面向防控農(nóng)業(yè)面源污染的耕地質量監(jiān)測評價及思考

許俊偉 韓雪梅 楊梖 俞映倞 趙永坤 薛利紅 李慶魁

摘 要：農(nóng)田耕地土壤質量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關重要，也是農(nóng)業(yè)面源污染防控指導的重要依據(jù)。摸清農(nóng)田土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀，分析耕地土壤演變態(tài)勢可為種植業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學指向。該文在太湖典型水網(wǎng)區(qū)蘇州市吳中區(qū)設立研究樣點，連續(xù)3年定時定點采集典型農(nóng)田土壤樣品，監(jiān)測涉及到農(nóng)業(yè)面源污染土壤指標，并基于基礎評級法、單因子指標法和內(nèi)梅羅指數(shù)法等3種科學評價方法對其指標進行評價。結果表明：以基礎評級法來看，土壤pH值、土壤總氮和土壤有效氮年均值均處于等級Ⅱ及以上，土壤有機質年均值在第3年由等級Ⅱ降為等級Ⅲ，土壤有效磷年均值處于等級Ⅲ;以單因子指標法來看，土壤pH值和有機質年際之間呈現(xiàn)微弱變好趨勢，土壤氮的情況較好且穩(wěn)定，土壤有效磷是主要的短板，需要進行關注調控;以內(nèi)梅羅指數(shù)法來看，17個監(jiān)測點位綜合評級全部為中級甚至高級?？傊搮^(qū)域代表樣點耕地土壤養(yǎng)分庫存較好，宜進一步采取農(nóng)業(yè)面源污染控制措施。

關鍵詞：耕地;監(jiān)測;評價;面源污染

中圖分類號 X522 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）04-0085-06

Abstract： The soil quality of farmland plays a scientific reference role in agricultural production in the coming year， and it is also an important basis for the prevention and control of agricultural non-point source pollution. Finding out the current situation of farmland soil nutrients and analyzing the evolution trend of farmland soil can provide a scientific direction for the green and sustainable development of planting industry. In this paper， research samples were set up in Wuzhong District， Suzhou City， a typical water network area of Taihu Lake. Typical farmland soil samples were collected regularly for three consecutive years to monitor the soil indicators of agricultural non-point source pollution and tested pH， organic matter（SOM）， total nitrogen（TN）， available nitrogen（AN） and available phosphorus（AP）. Basic rating method， Single factor index method and Nemerow index method were used to evaluate soil quality. The results show that： from an angle of Basic rating method， the annual mean values of pH， TN and AN are at grade II or above， the annual mean values of SOM decrease from grade II to grade III in the third year， the annual mean values of AP are at grade III， and the annual mean values of AK decrease from grade I to grade III in the second year; from an angle of single factor index method， pH and SOM show a weak improved trend， both AN and TN are good and stable， the main short board factor is AP， which need attention and regulation; from an angle of Nemerow index method， all of the comprehensive rating are intermediate or even advanced. In short， the soil nutrient inventory of cultivated land in the representative sample points of this area are good， and it is suitable to take further agricultural non-point source pollution control measures.

Key words： Cultivated land; Monitoring; Evaluation; Agricultural non-point source pollution

耕地是人類賴以生存的基本資源和條件。耕地數(shù)量和耕地質量是決定糧食綜合生產(chǎn)能力的兩大關鍵因素[1]。我國有著嚴格而明確的要求——堅守18億畝耕地紅線，以保障充足的耕地數(shù)量，但耕地質量是下一步需要解決的重點。耕地質量決定耕地利用和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，耕地的可持續(xù)化是協(xié)調日益增長的糧食需求和資源環(huán)境約束的連接通道，是保障糧食安全、資源永續(xù)利用和環(huán)境綠色發(fā)展的永動機[2]。土壤養(yǎng)分含量是耕地質量的主要體現(xiàn)，既是生產(chǎn)力可持續(xù)性的決定性指標，也是農(nóng)業(yè)面源污染的重要參與因素[3-4]。如今我國農(nóng)業(yè)環(huán)境污染情況嚴峻，耕地中土壤養(yǎng)分的流失是造成種植業(yè)面源污染的重要因素，因此充分了解耕地，監(jiān)測耕地土壤及科學評價對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的參考指導作用，對于農(nóng)業(yè)面源污染防控具有重要的指向價值[5]。

土壤有機質、總氮含量是用來評判土壤肥力高低的主要依據(jù)，與農(nóng)業(yè)面源污染指標密切相關。除此之外，對水稻等農(nóng)作物而言，土壤中有效態(tài)養(yǎng)分能夠直接利用養(yǎng)分形態(tài)，與生產(chǎn)過程的物料投入和生物量收獲密切相關，直接關系到其產(chǎn)量和質量的高低。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)下的農(nóng)田土壤而言，土壤中有效態(tài)養(yǎng)分含量處于動態(tài)變化之中，一年中不同時段的土壤樣品中有效態(tài)養(yǎng)分含量往往存在不同，也不存在可比性，實時關注有效態(tài)養(yǎng)分指標尤為重要[6-7]。年際間動態(tài)連續(xù)監(jiān)測實時反映耕地質量，評估耕地的能力，變化比較分析反映土壤質量的演變，及時、及早發(fā)現(xiàn)問題，為來年肥料施用等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要指導作用，而且能推演土壤中庫存的養(yǎng)分對農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的貢獻，起到農(nóng)業(yè)面源污染防治的預警作用。

蘇州市吳中區(qū)地理坐標為東經(jīng)119°55′～120°54′，北緯30°56′～31°21′，位于蘇州南部，與太湖水域密切銜接，蘇州吳中區(qū)坐擁60%的太湖水域、40%的太湖岸線，是太湖環(huán)湖區(qū)的重要組成部分。自古以來吳中區(qū)是江蘇乃至全國重要稻米輸出產(chǎn)區(qū)，“吳中大米”形成了獨特品質，被國家知識產(chǎn)權局認定為地理標志證明商標，帶動了當?shù)禺a(chǎn)業(yè)興旺和農(nóng)民的生活富裕。伴隨著稻田耕地用肥量逐漸增大，化肥供應量遠大于作物需求量，再加上吳中區(qū)地處于南方典型水網(wǎng)區(qū)，降雨頻率高，水量豐沛，農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生幾率大。因此將研究對象樣點設立在蘇州市吳中區(qū)并進行連續(xù)3年定時定點的涉及到面源污染的耕地養(yǎng)分指標（包括有效養(yǎng)分）的動態(tài)監(jiān)測。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 按照監(jiān)測樣品的代表性、可獲取性以及可比性的原則，共布設采樣點17個（編號見表1），土壤樣品采集時間點設為水稻成熟后。因此自2018年起，連續(xù)3年每年進行定時定點取樣分析。按照梅花形采樣方法在典型地塊選擇5～10個點位采集，采集0～20cm耕作層土壤，通過四分法棄取，留下耕作層土壤混合樣1kg，土壤樣品風干后去除雜質，研缽磨細后過1、0.25、0.1mm尼龍篩，裝入保鮮袋保存，待理化分析測定。

基于農(nóng)業(yè)面源污染的治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雙重目標，綜合考慮評價指標的可獲取性、系統(tǒng)性和連續(xù)性，選取了土壤有機質、全氮、有效氮、有效磷、pH值等5個指標作為指示指標。參照《土壤農(nóng)化分析》[8]，土壤pH值采用水土比為2.5∶1水浸提pH計法測定;有機質測定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法，總氮測定采用凱氏定氮法，有效氮測定采用有效擴散法，有效磷測定采用鉬銻抗比色法。

1.2 基礎評級 根據(jù)其含量分為Ⅰ～Ⅴ5個級別[9]，具體分級標準見表2。

1.3 單因子指標評價 采用隸屬度函數(shù)進行評價單因子肥力情況。隸屬度函數(shù)根據(jù)對作物產(chǎn)量效應，表達了該項指標土壤含量豐缺程度，其中pH值采用峰值型隸屬度函數(shù)（1），其他指標采用戒上型隸屬度函數(shù)（2），相應的函數(shù)表達式為[11-12]：

基于研究區(qū)域的水稻的特點和前期研究結果[13-14]，確定隸屬度函數(shù)曲線拐點取值，見表3。

1.4 綜合指標評價 內(nèi)梅羅（Nemoro）指數(shù)是一種較常用的兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環(huán)境質量指數(shù)，在加權過程中避免了權系數(shù)中主觀因素的影響[15]。此次評價選用修正的內(nèi)梅羅指數(shù)進行綜合評價，首先，對上述參數(shù)進行標準化處理，以消除各個參數(shù)之間量綱差異，計算公式以及分級標準值如下式（3） [16-17]：

式中，Pi表示第i個指標的單項肥力指數(shù)，Xi表示土壤指標i的實測值，Xa、Xc、Xp表示分級標準值，參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級[9]，見表4。

式中，P綜表示耕地土壤肥力綜合指數(shù)，其值越高表示耕地土壤肥力狀況越好;Piavg表示土壤所有肥力指數(shù)的平均值;Pmin表示土壤所有指標中單項肥力指數(shù)最小值，突出了土壤中最差屬性對土壤肥力的影響，能夠反映植物生長的最小因子律;n表示參與評價的肥力指標個數(shù)，修正項（n-1）/n提高了評價的可信度和可比性[18]。

2 結果與分析

2.1 土壤單項指標描述性統(tǒng)計 各監(jiān)測點的土壤養(yǎng)分等級分布熱圖和統(tǒng)計如圖1和表5，隨著年際變化，對于土壤pH值，從圖1的顏色變化能明顯看到整體趨勢變好，等級Ⅲ類及以上的監(jiān)測樣點占比由88.2%上升至100%。對于土壤SOM，從圖1的顏色變化能看出整體處于變差再變好的狀態(tài)，等級Ⅲ類及以上的監(jiān)測樣點占比由94.1%降至82.4%再回升至88.2%。因此，可以利用調整有機肥的施用量進行土壤培肥，同時需注意有機肥的來源，謹防施加重金屬超標的有機肥帶來的安全問題。對于土壤TN，從圖1的顏色變化能看出整體水平處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，等級Ⅲ類及以上的監(jiān)測樣點占比維持在94.1%。土壤樣點的整體全氮含量較為豐富，可適當減少氮的投入，節(jié)省肥料成本的同時減少農(nóng)田氮損失，減緩農(nóng)業(yè)面源污染的壓力。對于土壤AP，從圖1的顏色變化能看出整體處于變差的階段，等級Ⅲ類及以上的監(jiān)測樣點占比由41.2%下降至29.4%。

單項指標統(tǒng)計分析結果如表6所示。土壤pH 值變異系數(shù)均低于10%，呈弱變異性。土壤監(jiān)測樣點土壤pH值平均值呈現(xiàn)變好的勢態(tài)。土壤SOM值變異系數(shù)均介于10%～50%之間，呈中等變異性，值得注意的是，對比3年的土壤SOM平均值，雖然平均值降幅較低，但是在第3年明顯降低一級，呈現(xiàn)變差勢態(tài)。土壤TN和AN值變異系數(shù)均介于10%～50%之間，呈中等變異性，土壤監(jiān)測樣點土壤TN和AN值平均值呈現(xiàn)穩(wěn)定的態(tài)勢，說明該研究區(qū)域土壤中的養(yǎng)分氮是充足。土壤監(jiān)測樣點土壤AP值呈現(xiàn)穩(wěn)定的態(tài)勢。但是2018年和2020年土壤AP值變異系數(shù)均超過50%，呈高變異性，2019年土壤AP值變異系數(shù)均介于10%～50%之間，呈中等變異性，說明點位之間該指標的差異性巨大，需要重點關注指標偏低的點位。

2.2 單因子指標結果分析 隸屬度函數(shù)能同向進行各項指標間的比較，并根據(jù)木桶理論挖掘出限制土壤肥力指標的關鍵性因子，計算的結果和統(tǒng)計見下圖2。由圖可知，2018—2020年期間，土壤pH值處于隸屬度滿額的點位超過50%，甚至高達94.1%，土壤SOM值雖然在出現(xiàn)小于0.325的個別點位（LZ007），但是有至少94.1%處于隸屬度大于0.325的狀態(tài)，并且年際之間的比較發(fā)現(xiàn)，土壤pH值和SOM值呈現(xiàn)變好的微弱趨勢，說明該研究區(qū)域的土壤是適合繼續(xù)種植水稻作物;值得注意的是，隨著年際變化個別點位（如LZ002、LZ005）土壤SOM值下降十分明顯，該兩點位需要適量投入有機肥進行有機質補充;整體看來，土壤TN和AN值狀態(tài)較穩(wěn)定，說明整個區(qū)域的土壤的氮元素是較充足的，未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以采用一些事宜的源頭減量技術[19]，，如調整氮肥運籌比例、使用綠肥培肥、有機肥部分替代等等，進一步減量氮肥投入。這樣以來，既可以保證農(nóng)田的正常產(chǎn)出和經(jīng)濟效益，更可以節(jié)約投入成本，減少氮肥施用帶來的負面環(huán)境效應;明顯看出，土壤有效磷是主要的短板因子，2018年超過80%的點位隸屬度不足0.55，2019年100%的點位隸屬度不足0.55，2020年76.5%的點位隸屬度不足0.55。但是未來并不是一味的加大磷肥的投入就可以解決短板效應。磷肥的過量投入反而會提高農(nóng)田磷流失的風險，惡化周邊水體水質，誘導農(nóng)田面源污染發(fā)生。建議選擇合適的土壤調理劑，有機肥等進行土壤磷的有效化，將土壤中的非活化磷調動起來[17]。這樣，減肥的條件下亦能達到磷素供給需求。

2.3 綜合指標結果分析 采用修改后的內(nèi)梅羅指數(shù)法分析的土壤綜合指標分析結果如下表7，綜合指標系數(shù)分級為如下：P綜≥1.7時，表明耕地土壤肥力處于高水平，很肥沃或者肥沃;0.9≤P綜<1.7時，耕地土壤肥力水平中等，個別指標明顯缺乏;P綜<0.9時，耕地土壤肥力處于較低水平，大部分肥力指標明顯缺乏，個別指標嚴重缺乏[20]。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，所有的監(jiān)測點處于中等或者較高的土壤肥力水平，表明土壤養(yǎng)分充足，適合作物生長。同樣得知，最小限制因子中有效磷出現(xiàn)的頻率最高，達到了53.85%，其次是總氮，出現(xiàn)頻率為21.15%，說明未來種植過程需要補足土壤有效磷含量，但是僅僅依靠磷肥的輸入，不能滿足可持續(xù)的發(fā)展要求，反而帶來負面環(huán)境問題，采取有機肥、土壤調理劑等柔性措施亦能補足或者活化土壤磷庫里的磷[21]。以總體均值來看，整個區(qū)域的綜合指標系數(shù)在3年間一直處于中等甚至以上的級別，總體情況較好，隨著年際的變化呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢，為阻止繼續(xù)下降，后續(xù)年度宜加強重點短板因子，加強短板因子的提升。

3 結論

基于基礎評級、單因子指標評價和綜合指數(shù)評價發(fā)現(xiàn)，土壤綜合和單一指標的空間分布既有區(qū)別又有相似之處。主要原因是因為土壤既受單一指標的作用，也受所有指標的綜合作用。代表性監(jiān)測點位的pH值和土壤有機質狀態(tài)較好，土壤中氮的庫存相對充足，有效磷一直呈現(xiàn)嚴重不足的態(tài)勢。根據(jù)實地情況，建議調整施肥結構，適當減少氮肥的施加，增大有機肥或者土壤調理劑的投入，充實有機質庫存，充分調動土壤庫存磷的活性。未來工作的重點要繼續(xù)推進農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)，建立“環(huán)境-產(chǎn)量-品質”監(jiān)測體系和強化科技支撐力量，為農(nóng)業(yè)面源污染保衛(wèi)戰(zhàn)打下堅實的基礎。

4 建議

4.1 加大重視農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn) “十四五”是農(nóng)業(yè)面源污染治理的關鍵期，削減水體和土壤環(huán)境農(nóng)業(yè)面源污染負荷的工作更是重中之重[24]。將“綠水青山就是金山銀山”的理念放在首位，保護好環(huán)境，才有持續(xù)的發(fā)展。在我國產(chǎn)業(yè)側供給改革的大背景下，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)必然將朝著綠色、高效、經(jīng)濟的方向轉型，摒棄傳統(tǒng)的不合理的施肥觀念，將科學輪作、有機肥替代、按需施肥等多種新型的農(nóng)事操作技術登上舞臺[22-23]，這樣，才能真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。

4.2 建立“環(huán)境-產(chǎn)量-品質”監(jiān)測體系 隨著我國生活水平的飛速提升，人民對美好幸福生活的向往和對于食品品質的要求越來越高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)也面臨著由“量”到“質”的轉變瓶頸期。品質與土壤理化性質有直接聯(lián)系，面對農(nóng)業(yè)環(huán)境污染日益多樣化和復雜化，未來可對土壤和品質進行長期追蹤檢測，建立環(huán)境、產(chǎn)量與品質的關聯(lián)監(jiān)測體系，確定影響的關鍵元素指標和閾值，因地制宜、因時制宜指導肥料施用，聯(lián)動實現(xiàn)“保產(chǎn)+提質+減排”的多重目標。

4.3 強化科技支撐和人才建設 科學技術創(chuàng)新是第一生產(chǎn)力，地方推廣部門加強和科研院校的合作，依靠科研院校的技術革新。聘請相關專家定期查找不足，對癥下藥，及時改進。既要引進來，也要走出去，定期邀請科研院校的相關專家進行培訓新型農(nóng)技人才，或者輸出人才前往專業(yè)的農(nóng)技培訓班進行技術學習，為科技耕作、綠色耕作的良好格局提供人才智慧庫[25]。

參考文獻

[1]鄭夢蕾，丁世偉，李子杰等.耕地質量監(jiān)測與評價研究進展[J].自然資源學報，2021，33（03）：9-14.

[2]李志，趙燕洲，奎秀，等.宣州區(qū)耕地質量現(xiàn)狀及對策建議[J].安徽農(nóng)學通報，2021，27（10）：96-97.

[3]薛利紅，何世穎，段婧婧，等.基于養(yǎng)分回用-化肥替代的農(nóng)業(yè)面源污染氮負荷削減策略及技術[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2017，36（07）：1226-1231.

[4]謝文明，閔炬，施衛(wèi)明.長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)集約化種植面源污染監(jiān)測指標篩選研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2018，34（09）：776-781.

[5]劉麗，周昆，鄧時銘，等.稻龜生態(tài)系統(tǒng)中稻田土壤養(yǎng)分動態(tài)變化及生產(chǎn)效果研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學，2020（11）：27-32.

[6]彭術，王華，張文釗，等.長期氮肥減量深施對雙季稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2020，26（06）：999-1007.

[7]梅沛沛，余常兵，吳言鳳，等.稻秸還田方式對酸性和堿性土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量及油菜生長的影響[J].土壤通報，2020，51（02）：365-371.

[8]南京農(nóng)業(yè)大學.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1981.

[9]何建橋，徐生，陳文超，等.南京市耕地質量提升的實踐與成效[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2020，48（17）：283-286.

[10]周勇，張海濤，汪善勤，等.江漢平原后湖地區(qū)土壤肥力綜合評價方法及其應用[J].水土保持學報，2001（04）：70-74.

[11]許業(yè)洲，侯義梅，袁慧，等.基于Nemerow法和隸屬度函數(shù)的湖北杉木人工林土壤肥力評價[J].中南林業(yè)科技大學學報，2021，41（05）：1-11，28.

[12]余泓，潘劍君，李加加，等.長三角地區(qū)農(nóng)用地土壤肥力特征及綜合評價——以朱林鎮(zhèn)為例[J].土壤通報，2017，48（02）：372-379.

[13]樊亞男，姚利鵬，瞿明凱，等.基于產(chǎn)量的稻田肥力質量評價及障礙因子區(qū)劃——以進賢縣為例[J].土壤學報，2017，54（05）：1157-1169.

[14]張文學，王少先，劉增兵，等.基于土壤肥力質量綜合指數(shù)評價化肥與有機肥配施對紅壤稻田肥力的提升作用[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2021，27（05）：777-790.

[15]羅芳，伍國榮，王沖，等.內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子評價法在水質評價中的應用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展.2016（05）：87-89

[16]李蘇，閆志宏，徐丹，等.改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法在水庫水質評價中的應用[J].科學技術與工程，2020，20（31）：13079-13084.

[17]余慧敏，郭熙.生態(tài)視角下南方典型丘陵區(qū)耕地健康診斷——以江西省奉新縣為例[J].中國土地科學，2019，33（05）：78-85.

[18]張江周，李奕贊，李穎，等.土壤健康指標體系與評價方法研究進展[J].土壤學報，2021：1-17.

[19]薛利紅，楊林章，施衛(wèi)明，等.農(nóng)村面源污染治理的“4R”理論與工程實踐——源頭減量技術[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（05）：881-888.

[20]付學琴，龍中兒，魏賽金，等.硅酸鹽細菌肥料對水稻土壤微生物及肥力的影響[J].中國土壤與肥料，2009（05）：69-71.

[21]張世昌，詹承賢，吳凌云.土壤調理劑品種對茄子產(chǎn)量及土壤理化性狀的影響[J].基層農(nóng)技推廣，2020，8（12）：24-26.

[22]劉莉，胡正義.基于污染物削減效果和成本的農(nóng)業(yè)面源污染控制技術優(yōu)選——以太湖地區(qū)為例[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2015，31（04）：608-616.

[23]陸建飛，莊恒揚，沈新平，等.江蘇省沿江高沙土地區(qū)種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術途徑研究[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，1997（02）：12-16.

[24]王軍敏，姜晟，李旭文，等.江蘇省農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀及“十四五”工作建議[J].環(huán)境監(jiān)控與預警，2021，13（04）：1-5.

[25]張海濤，任景明.農(nóng)業(yè)政策對種植業(yè)面源污染的影響分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2016，32（06）：914-922.

（責編：王慧晴）

3321500338280