土壤質(zhì)量的時(shí)空變異與評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

土壤質(zhì)量的時(shí)空變異與評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

土壤是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類社會(huì)工業(yè)化、城市化的加劇,世界各地土壤退化相當(dāng)嚴(yán)重,日益威脅到人類賴以生存的土壤資源。而土壤質(zhì)量是土壤特性的綜合反映,也是揭示土壤條件動(dòng)態(tài)的最敏感的指標(biāo),因而能體現(xiàn)自然因素及人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響。因此,有關(guān)土壤質(zhì)量的研究已成為當(dāng)前國內(nèi)外土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)及環(huán)境科學(xué)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)課題之一。為此,筆者綜述了近年來土壤質(zhì)量的概念、評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的研究進(jìn)展,重點(diǎn)分析了土壤質(zhì)量的時(shí)空變異,并就該領(lǐng)域目前的研究趨勢(shì)與熱點(diǎn)提出建議,從而為土壤資源管理以及土地的持續(xù)利用提供理論依據(jù)。1對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響自20世紀(jì)90年代初明確提出土壤質(zhì)量的概念后,國內(nèi)外關(guān)于土壤質(zhì)量及土壤質(zhì)量的概念不斷發(fā)展變化。1992年美國召開的土壤質(zhì)量會(huì)議認(rèn)為土壤的主要功能包括3個(gè)方面:①生產(chǎn)力。即土壤提高植物和生物生產(chǎn)力的能力;②環(huán)境質(zhì)量。即土壤降低環(huán)境污染物和病菌損害的能力;③動(dòng)植物健康。即土壤質(zhì)量影響動(dòng)植物和人類健康的能力。因此,土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤健康質(zhì)量3個(gè)既相對(duì)獨(dú)立而又有機(jī)聯(lián)系的組分之綜合集成。美國土壤學(xué)會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量的定義為,在一定的自然和管理生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi),同土壤特定功能相聯(lián)系的能力,它維持植物和動(dòng)物生產(chǎn),保持并提高水和空氣質(zhì)量,維持著人類健康和生境。因此,土壤質(zhì)量包含2個(gè)層面的定義:一方面是土壤內(nèi)在質(zhì)量,是土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動(dòng)植物健康能力的集中表現(xiàn);另一方面是動(dòng)態(tài)的土壤質(zhì)量,即土壤受使用者和管理者影響下土壤功能的持續(xù)性,是土壤使用和管理的反映。2土壤質(zhì)量的測定評(píng)價(jià)某一特定土壤的質(zhì)量是由該土壤的固有屬性、預(yù)期的土地利用類型和管理目的決定的。由于土壤是一個(gè)復(fù)雜的功能實(shí)體,其質(zhì)量除了受土壤母質(zhì)的影響外,還受到土壤侵蝕、土壤生物多樣性特別是土地利用方式等因素的影響。因此,不能對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行直接測定及評(píng)價(jià),但可以通過各種土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行推測。而如何選取合適的土壤質(zhì)量指標(biāo)就成為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。2.1土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量指標(biāo)是表示從土壤生產(chǎn)潛力和環(huán)境管理的角度監(jiān)測和評(píng)價(jià)土壤健康狀況的性狀、功能或條件。也有人認(rèn)土壤質(zhì)量指標(biāo)是指能夠反映土壤實(shí)現(xiàn)其功能的程度、可測量的土壤或植物屬性。雖然國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)土壤質(zhì)量指標(biāo)的選擇進(jìn)行了有益的探索,但土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究仍然只是一些從不同關(guān)心角度進(jìn)行的嘗試,始終沒有形成一個(gè)合適的體系和標(biāo)準(zhǔn)。土壤質(zhì)量指標(biāo)可分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。定性指標(biāo)一般是通過看、聞和感覺來確定土壤質(zhì)量,包括土壤有機(jī)質(zhì)顏色、根系和作物長勢(shì)等表觀性指標(biāo)。這些描述性指標(biāo)因?yàn)椴荒芰炕?而得不到大家足夠的重視。土壤質(zhì)量的定量指標(biāo)分化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)。表1是劉世梁等列出的土壤質(zhì)量指標(biāo)匯總及其分類。從表中可以看出,在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中,所選取的土壤指標(biāo)范圍很廣,涵蓋了土壤質(zhì)量的各個(gè)方面,但在指標(biāo)的使用頻率上仍主要側(cè)重于土壤理化性質(zhì)的評(píng)價(jià),而作為土壤健康指標(biāo)的生物指標(biāo)使用較少。由于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)具有目的性和針對(duì)性,不同研究目的決定著不同的土壤功能,從而對(duì)應(yīng)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。許多理化、生物學(xué)屬性都可能是參評(píng)因子,但由于土壤利用方式的多變性、土壤性質(zhì)的時(shí)空變異性及數(shù)據(jù)獲取的成本高等因素,顯然不可能獲取所有因子的數(shù)據(jù),而只能確定一個(gè)“最小數(shù)據(jù)集”(MinimumDataset,MDS)。自從Larson和Pierce提出了最小數(shù)據(jù)集的概念后,MDS作為一種工具在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及監(jiān)測工作中得到了廣泛的應(yīng)用。Sparling等在國家尺度上,選取了總C、總N、可礦化N、pH、有效P、容重和空隙7個(gè)指標(biāo)作為MDS對(duì)新西蘭不同土地利用類型的土壤進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李桂林等依據(jù)土地利用方式、土壤特征及種植年限,確定了研究區(qū)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS,包括有機(jī)質(zhì)、pH、容重、全鉀、速效鉀、速效磷。2.2生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的確定土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),也沒有固定的方法。需要綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)的類型、土壤的功能、土地利用方式等因素,另外與評(píng)價(jià)目的和評(píng)價(jià)尺度也有關(guān)。目前,評(píng)價(jià)方法可以概括為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)。2.2.1土壤改良性方法定性評(píng)價(jià)是通過綜合各土壤性質(zhì)的判斷給予土壤質(zhì)量一個(gè)相對(duì)好壞的評(píng)價(jià),這種方法應(yīng)用并不廣泛。土壤質(zhì)量卡和土壤質(zhì)量試驗(yàn)箱是主要的2種土壤質(zhì)量定性評(píng)價(jià)方法,這2種定性評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)是快速,且可以幫助農(nóng)民了解土壤理化和生物方面的知識(shí),了解不同的管理措施對(duì)土壤的影響。但該類方法所得結(jié)果都比較粗略,僅適于小規(guī)模的農(nóng)田評(píng)價(jià),受人的主觀影響很大,且不能反映土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化過程。2.2.2土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)等在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用,土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法已呈多樣化發(fā)展,可以根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域的時(shí)間和空間尺度、評(píng)價(jià)的土壤類型以及評(píng)價(jià)的目的選擇適宜的評(píng)價(jià)方法。目前常用的定量評(píng)價(jià)方法主要有以下幾種。2.2.2.土壤指標(biāo)評(píng)分方法的比較指數(shù)法是目前使用較廣泛的決策方法,包括選擇合適的指標(biāo)、將指標(biāo)轉(zhuǎn)化成分值和綜合分值生成指數(shù)3個(gè)主要步驟。目前主要分為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法和土壤相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)法。該方法源于Doran等提出的土壤質(zhì)量的綜合評(píng)分法。Andrews等對(duì)每個(gè)步驟的方法進(jìn)行了系統(tǒng)的比較,發(fā)現(xiàn)在選擇土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),主成分分析法和專家法都可以選擇有代表性的土壤指標(biāo)組成MDS,主成分分析法需要大量的數(shù)據(jù),而專家法可能帶來學(xué)科的偏見;在指標(biāo)評(píng)分方法中,非線性方程比線性方程效果更好;在綜合指標(biāo)的評(píng)分方法中,累加法、權(quán)重累加法或決策支持系統(tǒng)法均獲得相同的結(jié)果。該方法是在Pierce等提出的生產(chǎn)力指數(shù)模型(PI模型)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是假定研究區(qū)存在理想土壤,這種土壤所具備的指標(biāo)都能支持作物正常生長的需要,以這種土壤的質(zhì)量指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn),其他土壤與它相比,得出相對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)RSQI。該方法方便、合理、針對(duì)性強(qiáng),評(píng)價(jià)結(jié)果較符合實(shí)際,適于對(duì)土壤的長期管理,但理想土壤的選擇很關(guān)鍵,需要根據(jù)研究區(qū)域的不同土壤選定不同的理想土壤,此外,當(dāng)利用該法研究土壤質(zhì)量變化時(shí),必須有時(shí)間和起點(diǎn)概念。2.2.2.多變量指標(biāo)轉(zhuǎn)換該法是美國農(nóng)業(yè)部和華盛頓州立大學(xué)的研究者提出的,它可以將無數(shù)量限制的單個(gè)土壤質(zhì)量指標(biāo)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法綜合成一個(gè)總體的土壤質(zhì)量指數(shù),將這一過程稱為多變量指標(biāo)轉(zhuǎn)換(MVIT)。運(yùn)用多變量指標(biāo)克立格法評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的結(jié)果不再局限在一個(gè)地塊的評(píng)價(jià),將空間尺度擴(kuò)大,評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量空間變異性,評(píng)價(jià)時(shí)也可以將管理措施、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境限制因子引入分析過程。2.2.2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法土壤質(zhì)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,其土壤屬性都是隨著時(shí)間和空間的變化而變化,易受人類行為、管理措施以及農(nóng)業(yè)實(shí)踐的影響。Larson和Pierce提出了利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法來描述土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的方法。它是將土壤質(zhì)量(Q)看作各個(gè)土壤性質(zhì)(qi)相互影響的綜合函數(shù):Q=f(qi…n),若要反映整個(gè)土壤質(zhì)量的變化,可以選擇一階導(dǎo)數(shù)表示土壤質(zhì)量的變化速率。該方法是用于研究土壤質(zhì)量、土壤生產(chǎn)力與控制土壤質(zhì)量的關(guān)鍵變量間的關(guān)系,其核心為動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。Kwansoo等運(yùn)用該法研究6種輪作方式和不同施肥量與玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系,并模擬在隨后集約型谷物栽培下土壤質(zhì)量恢復(fù)到最初水平的速度。2.2.2.模糊數(shù)學(xué)與gis的結(jié)合此外,將地理信息系統(tǒng)(GIS)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)模型結(jié)合,如模糊數(shù)學(xué)與GIS的結(jié)合,灰關(guān)聯(lián)分析與GIS的結(jié)合,也陸續(xù)被應(yīng)用到土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中。3然歷史綜合體土壤是母質(zhì)、地形、氣候、生物、時(shí)間和人為因素長期綜合作用形成的復(fù)雜的自然歷史復(fù)合體。在不同的空間尺度、不同的地理區(qū)域、不同的人為干預(yù)條件下,由于促成其空間演變的主導(dǎo)因素不同,形成了特定的空間變異規(guī)律,了解和理解土壤特性空間變異的形成與演變是正確認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)體、管理好土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)。3.1土壤質(zhì)量因子空間變異內(nèi)在動(dòng)能的影響土壤質(zhì)量因子空間變異的來源包括系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異2種。自然過程(地形、母質(zhì)、土壤類型)是土壤質(zhì)量因子空間變異的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,它有利于土壤質(zhì)量因子空間變異結(jié)構(gòu)性的加強(qiáng)和相關(guān)性的提高,尤其是在較大的尺度水平上表現(xiàn)更為明顯。而人為過程如施肥、耕作措施、種植制度則是土壤養(yǎng)分變異的外在影響因素,表現(xiàn)為較大的隨機(jī)性,它往往對(duì)變量空間變異的結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性具有削弱作用。3.2對(duì)土壤空間插值的預(yù)測20世紀(jì)80年代初,空間異質(zhì)性已成為土壤科學(xué)研究的重要內(nèi)容,并開始由定性描述轉(zhuǎn)向定量研究,研究方法也由Fisher的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析過渡到Matheron提出的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,應(yīng)用范圍從土壤基本理化性質(zhì),到土壤生物性質(zhì)、土壤重金屬污染、土壤修復(fù)等新領(lǐng)域。當(dāng)前地統(tǒng)計(jì)學(xué)與土壤質(zhì)量因子空間變異的幾個(gè)重要結(jié)合點(diǎn)和應(yīng)用面是:地統(tǒng)計(jì)學(xué)和土壤多源數(shù)據(jù)的處理,和土壤過程的空間建模,和土壤質(zhì)量因子的不確定模擬,和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的結(jié)合?？v觀近幾年土壤空間變異特性研究的發(fā)展,單一地對(duì)土壤特性進(jìn)行空間變異研究和預(yù)測時(shí),其精度一般很難達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,而充分挖掘和利用與目標(biāo)變量相關(guān)的因子,預(yù)測精度往往效果更好。結(jié)合輔助變量以提高目標(biāo)變量的預(yù)測精度的方法的研究和應(yīng)用已有很多,包括傳統(tǒng)的多變量線性回歸方法、協(xié)克里格法和回歸克立格法等。Lopez-Granados等利用線性回歸法,通過裸露土壤的航空影像藍(lán)光波段光譜值與土壤屬性數(shù)據(jù)之間的回歸分析來預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、K的空間分布。協(xié)克立格是用幾個(gè)變量的測量數(shù)據(jù)對(duì)所感興趣的一個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行估值的一種方法,它不僅結(jié)合空間相關(guān)性,還考慮目標(biāo)變量與輔助變量間的相關(guān)性,往往比普通克立格給出更好的預(yù)測結(jié)果。Gregorio等利用高密度土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)和協(xié)克立格法估計(jì)土壤有機(jī)碳,預(yù)測精度比普通的克立格法提高了5%～11%。回歸克立格法是將普通克立格法與回歸模型相結(jié)合而形成的一種混合方法。Hengl等的研究表明利用回歸克立格法和DEM數(shù)據(jù)預(yù)測的土壤有機(jī)質(zhì)、土壤耕層深度的空間分布圖均比普通克立格法更詳細(xì)、更準(zhǔn)確。姜勇等利用輔助變量對(duì)污染土壤鋅及農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)分布的克立格估值研究表明,回歸克立格估值效果均明顯優(yōu)于普通克立格和協(xié)克立格法。輔助預(yù)測都要求主變量和輔助變量高度相關(guān),且輔助變量的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不能少于主變量的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),同時(shí),克里格插值會(huì)有平滑效應(yīng),易使預(yù)測值向均值或中值偏移,直接導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不能明顯反映局部變異信息。鑒于協(xié)同克里格和回歸克里格的缺陷,人們提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在土壤空間變異方面的應(yīng)用以處理具有非線性系統(tǒng)特征的土壤性質(zhì)的空間分布狀況。李啟權(quán)等以空間坐標(biāo)和鄰近樣點(diǎn)信息作為網(wǎng)絡(luò)輸入,利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RadialBasisFunctionNeuralNetwork,RBF)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效錳進(jìn)行空間插值產(chǎn)生的誤差比普通克立格有了極顯著的降低。也有研究表明,集成BP網(wǎng)絡(luò)用于土壤養(yǎng)分的空間變異的研究是可行的,而且它對(duì)于樣本的分布沒有任何特別的要求,此外它可以用于其他類似的面域的插值問題的研究,但存在的不足是它對(duì)樣本數(shù)量有一定的要求。廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)方法也是解決包括土壤屬性空間插值在內(nèi)的非線性系統(tǒng)預(yù)測問題的工具之一,它是徑向基網(wǎng)絡(luò)的變形,克服了BP網(wǎng)絡(luò)存在的收斂速度慢和局部極小等缺點(diǎn);與地統(tǒng)計(jì)方法相比,可以得到相近或更好的結(jié)果,而且即使在適當(dāng)減少采樣數(shù)量和加大采樣間隔時(shí),也能獲得較好的結(jié)果,但是由于該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的函數(shù)擬合和逼近的能力,因此,用于訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)必須具有很強(qiáng)的代表性。4社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策土壤質(zhì)量是個(gè)非常綜合的概念,不僅涉及到土壤學(xué)、土地利用、農(nóng)業(yè)種植措施和管理、環(huán)境等諸多方面,而且也與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政策有關(guān)。目前,對(duì)于土壤質(zhì)量方面的研究主要集中在土壤質(zhì)量現(xiàn)狀的調(diào)查和分析、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的理論、方法和指標(biāo)體系、土壤質(zhì)量變化的原因、土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測與預(yù)測預(yù)警及對(duì)策等方面,總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外土壤質(zhì)量研究的最新進(jìn)展,結(jié)合我國的實(shí)際情況,土壤質(zhì)量研究還存在以下的主要問題,應(yīng)加強(qiáng)這幾個(gè)方面的研究。(1)建立標(biāo)準(zhǔn)化的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系雖然土壤是一個(gè)復(fù)雜的綜合體,土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)也是針對(duì)特定的土壤功能進(jìn)行,但是為了便于對(duì)不同地區(qū)和不同研究者的研究結(jié)果進(jìn)行比較,需要對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,包括對(duì)確定研究目的、選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)、確定和描述點(diǎn)位、確定采樣程序和方法、樣品儲(chǔ)藏、準(zhǔn)備和預(yù)處理、樣品分析和結(jié)果表達(dá)方式、針對(duì)評(píng)價(jià)目的進(jìn)行結(jié)果分析、獲得解決方案各個(gè)步驟的標(biāo)準(zhǔn)化。(2)建立了比較完整的指標(biāo)體系目前,國內(nèi)外學(xué)者主要集中在某個(gè)特定土地利用方式下或者農(nóng)業(yè)耕地條件下的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究,也基本形成了一套指標(biāo)體系,但是評(píng)價(jià)尺度還是不夠大,且土壤重金屬污染等負(fù)面指標(biāo)納入土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)范圍的研究也較少。(3)要重視與關(guān)系研究土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤質(zhì)量是土地持續(xù)利用的前提,研究土壤質(zhì)量與可持續(xù)土地利用管理二者的關(guān)系,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是目前就土壤質(zhì)量和可持續(xù)土地利用管理二者的關(guān)系及土壤質(zhì)量在可持續(xù)土地利用管理中所發(fā)揮的作用,如基本農(nóng)田保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、耕地占補(bǔ)平衡等工作還沒有將土地質(zhì)量放在首要位置考量,對(duì)現(xiàn)有基本農(nóng)田、標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的土壤質(zhì)量的定量評(píng)價(jià),耕地占補(bǔ)平衡的質(zhì)量分析量化研究較少。(4)土壤肥力質(zhì)量空間預(yù)測丘陵山區(qū)特定景觀區(qū)域的土壤由于受復(fù)雜地形和人類利用的影響,其土壤物理、化學(xué)和生物過程與平原土壤存在著較大的差異,土壤性質(zhì)的空間變異可能與地形因子相關(guān)性強(qiáng),但是目前還沒有一套關(guān)于山區(qū)土壤肥力質(zhì)量空間預(yù)測的成熟方法,且預(yù)測精