基于CNKI文獻分析下不同生態系統土壤質量評價研究

俞琦 胡劭驥 申欣凱 曲來葉

摘要 目的：深入探究并總結不同生態系統的土壤質量評價過程。方法：基于中國知網（CNKI，http：//www.cnki.net）1950—2020年有關森林、農田、草地和濕地生態系統土壤質量評價的文獻，對4類不同生態系統的土壤綜合質量評價的指標體系、評價方法和指標權重確定方法進行了統計分析。結果：匯總得出了各生態系統的基本理化生指標等常用指標，篩選出了不同生態系統常用的重金屬、污染物、微量元素等土壤環境質量和健康質量指標，最后針對不同生態系統常用的權重確定方法及評價方法，整合得到4類生態系統土壤評價體系圖。結論：本文針對不同生態系統提出土壤評價指標及方法，為今后相關研究人員進行土壤質量研究提供參考。

關鍵詞 土壤質量評價；生態系統；指標選??；指標權重；評價方法

中圖分類號 X825?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）04-0104-10

Evaluation of Soil Quality in Different Ecosystems Based on CNKI Literature Analysis

YU Qi1， 2? ?HU Shaoji1? ?SHEN Xinkai3? ?QU Laiye2*

（1Yunnan University， Kunming Yunnan 650000;

2Ecological Environment Research Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;

3Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investigation Limited Company， Taiyuan Shanxi 030021）

Abstract Objective： To explore and summarize the soil quality evaluation process of different ecosystems. Method： This study is based on the CNKI's literatures on soil quality evaluation of forest， farmland， grassland and wetland ecosystems from 1950 to 2020. Statistical analysis of index systems， evaluation methods and indicator rights of soil comprehensive quality evaluation is conducted. Result： This paper summarize the basic physiological indexes of each ecosystem， and then screen out soil environmental quality and health quality indicators such as heavy metals， pollutants， trace elements of different ecosystems; finally， for different ecosystems commonly used weight determination method and evaluation method， integrated results from four types of ecosystem soil evaluation system. Conclusion： Soil evaluation indicators and methods for different ecosytems were proposed to provide reference for soil quality research in the future.

Keywords soil quality evaluation; ecosystem; index selection; index weight; evaluation method

土壤是植物生存和農業發展的重要載體，土壤質量能在一定程度上反映該地區土壤的恢復能力[1]，常用作衡量土壤環境狀況的重要標準[2]。土壤質量是不能被直接測量的指標，需要測定不同的性狀來反映[3]。因此，借助一定的評價體系是極其必要的，選擇合適的指標和方法必須依據土壤的性質、研究的目的以及不同的生態系統功能來確定[4]，普遍認為土壤質量包括肥力質量、環境質量和健康質量[5]?，F有的研究多集中在土壤肥力質量方面，而對土壤環境質量和健康質量的研究則較少，對土壤質量綜合評價的研究也不充足[6]，尚未形成土壤質量綜合評價的標準體系[7]。

近年來，以土壤質量評價為目標已有了大量的研究和綜述，但是還沒有針對不同生態系統進行分類探討土壤質量評價的相關研究。我國按主要土地利用類型分為農田、森林、草地、水體與濕地、荒漠、人工表面和其他等7類生態系統[8]。鑒于荒漠土壤干旱貧瘠，不適宜作物生長和人類生存，而人工表面所占面積相對較小，因而在土壤質量評價過程中重要性相對較低[9]。為此，本文選取農田、森林、草地和濕地4類重要生態系統進行土壤質量評價相關研究。不同生態系統分別肩負著不同的生態、經濟、文化等功能[10]，如森林和濕地生態系統主要執行生態環境保護的功能，基于土壤進行環境質量、健康質量評價指標較多[11]，而農田、草地肩負經濟功能較大。生態系統的特點和承載的功能大相徑庭，人類活動差異也極其顯著，因而在進行土壤質量評價的過程中，應提出相應的質量指標以及評價方案。

1 研究方法

文獻數量能夠在一定程度上反映相應指標及方法在該生態系統土壤質量評價中的相對重視程度[12]。本文基于中國知網，采用文獻計量分析法，針對不同生態系統為一級檢索詞，各類指標、權重確定方法以及評價方法作為二級檢索詞進行檢索，得出對應期刊文獻數量，為不同生態系統提出更適宜的土壤參考評價過程。特別說明，本文對重要指標的定性方法是根據使用的文獻數量，在所有指標中去掉一個使用最多和最少的，剩下指標采用的文獻數求平均值。本文認為，使用文獻數超過這個平均值的指標定為重要指標。

2 結果與分析

2.1 不同生態系統土壤質量評價指標的選取

2.1.1 森林土壤評價指標。森林是陸地生態系統中面積最大、自然資源儲量最豐富的生態系統[14]，不僅能為人類生產生活提供優質資源，還兼具改善土壤、凈化空氣、美化環境以及防風固沙等多種生態功能[8]，已成為全球生態賴以生存的綠色保護傘。土壤作為森林生態系統最重要的組分之一，為森林提供賴以生存的水、肥、氣、熱等物質條件，成為營養元素轉化的重要樞紐，對森林生態系統的可持續發展發揮著重要影響[15]。森林土壤質量是指森林為了維持生態系統生產力以及動植物的正常生長提供養分的能力。森林土壤質量將對林木和林下植物產生直接影響，反過來，森林生態系統的組成、結構與功能的變化也會影響森林土壤質量演變的強度和方向[16]。相對于其他3類生態系統，生物指標在森林土壤質量評價中相對運用較多[14，15]，但物理化學指標仍然是使用最多、最廣的[17]。基于圖1統計數據，可得出森林土壤物理重要指標、化學重要指標和生物重要指標。

2.1.2 農田土壤評價指標。農田生態系統是極其特殊的一類生態系統，因為其人為化程度較高[18]，在農業生產生活中，經常通過施用化肥、除草劑和農藥、灌溉等技術手段來提高土壤生產力和農作物產量[19]。相關研究表明，長期施用化肥，不但會降低農田土壤孔隙度，使土壤團聚體和黏砂比遭到一定程度的破壞，還可能造成土壤質量下降，養分利用效率降低，最終影響農作物的產量和品質[20]。隨著經濟增長和人類社會的發展，在國家愈發重視生態環境建設的大背景下[13]，在保證農產品產量和質量的同時，又要保證農田生態系統不被破壞。因此，探究農田生態系統土壤質量評價關鍵性指標的選取具有重要意義?；趫D2統計數據，可得出農田土壤物理重要指標、化學重要指標和生物重要指標。

2.1.3 濕地土壤評價指標。濕地是一類綜合生物、土壤、植被與水文的復雜且特殊的生態系統，銜接了陸地和水域兩大生態系統[21]。因此，濕地生態系統的演替與穩定性與土壤質量有著直接或間接的聯系[22]，濕地土壤質量是表征其健康狀態的重要指標。隨著對濕地認識程度的不斷加深，健康評價的方向逐漸豐富，從單一的水質理化指標轉變為濕地土壤、水域底泥等復雜綜合質量評價。近年來，土壤、生物等不同尺度已經成為全面深入進行濕地生態健康評價的重要體系[23]?；趫D3統計數據，可以得出濕地土壤物理重要指標、化學重要指標和生物重要指標。

2.1.4 草地土壤評價指標。草地生態系統占全球陸地面積的20%以上，具有分布面積廣、有機物產量大、人為因素干擾多等特點[24]。草地植被還能有效減少泥流沖刷土壤，使水土流失率顯著降低，達到涵養水源的效果[25]。隨著人類活動和工業化發展，不合理開發利用使得草地植被退化、土壤污染和水土流失現象愈發嚴重[26]。研究顯示，我國每年有超過6 000 km2的草原正在消失[27]，草原生態系統受到嚴重破壞。而土壤質量評價是草地生態修復中重要且關鍵的一環，值得受到更多關注。基于圖4統計數據，可以得出草原土壤物理重要指標、化學重要指標和生物重要指標。

2.2 土壤質量評價中常用環境質量和健康質量指標

因為常規指標按照物、化、生分類的分類模式較綜合，某些指標雖然在常規分類中使用頻率相對較少，但是作為環境質量指標和健康質量指標是相當重要的[28-30]。其中，重金屬、污染物、微量元素相關指標是環境質量和健康質量中最為重要的3個部分指標[31]。本文將三者單獨提取繪制圖5、6、7。因為草地和濕地生態系統的文獻數量較少，右圖使用各項指標文獻與該生態系統所有相關指標文獻總數之比制作文獻比例圖來反映指標在草地生態系統和濕地生態系統的重要性。從圖5、6、7可以看出，森林使用的重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr使用較多；污染物指標中，農藥占比最大，其次是多環芳烴；微量元素指標中，有效鋅、硼、有效銅、有效錳、有效鐵都是常用的指標。農田重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Hg使用較多；污染物指標中農藥、地膜、多環芳烴、苯和石油的文獻數量也較多；常用的微量元素指標為有效鋅、有效銅、有效鐵和硼。草地重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn可以列為主要指標；農藥、地膜和苯為主要污染物指標；有效鋅、有效銅、硼、有效鐵為主要微量元素指標。濕地重金屬指標中，Pb、Cd、Cu、Zn、Hg比例較高；石油和多環芳烴為污染物指標；有效鋅、有效銅、有效錳、有效鐵為主要的微量元素指標。

2.3 不同生態系統指標權重確定方法的選擇

權重是對各種評價指標賦予相對值，用來權衡對應指標在整個評價中的相對重要性[32]。以往研究中使用的指標權重確定方法中層次分析法、主成分分析法、敏感性分析法較常用[33]。但由于指標權重的確定方法是比較主觀的，且生態系統的土壤質量破壞與修復都是一個從量變到質變的連續過渡過程[34]。因此，在具體評價過程中應依據不同權重確定方法的特點進行選擇。如層次分析法，主要依靠專家主觀經驗對各項指標的重要性進行估計，隨后對結果進行客觀加權[35]，這類方法較簡單高效，但是主觀性強。主成分分析法是根據統計分析軟件的結果得出各項指標的重要性排序后加權，該方法較客觀[36]，但可能結果會有悖于經驗常識。敏感性分析是通過改變指標的相關數值，來衡量該指標受數值變動影響的大小[37]。權重的確定都不可能完全在客觀下進行，因此可以依據不同目標和問題，對土壤質量評價指標權重確定方法進行適當微調，盡可能規避各個方法的缺陷。土壤質量評價過程中指標權重的確定問題是綜合評價的焦點和重點，確定權重確定方法是解決該問題的關鍵所在。

圖8是4類生態系統進行土壤質量評價相關研究中運用指標權重確定方法的文獻數量統計表，由圖8可知森林、農田、草地濕地使用頻率較高的權重確定方法。

2.4 不同生態系統土壤質量評價方法的選擇

評價方法的選擇對土壤綜合質量評價結果的影響至關重要。當前研究中常用的評價方法包括內梅羅綜合指數法、地理信息系統法（GIS）、地統計學、模糊數學法、線性回歸法等[38]。其中，內梅羅指數法是土壤環境質量相關評價中標準化程度很高的土壤評價方法，使用最廣泛；地統計學法和地理信息系統法針對大面積土壤評價中應用很廣泛，如森林等人工化不明顯的生態系統；模糊數學法是運用隸屬度來表述土壤受到污染和退化的模糊性，因為土壤質量的退化是漸變的，而非有具體臨界值的變化，用模糊數學法能有效提升結果的準確度，現已廣泛運用于土壤污染物質量評價中。綜上所述，未來研究中對于土壤質量評價方法的選擇，應該依據不同土壤質量評價方法的特點及評價目的，進一步完善土壤質量評價方法的選擇標準。由圖9可以得出4類生態系統使用較多的土壤評價方法。

3 討論

3.1 不同生態系統中某些特殊指標運用較多的原因分析

3.1.1 森林土壤評價。相較于其他3類生態系統，森林生態系統生物指標相對運用較多，尤其是微生物指標和酶指標，其原因可能是由于森林生態系統原始化程度高、受人為破壞小，且動植物多樣性豐富，土壤中微生物種類和生物量都比農田、濕地、草地生態系統的大[39]。酶是動植物各類生化反應的重要媒介，參與能量轉化與物質循環過程。土壤酶對幾乎所有土壤生物化學過程起到催化劑的作用，為生態系統代謝提供重要動力，也是衡量土壤肥力的重要生物指標[40]。土壤酶特性密切反映著理化性質、水熱狀況以及環境條件的變化，是森林土壤質量評價指標中關鍵性的環節之一。

3.1.2 農田土壤評價。土壤養分因子是農田生態系統土壤質量評價的重要指標，因為養分因子能敏感且有力地表征土壤質量變化[41]。王清奎等通過長期試驗研究表明，有機質能改變植物根系環境，提升土壤結構穩定性，使農田土壤肥力和保水能力有效增強[42]。因此，在農田土壤系統中，有機質和 N、P、K 含量等土壤養分指標是影響土壤質量的關鍵因素。同時相較其他生態系統，農田有機碳、C 循環相關酶、微生物、氣候條件等指標也相對特殊。這與農田生態系統的碳功能相關[43]。近年來的研究顯示，農田碳庫是陸地上最重要的碳庫之一[44]。碳固存能力與土壤肥力密切相關，其強弱與理化性質、溫濕度、管理措施等因素密切相關。研究顯示，較低溫度較高濕度下土壤固定碳的能力較強[45]，故氣候條件是影響土壤有機碳儲量的主導因子，作為農田重要的物理指標存在。研究表明，黏粒和粉粒具有比砂粒更強的離子吸附作用，能夠更好地進行有機碳的吸附固定，因此土壤質地也是重要指標之一。同時C循環相關酶參與農田土壤碳循環和轉化，土壤碳含量會隨著酶活性增強而增加[40]。此外，土壤碳組分還與土體微生物種類、數量及其多樣性息息相關，隨著土壤有機碳的增加，土壤中微生物的活性顯著提高，因此微生物也作為衡量土壤質量變化的敏感指標存在。

3.1.3 濕地土壤評價。濕地生態系統土壤綜合質量評價指標的選擇上，更關注土壤鹽分因子、水分因子、土壤黏砂比等指標。由于濕地生態系統處于銜接水陸的特殊地理位置，易受海水入侵等生態干擾，這使得濕地土壤質地特殊，含水量和含鹽量長期處于較高水平，這種水鹽環境通過影響土壤理化性質、酶活性和微生物多樣性，最終顯著影響土壤質量[46]。大量研究表明，土壤鹽分的增加會抑制土壤酶活性及生物活性，從而對土壤質量產生負面影響。因此，水鹽水平的變化是影響濕地土壤特性和質量發展的重要因素。同時值得關注的是土壤pH，pH受土壤水鹽含量的影響非常顯著，因為pH是由土壤中氫離子的濃度決定的[47]。研究表明，潮濕環境條件下容易發生土壤自然酸化，因此濕地的土壤pH通常較農田、森林和草原低[48]。酸堿度直接對土體質量、土壤緩沖能力和養分固定能力產生影響。邵學新等研究發現，淋失較多鹽分的土壤的酸堿緩沖能力較弱，淋失鹽分較少的土壤酸堿緩沖能力較強[49]。因此，酸堿度直接對土體質量、土壤緩沖能力和養分固定能力產生影響，因而pH也是一個值得關注的濕地指標。

3.1.4 草地土壤評價。草地生態系統較特殊的指標是土壤質地、通氣性、有機物等。李紹良等選取了土壤硬度、有機物含量、土壤質地作為草地土壤綜合質量評價的關鍵指標，分析草地土壤退化和水土流失等現象，認為草地土壤水分降低、有機物流失、泥沙比增大是草地土壤退化的主要表現，砂粒占比提升會造成土壤通透性降低[50]。因此，在進行草地生態系統的相關研究時，需要特別關注土壤質地、通氣性和有機物等指標。

3.2 不同生態系統土壤質量評價指標及方法體系

根據前文的統計分析結果，分別對4類生態系統初步擬定了一套指標方法體系（圖11、12、13、14），包含指標板塊和方法板塊。指標板塊由各生態系統相關土壤質量評價文獻中使用較多的基礎物理化學生物指標形成基礎指標板塊，在此基礎上加上相關研究中所需要的土壤環境質量指標、土壤健康質量指標組合形成指標體系。本圖選出在全部生物指標中使用頻率較高加入到評價過程中去，有助于提升生物指標在今后研究中的選取率[51]。同時，因為土壤質量評價研究的側重點也各有不同，重金屬指標、污染物指標、微量元素指標單獨提取，方便研究人員在進行相關研究時速查其中使用頻率高的指標。方法體系則由常用權重確定方法及常用質量評價方法組合形成。如圖10所示，在進行森林生態系統的土壤質量評價過程時，在選取基礎物化生指標后，如要側重進行森林重金屬研究，則須重點關注Pb、Cd、Cu、Zn、Cr指標；如要側重進行森林污染物研究，則重點關注農藥和多環芳烴指標；如要側重進行森林微量元素研究，則重點關注農藥和多環芳烴指標交換性鈣、交換性鎂、有效鋅、硼、有效銅、有效錳、有效鐵指標。指標選取完成后，確定指標權重時，可以在森林生態系統常用的因子分析法、主成分分析法、層次分析法、敏感性分析和均方差法中選取最方便且符合研究條件的。最后確定評價方法時，針對森林生態系統常用的地統計學法、內梅羅綜合指數法、地理信息系統法、模糊數學法、生命周期評價法中，結合經濟、人力、時間等條件選擇最合適的一種。這樣就可以快捷且科學地完成森林生態系統土壤質量評價的全過程。同理，可根據圖11、12、13得出農田、草地、濕地生態系統的土壤質量評價過程。

圖13 濕地生態系統土壤評價方案

后續相關研究人員對4類生態系統進行土壤質量評價時，可以參考該體系，快速篩選研究適宜的指標、權重確定方法以及評價方法，結合實際研究情況和經驗常識，在該體系基礎上進行適當調整，希望該體系能夠對未來土壤質量評價中指標的選擇起到參考作用。

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（責編：張宏民）