森林土壤健康评价研究进展

森林土壤健康评价研究进展

蔡小溪，吴金卓*

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨150040)

摘要：实施森林健康评价工作是促进林业可持续发展的最主要途径，森林土壤作为林木生长的基础，直接影响着森林的健康状态。综述森林土壤健康概念的形成过程，指出国内外不同专家对森林健康概念的不同定义。同时列举了森林健康评价体系中使用频率较高的评价指标和如形态特征指标、物理性质指标、化学性质指标、生物性质指标，并指出指标选取原则和几种最小指标集。国际上评价指标体系的方法较多，主要阐述了3种创新方法。最后根据现阶段我国森林土壤健康研究的不足提出研究方向。

关键词：森林土壤健康；评价指标；评价方法

中图分类号：S 154；S 714

文献标识码：A

文章编号：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

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划专题(2012BAC01B03-3)

作者简介：第一蔡小溪，硕士研究生。研究方向：森林作业与环境。

通讯作者：*吴金卓，博士，副教授。研究方向：森林作业与环境。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，吴金卓.森林土壤健康评价研究进展[J].森林工程，2015，31(2)：37-41.

森林对人类来说，不光是指简单的实物资源：林地、林木和草本，还包括环境、林中微生物、气候等间接资源，其结构复杂，动植物种类繁多，功能完善，能够起到维护生态环境平衡，改善生态系统的重要作用[1]。保护森林健康的措施早已在全球范围内开展，但科学表明，森林面积仍以每年1 200万hm2的速度在减少，产生了全球变暖，物种濒临灭绝等环境问题。土壤是森林生长的物质资源，能够起到支撑作用，同时为植被和微生物的生长提供水分和营养物质，也可以调节温度，缓冲毒素。因此，森林土壤的健康状态对森林植被的健康与否有着直接的关系。

对森林土壤健康进行评价的意义在于可以使森林资源得到合理的利用，在不同的立地条件下对森林进行抚育选种，防治森林土壤退化等[2]。因此，如何因地制宜的选择适当的评价指标，使用合适的评价方法，并在动态发展的情况下找到可以实现森林健康的发展的途径，是国际性新课题[3]。开展森林土壤健康评价的研究，不但可以在理论上为构建森林监测体系提供数据基础，还能在实践上为土壤管理和森林经营奠定基础。本文归纳总结国内外研究文献，选取具有实际应用意义的有效方法和常用的指标，有助于今后对森林土壤的研究，并从中得到启发。

1森林土壤健康的概念

土壤健康概念的形成来源于古人对土壤外部特征正常与否的判断，直至1947年，英国哲学家、生态学家Balfour在《生命的土壤》一书中将土壤看做是一个生命体，由于只有属于生命体才能涉及到健康的问题，于是这一理论成为了土壤与健康联结的枢纽[4]。随着社会经济的迅速发展，人类对环境的破坏逐渐显现出来，并开始意识到环境保护的重要性与急迫性，而土壤做为孕育一切生物的基础，也渐渐得到了农民、林业学家及生态学家的重新认识，将其理论不断扩大与发展[5]。

对土壤健康的概念进行定义时，由于土壤本身是个复杂的系统，空间变异性较大，选择不同研究方向结果也不尽相同，直至现在也没有出现一个完全准确的定义，国内外学者只是根据各自研究角度提出相应的看法。以美国农业学家Doran和意大利生态学者Pankhurst为首的一部分人认为土壤是一个有生命的生态系统，能够在人工生态系统和自然的边界内实现其功能，可以定义为土壤在整个生态系统中，促进动植物生长、维持环境水平、保护生物健康的能力[6]。另有一部分以Van Bruggen为代表的这科学家指出土壤健康问题不能局限在土壤本身上，还应该联系到植物健康上来，认为土壤的健康与植物病原体发病率和群体密度有关，植物爆发疾病能推断出生态系统的不健康，也可以依据土壤微生物的种类估计土壤健康的程度[7]。

我国在对土壤健康进行定义时常常与土壤质量一词联系使用，虽然对土壤的研究时间较短，但目前已经提出了较完整的定义[8]。1999年，我国致力于土壤质量变化规律与利用的研究，依据土壤的功能将土壤质量的概念定义为土壤健康质量、土壤环境质量和土壤肥力质量，把土壤健康看做土壤质量的一部分[9]。随着土壤学科的发展，同时与其他学科的交叉也越来越多，我国对土壤的评价逐渐从质量评价转移到健康评价，生态学院士周启星将土壤健康定义为一个有机生命体，维持着土壤系统各种功能，能通过土壤物理化学生物性质给予恰当的描述[10]。

综上所述，虽然不同专业的学者对土壤健康的定义不同，但随着社会与科学的发展，未来对土壤健康的定义会朝着可持续性发展理念而设定。

2森林土壤健康评价指标体系

2.1　评价指标

森林土壤健康评价是个多学科结合的综合问题，建立评价指标体系，是对土壤健康进行评价的唯一系统方法，指标的选取是否科学合理直接影响着评价结果的等级。要想准确的了解土壤内部机理，需要通过科学手段获得指标数据来说明各种现象[11]。一般认为，只有具有强敏感性、易操作且经济价值高的指标都属于评价指标，虽然不同研究区域、不同研究角度选择的指标不同，但都把指标归纳为4类：形态特征指标、物理性质指标、化学性质指标、生物性质指标[12]。

(1)形态特征指标。土壤形态特征就是土壤的外部特征，是演替发展历史的表现，同时记录着土壤环境因子的变化[13]。体现土壤形态特征的指标主要包括凋落物层厚度、腐殖质层厚度、土层厚度、土壤颜色等等。其中凋落物层是指覆盖在矿质土壤表面的有机质，影响着土壤的物理化学生物性质，同时具有水源涵养的作用，凋落物层厚度指标能反映林地凋落物的总量和持水能力[14]。腐殖质层是由凋落物有机质的积累而形成的，是土壤养分的主要来源，同时它能够改善土壤的通气性和结构[15]。土层厚度也叫土壤厚度，是土壤发育程度、容纳养分、持水量的直接体现，土层的厚度能够严重影响林木根茎的生长。土壤颜色是土壤风化、氧化还原程度的间接表现，反映着铁积累或淋洗的过程，通过主观定量土壤的明度、彩度和色调能简单估计土壤有机质含量[16]。

(2)物理性质指标。土壤的物理性质指标主要通过土壤气体的交换、养分的供应、水分的保持等方式显著影响着森林植被的生长健康状况，低质林改造实际上就是通过改善土壤的物理结构而采取的人工抚育和造林整地措施。研究土壤的物理性质指标是十分必要的，不仅能够了解土壤本身与植物的相互影响程度，还能为森林健康经营制定合理的改造方案。研究土壤物理性质的指标主要有：颗粒组成、容重、比重、空气、水分孔隙度等等。其中土壤颗粒组成又称土壤质地，通过颗粒比表面积的大小来区分粒级，而不同的粒级会对阳离子交换、有机质亲和、生物活动产生巨大的影响，从而决定着土壤有机质的固持能力[17]。土壤容重是最直接反映土壤紧实度的指标，代表着土壤的宜林性能和质量状况[18]。土壤孔隙度是指土壤孔隙占总体积的百分比，空隙既是雨水的主要管道，也是空气的通道，决定着土壤的通透程度。

(3)化学性质指标。土壤的化学性质贯穿了土壤液相、固相的无机反应和生物化学过程，可以衡量林木养分在土壤中的浓度和状态，进而判断其对林木生长、生态环境的影响与作用[19]。大多数学者都选择如下指标来评价土壤的健康，包括：有机质含量、pH值、阳离子交换量、氮、磷、钾、盐基饱和度、交换性钠百分率、电导率、养份循环速率等[20]。pH值是反映土壤化学性质的重要指标，pH值的大小取决于液相与固相之间的平衡，影响着土壤养分的有效性、金属离子的分布与活性、矿物的风化和植物的生长与分布等等；有机质为动植物提供营养并具有土壤缓冲性，影响着土壤的功能，其含量与土壤生产力和土壤质量有直接的关系；阳离子交换量可以分为盐基离子和致酸离子，盐基离子是植被所需的速效养分，一般指Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，致酸离子是限制林木生长和土壤酸化的因子，一般有Al3+、H+等；土壤氮是组成植物叶绿素、蛋白质的主要元素，反映着氮素供应的情况，影响着植被的生长发育情况，土壤氮可分为全氮和水解氮，全氮是指所有氮素，水解氮是指速效氮素，研究氮含量可以为人工林施氮肥和造林选种提供科学依据；土壤磷素是促进植被生长发育的一种元素，可分为全磷和有效磷，在全磷中可以被植被吸收的磷称为有效磷，有效磷含量的大小体现着土壤供应磷素的能力；土壤钾元素主要来源于枯落物的矿化和沙粒的风化，分为全钾和速效钾，在全钾中可以被植被吸收的称之为速效钾，含量取决于土壤提供钾的能力[21]。

(4)生物性质指标。土壤生物性质指标是指土壤微生物、土壤敏感性动物和土壤酶。在对土壤生物性质指标进行研究时，由于很难寻找生物性质指标，而且土壤酶活性对森林生态系统的能量流动和物质转换起着最为重要的作用，所以常常使用土壤酶活性指标来代替其他进行研究。土壤酶活性指标主要包括：过氧化氢酶活性指标、脲酶活性指标、磷酸酶活性指标等等[22]。土壤过氧化氢酶能够促进腐殖质的合成和有机物的分解，活性高低能够判断土壤氧化的强度；土壤脲酶是一种参与分解有机氮的酶，可分解尿素从而转化为能够被植被吸收的氮，其含量能够反映土壤氮素状态；磷酸酶是土壤中存在的最广泛的一种水解酶，可以促进磷酸酯的水解，其活性体现着有机磷的分解转换[23]。

2.2　指标选取原则

土壤健康评价所选取的指标应该简单且易获得，并具有可操作性、可重复性、灵敏性等优点。但是至今国内外还没出现一个标准的评价指标体系，大多数研究都只是根据研究者自己的研究兴趣来构建，但在指标选取时都根据同样的原则：

(1)针对性原则。不同的森林类型需要不同功能的土壤，土壤功能的趋向会影响指标的选择，因此首先要确定森林的类型，进而确定土壤哪些指标值得选取；

(2)区域性原则。在确定评价指标体系的趋向后要结合研究地所在区域土壤的特点，更深层次的筛选指标；

(3)多样性原则。森林土壤的有机质含量大部分来源于枯枝落叶，而森林产生枯枝落叶的数量或质量同时也受培育它的土壤影响，因此在对土壤健康评价时也应森林植被纳入考虑范围，提高指标的多样性[24]。

2.3　评价指标体系

土壤是个极其复杂的系统，在时间和空间上都存在显著的变异性，因此建立一个准确的评价指标体系是非常困难的，而且是不切实际的。于是，建立完整又不具有较高重复性的评价指标体系就成为了我们要努力探索的问题。

国内外学者通过经验或者数学分析方法已提出了多个评价指标体系，并且成功应用在各个森林试验区中，其中由Lanson等制定的最小数据集最早广泛用于林业，该最小数据集包括：有机质、pH值、速效养分、活性有机质、土壤结构与形态、含水量、颗粒大小、最大根深、导电率、土壤强度[25]。随着人们对林业的不断了解与探索，最小数据集指标也在不断的改进，Wienhold根据美国森林土壤资源情况提出了全新的评价指标体系，这个体系得到了大部分研究人员的认可[26]，包括：物理性质有容重、质地、持水量、渗透率、厚度，化学性质有全氮、有效氮磷钾，有机碳、导电率、pH值，生物指标有土壤呼吸、微生物碳和氮、可矿化氮[27]。我国在2002年建立了红壤土壤最小评价指标体系，包括：总有机碳、微生物生物量碳、容重>0.25 mm、水稳性团聚体、土壤深度粘粒含量、pH值、阳离子交换量、速效钾、有效磷，虽然该评价体系较完整，但却没有得到很好的推广与应用，为我国森林的恢复做出了较大贡献[28]。

3森林土壤健康评价的方法

国内外常用多变量指标克立格法、相对土壤质量指数法、层次分析法和主成分分析法等传统的方法[29]。现在出现了很多创新方法，虽然这些方法没有得到广泛应用，但是在个别特殊研究区结果准确。

(1)基于层次分析法的物元模型。在指标体系中，单项指标的评判结果往往是不相容的，物元模型可以解决矛盾问题，同时结合层次分析法确定权重，提高评判结果的准确性[30]。王晨野使用该方法对大安市土壤恶化进行评价，不单得出总体的结果，而且同时获得了单因子的贡献率，结果非常准确[31]。

(2)基于加速遗传算法的投影寻踪分类模型。应用RAGA优化PPC中的投影方向参数，实现高维向低维的数据转换，即将多个指标综合成一个总指标，并按照投影值来排序，来对土壤样本进行评价[32]。韩军利等人使用投影寻踪建立了三江平原地区土壤质量评价的PPC模型，求得最佳函数值大小，表明土壤质量严重下降的趋势，与胡金明等人使用土壤质量指数法的结果一致[33]。

(3)密切值法。密切值法是一种多目标优选方法，能把正反两项指标转为同向，计算评价对象与最优点的距离，得出密切值大小并排列[34]。曾国熙等将密切值法运用到对土壤质量排序的研究中，依据密切值的大小提出突变分类方法，成为一种较为成熟的多目标决策方法[35]。

除了以上这几种方法外，国外主要关注GIS技术与土壤领域的结合，致力于土壤图的绘制，为全世界的土壤研究创造了实用价值[36]。

4森林土壤健康评价研究展望

放眼全球森林土壤健康评价的研究进展，虽然对森林土壤健康评价的理论知识有着实质性的进展，但对其研究还不够完善，尤其是我国，在土壤研究方面仍然存在较大的提升空间与应用前景。总结当前国际上取得的成果，结合我国森林资源现状，还应该在以下几个方面加强研究：

(1)加大森林监测力度。我国对森林监测的频率较小，常常仅靠几次的监测来判断森林的好坏，尤其对土壤的重视程度更小。而国外先进国家已发展为环境和资源一体化监测，一般每15 h一次，用来了解森林和土壤的潜在病情。因此，我国应效仿国外先进国家，建立森林预警系统，创建森林监测项目，来解决土壤养分、土壤侵蚀等问题[37]。

(2)提高评价指标的针对性。不同的林分类型、森林作业、改造方式、植被类型和经济措施等所选择的评价指标有显著的区别。我国考虑到土壤会受外力以及植被的影响而变化，会扩大森林土壤评价指标体系，使用广泛的含义去建立具体的数据集；而国外，大部分学者所研究的范围是极小的，一般都会详细探讨林业实践过程对评价指标的演替影响。因此，为了减少土壤质量概念的混乱，我国应缩小研究范围，注重区别静态和动态型指标的不同，定量的描述单一指标的变化来判断具体的土壤功能状态[38]。

(3)促进实验标准化。我国现在对土壤各个指标数值的获取都通过传统的实验方式，需要消耗大量的人力和物力，实验标准各地不一，结果也存在较大的差异。而国外会对农民培训取土作业，并根据所需来晾晒、邮寄土样，最后根据不同地区建立相应的土壤处理实验室，制定实验标准。美国土壤与植物分析协会是国际上验证土壤实验室是否达标的机构，而中国没有任何一个土壤实验室得到此认证。为了提高实验的准确性，我国应该对土壤样本的采集、实验等进行规范，组织土壤质量交流会议，及时改进实验方法与标准。

总之，我国对森林土壤健康评价的研究还有很长的路要走，既要时刻追踪国外先进技术与进展，又要结合我国实际情况展开研究，加强多学科协作，将我国森林土壤健康水平研究提升到新的高度。

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[责任编辑：李洋]