松华坝流域有机蔬菜种植对土壤质量的影响评价

田 伟，吴云成， 刘明庆，杨涛明，陈 锷，刘 宇，席运官，赵克强① (.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 004；.云南省环境科学研究院，云南 昆明 65004；.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 7000)

松华坝流域为滇池主要入湖河流盘龙江的径流区，是昆明市重要的饮用水水源地，占昆明城市日供水量的50 %以上。研究表明有机农业是控制农业面源污染、保护江河水质、实现农民增收的有效手段[1-2]。为了协调环境保护与产业发展的关系，当地政府鼓励在水源保护区发展有机种植。

土壤是农业生产的重要资源，农田土壤质量直接影响着作物的产量和品质。生产强度提高、施肥不合理、除草剂或农药滥用均能对农田土壤质量造成严重影响[3-4]。近年来，有机农业作为一种可持续的、环境友好型生产方式，得到了广泛认可。汪润池等[5]和李丽娜等[6]研究发现，有机生产可以丰富土壤生物多样性。王磊等[2]2016年对华北和华中地区14个典型农场的土壤调查同样表明有机种植可提高土壤有机质含量8%～115%。

我国有机蔬菜基地极少采取休耕、绿肥种植和秸秆还田等技术提升土壤肥力，而以施用外源商品有机肥为主，普遍存在有机肥过量施用的问题[7]。通过长期定位实验发现，连续施用以畜禽粪便为主要来源的有机肥，可能导致土壤重金属和磷累积、土壤微生物多样性下降等[8-9]。在云南地区特殊气候条件和土地利用强度下，有机蔬菜种植基地同一地块每年轮作4季以上，且每季均进行有机肥施用。因此，客观评价松华坝流域有机生产对土壤质量的影响有利于有机产业的可持续发展和水环境保护。该研究以松华坝流域2个典型有机蔬菜种植基地和1个常规蔬菜种植基地作为研究对象，综合评价了有机蔬菜生产对土壤质量的影响，旨在探讨高强度有机生产条件下土壤质量变化以及评估有机生产对农田土壤重金属生物有效性的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择云南省昆明市松华坝流域的2个典型有机蔬菜种植基地和1个常规蔬菜种植基地为评估对象，有机和常规基地均采用叶菜类-块根块茎类或茄果类-叶菜类的轮作模式。

自制有机肥是有机种植基地养分的主要来源。有机基地Ⅰ施用的有机肥原料为外购的羊粪、鸽子粪和水稻或玉米秸秆等。基地采用条垛式的有机肥发酵方式，发酵过程采用翻抛机进行机械翻堆，以便物料充分混匀且获得充足的氧气。腐熟后的有机肥理化性质为:w(有机质)为52.34%，w(全氮)为2.03%，w(全磷)为1.42%，w(全钾)为1.37%。叶菜种植投入量为0.8 t ·(667 m2)-1，块根块茎或茄果类种植投入量为2.0 t·(667 m2)-1，年均有机肥投入总量约5.6 t·(667 m2)-1；有机基地Ⅱ施用的有机肥原料是猪粪(来源于有机尾菜饲养的猪)、废弃尾菜、基地杂草和基地林下腐殖土，就地经过静态堆置充分发酵后施用。有机肥的理化性质为：w(有机质)为62.17%，w(全氮)为0.97%，w(全磷)为1.03%，w(全钾)为0.89%。叶菜种植投入量为0.8～1.0 t·(667 m2)-1，块根块茎或茄果类种植投入量为1.5～2.0 t·(667 m2)-1，年均有机肥投入总量约4.6～5.0 t·(667 m2)-1。常规种植基地养分的主要来源为尿素、复合肥、矿物磷肥等化学肥料，投入量约400 kg·(667 m2)-1。

1.2 样品采集与测定

1.2.1土壤样品采集

选取常规蔬菜种植5 a以上的基地土壤作为对照，比较分析有机基地Ⅰ有机种植1 a(YJ1-1)、3 a(YJ1-2)、6 a(YJ1-3)的地块和有机基地Ⅱ有机种植10 a(YJ2)的地块土壤质量。

土壤样品采集时，根据采样地块面积，均匀划分为5个等面积小区，每个小区采用棋盘式布点随机选取5个点位，采集0～25 cm土层土壤，每个点位采集土壤200 g，将5个点位采集的土壤充分混合均匀后，采用四分法获取土壤样品。一半土壤样品经风干过筛后用于土壤基础理化性质和有机质的测定。一半土壤样品4 ℃条件下保存，用于土壤微生物活性的测定。每个处理5个重复。

1.2.2测定项目及方法

对土壤pH值、总氮、总磷、总钾、速效氮、速效磷和速效钾含量等肥力指标进行测定[9]。土壤总有机质(TOM)、高活性有机质(HLOM)、中活性有机质(MLOM)和总活性有机质(LOM)含量采用高锰酸钾氧化法测定[10]，按照KMnO4氧化剂浓度(33、167、333 mmol·L-1)将活性有机质分为3组，分别为高活性有机质、中活性有机质和总活性有机质, 不能被KMnO4氧化的称其为非活性有机质。

土壤微生物活性采用荧光素二乙酸酯(FDA)水解酶活性进行分析，FDA水解酶活性测定方法参考刘海芳等[11]和马星竹[12]的方法, 在490 nm下比色测定荧光素浓度，FDA 水解酶活性用每千克干土每小时分解产生的荧光素的含量表示，每个处理重复3 次。

土壤样品中重金属有效态含量分别采用二乙三胺五乙酸(DTPA)溶液浸提法[13]、氯化钙(CaCl2)溶液浸提法[14]和稀盐酸浸提法[15]测定。提取后采用电感耦合等离子发射光谱仪ICP-OES测定浸提液中Cu、 Zn、Cd 和Ni 4种重金属含量。

1.3 土壤综合肥力评价方法构建

选择8项土壤常规养分指标作为土壤肥力综合评价指标[16]，分别是土壤pH值、有机质(OM)、全氮(TN)、速效氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、全钾(TK)及速效钾(AK)含量。根据土壤肥力指标与作物生长效应曲线，土壤pH值采用抛物线隶属度函数，其余7项指标采用采用S型隶属度函数。根据全国第二次土壤普查肥力等级和相关系数法确定式(1)和(2)各因子权重(表1)。

表1 各指标隶属度函数曲线转折点取值及权重

S型隶属度函数计算公式为

(1)

抛物线型隶属度函数计算公式为

(2)

根据上述各指标的隶属度和权重系数，计算各处理土壤综合肥力指数(IFI，IFI)，公式为

(3)

式(3)中，n为参评因子数；Wi为第i个因子的权重；Fi为第i个因子的隶属度值。

1.4 土壤活性有机质测定及土壤碳库管理指数计算

根据土壤TOM、HLOM、MLOM和LOM含量计算土壤碳库管理指数(SCPMI)。

SCPI=STOM/CTOM，

(4)

L=SLOM/SNLOM，

(5)

LI=SL/CL，

(6)

SCPMI=SCPI×LI×100。

(7)

式(4)～(7)中，SCPI为碳库指数；STOM为有机基地样品中TOM含量，g·kg-1；CTOM为常规基地样品中TOM含量，g·kg-1；L为碳库活度；SLOM为有机基地样品中LOM含量，g·kg-1；SNLOM为有机基地样品中非活性有机质含量，g·kg-1；LI为活度指数；SL为样品碳库活度；CL为常规基地样品碳库活度。

1.5 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2010软件处理，采用SPSS 20.0软件进行统计分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 有机种植对土壤基础养分的影响

如表2所示，以CF为对照，有机种植均显著提高了土壤pH值，YJ1-2和YJ1-3处理显著增加了土壤总养分和速效养分含量，而YJ2处理除土壤总氮、总钾、速效氮含量显著高于CF处理外，其余养分指标均无显著差异。

2.2 有机种植对土壤有机质各组分的影响

如表3所示，与CF相比，YJ1-2、YJ1-3和YJ2处理土壤总有机质(TOM)、高活性有机质(HLOM)、中活性有机质(MLOM)和总活性有机质(LOM)含量均显著增加，YJ1-1处理各组分有机质含量与CF处理无显著差异。CF处理LOM占TOM的比例为8.65%，显著高于各有机处理。

表2 各基地土壤基础理化性质

表3 有机蔬菜生产对土壤有机质含量和组分的影响

2.3 有机蔬菜种植对土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数计算结果如图1所示， YJ1-2和YJ2处理碳库管理指数比CF处理有所增加，但差异不显著；YJ1-3处理显著增加，增加比例为38.0%。

直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间土壤碳库管理指数差异显著 (P<0.05)。CF为常规处理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分别为有机基地Ⅰ从事 有机生产1、3、6 a 处理；YJ2为有机基地Ⅱ从事有机生产10 a处理。

2.4 有机蔬菜种植对土壤综合肥力的影响

基于模糊数学方法，对常规种植和有机种植土壤肥力状况进行综合评价。按照标准土壤综合肥力指数可分为5个等级，分别为优(>0.80)、良(>0.60～0.80)、中等(>0.40～0.60)、差(>0.20～0.40)和很差(≤0.20)。如图2所示，常规种植和有机种植土壤综合肥力指数均处于良好以上水平。其中，YJ1-2和YJ1-3处理综合肥力等级指数均大于0.80，处于优等级。

2.5 有机蔬菜种植对土壤微生物活性的影响

土壤FDA水解酶活性是反映土壤微生物活性的重要指标。如图3所示，YJ1-2、YJ1-3和YJ2处理FDA水解酶活性分别为72.32、56.68和51.88 mg·kg-1，较CF处理的41.95 mg·kg-1分别增加72.37%、32.73%和17.68%，而CF处理和YJ1-1处理之间无显著差异。

直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间土壤综合肥力评价指数差异显著 (P<0.05)。CF为常规处理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分别为有机基地Ⅰ从事 有机生产1、3、6 a 处理；YJ2为有机基地Ⅱ从事有机生产10 a处理。

直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间土壤FDA水解酶活性差异显著 (P<0.05)。CF为常规处理；YJ1-1、YJ1-2、YJ1-3分别为有机基地Ⅰ从事 有机生产1、3、6 a 处理；YJ2为有机基地Ⅱ从事有机生产10 a处理。

2.6 有机蔬菜种植对土壤重金属有效性的影响

为了充分比较有机种植对土壤重金属生物有效性的影响，选取3种常用的有效态重金属提取方法对各土壤样品中有效态重金属进行了提取。结果如表4所示，HCl和DTPA提取态重金属含量明显高于CaCl2溶剂提取态，且HCl和DTPA提取态重金属含量变化规律相似。在HCl和DTPA提取条件下，与CF处理相比，有机基地Ⅰ的土壤中Zn的有效态含量显著增加，而与有机基地Ⅱ的含量差异不显著。有机种植基地各处理Cu、Cd和Ni有效态含量显著低于CF处理，且随着种植年限延长含量有降低的趋势。另外，YJ1-2、YJ1-3和YJ2中Zn、Cu和Cd的总量均有一定的积累。

表4 有机蔬菜种植对土壤重金属有效性的影响

3 讨论

3.1 有机种植与土壤综合肥力、土壤有机质组分和碳库管理指数

采用单一土壤养分指标难以反映土壤的综合肥力。为了更全面地评估有机种植对土壤肥力的影响，采用模糊评价和主成分分析构建了土壤综合肥力评价方法。研究结果表明松华坝流域常规种植和有机种植土壤综合肥力指数均处于良好以上水平。其中，YJ1-2和YJ1-3处理等级指数均大于0.8，处于优等级。郭文忠等[17]将土壤的综合肥力指数划分为5个等级，而当综合肥力指数大于0.8则认为土壤肥力处于优等级。但是YJ1-1、YJ2与CF处理综合肥力处于同一等级，表明有机种植年限和有机物料投入类型和投入量均是影响土壤综合肥力的重要因素。有机基地Ⅱ投入的有机物料有机质含量明显高于有机基地Ⅰ，而养分含量规律则完全相反。

在综合评估有机与常规蔬菜种植基地土壤肥力基础上，笔者重点从有机质组分和碳库管理的角度评价了有机与常规土壤培肥措施对土壤质量的影响。研究发现，与CF相比，土壤TOM、HLOM、MLOM和LOM含量均显著增加。LOM是土壤中易被土壤微生物分解矿化的那部分活性较高的有机质，田小明等[18]和王改玲等[19]研究发现有机肥或秸秆等有机物料的投入均能提高土壤LOM含量，但是不同来源的有机物料在营养成分上有较大的差别，如果施用有机物料后其成分在土壤中不能被有效转化，那么即使含量较高，评价效果也不理想。这也是YJ2处理LOM含量较有机基地Ⅰ的YJ1-2和YJ1-3处理低的重要原因。

CMI是土壤碳变化的系统的、敏感的监测指标，能够反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度[10]。CMI升高，表明施肥或耕作措施对土壤具有培肥作用，土壤性能向良性发展[20]。徐明岗等[21]研究结果表明较单一的化肥处理有机物料的投入更有利于CMI和土壤质量的提高，与该研究结论相符。因此，可以认为长期的有机种植是有效的土壤培肥措施。

3.2 有机种植与土壤微生物活性

土壤微生物是土壤生态系统中重要的组成部分，是驱动土壤养分循环的发动机。相对于土壤的基本理化参数(EC值、pH值、有机质含量等)，土壤微生物活性对外源污染物更加敏感[22]，例如土壤微生物量、土壤酶活性和代谢熵等常用于评价土壤肥力变化和污染情况。笔者重点关注了有机种植对土壤FDA水解酶的影响，土壤FDA水解酶是快速、准确分析土壤微生物活性的有效方式[20]。

YJ1-2、YJ1-3和YJ2处理FDA水解酶活较CF分别增加了72.37%、32.73%和17.68%。有机物料的投入、土壤肥力提升和土壤物理性质的改善引起的土壤微生物数量增加是影响有机蔬菜种植土壤FDA水解酶活性的重要因素[8]。DEBOSZ等[23]开展了11个月的实验室培养实验，发现园林堆肥和污泥均能显著提高土壤FDA水解酶活性和土壤微生物多样性，与该研究结论一致，但有机与常规生产对土壤微生物多样性和群落结构的影响尚有待进一步的研究。

3.3 有机生产与土壤重金属有效性

笔者对松华坝流域主要农田土壤和对应作物中的重金属分布状况进行了初步调查和风险评估，分析结果表明整个区域地块存在Cd和Ni的轻度污染状况(数据未显示)，但是农作物并未超过GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中规定的限值。

有机种植基地各处理Cu、Cd和Ni 3种重金属有效态含量显著低于CF处理，且随着种植年限延长含量有降低的趋势。有机肥中腐殖化程度较高的大分子物质能有效降低土壤中重金属的有效性[24]。有机种植土壤pH值和低活性有机质含量增加也是减少重金属有效性的重要因素[25]。然而，有机基地Ⅰ的3个土壤样品中有效态Zn含量明显增加，这可能是由于连续施用以畜禽粪便为主要原料的有机肥显著增加了土壤Zn的总量，而土壤中重金属有效态含量与重金属总量呈明显的正相关关系[26]。因此，可以认为有机生产模式是控制中轻度污染农田土壤重金属生物有效性的重要方式，但必须严格控制有机物料中重金属含量、腐熟程度和投入总量。重金属含量较低的有机肥对土壤中重金属具有更强的吸附能力[27]，另外，有机物料中可溶性有机质含量高时投入到土壤后易被微生物降解，从而增加重金属有效性[28]。

目前GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》依据重金属总量进行土壤环境质量评价，但实际对人体健康造成危害的是具有生物有效性的重金属形态。该研究选取3种常用的有效态重金属提取方法对各土壤样品中有效态重金属进行提取，发现对于松华坝流域的蔬菜土壤，CaCl2提取能力明显弱于其他2种提取剂。土壤理化性质差异能够在一定程度上影响提取剂对不同种类重金属的提取效率[29]，比较不同提取剂对重金属的提取量与植物对重金属吸收量之间的相关性，可以更好地指示重金属的生物有效性。但是，可能由于不同农作物种类对重金属吸附能力差异较大，3种提取剂提取的土壤中同种重金属有效态含量与农作物中重金属含量并未表现出显著的相关性。

4 结论

(1)与常规蔬菜种植相比，长期(>3 a)种植有机蔬菜能够显著提高土壤综合肥力、土壤总有机质、总活性有机质、高活性有机质、中活性有机质含量和土壤碳库管理指数，长期有机种植是有效的土壤培肥措施。

(2)与常规蔬菜种植相比，长期(>3 a)种植有机蔬菜显著降低了土壤中有效态重金属Cu、Cd和Ni含量，长期的有机种植能够有效降低土壤中重金属的有效性，有利于农田土壤安全生产。