有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)的量化評價

摘要：針對有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)的量化評價問題，從理化因素和微生物視角出發(fā)，構(gòu)建綜合評價體系。首先，探討有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)的概念與原則，分析理化因素和微生物群落在土壤質(zhì)量維持中的重要性。其次，通過土壤樣本采集與處理，運(yùn)用科學(xué)的理化和微生物指標(biāo)測定方法，建立量化評價的概念框架，并運(yùn)用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）確定各指標(biāo)權(quán)重。最后，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)效果進(jìn)行量化評價，討論評價結(jié)果與指標(biāo)權(quán)重之間的關(guān)系。研究結(jié)果為有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)的實際應(yīng)用提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：有機(jī)種植；土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)；量化評價；理化指標(biāo)；微生物指標(biāo)

中圖分類號：S156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0320

Quantitative Evaluation of Soil Maintenance Technology for Organic Planting

XU Shiying

（Kunshan Science and Technology Service Center， Suzhou 215011， China）

Abstract： A comprehensive evaluation system is constructed from the perspectives of physical and chemical factors and microorganisms for the quantitative evaluation of organic planting soil maintenance technology. Firstly， explore the concept and principles of organic planting soil maintenance， analyze the importance of physical and chemical factors and microbial communities in maintaining soil quality. Secondly， by collecting and processing soil samples， using scientific methods for measuring physical， chemical， and microbial indicators， a conceptual framework for quantitative evaluation is established， and the Analytic Hierarchy Process （AHP） is used to determine the weights of each indicator. Finally， a mathematical model is constructed to quantitatively evaluate the effectiveness of soil conservation techniques， and the relationship between evaluation results and indicator weights is discussed. The research results provide theoretical support for the practical application of organic planting soil maintenance.

Keywords： organic planting; soil maintenance technology; quantitative evaluation; physicochemical indicator; microbial indicator

有機(jī)農(nóng)業(yè)中，土壤質(zhì)量直接關(guān)系到作物產(chǎn)量與環(huán)境可持續(xù)性，理化因素與微生物群落是決定土壤質(zhì)量的兩大關(guān)鍵要素。當(dāng)前對土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)的評價多為定性描述，缺乏系統(tǒng)的量化標(biāo)準(zhǔn)。基于此，從理化與微生物視角出發(fā)，構(gòu)建綜合評價體系，以期為有機(jī)種植的推廣和優(yōu)化提供理論支持。

1 土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1.1 有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)的概念與原則

有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)通過生態(tài)友好方法提升土壤質(zhì)量，支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。其核心是減少化肥和農(nóng)藥，依賴有機(jī)物料、自然循環(huán)和微生物活動維持土壤肥力和生態(tài)平衡。該技術(shù)關(guān)注土壤理化性質(zhì)改善、生物群落維護(hù)和養(yǎng)分可持續(xù)供應(yīng)，提升土壤的自然生產(chǎn)力。

1.2 理化因素對土壤質(zhì)量的影響

土壤的理化因素，如容重、pH值和養(yǎng)分含量，會直接影響其質(zhì)量和植物生長。容重決定土壤的通氣性和水分保持，pH值影響?zhàn)B分的有效性，養(yǎng)分含量則關(guān)系到植物的生長發(fā)育。優(yōu)化這些因素可以提高土壤肥力，促進(jìn)植物健康生長。

1.3 微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的角色

土壤中的微生物是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要因素。它們通過分解有機(jī)物質(zhì)和參與養(yǎng)分循環(huán)，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)。固氮菌將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為植物可用的氮化合物，解磷菌則將難溶性磷轉(zhuǎn)化為植物可吸收的形式，增加有效磷含量。微生物的多樣性和活性越高，土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能越健全，因此，土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)需關(guān)注微生物群落的健康與平衡。

2 研究方法

2.1 土壤樣本采集與處理

本研究以昆山市悅豐島有機(jī)農(nóng)場為樣本采集區(qū)域，在不同地塊進(jìn)行采樣。

采集后的土樣需進(jìn)行一系列處理。首先，去除土樣中的雜質(zhì)，如石塊、植物殘體等。其次，將土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，一般在通風(fēng)良好的室內(nèi)環(huán)境下自然風(fēng)干，避免陽光直射，防止土壤中的成分發(fā)生變化。最后，研磨風(fēng)干后的土樣，使其通過一定孔徑的篩子，以保證土樣的均勻性和細(xì)度，便于后續(xù)的理化指標(biāo)測定和微生物指標(biāo)分析。

2.2 理化指標(biāo)測定方法

試驗的理化指標(biāo)測定方法如表1所示。

2.3 微生物指標(biāo)分析方法

微生物指標(biāo)主要通過16SrDNA多樣性鑒定方法進(jìn)行檢測。

首先，使用cutadapt軟件剪切掉引物序列。其次，使用DADA2將上一步合格的雙端Raw data進(jìn)行降噪、拼接及去嵌合體等質(zhì)控分析，得到代表序列及擴(kuò)增子序列變異（Amplicon Sequence Variant，ASV）豐度表格。最后，使用QIIME2軟件包挑選出各個ASV的代表序列，將所有代表序列與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對注釋[1]。

3 從理化與微生物視角構(gòu)建量化評價的概念框架

3.1 理化指標(biāo)的篩選原則和具體指標(biāo)

第一，與土壤肥力密切相關(guān)。土壤肥力是有機(jī)種植成功的關(guān)鍵因素，所選的理化指標(biāo)應(yīng)直接或間接反映土壤肥力水平。

第二，反映土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)變化。土壤的物理性質(zhì)（容重、孔隙度）和化學(xué)性質(zhì)（pH值、鹽分）會影響土壤的通氣性、保水性和養(yǎng)分有效性。

第三，對作物生長影響顯著。所選的理化指標(biāo)在作物生長中應(yīng)起到關(guān)鍵作用。

基于上述篩選原則，確定的理化指標(biāo)包括土壤容重、pH值、有機(jī)碳、全氮、有效氮、有效磷及有效鉀等。

3.2 微生物指標(biāo)的篩選原則和具體指標(biāo)

微生物指標(biāo)的篩選側(cè)重于能夠準(zhǔn)確表征微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特性，以及其與土壤生態(tài)過程的緊密聯(lián)系。基于上述篩選原則，采用16SrDNA多樣性鑒定方法確定了一系列微生物指標(biāo)，主要包括微生物種群多樣性指標(biāo)以及核心微生物組等。

微生物種群多樣性指標(biāo)包括Chaol指數(shù)、Shannon指數(shù)及核心微生物組。Chaol指數(shù)是一種用于估算微生物群落中物種豐富度的指標(biāo)。通過計算樣本中觀察到的操作分類單元（Operational Taxonomic Unit，OTU）數(shù)量，可以反映微生物群落的豐富程度。較高的Chaol指數(shù)表明微生物群落中包含更多的物種。Shannon指數(shù)不僅考慮了微生物群落的物種豐富度，還考慮了物種的均勻度[2]。

3.3 確定指標(biāo)權(quán)重

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種用于確定多指標(biāo)決策問題中各指標(biāo)權(quán)重的有效方法[3]。在構(gòu)建土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)量化評價體系的過程中，采用AHP確定理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)的權(quán)重。

3.3.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

將土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)評價作為目標(biāo)層，理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，各具體指標(biāo)作為方案層。例如，在目標(biāo)層為“土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)評價”的情況下，準(zhǔn)則層包括理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)，而在理化指標(biāo)準(zhǔn)則層下的方案層可能包括土壤容重、pH值、有機(jī)碳等具體指標(biāo)，在微生物指標(biāo)準(zhǔn)則層下的方案層可能包括Chaol指數(shù)、Shannon指數(shù)、核心微生物組等具體指標(biāo)。

3.3.2 構(gòu)建判斷矩陣

通過專家打分或已有研究數(shù)據(jù)，構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣是用于表示各指標(biāo)之間相對重要性的矩陣。例如，對于理化指標(biāo)準(zhǔn)則層下的土壤容重和pH值兩個指標(biāo)，專家根據(jù)其對土壤質(zhì)量的影響程度進(jìn)行打分，若認(rèn)為土壤容重比pH值對土壤質(zhì)量的影響更重要，則在判斷矩陣中相應(yīng)位置賦值較大。

3.3.3 計算各指標(biāo)的相對重要性權(quán)重

利用特征根法或其他合適的方法，計算判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，將特征向量歸一化后得到各指標(biāo)的相對重要性權(quán)重。

3.3.4 進(jìn)行一致性檢驗

為了確保權(quán)重確定的合理性，需要進(jìn)行一致性檢驗。一致性檢驗通過計算一致性指標(biāo)（Consistency Index，CI）、隨機(jī)一致性指標(biāo)（Random Index，RI）、一致性比率（Consistency Ratio，CR）來檢驗決策者在成對比較中的邏輯一致性，確保決策過程的合理性和可靠性。

3.4 建立量化評價模型

基于確定的評價指標(biāo)體系和指標(biāo)權(quán)重，建立量化評價模型。建立模型時綜合考慮了理化指標(biāo)、微生物指標(biāo)與土壤質(zhì)量和有機(jī)種植效果之間的關(guān)系。計算不同養(yǎng)護(hù)條件下微生物α-多樣性的變化，根據(jù)LEfSe（LDA Effect Size）分析的LDA值確定有統(tǒng)計學(xué)意義的Biomarker，根據(jù)功能分析確定有機(jī)種植健康土壤生態(tài)中核心微生物組構(gòu)成，作為有機(jī)種植土地養(yǎng)護(hù)的數(shù)量表征[4]。

4 結(jié)果與討論

4.1 理化與微生物指標(biāo)的評價結(jié)果

對采集的不同養(yǎng)護(hù)策略地塊土樣進(jìn)行檢測分析，得到理化與微生物指標(biāo)的評價結(jié)果。理化指標(biāo)方面，不同養(yǎng)護(hù)策略下土壤容重、pH值、有機(jī)碳、養(yǎng)分含量等指標(biāo)呈現(xiàn)出不同程度的變化。微生物指標(biāo)方面，微生物種群多樣性和核心微生物組的組成也發(fā)生變化。通過16SrDNA多樣性鑒定方法發(fā)現(xiàn)，某些養(yǎng)護(hù)策略下微生物群落的豐富度和均勻度提高，關(guān)鍵微生物類群的相對豐度改變，這些變化與土壤質(zhì)量提升和有機(jī)種植效果密切相關(guān)。

4.2 指標(biāo)權(quán)重對評價結(jié)果的影響

指標(biāo)權(quán)重在量化評價中起著關(guān)鍵作用。不同的權(quán)重分配會導(dǎo)致評價結(jié)果的差異。當(dāng)給予理化指標(biāo)較高權(quán)重時，評價結(jié)果可能更側(cè)重于土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)變化對土壤質(zhì)量的影響；當(dāng)給予微生物指標(biāo)較高權(quán)重時，則會更突出微生物群落結(jié)構(gòu)和功能對土壤質(zhì)量的影響。因此，合理確定指標(biāo)權(quán)重對于準(zhǔn)確評價土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)至關(guān)重要。

5 結(jié)論

本研究建立了有機(jī)種植土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)的量化評價模型，綜合考慮理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)，從多個角度評估土壤健康。通過AHP確定各指標(biāo)權(quán)重，建立基于理化因素和微生物群落的評價體系，并對土壤養(yǎng)護(hù)效果進(jìn)行量化分析。研究結(jié)果表明，理化與微生物指標(biāo)會顯著影響土壤質(zhì)量，不同權(quán)重對評價結(jié)果也有重要作用。該量化模型為有機(jī)農(nóng)業(yè)的土壤管理提供了科學(xué)依據(jù)，有助于優(yōu)化土壤養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，并為未來的相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

1 馬政發(fā).刺梨果渣對肉牛生長與代謝的影響研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2022.

2 張 杰.酸性礦山廢水與選礦廢水協(xié)同生化處理及重金屬回收工藝研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

3 楊劍峰.典型村鎮(zhèn)水環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系構(gòu)建及其應(yīng)用對策研究：以湖南省姜畬鎮(zhèn)為例[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2022.

4 王 晶，張旭東，解宏圖，等.現(xiàn)代土壤有機(jī)質(zhì)研究中新的量化指標(biāo)概述[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003（10）：1809-1812.

作者簡介：徐詩英（1984—），男，江蘇昆山人，碩士，工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)環(huán)境評估與管理。