趙 瑞 吳克寧,2 楊淇鈞 馮 喆 趙華甫 張 琢

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100035)

0 引言

耕地是保障國(guó)家糧食安全的基礎(chǔ)，土壤是耕地生產(chǎn)的重要載體，是維持耕地可持續(xù)利用至關(guān)重要的有限資源?，F(xiàn)有的耕地土壤健康(質(zhì)量)評(píng)價(jià)研究大多關(guān)注生產(chǎn)能力，而對(duì)土壤功能與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)考慮不足，這不利于科學(xué)評(píng)價(jià)和管理[1]。土壤健康研究可在土壤管理中增加生物學(xué)觀點(diǎn)，以應(yīng)對(duì)糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性挑戰(zhàn)[2]。土壤健康狀況直接影響著人類的生產(chǎn)、生活和生態(tài)安全，研究耕地土壤健康狀況及其空間分布特征，對(duì)實(shí)現(xiàn)耕地資源管護(hù)，保障糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。近年來(lái)，一些國(guó)家和國(guó)際組織相繼提出了有關(guān)土壤健康的行動(dòng)計(jì)劃，如世界糧農(nóng)組織的全球土壤伙伴計(jì)劃(Global soil partnership，GSP)、美國(guó)農(nóng)業(yè)部的土壤健康——解開土壤奧秘行動(dòng)計(jì)劃、歐盟土壤健康行動(dòng)計(jì)劃等，中國(guó)土壤學(xué)會(huì)于2018年成立土壤健康工作組，開始關(guān)注健康土壤的培育思路及行動(dòng)路徑[5]。

在早期研究中，“土壤健康”常用作“土壤質(zhì)量”的同義詞。土壤質(zhì)量評(píng)估通常側(cè)重于作物生產(chǎn)，但實(shí)質(zhì)上，土壤健康涵蓋土壤在水質(zhì)、氣候變化和人類健康方面的綜合影響作用[6-8]。1941年LEOPOLD[9]首次提出“土壤健康”是土壤具有的自我調(diào)節(jié)與更新的能力。隨著研究的不斷深入，土壤健康概念進(jìn)一步完善，使用較多的是美國(guó)農(nóng)業(yè)部定義的“土壤作為重要的生態(tài)系統(tǒng)，可維持動(dòng)植物和人類生命的持續(xù)能力”[10]。我國(guó)于2016年將土壤健康概念引入GB/T 33469—2016《耕地質(zhì)量等級(jí)》，土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)具有維持其功能的持續(xù)能力。也有學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了土地健康[11]、土壤健康[12]、耕地健康[13]、耕地健康產(chǎn)能[14]等研究，豐富了土壤健康的內(nèi)涵。在ANDREWS等[15]提出的土壤管理評(píng)價(jià)框架(Soil management assessment framework, SMAF)下，土壤健康評(píng)價(jià)方法已形成了“制定評(píng)價(jià)目標(biāo)—明確評(píng)價(jià)對(duì)象和涉及的土壤功能—選取評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方式—輸出評(píng)價(jià)結(jié)果”的常用技術(shù)路線。土壤具有多種功能，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和維持陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用。通過(guò)選取土壤屬性、地形地貌和氣候條件等指標(biāo)，利用定性定量模型和數(shù)字土壤制圖技術(shù)準(zhǔn)確表征各種土壤功能，然后對(duì)多種土壤功能的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行整合和分析，這是土壤健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[16]。

目前，已有如康奈爾土壤健康綜合評(píng)價(jià)(Comprehensive assessment of soil health-the Cornell framework, CASH)系統(tǒng)[17]、印度土壤健康卡(Soil health card, SHC)[18]和歐洲土壤監(jiān)測(cè)和評(píng)估框架[19]等土壤健康評(píng)價(jià)方案，但均未明確目標(biāo)土壤功能，只能滿足特定空間尺度的土壤利用與管理需求[20]。此外，健康的土壤具有恢復(fù)力和抵抗力，能夠在沒有環(huán)境污染脅迫的情況下實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)力[21]。德國(guó)同時(shí)關(guān)注土壤功能和重金屬污染脅迫，進(jìn)行了服務(wù)于自然資源管理實(shí)際需求的土壤功能評(píng)價(jià)研究[22]。歐盟土壤專題戰(zhàn)略確定了對(duì)歐洲土壤質(zhì)量的主要威脅是土壤侵蝕、有機(jī)質(zhì)減少、污染、密封、壓實(shí)、土壤生物多樣性減少、鹽漬化、洪水和滑坡[23]。歐洲環(huán)境局提出的DPSIR(Driver-pressure-state-impact-response)框架將整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過(guò)程和土壤脅迫聯(lián)系在一起，評(píng)價(jià)和管理土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[24]，并用來(lái)支持和管理土壤資源的相關(guān)決策。DPSIR框架強(qiáng)調(diào)了土地利用管理和土壤脅迫，指出了土壤功能發(fā)揮可能受到的阻礙[25]?，F(xiàn)有將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土壤功能結(jié)合的研究中鮮有考慮土壤脅迫作用[26]。目前，國(guó)內(nèi)外土壤功能分類方案不盡相同[27]，但土壤健康研究中關(guān)注的主要土壤功能多與農(nóng)林生產(chǎn)密切相關(guān)，如初級(jí)生產(chǎn)力、養(yǎng)分供給與循環(huán)等功能[28]。近年來(lái)，土壤健康評(píng)估方法研究[29-34]的核心思想都是通過(guò)匯集豐富多元的信息開展定性、定量評(píng)估，以便系統(tǒng)、直觀地表征土壤健康狀況。

土壤具有多相性和多功能性，衡量土壤健康(質(zhì)量)狀況不可能使用單一指標(biāo)和方法，也無(wú)法一直通用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[35]。基于此，本文總結(jié)并融合德國(guó)M-SQR評(píng)估方案和美國(guó)康奈爾土壤健康評(píng)估指標(biāo)，整合“評(píng)價(jià)指標(biāo)—土壤功能/脅迫—土壤健康”的評(píng)價(jià)路徑，探討土壤健康評(píng)價(jià)的新方法。以河南省溫縣為例對(duì)其進(jìn)行適用性研究，探討評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法以及土壤功能與土壤健康間的空間差異，以期豐富和完善耕地土壤健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，平衡區(qū)域內(nèi)糧食生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，為耕地土壤資源的可持續(xù)利用和管理提供技術(shù)支持。

1 理論框架和研究方法

1.1 土壤功能供需、土壤脅迫和土壤健康的關(guān)系表達(dá)

近年來(lái)，土壤功能、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土壤脅迫共同構(gòu)成了土壤健康評(píng)價(jià)研究的主要內(nèi)容[36-37]。人類利用土壤的最終目的是滿足基于人類福祉的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定義為“自然過(guò)程和組成部分直接或間接提供滿足人類需求的商品和服務(wù)的能力”[38]。土壤健康狀況反映了土壤提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力，土壤功能是以土壤為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，有助于產(chǎn)生對(duì)人類社會(huì)需求和環(huán)境有益的商品和服務(wù)。土壤功能也是支撐提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一系列土壤過(guò)程[39]，土壤脅迫卻是影響這一系列過(guò)程的重要危險(xiǎn)因素[40]。土壤功能從生態(tài)系統(tǒng)傳遞到社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為人類所使用，形成功能服務(wù)流即為實(shí)際供給。人類消費(fèi)和使用土壤功能所生產(chǎn)的產(chǎn)品和服務(wù)，形成功能消費(fèi)流即為需求。自然、氣候、環(huán)境、人為活動(dòng)等因素會(huì)在一定程度上影響土壤功能供需狀態(tài)。尤其是作為耕地的直接使用者，人類需求影響著耕地土壤的利用方向和利用程度，也決定了功能發(fā)揮程度。土壤功能實(shí)際供給可以被人類社會(huì)利用，但為了不斷滿足人類需求，可能會(huì)造成土壤提供商品和服務(wù)的能力超過(guò)其本身的實(shí)際供給能力，導(dǎo)致土壤功能供需失衡，進(jìn)而產(chǎn)生一定的脅迫作用，如養(yǎng)分失衡、有機(jī)質(zhì)減少、土壤生物多樣性減少等。而在耕地系統(tǒng)保持土壤健康的過(guò)程中，自然環(huán)境災(zāi)害和不當(dāng)?shù)娜藶榛顒?dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的脅迫作用，如土壤侵蝕、土壤污染、土壤酸化、鹽漬化等。

基于此，本文參照文獻(xiàn)[41]利用“木桶結(jié)構(gòu)”闡釋的基于土壤功能與脅迫的土壤健康觀，初步表達(dá)土壤功能供需、土壤脅迫和土壤健康之間的關(guān)系(圖1)，將初級(jí)生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等土壤功能的供給能力類比為組成各個(gè)木桶的木板，將土壤健康看作木桶發(fā)揮正常作用的狀態(tài)。土壤天生稟賦有差異，對(duì)土壤資源的管護(hù)應(yīng)該是補(bǔ)短板與漏洞(消除土壤脅迫作用)，而非一味加高木桶(不斷集約化生產(chǎn)滿足人類需求而拔高“土壤質(zhì)量”，不斷索取功能服務(wù)，造成土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失調(diào)、欠穩(wěn)定的不可持續(xù)狀態(tài))?；凇澳就敖Y(jié)構(gòu)”，判斷土壤系統(tǒng)是否存在短板、漏洞(脅迫作用)或結(jié)構(gòu)(供需失衡)問(wèn)題，以判斷各種耕地利用類型的土壤健康狀況。

以土壤功能研究見長(zhǎng)的歐盟研究團(tuán)隊(duì)提出將各類土壤功能評(píng)價(jià)結(jié)果分土地利用類型進(jìn)行整合，指導(dǎo)功能性土壤管理，以實(shí)現(xiàn)土壤健康管護(hù)。本文從土壤健康經(jīng)典定義中的“功能”入手，引入功能性土壤管理理論[42]，基于“功能”供需視角[43]，將抽象的土壤健康解構(gòu)為多種易被客觀描述的、與農(nóng)林生產(chǎn)相關(guān)的土壤功能，再結(jié)合具體耕地利用類型(旱地、水田、水澆地)對(duì)土壤功能的需求，探討土壤功能供需能力和土壤脅迫程度，由此評(píng)價(jià)土壤健康狀況。因此界定“耕地土壤健康”的內(nèi)涵為：基于耕地(旱地、水澆地和水田)自身特性與利用需求，持續(xù)供給初級(jí)生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)5種土壤功能，且不存在顯著土壤脅迫的狀態(tài)。聯(lián)合國(guó)提出的全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)中有13項(xiàng)與土壤有關(guān)，消除土壤污染是達(dá)到其中SDG2 “零饑餓”、SDG3 “良好健康與福祉”等幾項(xiàng)目標(biāo)的重要途徑和手段[44]。土壤污染影響食物安全、生物安全、人體健康等多個(gè)方面?？紤]到重金屬污染是我國(guó)目前耕地安全利用的主要威脅[45]，而土壤有機(jī)質(zhì)減少、養(yǎng)分失衡、酸化等其他土壤脅迫因素都可以在土壤功能的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)中體現(xiàn)，本文初選重金屬污染為威脅土壤健康的目標(biāo)脅迫作用，結(jié)合土壤健康內(nèi)涵與耕地利用導(dǎo)向，明確5種土壤功能的供需與土壤健康狀況之間的關(guān)系，擬定“評(píng)價(jià)指標(biāo)—土壤功能/脅迫—土壤健康”整合評(píng)價(jià)路徑，構(gòu)建耕地土壤健康評(píng)價(jià)理論框架(圖2)?；诶碚摽蚣埽疚幕谙闰?yàn)知識(shí)，構(gòu)建半定量化的土壤功能供需判別矩陣，再疊加土壤重金屬污染脅迫水平，形成以表征土壤功能與重金屬脅迫為核心的耕地土壤健康評(píng)價(jià)矩陣。

1.1.1土壤功能供需判別矩陣

借用木桶理論，健康的農(nóng)業(yè)土壤根據(jù)土地利用類型對(duì)各種土壤功能的需求存在差異。當(dāng)人類需求較小或者土壤功能性較高時(shí)，土壤功能可以滿足人類需求，達(dá)到實(shí)際供給大于等于人類需求；而當(dāng)人類需求對(duì)土壤功能的利用超過(guò)其本身具有的能力，造成實(shí)際供給小于等于人類需求。鑒于此，基于土壤功能實(shí)際供給與需求之間的過(guò)程關(guān)系，通過(guò)對(duì)土壤功能供給能力和人類對(duì)土壤功能的需求賦值，建立土壤功能供需矩陣，并選取供需比來(lái)解釋實(shí)際供給與需求之間的盈余關(guān)系[46]，即表征土壤功能的實(shí)際供給是否可以滿足當(dāng)下人類社會(huì)的需求。采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化法和德爾菲法[47-48]，根據(jù)專家知識(shí)與針對(duì)性訪談，為旱地、水澆地、水田3種耕地利用類型對(duì)5種土壤功能的需求和供給能力進(jìn)行5分制賦分，1～5分別代表低需求(供給)到高需求(供給)。將5種土壤功能與主要的3種耕地利用類型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建土壤功能供需判別矩陣。最后將土壤功能供需綜合判別結(jié)果分為功能滿足、功能基本滿足和功能不滿足3類(圖3)。

1.1.2耕地土壤健康評(píng)價(jià)矩陣(土壤健康分級(jí)方案)

在土壤功能供需判別矩陣(圖3)的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB 15618—2018《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)》，將土壤重金屬污染脅迫分為優(yōu)先保護(hù)、安全利用和嚴(yán)格管控3類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，與土壤功能供需綜合判別結(jié)果疊加將土壤分為健康、亞健康和不健康3個(gè)等級(jí)，形成土壤健康評(píng)價(jià)矩陣(圖4)。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

影響土壤功能的因素眾多，建立的指標(biāo)體系須遵循穩(wěn)定性、主導(dǎo)性、區(qū)域性、系統(tǒng)性的原則，選取有代表性、可操作性的指標(biāo)。按照土壤健康評(píng)價(jià)總體框架(圖2)，本文設(shè)定了一套土壤功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。其中，指標(biāo)屬性主要包括氣候、地形、水分和土壤4方面?？紤]到氣候和地形因子是影響土壤形成和發(fā)育的重要自然地理?xiàng)l件，選取了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的年積溫和年降水量指標(biāo)，并選取坡度、地貌類型等地形指標(biāo)來(lái)表征區(qū)域內(nèi)的水熱狀況。考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度，水分條件選取土壤含水率指標(biāo)，用于衡量土壤供水和排水能力。此外，參考前人研究[49-50]，選取了土層厚度、土體構(gòu)型等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并按照物理、化學(xué)和生物分為3大類。其中，土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、pH值等20項(xiàng)指標(biāo)影響初級(jí)生產(chǎn)力功能[51]；土層厚度、容重、質(zhì)地等10項(xiàng)指標(biāo)影響水凈化與調(diào)節(jié)功能[52]；有機(jī)質(zhì)含量、年降水量等8項(xiàng)指標(biāo)影響碳封存與調(diào)節(jié)功能[53]；土壤呼吸速率、蚯蚓數(shù)量等9項(xiàng)指標(biāo)影響生物多樣性供給功能[54]；土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量等6項(xiàng)指標(biāo)影響?zhàn)B分供給與循環(huán)功能[55]。

表1 土壤功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.3.1研究區(qū)概況

溫縣位于豫北平原西部，屬河南省焦作市，介于北緯34°48′30″～35°2′48″，東經(jīng)112°51′0″～113°13′30″之間，下轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，行政區(qū)域總面積48 130.05 hm2，耕地總面積為32 917.17 hm2，全部為水澆地。溫縣地處黃河下游，地勢(shì)西北高、東南低，形成以青峰嶺為界限的南灘北洼中間崗地貌特征。青峰嶺以南為黃河漫灘，土壤類型以黃潮土為主；青峰嶺以北為沖積扇形平原，土壤類型為兩合土或褐土化兩合土，洼地為淤土。溫縣全年氣候溫和，四季分明，年平均氣溫約14.4℃，一年兩熟制，主要作物為冬小麥和夏玉米，是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。作為河南省重要的小麥種子生產(chǎn)基地，也是山藥、地黃、菊花、牛膝等“四大懷藥”產(chǎn)地。近些年來(lái)，土地利用者通過(guò)增加施用農(nóng)藥和化肥提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，導(dǎo)致耕地土壤可能存在環(huán)境狀況惡化、土壤污染等問(wèn)題，制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3.2數(shù)據(jù)來(lái)源

以溫縣第三次全國(guó)土地調(diào)查中的5 038個(gè)耕地圖斑為研究對(duì)象。土體構(gòu)型、耕層質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)自河南省第二次土壤普查數(shù)據(jù)。有機(jī)質(zhì)含量、 pH值等來(lái)自2018年138個(gè)土壤實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2018年測(cè)土配方施肥2 939個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。重金屬污染等利用2018年生態(tài)環(huán)境部農(nóng)用地土壤污染詳查數(shù)據(jù)庫(kù)。土壤蚯蚓數(shù)量、微生物量碳含量和土壤呼吸速率數(shù)據(jù)通過(guò)2018年86個(gè)樣點(diǎn)實(shí)地采樣獲取。

1.4 綜合評(píng)價(jià)方法

1.4.1土壤功能供給能力評(píng)價(jià)

利用多因素綜合評(píng)價(jià)法建立耕地土壤功能供給能力評(píng)價(jià)模型，計(jì)算公式為

(1)

式中Pi——第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的耕地土壤功能供給能力評(píng)價(jià)分值

Fij——第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)分值

Wij——第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

1.4.2土壤功能評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和分級(jí)

為了消除部分指標(biāo)量綱不同的影響，采用變異系數(shù)法確定動(dòng)態(tài)屬性指標(biāo)客觀權(quán)重，并邀請(qǐng)土地管理、土壤地理等相關(guān)專家，采用層次分析法與專家打分相結(jié)合的方法確定固有屬性指標(biāo)權(quán)重。此外，通過(guò)文獻(xiàn)分析總結(jié)確定各個(gè)指標(biāo)的分級(jí)[56]，如表2所示。

表2 土壤功能評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

1.4.3土壤功能供需比

利用人類需求和土壤實(shí)際供給的比值——供需比表征土壤功能從耕地生態(tài)系統(tǒng)到社會(huì)系統(tǒng)的傳遞和利用過(guò)程，根據(jù)供需比將土壤功能供需分為功能滿足、功能基本滿足和功能不滿足3類，土壤功能供需比小于1時(shí)，為盈余狀態(tài)，表明土壤功能供給能夠滿足社會(huì)需求；供需比等于1時(shí)，為平衡狀態(tài)，表明土壤功能供給基本能夠滿足社會(huì)需求；供需比大于1時(shí)，為虧損狀態(tài)，表明土壤功能供給不能滿足社會(huì)需求。

將溫縣1級(jí)到3級(jí)土壤功能供給能力分別賦5、3、1分，采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化法和德爾菲法，根據(jù)專家知識(shí)與針對(duì)性訪談和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)溫縣水澆地利用過(guò)程中對(duì)土壤功能的需求進(jìn)行5分制賦分，形成溫縣水澆地土壤功能供需評(píng)價(jià)矩陣(表3)。

表3 溫縣水澆地土壤功能供需判別矩陣

1.4.4土壤重金屬污染脅迫分類

依據(jù)GB 15618—2018《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)》中的篩選值Si(mg/kg)和管控值Gi(mg/kg)，基于表層土壤中鎘、貢、砷、鉛、鉻含量Ci(mg/kg)，評(píng)價(jià)耕地土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)，按照表層土壤的鎘、貢、砷、鉛、鉻中類別最差的因子確定該點(diǎn)位綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。以此把土壤重金屬污染脅迫劃分為優(yōu)先保護(hù)、安全利用和嚴(yán)格管控3類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：Ⅰ類：Ci≤Si，土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低，可忽略，應(yīng)劃為優(yōu)先保護(hù)類；Ⅱ類：SiGi，土壤存在較高污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)劃為嚴(yán)格管控類。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤功能供給能力空間分異特征

根據(jù)提出的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，利用自然斷點(diǎn)法(Natural breaks)將土壤功能指數(shù)劃分為3個(gè)級(jí)別，1級(jí)功能最好，得到土壤功能供給能力評(píng)價(jià)等級(jí)分布圖(圖5)。

數(shù)量結(jié)構(gòu)上，溫縣耕地土壤初級(jí)生產(chǎn)力、養(yǎng)分供給與循環(huán)、碳封存與調(diào)節(jié)、水凈化與調(diào)節(jié)和生物多樣性功能供給能力指數(shù)分別在73.34～92.91、62.96～91.27、78.83～92.73、74.43～95.19和70.21～94.60之間。其中各類1級(jí)功能土壤面積分別為14 336.12 hm2(43.55%)、14 075.76 hm2(42.76%)、24 374.31 hm2(74.05%)、16 802.23 hm2(51.04%)和12 197.86 hm2(37.06%)，2級(jí)功能的土壤面積分別為10 409.21 hm2(31.62%)、12 585.83 hm2(38.23%)、4 700.33 hm2(14.28%)、10 522.40 hm2(31.97%)和15 275.28 hm2(46.41%)，其余為3級(jí)功能的土壤?？臻g分布上，1級(jí)土壤功能的耕地主要分布在溫縣的中部和北部以及南部局部地區(qū)，分布面積最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要包括黃莊鎮(zhèn)、番田鎮(zhèn)和祥云鎮(zhèn)；3級(jí)土壤功能的耕地主要分布在溫縣中南部和西南部，分布面積最大的主要是溫泉鎮(zhèn)、祥云鎮(zhèn)和招賢鄉(xiāng)。

2.2 土壤功能供需判別空間分布

通過(guò)計(jì)算得到溫縣初級(jí)生產(chǎn)力功能供需主要以功能不滿足為主(圖6)，56.45%的區(qū)域?qū)嶋H供給不能滿足現(xiàn)階段的需求；其余為功能滿足區(qū)，主要分布在中部和中北部區(qū)域，占總面積的43.55%；養(yǎng)分供給與循環(huán)功能不滿足區(qū)面積最小，占19.00%，主要分布在南部的部分田塊，功能滿足區(qū)主要分布在中北部，占42.76%；全縣74.05%的耕地碳封存與調(diào)節(jié)功能的實(shí)際供給可以滿足人類社會(huì)對(duì)其需求，25.95%的耕地不能滿足這一需求，主要在北部和南部部分區(qū)域。水凈化與調(diào)節(jié)和養(yǎng)分供給與循環(huán)功能的空間分布規(guī)律大致相同，主要呈現(xiàn)中部滿足、南部四周不滿足的空間格局，超過(guò)50%的區(qū)域處于供給盈余的狀態(tài)。5種土壤功能供需空間格局基本呈現(xiàn)由南向北逐漸遞增的趨勢(shì)，以青峰嶺為界，中北部土壤功能的供給能力均較強(qiáng)，供需盈余，而南部區(qū)域供需處于失衡狀態(tài)，不能滿足功能需求。

2.3 耕地土壤健康空間分異特征

根據(jù)GB 15618—2018《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)》中的污染物風(fēng)險(xiǎn)閾值計(jì)算得出，溫縣幾乎沒有土壤重金屬污染脅迫(圖7)，94.90%的耕地土壤屬于安全級(jí)別，4.99%的土壤屬于警戒水平，0.11%的土壤需要嚴(yán)格管控利用。參考COYLE等[57]提出的土壤功能供需矩陣，根據(jù)耕地利用方式，確定每個(gè)土壤功能的權(quán)重，其中初級(jí)生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給和養(yǎng)分供給與循環(huán)的權(quán)重分別為0.691 2、0.034 6、0.024 2、0.024 2和0.225 8。通過(guò)計(jì)算，溫縣有5 588.86 hm2(16.98%)耕地土壤實(shí)際供給滿足現(xiàn)階段需求，14 628.35 hm2(44.44%)耕地基本滿足，12 699.95 hm2(38.58%)耕地不能滿足。

將土壤重金屬污染脅迫等級(jí)與土壤功能供需綜合判別結(jié)果疊加可知，溫縣亞健康的土壤面積最多，為14 616.38 hm2(44.40%)；其次不健康的土壤面積為12 722.05 hm2(38.65%)，健康的土壤面積最少，為5 578.74 hm2(16.95%)。溫縣不同耕地土壤健康等級(jí)交錯(cuò)分布。健康的土壤較散地分布在黃莊鎮(zhèn)、番田鎮(zhèn)、武德鎮(zhèn)、祥云鎮(zhèn)的部分田塊。健康的耕地土壤類型主要為褐土化崗地兩合土、淤土、兩合土、小兩合土，砂粘比例適中、土壤耕性良好，通透性好、耕作方便、耐旱耐澇、土體深厚透水性強(qiáng)。健康的土壤大多為通體壤，土壤松緊狀況適宜，團(tuán)聚體相對(duì)穩(wěn)定，陽(yáng)離子交換能力強(qiáng)，土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量高，土壤生物活性也相對(duì)較高，土壤整體比較肥沃，且多為蒙金土構(gòu)型，對(duì)土壤水、肥、氣、熱狀況調(diào)節(jié)較好，適宜于作物生長(zhǎng)。此外，不存在重金屬污染脅迫作用。但是也要注重在這部分耕地上積極采取相應(yīng)的舉措避免不健康因素的產(chǎn)生，重點(diǎn)推動(dòng)農(nóng)作物秸稈覆蓋還田、免(少)耕播種等保護(hù)性耕作技術(shù)，增加秸稈覆蓋還田比例，增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力。不健康的耕地土壤主要分布在青峰嶺以南的溫泉鎮(zhèn)、祥云鎮(zhèn)、招賢鄉(xiāng)和趙堡鎮(zhèn)，主要土壤類型是砂壤土和體砂兩合土，土體雖然深厚，但是土壤養(yǎng)分低、保水保肥能力差，容重偏大，通氣透水、養(yǎng)分含量中等，并且因?yàn)榛兽r(nóng)藥的高投入和制革制鞋產(chǎn)業(yè)導(dǎo)致少量的重金屬污染脅迫。這部分耕地要注重“用養(yǎng)結(jié)合”，增施有機(jī)肥和種植綠肥相結(jié)合，增施土壤改良劑，改善土壤的吸附性能，保護(hù)土壤生物多樣性，實(shí)施化肥農(nóng)藥減施增效計(jì)劃，減輕土壤的“負(fù)擔(dān)”。其余均為亞健康的土壤分布，有少量的土壤偏緊實(shí)，土壤蓄水保肥能力相對(duì)較高，有機(jī)質(zhì)含量也較高，生物活性較強(qiáng)。這部分耕地要注重深耕深松，秸稈還田，增加作物多樣性，適當(dāng)增施有機(jī)肥，培肥土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的透氣、透水和保肥能力，恢復(fù)土壤活力。

3 討論

本文土壤健康評(píng)價(jià)主要參考了歐盟Horizon2020-LANDMARK評(píng)價(jià)系統(tǒng)，側(cè)重探討評(píng)估方法，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(xiàng)功能都有各自對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。有針對(duì)性地選取指標(biāo)，覆蓋氣象、地形、水文、土壤理化生性質(zhì)等多方面，能大體反映出各土壤功能的實(shí)際狀態(tài)和特點(diǎn)。土壤健康分級(jí)方案凸顯了重金屬污染的脅迫作用，且土壤不健康的類型和程度也受關(guān)注。土壤脅迫類型不僅包括污染，還應(yīng)包括侵蝕、酸化、堿化、沙化、水土流失等，雖然本文選取的評(píng)估指標(biāo)都能一定程度反映土壤健康(功能)的限制和脅迫因素，但是還需研究具體的田塊土壤不健康限制因素，為科學(xué)的土壤管理和改良提供明確的方向，實(shí)現(xiàn)耕地資源的精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)管理。

在耕地土壤健康理論研究缺位和實(shí)踐方案存在缺陷的背景下，本文總結(jié)并融合德國(guó)M-SQR評(píng)估方案和美國(guó)康奈爾土壤健康評(píng)估指標(biāo)，引入歐盟功能性土壤管理理論，將耕地土壤健康解構(gòu)為與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的土壤功能，再結(jié)合具體耕地利用類型(旱地、水田、水澆地)對(duì)土壤功能的需求，探討土壤功能供需能力和土壤脅迫程度，由此評(píng)價(jià)土壤健康狀況。評(píng)價(jià)理念和方法具有一定的依據(jù)，并合理利用各土地管理部門相關(guān)的土壤調(diào)查評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，節(jié)約了人力與資本的投入，可以初步作為中國(guó)縣域尺度耕地土壤健康評(píng)價(jià)的實(shí)用性參考框架。但實(shí)證研究區(qū)只有水澆地這一種耕地利用類型，部分指標(biāo)的分級(jí)量化可能只根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異性，不一定適合于其他區(qū)域。中國(guó)幅員遼闊且地域差異較大，仍需要針對(duì)區(qū)位條件及土壤特點(diǎn)，選擇耕地利用類型多樣的區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，提高耕地土壤健康評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性。此外，耕地土壤健康評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確與否也直接影響到其成果的應(yīng)用效果，科學(xué)驗(yàn)證耕地土壤健康評(píng)價(jià)方法的可靠性值得重點(diǎn)關(guān)注和進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)基于功能性土壤管理理論，參考改進(jìn)了歐美相關(guān)土壤健康和土壤功能評(píng)價(jià)的主流技術(shù)路線，設(shè)計(jì)了基于土壤功能表征結(jié)果和重金屬脅迫風(fēng)險(xiǎn)管控疊加的土壤健康分級(jí)方案。定義并量化了耕地(旱地、水澆地和水田)土壤健康狀況與土壤功能的供需關(guān)系，科學(xué)應(yīng)用土壤功能評(píng)價(jià)指標(biāo)與表征方法，實(shí)現(xiàn)了從土壤功能與脅迫到土壤健康的表達(dá)，豐富和完善了目前耕地土壤質(zhì)量(健康)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以豫北平原糧食主產(chǎn)區(qū)——河南省溫縣為例，根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用定性和定量相結(jié)合的方法，對(duì)耕地土壤功能、土壤健康狀況分別進(jìn)行了量化評(píng)估。

(2)溫縣耕地土壤初級(jí)生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)功能供需空間格局基本呈現(xiàn)由南向北逐漸遞增的趨勢(shì)，以青峰嶺為界，中北部土壤功能的供給能力均較強(qiáng)，處于盈余狀態(tài)，而南部區(qū)域供需處于失衡狀態(tài)，不能滿足功能需求。溫縣亞健康的土壤面積最多，為14 616.38 hm2(44.40%)；其次是不健康的土壤面積為12 722.05 hm2(38.65%)；健康土壤面積最少，為5 578.74 hm2(16.95%)。土壤質(zhì)地、土體構(gòu)型、土壤養(yǎng)分、土壤生物活性和重金屬污染脅迫是導(dǎo)致縣域內(nèi)土壤健康空間分異的主要因素。

(3)應(yīng)將土壤改良工程與土地整治工程相結(jié)合，改善土壤結(jié)構(gòu)，深耕翻土，施用有機(jī)肥，同時(shí)平整土地，增加灌溉設(shè)施，構(gòu)建合理的田水路林渠體系，從而保護(hù)土壤生物多樣性，保障土壤資源持續(xù)高效安全利用，滿足耕地土壤健康管護(hù)需求。