Preliminary Construction and Application of Soil Health Assessment Method of Facility Vegetable Fields on the Field Scale

ZHANG Mengjia, WEN Fangfang, ZHANG Xuelian, ZHAO Qingchun, GUO Jianming, LIAO Hong, LIU Zifei, ZHU Wen, HAN Bao, GE Yaoke, LIAO Shangqiang, LU Jing

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (7) : 74-79. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0335

Preliminary Construction and Application of Soil Health Assessment Method of Facility Vegetable Fields on the Field Scale

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Abstract

Based on the needs of the soil health management of the facility vegetable fields in Beijing suburbs, the soil health assessment methods at home and abroad, and the analysis results of the 1350 facility vegetable fields’ soil samples in Beijing, a field-scale facility vegetable field soil health assessment system was initially constructed. A total of 21 assessment indicators in four categories of physics, biology, chemistry and output were determined, and the threshold range, scoring standards, weights and assessment modules of each indicator were proposed. The system was used to evaluate the health of the facility vegetable fields’ soil in Fangshan District of Beijing. Five plantations were selected, and one experimental site was set up in each plantation. The evaluation results showed that: one of the five experimental sites belonged to sub-health grade, and the other four experimental sites belonged to health grade. Soil improvement and remediation were carried out for two consecutive years in the sub-health grade experimental site. The results showed that the soil health index increased from 0.77 to 0.83, and the soil health grade was raised to health level. In detail, the soil bulk density was reduced, the content of organic matter increased, the level of soil fertility increased, pH decreased, the yield of vegetables was stable, and the quality index increased. Soil management was carried out for two consecutive years in the health grade experimental site. The results showed that the soil health index increased from 0.86 to 0.87, the soil fertility level was stable, the pathogen index decreased, and the vegetable yield and the commodity rate increased. Therefore, the assessment system could perform a good guiding role in maintaining or improving the soil health level of facility vegetable fields, and it is suggested to carry out more extensive soil health assessment and soil remediation management of facility vegetable fields.

Key words

facility vegetable field / soil health / assessment method / assessment index / field scale

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ZHANG Mengjia , WEN Fangfang , ZHANG Xuelian , ZHAO Qingchun , GUO Jianming , LIAO Hong , LIU Zifei , ZHU Wen , HAN Bao , GE Yaoke , LIAO Shangqiang , LU Jing. Preliminary Construction and Application of Soil Health Assessment Method of Facility Vegetable Fields on the Field Scale. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2022, 38(7): 74-79 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0335

0 引言

广义的土壤健康,是指在自然或管理的生态系统边界内,一个充满活力的土壤所具有的保证持续生产,保持良好的水体和大气环境,促进植物、人畜健康的能力[1]。具体包括生产力（即土壤提高植物生产力的能力）、环境质量（即土壤降低环境污染物和病菌危害的能力）、生态健康（即土壤维持动植物和人类健康的能力）3个方面的内容[2]。
土壤健康是确保农产品安全、人畜安全健康的重要途径。2015年世界粮农组织(FAO)将“健康土壤带来健康生活”定为国际土壤年的主题,提出只有健康的土壤才能生产健康的食物,进而造就健康的人类。土壤健康是农产品安全和人类健康的基础[3],食物链中有害有毒物质如农药残留、重金属和激素等,对人体健康造成极大的威胁。现阶段,国内外对于土壤健康评价的研究还不完善,关于设施菜田的土壤健康研究几乎是空白。
北京作为人口众多的国际性大都市,日均消耗蔬菜2万t。这些作物经济效益高,农户大量使用化肥、农药、农膜等农资,加上京郊设施面积逐年减少、复种指数高、不合理的土壤管理等一系列原因,导致了土壤养分比例失衡、次生盐渍化、酸化、生物多样性降低、土传病害频发、环境污染等一系列问题[4,5,6,7,8],土壤健康问题严峻。因此,亟需改变传统农业投入高、资源效率低和环境污染风险高的生产模式,以绿色发展为导向,减少资源环境代价,保障市民菜篮子供应,而健康土壤是绿色农业发展的基础。
因此,本研究结合京郊实际情况和国内外标准体系,初步构建设施菜田土壤健康评价指标体系和评价系统,对京郊部分种植园设施菜田土壤进行健康评价。在此基础上,定点开展亚健康土壤的改良与修复试验、健康土壤的科学管理试验以及实施效果监测评价,以期为维持与提升设施菜田土壤健康提供参考依据。

1 研究进展

现阶段针对土壤健康评价,国内外并没有统一的标准和方法。健康土壤评价对象多以森林土壤为主,指标则多以理化指标为主。综合国内外文献著作,不同学者选取的土壤健康评价指标详见表1,选取频率较高的指标有质地、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、pH、有机质。
表1 土壤健康评价指标统计表
评价对象 评价指标 参考文献
物理指标 化学指标 生物指标 环境指标
森林土壤 容重、孔隙度、田间持水量 全氮、全磷、全钾、碱解氮、
速效磷、速效钾、pH、EC		 有机质、土壤酶、细菌、
真菌、放线菌		 马静[9]
枯落物层厚度、腐殖质层厚度、
土层厚度、土壤容重、粘粒含量		 全氮、水解氮、有效磷、
速效钾、pH、CEC		 有机质、土壤酶活性 于法展[10]
含水量 全氮、全磷、全钾、速效磷、
速效钾、微量元素、pH		 有机质、细菌、
真菌、放线菌		 重金属 任丽娜[11]
草原土壤 质地、团聚体稳定性、容重、
孔隙度、田间持水量、
表层硬度、次表层硬度		 全氮、铵态氮、有效磷、pH 土壤活性碳、活性碳与有机碳的比、
微生物呼吸碳、潜在可矿化氮、
蛋白质、水溶性有机碳和水溶性氮		 张彬[12]
果园土壤 全氮、碱解氮、有效磷、
有效钾、pH		 有机质 重金属 陈艺夫[13]
耕地土壤 质地、团聚体稳定性、有效含水量、
表层硬度、次表层硬度		 pH、可提取磷、可提取钾、
微量元素、有机质		 活性碳含量、潜在可矿化氮、
根系健康等级		 盛丰[14]
团聚体稳定性、有效含水量、
表层硬度、次表层硬度		 pH、可提取磷、可提取钾、
微量元素、有机质		 活性碳含量、潜在可矿化氮、
根系健康等级		 张敏[15]

2 设施菜田土壤健康评价体系

2.1 建立土壤健康背景数据库

2018年至今,已收集和分析北京地区1350个设施菜田土壤样品,构建本系统的背景数据库。

2.2 确定评价指标

土壤健康指标不仅要求具有代表性、通用性、灵敏性、可重复性和可操作性,而且还要有指标的适宜范围和阈值,可量化为数据[16]。根据Larson和Pierce的最小数据集理论[17],筛选出21个指标,详见表2。前人选取的评价指标多以理化指标为主,本系统增加了3项产出指标,反映土壤生产能力和养分均衡度。
表2 土壤健康评价指标、权重、检测方法、阈值范围及函数类型
序号 指标类型及权重 指标权重 检测方法 阈值范围 函数类型
1 物理指标(0.4511) 土壤质地(0.1404) 粒度分析法 砂土、壤土、粘土 定性描述
2 水稳性团聚体(0.0752) 湿筛法 0%~80% 递增型
3 田间持水量(0.0802) 烘干法 0~300 g/kg 递增型
4 土壤表层容重(0.0601) 容量法 1~1.5 g/cm3 递减型
5 土壤次表层容重(0.0501) 容量法 1~1.6 g/cm3 递减型
6 耕层厚度(0.0451) 测量法 0~30 cm 递增型
7 生物指标(0.1401) 易氧化有机碳(0.0495) 高锰酸钾法 0~2 g/kg 递增型
8 发芽率(0.0578) 浸提液培养种子发芽 0%~100% 递增型
9 病原菌指数(0.0328) 培养计数法 0~1 递减型
10 化学指标(0.3428) pH(0.0515) 电极法 5.5~9 中间最优型
11 有机质(0.0412) 重铬酸钾滴定 0~30 g/kg 递增型
12 全氮(0.0377) 凯氏定氮法 0~2 g/kg 递增型
13 速效磷(0.0412) 比色法 0~200 mg/kg 递增型
14 有效钾(0.0377) 分光光度法 0~400 mg/kg 递增型
15 电导率(0.0342) 电极法 0~1.6 dS/m 递减型
16 阳离子交换量(0.0342) 分光光度法 0~20 cmol/kg 递增型
17 微量元素(0.0342) 原子吸收法 有效锌 0~3 mg/kg 递增型
有效铁 0~20 mg/kg
有效硼 0~0.3 mg/kg
有效硫 0~100 mg/kg
18 重金属(0.0309) 原子吸收法、原子荧光法 镉 <0.6 mg/kg 递减型
汞 <3.4 mg/kg
砷 <25 mg/kg
铅 <170 mg/kg
总铬 <250 mg/kg
19 产出指标(0.0660) 产量(0.028) 调查、测产记录 根据作物及品种特征确定 递增型
20 品质指数(0.025) 滴定法、比色法、苯酚-硫酸法 0~1（根据作物及品种特征确定） 递增型
21 商品率(0.013) 测量法 0%~100% 递增型

2.3 确定检测方法

检测方法参考土壤检测农业行业标准、《土壤农业化学分析方法》、《土壤理化分析》[18,19]。

2.4 确定阈值范围

阈值范围参考《耕地质量等级标准》(GB/T 33469—2016)、《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》(GB 15618—2018)、全国耕地质量监测指标分级标准（黄淮海区）、全国第二次土壤普查养分分级标准、北京市土壤养分分等定级标准等。农用地土壤污染筛选值与pH相关,由于表格篇幅有限,仅列出试验点pH条件下的土壤污染筛选值。土壤健康评价指标阈值范围见表2。

2.5 确定评价指标权重

评价指标权重就是各指标对土壤健康影响程度,权重越大,表明对土壤健康的重要性就越大[20]。将原始数据运用SPSS软件标准化,进行主成分分析(PCA),求得土壤健康评价指标PCA权重值。然后运用产出指标回归分析、层次分析法调整优化PCA权重值,确定最终土壤健康评价指标权重值,各指标权重值见表2。重金属含量若达到国家或行业限量标准,触发重金属污染等级评价,系统重金属权重上调,其他指标权重下调。

2.6 确定评价指标隶属度

根据模糊数学的理论,将特尔菲法与隶属函数法结合,求得评价指标隶属度。把土壤健康指标隶属函数分为递增型、递减型、中间最优型函数3种类型,各指标对应的函数类型见表2。土壤质地采用特尔斐法直接给出相应的隶属度,其他指标根据建立的隶属度函数计算每个指标的隶属度值。

2.7 土壤健康指数的计算

通过加权综合法确定土壤健康综合指数。参考土壤质量指数计算方法、上述评价指标的隶属度及对应的权重[21,22],采用累加法式(1)计算出土壤健康综合指数。
ISHI=∑(Hi×Ci)
(1)
式中,ISHI为土壤健康综合指数(integrated soil health index),Hi为第i个评价因子的隶属度,Ci为第i个评价因子的权重。

2.8 确定土壤健康等级

参考美国康奈尔打分体系[14],形成土壤健康三级评价体系,见表3。
表3 土壤健康指数换成土壤健康等级表
项目 ISHI<0.6 0.6≤ISHI<0.8 ISHI≥0.8
土壤健康等级 不健康 亚健康 健康

3 土壤健康评价的应用

在北京房山区开展设施菜田土壤健康评价,选取5个种植园,每个种植园设置1个试验点。2018年5个试验点评价结果为：1个试验点为亚健康等级、4个试验点为健康等级。

3.1 亚健康设施菜田土壤的改良与修复

亚健康土壤管理策略以解决亚健康土壤物理障碍、化学养分失衡、生物障碍以及农产品品质下降等突出问题为主。以健康等级为亚健康的试验点1为例（表4）,2018年土壤健康指数为0.77,下茬种植作物为芹菜。结合园区管理水平与当茬作物目标产量,土壤管理建议为：（1）土壤容重略微偏高,可深松土壤,同时施用微生物菌肥600 kg/hm2,改善土壤结构。（2）芹菜需硼较高,试验点有效硼含量偏低,在作物生长后期如若出现缺素,可采取根外追施的方式补充。（3）土壤pH偏高,应增施有机肥,提高土壤的缓冲性能。（4）芹菜目标产量90000 kg/hm2,需N、P2O5、K2O分别230、122、330 kg/hm2。结合基础土壤养分状况,有机肥定量替代,通过地力差减法测算施肥方案,根据芹菜不同时期的需肥规律,实现全程精量化施肥。
表4 试验点1土壤测试指标与土壤健康等级
指标 2018年 2020年
土壤质地 壤土 壤土
田间持水量/(g/kg) 195.05 191.20
水稳性大团聚体 0.69 0.69
0~5 cm容重/(g/cm3) 1.26 1.25
5~10 cm容重/(g/cm3) 1.35 1.32
耕层厚度/cm 27.00 29.00
易氧化有机碳/(g/kg) 1.92 1.93
有机质/(g/kg) 21.26 34.30
pH 8.28 7.80
全氮/(g/kg) 1.65 2.04
有效磷/(mg/kg) 200.18 266.70
速效钾/(mg/kg) 189.42 280.00
EC/(mS/cm) 0.26 0.45
有效锌/(mg/kg) 4.84 4.92
有效铁/(mg/kg) 29.60 31.60
有效硼/(mg/kg) 0.30 0.34
有效硫/(mg/kg) 189.20 206.00
CEC/(cmol/kg) 18.60 18.80
油菜发芽率 0.91 0.90
土传镰孢菌属/(cfu/g) 778.67 450.00
疫霉菌属/(cfu/g) 430.67 767.00
土壤线虫/(条/100 g) 64.00 60.00
重金属 未超标 未超标
产量水平（产量/示范产量） 0.86 0.86
品质指数 0.84 0.86
商品率 0.82 0.91
健康指数 0.77 0.83
健康等级 亚健康 健康
通过2年（4茬作物）的管理,2020年试验点1土壤健康指数为0.83,土壤健康等级提升为健康,土壤容重降低,易氧化有机碳含量提升,有机质含量提高,土壤肥力水平提升,pH下降,蔬菜产量稳定,品质指数与商品率有一定程度的提高。

3.2 健康设施菜田土壤的健康维持

健康土壤管理策略以维持土壤性状稳定为主。科学的土壤耕作制度,结合深松、翻耕管理;利用有机肥替代化肥技术,减少化肥投入;利用天敌生物防治害虫,减少农药使用量。选择适宜的土壤调理剂产品,保持土壤性状稳定。
以健康等级为健康的试验点2为例（表5）,2018年土壤健康指数为0.86,通过2年（4茬作物）的管理,2020年试验点2土壤健康指数为0.87。土壤田间持水量提高,水稳性团聚体增多,有机质含量提高,土壤肥力水平稳定,蔬菜产量与商品率有一定程度的提高。
表5 试验点2土壤测试指标与土壤健康等级
指标 2018年 2020年
土壤质地 壤土 壤土
田间持水量/(g/kg) 213.56 214.62
水稳性大团聚体 0.71 0.72
0~5 cm容重/(g/cm3) 1.28 1.28
5~10 cm容重/(g/cm3) 1.36 1.35
耕层厚度/cm 30.00 29.80
易氧化有机碳/(g/kg) 2.94 2.93
有机质/(g/kg) 47.53 48.60
pH 7.65 7.82
全氮/(g/kg) 3.04 3.08
有效磷/(mg/kg) 338.6 277.50
速效钾/(mg/kg) 595.00 601.00
EC/(mS/cm) 0.34 0.40
有效锌/(mg/kg) 8.78 8.25
有效铁/(mg/kg) 35.10 34.60
有效硼/(mg/kg) 0.33 0.35
有效硫/(mg/kg) 224.90 226.20
CEC/(cmol/kg) 22.50 29.50
油菜发芽率 0.88 0.85
土传镰孢菌属/(cfu/g) 590.33 280.00
疫霉菌属/(cfu/g) 210.67 367.00
土壤线虫/（条/100 g） 83.00 10.00
重金属 未超标 未超标
产量水平（产量/示范产量） 0.87 0.88
品质指数 0.86 0.86
商品率 0.85 0.87
健康指数 0.86 0.87
健康等级 健康 健康

4 结论与讨论

笔者结合京郊设施菜田土壤健康管理需要和国内外土壤健康评价评价方法,搜集并分析了北京地区1350个设施菜田土壤数据,初步构建了设施菜田土壤健康评价系统,确定了物理、生物、化学和产出等四大类共21个评价指标,提出了各指标的阈值范围、评分标准、权重和评价模块。运用该评价系统对京郊5个种植园设施菜田土壤进行了初步评价,其中1个试验点健康等级为亚健康、4个试验点健康等级为健康。针对亚健康试验点,开展了连续2年土壤改良与修复试验,经过土壤改良与修复后,试验点健康指数由0.77提高到0.83,土壤健康等级提升为健康,表现在土壤容重降低,易氧化有机碳含量提升,有机质含量提高,土壤肥力水平提升,pH下降,蔬菜产量稳定,品质指数与商品率有一定程度的提高。针对健康等级试验点,开展了连续2年土壤管理,试验点土壤健康指数由0.86提高到0.87,土壤田间持水量提高,水稳性团聚体增多,有机质含量提高,土壤肥力水平稳定,蔬菜产量与商品率有一定程度的提高。本研究通过“评价—改良—再评价”的方法链,提升了土壤管理水平,实现对土壤健康管理的科学化探索,为京郊开展设施菜田土壤健康管理和评价工作提供技术参考与数据支撑。该评价系统对维持或提高设施菜田土壤健康水平具有较强的指导意义,建议进一步开展更广泛的菜田土壤健康评价和土壤修复管理。
土壤是一个复杂的类生物体,土壤健康水平是诸多因素综合作用的反映。要想全面地、客观地评价它,需要深入地研究和大量的实践,这涉及土壤学的各个领域,且关系到农业种植管理的众多方面。土壤健康评价研究只是起步,在土壤健康评价的诸多环节,都需要进一步完善,如指标优化、隶属度函数转折点的取值、权重系数的确定和土壤健康等级提高的关键技术研究等,后续还要扩大研究区域,对试验点进行长期定位观测研究。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
DORAN J W, ZEISS M R. Soil health and sustainability: Managing the biotic component of soil quality[J]. Applied soil ecology, 2000,15(1):3-11.
https://doi.org/10.1016/S0929-1393(00)00067-6
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0929139300000676
本文引用 [1]
[2]
漆良华, 张旭东, 孙启祥, 等. 土壤-植被系统及其对土壤健康的影响[J]. 世界林业研究, 2007,20(3):1-8.
本文引用 [1]
[3]
杨晓霞, 周启星, 王铁良. 土壤健康的内涵及生态指示与研究展望[J]. 生态科学, 2007,16(4):374-380.
本文引用 [1]
[4]
CHEN Q, ZHANG X S, ZHANG H Y, et al. Evaluation of current fertilizer practice and soil fertility in vegetable production in the Beijing region[J]. Nutrient cycling in agroecosystems, 2004,69:51-58.
https://doi.org/10.1023/B:FRES.0000025293.99199.ff
http://link.springer.com/10.1023/B:FRES.0000025293.99199.ff
本文引用 [1]
[5]
HUANG S W, JIN J Y, BAI Y L. Evaluation of nutrient balance in soil-vegetable system using nutrient permissible surplus or deficit rate[J]. Communications in soil science and plant analysis, 2007,38(7):959-974.
https://doi.org/10.1080/00103620701277973
http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00103620701277973
本文引用 [1]
[6]
黄绍文, 王玉军, 金继运, 等. 我国主要菜区土壤盐分、酸碱性和肥力状况[J]. 植物营养与肥料学报, 2011,17(4):906-918.
本文引用 [1]
[7]
刘宏斌. 施肥对北京市农田土壤硝态氮积累与地下水污染的影响[D]. 北京:中国农业科学院, 2002.
本文引用 [1]
[8]
何传龙, 马友, 于红梅, 等. 减量施肥对保护地土壤养分淋失及番茄产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010,16(4):846-851.
本文引用 [1]
[9]
马静. 油松人工林土壤健康评价及生物调控研究[D]. 呼和浩特:内蒙古农业大学, 2017.
本文引用 [1]
[10]
于法展, 张忠启, 陈龙乾, 等. 庐山不同森林植被类型土壤特性及其健康评价[J]. 长江流域资源与环境, 2016,25(7)1062-1069.
本文引用 [1]
[11]
任丽娜, 王海燕, 丁国栋, 等. 华北土石山区人工林土壤健康评价研究[J]. 水土保持学报, 2010,24(6)46-59.
本文引用 [1]
[12]
张彬. 放牧和封育对糙羊茅草原土壤健康影响的研究[D]. 呼和浩特:内蒙古农业大学, 2019.
本文引用 [1]
[13]
陈艺夫. 辽河流域(辽宁段)寒富苹果园土壤健康评价[D]. 沈阳:沈阳农业大学, 2018.
本文引用 [1]
[14]
盛丰. 康奈尔土壤健康评价系统及其应用[J]. 土壤通报, 2014,45(6):1289-1296.
本文引用 [2]
[15]
张敏, 盛丰. 多层次模糊综合评价法在土壤健康评价中的应用[J]. 北方农业学报, 2017,45(6):92-96.
本文引用 [1]
[16]
陈雪, 马履一, 贾忠奎, 等. 影响油松人工林土壤质量的关键指标[J]. 中南林业科技大学学报, 2012,32(8):46-51.
本文引用 [1]
[17]
LARSON W E, PIERCE F J. Conservation and enhancement of soil quality[A]. // Evaluation for sustainable land management in the developing world [C]. International board for soil research and management,Bangkok, 1991:175-203.
本文引用 [1]
[18]
鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.
本文引用 [1]
[19]
查同刚. 土壤理化分析[M]. 北京: 中国林业出版社, 2017.
本文引用 [1]
[20]
于法展. 庐山不同森林植被类型土壤特性与健康评价研究[D]. 北京:中国矿业大学, 2017.
本文引用 [1]
[21]
闫慧峰, 梁洪波, 许家来, 等. 山东烟叶生产典型样区土壤质量评价[J]. 中国土壤与肥料, 2015(6):41-47.
本文引用 [1]
[22]
黄宇, 汪思龙, 冯宗炜, 等. 不同人工林生态系统林地土壤质量评价[J]. 应用生态学报, 2004,15(12):2199-2205.
本文引用 [1]

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