张家川乌龙头种植地土壤肥力与环境质量评价

王彦君，章 梅，黄文魁，徐 辉，李艳杰，张谷春

(江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221000)

甘肃省作为典型的西部欠发达经济省份，在贫困县数量及分类的统计调查中，确定甘肃省43个贫困县为国家扶贫工作的重点县，而张家川县则是43个国家重点贫困县中的典型县[1-2]。张家川以甘肃省千万亩林果基地建设为主导，以精准扶贫富民产业培育为抓手，结合农业产业结构调整，大力发展以果品为主的林果经济产业[3-5]。张家川乌龙头，其嫩芽可食用，营养丰富，味美醇厚，野味浓郁，是著名的上等山野菜，被誉为“山野菜之王”，具有良好的市场发展前景[6]。张家川县土地资源较为丰富，土层深厚，气候温和，雨量适中，光照充足，昼夜温差大，县内林缘区分布着大量野生乌龙头，特殊的地理位置、自然环境和气候条件适宜乌龙头的培育和栽植。为了加快脱贫进程，推进乌龙头种植产业，有必要对张家川县典型乌龙头种植区的土壤养分、肥力质量及其环境质量进行分析和评价，为张家川乌龙头产业发展提供科学依据，助力张家川精准脱贫。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

张家川县地处甘肃省东南部，以山地为主，最高点为秦家塬石庙梁，最低点为龙山镇马河村，海拔1 486m～2 659.4m，属温带大陆性季风气候[7]。由于地形的复杂多样性，形成了明显的地域型立体小气候环境，中西部为温和半干旱区、温凉半干旱区和温寒半干旱区，气候温和，光照充足，无霜期较长，但雨量较少；东北部为温寒半湿润区和温寒湿润区，气候偏冷，光照较差，无霜期较短，雨量充沛。张家川年平均气温7.5℃，无霜期163d左右，年平均降水量630mm，主要降水量集中在7—9月，年日照时数约2 044h，日照率46.2%以上，平均天日照5.6h左右，满足乌龙头生长发育的需求。

1.2 土壤样品采集

综合考虑土壤类型、成土母质类型等因素，将样点布设在土地利用方式最具代表性的地块中，采样区位于甘肃省张家川县，选取刘堡乡幺儿村、马鹿乡保平村、马河村3个代表性乌龙头种植区域，系统采集三个区域的表层0～20cm的土样，共计43件，采样点位置分布如图1所示。每个点位样品均有5个分样等量均匀混合而成，用四分法留存1kg。将其放在阴凉通风处自然风干，剔除其中的树枝，草根、石块等杂物，碾碎过10目孔径筛后留存备用。

图1 张家川县土壤样品采样点分布Figure 1 Soil sampling point distributions in Zhangjiachuan County

1.3 测试指标及方法

采用综合指数法对土壤肥力进行综合评价，采用单因子指数法和内梅罗综合指数法对土壤环境质量进行评价，测定指标及测定方法见表1。运用Excel和SPSS软件进行数据的统计分析，运用Origin软件进行绘图。

表1 测定指标及测定方法Table 1 Measuring indices and measurement methods

2 结果与分析

2.1 土壤养分

土壤养分是由土壤提供的动植物生长所必须的营养元素[8-9]，分为大量元素、中量元素和微量元素，主要来源于土壤矿物质、土壤有机质、人工施肥、灌溉等，是土壤肥力的基础[10-11]。参考全国第二次土壤普查的养分分级标准[12]，根据各肥力指标的平均值对张家川土壤养分进行分级并进行频率统计，结果分别见表2和图2。结合表2和图2可以看出，张家川土壤中各肥力指标评价等级各不相同，表明其丰缺状况不同。土壤中全氮质量分数平均值为1.38g/kg，肥力分级处于三级水平，但其质量分数主要集中在1～1.5g/kg；速效氮质量分数平均值为37.25 mg/kg，肥力分级处于5级水平，其质量分数低于30mg/kg的样本数占总数的58%，较为贫乏；速效磷平均质量分数为16.1 mg/kg，肥力分级处于三级水平；速效钾平均质量分数为217 mg/kg，肥力分级处于1级水平。综上，张家川县土壤养分总体呈现钾富集氮贫乏的特征，在种植过程中需要施加土壤改良剂、有机肥等措施来提高产量[13]。

图2 土壤养分频率分布Figure 2 Soil nutrient frequency distributions

表2 土壤养分评价等级Table 2 Soil nutrient assessment categories

2.2 肥力评价

2.2.1 确定肥力指标权重

根据《土壤质量指标与评价》提出的主导性、生产性和稳定性的肥力指标选取原则[14-15]，结合种植乌龙头土壤的功能及其特定的环境状况，除了上述5个养分指标之外，另选取阳离子交换容量、土壤pH值作为肥力评价指标。因为阳离子交换容量大小代表土壤保肥性的高低，是改良土壤和合理施肥的重要依据[16]；土壤pH值对土壤性质的影响较大。

综上，选取阳离子交换容量、土壤pH值、有机质含量、全氮含量、速效氮、速效磷和速效钾共7个指标作为土壤肥力评价指标，采用相关系数法确定各个肥力指标的权重。运用SPSS软件计算各项肥力指标之间的Pearson相关系数，具体结果见表3。基于表3获得各项肥力指标与其他肥力指标相关系数的平均值，将该平均值(如为负数，取绝对值)与所有肥力指标相关系数平均值的绝对值总和的比值作为该肥力指标的权重，权重计算结果见表4。

表3 土壤肥力指标相关性Table 3 Soil fertility indices correlativity

表4 土壤各肥力指标权重Table 4 Soil fertility index weights

2.2.2 确定肥力指标隶属度

隶属度的计算是通过建立各个肥力指标的隶属度函数模型来确定的，常见的隶属度函数有抛物线型和S型[17]，如公式(1)和(2)所示。

(1)

(2)

根据作物效应，本研究中土壤pH值采用抛物线型，阳离子交换容量、有机质含量、全氮含量、速效氮含量、速效磷含量和速效钾含量采用S型隶属度函数。式中x1、x2、x3和x4是各肥力指标在曲线中的转折点，参照全国第二次土壤普查的养分分级标准[12]，并结合张家川土壤养分状况，确定各肥力指标的转折点，如表5所示。根据所属隶属度函数类型，将各转折点数据和土壤实测数据分别代入公式(1)和(2)，所得各个肥力指标的隶属度值见表6。

表5 隶属度函数曲线中转折点取值Table 5 Turning point values giving on membership functions curve

表6 土壤各项肥力指标相应的隶属度Table 6 Soil fertility indices corresponding membership grades

2.2.3 土壤综合肥力指数

采用加权法则，土壤综合肥力指数IFI，其计算方法如公式(3)所示：

(3)

式中：N为参评指标的数量；wi为第i个肥力指标的权重；ui为第i个肥力指标的隶属度。IFI值介于0～1，其值越接近于1，表明土壤肥力越高。根据全国耕地质量标准(GB/T 33469—2016)，结合甘肃土壤质量的特点，张家川土壤IFI值为0.61，属于中等水平。

2.3 环境质量评价

土壤中各单项肥力指标统计特征值见表7，根据Nielsen的划分标准(变异系数<10%为弱变异性；10%～100%为中等变异性)[18-19]。从表7中可以看出Cd、Hg、As的标准差均小于1，说明这三组数据的离散程度较小，但是受平均值的影响，Cd、Hg的变异系数较大，属于中等变异；Zn含量的最大值为283 mg/kg，最小值为66.20 mg/kg，变化范围较广，其变异系数为38%，属于中等变异。Pb、Cr、Cu、Ni变异系数均小于10%，属于弱变异。值得注意的是，相较于背景值，土壤中所测的8种重金属的含量均有所增大，其中，Pb、Cd、Hg的含量增加幅度较大，超过背景值20%以上。

表7 土壤中重金属浓度的统计特征Table 7 Statistical features of soil heavy metal concentrations

参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》[21](GB15618—2018)中农用地土壤污染筛选值，采用单因子指数法和内梅罗综合指数法对张家川土壤环境质量进行评价，其计算方法如公式(4)和(5)所示：

Pi=Ci/Si

(4)

式中：Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数；Ci为调查点位中污染物i的实测值；Si为污染物i的参考值；Pi值介于0～1，未受到污染；介于1～2，轻度污染，介于2～3，中度污染；大于3，重度污染。

(5)

表8 土壤环境质量评价结果Table 8 Soil environmental quality assessed results

从单因子指数看，张家川乌龙头种植地表层土壤中重金属均未超标，单因子污染指数从大到小的顺序为：As >Cd >Cr>Cu=Zn >Ni >Pb >Hg，As的单因子污染指数为0.56，接近于0.7。从综合污染指数分析，张家川土壤环境质量等级为1级，污染水平为清洁，未受污染。

通过上述分析，张家川土壤养分丰缺状况不同，速效钾含量丰富可能与当地作物秸秆还田有关[22]，研究表明，钾在秸秆内以离子形态存在，极易被淋洗出来，导致速效钾的含量较高。此外，由于区域土壤中盐基饱和度较高[20]，碳酸盐溶解，造成pH值普遍较高；重金属平均值均高于背景值是受当地施加于土壤中的有机肥(猪粪、牛粪、羊粪等)、化肥、农药等影响[23-24]，出现累积效应。

3 结论

张家川县典型乌龙头种植区域中土壤各肥力指标评价等级各不相同，其丰缺状况不同。其中，有机质含量偏低，均值为16.6g/kg，属四级；全氮含量适宜，属三级；速效钾、速效磷含量丰富，分别属于二级和一级，而速效氮含量偏低，均值为37.25mg/kg，属五级。通过综合指数法，张家川土壤肥力综合指数为0.61，属于中等水平，需要施加土壤改良剂、有机肥等措施促进乌龙头生长发育，提高产量。土壤环境质量等级为1级，未受污染，属于安全等级，但重金属含量均高于背景值，具有一定累积效应。