土壤質(zhì)量指標和評價方法

土壤質(zhì)量指標和評價方法?326?土壤2001年第6期土壤質(zhì)量指標和評價方法①張華張甘霖（中國科學院南京土壤研究所南京210008）摘要土壤質(zhì)量是反映土壤保持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量以及動植物健康能力的土壤的內(nèi)在屬性。土壤質(zhì)量評價是根據(jù)土壤內(nèi)部屬性對土壤綜合狀況進行表達。評價必須確定合適的時間和空間尺度，綜合量化分析指標和不可量化的描述性指標。評價方法包括定性評價和定量評價，系統(tǒng)化的定性評價仍有其現(xiàn)實意義。定量評價要選擇指標的最小數(shù)據(jù)集（MDS）,采用最小數(shù)據(jù)集（MDS）+土壤變換函數(shù)（PTF）的方法將土壤質(zhì)量指標和土壤功能相聯(lián)系，對土壤的各個功能因子進行評價，在此基礎(chǔ)上利用各種數(shù)學評價方法得到綜合的量化土壤質(zhì)量評價結(jié)果。關(guān)鍵詞土壤質(zhì)量；土壤質(zhì)量指標；土壤質(zhì)量評價1土壤質(zhì)量評價的概念土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。由于土壤對可持續(xù)發(fā)展的重要作用，土壤質(zhì)量在世界范圍內(nèi)正受到各方面人士的廣泛關(guān)注。土壤質(zhì)量被定義為“特定類型土壤在自然或農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)保持動植物生產(chǎn)力，保持或改善大氣和水的質(zhì)量以及支持人類健康和居住的能力”。簡單的說，土壤質(zhì)量就是“土壤運行能力”[1,2]。土壤質(zhì)量評價傾向于在更為廣泛的范圍內(nèi)綜合土壤各個方面的功能，包括保持生物生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量以及動植物健康。土壤質(zhì)量是在土壤不同功能間尋求平衡和綜合而確定的土壤本身的內(nèi)在屬性，土壤質(zhì)量評價工作是根據(jù)已知的土壤外部性質(zhì)對土壤的這一內(nèi)在屬性進行量化表達。土壤質(zhì)量研究只是剛剛開始，這是由于研究的復(fù)雜性。包括①土壤依賴于許多外部因子，如土地利用、土壤管理措施、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的相互作用以及社會經(jīng)濟和政治狀況等；②土壤本身包含了眾多在時間空間上存在顯著變異的的化學、物理和生物因子，這些因子間的在土壤質(zhì)量中的重要程度和相互作用機理仍然沒有得到充分認識；③不同人士關(guān)注的土壤功能不同，對“好的土壤”的認識很不一樣。由于這些原因，許多研究者曾經(jīng)認為土壤質(zhì)量是一個沒有辦法直接評價的抽象概念［1］。但是為了有效管理和保護土壤，必須進行土壤質(zhì)量評價。繼對大氣和水環(huán)境質(zhì)量的深入研究之后，對土壤質(zhì)量的深入認識已成為可持續(xù)環(huán)境的研究重點。2評價尺度土壤性質(zhì)具有復(fù)雜的時間和空間變異性，性質(zhì)變異影響著對土壤質(zhì)量的評價。不同的時間和空間尺度下，我們對土壤質(zhì)量的關(guān)注方面也不一樣。土壤質(zhì)量評價必須確定合適的時間和空間尺度。2.1時間尺度土壤的各種性質(zhì)都不是固定不變的，各種外部因子的變化都可能導致土壤性質(zhì)發(fā)生變①國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G1999011809)研究內(nèi)容2001年第6期土壤?327?化，土壤內(nèi)部各種因子的相互作用也增強了土壤性質(zhì)的變化。根據(jù)土壤性質(zhì)隨時間變化的速率和頻度可以區(qū)分為“短期的”“動態(tài)的”和“長期的”“靜態(tài)的”。Carter等［3］認為可以用土壤健康描述土壤短時期內(nèi)的“動態(tài)”狀況，用土壤質(zhì)量描述長時間尺度上“內(nèi)在的”和“靜態(tài)的”用于某種特定目的的能力Papendick等［4］認為土壤質(zhì)量評價應(yīng)該是土壤“動態(tài)”和“靜態(tài)”屬性的混合。2.2空間尺度土壤質(zhì)量評價必須確定評價的空間范圍。評價范圍可以是土體、土壤上圖單元、田塊、景觀以至整個流域。政策制定者還需要國家、國際范圍內(nèi)的土壤質(zhì)量評價。Karlan等［2］建議了一個不同目的的土壤質(zhì)量評價尺度的框架。Pennock等［5］根據(jù)分散的采樣數(shù)據(jù)在景觀和地區(qū)尺度上評價了3個草甸農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量，Smith等［6］利用Kriging方法得到了景觀尺度上的土壤質(zhì)量圖。3評價指標體系土壤質(zhì)量是土壤的許多物理、化學和生物學性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體現(xiàn)。因此對土壤質(zhì)量的綜合評價必須建立在對于不同土壤屬性的閾值與最適值，各種土壤屬性的不同水平間的相互組合對土壤質(zhì)量的體現(xiàn)，各種土壤屬性與土壤功能之間的關(guān)系，形成各種土壤屬性的明確的土壤過程等等問題的深入的機理性的了解基礎(chǔ)之上，由于現(xiàn)在對這些問題的答案仍然是比較模糊和不全面的，目前評價土壤質(zhì)量的研究仍然只是一些從不同關(guān)心角度進行的嘗試。3.1描述性指標土壤的診斷性質(zhì)被分為兩個部分，描述屬性和分析屬性。描述性數(shù)據(jù)因為不能量化而被視為“軟”數(shù)據(jù)，常常不能得到科學家和技術(shù)專家們足夠的重視，而農(nóng)民及其他直接使用土壤的人卻是通過這些不能量化的指標認識土壤質(zhì)量的，在研究者和用戶之間進行必要的溝通是非常重要的。農(nóng)民們可以通過看、聞和感覺確定土壤質(zhì)量，他們的這些知識在一定程度上彌補了科學家們所使用方法的不足。農(nóng)民和科學家的合作，可以在土壤質(zhì)量研究中將農(nóng)民的觀察知識和分析數(shù)據(jù)結(jié)合起來發(fā)展土壤質(zhì)量評價方法，為土壤資源的經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供指導。Harris等［1］提供了以解釋框圖和訪談指南為基礎(chǔ)，包括通用調(diào)查表、特定地點調(diào)查表、相關(guān)報告卡組成的一套較為完整的土壤質(zhì)量評價信息收集工具。Romig等［7］基于農(nóng)民的土地評價方法中給出的Wisconsin土壤健康評分卡中，包括了24項土壤指標14項植物指標和3項動物指標及2項水環(huán)境指標，根據(jù)農(nóng)民對這些指標的評分可以得到土壤的健康狀況。USDA-NRCS設(shè)計的Maryland土壤質(zhì)量評價手冊將土壤動物、有機質(zhì)顏色、根系和殘留物、表土緊實性、土壤耕性、侵蝕狀況、持水性、滲透性、作物長勢、pH狀況和保肥性分為差、中、好3個等級，對每個項目各個等級的特征有詳細描述，在對這些項目等級評定的基礎(chǔ)上得到土壤質(zhì)量的定性狀況［8］。3.2分析性指標對土壤質(zhì)量的綜合定量評價要選擇土壤的各種屬性的分析性指標，確定這些指標的閾值和最適值。土壤指標通常包括物理指標、化學指標和生物指標（表1），各項指標的不同取值組合決定了土壤質(zhì)量的狀況。在土壤質(zhì)量評價中需要根據(jù)不同的土壤、不同的評價目的對這些指標進行取舍組合。?328?土壤2001年第6期3.2.1物理指標土壤物理狀況對作物生長和環(huán)境質(zhì)量有直接或間接的影響。例如土壤團聚性會影響到土壤侵蝕，水分運動和植物根系生長。土壤孔隙提供了空氣交換、水分運動和養(yǎng)分傳輸?shù)耐ǖ溃仓苯佑绊懼参锔档纳L。圍繞著土壤中固、液、氣3相的分配，各種土壤物理屬性是相互聯(lián)系和制約的，土壤團聚性好的土壤一般具有較好的土壤孔隙分布，土壤團聚體間的大孔隙和團聚體內(nèi)的小孔隙相互補充，使土壤具有較好的持水性、導水性和通氣性。而土壤結(jié)構(gòu)差、團聚性差、容重大，則容易帶來固結(jié)、結(jié)皮、滯水等問題，進而導致根系發(fā)育不良，養(yǎng)分傳輸受限，污染物質(zhì)難以降解，具有較差的土壤生產(chǎn)和環(huán)境質(zhì)量。3.2.2化學指標各種土壤養(yǎng)分和土壤污染物在土壤中的存在形式和濃度，直接影響作物生長以及動物與人類的健康，例如土壤N素不僅僅是植物養(yǎng)分的來源，還會造成水體和大氣的污染，影響著土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量。土壤的一些基本化學性質(zhì)如CEC、pH和電導率則影響著這些養(yǎng)分和污染物在土壤中的轉(zhuǎn)化、存在狀態(tài)和有效性，CEC是限制土壤化學物質(zhì)存在狀態(tài)的閾值，pH是限制土壤生物和化學活性的閾值，電導率是限制植物和微生物活性的閾值。對土壤質(zhì)量的深入認識需要土壤化學方面更進一步的知識。3.2.3生物指標土壤支持不同種群的生物，從病毒到大型哺乳動物，這些生物和作物與其他系統(tǒng)成分相互作用。許多土壤生物可以改善土壤質(zhì)量狀況，但是也有一些生物如線蟲，病原細菌或真菌會降低作物生產(chǎn)力。在表一列出的土壤生物指標中，主要考慮了土壤微生物指標，而中型和大型土壤動物也可以指示土壤質(zhì)量狀況，對土壤動物作為土壤質(zhì)量表征的研究目前仍處在開展階段。3.3標準采樣和測定方法對土壤質(zhì)量指標以及指標的空間和時間變異性進行真實可靠的估計，必須有詳細周密的土壤質(zhì)量采樣方案，需要采用標準的采樣規(guī)程、樣品預(yù)處理和分析方法,還要進行質(zhì)量確認（QA,qualityassuranee）和質(zhì)量控制（QC，qualitycontrol）。Dick等［7］描述了土壤質(zhì)量研究采樣和樣品預(yù)處理的一般方法。Sarrantonio等［7］等詳細介紹了土壤質(zhì)量評價中田間測定土壤pH、容重、滲透率、持水性、土壤呼吸和土壤N的有效采樣和分析方法。3.4最小數(shù)據(jù)集（MDS）Larson和Pierce（1991）建議采用土壤參數(shù)的最小數(shù)據(jù)集（MDS,minimumdataset）來評價土壤質(zhì)量，MDS中的各個參數(shù)必須可以在短時間測定并且是對土地利用和管理決表1常用土壤質(zhì)量分析性指標（Singer&Ewing）［9］土壤質(zhì)量物理指標土壤質(zhì)量化學指標土壤質(zhì)量生物指標通氣性團聚穩(wěn)定性容重粘土礦物學性質(zhì)顏色濕度（干潤、濕）障礙層深度導水率氧擴散率粒徑分布滲透阻力孔隙連通性孔徑分布土壤強度土壤耕性結(jié)構(gòu)體類型溫度總孔隙度持水性鹽基飽和度（BS%）陽離子交換量（CEC）污染物有效性污染物濃度污染物活動性污染物存在狀態(tài)交換性鈉百分率（ESP）養(yǎng)分循環(huán)速率pH植物養(yǎng)分有效性植物養(yǎng)分含量鈉交換比（SAR）有機碳生物量C和N總生物量細菌真菌潛在可礦化N土壤呼吸酶脫氫酶磷酸酶硫酸酯酶生物碳／總有機碳呼吸／生物量微生物群落指紋培養(yǎng)基利用率脂肪酸分析氨基酸分析2001年第6期土壤?329?策有用的，參數(shù)的選擇基于它們的測定性、重現(xiàn)性，以及它們代表控制土壤質(zhì)量的關(guān)鍵變量的能力。MDS以外的土壤參數(shù)可以作為擴展數(shù)據(jù)集的內(nèi)容。在MDS之外，還有一些重要的土壤質(zhì)量參數(shù)，它們的測定過于昂貴或者困難，這些數(shù)據(jù)可以通過土壤變換函數(shù)(PTF，pedotransferfunctions)得到。PTF在土壤質(zhì)量評價中將土壤的各種參數(shù)和性質(zhì)互相聯(lián)系，可以用來擴展MDS顯示土壤質(zhì)量狀況的能力。Doran和Parson提出了一個基本土壤性質(zhì)集(表2)，滿足大多數(shù)農(nóng)業(yè)條件下顯示土壤質(zhì)量狀況的需要。而現(xiàn)在存在的一些模擬模型可以作為土壤質(zhì)量評價需要的PTF函數(shù)建立的起點［1］。3.5土壤指標與土壤功能Doran等［1］提出了一個土壤質(zhì)量方程，包含6個特定土壤質(zhì)量元素：SQ=f(SQE1,SQE2,SQE3,SQE4,SQE5,SQE6),其中，SQE1二作物和纖維生產(chǎn)，SQE2二抗侵蝕能力，SQE3=地下水質(zhì)量,SQE4=地表水質(zhì)量，壟歸廉盤躺險壟歸廉盤躺險圖1土壤管理措施可持續(xù)性評價流程圖(Pierce&larson)[1]4綜合評價方法4.1定性評價方法農(nóng)民們很早就懂得區(qū)分“好的土壤”和“壞的土壤”，他們用各種詞匯評價土壤在作表2土壤質(zhì)量和健康狀況參數(shù)及其與土壤質(zhì)量的聯(lián)系(Doran&Parson)[1]土壤狀況參數(shù)與土壤功能的聯(lián)系；優(yōu)先測定的基本原理土壤物理指標質(zhì)地水分和化學品的保持和傳輸；模型使用，土壤侵蝕和變量估計土壤，表土和根層深度生產(chǎn)潛力和侵蝕估計；景觀和地理變異性的標準化土壤容重和滲透性淋溶、生產(chǎn)和侵蝕潛力；基于體積的分析需要容重數(shù)值土壤持水性(水分特征曲線)水分保持，傳輸和侵蝕；有效水：從容重、質(zhì)地和有機質(zhì)計算土壤化學指標土壤有機質(zhì)(總C總N) 定義土壤肥力、穩(wěn)定性和侵蝕范圍； 使用在過程模型和點位規(guī)范化PH定義生物和化學活性閾值； 對過程模型非常重要電導率定義植物和微生物活性閾值；在多數(shù)過程模型中缺乏可釋放N、P、K植物有效養(yǎng)分和潛在N損失； 生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量指標土壤生物指標生物量微生物催化潛力和C、N儲存； 模擬：管理對有機質(zhì)影響的預(yù)警 潛在礦化N 土壤生產(chǎn)力和N供應(yīng)潛力；過程模型土壤呼吸、水分含量和溫度估計生物活性；微生物活性測定模型?330?土壤2001年第6期物生產(chǎn)中的表現(xiàn)。在中國古代，人們對土壤質(zhì)量已經(jīng)有相當深入的認識?！渡袝?禹貢》中已經(jīng)將天下九州的土壤分為3等9級，根據(jù)土壤質(zhì)量等級制定賦稅，這無疑是世界上最早的關(guān)于土壤質(zhì)量評價的記載。此后的歷代典籍中，土壤評價方面的記載不勝枚舉，需要我們進一步進行總結(jié)歸納。［10］。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）根據(jù)Liebig的最小因子律，提出了一整套土地評價大綱（FAO，1976，F(xiàn)rameworkoflandevaluation），其基本原理同樣可應(yīng)用于定性的土壤質(zhì)量評價［11］。4.2量化評價方法隨著信息技術(shù)在土壤研究中的應(yīng)用，我們越來越依賴于定量的數(shù)字方法，定量方法利用各種數(shù)學方法根據(jù)量化的土壤屬性計算出土壤質(zhì)量的“分數(shù)”，通常最好的土壤得到最高的分數(shù)。目前還不存在標準的量化評價方法，但是在研究中已經(jīng)存在一些評價體系。在評價中經(jīng)常使用的數(shù)學方法包括評分法、分等定級法、模糊評判法、聚類分析法以及地統(tǒng)計學方法［1，5，6，9，11］。這些方法在以往的土地評價中使用比較廣泛，有些方法已經(jīng)比較成熟，而有些方法仍在研究之中。Larson和Pierce提出了一個描述土壤質(zhì)量動態(tài)變化的方法，土壤質(zhì)量Q=f（q1qn），qi是單個土壤質(zhì)量數(shù)值，土壤的動態(tài)變化dQ=f［（qi，t-qi，t0qn，-qn，t0）反應(yīng)了土壤質(zhì)量是進化還是退化。⑴Doran和Parkin將各個土壤質(zhì)量元素相乘得到t土壤質(zhì)量評價值［1］。Smith等［6］總結(jié)了土壤質(zhì)量評價的多變量克立格法（MVIKmultiplevariableindicatorkriging）,可以將沒有數(shù)量限制的單個土壤質(zhì)量指標綜合成一個總體的土壤質(zhì)量指標。在GIS技術(shù)的支持下，在建立完整的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤過程模型，采用合適的數(shù)學評價模型，可以做到對土壤質(zhì)量的自動評價和動態(tài)監(jiān)測。5討論土壤質(zhì)量評價研究仍然只是剛剛起步，這項研究涉及土壤學的各個領(lǐng)域，并且關(guān)系到土地利用、農(nóng)業(yè)種植措施和管理等眾多方面。在土壤質(zhì)量評價的各個環(huán)節(jié)，都存在大量需要解決的問題，在我們的研究中主要需要解決的有，對評價指標的時空變異性進行評估和控制，土壤指標和土壤功能之間的關(guān)系的深入認識，土壤質(zhì)量綜合評價的數(shù)學方法。土壤質(zhì)量評價需要發(fā)展關(guān)于土壤質(zhì)量的一系列的指標、分級標準、閾值，定量化和動態(tài)的評價方法與評價模型，對土壤質(zhì)量的動態(tài)變化進行監(jiān)測和預(yù)警。參考文獻J.W.Doranetal.(ed.)Definingsoilqualityforasustainableenvironment.SSSASpecialPublication,1994,no.35Karlen,D.L,Mausbach.Soilquality:aconcept,definition,andframeworkforevaluation.SoilSci.Soc.Am.J.1997,61:4?10Carter.M.R,E.G.Gregorich,etc.Conceptofsoilqualityandtheirsignificance.In:Soilqualityforcropproductionandecosystemhealth.ElsevierSciencePublishers,Amsterdam,Netherland,1997,124?137Papendick.R.I,J.F.Parr,etc.Soilquality:newperspectiveforasustainableagriculture.In:Proc.InternationalSoilConservationOrganization.NewDelhi,India,1994,18?24Pennock.D.J,D.W.Anderson,etc.Landscape-scalechangesinindicatorsofsoilqualityduetocultivationinSaskatchewan,Canada.Geoderma1994,64:1?19Smith.J.L.,J.J.Halvorson,etc.Usingmultiple-variableindicatorkrigingforevaluatingsoilquality.SoilSci.Soc.Am..J.1993,57:743?749(下轉(zhuǎn)第333頁)2001年第6期土壤?333?2.4不同施氮方法的肥料效應(yīng)方經(jīng)對棉花籽棉產(chǎn)量與施N量進行回歸分析的結(jié)果，擬合出如下回歸方程。底肥:Y=12.36+9.785x-2.565x2追肥:Y=12.36+8.980x-2.410x2底追各半:Y=12.36+8.880x-2.230x2式中Y為籽棉產(chǎn)量，X為施N量對回歸系數(shù)b進行比較，底施比追施為：9.785/8.98=1.09;底施比底追各半為：9.785/8.88=1.11。這表明氮肥底施比底追施和底追各半增產(chǎn)效應(yīng)分別高9%和11%。3討論旱地棉花氮肥一次底施可行性原因分析旱地棉花氮肥一次底施比追施和底追結(jié)合增產(chǎn)效果顯著，氮肥利用率較高，成鈴指數(shù)較高。其原因主要是因為黑龍港地區(qū)棉花初花期以前少雨干旱，土壤供氮能力較低，影響棉株發(fā)育，而雨季來臨后追肥，又會引起棉株徒長，造成蕾鈴大量脫落。氮肥配合磷鉀肥一次底施，可以先肥土，后壯苗，使棉花在花蕾期有充足的養(yǎng)分供應(yīng)，不會造成脫肥現(xiàn)象，且雨季來臨后養(yǎng)分又供應(yīng)平緩，棉株生長穩(wěn)健，營養(yǎng)生長與生殖生長協(xié)調(diào)，搭好了豐產(chǎn)的架子。一次底施，還省工、省時、經(jīng)濟、高效，至于氮素一次底施會不會造成氨的大量揮發(fā)而有氮素損失，此問題中國農(nóng)業(yè)大學曹一平①及河北省土肥所劉宗衡［2］的試驗表明，氮素化肥施入土中6cm以下基本可以免除氨的揮發(fā)損失。所以在干旱少雨的旱地棉田。氮素化肥與磷鉀肥及有機肥一次底施，是一項有效的增產(chǎn)措施。旱地棉花氮肥一次底施的有效條件旱地棉花氮肥一次底施的有效條件是土壤質(zhì)地為