一种耕地土壤健康的评价方法

技术领域

本发明涉及土壤评价技术领域，具体涉及一种耕地土壤健康的评价方法。

背景技术

“土壤健康”是英国生态学家Balfour在1947年的著书《生命的土壤》中提出来的(马静，2017)。不同的学者对土壤健康的定义不同：庞学勇等(2004)认为，土壤健康是指采用物理、化学和生物方法相结合的实施土壤管理的综合措施，在最大限度防止生产对环境有负面影响的前提下，使植物发育达到长期的可持续性；周启星(2005)指出“土壤健康”的判断标准是能生产出对人体具有健康效益的动植物产品，并能改善水和大气质量、抵抗污染物，也能促进植物、动物、微生物以及人体健康的能力；陶宝先等(2009)指出，土壤健康是指土壤处于一种良好的结构和功能状态，能提供稳定和可持续的生物生产力，维护生态平衡，促进生物健康，不会出现退化，不对环境造成危害的动态过程；Doran等(1996)认为：土壤健康是土壤持续维持生物生产力、促进空气和水环境的质量，以及植物、动物和人类健康的能力；联合国粮农组织(FAO)在2011年将“土壤健康”定义为“土壤作为一个生命系统具有的维持其功能的能力”。而森林土壤健康的定义为：森林土壤促进森林植被生产和维护森林生态系统功能的能力(杨晓娟等，2012)。总体而言，目前多数研究者认为“土壤质量”与“土壤健康”同义(Bünemann et al.,2018)。

土壤健康的评价指标体系，通常包括土壤的物理、化学和生物三方面的性能指标(Nelson等，2009；盛丰，2014；蔡小溪和吴金卓，2015；张敏等，2017；Igalavithana et al.,2017；Pheap et al.,2019；Tang et al.,2019)。但是，不同的研究者采用的评价指标明显不同：曹红雨等(2017)选取土壤容重、质量含水量、pH、＜1mm物理性粘粒、有机质、全氮、速效钾、有效磷这8项指标，评价了木兰围场典型林分的土壤健康；于法展等(2016)则选取了包括枯落物层厚度等14个指标，评价了庐山不同森林的土壤健康状况；蔡小溪和吴金卓(2015)认为：土壤健康评价应加上土壤形态方面的指标如土壤厚度等；有研究(Bi et al.,2013；Chandel et al.,2017)认为：土壤污染物如重金属等也该是土壤健康评价的指标；最近，有研究者(Rinot et al.,2019；赵瑞等，2020)提出了，土壤健康评价应该包括土壤服务功能如调节、支持和供应等方面的指标。

目前，常用的土壤健康定量评价方法主要有以下几种(任丽娜等，2011；Rinot etal.,2019)：1)多变量指标克立格法——根据特定的标准，通过多变量指标转换将实验测定的无数量限制的单个土壤质量指标，综合成一个土壤质量指数；2)土壤质量动力学法——Larson于1991年提出土壤质量动力函数Q＝f(qi…n)，其中，Q为土壤质量，qi为土壤性质；3)相对土壤质量指数法——通过研究区土壤质量指数与理想状态下土壤质量指数相比得到的；4)主成分分析法——把众多具有一定相关性的指标，重新组合成一组新的互相无关的多指标的统计分析方法。主成分分析法在土壤质量定量评价中应用最为广泛，能够较客观准确地筛选土壤属性的变异性；5)灰色关联分析法——是根据系列曲线几何形状的相似程度，来判断灰色过程发展态势的关联程度，具有方法简单、理论可靠、计算量小等特点，并主要与GIS结合运用；6)模糊数学综合评价法——是通过隶属度描述土壤质量状况变化的渐变性和模糊性，使评价结果更加准确可靠，该法既利用了土壤质量评价中存在的模糊性特点，又考虑了评价因素指标值、评价因素权重及评价因素间交互作用对土壤质量的共同影响，因此，模糊数学评价法能够准确、科学地评价土壤质量状况；7)人工神经网络模型法——是在模拟生物神经网络行为特征的基础上，构建的智能计算方法。

综上所述，目前，相关研究还存在以下主要问题和不足：

1)土壤学家与生态学家至今仍未对土壤健康概念达成一致，在不同时期、不同领域，不同的研究者对土壤健康的定义都有所区别和侧重。因此，土壤健康研究是一个长期的、动态的发展过程，也表明了土壤健康研究的复杂性与重要性；

2)土壤健康与土壤质量没完全区分，而且，多数研究者认为这二者是同义的。事实上，健康对评价对象本身而言，是全要素的健康，即某要素不健康，评价对象就会不健康；土壤本身无所谓健康，它是作为依赖它的对象而言才有健康的，即它的健康是有对象针对性的，对不同的依赖它的对象，就有不同的健康；

3)由于健康的内涵不清，健康评价指标体系及方法，仍然是土壤质量评价指标体系及方法，这种体系及评价结果，对土壤个体而言，不能反映土壤的非健康要素，因而不能明确土壤的培育方向；对土壤上的作物而言，也未能反映出土壤对某作物的健康程度，即缺乏土壤对作物的针对性。而且，评价指标体系及方法也十分不统一。可见，目前的土壤健康评价指标体系及方法，是不适宜于土壤健康评价的。

因此，建立土壤健康的正确评价指标体系及方法，作为指导土壤需要改良或保育的指标，应用于土壤的改良和保育是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种耕地土壤健康的评价方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种耕地土壤健康的评价方法，它包括以下步骤：

S1.样品采集：在需要进行健康评价的耕地区域，在产量最高的地块上，选择4-6个代表性地块进行调查和采样，为对照组；在需要进行健康评价的地块上调查和采样，为实验组；产量最高的地块通过农户访问确定或通过查询地方统计报表确定；

S2.测定指标：分别测定对照组和实验组的指标，测定的指标包括土壤功能指标体系、土壤营养指标体系和作物产出指标体系；对照组的指标值为指标的健康值E，实验组的指标值为指标的当前值C；

其中，土壤功能指标体系包括水气调控指标、营养调控指标和综合调控指标；

水气调控指标具体包括土壤容重、田间持水量和凋萎系数；

营养调控指标具体包括阳离子交换量、有机质含量和土壤碳氮比；

综合调控指标具体包括土壤厚度、土壤pH值，微生物量、微生物主要功能基因、微生物类群和土壤酶活性；

土壤营养指标体系包括大量元素和微量元素；

大量元素包括全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、有效钾、氮磷比和氮钾比；

微量元素包括有效锌、有效硼和有效钼；

作物产出指标体系包括宏观和微观；

宏观包括产量和收益；

微观为产品品质；

S3.健康评定：采用测定的对偶指标的比值R即指标的当前值C/指标的健康值E偏离1的程度进行土壤健康评价，即用土壤功能指标C

表1指标状况与健康程度的评定关系表

其中，i是从1，2，3……m，j是从1，2，3……n，k是从1，2，3……p。

上述比值过程中，如分子小于分母的，则分子除以分母的最小值，反之，分子大于分母的，则分子除以分母的最大值。

进一步地，步骤S1中所述的样品采集在施肥前或作物收获后进行采样。

进一步地，步骤S1中土壤采集按3个层进行采样，耕作层按0-10cm和11-20cm分层采样，非耕作层21-40cm或21-60cm层采样；

进一步地，步骤S2中微生物主要功能基因、微生物类群和产品品质通过赋值后再进行计算，具体赋值方法为：微生物主要功能基因和微生物类群按多、中、少、极少分别赋值为1、0.8、0.6和0.4，产品品质按好、一般、差、极差分别赋值为1、0.8、0.6和0.4。

上述的方法在土壤健康评价、修复和保育中的应用。

本发明具有以下优点：

(1)本发明土壤健康定义为具有完全满足作物生长的优良土壤功能、充足而协调的土壤营养，且能生产出高产量和高质量产品的能力；

(2)本发明采用“三套对偶评价指标体系”，即当前的土壤功能与作物需求的健康土壤功能的指标体系，为土壤功能健康的诊断指标体系，也为土壤专家主要考量的指标体系；当前的土壤营养(包括协调性)与作物需求的健康土壤营养的指标体系，为土壤营养健康的诊断指标体系，也为土壤管理者主要考量的指标体系；耕地当前的作物产出(包括产品品质)与耕地用户或业主期望的作物产出的指标体系，为土壤服务健康的诊断指标体系，也为业主或用户主要考量的指标体系。该指标体系解决了现有土壤健康评价指标体系主要反映的是土壤物理、化学和生物方面的指标，无层次性和应用性的问题；

(3)本发明采用指标当前值(C)除以指标的健康值(E)，用该比值偏离“1”的程度，以及该比值的指标数量多少，来评价健康程度，偏离“1”愈远、偏离“1”的指标愈多，则愈不健康，偏离“1”较大的指标则为不健康的土壤因素；该方法简单，评价结果可直接确定土壤需要改良、保育的指标或因素，应用于土壤的改良或保育指导。

附图说明

图1为本发明评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1

试验地：四川盐亭的一种紫色土；

试验方法：如图1所示，一种耕地土壤健康的评价方法，它包括以下步骤：

S1.样品采集：在需要进行健康评价的耕地区域，在产量最高的地块上，选择4-6个代表性地块进行调查和采样，为对照组；在需要进行健康评价的地块上调查和采样，为实验组；在施肥前或作物收获后进行土壤采样；产量最高的地块通过农户访问确定；

根据施肥的表施和隙施习惯，为了能精准诊断健康土壤的营养和功能等特征，按3个层次进行采样，耕作层按0-10cm和11-20cm分层采样，非耕作层21-40cm或21-60cm层采样；

土壤采样类型：

①土壤混合样：每个采样点(地块)每层采集土壤混合样1个，每个混合样由5-8个点样混合而成。

②土壤环刀样：环刀(100cm

③土壤微生物样：与混合样采样一致，只是需要冷藏。

S2.测定指标：分别测定对照组和实验组的指标，测定的指标包括土壤功能指标体系、土壤营养指标体系和作物产出指标体系；对照组的指标值为指标的健康值E，实验组的指标值为指标的当前值C；

其中，土壤功能指标体系包括水气调控指标、营养调控指标和综合调控指标；

水气调控指标具体包括土壤容重、田间持水量和凋萎系数；

营养调控指标具体包括阳离子交换量、有机质含量和土壤碳氮比；

综合调控指标具体包括土壤厚度、土壤pH值，微生物量、微生物主要功能基因、微生物类群和土壤酶活性；

土壤营养指标体系包括大量元素和微量元素；

大量元素包括全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、有效钾、氮磷比和氮钾比；

微量元素包括有效锌、有效硼和有效钼；

作物产出指标体系包括宏观和微观；

宏观包括产量和收益；

微观为产品品质；

具体室内分析项目和方法如下：

①土壤功能指标i

A.土壤容重、田间持水量、凋萎系数：压力膜仪法测定环刀样；

B.土壤有机质、阳离子交换量CEC、有机质、碳氮比C/N，土壤厚度、土壤pH和土壤酶活性，采用常规分析方法进行测定(刘光崧.土壤理化分析与剖面描述.北京,中国标准出版社,1996.)；

C.土壤微生物量、微生物主要功能基因和微生物类群，采用高通量测序方法(王兴春,杨致荣,王敏,李玮,李生才.高通量测序技术及其应用.中国生物工程杂志,2012,32(01):109-114.)；

②土壤营养指标j

D.土壤大量和微量养分全量和有效量，采用常规分析方法进行测定；(刘光崧.土壤理化分析与剖面描述.北京,中国标准出版社,1996.)

③土壤产出指标k

E.产量和收益：田间测产和出售登记计算；

F.产品品质：按相应产品品质测定方法测定。

微生物主要功能基因、微生物类群和产品品质通过赋值后再进行计算，具体赋值方法为：微生物主要功能基因和微生物类群按多、中、少、极少分别赋值为1、0.8、0.6和0.4，产品品质按好、一般、差、极差分别赋值为1、0.8、0.6和0.4。

上述测定和赋值结果如表2所示：

表2实施实例对偶指标值表

S3.健康评定：采用对偶指标的比值R即指标的当前值C/指标的健康值E偏离1的程度进行土壤健康评价，即用土壤功能指标C

上述比值过程中，如分子小于分母的，则分子除以分母的最小值，反之，分子大于分母的，则分子除以分母的最大值。

由表2可以计算得到各指标的R值和偏离“1”的绝对值，根据表1得到的各指标健康程度如表3：

表3实施实例评价结果表

根据上表各指标健康程度，健康指标有4个，亚健康指标有17个，虚弱指标有6个，分别占总指标的15％、63％、22％。因此，根据土壤总体健康程度分级标准(表1)，该土壤总体健康程度为亚健康。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。