稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

劉麗媛，鄭向群，張春雪，楊波，陳昢圳，徐艷

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

化肥施用被認(rèn)為是最高效的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)措施，對(duì)保障糧食安全具有重要作用[1]。然而，過(guò)度追求糧食產(chǎn)量造成我國(guó)種植業(yè)化肥施用量的急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作物對(duì)化肥的需求量[2]。水稻是我國(guó)重要的糧食作物之一，年平均化肥施用量超800 萬(wàn)t，占我國(guó)種植業(yè)化肥用量的10%以上[3]。楊萬(wàn)江等[4]基于長(zhǎng)江流域6個(gè)水稻主產(chǎn)省份的678 份稻田化肥施用數(shù)據(jù)，通過(guò)雙對(duì)模型和多元線性回歸模型分析發(fā)現(xiàn)，73.16%的農(nóng)戶化肥施用量均超出最優(yōu)化肥施用量。研究表明稻田化肥過(guò)量施用造成了嚴(yán)重的土壤環(huán)境問(wèn)題，如土壤酸化和土壤板結(jié)等，進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量[5-6]。黃元財(cái)?shù)萚7]的研究表明，當(dāng)施氮量大于190 kg·hm-2時(shí)水稻產(chǎn)量會(huì)下降。為保證我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，2017 年和2018 年中央一號(hào)文件明確要求深入推進(jìn)化肥零增長(zhǎng)行動(dòng)。因此，創(chuàng)新水稻化肥減施技術(shù)具有重要意義。2018 年7 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（2018—2030 年）》，有機(jī)肥配施技術(shù)則是其中之一。

有機(jī)肥的施用在我國(guó)具有悠久的歷史，而這一做法在農(nóng)業(yè)集約化進(jìn)程中逐漸消失[8]。有機(jī)肥含有農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素[9]，大量研究表明有機(jī)肥施用能夠改善土壤物理狀況、提高水肥調(diào)控能力[10-11]、提升土壤肥力[12]，同時(shí)促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，優(yōu)化土壤微生物群落組成[13]。此外，有機(jī)肥施用不僅替代化肥的投入，還能提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)[14]。然而，有機(jī)肥中重金屬殘留也會(huì)隨有機(jī)肥的施用進(jìn)入土壤，從而造成稻田土壤環(huán)境污染。王開峰等[15]通過(guò)稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥提高了土壤中鋅（Zn）、銅（Cu）、鎘（Cd）和鉛（Pb）的含量。因此客觀評(píng)價(jià)稻田有機(jī)肥施用對(duì)土壤的環(huán)境效應(yīng)十分必要，而在稻田土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)前，需對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)地篩選。

大量研究根據(jù)評(píng)價(jià)需求構(gòu)建了相應(yīng)的土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。如張佳鳳[16]通過(guò)相關(guān)分析和主成分分析構(gòu)建了一個(gè)包含耕作層深、微團(tuán)聚體（0.25～0.05、0.05～0.01 mm）、土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）、電導(dǎo)率（EC）、有機(jī)質(zhì)（SOM）、速效鉀（AK）、有效磷（AP）、轉(zhuǎn)化酶（SSC）等9個(gè)指標(biāo)的水田合理耕層指標(biāo)體系。何蓉等[17]則通過(guò)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型分別構(gòu)建了田塊和區(qū)域尺度化肥農(nóng)藥減施增效的土壤環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)體系。辛蕓娜等[18]通過(guò)“指標(biāo)-過(guò)程-功能-需求”這一理論框架，構(gòu)建了北京市大興區(qū)耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。然而，稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)體系鮮見報(bào)道。鑒于此，本研究通過(guò)整合分析、變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析以及隨機(jī)森林模型綜合分析，構(gòu)建了稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期為稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)提供評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建的原則與思路

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建的原則

由于有機(jī)肥配施會(huì)影響到稻田土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)的性質(zhì)及土壤重金屬含量等多個(gè)方面，因此，在選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮指標(biāo)是否具有代表性，并且可以從多個(gè)方面綜合反映有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)。因此，稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)遵循以下原則[19]：

（1）最小數(shù)據(jù)集原則：水稻有機(jī)肥配施所引發(fā)的土壤環(huán)境效應(yīng)涉及諸多方面，因此，選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮全面性；同時(shí)，應(yīng)保持各指標(biāo)涵蓋信息的相對(duì)獨(dú)立性，降低信息的冗余程度，以盡可能少的指標(biāo)來(lái)反映稻田有機(jī)肥配施的實(shí)際土壤環(huán)境效應(yīng)。

（2）易獲取原則：所選土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)易于檢測(cè)或成本可行，盡量選擇已納入國(guó)家土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)。由于目前抗生素和微生物等的檢測(cè)成本較高，因此本研究未將抗生素和微生物納入到指標(biāo)體系中。

（3）靈敏性原則：有機(jī)肥配施對(duì)稻田土壤環(huán)境的影響是一個(gè)相對(duì)緩慢變化的過(guò)程，應(yīng)優(yōu)先選擇受有機(jī)肥配施影響大、改變快的土壤環(huán)境指標(biāo)，盡量避免選擇需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)且變化不明顯的土壤環(huán)境指標(biāo)。

（4）主導(dǎo)性原則：稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)涵蓋面廣，其中涉及到很多指標(biāo)，其中起主導(dǎo)作用和具協(xié)變性的因子對(duì)稻田土壤環(huán)境起關(guān)鍵作用，因此，應(yīng)盡量選擇此類環(huán)境因子。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建的思路

本研究構(gòu)建稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本思路如圖1所示。

圖1 指標(biāo)體系構(gòu)建流程圖Figure 1 Flow chart of index system construction

（1）通過(guò)文獻(xiàn)查閱，收集有機(jī)肥配施條件下，稻田土壤物理、土壤化學(xué)、土壤生物學(xué)以及土壤重金屬數(shù)據(jù)，通過(guò)整合分析篩選土壤環(huán)境敏感因子。

（2）對(duì)篩選到的土壤環(huán)境敏感因子進(jìn)行變異分析，并計(jì)算各因子的貢獻(xiàn)率，選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%[20]的因子進(jìn)行下一步分析。

（3）對(duì)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的因子進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析獲得因子的相關(guān)性，運(yùn)用主成分分析對(duì)環(huán)境敏感因子分組，運(yùn)用隨機(jī)森林模型計(jì)算各環(huán)境敏感因子的重要值，最終根據(jù)以上分析綜合篩選出稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在Web of Science、Science Direct、Springer Link和中國(guó)知識(shí)資源綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（CNKI）等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)篩選，流程如圖2 所示。首先，通過(guò)設(shè)置有機(jī)肥配施（或有機(jī)肥替代）、水稻、土壤（或土壤物理、土壤化學(xué)、土壤生物學(xué)、土壤重金屬）等關(guān)鍵詞，篩選稻田有機(jī)肥配施對(duì)土壤環(huán)境影響的相關(guān)文獻(xiàn)，初步篩選到相關(guān)文獻(xiàn)1 520篇，刪除重復(fù)文獻(xiàn)后剩余文獻(xiàn)1 260篇。進(jìn)一步通過(guò)題目、關(guān)鍵詞和摘要進(jìn)行篩選，剔除文獻(xiàn)918篇，剩余文獻(xiàn)342 篇。此外，文獻(xiàn)需滿足以下條件：①研究必須在大田進(jìn)行，而不是在盆栽或溫室；②必須同時(shí)具有對(duì)照組（僅施用化肥）和處理組（配施有機(jī)肥）；③必須具有均值、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和樣本量（n），如果論文中提供了標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE），則使用以下方法計(jì)算SD：

圖2 文獻(xiàn)篩選流程Figure 2 Flow chart of literature screening

對(duì)全文進(jìn)行評(píng)估，剔除存在非大田實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)方法不明確和數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題的文獻(xiàn)205 篇，最終納入到整合分析中的文獻(xiàn)共計(jì)137篇。

篩選后文獻(xiàn)主要涉及亞熱帶氣候、溫帶大陸性季風(fēng)氣候和大陸性干旱氣候三種氣候區(qū)，砂土、壤土和黏土三種土壤質(zhì)地，以及動(dòng)物糞肥、作物秸稈、生物炭和生物肥料等四種有機(jī)肥類型，各分類水平包含的數(shù)據(jù)量如表1所示。

表1 有機(jī)肥配施對(duì)稻田土壤環(huán)境效應(yīng)影響數(shù)據(jù)庫(kù)樣本數(shù)量分布Table 1 Sample numbers for the meta-analysis of soil environment of paddy field with organic fertilizer supplementation

對(duì)于篩選的文獻(xiàn)記錄如下指標(biāo)：①11 個(gè)土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，包括土壤容重（BD）、土粒密度、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、＜0.25 mm 微團(tuán)聚體含量、0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體含量、0.5～1 mm 團(tuán)聚體含量、1～2 mm 團(tuán)聚體含量、2～5 mm 團(tuán)聚體含量、＞5 mm團(tuán)聚體含量；②16 個(gè)土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，包括pH、EC、CEC、氧化還原電位（Eh）、鹽基飽和度（BS）、交換性鎂、交換性鈣、交換性鈉、交換性鉀、有機(jī)碳（SOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）、速效氮（AN）、AP、AK；③10 個(gè)土壤生物學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，包括微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、微生物量磷（MBP）、土壤呼吸、代謝熵、脲酶（SUE）活性、SSC 活性、磷酸酶（SPA）活性、脫氫酶（SDH）活性、纖維素酶（SCL）活性；④6 個(gè)土壤重金屬指標(biāo)，包括鎘（Cd）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、銅（Cu）、汞（Hg）、鉛（Pb）。若文獻(xiàn)以圖片呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Get Data Graph Digitizer 2.24 對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化；若文獻(xiàn)中提供SOM，則通過(guò)公式（2）計(jì)算SOC[21]：

2.2 分析方法

2.2.1 整合分析

本研究采用整合分析對(duì)稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析。整合分析中運(yùn)用權(quán)重響應(yīng)比（RR++）評(píng)估指標(biāo)的敏感度。響應(yīng)比（RR）是用于評(píng)估有機(jī)肥配施對(duì)某一指標(biāo)影響程度的指標(biāo)[22]。對(duì)于給定指標(biāo)，RR的定義為處理組（配施有機(jī)肥）與對(duì)照組（僅施用化肥）的平均值之比，其計(jì)算公式如下：

式中：Mt和Mc分別代表處理組和對(duì)照組的平均值。

lnRR是RR的自然對(duì)數(shù)，對(duì)于某一指標(biāo)，若lnRR＞0，表明有機(jī)肥配施對(duì)該指標(biāo)的作用為正；若lnRR＜0，則表明有機(jī)肥配施對(duì)該指標(biāo)的影響為負(fù)。

方差（V）通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：nt和nc分別代表處理組（配施有機(jī)肥）和對(duì)照組（僅施用化肥）的樣本量，SDt和SDc分別代表處理組（配施有機(jī)肥）和對(duì)照組（僅施用化肥）的SD值。此外，加權(quán)因子（Wij）、加權(quán)響應(yīng)比（RR++）、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤[S（RR++）]和95%置信區(qū)間（95%CI）的計(jì)算方法如下：

式中：m為分組數(shù)；ki為第i組的總比較對(duì)數(shù)；j為第i組總比較對(duì)數(shù)（ki）中的第j對(duì)。若給定指標(biāo)的RR++的95%CI值不包含零點(diǎn)，表明該指標(biāo)在處理組和對(duì)照組之間具有顯著差異（P＜0.05）[21]，則稱之為有機(jī)肥配施引起的土壤環(huán)境敏感因子。

2.2.2 變異分析

指標(biāo)貢獻(xiàn)率指的是指標(biāo)對(duì)總體評(píng)價(jià)目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。本研究采用變異系數(shù)計(jì)算指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，指標(biāo)的貢獻(xiàn)率越高反映出的信息越多[23]。某一指標(biāo)變異系數(shù)Cj即為該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，反映了同一指標(biāo)相對(duì)不同研究對(duì)象的離散程度的大小。指標(biāo)的變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

前l(fā)個(gè)指標(biāo)的累計(jì)貢獻(xiàn)率為變異系數(shù)較大的前l(fā)個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)之和占所有指標(biāo)變異系數(shù)之和的比例，即：

式中：gl表示前l(fā)個(gè)變量的累計(jì)貢獻(xiàn)率；Cj′為變異系數(shù)較大的前l(fā)個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)；Cj為所有指標(biāo)的變異系數(shù)；m為指標(biāo)量。

式中：g0表示設(shè)定的累計(jì)貢獻(xiàn)率，本研究設(shè)定累計(jì)貢獻(xiàn)率大于等于85%，即g0=85%，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，保留變異系數(shù)較大的前l(fā)個(gè)指標(biāo)。

2.2.3 皮爾遜相關(guān)性分析

本研究采用皮爾遜相關(guān)性分析計(jì)算土壤環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性。土壤環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)越高，說(shuō)明這些指標(biāo)反映的土壤環(huán)境信息的相關(guān)性也越強(qiáng)。第x項(xiàng)指標(biāo)與第y項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)（r）計(jì)算公式如下：

式中：xi和yi表示第i組的x值和y值和為x和y的平均值；n表示組數(shù)。

2.2.4 主成分分析

本研究采用主成分分析法對(duì)稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境指標(biāo)的降維，從而篩選出相對(duì)獨(dú)立且能夠反映土壤環(huán)境總體信息的指標(biāo)。本研究將主成分中因子載荷絕對(duì)值大于或等于0.5 的土壤環(huán)境指標(biāo)分為一個(gè)組，若某個(gè)土壤環(huán)境指標(biāo)在兩個(gè)主成分中均出現(xiàn)載荷大于或等于0.5時(shí)，則把該土壤環(huán)境指標(biāo)劃分到與其他土壤環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性較低的那一組[24]。

2.2.5 隨機(jī)森林模型

本研究采用隨機(jī)森林模型解決土壤環(huán)境指標(biāo)的重要性問(wèn)題[25]。首先，利用自助重復(fù)抽樣法從原始數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取M個(gè)訓(xùn)練集，每個(gè)訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)量約為原始數(shù)據(jù)集的2/3；其次，對(duì)M個(gè)訓(xùn)練集分別構(gòu)建分類樹，產(chǎn)生分類樹m棵，進(jìn)一步組成隨機(jī)森林。而每次抽樣過(guò)程中未被抽中的1/3 數(shù)據(jù)集為袋外數(shù)據(jù)[26]。首先，根據(jù)袋外數(shù)據(jù)計(jì)算隨機(jī)森林中每個(gè)分類樹的袋外誤差（Ei）；然后，隨機(jī)改變袋外數(shù)據(jù)某一特征變量的值，并計(jì)算新的袋外誤差（Ej）；最后，根據(jù)下式計(jì)算變量x的重要性I（x）：

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤環(huán)境敏感因子篩選

3.1.1 土壤物理性質(zhì)

稻田土壤物理性質(zhì)對(duì)有機(jī)肥配施的響應(yīng)如圖3a所示。有機(jī)肥配施顯著降低了BD、＜0.25 mm 微團(tuán)聚體和＞5 mm 團(tuán)聚體含量，降幅（95%CI）分別為4.24%（3.01%～5.55%）、11.70%（4.30%～19.10%）和7.78%（2.28%～13.28%）；有機(jī)肥配施顯著提高了非毛管孔隙度、2～5 mm 團(tuán)聚體、1～2 mm 團(tuán)聚體、0.5～1 mm 團(tuán)聚體含量和0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體含量，增幅（95%CI）分別為49.22%（42.32%～56.13%）、12.77%（9.27%～16.26%）、11.04%（3.84%～18.24%）、19.33%（10.83%～27.83%）和46.46%（39.76%～53.16%）；而有機(jī)肥配施對(duì)稻田土壤土粒密度（95%CI：-16.55%～0.84%）、總孔隙度（95%CI：-1.04%～13.75%）和毛管孔隙度（95%CI：-1.48%～7.71%）的影響并不顯著。綜上，篩選出土壤物理性質(zhì)中的敏感因子為BD、非毛管孔隙度、＞5 mm 團(tuán)聚體、2～5 mm 團(tuán)聚體、1～2 mm 團(tuán)聚體、0.5～1 mm 團(tuán)聚體、0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體和＜0.25 mm 微團(tuán)聚體。

3.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

有機(jī)肥配施對(duì)稻田化學(xué)性質(zhì)的影響如圖3b 所示。有機(jī)肥配施顯著提高了稻田土壤pH、EC、土壤交換性鉀離子和SOC 含量，增幅（95%CI）分別為4.86%（3.74%～5.98%）、4.76%（2.30%～7.22%）、15.05%（7.51%～22.59%）和17.70%（14.56%～20.84%）。土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分對(duì)有機(jī)肥配施的響應(yīng)并不一致。就全量養(yǎng)分而言，土壤TN、TP 和TK 分別顯著提高了10.50%（95%CI：8.14%～12.86%）、2.16%（95%CI：1.32%～3.0%）和3.22%（95%CI：2.28%～4.16%）。而AN、AP 和AK 的提高幅度分別為22.37%（95%CI：18.17%～26.57%）、2.70%（95%CI：0.74%～6.14%）和6.77%（95%CI：5.37%～8.21%）。而有機(jī)肥配施對(duì)稻田土壤Eh（95%CI：-4.41%～10.95%）、BS（90%CI：-8.06%～-0.40%）、CEC（95%CI：-1.12%～11.34%）、交換性鎂（95%CI：-15.08%～1.56%）、交換性鈣（95%CI：-1.88%～10.98%）、交換性鈉（-1.02%～9.78%）均無(wú)顯著影響。綜上，篩選出土壤化學(xué)性質(zhì)中的敏感因子為pH、EC、交換性鉀離子、SOC、TN、TP、TK、AN、AP、AK。

3.1.3 土壤生物學(xué)性質(zhì)

稻田土壤生物學(xué)性質(zhì)對(duì)有機(jī)肥配施的響應(yīng)如圖3c 所示。由圖3c 可知，有機(jī)肥配施顯著提高了土壤MBC 含量、MBN 含量、SUE 活性、SSC 活性和SDH 活性，增幅（95%CI）分別為19.02%（9.79%～28.25%）、11.15%（1.92%～20.3%）、5.92%（1.49%～10.35%）、7.07%（1.37%～12.77%）和4.81%（1.61%～8.01%）。然而，有機(jī)肥配施對(duì)MBP（95%CI：-1.01%～9.48%）、土壤呼吸（95%CI：-3.0%～15.34%）、土壤代謝熵（95%CI：-13.25%～5.21%）、SPA（95%CI：-6.92%～1.55%）和SCL（95%CI：-0.6%～7.82%）的影響并不顯著。綜上，土壤生物學(xué)性質(zhì)中的環(huán)境敏感因子為MBC、MBN、SUE、SSC和SDH。

3.1.4 稻田土壤重金屬

有機(jī)肥對(duì)稻田土壤重金屬的影響如圖3d 所示。有機(jī)肥配施顯著提高了稻田土壤Zn、Cu 和Cd 的含量，增幅（95%CI）分別為6.7%（3.2%～10.2%）、18.7%（9.2%～28.2%）和8.3%（4.6%～12%）。而有機(jī)肥配施對(duì)土壤Cr（95%CI：-1.1%～8.7%）、Hg（95%CI：-0.4%～1.6%）和Pb（95%CI：-1.2%～5.8%）的影響并不顯著。綜上，經(jīng)過(guò)整合分析篩選的土壤重金屬中的敏感因子為Zn、Cu和Cd。

圖3 土壤環(huán)境指標(biāo)對(duì)有機(jī)肥配施的響應(yīng)Figure 3 The response of soil environmental indicators to organic fertilizers supplementation

綜上，通過(guò)整合分析在43 個(gè)指標(biāo)中篩選到26 個(gè)環(huán)境敏感因子，如表2所示。包括BD等8個(gè)土壤物理指標(biāo)、pH等10個(gè)土壤化學(xué)指標(biāo)、MBC等5個(gè)生物學(xué)指標(biāo)、Zn等3個(gè)土壤重金屬指標(biāo)。

本研究設(shè)置了常規(guī)鎖定鋼板（standard plate,SP）組、優(yōu)化原型鋼板（full plate,FP）組以及優(yōu)化鋼板組（redesigned plate,RP）共3組對(duì)比模型。組間比較的主要指標(biāo)包括：①形態(tài)學(xué)指標(biāo)：鋼板體積；②內(nèi)固定穩(wěn)定性指標(biāo)：獨(dú)立工況下的模型應(yīng)變能和相應(yīng)的軸向壓縮/扭轉(zhuǎn)剛度；③內(nèi)固定強(qiáng)度指標(biāo)：獨(dú)立工況下的鋼板單元應(yīng)力峰值和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。

表2 稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境敏感因子Table 2 Soil environmental sensitive factors of paddy field with organic fertilizer supplementation

3.2 指標(biāo)體系篩選

3.2.1 環(huán)境敏感因子貢獻(xiàn)率

各環(huán)境敏感因子的變異系數(shù)、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率如表3 所示。前18 個(gè)土壤環(huán)境敏感因子的貢獻(xiàn)率達(dá)到了87.87%，滿足了累計(jì)貢獻(xiàn)率大于等于85%的篩選要求。因此，選擇保留包括TN 在內(nèi)的以上全部土壤環(huán)境敏感因子，剔除＜0.25 mm 微團(tuán)聚體、交換性鉀離子、＞5 mm 團(tuán)聚體、TP、TK、0.25～0.5 mm 團(tuán)聚體、0.5～1 mm 團(tuán)聚體和非毛管孔隙度。指標(biāo)貢獻(xiàn)率篩選后，保留BD、AK、AP、SUE、SDH、1～2 mm 團(tuán)聚體、2～5 mm 團(tuán)聚體、Cd、SOC、Cu、AN、MBN、MBC、pH、Zn、SSC、EC和TN共18個(gè)指標(biāo)。

表3 環(huán)境敏感因子的變異系數(shù)、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 3 Coefficient of variation，contribution rate and cumulative contribution rate for each soil environmental sensitive factor

3.2.2 環(huán)境敏感因子相關(guān)性

土壤環(huán)境是由土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)和土壤重金屬等共同作用的結(jié)果，所以各指標(biāo)之間必然存在一定的相關(guān)關(guān)系。由圖4 中稻田土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)和土壤重金屬之間的相關(guān)性分析結(jié)果可知，BD 與1～2 mm 團(tuán)聚體、2～5 mm團(tuán)聚體顯著相關(guān)；SUE 活性與SOC、AN、MBC 和TN 顯著相關(guān)；SDH 活性與SOC、SSC活性顯著相關(guān)；1～2 mm團(tuán)聚體與2～5 mm 團(tuán)聚體顯著相關(guān)（P＜0.05）；Cd 與SOC、Cu、Zn 和EC 顯著相關(guān)；SOC 與Cu、AN、MBN、MBC和SSC顯著相關(guān)（P＜0.05）；Cu與Zn、SSC和TN顯著相關(guān)（P＜0.05）；AN 與MBN、MBC 和TN 顯著相關(guān)；MBN 與MBC 和TN 顯著相關(guān)；MBC 與pH、SSC 和TN顯著相關(guān)；pH 與SSC 和TN 顯著相關(guān)；SSC 與TN 顯著相關(guān)。

圖4 水稻有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis of soil environmental index of paddy field with organic fertilizer supplementation

3.2.3 環(huán)境敏感因子分類

根據(jù)分組原則，本研究將BD 等18 個(gè)環(huán)境敏感因子分為4 組，如表4 所示。其中第一組為BD、SUE 活性、SDH 活性、1～2 mm 團(tuán)聚體、2～5 mm 團(tuán)聚體、SOC、AN、MBN、SSC 活性、EC 和TN；第二組為AK、Cd、MBC和Zn；第三組為AP和Cu；第四組為pH。

表4 稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境指標(biāo)分類Table 4 Classification of soil environmental index of paddy field with organic fertilizer supplementation

3.2.4 環(huán)境敏感因子重要值

表5 稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境敏感因子重要值Table 5 The important value of soil environmental index of paddy field with organic fertilizer supplementation

3.3 指標(biāo)體系構(gòu)建

通過(guò)隨機(jī)森林分析得出第一組中重要值最大的指標(biāo)為SOC，而SOC 與SDH 活性、SUE 活性、SSC 活性、MBN 顯著相關(guān)，因此剔除與之相關(guān)的指標(biāo)，僅保留SOC。第一組剩余環(huán)境敏感因子中BD的重要值最高，因此剔除與其顯著相關(guān)的1～2 mm 團(tuán)聚體和2～5 mm 團(tuán)聚體。同理，剔除與TN 顯著相關(guān)的AN。最終第一組中保留SOC、BD、TN 和EC。第二組中Cd與Zn顯著相關(guān)，且Cd 的重要值高于Zn，因此剔除Zn，僅保留Cd 進(jìn)入指標(biāo)體系，此外AK 與MBC 無(wú)顯著相關(guān)性，因此二者均進(jìn)入指標(biāo)體系，最終第二組保留Cd、AK和MBC。第三組為AP 和Cu，且二者無(wú)顯著相關(guān)性，因此AP 和Cu 均進(jìn)入指標(biāo)體系。第四組中僅含pH 一個(gè)指標(biāo)，因此第四組保留pH。綜上，最終構(gòu)建了包含BD 等10 個(gè)指標(biāo)的稻田有機(jī)肥配施的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表6所示。

表6 稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 6 Evaluation index system for soil environment of paddy field with organic fertilizer supplementation

4 討論

土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性和合理性一直是科學(xué)工作者關(guān)注的重要問(wèn)題，是進(jìn)行土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)體系的科學(xué)性與合理性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①指標(biāo)應(yīng)反映土壤環(huán)境的真實(shí)狀況。土壤環(huán)境涉及土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)及土壤重金屬等多個(gè)方面[27]，因此，土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)反映土壤的綜合性質(zhì)。此外，土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)及土壤重金屬均包含多個(gè)指標(biāo)，因此，選取指標(biāo)應(yīng)具有代表性；②指標(biāo)獲取可行性。指標(biāo)體系中包含的指標(biāo)應(yīng)具有易獲取性，所選土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)易于檢測(cè)或成本可行[28]，而不易獲得的指標(biāo)應(yīng)盡量避免納入指標(biāo)體系中。

基于科學(xué)性與合理性原則，本研究構(gòu)建了有機(jī)肥配施的稻田土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)與先前研究結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，本研究構(gòu)建的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與前人構(gòu)建的指標(biāo)體系具有一定的相似性。例如，王溢璟等[29]通過(guò)層次分析法構(gòu)建的土壤環(huán)境評(píng)價(jià)體系也包括土壤有機(jī)質(zhì)、土壤總氮等指標(biāo)。此外，鄭琦[30]通過(guò)綜合因子分析法和特爾斐專家打分法構(gòu)建了新疆綠洲棉田長(zhǎng)期連作土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中也包括土壤pH、SOC、TN、AP等指標(biāo)，表明本研究構(gòu)建的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的合理性。而部分土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系未涉及土壤重金屬指標(biāo)，例如，張佳鳳[16]通過(guò)相關(guān)性分析和主成分分析構(gòu)建的水田合理耕層指標(biāo)體系中未涉及任何一種重金屬指標(biāo)。本研究考慮到施用有機(jī)肥料會(huì)將其中的重金屬引入到土壤中，因此本研究將土壤重金屬納入到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，使評(píng)價(jià)指標(biāo)體系更加全面。

盡管本研究從多個(gè)角度，通過(guò)綜合分析構(gòu)建了稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但該指標(biāo)體系仍然存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①按照指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，本研究主要選擇易獲取的土壤環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)，而沒(méi)有選用較難獲取或者在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中成本較高的指標(biāo)。由于有機(jī)肥施用會(huì)引入抗生素，但目前抗生素檢測(cè)難度大，屬不易獲取指標(biāo)，因此本研究并未將其納入到指標(biāo)體系中，在一定程度上會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果；②本研究通過(guò)整合分析進(jìn)行敏感因子篩選，但整合分析結(jié)果與納入分析的文獻(xiàn)密切相關(guān)，且由于發(fā)表偏倚的存在，分析結(jié)果可能存在一定的誤差。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)整合分析篩選了包括BD 等8 個(gè)土壤物理指標(biāo)、pH等10個(gè)土壤化學(xué)指標(biāo)、MBC等5個(gè)生物學(xué)指標(biāo)和Zn 等3 個(gè)土壤重金屬指標(biāo)，共計(jì)26 個(gè)土壤環(huán)境指標(biāo)的稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境敏感因子。

（2）進(jìn)一步通過(guò)變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析以及隨機(jī)森林模型耦合分析，構(gòu)建了包含BD、pH、EC、SOC、TN、AK、AP、MBC、Cd 和Cu 等10 個(gè)指標(biāo)的稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

本研究為稻田有機(jī)肥配施的土壤環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)提供了依據(jù)，為我國(guó)土壤環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建提供了新思路。