土壤健康是陆地生态系统健康稳定的基础,而保持和改善农田土壤健康状况,对维持粮食安全和农业可持续发展至关重要。本文以河北曲周长期施用堆肥的农田土壤作为研究对象,针对长期施用生物堆肥和污泥堆肥两个长期定位试验,采集耕层土壤样品,采用常规分析方法、红外光谱扫描、δ13C同位素分析、16S测序及荧光定量法、土壤团聚体分析及土壤微形态切片分析等多种手段、系统分析了不同施肥方式下土壤的物理性质、化学性质、生物性质和土壤微生物多样性及有机碳的结构特性,然后分别利用综合指数法和层次分析法对土壤健康评价进行了评价,探讨了施用堆肥对土壤特性的影响机理,揭示了在高度集约农业体系下,长期大量施用堆肥对土壤健康质量产生的影响。研究结果表明:(1)长期施用不同堆肥对土壤理化性质产生显著的影响,可改善土壤基础肥力特性,对农田土壤具有明显的培肥作用。施用生物堆肥21年后,土壤容重明显降低,且各处理土壤容重大小顺序为:EM1>TC1>EM2>TC2>CF。而施用污泥堆肥的土壤容重和孔隙度变化不明显。同时长期施用堆肥后,土壤持水量也有所提高,生物堆肥的作用比污泥堆肥效果更好。长期施用生污泥和单施化肥(CF)处理的土壤电导率显著升高,而施用腐熟污泥堆肥处理的土壤电导率较低。长期施用堆肥可提升土壤养分水平,施用堆肥土壤的养分含量均高于单施化肥(CF)处理。总之,施用生物堆肥的土壤理化性质比传统堆肥和化肥处理的好,高量施肥比常量施肥的土壤养分含量高。可见,长期施用堆肥可提高土壤肥力,对土壤健康质量有促进作用。(2)长期施用不同堆肥显著提高了土壤有机碳含量,改变了有机碳的组分及其结构特性。施用EM生物堆肥处理的土壤有机碳含量大小顺序为EM1>TC1>TC2>EM2>CF>CK。EM1和TC1处理显著提高了活性碳组分。施用生污泥处理三种有机碳组分含量均显著高于对照,施用腐熟污泥堆肥处理活性碳含量最高。通过对土壤的红外光谱进行扫描分析发现,土壤惰性碳组分中含有烃类、羧基、脂肪族等物质。施用高量生物堆肥处理的土壤有机碳惰性组分中含有较多脂肪族、烃类、酸酐和羧基类的物质。而施用污泥堆肥后土壤有机碳中脂肪族、烃类和羧基类的物质的吸收峰明显下降。δ13C值的大小反映有机质的降解程度,结果表明EM2处理的惰性碳组分降解程度较高,施用腐熟污泥堆肥处理的惰性碳组分降解程度也较高。(3)长期施用堆肥促进了土壤团聚体发育,粒径增大,团聚体数量增大,土壤微形态特征揭示施用堆肥的土壤结构发育良好。经过长期施用堆肥,土壤团聚体有机碳含量随着粒径的增大有机碳含量呈先升高后降低趋势,<1 mm粒径的各个粒级的有机碳含量逐渐降低,变化规律为(2-1 mm)>(1-0.5 mm)>(0.5-0.25 mm)>(<0.25 mm)粒级。各个处理在>2 mm 粒径的团聚体中芳香类的物质比CK多,但没有不饱和烃基的吸收峰,小于2 mm粒径的团聚体中有不饱和烃吸附峰。施用生物堆肥的土壤微形态结构发育程度比化肥处理好,化肥处理微结构主要以致密紧实面状或板状为主,以稍微紧实的粘结基质为主。施用堆肥使土壤有机胶结物质与粉粒团聚在一起形成大团聚体,因此土壤结构发育较好。(4)长期施用不同生物堆肥对土壤微生物量、组成和生物多样性产生了显著影响。施用生物堆肥对土壤微生物碳、生物氮和微生物磷量有显著影响。与单施化肥(CF)相比施用生物堆肥(EM1、EM2、TC1、TC2)微生物碳含量增加1.6%-6%,生物施用量越高微生物数量增加越明显。长期施用堆肥和化肥均显著影响土壤酶的活性。通过荧光定量检测发现,长期施用堆肥后土壤微生物数量显著增加,施用生物堆肥的处理高于施用传统堆肥的处理。腐熟污泥堆肥处理的微生物基因拷贝数比生污泥处理高,其次为单施化肥(CF)处理。说明EM1和腐熟污泥堆肥处理的土壤更利于细菌的生长繁殖。对堆肥试验各处理的微生物指标进行主成分分析和聚类分析结果显示,不同堆肥处理有共同的微生物类群,也存在不同的微生物类群,主要涵盖了 11个门的微生物菌群;施用腐熟污泥堆肥处理与施用生污泥处理具有不同的细菌群。最后通过对小麦生育期叶绿素、产量和籽粒蛋白质含量的检测分析表明,长期施用堆肥处理的小麦产量和籽粒蛋白质含量有所提高,品质较高。说明随着堆肥的施用,土壤肥力不断提高,作物产量提高的同时作物品质也有所改善,证明土壤健康状况向好。(5)通过对各种土壤理化性质指标进行标准化处理,构建了适合土壤健康评价的综合指标集,建立土壤性质与土壤功能的隶属函数,并采用主成分分析法和层次分析法对土壤健康进行定量化评价。曲周长期施用生物堆肥的土壤重金属含量均没有超过国家二级标准。结合土壤污染指标,通过两种方法计算土壤健康指数均发现施用高量生物堆肥土壤健康综合指数最高,其次是施用腐熟污泥堆肥处理土壤健康综合指数,而施用化肥处理的土壤健康综合指数均较低。这充分说明长期施用堆肥可显著提高土壤肥力,提升土壤健康质量状况。