土壤质量评价的历史演变

土壤质量评价的历史演变

20世纪70年代初，土壤质量一词出现在土壤科学文献中，成为国际土壤科学的热点。由于土壤质量受土壤侵蚀、土壤生物多样性、耕作方式与作物种植类型以及施肥与农药等因素的影响,因而,要对土壤质量进行量化评价比较困难。1994年Harris和Bezdicek建立了土壤质量指标体系,将土壤质量指标分成描述性指标和分析性指标,分析性指标又进一步分为物理指标、化学指标和生物指标。鉴于土壤质量评价可选择的指标太多,Larson和Pierce建议采用土壤参数的最小数据集MDS(minimumdataset)评价土壤质量,MDS包括10项指标,这10项指标同样涉及了土壤的物理、化学和生物性质,并提出使用土壤转换函数(PTE)来估计评价中难以测定的土壤性质,MDS得到广泛的采用。土壤质量卡是最早的土壤质量评价方法,以观察为主且不需要实验分析。而后ARS(AgriculturalResearchService)开发研制能够直接在田间获取0~7.6cm土层半定量指标数据的土壤质量试验箱,并在美国加以改善和推广应用。这两种定性评价方法所得结果都比较粗略,不能反映土壤质量动态变化过程。随着地统计学、GIS技术、模糊数学、计量经济学等在土壤质量评价的应用,土壤质量评价方法已成多样化发展,可以根据评价对象、功能以及评价范围选择相适宜的评价方法。本文论述了目前国际上比较常用的指数法、基于GIS技术的评价方法、动力学方法和生命周期评价方法等土壤质量评价方法的研究成果,以阐明土壤质量评价研究进展及发展趋势。1特征分析的潜在矛盾指数法是目前使用较广泛的决策方法,能够指出众多指标的总体趋势并分析存在的潜在矛盾。这种方法运用在土壤质量评价上,能帮助农业管理者做出正确的决策。1.1土壤质量综合评价土壤质量指数是一种相对指标,需要在相同土壤类型之间进行比较,同时根据土壤类型、气候条件和作物生长定义指标的临界分值范围,采用非线性评分的方式,将土壤功能和指标之间的关系数量化。土壤质量综合指数法是由Doran和Parkin提出,将土壤质量细化为6个特定土壤质量元素进行评价:SQ=f(SQE1,SQE2,SQE3,SQE4,SQE5,SQE6)式中:SQE1为作物和纤维生产,SQE2为抗侵蚀能力,SQE3为地下水质量,SQE4为地表水质量,SQE5为大气质量,SQE6为食物质量。土壤质量评价是针对土壤生物、化学和物理性质进行评价,再将这三方面分解成5个功能因子,每个质量元素优势特定土壤功能因子的方程:SQEn=f(SF1,SF2,SF3,SF4,SF5),SF1是向植物、大气和底土保持和释放水的能力,SF2是保持、释放养分和其他化学物的能力,SF3是促进根系生长的能力,SF4是土壤维持土壤生物生存的能力,SF5是土壤对耕作管理措施的响应。土壤质量综合指数评分法针对评价目的,确定评价的关键土壤功能,建立相应的评价指标体系和评价标准;测定土壤性质,建立关系模型;确定各个评价指标权重;将评分值与权重相乘获得土壤质量评分的矩阵,其总和就是评价等级。森林土壤质量评价,可以选取森林土壤生长的5个关键功能:促进根系伸展,维持营养元素的循环、保持水分、促进气体交换和生物活性,以土壤容重、矿化氮、地下水位、土壤通气性和土壤湿度五个指标代替相对应的关键功能,获取土壤质量指数。人工林地土壤总有机C、阳离子交换量和微生物生物量与其它土壤理化性质和生物学性质之间明显相关,可将其作为人工林地土壤质量的指示指标。杉木与阔叶树混交以及阔叶树轮栽的水分有效性、养分有效性和根系适宜性以及最终的土壤质量指数均处于中等水平,而连栽杉木林的水分有效性、养分有效性和根系适宜性较差,土壤质量指数处于较低水平。长期免耕条件下的粉砂壤土有机C含量显著高于有壁犁耕土壤,有壁犁耕和深松耕下的钾含量高于免耕,深松耕的P含量显著高于其他两种方式,随着时间这些养分呈下降趋势;三种耕作系统中免耕系统反映出较好的持水性能,其他两种耕作方式相对较弱;免耕土壤质量指数高于有壁犁耕和深松耕,这种耕作方式下土壤质量较高。土壤质量综合指数评分法在给定的生态系统内,可以通过建立每一种元素的评价标准,然后估计整个土壤质量函数。因此,土壤质量综合指数评分简单易行,但是在各个因素权重的确定上存在一定主观性,而且有的时候所搜集的信息不完全,不能完全反映不同土壤质量元素的最优函数关系,需要采用科学方法确定权重,并做很多验证、校验工作,才能更加真实地反映土壤指标和土壤功能的相对重要性。1.2土壤质量指数rsq值的计算土壤相对质量法是在Pierce等人提出的生产力指数模型(PI模型)基础上发展起来的。PI模型用以评价土壤退化对于土壤生产力的影响,并运用于明尼苏达州玉米地土壤质量评价上。随后Gale和Grigal使用该模型对明尼苏达州森林土壤质量和生产力进行预测。该模型不仅能够评价土壤生产力,还能反映农业管理措施对土壤生产力的影响。Karlen和Stott完善了PI模型,模型中把土壤质量Q看成由几个子模型决定的综合模型:Q=q1(wt)+q1(wt)+…+qk(wt)式中,qk表示不同土壤质量属性值,wt每个属性值的相对权重,相对权重代表决定土壤质量属性的相对重要性。土壤相对质量法是对上述模型的完善,在获取土壤质量指数的基础上引入相对土壤质量指数RSQI,假定研究区存在理想土壤,这种土壤所具备的指标都能支持作物正常生长的需要,以这种土壤的质量指标为标准,其它的土壤与它相比,得出相对土壤质量指数RSQI:RSQI=(SQI/SQIm)×100式中,SQIm为假想的理想土壤质量指数,然后通过△RSQI=RSQI(ti)-RSQI(ti-1)可直接反映某一时段土壤质量的变化。卢铁光等指出土壤质量动态变化可以通过多时段土壤质量指数的变化来反映其变化趋势,通过研究耕作层土壤质量指数的变化,发现从建国以后黑龙江省富锦市农业耕地土壤质量指数随着耕作时间延长而下降,主要是由于不合理的耕作制度和土壤的只用不养所造成土壤质量退化。王跃举等研究结果表明亚热带红壤丘陵区在土地开垦后,整个区域土壤质量以四等地为主,其中又以潮土和水稻土质量最低;潮土开垦利用之后,平均土壤质量在各种利用方式下都有所提高,水田和菜地提高幅度较大。暗潮土开垦后,土壤质量一般有所降低,至多也只是保持原来水平。泥质红壤、砂质红壤和水稻土开垦后,土壤质量有升有降,用作水田、菜地、桔园、草地的一般都有明显提高,而开垦为旱地、薪炭林和针叶林的一般有所降低或不太明显的提高。三江平原大面积开荒后土壤质量有明显的变化,耕地土壤质量指数一般都比荒地土壤的质量指数低,草甸沼泽土在开垦初期其土壤质量指数略有所升高。随着开垦年限增长,各类土壤的土壤质量指数均呈下降趋势。RSQI值可使区域土壤质量有一个统一的比较标准,其变化量△RSQI可以作为评价土壤质量变化的定量依据,这方面值得进一步验证和研究;研究土壤质量变化必须有时间和起点概念,否则就难以确切说明土壤质量的升高与降低,肥力的熟化与退化。同时土壤相对质量法在对各分指数进行综合时,评价结果往往只是一个均值或简单的累加,这样会掩盖某些土壤属性质的飞跃特征,从而使评价结果与实际出入很大。但是,计算指数方法不同,结果也有所差别,主观因素影响较重;在采用指数和法进行土壤适宜性评价中,当某一因子受到很强烈的限制时,会严重影响这一评价单元的质量。当评价单元的某一参评因子指标值较低,而其他因子指数均较高时,会因使单元综合指数过高而掩饰了主要限制因子的作用。2动态评估方法2.1土壤质量变化土壤质量是一个动态变化的过程,其土壤属性都是随着时间和空间的变化而变化,易受人类行为、管理措施以及农业实践的影响。考虑这一原理,Larson和Pierce提出了利用系统动力学的方法来描述土壤质量动态变化的方法。这种方法是将土壤质量(Q)看作各个土壤性质(qi)相互影响的综合函数:Q=f(qi…n)要反映整个土壤质量的变化,可以选择一阶导数(dQ/dt)表示土壤质量的变化速率。dQdt=f((qit−qit0)qit0⋯(qnt−qnt0)qnt0dt)dQdt=f((qit-qit0)qit0⋯(qnt-qnt0)qnt0dt)其中,qit表示第i种土壤质量指标在t期的数值,qit0表示第i种土壤质量指标在基期t0期的数值。dQ/dt反映土壤质量的变化速率,当dQ/dt为正值时,说明土壤质量变化是正向的,有利于可持续发展,反之就是土壤退化,此时就应该采取措施对土壤进行管理。土壤质量动力学方法根据最小数据集选取指标,构建动力学模型反映这种变化。例如要反映土壤侵蚀对土地质量变化的影响可以使用生产力指数,而生产力指数又是土壤pH、容重以及有效水容量对根系满足度的总和。除了这种方法,还可以采用统计质量控制程序,在整个过程重复测定MDS,得出MDS随时间变化的规律,以描述土壤质量的变化。2.2土壤质量及化肥施用对玉米产量的影响动态计量经济学方法已经运用到土地利用、气候变化分析上,但是在土壤上的运用还比较少。土壤质量的动态计量经济学方法是研究土壤质量、土壤生产力与控制土壤质量的关键变量间的关系,该方法核心就是动力学结构模型。这种方法不仅能够反映和预测这种关系,还能对控制这种关系的参数进行模拟。现在这种方法还主要运用在轮作和肥料使用与土壤质量的关系研究。假设某时点上的土壤质量取决于土地管理措施和以前的各种值。f()为作物生产功能,g()为控制土壤质量的功能,综合功能方程式表示为:Yt=f(Qt,Nt,Prect,Gt)(1)Qt=g(Qt-1,R1t−1t-11)(2)式中:Yt是t时刻作物产量,Qt是在t时段初的土壤质量状态,Nt是肥料施用水平,Prect表示平均的降雨量,Gt为t年的生长天数,R1t−1t-11为(t-1)年轮作指数。从方程(2)可以看出t时段的土壤质量状态是由(t-1)时段的土壤质量状态和相应轮作决定,是土壤质量循环变化本质的体现。模拟现在土壤质量方程,将方程(2)还原到方程(1)中,得到方程(3):Yt=f(g(Qt-1,R1t−1t-11),Nt,prect,Gt)(3)土壤质量和氮肥施用之间的弹性是该分析的关键,因此寻找一个函数形式能够在这两个替代变量之间产生最小先验约束。这个超越对数化的生产函数,将一个对数化的生产函数表达成产出对数的二次方程,即:lnY=a0+∑ibilnXi+12∑i∑jbij(lnXi)(lnXj)(4)lnY=a0+∑ibilnXi+12∑i∑jbij(lnXi)(lnXj)(4)X=[Qt,Nt,prect,Gt]是输入变量的向量组合,随后进行采用Cobb-Douglas结构,得:lnQt=∑j=1nαj−1βlnR1t−j+αnlnQt−n(5)lnQt=∑j=1nαj-1βlnRt-j1+αnlnQt-n(5)Qt-n反映了土壤质量最原始的状态,当样本数足够大和α<1时,该方程反映比较真实。最后将(5)带入(4)中得到综合生产功能函数方程,引入参数α和β,并假定由这两个参数来控制土壤质量的演变,将式子简化得:lnQt=δA′δ=[α,β],A=[lnQt-1,lnR1t−1t-11](6)从上面的计算过程可以看出,参数α和β控制整个土壤质量的变化,要求合理确定它们的值,要有较高的显著性水平。其中α反映作物轮作对于土壤质量的影响效果,β就是预测的轮作系数。另一个关键的系数就是回归系数,也可以看作是土壤质量与生产力之间的节点。Kwansookim等人运用该法研究6种轮作方式和不同施肥量与玉米产量之间的关系,并模拟在随后的集约型谷物栽培下土壤质量恢复到最初水平的速度。结果显示各样区的玉米产量具有较高显著性,变异系数达56%,控制土壤质量的系数α和β都有较高显著性,随时间的流逝,作物轮作方式对于土壤质量的动态影响将消失,同时也随着集约栽培而不断退化。还反映出氮肥施用对于土壤质量有正向影响,控制其他物质的输入,但是在氮肥施用较高水平时对于玉米产量影响的临界生产值是降低的;同时研究发现轮作方式的不同可能保持或者提高土壤质量,但是肥料的施用并不就能带来相同的结果。运用动态结构模型模拟出连续种植玉米的方式下,5年内土壤质量都是下降的,至少要3年时间才能恢复到最初的土壤质量状态。该方法所得结果可以用于经济学分析,并且对土地管理和农业政策的决策有重要意义。对土壤质量变化提供更加丰富的解释,能够对土壤的经济功能加以考虑,使得土壤质量的范围扩大,评价结果应用的范围较前面的方法更广。但是目前该法还没有把影响土壤质量的因素考虑进去,需要进一步完善和推广。3生命周期评价方法生命周期评价(lifecycleassessment)又被称为生命周期分析,是分析产品从原材料收集到最终处置的一个周期内能量与物质流动的量化方法。这种方法已经广泛应用到农业科学上,侧重于环境影响评价,强调在生命周期各个阶段对环境的影响。土壤研究中的生命周期评价是将土壤作为一种辅助体,假设该种辅助体能够使外界因素通过不同的途经进入系统从而影响系统功能,但是这种辅助设备又不同于工业体系中的辅助设备,因为土壤自身并没有确切的消耗,反而保留以不同途经进入土壤的物质。主要考虑的生命周期阶段有:土壤原始阶段,包括土壤的各种原始属性;土壤作物生长过程,从营养元素的输入、动物影响、耕耘到收获、运输的整个过程;农产品生产、包装、运输、使用过程;产品废物回收、利用、还田,从整个过程来评价土壤质量。考虑引起土壤质量变化的因素:土体量、营养物质、杂草、病原体、盐分、pH、有机质以及土壤质地与结构。其中土体量的变化、土壤有机质含量的变化以及土壤压实需要单独评价。这种评价方法是充分考虑农业生产对土壤影响的综合评价方法。生命周期评价方法主要步骤有以下几点:(1)界定范围:边界包括时空边界和系统边界。系统边界主要涉及到土壤生命周期的所有过程和活动。空间尺度主要决定土壤的地理位置,时间尺度主要考虑周期长短。(2)清单分析:主要是将影响土壤质量的因素加以考虑,制成数据库。(3)影响评价:因素评价主要有两种方法:单向使用方法和循环使用方法。单向使用方法是在资源消耗的范畴对非再生资源的总量进行评价,根据已知存量和每年的开采率进行评价。例如在对土块量进行评价时就是选取“土壤静态存储年限”评价,而土壤静态存储年限=全球农业土壤数量/每年由侵蚀引起的表土流失量。相反,循环使用方法主要集中将环境影响与资源的确切使用联系。理论上循环使用方法更加可用,因为它能够确切地评价环境因素、资源消耗以及是资源可持续利用。营养物质评价部分就要使用循环评价的方法,因为在评价的任何时间尺度上营养元素都没有完全耗尽,会通过别的方式再聚积。对于其它影响因子的评价都选择其中的一种进行评价。(4)结论解释:生命周期评价展示了一个周期内的变化,根据结论提出改进措施。这种方法在土壤质量上的研究较少,虽然考虑土壤整个完整周期,但是对于影响土壤质量的因素考虑不全,主要考虑了生态环境和土壤本身属性的变化,经济和社会活动对土壤质量的影响并没有考虑;同时生命周期评价所涉及到的原始数据和结果都存在时间和地域上的限制,不同的时间和地域范围会有不同的数据,其结果也只适合相应的时间和区域。4空间信息预处理GIS具有强大的空间分析和数据管理功能,并可以在空间数据库的基础上建立针对各类问题的应用模型,对空间信息和属性数据进行有效的加工处理、科学分析和决策管理。应用GIS对土壤质量评价可以极大地提高农业决策的可靠性、客观性,为避免通过主观判断来决定土地的使用情况,提高土地的使用效率和合理安排农业资源,进行农村产业结构调整和土地管理诸方面提供了数量和质量上的依据,使土地发挥最大效益。4.1多变量指标克立格法地统计学方法应用到土壤上,可以对特定区域土壤性质影响的不确定性进行估计,将在某一地点的多重变量和测量结合综合成为一个反映土壤性质的综合属性。在土壤质量评价多采用指标克立格法。考虑土壤系统的变量都是随机分布的,美国农业部和华盛顿州立大学的研究者提出将无数量限制的单个土壤质量指标利用地统计学方法综合成为总体土壤质量指数,将这一过程称为多变量指标转换(MVIT)。整个过程是根据特定的标准将测定值转换成土壤质量指标,而各个标准代表土壤质量的最优范围及其阀值,阀值的确定可以运用非参数型地统计学方法。过程信息由粗变细,这种情况下采用克立格法是最合适的。克立格法是利用原始数据和半方差函数的结构性对未采样区域进行无偏最优估计的一种插值方法,不仅可以对未知属性的不确定性进行估计,能推断出在某一特定意义上优化的预测。多变量指标克立格法主要有以下几个步骤:收集原始数据→设定指标的阀值→进行空间结构分析,做出临界值的变差函数图→确定未知、邻近的研究区域→对未采样区进行估计获取累计分布函数→运用GIS技术获取每个指标的概率图以及克立格图获取综合指标的克立格分布图。在评价中选择土壤质量评价的参数,设定各参数的阀值,如果指标值大于阀值就赋值1,否则赋值0,将各原始数据转化为标准值。通过MVIT的转换数据估计未采样地区的数值,然后测定不同地区土壤质量达到优良的概率,最后利用GIS技术绘出建立在景观基础上的土壤质量达标概率图。多变量指标克立格法得到广泛的应用,张庆利等人运用克立格法获取金坛市土壤质量分布图,得到土壤全氮以差级水平为主,pH、速效磷、速效钾、CEC和有机质均以中等级以上水平为主,综合肥力质量以中等水平为主;在空间分布总体上具有在东西方向上,中部纵贯全市南北的丹金溧漕河两侧的低洼圩区土壤质量指数相对较高,东部的高亢平原区次之,西部的丘陵区土壤质量指数最低;南北方向上,土壤质量指数西北低,向东南逐渐升高。山东省龙口市0~20cm耕层土壤中碱解氮、速效钾空间相关性中等;速效磷具有强烈的空间相关性,有机质空间相关性较弱;0~20cm耕层土壤速效钾、有机质的相关间距比较大,碱解氮次之,速效磷最小。可以看出,运用多变量指标克立格法评价土壤质量的结果不再局限在一个地块的评价,将空间尺度扩大,评价土壤质量空间变异性,评价时也可以将管理措施、经济和环境限制因子引入分析过程。4.2土壤质量的综合评价GIS技术和数学模型的结合是土壤质量评价发展的必然趋势。土壤本身是一个复杂的多相有机无机复合体,涉及到各种因素的相互作用,而且评价中存在大量的模糊现象和模糊概念。因此可以使用模糊数学与GIS结合评价,在这方面目前研究比较多。通过建立模糊综合加权平均模型,评价土壤质量状况,可以较好解决评价标准边界模糊和监测误差对评价结果的影响,充分获取信息,评价结果精度较高。与最大隶属度原则方法相比,采用加权平均原则方法对模糊综合评价结果进行分析,可用于对多样本进行比较排序,评价结论更加具体、清晰,评价结果更加可靠、合理。也可以建立变权评价模型进行土壤质量评价,应用ArcViewGIS绘制评价结果图,并对变权评价结果与常权评价结果进行比较,发现变权对各种评价要素比较优越的土壤质量等级没有影响,但是变权使部分极差的评价因素对土壤质量有一定限制性的影响,总体来看,变权评价的方法比常权评价能更好地反映土壤质量的实际情况。张建辉等人运用多层次模糊综合评价的二级模型,选择最小数据集的指标对四川盆地林业土壤质量进行评价,普通暗棕壤、棕壤、黄棕壤属于Ⅰ级,普通黄壤、典型紫色土、淋溶褐土属于Ⅱ级,而普通黄色石灰土、棕色石灰土属于Ⅲ级,石灰性褐土属于Ⅳ级,评价结果具有很强的全面性和客观性。GIS与灰关联分析结合也是评价方法之一。运用灰关联综合评价模型评价土壤质量,要对指标进行规范化处理使指标值都在0~1之间。通常情况下,根据土壤质地、土壤pH值、土壤有机质含量、土壤速效磷含量、土壤速效钾含量的指标值越大,土壤质量越好;地面坡度、坡向、土地利用类型的原始指标值如果按等级给出的,数值越大,也表示