森林土壤健康評價研究進展

森林土壤健康評價研究進展

蔡小溪，吳金卓*

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱150040)

摘要：實施森林健康評價工作是促進林業可持續發展的最主要途徑，森林土壤作為林木生長的基礎，直接影響著森林的健康狀態。綜述森林土壤健康概念的形成過程，指出國內外不同專家對森林健康概念的不同定義。同時列舉了森林健康評價體系中使用頻率較高的評價指標和如形態特征指標、物理性質指標、化學性質指標、生物性質指標，并指出指標選取原則和幾種最小指標集。國際上評價指標體系的方法較多，主要闡述了3種創新方法。最后根據現階段我國森林土壤健康研究的不足提出研究方向。

關鍵詞：森林土壤健康；評價指標；評價方法

中圖分類號：S 154；S 714

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0037-05

Abstract：The implementation of forest health evaluation is the main way of promoting the sustainable development of forestry.Forest soil as the foundation of forest growth has a direct impact on the health status of the forest.This paper reviews the formation of the concept of forest soil health，and points out that there are different definitions on the concept of forest health at home and abroad.Meanwhile，several commonly used indices in the forest health evaluation system，such as morphological indicators，physical properties indicators，and biological properties indicators，are enumerated.The principles of index selection and several minimum index sets are pointed out.Since there are many methods in constructing evaluation index system，three innovative methods are mainly described.Finally，based on the problems existed in the assessment of forest soil health，the research direction in the future is put forward.

Keywords：forest soil health；evaluation index；evaluation method

收稿日期：2014-12-17

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃專題(2012BAC01B03-3)

作者簡介：第一蔡小溪，碩士研究生。研究方向：森林作業與環境。

通訊作者：*吳金卓，博士，副教授。研究方向：森林作業與環境。E-mail: wujinzhuo1980@163.com

Research Progress on the Assessment of Forest Soil Health

Cai Xiaoxi，Wu Jinzhuo*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：蔡小溪，吳金卓.森林土壤健康評價研究進展[J].森林工程，2015，31(2)：37-41.

森林對人類來說，不光是指簡單的實物資源：林地、林木和草本，還包括環境、林中微生物、氣候等間接資源，其結構復雜，動植物種類繁多，功能完善，能夠起到維護生態環境平衡，改善生態系統的重要作用[1]。保護森林健康的措施早已在全球范圍內開展，但科學表明，森林面積仍以每年1 200萬hm2的速度在減少，產生了全球變暖，物種瀕臨滅絕等環境問題。土壤是森林生長的物質資源，能夠起到支撐作用，同時為植被和微生物的生長提供水分和營養物質，也可以調節溫度，緩沖毒素。因此，森林土壤的健康狀態對森林植被的健康與否有著直接的關系。

對森林土壤健康進行評價的意義在于可以使森林資源得到合理的利用，在不同的立地條件下對森林進行撫育選種，防治森林土壤退化等[2]。因此，如何因地制宜的選擇適當的評價指標，使用合適的評價方法，并在動態發展的情況下找到可以實現森林健康的發展的途徑，是國際性新課題[3]。開展森林土壤健康評價的研究，不但可以在理論上為構建森林監測體系提供數據基礎，還能在實踐上為土壤管理和森林經營奠定基礎。本文歸納總結國內外研究文獻，選取具有實際應用意義的有效方法和常用的指標，有助于今后對森林土壤的研究，并從中得到啟發。

1森林土壤健康的概念

土壤健康概念的形成來源于古人對土壤外部特征正常與否的判斷，直至1947年，英國哲學家、生態學家Balfour在《生命的土壤》一書中將土壤看做是一個生命體，由于只有屬于生命體才能涉及到健康的問題，于是這一理論成為了土壤與健康聯結的樞紐[4]。隨著社會經濟的迅速發展，人類對環境的破壞逐漸顯現出來，并開始意識到環境保護的重要性與急迫性，而土壤做為孕育一切生物的基礎，也漸漸得到了農民、林業學家及生態學家的重新認識，將其理論不斷擴大與發展[5]。

對土壤健康的概念進行定義時，由于土壤本身是個復雜的系統，空間變異性較大，選擇不同研究方向結果也不盡相同，直至現在也沒有出現一個完全準確的定義，國內外學者只是根據各自研究角度提出相應的看法。以美國農業學家Doran和意大利生態學者Pankhurst為首的一部分人認為土壤是一個有生命的生態系統，能夠在人工生態系統和自然的邊界內實現其功能，可以定義為土壤在整個生態系統中，促進動植物生長、維持環境水平、保護生物健康的能力[6]。另有一部分以Van Bruggen為代表的這科學家指出土壤健康問題不能局限在土壤本身上，還應該聯系到植物健康上來，認為土壤的健康與植物病原體發病率和群體密度有關，植物爆發疾病能推斷出生態系統的不健康，也可以依據土壤微生物的種類估計土壤健康的程度[7]。

我國在對土壤健康進行定義時常常與土壤質量一詞聯系使用，雖然對土壤的研究時間較短，但目前已經提出了較完整的定義[8]。1999年，我國致力于土壤質量變化規律與利用的研究，依據土壤的功能將土壤質量的概念定義為土壤健康質量、土壤環境質量和土壤肥力質量，把土壤健康看做土壤質量的一部分[9]。隨著土壤學科的發展，同時與其他學科的交叉也越來越多，我國對土壤的評價逐漸從質量評價轉移到健康評價，生態學院士周啟星將土壤健康定義為一個有機生命體，維持著土壤系統各種功能，能通過土壤物理化學生物性質給予恰當的描述[10]。

綜上所述，雖然不同專業的學者對土壤健康的定義不同，但隨著社會與科學的發展，未來對土壤健康的定義會朝著可持續性發展理念而設定。

2森林土壤健康評價指標體系

2.1　評價指標

森林土壤健康評價是個多學科結合的綜合問題，建立評價指標體系，是對土壤健康進行評價的唯一系統方法，指標的選取是否科學合理直接影響著評價結果的等級。要想準確的了解土壤內部機理，需要通過科學手段獲得指標數據來說明各種現象[11]。一般認為，只有具有強敏感性、易操作且經濟價值高的指標都屬于評價指標，雖然不同研究區域、不同研究角度選擇的指標不同，但都把指標歸納為4類：形態特征指標、物理性質指標、化學性質指標、生物性質指標[12]。

(1)形態特征指標。土壤形態特征就是土壤的外部特征，是演替發展歷史的表現，同時記錄著土壤環境因子的變化[13]。體現土壤形態特征的指標主要包括凋落物層厚度、腐殖質層厚度、土層厚度、土壤顏色等等。其中凋落物層是指覆蓋在礦質土壤表面的有機質，影響著土壤的物理化學生物性質，同時具有水源涵養的作用，凋落物層厚度指標能反映林地凋落物的總量和持水能力[14]。腐殖質層是由凋落物有機質的積累而形成的，是土壤養分的主要來源，同時它能夠改善土壤的通氣性和結構[15]。土層厚度也叫土壤厚度，是土壤發育程度、容納養分、持水量的直接體現，土層的厚度能夠嚴重影響林木根莖的生長。土壤顏色是土壤風化、氧化還原程度的間接表現，反映著鐵積累或淋洗的過程，通過主觀定量土壤的明度、彩度和色調能簡單估計土壤有機質含量[16]。

(2)物理性質指標。土壤的物理性質指標主要通過土壤氣體的交換、養分的供應、水分的保持等方式顯著影響著森林植被的生長健康狀況，低質林改造實際上就是通過改善土壤的物理結構而采取的人工撫育和造林整地措施。研究土壤的物理性質指標是十分必要的，不僅能夠了解土壤本身與植物的相互影響程度，還能為森林健康經營制定合理的改造方案。研究土壤物理性質的指標主要有：顆粒組成、容重、比重、空氣、水分孔隙度等等。其中土壤顆粒組成又稱土壤質地，通過顆粒比表面積的大小來區分粒級，而不同的粒級會對陽離子交換、有機質親和、生物活動產生巨大的影響，從而決定著土壤有機質的固持能力[17]。土壤容重是最直接反映土壤緊實度的指標，代表著土壤的宜林性能和質量狀況[18]。土壤孔隙度是指土壤孔隙占總體積的百分比，空隙既是雨水的主要管道，也是空氣的通道，決定著土壤的通透程度。

(3)化學性質指標。土壤的化學性質貫穿了土壤液相、固相的無機反應和生物化學過程，可以衡量林木養分在土壤中的濃度和狀態，進而判斷其對林木生長、生態環境的影響與作用[19]。大多數學者都選擇如下指標來評價土壤的健康，包括：有機質含量、pH值、陽離子交換量、氮、磷、鉀、鹽基飽和度、交換性鈉百分率、電導率、養份循環速率等[20]。pH值是反映土壤化學性質的重要指標，pH值的大小取決于液相與固相之間的平衡，影響著土壤養分的有效性、金屬離子的分布與活性、礦物的風化和植物的生長與分布等等；有機質為動植物提供營養并具有土壤緩沖性，影響著土壤的功能，其含量與土壤生產力和土壤質量有直接的關系；陽離子交換量可以分為鹽基離子和致酸離子，鹽基離子是植被所需的速效養分，一般指Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，致酸離子是限制林木生長和土壤酸化的因子，一般有Al3+、H+等；土壤氮是組成植物葉綠素、蛋白質的主要元素，反映著氮素供應的情況，影響著植被的生長發育情況，土壤氮可分為全氮和水解氮，全氮是指所有氮素，水解氮是指速效氮素，研究氮含量可以為人工林施氮肥和造林選種提供科學依據；土壤磷素是促進植被生長發育的一種元素，可分為全磷和有效磷，在全磷中可以被植被吸收的磷稱為有效磷，有效磷含量的大小體現著土壤供應磷素的能力；土壤鉀元素主要來源于枯落物的礦化和沙粒的風化，分為全鉀和速效鉀，在全鉀中可以被植被吸收的稱之為速效鉀，含量取決于土壤提供鉀的能力[21]。

(4)生物性質指標。土壤生物性質指標是指土壤微生物、土壤敏感性動物和土壤酶。在對土壤生物性質指標進行研究時，由于很難尋找生物性質指標，而且土壤酶活性對森林生態系統的能量流動和物質轉換起著最為重要的作用，所以常常使用土壤酶活性指標來代替其他進行研究。土壤酶活性指標主要包括：過氧化氫酶活性指標、脲酶活性指標、磷酸酶活性指標等等[22]。土壤過氧化氫酶能夠促進腐殖質的合成和有機物的分解，活性高低能夠判斷土壤氧化的強度；土壤脲酶是一種參與分解有機氮的酶，可分解尿素從而轉化為能夠被植被吸收的氮，其含量能夠反映土壤氮素狀態；磷酸酶是土壤中存在的最廣泛的一種水解酶，可以促進磷酸酯的水解，其活性體現著有機磷的分解轉換[23]。

2.2　指標選取原則

土壤健康評價所選取的指標應該簡單且易獲得，并具有可操作性、可重復性、靈敏性等優點。但是至今國內外還沒出現一個標準的評價指標體系，大多數研究都只是根據研究者自己的研究興趣來構建，但在指標選取時都根據同樣的原則：

(1)針對性原則。不同的森林類型需要不同功能的土壤，土壤功能的趨向會影響指標的選擇，因此首先要確定森林的類型，進而確定土壤哪些指標值得選取；

(2)區域性原則。在確定評價指標體系的趨向后要結合研究地所在區域土壤的特點，更深層次的篩選指標；

(3)多樣性原則。森林土壤的有機質含量大部分來源于枯枝落葉，而森林產生枯枝落葉的數量或質量同時也受培育它的土壤影響，因此在對土壤健康評價時也應森林植被納入考慮范圍，提高指標的多樣性[24]。

2.3　評價指標體系

土壤是個極其復雜的系統，在時間和空間上都存在顯著的變異性，因此建立一個準確的評價指標體系是非常困難的，而且是不切實際的。于是，建立完整又不具有較高重復性的評價指標體系就成為了我們要努力探索的問題。

國內外學者通過經驗或者數學分析方法已提出了多個評價指標體系，并且成功應用在各個森林試驗區中，其中由Lanson等制定的最小數據集最早廣泛用于林業，該最小數據集包括：有機質、pH值、速效養分、活性有機質、土壤結構與形態、含水量、顆粒大小、最大根深、導電率、土壤強度[25]。隨著人們對林業的不斷了解與探索，最小數據集指標也在不斷的改進，Wienhold根據美國森林土壤資源情況提出了全新的評價指標體系，這個體系得到了大部分研究人員的認可[26]，包括：物理性質有容重、質地、持水量、滲透率、厚度，化學性質有全氮、有效氮磷鉀，有機碳、導電率、pH值，生物指標有土壤呼吸、微生物碳和氮、可礦化氮[27]。我國在2002年建立了紅壤土壤最小評價指標體系，包括：總有機碳、微生物生物量碳、容重>0.25 mm、水穩性團聚體、土壤深度粘粒含量、pH值、陽離子交換量、速效鉀、有效磷，雖然該評價體系較完整，但卻沒有得到很好的推廣與應用，為我國森林的恢復做出了較大貢獻[28]。

3森林土壤健康評價的方法

國內外常用多變量指標克立格法、相對土壤質量指數法、層次分析法和主成分分析法等傳統的方法[29]。現在出現了很多創新方法，雖然這些方法沒有得到廣泛應用，但是在個別特殊研究區結果準確。

(1)基于層次分析法的物元模型。在指標體系中，單項指標的評判結果往往是不相容的，物元模型可以解決矛盾問題，同時結合層次分析法確定權重，提高評判結果的準確性[30]。王晨野使用該方法對大安市土壤惡化進行評價，不單得出總體的結果，而且同時獲得了單因子的貢獻率，結果非常準確[31]。

(2)基于加速遺傳算法的投影尋蹤分類模型。應用RAGA優化PPC中的投影方向參數，實現高維向低維的數據轉換，即將多個指標綜合成一個總指標，并按照投影值來排序，來對土壤樣本進行評價[32]。韓軍利等人使用投影尋蹤建立了三江平原地區土壤質量評價的PPC模型，求得最佳函數值大小，表明土壤質量嚴重下降的趨勢，與胡金明等人使用土壤質量指數法的結果一致[33]。

(3)密切值法。密切值法是一種多目標優選方法，能把正反兩項指標轉為同向，計算評價對象與最優點的距離，得出密切值大小并排列[34]。曾國熙等將密切值法運用到對土壤質量排序的研究中，依據密切值的大小提出突變分類方法，成為一種較為成熟的多目標決策方法[35]。

除了以上這幾種方法外，國外主要關注GIS技術與土壤領域的結合，致力于土壤圖的繪制，為全世界的土壤研究創造了實用價值[36]。

4森林土壤健康評價研究展望

放眼全球森林土壤健康評價的研究進展，雖然對森林土壤健康評價的理論知識有著實質性的進展，但對其研究還不夠完善，尤其是我國，在土壤研究方面仍然存在較大的提升空間與應用前景。總結當前國際上取得的成果，結合我國森林資源現狀，還應該在以下幾個方面加強研究：

(1)加大森林監測力度。我國對森林監測的頻率較小，常常僅靠幾次的監測來判斷森林的好壞，尤其對土壤的重視程度更小。而國外先進國家已發展為環境和資源一體化監測，一般每15 h一次，用來了解森林和土壤的潛在病情。因此，我國應效仿國外先進國家，建立森林預警系統，創建森林監測項目，來解決土壤養分、土壤侵蝕等問題[37]。

(2)提高評價指標的針對性。不同的林分類型、森林作業、改造方式、植被類型和經濟措施等所選擇的評價指標有顯著的區別。我國考慮到土壤會受外力以及植被的影響而變化，會擴大森林土壤評價指標體系，使用廣泛的含義去建立具體的數據集；而國外，大部分學者所研究的范圍是極小的，一般都會詳細探討林業實踐過程對評價指標的演替影響。因此，為了減少土壤質量概念的混亂，我國應縮小研究范圍，注重區別靜態和動態型指標的不同，定量的描述單一指標的變化來判斷具體的土壤功能狀態[38]。

(3)促進實驗標準化。我國現在對土壤各個指標數值的獲取都通過傳統的實驗方式，需要消耗大量的人力和物力，實驗標準各地不一，結果也存在較大的差異。而國外會對農民培訓取土作業，并根據所需來晾曬、郵寄土樣，最后根據不同地區建立相應的土壤處理實驗室，制定實驗標準。美國土壤與植物分析協會是國際上驗證土壤實驗室是否達標的機構，而中國沒有任何一個土壤實驗室得到此認證。為了提高實驗的準確性，我國應該對土壤樣本的采集、實驗等進行規范，組織土壤質量交流會議，及時改進實驗方法與標準。

總之，我國對森林土壤健康評價的研究還有很長的路要走，既要時刻追蹤國外先進技術與進展，又要結合我國實際情況展開研究，加強多學科協作，將我國森林土壤健康水平研究提升到新的高度。

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[責任編輯：李洋]