五家渠市及周邊山藥種植區土壤環境質量調查與評價

寇天樂，陳香伊，叢孟菲，胡 洋，孫 霞,2，賈宏濤,2

(1.新疆農業大學 資源與環境學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆土壤與植物生態過程重點實驗室，新疆 烏魯木齊830052)

山藥(DioscoreaoppositifoliaL.)是薯蕷科薯蕷屬的多年生草本蔓性植物，藥食同源，具有增強免疫力、助消化、降血糖、抗衰老、抗腫瘤等功能，在我國生產、栽培、利用歷史悠久[1]。山藥栽培范圍非常廣泛，南北各地都有種植，且具有較高的經濟價值和社會效益。

新疆作為西北地區山藥栽培新興區，發展較快。常年種植山藥的地區，由于其單一的種植結構和種植特點，長期不變地種植固定品種，使其土壤環境逐漸劣變，易造成病蟲害多發且減產嚴重的現象，其耕地土壤有潛在遭受污染的可能[2]。近年來，眾多研究對我國各地區的耕地土壤質量進行了不同形式地調查與評價，其中不乏對西北地區耕地開展的土壤質量調查與評價。姜北[3]對河北省麻山藥主產區的耕地土壤適宜性進行了評價，并劃分了土壤無公害、綠色、有機種植適宜區。王東等[4]對華北平原山藥主產區進行了土壤肥力和養分平衡現狀及環境風險評價，結果發現山藥田土壤有機質、全氮含量為極低水平，有效磷含量為偏低水平，速效鉀含量則為高水平。目前，已有關于西北地區山藥生產現狀及存在主要問題的研究[5]，但針對我國西北地區山藥栽培新興區的耕地土壤環境質量調查與評價卻鮮見報道。

本研究以新疆傳統山藥種植區五家渠耕地土壤為研究對象，開展耕地土壤環境質量調查與評價，對深入了解五家渠市及其周邊山藥種植區耕地土壤是否安全，以及制訂山藥種植區耕地土壤保護措施，都具有一定的參考意義，也為未來西北干旱區山藥種植耕地土壤的可持續利用提供基礎數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆五家渠市境內（87°17” 42″~87°43” 15″E，43°59” 25″~44°39” 00″N），地處博格達峰北麓、準噶爾盆地南緣[6]。屬于溫帶大陸性氣候，海拔380~410 m，年均氣溫為6~7℃，無霜期158 d，日照率為60%~70%，年平均降水量約為190 mm，年蒸發量約為2 000 mm[7]。

1.2 研究區水肥管理情況

研究區采用滴灌方式，每年4月20日前后進行第1次灌溉，并施入基肥。每公頃施入600 kg史丹利三銨，750 kg二銨復合肥作為基肥。視山藥生長情況進行追肥，每公頃每次施入75~90 kg磷酸二氫鉀。9月20日前后進行最后1次灌溉，結束水肥管理。

1.3 樣品采集

2021年4月3日，在五家渠市101團六連（L）、下泉子村（X）、五家渠市共青團（G）3處典型山藥集中連片種植區各選擇6塊耕地（每處地塊面積2~3 hm2），每塊耕地取6個點位，用“S”形采樣法采集樣品。采樣時避開堆肥，溝渠等環境，用土鉆采集0~20 cm土壤，帶回實驗室自然風干，分別過1、0.25 mm標準尼龍篩。

1.4 測定指標

測定采集土壤樣品的pH值、電導率、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等理化性質，測定土壤樣品重金屬鋅、銅、鉛、鎘的含量，評價研究區土壤重金屬污染情況，計算重金屬污染指數，結合測定指標，對山藥種植區耕地進行土壤環境質量綜合評價[8]。

1.5 測定方法

土壤pH值以水土比2.5∶1浸提后使用pH值計測定；土壤有機碳采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷和全磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀和全鉀使用火焰光度計測定；土壤全氮使用凱氏定氮法測定[9]；土壤重金屬樣品采用HF-HClO4-HNO3消解，銅、鋅用火焰原子吸收法測定，鉛、鎘用石墨爐原子吸收法測定[10]。

對山藥種植區土壤重金屬污染情況，執行GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》[11]中的風險篩選值和管制值。土壤重金屬采用單因子污染指數法和綜合指數法，評價各地塊污染程度。單項污染指數可以直觀的反映環境介質中各土壤重金屬的污染水平。公式如下：

式中，Pi為單因子污染指數；Ci為污染物i實測值；Si為污染物i評價標準限值。當Pi＜1，表示單因子污染物未超標；Pi＞1，表示單因子污染物超標，Pi越大污染越嚴重。評價標準見表1。

表1 單因子污染指數評價標準

內梅羅綜合指數法可用于評價整個區域被多種重金屬污染的土壤，突出污染指數最大的污染物對環境質量的影響和作用[12]，其評價標準：P綜≤1，無污染；1＜P綜≤2，輕度污染；2＜P綜≤3，中度污染；P綜＞3，重度污染。公式如下:

式中，P綜為土壤綜合污染指數；Pi為土壤各單項污染指數Pi的平均值；Pmax為土壤各單項污染指數中的最大值。

1.6 數據分析

采用Microsoft Excel 2010對數據進行統計整理，SPSS 26.0對數據進行單因素方差分析；采用Origin 2018對土壤基礎化學性質、土壤重金屬含量進行柱狀圖繪制[13]。

2 結果分析

2.1 土壤養分變化

如表2所示，五家渠市及周邊山藥種植區土壤pH值在7.14~8.08之間，G區土壤pH值顯著高于X、L區，分別高出2.31%、2.71%。X、L、G 3個區域的各項養分指標中，土壤堿解氮、全氮、全磷含量均無顯著差異(P＞0.05)。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀平均為43.34、5.39、289.19 mg·kg-1。全氮、全磷、全鉀含量平均為3.73、2.17、7.49 g·kg-1。土壤有機質含量平均為12.91 g·kg-1。

表2 土壤養分狀況

G、L區土壤有效磷含量無顯著性差異(P＞0.05)，整體在5.60~5.70 mg·kg-1之間，但顯著高于X區(P＜0.05)，分別高出17.48%、17.52%。G區土壤速效鉀、全鉀、有機碳含量顯著低于X、L區(P＜0.05)，土壤速效鉀含量整體在167.44~303.22 mg·kg-1之間，分別低出30.47%、19.88%；土壤全鉀含量整體在4.25~6.61 g·kg-1之間，分別低出34.43%、37.80%；土壤有機質含量整體在8.70~11.94 g·kg-1之間,分別低出28.73%、25.97%。總體看來，土壤速效鉀、全鉀含量較為充足，但土壤堿解氮、有效磷及全磷含量較低，需及時補充。

2.2 山藥種植區土壤重金屬污染情況

山藥種植區農田重金屬情況如圖1，X、L、G區域的鋅含量最高為71.49 mg·kg-1，最低為68.17 mg·kg-1；銅含量最高為2.36 mg·kg-1，最低為1.89 mg·kg-1；鉛、鎘含量平均為2.51 mg·kg-1、0.12 mg·kg-1。X、L、G區域的鋅、銅、鉛、鎘的含量均無顯著性差異(P＜0.05)。

圖1 山藥種植區土壤重金屬含量特征

執行GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》標準下，其他農用地的風險篩選值和管制值。與此標準下土壤風險篩選值進行對比可得，該山藥種植區土壤鋅、銅、鉛、鎘的含量，均遠小于篩選值。

采用單因子污染指數法，得出單個重金屬的污染情況。如表3所示，3塊區域采集農田鋅、銅、鉛、鎘4項重金屬單因子污染指數Pi均小于1，污染等級為一級，均為未污染。

表3 農田單因子污染情況

根據單項污染指數，計算內梅羅污染指數。如表4所示，3個區域綜合污染指數P綜分別為0.185、0.189、0.179，P綜≤1，均為Ⅰ級的安全無污染等級。

表4 農田綜合污染情況

3 討論與結論

3.1 討論

隨著食品安全生產越來越受到重視，產地土壤環境健康隨之受到廣泛關注。近年來，國內外均有對山藥種植區耕地土壤進行的環境質量現狀調查，及對山藥產區土壤適宜性進行的研究[14]。從土壤養分變化來看，五家渠市及周邊山藥種植區土壤pH值在7.14~8.08之間，速效鉀含量較為充足，但土壤全磷及有效磷含量較低，原因可能是磷肥施入土壤后，轉化為難溶態磷，導致土壤中有效磷含量極大降低[15]。應適當補充磷肥。研究區土壤有機質含量充足，且速效鉀含量較高，較適宜種植山藥。

重金屬污染的有無常被作為耕地土壤環境質量評價的一部分，尤其是銅、鋅、鉛、錳、鎘、砷等重金屬在土壤中的含量[16]。新疆耕地土壤鋅、銅、鉛、鎘元素的背景值分別為68.8、26.7、19.4、0.12 mg·kg-1[17]。本研究測得研究區土壤鎘含量在0.11~0.13 mg·kg-1之間，鎘平均濃度為0.12 mg·kg-1，恰好為新疆耕地土壤鎘元素背景值，遠小于農用地土壤鎘污染風險篩選值0.6 mg·kg-1，且鉛、鎘、鋅、銅的含量均遠小于對應標準下的土壤風險篩選值。由此可知，本研究區中重金屬含量并未超標，但鋅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鋅的空間異質性造成的。

3.2 結論

（1）五家渠山藥種植區中G區土壤pH值和有效磷含量較X、L區域高，但速效鉀、全鉀、有機碳含量較低。堿解氮、全氮、全磷在3個鄉鎮間無顯著差異。研究區全鉀含量較高，速效鉀含量較為充足。土壤堿解氮、全磷及有效磷含量較低，需及時補充。

（2）五家渠山藥種植區土壤的鋅、銅、鉛、鎘濃度分別平均為69.93、2.07、2.49、0.12 mg·kg-1，分別為新疆土壤元素背景值的102%、7.75%、12.84%、100%。

（3）五家渠山藥種植區土壤鉛、鎘、鋅、銅的含量均小于對應標準下的土壤風險篩選值。單因子污染指數Pi均＜1，污染等級均為未受污染。3個區域內梅羅綜合污染指數分別為0.185、0.189、0.179，P綜≤1，為Ⅰ級的安全無污染等級。研究區域土壤屬未受鉛、鎘、鋅、銅污染。