俞琦 胡劭驥 申欣凱 曲來葉

摘要 目的：深入探究并總結(jié)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量評價過程。方法：基于中國知網(wǎng)（CNKI，http：//www.cnki.net）1950—2020年有關(guān)森林、農(nóng)田、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價的文獻，對4類不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤綜合質(zhì)量評價的指標體系、評價方法和指標權(quán)重確定方法進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果：匯總得出了各生態(tài)系統(tǒng)的基本理化生指標等常用指標，篩選出了不同生態(tài)系統(tǒng)常用的重金屬、污染物、微量元素等土壤環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量指標，最后針對不同生態(tài)系統(tǒng)常用的權(quán)重確定方法及評價方法，整合得到4類生態(tài)系統(tǒng)土壤評價體系圖。結(jié)論：本文針對不同生態(tài)系統(tǒng)提出土壤評價指標及方法，為今后相關(guān)研究人員進行土壤質(zhì)量研究提供參考。

關(guān)鍵詞 土壤質(zhì)量評價；生態(tài)系統(tǒng)；指標選?。恢笜藱?quán)重；評價方法

中圖分類號 X825?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）04-0104-10

Evaluation of Soil Quality in Different Ecosystems Based on CNKI Literature Analysis

YU Qi1， 2? ?HU Shaoji1? ?SHEN Xinkai3? ?QU Laiye2*

（1Yunnan University， Kunming Yunnan 650000;

2Ecological Environment Research Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;

3Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investigation Limited Company， Taiyuan Shanxi 030021）

Abstract Objective： To explore and summarize the soil quality evaluation process of different ecosystems. Method： This study is based on the CNKI's literatures on soil quality evaluation of forest， farmland， grassland and wetland ecosystems from 1950 to 2020. Statistical analysis of index systems， evaluation methods and indicator rights of soil comprehensive quality evaluation is conducted. Result： This paper summarize the basic physiological indexes of each ecosystem， and then screen out soil environmental quality and health quality indicators such as heavy metals， pollutants， trace elements of different ecosystems; finally， for different ecosystems commonly used weight determination method and evaluation method， integrated results from four types of ecosystem soil evaluation system. Conclusion： Soil evaluation indicators and methods for different ecosytems were proposed to provide reference for soil quality research in the future.

Keywords soil quality evaluation; ecosystem; index selection; index weight; evaluation method

土壤是植物生存和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要載體，土壤質(zhì)量能在一定程度上反映該地區(qū)土壤的恢復(fù)能力[1]，常用作衡量土壤環(huán)境狀況的重要標準[2]。土壤質(zhì)量是不能被直接測量的指標，需要測定不同的性狀來反映[3]。因此，借助一定的評價體系是極其必要的，選擇合適的指標和方法必須依據(jù)土壤的性質(zhì)、研究的目的以及不同的生態(tài)系統(tǒng)功能來確定[4]，普遍認為土壤質(zhì)量包括肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量[5]?，F(xiàn)有的研究多集中在土壤肥力質(zhì)量方面，而對土壤環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的研究則較少，對土壤質(zhì)量綜合評價的研究也不充足[6]，尚未形成土壤質(zhì)量綜合評價的標準體系[7]。

近年來，以土壤質(zhì)量評價為目標已有了大量的研究和綜述，但是還沒有針對不同生態(tài)系統(tǒng)進行分類探討土壤質(zhì)量評價的相關(guān)研究。我國按主要土地利用類型分為農(nóng)田、森林、草地、水體與濕地、荒漠、人工表面和其他等7類生態(tài)系統(tǒng)[8]。鑒于荒漠土壤干旱貧瘠，不適宜作物生長和人類生存，而人工表面所占面積相對較小，因而在土壤質(zhì)量評價過程中重要性相對較低[9]。為此，本文選取農(nóng)田、森林、草地和濕地4類重要生態(tài)系統(tǒng)進行土壤質(zhì)量評價相關(guān)研究。不同生態(tài)系統(tǒng)分別肩負著不同的生態(tài)、經(jīng)濟、文化等功能[10]，如森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)主要執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護的功能，基于土壤進行環(huán)境質(zhì)量、健康質(zhì)量評價指標較多[11]，而農(nóng)田、草地肩負經(jīng)濟功能較大。生態(tài)系統(tǒng)的特點和承載的功能大相徑庭，人類活動差異也極其顯著，因而在進行土壤質(zhì)量評價的過程中，應(yīng)提出相應(yīng)的質(zhì)量指標以及評價方案。

1 研究方法

文獻數(shù)量能夠在一定程度上反映相應(yīng)指標及方法在該生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價中的相對重視程度[12]。本文基于中國知網(wǎng)，采用文獻計量分析法，針對不同生態(tài)系統(tǒng)為一級檢索詞，各類指標、權(quán)重確定方法以及評價方法作為二級檢索詞進行檢索，得出對應(yīng)期刊文獻數(shù)量，為不同生態(tài)系統(tǒng)提出更適宜的土壤參考評價過程。特別說明，本文對重要指標的定性方法是根據(jù)使用的文獻數(shù)量，在所有指標中去掉一個使用最多和最少的，剩下指標采用的文獻數(shù)求平均值。本文認為，使用文獻數(shù)超過這個平均值的指標定為重要指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價指標的選取

2.1.1 森林土壤評價指標。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大、自然資源儲量最豐富的生態(tài)系統(tǒng)[14]，不僅能為人類生產(chǎn)生活提供優(yōu)質(zhì)資源，還兼具改善土壤、凈化空氣、美化環(huán)境以及防風(fēng)固沙等多種生態(tài)功能[8]，已成為全球生態(tài)賴以生存的綠色保護傘。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的組分之一，為森林提供賴以生存的水、肥、氣、熱等物質(zhì)條件，成為營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化的重要樞紐，對森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要影響[15]。森林土壤質(zhì)量是指森林為了維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及動植物的正常生長提供養(yǎng)分的能力。森林土壤質(zhì)量將對林木和林下植物產(chǎn)生直接影響，反過來，森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與功能的變化也會影響森林土壤質(zhì)量演變的強度和方向[16]。相對于其他3類生態(tài)系統(tǒng)，生物指標在森林土壤質(zhì)量評價中相對運用較多[14，15]，但物理化學(xué)指標仍然是使用最多、最廣的[17]。基于圖1統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可得出森林土壤物理重要指標、化學(xué)重要指標和生物重要指標。

2.1.2 農(nóng)田土壤評價指標。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是極其特殊的一類生態(tài)系統(tǒng)，因為其人為化程度較高[18]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中，經(jīng)常通過施用化肥、除草劑和農(nóng)藥、灌溉等技術(shù)手段來提高土壤生產(chǎn)力和農(nóng)作物產(chǎn)量[19]。相關(guān)研究表明，長期施用化肥，不但會降低農(nóng)田土壤孔隙度，使土壤團聚體和黏砂比遭到一定程度的破壞，還可能造成土壤質(zhì)量下降，養(yǎng)分利用效率降低，最終影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[20]。隨著經(jīng)濟增長和人類社會的發(fā)展，在國家愈發(fā)重視生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大背景下[13]，在保證農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，又要保證農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不被破壞。因此，探究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價關(guān)鍵性指標的選取具有重要意義?；趫D2統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可得出農(nóng)田土壤物理重要指標、化學(xué)重要指標和生物重要指標。

2.1.3 濕地土壤評價指標。濕地是一類綜合生物、土壤、植被與水文的復(fù)雜且特殊的生態(tài)系統(tǒng)，銜接了陸地和水域兩大生態(tài)系統(tǒng)[21]。因此，濕地生態(tài)系統(tǒng)的演替與穩(wěn)定性與土壤質(zhì)量有著直接或間接的聯(lián)系[22]，濕地土壤質(zhì)量是表征其健康狀態(tài)的重要指標。隨著對濕地認識程度的不斷加深，健康評價的方向逐漸豐富，從單一的水質(zhì)理化指標轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦赝寥馈⑺虻啄嗟葟?fù)雜綜合質(zhì)量評價。近年來，土壤、生物等不同尺度已經(jīng)成為全面深入進行濕地生態(tài)健康評價的重要體系[23]?；趫D3統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得出濕地土壤物理重要指標、化學(xué)重要指標和生物重要指標。

2.1.4 草地土壤評價指標。草地生態(tài)系統(tǒng)占全球陸地面積的20%以上，具有分布面積廣、有機物產(chǎn)量大、人為因素干擾多等特點[24]。草地植被還能有效減少泥流沖刷土壤，使水土流失率顯著降低，達到涵養(yǎng)水源的效果[25]。隨著人類活動和工業(yè)化發(fā)展，不合理開發(fā)利用使得草地植被退化、土壤污染和水土流失現(xiàn)象愈發(fā)嚴重[26]。研究顯示，我國每年有超過6 000 km2的草原正在消失[27]，草原生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重破壞。而土壤質(zhì)量評價是草地生態(tài)修復(fù)中重要且關(guān)鍵的一環(huán)，值得受到更多關(guān)注?；趫D4統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得出草原土壤物理重要指標、化學(xué)重要指標和生物重要指標。

2.2 土壤質(zhì)量評價中常用環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量指標

因為常規(guī)指標按照物、化、生分類的分類模式較綜合，某些指標雖然在常規(guī)分類中使用頻率相對較少，但是作為環(huán)境質(zhì)量指標和健康質(zhì)量指標是相當(dāng)重要的[28-30]。其中，重金屬、污染物、微量元素相關(guān)指標是環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量中最為重要的3個部分指標[31]。本文將三者單獨提取繪制圖5、6、7。因為草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的文獻數(shù)量較少，右圖使用各項指標文獻與該生態(tài)系統(tǒng)所有相關(guān)指標文獻總數(shù)之比制作文獻比例圖來反映指標在草地生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要性。從圖5、6、7可以看出，森林使用的重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr使用較多；污染物指標中，農(nóng)藥占比最大，其次是多環(huán)芳烴；微量元素指標中，有效鋅、硼、有效銅、有效錳、有效鐵都是常用的指標。農(nóng)田重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Hg使用較多；污染物指標中農(nóng)藥、地膜、多環(huán)芳烴、苯和石油的文獻數(shù)量也較多；常用的微量元素指標為有效鋅、有效銅、有效鐵和硼。草地重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn可以列為主要指標；農(nóng)藥、地膜和苯為主要污染物指標；有效鋅、有效銅、硼、有效鐵為主要微量元素指標。濕地重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Hg比例較高；石油和多環(huán)芳烴為污染物指標；有效鋅、有效銅、有效錳、有效鐵為主要的微量元素指標。

2.3 不同生態(tài)系統(tǒng)指標權(quán)重確定方法的選擇

權(quán)重是對各種評價指標賦予相對值，用來權(quán)衡對應(yīng)指標在整個評價中的相對重要性[32]。以往研究中使用的指標權(quán)重確定方法中層次分析法、主成分分析法、敏感性分析法較常用[33]。但由于指標權(quán)重的確定方法是比較主觀的，且生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量破壞與修復(fù)都是一個從量變到質(zhì)變的連續(xù)過渡過程[34]。因此，在具體評價過程中應(yīng)依據(jù)不同權(quán)重確定方法的特點進行選擇。如層次分析法，主要依靠專家主觀經(jīng)驗對各項指標的重要性進行估計，隨后對結(jié)果進行客觀加權(quán)[35]，這類方法較簡單高效，但是主觀性強。主成分分析法是根據(jù)統(tǒng)計分析軟件的結(jié)果得出各項指標的重要性排序后加權(quán)，該方法較客觀[36]，但可能結(jié)果會有悖于經(jīng)驗常識。敏感性分析是通過改變指標的相關(guān)數(shù)值，來衡量該指標受數(shù)值變動影響的大小[37]。權(quán)重的確定都不可能完全在客觀下進行，因此可以依據(jù)不同目標和問題，對土壤質(zhì)量評價指標權(quán)重確定方法進行適當(dāng)微調(diào)，盡可能規(guī)避各個方法的缺陷。土壤質(zhì)量評價過程中指標權(quán)重的確定問題是綜合評價的焦點和重點，確定權(quán)重確定方法是解決該問題的關(guān)鍵所在。

圖8是4類生態(tài)系統(tǒng)進行土壤質(zhì)量評價相關(guān)研究中運用指標權(quán)重確定方法的文獻數(shù)量統(tǒng)計表，由圖8可知森林、農(nóng)田、草地濕地使用頻率較高的權(quán)重確定方法。

2.4 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價方法的選擇

評價方法的選擇對土壤綜合質(zhì)量評價結(jié)果的影響至關(guān)重要。當(dāng)前研究中常用的評價方法包括內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地理信息系統(tǒng)法（GIS）、地統(tǒng)計學(xué)、模糊數(shù)學(xué)法、線性回歸法等[38]。其中，內(nèi)梅羅指數(shù)法是土壤環(huán)境質(zhì)量相關(guān)評價中標準化程度很高的土壤評價方法，使用最廣泛；地統(tǒng)計學(xué)法和地理信息系統(tǒng)法針對大面積土壤評價中應(yīng)用很廣泛，如森林等人工化不明顯的生態(tài)系統(tǒng)；模糊數(shù)學(xué)法是運用隸屬度來表述土壤受到污染和退化的模糊性，因為土壤質(zhì)量的退化是漸變的，而非有具體臨界值的變化，用模糊數(shù)學(xué)法能有效提升結(jié)果的準確度，現(xiàn)已廣泛運用于土壤污染物質(zhì)量評價中。綜上所述，未來研究中對于土壤質(zhì)量評價方法的選擇，應(yīng)該依據(jù)不同土壤質(zhì)量評價方法的特點及評價目的，進一步完善土壤質(zhì)量評價方法的選擇標準。由圖9可以得出4類生態(tài)系統(tǒng)使用較多的土壤評價方法。

3 討論

3.1 不同生態(tài)系統(tǒng)中某些特殊指標運用較多的原因分析

3.1.1 森林土壤評價。相較于其他3類生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)生物指標相對運用較多，尤其是微生物指標和酶指標，其原因可能是由于森林生態(tài)系統(tǒng)原始化程度高、受人為破壞小，且動植物多樣性豐富，土壤中微生物種類和生物量都比農(nóng)田、濕地、草地生態(tài)系統(tǒng)的大[39]。酶是動植物各類生化反應(yīng)的重要媒介，參與能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)循環(huán)過程。土壤酶對幾乎所有土壤生物化學(xué)過程起到催化劑的作用，為生態(tài)系統(tǒng)代謝提供重要動力，也是衡量土壤肥力的重要生物指標[40]。土壤酶特性密切反映著理化性質(zhì)、水熱狀況以及環(huán)境條件的變化，是森林土壤質(zhì)量評價指標中關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)之一。

3.1.2 農(nóng)田土壤評價。土壤養(yǎng)分因子是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價的重要指標，因為養(yǎng)分因子能敏感且有力地表征土壤質(zhì)量變化[41]。王清奎等通過長期試驗研究表明，有機質(zhì)能改變植物根系環(huán)境，提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使農(nóng)田土壤肥力和保水能力有效增強[42]。因此，在農(nóng)田土壤系統(tǒng)中，有機質(zhì)和 N、P、K 含量等土壤養(yǎng)分指標是影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時相較其他生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田有機碳、C 循環(huán)相關(guān)酶、微生物、氣候條件等指標也相對特殊。這與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳功能相關(guān)[43]。近年來的研究顯示，農(nóng)田碳庫是陸地上最重要的碳庫之一[44]。碳固存能力與土壤肥力密切相關(guān)，其強弱與理化性質(zhì)、溫濕度、管理措施等因素密切相關(guān)。研究顯示，較低溫度較高濕度下土壤固定碳的能力較強[45]，故氣候條件是影響土壤有機碳儲量的主導(dǎo)因子，作為農(nóng)田重要的物理指標存在。研究表明，黏粒和粉粒具有比砂粒更強的離子吸附作用，能夠更好地進行有機碳的吸附固定，因此土壤質(zhì)地也是重要指標之一。同時C循環(huán)相關(guān)酶參與農(nóng)田土壤碳循環(huán)和轉(zhuǎn)化，土壤碳含量會隨著酶活性增強而增加[40]。此外，土壤碳組分還與土體微生物種類、數(shù)量及其多樣性息息相關(guān)，隨著土壤有機碳的增加，土壤中微生物的活性顯著提高，因此微生物也作為衡量土壤質(zhì)量變化的敏感指標存在。

3.1.3 濕地土壤評價。濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤綜合質(zhì)量評價指標的選擇上，更關(guān)注土壤鹽分因子、水分因子、土壤黏砂比等指標。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)處于銜接水陸的特殊地理位置，易受海水入侵等生態(tài)干擾，這使得濕地土壤質(zhì)地特殊，含水量和含鹽量長期處于較高水平，這種水鹽環(huán)境通過影響土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物多樣性，最終顯著影響土壤質(zhì)量[46]。大量研究表明，土壤鹽分的增加會抑制土壤酶活性及生物活性，從而對土壤質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。因此，水鹽水平的變化是影響濕地土壤特性和質(zhì)量發(fā)展的重要因素。同時值得關(guān)注的是土壤pH，pH受土壤水鹽含量的影響非常顯著，因為pH是由土壤中氫離子的濃度決定的[47]。研究表明，潮濕環(huán)境條件下容易發(fā)生土壤自然酸化，因此濕地的土壤pH通常較農(nóng)田、森林和草原低[48]。酸堿度直接對土體質(zhì)量、土壤緩沖能力和養(yǎng)分固定能力產(chǎn)生影響。邵學(xué)新等研究發(fā)現(xiàn)，淋失較多鹽分的土壤的酸堿緩沖能力較弱，淋失鹽分較少的土壤酸堿緩沖能力較強[49]。因此，酸堿度直接對土體質(zhì)量、土壤緩沖能力和養(yǎng)分固定能力產(chǎn)生影響，因而pH也是一個值得關(guān)注的濕地指標。

3.1.4 草地土壤評價。草地生態(tài)系統(tǒng)較特殊的指標是土壤質(zhì)地、通氣性、有機物等。李紹良等選取了土壤硬度、有機物含量、土壤質(zhì)地作為草地土壤綜合質(zhì)量評價的關(guān)鍵指標，分析草地土壤退化和水土流失等現(xiàn)象，認為草地土壤水分降低、有機物流失、泥沙比增大是草地土壤退化的主要表現(xiàn)，砂粒占比提升會造成土壤通透性降低[50]。因此，在進行草地生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究時，需要特別關(guān)注土壤質(zhì)地、通氣性和有機物等指標。

3.2 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價指標及方法體系

根據(jù)前文的統(tǒng)計分析結(jié)果，分別對4類生態(tài)系統(tǒng)初步擬定了一套指標方法體系（圖11、12、13、14），包含指標板塊和方法板塊。指標板塊由各生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)土壤質(zhì)量評價文獻中使用較多的基礎(chǔ)物理化學(xué)生物指標形成基礎(chǔ)指標板塊，在此基礎(chǔ)上加上相關(guān)研究中所需要的土壤環(huán)境質(zhì)量指標、土壤健康質(zhì)量指標組合形成指標體系。本圖選出在全部生物指標中使用頻率較高加入到評價過程中去，有助于提升生物指標在今后研究中的選取率[51]。同時，因為土壤質(zhì)量評價研究的側(cè)重點也各有不同，重金屬指標、污染物指標、微量元素指標單獨提取，方便研究人員在進行相關(guān)研究時速查其中使用頻率高的指標。方法體系則由常用權(quán)重確定方法及常用質(zhì)量評價方法組合形成。如圖10所示，在進行森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量評價過程時，在選取基礎(chǔ)物化生指標后，如要側(cè)重進行森林重金屬研究，則須重點關(guān)注Pb、Cd、Cu、Zn、Cr指標；如要側(cè)重進行森林污染物研究，則重點關(guān)注農(nóng)藥和多環(huán)芳烴指標；如要側(cè)重進行森林微量元素研究，則重點關(guān)注農(nóng)藥和多環(huán)芳烴指標交換性鈣、交換性鎂、有效鋅、硼、有效銅、有效錳、有效鐵指標。指標選取完成后，確定指標權(quán)重時，可以在森林生態(tài)系統(tǒng)常用的因子分析法、主成分分析法、層次分析法、敏感性分析和均方差法中選取最方便且符合研究條件的。最后確定評價方法時，針對森林生態(tài)系統(tǒng)常用的地統(tǒng)計學(xué)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地理信息系統(tǒng)法、模糊數(shù)學(xué)法、生命周期評價法中，結(jié)合經(jīng)濟、人力、時間等條件選擇最合適的一種。這樣就可以快捷且科學(xué)地完成森林生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評價的全過程。同理，可根據(jù)圖11、12、13得出農(nóng)田、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量評價過程。

圖13 濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤評價方案

后續(xù)相關(guān)研究人員對4類生態(tài)系統(tǒng)進行土壤質(zhì)量評價時，可以參考該體系，快速篩選研究適宜的指標、權(quán)重確定方法以及評價方法，結(jié)合實際研究情況和經(jīng)驗常識，在該體系基礎(chǔ)上進行適當(dāng)調(diào)整，希望該體系能夠?qū)ξ磥硗寥蕾|(zhì)量評價中指標的選擇起到參考作用。

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（責(zé)編：張宏民）