论土壤肥力评价指标和方法

/论土壤肥力评价指标和方法骆东奇,白洁,谢德体西南农业大学资源环境学院,重庆北碚4007１6摘要：阐述了土壤肥力的概念,分析了土壤肥力评价的指标选取和方法选择,提出了科学合理的综合性评价指标体系和评价方法。关键词:评价指标；评价方法；土壤肥力中图分类号：S１5８文献标识码:Ａ文章编号：1008-181Ｘ（2002）０2－0２0２-04土壤作为植物生产的基地，动物生产的基础，农业的基本生产资料,人类耕作的劳动的对象,与社会经济紧密联系,其本质是肥力。土壤肥力也正是土壤各方面性质的综合反映，体现了其在农业生产和科学研究中的重要地位。土壤肥力的高低直接影响着作物生长，影响着农业生产的结构、布局和效益等方面.如何科学、合理、实用地评价土壤肥力,为指导农业生产提供理论依据,显得尤为重要。本文阐述了土壤肥力的概念、土壤肥力评价指标体系和方法,提出适合于不同区域、不同土壤类型的土壤肥力评价的综合指标体系和评价方法.1土壤肥力的概念土壤肥力的概念是土壤学中古老而又非常基础的概念，自1８４0年李比希创立植物矿质营养说以来，欧美土壤学家关于土壤肥力的概念主要侧重于土壤的植物营养，并以养分多少衡量土壤肥力高低.台前苏联土壤学家威联斯认为土壤肥力是“在植物全部生长过程中,土壤同时地、不断地供应植物以最高水分和养分的能力”,现代美国土壤学会认为土壤肥力是“在光照、湿度、温度、土壤物理条件及其他因素都适合于特定植物生长时土壤向植物以适当的量和平衡的比例供应养分的性能”[１].我国土壤学界对土壤肥力研究非常活跃,侯光炯［2］认为：土壤肥力是土壤代谢功能、调节功能的强弱和在一定地理位置、自然条件下，土壤同内部水、养适量,气、热周期性动态，稳、匀、足、适程度；并从生态系统的角度把土壤肥力分为母质肥力、层次肥力、田块肥力、耕作肥力、气候肥力、地貌肥力、水文肥力和植被肥力。熊毅[3］认为:土壤肥力是土壤的本质,土壤肥力就是土壤为植物生产供应和协调营养条件和环境条件的能力，水分和养分是营养因素,温度和空气是环境因素;水既是养分因素，又是营养因素;土壤结构是肥力的重要基础，肥力评价要考虑到土壤整体。陈恩凤[4］认为:土壤肥力是土壤自动调节能力,是对水、肥、气、热的储存和供应能力，肥土具有吸收容量大、转化释放供应量大的特征，从而有较大的适应植物生长需要和抵抗不良生长条件的能力.章家恩［５］提出土壤生态肥力（Soｉlecoｌogicａlfertiliｔy）概念，即土壤生态肥力指在一定的环境条件下，土壤及其生物群落（包括动物和微生物)之间长期协同进化、相互适应、相互作用而表现出的一种和谐共融特性,以及在该特性状态下土壤保证植物生长所需物质与能量的可获得性和可持续性的一种功能和能力.事实上,随着科学手段和认识水平的不断提高，土壤肥力概念的外延不断扩大，内涵不断缩小，倾向于将地貌、水文、气候、植物等环境因子以及人类活动等社会因子作为土壤肥力系统组分.笔者认为：从土壤—植物－环境整体角度看，土壤肥力是土壤的养分针对特定植物的供应能力，以及土壤养分供应植物时的环境条件的综合体现,土壤养分、植物、环境条件共同构成土壤肥力的外延；土壤肥力高低不仅受土壤养分、植物的吸收能力和植物生长的环境条件各因子的独立作用，更重要取决于各因子的谐调程度.2土壤肥力评价因子土壤肥力评价就是对土壤肥力高低的评判和鉴定。由于土壤肥力概念的不统一性，内涵的不确定性,因而在土壤肥力评价因子的选取过程中就存在着很大的差异；由于在评价过程中因子的不同，可能导致评价结果的差异，甚至出现与客观实际相悖的结果.因此,非常必要确定相对稳定、适用区域广、可用于多种评价方法的土壤肥力指标系统。2.1单一的作物产量或植物生长状况指标早期在进行土壤肥力评价时，由于受分析手段和水平的限制,一些土壤肥力评价以观测和测定生长着的植物为基础,进行植物营养分析和生长状况观察，比较不同土壤上植物的生长状况来评价土壤肥力;以及选取植物生物量、经济量以及植物生长状况等比较直观的指标进行土壤肥力评价[６]。由于认识水平,这种选取单一作物产量或植物生长状况为土壤肥力评价指标源于土壤肥力与土壤生产力概念的模糊，认为土壤肥力就是土壤生产力.从黎孟波［1］提出的土壤肥力概念逻辑模式分析,土壤肥力只是土壤生产力的一个基本形成条件,土壤生产力还包括土壤肥沃度、植物种类、生态环境等条件.2.2单一土壤养分指标由于在认识上把土壤肥力与土壤养分等同起来，认为土壤养分可以反映土壤肥力的高低，因而在评价土壤肥力时,就选取单一的土壤养分氮、磷、钾、有机质等指标进行评价，特别是一些土壤培肥的研究中把土壤肥力完全等同于土壤养分，并把养分的提高作为培肥的目标[7~１1］。2．３土壤肥力综合性指标随着土壤肥力概念外延的扩展,其评价指标也由土壤养分指标发展到包括土壤养分、土壤物理性质、生物化学性质及环境条件等综合性指标。虽然在土壤肥力评价时选取的是包括土壤物理、化学、生物和环境条件的综合指标,但是在对这些综合性指标的选取时也存在选取指标的差异。如生物指标中土壤酶包括氧化酶(过氧化氢酶、多酚氧化酶）、还原酶（硫酸盐还原酶、硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、铁还原酶）和水解酶（转化酶、蛋白酶、脲酶、磷酸酶）等十几项，由于研究者对不同酶的重要性认识不同,分析条件的限制，选取土壤肥力指标的侧重点不同，选取的土壤肥力评价指标难以统一.将不同研究者在进行土壤肥力评价时选取的土壤肥力指标列于表１。从表中看出:不同的研究者在进行土壤肥力评价时选取的指标不同，但在这些相对综合的评价指标中，仍然多集中在土壤肥力的养分指标；其次，土壤物理性状指标，土壤生物指标和环境条件因子相对较少,这可能是由于对土壤肥力内涵的理解的差异而致。2．４建立合理的土壤肥力评价指标体系随着科技的发展，认识事物数值化、全面化和综合化的要求，土壤肥力评价也要求数量化、客观化、综合化，尽可能地反映土壤肥力的养分状况、物理性状、生物特征和土壤的环境条件.笔者认为合理的土壤肥力评价指标既能反映土壤的自然养分状况，又能显示土壤养分对植物的供应能力，还能反映土壤所处的小环境和大环境.具体指标体系如表2。３土壤肥力评价方法土壤肥力指标包括土壤营养（化学)指标、土壤物理指标、土壤生物学指标和土壤环境条件指标等多种因子,并且全部因子都以数值表示，这样进行土壤肥力评价时涉及到大量的数据,单凭个人直观地从这些纷繁的数据中找出它们内部联系,即使具有丰富的经验也很难做到。因此，必须借助数学方法,从多因素角度对土壤肥力进行综合评价。通常，采用的数学方法有因子分析法、聚类分析法、判别分析法、主分量分析法(主成分分析法、主因素分析法）、因子加权综合法等.由于选取的指标不同，分析的目标的差异，选择的评价方法也不同,因而，没有统一的评价方法。同时,随着计算机技术的普及,国外统计软件的引进,使得那些过去因数据量大、计算复杂的分析方法也得到广泛的应用，大大地提高了土壤肥力评价的定量经水平和科学性。常用的土壤肥力评价方法及应用列于表3。4对土壤肥力评价指标和方法的思考4．1土壤肥力评价指标的思考首先，土壤肥力评价指标应全面、综合反映土壤肥力。在进行土壤肥力评价时，指标的选取直接影响到土壤肥力评价的真实性、合理性和科学性,因此，土壤肥力评价指标应全面、综合地反映土壤肥力的各个方面，既能反映土壤的养分贮存、养分释放,又能反映土壤的物理性状和生物多样性，以及土壤环境条件。于此，在确定土壤肥力评价指标时，广泛征求意见，减少评价者的主观性,使指标能真实、客观地反映土壤肥力水平和状况。另一方面,土壤肥力评价指标选取应避免指标间多重共线性问题.如果选取的指标间存在多重共线性，既增加了不必要的计算量和分析量，又影响到土壤肥力评价结论的真实性.为避免指标间多重共线性问题，在进行土壤肥力评价时，应对选取的指标进独立性分析,去除存在共线性的指标。４．2土壤肥力评价方法的思考土壤肥力评价方法直接影响着评价结果的正确性、客观性和指导性.因此,在进行土壤肥力评价时，选择的评价方法应最大地减少人为的主观表1不同研究者土壤肥力评价指标选取统计土壤肥力指标研究者王克孟等［１２］余存祖等[1３]蔡宗法等[１４］张大克等［1５］沈宏等［16］孙波等［17]阚文杰等［1８］吕晓男等［10]莫治雄［19］曹承绵等［20]方兆登等［2１］化学指标全氮**＊*＊***＊*全磷＊**＊＊＊全钾*＊**＊碱解氮＊*****＊速效钾＊＊＊＊*＊＊＊速效磷******＊*pH*＊＊**微量元素**CＥC＊＊*＊＊**CaＣO3＊碳/氮＊＊铁晶胶率*物理指标土层厚度*＊＊土壤质地*土壤容重*＊＊*水稳性团聚体*孔隙度**持水量*机械组成＊抗压强度＊土壤收缩率*渗透性＊粘粒含量＊＊**＊生物指标有机质＊＊＊＊＊＊*全碳＊活性碳＊腐质酸＊＊土壤酶＊***微生物碳氮*环境指标地形*地下水位＊林网化水平＊地面坡度＊注：(1）“＊"表示选用该指标;（2）持水量包括田间持水量和凋萎含水量;（3）孔隙度包括总孔隙度、通气孔隙和非毛管孔隙度；(4）土壤酶包括过氧化氢酶、转化酶、中性磷酸酶、碱性磷酸酶、蛋白酶。表2土壤肥力综合指标构成土壤肥力指标体系土壤营养（化学）指标土壤物理性状指标土壤生物学指标土壤环境指标1。全氮2．全磷3。全钾４．碱解氮5．有效磷6．有效钾７．阳离子交换量8.碳氮比１.质地２。容重３．水稳性团聚体４.孔隙度（总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)5.土壤耕层温度变幅６．土层厚度7。土壤含水量8。粘粒含量1。有机质2。腐殖酸（富里酸、胡敏酸）３.微生物态碳4。微生物态氮５．土壤酶活性（脲酶、蛋白酶、过氧化氢酶、转化酶、磷酸酶等）1.土壤pＨ２。地下水深度3。坡度4。林网化水平性,使评价结果能客观地反映土壤肥力水平的真实差异性，如选择主成分分析法、判别分析法、聚类分析法、因子分析法、加权综合法等一些综合评价方法。同时，选择的评价方法应最大地利用新技术和新的分析手段，减少数据分析量对评价方法的限制。另一方面，选择的土壤肥力评价方法要能最大地利用选取指标包含的各方面信息，保证土壤肥力的信息利用最充分。土壤是一个复杂的类生物体，土壤肥力水平是诸多肥力因素综合作用的反映，要想全面地、客观地反映土壤的这一基本属性，还需要深入地研究和大量地实践。对于土壤肥力评价指标选取的方法的选择还有待更进一步的探讨.参考文献：黎孟波，张先婉。土壤肥力概念与模式:土壤肥力研究之一［A］。见：张先婉主编.土壤肥力研究进展［C］.北京:中国科学技术出版社，19９1:208-213.侯光炯，谢德体.土壤肥力学概要［Ａ].闻光源主编.农业土壤学——侯光炯在宜宾应用研究17年论文选集［Ｃ]。成都：四川科学技术出版社,20０1:103-１３7。熊毅.我国土壤科学研究的回顾[J］.土壤，1984，1６（2）:41-４５.陈恩凤．黑土肥力的基础物质和土体构型的某些性质及其相互关系[A]。中国科学院林业土壤研究所。土壤肥力研究论文集[C]．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９84：1—１6.章家恩,廖宗文.试论土壤的生态肥力及其培育［Ｊ］。土壤与环境，2000，9（3):253-256．表3土壤肥力评价方法及应用土壤肥力评价方法研究者主成分分析法张大克等[15］，余存祖等［１3］，方兆登等［2１］，严昶升[22］聚类分析法方兆登等[２1]，严昶升［22］因子分析法莫治雄[19]，孙波等［1７]，沈宏等[１6]内梅罗指数法阚文杰等［１8]判别分析法许皋等［23］,严昶升［22]模糊数学法吕晓男等［10］,黎孟波等[24]因子加权综合法曹承绵等[20］蒂斯代尔（美），纳尔逊(美）．土壤肥力与肥料［M］．孙秀廷，曹志洪等译.北京：科学出版社，1984：5-1４,２71—307.汤建东．耕作改制对土壤肥力的影响［J］。土壤与环境,２000，9（3)：257—260.王光复，李亦兵．长春耕地质量评估[Ｊ］。农业区划,1９91,(2）：13-１5，6４．杨金,马振江，张增旺。复混肥对秋白菜产量及土壤肥力的影响[J］。土壤通报,1９９6,２7（5）:236-2３８.吕晓男，陆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