通过多维度指标的诊断性定量分析，利用土壤质量评估方法来处理受镉污染的农田

《Journal of Hazardous Materials》：Leveraging soil quality assessment for Cd-contaminated farmland through a diagnostic quantitative analysis of multi-dimensional indicators

土壤镉污染修复中蛇纹石与生物炭复合改良效果及多维评估体系研究。采用60天盆栽实验，发现复合处理（2.5%蛇纹石+2.5%生物炭）最佳镉钝化率达67.89%，显著提升土壤团聚体稳定性、肥力及生物活性。构建了包含物理化学指数（SPI）、肥力指数（SFI）、生物活性指数（SBI）的多维土壤质量评估框架，验证了CASH评分结合主成分分析的SQI-CWA方法最优，其修订最小数据集（pH、电导率、>0.25mm团聚体比例、有机质、脲酶、过氧化物酶）可高效评估土壤质量。该体系为污染农田系统修复提供科学依据。

　　

作者：余高、向书婷、闫秀兰、王如刚、杨晓

中国科学院地理科学与自然资源研究院土地表面格局与模拟重点实验室，北京 100101，中国

摘要

尽管多种改良剂在镉（Cd）钝化方面显示出巨大潜力，但由于缺乏对土壤整体质量的全面评估，这些改良剂对农业生产力的影响仍不明确。本研究通过为期60天的盆栽实验，探讨了海泡石（5% w/w Sep）、生物炭（5% w/w BC）及其混合物（2.5%+2.5% w/w Sep-BC）对镉污染土壤的影响。Sep-BC处理表现出优异的镉钝化效果（67.89%），显著增强了土壤团聚体稳定性、肥力和生物活性。我们进一步通过将土壤质量指数（SQI）分解为物理化学（SPI）、肥力（SFI）和生物（SBI）子指数，开发了一个多维土壤质量评估框架。在比较的六种评估方法中，CASH评分法结合加权加性积分法表现出最佳的敏感性（CV=40.50%）和较高的相关性（R2=0.809），与多年生黑麦（Lolium perenne L.）的生长情况一致。海泡石-生物炭复合材料通过促进SPI（32.50%）、SFI（33.17%）和SBI（34.33%）的协同生长，实现了最高的SQI值。此外，通过主成分分析从三维指数中得出的修订后的最小数据集（pH值、电导率、>0.25毫米团聚体比例、有机质、脲酶和过氧化氢酶）比传统最小数据集更能代表整个数据集，从而提高了土壤质量评估的可解释性。这一多维框架有助于科学选择修复材料，并对受污染农田的土壤质量进行诊断性评估。

引言

农田土壤中的重金属污染，尤其是镉（Cd）污染，已成为农业可持续发展和粮食安全面临的严重挑战[1][2]。农业土壤中镉的积累主要归因于人为活动，如过量施用磷酸盐肥料、工业排放以及使用受污染的水进行灌溉[3][4]。利用土壤钝化材料进行原位固定镉已受到广泛关注，作为一种成本效益高且实用的修复策略[5][6]。这些钝化材料主要通过吸附、络合或共沉淀作用减少土壤中可利用的镉含量，从而降低作物对镉的吸收[7][8]。然而，仅降低重金属的生物可利用性并不足以减少作物的吸收；必须在确保生产安全的前提下，同时采取提高作物产量和质量的策略[9]。研究人员越来越多地研究外源输入材料对土壤健康质量变化的影响[10][11]。目前的研究大多局限于单一变量思维（例如土壤的物理、化学或生物子系统），未能捕捉到整个土壤健康系统内的复杂相互依赖性和协同效应。因此，需要建立一个更加全面、系统的评估方法，以科学评估农田土壤生态系统的健康状况。

已有多种方法用于半定量（视觉土壤评估和土壤指标评估）或定量（土壤工具包、土壤管理评估框架和土壤质量指数（SQI）来评估土壤质量[12][13][14]。其中，SQI是应用最广泛的方法，因为它具有高度的可扩展性和实用性[15][16]。其核心在于它是一个综合性的诊断工具，能够量化管理措施和土地利用对土壤多个变量的影响。例如，一项针对华北平原的长期研究表明，优化后的种植系统通过关键指标（如容重、有机碳和脲酶活性）计算出的SQI值表明，土壤质量得到了改善。研究强调了SQI将土壤内在特性与外在生态和经济效应有效联系起来的能力，从而验证了其作为综合评估工具的可靠性[17]。然而，模型结果的可靠性在很大程度上取决于输入数据的种类和数量。因此，开发标准化的数据集和相关数据协议是推进这一方法论的基础。

土壤质量评估的一个核心挑战是缺乏普遍认可的指标选择方法、评估体系建立和评估标准制定[18]。由于土壤质量因功能和土地利用方式的不同而存在很大差异，有效的数据集必须根据具体情况进行定制[19][20]。此外，数据标准化和计算算法也是影响SQI结果的关键因素。最近的进展探索了不同的评分函数（例如线性、非线性（S形函数（S）、综合土壤健康评估（CASH））和积分方法（加性积分、加权加性积分（主成分分析（PCA）、偏最小二乘法等）来计算SQI，每种方法都有其自身的敏感性和适用性[21][22]。线性评分假设指标值与土壤质量之间存在简单的比例关系，而非线性评分则考虑了阈值响应和更复杂的土壤行为[23]。文献表明，使用CASH和加性方法计算的SQI能够有效区分各种施肥措施的效果，表现出出色的敏感性和准确性[16]。然而，在中国黄土丘陵地区，线性评分方法在区分不同土地利用模式下的土壤质量方面比非线性方法更具敏感性[24]。因此，系统地比较这些方法对于选择适合特定土壤系统和研究目标的评分框架至关重要。此外，最小数据集（MDS）通过从更大的总数据集（TDS）中提取最具信息量的指标，实现了分析深度与实际可行性的平衡[25]。因此，MDS方法的发展和完善对于提高土壤质量评估在土地管理和修复策略中的实际应用性至关重要。

本研究系统地研究了代表性改良剂（海泡石、生物炭及其混合物）对镉污染农田土壤的综合修复效果，包括镉钝化效果和土壤质量。我们假设复合改良剂（海泡石-生物炭）通过协同作用改善多个土壤功能维度，从而优于单一改良剂；而一个多维SQI框架，通过分解为子指数，能够有效诊断物理化学、肥力和生物改善对整体土壤质量的具体贡献。我们的目标是：（1）研究这些改良剂对镉形态、土壤物理化学性质、肥力特征和生物活性的不同影响；（2）使用不同的评分和积分方法构建和比较多个SQI，以确定最敏感和最具代表性的指标；（3）阐明在不同处理条件下，土壤物理化学（SPI）、肥力（SFI）和生物（SBI）子指数对整体SQI的量化贡献；（4）建立和验证用于快速、低成本诊断修复系统土壤质量的最小数据集。我们的研究为将农田镉污染修复从单一钝化转向系统质量改进提供了理论基础，对促进受污染农田的安全利用和可持续管理具有重要意义。

研究区域和改良剂材料的位置

2023年10月，使用五点采样方法从中国河北省保定市一个休耕地玉米田中收集了受镉污染的农业表层土壤（0-20厘米深度）（坐标：38°52'32"N, 115°38'52"E，图S1）。土壤样品在自然风干和研磨后通过2毫米筛网过滤。土壤中的总镉含量为0.98毫克/千克。该地区的土壤pH值为7.5，镉含量超过了中国农业土壤的风险筛选值（0.6毫克/千克）[26]。该采样区域有

改良剂对土壤性质的影响

结果显示，所有处理方法均显著降低了CaCl?-Cd的含量（图2）。单独使用海泡石和生物炭分别使可利用镉含量降低了61.73%和63.93%（p < 0.05）。复合改良剂表现出最佳的钝化效果，为67.89%，显示出海泡石和生物炭在镉钝化方面的协同效应。与对照组相比，海泡石、生物炭和海泡石-生物炭处理组中镉的易分解部分（F1+F2）分别降低了18.39%、15.33%和18.79%

阐明复杂的土壤质量变化需要综合的SQI方法

以往关于镉污染农田修复的研究主要集中在钝化效率或个别土壤性质的变化上，忽视了对土壤生态系统质量的全面评估[8][11]。一些钝化材料虽然具有较高的镉钝化率，但可能会破坏土壤微量元素平衡、破坏土壤结构并降低养分有效性，从而抑制作物生长[45][46]。这种矛盾凸显了建立土壤质量评估体系的紧迫性

结论

本研究建立了一个多维的土壤质量评估框架，用于评估受镉污染的农田，超越了单一维度的钝化效率评估。通过将整体SQI分解为SPI、SFI和SBI子指数，我们成功量化了每个功能维度对整体土壤质量的独特贡献。SQI-CWA方法结合CASH评分和PCA加权加性积分法，被认定为最敏感的方法

环境意义

本研究建立了一个多维的土壤质量评估框架，用于评估受镉污染的农田，整合了物理化学、肥力和生物指标。研究表明，海泡石-生物炭复合材料不仅增强了镉的固定作用，还全面改善了土壤质量和植物生长。提出的修订后的最小数据集实现了快速、低成本的土壤质量诊断。这种方法支持从单一污染物控制向系统性土壤管理的转变

作者贡献声明

王如刚：撰写、审稿与编辑、资金获取。闫秀兰：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。杨晓：撰写、审稿与编辑、方法学研究、概念构思。余高：撰写、原始草稿、数据管理。向书婷：撰写、审稿与编辑、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家重点研发计划（编号2023YFC3708104）、国家自然科学基金（编号U21A2023）和石家庄市科学技术局（编号241240134）提供的财政支持。