山西省山药主产区土壤养分与重金属污染特征评价

王晓民,胡晓丽*,许爱玲,韩丽丽,关望辉,王耀琴

(1.山西农业大学 棉花研究所,山西 运城 044000;2.山西农业大学 经济作物研究所,山西 太原 030031)

0 引言

【研究意义】山药是一种药食同源作物,其作为粮食、蔬菜、药材、饲料和加工原料具有较高的生产价值[1]。土壤养分和重金属状况是决定山药产量和品质的关键因素,可通过影响植株的根系吸收能力和生理代谢活动,进而影响山药的生长发育和药效品质。重金属污染物进入土壤后,导致大气和水环境质量恶化,因其具有较强的富集性、持久性和不可逆性,可从土壤迁移至其他地方,并通过食物链危害人体健康[2-3]。因此,研究山药产区土壤养分及重金属分布特征,对确保山药产量和药效品质,促进当地山药产业高质量绿色发展具有重要意义。【前人研究进展】山药适宜生长在土质疏松的砂质壤土或砂土中,该土质的土壤基础肥力低,且保水保肥性差,一定程度上影响山药种植园土壤的养分平衡[4]。近年来,随着乡村城镇化、工业化的快速发展,土壤重金属污染、工业及生活污水以及盲目施肥等使山药种植土壤环境不断恶化[5]。“高投高产”土肥管理观念与山药需肥特性不相匹配已成为当前影响山药种植土壤环境、山药品质及山药产业绿色发展的主要矛盾。苗泽兰等[6]研究表明,河北省化肥氮、磷、钾投入过量比例分别为90.0%、98.3%和96.7%,不足比例分别为5.0%、0和3.3%,合理比例仅为5.0%、1.7%和0。王东等[7-8]对华北平原山药种植区土壤养分现状调查发现,氮的盈余率在50%左右,磷、钾的盈余率均超过200%,氮、磷、钾的盈余量严重超出环境承载阈值。成芬等[5]研究发现,河南怀山药种植园土壤主要存在Cu和Zn污染风险。步艳艳[9]研究表明,河北省主要道地药材产地主要存在Cd污染。【研究切入点】近年来,部分山药产区存在盲目施肥、过量施肥及有机肥料投入少等现象,从而造成土壤肥料利用率低和重金属污染等问题[7,10-11]。目前,有关山西省山药主产区土壤养分及重金属特征评价的相关研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】探究山西省山药主产区土壤养分及重金属环境质量状况,为山药种植制定科学合理的施肥标准和促进山药种植区土壤环境高效管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021年在12个具有代表性的山药主产地(山西省太谷区、平遥县、洪洞县、乡宁县、孝义市、汾阳市、运城市盐湖区、永济市、闻喜县、芮城县、万荣县和新绛县)88个山药生产种植园进行,研究区域基本概况见表1。

表1 研究区基本概况Table 1 Basic situation of the research area

1.2 样品采集与分析

1.2.1 采样点布设与样品采集 山药生产种植园土壤母质均为黄土,土壤类型为褐土。每个种植园采取“S”形取样法,采集0～40 cm土壤8～10钻土组合成1个混合样品后取土500 g,共采集88个土壤样品,剔除土壤中石粒、植物根系等杂物,装入密封袋中,做好标记带回实验室备用。

1.2.2 分析测试方法 参照袁嘉玮等[12]的方法测定土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量;参照王震尧等[13]的方法测定土壤铜(Cu)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)和铅(Pb)浓度;参照王东等[7]的方法进行山药土壤养分等级评价(表2)。

表2 土壤养分等级评价标准Table 2 Evaluation criterion for grade of soil nutrients

1.3 重金属污染风险评价方法

1.3.1 单因子污染指数法 单因子污染指数法主要是运用单一因子对研究区域进行污染评价。研究采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[14]中规定的农用地土壤污染风险筛选值对Hg污染程度进行评价,筛选值为3.40 mg/kg;Cu、As、Cd、Cr、Pb污染程度参照张宏斌等[15]确立的山西省晋中吕梁地区土壤重金属背景值进行评价,背景值分别为17.62 mg/kg、15.00 mg/kg、0.087 mg/kg、46.90 mg/kg和26.02 mg/kg。

Pi=Ci/Si

式中,Pi为土壤重金属i的单因子指数,Ci为重金属i的实测值,Si为重金属i的评价标准值。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法 内梅罗综合污染指数法是将单因子污染指数的平均值和最大值归纳到一起进行综合污染评价。土壤重金属单因子污染指数和综合污染指数分级见表3。

式中,P为土壤重金属综合污染指数,Pi为土壤所有重金属单因子污染指数的平均值,max(Pi)为土壤所有重金属单因子污染指数的最大值,n为土壤重金属种类总数。

表3 土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合 污染指数分级 Table 3 Classification of single factor pollution index and Nemerow composite pollution index of soil heavy metals

1.4 数据统计与分析

采用SAS 8.2和Excel 2019对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 山西省山药主产区种植园土壤养分的分级评价

从表4看出,山西省山药主产区种植园土壤养分含量及分布存在差异。土壤有机质1.2～19.4 g/kg,均值为7.7 g/kg,极低和低水平占比分别为72.7%和27.3%;全氮0～1.1 mg/kg,均值为0.4 mg/kg,极低、低和中等水平占比分别为95.5%、3.4%和1.1%;碱解氮0.7～78.8 mg/kg,均值为28.0 mg/kg,极低、低和中等水平占比分别为51.1%、35.2%和13.6%;有效磷1.0～18.2 mg/kg,均值为4.2 mg/kg,均处于极低水平;速效钾32.0～255.0 mg/kg,均值为93.5 mg/kg,极低、低、中等、高和极高水平占比分别为11.4%、54.5%、22.7%、10.2%和1.1%;pH 8.0～9.1,均值为8.6,属碱性土壤,略高于山药适宜土壤pH值(6～8)。从变异系数看,土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾变异系数介于47.6%～72.0%,属中等程度变异,有效磷变异系数达145.1%,属高度变异。表明,山西省山药主产区种植园土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷处于极低水平,速效钾处于低水平,土壤主要养分含量易受人为因素影响,有效磷受影响最为明显。

表4 山西省山药主产区种植园土壤养分的分级评价Table 4 Evaluation on soil nutrient grade in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

2.2 山西省山药主产区种植园土壤重金属含量特征和污染风险评价

由表5可知,山西省山药主产区种植园土壤重金属含量分布不同。Cu 14.4～70.9 mg/kg,均值为26.3 mg/kg,清洁、潜在污染和重度污染占比分别为11.4%、86.4%和2.3%;As和Pb分别为5.9～11.8 mg/kg和19.1～24.3 mg/kg,均值分别为9.4 mg/kg和21.6 mg/kg,清洁占比均为100.0%;Hg 0.02～0.20 mg/kg,均值为0.07 mg/kg,清洁和潜在污染占比分别为88.6%和11.4%;Cd 0.07～0.10 mg/kg,均值为0.10 mg/kg,清洁和潜在污染占比分别为22.7%和77.3%;Cr 39.5～65.8 mg/kg,均值为50.5 mg/kg,清洁和潜在污染占比分别为34.1%和65.9%。Cu、Cd和Cr单因子污染指数平均值(Pi)均在1～2,为潜在污染,其余重金属均小于1,为清洁。研究区域综合污染指数(P综)为0.8～3.0,以潜在污染和轻度污染为主,占比分别为34.1%和63.6%,均值为1.3,处于轻度污染水平。从变异系数看,变异系数依次为Cd>Hg>As>Cu>Cr>Pb,除Pb外,其余重金属变异系数均在40%以上,表明Cd、Hg、As、Cu和Cr易受人为因素影响,以Cd更为明显。表明,山西省山药主产区种植园土壤环境总体存在Cu、Cd和Cr污染风险,极少数山药种植园存在Hg污染风险,不存在As和Pb污染。

表5 山西省山药主产区种植园土壤重金属含量特征和污染风险评价 Table 5 Content characteristics and pollution evaluation of soil heavy metals in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

2.3 山西省山药主产区种植园土壤养分和重金属的相关性

从表6看出,研究区土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾各养分指标间均呈显著正相关关系,其中,土壤有机质与全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的相关系数分别为0.674、0.602、0.681和0.838,表明,土壤有机质是影响土壤养分含量的重要因素。对研究区土壤6种重金属进行相关性分析发现(表7),Cu与Cr和Pb呈显著正相关关系,相关系数分别为0.781和0.666;As与Cr存在显著正相关关系,相关系数为0.720。说明,研究区土壤Cu与Cr和Pb,As与Cr具有相同来源。部分重金属间存在一定的弱相关关系,如Cu与As和Cd,As与Hg和Cd,Hg与Cd等在污染源上可能存在一定相似性。

表6 山西省山药主产区种植园土壤养分间的 Pearson相关系数Table 6 Pearson correlation coefficients between soil nutrients in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

表7 山西省山药主产区种植园土壤重金属间的 Pearson相关系数Table 7 Pearson correlation coefficients between soil heavy metals in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

3 讨论

良好的土壤环境是提高山药产质量的基础,土壤环境恶化是导致山药连作障碍发生的主要因素之一。研究表明,山西省山药主产区种植园土壤养分指标整体处于匮乏、不足状态,土壤肥力状况普遍较差。综合适宜山药种植土质特性和种植园施肥状况考虑,其原因可能是长时间不合理施用化肥破坏了土壤原有结构,进而降低了土壤的保水保肥特性。因此,山西省山药种植园应注重改善土壤基础理化性质,增加土壤保水保肥性,可考虑配施有机肥和生物炭肥[16]。适宜山药生长的土壤pH为6.0～8.0[17]。研究结果显示,山药主产区种植园土壤pH均值为8.60,呈弱碱性,略高于适宜山药种植土壤pH值,表明,山西省山药主产区种植园土壤pH未达山药生长的最适区间。因此,在土壤管理中应注意合理调节土壤pH,灌溉避免使用井水,肥料上可选择重过磷酸钙或磷酸二氢钾[18]。从相关性分析结果看,土壤有机质与其他养分含量均呈显著正相关关系,与苏婷婷等[19-22]的研究结果有所差异,可能的原因是土壤养分指标受作物影响,各指标间的相关性不尽相同。孙凯宁等[22]针对瑞昌山药土壤养分状况研究发现,土壤有机质与有效磷和速效钾含量无显著相关性;结合范琳娟等[17,23]对瑞昌山药种植方式和栽培管理调研结果推断,其原因可能是受不同作物品种对土壤元素的吸收差异影响,种植不同山药品种的土壤养分间的相关性分析存在差异。

土壤重金属污染具有多种潜在危害,不仅能破坏土壤的正常功能,还阻碍作物正常生长,造成农作物产量和品质下降。研究表明,山西省山药种植园土壤内梅罗综合污染指数(P综)均值为1.3,处于轻度污染水平,占比为63.6%。其中,种植园土壤不存在As和Pb污染,均存在Cu、Cd和Cr潜在污染风险,占比分别为86.4%、77.3%和65.9%,少部分种植园土壤存在Hg潜在污染风险,占比为11.4%,个别种植园土壤存在Cu重度污染风险,占比为2.3%。表明,山西省山药种植园土壤重金属污染风险较高,主要表现为Cu、Cd和Cr富集。从变异系数看,除Pb外,其余重金属变异系数均在40%以上,表明,Cu、As、Hg、Cd和Cr易受人为因素影响,与王震尧等[13]的研究结果一致。因此,在生产活动中应避免将建筑废弃物、包装废弃物和管材、电池等带入山药种植园,同时应实施精准化的栽培管理制度,实现标准化、绿色化的良性生产。

4 结论

山西省山药主产区种植园属碱性土壤,土壤肥力整体处于低水平和极低水平;土壤环境主要表现为Cu、Cd和Cr富集,极少数山药种植园存在Hg富集,不存在As和Pb污染。因此,在生产活动中应注重改善土壤基础理化性质,增加土壤保水保肥性,可考虑配施有机肥和生物炭肥;合理调节土壤pH,灌溉避免使用井水,肥料上可选择重过磷酸钙或磷酸二氢钾;避免将建筑废弃物、包装废弃物和管材、电池等带入山药种植园,实施精准化的栽培管理制度,实现标准化、绿色化的良性生产。