双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应

尹泽润，盛浩，刘鑫，肖华翠，张丽娜，李源钊，田宇，周萍

双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应

尹泽润1，盛浩，刘鑫1，肖华翠1，张丽娜1，李源钊1，田宇1，周萍

1湖南农业大学资源学院，长沙 410128；2中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125

【目的】为明确双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应规律，验证不同土壤健康评价方法在水稻土健康评价中的适应性、敏感性及筛选敏感指示指标。【方法】选取长江中下游植稻区双季稻酸紫泥田作为研究对象，基于配对试验设计的原则，设置对照和处理田块，研究连续6年单施有机肥、石灰后，土壤物理、化学、生物学共24项指标的变化规律，应用康奈尔土壤健康评价（CASH）、Haney土壤健康测试（HSHT）及主成分分析结合最小数据集（MDS），构建综合土壤健康指数，评估土壤健康的响应差异。【结果】与对照相比，单施有机肥的土壤容重、紧实度、微团聚体（＜0.25 mm）含量分别显著下降14%、25%和32%，0.5—1 mm团聚体、铵态氮、活性有机碳、水溶性有机碳和氮、土壤呼吸与柠檬酸盐可浸提蛋白含量分别显著上升100%、37%、54%、21%、44%、59%和8%，最小数据集（MDS）、康奈尔土壤健康（CASH）、2015、2018及Ward实验室（SHS）版本的Haney土壤健康测试（HSHT）指数，分别显著提高75%、20%、42%、95%和55%（＜0.05）；与对照相比，连续石灰处理土壤的紧实度、微团聚体、水溶性有机氮和pH分别显著上升44%、22%、61%和0.57个单位，但0.5—1 mm团聚体、有效态锌含量和土壤呼吸分别显著下降39%、14%和52%，MDS、CASH和SHS HSHT指数分别显著下降59%、15%和47%（＜0.05）。【结论】连续6年单施有机肥和石灰后，总体上对双季稻酸紫泥田的土壤健康分别产生了正面和负面作用。土壤健康指数无法反映本试验土壤的总镉累积量及其有效性的变化，镉超标水稻土健康评价方法仍有待开发。

水稻土；土壤健康；土壤性质；土壤呼吸；有机肥；石灰

0 引言

【研究意义】近40年来，伴随着我国国民经济的快速发展，耕地利用强度和集约度日益提高，一些土壤的功能和质量呈退化趋势，培育健康耕地土壤，发展健康农业，已成为政府、学界和公众关注的焦点[1-4]。耕地土壤健康是维系土壤功能可持续性和保障粮食安全的关键[5]，它对土地利用方式和人为管理措施的响应非常敏感[6]。准确评价耕地土壤健康，不仅是科学管护耕地土壤、助力农业高质量发展的现实需求，也对指导耕地保育、维持和提升耕地质量具有重要意义。【前人研究进展】目前，国内外针对土壤质量/健康的评价体系、指标与程序、评价方法与工具已有一定研究，针对耕地地力与土壤养分相关指标开展大量试验，提出了土壤生物肥力概念，但有关土壤物理、生物学指标，仍有待加强研究[7-8]。尽管在《耕地质量等级》（GB/T 33469—2016）国标中，引入了土壤健康概念，以清洁程度和生物多样性表征土壤健康状况，但仍然存在土壤生物学指标数量少、量化程度低、实际应用中操作困难等问题。迄今，国外已开发多个土壤健康评价方法，例如：康奈尔土壤健康评价（CASH）、Haney土壤健康测试（HSHT）和Müencheberg土壤质量定级（M-SQR）方法，但这些土壤健康评价方法，主要针对北美、欧洲的旱地开发[9-10]。水稻土是指旱地/自然土壤在长期淹水植稻、频繁灌排及耕作搅拌的人为水耕熟化作用下，土体形成耕作层、犁底层和水耕氧化还原层等特殊发生层的人为土。水稻土的成土过程与旱地/自然土壤的成土过程迥异。目前，不仅国内外尚无专门针对水稻土研发的土壤健康评价方法，且基于旱地开发的土壤健康评价工具和方法，能否适用于水稻土，也仍有待探究。【本研究切入点】在我国农业农村部2015年颁布的《耕地质量保护与提升行动方案》中指出，长江中下游平原水稻区耕地的主要问题为土壤酸化、潜育化和局部地区土壤重金属污染比较严重，推荐增施有机肥、石灰以改善土壤肥力与结构、钝化土壤重金属活性和改良土壤酸化。大量研究报道，长期增施有机肥，可改善土壤物理性状，扩增土壤养分库容，提升土壤肥力水平，或许有利于土壤健康[11]。尽管施石灰已广泛应用于治理酸化水稻土和应急性修复镉超标水稻土[12]，但连续过量施石灰，也存在土壤物理性质恶化，土壤板结，土壤有效含水量降低的负面作用[13]。尽管如此，连续施有机肥、石灰对水稻土总体健康状况的影响，仍难以准确评估和精准量化。鉴于此，本研究选取长江中下游典型双季稻酸紫泥田为研究对象，在野外和室内测定连续6年施有机肥、石灰后水稻土的物理、化学和生物学性质，应用主流土壤健康评价方法（CASH和HSHT）和主成分分析结合最小数据集（MDS）法，构建土壤健康指数，综合评估水稻土健康状况。【拟解决的关键问题】（1）明确双季稻酸紫泥田土壤健康指数对连续单施有机肥、石灰后的响应规律；（2）评估CASH、HSHT方法在水稻土健康评价中的适应性与敏感性；（3）筛选指示水稻土健康总体变化的敏感指标。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省东部（株洲市渌口区）的低丘坡麓，盛行中亚热带湿润季风气候。2016—2020年，当地年均气温和年均降雨量分别为17.6 ℃和1 476 mm。土种为酸紫泥田，土系为石板桥系，双季稻种植历史大于70年，灌排水利基础设施良好。试验前，土壤基本理化性质参见表1。有关试验地的自然地理环境、土壤剖面形态与理化性质的更详细介绍，还可参考薛毅等[14]、YIN等[15]、SHENG等[16]和李源钊等[17]已报道文献。

表1 试验处理前0—15 cm表土基本理化性质

1.2 供试材料

供试早稻品种为湘早籼17号，晚稻品种为天优华占。有机肥为商品有机肥，主要由鸡粪和草木灰混合发酵而成（山田悦5%有机肥，绿丰源生物有机肥料有限公司，湖南长沙），pH 8.4，有机碳、总氮、总磷和总钾含量分别为325、23、12和8 g·kg-1，总镉含量0.90 mg·kg-1。石灰为石灰岩经高温煅烧后的生石灰粉（生石灰，老浦石灰公司，湖南宁乡），CaO含量约76%，pH 12.7，总镉含量0.06 mg·kg-1。

1.3 试验设计

2015年春耕前，随机选取形状规则、土地利用史清晰和管理措施一致的6块稻田。每块田的面积约0.2 hm2，田块中央筑修高30 cm的田埂，将田块一分为二做配对试验，分设处理和对照。田埂覆膜，修筑独立的灌、排水渠。试验处理分单施有机肥和石灰，每种处理3块稻田。

双季稻田同时存在镉污染和土壤酸化，根据试验前土壤基本理化性质（例如：pH、有机质和黏粒含量、阳离子交换量、酸碱缓冲性能），计算pH中和到6.5的石灰需用量。并结合LIAO等[18]对全球范围内稻田施用石灰的降镉效果分析，确定本研究的石灰施用量为每季2.25 t·hm-2。为了比较不同处理之间的效果差异，有机肥施用量也为每季2.25 t·hm-2。

每季旋耕前，人工撒施有机肥或石灰，在双季稻生育期内，自插秧起直至水稻黄熟期前15 d，全程淹水管理。处理田块除施用有机肥或石灰外，其他耕作、施肥和除草杀虫等农艺管理措施均与对照田块共同按当地习惯方式进行。其中，施肥为“一基一追”法，基肥和追肥均为复合肥（15﹕15﹕15），基肥450 kg·hm-2，追肥225 kg·hm-2，每年早稻收获后秸秆部分还田，晚稻收获后秸秆全部还田。当地双季稻生产习惯水稻收获前半个月落干排水晒田。

1.4 样品采集和室内分析

连续6年施有机肥、石灰后，于2020年晚稻黄熟期，使用自制非金属土钻按“S”形取样法，采集0—15 cm表层土壤样品15份，混合均匀，并分离1份新鲜土壤样品，自封袋保存，冰袋运输。同时，在采样点1 m2范围内，应用紧实度速测仪（TJSD-750，托普云龙科技股份有限公司，浙江杭州）测定表土紧实度。在田块中央，挖掘0—15 cm土层深度的土坑，用铁盒采集原状土保存。同时，用环刀采集原状土，用自封袋保存。采集的土壤混合样品和新鲜土壤样品，当天带回室内，迅速剔除砾石、动植物残体。新鲜土壤保存于低温冰箱，供生物学指标测试。混合土壤样品在室内自然风干后（5—7 d），石钵研磨，分别过60目和100目尼龙筛，供化学指标测试。原状土在室内自然风干2—3 d，并在风干过程中，沿自然结构体面，手工剥离为体积约1 cm3的小土块，供土壤团聚体测试。

土壤容重和有效含水量采用环刀法；土壤紧实度采用紧实度仪法；土壤团聚体采用湿筛法；pH采用电位法；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效钾采用中性乙酸铵溶液浸提-火焰光度法；铵态氮采用流动分析仪法；有效态铁、锰、锌及交换态镁采用火焰原子吸收法；土壤有机质采用容量法；土壤呼吸速率采用室内密闭培养法，以C为单位（mg·kg-1·d-1）；水溶性有机碳、氮采用总碳分析仪法；活性有机碳采用比色法；土壤蛋白采用柠檬酸盐浸提法。测试标准和流程参见康奈尔土壤健康实验室土壤健康综合评价标准操作程序[19]。

1.5 土壤健康评价方法

（1）最小数据集法（MDS）

采用极差法，进行数据标准化处理。应用主成分分析法，针对24项土壤指标，计算各指标的综合载荷值与Norm值。Norm值代表指标对土壤健康的解释量。基于载荷值与Norm值，选取各主成分指标，构建最小数据集。Norm值算式如下：

式中，为第个指标在特征值＞1的主成分Norm值；U为第个指标在第个主成分上指标载荷；E为第个主成分特征值。

最小数据集中，各评价指标的权重通过主成分分析得出，权重算式如下：

式中，为第个指标的权重；C为第个主成分的贡献率。

土壤健康指数（）算式如下：

式中，V为第个指标标准化数值。

（2）康奈尔土壤健康评价法（CASH）

根据各土壤健康指标的范围和报告临界值，固定上阈值、下阈值、基线值（土壤参数值评分为0.5）和评分曲线斜率。根据不同土壤类型，赋予相应阈值与曲线斜率，再应用正态累积评分函数（CND），将不同单位土壤参数转化为单位得分。土壤参数分为3类：正向指标（得分=100×CND）、负向指标（得分=100×(1–CND)）和中间最优指标。CASH指数为所有土壤参数得分的均值[16]。正态累积评分函数算式如下：

式中，Score为土壤参数转化的得分；为土壤参数的基准值；为土壤参数值评分，取0.5；为土壤参数测定值。

（3）HSHT土壤健康测试法

采用不同地区校准的3种HSHT评价方法（2015HSHT、2018HSHT和SHSHSHT），算式分别如下[8]：

式中，1-day CO2-C为24 h土壤呼吸，以C为单位计算；WEOC和WEON分别为水溶性有机碳、氮含量。

1.6 数据处理与制图

土壤指标对连续单施有机肥和石灰的响应敏感性指数算式如下：

（%）=（处理-对照）/对照×100

式中，处理和对照分别为对照和处理的土壤指标值。

基于Microsoft Excel（Excel 2010，微软公司，美国）软件，计算各指标的描述统计量，图表中数据为平均值±标准差。基于SPSS（SPSS 13.0，SPSS公司，美国）软件，应用配对t检验法，比较施有机肥、石灰处理与其对照之间变量均值的差异，显著性水平设为0.05。基于SPSS软件进行主成分分析，R软件（www.r-project.org）进行相关分析。

应用Origin函数绘图软件（Origin 2018，Origin Lab公司，美国）绘制柱状图，应用R软件中ggplot2和corrplot程序包，绘制相关系数热图。

2 结果

2.1 土壤物理性质

表2显示，与对照相比，有机肥处理的土壤0.5—1 mm和0.25—0.5 mm团聚体含量，分别显著提高51%和9%，但＜0.25 mm团聚体含量显著降低25%；石灰处理田块0.5—1 mm团聚体含量显著低于对照39%，但＜0.25 mm团聚体含量比对照显著提高22%。此外，施有机肥处理的土壤容重、土壤紧实度，分别显著低于对照14%和25%，而石灰处理的土壤紧实度显著高出对照44%。连续单施有机肥、石灰处理的土壤有效含水量与其对照田块无显著差异。

2.2 土壤化学性质

与对照相比，施有机肥处理土壤pH和铵态氮含量，分别显著高出0.2个单位和37%，但土壤有效磷含量并无显著变化；施石灰处理土壤pH和有效磷含量分别显著高出0.5个单位和40%，但有效态锌含量显著降低14%，铵态氮含量无显著变化。此外，施有机肥、石灰处理与对照田块的土壤速效钾、交换态镁、有效态铁、锰含量，均无显著差异（表3）。

图1表明，与对照相比，施有机肥处理土壤总镉含量显著提高15%，但是土壤DTPA浸提镉和交换态镉含量分别显著下降8%和17%。与对照相比，石灰处理土壤总镉含量无显著变化，但土壤DTPA浸提镉和交换态镉含量分别显著降低22%和26%。

表2 双季稻田连续6年单施有机肥和石灰后土壤物理性质

同列同一配对不同字母表示差异显著（＜0.05）。下同

Different letters in the same column and the same pair meant significant difference at 0.05 level. The same as below

表3 双季稻田连续6年单施有机肥和石灰后土壤化学性质

* 表示同一配对间差异显著（P＜0.05）。下同 Different letters in the same pair meant significant difference at 0.05 level. The same as below

2.3 土壤生物学性质

与对照相比，有机肥处理的土壤有机质、活性有机碳、水溶性有机碳和氮、ACE（autoclaved citrate extractable）蛋白含量和土壤呼吸分别显著提高6%、54%、21%、44%、8%和59%。石灰处理田块土壤水溶性有机氮含量比对照显著提高61%，但是土壤呼吸比对照显著降低52%，土壤有机质、活性有机碳、水溶性有机碳和ACE蛋白含量均与对照无显著差异（＞0.05）（图2）。

图2 双季稻田连续6年单施有机肥和石灰后土壤生物学性质

2.4 土壤健康评价最小数据集指标

主成分分析共提取出6个主成分（特征值≥1），总方差解释度为90%（表4）。基于每个土壤健康影响因子的荷载值，共划分出6组。基于Norm值与各因子间相关性筛选指标。

PCA1中，土壤有机质的荷载值、Norm值均最高，且与荷载值＞0.8的有效含水量、有效态锌和交换态镁呈显著相关（图3），故选择土壤有机质进入最小数据集。PCA2中，土壤活性有机碳的荷载值、Norm值均最高，且无其他荷载值＞0.8的指标，故选土壤活性碳进入最小数据集。PCA3中，土壤呼吸和总镉分别为荷载值与Norm值最高，但总镉荷载值＜0.7，且与PCA1中土壤有机质呈显著负相关，故选择土壤呼吸进入最小数据集。PCA4中，0.5—1 mm土壤团聚体的荷载值、Norm值均最高，但与PCA3中土壤呼吸呈极显著正相关，故选择荷载值、Norm值第二的0.5—1 mm土壤团聚体进入最小数据集。PCA5和PCA6中，均只有一个因子进入分组，故ACE蛋白和有效态铁进入最小数据集。主成分分析权重计算表明，最小数据集中土壤活性有机碳、土壤有机质、土壤呼吸、有效态铁、ACE蛋白和0.5—1 mm土壤团聚体的权重分别为0.23、0.21、0.19、0.16、0.15和0.06。

2.5 土壤健康指数

与对照相比，施有机肥MDS、CASH土壤健康指数，分别显著提高75%和20%，但是施石灰田块的MDS、CASH土壤健康指数，分别显著低于对照田块59%和15%（图4）。

表4 土壤健康影响因子的荷载矩阵、Norm值及主成分因子筛选

有机肥处理田块2015 HSHT、2018 HSHT和SHS HSHT土壤健康指数比对照分别显著提高42%、95%和55%（图5）。石灰处理田块SHS HSHT土壤健康指数显著低于对照47%，而2015 HSHT、2018 HSHT土壤健康指数与对照均无显著差异。这表明，MDS、CASH和SHS HSHT评价方法对水稻土健康评价，具有良好的适应性。

* P＜0.05，** P＜0.01，*** P＜0.001。下同The same as below

图4 双季稻田连续6年单施有机肥和石灰后MDS和CASH土壤健康指数

图5 双季稻田连续6年单施有机肥和石灰后Haney土壤健康指数

2.6 土壤健康指数与土壤性质的相关性

相关性分析表明，2015 HSHT和SHS HSHT土壤健康指数均与0.5—1 mm土壤团聚体和土壤呼吸呈极显著正相关；2018 HSHT土壤健康指数与活性有机碳、水溶性有机碳和土壤呼吸呈显著正相关；CASH土壤健康指数与0.5—1 mm土壤团聚体、活性有机碳和土壤呼吸呈显著正相关，与紧实度呈显著负相关；MDS土壤健康指数与紧实度、容重和＞0.25 mm土壤团聚体呈显著负相关，与有效含水量、0.5—1 mm土壤团聚体、有效态锌、土壤有机质、活性有机碳和ACE蛋白呈显著正相关（图6）。0.5—1 mm土壤团聚体均与土壤呼吸均和4种土壤健康指数呈显著正相关（＜0.05），这表明，这两个指标或为决定水稻土健康水平的关键指标。

图6 水稻土健康指数与土壤物理、化学和生物学性质的相关系数热图

2.7 土壤性质、土壤健康对连续单施有机肥和石灰响应的敏感性指数

连续单施有机肥和石灰6年后，土壤物理、化学、生物学和污染指标的响应敏感性指数分别介于-39% —52%、-14%—42%、-52%—64%和-26%—19%，在24项土壤指标中，土壤生物学指标的响应敏感性更高（图7）。此外，物理、化学、生物学和污染指标中敏感性指数最高的指标分别是0.5—1 mm土壤团聚体、铵态氮、土壤呼吸和交换态镉，其中，土壤呼吸对连续单施有机肥响应最敏感。5种土壤健康指数对连续单施有机肥的响应敏感性为21%—193%，均为正响应，但对连续单施石灰的响应敏感性为-60%—-6%，均为负响应。与连续单施石灰相比，水稻土健康指数对连续单施有机肥的响应更加敏感。

图7 土壤性质和土壤健康对连续6年单施有机肥和石灰响应的敏感性指数（SI）

3 讨论

3.1 酸性水稻土健康状况对连续施有机肥、石灰的响应

长期培育健康水稻土是实现稻米安全生产的基础。连续施有机肥、石灰是酸性水稻土改良与保育的传统措施。然而，连续单施有机肥、石灰对水稻土健康的作用，会受到有机肥源和石灰类型、施用量和施用方式、连续施用年限和水稻土类型的强烈影响，总体效果评价仍存在较大不确定性。诸多研究表明，水稻土长期单施有机肥配施化肥，显著地改善了水稻土物理结构性、养分有效性和土壤代谢功能，有助于水稻土健康[20]。但也有报道，水稻土长期施猪粪有机肥，显著提高了水稻土中抗生素浓度和抗性基因丰度，也为水稻土健康带来了一定潜在风险[21]。此外，水稻土单施一定年限的石灰是改良酸化水稻土的主要农艺措施，能显著提高水稻土养分有效性，降低水稻土中镉生物有效性[12]。但也有研究显示，需要长期保持中性或微碱性的土壤pH，才能维持石灰对水稻土中镉的钝化效果[22]。有报道称，水稻土长期大量施用石灰，显著地破坏了水稻土团聚体结构，造成耕作层板结、养分有效性降低[23]，不利于长期培育健康水稻土。本研究针对湘东地区典型的双季稻酸紫泥田，连续6年单施有机肥、石灰后，综合水稻土物理、化学和生物指标，评价水稻土健康指数分别呈正、负响应，这暗示长期连续单施有机肥、石灰后，对水稻土总体健康状况分别产生了正面和负面效果。

3.2 酸性水稻土健康的关键指示指标

适宜的土壤物理、化学性质，不仅有利于提高土壤生物活性，也是培育健康土壤的条件。据报道，水稻土连续34年施有机肥，通过增强土壤有机质的胶结作用，提高了＞0.25 mm大团聚体含量和比例，从而显著改善土壤物理性状[24]。本研究中，连续6年单施有机肥也促进了微团聚体（＜0.25 mm）形成大团聚体（0.25—1 mm），但与之不同的是，在0.25—2 mm的大团聚体中，本研究只发现0.25—1 mm大团聚体含量显著提高，这可能与水稻土不同类型、有机肥类型和施用年限相对较短有关[25]。双季稻酸紫泥田连续6年单施石灰后，土壤紧实度明显提高，孔隙性劣化，破坏土壤团聚结构（表2）。其原因是部分大团聚体可能在Ca2+作用下分散成微团聚体[26]，降低了土壤大团聚体水稳性，造成耕作层板结或黏闭，这对水稻土物理结构性产生了负面影响[27]。主成分分析显示，0.5—1 mm团聚体含量为PCA4中荷载值与Norm值最高的指标，且与关键土壤微生物指标（土壤呼吸）、土壤健康指数均呈显著正相关（表4和图6）。这表明，0.5—1 mm团聚体是水稻土健康变化的关键物理指示指标。鉴于此，在水稻土农艺管理中，促进＜0.25 mm微团聚体重新黏结，形成0.5—1 mm大团聚体，成为长期培育健康水稻土的重要物理途径。

土壤化学性质是土壤健康的重要组成部分[28]。土壤酸度可用土壤pH来表示，强烈影响酸性水稻土壤微生物活性、土壤中养分和重金属的生物有效性[13]。连续6年单施碱性有机肥、石灰后，显著提高了土壤pH，基于本研究样地土壤有效磷含量（＞20 mg·kg-1）较丰富，且石灰处理显著提高土壤pH趋于中性（5.7—6.2）有利于土壤中Fe-P和Al-P分解释放，因而土壤磷有效性提高。同时，pH提高还降低了土壤镉活性，连续单施石灰的效果更好，这与已有报道中通过提高土壤pH，降低土壤重金属的生物有效性相印证[29-30]。此外，连续6年单施有机肥后，土壤总镉含量显著提升15%（图1），其主要与有机肥中含镉（0.9 mg·kg-1）有关。尽管所施有机肥的镉含量明显低于国家有机肥标准中镉允许量（3 mg·kg-1，NY 525—2012），但双季稻酸紫泥田连续6年单施有机肥后，仍产生了显著的土壤镉累积。同时，连续施用有机肥还通过提高土壤活性有机碳组分含量和促进微团聚体胶结团聚作用，增加了土壤镉固持量，这也导致了土壤镉累积[31]。因此，针对长期施用的商品有机肥，应特别关注其重金属含量，对有机肥连续施用带来的水稻土健康潜在风险也应加以重视。

土壤生物在发挥土壤生态系统服务功能中起着关键作用，是维系土壤生物健康的核心[32]。土壤呼吸主要源于土壤中微生物的碳、氮代谢活动，对土地利用和人为管理的响应非常敏感（图7）。双季稻酸紫泥田连续6年施有机肥后，由于土壤有机质含量较高（＞30 g·kg-1），且有机肥施用量相对较低（4.5 t·hm-2），土壤有机质含量并未发生显著变化，但土壤呼吸显著高于对照处理。原因可能是，长期的外源有机物质投入，为土壤微生物群落带来了大量活性有机碳组分、ACE蛋白和速效养分（图2），提高了土壤中微生物活性[33-34]。然而，连续6年单施石灰后，显著降低了土壤呼吸。尽管连续6年单施石灰后，土壤pH趋于中性，土壤活性有机碳、氮组分含量和养分有效性也呈升高趋势，但是土壤团聚体层次结构劣化，孔隙性降低，土壤紧实度增加（表2），似乎成为了抑制土壤呼吸的关键因子。值得注意的是，土壤呼吸不仅进入土壤健康评价的最小数据集，而且与其他土壤健康指数均呈显著正相关（表4和图6）。北美124个长期农业试验显示，在旱地土壤健康评价中，土壤呼吸是指示土壤有机碳变化的最优指标[35]。本研究表明，在酸性水稻土健康评价中，土壤呼吸是土壤健康变化的关键生物指示指标。

3.3 酸性水稻土健康评价方法

准确评估水稻土是否健康，是水稻土健康管护的前提。本研究应用3种当前主流土壤健康评价方法，结果较一致地表明。双季稻酸紫泥田连续6年单施有机肥、石灰后，分别提高、降低了土壤健康指数。与SHS HSHT和MDS土壤健康指数相比，CASH土壤健康指数的敏感性相对较低（图7）。原因可能是，CASH土壤健康评价中，应用评估指标更多且权重均一（表4），部分指标响应的敏感性较低。这导致CASH土壤健康指数的敏感性总体较低。在土壤物理、化学与生物指标中，土壤生物指标对连续单施有机肥、石灰的响应明显更为敏感。因此，未来的土壤健康评价框架中，应筛选响应敏感的土壤生物指标（例如：土壤呼吸），并在此基础上结合关键的土壤健康物理、化学指示指标（如：＞0.25 mm水稳性大团聚体含量、pH），准确、敏感地反映土壤健康变化。同时，考虑到土壤类型、水稻品种、种植制度、施肥用量与方式的地区性差异和土壤性质（如：pH）高度的空间异质性，应注重广泛收集水稻土关键物理、化学、生物指标数据，应用正态累积评分函数建立评分模型，构建水稻土健康指数阈值。

此外，土壤污染指标的敏感性相对较低（图7），均未进入土壤健康评估的最小数据集中。土壤健康指数与土壤pH、总镉、有效态镉和交换态镉含量均无显著相关性（图6）。这些证据均表明，在中度镉污染酸性水稻土的修复过程中，当前主流土壤健康评价方法尚难以真实反映和准确评估，土壤总镉累积及其生物有效性降低所引起的土壤健康变化。总体上，SHS HSHT和MDS土壤健康指数对连续单施有机肥、石灰的响应敏感，适应双季稻酸紫泥田土壤健康评价。但是，如何准确评估镉污染的酸性水稻土健康状况，仍有待进一步研究。

4 结论

4.1 双季稻酸紫泥田连续6年单施有机肥，有利于改善土壤理化性质，提升土壤肥力水平，促进土壤微生物活性，总体上对土壤健康产生“正面”影响。此外，有机肥处理显著降低了土壤镉有效性，但连续施用也造成土壤总镉累积，对土壤健康产生潜在风险。

4.2 双季稻酸紫泥田连续6年单施石灰，破坏了土壤结构，造成土壤板结、黏闭，降低了土壤微生物活性，降低了土壤镉的有效性，但未显著改变土壤总镉含量，总体上对土壤健康造成“负面”影响。

4.3 基于当前主流土壤健康评价方法，测算的土壤健康指数一致地指示连续单施有机肥、石灰后土壤性质的总体变化，但无法指示土壤污染物（例如：土壤镉积累量和有效态组分）的变化，针对存在镉污染的水稻土健康评价仍需进一步深入研究。

[1] 张桃林. 守护耕地土壤健康支撑农业高质量发展. 土壤, 2021, 53(1): 1-4.

ZHANG T L. Protecting soil health of cultivated land to promote high-quality development of agriculture in China. Soils, 2021, 53(1): 1-4. (in Chinese)

[2] 朱永官, 李宝值, 吝涛. 培育健康土壤，助力乡村振兴. 科技导报, 2021, 39(23): 54-58.

ZHU Y G, LI B Z, LIN T. Fostering healthy soil to push forward rural revitalization. Science & Technology Review, 2021, 39(23): 54-58. (in Chinese)

[3] 韩明会, 李保国, 张丹, 李颖. 再生农业: 基于土地保护性利用的可持续农业. 中国农业科学, 2021, 54(5): 1003-1016. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.05.012.

HAN M H, LI B G, ZHANG D, LI Y. Regenerative agriculture- sustainable agriculture based on the conservational land use. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(5): 1003-1016. doi: 10.3864/j.issn.0578- 1752.2021.05.012. (in Chinese)

[4] 张俊伶, 张江周, 申建波, 田静, 金可默, 张福锁. 土壤健康与农业绿色发展: 机遇与对策. 土壤学报, 2020, 57(4): 783-796.

ZHANG J L, ZHANG J Z, SHEN J B, TIAN J, JIN K M, ZHANG F S. Soil health and agriculture green development: Opportunities and challenges. Acta Pedologica Sinica, 2020, 57(4): 783-796. (in Chinese)

[5] 司绍诚, 吴宇澄, 李远, 涂晨, 付传城, 骆永明. 耕地和草地土壤健康研究进展与展望. 土壤学报, 2022, 59(3): 625-642.

SI S C, WU Y C, LI Y, TU C, FU C C, LUO Y M. The current research progress and prospects of cultivated and grassland soil health-A review. Acta Pedologica Sinica, 2022, 59(3): 625-642. (in Chinese)

[6] RINOT O, LEVY G J, STEINBERGER Y, SVORAY T, ESHEL G. Soil health assessment: A critical review of current methodologies and a proposed new approach. Science of the Total Environment, 2019, 648: 1484-1491.

[7] BÜNEMANN E K, BONGIORNO G, BAI Z G, CREAMER R E, DE DEYN G, DE GOEDE R, FLESKENS L, GEISSEN V, KUYPER T W, MÄDER P, PULLEMAN M, SUKKEL W, VAN GROENIGEN J W, BRUSSAARD L. Soil quality-A critical review. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 120: 105-125.

[8] 李鑫,张文菊, 邬磊, 任意, 张骏达, 徐明岗. 土壤质量评价指标体系的构建及评价方法. 中国农业科学, 2021, 54(14): 3043-3056. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.010.

LI X, ZHANG W J, WU L, REN Y, ZHANG J D, XU M G. Advance in indicator screening and methodologies of soil quality evaluation. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(14): 3043-3056. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2021.14.010. (in Chinese)

[9] VAN ES H M, KARLEN D L. Reanalysis validates soil health indicator sensitivity and correlation with long-term crop yields. Soil Science Society of America Journal, 2019, 83(3): 721-732.

[10] SINGH S, JAGADAMMA S, YODER D, YIN X H, WALKER F. Agroecosystem management responses to Haney soil health test in the southeastern United States. Soil Science Society of America Journal, 2020, 84(5): 1705-1721.

[11] WANG H X, XU J L, LIU X J, ZHANG D, LI L W, LI W, SHENG L X. Effects of long-term application of organic fertilizer on improving organic matter content and retarding acidity in red soil from China. Soil and Tillage Research, 2019, 195: 104382.

[12] HUANG Y, SHENG H, ZHOU P, ZHANG Y Z. Remediation of Cd-contaminated acidic paddy fields with four-year consecutive Liming. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 188: 109903.

[13] MIJANGOS I, ALBIZU I, EPELDE L, AMEZAGA I, MENDARTE S, GARBISU C. Effects of Liming on soil properties and plant performance of temperate mountainous grasslands. Journal of Environmental Management, 2010, 91(10): 2066-2074.

[14] 薛毅, 尹泽润, 盛浩, 马颢榴, 周清, 宋达清, 张杨珠. 连续4 a施有机肥降低紫泥田镉活性与稻米镉含量. 环境科学, 2020, 41(4): 1880-1887.

XUE Y, YIN Z R, SHENG H, MA H L, ZHOU Q, SONG D Q, ZHANG Y Z. Reduction of soil cadmium activity and rice cadmium content by 4-year-consecutive application of organic fertilizer. Environmental Science, 2020, 41(4): 1880-1887. (in Chinese)

[15] YIN Z R, SHENG H, XIAO H C, XUE Y, MAN Z Y, HUANG D Z, ZHOU Q. Inter-annual reduction in rice Cd and its eco-environmental controls in 6-year biannual mineral amendment in subtropical double-rice cropping ecosystems. Environmental Pollution, 2022, 293: 118566.

[16] SHENG H, GU Y, YIN Z R, XUE Y, ZHOU P, THOMPSON M L. Consistent inter-annual reduction of rice cadmium in 5-year biannual organic amendment. The Science of the Total Environment, 2022, 807(Pt 3): 151026.

[17] 李源钊, 盛浩, 尹泽润, 肖华翠, 薛毅, 周萍. 双季稻田土壤微生物群落对连续5年施有机肥和石灰的响应差异. 土壤通报, 2022, 53(2): 482-491.

LI Y Z, SHENG H, YIN Z R, XIAO H C, XUE Y, ZHOU P. Response of microbial community in purple mud of double-cropped rice fields to 5-year continuous application of organic amendment and Liming. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(2): 482-491. (in Chinese)

[18] LIAO P, HUANG S, ZENG Y J, SHAO H, ZHANG J, VAN GROENIGEN K J. Liming increases yield and reduces grain cadmium concentration in rice paddies: A meta-analysis. Plant and Soil, 2021, 465(1): 157-169.

[19] SCHINDELBECK R R, MOEBIUS-CLUNE B N, MOEBIUS- CLUNE D J, KURTZ K S, VAN ES H M. Cornell University Comprehensive assessment of soil health laboratory standard operating procedures [ROL]. February 2016. [2023-01-03] https:/ /www.css.cornell.edu/extension/soil-health/front-matter.pdf.

[20] SONG W F, SHU A P, LIU J A, SHI W C, LI M C, ZHANG W X, LI Z Z, LIU G R, YUAN F S, ZHANG S X, LIU Z B, GAO Z. Effects of long-term fertilization with different substitution ratios of organic fertilizer on paddy soil. Pedosphere, 2022, 32(4): 637-648.

[21] RAHMAN M M, SHAN J, YANG P P, SHANG X X, XIA Y Q, YAN X Y. Effects of long-term pig manure application on antibiotics, abundance of antibiotic resistance genes (ARGs), anammox and denitrification rates in paddy soils. Environmental Pollution, 2018, 240: 368-377.

[22] DU Y Y, WANG X, JI X H, ZHANG Z X, SAHA U K, XIE W C, XIE Y H, WU J M, PENG B, TAN C Y. Effectiveness and potential risk of CaO application in Cd-contaminated paddy soil. Chemosphere, 2018, 204: 130-139.

[23] AGEGNEHU G, YIRGA C, ERKOSSA T. Soil Acidity Management. Addis Ababa. Ethiopia: Ethiopian Institute of Agricultural Research (EIAR), 2019, 1-56.

[24] FANG H, LIU K L, LI D M, PENG X H, ZHANG W J, ZHOU H. Long-term effects of inorganic fertilizers and organic manures on the structure of a paddy soil. Soil and Tillage Research, 2021, 213: 105137.

[25] ZHOU H, FANG H, MOONEY S J, PENG X H. Effects of long-term inorganic and organic fertilizations on the soil micro and macro structures of rice paddies. Geoderma, 2016, 266: 66-74.

[26] 廖抒蔚, 孔维凤, 梁嫦娥, 王腊梅, 李坤桐, 王纯, 仝川. 湿地土壤水稳性团聚体结构和稳定性研究进展. 湿地科学, 2021, 19(5): 623-628.

LIAO S W, KONG W F, LIANG C E, WANG L M, LI K T, WANG C, TONG C. Research progress on composition and stability of soil water-stable aggregates in wetlands. Wetland Science, 2021, 19(5): 623-628. (in Chinese)

[27] ROTH C H, PAVAN M A. Effects of lime and gypsum on clay dispersion and infiltration in samples of a Brazilian Oxisol. Geoderma, 1991, 48(3/4): 351-361.

[28] 李烜桢, 骆永明, 侯德义. 土壤健康评估指标、框架及程序研究进展. 土壤学报, 2022, 59(3): 617-624.

LI X Z, LUO Y M, HOU D Y. The indicators, framework and procedures for soil health: A critical review. Acta Pedologica Sinica, 2022, 59(3): 617-624. (in Chinese)

[29] HE L L, HUANG D Y, ZHANG Q, ZHU H H, XU C, LI B, ZHU Q H. Meta-analysis of the effects of Liming on soil pH and cadmium accumulation in crops. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021, 223: 112621.

[30] LAURENT C, BRAVIN M N, CROUZET O, PELOSI C, TILLARD E, LECOMTE P, LAMY I. Increased soil pH and dissolved organic matter after a decade of organic fertilizer application mitigates copper and zinc availability despite contamination. Science of the Total Environment, 2020, 709: 135927.

[31] RAO Z X, HUANG D Y, WU J S, ZHU Q H, ZHU H H, XU C, XIONG J, WANG H, DUAN M M. Distribution and availability of cadmium in profile and aggregates of a paddy soil with 30-year fertilization and its impact on Cd accumulation in rice plant. Environmental Pollution, 2018, 239: 198-204.

[32] 朱永官, 彭静静, 韦中, 沈其荣, 张福锁. 土壤微生物组与土壤健康. 中国科学: 生命科学, 2021, 51(1): 1-11.

ZHU Y G, PENG J J, WEI Z, SHEN Q R, ZHANG F S. Linking the soil microbiome to soil health. Scientia Sinica (Vitae), 2021, 51(1): 1-11. (in Chinese)

[33] PULLEMAN M, WILLS S, CREAMER R, DICK R, FERGUSON R, HOOPER D, WILLIAMS C, MARGENOT A J. Soil mass and grind size used for sample homogenization strongly affect permanganate-oxidizable carbon (POXC) values, with implications for its use as a national soil health indicator. Geoderma, 2021, 383: 114742.

[34] CISSÉ G, ESSI M, NICOLAS M, STAUNTON S. Bradford quantification of Glomalin-Related Soil Protein in coloured extracts of forest soils. Geoderma, 2020, 372: 114394.

[35] LIPTZIN D, NORRIS C E, CAPPELLAZZI S B, MAC BEAN G, COPE M, GREUB K L H, RIEKE E L, TRACY P W, ABERLE E, ASHWORTH A, BAÑUELOS TAVAREZ O, BARY A I, BAUMHARDT R L, BORBÓN GRACIA A, BRAINARD D C, BRENNAN J R, BRIONES REYES D, BRUHJELL D, CARLYLE C N, CRAWFORD J J W, HONEYCUTT C W. An evaluation of carbon indicators of soil health in long-term agricultural experiments. Soil Biology and Biochemistry, 2022, 172: 108708.

Response of Paddy Soil Health to Continuous Amendments of Organic Fertilizer and LimeSeparately Under Double-Cropping Rice Fields

YIN ZeRun1, SHENG Hao, LIU Xin1, XIAO HuaCui1, ZHANG LiNa1, LI YuanZhao1, TIAN Yu1, ZHOU Ping

1College of Resources, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125

【Objective】 The aim of this study was to investigate the mechanism of the comprehensive soil health of double-cropping rice fields in response to continuous organic fertilizer and quick lime amendments, and to verify the current major soil health assessment methods in terms of the adaptability, sensitivity, and their sensitivity indicators in paddy soils. 【Method】 Here the double-cropping rice fields in the middle and lower reaches of the Yangtze River watershed were selected. Based on the principles of experimental design, the control and treatment fields were set up. It aimed at illuminating the changes in topsoil physical, chemical, and biological indicators (24 indicators) after 6-year biannual continuous organic and quick lime amendments, and assessing the holistic soil health index using the Cornell Soil Health Assessment (CASH), the Haney Soil Health Test (HSHT), and the principal component analysis combined with minimal data set construction (MDS) methods. 【Result】Compared with the control treatment (CK), 6-year continuous organic amendment treatment reduced the soil bulk density, penetration resistance, and microaggregates (＜0.25 mm) significantly by 14%, 25%, and 32%, respectively; however, which rose the soil aggregate (0.5-1 mm), ammonium N, activated C, water extractable organic C and N, respiration rate, and autoclaved-citrate extractable protein significantly by 100%, 37%, 54%, 21%, 44%, 59%, and 8%, respectively; in addition, the minimum data set (MDS), comprehensive assessment of soil health (CASH), 2015, 2018, and Ward Laboratory (SHS) versions of Haney soil health test (HSHT) indexes were significantly enhanced by 75%, 20%, 42%, 95%, and 55% under 6-year continuous organic amendment treatment than that under CK, respectively (＜0.05). After the 6-year continuous liming, the soil penetration resistance, microaggregates, water extractable organic N, and pH were significantly increased by 44%, 22%, 61%, and 0.57 units than that under CK, respectively; whereas 0.5-1 mm soil aggregates, available Zn, and respiration decreased significantly by 39%, 14%, and 52% under 6-year continuous organic amendment treatment than that under CK, respectively; meanwhile, the MDS, CASH and SHS HSHT indexes were significantly decreased by 59%, 15% and 47%, respectively. 【Conclusion】 The 6-year continuous biannual organic and liming amendments separately exerted positive and negative effect on the paddy soil health, and the soil respiration rate sensitively indicated the paddy soil health. However, the soil health index cannot reflect the change in soil Cd accumulation and its phyto-availability, and the assessment tools for paddy soil with excess Cd concentration remained to be further developed.

paddy soil; soil health; soil properties; soil respiration; organic fertilizer; lime

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.010

2022-11-10；

2023-02-14

湖南省重点研发计划项目（2023NK2026）、科技基础资源调查专项课题（2021FY100504）、2021年湖南省研究生科研创新项目（CX20210677）

尹泽润，E-mail：yinzerun123@163.com。通信作者盛浩，E-mail：shenghao82@hunau.edu.cn。通信作者周萍，E-mail：zhouping@isa.ac.cn

（责任编辑 李云霞）