劉明慶，韓 笑，楊育文，高 麗，李 妍，席運官，張紀兵，黃思杰

(生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042)

土壤肥力是衡量土壤肥沃程度的一個重要指標，是決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能否實現(xiàn)高質(zhì)量和土壤資源利用能否可持續(xù)的關鍵因素[1]。土壤pH、有機質(zhì)和大量元素(氮、磷和鉀)含量是表征土壤肥力的主要指標，直接影響植物生長發(fā)育及最終的產(chǎn)量和品質(zhì)。除了自然因素以外，土地利用方式也是影響土壤肥力的主要因素[2]。朱永青等[3]研究發(fā)現(xiàn)太滆運河流域不同用地方式間土壤pH值及全氮和有機質(zhì)含量具有極顯著差異。不合理的土地利用方式會導致土地退化，肥力下降，水土流失。而有機肥的合理施用以及有機農(nóng)業(yè)的推廣可以顯著提高土壤有機質(zhì)和氮磷含量，改善生態(tài)環(huán)境[4]。

近年來，我國工業(yè)化和城市化進程帶來的土壤重金屬污染問題日益凸顯。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國農(nóng)田土壤點位超標率為19.4%。農(nóng)田土壤重金屬污染直接關系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康[5]。同樣，土地利用方式也顯著影響土壤中重金屬積累[6]。農(nóng)藥和肥料的施用，特別是肥料質(zhì)量和數(shù)量是引起農(nóng)田土壤中重金屬污染的主要原因之一。

土壤肥力和重金屬含量是衡量土壤生產(chǎn)能力和生態(tài)健康的關鍵因素[1]。土壤綜合肥力指數(shù)(integrated fertility index，IFI)是反映土壤肥力的綜合性指標，廣泛應用于土壤質(zhì)量評價中[1,7-8]。單因子污染指數(shù)是目前評價土壤重金屬污染的常用方法[9-11]。我國幅員遼闊，不同區(qū)域、不同縣域內(nèi)土壤肥力和土壤重金屬時空變異大[12]。摸清當?shù)赝寥婪柿椭亟饘傥廴粳F(xiàn)狀對因地制宜推進可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展至關重要。

近年來，浙江省建德市依托獨特的農(nóng)業(yè)資源和良好的生態(tài)資源優(yōu)勢，積極調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，大力發(fā)展有機食品產(chǎn)業(yè)[13]。2021年，建德市開始探索有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護示范村(簡稱有機村)建設，賦能農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護，推動“兩山”轉(zhuǎn)化，開創(chuàng)鄉(xiāng)村振興的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式。葛塘村位于建德市欽堂鄉(xiāng)，環(huán)境綜合整治情況良好[14]。2019年，葛塘村入選國家林業(yè)和草原局公布的第一批國家森林鄉(xiāng)村名單。2021年，葛塘村成為建德市首批有機村建設試點村。土壤是有機種植生產(chǎn)的基礎條件，全面評估不同土地利用方式下土壤肥力和重金屬污染風險，可以為科學推進有機村建設、加快推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色低碳發(fā)展及實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展雙贏提供參考依據(jù)。筆者以葛塘村不同土地利用方式土壤為對象，考察其土壤理化特征和重金屬含量，評估土壤肥力和重金屬污染風險，為土壤培肥和葛塘村有機基地產(chǎn)地環(huán)境持續(xù)改善提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

葛塘村位于浙江省建德市欽堂鄉(xiāng)西南部(29° 41′ 7″ N，119° 32′ 57″ E)。區(qū)域面積為10.26 km2，海拔高度為74 m，氣候類型屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，年平均溫度為16.9 ℃，年平均降水量為1 528 mm，無霜期為254 d，年均相對濕度為77.7%，年均日照時數(shù)為1 940 h。葛塘村位于錢塘江上游，地處浙西丘陵山地和金衢盆地毗連處，以低山丘陵地貌為主[14]。土壤類型主要為紅壤、黃壤、巖性土、潮土和水稻土。葛塘村擁有耕地面積46.8 hm2，山林面積711.1 hm2，其中，國家級公益林面積為339.3 hm2，省級公益林面積為18.6 hm2，天然商品林停伐管護面積為62.1 hm2，毛竹林面積為78.7 hm2，茶園面積為8.0 hm2，屬于典型的“八山一水一分田”地貌(圖1)。葛塘村主要農(nóng)作物種植類型為水稻、茶樹、無花果和番薯，種植面積分別約為21.0、8.0、4.7和3.3 hm2。

圖1 研究區(qū)地形和不同土地利用方式采樣點分布

1.2 土壤樣品采集

參考GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》將葛塘村土地利用方式分為水田、旱地、茶園和果園，對應的種植作物分別為水稻、番薯、茶樹和無花果。采用網(wǎng)格布點法對不同土地利用方式土壤進行布設采集，集中連片的水田、旱地、茶園和果園分別設置15、10、7和5個采樣點(圖1)。采樣時間為2022年3月。土壤采樣深度為0～20 cm，每個采樣點采用梅花形布點法采集5個樣品，采用四分法留取500 g樣品用于后續(xù)分析。

1.3 測定指標及方法

土壤樣品在去除石塊和植物殘體等異物后，經(jīng)自然風干，過2 mm或0.149 mm孔徑篩，攪拌均勻后用于土壤養(yǎng)分指標和重金屬含量測定。土壤養(yǎng)分指標測定參考魯如坤[15]的方法。土壤pH采用pH計(FE28)測定；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；全氮含量采用酸溶-凱氏定氮法測定；速效氮含量采用堿解擴散法測定；全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；有效磷含量采用鹽酸-氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融法浸提-原子吸收法測定；速效鉀含量采用乙酸銨溶液浸提-原子吸收法測定。

土壤中重金屬含量測定方法參考GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》的方法。土壤Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Hg和As含量采用原子熒光法測定；Pb含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cu、Zn和Cr含量采用火焰原子吸收分光光度法測定。

測定過程中，加入相應的國家土壤標準物質(zhì)(GSS-32、GSS-4a、GSS-5a)進行質(zhì)量控制，實驗全程做空白樣和平行樣，保證數(shù)據(jù)的有效性和分析方法的準確性，所有元素測試結果的標準偏差均在10%以內(nèi)。

1.4 土壤肥力綜合評價方法

選擇土壤養(yǎng)分指標評估土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)[4,7]。土壤養(yǎng)分指標包括土壤pH值以及有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量。根據(jù)作物效應曲線，土壤pH值采用拋物線型隸屬度函數(shù)，其余指標采用S型隸屬度函數(shù)。根據(jù)全國第二次土壤普查肥力等級和相關系數(shù)確定式(1)～(2)中各個因子權重(表1)。

拋物線型隸屬度函數(shù)計算公式為

(1)

S型隸屬度函數(shù)計算公式為

(2)

表1 土壤養(yǎng)分指標隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點取值及權重

根據(jù)上述各指標的隸屬度和權重系數(shù)，計算不同土地利用方式土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)，公式為

(3)

式(3)中，n為參評因子數(shù)；Wi為第i個因子權重；Fi為第i個因子隸屬度值。

1.5 重金屬污染程度評價

土壤中某一重金屬元素污染評價采用單因子污染指數(shù)法[9]，計算公式為

(4)

式(4)中，Pi為土壤重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測值，mg·kg-1；Si為重金屬i的評價標準，mg·kg-1，標準采用GB 15618—2018中不同pH分級和土地利用類型土壤污染風險篩選值。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016處理試驗數(shù)據(jù)，采用SPSS Statistics 22.0進行數(shù)據(jù)顯著性統(tǒng)計分析和Pearson相關性分析，采用Origin 2021制圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤肥力基本特征

2.1.1土壤養(yǎng)分指標特征

依據(jù)土壤肥力等級[8]劃分，由表2～3可知，研究區(qū)土壤pH平均值為5.55，整體呈微酸性。不同土地利用方式土壤pH值由高到低依次為旱地>水田≈果園>茶園。旱地土壤pH值最高，平均值為6.01，而茶園土壤pH平均值最低，只有4.88，呈強酸性。茶園土壤pH值顯著低于其他3種利用方式土壤pH值(P<0.05)。土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力高低的重要指標。調(diào)查結果顯示，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量平均值為27.0 g·kg-1，整體處于中等水平。土壤有機質(zhì)含量由高到低依次為茶園、果園、水田和旱地。茶園、果園和水田土壤有機質(zhì)含量處于較豐富或中等水平。而旱地土壤有機質(zhì)含量顯著低于其他3種利用方式土壤有機質(zhì)含量(P<0.05)，處于較缺乏水平。

表2 葛塘村不同土地利用方式土壤基本化學性質(zhì)

表3 葛塘村不同土地利用方式土壤養(yǎng)分評價

不同土地利用方式土壤全氮含量由高到低依次為水田≈果園>茶園>旱地。水田和果園土壤全氮含量較高，平均值分別為2.19和2.16 g·kg-1，處于豐富水平。研究區(qū)所有水田土壤樣品全氮含量均高于1.5 g·kg-1，且54%的采樣點土壤全氮含量高于2.0 g·kg-1。茶園土壤全氮含量處于較豐富水平。與有機質(zhì)含量相一致，旱地土壤全氮含量最低，僅為0.87 g·kg-1，顯著低于其他3種利用方式土壤(P<0.05)，處于較缺乏水平。研究區(qū)土壤速效氮含量平均值為98.5 mg·kg-1，不同土地利用方式土壤速效氮含量由高到低依次為果園≈水田>茶園≈旱地，處于中等或較缺乏水平。不同土地利用方式土壤速效氮含量差異并不顯著。

研究區(qū)樣點土壤全磷含量平均值為568 mg·kg-1，不同土地利用方式土壤全磷含量由高到低依次為果園、旱地、水田和茶園。果園和旱地土壤全磷含量較高，平均值分別為642和631 mg·kg-1，而茶園土壤全磷含量最低，平均值為411 mg·kg-1，顯著低于果園和旱地土壤(P<0.05)。研究區(qū)樣點土壤有效磷含量平均值為34.3 mg·kg-1，不同土地利用方式表現(xiàn)為果園>水田>旱地≈茶園。果園土壤有效磷含量處于豐富水平，顯著高于其他3種利用方式土壤(P<0.05)，水田、旱地和茶園土壤有效磷含量處于較豐富或中等水平。

研究區(qū)土壤全鉀含量平均值為7.4 g·kg-1，不同土地利用方式土壤全鉀含量由高到低依次為茶園、旱地、水田和果園。茶園土壤全鉀含量顯著高于其他3種利用方式土壤(P<0.05)，而果園土壤全鉀含量則顯著低于旱地和茶園土壤(P<0.05)。研究區(qū)土壤速效鉀含量平均值為39.6 mg·kg-1。果園速效鉀含量平均值最高，為70.8 mg·kg-1，但是仍處于較缺乏水平。其他3種利用方式土壤速效鉀含量顯著低于果園土壤，但3者之間差異并不顯著，均在33～39 mg·kg-1之間，處于缺乏水平。

2.1.2土壤養(yǎng)分相關性分析

進一步對葛塘村土壤養(yǎng)分指標進行相關性分析結果(表4)表明，研究區(qū)土壤pH與有機質(zhì)和全鉀含量呈顯著負相關關系，土壤pH與全磷含量則呈極顯著正相關關系。土壤有機質(zhì)含量與全氮和速效氮含量均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，全氮與速效氮含量也呈極顯著正相關關系(P<0.01)。這也證實了土壤有機質(zhì)含量與土壤氮素直接相關。研究區(qū)土壤全磷含量與有效磷含量相關性不顯著，而與全鉀含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。研究區(qū)土壤全鉀與速效鉀含量相關性也不顯著，但是有效磷與速效鉀含量則呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

2.2 不同土地利用方式土壤綜合肥力評估

2.2.1隸屬度

通過土壤肥力基本特征的隸屬度對評價指標進行無量綱標準化處理。隸屬度越接近1，表示該評價單元中該指標值對土壤肥力貢獻度越高。圖2顯示，水田土壤中磷和鉀含量相對較低；旱地土壤除pH值在作物適宜范圍內(nèi)以外，其他土壤肥力隸屬度均處于較低水平；茶園土壤pH值和磷鉀含量均相對較低；而果園土壤除鉀含量相對較低以外，pH值、有機質(zhì)和氮磷含量隸屬度都處于較高水平。綜合來看，葛塘村不同土地利用方式土壤有機質(zhì)和氮磷含量存在差異。土壤全鉀和速效鉀隸屬度均處于最低水平，全鉀隸屬度在0.14～0.38之間，速效鉀隸屬度僅為0.1。研究結果表明，葛塘村鉀含量是土壤肥力最主要的限制因子。此外，除果園以外，其他土地利用方式土壤全磷和有效磷含量隸屬度均低于0.4，磷含量也是土壤肥力的限制因子。

表4 土壤養(yǎng)分相關性分析

圖2 土壤肥力指標隸屬度雷達圖

2.2.2土壤綜合肥力指數(shù)

基于模糊數(shù)學和多元數(shù)理統(tǒng)計分析原理對不同土地利用方式土壤綜合肥力狀況進行綜合評估。土壤綜合肥力指數(shù)越接近1，表明土壤綜合肥力越高。按照標準土壤綜合肥力指數(shù)可分為優(yōu)(>0.80)、良(>0.60～0.80)、中等(>0.40～0.60)、差(>0.20～0.40)和很差(≤0.20)5個等級。如圖3所示，果園土壤綜合肥力指數(shù)最高，達到0.55，而且顯著高于其他土地利用方式土壤(P<0.05)，其次為水田(0.44)，均處于中等水平。而茶園和旱地土壤綜合肥力指數(shù)只有0.37和0.29，則處于差水平。旱地土壤綜合肥力指數(shù)顯著低于其他土地利用方式土壤(P<0.05)。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同土地利用方式間土壤綜合肥力指數(shù)差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同土地利用方式土壤重金屬含量及風險評估

2.3.1土壤重金屬含量特征

由表5所示，研究區(qū)水田土壤Cd含量相對較高，平均值為0.224 mg·kg-1，高于浙江省杭嘉湖地區(qū)土壤環(huán)境背景值0.152 mg·kg-1[16]。果園和旱地土壤Cd含量次之，茶園土壤最低，僅為0.082 mg·kg-1，這3種土地利用方式土壤Cd含量均低于杭嘉湖地區(qū)土壤環(huán)境背景值。旱地土壤As含量平均值為7.86 mg·kg-1，略高于杭嘉湖地區(qū)背景值，而且顯著高于水田和果園土壤(P<0.05)。茶園、水田和果園土壤As含量平均值均低于杭嘉湖地區(qū)土壤環(huán)境背景值。不同土地利用方式土壤Hg、Pb、Cr、Cu和Zn含量均沒有顯著差異。Hg、Cr、Cu和Zn含量都低于杭嘉湖地區(qū)土壤環(huán)境背景值，水田和果園土壤Pb含量則略高于杭嘉湖地區(qū)土壤環(huán)境背景值。綜合來看，研究區(qū)不同土地利用方式土壤重金屬Cd、Hg、As、Cr、Cu和Zn平均含量均不高于杭嘉湖地區(qū)背景值。

表5 葛塘村不同土地利用方式土壤重金屬含量

2.3.2土壤重金屬污染風險評估

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用含有重金屬的化肥或農(nóng)藥可能會引起土壤重金屬污染[6]。根據(jù)土壤pH值和土地類型選擇GB 15618—2018中相應的土壤污染風險篩選值作為評價標準，進一步對葛塘村不同土地利用方式土壤重金屬含量潛在風險進行評估。土壤重金屬單因子污染指數(shù)Pi>1表示污染，Pi≤1表示未污染，Pi值越大，表明污染越嚴重[9]。如表6所示，研究區(qū)不同土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)平均值由大到小依次為Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As和Hg，且不同土地利用方式土壤重金屬單因子污染指數(shù)都小于1，處于未污染狀態(tài)。結果表明，研究區(qū)樣點土壤均處于無污染安全水平。按照GB/T 19630—2019《有機產(chǎn)品 生產(chǎn)、加工、標識與管理體系要求》，有機生產(chǎn)產(chǎn)地環(huán)境土壤需符合GB 15618—2018要求，因此，葛塘村土壤重金屬含量狀況滿足開展有機產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。

表6 葛塘村不同土地利用方式土壤重金屬單因子污染指數(shù)

3 討論

土壤養(yǎng)分是植物營養(yǎng)吸收的主要來源。不同土地利用方式下，作物生物量和生長速度存在差異，導致其所需養(yǎng)分存在差異，人為灌溉、施肥對土壤養(yǎng)分也產(chǎn)生顯著影響。與前期研究結果[3，8]相一致，土地利用方式對葛塘村土壤肥力水平產(chǎn)生顯著影響。結果顯示，葛塘村茶園土壤pH值(4.88)顯著低于其他土地利用方式土壤，呈酸化趨勢，這與我國茶園土壤普遍存在酸化問題[17]相一致。茶樹喜酸怕堿，根系及根際微生物會分泌大量質(zhì)子、有機酸和多酚類物質(zhì)，同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還會施用化學氮肥，這些因素都會引起茶園土壤酸化[18]。同時，土壤酸化還會引起土壤重金屬離子活化，從而增加茶葉中Pb、Cu和Cd等有害重金屬含量[19]。研究表明，與化學肥料施用相比，有機肥施用可以顯著提高茶園土壤pH，改善土壤質(zhì)量，保障茶葉產(chǎn)量并提高茶葉品質(zhì)[18]。因此，后續(xù)在葛塘村茶園中開展有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可緩解土壤酸化。

有機質(zhì)含量是土壤肥力的核心指標，對農(nóng)作物生長和產(chǎn)量至關重要。葛塘村不同土地利用方式土壤有機質(zhì)含量差異較大，茶園與果園有機質(zhì)含量較豐富，然而，旱地土壤有機質(zhì)處于較缺乏水平。旱地土壤全氮和速效氮含量也處于較缺乏水平。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當?shù)睾档胤矸N植為一年兩季，產(chǎn)量較高，每年單產(chǎn)可達22.5 t·hm-2，與多年生木本植物茶樹和無花果相比，番薯生長速度快，植物正常生長所需的大量元素氮磷鉀含量較高，土壤養(yǎng)分消耗大。這些因素導致旱地土壤有機質(zhì)和氮含量偏低。旱地土壤應增施養(yǎng)分含量較高的有機肥，采取冬季種植蠶豆等綠肥以及秸稈全部粉碎還田等措施可以提高土壤有機質(zhì)和氮磷含量，并實現(xiàn)作物增產(chǎn)[20]，因此，當?shù)睾档胤矸N植區(qū)可采取上述措施提升土壤肥力。

此次調(diào)查分析結果表明，無論何種土地利用方式，速效鉀含量均是葛塘村土壤肥力的主要限制因子。1990—1992年調(diào)查結果表明，葛塘村所在杭嘉湖平原地區(qū)黃紅壤和水稻土速效鉀含量平均值分別為82.8和56.2 mg·kg-1[21]。2017年調(diào)查結果表明，該地區(qū)水稻土速效鉀平均值為102.85 mg·kg-1，比第二次土壤普查結果增加12%，屬于中等水平[22]。然而，葛塘村整體上速效鉀含量平均值僅為39.6 mg·kg-1，其中，水稻土速效鉀含量僅為33.4 mg·kg-1，均處于缺乏水平。葛塘村土壤速效鉀的低背景值很可能是由成土母質(zhì)決定的，當?shù)毓派练e巖發(fā)育的黃紅壤本身鉀含量相對較低[21]。此外，當?shù)剞r(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中往往使用復合肥料，并沒有針對性地提高鉀肥比例，導致當?shù)赝寥浪傩р浐块L期處于缺乏水平。鉀是植物必需的大量元素之一，缺鉀土壤中添加礦物鉀肥或葉面噴施鉀肥都可以顯著提高作物生物量積累和最終產(chǎn)量[23]。因此，在葛塘村后續(xù)的有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應在基肥或追肥中添加草木灰、沼渣和秸稈等天然鉀肥來提高鉀肥比例。

發(fā)展有機農(nóng)業(yè)可以減少區(qū)域化學農(nóng)藥和化肥的使用，控制農(nóng)業(yè)面源污染，保護農(nóng)田生物多樣性，推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興[24]。有機生產(chǎn)方式可以改善和提升土壤質(zhì)量，但也受具體管理措施和人為投入品數(shù)量等因素影響[25]。筆者研究摸清了葛塘村不同土地利用方式土壤質(zhì)量狀況，可以為制定針對性的土壤有機培肥策略和有機管理改善措施提供參考依據(jù)，對將葛塘村建設成為生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展雙贏的有機村具有重要意義。

4 結論

(1)葛塘村整體上土壤pH呈微酸性，土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮和有效磷含量處于中等或較豐富水平，而速效鉀含量則處于缺乏水平。旱地土壤有機質(zhì)和全氮含量顯著低于其他土地利用方式土壤，而果園土壤有效磷和速效鉀含量則顯著高于其他土地利用方式土壤。

(2)土壤速效鉀是葛塘村土壤肥力的主要限制因子。果園土壤綜合肥力指數(shù)處于中等水平，顯著高于其他土地利用方式，而茶園和旱地則均處于差水平。

(3)葛塘村不同土地利用方式土壤重金屬含量均低于農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，處于未污染狀態(tài)，滿足有機生產(chǎn)產(chǎn)地環(huán)境的土壤要求。