基于生態(tài)系統(tǒng)多功能性的農(nóng)田土壤健康評價*

楊 穎，郭志英，潘 愷，王昌昆，潘賢章?

（1. 南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210044；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤是耕地的重要載體，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，土壤健康狀況直接影響著人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)系統(tǒng)的完整性與健康水平。早期人們主要關(guān)注土壤的生產(chǎn)性能，以及如何保護(hù)土壤并提高產(chǎn)能。后來，人們逐漸認(rèn)識到土壤具有多功能性，認(rèn)為土壤系統(tǒng)同時具有維持動植物生產(chǎn)力，改善水體和大氣環(huán)境質(zhì)量，以及保證人畜健康和生態(tài)安全的功能。歐盟《土壤框架指令》定義了7 項土壤功能：食物和生物量生產(chǎn)，儲存和過濾及轉(zhuǎn)化，生物棲息地與基因庫，人類生活的物理和文化環(huán)境，原材料來源，碳庫，以及地質(zhì)和考古遺產(chǎn)檔案等，引發(fā)了公眾對土壤功能內(nèi)涵的廣泛關(guān)注。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）總結(jié)了土壤的11 項功能：提供食物纖維和燃料、過濾水和消解污染物、養(yǎng)分循環(huán)、生物棲息地、碳固定、氣候調(diào)節(jié)、洪水調(diào)節(jié)、文化遺產(chǎn)、藥品和基因資源的來源等。梁思源和吳克寧將土壤功能劃分為作物生產(chǎn)、環(huán)境交互、動植物棲息地、人居環(huán)境、原材料供給、自然文化歷史檔案等。而土壤生態(tài)系統(tǒng)功能則指與生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)密切相關(guān)的功能，包括生物、水文、養(yǎng)分循環(huán)、碳固存、支撐、過濾和緩沖等，本文簡稱為土壤功能。

基于土壤功能的概念，學(xué)者們對土壤質(zhì)量進(jìn)行了定義：在自然或人為生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)，特定土壤發(fā)揮功能的能力，這些功能包括維持植物和動物生產(chǎn)力，保持和改善水及大氣質(zhì)量，支撐人類健康和棲息地。土壤質(zhì)量概念最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)70年代，80 年代至90 年代成為研究熱點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。土壤質(zhì)量是對土壤肥力概念（與土壤生產(chǎn)力直接相關(guān)）的發(fā)展，是對土壤功能更全面的描述和評估。我國于1999—2004 年開展了第一項土壤973 項目“土壤質(zhì)量演變規(guī)律與持續(xù)利用”，對土壤質(zhì)量概念進(jìn)行了進(jìn)一步發(fā)展，提出土壤質(zhì)量應(yīng)包括肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量3 個方面，自此，國內(nèi)開始關(guān)注土壤生態(tài)環(huán)境相關(guān)的功能。加之我國土壤污染問題逐步顯現(xiàn)，促使科研人員越來越重視土壤健康問題。

土壤健康最先是與土壤污染緊密聯(lián)系的一個概念。后來，人們將土壤作為一個充滿生命的生態(tài)系統(tǒng)，認(rèn)為它在不同區(qū)域、不同時間和不同管理方式下具有不同的健康狀態(tài)，就像人類那樣具備某種健康狀況，這種理解進(jìn)一步拓展了土壤健康內(nèi)涵?；谶@樣的認(rèn)識，土壤健康被定義為土壤作為活的生態(tài)系統(tǒng)所具備的能力，用以維持植物、動物和人類生存和發(fā)展。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《耕地質(zhì)量等級（GB/T 33469-2016）》對土壤健康狀況也進(jìn)行了定義：“土壤作為一個動態(tài)生命系統(tǒng)具有維持其功能的持續(xù)能力，用清潔程度、生物多樣性表示。”在概念上與國際通用認(rèn)識基本一致。從定義來看，土壤健康與土壤質(zhì)量概念有很大的重疊部分，國外經(jīng)常將2 個詞混用，但也有一定區(qū)分，其中研究人員偏向使用“土壤質(zhì)量”，而農(nóng)民偏向使用“土壤健康”。本文統(tǒng)一表達(dá)為“土壤健康”。

近年來，土壤健康問題愈發(fā)受到關(guān)注。Calzolari等以意大利北部沖積平原土壤為例，從土壤生物棲息地、養(yǎng)分與污染物的保持和釋放、微氣候調(diào)節(jié)、固碳潛力、糧食供應(yīng)、徑流和洪水調(diào)節(jié)等8 個土壤功能維度，展現(xiàn)了不同土壤對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多重貢獻(xiàn)性的差異。Rachman根據(jù)各土壤參數(shù)的不同功能、獲取成本、數(shù)據(jù)可用性等因素，針對印度尼西亞這個國家，選取了13 個評價指標(biāo)，計算其土壤健康指數(shù)，衡量土壤在何種程度上能夠發(fā)揮其特定功能。

構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系和評估方法是進(jìn)行土壤健康評價的前提和基礎(chǔ)。由于不同國家和地區(qū)的自然和社會經(jīng)濟(jì)條件存在巨大差異，評價目的和研究尺度也不盡相同，因而指標(biāo)體系和方法會呈現(xiàn)差異化、地域化的特點(diǎn)。南澳大利亞州采用了限制性分類系統(tǒng)，以限制因子和限制性程度相結(jié)合的方式設(shè)定農(nóng)用地分類標(biāo)準(zhǔn)。德國Müncheberg 評價系統(tǒng)兼顧了土壤的基本特性和威脅指標(biāo)的影響，并以基本指標(biāo)的加權(quán)分值和威脅乘數(shù)的乘積劃分等級。我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部（原農(nóng)業(yè)部）全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心等單位制定的《耕地質(zhì)量等級（GB/T 33469-2016）》國家標(biāo)準(zhǔn)中涉及了土壤健康狀況的概念，該標(biāo)準(zhǔn)使用清潔程度、生物多樣性指標(biāo)來表征土壤健康狀況，其中“清潔程度反映了土壤受重金屬、農(nóng)藥和農(nóng)膜殘留等有毒有害物質(zhì)影響程度”，而“生物多樣性反映了土壤生命力豐富程度”，但是這2 個指標(biāo)實(shí)際使用起來難以量化，并且過多關(guān)注與污染相關(guān)的功能，對土壤健康的表征不全面。從國家層面而言，目前我國尚缺乏土壤健康評價方法和標(biāo)準(zhǔn)體系。

改革開放以來，由于耕地土壤利用強(qiáng)度的進(jìn)一步加大以及化肥、農(nóng)藥等外源物質(zhì)的大量投入，不僅土壤自身出現(xiàn)質(zhì)量退化問題，同時土壤環(huán)境也受到威脅。因此，不斷恢復(fù)和保持土壤的最佳功能，提高土壤健康水平是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。黃淮海平原作為我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，對于保障我國糧食自給和糧食安全具有重要意義。本文旨在構(gòu)建基于土壤多重功能的黃淮海平原土壤健康評價指標(biāo)體系，并提出綜合評價方法，從而進(jìn)一步對該區(qū)域典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤健康現(xiàn)狀進(jìn)行評價，也為后續(xù)探究該區(qū)域土壤健康長期變化規(guī)律，以及實(shí)施土壤資源精準(zhǔn)管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃淮海平原是中國第二大平原，大致位于113°～121°E，32°～40°N。西起太行山、秦嶺東麓，東臨渤海、黃海、山東丘陵，北起燕山，西南至桐柏山、大別山，東南至蘇皖北部，主要由黃河、淮河、海河和灤河沖積而成。在行政區(qū)域上涉及北京市、天津市、山東省、河北省、河南省、江蘇省和安徽省等5 省2 市，面積超過30 萬km。該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，地形平坦，水、光、熱資源配置總體較好，以潮土、棕壤和褐土為主，耕性良好，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越。主要糧食作物有小麥、玉米等，經(jīng)濟(jì)作物有棉花、花生等。該平原耕作歷史悠久，各類自然土壤已熟化為農(nóng)業(yè)土壤，土層深厚，利用、改造潛力大。該區(qū)域是我國人口、城市密集區(qū)和工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，但也因此引發(fā)一系列土壤生態(tài)環(huán)境問題。

本研究選取該區(qū)域具有代表性的河南封丘、河北欒城和山東禹城等3 個野外生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤健康作為評價對象（圖1）。其中，封丘站位于黃河中下游北岸，屬冀魯豫低洼平原農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤類型主要為黃河沖積物發(fā)育的黃潮土（中國土壤系統(tǒng)分類中的淡色潮濕雛形土），實(shí)行冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度。欒城站地處太行山山前平原，屬海河流域子牙河水系，農(nóng)作物為冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作，代表黃淮海平原北部潮褐土（系統(tǒng)分類中的斑紋簡育干潤淋溶土）集約高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)類型。禹城站位于黃河下游，地貌類型為黃河沖積平原，土壤母質(zhì)為黃河沖積物，以典型潮土或鹽化潮土（系統(tǒng)分類中的淡色潮濕雛形土和弱鹽淡色潮濕雛形土）為主。種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟，代表黃淮海平原河間淺平洼地農(nóng)業(yè)生態(tài)類型。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來自于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）。CERN 自1988 年組建以來，逐步形成了由農(nóng)田、森林、草地、荒漠、沼澤、湖泊、海灣等生態(tài)系統(tǒng)類型共44 個生態(tài)站以及土壤、水分、大氣、生物、水體5 個學(xué)科分中心和1個綜合中心構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系，其中陸地生態(tài)站有37 個，包含16 個農(nóng)田生態(tài)站。CERN 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了野外觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累，對土壤肥力、環(huán)境和生物指標(biāo)進(jìn)行了長期監(jiān)測，具有比較系統(tǒng)、完整的數(shù)據(jù)集，為開展我國長期生態(tài)學(xué)監(jiān)測與綜合研究提供了很好的數(shù)據(jù)支撐。本文農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)資料采用CERN 河南封丘站、河北欒城站和山東禹城站的2017 年長期采樣地觀測數(shù)據(jù)，其中包括綜合觀測場、輔助觀測場的長期監(jiān)測樣地和站區(qū)調(diào)查點(diǎn)等。土壤數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//soil.geodata.cn/），生態(tài)站氣象數(shù)據(jù)、生物指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)來源于國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源共享服務(wù)平臺（http：//www.cnern.org.cn/），DEM 采用SRTM 90 m 數(shù)據(jù)，干燥度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的氣象背景數(shù)據(jù)集，礫石含量和微生物豐度數(shù)據(jù)來源于中歐合 作 項 目 iSQAPER （ http ： //www.isqaperproject.eu/）。相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取方式或測定方法匯總于表1。

表1 相關(guān)數(shù)據(jù)獲取方法Table 1 Sources and acquisition methods of relevant data

續(xù)表

1.3 土壤健康評價的總體框架

本研究土壤健康評價總體框架參考德國Müncheberg 評價系統(tǒng)（M-SQR），將評價指標(biāo)分為2 大類：基礎(chǔ)項指標(biāo)和限制項指標(biāo)，如圖2 所示。其中，基礎(chǔ)項指標(biāo)是指與土壤肥力、環(huán)境、健康和作物生長有關(guān)的指標(biāo)，其選取主要依賴土壤功能。根據(jù)“1+4”分類方案，將土壤功能歸納為5 類：作物生產(chǎn)功能、持水凈水功能、養(yǎng)分運(yùn)移與緩沖功能、碳固存能力以及棲息地與多樣性功能。每項功能均包括受自然成土因素影響的、相對穩(wěn)定的固有（Inherent）屬性，以及由于人類使用、管理而發(fā)生變化的動態(tài)（Dynamic）屬性2 個部分。而限制項指標(biāo)是指妨礙作物正常生長發(fā)育或嚴(yán)重限制土壤功能發(fā)揮的指標(biāo)，比如土壤侵蝕、土壤污染等。基礎(chǔ)項指標(biāo)之間是加和關(guān)系，而限制項指標(biāo)屬于乘性關(guān)系。顯然，限制項指標(biāo)對于土壤固有屬性和動態(tài)屬性的影響程度不同，如果使用同一個乘數(shù)無法體現(xiàn)這種差異，所以本文采用了2 個乘數(shù)來計算土壤健康值。由此可見，利用這種框架對土壤健康進(jìn)行評價時，既能基于基礎(chǔ)項指標(biāo)反映土壤的基礎(chǔ)功能，又能通過限制項指標(biāo)體現(xiàn)限制性因子的影響，因而具有較大的適用性。

圖2 土壤健康評價的總體框架Fig. 2 General framework of the soil health assessment scheme

針對基礎(chǔ)項中的固有屬性指標(biāo)，從氣候、地形、水文和土壤本身等條件劃分和選取，對于動態(tài)屬性指標(biāo)，則分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)3 方面。限制項指標(biāo)對固有和動態(tài)屬性的影響程度分別以乘數(shù)f和f表征，每次評價時，取限制項指標(biāo)中的最小乘數(shù)與土壤健康基礎(chǔ)分值相乘，并將固有屬性和動態(tài)屬性評分相加，得到待評價對象不同功能的土壤健康評分，進(jìn)一步計算得出土壤健康綜合得分值SH。

1.4 評價指標(biāo)的選取

影響土壤健康狀況的因素眾多，建立的指標(biāo)體系須立足于綜合、全面、系統(tǒng)的原則，且應(yīng)選取有代表性、影響較大的指標(biāo)。此外，也要考慮數(shù)據(jù)的可獲得性和可量化性。指標(biāo)數(shù)據(jù)可以通過實(shí)地觀測得到，或者可以從其他可靠的途徑獲取，如統(tǒng)計年鑒、普查數(shù)據(jù)、權(quán)威機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品等，以保證評價結(jié)果的客觀性和科學(xué)性。

按照1.3 總體框架，本研究設(shè)定了一套評價指標(biāo)體系（表2）。其中，固有屬性主要包括氣候、地形、水文和土壤4 個方面?？紤]到氣候和地形因子是影響土壤形成和發(fā)育的重要立地和環(huán)境條件，所以本文選取了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的積溫、年降水量、年均溫和干燥度等氣候指標(biāo)，以及海拔、坡度、坡向、坡位等地形指標(biāo)，來表征研究區(qū)水熱狀況和地形地貌特征對于土壤健康的指示作用。水文因子選取地下水埋深和排水性等指標(biāo)，用于衡量供水和排水能力。土壤指標(biāo)參考Vogel 等和梁思源和吳克寧的研究，選取成土母質(zhì)、表層質(zhì)地、土體厚度、土壤礦物類型、剖面構(gòu)型、礫石含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和表層土溫等評價指標(biāo)。

表2 土壤健康評價指標(biāo)體系Table 2 Soil health assessment index system

土壤動態(tài)屬性按照物理、化學(xué)和生物學(xué)3 大類去選取。參照USDA、Novák 等、Larson 和Pierce、陳夢軍等的研究，化學(xué)指標(biāo)選取有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀及速效含量、陽離子交換量（CEC）、pH 等；物理指標(biāo)包括土壤容重、孔隙度、田間持水量、有效含水量、飽和導(dǎo)水率、扎根深度等；生物指標(biāo)則包括根生物量、微生物生物量碳氮、微生物多樣性、土壤呼吸、蚯蚓豐度等。

隨著人類對土壤資源的不斷開發(fā)和利用，土壤功能將不可避免地受到一定程度的損害。人類活動引發(fā)的危害和氣候、地形等自然要素相互作用，會加速土壤退化，威脅生態(tài)平衡。如果土體中存在重金屬含量超標(biāo)、鹽堿化程度過強(qiáng)、農(nóng)藥農(nóng)膜殘留過多等問題，會嚴(yán)重影響土壤健康水平，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、生物多樣性減少以及人體健康風(fēng)險。考慮到限制項指標(biāo)對土壤功能的重要影響，本文參考Gl?sner 等和Mueller 等的研究，選用土壤污染、鹽堿化程度、侵蝕程度、障礙層深度、巖石裸露程度、酸化速率、壓實(shí)程度、旱澇災(zāi)害敏感性、農(nóng)藥農(nóng)膜殘留量等指標(biāo)作為土壤健康限制因子。

各項土壤功能的評價指標(biāo)設(shè)置詳述如下：

（1）作物生產(chǎn)功能。生產(chǎn)功能是人類很早就認(rèn)識的一項土壤功能，研究區(qū)水熱條件、地形地貌、成土因素和人類活動對土壤生產(chǎn)功能均具有至關(guān)重要的影響。良好的水熱條件可以滿足作物生長的需要，地形地貌特征既能影響局地小氣候，又能影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難易程度。適宜的地下水位以及良好的土壤排水性能可以改善作物的生長環(huán)境，提升糧食生產(chǎn)水平。成土因素決定著土壤耕性的好壞，是土壤利用和管理的重要依據(jù)。人類活動對耕地土壤的管理主要是通過不同耕作方式和施肥處理來改善土壤肥力，提升作物生產(chǎn)力。有機(jī)質(zhì)具有保肥供肥作用，氮、磷、鉀三種營養(yǎng)元素與作物生長息息相關(guān)，各類養(yǎng)分及pH、CEC 這些化學(xué)成分和性質(zhì)會影響土壤環(huán)境中發(fā)生的眾多反應(yīng)和過程。物理指標(biāo)可以反映土壤的疏松、緊實(shí)程度和透水、通氣狀況，而生物指標(biāo)可以反映土壤生物學(xué)活性大小，是表征土壤肥力的敏感性指標(biāo)。因此，本文選用了前文提及的所有固有屬性以及動態(tài)屬性。

（2）持水凈水功能。土壤在水循環(huán)過程中，需要著重關(guān)注其對水分的滲透與吸持能力，土壤持水性能的提高可以增強(qiáng)土壤抗旱能力，保證作物需水要求。此外，土壤本身也是污染物質(zhì)的緩沖帶和過濾器，可以通過吸附、分解、轉(zhuǎn)化等過程，降低環(huán)境污染給人類和動植物帶來的健康風(fēng)險。質(zhì)地較黏的土壤水分不易流失，并且可以在一定程度上阻隔污染物的運(yùn)移。有機(jī)質(zhì)可以改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤緩沖性能，有機(jī)質(zhì)含量越高，地勢越平坦，土壤保水保肥能力就越強(qiáng)。土壤吸附重金屬和其他污染物質(zhì)的能力依賴于pH 的高低。此外，水分參數(shù)也非常重要，飽和導(dǎo)水率反映了土壤的入滲性質(zhì)，田間持水量是土壤所能吸持的最大水量，均是表征土壤持水特性的重要因子。所以，本文選取反映土壤持水凈水能力的指標(biāo)主要包括：坡度、坡位、土壤質(zhì)地、容重、孔隙度、飽和導(dǎo)水率、田間持水量、有機(jī)質(zhì)、pH 等。

（3）養(yǎng)分運(yùn)移與緩沖能力。為作物生長提供養(yǎng)分，促進(jìn)土壤生物化學(xué)過程與養(yǎng)分循環(huán)是土壤的關(guān)鍵功能之一，評價土壤養(yǎng)分運(yùn)移與緩沖功能主要是探究土壤提供和保蓄營養(yǎng)物質(zhì)的能力。有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的主要來源，土壤微生物參與有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分循環(huán)，能促進(jìn)土壤養(yǎng)分的有效化，對養(yǎng)分循環(huán)有調(diào)控作用。土壤溫度不僅會影響各種微生物活動，還影響有機(jī)質(zhì)的分解速率。養(yǎng)分緩沖能力可以通過離子擴(kuò)散、吸附、交換作用體現(xiàn)，土壤中養(yǎng)分的運(yùn)移往往伴隨著土壤水分的流動，地下水埋深可以一定程度上影響?zhàn)B分運(yùn)動速率和緩沖效率。土壤質(zhì)地影響土壤空氣和水熱狀況，也影響著養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其大小、穩(wěn)定性和分布在養(yǎng)分的供應(yīng)、保持和轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮著重要的作用。所以，針對該項功能，本文選取土壤溫度、土壤質(zhì)地、礦物類型、土體厚度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、地下水埋深等固有屬性以及土壤有機(jī)質(zhì)、CEC、pH、微生物生物量等動態(tài)屬性。

（4）碳固存能力。碳固存能力不僅對氣候調(diào)節(jié)有決定性作用，而且還影響其他土壤功能。農(nóng)田土壤固碳過程受氣候、土壤理化性質(zhì)等自然因素以及農(nóng)田管理措施等人為因素的影響。土壤有機(jī)碳儲量的多少主要反映在有機(jī)質(zhì)含量上。研究表明，隨著土層深度的增加，農(nóng)田土壤有機(jī)碳呈下降趨勢。土壤質(zhì)地是控制土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的重要因素，黏粒和粉粒存在離子吸附作用，故與砂質(zhì)土壤相比，黏粉質(zhì)土壤能吸附更多的有機(jī)碳。土壤容重、pH 與土壤固碳速率密切相關(guān)，這類結(jié)構(gòu)性因素在農(nóng)田土壤固碳時空變異方面起主導(dǎo)作用。此外，氣候條件對有機(jī)碳儲量也有重要影響，一般在涼爽潮濕的條件下有機(jī)碳儲量通常較高，而在溫暖干燥條件下較少。相較于其他生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫，農(nóng)田土壤碳庫更容易受人類活動的影響，合理施用有機(jī)肥可以增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，有助于提高碳固存潛力。所以對該功能進(jìn)行評價時，主要考慮年均溫、降水量、土壤質(zhì)地、礦物類型、土體厚度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、有機(jī)質(zhì)、容重、pH、蚯蚓豐度等指標(biāo)。

（5）棲息地與多樣性功能。土壤能夠?yàn)閯又参锖臀⑸锛捌渖顒犹峁鏊?，這是其他土壤功能的重要前提。棲息地與多樣性功能的意義在于提供一個基因庫，防止物種滅絕，以達(dá)到保護(hù)稀有物種和提高生物多樣性的作用。土壤生物受當(dāng)?shù)厮疅釛l件的影響，有研究表明，越靠近赤道，土壤水熱條件越好，物種豐富度越高，且隨著海拔的升高，物種多樣性呈遞減格局。容重較大、孔隙度較小的土壤會導(dǎo)致作物長勢弱，出現(xiàn)土壤板結(jié)等問題。土壤質(zhì)地也會影響生物多樣性，砂化程度較高的土壤容易漏水、漏肥，土質(zhì)比較貧瘠，生物量較低，而有機(jī)質(zhì)含量高、質(zhì)地肥沃的土壤更利于生物生存。因此，評價土壤承載生物群落并維持其多樣性的能力主要考慮年均溫、降水量、海拔、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、pH、容重、孔隙度、有效含水量、生物量、微生物多樣性等指標(biāo)。

1.5 綜合評價方法

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過加權(quán)關(guān)聯(lián)度來表征各評價對象的固有或動態(tài)屬性得分值。首先需要確定各指標(biāo)的權(quán)重，本研究采用熵權(quán)法確定各個評價指標(biāo)的相對重要程度，即通過計算指標(biāo)的信息熵值來反映某項指標(biāo)對于總體評價目標(biāo)的信息貢獻(xiàn)程度。

由于各評價指標(biāo)的量綱和量級存在一定差異，對土壤健康的貢獻(xiàn)效果也不同，因此，首先需要進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和正向化處理。對于定性指標(biāo)，通過文獻(xiàn)分析、專家經(jīng)驗(yàn)法等方式分級確定分值。對于定量指標(biāo)，正向數(shù)據(jù)的處理方法為=/max{}，逆向數(shù)據(jù)的處理方法為= min{}/。關(guān)于表層土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型等定性指標(biāo)，分級標(biāo)準(zhǔn)參考自然資源部（原國土資源部）提出的《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程（GB/T 28407-2012）》。對于定量指標(biāo)，則通過正向化和標(biāo)準(zhǔn)化的方法轉(zhuǎn)化成0～1 之間的無量綱值。這樣可以保證正向指標(biāo)（如積溫、有機(jī)質(zhì)、CEC 等）和逆向指標(biāo)（海拔、坡度等）均呈現(xiàn)為當(dāng)數(shù)值越大時，則說明在某一采樣地該項指標(biāo)表現(xiàn)越優(yōu)，對土壤健康的正向貢獻(xiàn)也就越大。pH、容重等指標(biāo)為區(qū)間型指標(biāo)，但針對黃淮海平原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，可將pH、容重作為逆向數(shù)據(jù)處理。

假設(shè)有個待評價對象，個評價指標(biāo)，則第個指標(biāo)的信息熵值及權(quán)重值為：

其中，

式中，為調(diào)節(jié)系數(shù)，當(dāng)1ln（）時，0≤≤1。但在待評價對象較少的情況下，可能會出現(xiàn)權(quán)重差異明顯的問題，與實(shí)際情況不符，為避免這種偶然性，設(shè)調(diào)節(jié)參數(shù)為1，0≤1。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是根據(jù)每個評價對象指標(biāo)數(shù)列與參考數(shù)列對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)大小，來衡量各評價對象指標(biāo)數(shù)列與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)程度的一種方法。參考數(shù)列一般設(shè)定為系統(tǒng)中質(zhì)量最高的，所以，當(dāng)某評價對象指標(biāo)數(shù)列與其關(guān)聯(lián)度值越大時，表示與“理想”數(shù)列越接近，說明其質(zhì)量越優(yōu)?；疑P(guān)聯(lián)度的具體計算過程見文獻(xiàn)[49]。通過計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ（），再根據(jù)熵權(quán)法獲得的權(quán)重即可得到加權(quán)關(guān)聯(lián)度值，作為固有屬性（）或動態(tài)屬性（）的評分。以某項功能的固有屬性得分為例，計算公式為：

1.6 限制因子乘數(shù)

以無風(fēng)險或功能未受到明顯影響的土壤作為基準(zhǔn)，設(shè)定其乘數(shù)為1。如果研究區(qū)內(nèi)土壤健康受某些限制因子的影響較大，則需要考慮其中多種較為嚴(yán)重（活躍）的障礙因子對土壤退化的貢獻(xiàn)程度，并確定相應(yīng)乘數(shù)，然后取限制項指標(biāo)中的最小乘數(shù)作為乘數(shù)因子?？紤]到不同的限制項指標(biāo)對于土壤固有屬性和動態(tài)屬性的影響程度存在差異，比如：土壤污染等因子以影響動態(tài)屬性為主，土壤侵蝕程度等因子對固有和動態(tài)屬性均有一定影響，而土壤鹽堿化程度、巖石裸露程度等因子對動態(tài)屬性的影響相對較大，對固有屬性的影響相對較小，所以本文采用了2 個乘數(shù)，進(jìn)而獲得各待評價對象不同功能的土壤健康評分和土壤健康綜合指數(shù)。

式中，為固有屬性得分，為動態(tài)屬性得分，和分別取相應(yīng)限制因子中的最小乘數(shù)，W為第項功能的權(quán)重。

關(guān)于各限制項指標(biāo)乘數(shù)建議值的確定，Mueller等認(rèn)為乘數(shù)的設(shè)定需要考慮次一級限制因子的數(shù)量。例如，若干旱是某地區(qū)的主要威脅指標(biāo)，參考分級手冊（表3），將其評級為1.25 級（對應(yīng)乘數(shù)為2.1）。此外，如果該地區(qū)也受到土壤酸化和氣候過冷等其他威脅指標(biāo)的影響，則需要將乘數(shù)降至1.7。如果想要在更大區(qū)域內(nèi)獲得類似的評級結(jié)果，則需要根據(jù)可靠的氣象數(shù)據(jù)來進(jìn)一步估計干旱乘數(shù)。

表3 干旱等級和乘數(shù)建議值[19]Table 3 Ratings of drought and suggested multipliers[19]

對于本研究提出的限制項指標(biāo)，其風(fēng)險等級的劃分可以參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程（GB/T 28407-2012）》、《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ/T 166-2004 ）》、《 土 壤 侵 蝕 分 類 分 級 標(biāo) 準(zhǔn)（SL190-2007）》、《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量（GB 2763-2019）》等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及相關(guān)文獻(xiàn)中的分級建議。由于空間尺度對限制因子乘數(shù)分級的設(shè)定影響較大，因此，本文僅考慮了研究區(qū)內(nèi)的限制項指標(biāo)對土壤健康狀況的影響，并根據(jù)各站點(diǎn)的限制因子對土壤固有屬性和動態(tài)屬性的相對影響程度，分別設(shè)定了2 個乘數(shù)，側(cè)重3個生態(tài)實(shí)驗(yàn)站土壤健康水平的對比研究與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 參評指標(biāo)選取與分析

生態(tài)站數(shù)據(jù)采用封丘、欒城和禹城站中數(shù)據(jù)集比較完整的長期采樣地2017 年秋季表層土壤觀測數(shù)據(jù)，由于部分指標(biāo)每5 年才監(jiān)測一次，故本文少量數(shù)據(jù)使用最近年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。綜合考慮評價指標(biāo)的選取原則，針對黃淮海平原糧食主產(chǎn)區(qū)特點(diǎn)，依據(jù)長期觀測及實(shí)地調(diào)查等數(shù)據(jù)，考慮到 3 個典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站均位于黃淮海平原農(nóng)業(yè)區(qū)，耕作歷史悠久，土壤固有屬性比較接近，對土壤健康的貢獻(xiàn)差異較小，因此，最終選用的固有屬性包括氣候因子中的生長期≥ 10 ℃積溫、年降水量、氣候干燥度、年均溫，地形因子中的海拔高度、坡度，水文因子中的地下水埋深，土壤要素中的表土溫度、表層土壤質(zhì)地（黏粒、粉粒、砂粒含量）、礫石含量等；選用的動態(tài)屬性包括有機(jī)質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀和速效含量、pH、CEC、容重、孔隙度、田間持水量、有效含水量、耕層根生物量、微生物生物量碳、微生物豐度等指標(biāo)。限于篇幅，本文僅列出各臺站綜合觀測場土壤評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，見表4?？梢钥闯?，各站地形平坦，水熱條件較好，土壤總體呈弱堿性，其中禹城站pH 偏高，封丘站較低。有機(jī)質(zhì)含量欒城站較高，封丘站偏低。總體而言，黃淮海平原土壤質(zhì)地為壤土，土層深厚，無明顯侵蝕，保水保肥性能較好。且該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較好，養(yǎng)分整體呈中等水平，比較適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)。

表4 臺站綜合觀測場指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 4 Statistics of index data of the comprehensive observation field

經(jīng)過多年耕作，3 個農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的土壤已熟化為農(nóng)業(yè)土壤，均無明顯侵蝕，地表露頭度達(dá)到《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中的I 級標(biāo)準(zhǔn)，無該項風(fēng)險。關(guān)于土壤污染，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）GB 15618-2018》中的污染物風(fēng)險閾值，計算得到封丘、欒城和禹城的土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均低于0.7，處于清潔水平，暫無土壤污染風(fēng)險。根據(jù)黃淮海平原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，考慮的限制項指標(biāo)主要有土壤鹽堿化程度、障礙層深度等。禹城站以鹽化潮土為主，據(jù)第二次土壤普查，該地區(qū)春季返鹽現(xiàn)象明顯，0～5 cm土層含鹽量顯著高于下部土層，存在一定程度的鹽堿化威脅，近年來經(jīng)過鹽漬土改良，土壤肥力得到明顯提高。隨著國家土地整治工作的推進(jìn)，封丘農(nóng)田土壤含鹽量大幅下降，僅個別中低產(chǎn)田會受土壤鹽漬化影響。其耕層質(zhì)地為壤土，下部為壤質(zhì)黏土，可起到托水托肥的作用。欒城基本不存在鹽分積累，土壤質(zhì)地適中且較為均一，灌排條件較好，90 cm以內(nèi)幾乎無障礙層次。據(jù)此最終設(shè)定禹城站為0.95，為0.85；欒城站的乘數(shù)為1；封丘站介于兩者之間，乘數(shù)設(shè)為0.975，乘數(shù)設(shè)為0.95。

2.2 土壤健康綜合評價

依據(jù)所構(gòu)建的農(nóng)田土壤健康評價指標(biāo)體系，按照不同的土壤功能，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，計算固有屬性和動態(tài)屬性中各評價對象與參考數(shù)列的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度值。然后根據(jù)式（5）和式（6）計算得到土壤健康綜合指數(shù)?？紤]到數(shù)據(jù)的完整性，分別對3 個站的綜合觀測場、封丘站FZ01、FZ02、FZ05、欒城站FZ01、FZ02、FZ03 和禹城站FZ01、FZ02輔助觀測場等采樣地土壤進(jìn)行綜合評價。表5 僅列舉了各農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站長期采樣地中綜合觀測場的土壤健康綜合評分值。總體來看，3 個站土壤健康平均得分比較接近，但仍存在少量差異。對于土壤生產(chǎn)功能，表現(xiàn)為封丘＞禹城＞欒城；對于持水凈水功能，表現(xiàn)為禹城＞欒城＞封丘；對于養(yǎng)分運(yùn)移和緩沖功能，表現(xiàn)為禹城＞欒城＞封丘；對于碳固存能力，表現(xiàn)為欒城＞禹城＞封丘；對于棲息地與多樣性功能，表現(xiàn)為封丘＞欒城＞禹城。賦予各功能等權(quán)重，則封丘、欒城、禹城站綜合觀測場的土壤健康綜合評分值呈現(xiàn)出禹城＞欒城＞封丘的結(jié)果。根據(jù)分值大小的比較結(jié)果，整體而言，3 個站點(diǎn)土壤健康狀況均較好，其中禹城的總體土壤健康水平相對最優(yōu)，其次是欒城，再次是封丘。從評價結(jié)果看，封丘站土壤健康得分相對偏低，可能是由于封丘縣位于黃河北岸，土壤砂粒含量偏高，不利于有機(jī)碳的積累和固定，影響了其土壤功能的發(fā)揮。

表5 臺站綜合觀測場土壤健康綜合評分值Table 5 Comprehensive soil health scores of the comprehensive observation field

由于不同采樣地的管理措施不盡相同，因而土壤健康存在一定的差異。臺站內(nèi)不同采樣地之間的土壤健康差異主要體現(xiàn)在動態(tài)屬性得分上。圖3 對比了不同農(nóng)田管理方式下的作物生產(chǎn)功能評分。從圖中可以看出，黃淮海平原范圍內(nèi)的3 個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤生產(chǎn)能力總體接近，且整體處于較高水平，但仍呈現(xiàn)出一定差異。各農(nóng)田生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的01 號輔助樣地（FZ）為對照不施肥區(qū)域，故其生產(chǎn)能力均低于其他樣地。禹城的02 號輔助樣地施肥處理為過磷酸鈣、尿素、小麥秸稈和硫酸鉀等，其土壤生產(chǎn)潛力明顯高于其他樣地，該樣地玉米單產(chǎn)同樣也是地區(qū)最高水平。從各農(nóng)田生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的綜合觀測場長期采樣地（ZH）來看，封丘站的土壤生產(chǎn)功能最佳。

圖3 不同對照實(shí)驗(yàn)下農(nóng)田土壤生產(chǎn)功能綜合評分對比Fig. 3 Comparison between different experiment fields in comprehensive soil production function score

2.3 驗(yàn)證及討論

本研究針對黃淮海平原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，從土壤多功能性的角度構(gòu)建了一套土壤健康評價指標(biāo)體系，并結(jié)合對土壤功能有限制作用的乘性因子來體現(xiàn)區(qū)域之間的差異。該評價體系參考了德國Müncheberg 評價系統(tǒng)（M-SQR），并且分別考慮了限制因子對固有屬性和動態(tài)屬性影響的差異性，采用了2 個乘數(shù)，因而評價方法較為合理。由于生產(chǎn)功能是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的功能，進(jìn)一步將土壤生產(chǎn)功能評分值與產(chǎn)量進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果顯示作物生產(chǎn)功能與產(chǎn)量的達(dá)到0.60（圖4），表明本文所建立的評價指標(biāo)體系較為合理。

圖4 作物生產(chǎn)功能驗(yàn)證Fig. 4 Verification of crop production function

德國M-SQR 指標(biāo)方案是基于陸生植物需要適合的生長環(huán)境和健康的土壤條件建立起來的，選取與生產(chǎn)力相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行評分，并考慮威脅指標(biāo)的影響，可以作為全球農(nóng)田土壤健康評價的實(shí)用性參考框架，已在德國、俄羅斯、中國等國家進(jìn)行了成功試點(diǎn)。有其他學(xué)者也基于這種理念，從基礎(chǔ)指標(biāo)和限制性指標(biāo)兩方面來構(gòu)建評價體系和方法。Liu 等提出了一種評估中國耕地質(zhì)量的新分級系統(tǒng)，該評價系統(tǒng)包括生產(chǎn)能力質(zhì)量（PCQ）評價和環(huán)境質(zhì)量（EQ）評價兩個獨(dú)立的指標(biāo)體系和一個綜合分等定級方案。其基于Mueller 等的研究理念，將加權(quán)線性模型與最小限制因子法相結(jié)合，應(yīng)用于耕地產(chǎn)能和環(huán)境質(zhì)量評價，并以陜西省西部黃土高原地區(qū)的義門鎮(zhèn)為例，對新系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)證研究。由此看來，M-SQR 中主要的原則和理念適用于基于不同土壤功能的土壤健康評價，采用基礎(chǔ)項指標(biāo)和乘性因子相結(jié)合的方法是合理的。

本文土壤健康評價的總體框架基礎(chǔ)參考的是德國的評價系統(tǒng)，但具體評價指標(biāo)的選取方案和綜合評價方法與之是不同的。除考慮土壤生產(chǎn)功能外，還考慮了其他的土壤功能。并且每項功能均有各自對應(yīng)的基礎(chǔ)項指標(biāo)，同時也會受到一定程度的限制性因子的影響。其中基礎(chǔ)項指標(biāo)覆蓋氣象、地形、水文、土壤理化生性質(zhì)等多方面，是有針對性地進(jìn)行選取，能大體反映出各土壤功能的實(shí)際狀態(tài)和特點(diǎn)。至于具體到特定區(qū)域、特定功能，該乘性因子取值究竟多少才合理，需要大量樣本數(shù)據(jù)來估算。目前，針對研究區(qū)，受限于樣本量較小，本研究暫未考慮不同功能之間各乘性因子的差異，而是將他們同等對待。關(guān)于驗(yàn)證部分，文章對土壤最基礎(chǔ)的生產(chǎn)力功能進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了比較好的擬合效果，后續(xù)可以通過獲取更多的樣本數(shù)據(jù)來對其他功能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究采用熵權(quán)系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法計算評價對象加權(quán)關(guān)聯(lián)度值，進(jìn)而綜合評估土壤健康水平。熵權(quán)法雖然是根據(jù)原始數(shù)據(jù)本身所攜帶的信息計算指標(biāo)權(quán)重，具有較強(qiáng)的客觀性，但缺乏決策者和專家的經(jīng)驗(yàn)知識，有時候得到的權(quán)重值可能不一定符合該指標(biāo)的實(shí)際重要程度。今后可以考慮選用多種綜合評估方法進(jìn)行評價，并對比評估結(jié)果，以找出最佳方案。此外，由于限制項指標(biāo)對土壤健康的影響在全國范圍內(nèi)存在較大差異，所以，本文僅提供了其風(fēng)險等級的劃分參考。根據(jù)黃淮海平原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，分別對封丘、欒城和禹城生態(tài)站土壤各設(shè)定了2 個乘數(shù)，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間土壤健康的相對比較，存在一定的主觀性，若針對其他評價對象和研究尺度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新考慮乘數(shù)。目前的研究還無法支持對不同的限制項指標(biāo)在不同尺度、不同地區(qū)乘數(shù)分級的制定，這個問題將作為后續(xù)的研究重點(diǎn)，未來可以依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)對乘數(shù)進(jìn)行更加科學(xué)的確定。

在土壤健康評價過程中，空間尺度決定了評估成果的適用范圍。一般而言，空間尺度越小，指標(biāo)體系的劃分就要更加具體細(xì)致，才能滿足更小區(qū)域內(nèi)評價土壤健康狀況的需求。對于不同的評價尺度，評價指標(biāo)體系總體上是具有相似性的，但為了更好地貫徹因地制宜原則，可以將指標(biāo)體系考慮得更為細(xì)致。本文主要針對黃淮海區(qū)域典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提出了土壤健康評價方法，不一定適合于其他區(qū)域和尺度。實(shí)際應(yīng)用中仍然需要針對區(qū)域生態(tài)環(huán)境及土壤特點(diǎn)，進(jìn)一步調(diào)整或細(xì)化指標(biāo)體系，以更好體現(xiàn)不同尺度的土壤健康分布特征。

3 結(jié) 論

本研究針對黃淮海平原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，從土壤的生產(chǎn)功能、持水凈水功能、養(yǎng)分運(yùn)移與緩沖功能、碳固存能力以及棲息地與多樣性功能等方面，按照基礎(chǔ)項和限制項指標(biāo)，構(gòu)建土壤健康評價指標(biāo)體系。并利用灰色關(guān)聯(lián)分析法，計算得到土壤健康基礎(chǔ)分值，然后分別對固有屬性和動態(tài)屬性采用不同的限制因子乘數(shù)，綜合評估了黃淮海平原3 個典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤健康現(xiàn)狀?？傮w而言，該地區(qū)土壤健康水平比較接近，且整體處于較高水平，但仍有所差異，表現(xiàn)為禹城土壤健康水平較高，其次是欒城，再次是封丘。不同農(nóng)田管理方式下的采樣地，其土壤健康也存在一定差異。不施肥的樣地，其生產(chǎn)能力均低于該地區(qū)其他樣地，土壤健康較優(yōu)的禹城站，其采用施肥+秸稈處理的02 號輔助樣地土壤生產(chǎn)潛力最高。同時，作物生產(chǎn)功能與產(chǎn)量水平達(dá)到0.60，說明本研究所建立的指標(biāo)體系較為合理。此評價方法體系可以為相近區(qū)域的土壤健康評價提供參考。

感謝CERN 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站封丘站、欒城站、禹城站及土壤分中心、生物分中心、水分分中心、大氣分中心和綜合中心提供的數(shù)據(jù)支持。