生物參數作為土壤健康評價指標體系研究

董梅

（青島農業大學園藝學院　266109）

·產業論壇·

生物參數作為土壤健康評價指標體系研究

董梅

（青島農業大學園藝學院266109）

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎和財富源泉。長期以來，由于環境污染、不合理耕作、過度放牧、鹽堿化、沙漠化等原因，土壤生產力嚴重退化。保持或改善土壤質量對人類生存及可持續發展至關重要，土壤質量的研究吸引了眾多國際組織及研究機構的關注。歷來的研究中，一直強調以土壤理化特性為主要的土壤質量表征指標，特別是土壤有機質，被看作是反映土壤肥力質量的1個綜合指標，是土壤各種營養元素特別是N、P的重要來源。但土壤有機質的變化比較緩慢，難以反映土壤遭受干擾時的各種短期的、微小的變化。近期，科學家們正試圖尋找生物學參數來表征土壤生態系統變化的預警及敏感指標。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。土壤生物學指標通常包括土壤微生物、土壤酶活性和土壤動物。北美和歐洲的一些土壤學家在這方面已取得一些成就，國內還需及時了解和跟蹤國際土壤質量研究的進展，以進一步根據我國具體實際情況開展土壤質量指標的研究和應用工作。

1　土壤質量含義

土壤學界、農學界對土壤質量的定義和標準有不同的看法。曹志洪研究員等認為，土壤質量是土壤在一定的生態系統內提供生命必須養分和生產生物物質的能力，容納、降解、凈化污染物質和維護生態平衡的能力，影響和促進植物、動物和人類生命安全和健康的能力之綜合量度。簡言之，土壤質量是土壤肥力質量、土壤環境質量和土壤健康質量3個既相對獨立而又有機聯系的組分之綜合集成。土壤質量是土壤支持生物生產能力、凈化環境能力和促進動植物和人類健康能力的集中體現，是現代土壤學研究的核心。

2　土壤質量的評價指標

反映土壤質量與健康的診斷特征的基本定量指標體系中，物理學指標包括土壤質地、土層和根系深度、土壤容重和滲透率、田間持水量、土壤持水特征、土壤含水量和土壤溫度，化學指標包括有機全C和N、pH值、電導率、礦化N和P及K，生物學指標包括微生物生物量C和N、潛在可礦化N、土壤呼吸量、生物量C/有機總C、呼吸量/生物量。土壤生物學性質可以敏感地反映出土壤質量健康的變化，是土壤質量評價重要的指標，其中應用最多的是土壤微生物指標。有前人研究提出1個評價土壤質量所需土壤性質的最小數據集，包括以下10項指標：速效養分、有機全C、活性有機C、顆粒大小、植物有效性水分含量、土壤結構及形態、土壤強度、最大根深、pH值和電導率。但是，上海地區土壤評價用此標準是否適宜，還有待進一步試驗驗證。

3　土壤生物學指標具備的標準

土壤中的微生物是維持土壤質量的重要組分，它們調節著土壤動植物殘體和施入土壤的有機物質及其它有害化合物的分解，生物化學循環（包括生物固氮作用）和土壤結構的形成等過程。土壤生態系統的功能主要由土壤微生物機制所控制，土壤微生物是目前可用的最敏感的生物標記之一，在我們能夠精確地測定土壤有機質變化之前，微生物群體動態是土壤微妙變化的最好證明。所以，土壤微生物參數將很有潛力成為土壤生態系統變化的預警及敏感指標。土壤生物指標應當滿足下列標準：（1）反映土壤生態過程的結構或功能，同時適用于所有土壤類型和地貌特點；（2）對土壤健康變化做出反應；（3）有可行的度量測定方法；（4）能夠進行合理的解釋。通過分析，一些科學家認為微生物生物量、土壤呼吸及其衍生指數、一些土壤微生物功能組、微生物群體結構及功能多樣性等，均可看作目前具有潛力的生物學指標。

4　土壤生物學指標體系

4.1土壤微生物生物量

微生物生物量常被用來評價土壤的生物學性狀，可作為潛在的指標指示土壤有機質水平、平衡和未來的趨勢，用于土壤質量的長期監測。土壤微生物生物量是土壤養分的儲存庫和植物生長可利用養分的重要來源，與微生物個體數量相比，更能反映微生物在土壤中的實際含量和作用潛力，因而具有更加靈敏、準確的優點，現已成為國內外土壤學研究的熱點之一。土壤微生物量包括微生物碳（MB-C）、微生物氮（MB-N）、微生物磷（MB-P）和微生物硫（MB-S），它們均可采用氯仿熏蒸提取法測定。

土壤微生物碳含量變化較大，微生物對有機碳的利用率是一項反映土壤質量的重要特性。利用率越高，維持相同微生物量所需的能源越少，說明土壤環境有利于土壤微生物的生長，質量比較高。土壤微生物氮是植物有效氮的重要儲備，微生物的礦化—同化作用是土壤氮素庫源調節的重要機制。土壤微生物磷是有機磷中活性較高的部分，它不僅是土壤有效磷的重要給源，而且與土壤有效磷直接相平衡。土壤微生物硫對土壤硫的植物有效性及硫在生態環境中的循環具有很大的制約作用。因此，研究以上指標對土壤健康影響很大。

4.2微生物活性

土壤微生物活性表示了土壤中整個微生物群落或其中的一些特殊種群的狀態。在免耕的農田生態系統中，微生物活性隨土壤深度的變化而變化，一般表層土壤中的微生物活性最大，然而在耕翻的農田生態系統中，微生物活性在整個耕作層中相當一致。土壤微生物活性可以用多種方法來評價，但許多方法由于沒有考慮生物量大小與微生物種群活性間的相關關系，因而只能測定微生物的總體活性變化，不能測定微生物種群的差異。

4.3土壤微生物群落結構與多樣性

微生物群落的種群多樣性一直是微生物生態學和環境學科研究的重點和熱點，人們對土壤微生物群落結構和多樣性的研究日益增多。微生物多樣性是指生命體在遺傳、種類和生態系統層次上的變化，代表著微生物群落的穩定性，也反映土壤生態機制和土壤脅迫對群落的影響，是反映系統受干擾后細小變化的重點監測因子，是監測土壤變化和對脅迫的反應等的重要指標。同時，土壤微生物的多樣性也可反映重建區域的生態擾動的類型和程度。但土壤微生物種類繁多且難以培養，考察其種類和數量一直是個極其艱巨的任務。綜合運用多種土壤微生物研究方法測定多項指標能更好地反映土壤退化和生態恢復過程中土壤質量的變化，目前的研究方法大致可分為4類：（1）微生物傳統培養方法（培養基培養法）；（2）生物化學方法的代表磷脂酸法；（3）生理學方法—BIOLOG微量分析；（4）分子生物學方法。

4.4土壤酶活性指標

土壤酶是催化土壤中生物和生物化學過程持續進行的重要因素。土壤酶是指土壤中的聚積酶，包括游離酶、胞內酶和胞外酶，主要源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶。通常認為土壤酶在很大程度上起源于微生物。前人對磷酸酶、核酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、芳基硫酸酯酶和蛋白酶活性都有研究。對于土壤酶的檢測技術很多，熒光微型板酶檢測技術被廣泛用來研究土壤酶多樣性及其功能多樣性；凝膠電泳不僅可以測定胞內酶活性，分析同工酶的差異，也可用于某些酶的分類。另外，超聲波降解法、超速離心技術和高壓液相色譜等也應用于土壤酶活性的測定。

4.5土壤呼吸

土壤呼吸嚴格意義上是指未受擾動土壤中產生CO2的所有代謝作用，包括3個生物學過程（即土壤有機質的分解和土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸以及土壤動物的呼吸）和1個非生物學過程（即含碳礦物質的化學氧化作用等）。土壤呼吸被認為是土壤質量變化最敏感的指標。土壤呼吸強度通常是根據土壤表面釋放出CO2量來確定的，其測定方法有很多，主要分為直接測定和間接測定，同時2種測定方式又細分出不同的方法。直接測定法可分為靜態氣室法、動態氣室法和渦度相關法3種，間接測定方法是通過測定其他相關指標來推算土壤呼吸速率，例如用土壤中的三磷酸腺苷（ATP）含量估算土壤呼吸。此外，通過研究溫度和水分對土壤呼吸的影響建立回歸方程，也可計算得出土壤呼吸。也可研究呼吸商，又稱代謝商，為基礎呼吸與微生物生物量C間的比率，即每單位生物量C的具體呼吸率，它將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機地聯系了起來，是反映環境因素、管理措施變化和重金屬污染對微生物活性影響的1個敏感指標，土壤水分匱乏、除草劑應用、土壤酸化等會使呼吸商增大，在此意義上可將其看作1個微生物脅迫指標。

4.6微生物群落

土壤微生物群落包括細菌、真菌和藻類，它們在土壤的功能和過程中起重要作用。土壤微生物具有景觀變異性，所有的微生物種群數量一般隨著土壤深度的增加而降低，其中真菌數量的降低幅度較細菌高。研究土壤微生物和土壤質量間的相關性可在3個層次上進行，即種群、群落和生態系統。要確切了解土壤微生物在土壤質量中的作用，必須對描述和監測土壤中微生物組成和功能的方法進行探討。如土壤真菌影響土壤團聚體的穩定，是土壤質量的重要微生物指標。

5　結語

土壤微生物幾乎與所有的土壤理化反應過程有關，與通常土壤變化產物的土壤有機質或養分不同，土壤微生物及其活性能被用作土壤變化的早期預警生物指標，尤其是因污染、土壤管理措施、種植制度、土地利用等引起的農業土壤質量變化。一些土壤微生物學特性，如微生物生物量、呼吸商、微生物的豐富性和多樣性等，已呈現出其成為土壤質量的生物指標潛力，但生物活性指標無論是單獨性質或者是聯合指標都沒能得到廣泛的應用。在現有的知識技術條件下，單單使用1種或兩種生化參數來闡明土壤系統機能的復雜性是遠遠不夠的。土壤樣品的預處理及分析過程必須標準化，否則不同實驗室之間進行數據比較會變得十分困難。考慮到土壤生態系統的復雜性，應將其進行系統的研究，并將土壤理化和生物等相關學科結合起來表征土壤質量將是目前的主要任務。