基于多功能性的耕地土壤健康评价 ——以黄淮海平原典型农田生态系统为例

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耕地土壤健康不仅关系到农业生产和粮食安全,而且与生态系统质量密切相关。开展耕地土壤健康状况评价,对于落实我国“藏粮于地,藏粮于技”战略,推进生态文明建设具有紧迫的现实意义。当前国际上土壤健康评价已经形成了相对成熟的方法体系,强调基于土壤多功能性的土壤健康评价方法。然而我国目前土壤健康评价方面的工作大多围绕土壤生产功能,难以全面体现土壤生态系统服务价值,因此亟需开展定量化评估土壤健康相关研究工作。本论文在梳理国际上成熟的土壤健康评价理论和方法的基础上,从土壤生态系统多功能性的角度出发,构建耕地土壤健康评价指标体系和方法,并以黄淮海平原的封丘、栾城、禹城、商丘和东台等5个典型农田生态系统土壤健康为例,通过系统整理和分析研究区的土壤及气候、生物等环境背景数据,构建适合案例区的指标体系与评价方法,从而综合评估各典型农田系统土壤健康状况和分析其变化趋势,并结合评价结果提出了促进其土壤健康的对策和建议。研究主要结果和结论如下:(1)本研究遵循“管理目标—土壤功能—评价指标—评价模型—评价结果”的程序,参考德国Müncheberg土壤评价系统,构建了基于多功能性的耕地土壤健康评价指标体系。论文将土壤多功能性划分为作物生产、持水净水、养分运移与缓冲、碳固存和栖息地与多样性等5项功能。并针对每项功能,分别按照固有属性(I)和动态属性(D)选取对应的基础项指标,然后采用综合评价模型计算土壤健康基础评分I值和D值。在此基础上,考虑限制因子的影响程度,分别对I值和D值进行系数修正,并进行加和以获得土壤各功能的总评分。再对5项功能进行加权求和,从而获取土壤健康综合指数值。本论文对于土壤功能的评价不再局限于生产功能,而是针对土壤多功能进行综合评价,并在评价中将限制因子对固有属性和动态属性的影响进行了区分,不仅能体现土壤基础项指标的贡献,而且能反映不同限制因子的不同作用。(2)研究数据分析表明,案例区内各典型农田生态系统水热条件较好,土层深厚,表层土壤质地以壤土为主,p H介于7.9~8.8之间,整体呈弱碱性,土壤养分处于中等水平,暂无污染风险,耕作潜力较大。通过对封丘、栾城和禹城生态站综合样地和辅助样地土壤指标数据分析发现,各台站综合样地土壤肥力较高,未施肥的01号辅助样地土壤养分含量明显低于其他样地,而实施施肥和秸秆还田处理的禹城站02号辅助样地,其速效磷、速效钾含量明显高于其他样地。由此可见,案例区内各典型农田生态系统土壤理化性质和肥力状况存在一定差异。(3)从土壤物理、化学等指标的时间变化来看,第二次土壤普查以来,各站点土壤容重总体变化不大,而表层土壤养分含量整体呈上升趋势,仅少数样地个别指标有所下降。经过对比分析发现,施肥、耕作等方式的改变是造成这种变化的主要因素。此外,各典型农田生态系统净初级生产力(NPP)总体呈现增加趋势,其中禹城站2015年NPP值与2000年相比提升了87.5%,增幅最大。总体而言,经过长期的土壤治理和保护性耕作,黄淮海平原典型农田生态系统土壤理化性状得到明显改善。(4)土壤健康评价结果表明,案例区各典型农田生态系统的土壤健康水平整体较好,其中商丘站土壤健康状况相对最优,而东台滩涂地区土壤盐碱化具有反复性和长期性,土壤健康综合评分偏低。封丘站土壤生产功能评分最高,生产力最大。从变化趋势来看,经过30多年的耕作和管理,各农田生态系统土壤健康水平得到很大改善。商丘站土壤健康评分提升速度最快,2015年综合样地土壤健康评分相较于第二次土壤普查时期提升了72.3%。栾城站土壤健康较为稳定且处于较优水平。封丘和禹城地区历史上曾受盐碱化威胁,经过盐碱土改良和中低产田改造,土壤健康水平也获得较大提升,增幅分别为24.9%和36.0%。东台地区水热条件较好,近年来土壤健康水平也有一定程度的提升,但与其他农田生态系统相比,其土壤健康综合指数仍偏低,盐碱化是其主要限制因子。进一步对土壤碳固存功能和生产功能进行验证,R~2分别达到0.64和0.56,表明本文所构建的评价体系和方法较为合理。本论文对国际已有土壤评价框架进行了改进,构建了基于多功能性的耕地土壤健康评价体系,并分析了案例区土壤健康状况及变化趋势,可为相近区域土壤健康管理提供一定支撑。
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