温室大棚寒地黑土质量综合评价及安全性分析

于久茹，王 雪，刘 辉，魏 嘉，邹继颖，2*，侯哲生，2

(1.吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林省秸秆原料化工程研究中心，吉林 吉林 132022)

寒地黑土是指发育在北纬40°～50°之间的寒温带湿润、半湿润地区，具有深厚腐殖层的高寒黑色土壤.寒地黑土有机质含量3%～10%，约是黄土的10倍，土壤肥力高，外观呈“纯黑色”，较适宜农耕[1].寒地黑土是种植粮食、蔬菜的宝贵土壤，具有“熊猫土”之称.习近平总书记在吉林省四平市梨树县考察时强调：“要认真总结和推广梨树模式，采取有效措施切实把黑土地这个‘耕地中的大熊猫’保护好、利用好，使之永远造福人民”.因此对寒地黑土的研究是极其重要的.

自然干扰和农业实践，如耕作、灌溉、焚烧、农药和化肥的使用，会导致土壤质地、水分、pH值和有机质等物理和化学参数的失衡.pH值、土壤有机质、金属含量等因素可以直观地反映出土壤环境质量[2-3].高纬寒地土壤质量变化与生态环境和经营水平密切相关[4].因此，本文以吉林省四平市梨树县某温室大棚的寒地黑土为例，通过对土壤的pH值、有机质、碱解氮、速效钾、有效磷、金属含量、颗粒等调查研究，分析土壤环境质量现状及安全性.

1 实验部分

1.1 样品采集

本实验样点采集区域为某温室农用大棚，采样点位于吉林省四平市梨树县，北纬43°17′43″，东经124°16′26″，海拔146.06 m.作物日照年平均气温为8.4 ℃，年平均降雨量为692.2 mm，雨量集中在每年的5-10月.采样时间为8月份，该区的土壤属于寒地黑土[5].

温室大棚材质为塑料，温室长100 m，宽12.5 m，种植作物以豆角(Vigna unguiculata(Linn.)Walp.)为主，近5年都是上半年种植豆角，下半年种植西红柿(Lycopersicon esculentum Miller)，连续不歇茬种植.土壤施肥量大，主要施用含有K、Ca、Mg的化肥和农用有机肥，灌溉用水为地下水.每年秋天会将温室内的土壤旋耕约20 cm.

采样方法为梅花5点采样法，分别为A、B、C、D、E 5点.在温室内侧距离温室各边缘0.2 m处对种植组土壤进行分层采样，分别标记为A、B、C、D.在距温室宽6.2 m和距温室长49.8 m处对对照组土壤进行分层采样，标记为E.将采集好的样品分类放入不同的密封袋中，贴好标签，带回备用.同时记录采样地点的环境状况.

1.2 试剂与仪器

采集的土壤鲜样采用烘干法测定土壤的含水率.将采集的土壤样品风干，过筛，然后对土壤进行基本理化指标的测定.对所采集的土壤通过测定pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤的粒径以及金属含量进行分析，所有测定方法均参考《土壤分析技术规范》(第二版)[6].其中颗粒的测量方法是进行改进的方法，采用吸量法结合颗粒图像分析仪测定土壤粒径.

1.3 实验过程

FA2004N电子天平：上海菁海仪器有限公司；DNG-9070A电热恒温鼓风烘干燥箱：上海精宏仪器有限公司；ZCA-1000火焰原子吸收分光光度计：北京中和测通仪器有限责任公司；T9紫外分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；WKL-702颗粒图像分析仪：上海仪电物理光学仪器有限公司.实验所得数据采用Office和Origin进行分析处理.

1.4 评价标准与方法

1.4.1 pH评价模型

(1)

式中，Xmin为土壤指标的最小值；Xmax为土壤指标的最大值；F(X)为pH隶属值[7].

1.4.2 有机质、碱解氮、速效钾、有效磷评价模型

(2)

式中，Ymin为土壤指标的最小值；Ymax为土壤指标的最大值；F(Y)为养分隶属值[7].

1.4.3 土壤质量综合评价指数

(3)

式中,F综为土壤质量综合评价指数；Wi为i个因子权重，权重利用熵值法计算；Ni为i个因子隶属系数；n为评价因子的总数目[8].

1.4.4 土壤单因子污染指数

(4)

式中，Pi为土壤中污染物i的单项污染指数，Pi越大，污染越严重；Ci为土壤中污染物i的实测值[9]；Si为土壤中污染物i标准值[10].标准值选用GB 15618—2018《土壤环境质量》作为土壤污染评价标准[11].Pi分级标准如表1所示[12].

1.4.5 土壤综合污染指数

(5)

式中，P综为综合污染指数；Pmax为所有单项污染指数的最大值；Pavg为土壤各单项污染指数中的平均值[8].P综分级标准如表1所示[12].

1.4.6 土壤潜在生态危害指数

(6)

(7)

(8)

表1 各指标分级标准

2 结果与讨论

2.1 土壤质量特征分析

2.1.1 土壤质量评价指标

研究区土壤基本指标如表2所示，与国际制土壤质地分类标准进行对照[14]，粉粒含量在40%～100%的土壤为粉砂质壤土.土壤pH范围为5.28～6.70，表层与深层pH平均值分别为5.72、6.05.土壤有机质平均值分别为27.02、19.19 g·kg-1，与国家二级标准[15]比对确定该土壤等级为三级.土壤碱解氮平均值分别为733.31、316.22 g·kg-1，有效磷平均值分别为86.86、71.60 g·kg-1，速效钾平均值分别为556.86、120.44 g·kg-1，与国家二级标准[6]比对确定该土壤有效养分含量为一级土壤营养含量.表层与深层对比，表层指标含量明显高于深层指标含量.各指标变异系数在0.74%～142.78%之间，颗粒的变异系数最小，低于6%，速效钾的变异系数最大，超过20%.

表2 土壤基本理化指标

土壤为粉砂质土壤，土壤松散，CO2、O2透过率较高，呈酸性，与以往研究吉林省土壤呈酸性结果一致[16].土壤养分分布不均匀，速效钾、碱解氮、有效磷、有机质表层与深层养分含量差异较大，表层含量远远高于深层含量，不同土层间差异性显著，这与张连金等人研究结果相似[17].有效磷、碱解氮、速效钾表层含量高于深层含量可能为长期施肥是通过化肥与水按比例混合浇灌在土壤表层所导致.有机质含量表层高于深层的原因主要分为两点，第1点由于栽培的植物在衰老期叶子会自然脱落，积累在土壤表面，迁移进入到土壤，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].而腐殖质组分为富里酸与胡敏酸[19]，所以富里酸与胡敏酸的增加使腐殖质酸总碳量增加，从而使表层有机质含量高于深层有机质含量；第2点，长期施加化肥以及有机肥，土壤养分含量升高，从而土壤有机质含量升高，这与刘学彤、郑春莲等人研究结论相似[20].由于化肥与水按比例混合浇灌在土壤表层，从而导致上层0～5 cm有机质含量高于下层5～10 cm有机质含量.因此适当残留管理，可以提高土壤有机碳库，提高土壤质量[21].

2.1.2 不同土层质量单因素评价

雷达图中的属性坐标点离原点越远状态越好，各属性坐标点围成的多边形面积越大则其评价对象的整体状态越好[17].土壤不同层的指标隶属度见图1.

图1 土壤指标隶属度雷达图

上层土壤整体状态好于下层土壤，表明土层的深浅会影响隶属度的数值，隶属度随土壤深度的增加而降低，与张连金等研究结论一致[17].隶属度函数值最小的为速效钾，其次是碱解氮，说明速效钾与碱解氮为影响研究区土壤质量的限制性因子[17].可能是因为氮、钾元素均为当年消耗，磷元素则为次年消耗[22]，使速效钾、碱解氮指标状态劣于有效磷指标状态.

2.2 土壤质量评价

2.2.1 土壤质量综合评价

土壤的质量综合评价指数越大，表示土壤质量越好[23].通过土壤质量综合评价指数公式计算，结果见图2，上层土壤质量综合评价指数数值高于下层土壤质量综合评价指数数值.D点相对于其他值高出很多，说明D点土壤质量比其他点较好，更有利于作物的生长.土壤质量高低顺序为D(0.75)>C(0.6)>E(0.43)>B(0.4)>A(0.23).如图2所示，A点土壤质量综合指数低于E点土壤质量综合指数，可能是农药和化肥的使用不均匀，导致综合评价指数较低.

采样点图2 土壤质量综合评价指数散点图

2.2.2 土壤金属污染评价

通过计算土壤金属单因子污染指数对土壤进行分析，结果如图3所示.

采样点图3 单因子污染指数散点图

金属Cd的单因子污染指数高于其他金属单因子污染指数，但各金属单因子污染指数均在0

通过计算土壤金属综合污染指数对土壤进行分析，结果如图4所示.综合污染指数依次为A0-5(0.49)

采样点图4 综合污染指数散点图

通过计算土壤金属潜在生态危害指数对土壤进行分析，结果如表3所示.各重金属单项潜在生态风险系数依次为B5-10(3.80)

表3 土壤潜在生态危害指数

土壤各金属含量通过与GB 15618-2018《土壤环境质量》进行对比，结果显示，各采样点金属含量均小于农用地土壤污染风险筛选值.单因子污染指数各数值(0

3 结 论

通过对处于温室大棚的寒地黑土土壤pH、土壤肥力、土壤粒径以及土壤重金属等因子进行分析，得出以下结论：速效钾与碱解氮为影响研究区土壤质量的限制性因子；农用温室大棚土壤的肥力较高，土壤为粉砂质壤土，呈酸性；有效磷、碱解氮、速效钾含量均达到国家一级标准，只有有机质含量为国家三级标准；土壤重金属含量均未超过农用土壤国家标准，土壤生态危害等级较低.

吉林省是产粮大省，所产粮食、蔬菜输入我国各地，种植作物土壤的安全问题是不可忽略的.习总书记在视察吉林省四平市梨树县时也强调一定要做好黑土的保护.因此我们应该采用适当的方法进行种植，对黑土进行保护.温室种植作为吉林省四平市梨树县广泛的种植形式，对此类温室寒地黑土的研究是极为重要的.本次研究只研究单个温室寒地黑土的评价指数，不同地区所处环境不同、种植形式不同对土壤的各项理化性质影响有所不同，金属含量过高可以直接影响粮食的产量.因此对温室寒地黑土的研究还需继续完善.这将有利于我国对温室寒地黑土的治理，也有利于我国粮食、蔬菜安全的把控.