基于CNKI文献分析下不同生态系统土壤质量评价研究

俞琦 胡劭骥 申欣凯 曲来叶

摘要 目的：深入探究并总结不同生态系统的土壤质量评价过程。方法：基于中国知网（CNKI，http：//www.cnki.net）1950—2020年有关森林、农田、草地和湿地生态系统土壤质量评价的文献，对4类不同生态系统的土壤综合质量评价的指标体系、评价方法和指标权重确定方法进行了统计分析。结果：汇总得出了各生态系统的基本理化生指标等常用指标，筛选出了不同生态系统常用的重金属、污染物、微量元素等土壤环境质量和健康质量指标，最后针对不同生态系统常用的权重确定方法及评价方法，整合得到4类生态系统土壤评价体系图。结论：本文针对不同生态系统提出土壤评价指标及方法，为今后相关研究人员进行土壤质量研究提供参考。

关键词 土壤质量评价；生态系统；指标选取；指标权重；评价方法

中图分类号 X825 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）04-0104-10

Evaluation of Soil Quality in Different Ecosystems Based on CNKI Literature Analysis

YU Qi1， 2   HU Shaoji1   SHEN Xinkai3   QU Laiye2*

（1Yunnan University， Kunming Yunnan 650000;

2Ecological Environment Research Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049;

3Shanxi Metallurgical Rock-Soil Engineering Investigation Limited Company， Taiyuan Shanxi 030021）

Abstract Objective： To explore and summarize the soil quality evaluation process of different ecosystems. Method： This study is based on the CNKI's literatures on soil quality evaluation of forest， farmland， grassland and wetland ecosystems from 1950 to 2020. Statistical analysis of index systems， evaluation methods and indicator rights of soil comprehensive quality evaluation is conducted. Result： This paper summarize the basic physiological indexes of each ecosystem， and then screen out soil environmental quality and health quality indicators such as heavy metals， pollutants， trace elements of different ecosystems; finally， for different ecosystems commonly used weight determination method and evaluation method， integrated results from four types of ecosystem soil evaluation system. Conclusion： Soil evaluation indicators and methods for different ecosytems were proposed to provide reference for soil quality research in the future.

Keywords soil quality evaluation; ecosystem; index selection; index weight; evaluation method

土壤是植物生存和農业发展的重要载体，土壤质量能在一定程度上反映该地区土壤的恢复能力[1]，常用作衡量土壤环境状况的重要标准[2]。土壤质量是不能被直接测量的指标，需要测定不同的性状来反映[3]。因此，借助一定的评价体系是极其必要的，选择合适的指标和方法必须依据土壤的性质、研究的目的以及不同的生态系统功能来确定[4]，普遍认为土壤质量包括肥力质量、环境质量和健康质量[5]。现有的研究多集中在土壤肥力质量方面，而对土壤环境质量和健康质量的研究则较少，对土壤质量综合评价的研究也不充足[6]，尚未形成土壤质量综合评价的标准体系[7]。

近年来，以土壤质量评价为目标已有了大量的研究和综述，但是还没有针对不同生态系统进行分类探讨土壤质量评价的相关研究。我国按主要土地利用类型分为农田、森林、草地、水体与湿地、荒漠、人工表面和其他等7类生态系统[8]。鉴于荒漠土壤干旱贫瘠，不适宜作物生长和人类生存，而人工表面所占面积相对较小，因而在土壤质量评价过程中重要性相对较低[9]。为此，本文选取农田、森林、草地和湿地4类重要生态系统进行土壤质量评价相关研究。不同生态系统分别肩负着不同的生态、经济、文化等功能[10]，如森林和湿地生态系统主要执行生态环境保护的功能，基于土壤进行环境质量、健康质量评价指标较多[11]，而农田、草地肩负经济功能较大。生态系统的特点和承载的功能大相径庭，人类活动差异也极其显著，因而在进行土壤质量评价的过程中，应提出相应的质量指标以及评价方案。

1 研究方法

文献数量能够在一定程度上反映相应指标及方法在该生态系统土壤质量评价中的相对重视程度[12]。本文基于中国知网，采用文献计量分析法，针对不同生态系统为一级检索词，各类指标、权重确定方法以及评价方法作为二级检索词进行检索，得出对应期刊文献数量，为不同生态系统提出更适宜的土壤参考评价过程。特别说明，本文对重要指标的定性方法是根据使用的文献数量，在所有指标中去掉一个使用最多和最少的，剩下指标采用的文献数求平均值。本文认为，使用文献数超过这个平均值的指标定为重要指标。

2 结果与分析

2.1 不同生态系统土壤质量评价指标的选取

2.1.1 森林土壤评价指标。森林是陆地生态系统中面积最大、自然资源储量最丰富的生态系统[14]，不仅能为人类生产生活提供优质资源，还兼具改善土壤、净化空气、美化环境以及防风固沙等多种生态功能[8]，已成为全球生态赖以生存的绿色保护伞。土壤作为森林生态系统最重要的组分之一，为森林提供赖以生存的水、肥、气、热等物质条件，成为营养元素转化的重要枢纽，对森林生态系统的可持续发展发挥着重要影响[15]。森林土壤质量是指森林为了维持生态系统生产力以及动植物的正常生长提供养分的能力。森林土壤质量将对林木和林下植物产生直接影响，反过来，森林生态系统的组成、结构与功能的变化也会影响森林土壤质量演变的强度和方向[16]。相对于其他3类生态系统，生物指标在森林土壤质量评价中相对运用较多[14，15]，但物理化学指标仍然是使用最多、最广的[17]。基于图1统计数据，可得出森林土壤物理重要指标、化学重要指标和生物重要指标。

2.1.2 农田土壤评价指标。农田生态系统是极其特殊的一类生态系统，因为其人为化程度较高[18]，在农业生产生活中，经常通过施用化肥、除草剂和农药、灌溉等技术手段来提高土壤生产力和农作物产量[19]。相关研究表明，长期施用化肥，不但会降低农田土壤孔隙度，使土壤团聚体和黏砂比遭到一定程度的破坏，还可能造成土壤质量下降，养分利用效率降低，最终影响农作物的产量和品质[20]。随着经济增长和人类社会的发展，在国家愈发重视生态环境建设的大背景下[13]，在保证农产品产量和质量的同时，又要保证农田生态系统不被破坏。因此，探究农田生态系统土壤质量评价关键性指标的选取具有重要意义。基于图2统计数据，可得出农田土壤物理重要指标、化学重要指标和生物重要指标。

2.1.3 湿地土壤评价指标。湿地是一类综合生物、土壤、植被与水文的复杂且特殊的生态系统，衔接了陆地和水域两大生态系统[21]。因此，湿地生态系统的演替与稳定性与土壤质量有着直接或间接的联系[22]，湿地土壤质量是表征其健康状态的重要指标。随着对湿地认识程度的不断加深，健康评价的方向逐渐丰富，从单一的水质理化指标转变为湿地土壤、水域底泥等复杂综合质量评价。近年来，土壤、生物等不同尺度已经成为全面深入进行湿地生态健康评价的重要体系[23]。基于图3统计数据，可以得出湿地土壤物理重要指标、化学重要指标和生物重要指标。

2.1.4 草地土壤评价指标。草地生态系统占全球陆地面积的20%以上，具有分布面积广、有机物产量大、人为因素干扰多等特点[24]。草地植被还能有效减少泥流冲刷土壤，使水土流失率显著降低，达到涵养水源的效果[25]。随着人类活动和工业化发展，不合理开发利用使得草地植被退化、土壤污染和水土流失现象愈发严重[26]。研究显示，我国每年有超过6 000 km2的草原正在消失[27]，草原生态系统受到严重破坏。而土壤质量评价是草地生态修复中重要且关键的一环，值得受到更多关注。基于图4统计数据，可以得出草原土壤物理重要指标、化学重要指标和生物重要指标。

2.2 土壤质量评价中常用环境质量和健康质量指标

因为常规指标按照物、化、生分类的分类模式较综合，某些指标虽然在常规分类中使用频率相对较少，但是作为环境质量指标和健康质量指标是相当重要的[28-30]。其中，重金属、污染物、微量元素相关指标是环境质量和健康质量中最为重要的3个部分指标[31]。本文将三者单独提取绘制图5、6、7。因为草地和湿地生态系统的文献数量较少，右图使用各项指标文献与该生态系统所有相关指标文献总数之比制作文献比例图来反映指标在草地生态系统和湿地生态系统的重要性。从图5、6、7可以看出，森林使用的重金属指标中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr使用较多；污染物指标中，农药占比最大，其次是多环芳烃；微量元素指标中，有效锌、硼、有效铜、有效锰、有效铁都是常用的指标。农田重金属指标中，Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Hg使用较多；污染物指标中农药、地膜、多环芳烃、苯和石油的文献数量也较多；常用的微量元素指标为有效锌、有效铜、有效铁和硼。草地重金属指标中，Pb、Cd、Cu、Zn可以列为主要指标；农药、地膜和苯为主要污染物指标；有效锌、有效铜、硼、有效铁为主要微量元素指标。湿地重金属指标中，Pb、Cd、Cu、Zn、Hg比例较高；石油和多环芳烃为污染物指标；有效锌、有效铜、有效锰、有效铁为主要的微量元素指标。

2.3 不同生态系统指标权重确定方法的选择

权重是对各种评价指标赋予相对值，用来权衡对应指标在整个评价中的相对重要性[32]。以往研究中使用的指标权重确定方法中层次分析法、主成分分析法、敏感性分析法较常用[33]。但由于指标权重的确定方法是比较主观的，且生态系统的土壤质量破坏与修复都是一个从量变到质变的连续过渡过程[34]。因此，在具体评價过程中应依据不同权重确定方法的特点进行选择。如层次分析法，主要依靠专家主观经验对各项指标的重要性进行估计，随后对结果进行客观加权[35]，这类方法较简单高效，但是主观性强。主成分分析法是根据统计分析软件的结果得出各项指标的重要性排序后加权，该方法较客观[36]，但可能结果会有悖于经验常识。敏感性分析是通过改变指标的相关数值，来衡量该指标受数值变动影响的大小[37]。权重的确定都不可能完全在客观下进行，因此可以依据不同目标和问题，对土壤质量评价指标权重确定方法进行适当微调，尽可能规避各个方法的缺陷。土壤质量评价过程中指标权重的确定问题是综合评价的焦点和重点，确定权重确定方法是解决该问题的关键所在。

图8是4类生态系统进行土壤质量评价相关研究中运用指标权重确定方法的文献数量统计表，由图8可知森林、农田、草地湿地使用频率较高的权重确定方法。

2.4 不同生态系统土壤质量评价方法的选择

评价方法的选择对土壤综合质量评价结果的影响至关重要。当前研究中常用的评价方法包括内梅罗综合指数法、地理信息系统法（GIS）、地统计学、模糊数学法、线性回归法等[38]。其中，内梅罗指数法是土壤环境质量相关评价中标准化程度很高的土壤评价方法，使用最广泛；地统计学法和地理信息系统法针对大面积土壤评价中应用很广泛，如森林等人工化不明显的生态系统；模糊数学法是运用隶属度来表述土壤受到污染和退化的模糊性，因为土壤质量的退化是渐变的，而非有具体临界值的变化，用模糊数学法能有效提升结果的准确度，现已广泛运用于土壤污染物质量评价中。综上所述，未来研究中对于土壤质量评价方法的选择，应该依据不同土壤质量评价方法的特点及评价目的，进一步完善土壤质量评价方法的选择标准。由图9可以得出4类生态系统使用较多的土壤评价方法。

3 讨论

3.1 不同生态系统中某些特殊指标运用较多的原因分析

3.1.1 森林土壤评价。相较于其他3类生态系统，森林生态系统生物指标相对运用较多，尤其是微生物指标和酶指标，其原因可能是由于森林生态系统原始化程度高、受人为破坏小，且动植物多样性丰富，土壤中微生物种类和生物量都比农田、湿地、草地生态系统的大[39]。酶是动植物各类生化反应的重要媒介，参与能量转化与物质循环过程。土壤酶对几乎所有土壤生物化学过程起到催化剂的作用，为生态系统代谢提供重要动力，也是衡量土壤肥力的重要生物指标[40]。土壤酶特性密切反映着理化性质、水热状况以及环境条件的变化，是森林土壤质量评价指标中关键性的环节之一。

3.1.2 农田土壤评价。土壤养分因子是农田生态系统土壤质量评价的重要指标，因为养分因子能敏感且有力地表征土壤质量变化[41]。王清奎等通过长期试验研究表明，有机质能改变植物根系环境，提升土壤结构稳定性，使农田土壤肥力和保水能力有效增强[42]。因此，在农田土壤系统中，有机质和 N、P、K 含量等土壤养分指标是影响土壤质量的关键因素。同时相较其他生态系统，农田有机碳、C 循环相关酶、微生物、气候条件等指标也相对特殊。这与农田生态系统的碳功能相关[43]。近年来的研究显示，农田碳库是陆地上最重要的碳库之一[44]。碳固存能力与土壤肥力密切相关，其强弱与理化性质、温湿度、管理措施等因素密切相关。研究显示，较低温度较高湿度下土壤固定碳的能力较强[45]，故气候条件是影响土壤有机碳储量的主导因子，作为农田重要的物理指标存在。研究表明，黏粒和粉粒具有比砂粒更强的离子吸附作用，能够更好地进行有机碳的吸附固定，因此土壤质地也是重要指标之一。同时C循环相关酶参与农田土壤碳循环和转化，土壤碳含量会随着酶活性增强而增加[40]。此外，土壤碳组分还与土体微生物种类、数量及其多样性息息相关，随着土壤有机碳的增加，土壤中微生物的活性显著提高，因此微生物也作为衡量土壤质量变化的敏感指标存在。

3.1.3 湿地土壤评价。湿地生态系统土壤综合质量评价指标的选择上，更关注土壤盐分因子、水分因子、土壤黏砂比等指标。由于湿地生态系统处于衔接水陆的特殊地理位置，易受海水入侵等生态干扰，这使得湿地土壤质地特殊，含水量和含鹽量长期处于较高水平，这种水盐环境通过影响土壤理化性质、酶活性和微生物多样性，最终显著影响土壤质量[46]。大量研究表明，土壤盐分的增加会抑制土壤酶活性及生物活性，从而对土壤质量产生负面影响。因此，水盐水平的变化是影响湿地土壤特性和质量发展的重要因素。同时值得关注的是土壤pH，pH受土壤水盐含量的影响非常显著，因为pH是由土壤中氢离子的浓度决定的[47]。研究表明，潮湿环境条件下容易发生土壤自然酸化，因此湿地的土壤pH通常较农田、森林和草原低[48]。酸碱度直接对土体质量、土壤缓冲能力和养分固定能力产生影响。邵学新等研究发现，淋失较多盐分的土壤的酸碱缓冲能力较弱，淋失盐分较少的土壤酸碱缓冲能力较强[49]。因此，酸碱度直接对土体质量、土壤缓冲能力和养分固定能力产生影响，因而pH也是一个值得关注的湿地指标。

3.1.4 草地土壤评价。草地生态系统较特殊的指标是土壤质地、通气性、有机物等。李绍良等选取了土壤硬度、有机物含量、土壤质地作为草地土壤综合质量评价的关键指标，分析草地土壤退化和水土流失等现象，认为草地土壤水分降低、有机物流失、泥沙比增大是草地土壤退化的主要表现，砂粒占比提升会造成土壤通透性降低[50]。因此，在进行草地生态系统的相关研究时，需要特别关注土壤质地、通气性和有机物等指标。

3.2 不同生态系统土壤质量评价指标及方法体系

根据前文的统计分析结果，分别对4类生态系统初步拟定了一套指标方法体系（图11、12、13、14），包含指标板块和方法板块。指标板块由各生态系统相关土壤质量评价文献中使用较多的基础物理化学生物指标形成基础指标板块，在此基础上加上相关研究中所需要的土壤环境质量指标、土壤健康质量指标组合形成指标体系。本图选出在全部生物指标中使用频率较高加入到评价过程中去，有助于提升生物指标在今后研究中的选取率[51]。同时，因为土壤质量评价研究的侧重点也各有不同，重金属指标、污染物指标、微量元素指标单独提取，方便研究人员在进行相关研究时速查其中使用频率高的指标。方法体系则由常用权重确定方法及常用质量评价方法组合形成。如图10所示，在进行森林生态系统的土壤质量评价过程时，在选取基础物化生指标后，如要侧重进行森林重金属研究，则须重点关注Pb、Cd、Cu、Zn、Cr指标；如要侧重进行森林污染物研究，则重点关注农药和多环芳烃指标；如要侧重进行森林微量元素研究，则重点关注农药和多环芳烃指标交换性钙、交换性镁、有效锌、硼、有效铜、有效锰、有效铁指标。指标选取完成后，确定指标权重时，可以在森林生态系统常用的因子分析法、主成分分析法、层次分析法、敏感性分析和均方差法中选取最方便且符合研究条件的。最后确定评价方法时，针对森林生态系统常用的地统计学法、内梅罗综合指数法、地理信息系统法、模糊数学法、生命周期评价法中，结合经济、人力、时间等条件选择最合适的一种。这样就可以快捷且科学地完成森林生态系统土壤质量评价的全过程。同理，可根据图11、12、13得出农田、草地、湿地生态系统的土壤质量评价过程。

图13 湿地生态系统土壤评价方案

后续相关研究人员对4类生态系统进行土壤质量评价时，可以参考该体系，快速筛选研究适宜的指标、权重确定方法以及评价方法，结合实际研究情况和经验常识，在该体系基础上进行适当调整，希望该体系能够对未来土壤质量评价中指标的选择起到参考作用。

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（责编：张宏民）