湖南省油菜主产区土壤养分含量与重金属污染风险评价

熊廷浩，黄益国，周 旋，鲁艳红，资 涛，胡宇倩，宋海星，*

(1.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128； 2.衡阳市农业科学研究所，湖南 衡南 421101； 3.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125)

油菜是我国重要的油料作物之一，常年种植面积约737万hm2，年产量约1 450万t[1]。湖南是油菜生产大省，近年来种植面积稳定在120万hm2以上，年产量约210万t。科学、合理地评价耕地土壤肥力能更好地了解土壤本质，为指导施肥、改良土壤、调整农业生产结构、发展精准农业等提供科学依据[2]，从而更好地利用现有的土壤资源[3]。充分调查和准确评价湖南油菜主产区耕地的土壤肥力和施肥状况，对当地油菜产业发展具有积极的现实意义。

油菜生育期长，生物产量高，是一种需肥量较大的作物。一般而言，在我国油菜生产中，氮、磷、钾、硼是限制产量提高的主要因素；但近年来，由施肥失衡、地力偏失导致的其他营养元素的短板日渐显现[4]。此外，海拔、成土母质、气候、种植品种、耕作方式和施肥水平等因素也都会对农田土壤的肥力产生深刻影响，导致不同油菜种植区域的耕地土壤养分状况发生较大变异[1，5]。丛日环等[6]调查发现，长江中下游不同冬油菜种植区的土壤有机质、全氮和有效磷含量均处于适宜或丰富的水平，但三熟制地区有相当比例的土壤需提高有效硼含量。张智等[7]将地统计学与地理信息学方法相结合，分析湖北、湖南、江西3省土壤样品中微量元素含量的分布特征和空间变异，发现与第二次土壤普查相比，土壤有效态铁、锰、铜含量均有大幅提升，鲜有缺乏，但土壤有效态锌和硼含量的增幅相对较小，分别有30.8%和17.7%的耕地处于缺乏状态。在本研究检索范围内，关于湖南省油菜种植区土壤营养元素的研究仅限于少量的氮磷钾养分评价方面，对于土壤中其他养分和重金属方面的研究较少。为此，本研究拟运用养分亏缺指数方法，分析湖南省油菜主产区土壤养分含量及其空间分布特征，并运用污染指数法对土壤重金属污染风险进行评价，旨在为当地冬油菜产区的安全生产、土壤养分平衡管理和科学施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查区概况

本研究共采集56份土壤样本，其中，在湖南省油菜种植面积排前4位的常德(29.21万hm2)、衡阳(20.88万hm2)、益阳(13.26万hm2)、岳阳(11.75万hm2)分别采集10份、10份、10份、14份土壤样本，在种植面积相对较小的长沙(5.05万hm2)、郴州(6.21万hm2)和株洲(3.53万hm2)分别采集5份、4份、3份土壤样本。上述取样点所在地区的油菜种植面积合计占湖南省油菜种植总面积的约70%。

1.2 土样样品采集与调查

于2018年4—5月(油菜角果发育期)，在每个样点按照“S”形路线，依照“随机”“等量”和“多点混合”的原则进行采样，避开路边、沟边、田埂、肥堆等特殊部位，采集0～20 cm耕层土壤约2.0 kg，带回实验室，风干磨细后过筛，测定土壤养分、有效态重金属含量和pH值。同时，调查并记录各采样点的轮作模式、种植方式和产量。

1.3 检测方法

土壤pH值采用电位法(水土浸提的体积质量比2∶1)测定；有机质含量采用外加热—重铬酸钾容量法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定；交换性钙和交换性镁含量采用乙酸铵浸提—原子吸收分光光度法测定；有效硫含量采用磷酸盐浸提—硫酸钡比浊法测定；有效硼含量采用沸水浸提—甲亚胺姜黄素比色法测定；有效钼含量采用草酸—草酸铵浸提法测定；有效铁、有效锰、有效铜、有效锌含量采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提—原子吸收分光光度法测定；有效铅、有效镉、有效镍含量采用原子吸收光谱法测定[8]。

1.4 土壤肥力评价

1.4.1 统计学特征

用算术平均数评价样本的集中性。用变异系数(CV)表示样本的离散程度，并按其CV值划分为3类：<15%，弱变异；15%～75%，中等变异；>75%，强变异[9]。

1.4.2 土壤肥力单项指标评价

根据油菜的生长情况，突出油菜养分需求，对湖南油菜主产区的土壤肥力单项指标进行评价，评价项目主要包括土壤pH值，以及有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硼、交换性钙、交换性镁、有效硫、有效钼、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌含量。

依据第二次全国土壤普查的分级标准，将土壤酸碱性分为6级：强酸性(<4.5)，弱酸性(4.5～<5.5)，微酸性(5.5～<6.5)，中性(6.5～<7.5)，碱性(7.5～<8.5)，强碱性(≥8.5)[10]。除土壤速效磷、速效钾和有效硼分级指标参考邹娟[11]的研究结果，有效钼分级指标参考刘鹏等[12]的研究结果外，其他土壤养分均参考第二次全国土壤普查制定的分级指标[10]。各指标均分为缺乏(缺乏和严重缺乏)、中等(轻度缺乏和潜在缺乏)、丰富共3级[11]，将相应指标整理于表1。

1.4.3 土壤综合肥力评价

结合本研究实际情况，选取土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硼、交换性钙、交换性镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效铜含量和pH值用于土壤综合肥力评价。

为了消除参评指标间的量纲差异，首先对选定的某项土壤养分指标进行标准化处理，将其转化为肥力系数(IFI)[12]：

(1)

式(1)中：V为IFI的值；xa、xc分别对应于表1中相应土壤养分缺乏、丰富的临界值；xb为xa、xc的平均值。对于土壤pH值而言，xa、xc分别取值4.5、8.5。

表1 土壤养分分级标准

通过上述方法标准化后，IFI的值介于0～3，各项指标间的可比性、对油菜生长需求的针对性都变得更强。各土壤养分指标同一级别的肥力系数接近，可比性高，且当测定值超过上限临界值时，肥力系数不再提高，更符合油菜对土壤养分的需求并不是越高越好的生产实际。

采用修正后的内梅罗(Nemoro)指数公式[13]计算土壤综合肥力(I)：

(2)

式(2)中：Imean和Imin分别为针对各项土壤养分指标测算的IFI中的平均值和最小值；n为参与评价的土壤养分指标的个数(本文为12)。根据I值将土壤综合肥力分为4个等级：<0.9，贫瘠；0.9～<1.80，一般；1.8～<2.7，肥沃；≥2.7，很肥沃。

1.5 土壤重金属污染风险评价

选取GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的污染风险筛选值(低于或等于该值，对农产品质量安全、农作物生长、土壤生态环境的风险较低)作为评价标准。本研究中的土壤样本为耕作土壤，且大部分为水旱轮作，故采用较为严格的风险筛选值进行判别，且仅判别有效态的铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铅(Pb)、镍(Ni)。将其风险筛选值整理于表2。

表2 农用地土壤重金属风险筛选值

采用土壤单项污染指数法(Pi)对各重金属进行单项评价：

(3)

式(3)中：Pi为土壤中重金属i的污染指数；Ci为重金属i含量的实测值；Si为重金属i的风险筛选值。当Pi≤1时，表示未污染；当13时，表示重度污染[11，14]。

1.6 数据分析

采用Excel 2016、SPSS 21软件进行数据整理和单因素方差分析，使用WPS 2019绘图。

2 结果与分析

2.1 研究区油菜生产概况

调查表明，研究区的油菜耕作主要包括水稻-油菜、玉米-油菜、棉花-油菜、芝麻-油菜和蔬菜-油菜共5种轮作模式。其中，水稻-油菜模式占比最大(73.2%)，其次为玉米-油菜(8.9%)、蔬菜-油菜(7.1%)，棉花-油菜和芝麻-油菜模式各占5.4%。油菜播种方式主要分为直播和移栽2种，其中，直播占比62.5%(n=35)，移栽占比37.5%(n=21)。这说明，在当下湖南农村青壮劳动力欠缺的背景下，研究区的油菜生产正在转向直播等轻简化栽培方式。研究区的油菜产量在1 500～2 250 kg·hm-2的占46.4%(n=26)，在1 500 kg·hm-2以下的占39.3%(n=22)，在2 250 kg·hm-2以上的占14.3%(n=8)。相比长江中游其他省份[15]，研究区内大部分地块的油菜产量处于中低水平，具有较大的增产空间。油菜产量虽受土壤养分状况的影响，但也取决于气候、土壤类型等其他因素。在湖南，油菜生长季的降水量比较大，易发生土壤渍害，会严重影响油菜产量。因此，在湖南省油菜产区，除要合理施肥改善地力外，通过开沟、排渍等措施改善土壤条件对于提高油菜产量来说也非常重要。

2.2 研究区土壤肥力评价

对研究区的土壤肥力进行评价(表3)：土壤pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾的肥力系数分别为1.6、1.9、2.4、2.2、1.7，有效硼、交换性钙、交换性镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效钼的肥力系数分别为2.0、3.0、3.0、1.0、3.0、3.0、3.0、3.0、3.0。经测算，研究区的土壤综合肥力为1.67，土壤肥力一般。

表3 研究区的土壤肥力特征

研究区土壤pH值平均值为5.7，变幅为4.3～8.0，变异系数为19.9%，中等变异。其中，73.2%的土壤样品呈弱酸性和微酸性(4.5～6.5)，且以呈弱酸性的占比最高(50.0%)，微酸性的占比次之(23.2%)，16.0%的土壤样品呈碱性(>7.5～8.5)，强酸性和中性的样品占比最少，各占5.4%(图1)。总体来看，研究区土壤主要呈弱酸性、微酸性。

研究区的土壤有机质平均含量为29.0 g·kg-1，变幅为11.0～57.0 g·kg-1，变异系数为35.0%，中等变异。其中，有机质含量缺乏的占25.0%，中等的占58.9%，丰富的占16.1%(图2)。总体来看，研究区土壤有机质含量中等。

研究区的土壤全氮平均含量为1.7 g·kg-1，变幅为0.8～2.8 g·kg-1，变异系数为29.5%，中等变异。其中，土壤全氮含量缺乏的占7.2%，中等的占58.9%，丰富的占33.9%。总体来看，研究区土壤全氮含量中等。

研究区的土壤有效磷平均含量为23.2 mg·kg-1，变幅为2.9～126.3 mg·kg-1，变异系数为90.6%，强变异。其中，土壤有效磷含量缺乏的占28.6%，中等的占46.4%，丰富的占25.0%。总体来看，研究区土壤有效磷含量中等，且各地间差异较大。

研究区的土壤速效钾平均含量为103.4 mg·kg-1，变幅为42.0～212.0 mg·kg-1，变异系数为38.8%，中等变异。其中，土壤速效钾含量缺乏和丰富的各占7.2%，中等的占85.6%。总体来看，研究区土壤速效钾含量中等。

研究区的土壤有效硼平均含量为0.4 mg·kg-1，变幅为0.2～1.0 mg·kg-1，变异系数为93.7%，强变异。其中，土壤有效硼含量缺乏和丰富的各占3.6%，中等的占92.8%。总体来看，研究区土壤有效硼含量中等。

研究区的土壤交换性钙平均含量为1 994 mg·kg-1，变幅为145.4～6 410 mg·kg-1，变异系数为62.6%，中等变异。其中，土壤交换性钙含量缺乏的占5.4%，中等的占44.6%，丰富的占50.0%。总体来看，研究区土壤交换性钙含量丰富。

研究区的土壤交换性镁平均含量为148.2 mg·kg-1，变幅为25.9～418.3 mg·kg-1，变异系数为51.3%，中等变异。其中，土壤交换性镁含量缺乏的占5.4%，中等的占39.3%，丰富的占55.3%。总体来看，研究区土壤交换性镁含量丰富。

研究区的土壤有效硫平均含量为22.1 mg·kg-1，变幅为5.0～59.6 mg·kg-1，变异系数为34.4%，中等变异。其中，土壤有效硫含量缺乏的占69.6%，中等的占26.8%，丰富的占3.6%。总体来看，研究区土壤有效硫含量缺乏。

研究区的土壤有效铁平均含量为191.5 mg·kg-1，变幅为8.7～433.5 mg·kg-1，变异系数为69.5%，中等变异。其中，土壤有效铁含量缺乏的占1.8%，中等的占19.6%，丰富的占78.6%。总体来看，研究区土壤有效铁含量丰富。

研究区的土壤有效锰平均含量为66.2 mg·kg-1，变幅为9.3～264.3 mg·kg-1，变异系数为73.6%，中等变异。其中，土壤有效锰含量中等的占12.5%，丰富的占87.5%，无有效锰含量缺乏的样本。总体来看，研究区土壤有效锰含量丰富。

研究区的土壤有效铜平均含量为4.5 mg·kg-1，变幅为0.9～9.0 mg·kg-1，变异系数为34.3%，中等变异。其中，土壤有效铜含量中等的占3.6%，丰富的占96.4%，无有效铜含量缺乏的样本。总体来看，研究区土壤有效铜含量丰富。

研究区的土壤有效锌平均含量为5.1 mg·kg-1，变幅为0.7～17.1 mg·kg-1，变异系数为63.8%，中等变异。其中，土壤有效锌含量中等的占10.7%，丰富的占89.3%，无有效锌含量缺乏的样本。总体来看，研究区土壤有效锌含量丰富。

研究区的土壤有效钼平均含量为0.2 mg·kg-1，变幅为0～0.5 mg·kg-1，变异系数为61.5%，中等变异。其中，土壤有效钼含量缺乏的占55.4%，中等的占21.4%，丰富的占23.2%。总体来看，研究区土壤有效钼含量中等。

2.3 研究区土壤重金属污染风险评价

研究区土壤有效态Cd的Pi平均值为0.75(未污染)，变异系数87.4%，为强变异。其中，未污染(Pi≤1)样本占比最多(80.3%)，轻度污染(13)样本各占1.8%。研究区土壤有效态Cu、Zn、Pb、Ni的Pi平均值分别为0.08、0.02、0.10、0.01，变异系数分别为39.7%、64.3%、65.8%、64.6%，均为中等变异。总体来看，研究区立地环境中铜、锌、铅、镍的重金属污染风险极低。

3 讨论

对耕作土壤的养分状况进行调查与评价是指导作物合理施肥与开展养分管理的重要依据[16]。

表4 研究区土壤重金属污染风险

近年来，我国冬油菜种植区的土壤肥力稳中有升，但速效养分相对缺乏的面积扩大，施肥对油菜增产的贡献率逐渐增大。换言之，油菜丰产需建立在科学施肥的基础上[17]。本调查发现，湖南油菜主产区的土壤普遍呈微酸性和弱酸性，这不利于油菜对土壤中钙、镁等元素的吸收，若不加以适当调控，长此以往，会加速土壤贫瘠和重金属的活化，增加土传病害的发生概率。土壤有机质在提高土壤养分有效性、缓冲性和保肥性，减轻或消除土壤农药和重金属污染，改善土壤结构，增强蓄水性和通气性等方面具有重要意义[18]，是评价土壤肥力的重要指标之一。刘云慧等[19]研究表明，化肥施用量的大幅上升能促进作物产量提高，增加土壤中作物残茬和根的有机质输入，进一步提高土壤有机质含量。但本调查发现，湖南油菜主产区土壤有机质含量不足的现象比较突出，83.9%的土壤样本表现为有机质含量缺乏或中等，这可能与农户长期未施用有机肥和秸秆焚烧不还田有关，今后应注意采取增加土壤有机质含量的措施，如增施商品有机肥、秸秆还田、种植绿肥等，提升土壤肥力。

邹娟[11]研究表明，长江流域油菜种植区的N、P、K含量大部分处于缺乏或中等水平。本调查表明，湖南省油菜主产区的土壤全氮、有效磷、速效钾含量缺乏的比例分别为7.2%、28.6%和7.2%，中等的比例分别为58.9%、46.4%和85.6%，另外，还分别有33.9%和25.0%的土壤样本全氮和速效磷含量丰富，可见氮、磷、钾养分缺乏的情况并不严重。调查中，土壤钾素缺乏的比例大于氮、磷，可能与当地生产中钾肥投入量相对不足有关[20]。因此，在施肥过程中应根据土壤N、P、K养分状况，适当控制氮肥和磷肥的投入，防止过量施肥导致环境污染。

土壤中微量元素含量的差异主要是由局部地形、土壤类型、气候条件等因素造成的土壤矿物风化分解速率差异引起的[21]。白由路等[22]认为，我国土壤有效镁含量较低的区域主要集中在长江以南地区，有54%的土壤需要不同程度地补充镁素肥料。邹娟[11]研究表明，长江流域油菜种植区土壤Ca、Mg、Fe、Mn、Cu含量相对丰富，B大部分处于缺乏或中等水平，S和Zn可能是油菜生产中的土壤养分潜在缺乏因子。虽然油菜生长需要的大量元素养分远超过中、微量元素，但由于生产中往往只重视大量元素肥料的应用，土壤中、微量元素反而因得不到补充而含量下降。本调查表明，有效硫、交换性钙和交换性镁的缺乏和中等比例合计分别为96.4%、50.0%和44.7%，有效硼和有效钼的缺乏和中等比例合计分别为96.4%和76.8%，可见硼、硫、钼元素普遍缺乏，还有约一半的土壤缺少钙和镁。湖南油菜主产区大部分是酸性或微酸性土壤，铁、锰、铜、锌的有效性较高，其含量均超过丰富级。因此，针对湖南省油菜种植区的土壤养分现状，在施用大量元素肥料的同时，应合理增施硼肥，适当补充含硫、钙、镁、钼肥料。这既是避免最小养分限制的重要施肥策略，也是实现湖南省油菜产业减肥增效目标的重点方向。施用有机肥不仅能够增加土壤有机质含量，还可补充中、微量元素。显然，有机无机肥配施也是今后值得推广的施肥方向。

代天飞等[23]研究表明，重金属在油菜籽粒中的累积远小于在茎中的累积，而油菜收获物恰是油菜籽，因此关于油菜重金属污染风险方面的研究相对较少。但是，随着油菜食用价值的提升，油菜薹的食用需求量日渐增长，人们对油菜的收获期望也不再仅仅局限于油菜籽，故深入研究油菜对重金属的累积特性及其食用风险的必要性日益突出。本调查在湖南油菜主产区立地环境中并未发现铅、镍污染，有19.7%的土壤样本有镉污染风险，但多为轻度污染。针对镉污染，可采取施用石灰、有机肥和碱性肥料等方法来降低土壤中重金属的有效性，从而降低油菜镉污染风险。

总之，本调查显示，湖南省油菜种植区土壤有机质和多种养分缺乏现象比较普遍，从缺乏和中等合计比例来看，有机质、全氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硫、有效硼和有效钼分别为83.9%、66.1%、75.0%、92.8%、50.0%、44.7%、96.4%、96.4%和76.8%，但多数为中等。因此，在油菜生产中，除土壤自身能供应的养分外，还普遍需要通过施肥的方式补充氮、磷、钾和硼、硫、钼养分，另需适当补充钙、镁养分。其中，氮素养分容易损失，且60%的氮素需在薹期前积累，应通过基追结合的方式施用，约60%～70%做基肥，30%～40%做追肥。如果一次性施用缓控释氮肥，应保证薹期前和后期释放氮素的比例为(60%～70%)∶(30%～40%)，其余元素可一次性基施。油菜专用全营养缓控释复合(混)肥能平衡供应多种营养元素，控制氮素释放速度，一次施用可满足全生育期养分需求，建议采用。此外，还可结合有机无机肥配施等施肥方法对土壤养分进行综合管理。