基于微生物視角的耕地土壤質量綜合評價
——以A縣土地整治區為例

林耀奔， 葉艷妹， 吳次芳 ， 胡一鳴， 施昊坤 ， 王巧若

（1.浙江大學土地與國家發展研究院，浙江 杭州310058；2. 山東省土地生態修復工程技術研究中心，山東 濱州 256600）

1 引言

耕地土壤質量是判斷耕地健康和生態狀況的重要依據，也是保障國家糧食安全的關鍵所在，更是實現耕地數量、質量、生態“三位一體”保護戰略的基礎[1]。2009年，原國土資源部發布了耕地質量等級評定成果，并不斷開展相關的耕地土壤評價和修復工作。2017年，國務院明確指出將提升耕地質量作為高標準農田建設的首要任務，力求基本農田經整治后將平均耕地質量提升一個等級。2019年，中央一號文件中更明確指出“鞏固和提高糧食生產能力，到2020年確保建成8億畝高標準農田”、“推進重金屬污染耕地治理修復”，可見耕地土壤質量已成為當前耕地保護和糧食安全的重點關注內容。近年來，耕地土壤質量評價作為衡量土地整治工作成效的重要內容，同時也是耕地質量提升基礎研究的中心，其內涵和深度得到了不斷挖掘，為提高土壤肥力、改善生態環境以及保障國家糧食安全提供了許多有益參考[2]。

土壤作為耕地生態系統的重要組成部分，其質量狀況與糧食生產力和區域生態安全水平高度相關[3]。國內外相關研究成果中，主要選取土壤理化性質和重金屬污染等常規指標作為評價土壤質量的主要依據[4-5]。少數文獻選取了土壤酶活性、微生物生物量、土壤呼吸等生物指標進行測算[6-8]，但在土壤環境中起到營養循環、調節理化性質及轉移污染物等重要作用的微生物群落相關指標仍未得到應有的關注[9]。在評價方法方面，主要通過主成分分析法或聚類分析法建立最小數據集，再通過綜合質量指數法、加權平均模型、多因素評價法、土壤生產力指數模型等進行測算[10-11]。而土壤重金屬污染水平國際上主要是通過地質累積指數法（Geoaccumulation Index）和內梅羅（Nemerom）綜合污染指數法進行測算[12-13]。可見，以往注重土壤肥力和污染程度的土壤質量評價并不足以全面反映真實的耕地土壤質量[3]。因此，需要構建涵蓋土壤理化性質、微生態以及重金屬污染等指標的綜合評價模型，用以全面評價耕地土壤質量情況[9]。

本文以A縣土地整治區為例，選取主要的土壤理化性質、重金屬含量以及微生物特征指標，通過建立最小數據集，采用地質累積指數法和內梅羅綜合污染指數法測算重金屬污染水平，采用模糊數學法測算土壤理化性質和微生物指標，最后運用土壤質量指數法測算樣區的土壤質量。該研究結果可為提升區域耕地土壤質量、改善耕地管理方式和政策規則的制定提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

A縣隸屬浙江省，縣內交通便利，物產富饒，并擁有數千年水稻種植歷史。研究區屬北亞熱帶南緣的東亞季風區，四季分明，氣候宜人，雨水充沛。土壤以黃斑田和青紫泥田為主，十分適宜作物生長。由于地理位置優越，氣候條件適宜，A縣歷來都是中國糧食生產的龍頭縣。然而，耕地破碎化、農業設施薄弱、土壤肥力不足仍然是制約該縣農業可持續發展的重要問題。關于該地區耕地土壤質量的研究結果，也顯示A縣耕地土壤重金屬污染水平偏高，是一個亟待解決的農業和生態問題[14]。因此，近年來，提升耕地土地質量已成為該地區耕地保護戰略中的一項重要任務。在土地整治區，主要采取田塊歸并、平整土地、筑造溝渠以及土壤培肥等措施來改善土壤質量。

2.2 樣本和數據

2.2.1 樣本收集

項目組于2018年9月在A縣56個樣地采集土壤樣品，其中44個樣點位于該縣44個土地整治區，其余12個位于土地整治區外，所有采樣點均為水田，作物為水稻，土地整治區的耕地均已在實施土地整治后耕作兩年以上，而土地整治區外的耕地均已耕作5年以上。土地整治區中，有些區域實施了一種土地整治措施，有些實施了多種土地整治措施，其中實施了綜合整治、田塊歸并、平整土地、筑造溝渠和土壤培肥的樣點分別有10、23、27、25和25個。

土壤樣品均采用“S”形多點采樣法采集0～10 cm的表層土[15-16]。所有土壤樣品經過去除石頭、植物殘留物、動物和其他雜物后,每個土樣稱取20 g土壤樣本儲存于-80℃的冰箱用于DNA提取，并根據不同理化指標化驗要求將500 g土壤樣品存儲于實驗室中冷藏或晾干備用。土壤經均質化處理后，對每個土壤樣本進行三次重復DNA提取和土壤理化分析。

2.2.2 指標檢測

為了全面反映耕地土壤的質量水平，參考已有的研究成果，從土壤理化性質、重金屬含量和微生物性質三方面選取指標，并采用常規方法測定土壤樣品的各項指標。簡而言之,土壤pH以土壤：水=1：2.5的比例通過pH計測定，土壤含水量（SWC）通過電熱恒溫烘箱在105℃的條件下烘6小時測定。土壤中的Cu，Zn，Cd，Pb，Ni，Cr，Hg和As等重金屬濃度由電感耦合等離子體質譜儀（Agilent 7800, California, USA）測定。土壤有機質（OM）、總氮（TN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）分別由總有機碳分析儀（BOCS301,Shimadzu, Japan）、自動凱氏定氮儀（K9860，海南，中國）、分光光度計和火焰光度計測定[17]。

對于微生物指標，選取微生物多樣性中的Shannon指數和Chao 1指數、細菌功能多樣性（BFD）、土壤呼吸速率（SRR）以及微生物生物量來表征樣點的土壤微生態水平。首先，根據FastDNA SPIN試劑盒（MP Biomedicals，USA）的使用說明，從0.5 g土壤樣品（一式三份）中提取用于PCR擴增的土壤基因組DNA。用引物對細菌16SrRNA基因的V3-V4區域和真菌DNA基因的ITS區域進行擴增。然后，在Illumina HiSeq 4000平臺上進行測序。原始DNA測序數據用QIIME 2（Quantitative Insights Into Microbial Ecology 2）處理，以97%的相似性為標準將有效序列聚類成OTU（操作分類單位）進行后續分析[18]。通過mothur1.30.1估算細菌的Shannon指數（BS）、Chao1指數（BC）和真菌的Shannon指數（FS）、Chao1指數（FC），通過PICRUSt軟件獲取COG家族信息和KEGG Ortholog（KO）信息以計算對應的功能多樣性（BFD）[19]。土壤呼吸速率（SRR）采用LI-8100土壤碳通量測量系統（LI-COR，Nebraska，USA）測定[20]。微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法測定[21]。

2.3 評價方法

2.3.1 構建最小數據集

最小數據集（MDS）是一種應用最為廣泛和可靠的土壤肥力質量評價方法[22]。首先，采用SPSS 20.0對指標進行相關性分析和主成分分析，選取累計貢獻率大于85%的主成分，然后選取每個主成分中載荷值較大且在所有指標中相關性較小的指標作為最小數據集的候選指標。例如，主成分1中OM、SWC和TN具有較大的載荷值，但是三者之間又在0.01水平上顯著相關，表明可以相互替代，則選擇具有最大載荷值的OM入選MDS。

2.3.2 評價模型

（1）土壤肥力水平評價。模糊數學模型是一種設置數值區間以將數據進行歸類的方法，廣泛應用于自然科學、人文社科等方面的研究，更成為土壤質量評價的主要方法[10]。根據各項指標與土壤質量之間的正負效應，建立相應的模糊數學模型，OM、BS、FS、BFD、MBN、SRR、MBP和MBC等指標與土地質量呈正相關，參考已有研究[5,10]，設定相應的閾值（a1，b1）為（15，40）、（0，8.0）、（0，6.0）、（0，0.9）、（0，54.3）、（0，1.5）、（0，24.5）、（0，256.2），用式（1）測算。此外，由于pH與土壤質量存在最適宜區間，所以它不僅存在閾值（a1，b1）為（5.0，7.6），還具有適宜區間（a2，b2）為（5.38，6.75），用式（2）測算。

式（1）—（2）中：f（x）代表每個指標的標準化數值；x為指標測算值；a1和b1為下上閾值，a2和b2為下上適宜區間值。

測算得出的指標標準化數值還需通過下式計算出耕地土壤肥力水平（PB）。

式（3）中：f（x）i和Wi分別代表MDS中指標的數值和比重。

（2）土壤重金屬污染水平評價。地質累積指數法（GIi）和內梅羅綜合污染指數法（NPi）都是廣泛運用于土壤重金屬污染水平的測算方法，計算方法如下：

式（4）中：Mi為各種重金屬在土壤中的濃度；Ni為各種土壤重金屬在浙江省的背景含量[23]。

式（5）中：GIiave和GIimax分別代表樣點中各種重金屬污染的平均值和最大值。

（3）耕地土壤質量綜合評價。為綜合耕地土壤肥力評價和重金屬污染評價結果得出耕地土壤質量綜合水平（SQ）,需通過公式（6）對公式（4）中的數據進行轉化。

式（6）中：PL為土壤重金屬污染的標準數值；GIi為重金屬地質累積指數。

式（7）中：f（x）ave和f（x）min分別為f（x）的平均值和最小值；同時，PLave和PLmin分別為PL的平均值和最小值。

3 結果和討論

研究區主要采取田塊歸并、平整土地、筑造溝渠以及土壤培肥等土地整治措施來改善土壤質量，其中有10個樣點采取綜合整治，即同時接受了以上4種土地整治措施，位于非土地整治區的樣點為傳統耕作的水田。

3.1 土壤肥力水平分析

通過MDS和模糊數學模型可以求得研究區樣點的土壤肥力水平（PB）。通過對指標進行相關性分析和主成分分析后，選取累計貢獻率大于85%的8個主成分，然后選取每個主成分中載荷值較大且在所有指標中相關性較小的指標作為最小數據集的候選指標（表1）。最終入選MDS的指標有：OM、BS、FS、BFD、MBN、SRR、MBP、pH和MBC。各評價指標的權重則由所在主成分的公因子方差分配得到，如主成分1中的25.306%被分配至指標OM，主成分2中的15.032%被分配至指標BS，主成分3中的10.952%則被平均分配至FS和BFD，以此類推。再將分配所得的方差除以85.686%，得到每個指標的比重[24]。

根據式（3）的測算結果（圖1），所有樣品的土壤的PB值在0.37～0.87之間，平均值為0.65。不同整治措施下的耕地土壤肥力水平呈現較為顯著的差異，6種分類的平均PB值排序如下：綜合整治（0.79）＞土壤培肥（0.74）＞田塊歸并（0.73）＞平整土地（0.69）＝筑造溝渠（0.69）＞傳統耕作（0.56）。相對而言，綜合整治下的耕地土壤肥力水平顯著高于田塊歸并（P＜0.05）、平整土地（P＜0.05）、筑造溝渠（P＜0.05）以及傳統耕作（P＜0.01）等區域的土壤樣本，并且土地整治區的耕地土壤肥力水平顯著高于非整治區耕地土壤（P＜0.05）。可見，土地整治的實施確實能有效提升耕地土壤肥力，而處于非土地整治區的傳統耕作土壤具有提升肥力的較大潛力。較低的有機質含量、微生物群落和功能多樣性是導致傳統耕作土壤肥力偏低的主要原因。而土地整治區中，尤其是采用綜合整治手段的耕地，較高有機質含量與微生物群落相互促進，顯著提升了土壤肥力水平[25]。土壤微生物群落作為反應土壤肥力最為敏感的指標，BS、FS和BFD等指標的降低將影響土壤中有機質降解、氮循環和污染物分解，也意味著傳統耕作下土壤肥力的必然衰退，這與相關文獻的研究結果相一致[26]。

表1 主成分提取和相關性分析結果Tab.1 Principal component extraction and correlation analysis

圖1 不同土地整治措施下土壤肥力水平構成分析Fig.1 Composition analysis of soil fertility level under different land consolidation measures

3.2 土壤重金屬污染水平分析

地質累積指數（GI）在本研究中被運用于評價每種重金屬在土壤樣品中的污染程度。根據評價結果，重金屬污染程度由大到小排列為：Cd＞Cr＞Hg＞Ni＞Cu＞Zn＞Pb＞As，Cd是所有重金屬中累積指數最高的，是研究區中污染最嚴重的重金屬。此外，Pb、As和Zn的累積指數為負數，可見研究區未受到這三種重金屬的污染[27]。此外，不同土地整治措施以及土地整治區內外的耕地土壤重金屬污染水平都存在顯著的差異，并且傳統耕作的各種土壤重金屬污染水平普遍較高。根據土壤重金屬污染指數分級標準[12]，當1＜NP≤2時，土壤處于輕度污染水平；當2＜NP≤3時，土壤處于中度污染水平，水稻開始受到污染物的影響。由NP的測算結果可得，傳統耕作和田塊歸并下的土壤重金屬污染水平已處于中度污染水平，其他土地整治措施下的土壤重金屬污染水平得到了顯著降低（圖2）。可見，通過筑造溝渠可以有效促進水分對重金屬的轉移作用，而土壤培肥有助于提高微生物多樣性從而增加遷移相關重金屬的菌種，與先前的研究相符[28]。這也解釋了采用綜合整治措施的耕地土壤具有相對較低的重金屬污染水平。

造成研究區耕地土壤具有較高重金屬污染水平的原因主要有以下幾個方面：（1）近年來該地區逐漸加強對工業區的開發，工業污染物的增加導致工業區附近的耕地土壤受到較為嚴重的重金屬污染；（2）耕地中存在許多農藥瓶、化肥袋和除草劑等易引起Cd污染的油狀污染物，并未進行統一的清除工作；（3）生活污染物、化肥施用以及禽類飼養帶來的污染物也是重要的污染源[29]。而土地整治可以通過筑造溝渠工程的實施可以有效促進水分循環，從而加速重金屬的轉移，也可以通過土壤培肥增加土壤有機質，提高重金屬耐受性菌種的豐度，從而發揮它們的生物修復功能以降低土壤重金屬污染水平[30]。

3.3 耕地土壤質量水平分析

根據本文所構建的耕地土壤質量綜合評價框架，研究區所有樣本的土壤質量（SQ）均小于0.6，平均土壤質量（SQave）為0.45，因此該地區的土壤質量處于中等水平[5]。耕地土壤質量水平由大到小排列為：綜合整治（SQave=0.53）＞土壤培肥（SQave=0.50）＞筑造溝渠（SQave=0.48）= 田塊歸并（SQave=0.48）＞平整土地（SQave=0.47）＞傳統耕作（SQave=0.41），土地整治區內的土壤質量顯著高于傳統耕作（P＜0.05）。從圖3可知，土壤質量水平與土壤肥力水平的增長趨勢相一致，而與重金屬污染水平相反。土壤肥力水平最低和重金屬污染水平最高的樣點都在傳統耕作的水田，而土地整治區的耕地土壤都具有較高的肥力水平和較低的重金屬污染水平，尤其是采用綜合整治的耕地。并且重金屬污染水平是造成研究區中土壤質量水平下降的主要原因，嚴重制約了農業的可持續發展，這與已有的土壤質量研究結論類似[5]。因此，土壤污染的防治應當成為提升耕地土壤質量，改善土壤生態環境的重點工作。

圖2 地質累積指數法（GI）和內梅羅綜合污染指數法（NP）評價結果Fig.2 Evaluation results of Geological Accumulation Index (GI) and Nemerow Comprehensive Pollution Index (NP)

與此同時，較低的耕地土壤質量水平與土壤理化性質和微生物多樣性降低存在顯著相關[31]。較低的有機質含量和不適宜的酸堿度將減弱土壤的蓄水、營養循環和生產能力，并加劇土壤結構退化[32]。同時，重金屬污染不僅會減弱土壤的固碳和抗侵蝕功能，而且會對作物的生長造成危害[33]。土壤培肥和筑造溝渠作為提升土壤有機質含量和調節酸堿度的有效措施可以極大地提高耕地土壤功能的可持續性。許多研究也已經證實了土壤中Cu，Cd，Pb，Cr和Ni等主要的重金屬污染物含量與土壤微生物群落的組成和多樣性之間的具有顯著相關性[34-36]。通過高通量測序分析，發現研究區內土地整治的實施有效提高了海綿桿菌、異常球菌、WS2、迷蹤菌等細菌以及柄孢殼、透孢黑團殼等真菌，這些都是可以借助有機質顯著減少重金屬污染的有益菌[37-38]。由此可見，通過綜合整治的耕地可以顯著提高土壤養分、調節酸堿度和提升微生物多樣性，改善土壤生態環境和質量水平。

圖3 耕地土壤樣品評價結果Fig.3 Evaluation results of cultivated soil samples

4 結論與建議

通過采用土壤理化性質、重金屬污染和微生物特征等指標建立全新的耕地土地質量綜合評價體系，可以科學有效地評價耕地的土壤質量水平。最小數據集可以篩選出代表性指標來評價土壤肥力水平，模糊數學模型可以對各項指標進行科學測算。土地整治為豐富土壤微生物群落提供了巨大動力，通過提高土壤微生物的各項指標，可以有效促進土壤氮碳循環和污染物轉移。處于綜合整治區的土壤肥力水平高于其他土地整治措施下的耕地，并顯著高于傳統耕作下的耕地。可見，土地整治是提升耕地土壤肥力的有效手段。同時，研究區內耕地都受到不同程度的重金屬污染，尤其是Cr污染。對于耕地土壤質量水平，傳統耕作方式下的耕地土壤具有較低的土壤肥力和較高的重金屬污染水平，導致了相對較低的土壤質量水平。相對而言，各種土地整治措施下的耕地土地具有較高的土壤肥力和較低的重金屬污染水平，尤其是綜合整治區。

總之，土壤重金屬污染和肥力水平是耕地土壤質量的主要限制因素。因此，土地整治作為污染防控和提升肥力的有效措施，是阻止土壤功能退化、改善土壤生態環境的重要手段，但現有的土地整治還存在方法和技術上的缺陷，除了增加灌溉設施和施用有機肥外，還應更加注重運用微生物手段對污染物進行轉移和降解，以達到保護環境和提升土壤質量的雙重目標。