河北省饒陽縣果蔬基地土壤質量綜合評價

摘要 ［目的］揭示京津冀果蔬基地土壤現狀及問題。［方法］以饒陽縣果園與蔬菜大棚土壤為評價對象，采集12個土壤樣品，測定主要理化性質指標和鹽堿度，并采用模糊評價法對土壤肥力進行綜合評價。同時，采用綜合質量影響指數評價法評價土壤重金屬污染現狀。［結果］饒陽果蔬基地土壤偏堿性，土壤出現了弱次生鹽漬化現象，電導率隨含鹽量增加而增加，鹽化的同時發生著堿化的現象。土壤肥力水平處于中等水平。土壤重金屬污染評價結果顯示，該研究區域出現了不同程度的重金屬累積現象，這可能與施肥方式的不合理有關，具有潛在的風險，需引起重視。果園改為設施大棚蔬菜種植后明顯降低了土壤有機質的含量，也增加了土壤鹽堿化的風險。［結論］研究結果為饒陽縣果蔬基地土地合理利用、合理施肥、土壤養分管理及優質果蔬生產提供科學依據。

關鍵詞 果蔬基地；土壤質量；模糊評價法；綜合質量指數法；河北省饒陽縣

中圖分類號 S159 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）14-0052-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.14.011

Comprehensive Evaluation of Soil Quality of Fruit and Vegetable Bases in Raoyang County，Hebei Province

YU Lan，ZHANG Xiang，HAO Yan-zhang et al

（Key Laboratory of Yangtze River Water Environment of MOE，College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

Abstract ［Objective］To reveal the present situation and problems of soil in Beijing-Tianjin-Hebei fruit and vegetable base.［Method］Taking soil of Raoyang fruit and vegetable base as the evaluation object in Hebei Province，12 soil samples were collected，the main physical and chemical property indicators were determined，the soil salinity was evaluated，and correlation analysis was carried out; the fuzzy evaluation method was used to evaluate the soil fertility; the status of soil heavy metals was evaluated by the comprehensive quality impact index evaluation method.［Result］The soil in Raoyang fruit and vegetable base was alkaline，and the soil appeared weak secondary salinization.The electrical conductivity increased with the increase of salt content，and the phenomenon of alkalization occurred at the same time as the salinization.The soil fertility level was at a moderate level.The evaluation results of soil heavy metal pollution showed that different degrees of heavy metal accumulation occurred in the study area，which may be related to the unreasonable fertilization methods，which had potential risks and needs to be paid attention to.The conversion of orchards to greenhouse vegetable cultivation significantly reduced the content of soil organic matter and increased the risk of soil salinization.［Conclusion］The research results provide scientific basis for the rational use of land，rational fertilization，soil nutrient management and high-quality fruit and vegetable production in the fruit and vegetable base of Raoyang County.

Key words Fruit and vegetable base; Soil quality; Fuzzy evaluation method; Comprehensive quality index method;Raoyang County，Hebei Province

基金項目 國家重點研發計劃項目（2019YFC1805201）。

作者簡介 尉嵐（1993—），女，甘肅天水人，碩士研究生，研究方向：退化土壤綜合評價與修復。*通信作者，研究員，博士，博士生導師，從事污染土壤修復與資源化利用研究。

收稿日期 2022-05-18

30年來，我國蔬菜產業迅速發展，從2011年開始，我國蔬菜作物已經成為第一大農產品，其產量已經超過糧食作物產量［1］。其中，至少有32.3%的蔬菜種植是設施蔬菜［2］。饒陽縣是一個傳統農業大縣，設施農業是饒陽縣農民致富的主要支柱產業。目前，饒陽部分地區將大量果園改為蔬菜種植地，以期得到更大的經濟效益。但土地利用方式的改變勢必會影響土壤養分和健康狀況［3］。因此，果園改造為蔬菜基地對土壤質量造成的影響需進一步研究。

土壤酸堿度是反映土壤質量的重要理化指標，土壤酸化造成土壤養分的缺乏，同時會增強重金屬的活性，從而降低土壤微生物活性，使作物減產，比如隨著土壤變得越來越酸性（pH<5.5），關鍵的植物養分（如磷）的生物有效性降低，而植物毒性元素（主要是Al3+）的生物有效性增加［4-5］。農業生態系統尤其容易受到土壤/水鹽漬化的影響，因為大多數作物（和牲畜）對鹽漬化的增加相對敏感。因此，耕地土壤和/或水資源的鹽漬化是農業生態系統普遍存在的非生物鹽脅迫失調的主要驅動力。農業生態系統中的鹽脅迫會引起許多初級（滲透/水分脅迫）或次級（營養/激素失衡、毒性、氧化應激）失調，從而導致食物、飼料和纖維的數量和質量受損［6］。Fan等［7］以陜西省一個多年果品生產縣區96個塑料棚果園為研究對象，研究了長期設施農業對土壤鹽漬化的影響，綜合分析設施農業系統土壤鹽分的剖面分布、時空分布和組成，發現與谷類土壤和天然土壤相比，設施農業土壤的土壤養分顯著增加，土壤pH顯著降低，土壤電導率顯著提高，土壤鹽分含量較高。作物生長需要養分，土壤肥力是衡量土壤供給作物生長過程中所需各種養分的能力，是土壤物理、化學和生物性指標的而綜合表現，其高低是土壤、植物和植物生長環境相互協調的結果［8］。

Zhao等［9］以棗園土壤為研究對象，以土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效鉀、速效磷、鹽分和土壤pH為土壤肥力評價因子，利用經典統計學、地統計學和改良的內梅羅指數對土壤肥力進行綜合評價，結果表明，pH均值為8.89，為堿性；有機質、全氮、全鉀、pH和速效鉀的變異系數較低，其他（總磷、速效磷和鹽度）變化適中。土壤有機質和全氮是土壤肥力的主要限制因子。土壤指數和磷的空間分布格局復雜，田間尺度上不具有斑塊分布規律。土壤重金屬污染作為土壤環境問題之一，危害性日益突出，土壤中的重金屬可以通過食物鏈影響人類健康［10］。Chen等［11］以北京市8個區432個土壤為研究對象，采用改進的層次分析法（AHP）和綜合質量影響指數（IICQ）綜合評價Pb、As和Cd污染對農田土壤環境的影響，結果表明，研究區土壤重金屬污染綜合指數平均為0.231 7，處于輕微污染水平；土壤和農產品的IICQ均在0 ～ 1，說明土壤沒有出現明顯的重金屬污染。雖然設施農業的土壤環境評價已有相關研究，但多集中于單一的評價，缺乏多角度的質量評價。筆者以饒陽縣果蔬基地為研究對象，評價果蔬基地土壤鹽堿度、土壤肥力、土壤重金屬現狀，分析果園改造為蔬菜基地對土壤質量造成的影響，以期為饒陽縣果蔬基地土地的合理利用、合理施肥、土壤養分管理及優質果蔬生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況 饒陽縣隸屬于河北省衡水市，位于河北平原中部滹沱河畔，黑龍港流域低平原旱作區，地理位置為115°33′～115°51′E、38°04′～38°21′N。全縣地勢平坦，以種植業為主，2011 年該縣總耕地面積37 623 hm2，占該縣土地總面積的 65.74%。土壤類型主要是潮土，下分典型潮土、脫潮土和鹽化潮土3個亞類，共占全縣土壤總面積的99.83%。饒陽地處華北平原中部，是國家級生態示范區，地形平坦、雨熱同期、土壤肥沃、四季分明，氣候資源比較豐富，光、熱、水配合適宜，有利于發展農業生產，是我國重要的蔬菜和水果基地，其中設施蔬菜近2萬hm2，占蔬菜種植面積的78%，年產番茄、黃瓜、茄子、豆角、萵筍等設施鮮菜180萬t，年產甜瓜、葡萄等設施果品30萬t，年產值18.5億元，占農業產值的42.5%，是京津冀及雄安新區重要的“菜籃子”。由于種植蔬菜利潤較高，近幾年有大量果園改為設施蔬菜。

1.2 土壤樣品的采集過程 饒陽果蔬基地的12個采樣點，包括種植2年、4年和8年的桃園，種植5年和24年的蘋果園，種植20年和60年的梨園，種植2年、4年和15年的葡萄園以及由果園改變成的茄子、豆角等設施蔬菜大棚，按照 “S”路線選擇代表性地塊，在每個地塊均勻隨機確定 15 ～ 20 個點，并采集 0～20 cm 耕層土樣混勻，帶回實驗室風干、磨碎，過 1.00和 0.25 mm 篩。根據《耕地質量等級》（GB/T 33469—2016）國家標準的相關要求，選擇有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮作為土壤肥力評價指標；土壤鹽堿特征用pH、全鹽量、電導率進行評價；根據《土壤環境質量》（GB 15618—2018）國家標準的相關要求，以Ni、Cr、Cd、Cu、Pb、Zn、As和Hg作為重金屬評價指標。

1.3 土壤樣品測定指標及測定方法 土壤 pH 采用 pH 計（PHS-3C）測定；全鹽量采用重量法測定；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉法進行測定；速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法測定；全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定。土壤電導率采用電極法測定。

利用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）測定 Ni 和 Cr 元素的含量［12］；利用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定 Cd、Cu、Pb 和Zn 元素的含量［13］；利用原子熒光光譜法（AFS）測定 As 和 Hg 元素的含量［14］。

1.4 鹽堿特征評價 土壤鹽堿特征分級標準見表 1。

1.5 土壤肥力評價

1.5.1 評價體系的建立。土壤養分和地理環境共同決定了土壤肥力的高低。該研究區地理位置、光、熱、水、土等條件都相差不大，以地區土壤特點為基礎，確定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮為評價指標。

1.5.2 評價指標隸屬度函數的確立。隸屬度函數是評價指標與作物生長關系的數學表達式。土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮的含量越高，作物生長狀態越好，但是其達到一定值后，作物生長就趨于穩定。所以該研究選取“S”型隸屬度函數，其表達式如公式（1），x為土壤養分指標的數值，x1和x2為曲線的2個轉折點，其曲線圖見圖1，指標轉折點見表2。

f（x）=1.0x≥x2

0.9（x-x1）/（x2-x1）+0.1x1≤x<x2

0.1x<x1（1）

1.5.3 參評指標權重的確定。各參評指標對土壤肥力的貢獻率不同，且各參評指標的量綱不一，需要確定其權重。該研究采用相關系數法確定權重。

1.5.4 綜合評價指數的計算和肥力分級標準。各因子的隸屬度是［0.1，1.0］，土壤肥力綜合質量指數（IFI）的范圍也在這個區間，其計算結果越接近于1，說明土壤肥力越高。根據國家標準《耕地質量等級》（GB/T 33469—2016），結合實際，將土壤肥力劃分為3個等級。IFI的計算表達式如下：

IFI=（wiNi）（2）

式中：wi為第i個指標的權重；Ni為第i個指標的隸屬度。IFI分級標準為IFI≥0.5，Ⅰ 級；0.3≤IFI<0.5，Ⅱ 級；IFI<0.3，Ⅲ 級［18］。

1.6 土壤重金屬評價

（1）土壤相對影響當量（RIE）［19］：

RIE=［Ni=1（Pssi）1/n］/N=［Ni=1（Ci/Cti）1/n］/N

（3）

式中：N是測定元素的數量;n是元素i的穩定氧化數（As 5、Cd 2、Cr 3、Cu 2、Hg 2、Ni 2、Pb 2、Zn 2）［19-20］;Pssi是土壤元素i污染指數;Ci為元素i的檢測濃度;Cti為元素i的土壤環境質量閾值。中國農業用地中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Zn 的閾值分別為40、0.3、150、50、1.3、60、70和200 mg/kg（pH<5.5 ），40、0.3、150、50、1.8、70、90 和 200 mg/kg （5.5≤pH<6.5），30、0.3、200、100、2.4、100、120 和 250 mg/kg （6.5≤pH<7.5），25、0.6、250、100、3.4、190、170 和 300 mg/kg（pH≥7.5）。

（2）土壤元素測定濃度偏離背景值程度（DDDB）、土壤環境質量標準偏離背景值程度（DDSB）：

DDDB=Ni=1（Psbi）1/n/N=Ni=1（Ci/Cbi）1/n/N（4）

DDSB=Ni=1（Cti/Cbi）1/n（5）

式中：Psbi是元素i的檢測濃度超出背景值的程度；Cbi是元素i的背景值；其他符號與公式（3）中的符號對應。研究區 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Zn 的背景值分別為9.500 0、0.150 0、62.210 0、22.950 0、0.037 7、28.060 0、22.560 0和69.630 0 mg/kg。

（3）土壤綜合質量影響指數（IICQs）：

IICQs=X（1+RIE）+Y（DDDB）/DDSB（6）

式中：IICQs表示土壤的IICQ；X、Y分別為土壤測量值超過標準值和背景值的數目。根據公式（6），如果Y=0，則X=0，因而IICQs=0，此時為背景狀況；如果Y≥1，而X＝0，0＜IICQs＜1，此時屬侵襲與累積狀況（未超標），其數值大小表示偏離背景值的相對程度；如果土壤已經有元素超過評價參比值，即X≥1，則IICQs＞1，此時若所使用的評價參比值為特定研究區土壤污染起始值，則可不考慮農產品狀況，直接判定土壤為污染（超標）狀況；如果土壤評價參比值為非污染起始值，需要結合農產品質量狀況一并考慮［19］。

1.7 數據處理 此次采樣點均設置3個重復，最終數據表達為平均值。采用Excel 2010和SPSS 22.0對試驗數據進行描述性和相關性統計分析。采用鄧肯新復檢驗法對不同土地利用和年限的土壤基本指標數據進行差異顯著性分析，當P＜0.05 時視為顯著。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽堿性 由表3可知，研究區土壤 pH 在 8.25～9.18，平均值為 8.78，標準偏差為 0.32，變異系數（CV）為4%。在土壤學研究中，通常變異系數 CV≤10%為弱變異，10%<CV<100%為中等變異，CV≥100%為強變異，表明饒陽市果蔬基地土壤 pH 差異不明顯。各果蔬基地相比，葡萄4年種植地的土壤pH最高（9.18），葡萄2年種植地的土壤pH最低（8.25）。根據土壤分級標準（表1）對該研究區土壤 pH 進行頻數分析，發現土壤 pH 為堿性的果園最多，占 75.00%；其余為弱堿性，占 25.00%。因此，饒陽縣果蔬基地土壤整體偏堿性。

由表3可知，研究區土壤電導率在0.79～2.95 mS/cm，平均值是1.47 mS/cm，標準差是0.60 mS/cm，變異系數是41%。其中茄子種植地的電導率最高，為2.95 mS/cm，桃樹2年種植地的電導率最低，為0.79 mS/cm。根據土壤分級標準（表1），83.33%的土壤電導率正常，處于0.4～2.0 mS/cm，16.67%的土壤電導率偏高，大于2.0 mS/cm，這表明研究區域大部分土壤含鹽量基本正常。

由表3可知，研究區土壤全鹽量在 0.26～0.86 g/kg，平均值為0.44 g/kg，標準偏差為 0.18 g/kg，變異系數為42%，說明饒陽縣果蔬基地土壤全鹽量屬中等變異。各果蔬基地相比，茄子種植地的土壤全鹽量最高，為0.86 g/kg；葡萄4年種植地的土壤全鹽量最低，為0.26 g/kg。根據土壤分級標準（表1），發現土壤為弱鹽漬土的樣地最多，占 58.33%；土壤為中鹽漬土的樣地占33.33%，其余為非鹽漬土，占 8.34%。因此，饒陽縣果蔬基地土壤整體屬鹽漬土，并且以弱鹽漬土居多。

2.2 土壤養分狀況

2.2.1 土壤主要養分指標分析。此次采集的土壤樣品中主要養分指標的含量如表4所示。從表4可以看出，饒陽果蔬基地土壤有機質含量為7.31～15.69 g/kg，平均為11.48 g/kg，堿解氮、有效磷平均含量分別為52.47和57.12 mg/kg，均低于60.00 mg/kg，按照全國第二次土壤普查肥力分級標準，所調查土壤肥力養分總體屬于缺乏狀態。通過比較發現，果園土壤有機質及主要養分含量整體上高于設施蔬菜大棚土壤。由此可見，果園改為設施大棚蔬菜種植會大大降低土壤有機質含量，不利于土壤地力的提升。

2.2.2 土壤肥力指數評價。由土壤肥力指標“S”型隸屬度函數的轉折點閾值（表2）可以計算出不同養分指標的權重和隸屬度，并求得IFI，結果顯示（表5～6），在饒陽果蔬基地的12個樣點中，有5個樣點的IFI大于0.50，大部分地區的土壤肥力處于中上水平。此外，對比果園土壤和改為蔬菜種植基地的土壤發現，果園的土壤肥力整體上高于蔬菜基地。因此，將果園改為蔬菜基地不利于土壤肥力的發展。

通過隸屬度平均值繪制出各指標隸屬度的雷達圖（圖2）。結果顯示，速效鉀隸屬度最高，其次為有機質、有效磷、全氮，堿解氮隸屬度最低。該研究區堿解氮和全氮含量普遍較低，潛在供氮能力較差，有效磷含量較高，表明該地區作物的生長受到氮限制而不是磷限制。由圖2可知，研究區綜合肥力指數五邊形明顯偏向下方，表明影響研究區土壤肥力質量的因子是堿解氮、全氮、有機質；且五邊形的面積比各指標處在最佳狀態的正五邊形面積明顯要小，說明研究區整體的土壤肥力質量不高。研究區綜合肥力指數（IFI）為0.49，土壤肥力等級處于中等水平。

2.3 土壤重金屬污染評價 采用綜合質量影響指數評價法分析土壤中重金屬元素的富集情況時，首先要確定基線濃度，選擇河北省的自然背景值作為該區土壤的地球化學背景，并設定pH＞7.5的水田為農用地土壤污染篩選值的限值，討論土壤中重金屬的污染情況。從不同采樣點土壤中主要重金屬含量（表7）可看出，研究區土壤環境中各重金屬元素的變異系數差別較大，變異系數最大的是 Hg，變異系數為34.27%，Ni的變異系數最小，為9.85%。8種重金屬的變異系數由小到大依次為Ni、Cu、Pb、Zn、As、Cr、Cd、Hg，其中Ni為弱變異，Cu、Pb、Zn、As、Cr、Cd、Hg為中等變異，8種重金屬元素的變異系數均較低，說明人為活動并未向該區域輸入大量的重金屬。從含量上來看，研究區域的重金屬主要為Zn、Cr、Cu、Ni、Pb。對比河北省環境背景值發現，目前在研究區Cd、Cu、Zn這3種元素在土壤中已開始累積。

饒陽縣土壤重金屬元素的含量存在較大差異，與河北省環境背景值相比，Pb、Cu、Zn、Hg在土壤中均有不同程度的累積，累積的采樣點占總采樣點的比例分別為41.67%、91.67%、66.67%、25.00%，Cd的所有采樣點全部都有累積，初步判斷其累積范圍較大；另外As、Cr、Ni的12個監測點都沒有出現累積現象。由此可知，重金屬已在當地土壤中開始累積，大部分采樣點的各元素超過當地的土壤背景值，需引起重視。

土壤綜合質量影響指數評價的計算結果（表8）顯示，該研究區域中的12個采樣點均未出現污染超標情況，各個采樣點土壤的所有重金屬指標均未超過標準值。但12個采樣點皆呈現不同程度的重金屬累積狀況，主要表現在不同采樣點的不同重金屬指標超出了河北省的自然背景值。此外，比較不同年限的果樹種植地發現，土壤綜合質量影響指數（IICQs）隨著種植年限的提高而呈現出上下波動的趨勢，表明饒陽縣的設施農業并未造成土壤的重金屬污染。

3 結論與討論

饒陽縣果蔬基地土壤以弱鹽漬土居多，并且pH偏高，整體偏堿性。在土壤的同一層出現了堿化現象和鹽化現象，因此土壤的鹽化過程和堿化過程關系密切［21］。土壤pH高的主要原因是堿性物質發生水解反應［22］。有研究表明，堿化土的重要特征是在土壤溶液中存在大量的水溶性鹽類，如Na2CO3、NaHCO3等，其交換性Na+會水解發生強堿反應導致土壤堿化，因而鹽化和堿化常常同時發生［23］。

從該研究結果來看，饒陽縣果蔬基地土壤的主要限制因子為堿解氮、全氮和有機質。相似的結果出現在我國東北黑土糧食主產區農田［24］。堿解氮和全氮的含量在該研究區中較低，有效磷含量較高，表明饒陽縣果蔬基地作物的生長主要受到氮的限制而非磷的限制。土壤肥力的高低在很大程度上受有機質的影響，土壤中有機質包含了95%的氮素，該研究區域有機質含量較低，可能導致作物生長所能獲取的養分有限［25］。有機質含量低可能與土壤中的大團聚體以及土壤黏粒有關，土壤黏粒是表征土壤物理性狀的重要指標，其含量越高，越有利于土壤有機碳的吸附和固持［26］。此外，在長期種植后，土壤速效鉀含量明顯下降。速效鉀含量下降可能與長期不施鉀肥有關。鉀肥欠缺，土壤的鉀庫釋放鉀的能力變小，土壤對鉀的依附性增強，供鉀能力降低，造成氮、磷、鉀比例嚴重失調［27］。果園改為設施大棚蔬菜種植明顯降低了土壤有機質的含量，建議通過合理施肥及灌溉方式，并適當采取輪作方式，提升蔬菜大棚土壤質量，為果蔬農產品安全提供保障。

研究表明，有效磷含量大于20.00 mg/kg時，作物便能從土壤中獲取充足的磷。研究區所有樣點中的土壤有效磷含量皆大于20.00 mg/kg，作物的生長過程中受到磷的限制較小。另外，長期的種植對土壤的肥力狀況有明顯的負面影響，合理施肥是維持土壤肥力穩定以及植物良好生長的關鍵手段。

重金屬的特點是持久性、累積性和循環性，農業土壤重金屬污染對食品安全和人體健康構成直接威脅，并可通過各種途徑對生態環境和人體健康造成一定風險［28-29］。在該研究區域中，重金屬主要為Zn、Cr、Cu、Ni、Pb。對比河北省環境背景值發現，目前在研究區Cd、Cu、Zn這3種元素在土壤中已開始累積。土壤綜合質量影響指數評價的計算結果顯示，該研究區域中的12個采樣點均未出現污染超標情況，但皆呈現不同程度的重金屬累積狀況。此外，比較不同年限的果樹種植地發現，土壤綜合質量影響指數（IICQs）隨著種植年限的提高而呈現出上下波動的趨勢，表明饒陽縣的設施農業并未造成土壤的重金屬污染。但值得注意的是，大部分采樣點都有不同數目的重金屬含量超過當地的土壤背景值，可采取合理施肥手段進行控制。研究表明，畜禽糞便農用在改善土壤養分的同時也會導致重金屬在土壤中積累［30-31］，并且化肥中的K+、SO42-、Cl-等離子可活化土壤中的重金屬離子，提高其生物有效性［32］。綜上，施肥能從不同角度調控土壤重金屬積累及生物有效性，因此，合理施用有機肥及化肥可緩解重金屬對農作物的不利影響。

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