油菜全生长期中土壤理化性质的变化及重金属污染评价

方 慧， 颜秋晓， 柳小兰， 黄文粤， 何腾兵，3， 王道平， 林昌虎，

(1.贵州大学农学院，贵州贵阳 550025； 2.贵州省中科院天然产物化学重点实验室，贵州贵阳 550002；3.贵州大学新农村发展研究院，贵州贵阳 550025)

油菜(BrassicanapusL.)别称油白菜、苦菜，属十字花科芸薹属植物，其总产值与种植面积在我国四大油料作物中排名第二[1-3]，也是贵州省最主要的油料作物。研究表明，油菜品质和质量除了受自身基因影响外，土壤环境特别是土壤理化性质也是极为关键的因素[4]。此外，我国耕地土壤重金属污染问题比较突出，研究结果表明，油料作物特别是油菜对重金属有较强的耐受性和吸收能力，继而导致的食品安全问题更严重[5]，因此关注油菜生长过程中土壤是否清洁同样重要。目前对油菜生长的土壤理化性质及重金属的研究主要集中于外源物质的施用方面，李东洁研究表明，油菜生长过程中污泥及赤泥施入有利于调节土壤的pH值、有机质含量等，同时污泥施用还可以提高土壤可利用性Zn含量[6]；任英亚通过油菜盆栽试验发现，施用醋糟堆肥后低肥力土壤的pH值基本保持稳定，土壤的有机质含量显著提高[7]；李晓莉研究了沼肥和化肥配施对石灰性土壤理化性质的影响，沼液化肥配施降低了土壤pH值，但提高了土壤有机质含量，同时沼液的施入对提高土壤中Cu和Zn的含量较为明显，对Pb、Cr、Cd作用不明显[8]；此外，菌糠的施入会降低土壤pH值，而生物炭的施入则会使pH值升高，不同处理菌糠均能提高土壤中的有机质含量[9]。当前对油菜各个生长期土壤理化性质及重金属含量变异的研究比较粗略，因此本研究将对此进行细化，并对土壤重金属污染情况进行评价，以期为今后在油菜生长过程中及时改善土壤环境状况、提高油菜产量和质量作出一定的贡献。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验区域位于贵州省遵义市播州区石板镇，海拔约为800 m，东经为106°44′28″、北纬为27°30′11″，年平均气温为15.1 ℃，年降水量为1 020.6 mm，无霜期291 d，属于亚热带季风性湿润气候，1年2熟，土壤类型为石灰性水稻土。该区域无污水灌溉，附近没有工矿等污染源，面积约为450 m2(30 m×15 m)。油菜品种为油研57号，为甘蓝型半冬性隐性核不育两系杂交品种，国家审定编号为2013001。此品种幼苗半直立，株高约为193 cm，产量约为4 446 kg/hm2，抗倒性强，宜四川、云南、贵州、重庆等冬油菜区种植。油菜播种及田间管理按照当地农户传统管理经验，播种前施用腐熟有机肥牛粪(Cr含量为12.54 mg/kg，Pb含量为8.85 mg/kg，Cu含量为19.25 mg/kg，Zn含量为82.99 mg/kg，Cd含量为 0.81 mg/kg)作为基肥，施用量约为30 000 kg/hm2，苗期采样后施用尿素(总氮量≥46.4%)作为追肥，施用量约为 150 kg/hm2。间苗后行距为35 cm，苗间距为20 cm。

1.2 样品的采集与测定

样品采集分油菜播种前和油菜的4个生育时期(苗期、抽薹期、花期、收获期)。油菜播种前、苗期、抽薹期、花期、收获期的采样时间分别为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。

采用全球定位系统(global positioning system，简称GPS)定位，在研究区土壤海拔、成土母质、坡向和种植年限基本一致的条件下，采用五点取样法采集耕作层表层(0～20 cm)和底层(20～40 cm)根区土壤，每个土样在1.0 kg左右，记录装袋，与此同时做好采样记录。将采集的土壤样品带回实验室置于通风处自然风干，剔除杂质，按四分法将其充分混合后，用木棍碾压研磨，全部过2 mm的孔径筛，再用四分法取出一部分研磨，全部过0.25 mm的孔径筛。将过筛样品置于密封袋中，并做好标签保存备用。

依据国家和行业标准，并参照《土壤农化分析》[10]和中华人民共和国农业行业标准测[11]定土壤理化指标：(1)土壤pH值采用电位法(土液比为1.0 ∶2.5)；(2)土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；(3)土壤氧化还原电位(Eh)采用铂电极直接测定法测定；(4)土壤机械组成采用简易比重计法测定；(5)重金属Cr、Cd、Pb、Cu、Zn含量采用HNO3-HF微波消解，ICP-OES(prodigy xp)测定。

1.3 数据处理与分析

按照统计学基本要求，剔除试验数据的异常值，运用Excel 2003和DPS 7.5对土壤的理化指标进行统计，并制表成图进行分析。

参照《土壤环境标准(GB 15618—1995)》[12](表1)，选取对土壤质量和油菜品质关系密切的5种重金属元素(Cr、Cd、Pb、Cu、Zn)作为土壤污染状况的评级因子。根据《全国土壤污染状况评价技术规定(试行)》，将土壤单项污染指数法和综合评价方法相结合[13-14]，采用内梅罗综合指数法进行评价，具体计算方法如下：

式中：Pi表示环境中污染物i的单项污染指数；Ci表示环境中污染物i的实测数据；Si表示污染物i的评价标准。当Pi>1时，为污染。

根据综合污染指数对耕作层表层、底层土壤中5种重金属元素进行评价，同时对土壤重金属污染进行等级划分(表2)。

表1 GB 15618—1995《土壤环境质量指标》

表2 土壤环境质量等级

2 结果与分析

2.1 土壤机械组成

在油菜全生育期中，表层和底层土壤机械组成的变化情况是基本一致的(图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%)，但收获期表层土壤细沙比例(29.6%)略大于粗粉沙(26.4%)。黏粒所占比例从播种前至收获期呈现先减小后增大再减小的状态，在抽薹期所占比例(表层为24.5%，底层为30.6%)达到最大，与之相反的是细沙，从播种前至收获期细沙所占的比例先增大后减小然后再增大。此外，细沙粉和中粉沙的比例一直比较稳定。油菜全生长期中土壤机械组成的变化与根系分泌物、根系的生长以及土壤中的其他生物的活动密不可分。

2.2 土壤pH值

土壤pH值是土壤酸碱性的直接反应，也是土壤重要的理化指标之一，不仅会影响重金属的有效性和毒性，还会影响植物的生长。研究区域土壤呈中性和微碱性(图2)，适合油菜生长。在油菜的生长过程中，表层土壤pH值变化不明显，波动区间极窄，介于7.80～7.92之间；底层土壤pH值变化比较大，自播种前到花期呈下降趋势，收获期又回升。苗期之前底层土壤pH值比表层土壤pH值高，之后底层土壤pH值均低于表层土壤。

2.3 土壤氧化还原电位

土壤氧化还原电位(oxidation-reduction potential，简称Eh)是反映土壤氧化还原状况综合性的强度指标。在油菜全生长期中，表层土壤和底层土壤Eh变化趋势一致(图3)，整体呈波动上升趋势，在抽薹期达到最大(表层土壤Eh为 179 mV，底层土壤Eh为193 mV)，开花期虽有下降，但在收获期又保持回升趋势。表层土壤Eh略低于底层土壤，Eh均为正值，且在10～193 mV之间，处于中度还原状态。

2.4 土壤有机质

油菜全生长期中，耕作层表层土壤的有机质明显高于底层土壤(图4)。表层土壤有机质含量整体呈下降趋势，在抽薹期和花期小幅增长；底层土壤有机质含量整体呈上升趋势，在花期和收获期小幅下降。油菜在生长过程中养分物质的吸收虽会导致有机质含量的降低，但土壤中的动植物、微生物等频繁活动产生的大量分泌物也会增加其含量。

2.5 土壤重金属含量

农田土壤中重金属会随着作物生长富集到植株体内，同时在作物生长过程中降水也会导致重金属的流失，从而引起作物不同生长时期土壤中重金属含量的变化。由图5可知，在表层土壤中Cr(71.18～84.36 mg/kg)和Zn(70.94～82.16 mg/kg)含量较高，Cd含量(1.41～1.73 mg/kg)最低。油菜全生长期中Cr和Zn一直处于波动状态，自播种前到收获期含量有增有减；Cd含量在油菜生长过程中先增大后减小，抽薹期含量最大。Pb(35.22～44.54 mg/kg)和Cu(16.94～19.75 mg/kg)含量变化趋势一样，自播种前到花期含量保持递减状态，到收获期又缓缓回升。

底层土壤中重金属含量最高的是Cr(77.06～83.93 mg/kg)，最低的仍是Cd(1.06～1.93 mg/kg)(图6)，Cd含量在油菜全生长期呈波动状态，由于其含量较低，所以增减幅度不参与整体比较。Cr、Zn、Cu三者变化趋势一致，即播种前到苗期略增长，随后均下降，但变化量极小，Pb含量的波动前期比后期大。

2.6 油菜全生长期中土壤理化性质及重金属含量变异程度分析

表层土壤理化性状变异系数在2.99%～78.41%之间，底层土壤理化性状变异系数在5.44%～60.91%之间，均为弱变异和中等变异(表3)。表层和底层土壤Eh变异最强(变异系数分别为78.41%和60.91%)，其次是细沙和黏粒(细沙的变异系数分别为46.10%、60.76%，黏粒的变异系数分别为31.93%、36.88%)。表层土壤变异最弱的是土壤有机质含量(变异系数为2.99%)，底层土壤变异最弱的是土壤pH(变异系数为5.44%)。

表3 油菜全生长期中土壤理化性质及重金属含量变异程度(平均值±标准差)

土壤重金属Cd和Pb含量变异程度大于其他33种重金属，且底层土壤变异程度大于表层，Cd和Pb在表层土壤的变异系数分别为7.47%、7.79%，在底层土壤的变异系数分别为 22.35%、14.14%。

2.7 土壤重金属污染评价

参照我国1995年颁布的GB15618—1995《土壤环境质量标准》，采用内梅罗综合指数法进行评价，计算油菜各个生长时期土壤重金属含量的单项污染指数(Pi)和油菜生长过程中重金属含量的综合污染指数(P综)，进而对土壤重金属元素进行分析和评价。

由表4可知，土壤重金属Cd在表层和底层土壤均为中度污染(表层土壤P综为2.791，底层土壤P综为2.929)，表层土壤重金属Cd在抽薹期污染最严重，底层土壤在花期污染最严重，其他4种元素在2层土壤中均处于安全等级。各重金属元素在油菜全生长期中单项因子污染指数变化趋势均不一致，但就综合污染指数而言，除了Pb，其他4种重金属元素在底层土壤综合污染指数大于表层土壤，这可能与雨水的淋溶作用以及油菜对表层土壤重金属的富集作用有关。

3 结论与讨论

在油菜全生育期中，表层和底层土壤机械组成的变化情况基本一致，变异程度最大的是细沙，其次是黏粒，但二者的变化此消彼长，在抽薹期黏粒所占比例达到最大，细沙比例降到最小，这与根系的生长及根系分泌物有关。抽薹期根系迅速生长会破坏之前土壤结构，同时根系分泌物也会快速黏结土壤颗粒，陶俊的研究也表明，总体上0.500～1.000 mm径级的根系对减小沙粒含量、增大黏粒含量、改善土壤结构构成贡献最大[15]。

底层土壤pH值较表层变化略大，但都在适合油菜生长的pH值范围内。底层土壤pH值自播种前到花期一直下降随后又回升，油菜播种之前和苗期底层土壤pH值比表层高，但是底层土壤pH值在抽薹期、开花期和收获期均低于表层，这是因为冬春季节降水量大于蒸发量，土壤的淋溶作用强烈，土壤溶液中盐基离子随水渗透向下移动，并随之出现交换性铝[16]，故耕作层底层土壤有酸化的趋势，苗期采样过后弱碱性肥料尿素的施用使表层土壤pH值没有出现大的波动，收获期气温升高，水分蒸发再次将盐分带离底层土壤。

土壤Eh波动范围在10～193 mV之间，属于中等变异，处于中等还原状态，花期土壤Eh骤降，说明土壤通气性变差，当地油菜的花期在3月中旬至4月中旬，这段时间降水量大且频率高，土壤水分含量高，通气性差。一般来说，表层土壤通气状况更好，土壤Eh应该更高，但良好的通气状况也更有利于好氧微生物的生长，好氧微生物在生长过程中消耗掉大量的氧气，反过来又降低了土壤Eh[17]，因此表层土壤Eh略低于底层土壤。云贵高原冬春季节受寒潮天气影响降水多，且平时地形降水频繁，故播种前要及时翻耕土地，油菜在生长过程中，特别是花期降水多要做好清沟排水措施，保证土壤良好的通气状况。

表4 土壤重金属污染评价

油菜在全生育期中表层土壤有机质含量高于底层，这与朱书法等的研究结果[18]一致。表层土壤有机质含量整体呈下降趋势，一方面是因为油菜生长主要从表层土壤汲取养分物质，另一方面是因为有机质通过淋溶作用向下迁移；底层土壤有机质含量整体呈上升趋势，在花期和收获期含量降低，同时表层土壤有机质含量在收获期也在降低，这是因为油菜在此生育期间须要大量的养分物质来保证植株的开花与结果，因此导致土壤中有机质极大亏损。

表层土壤Pb和Cu含量自播种前到花期保持递减趋势，到收获期又小幅度回升，Cr和Zn含量在油菜整个生育期中处于波动状态，Cd含量在油菜全生育期中先增大后减小；底层土壤Cr、Zn、Cu含量变化趋势一致，但变化不明显；Pb含量从播种前到抽薹期波动大，后期变化小，Cd含量呈先降低后增高然后又降低的趋势，变异程度均大于表层土壤；5种重金属中Cd含量最低，但Cd污染最严重，表层土壤中度污染，底层土壤重度污染，Cr、Pb、Zn、Cu含量虽高，但均安全。油菜在生长过程中土壤重金属含量的变化有多方面的原因：一是基肥牛粪的施用；二是油菜生长过程中对重金属的富集；三是随降水的流失；四是枯叶掉落和油菜花凋谢将重金属归还土壤。

为在油菜生长过程中及时改善土壤环境状况，提高油菜的产量、品质和质量，保证食品安全，现提出以下建议：有机肥施用前测定重金属含量，选用含量低的有机肥；花期降水量大，大雨过后要及时清沟排水，保证土壤良好的通气性；采摘枯黄菜叶，避免将重金属再次带回土壤。