土壤質量評價

土壤質量評價已有悠久的歷史。遠在兩千多年以前的中國古籍《周禮·地官·司徒》中就把土壤劃分為五類。戰國時期的《管子·地員》更進一步作了系統的劃分和詳細的描述，把土地分為三大類和次一級的25個類型。土壤質量評價，一直是人類關心的問題，但過去土壤質量評價的主要內容是評定土壤的肥力和生產性能。20世紀50年代以來，由於土壤中農藥的殘留累積、重金屬污染和生物污染等問題的出現，人們開始對土壤質量因人類污染造成的變化進行研究和評價。到70年代進入定量評價的階段。土壤質量一般定義為：土壤在生態系統的範圍內，維持生物的生產力、保護環境質量以促進動植物與人類健康行為的能力。美國土壤學會（1995）把土壤質量定義為：在自然或管理的生態系統邊界內，土壤具有動植物生產持續性，保持和提高水、空氣質量以及支撐人類健康與生活的能力。因此，“土壤質量是指土壤提供植物養分和生產生物物質的土壤肥力質量，容納、吸收、凈化污染物的土壤環境質量，以及維護保障人類和動植物健康的土壤健康質量的總和”。

土壤質量概念的內涵不僅包括作物生產力、土壤環境保護，還包括食物安全及人類和動物健康。土壤質量概念類似於環境評價中的環境質量綜合指標，從整個生態系統中考察土壤的綜合質量。這一概念超越了土壤肥力概念，超越了通常的土壤環境質量概念，它不只是把食物安全作為土壤質量的最高標準，還關係到生態系統穩定性，地球表層生態系統的可持續性，是與土壤形成因素及其動態變化有關的一種固有的土壤屬性。專家認為：土壤科學的研究除了應繼續重視土壤肥力質量的研究外，還必須向土壤環境質量和土壤健康質量方面轉移。

人類活動與土壤之間是相互作用和彼此制約的關係。人類活動產生的污染物進入土壤后，在自然因素作用下 發生各種運動和變化。土壤質量評價的任務是評定各土壤單元的特點，研究各土壤單元的演變、形成過程和發展機理，從而為土壤質量區劃提供依據。土壤質量變異雖然受自然的影響，但主要決定於人類的活動。土壤的性質和人類活動影響的效應，又受區域條件的影響。因此，收集和整理有關土壤質量形成的區域條件和污染源的資料，是土壤質量評價的基礎工作。

土壤質量評價一般有單一污染物的單項評價和多種污染物的多項評價。污染物的種類不同，對土壤質量的影響也不同，因此也可按土壤污染的主要污染物分為有機物污染評價、重金屬污染評價、生物污染評價和放射性污染評價等。如要了解土壤質量的變化，還可以進行土壤物理評價、土壤生物評價、土壤化學評價等。在單項和多項評價的基礎上可進行綜合評價。為了解不同時期的土壤質量狀況也可進行回顧評價、現狀評價和影響評價。

對土壤質量評價已提出多種方法，例如土壤質量綜合評分法、土壤質量動力學方法、土壤質量多變 量指標方法等，但不管採用何種評價方法，首先要確定有效、可靠、敏感、可重複及可接受的指標，建立全面評價土壤質量的框架體系。可根據不同的評價目標和技術水平選擇或設計合適的評價方法。美國國家土壤保持局(SCS)建立的土壤評價目標包括：確定當前技術水平可測定的參數；建立評價這些參數的標準；建立短期和長期土壤質量變化的體系；確定耕作管理措施組成及其對土壤質量的影響；評價現有知識和數據以找出適合它們的適宜參數和方法。1992年土壤質量國際會議上，建立標準的土壤質量評價方法包括對氣候、景觀、土壤化學和物理性質的綜合評價。

土壤質量的評價方法在國際上尚無統一的標準，國內外提出的土壤質量評價方法主要有以下幾種：

多變數指標克立格法（MVIT）

Smith(1993)利用多變數指標克立格法來評價土壤質量。這種方法可以將無數量限制的單個土壤質量指標綜合成一個總體的土壤質量指數，這一過程稱為多變數指標轉換（multiplevariableindicatortransform），是根據特定的標準將測定值轉換為土壤質量指數。各個指標的標準代表土壤質量的最優的範圍或閾值。該方法的優點是可以把管理措施、經濟和環境限制因子引入分析過程，其評價範圍可從農場到地區水平，評價的空間尺度彈性大。

土壤質量動力學法

Larson(1994)提出土壤質量的動力學方法，從數量和動力學特徵上對土壤質量進行定量。某一土壤的質量可看作是它相對於標準(最優)狀態的當前狀態，土壤質量()可由土壤性質的函數來表示：。

描述Q的土壤性質qi，是根據土壤性質測定的難易程度、重視性高低及對土壤質量關鍵變數的反映程度來選擇的最小數據集。例如，土壤生產力指數（）是由土壤、容重、有效水容量對根系生長的滿足度計算的，用來估計土壤侵蝕對土壤生產力質量及其變化的影響。該法適用於描述土壤系統的動態性，特別適合於土壤可持續管理。

土壤質量綜合評分法

Doran等（1994）提出土壤質量的綜合評分法，將土壤質量評價細分為對6個特定的土壤質量元素的評價，這6個土壤質量元素分別為作物產量、抗侵蝕能力、地下水質量、地表水質量、大氣質量和食物質量，根據不同地區的特定農田系統、地理位置和氣候條件，建立數學表達式，說明土壤功能與土壤性質的關係，通過對土壤性質的最小數據集評價土壤質量。

土壤相對質量法

通過引入相對土壤質量指數來評價土壤質量的變化，這種方法首先是假設研究區有一種理想土壤，其各項評價指標均能完全滿足植物生長的需要，以這種土壤的質量指數為標準，其它土壤的質量指數與之相比，得出土壤的相對質量指數（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，從一種土壤的RSQI值就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。該方法方便、合理，可以根據研究區域的不同土壤選定不同的理想土壤，針對性強，評價結果較符合實際。

以上土壤質量評價方法各有優點，實際工作中可以根據評價區域的時間和空間尺度、評價的土壤類型、評價的目的等，選擇適宜的評價方法。

土壤質量是土壤的許多物理、化學和生物學性質，以及形成這些性質的一些重要過程的綜合

體現，土壤質量指標則是土壤屬性的外在量度，由於對各種土壤屬性與功能之間的關係，以及形成各種土壤屬性的過程機理等問題尚未十分明確，土壤質量評價體系仍無明確標準，土壤質量的研究仍然只是從不同關心角度進行的嘗試。目前國內外科學家採用的評價土壤質量的指標體系不盡一致，可根據不同的土壤和不同的評價目的，選擇不同的評價指標體系。大致可分為兩類，一類是描述性指標，即定性指標，而不是定量化指標，因此被視為“軟”數據。如土壤顏色、質地、緊實性、耕性、侵蝕狀況、作物長勢、保肥性等，農民往往通過這些描述性指標定性認識土壤質量狀況，但科學家和技術人員不太重視這些指標。另一類是分析性定量指標，選擇土壤的各種屬性，進行定量分析，獲取分析數據，然後確定數據指標的閥值和最適值。

1.根據分析性指標的性質，土壤質量的評價指標分為土壤物理指標、土壤化學指標、土壤生物學指標三方面。

（1）土壤質量的物理指標

土壤物理狀況對植物生長和環境質量有直接或間接的影響。土壤物理指標包括土壤質地及粒徑分佈、土層厚度與根系深度、土壤容重和緊實度、孔隙度及孔隙分佈、土壤結構、土壤含水量、田間持水量、土壤持水特徵、滲透率和導水率、土壤排水性、土壤通氣、土壤溫度、障礙層次深度、土壤侵蝕狀況、氧擴散率、土壤耕性等。

（2）土壤質量的化學指標

土壤中各種養分和土壤污染物質等的存在形態和濃度，直接影響植物生長和動物及人類健康。土壤質量的化學指標包括土壤有機碳和全氮、礦化氮、磷和鉀的全量和有效量、CEC、土壤pH、電導率（全鹽量）、鹽基飽和度、鹼化度、各種污染物存在形態和濃度等。

（3）土壤質量的生物學指標

土壤生物是土壤中具有生命力的主要部分，是各種生物體的總稱，包括土壤微生物、土壤動物和植物，是評價土壤質量和健康狀況的重要指標之一。土壤中許多生物可以改善土壤質量狀況，也有一些生物如線蟲、病原菌等會降低土壤質量。應用較多的指標是土壤微生物指標，而中型和大型土壤動物指標正在研究階段。土壤質量的生物學指標包括微生物生物量碳和氮，潛在可礦化氮、總生物量、土壤呼吸量、微生物種類與數量、生物量碳/有機總碳、呼吸量/生物量、酶活性、微生物群落指紋、根系分泌物、作物殘茬、根結線蟲等。

2.根據土壤質量評價指標的選擇原則，土壤質量的評價指標分為農藝指標、微生物指標、碳氮指標和生態學指標。

（1）土壤質量評價的農藝指標

對土壤做出適宜性評價，直接與農業的可持續性相關聯，需選擇與土壤生產力和農藝性狀直接有關的參數指標。吳啟堂等(1995)選用了10個參數指標，即①質地，②耕層厚度，③pH，④有機質，⑤全氮，⑥鹼解氮，⑦速效磷，⑧速效鉀，⑨容重，④CEC。對這些參數項目進行分級賦值，可以得到定量評價值，這種以農藝基礎性狀為主的土壤質量評價對於農林業生產具有指導意義。

（2）土壤質量的微生物學指標

土壤微生物是維持土壤質量的重要組成部分，它們對施人土壤的植物殘體和土壤有機質及其它有害化合物的分解、生物化學循環和土壤結構的形成過程起調節作用。土壤生物學性質能敏感地反映土壤質量的變化，是評價土壤質量不可缺少的指標。但由於土壤生物學方面的指標繁多，加上測定方面的難度，下面的指標可供選擇。

①土壤微生物的群落組成和多樣性：土壤微生物十分複雜，地球上存在的微生物約有18萬種之多，其中包含藻類、細菌、病毒、真菌等，1g土壤就含有10000多個不同的生物種。土壤微生物的多樣性，能敏感地反映出自然景觀及其土壤生態系統受人為干擾(破壞)或生態重建過程中的微細的變化及程度。因而是一個評價土壤質量的良好指標。

②土壤微生物生物量：微生物生物量(microbialbiomass，MB)能代表參與調控土壤能量和養分循環以及有機物質轉化相對應微生物的數量。它與土壤有機質含量密切相關，而且微生物量碳或微生物量氮轉化迅速。因此，微生物量碳或微生物量氮對不同耕作方式、長期和短期施肥管理都很敏感。

③土壤微生物活性：土壤微生物活性表示土壤中整個微生物群落或其中的一些特殊種群狀態，可以反映自然或農田生態系統的微小變化。

④土壤酶活性：土壤酶絕大多數來自土壤微生物，在土壤中已發現50-60種酶，它們參與並催化土壤中發生的一系列複雜的生物化學反應。如水解酶和轉化酶對土壤有機質的形成和養分循環具有重要的作用。已有研究表明，土壤酶活性和土壤結構參數有很好的相關性。它可作為反映人為管理措施和環境因子引起的土壤生物學和生物化學變化的指標。

高質量的土壤應具有穩定的微生物群落的組成、生物多樣性及良好的生物活性。土壤徽生物是表徵土壤質量最有潛力的敏感性指標之一。因此，建立土壤質量的微生物學指標受到科學家的重視。美國土壤微生物學家(Kemedy等，1995)根據可接受的測定項目和方法，提出了下面土壤質量微生物學指標體系：①有機碳，②微生物生物量，A總生物量，B細菌生物量，C真菌生物量，D微生物生物量碳、氮比，③潛在可礦化氮，④土壤呼吸，⑤酶活性，A脫氫酶，B磷酸酶，C精氨酸酶，D芳基硫酸酯酶，⑥生物量碳與有機碳比，⑦呼吸量與生物量比，⑧微生物群落，A基質利用，B脂肪酸分析，C核酸分析。

（3）土壤質量的碳氮指標

通常把土壤有機質和全氮量作為土壤質量評價的一個重要指標。其實，更合適的指標是生物活性碳和生物活性氮，它們是土壤有機碳和有機氮的一小部分，能敏感反映土壤質量的變化，以及不同土地利用和管理如耕作、輪作、施肥、殘留物管理等對土壤質量的影響。

所謂生物活性有機碳是通過實驗法和數學抽象法來定義的。前者分離有機碳的活性組分，按有機碳的穩定性劃分為若干組。後者根據土壤有機碳各組分在轉化過程中的流程位置及其穩定性，用計算機模擬建立多個動態碳庫，活性有機碳庫的轉化快，轉化速率常數較大，土壤活性有機氮反映了土壤氮素供應能力，它可被視為一個單獨的氮庫，或根據土壤有機質分解動力學分成幾個組分。活性有機氮，常用3種表示方法：微生物生物量氮(MBN)，潛在可礦化氮(MN)和同位素稀釋法測定活性有機氮(ASN)。MBN主要是微生物生物量N和少量土壤微動物氮。PMN是指實驗室培養測定的土壤礦化氮，包括全部活性非生物量氮及部分微生物生物量氮。ASN是指參與土壤中生物循環過程中的氮，即用同位素稀釋法測定的活性

非生物量氮及固定過程中的微生物生物量氮。

（4）土壤質量的生態學指標

物種和基因保持是土壤在地球表層生態系統中的重要功能之一，一個健康的土壤可以滋養和保持相當大的生物種群區系和個體數目，物種多樣性應直接與土壤質量關聯。關於土壤與生態系統穩定性與多樣性的關係，國內已有較多的研究，土壤質量的生態學指標主要有：

①種群豐富度：包括種群個數、個體密度、大動物、節肢動物、細菌、放線菌、真菌等。

②多樣性指數：生物或生態複合體的種類、結構與功能方面的豐富度及相互間的差異性。

③均勻度指數：生物個體或群體在土壤中分佈的空間特徵。

④優勢性指數：優勢種群的存在及其特徵。

某些土壤性狀在土壤質量評價中顯得十分重要。美國土壤學家提出了土壤質量分析最小指標矩陣(Papendick，etal，1995)，其參數為：①團聚性(aggregation)，②容重(bulkdensity)，③至硬碟的距離(distancetohardpan)，④滲濾性(infiltration)，⑤電導率(conductivity)，⑥持水率(waterholdingcapacity)，⑦pH，⑧有機質(organicmatter)，⑨可礦化氮(mineralizablenitrogen)，⑩呼吸作用(respiration)。

3.根據土壤質量評價指標涉及的內容，土壤質量指標可分為以下四個方面。

(1)土壤肥力：土壤肥力因素包括水、肥、氣、熱四大肥力因素，具體指標有土壤質地、緊實度、耕層厚度、土壤結構、土壤含水量、田間持水量、土壤排水性、滲濾性、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、緩效鉀、速效鉀、缺乏性微量元素全量和有效量、土壤通氣、土壤熱量、土壤侵蝕狀況、等。土壤肥力退化主要是指土壤養分貧瘠化，為了維持綠色植物生產，土地(壤)就必須年復一年地消耗它有限的物質貯庫，特別是植物所需的那些必要的營養元素，一旦土壤中營養元素被耗竭，土壤就不能滿足植物生長。

(2)土壤環境質量：背景值、鹽分種類與含量、硝酸鹽、鹼化度、農藥殘留量、污染指數、植物中污染物、環境容量、地表水污染物、地下水礦化度與污染物、重金屬元素種類極其含量、污染物存在狀態及其濃度等。

(3)土壤生物活性：微生物量、、土壤呼吸、微生物區系、磷酸酶活性、脲酶活性等。

(4)土壤生態質量：節肢動物、蚯蚓、種群豐富度、多樣性指數、優勢性指數、均勻度指數、雜草等。

土壤質量評價指標選擇原則

有效性原則：選取的指標能正確反映出土壤的基本功能，是土壤中決定物理、化學及生物學過程的主要特性，對錶征土壤功能是有效的。

敏感性原則：選取的土壤質量指標對土壤利用方式，人為擾動過程，土壤侵蝕強度及程度的變化有足夠敏感的反應。如果所選指標對土壤變化反應不敏感，則對監測土壤質量變化沒有使用價值。但是，指標的敏感性要以監測土壤質量變化的時間尺度而定。

實用性原則：選取的土壤質量指標要易於定量測定，簡便實用。在田間或實驗室測定時，測定過程穩定，測定誤差低，具有較高的再現性與適宜的精度水平。

通用性：影響土壤質量的因素很多，必須立足於綜合的、系統的觀點。通過分析各種土壤特性在土壤質量形成中的主次作用，選取那些有重要影響的指標，尤其是不要遺漏制約土壤生產力的主要指標。另一方面，也不要無限制地擴大指標的選擇面，使整個指標體系複雜化。

一般說來，反映土壤質量與土壤健康的診斷特徵可以分成兩組，一組是描述土壤健康的描述性特徵，另一組是分析性指標，具有定量單位，常為科學家所用。分析性指標通常包括物理指標、化學指標和__生物指標，在土壤質量評價中需要根據不同的土壤、不同的評價目的，按照上述指標選擇原則對這些指標進行取捨組合。

（1）土壤物理指標

由於土壤結構的穩定性控制了生態系統內的許多功能，是土壤最基本的質量指標。在評價土壤質量的基本定量體系中，物理性指標包括：土壤質地、土層和根系深度、土壤容重和滲透率、田間持水量、土壤持水特徵、土壤含水量。Larson和Pierce（1991）提出了用於控制土壤侵蝕或防止地表水和地下水污染的物理指標為：土壤質地、結構和強度，植物有效水和最大紮根深度；Fitzpatriok（1996）則指出土層的厚度、土壤的結構性在景觀中的分佈可用來評價土壤與流域過程及土壤生產力，是最通常、簡便的指標，同時指出土壤質地與植物生長和水分運移密切相關，是重要的物理指標。Cass（1996）認為土壤退化的程度與土壤結構穩定性有關，選取土壤分散性、土壤強度、水分吸收速率作為關鍵的物理指標。

（2）土壤化學指標

土壤質量的化學指標包括有機和，礦化態的、電導率。Duxbury（1994）提出土壤有機質生物活性部分更適於作為土壤質量的指標。Anderson（1990）在考慮評價土壤質量的有機質快速指標時，建議採用微生物活性指標——代謝商。土壤活性有機氮反映了土壤氮素的供應能力，與農業持續發展及環境質量緊密相關，可作為衡量土壤質量的一個重要指標。在測出土壤全N或有機質水平的變化之前，土壤潛在礦化氮（PMN）和土壤活性氮（ASN）的變化就可測到。在確定土壤質量變化時，土壤活性氮是一個靈敏的指標。但是，有關PMN和ASN在年際水平上的動態變化資料不多，進一步的工作是確定如何使用這些參數以及它們各自的局限性。

由於土壤有機質可以對土壤質量和作物產生有益的影響，研究認為SOM是土壤質量的中心指標（美國水土保持學會，1995），甚至把它看作是土壤質量衡量指標中的唯一重要的指標（Larson和Pierce1991；Doran等，1996）。

Singer和Ewing（1999）還強調了污染物對土壤質量的影響，並提出了將污染物的有效性、濃度、活動性和存在狀態作為重要化學指標。

（3）土壤生物指標

土壤中的生物是維持土壤質量的重要組成部分，土壤生物學性質能敏感地反映出土壤質量健康的變化，是土壤質量評價不可缺少的指標。生物學指標包括土壤上生長的植物、土壤動物、土壤微生物，其中，應用最多的是土壤微生物指標，多數研究認為，土壤微生物(包括微生物量、土壤呼吸等)是土壤質量變化最敏感的指標。

Kennedy（1995）提出的土壤質量微生物指標包括生物量、細菌、真菌、土壤呼吸、微生物區系以及與微生物活動有關的參數。Turco（1994）認為一個高質量的土壤應該具有良好的生物活性和穩定的微生物種群組成。在農田系統中，在測定土壤有機質變化之前，微生物群落對土壤的變化就可提供可靠的直接證據。微生物多樣性指標可評價自然或人為干擾對微生物群落的影響，進一步揭示土壤質量在微生物數量和功能上的差異。對土壤微生物多樣性狀況的常規檢測方法仍處於實驗室階段，一般將微生物量作為常規的土壤質量指標。進一步的工作是確定一套評價土壤質量中生物部分的最小參數集，這些指標應同時考慮生物學過程和種群多樣性，能反映干擾的影響，準確評價系統的功能，而且應該是廉價和快速的。

Dick（1994，1996）提出土壤酶活性是作為反映管理措施和環境因子引起的土壤生物學和生物化學變化的指標，尤其是非專一性和水解性的土壤酶活性十分適合這種指標。利用土壤酶活性評價干擾對土壤質量影響時，需要與參照系或特定地區狀況進行比較。為簡化評價步驟，合理評價某個時刻的土壤質量，有些研究者提出了綜合指標，如生物肥力指標、酶數量指標、水解係數指標等，以對酶活性作出評價。對於土壤質量的酶活性指標，科學研究的重點是尋找一個相對或統一的指標；它不需要通過在時間上的多次測定或在處理間的比較來作解釋，統一指標應當是土壤生物學、化學和物理學重要參數的綜合。

在土壤質量調查中，根據評價的目的、對象、區域環境條件、污染源和污染狀況確定調查項目。選擇的參數過少或者過多，都不能反映土壤的綜合污染特性。從理論上講，應選擇那些與土壤質量的形成和變化有重大關係的參數。譬如以有機物污染為主的地區，選擇油、苯並(a)芘、DDT、六六六等。在用生活污水灌溉的地區，主要選擇與一般衛生標準有關的參數，如細菌、病菌、蛔蟲卵等。在沖積扇上部土層薄的地區，為了保護飲用水源，要注意易溶於水的污染物，如酚、氰、氮、磷等。在平原地區則要注意易溶性鹽類。在用含重金屬的工業廢水或礦區廢水灌溉的地區，由於重金屬在土壤中不易遷移而易於累積，應選擇難遷移的重金屬，如汞、鎘、鉛等。

確定調查項目后，一般採用傳統的方法進行調查，在調查中可根據地區的大小選用適當的比例尺以提高調查數值的精確度。比較精確的方法是按方格網路法進行調查。由於方格網路法工作量較大，也可在前一方法調查的基礎上繪出等值線，再以內插法補足每一方格數值，用方格網路表示出來。

評價土壤質量要有一種相對的、可比的單位作為衡量尺度，一般採用土壤質量指數。單個污染物質量指數的一般模式為。式中為污染指數，或稱分指數；為污染物的實測值；為污染物的

評價標準。

綜合質量指數的模式，一般採用單個污染物的質量指數相加，或相加后再平均的方法。即：式中n 為污染物的種類數。有人利用模糊數學中的系統聚類分析對單個污染物的質量指數進行綜合，效果較好。為了進行評價，繪製質量圖，要對求出的指數進行分級。分級一般是先定出“開始污染”和“嚴重污染”的起始值，然後將兩者之間的數值根據需要分為若干級。“開始污染”的起始值一般採用土壤背景值。“嚴重污染”的起始值一般以土壤環境質量標準表示，或以作物體內污染物含量超過衛生標準時的土壤中污染物含量來表示。也有人以作物減產到一定程度時土壤中的污染物的

含量作為依據。

在野外調查、監測取得數據的基礎上進行數理統計，算出各種質量指數，並劃分出污染等級后，就可以編製土壤質量圖(見環境質量圖)。如果調查是用方格網路法進行的，可直接將質量指數填入方格中，再按等級劃分，製成土壤質量圖。如果是以一般布點的方式進行調查的，除了按各點的質量指數繪出分級圖外，也可先劃出各點的濃度等值線圖，然後用內插法求得各方格內的濃度值，再算出每一方格的質量指數（或綜合指數），按級繪製土壤質量圖。土壤質量圖有多種類型，一般有單項土壤質量圖和綜合土壤質量圖。若有特殊要求，也可根據調查結果，編製生物、物理、化學等不同性質的土壤質量圖，以及三者綜合的土壤質量圖。