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1、1第十二章 土壤质量及其评价一、土壤质量的概念长期以来，科学家对人类活动引起的空气与水质量退化给予了较多的关心。但除少数专业科学家外，很少有人关注人为活动对土壤质量的负面影响。直到 20 世纪 70 年代后，由于全球土壤质量退化的加剧，以及由土壤质量退化诱发的生态环境破坏和全球变化，人们才开始重视土壤质量在持续生产中的作用及其与植物、动物和人类健康之间的关系。1990 年后，连续召开了几次“土壤质量”的国际学术讨论会，出版和发行了一些关于“土壤质量”专著和文章，对土壤质量的定义、评价指标与定量化方法，以及土壤质量评价与土壤特性和土地利用适宜度之间的关系等，提出了很多的新的观点和方法。 土壤质量
2、（soil quality）和土壤健康（soil health）这两个词在科技文献中是一个同一词，在科技出版物中交替出现。土壤质量是近年来土壤学研究的一个热点，一般定义为：土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产力、保护环境质量以及促进动植物与人类健康行为的能力。美国土壤学会(1995)把土壤质量定义为：在自然或管理的生态系统边界内，土壤具有动植物生产持续性，保持和提高水、气质量以及支撑人类健康与生活的能力。那么如何进一步认识“土壤质量”的概念？可从以下三方面理解。 土壤质量主要是依据土壤功能进行定义的，即目前和未来土壤功能正常运行的能力。土壤的主要功能包括三方面：一是生产力，即土壤的植物和动生
3、物持续生产能力；二是环境质量，即土壤降低环境污染物和病菌损害，调节新鲜空气和水质量的能力；三是动物和人类健康，即土壤质量影响动植物和人类健康的能力。 土壤质量概念的内涵不仅包括作物生产力、土壤环境保护，还包涵食物安全及人类和动物健康。土壤质量概念类似于环境评价中的环境质量综合指标，从整个生态系统中考察土壤的综合质量。这一定义超越了土壤肥力概念，超越了通常的土壤环境质量概念，它不只是将食物安全作为土壤质量的最高标准，还关系到生态系统稳定性，地球表层生态系统的可持续性，是与土壤形成因素及其动态变化有关的一种固有的土壤属性。 目前对土壤质量尚存在一些模糊认识，即土壤质量内涵与土壤肥沃度涵义的混淆，这
4、与土地利用、生态系统、土壤类型以及对土壤相互作用过程的复杂性认识不足有关。土壤的功能在于它作为食物的主要生产者，是清洁空气和水的环境过滤器，是地球表层生态系统养分循环的推进器，是生物多样性的庇护地。一个管理良好的土壤，促进和维护着土壤质量，不仅表现在土壤生产力的提高，土壤环境质量的改善，同时也表现在维持着生物学多样性。许多科学家将土壤抵抗环境污染置于土壤质量的首要位置，一个质量优良的土壤具有清除土水污染，并对水、空气的污染物释放减低到最低程度。因此，改善土壤质量的管理还应包括减低污染潜力的技术和方法。尽管土壤质量的原理是全球通用的，但田间或区域水平的管理措施将会有广泛的多样性。 二、土壤质量评
5、价的指标体系 土壤质量是土壤中退化性过程和保持性过程的最终平衡结果，综合了土壤的多重功能。因此，土壤质量评价指标体系应该从土壤系统组分、状态、结构、理化及生物学性质、功能以及时空等方面，加以综合考虑。 （一）选择评价土壤质量参数指标的原则 1.代表性(representative)：一个指标能代表或反映土壤质量的全部或至少一个方面的功能，或者一个指标能与多个指标相关联。 22.灵敏性(sensitive)：能灵敏地指示土壤与生态系统功能与行为变化，如粘土矿物类型对土壤生态系统功能与行为的变化不敏感，不宜作为土壤质量指标。 3.通用性(universal)：一方面能适用于不同生态系统，另一方面能
6、适用于时间和空间上的变化。 4.经济性(economic)：测定或分析花费较少，测定过程简便快速。如 15N 丰度需要质谱仪进行复杂的分析，因而不宜作为土壤质量指标。 （二）土壤质量评价的指标 目前国内外科学家采用的评价土壤质量的指标体系不尽一致，可根据不同的土壤和不同的评价目的，选择不同的评价指标体系。大致可分为两类，一类是描述性指标，即定性指标，而不是定量化指标，因此被视为“软”数据。如土壤颜色、质地、紧实性、耕性、侵蚀状况、作物长势、保肥性等，农民往往通过这些描述性指标定性认识土壤质量状况，但科学家和技术人员不太重视这些指标。另一类是分析性定量指标，选择土壤的各种属性，进行定量分析，获取
7、分析数据，然后确定数据指标的阀值和最适值。 1.根据分析性指标的性质，土壤质量的评价指标分为土壤物理指标、土壤化学指标、土壤生物学指标三方面。 （1）土壤质量的物理指标 土壤物理状况对植物生长和环境质量有直接或间接的影响。土壤物理指标包括土壤质地及粒径分布、土层厚度与根系深度、土壤容重和紧实度、孔隙度及孔隙分布、土壤结构、土壤含水量、田间持水量、土壤持水特征、渗透率和导水率、土壤排水性、土壤通气、土壤温度、障碍层次深度、土壤侵蚀状况、氧扩散率、土壤耕性等。 （2）土壤质量的化学指标 土壤中各种养分和土壤污染物质等的存在形态和浓度，直接影响植物生长和动物及人类健康。土壤质量的化学指标包括土壤有机
8、碳和全氮、矿化氮、磷和钾的全量和有效量、CEC、土壤 pH、电导率（全盐量） 、盐基饱和度、碱化度、各种污染物存在形态和浓度等。（3）土壤质量的生物学指标 土壤生物是土壤中具有生命力的主要部分，是各种生物体的总称，包括土壤微生物、土壤动物和植物，是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一。土壤中许多生物可以改善土壤质量状况，也有一些生物如线虫、病原菌等会降低土壤质量。目前应用较多的指标是土壤微生物指标，而中型和大型土壤动物指标正在研究阶段。土壤质量的生物学指标包括微生物生物量碳和氮，潜在可矿化氮、总生物量、土壤呼吸量、微生物种类与数量、生物量碳/ 有机总碳、呼吸量生物量、酶活性、微生物群落指纹、根
9、系分泌物、作物残茬、根结线虫等。 2.根据土壤质量评价指标的选择原则，土壤质量的评价指标分为农艺指标、微生物指标、碳氮指标和生态学指标。 （1）土壤质量评价的农艺指标 3对土壤做出适宜性评价，直接与农业的可持续性相关联，需选择与土壤生产力和农艺性状直接有关的参数指标。吴启堂等(1995)选用了 10 个参数指标，即 质地，耕层厚度， pH，有机质，全氮， 碱解氮，速效磷， 速效钾，容重，CEC。对这些参数项目进行分级赋值，可以得到定量评价值，这种以农艺基础性状为主的土壤质量评价对于农林业生产具有指导意义。 （2）土壤质量的微生物学指标 土壤微生物是维持土壤质量的重要组成部分，它们对施人土壤的植
10、物残体和土壤有机质及其它有害化合物的分解、生物化学循环和土壤结构的形成过程起调节作用。土壤生物学性质能敏感地反映土壤质量的变化，是评价土壤质量不可缺少的指标。但由于土壤生物学方面的指标繁多，加上测定方面的难度，下面的指标可供选择。 土壤微生物的群落组成和多样性：土壤微生物十分复杂，地球上存在的微生物约有 18 万种之多，其中包含藻类、细菌、病毒、真菌等，1g 土壤就含有 10000 多个不同的生物种。土壤微生物的多样性，能敏感地反映出自然景观及其土壤生态系统受人为干扰(破坏)或生态重建过程中的微细的变化及程度。因而是一个评价土壤质量的良好指标。 土壤微生物生物量：微生物生物量(microbia
11、l biomass，MB)能代表参与调控土壤能量和养分循环以及有机物质转化相对应微生物的数量。它与土壤有机质含量密切相关，而且微生物量碳或微生物量氮转化迅速。因此，微生物量碳或微生物量氮对不同耕作方式、长期和短期施肥管理都很敏感。 土壤微生物活性：土壤微生物活性表示土壤中整个微生物群落或其中的一些特殊种群状态，可以反映自然或农田生态系统的微小变化。 土壤酶活性：土壤酶绝大多数来自土壤微生物，在土壤中已发现 50-60 种酶，它们参与并催化土壤中发生的一系列复杂的生物化学反应。如水解酶和转化酶对土壤有机质的形成和养分循环具有重要的作用。已有研究表明，土壤酶活性和土壤结构参数有很好的相关性。它可作
12、为反映人为管理措施和环境因子引起的土壤生物学和生物化学变化的指标。高质量的土壤应具有稳定的微生物群落的组成、生物多样性及良好的生物活性。土壤徽生物是表征土壤质量最有潜力的敏感性指标之一。因此，建立土壤质量的微生物学指标受到科学家的重视。美国土壤微生物学家(Kemedy 等，1995)根据目前可接受的测定项目和方法，提出了下面土壤质量微生物学指标体系：有机碳，微生物生物量，A 总生物量，B 细菌生物量，C 真菌生物量，D 微生物生物量碳、氮比， 潜在可矿化氮，土壤呼吸，酶活性， A 脱氢酶，B 磷酸酶，C 精氨酸酶，D 芳基硫酸酯酶，生物量碳与有机碳比，呼吸量与生物量比， 微生物群落， A 基质
13、利用，B 脂肪酸分析，C 核酸分析。 （3）土壤质量的碳氮指标 通常把土壤有机质和全氮量作为土壤质量评价的一个重要指标。其实，更合适的指标是生物活性碳和生物活性氮，它们是土壤有机碳和有机氮的一小部分，能敏感反映土壤质量的变化，以及不同土地利用和管理如耕作、轮作、施肥、残留物管理等对土壤质量的影响。 所谓生物活性有机碳是通过实验法和数学抽象法来定义的。前者分离有机碳的活性组分，按有机碳的稳定性划分为若干组。后者根据土壤有机碳各组分在转化过程中的流程位置及其稳定性，用计算机模拟建立多个动态碳库，活性有机碳库的转化快，转化速率常数较大，土壤活性有机氮反映了土壤氮素供应能力，它可被视为一个单独的氮库，
14、或根据土4壤有机质分解动力学分成几个组分。活性有机氮，目前常用 3 种表示方法：微生物生物量氮(MBN)，潜在可矿化氮(PMN)和同位素稀释法测定活性有机氮(ASN)。MBN 主要是微生物生物量 N 和少量土壤微动物氮。 PMN 是指实验室培养测定的土壤矿化氮，包括全部活性非生物量氮及部分微生物生物量氮。ASN 是指参与土壤中生物循环过程中的氮，即用同位素稀释法测定的活性非生物量氮及固定过程中的微生物生物量氮。 （4） 土壤质量的生态学指标 物种和基因保持是土壤在地球表层生态系统中的重要功能之一，一个健康的土壤可以滋养和保持相当大的生物种群区系和个体数目，物种多样性应直接与土壤质量关联。关于土
15、壤与生态系统稳定性与多样性的关系，国内已有较多的研究，土壤质量的生态学指标主要有：种群丰富度：包括种群个数、个体密度、大动物、节肢动物、细菌、放线菌、真菌等。 多样性指数：生物或生态复合体的种类、结构与功能方面的丰富度及相互间的差异性。 均匀度指数：生物个体或群体在土壤中分布的空间特征。 优势性指数：优势种群的存在及其特征。 某些土壤性状在土壤质量评价中显得十分重要。美国土壤学家提出了土壤质量分析最小指标矩阵(Papendick，et al，1995) ，其参数为：团聚性(aggregation)，容重(bulk density)， 至硬盘的距离(distance to hardpan)，渗滤
16、性(infiltration)，电导率(conductivity)， 持水率(water holding capacity)， pH，有机质(organic matter)， 可矿化氮(mineralizable nitrogen) ，呼吸作用(respiration)。 3.根据土壤质量评价指标涉及的内容，土壤质量指标可分为以下四个方面。 (1)土壤肥力：土壤肥力因素包括水、肥、气、热四大肥力因素，具体指标有土壤质地、紧实度、耕层厚度、土壤结构、土壤含水量、田间持水量、土壤排水性、渗滤性、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、缓效钾、速效钾、缺乏性微量元素全量和有效量、土壤通气、土壤热量、土壤侵蚀状况、pH 、CEC 等。土壤肥力退化主要是指土壤养分贫瘠化，为了维持绿色植物生产，土地(壤) 就必须年复一年地消耗它有限的物质贮库，特别是植物所需的那些必要的营养元素，一旦土壤中营养元素被耗竭，土壤就不能满足植物生长。 (2)土壤环境质量：背景值、盐分种类与含量、硝酸盐、碱
