全 文 ：第 26卷第 3期
2006年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26。No．3
Mar．，20o6
土壤质量与土壤质量指标及其评价
刘占锋，傅伯杰 ，刘国华，朱永官
(中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室，北京 100085)
摘要j土壤作为一种重要的自然资源可以为人类生产食物和纤维，并维持地球生态系统。土壤也是植物生长的媒介、水、热和化
合物的源 、水分的过滤器和废物分解的生物介质。土壤与水、气和植物互作并抑制环境的波动。土壤可以调节很多控制水气质
量和促进植物生长的生态过程。土壤质量概念的引入使我们更全面地理解土壤，也有助于合理地使用和分配劳力、能源、财政
和其它投入。土壤质量也提供了一个通用的概念使得专业人员、生产者和公众明白土壤的重要性。此外 ，它也是一个评价管理
措施和土地利用变化对土壤影响的评价工具。土壤质量由土壤的物理、化学和生物性质组成，MDS已被科学家们提出用于土壤
质量评价。国际上比较常用的评价方法主要有多变量指标克立格法、土壤质量动力学方法、土壤质量综合评分法和土壤相对质
量法。人类对土地不和谐地利用和管理可以导致全球生物地球化学循环发生改变和加快土壤性质变化的速度，当前世界各地
土壤退化相当严重，已日益威胁到人类赖以生存的土地资源。在探讨相关概念的基础上综述了近年来土地利用变化对土壤理
化质量和生物质量的影响进展，以引起国内外学者对土地利用变化对土壤质量影响研究的重视，从而为探讨土地利用对土壤质
量影响的机理和规律以及退化土地的恢复和区域土地资源管理以及土地的持续利提供理论依据。土壤质量未来的研究应该集
中在土壤质量指标与评价方法；土壤质量变化的发生条件 、过程、影响因素及其作用机理与时空规律性；尺度问题的研究；土壤
质量保持与提高的途径及其关键技术研究。
关键词：土壤质量；土壤质量指标；土壤质量评价；土地利用变化
文章编号：1000—0933(2006)03—0901—13 中圈分类号：$151 文献标识码：A
Soil quality：concept，indicators and its assessment
LIU Zhan—Feng，FU Bo·Jie ，LIU Guo—Hua，ZHU Yong-Guan (研 6o删。 ofSystemEcology，Research Centerfor r0 cⅡf
Sciences，Chinese Academy ofSciences，Beifng 100085，China)．Aeta Ecologica Sinica。2OO6。26(3)：901—913．
Abstract：As one of the vital natural iesources，soil plays an important role in producing food and fiber for human beings，
maintaining the terestrial ecosystems and serving as a medium for plant growth，a sink for heat，water，and chemicals，a filter for
water，and a biological medium for the decomposition of wastes．By interacting intimately with water，air，and plants，soil can
bufer environmental fluctuations and regulate many ecological processes that control water and air quality and promote plant
growth．The concept of soil quality defined as the capacity of a specific kind of soil to function，within natural or managed
ecosystem boundaries，to sustain plant and animal productivity，maintain or enhance water and air quality and support human
health and habitation．It was intmduced tO facilitate soil research by understanding soils more completely and by assisting the
decision-making in the use and allocation of labor，energy，fiscal， and other inputs during the procedure of agricultural
production．Consequently，soil quality provides a useful and universal concept for educating professionals，producers，and the
public about the importance of soils．It also can be used to assess the impacts of management practices and land uses on soils．
Basically，soil quality is comprised of soil physical，chemical，and biological properties．So it is necessary to develop soil
quality indicators which describe soil functions in natural and agro-ecosystems：promoting plant growth，protecting watersheds by
基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(40321101)
收稿日期：2005—04—08；修订日期：2005—10—24
作者简介：刘占锋(1978一)，男，河北邯郸人，博士生，主要从事景观生态学和土壤质量评价研究．E—mail：liuzhanfeng-2008@126．coin
*通讯作者 Author for corespondence．E—mail：bfo@mail．i~ee8．ac．cn
Foundation item：，I1le pmject was supported by the National Natural Science Foundation of China(No．40321 101)
Received date：2005—04 —08：Accepted date：2005—10-24
Biography：LIU Zhan—Feng。Ph．D．candidate，mainly engaged in landscape ecology and soil quality assessment．E-ma il~liuzhanfen$-2008@ 126-corn
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partitioning and regulating precipitation and preventing air and water pollution．Monitoring the changes in soil quality indicators
can provide useful information on the dynamics and trends of soil quality．Many soil attributes could serve as indicators of soil
quality．However，they are often highly correlated，making it dificult interpret the signifcance of changes in selected soil quality
indicators．And also the scale problem should be taken into account．Indicators can be adjusted to match the scale of assessment
or can be expanded to larger scales using various statistical procedures．A minimum data set(MDS)consisting of a set of soil
attributes including soil chemical，physical and biological properties are selected to assess soil quality．The fitness of indicators
used for soil quality assessment varies spatially depending on land types or land use，soil function and soil forming factors．
Diferent land—use types may require adjusted critical limits and target values of certain soil functions，and require certain
additional indicators for specifc assessment．Various approaches，such as multiple—variable indicator kring(MVIK)method，
integrated scoring method，dynamics method，and relative quality method，have been used to assess soil quality．
Ecologicaly incompatible human land-use and management practices such as deforestation and soil fertility depletion，
cultivation，and land conversion，have greatly altered the global biogeochemical cycles and the dynamics of soil characteristics．
Worldwide concern about soil degradation has been given，since it gready threatened the soil resources on which humans live．
Based on the discussion of basic concepts，we synthesized the research advances in the impact of land use changes on soil
physical，chemical and biological quality．Th e problems needed to be solved in soil quality research and key issues for future
studies were then analyzed．Much attention should be paid on soil quality indicator and assessment method，mechanism of soil
quality change，scaling issue，and the practices of soil quality maintenance in the future studies．
Key words：soil quality；soil quality indicator；soil quality assessment；land use change
土壤作为一种重要的自然资源可以为人类生产食物和纤维，并维持地球上的生态系统。土壤也可作为植
物生长的媒介、水、热和化肥的来源、水分的过滤器和废物分解的生物介质。土壤与水 、气和植物互作并抑制
环境的波动。土壤可以调节很多控制水气质量和调控植物生长的生态过程。但是人类对土地不和谐利用和
管理已经导致全球生物地球化学循环发生改变和加快土壤性质变化的速度，当前世界各地土地退化相当严
重，日益威胁到人类赖以生存的土地资源。本文综述了近年来土壤质量定义、评价指标和评价方法的研究进
展，重点分析了土地利用变化对土壤理化质量和生物质量的影响，以引起国内外学者对土地利用变化对土壤
质量影响研究的重视，从而为探讨土地利用对土壤质量影响的机理和规律以及退化土地的恢复和区域土地资
源管理以及土地的持续利用提供理论依据。
1 土壤质量的定义和意义
土壤质量(soil quality)是维持地球生物圈最重要的因子之一，可以从生产力、可持续性、环境质量、对人类
营养健康的影响等多方面来定义土壤质量⋯。土壤质量是指土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量 3
方面的综合量度，即土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产能力 、保护环境质量及促进动植物健康的能
力 。土壤肥力质量是土壤提供植物养分和生产生物物质的能力，是保障粮食生产的根本 ；土壤环境质量是
土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物的能力；土壤健康质量是土壤影响或促进人类和动植物健康的能力 ]。
Par等提出了几个土壤质量定义的特定用处，可用于评价管理措施对土壤退化和保持的影响 ]。土壤质
量的概念有助于区别技术进步导致生产力的变化和土壤质量的变化导致的生产力的变化。土壤质量的概念
也可用于监测与农业管理有关的可持续性和环境质量的变化。
2 土壤质量指标
土壤质量主要取决于土壤的自然组成部分，也与由人类利用和管理导致的变化有关。作为一个复杂的功
能实体，土壤质量不能够直接测定，但可以通过土壤质量指标来推测。土壤质量的好坏取决于土地利用方式、
生态系统类型、地理位置、土壤类型、以及土壤内部各种特征的相互作用，土壤质量评价应由土壤质量指标来
确定。土壤质量指标(soil quality indicator)是表示从土壤生产潜力和环境管理的角度监测和评价土壤健康状
况的性状、功能或条件 。也有人认土壤质量指标是指能够反映土壤实现其功能的程度、可测量的土壤或植
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3期 刘占锋 等：土壤质量与土壤质量指标及其评价
物属性 。对土壤性质变化方向、变化幅度和持续时问的测定可用于监测农业土地管理的指标 ’ 。近年来，
很多土壤质量指标被提出，一些已经被检验和验证 ’ 。。 评价土壤退化和生产力的土壤质量指标一般是基于
农作物的生产力、土壤的物理化学性质和土壤有机质的丧失_】 。
土壤质量指标的确定是一件很复杂的事情，而且在不同的土壤系统之间变化很大。Larson和 Pierce提出
了最小数据集(Minimum Data Set，MDS)的概念，可用于监测由土壤和作物管理措施引起的土壤质量的变
化 ¨。他们将易用标准方法直接测定的物理化学指标结合起来，同时也建议使用土壤转换方程来估计不能
实际测得的参数。MDS中的土壤质量指标包括有机碳、速效养分、pH、电导率、质地、根系深度、容重、水分传
导率和有效持水量，并建议将所有的土壤质量指标整合成一个综合的质量指标。Arshad和Coen列出了类似
的土壤物理化学属性并建议通过长期的试验来确定管理措施对土壤质量的影响[93。Doran和 Parkin扩展了
MDS，将微生物生物量和可矿化的N等生物学指标加了进去 ]。
2．1 土壤质量的物理化学指标
土壤有机质是反映土壤质量的最重要的化学参数之一。除了作为营养来源，它可以改善土壤的结构和持
水量和提高生物活性。它被包括在 MDS，并通过土壤转换方程来计算容重、持水量，淋溶势，离子交换量
(CEC)和土壤生产力。
对土壤 pH、电导率、CEC和养分含量的评价对评价土壤质量的化学方面是必要的 ’ ]，因为它们提供了
一 个能够反映土壤提供养分和缓冲化学改良的能力的测定指标n 。pH可以影响很多土壤生物学性质和化
学性质间的关系。离子交换量是评价土壤保持和提供养分的能力的重要属性。
基础土壤物理质量指标在比较土壤类型问的质量差异很有用。土壤质地是最基本的土壤物理性质，它可
控制水分、养分和气体的交换、保持和吸收。土层厚度是影响单位面积植物可利用资源的数量的量化性质。
土壤容重随着土壤质地、结构和有机质含量不同变异很大，但是，对于特定的土壤类型，容重可用于监测
土壤的紧实程度。土壤容重的变化除了本身影响水分和氧气的供应外，还可影响许多其它性质和过程。用锥
形透度计测定土壤力度可作为一个反映土壤紧实的指标 ¨。
水分渗透、保持、可利用性、排水和水气平衡等指标对于全面监测土壤功能很重要。有效持水量和饱和水
分传导率最常出现在土壤质量指标的 MDS中。有效持水量表示土壤供应水分的相对能力。饱和水分传导率
是一个反映土壤排水速度的指标，可用于判断土壤的水气平衡。
土壤结构是指被有机质和其它化学沉淀物粘结在一起的团聚体的大小和形状。它几乎可以影响土壤所
有的物理、化学和生物性质。团聚体的稳定性可以用来描述当土壤处于不同压力下保持其固相和气液相比例
的能力。由于土壤团聚体可以反映土壤生物性质、化学性质和物理性质间的相互关系，所以土壤团聚体是一
个很重要的质量指标。Arshad和 Coen_9 指出作物和土壤管理措施对土壤物理质量的影响可以用土壤团聚体
的大小分布和稳定性来描述。
2．2 土壤质量的生物学指标
由于有简单可行的测定方法，土壤质量评价初期主要集中在土壤的物理和化学性质n 。但是，土壤物理
化学性质作为土壤质量指标有时不能评价土壤管理和土地利用的影响。
近年来土壤质量评价的生物学指标越来越受到重视，生物学指标包括土壤上生长的植物、土壤动物、土壤
微生物等，其中应用最多的是土壤微生物指标。土壤微生物研究分为 3个层次：种群层次、群落层次、生态系
统层次，生态系统层次的研究被认为是最好的快速评价土壤质量变化的可能方法，多数研究认为，土壤微生物
(包括微生物生物量、土壤呼吸)是土壤质量变化最敏感的指标。土壤动物是土壤环境质量和健康质量的重要
指示特征 ，特别是无脊椎动物如线虫、蚯蚓等能够敏感地反映土壤中有毒物质含量。以植物作为土壤质量评
价指标时，主要是考察植物的生长状况、产量格局、根系结构、植物组织特征、牧草物种的多样性和杂草的优势
种，进而评价土壤的肥力质量和环境质量、健康质量。
Kennedv和 Papendick【J 指出土壤生物学性质和生物化学性可作为反映农业生态系统和土壤生产力变化
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生 态 学 报 26卷
的指标。土壤微生物性质可以促进很多土壤物理化学性质的变化过程。微生物活性也参与分解、养分和能量
循环、土壤团聚体的形成和有机质转化的调控等过程。
土壤微生物生物量被证明是一个稳定的、可靠的参数以用来做区域尺度量化分析 ，取样一般在营养生长
末期或早春。它可作为潜在的土壤质量指标指示土壤有机质水平、平衡和未来的趋势，也可用于土壤质量的
长期监测[】 ]。前人的研究集中在微观尺度上与土壤养分循环和土壤质量相关的微生物活性的研究 ¨。但
是 ，对土壤微生物生物量在景观尺度上的空间分布的分析研究很少 n 。对土壤微生物活性控制的有机碳
的转化过程和运移的研究有助于评价区域土壤资源的功能[2“。综合的微生物指标已被选作土壤质量潜在指
标，并在土壤物理和化学性质的背景下进行分析 。
尽管土壤微生物生物量仅占有机碳的 1％一3％和有机氮的2％一6％，但是它在有机质动态中起着很重
要的作用。微生物生物量控制土壤有机质的转化并影响碳的积累，它同时是植物养分的源和库。土壤微生物
各种各样的代谢活动能够调控土壤中能量和养分的循环，也在许多有机化合物的全球循环中起着重要作用。
由于微生物生物量的重要作用，它常被选为反映土壤质量发展和退化的指标，也被用来评价土壤干扰和管理
的影响。
活性有机质是土壤微生物最易分解的那部分有机质，它由微生物最易接近的碳和能量来源的那部分化合
物组成，这部分有机质控制了土壤的生物过程和决定了向作物提供养分的能力。因此，活性有机质已经被认
为是很重要的土壤质量指标且常常被包括在土壤质量评价中。
土壤酶活性起初用来评价土壤肥力，最近已被选作潜在的土壤质量指标。土壤酶的活性在养分循环中起
着很重要的作用而且已被用作微生物活性指标 。酶活性之所以能成为一个好的土壤质量指标是因为它在
分解和矿化过程中起着重要作用而且对土壤管理措施变化反应敏感_24j。
2．3 土壤质量的物理、化学和生物学指标间的相互关系
土壤微生物生物量、土壤呼吸和土壤理化学性质间的相关性在各种尺度上都存在。有关研究集中在土壤
肥力或土壤质量指标的空间分析 埘]，在景观尺度上研究了土壤质量指标的变异，区域尺度上的研究很少。
其它研究集中在微生物活性在景观尺度上的空间分布，如碳矿化和土壤酶活性 。目前关于土壤微生物的
区域变异研究集中在种群水平上 ]，按气候梯度利用常规统计方法研究微生物多样性的生物地理格局n 。
进一步的工作需要研究土壤性质的空间自相关和协方差的时间稳定性，同时研究地貌特征 、土壤理化性质和
土壤微生物活性之间的功能相关性。
3 土壤质量的评价
评价土壤质量及其随时间变化的趋势 是农业土地可持续管理中一个很重要的思想和指标口 。土壤质
量的评价是指评价土壤实现其功能的程度。从作物生产的角度出发，土壤的功能就是提供养分和维持作物生
长。土壤质量的评价不仅仅限于传统的农业作物。Conry和 Clinch在爱尔兰中部平原的研究把土壤质量和森
林物种联系起来 。土壤质量的监测和评价对阐述环境问题也很重要。Cooper等评价了与美国食品工业相
关的环境问题，建议发展将食品加工过程中的废物转化为能量和产品的方法来提高土壤质量和作物的营养品
质[321。
土壤质量评价与监测是评价土壤退化的重要工作 ，也是设计和评价土壤持续利用及土壤管理系统的一个
基础。目前缺乏统一的评价指标以及将各项土壤性质与土壤管理措施结合起来的评价方法。国际上比较常
用的评价方法有以下几种：
(1)多变量指标克立格法(MV1K) 这种方法可以将多个土壤质量指标整合成一个综合的土壤质量指数，
这一过程称为多变量指标转换(MVIT，multiple variable indicator transform)，是根据特定的标准将测定值转换为
土壤质量指数。各个指标的标准代表土壤质量最优的范围或阈值，是在地区基础上建立和评价。该法优于土
壤质量评分法，它可以把管理措施、经济和环境限制因子引入分析过程，其评价范围可以从农场到地区水平。
通过单项指标的评价，该法还能确定影响土壤质量的最关键因子⋯。
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3期 刘占锋 等：土壤质量与土壤质量指标及其评价
(2)土壤质量动力学方法 由于土壤系统的动态性，对可持续管理的评价应该采用动态评价方法，利用系
统动力学特征测量其可持续性。
(3)土壤质量综合评分法 Doran和Parkin将土壤质量评价细化为食物与纤维的生产量、土壤侵蚀量、地
下水质量、地表水质量、大气质量和食物质量等 6个特定的土壤质量元素的评价。通过建立各个元素的评价
标准，利用简单乘法运算计算出土壤质量的大小，每个元素的权重由地理、社会和经济因素所决定。
(4)土壤相对质量评价法 通过引入相对土壤质量指数来评价土壤质量的变化，这种方法首先是假设研
究区有一种理想土壤，其各项评价指标均能完全满足植物生长需要，以这种土壤的质量指数为标准，其它土壤
的质量指数与之相比，得出土壤的相对质量指数(RSQI)，从而定量地表示所评价土壤的质量与理想土壤质量
之间的差距 ，这样，从土壤的RSQI值就可以明显而直观地看出这种土壤的质量状况，RSQI的变化量可以表
示土壤质量的升降程度，从而可以定量地评价土壤质量的变化。上述几种土壤质量评价方法各有优点。可以
认为土壤相对质量评价法更为方便、合理，它评价的是土壤的相对质量，而且可以根据不同地区的不同土壤建
立理想土壤，选择代表性的土壤质量评价指标做出量化的评价结果。
国内学者在土壤质量评价的新方法建立方面作了大量的探索性工作。王效举等引入相对土壤质量指数
的概念，应用地理信息系统技术，为小区域水平上土壤质量时空变化的评价提供了一种方法口 。在地理信息
系统支持下，国内不少学者将灰色关联度法、模糊数学、多元统计分析、层次分析模型、地统计学方法、系统评
价模型、Fuzy聚类分析方法等方法应用到土壤质量综合评价中 。 一 。付强等将高维降维技术．投影寻踪评
价模型(PPE)应用到土壤学科领域，为土壤分类与等级评价研究提供一条新思路 。潘峰等将物元分析方法
应用到土壤质量评价研究，为土壤的评价及综合利用提供了一种新的科学方法b 。曾国熙等将密切值法应
用于土壤质量排序中，并提出了按密切值大小的突变进行分类的新方法，该方法原理简单 ，计算简便，结果客
观可靠，是一种值得推广的多目标决策方法。柏 。齐伟等探讨了土壤质量时空变化一体化的评价方法，并以河
北省曲周县一个33kin2的小区为例，对 1980年与 1999年两个时段的8个单项土壤质量指标和土壤综合质量
指标的时空变化进行了定量化评价。结果表明土壤质量指数法与 GIS技术相结合，可以很好地表示土壤质量
的时空变化 。刘德春等根据随机过程原理，构建了新的转移矩阵，建立了一个马尔柯夫链综合土壤质量评
价模型，通过实例证明了模型的可靠性 。
土壤质量的评价可在多种尺度下进行，但是由于土地利用的多样性，评价指标应该是相对的而不是绝对
的。在点尺度上，需要从机理水平理解土壤质量，强调土地利用决策对养分循环、淋溶、土壤结构、碳积累和其
它相关过程的影响。在农田和小流域尺度上，尤其当土壤的初级功能为维持作物生产时，土壤质量的评价与
生产力评价类似，但是它不仅强调产量，同时强调土壤资源的物理、化学和生物状况以及目前土地利用措施的
长期经济变异性。在小区尺度上，需要进行田间试验来理解土壤质量和作物生产之间的关系。多名学者进行
了土壤质量大尺度的研究，其中包括大面积的耕地和强度的土地利用。Wardle＆Bolero比较了 Ilinois州 36
个农场的土壤质量 。Helkamp等调查了美国大西洋中部地区 293个点耕地的土壤质量 。Boehm＆
Anderson 2 选取土壤属性作为土壤质量指标在景观尺度上评价了3种农作制度下土壤的质量。Wirth_4 在区
域尺度上调查了德国东北部低地土壤的微生物、物理和化学性质，分析了微生物生物量中的碳、土壤基础呼
吸、有机碳、水溶性碳、全氮、离子交换量、pH和质地，以评价其空间分布格局、空间 自相关和年际变异。
Sparling等在国家尺度上研究了土壤质量的变异，并且评价了取样的代表性和确定了土地利用和土壤分类对
土壤质量变异的贡献 。
我国的土壤质量评价工作虽然起步晚，国内学者也在这方面做了大量的工作。孙波等首先提出了红壤
质量评价指标的选择原则，并从化学、物理学和生物学 3个方面探讨了评价红壤质量动态变化可采用的指标
体系 ]。傅伯杰等采用综合土壤质量指数和土壤退化指数比较了天然林地、草地、灌木、次生林地、耕地和退
耕地等6种土地利用类型的土壤质量。结果表明灌木可以很好地恢复土壤性质，综合土壤质量指数和土壤退
化指数可以很好地评价土壤质量水平。邶]。吴祥云等从土壤微生物，土壤持水性、土壤物理、化学性质方面探
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讨不同类型樟子松人工固沙林土壤质量状况，研究结果表明针阔混交林比针叶纯林土壤质量高，同时指出林
木对土壤的改良作用是一个长期的持续过程 。杨志辉等通过田间试验对湿地稻．鸭复合生态系统的稻田土
壤质量进行了研究。研究结果表明，实行稻．鸭生态复合种养，其土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾都
有所增加，土壤物理性状也得到一定程度地改善，稻田土壤氧化还原状况也得到了明显改善 引。欧阳进良等
在综合 自然、社会经济信息，对曲周县进行的生态经济综合分区基础上进行农户调查，对各分区土壤质量状况
及其变化以及不同分区之间农户行为差异的分析表明，农户主要通过种植行为选择和经营投入和资源利用等
行为对土壤质量和环境产生影响，不同类型农户在种植行为选择和经营投入上有较大差别 。卢铁光等通
过建立土壤质量变化评价模式，来计算主要耕作土壤和表层耕作层的土壤质量矩阵，利用耕作层土壤质量指
数的变化来定量分析该市50a农业生产以来土壤质量的变化趋势。结果表明土壤质量指数均呈下降趋势，土
壤发生了退化 。胡金明等利用主要耕作土壤表层土的土壤质量指数的变化来定量地分析三江平原地区大
面积开荒后土壤质量的变化趋势，结果表明，大面积开荒后导致土壤发生了明显的退化 。郑华等对南方
红壤侵蚀区4种主要森林恢复类型下土壤物理、化学、生物学性状进行了比较研究，结果表明不同的森林恢复
类型导致了土壤物理、化学和生物学性质的显著差异 。马强等建立了黑土肥力评价指标体系，运用模糊数
学和因子分析方法对黑土肥力水平进行评估、分级 。张庆利等用修改后的内梅罗公式作为土壤质量的评
价模型，将传统的统计方法与地统计学方法及 GIS技术相结合，研究了金坛市土壤质量的空间分异规律，并对
土壤质量进行了定量化的评价。结果表明土壤质量指数的分布特点明显与地形地势、径流方向和土地利用等
有关，而地形地势是土壤质量空间分布的最根本的原因 。
1999年以来，我国科学家在揭示主要类型耕地土壤质量限制因子及交互作用的机理、土壤圈内外物质交
换的过程、强度、机制及对环境的胁迫和土壤质量演变时空分规律的研究方面取得了显著成绩。有关研究表
明，土壤质量在针对当地土壤退化问题而采取了保护性措施的地区将维持稳定或提高；而没有采取保护性耕
作而又强度种植的地区和边缘地区土壤质量将会不断下降；当生荒地开辟为农田时，通常在开始的头 10a，其
土壤质量会迅速下降，当投人大于产出时，土壤质量则会慢慢得到改善；合理增加有机物质、采取保护性耕地
和作物轮作及种植豆科植物、作物残茬管理、侵蚀控制和修筑地下排水系统等措施，可使土壤质量得以维持甚
至提高 。
4 土地利用变化对土壤质量的影响
土壤质量是一种指示土壤条件动态变化最敏感的表示方法，它既能反映土壤管理的变化，也能反映土壤
恢复退化的能力。许多自然和人为的生态过程如气候波动、植被演替、土地利用变化等都显著影响土壤质量
的时空演变，其中土地利用方式和管理水平是影响土壤质量变化最普通、最直接、最深刻的因素，可以导致土
壤养分退化、水土流失、土地沙漠化等退化现象，亦可以达到提高土壤质量、改善生态环境的目的 。人类活
动可以导致土壤性质变化的速度 ，当前世界各地土地退化相当严重，已日益威胁到人类所赖以生存的土地
资源。土地利用变化能够影响土壤水分和土壤养分的分布和迁移 j，进而影响土壤的性质和质量。
4．1 对土壤物理化学质量的影响
科学家们已经对土地利用／覆被变化对土壤的物理化学性质的影响进行了广泛地研究。Lumbanraja等 ‘。
在印尼 Sumatra南部地区的研究表明：当初生林地转变为次生林、咖啡种植园和耕地后，土壤有机碳、全氮、速
效磷、全磷和离子交换量明显下降。Hajabbasi等【62 在伊朗 Zagrous山脉的研究表明森林砍伐导致土壤容重增
加，有机质、全氮和可溶性离子含量下降。Saikh等 在印度 Orissa的研究表明林地转变为耕地后土壤有机
质、全氮和 C／N明显下降，全磷和速效磷则下降不明显。Lal 指出尼 日利亚地区森林砍伐后随着耕作时间的
增加土壤化学性质恶化。对比天然林、人工林、草地、耕地等不同土地利用对土壤质量影响时发现，土地利用，
土地覆被变化影响了土壤的物理结构、机械组成和养分等，耕作导致了土壤质量的明显降低，而造林和草地则
有助于改善土壤质量 。Celik 研究了地中海高原土地利用类型变化对土壤性质的影响，结果表明牧场转
变为耕地后土壤有机质含量降为原来的49％，各种土地利用类型下土壤有机质在各层之间差异不明显，林地
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3期 刘占锋 等：土壤质量与土壤质量指标及其评价 907
和牧地间土壤有机质差异不明显，耕地、牧地和林地 0—20em土层容重差异明显。
许多农业管理措施对土壤有机质的质量和数量产生不利影响，这会进一步恶化土壤的物理、化学和生物
化学性质，尤其是土壤肥力。Camvaca等 评价了土地利用变化对土壤有机质数量、质量以及与土壤微生物
活性相关生物化学性质的影响，研究结果表明，与草地相比，农业措施明显降低了土壤中的总有机碳、腐殖质、
水溶性碳、水溶性碳水化合物、脱氢酶、磷酸酶和 B 葡萄糖酶。科学家对林地向牧地和耕地转变对 C积累。郁
和土壤养分可利用性 进行了大量的研究。由于自然植被的去除、分解、燃烧或被支持低碳含量的作物取
代，林地转变为牧地可以显著降低 c的储存 ，土地利用还对土壤 N循环具有重要影响。
人类对土地不和谐地利用和管理已经导致全球生物地球化学循环发生改变。土地向耕地转变使土壤有
机质降低。Eliot-7¨和 Grupta&Germida" 报道，耕作使牧场土壤有机质下降 25％～50％。林地、草地向耕地
的转变使土壤性质下退化，尤其降低土壤有机质和改变土壤团聚体的稳定性和分布 ，使得土壤对侵蚀更敏
感 。Lemenih等 研究了埃塞俄比亚地区热带干 Mromontane天然林转变为耕地和随后的耕作措施对土壤
物理化学性质的影响，研究结果表明，随着耕作年限的增加，0～lOcm和 10—20cm土层的容重显著增加，但是
孑L隙百分比显著下降。0～lOcm土壤碳和全氮含量显著下降，并且与耕作时间呈指数关系。但是，10 20cm
土壤碳和全氮含量在连续耕作 34a后人然很高。耕种 26a后，0—20cm土层碳积累与天然林相比并不很低。
与天然林地相比，连续耕种了53a的0～lOcm土层可利用的 P、K明显高于林地。可交换的 Ca离子、离子交换
量和盐基饱和度不同程度降低。Bewket＆Stroosnijder[ 研究了埃塞俄比亚西北高原一典型流域土地利用对土
壤性质的影响，研究结果表明耕地、牧场和桉树种植园土壤的含砂量较高，但是 Ca2 、Mg2 和离子交换量较
低。桉树林土壤容重较其它 3种土地利用类型要高。天然林地与桉树林地在土壤有机质和全氮差异明显。
耕地与桉树林地在速效磷差异明显。Du Toit等 发现在 Free州 5—90a的耕作使土壤的 C、N损失 10％一
73％。Nel等 副发现在 Pretoria地区 Huton土壤耕种 50a后土壤 C下降 50％。Lobe等 在 Free州发现耕种
3．5a后土壤 C下降 5O％。土壤对森林砍伐及随后耕作措施沿时间梯度的长期反应整体上表现为土壤质量的
下降，这与其它热带地区森林砍伐及随后耕种引起土壤肥力下降的研究结果类似 。Mils＆Fey “指出土
地利用可以通过地表覆被的去除、耕作导致的风化、放牧导致的有机质投入的减少和微生物或活性增强显著
地影响土壤有机质和增加土壤板结，最终导致土壤有机质降低。土地利用也可导致土壤化学性质发生变化，
种植园林地导致土壤中硝酸盐增加，每年的火烧增加了黏粒的分散性和表土的板结。
针对土地利用变化对土壤质量的影响这一研究领域，我国学者也做了大量工作。黎华寿等对典型坡地相
邻地块不同利用方式对土壤理化性状影响的研究表明，人工梯地上的农林复合系统和多年生作物复合群落的
土壤容重、土壤结构和土壤持水力及水分渗透力与相邻天然森林土壤相近，优于退化灌草丛和残林地，并指出
揭示建立仿森林结构的农林复合系统和多年生作物复合群落，并注意实行水土保持的耕作，是退化坡地生态
重建的有效途径之一_8 。苏永中等研究了科尔沁沙地退化草地开垦后，在 14a不同的土地利用和管理方式下
土壤物理、化学和生物学性状的特征。研究结果表明，不同的土地利用方式和管理措施显著影响土壤质量变
化的程度和方向；调整土地利用结构，基本农田实行精细管理，早作农田退耕还草还林是保护士地资源 ，实现
区域生态恢复和重建的根本选择[5副。刘世梁等从样带与生态系统类型尺度上探讨了土地利用与坡面景观位
置对土壤水分与养分的影响，结果表明，灌丛有着较高的土壤质量指数，而人工林与农田的QI值较低，这表明
灌丛在坡面上有着“肥力岛屿”效应。不同坡位条件下土壤质量指数表明，与中坡位和下坡位相比，上坡位与
坡脚处土壤质量要高。结果说明坡面土壤质量的变化是土地利用方式变化与景观位置分异综合作用的结
果 。李阳兵等研究了土地利用方式对处于岩溶脆弱生境核心部位的土壤质量性状的影响，结果显示 4个
研究地区不同土地利用系统中各养分指标间存在较大的变化，但变化规律并不一致。在较大区域内土地利用
方式对岩溶山地土壤属性的影响不显著，而小区域内不同土地利用方式下土壤质量存在显著差异。岩溶山地
土壤质量与土地利用方式的关系复杂，存在区域差异性；同时人工造林改善土地质量状况需要较长时间的演
替，简单的退耕还林很难使土壤质量得到恢复 ]。李新宇等对河北省怀来县官厅水库南北两岸 8种主要土
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908 生 态 学 报 26卷
地利用类型的土壤养分、pH值和土壤容重等进行了分析，讨论了不同土地利用方式对土壤质量的影响，并评
价了不同土地利用方式下的土壤退化程度。结果表明：土地利用管理与保护措施是引起土地利用类型间土壤
质量差异的主要因素 。巩杰等对黄土丘陵小流域持续利用 25a后的荒草地、山杏林地、农田、油松林地、灌
木林地和撂荒地土壤性状的研究结果表明，不同土地利用方式和植被恢复类型对土壤质量有很大影响；植被
恢复重建和农地撂荒将增加土壤有机质含量，提高土壤质量 ；粗放的农业耕作措施将降低土壤质量并引起土
壤退化；灌丛有明显的肥力岛屿作用；撂荒在一定程度上可以培肥土壤 。赫晓慧等以陕北农牧交错带为研
究对象，对不同植被对土壤质量的影响进行了研究。结果表明人工植被的建立与生长明显改善了土壤质量，
但不同样地随着植被盖度和植被种类的不同，土壤质量差异很大；多年生乔木林改良土壤质量的潜力最高，耕
作粗放的农地土壤质量有所下降 。章铁等研究了果农复合经营系统中的6种模式和 1种单种作物对土壤
肥力的影响。试验结果表明，果农复合经营模式的土壤肥力高于单种作物土壤的肥力；6种复合经营模式中
“鸡 +桃”模式和“桃 +紫花苜蓿”模式的土壤肥力最高 。刘举等研究了黄土高原油松 、刺槐人工林对土壤
的培肥效应。结果表明种植人工林对土壤养分含量的提高有很大帮助，但不同林型提高程度不同。阔叶林下
土壤肥力的提高较针叶林显著 。袁菊等通过对贵州喀斯特生态脆弱区土壤的调查研究 ，结果表明，成土母
质、海拔高度和利用方式对土壤的理化性质有较大影响，其中影响最大的是土地利用方式，即林地、灌木丛地、
荒草地等 自然植被下的土壤理化性状较好 ，养分含量高，而经开垦耕作后，土壤理化性质变化较大，土层变浅，
腐殖质层变薄，颗粒变细，水稳性团粒减少，土壤易于流失，有机质及养分含量明显减少，pH值升高，土壤贫瘠
化，土壤总体质量表现出明显的退化 。
4．2 对土壤生物质量的影响
土地利用变化也能够对土壤微生物产生明显的影响，影响土壤微生物数量和分布。Rues和 Seagle 研
究了坦桑尼亚 Serengeti地区土壤微生物过程的景观格局，研究结果表明，土壤肥力和微生物过程的区域格局
与Serengeti地区的年均降雨量呈负相关，土壤微生物过程与食草动物的利用和强度的景观格局密切相关。土
壤水分、温度和由作物根系、根际产物和作物残茬引起的碳输入的季节性变化对土壤微生物生物量及其活性
有明显影响。
土壤微生物生物量的季节变异在欧洲已有报道，Uckan和 Okurl9¨对耕地和草地土壤中微生物生物量和
酶活性的季节性变化进行了量化研究，发现对于不同取样时期土壤微生物生物量、可矿化碳和蛋白酶活性差
异显著。Singh等 报道了微生物 C、N、P在林地和干草原土壤中季节变化。Ros 纠在新西兰的草丛草地和
引种的牧场的研究表明土壤水分与土壤微生物生物量之间呈负相关。土壤水分和温度短期的波动会影响微
生物生物量中碳含量。Arunachalam等 在印度东北部亚热带成熟阔叶林研究了林隙大小和土壤性质对土壤
微生物生物量动态的影响，结果表明，土壤微生物群体在温度和湿度较低时较小，在雨季达到峰值；在雨季，由
于植物对养分的更多需求限制了土壤微生物可利用的养分，C 、N 、P 的值较低，此外还发现 C 、N 、P
与土壤理化性质之间存在微弱的相关性。Yan等 副研究了中国三峡地区土地利用变化对土壤微生物生物量
和代谢墒的影响。与林地相比，柑橘．小麦和茶丛地土壤的土壤微生物生物量中的碳占土壤总有机碳的百分
比是柑橘地的4倍。除了柑橘．小麦和林地，其他土地利用类型上均发现微生物碳、C ／C。 和速效氮之间有显
著相关性。Sharma等 在对锡金Mamlay流域进行研究中发现，当林地转变为农业用地和荒地时，能够导致土
壤微生物的明显减少，其中林地转变为荒地会导致微生物生物量 N减少了 78％，微生物生物量 C减少了
73％，微生物生物量 P减少了71％。Filser等 将种有谷物的耕地转变为综合耕作(integrated farming)、有机耕
作(organic farming)、草地和休耕地后发现，除了草地外，微生物的数量在总体上表现了增加的趋势；草地、休耕
地的 Colembola丰富度略有降低，Protaphorura armata和Lepidocyrtus cyaneus在所有土地利用类型中均呈减少的
趋势。Powlson等 研究表明经过 18a的秸秆还田，土壤微生物生物量增加了 50％，但是却没有观测到土壤总
有机质发生明显变化。姚槐应等采用碳素利用(BIOLOG)及磷酸酯脂肪酸(PLFA)法，研究了 8种红壤微生物
群落的功能多样性和结构多样性。两种方法均表明土地利用方式能显著影响微生物的多样性。试验表明总
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3期 刘占锋 等：土壤质量与土壤质量指标及其评价
PLFA含量与微生物生物量呈显著相关，茶叶园土中微生物对各类碳源的利用能力均很低，呈现出非常独特的
微生物功能多样性 。陈国潮等研究了土地利用对红壤土壤微生物生物量 C、N、P的影响，发现土地利用对
土壤微生物生物量c影响很大。C i 在退化的休闲地最低，林地、茶园、柑橘灌丛和休闲草地次之，菜地和稻田
最高。土地利用主要通过有机质的投入和累积来影响 C N i 与土壤中的总氮和速效氮显著相关，土地利
用对其的影响相对较小 ¨。
Parkin 综述了与微生物种群及过程相关的空间变异，集中探讨了变异表达的尺度及在各个尺度水平上
控制变异的土壤环境因子。空间变异可在不同尺度上表达，一般可分为微观尺度、小区尺度、大田或景观尺度
和区域尺度。土壤微生物过程在景观尺度上的变异已经在森林生态系统、沙漠生态系统和农业生态系统中进
行过研究。控制景观尺度上变异的基本因子包括土壤类型(质地、表土厚度、有机质含量、pH值和养分状况)、
地表地形和水分分布。控制区域尺度上变异的基本因子包括气候因子、土地利用格局、植被覆盖和地表特征。
5 土壤质量研究展望
土壤质量是个非常综合的概念，不仅涉及到土壤学、土地利用、农业种植措施和管理等众多方面，而且也
与社会、经济和政策有关。所以，需要研究的领域很多。目前，对于土壤质量方面的研究主要集中在土壤质量
现状的调查和分析、土壤质量评价的理论、方法和指标体系、土壤质量变化的原因、土壤质量动态监测与预测
预警及对策等方面 ’ “’ ，总结当前国际土壤质量研究的最新进展，结合我国的实际情形，有关土壤质
量研究应加强以下几个方面：
(1)土壤质量指标与评价方法 不同尺度研究问题，需要利用不同的技术测定不同的指标。这就要求发展
大田尺度的指标进而为农户及时提供信息，此外也要发展区域尺度指标以监测土壤资源质量的发展趋势。
Malcom Ewen 从能量效率角度对土壤质量进行了全新的定义，提出了通过土壤系统的能量效率来评价土壤
质量，为建立通用的土壤质量评价指标进行了开拓性的工作。此外，Steinbo131＆Svirezhevn 从热动力学角度
出发选取墒作为指标评价了农业生态系统的可持续性，也展示了其在土壤质量评价方面的广泛应用前景。
(2)土壤质量变化的发生条件、过程、影响因素及其作用机理与时空规律性。重点是土地利用变化、土壤
质量和土壤微生物环境之间的有机联系及其内在规律的研究。探讨土地利用变化与土壤微生物多样性之间
的关系，进而揭示土地利用变化对土壤质量影响的机理和规律，这对于退化土地的恢复和区域土地资源管理
以及土地的持续利用具有重要的意义。
(3)尺度问题的研究 尺度是发展合适的土壤质量指标中的很重要的一个问题。尺度的维数可在空间和
时间两方面影响土壤质量的评价。研究区域小至景观中的一个点和研究小区，大至一个国家乃至世界。由于
气候、土壤水分、人类活动、植物生长阶段和其他因子可引起土壤质量指标的时间变异，所以时间框架很重要。
土壤质量指标对变化的反应时间决定了测定指标变化合适的时间间隔。这就要求在测试和揭示土壤特征时
描述土壤过程的动态性和利用土壤特征的时间格局来描述土壤质量，此外也要重视管理措施改变后的过渡时
期土壤特征的研究。科学家们采用两种途径来处理空间尺度问题：在土壤质量评价中选取与研究地理尺度相
适应的指标和把由点尺度的指标获得的信息向更大尺度上扩展n D7_。
(4)土壤质量保持与提高的途径及其关键技术研究 土壤的组成不仅是矿物质，它是矿物质、微生物、根系
分泌物、水分运动和非生物与生物动态过程的集合。提高土壤质量必须扩展土壤成分间互作研究，主要集中
在根系生长动态对肥料及其它措施的反应、不同系统的水分利用效率、土壤养分测试的简易方法、选取时空变
异性作为土壤质量指标等方面。
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