土壤健康的診斷和評(píng)價(jià)方法
摘要： 土壤是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)功能和持續(xù)性的至關(guān)重要的有限資源。土壤質(zhì)量和土壤健康與農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量的改善息息相關(guān)。隨著人類(lèi)大規(guī)模地開(kāi)發(fā)和利用自然資源，使人類(lèi)生活和生產(chǎn)所處的土壤地質(zhì)環(huán)境日益嚴(yán)重地受到多種化學(xué)和物理因素的影響。因此，診斷和品價(jià)土壤健康對(duì)人類(lèi)的自身健康，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境的保護(hù)有著重要的意義。
關(guān)鍵詞： 土壤健康 土壤污染 土壤生態(tài)系統(tǒng) 生物學(xué)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)
土壤圈是地球生物圈的重要組成部分，它將水圈、大氣圈、和巖石圈有機(jī)地聯(lián)系在～起，成為自然環(huán)境要索的中心環(huán)節(jié)。土壤是至關(guān)重要的和有限的自然資源，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素，就像沒(méi)有水就沒(méi)有生命一樣，沒(méi)有土壤也就沒(méi)有人類(lèi)的生存基礎(chǔ)，因而土壤環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)與人類(lèi)的生存及繁衍密不可分。近幾十年來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)引起的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題的日益突出，諸如土壤侵蝕、鹽堿化、酸化、過(guò)度放牧、土地開(kāi)墾、沙漠化、重金屬污染等導(dǎo)致的土壤退化或污染現(xiàn)象嚴(yán)重。土壤健康(soil health)與土壤質(zhì)量(soil quality) 、農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、水和空氣環(huán)境質(zhì)量的改善息息相關(guān)，并且深刻地影響植物、動(dòng)物、和人類(lèi)的健康。因而，土壤健康成為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)涵。
1、土壤健康的內(nèi)涵
土壤健康定義為：“土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力”。同時(shí)還認(rèn)為有生物活力的和具有功能的土壤才可定義為健康的土壤。一個(gè)具有多樣性與活性的生物群落的土壤一定具有較為豐富的土壤養(yǎng)分，但反過(guò)來(lái)不成立。土壤健康和土壤質(zhì)量?jī)烧邚臅r(shí)間尺度考慮，可以用土壤健康描述土壤短時(shí)期內(nèi)的“潛在的”和“動(dòng)態(tài)的”狀況，用土壤質(zhì)量描述長(zhǎng)時(shí)間尺度上的“內(nèi)在的”和“靜態(tài)的”狀況。Andersont指出，土壤健康應(yīng)主要集中在土壤的生物成分上。一些低質(zhì)量的土壤可以認(rèn)為是健康的，例如：一類(lèi)是處于演替初期的土壤或不利環(huán)境下如沙地、荒漠和極地的土壤，它們只有低的生物多樣性和生物生產(chǎn)潛力，事實(shí)上它們處在自然的發(fā)展階段；另一類(lèi)是生態(tài)系統(tǒng)演替頂極的土壤，如熱帶雨林的高生物多樣性和低肥力情況相反，受到生態(tài)破壞或環(huán)境污染的土壤如荒漠化土壤或石油烴類(lèi)污染的土壤就不是處于健康狀態(tài)的土壤。可見(jiàn)，在自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤質(zhì)量和土壤健康不完全等同，在受干擾的生態(tài)系統(tǒng)特別是污染環(huán)境條件下兩者內(nèi)涵不一致，在此意義上兩者在研究中應(yīng)加以區(qū)別。“健康”一詞是指機(jī)體或它的部分可正常執(zhí)行其生命機(jī)能的狀態(tài)。土壤健康應(yīng)主要考慮土壤的生物學(xué)組分以及土壤生態(tài)系統(tǒng)功能性，特別是在系統(tǒng)中維持能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息交換的功能。綜合以上分析，土壤健康可概括為“土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力”。
確定標(biāo)志土壤健康的關(guān)鍵性指標(biāo)并進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)全球范圍的土地管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。土壤健康品價(jià)體系中一般都包括土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。而近年來(lái)前兩中方法不常被人們應(yīng)用，取而代之的生物學(xué)特性方法逐漸被人們看中。
2、土壤污染狀況
土壤健康狀況與土壤的污染程度息息相關(guān)，可以說(shuō)土壤污染程度越大，土壤的健康就越差；反之，則相反。土壤健康可以從土壤的污染狀況上首先反映出。
土壤污染物的來(lái)源大致可分為無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物類(lèi)：無(wú)機(jī)污染物主要包括酸、堿、重金屬（銅、汞、鉻、鎘、鎳、鉛等）鹽類(lèi)、放射性元素銫、鍶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有機(jī)污染物主要包括有機(jī)農(nóng)藥、酚類(lèi)、氰化物、石油、合成洗滌劑、3，4-苯并以及由城市污水、污泥及廄肥帶來(lái)的有害微生物等。 當(dāng)土壤中含有害物質(zhì)過(guò)多，超過(guò)土壤的自?xún)裟芰?，就?huì)引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，微生物活動(dòng)受到抑制，有害物質(zhì)或其分解產(chǎn)物在土壤中逐漸積累，通過(guò)“土壤→植物→人體”，或通過(guò)“土壤→水→人體”間接被人體吸收，危害人體健康。所以，診斷和品價(jià)土壤健康的首先就是確定土壤的污染狀況。
3、土壤生態(tài)系統(tǒng)功能
開(kāi)展土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的研究則是確定土壤健康的又一途徑。如同流域水分生態(tài)系統(tǒng)能夠反映水質(zhì)一樣，在最佳土壤生態(tài)系統(tǒng)中可以看出土壤的質(zhì)量。那么，什么是土壤生態(tài)系統(tǒng)功能?什么特性的土壤有一利于這些功能的發(fā)揮?由此以這些功能為基礎(chǔ)來(lái)確定土壤質(zhì)量。然而，這一概念不是指不同效用的土壤適宜性，而是指在特定生態(tài)區(qū)域中這些功能是否是最佳的。隨著這些功能的研究，現(xiàn)已開(kāi)始用在土壤健康的概念中。
土壤生態(tài)系統(tǒng)功能包括如下幾個(gè)方面:(A)土壤有機(jī)物從釋放到合成新物質(zhì)的循環(huán)過(guò)程;(B)地表降雨分配，包括徑流與滲透;(C)保持:L壤孔隙大小、表土及上壤水和土壤空氣相對(duì)壓力的生境多樣性;(D)保持生境的穩(wěn)定性，包括土壤結(jié)構(gòu)、耐風(fēng)沙和水蝕、緩沖溫度和濕度以及潛在有害物質(zhì)累積的迅速變化;(E)儲(chǔ)存并逐步釋放養(yǎng)分和水分， (F)地表能量的分配，這一點(diǎn)在地球能量循環(huán)過(guò)程中是至關(guān)重要的。
緩沖作用是土壤的另一重要特征之一，有別于其它生境的特征。溫度變化幅度小、以及有害的或有益的化學(xué)物質(zhì)累積變化不大則反映著土壤生境的質(zhì)量。由于高緩沖容量能掩蓋預(yù)期結(jié)果直到臨界值的出現(xiàn)，這時(shí)的變化已是不可更改的，因此，土壤物質(zhì)過(guò)度累積的結(jié)果往往是非常糟糕的。更多關(guān)注的是，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越來(lái)越得到重視，這是因?yàn)樵S多土壤生態(tài)功能受其影響。土壤結(jié)構(gòu)退化是土壤退化的主要因素，盡管肥水管理和植物育種提高了作物生產(chǎn)力而掩蓋了土壤退化。
4、土壤健康的微生物學(xué)評(píng)價(jià)方法
在生物指標(biāo)的確認(rèn)方面，最重要的步驟應(yīng)當(dāng)是確認(rèn)決定土壤健康的主要生物成分、功能和過(guò)程，然后，從中進(jìn)一步選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)。與土壤理化指標(biāo)相比較，土壤健康評(píng)價(jià)的生物指標(biāo)應(yīng)具有敏感性、綜合性、功能性等生物特性。對(duì)土壤中的每～過(guò)程均進(jìn)行監(jiān)測(cè)幾乎不可能，我們只能將精力集中到那些決定大多數(shù)土壤功能的主要過(guò)程上。專(zhuān)家建議評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量時(shí)采用土壤參數(shù)的最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)和土壤質(zhì)量的生物化學(xué)指數(shù)(biochemical index of soil quality，BISQ)。單一微生物參數(shù)并不能提供完整的和真實(shí)的土壤微生物學(xué)信息。Schloter等分析了評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一些生物學(xué)指標(biāo)，認(rèn)為含有豐富微生物種類(lèi)的土壤具有高的代謝潛勢(shì)。由于土壤中微生物常常處于限制性生長(zhǎng)，它們的能力并沒(méi)有發(fā)揮。另一方面，土壤微生物會(huì)通過(guò)調(diào)整它們的活性、生物量和群落結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境脅迫做出響應(yīng)。結(jié)合近年相關(guān)研究分析，土壤健康評(píng)價(jià)可著重土壤生態(tài)系統(tǒng)能流和碳流的不同側(cè)面，從土壤生物的量、活性、多樣性和功能性4個(gè)方面選擇評(píng)價(jià)性較高的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
4．1 微生物學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)
4．1．1 微生物生物量 土壤生物量是土壤養(yǎng)分物質(zhì)的一個(gè)重要的源和匯。微生物生物量是指土壤有機(jī)質(zhì)中的有生命成分，但不包括大型動(dòng)物及植物根系。微生物生物量能敏感地反映土壤過(guò)程的變化，因?yàn)樗韧寥烙袡C(jī)物質(zhì)有更快的周轉(zhuǎn)。微生物生物量通常被用于估計(jì)土壤的生物狀態(tài)。
4．1．2 微生物呼吸作用 在土壤新陳代謝過(guò)程中，產(chǎn)生大量的CO2，并向大氣中釋放的過(guò)程稱(chēng)之為土壤呼吸作用。它嚴(yán)格意義上講是指未受擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用，主要包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤動(dòng)物呼吸3個(gè)生物過(guò)程。作為生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要過(guò)程，土壤呼吸往往作為土壤生物活性和土壤肥力乃至透氣性的指標(biāo)，并且指示著生態(tài)系統(tǒng)演替的過(guò)程與方向。土壤生物能夠降解某些污染物質(zhì)，土壤呼吸強(qiáng)度與某些污染物的分解速率呈正相關(guān)。微生物呼吸是土壤呼吸的主要過(guò)程，單獨(dú)測(cè)定這一生物過(guò)程在技術(shù)上仍有難度，原位呼吸在監(jiān)測(cè)群落活性方面也是一個(gè)較好的參數(shù)，但其易受基質(zhì)、水分、溫度等因素的影響，易變性較強(qiáng)。較強(qiáng)的易變性意味著該項(xiàng)指標(biāo)的單一度量很難對(duì)土壤的持續(xù)性做出解釋。因此，標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定微生物的基礎(chǔ)呼吸(basal respiration，BR)和誘導(dǎo)呼吸(potentialrespiration，PR)顯得十分有意義。由于缺乏C源，土壤中的微生物的基礎(chǔ)呼吸較弱，如果向土壤中加入易分解的有機(jī)物(如葡萄糖)，則微生物的呼吸量在極短的時(shí)間內(nèi)迅速增加，并且可維持4—6h沒(méi)有多大的變化。這種呼吸量就稱(chēng)為誘導(dǎo)呼吸。
4．1．3 微生物多樣性 微生物多樣性可反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也反映土壤生態(tài)機(jī)制和土壤脅迫對(duì)群落的影響。土壤是一個(gè)復(fù)雜的和動(dòng)態(tài)的生物系統(tǒng)，土壤微生物群落包括細(xì)菌、真菌和放線菌等，它們?cè)谕寥赖墓δ芎瓦^(guò)程中起重要作用。對(duì)土壤生物多樣性及其與植物群落相互作用的研究一直以來(lái)是生態(tài)學(xué)研究中的薄弱環(huán)節(jié)。微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化與土壤有機(jī)質(zhì)的含量和構(gòu)成緊密相關(guān)，土壤微生物群落有潛力成為土壤生物指標(biāo) 。
4．1．4 微生物的功能性 能夠正常維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的土壤可以判斷是健康的。評(píng)價(jià)時(shí)選擇一些商值，它能夠避免在使用絕對(duì)量或?qū)Σ煌袡C(jī)質(zhì)含量的土壤進(jìn)行比較時(shí)出現(xiàn)的一些問(wèn)題。即便沒(méi)有一個(gè)參照值，也可以比較不同土壤的健康狀況。以下一些與微生物生物量相關(guān)的商值在監(jiān)測(cè)土壤健康時(shí)也賦予了各自的含義。
呼吸商(respiration quotient，qCO2)，傳統(tǒng)上稱(chēng)代謝商(metabolic quotient)，是基礎(chǔ)呼吸與微生物生物量-C間的比率(CBR／Cbio)，即每單位微生物生物量-C的基礎(chǔ)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(jī)地聯(lián)系起來(lái)，是對(duì)二者的一種有效調(diào)和。qCO2值大，意味著微生物呼吸消耗的基質(zhì)C比例相對(duì)較大，構(gòu)造微生物細(xì)胞的C比例相對(duì)較小；反過(guò)來(lái)理解亦成立。呼吸商是反映環(huán)境因素、管理措施變化和重金屬污染對(duì)微生物活性影響的一個(gè)敏感指標(biāo)。土壤水分匱乏、除草劑應(yīng)用、土壤酸化等將使qCO2增大，在此意義上可將其看作一個(gè)微生物脅迫指標(biāo)。著名生態(tài)學(xué)家Odum P.E．指出，環(huán)境脅迫條件下，微生物必須從維持生長(zhǎng)和繁殖的能量中分流出一部分去補(bǔ)償由于脅迫所需要付出的額外能量，因此脅迫必然會(huì)提高微生物生長(zhǎng)所需要的維持能。
潛在呼吸商(potential respiration quotient，qPR)是誘導(dǎo)呼吸量與微生物生物量一c 的比值(CBR／Cbio)。該值代表了準(zhǔn)確添加葡萄糖后無(wú)限制情況下的呼吸商。與微生物對(duì)能量的需求及礦化潛能有關(guān)。
呼吸活化商(respiratory activation quotient，qR)，基礎(chǔ)呼吸與誘導(dǎo)呼吸比值(CBR／Cpr )。反映土壤中基質(zhì)與呼吸活性相互關(guān)系的信息，與系統(tǒng)潛在恢復(fù)力或土壤自?xún)糇饔脻摿τ嘘P(guān)。微生物商(microbial quotient)是指微生物生物量一C與土壤有機(jī)C的比值(Cbio／Corg)。在標(biāo)示土壤過(guò)程或土壤健康變化時(shí)，微生物商要比Cbio或全C單獨(dú)應(yīng)用有效?；|(zhì)礦化商(mineralization quotient，Qext)，指可浸提有機(jī)c與微生物生物量-C的比值(Cext/Cbio)，與微生物的礦化作用強(qiáng)度和基質(zhì)利用率有關(guān)。
腐殖化效率(humic efficiency，Eext)，指可浸提有機(jī)C與基礎(chǔ)呼吸C之比(Cext／CBR)，標(biāo)示呼吸的腐殖化效率高低。
4．2 土壤健康評(píng)價(jià)方法
對(duì)土壤微生物的評(píng)估可以反映土壤的生物學(xué)質(zhì)量。Hofman等人提出土壤生物學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的新方法。具體采用基本量值指標(biāo)，包括了評(píng)價(jià)體系中代表量的基本指標(biāo)微生物生物量-C和可浸提有機(jī)C；代表活性的基本指標(biāo)基礎(chǔ)呼吸和誘導(dǎo)呼吸。評(píng)價(jià)參數(shù)采用衍生商值指標(biāo)，如代表生物量水平功能性的基礎(chǔ)呼吸商(CBR／Cbio)、誘導(dǎo)呼吸商(CPR／Cbio)、基質(zhì)礦化商(Cext／Cbio)，以及呼吸活化商(CBR／CPR)等8～1O個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)。這些指標(biāo)具有敏感性、變異性和現(xiàn)實(shí)性的特點(diǎn)，可以提供土壤生物學(xué)質(zhì)量足夠的信息，同時(shí)考慮檢測(cè)方法的省錢(qián)、簡(jiǎn)便、省時(shí)，已有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定方法，總共僅需要3個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)定方法即可完成監(jiān)測(cè)工作。上述量值指標(biāo)，即Cbrg／Cext／Cbio／CBR／CPR)，結(jié)合與微生物生物量水平的衍生參數(shù)作為生態(tài)功能性的商值指標(biāo)，可以很好地反映某個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的基本能流和碳流過(guò)程，揭示土壤微生物最根本的生理生存狀態(tài)，成為評(píng)價(jià)土壤健康和土壤生物學(xué)質(zhì)量狀況的有力工具。
5、討論
經(jīng)研究，目前“土壤健康”一詞在近幾年才提出，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤健康的定義尚有爭(zhēng)議，主要基于傳統(tǒng)上的土壤質(zhì)量和現(xiàn)行提出的土壤健康兩者之間的概念仍有混淆和模糊的地方。但總的來(lái)說(shuō)土壤健康實(shí)質(zhì)定義是：“土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力?！彼屯寥蕾|(zhì)量的區(qū)別上文已經(jīng)提到。
研究土壤健康，首先著眼于土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，過(guò)去幾年，人們側(cè)重于通過(guò)土壤的理化性狀來(lái)診斷和評(píng)價(jià)土壤健康，主要是對(duì)土壤的污染狀況、土壤的結(jié)構(gòu)、土壤的緩沖能力等；而最近幾年人們對(duì)土壤的生物學(xué)特性研究加大了力度，用土壤中的微生物學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)反映土壤健康程度，這種方法不僅在實(shí)際中獲得了成效，而且使“土壤健康”與“土壤質(zhì)量”的研究意義有了更大的區(qū)別。
附件：
土壤健康的診斷和評(píng)價(jià)方法——沈波[1].doc 
