張夢佳，文方芳，張雪蓮，趙青春，郭建明，廖 洪，劉自飛，朱 文，韓 寶，葛瑤科，廖上強，盧 靜

（1北京市耕地建設保護中心，北京 100101；2北京捷西農(nóng)業(yè)科技有限責任公司，北京 100107；3房山區(qū)種植業(yè)技術推廣站，北京 102488；4北京益田生態(tài)農(nóng)業(yè)技術有限公司，北京 102488；5北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；6農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)田建設管理司，北京 100125）

0 引言

廣義的土壤健康，是指在自然或管理的生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)，一個充滿活力的土壤所具有的保證持續(xù)生產(chǎn)，保持良好的水體和大氣環(huán)境，促進植物、人畜健康的能力[1]。具體包括生產(chǎn)力（即土壤提高植物生產(chǎn)力的能力）、環(huán)境質(zhì)量（即土壤降低環(huán)境污染物和病菌危害的能力）、生態(tài)健康（即土壤維持動植物和人類健康的能力）3個方面的內(nèi)容[2]。

土壤健康是確保農(nóng)產(chǎn)品安全、人畜安全健康的重要途徑。2015年世界糧農(nóng)組織(FAO)將“健康土壤帶來健康生活”定為國際土壤年的主題，提出只有健康的土壤才能生產(chǎn)健康的食物，進而造就健康的人類。土壤健康是農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康的基礎[3]，食物鏈中有害有毒物質(zhì)如農(nóng)藥殘留、重金屬和激素等，對人體健康造成極大的威脅?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對于土壤健康評價的研究還不完善，關于設施菜田的土壤健康研究幾乎是空白。

北京作為人口眾多的國際性大都市，日均消耗蔬菜2萬t。這些作物經(jīng)濟效益高，農(nóng)戶大量使用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)資，加上京郊設施面積逐年減少、復種指數(shù)高、不合理的土壤管理等一系列原因，導致了土壤養(yǎng)分比例失衡、次生鹽漬化、酸化、生物多樣性降低、土傳病害頻發(fā)、環(huán)境污染等一系列問題[4-8]，土壤健康問題嚴峻。因此，亟需改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)投入高、資源效率低和環(huán)境污染風險高的生產(chǎn)模式，以綠色發(fā)展為導向，減少資源環(huán)境代價，保障市民菜籃子供應，而健康土壤是綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎。

因此，本研究結合京郊實際情況和國內(nèi)外標準體系，初步構建設施菜田土壤健康評價指標體系和評價系統(tǒng)，對京郊部分種植園設施菜田土壤進行健康評價。在此基礎上，定點開展亞健康土壤的改良與修復試驗、健康土壤的科學管理試驗以及實施效果監(jiān)測評價，以期為維持與提升設施菜田土壤健康提供參考依據(jù)。

1 研究進展

現(xiàn)階段針對土壤健康評價，國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的標準和方法。健康土壤評價對象多以森林土壤為主，指標則多以理化指標為主。綜合國內(nèi)外文獻著作，不同學者選取的土壤健康評價指標詳見表1，選取頻率較高的指標有質(zhì)地、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH、有機質(zhì)。

表1 土壤健康評價指標統(tǒng)計表

2 設施菜田土壤健康評價體系

2.1 建立土壤健康背景數(shù)據(jù)庫

2018年至今，已收集和分析北京地區(qū)1350個設施菜田土壤樣品，構建本系統(tǒng)的背景數(shù)據(jù)庫。

2.2 確定評價指標

土壤健康指標不僅要求具有代表性、通用性、靈敏性、可重復性和可操作性，而且還要有指標的適宜范圍和閾值，可量化為數(shù)據(jù)[16]。根據(jù)Larson和Pierce的最小數(shù)據(jù)集理論[17]，篩選出21個指標，詳見表2。前人選取的評價指標多以理化指標為主，本系統(tǒng)增加了3項產(chǎn)出指標，反映土壤生產(chǎn)能力和養(yǎng)分均衡度。

表2 土壤健康評價指標、權重、檢測方法、閾值范圍及函數(shù)類型

續(xù)表2

2.3 確定檢測方法

檢測方法參考土壤檢測農(nóng)業(yè)行業(yè)標準、《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》、《土壤理化分析》[18-19]。

2.4 確定閾值范圍

閾值范圍參考《耕地質(zhì)量等級標準》(GB/T 33469—2016)、《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》(GB 15618—2018)、全國耕地質(zhì)量監(jiān)測指標分級標準（黃淮海區(qū)）、全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準、北京市土壤養(yǎng)分分等定級標準等。農(nóng)用地土壤污染篩選值與pH相關，由于表格篇幅有限，僅列出試驗點pH條件下的土壤污染篩選值。土壤健康評價指標閾值范圍見表2。

2.5 確定評價指標權重

評價指標權重就是各指標對土壤健康影響程度，權重越大，表明對土壤健康的重要性就越大[20]。將原始數(shù)據(jù)運用SPSS軟件標準化，進行主成分分析(PCA)，求得土壤健康評價指標PCA權重值。然后運用產(chǎn)出指標回歸分析、層次分析法調(diào)整優(yōu)化PCA權重值，確定最終土壤健康評價指標權重值，各指標權重值見表2。重金屬含量若達到國家或行業(yè)限量標準，觸發(fā)重金屬污染等級評價，系統(tǒng)重金屬權重上調(diào)，其他指標權重下調(diào)。

2.6 確定評價指標隸屬度

根據(jù)模糊數(shù)學的理論，將特爾菲法與隸屬函數(shù)法結合，求得評價指標隸屬度。把土壤健康指標隸屬函數(shù)分為遞增型、遞減型、中間最優(yōu)型函數(shù)3種類型，各指標對應的函數(shù)類型見表2。土壤質(zhì)地采用特爾斐法直接給出相應的隸屬度，其他指標根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)計算每個指標的隸屬度值。

2.7 土壤健康指數(shù)的計算

通過加權綜合法確定土壤健康綜合指數(shù)。參考土壤質(zhì)量指數(shù)計算方法、上述評價指標的隸屬度及對應的權重[21-22]，采用累加法式(1)計算出土壤健康綜合指數(shù)。

式中，ISHI為土壤健康綜合指數(shù)(integrated soil health index)，Hi為第i個評價因子的隸屬度，Ci為第i個評價因子的權重。

2.8 確定土壤健康等級

參考美國康奈爾打分體系[14]，形成土壤健康三級評價體系，見表3。

表3 土壤健康指數(shù)換成土壤健康等級表

3 土壤健康評價的應用

在北京房山區(qū)開展設施菜田土壤健康評價，選取5個種植園，每個種植園設置1個試驗點。2018年5個試驗點評價結果為：1個試驗點為亞健康等級、4個試驗點為健康等級。

3.1 亞健康設施菜田土壤的改良與修復

亞健康土壤管理策略以解決亞健康土壤物理障礙、化學養(yǎng)分失衡、生物障礙以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等突出問題為主。以健康等級為亞健康的試驗點1為例（表4），2018年土壤健康指數(shù)為0.77，下茬種植作物為芹菜。結合園區(qū)管理水平與當茬作物目標產(chǎn)量，土壤管理建議為：（1）土壤容重略微偏高，可深松土壤，同時施用微生物菌肥600 kg/hm2，改善土壤結構。（2）芹菜需硼較高，試驗點有效硼含量偏低，在作物生長后期如若出現(xiàn)缺素，可采取根外追施的方式補充。（3）土壤pH偏高，應增施有機肥，提高土壤的緩沖性能。（4）芹菜目標產(chǎn)量 90000 kg/hm2，需 N、P2O5、K2O 分別 230、122、330 kg/hm2。結合基礎土壤養(yǎng)分狀況，有機肥定量替代，通過地力差減法測算施肥方案，根據(jù)芹菜不同時期的需肥規(guī)律，實現(xiàn)全程精量化施肥。

表4 試驗點1土壤測試指標與土壤健康等級

通過2年（4茬作物）的管理，2020年試驗點1土壤健康指數(shù)為0.83，土壤健康等級提升為健康，土壤容重降低，易氧化有機碳含量提升，有機質(zhì)含量提高，土壤肥力水平提升，pH下降，蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定，品質(zhì)指數(shù)與商品率有一定程度的提高。

3.2 健康設施菜田土壤的健康維持

健康土壤管理策略以維持土壤性狀穩(wěn)定為主?？茖W的土壤耕作制度，結合深松、翻耕管理；利用有機肥替代化肥技術，減少化肥投入；利用天敵生物防治害蟲，減少農(nóng)藥使用量。選擇適宜的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品，保持土壤性狀穩(wěn)定。

以健康等級為健康的試驗點2為例（表5），2018年土壤健康指數(shù)為0.86，通過2年（4茬作物）的管理，2020年試驗點2土壤健康指數(shù)為0.87。土壤田間持水量提高，水穩(wěn)性團聚體增多，有機質(zhì)含量提高，土壤肥力水平穩(wěn)定，蔬菜產(chǎn)量與商品率有一定程度的提高。

表5 試驗點2土壤測試指標與土壤健康等級

4 結論與討論

筆者結合京郊設施菜田土壤健康管理需要和國內(nèi)外土壤健康評價評價方法，搜集并分析了北京地區(qū)1350個設施菜田土壤數(shù)據(jù)，初步構建了設施菜田土壤健康評價系統(tǒng)，確定了物理、生物、化學和產(chǎn)出等四大類共21個評價指標，提出了各指標的閾值范圍、評分標準、權重和評價模塊。運用該評價系統(tǒng)對京郊5個種植園設施菜田土壤進行了初步評價，其中1個試驗點健康等級為亞健康、4個試驗點健康等級為健康。針對亞健康試驗點，開展了連續(xù)2年土壤改良與修復試驗，經(jīng)過土壤改良與修復后，試驗點健康指數(shù)由0.77提高到0.83，土壤健康等級提升為健康，表現(xiàn)在土壤容重降低，易氧化有機碳含量提升，有機質(zhì)含量提高，土壤肥力水平提升，pH下降，蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)定，品質(zhì)指數(shù)與商品率有一定程度的提高。針對健康等級試驗點，開展了連續(xù)2年土壤管理，試驗點土壤健康指數(shù)由0.86提高到0.87，土壤田間持水量提高，水穩(wěn)性團聚體增多，有機質(zhì)含量提高，土壤肥力水平穩(wěn)定，蔬菜產(chǎn)量與商品率有一定程度的提高。本研究通過“評價—改良—再評價”的方法鏈，提升了土壤管理水平，實現(xiàn)對土壤健康管理的科學化探索，為京郊開展設施菜田土壤健康管理和評價工作提供技術參考與數(shù)據(jù)支撐。該評價系統(tǒng)對維持或提高設施菜田土壤健康水平具有較強的指導意義，建議進一步開展更廣泛的菜田土壤健康評價和土壤修復管理。

土壤是一個復雜的類生物體，土壤健康水平是諸多因素綜合作用的反映。要想全面地、客觀地評價它，需要深入地研究和大量的實踐，這涉及土壤學的各個領域，且關系到農(nóng)業(yè)種植管理的眾多方面。土壤健康評價研究只是起步，在土壤健康評價的諸多環(huán)節(jié)，都需要進一步完善，如指標優(yōu)化、隸屬度函數(shù)轉折點的取值、權重系數(shù)的確定和土壤健康等級提高的關鍵技術研究等，后續(xù)還要擴大研究區(qū)域，對試驗點進行長期定位觀測研究。