江 慧，張 琴

（四川省林業(yè)科學研究院，四川成都 610061）

土壤質量指標與評價研究進展

江 慧，張 琴

（四川省林業(yè)科學研究院，四川成都 610061）

長期的人為破壞及不合理利用使土壤質量受到嚴重的威脅，傳統(tǒng)的理化指標已難滿足評價土壤質量的需要，尋找土壤質量評價指標已成為土壤生態(tài)學的研究熱點。本文通過對近幾年來土壤質量指標和土壤質量評價等相關研究成果進行了綜合評述，以期為尋找能夠全面反映土壤質量動態(tài)變化和判別土壤質量變化的靈敏指標提供參考，為土壤的合理利用與保護提供理論依據(jù)。

土壤質量；指標；評價；研究進展

土壤作為一種重要的自然資源可以為人類生產食物和纖維，并維持地球生態(tài)系統(tǒng)［1］。土壤質量概念的引入使我們更全面地理解土壤，也有助于合理地使用和分配勞力、能源、財政和其它投入。土壤質量提供了一個通用的概念使得專業(yè)人員、生產者和公眾明白土壤的重要性，同時也是一個評價管理措施和土地利用變化對土壤影響的評價工具。土壤質量由土壤的物理、化學和生物性質組成，國際上比較常用的土壤質量評價方法主要有多變量指標克立格法、土壤質量動力學方法、土壤質量綜合評分法和土壤相對質量法。土壤質量未來的研究集中在土壤質量指標與評價方法；土壤質量變化的發(fā)生條件、過程、影響因素及其作用機理與時空規(guī)律性，尺度問題的研究，土壤質量保持與提高的途徑及其關鍵技術研究。

1 土壤質量的定義和意義

土壤質量（soil quality）是維持地球生物圈最重要的因子之一，可以從生產力、可持續(xù)性、環(huán)境質量、對人類營養(yǎng)健康的影響等多方面來定義土壤質量［1］。土壤質量是指土壤肥力質量、土壤環(huán)境質量及土壤健康質量3方面的綜合量度，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內，維持生物的生產能力、保護環(huán)境質量及促進動植物健康的能力［2］。Parr等提出了幾個土壤質量定義的特定用處，可用于評價管理措施對土壤退化和保持的影響［4］。土壤質量的概念有助于區(qū)別技術進步導致生產力的變化和土壤質量的變化導致的生產力的變化。土壤質量的概念也可用于監(jiān)測與農業(yè)管理有關的可持續(xù)性和環(huán)境質量的變化。

2 土壤質量指標

土壤質量指標（soil quality indicator）是表示從土壤生產潛力和環(huán)境管理的角度監(jiān)測和評價土壤健康狀況的性狀、功能或條件［3］。

土壤質量指標的確定是一件很復雜的事情，而且在不同的土壤系統(tǒng)之間變化很大。Larson和Pierce提出了最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）概念，它包括了從多的土壤物理化學指標和生物學指標［1］。DMS最小數(shù)據(jù)集將有機碳、速效養(yǎng)分、pH、電導率、質地、根系深度、容重、水分傳導率、有效持水量、微生物生物量、可礦化的N、土壤質地、土層厚度、土壤容重、土壤力度、土壤結構、水分滲透、有效持水量、飽和水分傳導率、保持、可利用性、排水和水氣平衡、土壤微生物生物量、活性有機質、土壤酶活性等土壤物理化學和生物學質量指標整合成一個綜合的土壤質量指標體系，同類科學研究對DMS指標體系進行了豐富和完善。

2.1 土壤質量的物理化學指標

土壤有機質是反映土壤質量的最重要的化學參數(shù)之一。它作為土壤物理化學指標包括在MDS數(shù)據(jù)集中，通過土壤轉換方程可以計算土壤容重、持水量，淋溶勢，離子交換量（CEC）和土壤生產力［3］。土壤pH、電導率、CEC和養(yǎng)分含量也是土壤質量評價中重要的化學指標，它們提供了一個能夠反映土壤提供養(yǎng)分和緩沖化學改良的能力。

土壤物理質量主要包括土壤質地、土層厚度、土壤容重、土壤力度、土壤結構、水分滲透、有效持水量、飽和水分傳導率、保持、可利用性、排水和水氣平衡等指標，這些物理指標對于全面監(jiān)測土壤功能很重要。

2.2 土壤質量的生物學指標

土壤物理化學性質作為土壤質量指標有時不能評價土壤管理和土地利用的影響。近年來土壤質量評價的生物學指標越來越受到重視，生物學指標包括土壤上生長的植物、土壤動物、土壤微生物等，其中應用最多的是土壤微生物指標［3］。土壤微生物（包括微生物生物量、土壤呼吸）是土壤質量變化最敏感的指標［5］。土壤動物是土壤環(huán)境質量和健康質量的重要指示特征，特別是無脊椎動物如線蟲、蚯蚓等。植物作為土壤質量評價指標時，主要是考察植物的生長狀況、產量格局、根系結構、植物組織特征、牧草物種的多樣性和雜草的優(yōu)勢種，進而評價土壤的肥力質量和環(huán)境質量、健康質量。

Kennedy和Papendick指出土壤生物學性質和生物化學性可作為反映農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和土壤生產力變化的指標［6］。土壤微生物性質可以促進很多土壤物理化學性質的變化過程。微生物活性也參與分解、養(yǎng)分和能量循環(huán)、土壤團聚體的形成和有機質轉化的調控等過程［7］。

土壤微生物生物量被證明是一個穩(wěn)定的、可靠的參數(shù)以用來做區(qū)域尺度量化分析，取樣一般在營養(yǎng)生長末期或早春［8］，可用于土壤質量的長期監(jiān)測。綜合的微生物指標已被選作土壤質量潛在指標，并在土壤物理和化學性質的背景下進行分析，在有機質動態(tài)中起著很重要的作用［9］。

活性有機質是土壤微生物最易分解的那部分有機質，它由微生物最易接近的碳和能量來源的那部分化合物組成，這部分有機質控制了土壤的生物過程和決定了向作物提供養(yǎng)分的能力［10］，被認為是很重要的土壤質量指標且常常被包括在土壤質量評價中。

土壤酶活性已被選作潛在的土壤質量指標［11］。土壤酶的活性在養(yǎng)分循環(huán)中起著很重要的作用而且已被用作微生物活性指標。

2.3 土壤質量的物理、化學和生物學指標間的相互關系

土壤微生物生物量、土壤呼吸和土壤理化學性質間的相關性在各種尺度上都存在。有關研究集中在土壤肥力或土壤質量指標的空間分析，在景觀尺度上研究了土壤質量指標的變異，區(qū)域尺度上的研究很少。其它研究集中在微生物活性在景觀尺度上的空間分布，如碳礦化和土壤酶活性。目前關于土壤微生物的區(qū)域變異研究集中在種群水平上，按氣候梯度利用常規(guī)統(tǒng)計方法研究微生物多樣性的生物地理格局，進一步的工作需要研究土壤性質的空間自相關和協(xié)方差的時間穩(wěn)定性，同時研究地貌特征、土壤理化性質和土壤微生物活性之間的功能相關性。

3 土壤質量的評價

評價土壤質量及其隨時間變化的趨勢是農業(yè)土地可持續(xù)管理中一個很重要的思想和指標。土壤質量的評價是指評價土壤實現(xiàn)其功能的程度。土壤質量的評價不僅僅限于傳統(tǒng)的農業(yè)作物，相關研究把土壤質量和森林物種聯(lián)系起來［12］，土壤質量的監(jiān)測和評價對闡述環(huán)境問題也很重要。

3.1 土壤質量評價方法

土壤質量評價與監(jiān)測是評價土壤退化的重要工作，也是設計和評價土壤持續(xù)利用及土壤管理系統(tǒng)的一個基礎。目前缺乏統(tǒng)一的評價指標以及將各項土壤性質與土壤管理措施結合起來的評價方法。國際上比較常用的評價方法有以下幾種［1］：

（1）多變量指標克立格法（MVIK） 這種方法可以將多個土壤質量指標整合成一個綜合的土壤質量指數(shù)，這一過程稱為多變量指標轉換（MVIT，multiple variable indicator transform），是根據(jù)特定的標準將測定值轉換為土壤質量指數(shù)。

（2）土壤質量動力學方法 由于土壤系統(tǒng)的動態(tài)性，對可持續(xù)管理的評價應該采用動態(tài)評價方法，利用系統(tǒng)動力學特征測量其可持續(xù)性。

（3）土壤質量綜合評分法 Doran和Parkin將土壤質量評價細化為食物與纖維的生產量、土壤侵蝕量、地下水質量、地表水質量、大氣質量和食物質量等6個特定的土壤質量元素的評價。通過建立各個元素的評價標準，利用簡單乘法運算計算出土壤質量的大小，每個元素的權重由地理、社會和經濟因素所決定。

（4）土壤相對質量評價法 通過引入相對土壤質量指數(shù)來評價土壤質量的變化，這種方法首先是假設研究區(qū)有一種理想土壤，其各項評價指標均能完全滿足植物生長需要，以這種土壤的質量指數(shù)為標準，其它土壤的質量指數(shù)與之相比，得出土壤的相對質量指數(shù)（RSQI），從而定量地表示所評價土壤的質量與理想土壤質量之間的差距，這樣，從土壤的RSQI值就可以明顯而直觀地看出這種土壤的質量狀況，RSQI的變化量可以表示土壤質量的升降程度，從而可以定量地評價土壤質量的變化。上述幾種土壤質量評價方法各有優(yōu)點，可以認為土壤相對質量評價法更為方便、合理，它評價的是土壤的相對質量，而且可以根據(jù)不同地區(qū)的不同土壤建立理想土壤，選擇代表性的土壤質量評價指標做出量化的評價結果。

（5）國內學者在土壤質量評價的新方法建立方面作了大量的探索性工作。王效舉等引入相對土壤質量指數(shù)的概念；潘峰等將物元分析方法應用到土壤質量評價研究，為土壤的評價及綜合利用提供了一種新的科學方法；曾國熙等將密切值法應用于土壤質量排序中，并提出了按密切值大小的突變進行分類的新方法，是一種值得推廣的多目標決策方法；齊偉［19］等探討了土壤質量時空變化一體化的評價方法；劉德春［20］等根據(jù)隨機過程原理，構建了新的轉移矩陣，建立了一個馬爾柯夫鏈綜合土壤質量評價模型，進行土壤質量評價。

3.2 土壤質量評價的尺度

土壤質量的評價可在多種尺度下進行。在點尺度上，需要從機理水平理解土壤質量，強調土地利用決策對養(yǎng)分循環(huán)、淋溶、土壤結構、碳積累和其它相關過程的影響［13］。在小區(qū)尺度上，需要進行田間試驗來理解土壤質量和作物生產之間的關系。

Wardle＆Bollero比較了Illinois州36個農場的土壤質量。Hellkamp等調查了美國大西洋中部地區(qū)293個點耕地的土壤質量［3］。Boehm＆Anderson選取土壤屬性作為土壤質量指標在景觀尺度上評價了3種農作制度下土壤的質量［8］。Wirth在區(qū)域尺度上調查了德國東北部低地土壤的微生物、物理和化學性質，分析了微生物生物量中的碳、土壤基礎呼吸、有機碳、水溶性碳、全氮、離子交換量、pH和質地，以評價其空間分布格局、空間自相關和年際變異［13］。Sparling等在國家尺度上研究了土壤質量的變異，并且評價了取樣的代表性和確定了土地利用和土壤分類對土壤質量變異的貢獻［11］。

3.3 我國土壤質量評價研究進展

我國的土壤質量評價工作雖然起步晚，國內學者也在這方面做了大量的工作。孫波等首先提出了紅壤質量評價指標的選擇原則；傅伯杰［17］等采用綜合土壤質量指數(shù)和土壤退化指數(shù)比較了天然林地、草地、灌木、次生林地、耕地和退耕地等6種土地利用類型的土壤質量；吳祥云等從土壤微生物，土壤持水性、土壤物理、化學性質方面探討不同類型樟子松人工固沙林土壤質量狀況；楊志輝等通過田間試驗對濕地稻-鴨復合生態(tài)系統(tǒng)的稻田土壤質量進行了研究；盧鐵光等通過建立土壤質量變化評價模式，來計算主要耕作土壤和表層耕作層的土壤質量矩陣，利用耕作層土壤質量指數(shù)的變化來定量分析該市50a農業(yè)生產以來土壤質量的變化趨勢；胡金明［18］等利用主要耕作土壤表層土的土壤質量指數(shù)的變化來定量地分析三江平原地區(qū)大面積開荒后土壤質量的變化趨勢；鄭華等對南方紅壤侵蝕區(qū)4種主要森林恢復類型下土壤物理、化學、生物學性狀進行了比較研究；馬強等建立了黑土肥力評價指標體系，運用模糊數(shù)學和因子分析方法對黑土肥力水平進行評估、分級。張慶利等用修改后的內梅羅公式作為土壤質量的評價模型，將傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法與地統(tǒng)計學方法及GIS技術相結合，研究了金壇市土壤質量的空間分異規(guī)律，并對土壤質量進行了定量化的評價。

4 土地利用變化對土壤質量的影響

土壤質量是一種指示土壤條件動態(tài)變化最敏感的表示方法，它既能反映土壤管理的變化，也能反映土壤恢復退化的能力［1］。許多自然和人為的生態(tài)過程如氣候波動、植被演替、土地利用變化等都顯著影響土壤質量的時空演變，其中土地利用方式和管理水平是影響土壤質量變化最普通、最直接、最深刻的因素，可以導致土壤養(yǎng)分退化、水土流失、土地沙漠化等退化現(xiàn)象，亦可以達到提高土壤質量、改善生態(tài)環(huán)境的目的。人類活動可以導致土壤性質變化的速度，當前世界各地土地退化相當嚴重，已日益威脅到人類所賴以生存的土地資源。土地利用變化能夠影響土壤水分和土壤養(yǎng)分的分布和遷移，進而影響土壤的性質和質量。

4.1 對土壤物理化學質量的影響

國外的研究成果表明：當初生林地轉變?yōu)榇紊帧⒖Х确N植園和耕地后，土壤有機碳、全氮、速效磷、全磷和離子交換量明顯下降。森林砍伐導致土壤容重增加，有機質、全氮和可溶性離子含量下降。林地轉變?yōu)楦睾笸寥烙袡C質、全氮和C／N明顯下降，全磷和速效磷則下降不明顯。森林砍伐后隨著耕作時間的增加土壤化學性質惡化。對比天然林、人工林、草地、耕地等不同土地利用對土壤質量影響時發(fā)現(xiàn)，土地利用／土地覆被變化影響了土壤的物理結構、機械組成和養(yǎng)分等，耕作導致了土壤質量的明顯降低，而造林和草地則有助于改善土壤質量。牧場轉變?yōu)楦睾笸寥烙袡C質含量降為原來的49%，各種土地利用類型下土壤有機質在各層之間差異不明顯，林地和牧地間土壤有機質差異不明顯，耕地、牧地和林地0～20cm土層容重差異明顯。許多農業(yè)管理措施對土壤有機質的質量和數(shù)量產生不利影響，與草地相比，農業(yè)措施明顯降低了土壤中的總有機碳、腐殖質、水溶性碳、水溶性碳水化合物、脫氫酶、磷酸酶和β-葡萄糖酶。由于自然植被的去除、分解、燃燒或被支持低碳含量的作物取代，林地轉變?yōu)槟恋乜梢燥@著降低C的儲存，還對土壤N循環(huán)具有重要影響。

我國學者針對土地利用變化對土壤質量的影響研究出表明：人工梯地上的農林復合系統(tǒng)和多年生作物復合群落的土壤容重、土壤結構和土壤持水力及水分滲透力與相鄰天然森林土壤相近，優(yōu)于退化灌草叢和殘林地。劉世梁等的結果表明，灌叢有著較高的土壤質量指數(shù)，而人工林與農田的QI值較低，坡面土壤質量的變化是土地利用方式變化與景觀位置分異綜合作用的結果。土地利用方式對處于巖溶脆弱生境核心部位的土壤質量性狀有明顯的的影響，但變化規(guī)律并不一致，巖溶山地土壤質量與土地利用方式的關系復雜，存在區(qū)域差異性。土地利用管理與保護措施是引起土地利用類型間土壤質量差異的主要因素。不同土地利用方式和植被恢復類型對土壤質量有很大影響，植被恢復重建和農地撂荒將增加土壤有機質含量，提高土壤質量；粗放的農業(yè)耕作措施將降低土壤質量并引起土壤退化；灌叢有明顯的肥力島嶼作用，撂荒在一定程度上可以培肥土壤。人工植被的建立與生長明顯改善土壤質量，多年生喬木林改良土壤質量的潛力最高，耕作粗放的農地土壤質量有所下降。果農復合經營模式的土壤肥力高于單種作物土壤的肥力。種植人工林對土壤養(yǎng)分含量的提高有很大幫助，但不同林型提高程度不同，闊葉林下土壤肥力的提高較針葉林顯著。成土母質、海拔高度和利用方式對土壤的理化性質有較大影響，其中影響最大的是土地利用方式，即林地、灌木叢地、荒草地等自然植被下的土壤理化性狀較好，養(yǎng)分含量高，而經開墾耕作后，土壤理化性質變化較大，土壤總體質量表現(xiàn)出明顯的退化。

4.2 對土壤生物質量的影響

土地利用變化也能夠對土壤微生物產生明顯的影響，影響土壤微生物數(shù)量和分布［8］。國外研究結果表明，土壤肥力和微生物過程的區(qū)域格局與地區(qū)的年均降雨量呈負相關，土壤微生物過程與食草動物的利用和強度的景觀格局密切相關。土壤水分與土壤微生物生物量之間呈負相關。土壤水分和溫度短期的波動會影響微生物生物量中碳含量。當林地轉變?yōu)檗r業(yè)用地和荒地時，能夠導致土壤微生物的明顯減少。除了草地外，微生物的數(shù)量在總體上表現(xiàn)了增加的趨勢；草地、休耕地的Collembola豐富度略有降低，Protaphorura armata和Lepidocyrtus cyaneus在所有土地利用類型中均呈減少的趨勢。土地利用方式能顯著影響微生物的多樣性。土地利用對土壤微生物生物量C影響很大。土地利用主要通過有機質的投入和累積來影響Cmic。Nmic與土壤中的總氮和速效氮顯著相關，土地利用對其的影響相對較小。

5 土壤質量研究展望

土壤質量是個非常綜合的概念，不僅涉及到土壤學、土地利用、農業(yè)種植措施和管理等眾多方面，而且也與社會、經濟和政策有關。所以，需要研究的領域很多。目前，對于土壤質量方面的研究主要集中在土壤質量現(xiàn)狀的調查和分析、土壤質量評價的理論、方法和指標體系、土壤質量變化的原因、土壤質量動態(tài)監(jiān)測與預測預警及對策等方面，總結當前國際土壤質量研究的最新進展，結合我國的實際情形，有關土壤質量研究應加強以下幾個方面：

（1）土壤質量指標與評價方法不同尺度研究問題，需要利用不同的技術測定不同的指標［14］。這就要求發(fā)展大田尺度的指標進而為農戶及時提供信息，此外也要發(fā)展區(qū)域尺度指標以監(jiān)測土壤資源質量的發(fā)展趨勢。從能量效率角度、熱動力學角度對土壤質量進行研究和評價，具有廣泛前景。

（2）土壤質量變化的發(fā)生條件、過程、影響因素及其作用機理與時空規(guī)律性［15］。重點是土地利用變化、土壤質量和土壤微生物環(huán)境之間的有機聯(lián)系及其內在規(guī)律的研究。探討土地利用變化與土壤微生物多樣性之間的關系，進而揭示土地利用變化對土壤質量影響的機理和規(guī)律，這對于退化土地的恢復和區(qū)域土地資源管理以及土地的持續(xù)利用具有重要的意義。

（3）尺度問題的研究尺度是發(fā)展合適的土壤質量指標中的很重要的一個問題［16］。尺度的維數(shù)可在空間和時間兩方面影響土壤質量的評價。研究區(qū)域小至景觀中的一個點和研究小區(qū)，大至一個國家乃至世界。由于氣候、土壤水分、人類活動、植物生長階段和其他因子可引起土壤質量指標的時間變異，所以時間框架很重要。土壤質量指標對變化的反應時間決定了測定指標變化合適的時間間隔。這就要求在測試和揭示土壤特征時描述土壤過程的動態(tài)性和利用土壤特征的時間格局來描述土壤質量，此外也要重視管理措施改變后的過渡時期土壤特征的研究?？茖W家們采用兩種途徑來處理空間尺度問題：在土壤質量評價中選取與研究地理尺度相適應的指標和把由點尺度的指標獲得的信息向更大尺度上擴展。

（4）土壤質量保持與提高的途徑及其關鍵技術研究土壤的組成不僅是礦物質，它是礦物質、微生物、根系分泌物、水分運動和非生物與生物動態(tài)過程的集合。提高土壤質量必須擴展土壤成分間互作研究，主要集中在根系生長動態(tài)對肥料及其它措施的反應、不同系統(tǒng)的水分利用效率、土壤養(yǎng)分測試的簡易方法、選取時空變異性作為土壤質量指標等方面。

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Advances in Studies of Indexes of Soil Quality and Evaluation

JIANG Hui ZHANG Qin

（Sichuan Academy of Forestry，Chengdu 610061，China）

Soil quality was subjected to serious threat because of long-term man-made damage and unreasonable land using.Searching for the indexes of soil quality has recently become a research focus.The traditional physicochemical indexes can notmeet the need of soil quality evaluation；therefore，searching for the indexeswhich can reflect the dynamic changes and distinguish the changes of soil quality has become an important research task.In this paper，comprehensive review ismade on the soil quality index and soil quality evaluation in order to provide theoretical basis for the reasonable utilization and the protection of cultivated land.

Soil Quality，Index，Evaluation，Progress

S714.5

A

1003-5508（2016）06-00-0

10．16779／j．cnki．1003-5508．2016．06．005

2016-09-12

江慧（1982-），女，安徽蕪湖人，工程師，主要從事土壤研究工作。