土壤质量评价指标体系的构建及评价方法

土壤观察 2022-07-27

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导读

土壤有机质、速效磷、酸碱度、容重和含水量是表征土壤质量的重要评价指标。构建能够客观、全面、真实地反映土壤质量变化的指标体系及其与信息技术的融合是未来土壤质量评价研究的重点，应用指标体系在大空间尺度评估土壤质量是未来发展的趋势。

作者：李鑫 1，张文菊 1，邬磊 1，任意 2，张骏达 2，徐明岗 1 （1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 /耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2农业农村部耕地质量监测与保护中心，北京 100125 ）

来源：中国农业科学（2021年第14期）

0 引言

【研究意义】土壤是人类赖以生存的最基本自然资源，是地球上所有生态系统的自然支撑和生物屏障。土壤不仅为人类提供了生存需要的食物和纤维，而且在确保环境和能源安全、保护生物多样性等方面都发挥了不可替代的作用 [1-2]。在人口急剧增加背景下，人类对土地的过度开发利用导致了土壤侵蚀、肥力下降、次生盐渍化、酸化、土壤污染等一系列土壤退化问题，严重威胁到人类的粮食安全，引发生存危机 [3-4]。土壤质量评价作为评估管理措施及土地利用变化等人类活动对土壤影响的手段，有助于及时掌握土壤质量的现状和变化动态，进而实现对土地资源的可持续管理，已经引起了国内外的广泛关注。【前人研究进展】土壤质量被定义为“土壤在生态系统和土地利用边界范围内维持植物和动物的生产力，维持或提高水和空气质量，促进植物和动物健康的能力”[5-6]。20世纪 90年代后期，赵其国等 [7]将土壤质量的定义、指标和定量方法引入我国，促进了我国土壤质量评价保护理论和技术的发展。刘占峰等[8]基于土壤质量的定义、评价指标和评价方法的分析，认为未来土壤质量研究应该集中在土壤质量指标与评价方法等方面，主要包括土壤质量变化的前提条件、时空规律性、影响因素及其作用机理，尺度问题的研究，土壤质量保持与提高的途径及其关键技术研究。在国家“藏粮于地”和“加强生态环境建设”的战略下，消除障碍因子，构建理想土壤耕层，强化生物过程，提高生态系统服务多样性，仍然是新形势下土壤质量提升与健康培育的主攻方向 [9]。【本研究切入点】土壤质量评价研究已经开展了 30余年，国内外相关文献数量呈快速增长趋势，了解土壤质量评价研究现状，分析全球土壤质量评估的研究现状、关注热点与发展态势，为土壤质量领域研究提供参考。【拟解决的关键问题】本研究采用文献计量学的方法，总结当前研究中选取的土壤质量指标和土壤质量评价方法，通过对土壤质量评估研究中的评价指标选取偏好与指标体系构建的系统分析，定量分析并指明土壤质量研究的热点和方向，为我国耕地质量评价、地力提升和土壤资源的可持续利用提供参考依据。

1 材料与方法

本研究基于 Web of Science核心合集数据库和 CNKI数据库进行文献计量分析，其中 CNKI数据库设定为中国学术期刊网络出版总库。在两个数据库中，英文检索式为“主题 =（soil quality assessment） OR主题=（soil health assessment）”，中文检索式为“主题 =（土壤质量评价） OR主题=（土壤健康评价）”。检索的时间跨度为 1990年 1月 1日至 2019年 12月 31日，共检索筛选到相关文献 415篇，基于 Web of science核心合集数据的英文文献 129篇，基于 CNKI数据库的中文文献 286篇。对检索到的文献进行统计，分析国内外土壤质量评价研究的热点问题及研究现状，并对研究论文中所采用的评价指标分为土壤物理、土壤化学、土壤生物、土壤环境共四大类逐一进行统计，分析指标选取的频率；415篇文献中收集到 155个应用于土壤质量评价的指标最小数据集（ MDS），分别对进入 MDS中的指标频率进行统计；同时对土壤质量评价研究中筛选指标的方法和土壤质量评价方法进行总结和比较。数据利用 Excel 2017整理、筛选、统计，利用 Origin 2019b进行绘图。

2 结果

2.1 土壤质量的内涵

土壤是连接大气圈、水圈、生物圈与岩石圈的核心要素，是支撑社会和生态系统服务的复杂系统，是以人类健康为中心的整体健康系统中的一个重要组成部分，是绿色农业发展的基石 [9]。在这一背景下，土壤质量和土壤健康的概念逐渐发展和完善，并且与人类、动物和环境健康密不可分 [10]。土壤质量的概念在 1971年提出，指“在采取高水平管理措施下土壤产生玉米，大豆和小麦的能力 [11]”，经历了 20多年的发展[12-13]，发展为国内外学者广泛接受的“土壤在生态系统和土地利用边界范围内维持植物和动物的生产力，维持或提高环境质量，促进植物和动物健康的能力” [5]（图 1）。土壤质量的关注点也从土壤持续发挥生产能力的固有属性，发展到管理措施对土壤质量的影响 [6-7]。土壤质量评价通过结合不同的土壤功能，包括肥力质量、环境质量和健康质量, 依据土壤物理、化学和生物特性进行时间或空间尺度上的衡量 [13-15]。

国内土壤学家也对土壤质量的定义提出自己的观点。徐建明等 [16]认为土壤质量是“土壤在一定的生态系统内支持生物生产能力、净化环境能力和促进动植物及人类健康能力的集中体现”；周启星 [17]认为“判断土壤质量的标准包括能生产出对人体具有健康效益的动植物产品，具有改善水和大气质量的能力以及在一定程度上抵抗污染物的能力，能够直接或间接地促进植物、动物、微生物以及人体的健康三方面”；曹志洪等[18]在总结国内外研究进展的基础上，提出土壤质量是“土壤提供食物、纤维和能源等生物物质的土壤肥力质量，土壤保持周边水体和空气洁净的土壤环境质量，土壤消纳有机和无机有毒物质、提供生物必需元素、维护人畜健康和确保生态安全的土壤健康质量的综合量度”。

随着土壤质量研究的深入，“土壤健康”一词随之出现，被定义为“指在自然或管理的生态系统边界内，土壤作为活的生命体所具有的保证持续生产，保持良好的水体和大气环境，促进植物、动物（人类）健康的能力” [19]。现在被大家广泛接受的土壤健康定义为“土壤作为支撑植物、动物和人类生存的重要生态系统持续发挥功能的能力（https:// www.nrcs.usda. gov/wps/portal/nrcs/main/soils/health/）。联合国粮农组织政府间土壤技术小组（FAO-ITPS）将土壤健康定义为“土壤维持陆地生态系统生产力、多样性和环境服务的能力”，并提出希望被国际组织、机构、政府和学术界广泛使用和采纳http://www.fao.org/3/cb1110en/ cb1110en.pdf）。同时也有学者提出土壤安全的相关概念，指“土壤持续地为人类提供食物、纤维和淡水资源等生态系统服务，同时维持生物多样性和相对稳定性的一种状态” [20]，具有自然和社会双重属性 [21]。土壤安全的评估往往包括土地管理、经济、社会和政治层面，一般从性能、状态、资本性、关联性以及政策法规五个方面进行[22]。

从土壤质量与土壤健康的定义不难看出，土壤健康是“动态的”和“潜在的”土壤性质，更加侧重土壤作为生态系统的自然资源属性、环境属性和包括抵抗力、恢复力在内的生态属性 [23]，多从生态系统服务功能（即生物生产、土壤保持、环境净化、生物多样性保持、水分涵养、气候调节、养分与碳循环、文化传承功能）来对土壤质量或健康进行评估[24]；而土壤质量则侧重于长时间尺度上土壤“内在的”和“静态的”状况。尽管如此，有研究认为土壤质量与土壤健康两词在概念上有一定程度的重合，可以互换使用 [12]。

2.2 土壤质量评价指标体系构建

2.2.1土壤质量评价指标 土壤质量指标是从保持生产力、维持环境质量和保证动植物健康的角度监测和评价土壤的性状与功能的相关指标，主要分为物理、化学、生物与环境指标四大类。经过对 415篇文献统计发现，反映土壤自身属性、结构、通透性、导水导温性、抗蚀性以及耕性等方面的物理指标 25项；有机质（SOM）、pH、大量元素、中微量元素、阳离子交换量（CEC）、电导率（ EC）及含盐量等 36项化学指标；酶活性、微生物生物量、基础呼吸、微生物熵、代谢熵等 35项微生物指标及重金属、农药残留、农膜残留等19项环境指标。四类土壤指标中物理、化学指标选取率较高（图 2-a，2-b），生物及环境指标选取频率相对较低（图 2-c，图2-d）。SOM是土壤质量评价中选取频率最高的指标，选取频率为 96.6%，也是最为核心的指标。

物理指标中容重的选取率最高，为 56.1%（图 2-a），其次为含水量、机械组成、总孔隙度，选取率分别为 34.0%、33.7%和 23.0%；水稳性团聚体含量及平均重量直径通常作为表示团聚体结构的指标，选取率分别为 17.4%和 10.6%；剖面构型、结构系数、保水性等指标由于可操作性不强、计算复杂等因素不易获取，且在一定程度上与其他物理指标相关性较高，在土壤质量评价中应用较少。化学指标中速效磷（ AP）、全氮（ TN）、速效钾（ AK）选取率较高， AP和 TN的选取频率相同，为 77.6%， AK的选取频率为 67.2%；能够反映土壤缓冲能力和肥力水平的土壤 pH、阳离子交换量、电导率等指标，选取率分别为 78.1%、31.1%和 23.4%；土壤微量元素测定步骤较为繁琐，较少考虑将其作为评价指标。生物指标中土壤微生物生物量碳（SMBC）选取频率最高，为 22.7%；土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶常作为反映土壤微生活性的指标，选取频率均在 15%以上；微生物群落结构等指标由于采集、保存、测定较为困难，且成本较高，因此选取率不高；土壤动物在土壤质量评价中仍处于起步阶段，蚯蚓和线虫的选用率仅为 3.1%和 1.9%。环境指标中重金属元素铅（ Pb）选取频率越高，为 8.9%；其次是镉（ Cd）、铜（ Cu）、锌（ Zn）、铬（Cr）、砷（ As）、汞（ Hg）等；农膜和农药残留选取频率均较低。

为进一步探究土壤质量指标的演变趋势，针对 30年间选取率较高的土壤质量指标（即选取频率＞ 15%的物理指标、选取频率＞ 50%的化学指标、选取频率＞10%的生物指标）每 10年进行分别统计并计算选取频率。容重和总孔隙度可以影响土壤结构、水、肥、气、热以及生物活性进而影响土壤质量，选取频率逐步提高，容重的选取率从 39.1%增长至 59.3%，总孔隙度从 13.0%增长至 25.8%（图 3-a）。SOM、pH、AP、AK、TP等土壤化学指标 30年来一直作为表征土壤肥力质量的指标，呈现出稳定增长的趋势（图 3-b）。近 30年生物指标选取频率得到快速增长，其中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶从 0分别增长至 25.8%、19.3%、17.0%，磷酸酶从 4.4%增长至 23.4%。其余指标如蔗糖酶、过氧化氢酶、 SMBN也呈现出稳步上升趋势（图 3-c）。

2.2.2指标最小数据集的构建 土壤质量评价中可供选择的指标很多，虽然选择更全面的指标能够更真实的反应土壤质量，但会显著增加数据获取的成本。因此，一般选择最小数据集（ MDS）定量评价土壤质量， MDS包含了反映土壤质量最少的指标，可以通过测定较少的数据了解土壤的变化情况。经过文献调查，构建 MDS的方法较多，主要分为专家经验法和多元统计法两类，其中多元统计法应用较为广泛，主要有主成分分析（ PCA）、聚类分析（ CA）、典范对应分析（ CCA）、逐步回归分析（ SRA）、偏最小二乘回归分析（ PLSRA）等（表 1）。其中 PCA可通过降维来减少变量，结合 Norm值与相关性分析（RA）能最大限度地减少指标冗余，去除相关性较强的指标，同时能保留指标的主体信息。一般而言，评价指标的相关程度越小，分析结果的可信度越高。CA可以简单直观的对指标进行分类，结合 RA能直观、有效筛选指标。CCA主要用于筛选对影响植物群落组成的土壤质量指标，在林地或草地生态系统中土壤质量评价中应用广泛，在农田生态系统中应用较少。此外， PC-SRA和 PLSRA能较好地提取变量及因变量的信息，完成指标筛选，但在筛选过程中，除自变量外，还需要将因变量引入分析过程。专家经验法是相关领域研究者结合对研究区的先验知识筛选表征土壤质量的相关指标的方法，有时会引起评价结果差异性较大，选取率较低。由于 PCA在构建 MDS能较好地体现指标信息，在土壤质量评价中使用频率最高，应用最为广泛。

经过文献计量分析，对获取的 155个 MDS中的指标进行统计，过滤其中出现频率低于 5%的指标，依照选取频率将指标分为选取频率较高（＞ 40%）、选取频率适中（ 20%—40%）、选取频率较低（5%—20%）。结果发现，MDS中出现频率最高的指标为 SOM，选取率为 67.7%（图 4）。除 SOM外，选取率较高的指标为 AP，出现频率为 43.2%。其次为容重、pH、TN和 AK，选取率分别为 34.8%、34.2%、29.7%和 26.5%。MDS中生物指标出现的频率较低，选取频率最高的土壤生物指标为蔗糖酶，选取频率仅为 13.6%，而微生物生物量氮（SMBN）、脲酶、过氧化氢酶进入 MDS中的频率均低于10%。但土壤生物指标作为土壤对管理措施变化的早期响应，仍应将其更广泛地应用于评价中。

2.3 土壤质量评价方法

目前国际上常用的土壤质量评价方法分为定性与定量评价两类。通过对文献的统计与调查发现，当前土壤质量评价研究都集中于定量评价，主要有多变量指标克立格法、土壤质量动力学方法、土壤质量综合评分法、土壤相对质量法、土壤质量指数法、灰色关联分析法、物元法、人工神经网络法和 TOPSIS法等（表 2）。多变量指标克立格法、土壤质量动力学方法、土壤质量综合评分法、土壤相对质量法多为土壤质量评价初期采用的土壤质量评价方法，在 20世纪

90年代得到了较为广泛的应用。20世纪初，模糊数学法在土壤质量评价中得到初步应用，通过建立各种指标的隶属度函数，计算隶属度值来表明各项土壤指标的实际情况，最后综合指标计算土壤质量指数。通过土壤质量指数不仅能将土壤质量定量化，同时能进行田块或地域间的比较，更为简单易行。2010年以来，随着对土壤质量研究的深入，大量的数学方法被应用到土壤质量评价中并得到了推广。灰色关联分析法通过对原始数据进行标准化的方式避免确定标准值的过程中产生的主观影响；物元法能无丢失地综合各种因素的全部信息，保证了信息的完整性，并且极大地拓展了研究范围，揭示更多的分异信息；人工神经网络法能减少主观因素的干扰，在经过样本训练之后，能够很好的对土壤质量进行评估；TOPSIS法通过计算样本靠近/偏离正负理想解的相对距离来评价样本的优劣，排除主客观因素的误差。由于土壤质量指数法能很好的评估管理措施对土壤质量的影响，适合于土壤可持续管理，仍然是应用最为广泛的方法。

3 讨论

3.1 土壤质量评价指标与方法的应用

土壤质量指标的选取是土壤质量评价中的核心环节，通常需要先制定评价目标、明确评价对象及土壤功能 [42]，再结合区域特征、气候差异、土地利用方式与田间管理措施等条件进行选取。土壤质量指标应符合以下条件：与土壤功能有关、廉价 /易操作、为管理提供信息、敏感 /可测量等要求 [10]，同时要尽量保证指标间的独立性 [43]。目前国内土壤质量评价研究中主要选取的指标为常规物理、化学指标，如 SOM、AP、TN、pH、容重，土壤生物指标选取

较少，与 BüNEMANN等[12]、林卡等 [44]、陈梦军等 [45]的研究结果基本吻合。土壤质量指标的选取往往是随着研究目的而变化的。大多数以农田土壤为研究性、有机碳、微生物生物量和活性、可溶性养分、对象的研究往往以土壤的初级生产力为研究目标，侧重金属元素等；研究目的为缓解气候变化的评价除重于土壤物理、养分性质及作物产量来进行评价 [27,37]；有机碳、氮组分外，同时应监测 CH4、N2O等温室以涵养水源为目标的土壤质量评价则包括土壤渗透气体的排放量 [10]。

经过统计发现，农田土壤质量的影响因素较多，可将其分为气候、土壤侵蚀、海拔及坡向[46-47]等自然因素及作物覆盖、施肥、作物轮作、作物留茬、翻耕措施等农田管理措施两部分[48]。大量研究表明，施用生物炭、有机肥及稻秆还田等农田管理措施是维持和提高土壤质量，促进农田可持续发展的重要途径[49-50]。适当施用有机物料能够降低容重，提高土壤总孔隙度，同时提高土壤持水量，增加土壤中大团聚体的数量与稳定性，进而有效改善土壤结构，在增加土壤养分及有效性的同时，提高土壤微生物生物量及活性，优化土壤微生物群落的结构和功能，进而提高土壤质量，促进作物增产增效[51]；保护性耕作措施同样也能改善土壤结构，增强土壤的蓄水保墒能力，起到调控土壤物理、化学及生物性状的作用。

近年来随着土壤环境污染引起的农产品安全问题逐渐增多，使得农产品质量安全成为社会普遍关注的焦点，许多学者对农产品安全下土壤质量指标体系的构建进行了探讨。如杨柳等[52]从空气、土壤及灌溉水三方面对无公害农产品产地环境标准进行了解析，其中土壤指标包括总汞、总镉、总砷、总铅和总铬、总铜、六六六、滴滴涕等指标。张燕等[53]从土壤耕性、肥力、生物、作物健康状况、污染源指标等六个方面构建了无公害农产品产地土壤质量指标体系。王玉军等[54]在评价农田土壤质量评价中，将农田土壤和农产品中重金属的含量有机地联系在一起，考虑了土壤环境质量标准、土壤元素背景值、农产品污染物限量标准和元素价态效应等。LEHMANN 等[10]提出应将病原体、寄生虫、生物多样性、生物可利用性和可移动污染物（如二噁英、多环芳烃和微塑料）以及化合物与孔径的多样性等与人体健康密切相关的指标纳入评价体系中。

土壤质量评价是监测土壤退化与土壤污染的重要工具，国际上尚没有形成统一的标准和方法，需要综合考虑评价目标和尺度，同时与生态系统类型、土壤功能、土地利用方式等密切相关。在众多评价方法中，应用 PCA+RA构建 MDS后结合土壤质量指数法是研究中较常用的方法 [25,37]。由于各评价方法有特定的适用范围，且易受到指标选择方法的影响，结果通常具有不一致性。因此在对土壤质量进行评价时，要基于组合评价研究，在同一点位或区域采用若干方法进行比较，有利于针对特定的区域及土壤功能选择适当的评价指标及方法进行评估，有助于决策者了解土壤质量的变化情况，为土壤质量提升奠定理论基础。

3.2 土壤质量评价中新技术的应用

土壤质量评价选取的物理、化学指标往往较多，在监测与评价过程中需要快速、准确地获取土壤信息，而常规的土壤分析方法周期较长，存在一定局限性。近年来随着土壤测试技术的不断发展，为土壤质量监测与评价工作的开展提供了新的途径。近红外（ NIR）和中红外（ MIR）光谱技术能非破坏地对各种样品进行快速、精确地分析，在快速测定土壤中的水分、 SOM、TN、总碳、有机碳组分、SMBC和酶活性等领域得到了初步的应用 [55]。随着 NIR与

MIR技术的推广，快速、廉价地监测土壤质量指标将成为可能，也会极大地推动土壤质量研究工作的发展。

当前土壤质量评价研究中生物指标选取较少，虽然近年来选取频率逐渐升高，但大多数集中于点位等小尺度研究中，在大尺度土壤质量评价中生物指标选取频率仍然较低。我国当前有两项针对土壤质量监测与评价的国家标准，分别是自然资源部的《农用地质量分等规程》（ GB/T 28407—2012）和农业农村部的《耕地质量等级》（ GB/T 33469—2016），这两项标准中的评价指标多为土壤理化性质，其主要原因可能是微生物测试技术及成本的限制。但是，近年来随着微生物研究技术的快速发展，微生物对土壤质量评价研究的重要性也受到了研究者的广泛关注。随着高通量测序技术、宏基因组技术、稳定性同位素探针技术（SIP）在微生物领域中的推广和普及，使得土壤生物多样性、生态系统服务多功能性等指标在土壤质量评价中有着广阔的应用前景 [56]。基因芯片技术能够追踪一些高效表达或控制微生物群落重要功能的关键基因[57]；SIP与分子生物学方法可以更准确地了解功能微生物生理代谢和功能基因等方面的信息 [58]；此外，便携式高通量土壤系统功能微生物分选及功能组学测定仪能够在田间简单、快捷地获取微生物群落结构等信息。这些分子生物学技术的发展使土壤微生物与动物的群落结构、微生物功能基因、抗生素抗性基因等指标在土壤质量评价中得到推广。尽管基于部分生物指标（如生物多样性）的量化方法尚不明确 [12,59]，但其在土壤生态系统服务功能及土壤质量评价中的作用不能忽视。

随着信息技术和地理信息技术的发展，采用 GIS进行土壤质量评价已经成为研究土壤质量的重要途径。利用地统计学与 GIS相结合能够获得土壤属性的空间变异信息，实现空间信息的可视化，更加直观。基于地理信息系统的土壤质量评价结合空间分析定量化大尺度土壤质量，从而提高农业资源管理的效率和准确性，有利于精准农业的实现 [60-61]。

3.3 大尺度下土壤质量评价的关键问题与展望

当前土壤质量评价主要集中在特定点位与地区的研究尺度上，对于大尺度的土壤质量研究较少，将小尺度下的土壤质量研究成果拓展到大尺度研究中，仍是当前研究中亟待解决的重要问题。由于我国幅员辽阔，土壤资源空间变异大，基于大尺度进行土壤质量评价的研究就更加困难。在今后的研究中，依据区域特征开展区域土壤质量评价工作，识别土壤退化风险，制定土壤质量保护与提升策略，实现土壤质量的可持续发展是大尺度土壤质量评价的关键。此外，在进行区域乃至全国尺度的土壤质量检测时，应建立土壤质量动态监测与评价体系，对耕地土壤质量、生产潜力及土壤可持续发展能力进行评价。同时，提升土壤质量监测技术，健全土壤质量监测网络，在全国范围内推动土壤质量监测与预警及对策的相关研究，是实现可持续土壤管理的重要理论依据。

我国在进行土壤质量大尺度评价研究时往往更注重土壤的生产力功能，而国外多从土壤生态服务功能的角度对土壤质量进行评价[19,22]，在今后的土壤质量研究中更要注重土壤的生态属性和生态服务功能。以土壤生态系统服务为核心，系统开展大尺度下不同土地利用方式、生态环境条件和社会经济发展水平下的土壤质量评价工作，能更好地保护土地资源，提高土壤质量，实现对土地资源的合理利用与保护。

4 结论

全球变化背景下，土壤质量评价研究正处于飞速发展时期，研究的热点主要集中在土壤质量指标选取、最小数据集构建和土壤质量评价方法应用这三个方面。在评价指标中，土壤有机质作为土壤质量的核心指标，其选取频率最高，为 96.6%，土壤酸碱度、全氮、速效磷、速效钾、容重等指标选取率均高于 50%。近年来，随着土壤生物学技术的快速发展，微生物生物量、土壤酶活性等生物指标选取率呈上升趋势。被筛选进入最小数据集的指标中，土壤有机质、速效磷、土壤容重以及土壤酸度出现的频率较高，被广泛应用于表征土壤质量。当前国内外土壤质量评价研究中常用的评价框架为：根据评价目的测定土壤质量指标，利用主成分分析构建最小数据集，选取土壤质量指数法量化土壤质量。

图、表、参考文献略，可阅读原文查询了解。

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