山西省山藥主產區土壤養分與重金屬污染特征評價

王曉民,胡曉麗*,許愛玲,韓麗麗,關望輝,王耀琴

(1.山西農業大學 棉花研究所,山西 運城 044000;2.山西農業大學 經濟作物研究所,山西 太原 030031)

0 引言

【研究意義】山藥是一種藥食同源作物,其作為糧食、蔬菜、藥材、飼料和加工原料具有較高的生產價值[1]。土壤養分和重金屬狀況是決定山藥產量和品質的關鍵因素,可通過影響植株的根系吸收能力和生理代謝活動,進而影響山藥的生長發育和藥效品質。重金屬污染物進入土壤后,導致大氣和水環境質量惡化,因其具有較強的富集性、持久性和不可逆性,可從土壤遷移至其他地方,并通過食物鏈危害人體健康[2-3]。因此,研究山藥產區土壤養分及重金屬分布特征,對確保山藥產量和藥效品質,促進當地山藥產業高質量綠色發展具有重要意義。【前人研究進展】山藥適宜生長在土質疏松的砂質壤土或砂土中,該土質的土壤基礎肥力低,且保水保肥性差,一定程度上影響山藥種植園土壤的養分平衡[4]。近年來,隨著鄉村城鎮化、工業化的快速發展,土壤重金屬污染、工業及生活污水以及盲目施肥等使山藥種植土壤環境不斷惡化[5]。“高投高產”土肥管理觀念與山藥需肥特性不相匹配已成為當前影響山藥種植土壤環境、山藥品質及山藥產業綠色發展的主要矛盾。苗澤蘭等[6]研究表明,河北省化肥氮、磷、鉀投入過量比例分別為90.0%、98.3%和96.7%,不足比例分別為5.0%、0和3.3%,合理比例僅為5.0%、1.7%和0。王東等[7-8]對華北平原山藥種植區土壤養分現狀調查發現,氮的盈余率在50%左右,磷、鉀的盈余率均超過200%,氮、磷、鉀的盈余量嚴重超出環境承載閾值。成芬等[5]研究發現,河南懷山藥種植園土壤主要存在Cu和Zn污染風險。步艷艷[9]研究表明,河北省主要道地藥材產地主要存在Cd污染。【研究切入點】近年來,部分山藥產區存在盲目施肥、過量施肥及有機肥料投入少等現象,從而造成土壤肥料利用率低和重金屬污染等問題[7,10-11]。目前,有關山西省山藥主產區土壤養分及重金屬特征評價的相關研究尚未見報道。【擬解決的關鍵問題】探究山西省山藥主產區土壤養分及重金屬環境質量狀況,為山藥種植制定科學合理的施肥標準和促進山藥種植區土壤環境高效管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2021年在12個具有代表性的山藥主產地(山西省太谷區、平遙縣、洪洞縣、鄉寧縣、孝義市、汾陽市、運城市鹽湖區、永濟市、聞喜縣、芮城縣、萬榮縣和新絳縣)88個山藥生產種植園進行,研究區域基本概況見表1。

表1 研究區基本概況Table 1 Basic situation of the research area

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 采樣點布設與樣品采集 山藥生產種植園土壤母質均為黃土,土壤類型為褐土。每個種植園采取“S”形取樣法,采集0～40 cm土壤8～10鉆土組合成1個混合樣品后取土500 g,共采集88個土壤樣品,剔除土壤中石粒、植物根系等雜物,裝入密封袋中,做好標記帶回實驗室備用。

1.2.2 分析測試方法 參照袁嘉瑋等[12]的方法測定土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量;參照王震堯等[13]的方法測定土壤銅(Cu)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)和鉛(Pb)濃度;參照王東等[7]的方法進行山藥土壤養分等級評價(表2)。

表2 土壤養分等級評價標準Table 2 Evaluation criterion for grade of soil nutrients

1.3 重金屬污染風險評價方法

1.3.1 單因子污染指數法 單因子污染指數法主要是運用單一因子對研究區域進行污染評價。研究采用《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[14]中規定的農用地土壤污染風險篩選值對Hg污染程度進行評價,篩選值為3.40 mg/kg;Cu、As、Cd、Cr、Pb污染程度參照張宏斌等[15]確立的山西省晉中呂梁地區土壤重金屬背景值進行評價,背景值分別為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為土壤重金屬i的單因子指數,Ci為重金屬i的實測值,Si為重金屬i的評價標準值。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法 內梅羅綜合污染指數法是將單因子污染指數的平均值和最大值歸納到一起進行綜合污染評價。土壤重金屬單因子污染指數和綜合污染指數分級見表3。

式中,P為土壤重金屬綜合污染指數,Pi為土壤所有重金屬單因子污染指數的平均值,max(Pi)為土壤所有重金屬單因子污染指數的最大值,n為土壤重金屬種類總數。

表3 土壤重金屬單因子污染指數和內梅羅綜合 污染指數分級 Table 3 Classification of single factor pollution index and Nemerow composite pollution index of soil heavy metals

1.4 數據統計與分析

采用SAS 8.2和Excel 2019對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 山西省山藥主產區種植園土壤養分的分級評價

從表4看出,山西省山藥主產區種植園土壤養分含量及分布存在差異。土壤有機質1.2～19.4 g/kg,均值為7.7 g/kg,極低和低水平占比分別為72.7%和27.3%;全氮0～1.1 mg/kg,均值為0.4 mg/kg,極低、低和中等水平占比分別為95.5%、3.4%和1.1%;堿解氮0.7～78.8 mg/kg,均值為28.0 mg/kg,極低、低和中等水平占比分別為51.1%、35.2%和13.6%;有效磷1.0～18.2 mg/kg,均值為4.2 mg/kg,均處于極低水平;速效鉀32.0～255.0 mg/kg,均值為93.5 mg/kg,極低、低、中等、高和極高水平占比分別為11.4%、54.5%、22.7%、10.2%和1.1%;pH 8.0～9.1,均值為8.6,屬堿性土壤,略高于山藥適宜土壤pH值(6～8)。從變異系數看,土壤有機質、全氮、堿解氮和速效鉀變異系數介于47.6%～72.0%,屬中等程度變異,有效磷變異系數達145.1%,屬高度變異。表明,山西省山藥主產區種植園土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷處于極低水平,速效鉀處于低水平,土壤主要養分含量易受人為因素影響,有效磷受影響最為明顯。

表4 山西省山藥主產區種植園土壤養分的分級評價Table 4 Evaluation on soil nutrient grade in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

2.2 山西省山藥主產區種植園土壤重金屬含量特征和污染風險評價

由表5可知,山西省山藥主產區種植園土壤重金屬含量分布不同。Cu 14.4～70.9 mg/kg,均值為26.3 mg/kg,清潔、潛在污染和重度污染占比分別為11.4%、86.4%和2.3%;As和Pb分別為5.9～11.8 mg/kg和19.1～24.3 mg/kg,均值分別為9.4 mg/kg和21.6 mg/kg,清潔占比均為100.0%;Hg 0.02～0.20 mg/kg,均值為0.07 mg/kg,清潔和潛在污染占比分別為88.6%和11.4%;Cd 0.07～0.10 mg/kg,均值為0.10 mg/kg,清潔和潛在污染占比分別為22.7%和77.3%;Cr 39.5～65.8 mg/kg,均值為50.5 mg/kg,清潔和潛在污染占比分別為34.1%和65.9%。Cu、Cd和Cr單因子污染指數平均值(Pi)均在1～2,為潛在污染,其余重金屬均小于1,為清潔。研究區域綜合污染指數(P綜)為0.8～3.0,以潛在污染和輕度污染為主,占比分別為34.1%和63.6%,均值為1.3,處于輕度污染水平。從變異系數看,變異系數依次為Cd>Hg>As>Cu>Cr>Pb,除Pb外,其余重金屬變異系數均在40%以上,表明Cd、Hg、As、Cu和Cr易受人為因素影響,以Cd更為明顯。表明,山西省山藥主產區種植園土壤環境總體存在Cu、Cd和Cr污染風險,極少數山藥種植園存在Hg污染風險,不存在As和Pb污染。

表5 山西省山藥主產區種植園土壤重金屬含量特征和污染風險評價 Table 5 Content characteristics and pollution evaluation of soil heavy metals in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

2.3 山西省山藥主產區種植園土壤養分和重金屬的相關性

從表6看出,研究區土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀各養分指標間均呈顯著正相關關系,其中,土壤有機質與全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的相關系數分別為0.674、0.602、0.681和0.838,表明,土壤有機質是影響土壤養分含量的重要因素。對研究區土壤6種重金屬進行相關性分析發現(表7),Cu與Cr和Pb呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.781和0.666;As與Cr存在顯著正相關關系,相關系數為0.720。說明,研究區土壤Cu與Cr和Pb,As與Cr具有相同來源。部分重金屬間存在一定的弱相關關系,如Cu與As和Cd,As與Hg和Cd,Hg與Cd等在污染源上可能存在一定相似性。

表6 山西省山藥主產區種植園土壤養分間的 Pearson相關系數Table 6 Pearson correlation coefficients between soil nutrients in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

表7 山西省山藥主產區種植園土壤重金屬間的 Pearson相關系數Table 7 Pearson correlation coefficients between soil heavy metals in cultivation plantations of main Chinese yam-growing areas,Shanxi Province

3 討論

良好的土壤環境是提高山藥產質量的基礎,土壤環境惡化是導致山藥連作障礙發生的主要因素之一。研究表明,山西省山藥主產區種植園土壤養分指標整體處于匱乏、不足狀態,土壤肥力狀況普遍較差。綜合適宜山藥種植土質特性和種植園施肥狀況考慮,其原因可能是長時間不合理施用化肥破壞了土壤原有結構,進而降低了土壤的保水保肥特性。因此,山西省山藥種植園應注重改善土壤基礎理化性質,增加土壤保水保肥性,可考慮配施有機肥和生物炭肥[16]。適宜山藥生長的土壤pH為6.0～8.0[17]。研究結果顯示,山藥主產區種植園土壤pH均值為8.60,呈弱堿性,略高于適宜山藥種植土壤pH值,表明,山西省山藥主產區種植園土壤pH未達山藥生長的最適區間。因此,在土壤管理中應注意合理調節土壤pH,灌溉避免使用井水,肥料上可選擇重過磷酸鈣或磷酸二氫鉀[18]。從相關性分析結果看,土壤有機質與其他養分含量均呈顯著正相關關系,與蘇婷婷等[19-22]的研究結果有所差異,可能的原因是土壤養分指標受作物影響,各指標間的相關性不盡相同。孫凱寧等[22]針對瑞昌山藥土壤養分狀況研究發現,土壤有機質與有效磷和速效鉀含量無顯著相關性;結合范琳娟等[17,23]對瑞昌山藥種植方式和栽培管理調研結果推斷,其原因可能是受不同作物品種對土壤元素的吸收差異影響,種植不同山藥品種的土壤養分間的相關性分析存在差異。

土壤重金屬污染具有多種潛在危害,不僅能破壞土壤的正常功能,還阻礙作物正常生長,造成農作物產量和品質下降。研究表明,山西省山藥種植園土壤內梅羅綜合污染指數(P綜)均值為1.3,處于輕度污染水平,占比為63.6%。其中,種植園土壤不存在As和Pb污染,均存在Cu、Cd和Cr潛在污染風險,占比分別為86.4%、77.3%和65.9%,少部分種植園土壤存在Hg潛在污染風險,占比為11.4%,個別種植園土壤存在Cu重度污染風險,占比為2.3%。表明,山西省山藥種植園土壤重金屬污染風險較高,主要表現為Cu、Cd和Cr富集。從變異系數看,除Pb外,其余重金屬變異系數均在40%以上,表明,Cu、As、Hg、Cd和Cr易受人為因素影響,與王震堯等[13]的研究結果一致。因此,在生產活動中應避免將建筑廢棄物、包裝廢棄物和管材、電池等帶入山藥種植園,同時應實施精準化的栽培管理制度,實現標準化、綠色化的良性生產。

4 結論

山西省山藥主產區種植園屬堿性土壤,土壤肥力整體處于低水平和極低水平;土壤環境主要表現為Cu、Cd和Cr富集,極少數山藥種植園存在Hg富集,不存在As和Pb污染。因此,在生產活動中應注重改善土壤基礎理化性質,增加土壤保水保肥性,可考慮配施有機肥和生物炭肥;合理調節土壤pH,灌溉避免使用井水,肥料上可選擇重過磷酸鈣或磷酸二氫鉀;避免將建筑廢棄物、包裝廢棄物和管材、電池等帶入山藥種植園,實施精準化的栽培管理制度,實現標準化、綠色化的良性生產。