2022, Vol. 31
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2. 自然资源部 黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 130034;
3. 辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, Ministry of Natural Resources, Shenyang 110034, China;
3. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects of Liaoning Province, Shenyang 110034, China
土壤是人类赖以生存的物质基础，是粮食生产和人类活动的载体，其质量直接影响农产品质量和人类健康. 土壤质量评价是衡量土地质量优劣，优化土地利用的基本途径，是农业土地资源调查的重要内容和土地规划的重要组成部分[1]. 由于土地耕作，长期施用化肥、农药及灌溉等因素，会导致土壤理化性质恶化，土地质量下降，进而影响土壤生态系统的结构和功能发生改变，土地生产力下降，生态环境恶化. 土壤质量与绿色产地适宜性评价是以影响土壤质量的养分元素、环境元素为主，综合考虑与土地利用有关的各种因素而进行的土壤质量地球化学评价[2-12]，旨在为保护耕地、改善种植结构、开发绿色农产品，科学合理施肥，促进农业高质量发展提供科学依据.
1 研究区概况 1.1 地理概况黑龙江省讷河市位于松嫩平原北部，为大小兴安岭向南部平原过渡的山前高平原区，地势北高南低，由东北向西南倾斜，面积6 674 km2. 区内有嫩江的一级支流讷谟尔河自东向西流经全境，属于温带大陆性季风气候区，年平均气温为1.1 ℃，年平均降水量为450 mm，年平均日照时数2 747 h，无霜期为120 d. 气候特点是积温不足，雨量偏少，无霜期短，昼夜、冬夏温差较大. 讷河市是黑龙江省重要的农业基地，有耕地47.3×104 hm2，占土地面积的71.0%，主要农作物有玉米、大豆、水稻、马铃薯. 区内主要土壤类型有黑土、草甸土、暗棕壤、黑钙土，分布面积分别占全市面积的44.8%、31.5%、10.7%和7.2% [13]. 本次调查区面积6 439.78 km2.
1.2 地质概况研究区出露的地层主要有第四系亚黏土、亚砂土、中粗砂、含黏土砂砾石和泥炭，分布面积最大；前第四系有古近系—新近系砂岩、泥岩和砂砾，分布在研究区东北部；白垩系砾岩、砂岩、泥岩，分布在研究区西北和东北部；此外有零星分布的元古宇片岩和更新世玄武岩（图 1）.
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图 1 研究区地质图 Fig.1 Geological map of the study area 1—第四系全新统（Quaternary Holocene）；2—第四系上更新统（Quaternary Upper Pleistocene）；3—第四系中更新统（Quaternary Middle Pleistocene）；4—古近系渐新统-新近系（Paleogene Oligocene-Neogene）；5—白垩系（Cretaceous）；6—元古宇（Proterozoic）；7—玄武岩（basalt） |
在讷河市境内，依据《多目标区域地球化学调查规范》（DZ/T0258—2014），按照1 km×1 km格网，每1 km2采集1件表层土壤（0~20 cm）样品，全区共采集土样6 508件，再按照2 km×2 km的格网，将4个土样混合组成一个分析样品，共组合表层土壤分析样品1 627件.
土壤样品分析测试由具有MA认证资质的自然资源部沈阳矿产资源监督检测中心承担，提取分析方法及检出限见表 1.
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表 1 土壤元素分析方法及检出限 Table 1 Analysis methods and detection limits of soil elements |
依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295—2016）进行土壤养分质量评价，选择N、P、K、有机质、CaO、MgO、Fe2O3、S、B、Zn、Mn、Cu、Mo、Co、Ge、V共16项指标，以一个混合分析样品所对应的4 km2为评价单元，依据规范中元素养分等级划分标准，将土壤养分单指标划分为五等、四等、三等、二等、一等5个等级，并赋予相应的分值（fi）分别为1、2、3、4、5. 在此基础上按下式计算土壤养分地球化学综合得分f养综.
| $ f_{\text {养综 }}=\sum\limits_{i=1}^{n} k_{i} f_{i} $ |
式中：f养综为氮、磷、钾综合评价得分，1≤f养综≤5；ki为氮、磷、钾权重，分别为0.4、0.4、0.2；fi为氮、磷、钾单指标评价得分. 按表 2确定土壤养分综合等级.
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表 2 土壤养分地球化学综合等级划分 Table 2 Comprehensive geochemical grading of soil nutrients |
依据生态环境部《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018）标准，以Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni八种重金属元素为评价指标. 标准中按不同酸碱度给出了土壤污染风险筛选值和管控值，将元素含量实测值与筛选值、管控值比较，并按规范给出的表 3确定土壤环境质量单指标评价结果. 评价单元土壤环境质量综合评价等级等于单指标环境评价最差的等级.
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表 3 重金属单元素污染风险等级划分标准 Table 3 Grading standard for single element pollution risk of heavy metals |
当土壤中某种重金属含量等于或者低于风险筛选值时，认为农用地土壤污染风险低，一般情况下可以忽略，属于一等（无风险）土地；当土壤中重金属含量高于风险筛选值，且等于或低于风险管控值时，认为可能存在食用农产品不符合质量安全标准的农用地土壤污染风险，属于二等（风险可控）土地；当土壤中重金属含量高于风险管控值时，认为存在食用农产品不符合质量安全标准的农用地土壤污染风险，属三等（风险较高）土地.
3.3 土壤质量综合评价土壤质量综合等级根据评价单元的土壤养分综合等级与土壤环境综合等级叠加产生，划分以环境综合质量为主要依据，同时结合养分综合质量按表 4确定.
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表 4 土壤质量地球化学综合等级表 Table 4 Comprehensive geochemical grading of soil quality |
依据农业部《绿色食品产地环境质量》（NY/T391—2013）等相关标准[14-16]，以Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu六种重金属元素为评价指标，利用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤污染程度，再结合土壤肥力评价种植绿色农产品的土壤环境适宜性. 单项污染指数按下式计算：
| $ P_{i}=C_{i} / S_{i} $ |
式中：Pi为监测项目的污染指数，Ci为监测项目的实测值，Si为监测项目的评价标准值.
如果有一项单污染指数大于1，视为该产地环境质量不符合要求，不适宜发展绿色产品. 若单项指数均小于1，则按照下式计算综合污染指数，并根据土壤综合污染指数进行分级.
| $ P_{\text {综 }}=\sqrt{\frac{P_{i{\rm{max}}}^{\ 2}+P_{i{\rm{ave}}}^{\ 2}}{2}} $ |
式中：P综为土壤综合污染指数，Pimax为土壤单项污染指数的最大值，Piave为土壤单项污染指数的平均值. P综≤0.7，为土壤清洁；0.7＜P综＜1.0，为土壤尚清洁；P综＞1.0，为土壤污染.
3.4.2 土壤肥力评价土壤肥力以有机质和全氮含量分级（见表 5），评价单元的综合肥力为二者中较差的等级.
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表 5 土壤肥力等级划分表 Table 5 Grading of soil fertility of dry and paddy lands |
当土壤环境质量达到一级标准，且土壤有机质和全氮含量达到Ⅱ级以上，则判定评价单元符合AA级绿色食品产地要求，为适宜区；当土壤环境质量达到一级标准，土壤有机质和全氮含量低于Ⅱ级，则判定评价单元符合A级绿色食品产地要求，为较适宜区；当土壤环境质量未达到一级标准，则判定评价单元为不符合绿色食品产地要求，为不适宜区（其他产地）.
4 结果与讨论 4.1 土壤养分土壤养分是衡量土壤肥力的主要依据，其含量高低直接影响作物的生长发育、产量与品质. 依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295—2016）从单指标和养分综合两方面评价. 养分单指标中有机质、N、Fe2O3、Co、V、Mn、S含量等级以丰富—较丰富为主；K、Mo含量以较丰富—中等为主；P、CaO、MgO、Cu、Zn含量以中等—较缺乏为主；B和Ge以较缺-缺乏为主.
4.1.1 有机质及大量营养元素氮、磷、钾土壤有机质不仅是植物营养的重要来源，也是微生物活动的能源. 研究区土壤表层有机质含量范围为15.17×10-3~60.68×10-3，平均37.07×10-3，高于东北玉米优势区土壤平均有机质含量26.65×10-3[17]. 全区有机质含量总体以丰富和较丰富为主，丰富—较丰富的土地占84.53%，面积为5 443.37 km2. 有机质在中等以上的土地占全区面积的98.61%（表 6）.
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表 6 土壤大量营养元素（指标）含量及评价结果统计表 Table 6 Contents of major soil nutrient elements and evaluation results |
N、P、K都是植物生长发育所必需的大量营养元素，也是影响作物产量的主要养分限制因子. 研究区土壤表层N、P、K含量平均值分别为1.90×10-3、0.68×10-3、20.09×10-3，属于较丰富—中等水平. N、P、K含量在中等以上的土地面积分别占全区的99.77%、73.24%和100%. 其中P较缺乏—缺乏土地有1 723.61 km2，占全区的26.76%.
4.1.2 中量营养元素钙、镁、硫Ca、Mg、S是植物生长发育所必需的中量营养元素. 研究区土壤表层CaO、MgO、S含量平均值分别为1.32×10-2、1.20×10-2、411.36×10-6. CaO、MgO、S含量在中等以上的土地面积分别占全区的76.07%、50.89%、99.17%. Ca较缺乏—缺乏区面积1 540.94 km2，占全区的23.93%. Mg较缺乏—缺乏区面积3 162.55 km2，占全区的49.11%. S较缺乏-缺乏区面积45.47 km2，占全区的0.07%（表 7）.
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表 7 土壤中量营养元素含量及评价结果统计表 Table 7 Contents of medium soil nutrient elements and evaluation results |
Ca是构成植物细胞壁的成分，能稳定生物膜结构，缺Ca时，植物生长受阻，个头矮小，根系容易腐烂，果实生长发育不良；Mg是叶绿素的必要成分，植物体内Mg的最重要功能是形成叶绿素，同时还是多种酶的活化剂，缺Mg会影响作物的产量和品质；S是蛋白质的组成元素，缺S时作物生长受到障碍，植株矮小瘦弱，叶片黄化[18].
4.1.3 微量营养元素研究区土壤微量营养元素Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Co、Ge、V的含量及土壤质量评价结果见表 8. 其中Fe、Mn、Co、V含量以丰富—较丰富为主；Mo含量以较丰富—中等为主；Cu和Zn含量以中等—较缺乏为主，但Cu和Zn的有效态为丰富和较丰富[13]；土壤中B和Ge含量以较缺乏和缺乏为主，B、Ge较缺乏和缺乏的面积之和分别为全区面积的95.68%和81.50%.
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表 8 土壤微量营养元素含量及评价结果 Table 8 Contents of micro soil nutrient elements and evaluation results |
Cu能提高叶绿素的浓度增强光合作用，促进蛋白质的合成，增强抗逆性，以及对病害的抵抗力，作物缺Cu将严重影响产量[19-20]. Zn有促进作物细胞呼吸、碳水化合物代谢及对氧的利用作用，当土壤中严重缺Zn时，作物产量大减，甚至绝收，对Zn敏感的作物有玉米、水稻、小麦、甘署等，科学施用Zn肥，能促进作物生长发育，提高作物结实率和产量，并显著改善产品品质[21].
植物缺B时作物不能形成正常花器官，花粉管畸形，花粉粒发育不良，形成“有花无果”、或果实质量不佳等现象[22-23]. Ge是一种具有多种生物活性的微量元素，一些生物学家发现几乎所有的动物体和植物体都含有Ge. 随着Ge清除自由基、免疫调节抗突变作用、搞肿瘤等生物活性的发现，其在生物上的研究和利用逐渐引起重视[24-26]. 从植物中获取Ge是人体最安全有效的来源，富Ge土壤可广泛应用于富Ge农产品的开发. 因此建议对P、CaO、MgO、Cu、Zn、B、Ge缺乏区适量施加相应的肥料，进行土壤改良，以提高农作物的产量和质量.
4.1.4 土壤养分综合土壤养分综合评价结果见表 9和图 2. 全区土壤综合养分为一等（丰富）的土壤面积占研究区的2.23%，主要分布在讷河市北部；二等（较丰富）土壤面积占56.94%；三等（中等）土壤面积占39.97%；四等（较缺乏）土壤占0.86%，分布在讷河市西南，较缺乏面积很小. 全区土壤养分无缺乏等级.
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表 9 表层土壤养分综合评价结果 Table 9 Comprehensive evaluation results of topsoil nutrients |
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图 2 讷河市土壤养分综合等级评价图 Fig.2 Comprehensive grade evaluation of soil nutrients in Nehe City 1—一等（丰富）（Grade-Ⅰ，rich）；2—二等（较丰富）（Grade-Ⅱ，relatively rich）；3—三等（中等）（Grade-Ⅲ，medium）；4—四等（较缺乏）（Grade-Ⅳ，deficient） |
土壤环境单指标评价结果见表 10. 八项重金属中Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Cd七项指标环境质量等级为一等（无风险）. Ni环境质量一等区面积占研究区的99.94%，二等（风险可控）区面积仅4 km2，占0.06%，分布在龙河镇北.
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表 10 土壤环境单指标评价结果表 Table 10 Single index evaluation results of soil heavy metals |
土壤环境综合评价结果见图 3. 全市99.94%的土地环境综合质量为一等（无风险）的土地面积为6 435.78 km2，受Ni的影响，有0.06%的土地为二等（风险可控），面积4 km2，分布在龙河镇，全市无三等（风险较高）的土壤分布.
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图 3 讷河市土壤环境综合等级评价图 Fig.3 Comprehensive grade evaluation of soil environment in Nehe City 1—无风险（risk free）；2—风险可控（risk controllable） |
土壤质量地球化学综合等级是土壤养分和土壤环境的综合反映. 评价结果显示讷河市有一等（优质）土地3 806.06 km2，占全区面积的59.11%；二等（良好）土地面积2 574.11 km2，占研究区的39.97%；三等（中等）土地59.61 km2，占研究区的0.92%. 全市没有四等（差等）和五等（劣等）土地分布（见图 4）.
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图 4 讷河市土壤质量地球化学综合等级评价图 Fig.4 Comprehensive geochemical grade evaluation of soil quality in Nehe City 1—一等（优质）（Grade-Ⅰ，fine）；2—二等（良好）（Grade-Ⅱ，good）；3—三等（中等）（Grade-Ⅲ，medium） |
绿色产地土壤环境质量评价结果：土壤环境质量一级（清洁），面积为6 497.61 km2，占98.05%；二级（尚清洁），面积为8 km2，占0.12%.
4.4.2 土壤肥力绿色产地土壤肥力以全氮和有机质为评价指标，评价结果：一级（肥力高）面积为6 546.02 km2，占98.78%；二级（肥力较高）面积为19.27 km2，占0.29%.
4.4.3 土壤环境质量适宜性讷河市土壤环境质量绿色产地适宜性评价结果显示：符合绿色食品产地一级（AA级）要求的土壤面积为6 461.5 km2，占全区面积的97.5%；符合绿色食品产地二级（A级）要求的土壤面积为38.1 km2，占全区面积的0.58%；不符合绿色食品产地三级（其他产地）要求的土壤面积为65.6 km2，占全区面积的0.99%. 土壤环境质量绝大部分达到一级标准，是养分充足、环境洁净的土地资源，开发绿色食品产地前景广阔（见图 5）.
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图 5 讷河市绿色食品产地适宜区环境质量评价图 Fig.5 Environmental quality evaluation of green food producing suitable area in Nehe City 1—AA级绿色食品产地（Grade-AA green food producing area）；2—A级绿色食品产地（Grade-A green food producing area）；3—其他产地（other areas） |
1）讷河市土壤养分总体良好，土质肥沃，适合农作物的生长. 土壤养分单指标N、有机质、Fe2O3、Co、V、Mn、S含量以丰富—较丰富为主，K、Mo、CaO、MgO含量以较丰富—中等为主，P、CaO、MgO、Cu、Zn含量以中等—较缺乏为主，Ge和B含量以较缺乏—缺乏为主. 建议对P、CaO、MgO、Cu、Zn、B、Ge缺乏地块适量施加相应的肥料，改良土壤，以提高农作物的产量和质量. 全区土壤养分综合等级以较丰富和中等为主，面积分别占56.94%和39.97%，全区无养分综合缺乏等级土壤.
2）讷河市土壤环境质量好，全区无污染风险较高的土地分布. 土壤环境质量一等（无风险）区占全区的99.94%；土壤环境质量二等（风险可控）区仅4 km2，占全区面积的0.06%，对于农业生产的影响较小.
3）讷河市土壤质量地球化学综合等级以优质为主，土壤环境清洁、养分充足，有一等（优质）土地3 806.06 km2，占全区的59.11%；二等（良好）土壤面积2 574.11 km2，占全区的39.97%；三等（中等）土壤面积59.61 km2，占0.92%；没有四等（差等）和五等（劣等）土壤.
4）讷河市是发展优质绿色农业良好基地. 全市土壤符合一级绿色食品产地（AA级）要求的土壤面积为6 461.5 km2，占调查区总面积的97.5%；符合二级绿色食品产地（A级）要求的土壤面积为38.1 km2，占总面积的0.58%；不符合绿色食品产地要求的三级（其他产地）土壤面积为65.6 km2，占总面积的0.99%.
5）为进一步维护和提高土地的生产能力，建议：①积极推广保护性耕作，增加土壤肥力. ②实旗测土配方，科学施肥. ③深耕细作，增加耕层厚度. ④实行秸秆还田，增加土壤有机肥. ⑤加大耕地保护宣传，增强耕地保护意识，严格控制优质土地占用.
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