五家渠市及周边山药种植区土壤环境质量调查与评价

寇天乐，陈香伊，丛孟菲，胡 洋，孙 霞,2，贾宏涛,2

(1.新疆农业大学 资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐830052)

山药(DioscoreaoppositifoliaL.)是薯蓣科薯蓣属的多年生草本蔓性植物，药食同源，具有增强免疫力、助消化、降血糖、抗衰老、抗肿瘤等功能，在我国生产、栽培、利用历史悠久[1]。山药栽培范围非常广泛，南北各地都有种植，且具有较高的经济价值和社会效益。

新疆作为西北地区山药栽培新兴区，发展较快。常年种植山药的地区，由于其单一的种植结构和种植特点，长期不变地种植固定品种，使其土壤环境逐渐劣变，易造成病虫害多发且减产严重的现象，其耕地土壤有潜在遭受污染的可能[2]。近年来，众多研究对我国各地区的耕地土壤质量进行了不同形式地调查与评价，其中不乏对西北地区耕地开展的土壤质量调查与评价。姜北[3]对河北省麻山药主产区的耕地土壤适宜性进行了评价，并划分了土壤无公害、绿色、有机种植适宜区。王东等[4]对华北平原山药主产区进行了土壤肥力和养分平衡现状及环境风险评价，结果发现山药田土壤有机质、全氮含量为极低水平，有效磷含量为偏低水平，速效钾含量则为高水平。目前，已有关于西北地区山药生产现状及存在主要问题的研究[5]，但针对我国西北地区山药栽培新兴区的耕地土壤环境质量调查与评价却鲜见报道。

本研究以新疆传统山药种植区五家渠耕地土壤为研究对象，开展耕地土壤环境质量调查与评价，对深入了解五家渠市及其周边山药种植区耕地土壤是否安全，以及制订山药种植区耕地土壤保护措施，都具有一定的参考意义，也为未来西北干旱区山药种植耕地土壤的可持续利用提供基础数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆五家渠市境内（87°17” 42″~87°43” 15″E，43°59” 25″~44°39” 00″N），地处博格达峰北麓、准噶尔盆地南缘[6]。属于温带大陆性气候，海拔380~410 m，年均气温为6~7℃，无霜期158 d，日照率为60%~70%，年平均降水量约为190 mm，年蒸发量约为2 000 mm[7]。

1.2 研究区水肥管理情况

研究区采用滴灌方式，每年4月20日前后进行第1次灌溉，并施入基肥。每公顷施入600 kg史丹利三铵，750 kg二铵复合肥作为基肥。视山药生长情况进行追肥，每公顷每次施入75~90 kg磷酸二氢钾。9月20日前后进行最后1次灌溉，结束水肥管理。

1.3 样品采集

2021年4月3日，在五家渠市101团六连（L）、下泉子村（X）、五家渠市共青团（G）3处典型山药集中连片种植区各选择6块耕地（每处地块面积2~3 hm2），每块耕地取6个点位，用“S”形采样法采集样品。采样时避开堆肥，沟渠等环境，用土钻采集0~20 cm土壤，带回实验室自然风干，分别过1、0.25 mm标准尼龙筛。

1.4 测定指标

测定采集土壤样品的pH值、电导率、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等理化性质，测定土壤样品重金属锌、铜、铅、镉的含量，评价研究区土壤重金属污染情况，计算重金属污染指数，结合测定指标，对山药种植区耕地进行土壤环境质量综合评价[8]。

1.5 测定方法

土壤pH值以水土比2.5∶1浸提后使用pH值计测定；土壤有机碳采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷和全磷采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾和全钾使用火焰光度计测定；土壤全氮使用凯氏定氮法测定[9]；土壤重金属样品采用HF-HClO4-HNO3消解，铜、锌用火焰原子吸收法测定，铅、镉用石墨炉原子吸收法测定[10]。

对山药种植区土壤重金属污染情况，执行GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》[11]中的风险筛选值和管制值。土壤重金属采用单因子污染指数法和综合指数法，评价各地块污染程度。单项污染指数可以直观的反映环境介质中各土壤重金属的污染水平。公式如下：

式中，Pi为单因子污染指数；Ci为污染物i实测值；Si为污染物i评价标准限值。当Pi＜1，表示单因子污染物未超标；Pi＞1，表示单因子污染物超标，Pi越大污染越严重。评价标准见表1。

表1 单因子污染指数评价标准

内梅罗综合指数法可用于评价整个区域被多种重金属污染的土壤，突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用[12]，其评价标准：P综≤1，无污染；1＜P综≤2，轻度污染；2＜P综≤3，中度污染；P综＞3，重度污染。公式如下:

式中，P综为土壤综合污染指数；Pi为土壤各单项污染指数Pi的平均值；Pmax为土壤各单项污染指数中的最大值。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2010对数据进行统计整理，SPSS 26.0对数据进行单因素方差分析；采用Origin 2018对土壤基础化学性质、土壤重金属含量进行柱状图绘制[13]。

2 结果分析

2.1 土壤养分变化

如表2所示，五家渠市及周边山药种植区土壤pH值在7.14~8.08之间，G区土壤pH值显著高于X、L区，分别高出2.31%、2.71%。X、L、G 3个区域的各项养分指标中，土壤碱解氮、全氮、全磷含量均无显著差异(P＞0.05)。土壤碱解氮、有效磷、速效钾平均为43.34、5.39、289.19 mg·kg-1。全氮、全磷、全钾含量平均为3.73、2.17、7.49 g·kg-1。土壤有机质含量平均为12.91 g·kg-1。

表2 土壤养分状况

G、L区土壤有效磷含量无显著性差异(P＞0.05)，整体在5.60~5.70 mg·kg-1之间，但显著高于X区(P＜0.05)，分别高出17.48%、17.52%。G区土壤速效钾、全钾、有机碳含量显著低于X、L区(P＜0.05)，土壤速效钾含量整体在167.44~303.22 mg·kg-1之间，分别低出30.47%、19.88%；土壤全钾含量整体在4.25~6.61 g·kg-1之间，分别低出34.43%、37.80%；土壤有机质含量整体在8.70~11.94 g·kg-1之间,分别低出28.73%、25.97%。总体看来，土壤速效钾、全钾含量较为充足，但土壤碱解氮、有效磷及全磷含量较低，需及时补充。

2.2 山药种植区土壤重金属污染情况

山药种植区农田重金属情况如图1，X、L、G区域的锌含量最高为71.49 mg·kg-1，最低为68.17 mg·kg-1；铜含量最高为2.36 mg·kg-1，最低为1.89 mg·kg-1；铅、镉含量平均为2.51 mg·kg-1、0.12 mg·kg-1。X、L、G区域的锌、铜、铅、镉的含量均无显著性差异(P＜0.05)。

图1 山药种植区土壤重金属含量特征

执行GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》标准下，其他农用地的风险筛选值和管制值。与此标准下土壤风险筛选值进行对比可得，该山药种植区土壤锌、铜、铅、镉的含量，均远小于筛选值。

采用单因子污染指数法，得出单个重金属的污染情况。如表3所示，3块区域采集农田锌、铜、铅、镉4项重金属单因子污染指数Pi均小于1，污染等级为一级，均为未污染。

表3 农田单因子污染情况

根据单项污染指数，计算内梅罗污染指数。如表4所示，3个区域综合污染指数P综分别为0.185、0.189、0.179，P综≤1，均为Ⅰ级的安全无污染等级。

表4 农田综合污染情况

3 讨论与结论

3.1 讨论

随着食品安全生产越来越受到重视，产地土壤环境健康随之受到广泛关注。近年来，国内外均有对山药种植区耕地土壤进行的环境质量现状调查，及对山药产区土壤适宜性进行的研究[14]。从土壤养分变化来看，五家渠市及周边山药种植区土壤pH值在7.14~8.08之间，速效钾含量较为充足，但土壤全磷及有效磷含量较低，原因可能是磷肥施入土壤后，转化为难溶态磷，导致土壤中有效磷含量极大降低[15]。应适当补充磷肥。研究区土壤有机质含量充足，且速效钾含量较高，较适宜种植山药。

重金属污染的有无常被作为耕地土壤环境质量评价的一部分，尤其是铜、锌、铅、锰、镉、砷等重金属在土壤中的含量[16]。新疆耕地土壤锌、铜、铅、镉元素的背景值分别为68.8、26.7、19.4、0.12 mg·kg-1[17]。本研究测得研究区土壤镉含量在0.11~0.13 mg·kg-1之间，镉平均浓度为0.12 mg·kg-1，恰好为新疆耕地土壤镉元素背景值，远小于农用地土壤镉污染风险筛选值0.6 mg·kg-1，且铅、镉、锌、铜的含量均远小于对应标准下的土壤风险筛选值。由此可知，本研究区中重金属含量并未超标，但锌含量略高于新疆耕地土壤元素背景值，其原因可能是由于北疆土壤全锌的空间异质性造成的。

3.2 结论

（1）五家渠山药种植区中G区土壤pH值和有效磷含量较X、L区域高，但速效钾、全钾、有机碳含量较低。碱解氮、全氮、全磷在3个乡镇间无显著差异。研究区全钾含量较高，速效钾含量较为充足。土壤碱解氮、全磷及有效磷含量较低，需及时补充。

（2）五家渠山药种植区土壤的锌、铜、铅、镉浓度分别平均为69.93、2.07、2.49、0.12 mg·kg-1，分别为新疆土壤元素背景值的102%、7.75%、12.84%、100%。

（3）五家渠山药种植区土壤铅、镉、锌、铜的含量均小于对应标准下的土壤风险筛选值。单因子污染指数Pi均＜1，污染等级均为未受污染。3个区域内梅罗综合污染指数分别为0.185、0.189、0.179，P综≤1，为Ⅰ级的安全无污染等级。研究区域土壤属未受铅、镉、锌、铜污染。