油菜全生長期中土壤理化性質的變化及重金屬污染評價

方 慧， 顏秋曉， 柳小蘭， 黃文粵， 何騰兵，3， 王道平， 林昌虎，

(1.貴州大學農學院，貴州貴陽 550025； 2.貴州省中科院天然產物化學重點實驗室，貴州貴陽 550002；3.貴州大學新農村發展研究院，貴州貴陽 550025)

油菜(BrassicanapusL.)別稱油白菜、苦菜，屬十字花科蕓薹屬植物，其總產值與種植面積在我國四大油料作物中排名第二[1-3]，也是貴州省最主要的油料作物。研究表明，油菜品質和質量除了受自身基因影響外，土壤環境特別是土壤理化性質也是極為關鍵的因素[4]。此外，我國耕地土壤重金屬污染問題比較突出，研究結果表明，油料作物特別是油菜對重金屬有較強的耐受性和吸收能力，繼而導致的食品安全問題更嚴重[5]，因此關注油菜生長過程中土壤是否清潔同樣重要。目前對油菜生長的土壤理化性質及重金屬的研究主要集中于外源物質的施用方面，李東潔研究表明，油菜生長過程中污泥及赤泥施入有利于調節土壤的pH值、有機質含量等，同時污泥施用還可以提高土壤可利用性Zn含量[6]；任英亞通過油菜盆栽試驗發現，施用醋糟堆肥后低肥力土壤的pH值基本保持穩定，土壤的有機質含量顯著提高[7]；李曉莉研究了沼肥和化肥配施對石灰性土壤理化性質的影響，沼液化肥配施降低了土壤pH值，但提高了土壤有機質含量，同時沼液的施入對提高土壤中Cu和Zn的含量較為明顯，對Pb、Cr、Cd作用不明顯[8]；此外，菌糠的施入會降低土壤pH值，而生物炭的施入則會使pH值升高，不同處理菌糠均能提高土壤中的有機質含量[9]。當前對油菜各個生長期土壤理化性質及重金屬含量變異的研究比較粗略，因此本研究將對此進行細化，并對土壤重金屬污染情況進行評價，以期為今后在油菜生長過程中及時改善土壤環境狀況、提高油菜產量和質量作出一定的貢獻。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗區域位于貴州省遵義市播州區石板鎮，海拔約為800 m，東經為106°44′28″、北緯為27°30′11″，年平均氣溫為15.1 ℃，年降水量為1 020.6 mm，無霜期291 d，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，1年2熟，土壤類型為石灰性水稻土。該區域無污水灌溉，附近沒有工礦等污染源，面積約為450 m2(30 m×15 m)。油菜品種為油研57號，為甘藍型半冬性隱性核不育兩系雜交品種，國家審定編號為2013001。此品種幼苗半直立，株高約為193 cm，產量約為4 446 kg/hm2，抗倒性強，宜四川、云南、貴州、重慶等冬油菜區種植。油菜播種及田間管理按照當地農戶傳統管理經驗，播種前施用腐熟有機肥牛糞(Cr含量為12.54 mg/kg，Pb含量為8.85 mg/kg，Cu含量為19.25 mg/kg，Zn含量為82.99 mg/kg，Cd含量為 0.81 mg/kg)作為基肥，施用量約為30 000 kg/hm2，苗期采樣后施用尿素(總氮量≥46.4%)作為追肥，施用量約為 150 kg/hm2。間苗后行距為35 cm，苗間距為20 cm。

1.2 樣品的采集與測定

樣品采集分油菜播種前和油菜的4個生育時期(苗期、抽薹期、花期、收獲期)。油菜播種前、苗期、抽薹期、花期、收獲期的采樣時間分別為2016年10月21日、2016年12月1日、2017年2月11日、2017年3月22日、2017年5月5日。

采用全球定位系統(global positioning system，簡稱GPS)定位，在研究區土壤海拔、成土母質、坡向和種植年限基本一致的條件下，采用五點取樣法采集耕作層表層(0～20 cm)和底層(20～40 cm)根區土壤，每個土樣在1.0 kg左右，記錄裝袋，與此同時做好采樣記錄。將采集的土壤樣品帶回實驗室置于通風處自然風干，剔除雜質，按四分法將其充分混合后，用木棍碾壓研磨，全部過2 mm的孔徑篩，再用四分法取出一部分研磨，全部過0.25 mm的孔徑篩。將過篩樣品置于密封袋中，并做好標簽保存備用。

依據國家和行業標準，并參照《土壤農化分析》[10]和中華人民共和國農業行業標準測[11]定土壤理化指標：(1)土壤pH值采用電位法(土液比為1.0 ∶2.5)；(2)土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；(3)土壤氧化還原電位(Eh)采用鉑電極直接測定法測定；(4)土壤機械組成采用簡易比重計法測定；(5)重金屬Cr、Cd、Pb、Cu、Zn含量采用HNO3-HF微波消解，ICP-OES(prodigy xp)測定。

1.3 數據處理與分析

按照統計學基本要求，剔除試驗數據的異常值，運用Excel 2003和DPS 7.5對土壤的理化指標進行統計，并制表成圖進行分析。

參照《土壤環境標準(GB 15618—1995)》[12](表1)，選取對土壤質量和油菜品質關系密切的5種重金屬元素(Cr、Cd、Pb、Cu、Zn)作為土壤污染狀況的評級因子。根據《全國土壤污染狀況評價技術規定(試行)》，將土壤單項污染指數法和綜合評價方法相結合[13-14]，采用內梅羅綜合指數法進行評價，具體計算方法如下：

式中：Pi表示環境中污染物i的單項污染指數；Ci表示環境中污染物i的實測數據；Si表示污染物i的評價標準。當Pi>1時，為污染。

根據綜合污染指數對耕作層表層、底層土壤中5種重金屬元素進行評價，同時對土壤重金屬污染進行等級劃分(表2)。

表1 GB 15618—1995《土壤環境質量指標》

表2 土壤環境質量等級

2 結果與分析

2.1 土壤機械組成

在油菜全生育期中，表層和底層土壤機械組成的變化情況是基本一致的(圖1)，所占比例最大的是粗粉沙(26.4%～35.2%)，所占比例最小的是粗沙及中沙(1.5%～3.8%)，但收獲期表層土壤細沙比例(29.6%)略大于粗粉沙(26.4%)。黏粒所占比例從播種前至收獲期呈現先減小后增大再減小的狀態，在抽薹期所占比例(表層為24.5%，底層為30.6%)達到最大，與之相反的是細沙，從播種前至收獲期細沙所占的比例先增大后減小然后再增大。此外，細沙粉和中粉沙的比例一直比較穩定。油菜全生長期中土壤機械組成的變化與根系分泌物、根系的生長以及土壤中的其他生物的活動密不可分。

2.2 土壤pH值

土壤pH值是土壤酸堿性的直接反應，也是土壤重要的理化指標之一，不僅會影響重金屬的有效性和毒性，還會影響植物的生長。研究區域土壤呈中性和微堿性(圖2)，適合油菜生長。在油菜的生長過程中，表層土壤pH值變化不明顯，波動區間極窄，介于7.80～7.92之間；底層土壤pH值變化比較大，自播種前到花期呈下降趨勢，收獲期又回升。苗期之前底層土壤pH值比表層土壤pH值高，之后底層土壤pH值均低于表層土壤。

2.3 土壤氧化還原電位

土壤氧化還原電位(oxidation-reduction potential，簡稱Eh)是反映土壤氧化還原狀況綜合性的強度指標。在油菜全生長期中，表層土壤和底層土壤Eh變化趨勢一致(圖3)，整體呈波動上升趨勢，在抽薹期達到最大(表層土壤Eh為 179 mV，底層土壤Eh為193 mV)，開花期雖有下降，但在收獲期又保持回升趨勢。表層土壤Eh略低于底層土壤，Eh均為正值，且在10～193 mV之間，處于中度還原狀態。

2.4 土壤有機質

油菜全生長期中，耕作層表層土壤的有機質明顯高于底層土壤(圖4)。表層土壤有機質含量整體呈下降趨勢，在抽薹期和花期小幅增長；底層土壤有機質含量整體呈上升趨勢，在花期和收獲期小幅下降。油菜在生長過程中養分物質的吸收雖會導致有機質含量的降低，但土壤中的動植物、微生物等頻繁活動產生的大量分泌物也會增加其含量。

2.5 土壤重金屬含量

農田土壤中重金屬會隨著作物生長富集到植株體內，同時在作物生長過程中降水也會導致重金屬的流失，從而引起作物不同生長時期土壤中重金屬含量的變化。由圖5可知，在表層土壤中Cr(71.18～84.36 mg/kg)和Zn(70.94～82.16 mg/kg)含量較高，Cd含量(1.41～1.73 mg/kg)最低。油菜全生長期中Cr和Zn一直處于波動狀態，自播種前到收獲期含量有增有減；Cd含量在油菜生長過程中先增大后減小，抽薹期含量最大。Pb(35.22～44.54 mg/kg)和Cu(16.94～19.75 mg/kg)含量變化趨勢一樣，自播種前到花期含量保持遞減狀態，到收獲期又緩緩回升。

底層土壤中重金屬含量最高的是Cr(77.06～83.93 mg/kg)，最低的仍是Cd(1.06～1.93 mg/kg)(圖6)，Cd含量在油菜全生長期呈波動狀態，由于其含量較低，所以增減幅度不參與整體比較。Cr、Zn、Cu三者變化趨勢一致，即播種前到苗期略增長，隨后均下降，但變化量極小，Pb含量的波動前期比后期大。

2.6 油菜全生長期中土壤理化性質及重金屬含量變異程度分析

表層土壤理化性狀變異系數在2.99%～78.41%之間，底層土壤理化性狀變異系數在5.44%～60.91%之間，均為弱變異和中等變異(表3)。表層和底層土壤Eh變異最強(變異系數分別為78.41%和60.91%)，其次是細沙和黏粒(細沙的變異系數分別為46.10%、60.76%，黏粒的變異系數分別為31.93%、36.88%)。表層土壤變異最弱的是土壤有機質含量(變異系數為2.99%)，底層土壤變異最弱的是土壤pH(變異系數為5.44%)。

表3 油菜全生長期中土壤理化性質及重金屬含量變異程度(平均值±標準差)

土壤重金屬Cd和Pb含量變異程度大于其他33種重金屬，且底層土壤變異程度大于表層，Cd和Pb在表層土壤的變異系數分別為7.47%、7.79%，在底層土壤的變異系數分別為 22.35%、14.14%。

2.7 土壤重金屬污染評價

參照我國1995年頒布的GB15618—1995《土壤環境質量標準》，采用內梅羅綜合指數法進行評價，計算油菜各個生長時期土壤重金屬含量的單項污染指數(Pi)和油菜生長過程中重金屬含量的綜合污染指數(P綜)，進而對土壤重金屬元素進行分析和評價。

由表4可知，土壤重金屬Cd在表層和底層土壤均為中度污染(表層土壤P綜為2.791，底層土壤P綜為2.929)，表層土壤重金屬Cd在抽薹期污染最嚴重，底層土壤在花期污染最嚴重，其他4種元素在2層土壤中均處于安全等級。各重金屬元素在油菜全生長期中單項因子污染指數變化趨勢均不一致，但就綜合污染指數而言，除了Pb，其他4種重金屬元素在底層土壤綜合污染指數大于表層土壤，這可能與雨水的淋溶作用以及油菜對表層土壤重金屬的富集作用有關。

3 結論與討論

在油菜全生育期中，表層和底層土壤機械組成的變化情況基本一致，變異程度最大的是細沙，其次是黏粒，但二者的變化此消彼長，在抽薹期黏粒所占比例達到最大，細沙比例降到最小，這與根系的生長及根系分泌物有關。抽薹期根系迅速生長會破壞之前土壤結構，同時根系分泌物也會快速黏結土壤顆粒，陶俊的研究也表明，總體上0.500～1.000 mm徑級的根系對減小沙粒含量、增大黏粒含量、改善土壤結構構成貢獻最大[15]。

底層土壤pH值較表層變化略大，但都在適合油菜生長的pH值范圍內。底層土壤pH值自播種前到花期一直下降隨后又回升，油菜播種之前和苗期底層土壤pH值比表層高，但是底層土壤pH值在抽薹期、開花期和收獲期均低于表層，這是因為冬春季節降水量大于蒸發量，土壤的淋溶作用強烈，土壤溶液中鹽基離子隨水滲透向下移動，并隨之出現交換性鋁[16]，故耕作層底層土壤有酸化的趨勢，苗期采樣過后弱堿性肥料尿素的施用使表層土壤pH值沒有出現大的波動，收獲期氣溫升高，水分蒸發再次將鹽分帶離底層土壤。

土壤Eh波動范圍在10～193 mV之間，屬于中等變異，處于中等還原狀態，花期土壤Eh驟降，說明土壤通氣性變差，當地油菜的花期在3月中旬至4月中旬，這段時間降水量大且頻率高，土壤水分含量高，通氣性差。一般來說，表層土壤通氣狀況更好，土壤Eh應該更高，但良好的通氣狀況也更有利于好氧微生物的生長，好氧微生物在生長過程中消耗掉大量的氧氣，反過來又降低了土壤Eh[17]，因此表層土壤Eh略低于底層土壤。云貴高原冬春季節受寒潮天氣影響降水多，且平時地形降水頻繁，故播種前要及時翻耕土地，油菜在生長過程中，特別是花期降水多要做好清溝排水措施，保證土壤良好的通氣狀況。

表4 土壤重金屬污染評價

油菜在全生育期中表層土壤有機質含量高于底層，這與朱書法等的研究結果[18]一致。表層土壤有機質含量整體呈下降趨勢，一方面是因為油菜生長主要從表層土壤汲取養分物質，另一方面是因為有機質通過淋溶作用向下遷移；底層土壤有機質含量整體呈上升趨勢，在花期和收獲期含量降低，同時表層土壤有機質含量在收獲期也在降低，這是因為油菜在此生育期間須要大量的養分物質來保證植株的開花與結果，因此導致土壤中有機質極大虧損。

表層土壤Pb和Cu含量自播種前到花期保持遞減趨勢，到收獲期又小幅度回升，Cr和Zn含量在油菜整個生育期中處于波動狀態，Cd含量在油菜全生育期中先增大后減小；底層土壤Cr、Zn、Cu含量變化趨勢一致，但變化不明顯；Pb含量從播種前到抽薹期波動大，后期變化小，Cd含量呈先降低后增高然后又降低的趨勢，變異程度均大于表層土壤；5種重金屬中Cd含量最低，但Cd污染最嚴重，表層土壤中度污染，底層土壤重度污染，Cr、Pb、Zn、Cu含量雖高，但均安全。油菜在生長過程中土壤重金屬含量的變化有多方面的原因：一是基肥牛糞的施用；二是油菜生長過程中對重金屬的富集；三是隨降水的流失；四是枯葉掉落和油菜花凋謝將重金屬歸還土壤。

為在油菜生長過程中及時改善土壤環境狀況，提高油菜的產量、品質和質量，保證食品安全，現提出以下建議：有機肥施用前測定重金屬含量，選用含量低的有機肥；花期降水量大，大雨過后要及時清溝排水，保證土壤良好的通氣性；采摘枯黃菜葉，避免將重金屬再次帶回土壤。