赤峰地区设施番茄主产区土壤健康评价

秦立金 张美玲 李亚如 张玲玲 崔丽颖 夏雨梦 庞鑫艳 王艳雪 刘利红

（1.赤峰学院农业科学研究院 内蒙古赤峰024000；2.赤峰学院化学与生命科学学院 内蒙古赤峰024000）

土壤健康与土壤质量是农田生态系统平衡的基础，土壤健康不仅是生态施肥的目标和基础，也是农业可持续发展的重要内涵[1]。 而土壤健康管理的基础是确定土壤健康的关键性指标并进行评价[2]，这对土地管理和农业生产具有重要意义[3]。 土壤物理学评价，包括土壤容重和土壤孔隙度，通过改善土壤结构，促进团粒结构形成，满足作物根系对水、肥、气和热的要求，对作物的生长发育具有重要意义[4]。 化学评价包括土壤EC 值、pH、有机质含量、大量和中微量元素等。 而重金属则主要包括铅、锌、铜、砷、汞、铬等[5]。

国内有关矿区[6-7]、污染农田[8-9]的土壤重金属风险评价的研究已见报道。 近几年，赤峰市设施农业发展迅速，由于其独特的地理位置和气候条件，设施番茄种植已成为当地农民的主要经济产业。 土壤是一个复杂和动态的生物系统[10]，土壤健康与否关系到我国粮食食品安全， 也已成为近几年来广大学者研究的热点。 筛选出影响赤峰市设施番茄土壤健康的主因子并进行科学而全面的分析， 对赤峰市设施蔬菜产业可持续发展具有重要意义。

因此， 本试验对赤峰市宁城县大城子和松山区大庙镇2 个主要设施番茄主产区的土壤进行取样，测定其基本理化和重金属含量等指标， 通过对各指标及各指标间的相关性分析， 筛选影响土壤健康的因子， 为以后赤峰市其他及周边地区的设施蔬菜土壤评价和修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样地点

土壤采样点：宁城县大城子镇和松山区大庙镇。

1.2 采样时间及方法

1.2.1 采样时间 2018 年5 月至2019 年2 月期间，分别在不同地区不同茬口番茄定植前取土。

1.2.2 土样采集方法 采用“W”型5 点取样法，使用土钻取番茄根际20 cm 土层土，装入塑料袋，做好标记，记录日期和采样地，带回实验室处理。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤基本理化指标测定方法 pH： 离子选择电极法；EC 值（电导率）：雷磁 DDS-307A 测定；有机质：重铬酸钾稀释热法；总碳：红外吸收光谱法；有机碳：重铬酸钾容量法； 总氮：自动定氮仪法测定；硝态氮：双波段紫色比色法；铵态氮：氯化钾浸提靛酚蓝比色法；总磷：碱熔-钼锑抗分光光度法；有效磷：碳酸氢钠浸提， 钼锑抗比色法； 全钾： 酸溶、 火焰光度法。

1.3.2 土壤重金属含量测定方法 采用HJ766-2015方法。 汞、砷、铅、镉：石墨炉原子吸收分光光度法；铬、铜、锌：电感耦合等离子体质谱法。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2007 软件和 SPSS 23.0 进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同地区土壤基本理化性状分析

2.1.1 pH 不同地区土壤pH 测定结果见表1，研究区土壤酸碱度空间差异较大， 在6.97～8.26 之间变化。 宁城地区土壤pH 变化范围6.97～7.93，平均值为7.47，标准差为0.37，变异系数为4.95%。 松山大庙土壤pH 变化范围 7.85～8.26，平均值为8.07，标准差为0.17，变异系数为2.11%，宁城地区变异系数大于松山大庙。 pH 在 6.5～7.5 之间， 土壤为中性或近于中性，pH 在 7.5～8.5 之间，土壤为微碱性。 通过对 2 个地区pH 的比较，宁城地区土壤属于中性土，而松山区大庙土壤偏碱性。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤 pH 差异显著（P＜0.05），宁城地区 pH 小于松山大庙。

表1 不同地区设施番茄土壤pH 比较

2.1.2 土壤EC 值 EC 值代表土壤电导率， 是测定土壤水溶性盐的指标。 土壤水溶性盐代表表层土壤中可被植物利用的矿质营养。不同地区土壤EC 值测定结果见表2， 宁城和大庙地区番茄设施土壤的EC值差异较大，变化范围为 280.33～1 355.00 mS/cm。 宁城地区土壤EC 值在330.00～1 355.00 mS/cm，平均值为691.20 mS/cm，标准差为393.78 mS/cm，变异系数为 56.97%。 松山大庙地区土壤 EC 值在 280.33～667.33 mS/cm， 平均值为 471.73 mS/cm， 标准差为145.69 mS/cm，变异系数为30.88%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤 EC 值差异不显著（P＞0.05），但宁城地区土壤电导率高于松山大庙地区， 且变异系数较大。

2.1.3 土壤有机质含量 土壤有机质是植物营养的主要来源之一，能够促进植物的生长发育，改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活动，促进土壤中营养元素的分解，在一定范围内，有机质的含量和土壤肥力水平成正比。 不同地区土壤有机质含量测定结果见表3， 不同地区有机质含量差异较大，变化范围为1.59%～5.49%， 宁城地区有机质含量在2.87%～5.49%，平均值为3.95%，标准差为1.03%，变异系数为26.08%。 松山大庙地区的有机质含量在1.59%～3.00%，平均值为2.30%，标准差为0.64%，变异系数为27.82%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤有机质含量差异显著（P＜0.05），宁城地区有机质含量大于松山大庙，变异系数小于松山大庙。

表3 不同地区设施番茄土壤有机质含量比较

2.1.4 土壤有机碳、 总氮与C/N 不同地区土壤有机碳、总氮和C/N 测定结果见表4，不同地区有机碳、总氮差异较大，有机碳变化范围为0.92%～3.19%，宁城地区土壤有机碳在1.67%～3.19%之间， 平均值为2.29%，标准差为0.60%，变异系数为26.20%。松山大庙土壤有机碳在0.92%～1.74%， 平均值为1.34%，标准差为0.37%，变异系数为27.61%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤有机碳差异显著 （P＜0.05），宁城地区有机碳高于松山大庙， 变异系数小于松山大庙。 总氮变化范围为0.092%～0.312%，宁城地区总氮在0.184%～0.312%之间，平均值为0.236%，标准差为0.049%， 变异系数为 20.76%。 松山大庙总氮在0.092%～0.170%， 平均值为 0.135%， 标准差为0.038%， 变异系数为28.15%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤总氮差异显著（P＜0.05），宁城地区总氮高于松山区大庙，变异系数小于松山大庙。 C/N变化范围为 9.05～10.64，宁城地区 C/N 在 9.05～10.22之间， 平均值为9.62， 标准差为0.56， 变异系数为5.82%。 松山大庙 C/N 在 9.38～10.64，平均值为 9.92，标准差为0.53，变异系数为5.34%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤 C/N 差异不显著（P＞0.05）。

表4 不同地区设施番茄土壤C/N 比较

2.1.5 土壤硝态氮和铵态氮 氮素是植物生长必须的的营养元素之一， 土壤中的氮素含量直接表征了土壤为植物提供氮的潜能，氮分为铵态氮和硝态氮。不同地区土壤 硝态氮和铵态氮测定结果见表5，不同地区土壤硝态氮和铵态氮差异较大， 硝态氮变化范围为15.30～101.00 mg/kg，宁城地区土壤硝态氮在38.10～101.00 mg/kg 之间，平均值为 72.84 mg/kg，标准差为28.48 mg/kg，变异系数为39.10%。 松山大庙土壤硝态氮在15.30～96.70 mg/kg，平均值为45.36 mg/kg，标准差为31.12 mg/kg，变异系数为68.61%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤硝态氮差异不显著（P＞0.05）。 宁城地区土壤铵态氮在 6.21～12.20 mg/kg之间， 平均值为8.89 mg/kg， 标准差为 2.42 mg/kg，变异系数为27.22%。 松山大庙土壤铵态氮在3.48～9.14 mg/kg，平均值为5.58 mg/kg，标准差为2.39 mg/kg，变异系数为42.83%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤铵态氮差异不显著（P＞0.05）。

表5 不同地区设施番茄土壤硝态氮和铵态氮比较

2.1.6 土壤全磷和有效磷含量 不同地区土壤全磷和有效磷测定结果见表6，不同地区土壤全磷和有效磷含量差异较大，全磷变化范围为992～2 247 mg/kg，宁城 地区土壤全磷在1 656～1 936 mg/kg 之间，平均值为1 807.60 mg/kg，标准差为101.72 mg/kg，变异系数为5.63%。 松山大庙土壤全磷在992～2 096 mg/kg，平均值为1 680.80 mg/kg，标准差为507.95 mg/kg，变异系数为30.22%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤总磷差异不显著 （P＞0.05）。 有效磷变化范围为96.4～232.0 mg/kg， 宁城地区土壤有效磷在 180～219 mg/kg 之间， 平均值为 196.80 mg/kg， 标准差为24.61 mg/kg，变异系数为12.51%。松山大庙土壤有效磷在 96.4～232.0 mg/kg，平均值为 159.08 mg/kg，标准差为65.78 mg/kg，变异系数为41.35%。 两独立样本t检验表明，2 个地区土壤有效磷差异不显著（P＞0.05）。

表6 不同地区设施番茄土壤全磷和有效磷比较

2.1.7 土壤全钾和速效钾含量 不同地区土壤全钾和速效钾测定结果见表7，不同地区土壤全钾和速效钾含量差异较大，全钾变化范围为2.16%～2.51%，宁城地区土壤全钾在2.24%～2.51%之间， 平均值为2.41%，标准差为0.12%，变异系数为4.98%。 松山大庙土壤全钾在2.16%～2.27%，平均值为2.23%，标准差为0.05%，变异系数为2.24%。两独立样本t检验表明，2 个地区土壤全钾差异显著（P＜0.05），宁城地区全钾含量高于松山大庙，变异系数大于松山大庙。 速效钾变化范围为262.00～863.00 mg/kg， 宁城地区土壤速效钾在 393.00～863.00 mg/kg 之间， 平均值为577.40 mg/kg， 标准差为 172.76 mg/kg， 变异系数为29.92%。 松山大庙土壤速效钾在262.00～731.00 mg/kg，平均值为517.60 mg/kg，标准差为208.76 mg/kg，变异系数为2.24%。两独立样本t检验表明，2 个地区土壤速效钾差异不显著（P>0.05）。

表7 不同地区设施番茄土壤全钾和速效钾含量比较

2.1.8 土壤理化指标相关性分析 不同地区土壤理化指标相关性分析见表8，不同地区土壤理化指标间具有一定相关关系。 pH 与C/N 呈正相关根系，但差异不显著；与其他指标均呈负相关关系，其中，与硝态氮呈极显著负相关，相关系数为-0.82；与铵态氮和全钾呈显著负相关， 相关系数分别为-0.72 和-0.92。EC 值与各指标间未达到显著相关。 有机质含量与各指标均呈现正相关，其中，与有机碳和总氮呈极显著正相关，相关系数分别为1.00 和0.99。 C/N 与有效钾呈正相关，未达到显著；与硝态氮和铵态氮呈显著负相关，相关系数分别为-0.65 和-0.71。 硝态氮与铵态氮和全钾呈显著正相关， 相关系数分别为0.84 和0.80。 铵态氮与全磷和全钾呈显著正相关，相关系数分别为0.67 和0.75。全磷与有效磷呈极显著正相关，相关系数为0.82。 有效磷与有效钾呈显著正相关，相关系数为0.68。 其余指标间未达到显著差异。

表8 不同地区土壤理化指标相关性分析

2.2 不同地区重金属含量分析

不同地区土壤重金属含量见表9，2 个地区土壤Cd 与 Hg 含量差异显著（P＜0.05），且宁城地区二者含量高于大庙地区。 Cd 的变化范围0.11～0.16 mg/kg，宁城地区Cd 含量平均值为0.14 mg/kg， 松山大庙为0.11 mg/kg；Hg 的变化范围为 0.014～0.045 mg/kg，宁城地区平均为0.029 mg/kg，松山大庙为0.016 mg/kg。其余几种重金属含量，2 个地区差异不显著。 2 个地区不同重金属含量变异系数差异较大， 其中，Hg 和Cu 含量的变异系数较大， 分别达到 45.45%和22.21%；As、Cd、Cr、Pb 和 Zn 变异系数较小。

表9 不同地区土壤重金属含量比较（单位：mg/kg）

3 讨论与结论

3.1 土壤基本理化指标评价

我国设施蔬菜生产中侧重氮磷钾肥的大量施用，但随着设施种植年限的增加，设施土壤的基本理化性状会发生改变。 本试验对赤峰市2 个设施番茄主产区土壤进行了取样， 研究表明，2 个地区土壤的基本理化指标具有一定差异，宁城地区土壤pH 值显著低于松山大庙。 番茄生长适宜的土壤酸碱度（pH）以6.0～7.0 为宜，因此，宁城地区土壤酸碱性更适宜番茄生长，松山大庙土壤偏碱，建议底肥多使用有机肥或生物有机肥。 土壤有机质对土壤稳定性、肥力和作物生产力至关重要， 土壤有机质超分子结构受到耕作和土地管理的强烈影响[11]。 本研究表明，2 个地区土壤有机质含量差异显著， 宁城地区高于松山大庙， 这可能与宁城地区农户种植习惯和当地土壤条件等有关。 有研究表明，沿纬度梯度，土壤有机质与土壤微生物群落组成和功能有密切相关[12]。

溶解性有机碳作为一种活性和流动碳， 在陆地和水生生态系统中发挥着重要作用[13]。在土壤生产力和功能、 全球粮食安全和减缓气候变化方面具有关键环境重要性的变量[14]。 本研究表明，宁城地区有机碳显著高于松山区大庙。 相关分析结果表明，有机碳与有机质相关系数为1， 与全氮达到99%极显著相关。 土壤的C/N 是衡量土壤C 和N 营养平衡状况的指标，与土壤质地和养分有着密切关系。 相关研究表明，C/N 越小，土壤质量越高，越能为植物生长提供养分，土壤中 C/N 通常在 8.1～12.1。 本研究中，2 个地区的C/N 均在我国土壤正常值范围内。 相关分析结果表明，C/N 与硝态氮和铵态氮呈现显著负相关， 而与总氮无相关性。

在我国， 氮磷钾肥料投入量过高是设施农业施肥的主要特点，尤其是生产中重视氮肥和磷肥，而氮肥和磷肥在生产中的投入量远远高于蔬菜本身吸收量，多余养分在土壤中积累。 实际生产中，氮肥的利用率约35%左右，磷肥的利用率在10%～25%，钾肥在40%～50%[15]。 土壤中正常硝态氮的含量在150～200 mg/kg，铵态氮含量的正常范围是在10～15 mg/kg。本研究表明， 宁城地区土壤的总氮和铵态氮含量显著高于大庙地区， 但2 个地区土壤的硝态氮和铵态氮含量均较我国土壤正常含量偏低。 磷是植物生长所必需的主要元素之一， 参与植物呼吸作用和光合作用等。 本研究表明，宁城地区和松山大庙土壤全磷和有效磷差异不显著。 钾是植物营养的三要素之一,在植物体内具有激活酶，调节植物碳、氮代谢过程，进而改善作物品质、促进叶绿素的合成和光合作用。现代农业生产中钾肥的大量施用已成为实现作物高产优质高效的重要措施[16]。 本研究中，2 个地区土壤中全钾差异显著，宁城地区高于松山大庙。 我国土壤全钾含量在0.3%～3.6%，2 个地区全钾含量均在正常值范围内。

3.2 土壤重金属含量评价

土壤重金属的含量反映了土壤的污染程度，是土壤污染的重点研究对象， 主要包括砷 （As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、汞(Hg)、铅（Pb）、锌（Zn）。 砷以化合物的形式存在，很容易进入土壤中，造成一定程度的砷污染，非污染土壤砷含量为1～95 mg/kg。 镉是天然形成的，变化范围在 0.01～0.70 mg/kg，Cd 化合物有剧烈的毒性，易长期积累，引起慢性中毒，能降低植物中ATP 酶活性，阻碍K 向植物根内输导。铬会引起植物细胞质壁分离，导致细胞组织失水，影响种子萌发，我国土壤中平均铬含量都小于80 mg/kg，一般为50～60 mg/kg。我国土壤铜的平均含量约为22 mg/kg，植物中含铜量过高，就会引起叶片发黄。 植物根系和叶片都可以吸收汞，如果作物出现汞中毒，就会枯萎、衰败死亡，一般非污染土表土含汞不超过0.4 mg/kg。自然状态下的土壤含铅量为10～30 mg/kg，当植物中含铅量超过一定浓度时，会抑制植物某些酶的活性，从而影响植物的光合作用，植物吸收养分不充足，造成减产。 锌会参与植物中叶绿素和多种酶的合成，植物的含锌量为10～100 mg/kg。

本研究表明，2 个地区土壤重金属含量均不超标，其中，宁城地区的镉（Cd）和汞（Hg）含量显著高于松山大庙。因此，可选择镉（Cd）和汞（Hg）作为土壤重金属含量评价指标。

综上所述， 对赤峰地区设施番茄土壤的健康评价，可初步选择pH、有机质含量、有机碳、全氮、铵态氮、有效磷、全钾、Cd 和 Hg 等指标。 但如果要进行更准确、精准的评价，还需结合中微量元素和土壤生物学指标，以及进一步增加取样样本容量。