不同土地利用方式土壤肥力调查与评价: 以浙江省建德市葛塘村为例

刘明庆，韩 笑，杨育文，高 丽，李 妍，席运官，张纪兵，黄思杰

(生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

土壤肥力是衡量土壤肥沃程度的一个重要指标，是决定农业生产能否实现高质量和土壤资源利用能否可持续的关键因素[1]。土壤pH、有机质和大量元素(氮、磷和钾)含量是表征土壤肥力的主要指标，直接影响植物生长发育及最终的产量和品质。除了自然因素以外，土地利用方式也是影响土壤肥力的主要因素[2]。朱永青等[3]研究发现太滆运河流域不同用地方式间土壤pH值及全氮和有机质含量具有极显著差异。不合理的土地利用方式会导致土地退化，肥力下降，水土流失。而有机肥的合理施用以及有机农业的推广可以显著提高土壤有机质和氮磷含量，改善生态环境[4]。

近年来，我国工业化和城市化进程带来的土壤重金属污染问题日益凸显。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国农田土壤点位超标率为19.4%。农田土壤重金属污染直接关系到农产品质量和农田生态系统健康[5]。同样，土地利用方式也显著影响土壤中重金属积累[6]。农药和肥料的施用，特别是肥料质量和数量是引起农田土壤中重金属污染的主要原因之一。

土壤肥力和重金属含量是衡量土壤生产能力和生态健康的关键因素[1]。土壤综合肥力指数(integrated fertility index，IFI)是反映土壤肥力的综合性指标，广泛应用于土壤质量评价中[1,7-8]。单因子污染指数是目前评价土壤重金属污染的常用方法[9-11]。我国幅员辽阔，不同区域、不同县域内土壤肥力和土壤重金属时空变异大[12]。摸清当地土壤肥力和重金属污染现状对因地制宜推进可持续农业发展至关重要。

近年来，浙江省建德市依托独特的农业资源和良好的生态资源优势，积极调整农业产业结构，大力发展有机食品产业[13]。2021年，建德市开始探索有机农业生产与农村生态环境保护示范村(简称有机村)建设，赋能农村生态环境保护，推动“两山”转化，开创乡村振兴的产业创新模式。葛塘村位于建德市钦堂乡，环境综合整治情况良好[14]。2019年，葛塘村入选国家林业和草原局公布的第一批国家森林乡村名单。2021年，葛塘村成为建德市首批有机村建设试点村。土壤是有机种植生产的基础条件，全面评估不同土地利用方式下土壤肥力和重金属污染风险，可以为科学推进有机村建设、加快推动农业农村绿色低碳发展及实现生态环境保护与经济发展双赢提供参考依据。笔者以葛塘村不同土地利用方式土壤为对象，考察其土壤理化特征和重金属含量，评估土壤肥力和重金属污染风险，为土壤培肥和葛塘村有机基地产地环境持续改善提供参考依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

葛塘村位于浙江省建德市钦堂乡西南部(29° 41′ 7″ N，119° 32′ 57″ E)。区域面积为10.26 km2，海拔高度为74 m，气候类型属于亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛，四季分明，年平均温度为16.9 ℃，年平均降水量为1 528 mm，无霜期为254 d，年均相对湿度为77.7%，年均日照时数为1 940 h。葛塘村位于钱塘江上游，地处浙西丘陵山地和金衢盆地毗连处，以低山丘陵地貌为主[14]。土壤类型主要为红壤、黄壤、岩性土、潮土和水稻土。葛塘村拥有耕地面积46.8 hm2，山林面积711.1 hm2，其中，国家级公益林面积为339.3 hm2，省级公益林面积为18.6 hm2，天然商品林停伐管护面积为62.1 hm2，毛竹林面积为78.7 hm2，茶园面积为8.0 hm2，属于典型的“八山一水一分田”地貌(图1)。葛塘村主要农作物种植类型为水稻、茶树、无花果和番薯，种植面积分别约为21.0、8.0、4.7和3.3 hm2。

图1 研究区地形和不同土地利用方式采样点分布

1.2 土壤样品采集

参考GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》将葛塘村土地利用方式分为水田、旱地、茶园和果园，对应的种植作物分别为水稻、番薯、茶树和无花果。采用网格布点法对不同土地利用方式土壤进行布设采集，集中连片的水田、旱地、茶园和果园分别设置15、10、7和5个采样点(图1)。采样时间为2022年3月。土壤采样深度为0～20 cm，每个采样点采用梅花形布点法采集5个样品，采用四分法留取500 g样品用于后续分析。

1.3 测定指标及方法

土壤样品在去除石块和植物残体等异物后，经自然风干，过2 mm或0.149 mm孔径筛，搅拌均匀后用于土壤养分指标和重金属含量测定。土壤养分指标测定参考鲁如坤[15]的方法。土壤pH采用pH计(FE28)测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮含量采用酸溶-凯氏定氮法测定；速效氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定；有效磷含量采用盐酸-氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融法浸提-原子吸收法测定；速效钾含量采用乙酸铵溶液浸提-原子吸收法测定。

土壤中重金属含量测定方法参考GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》的方法。土壤Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Hg和As含量采用原子荧光法测定；Pb含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Cu、Zn和Cr含量采用火焰原子吸收分光光度法测定。

测定过程中，加入相应的国家土壤标准物质(GSS-32、GSS-4a、GSS-5a)进行质量控制，实验全程做空白样和平行样，保证数据的有效性和分析方法的准确性，所有元素测试结果的标准偏差均在10%以内。

1.4 土壤肥力综合评价方法

选择土壤养分指标评估土壤综合肥力指数(IFI)[4,7]。土壤养分指标包括土壤pH值以及有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾含量。根据作物效应曲线，土壤pH值采用抛物线型隶属度函数，其余指标采用S型隶属度函数。根据全国第二次土壤普查肥力等级和相关系数确定式(1)～(2)中各个因子权重(表1)。

抛物线型隶属度函数计算公式为

(1)

S型隶属度函数计算公式为

(2)

表1 土壤养分指标隶属度函数曲线转折点取值及权重

根据上述各指标的隶属度和权重系数，计算不同土地利用方式土壤综合肥力指数(IFI)，公式为

(3)

式(3)中，n为参评因子数；Wi为第i个因子权重；Fi为第i个因子隶属度值。

1.5 重金属污染程度评价

土壤中某一重金属元素污染评价采用单因子污染指数法[9]，计算公式为

(4)

式(4)中，Pi为土壤重金属i的单因子污染指数；Ci为重金属i的实测值，mg·kg-1；Si为重金属i的评价标准，mg·kg-1，标准采用GB 15618—2018中不同pH分级和土地利用类型土壤污染风险筛选值。

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2016处理试验数据，采用SPSS Statistics 22.0进行数据显著性统计分析和Pearson相关性分析，采用Origin 2021制图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤肥力基本特征

2.1.1土壤养分指标特征

依据土壤肥力等级[8]划分，由表2～3可知，研究区土壤pH平均值为5.55，整体呈微酸性。不同土地利用方式土壤pH值由高到低依次为旱地>水田≈果园>茶园。旱地土壤pH值最高，平均值为6.01，而茶园土壤pH平均值最低，只有4.88，呈强酸性。茶园土壤pH值显著低于其他3种利用方式土壤pH值(P<0.05)。土壤有机质是衡量土壤肥力高低的重要指标。调查结果显示，研究区土壤有机质含量平均值为27.0 g·kg-1，整体处于中等水平。土壤有机质含量由高到低依次为茶园、果园、水田和旱地。茶园、果园和水田土壤有机质含量处于较丰富或中等水平。而旱地土壤有机质含量显著低于其他3种利用方式土壤有机质含量(P<0.05)，处于较缺乏水平。

表2 葛塘村不同土地利用方式土壤基本化学性质

表3 葛塘村不同土地利用方式土壤养分评价

不同土地利用方式土壤全氮含量由高到低依次为水田≈果园>茶园>旱地。水田和果园土壤全氮含量较高，平均值分别为2.19和2.16 g·kg-1，处于丰富水平。研究区所有水田土壤样品全氮含量均高于1.5 g·kg-1，且54%的采样点土壤全氮含量高于2.0 g·kg-1。茶园土壤全氮含量处于较丰富水平。与有机质含量相一致，旱地土壤全氮含量最低，仅为0.87 g·kg-1，显著低于其他3种利用方式土壤(P<0.05)，处于较缺乏水平。研究区土壤速效氮含量平均值为98.5 mg·kg-1，不同土地利用方式土壤速效氮含量由高到低依次为果园≈水田>茶园≈旱地，处于中等或较缺乏水平。不同土地利用方式土壤速效氮含量差异并不显著。

研究区样点土壤全磷含量平均值为568 mg·kg-1，不同土地利用方式土壤全磷含量由高到低依次为果园、旱地、水田和茶园。果园和旱地土壤全磷含量较高，平均值分别为642和631 mg·kg-1，而茶园土壤全磷含量最低，平均值为411 mg·kg-1，显著低于果园和旱地土壤(P<0.05)。研究区样点土壤有效磷含量平均值为34.3 mg·kg-1，不同土地利用方式表现为果园>水田>旱地≈茶园。果园土壤有效磷含量处于丰富水平，显著高于其他3种利用方式土壤(P<0.05)，水田、旱地和茶园土壤有效磷含量处于较丰富或中等水平。

研究区土壤全钾含量平均值为7.4 g·kg-1，不同土地利用方式土壤全钾含量由高到低依次为茶园、旱地、水田和果园。茶园土壤全钾含量显著高于其他3种利用方式土壤(P<0.05)，而果园土壤全钾含量则显著低于旱地和茶园土壤(P<0.05)。研究区土壤速效钾含量平均值为39.6 mg·kg-1。果园速效钾含量平均值最高，为70.8 mg·kg-1，但是仍处于较缺乏水平。其他3种利用方式土壤速效钾含量显著低于果园土壤，但3者之间差异并不显著，均在33～39 mg·kg-1之间，处于缺乏水平。

2.1.2土壤养分相关性分析

进一步对葛塘村土壤养分指标进行相关性分析结果(表4)表明，研究区土壤pH与有机质和全钾含量呈显著负相关关系，土壤pH与全磷含量则呈极显著正相关关系。土壤有机质含量与全氮和速效氮含量均呈极显著正相关关系(P<0.01)，全氮与速效氮含量也呈极显著正相关关系(P<0.01)。这也证实了土壤有机质含量与土壤氮素直接相关。研究区土壤全磷含量与有效磷含量相关性不显著，而与全钾含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。研究区土壤全钾与速效钾含量相关性也不显著，但是有效磷与速效钾含量则呈极显著正相关关系(P<0.01)。

2.2 不同土地利用方式土壤综合肥力评估

2.2.1隶属度

通过土壤肥力基本特征的隶属度对评价指标进行无量纲标准化处理。隶属度越接近1，表示该评价单元中该指标值对土壤肥力贡献度越高。图2显示，水田土壤中磷和钾含量相对较低；旱地土壤除pH值在作物适宜范围内以外，其他土壤肥力隶属度均处于较低水平；茶园土壤pH值和磷钾含量均相对较低；而果园土壤除钾含量相对较低以外，pH值、有机质和氮磷含量隶属度都处于较高水平。综合来看，葛塘村不同土地利用方式土壤有机质和氮磷含量存在差异。土壤全钾和速效钾隶属度均处于最低水平，全钾隶属度在0.14～0.38之间，速效钾隶属度仅为0.1。研究结果表明，葛塘村钾含量是土壤肥力最主要的限制因子。此外，除果园以外，其他土地利用方式土壤全磷和有效磷含量隶属度均低于0.4，磷含量也是土壤肥力的限制因子。

表4 土壤养分相关性分析

图2 土壤肥力指标隶属度雷达图

2.2.2土壤综合肥力指数

基于模糊数学和多元数理统计分析原理对不同土地利用方式土壤综合肥力状况进行综合评估。土壤综合肥力指数越接近1，表明土壤综合肥力越高。按照标准土壤综合肥力指数可分为优(>0.80)、良(>0.60～0.80)、中等(>0.40～0.60)、差(>0.20～0.40)和很差(≤0.20)5个等级。如图3所示，果园土壤综合肥力指数最高，达到0.55，而且显著高于其他土地利用方式土壤(P<0.05)，其次为水田(0.44)，均处于中等水平。而茶园和旱地土壤综合肥力指数只有0.37和0.29，则处于差水平。旱地土壤综合肥力指数显著低于其他土地利用方式土壤(P<0.05)。

直方柱上方英文小写字母不同表示不同土地利用方式间土壤综合肥力指数差异显著(P<0.05)。

2.3 不同土地利用方式土壤重金属含量及风险评估

2.3.1土壤重金属含量特征

由表5所示，研究区水田土壤Cd含量相对较高，平均值为0.224 mg·kg-1，高于浙江省杭嘉湖地区土壤环境背景值0.152 mg·kg-1[16]。果园和旱地土壤Cd含量次之，茶园土壤最低，仅为0.082 mg·kg-1，这3种土地利用方式土壤Cd含量均低于杭嘉湖地区土壤环境背景值。旱地土壤As含量平均值为7.86 mg·kg-1，略高于杭嘉湖地区背景值，而且显著高于水田和果园土壤(P<0.05)。茶园、水田和果园土壤As含量平均值均低于杭嘉湖地区土壤环境背景值。不同土地利用方式土壤Hg、Pb、Cr、Cu和Zn含量均没有显著差异。Hg、Cr、Cu和Zn含量都低于杭嘉湖地区土壤环境背景值，水田和果园土壤Pb含量则略高于杭嘉湖地区土壤环境背景值。综合来看，研究区不同土地利用方式土壤重金属Cd、Hg、As、Cr、Cu和Zn平均含量均不高于杭嘉湖地区背景值。

表5 葛塘村不同土地利用方式土壤重金属含量

2.3.2土壤重金属污染风险评估

农业生产中使用含有重金属的化肥或农药可能会引起土壤重金属污染[6]。根据土壤pH值和土地类型选择GB 15618—2018中相应的土壤污染风险筛选值作为评价标准，进一步对葛塘村不同土地利用方式土壤重金属含量潜在风险进行评估。土壤重金属单因子污染指数Pi>1表示污染，Pi≤1表示未污染，Pi值越大，表明污染越严重[9]。如表6所示，研究区不同土壤重金属元素单因子污染指数平均值由大到小依次为Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As和Hg，且不同土地利用方式土壤重金属单因子污染指数都小于1，处于未污染状态。结果表明，研究区样点土壤均处于无污染安全水平。按照GB/T 19630—2019《有机产品 生产、加工、标识与管理体系要求》，有机生产产地环境土壤需符合GB 15618—2018要求，因此，葛塘村土壤重金属含量状况满足开展有机产品生产的要求。

表6 葛塘村不同土地利用方式土壤重金属单因子污染指数

3 讨论

土壤养分是植物营养吸收的主要来源。不同土地利用方式下，作物生物量和生长速度存在差异，导致其所需养分存在差异，人为灌溉、施肥对土壤养分也产生显著影响。与前期研究结果[3，8]相一致，土地利用方式对葛塘村土壤肥力水平产生显著影响。结果显示，葛塘村茶园土壤pH值(4.88)显著低于其他土地利用方式土壤，呈酸化趋势，这与我国茶园土壤普遍存在酸化问题[17]相一致。茶树喜酸怕碱，根系及根际微生物会分泌大量质子、有机酸和多酚类物质，同时农业生产中还会施用化学氮肥，这些因素都会引起茶园土壤酸化[18]。同时，土壤酸化还会引起土壤重金属离子活化，从而增加茶叶中Pb、Cu和Cd等有害重金属含量[19]。研究表明，与化学肥料施用相比，有机肥施用可以显著提高茶园土壤pH，改善土壤质量，保障茶叶产量并提高茶叶品质[18]。因此，后续在葛塘村茶园中开展有机农业生产可缓解土壤酸化。

有机质含量是土壤肥力的核心指标，对农作物生长和产量至关重要。葛塘村不同土地利用方式土壤有机质含量差异较大，茶园与果园有机质含量较丰富，然而，旱地土壤有机质处于较缺乏水平。旱地土壤全氮和速效氮含量也处于较缺乏水平。调研发现，当地旱地番薯种植为一年两季，产量较高，每年单产可达22.5 t·hm-2，与多年生木本植物茶树和无花果相比，番薯生长速度快，植物正常生长所需的大量元素氮磷钾含量较高，土壤养分消耗大。这些因素导致旱地土壤有机质和氮含量偏低。旱地土壤应增施养分含量较高的有机肥，采取冬季种植蚕豆等绿肥以及秸秆全部粉碎还田等措施可以提高土壤有机质和氮磷含量，并实现作物增产[20]，因此，当地旱地番薯种植区可采取上述措施提升土壤肥力。

此次调查分析结果表明，无论何种土地利用方式，速效钾含量均是葛塘村土壤肥力的主要限制因子。1990—1992年调查结果表明，葛塘村所在杭嘉湖平原地区黄红壤和水稻土速效钾含量平均值分别为82.8和56.2 mg·kg-1[21]。2017年调查结果表明，该地区水稻土速效钾平均值为102.85 mg·kg-1，比第二次土壤普查结果增加12%，属于中等水平[22]。然而，葛塘村整体上速效钾含量平均值仅为39.6 mg·kg-1，其中，水稻土速效钾含量仅为33.4 mg·kg-1，均处于缺乏水平。葛塘村土壤速效钾的低背景值很可能是由成土母质决定的，当地古生代沉积岩发育的黄红壤本身钾含量相对较低[21]。此外，当地农民在农业生产中往往使用复合肥料，并没有针对性地提高钾肥比例，导致当地土壤速效钾含量长期处于缺乏水平。钾是植物必需的大量元素之一，缺钾土壤中添加矿物钾肥或叶面喷施钾肥都可以显著提高作物生物量积累和最终产量[23]。因此，在葛塘村后续的有机农业生产中应在基肥或追肥中添加草木灰、沼渣和秸秆等天然钾肥来提高钾肥比例。

发展有机农业可以减少区域化学农药和化肥的使用，控制农业面源污染，保护农田生物多样性，推进农业绿色发展，助力乡村振兴[24]。有机生产方式可以改善和提升土壤质量，但也受具体管理措施和人为投入品数量等因素影响[25]。笔者研究摸清了葛塘村不同土地利用方式土壤质量状况，可以为制定针对性的土壤有机培肥策略和有机管理改善措施提供参考依据，对将葛塘村建设成为生态环境保护与经济发展双赢的有机村具有重要意义。

4 结论

(1)葛塘村整体上土壤pH呈微酸性，土壤有机质、全氮、速效氮和有效磷含量处于中等或较丰富水平，而速效钾含量则处于缺乏水平。旱地土壤有机质和全氮含量显著低于其他土地利用方式土壤，而果园土壤有效磷和速效钾含量则显著高于其他土地利用方式土壤。

(2)土壤速效钾是葛塘村土壤肥力的主要限制因子。果园土壤综合肥力指数处于中等水平，显著高于其他土地利用方式，而茶园和旱地则均处于差水平。

(3)葛塘村不同土地利用方式土壤重金属含量均低于农用地土壤污染风险筛选值，处于未污染状态，满足有机生产产地环境的土壤要求。