田塊尺度設(shè)施菜田土壤健康評價方法的初步構(gòu)建與應(yīng)用

張夢佳，文方芳，張雪蓮，趙青春，郭建明，廖 洪，劉自飛，朱 文，韓 寶，葛瑤科，廖上強(qiáng)，盧 靜

（1北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心，北京 100101；2北京捷西農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司，北京 100107；3房山區(qū)種植業(yè)技術(shù)推廣站，北京 102488；4北京益田生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，北京 102488；5北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；6農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)田建設(shè)管理司，北京 100125）

0 引言

廣義的土壤健康，是指在自然或管理的生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)，一個充滿活力的土壤所具有的保證持續(xù)生產(chǎn)，保持良好的水體和大氣環(huán)境，促進(jìn)植物、人畜健康的能力[1]。具體包括生產(chǎn)力（即土壤提高植物生產(chǎn)力的能力）、環(huán)境質(zhì)量（即土壤降低環(huán)境污染物和病菌危害的能力）、生態(tài)健康（即土壤維持動植物和人類健康的能力）3個方面的內(nèi)容[2]。

土壤健康是確保農(nóng)產(chǎn)品安全、人畜安全健康的重要途徑。2015年世界糧農(nóng)組織(FAO)將“健康土壤帶來健康生活”定為國際土壤年的主題，提出只有健康的土壤才能生產(chǎn)健康的食物，進(jìn)而造就健康的人類。土壤健康是農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康的基礎(chǔ)[3]，食物鏈中有害有毒物質(zhì)如農(nóng)藥殘留、重金屬和激素等，對人體健康造成極大的威脅。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于土壤健康評價的研究還不完善，關(guān)于設(shè)施菜田的土壤健康研究幾乎是空白。

北京作為人口眾多的國際性大都市，日均消耗蔬菜2萬t。這些作物經(jīng)濟(jì)效益高，農(nóng)戶大量使用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)資，加上京郊設(shè)施面積逐年減少、復(fù)種指數(shù)高、不合理的土壤管理等一系列原因，導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分比例失衡、次生鹽漬化、酸化、生物多樣性降低、土傳病害頻發(fā)、環(huán)境污染等一系列問題[4-8]，土壤健康問題嚴(yán)峻。因此，亟需改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)投入高、資源效率低和環(huán)境污染風(fēng)險高的生產(chǎn)模式，以綠色發(fā)展為導(dǎo)向，減少資源環(huán)境代價，保障市民菜籃子供應(yīng)，而健康土壤是綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

因此，本研究結(jié)合京郊實(shí)際情況和國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系，初步構(gòu)建設(shè)施菜田土壤健康評價指標(biāo)體系和評價系統(tǒng)，對京郊部分種植園設(shè)施菜田土壤進(jìn)行健康評價。在此基礎(chǔ)上，定點(diǎn)開展亞健康土壤的改良與修復(fù)試驗(yàn)、健康土壤的科學(xué)管理試驗(yàn)以及實(shí)施效果監(jiān)測評價，以期為維持與提升設(shè)施菜田土壤健康提供參考依據(jù)。

1 研究進(jìn)展

現(xiàn)階段針對土壤健康評價，國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。健康土壤評價對象多以森林土壤為主，指標(biāo)則多以理化指標(biāo)為主。綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)著作，不同學(xué)者選取的土壤健康評價指標(biāo)詳見表1，選取頻率較高的指標(biāo)有質(zhì)地、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH、有機(jī)質(zhì)。

表1 土壤健康評價指標(biāo)統(tǒng)計表

2 設(shè)施菜田土壤健康評價體系

2.1 建立土壤健康背景數(shù)據(jù)庫

2018年至今，已收集和分析北京地區(qū)1350個設(shè)施菜田土壤樣品，構(gòu)建本系統(tǒng)的背景數(shù)據(jù)庫。

2.2 確定評價指標(biāo)

土壤健康指標(biāo)不僅要求具有代表性、通用性、靈敏性、可重復(fù)性和可操作性，而且還要有指標(biāo)的適宜范圍和閾值，可量化為數(shù)據(jù)[16]。根據(jù)Larson和Pierce的最小數(shù)據(jù)集理論[17]，篩選出21個指標(biāo)，詳見表2。前人選取的評價指標(biāo)多以理化指標(biāo)為主，本系統(tǒng)增加了3項(xiàng)產(chǎn)出指標(biāo)，反映土壤生產(chǎn)能力和養(yǎng)分均衡度。

表2 土壤健康評價指標(biāo)、權(quán)重、檢測方法、閾值范圍及函數(shù)類型

續(xù)表2

2.3 確定檢測方法

檢測方法參考土壤檢測農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》、《土壤理化分析》[18-19]。

2.4 確定閾值范圍

閾值范圍參考《耕地質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 33469—2016)、《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》(GB 15618—2018)、全國耕地質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)（黃淮海區(qū)）、全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)、北京市土壤養(yǎng)分分等定級標(biāo)準(zhǔn)等。農(nóng)用地土壤污染篩選值與pH相關(guān)，由于表格篇幅有限，僅列出試驗(yàn)點(diǎn)pH條件下的土壤污染篩選值。土壤健康評價指標(biāo)閾值范圍見表2。

2.5 確定評價指標(biāo)權(quán)重

評價指標(biāo)權(quán)重就是各指標(biāo)對土壤健康影響程度，權(quán)重越大，表明對土壤健康的重要性就越大[20]。將原始數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS軟件標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行主成分分析(PCA)，求得土壤健康評價指標(biāo)PCA權(quán)重值。然后運(yùn)用產(chǎn)出指標(biāo)回歸分析、層次分析法調(diào)整優(yōu)化PCA權(quán)重值，確定最終土壤健康評價指標(biāo)權(quán)重值，各指標(biāo)權(quán)重值見表2。重金屬含量若達(dá)到國家或行業(yè)限量標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)重金屬污染等級評價，系統(tǒng)重金屬權(quán)重上調(diào)，其他指標(biāo)權(quán)重下調(diào)。

2.6 確定評價指標(biāo)隸屬度

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論，將特爾菲法與隸屬函數(shù)法結(jié)合，求得評價指標(biāo)隸屬度。把土壤健康指標(biāo)隸屬函數(shù)分為遞增型、遞減型、中間最優(yōu)型函數(shù)3種類型，各指標(biāo)對應(yīng)的函數(shù)類型見表2。土壤質(zhì)地采用特爾斐法直接給出相應(yīng)的隸屬度，其他指標(biāo)根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)計算每個指標(biāo)的隸屬度值。

2.7 土壤健康指數(shù)的計算

通過加權(quán)綜合法確定土壤健康綜合指數(shù)。參考土壤質(zhì)量指數(shù)計算方法、上述評價指標(biāo)的隸屬度及對應(yīng)的權(quán)重[21-22]，采用累加法式(1)計算出土壤健康綜合指數(shù)。

式中，ISHI為土壤健康綜合指數(shù)(integrated soil health index)，Hi為第i個評價因子的隸屬度，Ci為第i個評價因子的權(quán)重。

2.8 確定土壤健康等級

參考美國康奈爾打分體系[14]，形成土壤健康三級評價體系，見表3。

表3 土壤健康指數(shù)換成土壤健康等級表

3 土壤健康評價的應(yīng)用

在北京房山區(qū)開展設(shè)施菜田土壤健康評價，選取5個種植園，每個種植園設(shè)置1個試驗(yàn)點(diǎn)。2018年5個試驗(yàn)點(diǎn)評價結(jié)果為：1個試驗(yàn)點(diǎn)為亞健康等級、4個試驗(yàn)點(diǎn)為健康等級。

3.1 亞健康設(shè)施菜田土壤的改良與修復(fù)

亞健康土壤管理策略以解決亞健康土壤物理障礙、化學(xué)養(yǎng)分失衡、生物障礙以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等突出問題為主。以健康等級為亞健康的試驗(yàn)點(diǎn)1為例（表4），2018年土壤健康指數(shù)為0.77，下茬種植作物為芹菜。結(jié)合園區(qū)管理水平與當(dāng)茬作物目標(biāo)產(chǎn)量，土壤管理建議為：（1）土壤容重略微偏高，可深松土壤，同時施用微生物菌肥600 kg/hm2，改善土壤結(jié)構(gòu)。（2）芹菜需硼較高，試驗(yàn)點(diǎn)有效硼含量偏低，在作物生長后期如若出現(xiàn)缺素，可采取根外追施的方式補(bǔ)充。（3）土壤pH偏高，應(yīng)增施有機(jī)肥，提高土壤的緩沖性能。（4）芹菜目標(biāo)產(chǎn)量 90000 kg/hm2，需 N、P2O5、K2O 分別 230、122、330 kg/hm2。結(jié)合基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分狀況，有機(jī)肥定量替代，通過地力差減法測算施肥方案，根據(jù)芹菜不同時期的需肥規(guī)律，實(shí)現(xiàn)全程精量化施肥。

表4 試驗(yàn)點(diǎn)1土壤測試指標(biāo)與土壤健康等級

通過2年（4茬作物）的管理，2020年試驗(yàn)點(diǎn)1土壤健康指數(shù)為0.83，土壤健康等級提升為健康，土壤容重降低，易氧化有機(jī)碳含量提升，有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤肥力水平提升，pH下降，蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定，品質(zhì)指數(shù)與商品率有一定程度的提高。

3.2 健康設(shè)施菜田土壤的健康維持

健康土壤管理策略以維持土壤性狀穩(wěn)定為主。科學(xué)的土壤耕作制度，結(jié)合深松、翻耕管理；利用有機(jī)肥替代化肥技術(shù)，減少化肥投入；利用天敵生物防治害蟲，減少農(nóng)藥使用量。選擇適宜的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品，保持土壤性狀穩(wěn)定。

以健康等級為健康的試驗(yàn)點(diǎn)2為例（表5），2018年土壤健康指數(shù)為0.86，通過2年（4茬作物）的管理，2020年試驗(yàn)點(diǎn)2土壤健康指數(shù)為0.87。土壤田間持水量提高，水穩(wěn)性團(tuán)聚體增多，有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤肥力水平穩(wěn)定，蔬菜產(chǎn)量與商品率有一定程度的提高。

表5 試驗(yàn)點(diǎn)2土壤測試指標(biāo)與土壤健康等級

4 結(jié)論與討論

筆者結(jié)合京郊設(shè)施菜田土壤健康管理需要和國內(nèi)外土壤健康評價評價方法，搜集并分析了北京地區(qū)1350個設(shè)施菜田土壤數(shù)據(jù)，初步構(gòu)建了設(shè)施菜田土壤健康評價系統(tǒng)，確定了物理、生物、化學(xué)和產(chǎn)出等四大類共21個評價指標(biāo)，提出了各指標(biāo)的閾值范圍、評分標(biāo)準(zhǔn)、權(quán)重和評價模塊。運(yùn)用該評價系統(tǒng)對京郊5個種植園設(shè)施菜田土壤進(jìn)行了初步評價，其中1個試驗(yàn)點(diǎn)健康等級為亞健康、4個試驗(yàn)點(diǎn)健康等級為健康。針對亞健康試驗(yàn)點(diǎn)，開展了連續(xù)2年土壤改良與修復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)過土壤改良與修復(fù)后，試驗(yàn)點(diǎn)健康指數(shù)由0.77提高到0.83，土壤健康等級提升為健康，表現(xiàn)在土壤容重降低，易氧化有機(jī)碳含量提升，有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤肥力水平提升，pH下降，蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定，品質(zhì)指數(shù)與商品率有一定程度的提高。針對健康等級試驗(yàn)點(diǎn)，開展了連續(xù)2年土壤管理，試驗(yàn)點(diǎn)土壤健康指數(shù)由0.86提高到0.87，土壤田間持水量提高，水穩(wěn)性團(tuán)聚體增多，有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤肥力水平穩(wěn)定，蔬菜產(chǎn)量與商品率有一定程度的提高。本研究通過“評價—改良—再評價”的方法鏈，提升了土壤管理水平，實(shí)現(xiàn)對土壤健康管理的科學(xué)化探索，為京郊開展設(shè)施菜田土壤健康管理和評價工作提供技術(shù)參考與數(shù)據(jù)支撐。該評價系統(tǒng)對維持或提高設(shè)施菜田土壤健康水平具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，建議進(jìn)一步開展更廣泛的菜田土壤健康評價和土壤修復(fù)管理。

土壤是一個復(fù)雜的類生物體，土壤健康水平是諸多因素綜合作用的反映。要想全面地、客觀地評價它，需要深入地研究和大量的實(shí)踐，這涉及土壤學(xué)的各個領(lǐng)域，且關(guān)系到農(nóng)業(yè)種植管理的眾多方面。土壤健康評價研究只是起步，在土壤健康評價的諸多環(huán)節(jié)，都需要進(jìn)一步完善，如指標(biāo)優(yōu)化、隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值、權(quán)重系數(shù)的確定和土壤健康等級提高的關(guān)鍵技術(shù)研究等，后續(xù)還要擴(kuò)大研究區(qū)域，對試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行長期定位觀測研究。