基于CNKI数据库对土壤质量评价研究现状的分析

陈梦军 肖盛杨 舒英格

摘要：為深入了解国内在土壤质量评价系统研究的现状，本文基于中国知网（CNKI，http：//w ww.cnki.net）数据库，对有关土壤质量评价的文献进行检索与分析。结果表明：土壤质量评价指标大致分为物理、化学和生物学三大类，物理指标主要是土壤容重、机械组成、含水量、孔隙度、质地和土层厚度;化学指标主要是土壤有机质（SOM）、pH、大量元素的全量和有效量;生物指标主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。国内研究者通用的土壤质量评价方法是采用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）对最小数据集（Minimum Data Set，MDS）进行优化，主因子分析（Principal factor analysis，PFA）或层次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）确定各评价指标的权重，最后采用土壤相对质量指数法进行土壤质量综合评价。未来土壤质量评价系统发展趋势是采用主导性、敏感性、稳定性和独立性的分析手段对MDS的进行优化，客观合理的主客观综合赋值法确定各评价指标的权重，采用更全面客观真实反映土壤实际质量的分析方法评价土壤质量。

关键词：CNKI;土壤质量;评价指标;评价方法;文献分析

Analysis on Soil Quality Evaluation Studies Based on CNKI Database

CHEN Meng jun，XIAO Sheng yang，SHU Ying ge*

（College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： In order to understand the research status of soil quality evaluation system in China， this paper analyzes the literatures about soil quality evaluationbased on information retrieved from China Knowledge Network （CNKI， http：//www.cnki.net） database. The results show that the evaluation indicators of soil quality can be generally divided into three categories： physical， chemical and biological.The physical indicators are mainly soil bulk density， mechanical composition， water content， porosity， texture and soil thickness.The chemical indicators are mainly soil organic matter （SOM）， pH， total and effective amount of a large number of elements.The biological indicators are mainly sucrase， phosphatase， urease， catalase， microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen. The soil quality evaluation system generally employed by domestic researchers is to use Principal Component Analysis （PCA） to optimize Minimum Data Set （MDS）， and Principal factor analysis （PFA）or Analytic Hierarchy Process （AHP） to determine the weight of each evaluation index.Finally， the soil quality index method is used to comprehensively evaluate soil quality. The development trend of the future soil quality evaluation system is （i） to optimize the MDS by using dominant， sensitive， stable， and independent analysis methods， （ii） to objectively and reasonably determine the weight of each evaluation index by subjective and objective comprehensive valuation method and （iii） to evaluate soil quality by an analytical method that is more comprehensively and objectively reflectingthe actual soil quality.

Key words：CNKI; soil quality; evaluation indicator; evaluation method; literature analysis

土壤质量是围绕土壤功能进行定义，是土壤许多物理、化学和生物学性质，以及形成这些性质的一些重要过程的综合体[1-3]。土壤质量不能够直接测定，需要通过土壤质量指标进行评价[4-5]，但由于土壤地带性差异和时空变异性大[6-7]，类型多样，使土壤质量评价指标选择具有一定的差异性和复杂性[5，8]。随着统计学发展和评价模型不断推出，如主成分分析法[5，9-10]、层次分析法[11-12]、典范对应分析[13-14]、模糊数学[15]、灰色系统模型[16-17]、物元分析模型[18-19]、TOPSIS模型[3，20]等在土壤质量评价中运用，对于同一评价对象采用不同评价方法将会得到不同结果[21]，使土壤质量评价更为复杂[22]。国内外己在土壤质量评价指标体系建立和评价方法优化方面开展了大量的研究工作[23-24]，但到目前为止，始终没有形成一个合适的体系和标准，也尚未建立一个综合的土壤质量评价体系[1，25]。本文基于中国知网（CNKI，http：//ww w.cnki.net）数据库，对有关土壤质量评价的文献进行检索与分析，旨在确定一套国内研究者通用的土壤质量评价系统，为土壤质量评价研究更加客观精准提供科学依据。

1材料与方法

CNKI是目前国内提供引文回溯数据最深的数据库，所收录文献覆盖全国最重要和最有影响力的研究成果，已成为国内公认进行科学统计与科学评价的主要检索工具。本文基于CNKI数据库，采用高级检索方式，以“土壤质量评价”为篇名进行检索，检索时间跨度为1996年1月1日至2017年9月30日，共检索文献228篇并全部下载。利用Excel 2010进行文献统计分析。统计指标主要包括文献类型、土壤质量评价指标、指标筛选方法、权重的确定方法以及评价方法。在228篇文献中，有58篇与土壤质量评价无关，其中包括期刊52篇、硕士论文5篇和博士论文1篇;综述型文献有34篇;研究型文献有136篇，其中包括期刊116篇、硕士论文16篇和博士论文4篇。本文基于136篇研究型文献进行统计分析。

2结果与分析

2.1土壤质量评价指标体系

2.1.1理化指标

经文献调查发现，土壤质量评价采用的物理指标有土壤容重、机械组成（石砾、砂粒、粉粒、粘粒）、含水量（毛管水含量、饱和含水量、田间持水量、最大持水量）、孔隙度（总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、通气孔隙度）、土层厚度、质地（砂土、黏土、壤土）、团聚体（水稳性团聚体、微团聚体、团聚体总量、团聚体平均重量直径）、土壤密度、土壤结构和其他（比表面积、障碍层、抗冲性、侵蚀模数、径流模数和入渗系数）。

在136篇文献中有45篇未采用物理指标进行土壤质量评价。鉴于土壤容重易于测定，能综合反映土壤质量状况[26-27]，选用率为49.5%，是使用频率最高的物理指标（表1）。土壤机械组成是土壤结构、孔隙度和容重等指标的综合表现[28-29]，选用率为36.3%，其使用频率仅次于土壤容重。土壤水分的动态特性能敏感反映土壤质量的动态变化[30]，虽然土壤水分的时空变化较大，不能长期稳定的反映土壤质量状况，但它是干旱区土壤生产力的重要指标[5]，选用率为34.1%，是使用频率位居第三的物理指标。土壤孔隙度不需要测定，是土壤容重和土壤密度通过转化函数求出，其选用率为19.8%。土层厚度能间接的表征土壤演化的过程和土壤生产力的大小[31]，是非常实用、直观和易测的物理指标，选用率为17.6%。土壤质地表征土壤的内在肥力状况，选用率为15.4%。土壤团聚体、土壤密度和土壤结构间接反映土壤容重、机械组成、孔隙度和含水量，故其使用频率较低。土壤比表面积、障碍层、抗冲性、侵蚀模数、径流模数和入渗系数指标也不易获得，经济效益和可操作性差，但在水土流失严重的区域是必须考虑的土壤质量评价指标[32]。

综上可知，从这些物理指標在文献中应用普及性、综合性、经济实用性等方面考虑，目前土壤质量评价物理指标主要是土壤容重、机械组成、含水量、孔隙度、质地和土层厚度。

2.1.2化学指标

土壤质量评价采用的化学指标有土壤有机质（SOM）、pH、大量元素（全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾）、阳离子交换量（CEC）、电导率（EC）、土壤含盐量（全盐、盐基饱和度、交换性盐基）、交换性钙、微量元素（有效铁、有效锰、有效铜、有效锌）。

11篇文献未采用化学指标进行土壤质量评价。SOM是土壤养分的主要给源和仓库，选用率为94.4%，是使用频率最高的化学指标（表2）。pH影响着绝大部分土壤养分有效性和土壤生物活性[33]，选用率为68.0%。土壤氮、磷、钾的全量及其有效性与土壤肥力密切相关，全氮、全磷和全钾是土壤速效养分的储备指标，表征土壤氮、磷和钾速效养分持续供应的潜在能力[34-35]，探讨土壤肥力状况是土壤质量评价的核心内容之一，无疑养分元素是土壤质量评价中重要的指标。CEC是保肥、供肥性和缓冲能力的重要指标，选用率为24.0%。EC能反映土壤盐分状况，是表征土壤酸化、次生盐渍化等土壤质量退化状况，EC较易于获得，常常取代土壤含盐量、盐基饱和度和交换性盐基运用于土壤质量评价中[10，28]。鉴于土壤中微量必需营养元素在土壤中的有效含量较低，且较难测定，需要昂贵的精密分析仪器，国内选择大量元素作为评价指标而较少考虑[36]，随着科学界对土壤质量的要求不断提高，中微量营养元素已被运用于土壤质量评价中[37-38]。

综上可知，目前土壤质量评价化学指标主要是SOM、pH、大量元素的全量（全氮、全磷、全钾）和有效量（碱解氮、速效磷、速效钾）。

2.1.3生物学指标

土壤质量评价采用的生物学指标有细菌、真菌、放线菌、固氮菌、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、其他酶（多酚氧化酶、脱氢酶、蛋白酶、淀粉酶）、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷、呼吸强度、C/N、微生物熵、代谢熵。

87篇文献未采用生物学指标进行土壤质量评价。土壤蔗糖酶在土壤碳循环有重要作用，可以反映土壤熟化水平[39]，选用率为53.1%，是使用频率最高的生物指标（表3）。土壤磷酸酶和脲酶分别参与土壤磷、氮素转化，其活性表征土壤磷、氮营养元素含量的高低[40]，选用率都是44.9%和40.8%。土壤过氧化氢酶促进过氧化氢反应分解，从而提高土壤微生物活性[41]，其选用率为30.6%。微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷含量虽低，但在土壤碳、氮、磷营养元素循环上起到重要作用，是反映土壤质量发展和退化的重要指标[42]，选用率分别为30.6%、30.6%、12.2%。鉴于土壤细菌、真菌和放线菌等土壤微生物的样品采集、保存和测定受许多人为因素干扰大，其选用率较低。其他生物指标可以表征或换算土壤呼吸强度、C/N、微生物熵、微生物代谢熵等土壤生物指标，故在土壤质量评价中选用率较低。

综上可知，目前土壤质量评价生物学指标主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。

2.2评价指标筛选方法

鉴于土壤质量评价可选择指标太多，虽然指标选择越全面越能真实的反映土壤的实际质量，但考虑到在实际研究中的简单易行、经济适用性和可操作性等问题，最小数据集（Minimum Data Set，MDS）代表土壤质量评价最小最敏感指标集合，在土壤质量评价中得到了广泛的应用[25，37]。但MDS因评价区域、评价者和评价目的不同而有所增减，MDS优化方法有很多种。经文献调查发现，土壤质量评价指标筛选方法有主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、相关分析（Related Analysis，RA）、典范对应分析（Canonical Correspondence Analysis，CCA）、逐步回归分析、专家经验法。

102篇文献未对评价指标的进行筛选。PCA能减少指标冗余，选用率高达67.6%，是使用频率最高的指标筛选方法（表4），但其只考虑评价指标在主成分上的荷载大小进行土壤质量评价指标，会引起剔除指标所包含的土壤质量信息丢失[43]。基于PCA并结合函数值（Norm值）、RA或逐步回归分析的筛选方法既最大限度地减少指标冗余，又能尽可避免评价指标所包含的土壤质量信息被忽略，用较少的指标表达大部分信息量[44]，是目前逐步被采用的指标筛选方法。CCA普遍应用于筛选对植物群落树种组成与分布影响的土壤肥力指标[13-14]，在森林土壤质量评价中采用较为广泛。专家经验法主观随意性大，会引起评价结果存在差异性，选用率较低。

2.3评价指标权重的确定方法

权重是指各评价指标在整体评价中所占的比重，用来衡量各评价指标的相对重要性。土壤质量评价指标的权重确定方法包括主观赋值法、客观赋值法、主客观综合赋值法[43，45]。经文献调查发现，主观赋值法有层次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）、专家打分法;客观赋值法有主因子分析（Principal factor analysis，PFA）、RA、灰色关联分析。

58篇文献未采用权重进行评价。PFA确定权重能客观反映各项指标对土壤质量总体变异的贡献率，选用率为59.0%，是客观赋值法中使用频率最高的方法（表5）。RA是以某指标与其他指标之间相关系数的平均值占所有指标相关系数平均值总和的比来表示权重[5，38]，选用率为15.4%，是使用频率仅次于PFA的客观赋值法。AHP法将复杂土壤质量问题的各评价指标层次化，将定性、定量信息结合起来确定出每一层次相对重要性的权重值，并进行一致性检验，符合客观实际[11-12]，选用率为26.9%，是主观赋值法中使用频率最高的方法。专家打分法能合理的对权重进行排序，但主观随意性大，选用率较低。采用灰色关联分析时，当评价对象的指标具有可测性，则该法的准确性较大[46]，但是当土壤质量指标值过于离散时，会丢失部分信息[16-17]，选用率最低。主客观综合赋值法为了克服主观赋值法具有主观随意性和客观赋值法依赖于样本数可能与实际相悖的缺點，而综合主观赋值法在权重排序上具有较高合理性和客观赋值法在实际评价中具有较强客观性的优点，无疑主客观综合赋值法更具准确性、合理性、科学性和实用性。但是这些组合权重在众多主观和客观权重确定方法没有统一的搭配方式，不同的搭配方式会得到不一样的结果。

综上可知，目前土壤质量评价权重的确定方法中的主观赋值法主要是AHP，客观赋值法主要是PFA。主客观综合赋值法是未来土壤质量评价权重的确定方法的发展趋势。

2.4土壤质量评价方法

经文献调查发现，土壤质量评价方法有土壤相对质量指数法（加权综合指数法、加权指数和法）、内梅罗综合指数法、灰色关联分析法、聚类分析法、物元分析法、TOPSIS法。

在136篇文献中有14篇采用环境质量评价方法和6篇采用指标含量的高低比较进行评价。土壤相对质量指数分为加权指数和法和加权综合指数法，加权综合指数法充分考虑了评价指标值、权重、评价指标间交互作用和最小限制率对土壤质量评价的共同影响[15，47]，其缺点在于采用乘法组合使评价结果大者更大，小者更小的倍增效应，会造成与客观实际不符，有学者研究表明加权指数和法计算MDS的代表性比加权综合指数法高[5，37]。从文献分析上看，加权指数和法的选用率为65.5%，是使用频率最高的评价方法，加权综合指数法选用率为24.1%，是使用频率仅此于加权指数和法的评价方法，两者共占89.6%（表6）。灰色关联分析只需要对原始数据进行标准化，克服了确定标准值的过程中产生的主观影响，但是在标准化过程中，当土壤质量指标值过于离散时，会丢失部分信息[46]。聚类分析是多元分析中研究物以类聚的一种方法，聚类图谱可直观地表达聚类结果，但该法不能定量描述土壤质量状况，选用率较低。物元分析以可拓集合论为数学基础，能解决各评价指标存在不相容性和可变性问题[18-19]，该法计算过程相对复杂，选用率较低。TOPSIS法采用倒数法对评价指标进行标准化，避免了采用极值进行标准化所引起的弊端，且不需要权重，可以排除主客观权重进行土壤质量评价带来的误差，能够客观评价土壤质量[3，20]，逐步被运用于土壤质量评价中。综上可知，土壤相对质量指数法在土壤质量评价研究中依然占据主导地位。

3结论

目前国内研究者进行土壤质量评价的指标大致分为物理、化学和生物学三大类，物理指标主要是土壤容重、机械组成、含水量、孔隙度、质地和土层厚度;化学指标是主要是SOM、pH、大量元素的全量（全氮、全磷、全钾）和有效量（碱解氮、速效磷、速效钾）;生物指标主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。国内研究者通用的土壤质量评价系统是采用PCA并结合Norm值、RA或逐步回归分析对MDS的进行优化，PFA或AHP确定各评价指标的权重，最后采用土壤相对质量指数法进行土壤质量综合评价。

4展望

当前国内在土壤质量评价中的土壤养分研究经常采用常规养分指标，中微量养分和生物学指标研究较少，应该在这方面进行加强。土壤资源的管理和持续利用涉及到生态指标、经济指标和社会指标的综合评价，而土壤质量评价局限于土壤内部的物理、化学和生物学指标这一小部分的生态指标，结合生态、经济和社会的综合性则更能有效地预警和监测未来土壤变化的趋势。土壤质量评价指标的权重确定方法上局限于简单的主观赋值法和客观赋值法，应该尝试采用能避免简单的主客观赋值法缺点的主客观综合赋值法。目前土壤质量评价方法较多评价结论的非一致性，受指标选择方法、权重确定方法和综合评价方法居多的影响，且各种评价方法都有一定的局限性和不足之处，对同一评价对象采用不同方法进行评价其结论可能存在较大差异，所以要基于组合评价研究，对同一评价评价采用若干方法进行比较，最终确定最优组合，解决多方法评价结论的非一致性问题。鉴于当前国内外土壤质量的最新研究进展，我国今后一段时间内的土壤质量研究工作应主要集中在评价指标的筛选和评价方法的优化组合、土壤质量演变的过程机理、土壤质量保持与提高关键技术和动态监测与预测预警方面研究。

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