中國(guó)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其發(fā)展趨勢(shì)

黃佳惠, 張 瑤, 肖 凱, 李 斌, 蔣文君, 吳龍英, 陳 稷, 孔凡磊, 趙 珂, 黃 進(jìn)*

(1.成都理工大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610059; 2.成都金開(kāi)生物工程有限公司,四川 成都 611130; 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,四川 成都 611130; 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院,四川 成都 611130)

土壤作為社會(huì)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ),為人類(lèi)社會(huì)提供了各種資源,依托土壤進(jìn)行的作物生產(chǎn)更是全人類(lèi)糧食的保障。土壤質(zhì)量反映了土壤保持動(dòng)植物生產(chǎn)力、維持環(huán)境平衡及保障動(dòng)植物健康的能力,是土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度[1]。隨著人口增長(zhǎng)及社會(huì)發(fā)展,全球范圍內(nèi)土地資源日益緊張,以中國(guó)為例,雖然國(guó)土面積達(dá)960萬(wàn)km2,但可耕作土地面積僅有130萬(wàn)km2,且其中1/3為中低產(chǎn)田。因此,提高有限的土地資源利用效率是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題,而了解農(nóng)用土地土壤包括物理、化學(xué)、生物等特性是充分利用土地或者改造低質(zhì)量土地的先決條件。早在2 000多年前,人類(lèi)就開(kāi)始關(guān)注土地質(zhì)量,但主要依據(jù)感觀對(duì)其進(jìn)行判斷,即土壤的顏色、松散或結(jié)塊狀態(tài)及土壤中動(dòng)物的數(shù)量(如蚯蚓、線蟲(chóng))等[2]。進(jìn)入20世紀(jì)70年代,隨著科技進(jìn)步推動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的不斷更新,諸多新的指標(biāo)(如物理、化學(xué)、生物指標(biāo))逐漸成熟并應(yīng)用于農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),因此農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系進(jìn)入一個(gè)新的階段——物理、化學(xué)、生物指標(biāo)判斷階段。在這個(gè)階段,雖然不斷有新的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)被確立和應(yīng)用,但這些指標(biāo)多為物理和化學(xué)性質(zhì)的指標(biāo),而其它如生物指標(biāo)等較少,也并未受到重視。進(jìn)入21世紀(jì),隨著生物科技的迅猛發(fā)展,土壤生物多樣性逐漸受到重視,土壤生物指標(biāo)被當(dāng)作重要指標(biāo)應(yīng)用于土壤狀態(tài)評(píng)價(jià)。就中國(guó)而言,雖然目前農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系比較完善且具有較強(qiáng)的實(shí)用性,但不可否認(rèn)的是仍存在一些不足,如生物指標(biāo)應(yīng)用頻率較低、指標(biāo)不完善、檢測(cè)方法和手段滯后等,因此該體系仍有較大的提升空間。這是因?yàn)橐环矫?隨著工業(yè)發(fā)展及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)于農(nóng)藥、化肥的高度依賴,重金屬、農(nóng)藥、微塑料等污染物進(jìn)入包括土壤在內(nèi)的環(huán)境,生態(tài)、環(huán)境相關(guān)監(jiān)測(cè)指標(biāo)也成為評(píng)價(jià)土壤健康狀態(tài)的重要指標(biāo)[3];另一方面,土壤中的微生物及其對(duì)土壤質(zhì)量乃至作物的影響日益成為研究熱點(diǎn),對(duì)其評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要包括微生物多樣性[4]、微生物生物量以及酶活[5]等,然而這些指標(biāo)如何指導(dǎo)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、管理、修復(fù)等工作,仍有待深入探討。本文對(duì)傳統(tǒng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在農(nóng)田土壤中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行總結(jié),對(duì)于一些尚處于科研應(yīng)用階段的熱點(diǎn)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用潛力進(jìn)行闡述,并就未來(lái)中國(guó)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求等問(wèn)題進(jìn)行討論和展望。

1 常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是由不同的土壤指標(biāo)構(gòu)成的,土壤指標(biāo)通常被劃分為3類(lèi):物理、化學(xué)和生物指標(biāo),但也有指標(biāo)體系將環(huán)境指標(biāo)單獨(dú)列出。物理、化學(xué)指標(biāo)可以比較直觀地反映出土壤的基本性質(zhì),其檢測(cè)方法也相對(duì)規(guī)范、成熟,例如可以根據(jù)康奈爾土壤健康評(píng)估(Comprehensive Assessment of Soil Health,CSHA)和土壤管理評(píng)估框架(Soil Management Assessment Framework,SMAF)對(duì)土壤的地下滲透阻力、有機(jī)質(zhì)、活性炭、潛在礦化氮、根系健康值、pH等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估[6]。因此目前應(yīng)用較多且發(fā)展較為成熟的常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)多屬于理化指標(biāo)[7]。生物指標(biāo)由于出現(xiàn)時(shí)間晚、檢驗(yàn)技術(shù)要求高、土壤微生物種群時(shí)空多變等原因,在農(nóng)田生產(chǎn)過(guò)程中的使用頻率相對(duì)較低。

1.1 常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

在現(xiàn)有農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中常用的物理類(lèi)指標(biāo)主要有孔隙度、含水量、容重等。土壤中不同形狀和粗細(xì)的土粒集合排列構(gòu)成固相骨架,而骨架內(nèi)不同孔徑和形狀孔隙的全部容積與土體容積的百分率即為孔隙度[8]。土壤總孔隙度由非毛管孔隙度和毛管孔隙度共同構(gòu)成。非毛管孔隙既有助于空氣在土壤中流通,又可儲(chǔ)存易于利用的有效水,是衡量土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一[9]。毛管孔隙是土壤毛管水所占據(jù)的孔隙,主要被用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)。土壤總孔隙度常被用于判斷土壤儲(chǔ)水性和肥力特性,對(duì)于判斷農(nóng)田土壤的狀態(tài)和肥力具有重要的參考價(jià)值。此外,容量是土壤固有的特征,它取決于氣候、地形、植被和形成因素(如土壤的主要來(lái)源),通常用土壤質(zhì)地、堆積密度、顏色、持水能力、含水量等指標(biāo)表示。而土壤含水量通常對(duì)于水溫變化和流域水量變化具有指示作用,并且是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵指標(biāo),是耕作與灌溉的重要依據(jù)[10]。剖面構(gòu)型、結(jié)構(gòu)系數(shù)、保水性等指標(biāo)由于不易獲取,且在一定程度上與其他物理指標(biāo)相關(guān)性較高,因而在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用相對(duì)較少。

在現(xiàn)有農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中常用的化學(xué)類(lèi)指標(biāo)主要有有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)、速效養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀)、pH等[11]。有機(jī)質(zhì)泛指土壤中來(lái)源于生物體的所有有機(jī)物質(zhì),而有機(jī)碳就是指有機(jī)質(zhì)中的碳含量,可指示土壤生物的動(dòng)態(tài)特征,在評(píng)估農(nóng)田的肥力、土壤水分可用性和聚集體穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[12];有機(jī)質(zhì)可以通過(guò)降低土壤容量、表面結(jié)皮形成以及增加聚集體穩(wěn)定性、陽(yáng)離子交換能力、養(yǎng)分循環(huán)和生物活性等方式來(lái)改善土壤質(zhì)量,因此常作為農(nóng)業(yè)和生態(tài)應(yīng)用中一項(xiàng)重要的參考指標(biāo)[13]。另外一類(lèi)重要的化學(xué)類(lèi)指標(biāo)是用以衡量與植物生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)的主要大量營(yíng)養(yǎng)元素,如氮、磷、鉀等,在實(shí)際應(yīng)用中,常采用的是全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分兩個(gè)指標(biāo)[14]。其中全量養(yǎng)分涵蓋了土壤中氮、磷、鉀各種形態(tài)的總量,包括速效養(yǎng)分、緩效養(yǎng)分和相對(duì)無(wú)效養(yǎng)分;速效養(yǎng)分一般意義上是指土壤中水溶性或交換性的養(yǎng)分,即可被植物直接吸收利用或能夠從土壤膠體中較容易交換出的養(yǎng)分。基于它們與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)性,基本指的都是速效養(yǎng)分測(cè)值,而土壤中全氮、有效磷、速效鉀則更多反映的是土壤中相應(yīng)元素的貯量和供應(yīng)能力,多被用于對(duì)土壤肥力的總體評(píng)價(jià)。由于土壤中鉀元素來(lái)源特殊,其可用于反映土壤的風(fēng)化狀態(tài),對(duì)土壤環(huán)境生態(tài)評(píng)價(jià)具有重要意義[15]。不同植物和微生物對(duì)于其生存環(huán)境的酸堿度(pH)是有不同適應(yīng)性的,該指標(biāo)也是反映土壤特性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[16]。土壤微量元素由于測(cè)定步驟較為繁瑣,且它們對(duì)作物產(chǎn)量的影響相對(duì)于大量元素較小,一般較少將其作為農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中,目前較常見(jiàn)的生物類(lèi)指標(biāo)主要有微生物生物量、土壤呼吸和酶活性。土壤微生物的群體活動(dòng)可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、協(xié)助供應(yīng)作物養(yǎng)分[17],因此微生物生物量是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)性狀的重要指標(biāo),特別是微生物量碳和微生物量氮具有重要的指示作用。常規(guī)的微生物種類(lèi)調(diào)查多在溶液稀釋法的基礎(chǔ)上,通過(guò)富集培養(yǎng)、分離純化并利用形態(tài)及培養(yǎng)性狀等進(jìn)行分類(lèi)鑒定。隨著測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展,利用高通量測(cè)序、生物信息學(xué)及大數(shù)據(jù)分析等手段的土壤微生物群落分析技術(shù)已經(jīng)非常成熟,其具有準(zhǔn)確可靠、快速便捷且成本相對(duì)低廉的特點(diǎn)。微生物一般包括細(xì)菌(放線菌)、古菌、真菌、原生動(dòng)物等,對(duì)這些微生物的分子鑒定可基于對(duì)16S rRNA(16S ribosomal RNA)、18S rRNA(16S ribosomal RNA)及ITS等序列的測(cè)序分析。土壤微生物群落分析技術(shù)可在不分離、純化土壤微生物的情況下,對(duì)微生物進(jìn)行定性、定量分析,因此該技術(shù)不但解決了傳統(tǒng)技術(shù)只能對(duì)少數(shù)可培養(yǎng)土壤微生物進(jìn)行基于形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)的分類(lèi)鑒定的缺點(diǎn),而且也解決了傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)從事分類(lèi)人員的專(zhuān)業(yè)要求高、分析過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。酶活性的測(cè)定是對(duì)脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的測(cè)定。此3種酶因其對(duì)外界環(huán)境變化反應(yīng)敏感,可用來(lái)指示土壤微生物活力的動(dòng)態(tài)變化。相關(guān)酶活性的幾何平均值(Geometric mean,GMea)還可以與土壤基礎(chǔ)呼吸共同用于指示土壤中微生物群落代謝活性,也可以利用微生物群落豐度來(lái)評(píng)估農(nóng)田土壤質(zhì)量[18]。但微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤狀態(tài)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間尚未建立明確且量化的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且成本與常規(guī)指標(biāo)相比缺少優(yōu)勢(shì),因此土壤微生物群落指標(biāo)在常規(guī)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中很少被作為主要指標(biāo)。

1.2 在實(shí)際應(yīng)用中的不足

常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)受到廣泛認(rèn)可,但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨著諸多問(wèn)題。首先,常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中某些指標(biāo)定義較為寬泛,其數(shù)值與實(shí)際效應(yīng)之間可能存在偏差。以土壤有機(jī)質(zhì)為例,腐殖質(zhì)在土壤有機(jī)質(zhì)的生態(tài)環(huán)境和循環(huán)流動(dòng)傳遞過(guò)程中常起著不可代替的功能泵作用,在維持二氧化碳和氧氣之間的碳和氮平衡以及各個(gè)元素之間的有效平衡中具有重要作用,但土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)量值反映的是土壤中所有含有機(jī)物質(zhì)的總和,并不能準(zhǔn)確反映其中最重要的腐殖質(zhì)的含量,同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)分解速率會(huì)受到來(lái)自作物生物量、糞便的碳輸入量以及耕作方式的影響,因此有必要將有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)的含量單獨(dú)測(cè)定,以評(píng)估土壤的保水性和緩沖性。隨著該項(xiàng)研究的深入,腐殖質(zhì)中不同成分對(duì)于作物和微生物的作用也日益受到重視,未來(lái)對(duì)于腐殖質(zhì)中不同成分的組成和含量的分析、測(cè)定對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)同樣具有重要的指導(dǎo)意義。

其次,常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)方法也受到生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)展新趨勢(shì)的限制。在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)過(guò)程中往往涉及對(duì)土壤樣本的前處理,即土壤消解。土壤消解需要使用強(qiáng)酸等危險(xiǎn)化學(xué)試劑。此類(lèi)?；噭┦褂眠^(guò)程中產(chǎn)生的危化廢液不僅具有潛在的環(huán)境生態(tài)危險(xiǎn),即使對(duì)其進(jìn)行規(guī)范的處理也涉及較為高昂的保存、運(yùn)輸及處理等費(fèi)用,因此,如何減少此類(lèi)危化試劑的使用或者如何用更加物理性的方法檢測(cè)土壤的化學(xué)性質(zhì),對(duì)于相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品研究均提出了很高的要求。

最后,常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍缺少統(tǒng)一性和通用性且部分標(biāo)準(zhǔn)更新滯后。在中國(guó),參與制訂土壤檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)及部門(mén)主要包括標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、環(huán)保和農(nóng)業(yè)部門(mén)等,各部門(mén)制訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮的角度不同,造成制訂的標(biāo)準(zhǔn)存在不統(tǒng)一甚至矛盾的情況。此外,部分土壤檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)更新較慢,無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)部分標(biāo)準(zhǔn)方法制訂實(shí)施超過(guò)5年或10年,有的甚至超過(guò)20年未被修訂。由此帶來(lái)的問(wèn)題是檢測(cè)成本、質(zhì)量和效率均無(wú)法達(dá)到預(yù)期[19]。因此,提高土壤檢測(cè)指標(biāo)的合理性、科學(xué)性和實(shí)用性,需要從制度、科研、產(chǎn)業(yè)多方共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 非常規(guī)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 土壤微量營(yíng)養(yǎng)元素含量

從營(yíng)養(yǎng)需求角度看,土壤提供了大量作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,又稱為土壤礦質(zhì)養(yǎng)分。土壤礦質(zhì)元素分為大量元素、中量元素和微量元素。其中微量元素的需求量相對(duì)較小,它們包括鐵(Fe)、硼(B)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、鎳(Ni)和氯(Cl)等[20]。值得注意的是,微量元素并不意味著它們對(duì)作物的作用微小,相反對(duì)于作物來(lái)說(shuō)其作用非常重要,微量元素的缺失會(huì)造成植物生產(chǎn)受影響,其過(guò)量也會(huì)影響植物的生產(chǎn)和發(fā)育。如硼在植物代謝中的主要作用是促進(jìn)碳水化合物的運(yùn)輸、確保糖的運(yùn)轉(zhuǎn),硼缺乏會(huì)導(dǎo)致甜菜頂端生長(zhǎng)點(diǎn)異?；蛏L(zhǎng)停滯,并出現(xiàn)幼嫩的葉片畸形及花和果實(shí)的形成受阻等表型[21];鐵元素積累可影響植物生長(zhǎng)、葉綠素含量、酶活性等各項(xiàng)生理指標(biāo),破壞植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能,引發(fā)鐵毒害;過(guò)量的銅將誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧,引起膜脂過(guò)氧化,膜透性增大,細(xì)胞內(nèi)容物大量外滲,進(jìn)而可導(dǎo)致植物死亡[22]。硒是植物體內(nèi)的一種有益元素,研究表明適量的硒具有抗氧化及促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用,對(duì)作物產(chǎn)量有一定的促進(jìn)效果,但亞硒酸鹽反而具有一定的毒性[23]。此外,硒等微量元素在一些特色、健康果蔬的銷(xiāo)售過(guò)程中常常作為賣(mài)點(diǎn),也日益受到重視,因此,對(duì)土壤中微量元素進(jìn)行定性(包括價(jià)態(tài))、定量的分析對(duì)于了解土壤的生產(chǎn)潛力及糧食的信用安全均具有重要的意義。

2.2 土壤環(huán)境指標(biāo)

隨著工業(yè)的發(fā)展,土壤中重金屬、有機(jī)物等造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,針對(duì)此類(lèi)污染物的分析、監(jiān)測(cè)指標(biāo)也應(yīng)運(yùn)而生,其中研究和應(yīng)用比較廣泛的是對(duì)土壤中農(nóng)藥、重金屬以及微塑料等污染物進(jìn)行定性和定量分析的指標(biāo)[24]。

農(nóng)藥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中功不可沒(méi),也不可或缺,但其造成的污染也不容忽視。農(nóng)田土壤中的農(nóng)藥類(lèi)污染源多為有機(jī)氯[25],雖然有機(jī)氯農(nóng)藥由于其難降解性、生物蓄積性及高毒性等原因已被禁用多年,但其超強(qiáng)的環(huán)境穩(wěn)定性導(dǎo)致其在農(nóng)田土壤中仍然保持著相當(dāng)高的殘留量。目前中國(guó)涉及農(nóng)用地土壤中農(nóng)藥限量的標(biāo)準(zhǔn)包括:《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)、《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 332—2006)、《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 333—2006)、《人參產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》(NY/T 1604—2008)、《云南砂仁生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 第1部分:產(chǎn)地環(huán)境》(DB53/T 957.1—2019)、《無(wú)公害稻米 產(chǎn)地環(huán)境要求》(DB32/T 551—2003)等國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)。這些現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了早已禁用的六六六、滴滴涕2項(xiàng)農(nóng)藥指標(biāo),對(duì)于其他新型農(nóng)藥缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法等規(guī)定。因此,對(duì)于農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物在土壤環(huán)境中的檢測(cè)仍然需要從檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備、方法等方面進(jìn)一步加大研究和管理的力度。

重金屬是近年來(lái)受到較多關(guān)注的污染物。相關(guān)研究表明重金屬不僅會(huì)破壞植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),還可影響細(xì)胞內(nèi)的酶活性、膜運(yùn)輸和養(yǎng)分吸收等,從而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育[26]、威脅土壤健康。土壤健康是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量并促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力,近年來(lái)逐漸受到重視。中國(guó)在不同目的的監(jiān)測(cè)工作中,指標(biāo)不同,對(duì)同一目的的監(jiān)測(cè)工作也會(huì)按照各地的土壤情況增加部分檢測(cè)指標(biāo),但多數(shù)地區(qū)檢測(cè)指標(biāo)集中在重金屬指標(biāo)[27]。2022年1月29日,國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展第三次全國(guó)土壤普查的通知》,此次調(diào)查距上一次全國(guó)土壤普查已有43年之久[28]。在這43年里,中國(guó)土壤的整體情況發(fā)生較大變化,前兩次的調(diào)查結(jié)果已經(jīng)難以準(zhǔn)確反映現(xiàn)在的土壤質(zhì)量、性狀、類(lèi)型及利用情況。為加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化、全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),開(kāi)展第三次全國(guó)土壤普查有著強(qiáng)烈的迫切性,同時(shí)為準(zhǔn)確反映土壤健康狀況,非常有必要對(duì)農(nóng)田土壤中重金屬進(jìn)行檢測(cè)。《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中,分別針對(duì)不同酸堿性土壤規(guī)定了相應(yīng)的重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)。目前,土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法較多,其中以指數(shù)法最為常見(jiàn),如單因子污染指數(shù)法、Nemrow指數(shù)法、富集因子法、地質(zhì)積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法以及綜合影響指數(shù)法。還有基于指標(biāo)法的模糊數(shù)學(xué)模型和灰色聚類(lèi)法等模型指標(biāo)方法以及基于地理信息系統(tǒng)的地理統(tǒng)計(jì)評(píng)估和人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等綜合方法,這些方法將土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量相結(jié)合,綜合、客觀、可靠地評(píng)價(jià)土壤重金屬污染[29]。

與重金屬相比,微塑料作為一類(lèi)更為新型的環(huán)境污染物,對(duì)其危害性的認(rèn)識(shí)最初只限于水域生態(tài)系統(tǒng),后來(lái)隨著對(duì)農(nóng)田微塑料及其對(duì)土壤健康和植物生長(zhǎng)影響了解的深入,農(nóng)田土壤中微塑料污染問(wèn)題也引起了廣泛的關(guān)注。在微塑料的檢測(cè)過(guò)程中目前存在一定難度的是對(duì)土壤樣本中微塑料的有效分離,最常用的密度分離法雖然操作簡(jiǎn)單且分離效果良好,但存在無(wú)法有效去除有機(jī)物和分離小塑料顆粒(<50 μm)等問(wèn)題。而新興的加壓流體萃取法雖具有自動(dòng)化程度高、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn),但該方法會(huì)對(duì)微塑料結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。至于其他分離方法(油提法、磁性分離法等)的應(yīng)用相對(duì)有限,對(duì)土壤樣品的適用性還有待研究[30]。土壤基質(zhì)的復(fù)雜性和分析技術(shù)的限制,使得關(guān)于土壤微塑料的研究尚存很多不足。此外,值得注意的是,在土壤鹽度、pH、有機(jī)質(zhì)等復(fù)雜因素的影響下,微塑料與土壤中重金屬、農(nóng)藥類(lèi)有機(jī)污染物等無(wú)機(jī)、有機(jī)物質(zhì)共同作用造成復(fù)雜的共毒性,引起土壤物理、化學(xué)、生物特性的改變,進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康[31]。因此,隨著對(duì)農(nóng)藥、微塑料等毒性作用認(rèn)識(shí)的加深,此類(lèi)非常規(guī)指標(biāo)的重要性正日益受到重視。

2.3 土壤微生物群落組成信息對(duì)土壤狀態(tài)的指示作用

由于有簡(jiǎn)單可行的評(píng)價(jià)方法,土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)初期主要集中在土壤的理化性質(zhì)。但是,土壤理化性質(zhì)作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)有時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確地反映土壤的真實(shí)狀態(tài),近年來(lái)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的生物指標(biāo)選取頻率逐漸升高,其中應(yīng)用最多的是土壤微生物指標(biāo)。據(jù)多種作物研究表明,土壤中細(xì)菌(包括放線菌)和真菌(包括菌絲體)等在增加作物營(yíng)養(yǎng)的吸收(包括固氮)、提高作物對(duì)干旱、鹽堿等脅迫的耐受能力、促進(jìn)生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[32-33]。此外,有研究表明微生物的組成及其比例在一定程度上可以反映土壤的肥力水平,即肥水條件較好的土壤中微生物生物量一般也較高[34]。因此,微生物生物量組成及其比例對(duì)于土壤的健康狀態(tài)具有重要的指示作用。隨著對(duì)微生物改善土壤健康狀態(tài)及促進(jìn)作物生長(zhǎng)等作用認(rèn)識(shí)的深入,菌劑或者菌肥的施用已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常規(guī)操作,但目前菌肥的施用缺少土壤微生物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐,菌肥多為通用菌株的非個(gè)性化配方。因此,在獲取土壤微生物群落組成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上(應(yīng)考慮不同季節(jié)條件下溫度、水分等對(duì)群落時(shí)空變化的影響),如何分析相關(guān)數(shù)據(jù)并用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然有著很大的探索空間。此外,近年來(lái)隨著宏基因組學(xué)、泛基因組學(xué)的發(fā)展,其準(zhǔn)確性、快捷性及成本的下降均為從基因功能角度進(jìn)一步研究個(gè)體、種群或群落的水平、預(yù)測(cè)微生物的功能提供了重要基礎(chǔ),可以說(shuō)基于組學(xué)、生物信息學(xué)及大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)土壤微生物及土壤健康狀態(tài)的精準(zhǔn)分析是未來(lái)土壤分析的趨勢(shì)之一。

另外,土壤微生物生物量碳與土壤有機(jī)碳的比值(即Cmic∶Corg)和土壤微生物代謝熵(即土壤微生物基礎(chǔ)呼吸與土壤微生物生物量之間的比值,qCO2)等也常作為判斷土壤微生物狀態(tài)的重要依據(jù)。有研究表明Cmic∶Corg比值的變化可反映土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài),因此可用以判斷土壤有機(jī)碳的積累強(qiáng)度等[34]。而土壤微生物代謝熵(qCO2)則可將微生物生物量與微生物的生物活性和功能之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而對(duì)微生物的能量利用效率進(jìn)行度量。近年來(lái)qCO2常作為表征土壤質(zhì)量變化的敏感性指標(biāo)[35]。土壤微生物群落組成不僅與土壤有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)相關(guān),且會(huì)對(duì)土壤中污染物如重金屬、農(nóng)藥、抗生素等作出相應(yīng)的變化,因此被作為診斷土壤環(huán)境的重要依據(jù)之一。此外,土壤微生物生物量與土壤酶活性之間關(guān)系密切,而土壤酶活性作為土壤肥力的指標(biāo)也已被廣泛接受。早期有學(xué)者提出可用與土壤主要肥力因素有關(guān)的、分布最廣的總體酶活性來(lái)表征土壤的肥力水平[36],但也有學(xué)者提出不同的土壤類(lèi)型可造成土壤酶活性很大的差異,因此建議在區(qū)分土壤類(lèi)型的基礎(chǔ)上分析指示土壤肥力水平的酶活性。如何將不同類(lèi)型土壤中酶活性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較,或如何建立土壤中的理化指標(biāo)與酶活性之間的定性、定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以便酶活性指標(biāo)更具實(shí)際可操作性,是值得深入探索的問(wèn)題。

已有研究表明,微生物生物量、酶活性、微生物代謝熵(活性)以及微生物群落組成等生物學(xué)特性可以作為土壤變化的早期預(yù)警指標(biāo),并用于指導(dǎo)土壤管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等[37]。Bongiorno[38]根據(jù)生物在土壤中的作用提出4個(gè)新的生物學(xué)指標(biāo):活性有機(jī)碳、土壤病害抑制性、自由生活線蟲(chóng)群落特征和微生物分解代謝譜,并且證實(shí)這些生物指標(biāo)可有效用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)管理和實(shí)踐評(píng)估。

3 展望

土壤的健康狀態(tài)是決定作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,而對(duì)土壤質(zhì)量以及土壤環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析的過(guò)程中,常規(guī)土壤的物理、化學(xué)指標(biāo)一般作為主要的評(píng)價(jià)依據(jù),是中國(guó)現(xiàn)有農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的重要組成部分。但物理和化學(xué)指標(biāo)無(wú)法反映土壤動(dòng)態(tài)的生命系統(tǒng)變化,因而土壤生物指標(biāo)逐漸引起研究者的重視,比如部分微生物對(duì)土壤的變化具有較高的敏感性,因而其可以作為評(píng)估土壤質(zhì)量潛在的指標(biāo),但其在實(shí)際應(yīng)用中仍受到諸如成本偏高、數(shù)據(jù)不直觀、通用性不高等缺點(diǎn)限制[39]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)、宏基因組技術(shù)、穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)(Stable Isotope Probing,SIP)在微生物領(lǐng)域的推廣和普及,土壤生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多功能性等指標(biāo)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

土壤樣品分析的前處理一直存在高溫,長(zhǎng)時(shí)間操作,高毒、易制毒、易制爆等?；噭┑氖褂眉跋嚓P(guān)廢液處理等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,一方面可通過(guò)優(yōu)化處理方法、簡(jiǎn)化操作并減少相關(guān)試劑的使用,如采用微波消解結(jié)合ICP-MS法(電感耦合等離子體質(zhì)譜法)等可相對(duì)迅速高效且在高壓全密閉的處理?xiàng)l件下減少相關(guān)試劑對(duì)環(huán)境的污染[40]。另外,也可采用環(huán)境友好的分析方法或設(shè)備,如杜馬斯燃燒法、流動(dòng)分析儀等,或基于物理的檢測(cè)手段對(duì)土壤進(jìn)行分析,如原子光譜、微波、紅外傳感、電子射線、核磁共振及ICP-AES電感耦合原子發(fā)射光譜儀等[41]。因此,分析方法和設(shè)備的升級(jí)、研發(fā)也將對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐。

為更好地完善現(xiàn)有農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,增強(qiáng)其全面性與綜合性,本文提出重金屬、微塑料以及農(nóng)藥類(lèi)化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境指標(biāo),其各項(xiàng)指標(biāo)目前常用的檢測(cè)方法及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。然而,目前對(duì)它們?cè)谕寥乐械倪w移、積累、轉(zhuǎn)化及降解等機(jī)制的了解仍非常有限。近些年來(lái),生物傳感器技術(shù)作為一種新型的環(huán)境污染物分析和檢測(cè)手段發(fā)展迅速,如已經(jīng)趨于成熟的酶生物傳感器、用于檢測(cè)環(huán)境污染物的酵母生物傳感器、檢測(cè)雙酚A的氧化石墨烯氧化物生物傳感器、檢測(cè)重金屬離子的光纖傳感器以及熒光生物傳感器等。但由于它們大多存在穩(wěn)定性不足、對(duì)有毒物質(zhì)耐受性差、使用壽命短以及維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題,導(dǎo)致此類(lèi)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到了諸多的限制。隨著相關(guān)領(lǐng)域科研的深入及多學(xué)科的交叉促進(jìn),此類(lèi)傳感器有望實(shí)現(xiàn)較大的突破,這也將大大促進(jìn)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的全面性和系統(tǒng)性。

表1 中國(guó)農(nóng)田土壤檢測(cè)指標(biāo)及方法Table 1 Soil analysis indicators and methods of farmland in China

農(nóng)田土壤質(zhì)量水平是由多個(gè)指標(biāo)共同決定的,而指標(biāo)之間又相互影響,因此在農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中,需將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合應(yīng)用。例如有研究利用偏最小二乘回歸法(Partial Least Squares Regression,PLSR)將物理和化學(xué)土壤特性指標(biāo)整合到土壤質(zhì)量指數(shù)(Soil Quality Index,SQI)中,然后用于評(píng)估土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)與作物產(chǎn)量在兩個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)之間的關(guān)系[20],這反映出當(dāng)前對(duì)于將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮的初步探索。在對(duì)土壤的整體質(zhì)量進(jìn)行探索的過(guò)程中,應(yīng)充分考慮不同的土壤類(lèi)型、地形、氣候、海拔、作物類(lèi)型、耕作方式等因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。目前正在開(kāi)展的第三次全國(guó)土壤普查(以下簡(jiǎn)稱“土壤三普”)工作中,以“土壤二普”、第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查、全國(guó)農(nóng)用地土壤污染狀況詳查、全國(guó)農(nóng)業(yè)普查、耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、全國(guó)森林資源清查固定樣地體系等工作形成的相關(guān)成果、經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)融入了遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、模型模擬等新興技術(shù),在此基礎(chǔ)上,此次土壤普查重點(diǎn)將對(duì)現(xiàn)有的平臺(tái)、系統(tǒng)進(jìn)行整合,以建立標(biāo)準(zhǔn)化、高效、統(tǒng)一的“土壤三普”工作平臺(tái),借此實(shí)現(xiàn)普查工作的智能化管理?！巴寥廊铡卑l(fā)布的技術(shù)規(guī)程對(duì)目前土壤分析過(guò)程中常用的指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)化整合,即多個(gè)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)被納入一個(gè)體系,充分考慮不同土壤類(lèi)型及數(shù)據(jù)采集時(shí)空特性對(duì)數(shù)據(jù)的影響,有望日后實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤生態(tài)評(píng)價(jià)及土壤改良等提供精細(xì)化、個(gè)性化的參考數(shù)據(jù)與指導(dǎo)。但也應(yīng)注意到,一方面,一些地理、環(huán)境指標(biāo)與土壤指標(biāo)之間的整合、量化仍處于探索階段,它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍有待于相關(guān)科研工作的深入探索;另一方面,雖然國(guó)家規(guī)定、國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于土壤檢測(cè)指標(biāo)具有非常明確的參考和指導(dǎo)作用,但由于中國(guó)地域遼闊,經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展水平存在不平衡等問(wèn)題,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的制訂及檢測(cè)指標(biāo)的推廣應(yīng)用受到制約。此次“土壤三普”工作的推進(jìn),有望倒推農(nóng)田土壤質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)價(jià)指標(biāo)等國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的更新和完善。