樣地點(diǎn)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(cè)定土壤的含水率.將采集的土壤樣品風(fēng)干，過(guò)篩，然后對(duì)土壤進(jìn)行基本理化指標(biāo)的測(cè)定.對(duì)所采集的土壤通過(guò)測(cè)定pH、有機(jī)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(cè)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(cè)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(cè)定土壤粒徑.

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jì)：北京中和測(cè)通儀器有限責(zé)任公司；T9紫外分光光度計(jì)：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(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Office和Origin進(jìn)行分析處理.

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1 pH評(píng)價(jià)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(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效磷評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指數(shù)

(3)

式中,F綜為土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Wi為i個(gè)因子權(quán)重，權(quán)重利用熵值法計(jì)算；Ni為i個(gè)因子隸屬系數(shù)；n為評(píng)價(jià)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(xiàng)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(shí)測(cè)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11].Pi分級(jí)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(xiàng)污染指數(shù)的最大值；Pavg為土壤各單項(xiàng)污染指數(shù)中的平均值[8].P綜分級(jí)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(jí)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(píng)價(jià)指標(biāo)

研究區(qū)土壤基本指標(biāo)如表2所示，與國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)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(jī)質(zhì)平均值分別為27.02、19.19 g·kg-1，與國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]比對(duì)確定該土壤等級(jí)為三級(jí).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(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]比對(duì)確定該土壤有效養(yǎng)分含量為一級(jí)土壤營(yíng)養(yǎng)含量.表層與深層對(duì)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(guò)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(guò)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(jī)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(zhǎng)期施肥是通過(guò)化肥與水按比例混合澆灌在土壤表層所導(dǎo)致.有機(jī)質(zhì)含量表層高于深層的原因主要分為兩點(diǎn)，第1點(diǎn)由于栽培的植物在衰老期葉子會(huì)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(jī)質(zhì)含量高于深層有機(jī)質(zhì)含量；第2點(diǎn)，長(zhǎng)期施加化肥以及有機(jī)肥，土壤養(yǎng)分含量升高，從而土壤有機(jī)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(jī)質(zhì)含量高于下層5～10 cm有機(jī)質(zhì)含量.因此適當(dāng)殘留管理，可以提高土壤有機(jī)碳庫(kù)，提高土壤質(zhì)量[21].

2.1.2 不同土層質(zhì)量單因素評(píng)價(jià)

雷達(dá)圖中的屬性坐標(biāo)點(diǎn)離原點(diǎn)越遠(yuǎn)狀態(tài)越好，各屬性坐標(biāo)點(diǎn)圍成的多邊形面積越大則其評(píng)價(jià)對(duì)象的整體狀態(tài)越好[17].土壤不同層的指標(biāo)隸屬度見(jiàn)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(huì)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(shuō)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?yàn)榈?、鉀元素均為?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(píng)價(jià)

2.2.1 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

土壤的質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越大，表示土壤質(zhì)量越好[23].通過(guò)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)公式計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖2，上層土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)數(shù)值高于下層土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)數(shù)值.D點(diǎn)相對(duì)于其他值高出很多，說(shuō)明D點(diǎn)土壤質(zhì)量比其他點(diǎn)較好，更有利于作物的生長(zhǎng).土壤質(zhì)量高低順序?yàn)镈(0.75)>C(0.6)>E(0.43)>B(0.4)>A(0.23).如圖2所示，A點(diǎn)土壤質(zhì)量綜合指數(shù)低于E點(diǎn)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(píng)價(jià)指數(shù)較低.

采樣點(diǎn)圖2 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)散點(diǎn)圖

2.2.2 土壤金屬污染評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算土壤金屬單因子污染指數(shù)對(duì)土壤進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示.

采樣點(diǎn)圖3 單因子污染指數(shù)散點(diǎn)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(guò)計(jì)算土壤金屬綜合污染指數(shù)對(duì)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(diǎn)圖4 綜合污染指數(shù)散點(diǎn)圖

通過(guò)計(jì)算土壤金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)土壤進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示.各重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(guò)與GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量》進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，各采樣點(diǎn)金屬含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值.單因子污染指數(shù)各數(shù)值(0

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)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(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只有有機(jī)質(zhì)含量為國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；土壤重金屬含量均未超過(guò)農(nóng)用土壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，土壤生態(tài)危害等級(jí)較低.

吉林省是產(chǎn)糧大省，所產(chǎn)糧食、蔬菜輸入我國(guó)各地，種植作物土壤的安全問(wèn)題是不可忽略的.習(xí)總書(shū)記在視察吉林省四平市梨樹(shù)縣時(shí)也強(qiáng)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(duì)黑土進(jìn)行保護(hù).溫室種植作為吉林省四平市梨樹(shù)縣廣泛的種植形式，對(duì)此類(lèi)溫室寒地黑土的研究是極為重要的.本次研究只研究單個(gè)溫室寒地黑土的評(píng)價(jià)指數(shù)，不同地區(qū)所處環(huán)境不同、種植形式不同對(duì)土壤的各項(xiàng)理化性質(zhì)影響有所不同，金屬含量過(guò)高可以直接影響糧食的產(chǎn)量.因此對(duì)溫室寒地黑土的研究還需繼續(xù)完善.這將有利于我國(guó)對(duì)溫室寒地黑土的治理，也有利于我國(guó)糧食、蔬菜安全的把控.