旱作農(nóng)田土壤改良技術(shù)的成效評價

王 珺

（青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016）

耕地是戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，關(guān)系社會可持續(xù)發(fā)展和國家長治久安。第二次全國國土調(diào)查結(jié)果顯示[1]，截至2009 年，我國耕地面積13 538.5 萬hm2，人均耕地面積0.101 hm2（較1996 年下降了4.7%）；我國耕地主要分布在西部地區(qū)（5 043.5 萬hm2，占全國耕地總量的37.3%）；坡耕地占比高（439.4 萬hm2，占全國坡耕地總量的79.9%），灌溉設(shè)施建設(shè)不足（有灌溉設(shè)施耕地占地區(qū)耕地總量的39.7%）。第三次全國國土調(diào)查結(jié)果顯示[2]，截至2019 年，我國耕地12 786.19 萬hm2（較2009年下降了5.6%），干旱、半干旱土壤占15.8%，耕地保護(hù)形勢依然嚴(yán)峻。

保障糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品的安全供給是農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)，提升耕地的利用效率和綜合產(chǎn)能是農(nóng)田建設(shè)的機(jī)杼所在。

土壤改良是穩(wěn)定和提高農(nóng)田產(chǎn)出的賦能手段，即綜合運(yùn)用物理、生物、農(nóng)藝等技術(shù)措施，實施旱作農(nóng)田的綠色治理。

旱作農(nóng)田土壤改良可以提高土壤的蓄保水能力，改善土壤理化性質(zhì)，減少水土流失，增加有機(jī)質(zhì)含量和微生物群落數(shù)量，培育土壤微生態(tài)環(huán)境，重構(gòu)土壤養(yǎng)分循環(huán)通道，維護(hù)土壤健康與環(huán)境安全，提升雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出能力和出產(chǎn)品質(zhì)，既是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)化和可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，也是實現(xiàn)中低產(chǎn)農(nóng)田改造和土壤鹽堿治理的融合創(chuàng)新。

監(jiān)測耕地改良后質(zhì)量和評價改良技術(shù)成效，是測度土壤生態(tài)治理和增能提效的方法，可以為土壤改良的高效實施和統(tǒng)籌推進(jìn)提供科學(xué)指引，為農(nóng)田建設(shè)管理決策提供參考依據(jù)。

1 評價框架

旱作農(nóng)田土壤改良的主要目標(biāo)是調(diào)蓄土壤水分以應(yīng)對干旱危害、治理農(nóng)田污染以應(yīng)對環(huán)境風(fēng)險、修復(fù)土壤生產(chǎn)障礙以滿足發(fā)展需要。從這3 個維度出發(fā)，以土壤實地檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用隸屬度函數(shù)量化改良目標(biāo)的達(dá)成程度，利用判斷矩陣分配指標(biāo)的評價權(quán)重來評價旱作農(nóng)田土壤改良技術(shù)的成效。見圖1。

圖1 旱作農(nóng)田土壤改良技術(shù)的成效評價框架

2 指標(biāo)分析

2.1 土壤水分調(diào)蓄改良成效

2.1.1 田間相對濕度評價

根據(jù)田間相對濕度分析土壤墑情，評價滿足作物生長需要的土壤水分調(diào)節(jié)改良成效。田間相對濕度可以按照下式計算。

式中：wm為田間相對濕度，單位為%；ws,i為第i 層土壤的含水量，單位為%；wc,i為第i 層土壤的田間持水量，單位為%；hi為第i 層土壤的深度，單位為cm；h 為評價土層深度，單位為cm。

根據(jù)農(nóng)田種植作物劃分生育期，根據(jù)作物生長規(guī)律和生產(chǎn)管理經(jīng)驗確定各生育期，同時評價土層深度和田間相對濕度的適宜水平，并建立隸屬度函數(shù)，田間相對濕度評價值可以按照下式計算。

式中：ewm為田間相對濕度評價值；fwm,j為在第j 個生育期測定的田間相對濕度對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；pwm,j為第j 個生育期的評價權(quán)重，且

2.1.2 地表徑流評價

根據(jù)改良前后農(nóng)田地表徑流量的變化，評價增強(qiáng)集蓄降水和減少水土流失的改良成效。

根據(jù)水土、養(yǎng)分等流失的農(nóng)田治理目標(biāo)建立隸屬度函數(shù)，地表徑流改良成效評價值可以按照下式計算。

式中：ero為地表徑流改良成效評價值；fro,△、fsl,△′、fnl,△′′分別為地表徑流發(fā)生量變化率、土壤流失發(fā)生量變化率、養(yǎng)分損失發(fā)生量變化率分別對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；pro,△、psl,△′、pnl,△′′分別為地表徑流、土壤流失、養(yǎng)分損失的評價權(quán)重，且pro,△+psl,△′+pnl,△′′=1。

2.1.3 土壤水分調(diào)蓄評價

土壤水分調(diào)蓄改良成效評價值可以按照下式計算。

式中：ew為土壤水分調(diào)蓄改良成效評價值；pwm、pero分別為田間相對濕度、地表徑流變化的評價權(quán)重，且pwm+pero=1。

2.2 土壤環(huán)境風(fēng)險治理成效

通過逐一檢測改良后土壤和土壤產(chǎn)出食用農(nóng)產(chǎn)品的供食用部位中重金屬等污染物的含量水平，評價改良措施對土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效。

2.2.1 單因子土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價

1）土壤中單因子環(huán)境風(fēng)險評價。

第一，土壤中單因子環(huán)境風(fēng)險指數(shù)。檢測土壤中風(fēng)險因子i 的含量水平，按照下式計算此因子的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)。

式中：rs,i為改良后土壤風(fēng)險因子i 的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)；為改良后土壤風(fēng)險因子i 的平均含量水平，單位為mg/kg；c15618,i為中風(fēng)險因子i 的閾值[3]，單位為mg/kg；cs,i,j為第j 個土壤取樣點的土壤風(fēng)險因子i 的含量水平，單位為mg/kg；m 為取樣點數(shù)量。

當(dāng)cs,i,j＞c15618,i時，統(tǒng)計樣本超標(biāo)數(shù)量，并計算樣本超標(biāo)率。

第二，土壤中單因子環(huán)境風(fēng)險評價值。根據(jù)單因子環(huán)境風(fēng)險指數(shù)和樣本超標(biāo)率計算結(jié)果，得出單因子土壤環(huán)境風(fēng)險評價值。

2）食用部位中單因子污染風(fēng)險評價。

當(dāng)ers,i=1 時，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的可供食用部位中風(fēng)險因子i 的污染風(fēng)險評價。

第一，食用部位中單因子污染風(fēng)險指數(shù)。檢測食用部位中風(fēng)險因子i 的含量水平，按照下式計算此因子的污染風(fēng)險指數(shù)。

式中：rf,i為改良后土壤出產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的食用部位中風(fēng)險因子i 的污染風(fēng)險指數(shù)；f,i為改良后土壤出產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的食用部位中風(fēng)險因子i 的平均含量水平，單位為mg/kg；c2762,i為中風(fēng)險因子i 的閾值[4]，單位為mg/kg；cf,i,j為第j 個樣本的風(fēng)險因子i 的含量水平，單位為mg/kg；q 為樣本數(shù)量。

當(dāng)cf,i,j大于c2762,i時，統(tǒng)計樣本超標(biāo)數(shù)量，并計算樣本超標(biāo)率。

第二，食用部位中單因子污染風(fēng)險評價值。根據(jù)單因子污染風(fēng)險指數(shù)和樣本超標(biāo)率計算結(jié)果，得出單因子污染風(fēng)險評價值。

3）單因子土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價值。

因子i 土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價值，可以按照下式計算。

式中：eri為因子i 土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價值，結(jié)果為1 或者0，當(dāng)且僅當(dāng)ers,i和erf,i都取1 時，eri為1，表明土壤改良后因子i 的土壤環(huán)境風(fēng)險降至可接受水平，土壤生產(chǎn)因子i 環(huán)境安全得到有效保障。

2.2.2 多因子土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價

將單因子土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價值的計算延伸，得出下式。

式中：er為多因子土壤環(huán)境風(fēng)險的治理成效評價值，結(jié)果為1 或者0，當(dāng)且僅當(dāng)er1，…，ern都取1 時；er為1，表明改良后土壤環(huán)境風(fēng)險降至可接受水平，土壤生產(chǎn)環(huán)境安全得到有效保障；n 為因子數(shù)量。

2.3 土壤生產(chǎn)障礙修復(fù)成效

根據(jù)改良后土壤性狀的檢測結(jié)果，評價改良技術(shù)對土壤生產(chǎn)障礙的修復(fù)治理成效。

2.3.1 土壤理化性狀評價

根據(jù)容重、緊實度、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、pH 值、陽離子交換量的檢測結(jié)果，評價改良技術(shù)對土壤理化性狀的修復(fù)效果。

根據(jù)土壤理化性狀對作物生長發(fā)育的影響作用，建立隸屬度函數(shù)，改良后土壤理化性狀評價值可以按照下式計算。

式中：espc為土壤理化性狀評價值；fsbd、fsc、fwsa、fpH、fcec分別為土壤容重、緊實度、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、pH 值、陽離子交換量分別對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；pspc,sbd，pspc,sc，pspc,wsa，pspc,pH，pspc,cec分別為土壤容重、緊實度、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、pH 值、陽離子交換量分別對應(yīng)的評價權(quán)重，且

如果某一項指標(biāo)檢測結(jié)果相對應(yīng)的隸屬度值為0，表明改良后此項指標(biāo)未達(dá)到改良目標(biāo)，須重新調(diào)整改良方案。

2.3.2 土壤養(yǎng)分情況分析

根據(jù)土壤全氮和水解性氮、全磷和有效磷、全鉀和速效鉀及緩效鉀、交換性鈣和鎂、有效鐵、有效硫、有效錳、有效硅、有效鋅、有效銅、有效鉬、有效硼、土壤有機(jī)質(zhì)的檢測結(jié)果，評價土壤改良技術(shù)對土壤養(yǎng)分情況的改善效果。

根據(jù)作物生長發(fā)育對土壤養(yǎng)分的需求，建立隸屬度函數(shù)，改良后土壤養(yǎng)分情況評價值可以按照下式計算。

式中：esn為土壤養(yǎng)分情況評價值；fs*為某一土壤養(yǎng)分*的檢測含量對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；ps*為某一土壤養(yǎng)分*的評價權(quán)重，且∑ps*=1。

如果某一項指標(biāo)檢測結(jié)果相對應(yīng)的隸屬度值為0，表明改良后此項指標(biāo)未達(dá)到作物生長發(fā)育所需該養(yǎng)分需求的下限或是超出作物正常生長耐受上限（如有效鋅、有效銅、有效鉬、有效硼等），須重新調(diào)整改良方案。

2.3.3 土壤鹽分狀況分析

根據(jù)土壤水溶性鹽總量、氯化物鹽含量、硫酸鹽含量、電導(dǎo)率的檢測結(jié)果，評價土壤改良技術(shù)對土壤鹽化的治理效果。

根據(jù)作物生長發(fā)育對土壤鹽分脅迫的耐受能力，建立隸屬度函數(shù)，改良后土壤鹽分狀況評價值可以按照下式計算。

式中：ess為改良后土壤鹽分狀況評價值；fwss、fcs、fsp、fsec為土壤水溶性鹽總量、氯化物鹽含量、硫酸鹽含量、電導(dǎo)率的檢測結(jié)果分別對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；pwss、pcs、psp、psec分別為土壤水溶性鹽總量、氯化物鹽含量、硫酸鹽含量、電導(dǎo)率的檢測結(jié)果分別對應(yīng)的評價權(quán)重，且pwss+pcs+psp+psec=1。

如果某一項指標(biāo)檢測結(jié)果相對應(yīng)的隸屬度值為0，表明改良后此項指標(biāo)未達(dá)到土壤鹽分治理要求，須重新調(diào)整改良方案。

2.3.4 土壤生物多樣性分析

根據(jù)土壤微生物量碳以及微生物量氮含量的檢測結(jié)果，評價土壤改良技術(shù)對于土壤生物多樣性的促進(jìn)效果。

根據(jù)土壤生物多樣性的豐度目標(biāo)，建立隸屬度函數(shù)，則改良后土壤生物多樣性狀況的評價值可以按照下式計算。

式中：esb為改良后土壤生物多樣性狀況的評價值；fsmC、fsmN分別為土壤微生物量碳、微生物量氮的含量的檢測結(jié)果分別對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值；psmC、psmN分別為土壤微生物量碳、微生物量氮分別對應(yīng)的評價權(quán)重，且psmC+psmN=1。

2.3.5 土壤生產(chǎn)障礙修復(fù)評價

土壤生產(chǎn)障礙修復(fù)成效可以按照下式計算。

式中：eb為土壤生產(chǎn)障礙修復(fù)成效評價值；pspc、psn、pss、psb分別為土壤理化性狀、土壤養(yǎng)分情況、土壤鹽分狀況、土壤生物多樣性狀況分別對應(yīng)的評價權(quán)重，且pspc+psn+pss+psb=1。

3 數(shù)據(jù)庫

將農(nóng)田信息、檢測數(shù)據(jù)、評價結(jié)果、方案修訂等導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，建立旱作農(nóng)田土壤改良信息化系統(tǒng)，實施科學(xué)統(tǒng)籌與管理。對于較大區(qū)域土壤改良而言，應(yīng)設(shè)立監(jiān)測點定點定期檢測和評估，建立土壤改良成效評價空間屬性數(shù)據(jù)庫，實施田土改良的大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)管理與決策。從調(diào)蓄水分、治理污染、修復(fù)障礙等改良目標(biāo)出發(fā)，提出多元、多維的旱作農(nóng)田土壤改良技術(shù)的成效評價方法，建立監(jiān)測、評價、改進(jìn)一體化的成效評價模式，可以客觀審視土壤改良的達(dá)成度和農(nóng)田建設(shè)的發(fā)展度，強(qiáng)化過程管理，優(yōu)化中期決策，健全土壤改良的結(jié)果評價。

土壤改良評價是一項實踐性課題，需要在實踐中深化調(diào)整、總結(jié)完善和檢驗提高。土壤改良是一個長期過程，應(yīng)建立檢測位點和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化數(shù)據(jù)支撐和分析運(yùn)用，將周期性評價與經(jīng)常性監(jiān)測相結(jié)合，朝督暮責(zé)，促進(jìn)土壤改良治理的技術(shù)進(jìn)步和質(zhì)量提升。