基于微生物视角的耕地土壤质量综合评价——以A县土地整治区为例

林耀奔， 叶艳妹， 吴次芳 ， 胡一鸣， 施昊坤 ， 王巧若

（1.浙江大学土地与国家发展研究院，浙江 杭州310058；2. 山东省土地生态修复工程技术研究中心，山东 滨州 256600）

1 引言

耕地土壤质量是判断耕地健康和生态状况的重要依据，也是保障国家粮食安全的关键所在，更是实现耕地数量、质量、生态“三位一体”保护战略的基础[1]。2009年，原国土资源部发布了耕地质量等级评定成果，并不断开展相关的耕地土壤评价和修复工作。2017年，国务院明确指出将提升耕地质量作为高标准农田建设的首要任务，力求基本农田经整治后将平均耕地质量提升一个等级。2019年，中央一号文件中更明确指出“巩固和提高粮食生产能力，到2020年确保建成8亿亩高标准农田”、“推进重金属污染耕地治理修复”，可见耕地土壤质量已成为当前耕地保护和粮食安全的重点关注内容。近年来，耕地土壤质量评价作为衡量土地整治工作成效的重要内容，同时也是耕地质量提升基础研究的中心，其内涵和深度得到了不断挖掘，为提高土壤肥力、改善生态环境以及保障国家粮食安全提供了许多有益参考[2]。

土壤作为耕地生态系统的重要组成部分，其质量状况与粮食生产力和区域生态安全水平高度相关[3]。国内外相关研究成果中，主要选取土壤理化性质和重金属污染等常规指标作为评价土壤质量的主要依据[4-5]。少数文献选取了土壤酶活性、微生物生物量、土壤呼吸等生物指标进行测算[6-8]，但在土壤环境中起到营养循环、调节理化性质及转移污染物等重要作用的微生物群落相关指标仍未得到应有的关注[9]。在评价方法方面，主要通过主成分分析法或聚类分析法建立最小数据集，再通过综合质量指数法、加权平均模型、多因素评价法、土壤生产力指数模型等进行测算[10-11]。而土壤重金属污染水平国际上主要是通过地质累积指数法（Geoaccumulation Index）和内梅罗（Nemerom）综合污染指数法进行测算[12-13]。可见，以往注重土壤肥力和污染程度的土壤质量评价并不足以全面反映真实的耕地土壤质量[3]。因此，需要构建涵盖土壤理化性质、微生态以及重金属污染等指标的综合评价模型，用以全面评价耕地土壤质量情况[9]。

本文以A县土地整治区为例，选取主要的土壤理化性质、重金属含量以及微生物特征指标，通过建立最小数据集，采用地质累积指数法和内梅罗综合污染指数法测算重金属污染水平，采用模糊数学法测算土壤理化性质和微生物指标，最后运用土壤质量指数法测算样区的土壤质量。该研究结果可为提升区域耕地土壤质量、改善耕地管理方式和政策规则的制定提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

A县隶属浙江省，县内交通便利，物产富饶，并拥有数千年水稻种植历史。研究区属北亚热带南缘的东亚季风区，四季分明，气候宜人，雨水充沛。土壤以黄斑田和青紫泥田为主，十分适宜作物生长。由于地理位置优越，气候条件适宜，A县历来都是中国粮食生产的龙头县。然而，耕地破碎化、农业设施薄弱、土壤肥力不足仍然是制约该县农业可持续发展的重要问题。关于该地区耕地土壤质量的研究结果，也显示A县耕地土壤重金属污染水平偏高，是一个亟待解决的农业和生态问题[14]。因此，近年来，提升耕地土地质量已成为该地区耕地保护战略中的一项重要任务。在土地整治区，主要采取田块归并、平整土地、筑造沟渠以及土壤培肥等措施来改善土壤质量。

2.2 样本和数据

2.2.1 样本收集

项目组于2018年9月在A县56个样地采集土壤样品，其中44个样点位于该县44个土地整治区，其余12个位于土地整治区外，所有采样点均为水田，作物为水稻，土地整治区的耕地均已在实施土地整治后耕作两年以上，而土地整治区外的耕地均已耕作5年以上。土地整治区中，有些区域实施了一种土地整治措施，有些实施了多种土地整治措施，其中实施了综合整治、田块归并、平整土地、筑造沟渠和土壤培肥的样点分别有10、23、27、25和25个。

土壤样品均采用“S”形多点采样法采集0～10 cm的表层土[15-16]。所有土壤样品经过去除石头、植物残留物、动物和其他杂物后,每个土样称取20 g土壤样本储存于-80℃的冰箱用于DNA提取，并根据不同理化指标化验要求将500 g土壤样品存储于实验室中冷藏或晾干备用。土壤经均质化处理后，对每个土壤样本进行三次重复DNA提取和土壤理化分析。

2.2.2 指标检测

为了全面反映耕地土壤的质量水平，参考已有的研究成果，从土壤理化性质、重金属含量和微生物性质三方面选取指标，并采用常规方法测定土壤样品的各项指标。简而言之,土壤pH以土壤：水=1：2.5的比例通过pH计测定，土壤含水量（SWC）通过电热恒温烘箱在105℃的条件下烘6小时测定。土壤中的Cu，Zn，Cd，Pb，Ni，Cr，Hg和As等重金属浓度由电感耦合等离子体质谱仪（Agilent 7800, California, USA）测定。土壤有机质（OM）、总氮（TN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）分别由总有机碳分析仪（BOCS301,Shimadzu, Japan）、自动凯氏定氮仪（K9860，海南，中国）、分光光度计和火焰光度计测定[17]。

对于微生物指标，选取微生物多样性中的Shannon指数和Chao 1指数、细菌功能多样性（BFD）、土壤呼吸速率（SRR）以及微生物生物量来表征样点的土壤微生态水平。首先，根据FastDNA SPIN试剂盒（MP Biomedicals，USA）的使用说明，从0.5 g土壤样品（一式三份）中提取用于PCR扩增的土壤基因组DNA。用引物对细菌16SrRNA基因的V3-V4区域和真菌DNA基因的ITS区域进行扩增。然后，在Illumina HiSeq 4000平台上进行测序。原始DNA测序数据用QIIME 2（Quantitative Insights Into Microbial Ecology 2）处理，以97%的相似性为标准将有效序列聚类成OTU（操作分类单位）进行后续分析[18]。通过mothur1.30.1估算细菌的Shannon指数（BS）、Chao1指数（BC）和真菌的Shannon指数（FS）、Chao1指数（FC），通过PICRUSt软件获取COG家族信息和KEGG Ortholog（KO）信息以计算对应的功能多样性（BFD）[19]。土壤呼吸速率（SRR）采用LI-8100土壤碳通量测量系统（LI-COR，Nebraska，USA）测定[20]。微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法测定[21]。

2.3 评价方法

2.3.1 构建最小数据集

最小数据集（MDS）是一种应用最为广泛和可靠的土壤肥力质量评价方法[22]。首先，采用SPSS 20.0对指标进行相关性分析和主成分分析，选取累计贡献率大于85%的主成分，然后选取每个主成分中载荷值较大且在所有指标中相关性较小的指标作为最小数据集的候选指标。例如，主成分1中OM、SWC和TN具有较大的载荷值，但是三者之间又在0.01水平上显著相关，表明可以相互替代，则选择具有最大载荷值的OM入选MDS。

2.3.2 评价模型

（1）土壤肥力水平评价。模糊数学模型是一种设置数值区间以将数据进行归类的方法，广泛应用于自然科学、人文社科等方面的研究，更成为土壤质量评价的主要方法[10]。根据各项指标与土壤质量之间的正负效应，建立相应的模糊数学模型，OM、BS、FS、BFD、MBN、SRR、MBP和MBC等指标与土地质量呈正相关，参考已有研究[5,10]，设定相应的阈值（a1，b1）为（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）测算。此外，由于pH与土壤质量存在最适宜区间，所以它不仅存在阈值（a1，b1）为（5.0，7.6），还具有适宜区间（a2，b2）为（5.38，6.75），用式（2）测算。

式（1）—（2）中：f（x）代表每个指标的标准化数值；x为指标测算值；a1和b1为下上阈值，a2和b2为下上适宜区间值。

测算得出的指标标准化数值还需通过下式计算出耕地土壤肥力水平（PB）。

式（3）中：f（x）i和Wi分别代表MDS中指标的数值和比重。

（2）土壤重金属污染水平评价。地质累积指数法（GIi）和内梅罗综合污染指数法（NPi）都是广泛运用于土壤重金属污染水平的测算方法，计算方法如下：

式（4）中：Mi为各种重金属在土壤中的浓度；Ni为各种土壤重金属在浙江省的背景含量[23]。

式（5）中：GIiave和GIimax分别代表样点中各种重金属污染的平均值和最大值。

（3）耕地土壤质量综合评价。为综合耕地土壤肥力评价和重金属污染评价结果得出耕地土壤质量综合水平（SQ）,需通过公式（6）对公式（4）中的数据进行转化。

式（6）中：PL为土壤重金属污染的标准数值；GIi为重金属地质累积指数。

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

3 结果和讨论

研究区主要采取田块归并、平整土地、筑造沟渠以及土壤培肥等土地整治措施来改善土壤质量，其中有10个样点采取综合整治，即同时接受了以上4种土地整治措施，位于非土地整治区的样点为传统耕作的水田。

3.1 土壤肥力水平分析

通过MDS和模糊数学模型可以求得研究区样点的土壤肥力水平（PB）。通过对指标进行相关性分析和主成分分析后，选取累计贡献率大于85%的8个主成分，然后选取每个主成分中载荷值较大且在所有指标中相关性较小的指标作为最小数据集的候选指标（表1）。最终入选MDS的指标有：OM、BS、FS、BFD、MBN、SRR、MBP、pH和MBC。各评价指标的权重则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%被分配至指标OM，主成分2中的15.032%被分配至指标BS，主成分3中的10.952%则被平均分配至FS和BFD，以此类推。再将分配所得的方差除以85.686%，得到每个指标的比重[24]。

根据式（3）的测算结果（图1），所有样品的土壤的PB值在0.37～0.87之间，平均值为0.65。不同整治措施下的耕地土壤肥力水平呈现较为显著的差异，6种分类的平均PB值排序如下：综合整治（0.79）＞土壤培肥（0.74）＞田块归并（0.73）＞平整土地（0.69）＝筑造沟渠（0.69）＞传统耕作（0.56）。相对而言，综合整治下的耕地土壤肥力水平显著高于田块归并（P＜0.05）、平整土地（P＜0.05）、筑造沟渠（P＜0.05）以及传统耕作（P＜0.01）等区域的土壤样本，并且土地整治区的耕地土壤肥力水平显著高于非整治区耕地土壤（P＜0.05）。可见，土地整治的实施确实能有效提升耕地土壤肥力，而处于非土地整治区的传统耕作土壤具有提升肥力的较大潜力。较低的有机质含量、微生物群落和功能多样性是导致传统耕作土壤肥力偏低的主要原因。而土地整治区中，尤其是采用综合整治手段的耕地，较高有机质含量与微生物群落相互促进，显著提升了土壤肥力水平[25]。土壤微生物群落作为反应土壤肥力最为敏感的指标，BS、FS和BFD等指标的降低将影响土壤中有机质降解、氮循环和污染物分解，也意味着传统耕作下土壤肥力的必然衰退，这与相关文献的研究结果相一致[26]。

表1 主成分提取和相关性分析结果Tab.1 Principal component extraction and correlation analysis

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

3.2 土壤重金属污染水平分析

地质累积指数（GI）在本研究中被运用于评价每种重金属在土壤样品中的污染程度。根据评价结果，重金属污染程度由大到小排列为：Cd＞Cr＞Hg＞Ni＞Cu＞Zn＞Pb＞As，Cd是所有重金属中累积指数最高的，是研究区中污染最严重的重金属。此外，Pb、As和Zn的累积指数为负数，可见研究区未受到这三种重金属的污染[27]。此外，不同土地整治措施以及土地整治区内外的耕地土壤重金属污染水平都存在显著的差异，并且传统耕作的各种土壤重金属污染水平普遍较高。根据土壤重金属污染指数分级标准[12]，当1＜NP≤2时，土壤处于轻度污染水平；当2＜NP≤3时，土壤处于中度污染水平，水稻开始受到污染物的影响。由NP的测算结果可得，传统耕作和田块归并下的土壤重金属污染水平已处于中度污染水平，其他土地整治措施下的土壤重金属污染水平得到了显著降低（图2）。可见，通过筑造沟渠可以有效促进水分对重金属的转移作用，而土壤培肥有助于提高微生物多样性从而增加迁移相关重金属的菌种，与先前的研究相符[28]。这也解释了采用综合整治措施的耕地土壤具有相对较低的重金属污染水平。

造成研究区耕地土壤具有较高重金属污染水平的原因主要有以下几个方面：（1）近年来该地区逐渐加强对工业区的开发，工业污染物的增加导致工业区附近的耕地土壤受到较为严重的重金属污染；（2）耕地中存在许多农药瓶、化肥袋和除草剂等易引起Cd污染的油状污染物，并未进行统一的清除工作；（3）生活污染物、化肥施用以及禽类饲养带来的污染物也是重要的污染源[29]。而土地整治可以通过筑造沟渠工程的实施可以有效促进水分循环，从而加速重金属的转移，也可以通过土壤培肥增加土壤有机质，提高重金属耐受性菌种的丰度，从而发挥它们的生物修复功能以降低土壤重金属污染水平[30]。

3.3 耕地土壤质量水平分析

根据本文所构建的耕地土壤质量综合评价框架，研究区所有样本的土壤质量（SQ）均小于0.6，平均土壤质量（SQave）为0.45，因此该地区的土壤质量处于中等水平[5]。耕地土壤质量水平由大到小排列为：综合整治（SQave=0.53）＞土壤培肥（SQave=0.50）＞筑造沟渠（SQave=0.48）= 田块归并（SQave=0.48）＞平整土地（SQave=0.47）＞传统耕作（SQave=0.41），土地整治区内的土壤质量显著高于传统耕作（P＜0.05）。从图3可知，土壤质量水平与土壤肥力水平的增长趋势相一致，而与重金属污染水平相反。土壤肥力水平最低和重金属污染水平最高的样点都在传统耕作的水田，而土地整治区的耕地土壤都具有较高的肥力水平和较低的重金属污染水平，尤其是采用综合整治的耕地。并且重金属污染水平是造成研究区中土壤质量水平下降的主要原因，严重制约了农业的可持续发展，这与已有的土壤质量研究结论类似[5]。因此，土壤污染的防治应当成为提升耕地土壤质量，改善土壤生态环境的重点工作。

图2 地质累积指数法（GI）和内梅罗综合污染指数法（NP）评价结果Fig.2 Evaluation results of Geological Accumulation Index (GI) and Nemerow Comprehensive Pollution Index (NP)

与此同时，较低的耕地土壤质量水平与土壤理化性质和微生物多样性降低存在显著相关[31]。较低的有机质含量和不适宜的酸碱度将减弱土壤的蓄水、营养循环和生产能力，并加剧土壤结构退化[32]。同时，重金属污染不仅会减弱土壤的固碳和抗侵蚀功能，而且会对作物的生长造成危害[33]。土壤培肥和筑造沟渠作为提升土壤有机质含量和调节酸碱度的有效措施可以极大地提高耕地土壤功能的可持续性。许多研究也已经证实了土壤中Cu，Cd，Pb，Cr和Ni等主要的重金属污染物含量与土壤微生物群落的组成和多样性之间的具有显著相关性[34-36]。通过高通量测序分析，发现研究区内土地整治的实施有效提高了海绵杆菌、异常球菌、WS2、迷踪菌等细菌以及柄孢壳、透孢黑团壳等真菌，这些都是可以借助有机质显著减少重金属污染的有益菌[37-38]。由此可见，通过综合整治的耕地可以显著提高土壤养分、调节酸碱度和提升微生物多样性，改善土壤生态环境和质量水平。

图3 耕地土壤样品评价结果Fig.3 Evaluation results of cultivated soil samples

4 结论与建议

通过采用土壤理化性质、重金属污染和微生物特征等指标建立全新的耕地土地质量综合评价体系，可以科学有效地评价耕地的土壤质量水平。最小数据集可以筛选出代表性指标来评价土壤肥力水平，模糊数学模型可以对各项指标进行科学测算。土地整治为丰富土壤微生物群落提供了巨大动力，通过提高土壤微生物的各项指标，可以有效促进土壤氮碳循环和污染物转移。处于综合整治区的土壤肥力水平高于其他土地整治措施下的耕地，并显著高于传统耕作下的耕地。可见，土地整治是提升耕地土壤肥力的有效手段。同时，研究区内耕地都受到不同程度的重金属污染，尤其是Cr污染。对于耕地土壤质量水平，传统耕作方式下的耕地土壤具有较低的土壤肥力和较高的重金属污染水平，导致了相对较低的土壤质量水平。相对而言，各种土地整治措施下的耕地土地具有较高的土壤肥力和较低的重金属污染水平，尤其是综合整治区。

总之，土壤重金属污染和肥力水平是耕地土壤质量的主要限制因素。因此，土地整治作为污染防控和提升肥力的有效措施，是阻止土壤功能退化、改善土壤生态环境的重要手段，但现有的土地整治还存在方法和技术上的缺陷，除了增加灌溉设施和施用有机肥外，还应更加注重运用微生物手段对污染物进行转移和降解，以达到保护环境和提升土壤质量的双重目标。