土壤質(zhì)量的時空變異與評價指標選擇

土壤質(zhì)量的時空變異與評價指標選擇

土壤是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類社會工業(yè)化、城市化的加劇,世界各地土壤退化相當嚴重,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態(tài)的最敏感的指標,因而能體現(xiàn)自然因素及人類活動對土壤的影響。因此,有關(guān)土壤質(zhì)量的研究已成為當前國內(nèi)外土壤學、農(nóng)學及環(huán)境科學界共同關(guān)注的熱點課題之一。為此,筆者綜述了近年來土壤質(zhì)量的概念、評價指標和評價方法的研究進展,重點分析了土壤質(zhì)量的時空變異,并就該領(lǐng)域目前的研究趨勢與熱點提出建議,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對土壤理化性質(zhì)的影響自20世紀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)量會議認為土壤的主要功能包括3個方面: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動植物健康。即土壤質(zhì)量影響動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個既相對獨立而又有機聯(lián)系的組分之綜合集成。美國土壤學會對土壤質(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植物健康能力的集中表現(xiàn);另一方面是動態(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)量的測定評價某一特定土壤的質(zhì)量是由該土壤的固有屬性、預期的土地利用類型和管理目的決定的。由于土壤是一個復雜的功能實體,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,不能對土壤質(zhì)量進行直接測定及評價,但可以通過各種土壤質(zhì)量指標進行推測。而如何選取合適的土壤質(zhì)量指標就成為評價土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。2.1土壤質(zhì)量評價土壤質(zhì)量指標是表示從土壤生產(chǎn)潛力和環(huán)境管理的角度監(jiān)測和評價土壤健康狀況的性狀、功能或條件。也有人認土壤質(zhì)量指標是指能夠反映土壤實現(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)對土壤質(zhì)量指標的選擇進行了有益的探索,但土壤質(zhì)量評價指標的研究仍然只是一些從不同關(guān)心角度進行的嘗試,始終沒有形成一個合適的體系和標準。土壤質(zhì)量指標可分為定性指標和定量指標。定性指標一般是通過看、聞和感覺來確定土壤質(zhì)量,包括土壤有機質(zhì)顏色、根系和作物長勢等表觀性指標。這些描述性指標因為不能量化,而得不到大家足夠的重視。土壤質(zhì)量的定量指標分化學指標、物理指標和生物學指標。表1是劉世梁等列出的土壤質(zhì)量指標匯總及其分類。從表中可以看出,在土壤質(zhì)量評價中,所選取的土壤指標范圍很廣,涵蓋了土壤質(zhì)量的各個方面,但在指標的使用頻率上仍主要側(cè)重于土壤理化性質(zhì)的評價,而作為土壤健康指標的生物指標使用較少。由于土壤質(zhì)量評價具有目的性和針對性,不同研究目的決定著不同的土壤功能,從而對應不同的評價指標。許多理化、生物學屬性都可能是參評因子,但由于土壤利用方式的多變性、土壤性質(zhì)的時空變異性及數(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“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)量評價及監(jiān)測工作中得到了廣泛的應用。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個指標作為MDS對新西蘭不同土地利用類型的土壤進行了評價。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)量評價MDS,包括有機質(zhì)、pH、容重、全鉀、速效鉀、速效磷。2.2生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)評價的確定土壤質(zhì)量的評價方法尚沒有統(tǒng)一的標準,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,另外與評價目的和評價尺度也有關(guān)。目前,評價方法可以概括為定性評價和定量評價。2.2.1土壤改良性方法定性評價是通過綜合各土壤性質(zhì)的判斷給予土壤質(zhì)量一個相對好壞的評價,這種方法應用并不廣泛。土壤質(zhì)量卡和土壤質(zhì)量試驗箱是主要的2種土壤質(zhì)量定性評價方法,這2種定性評價方法的優(yōu)點是快速,且可以幫助農(nóng)民了解土壤理化和生物方面的知識,了解不同的管理措施對土壤的影響。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)田評價,受人的主觀影響很大,且不能反映土壤質(zhì)量動態(tài)變化過程。2.2.2土壤質(zhì)量評價方法的應用隨著地統(tǒng)計學、GIS技術(shù)、模糊數(shù)學、計量經(jīng)濟學等在土壤質(zhì)量評價中的應用,土壤質(zhì)量評價方法已呈多樣化發(fā)展,可以根據(jù)評價區(qū)域的時間和空間尺度、評價的土壤類型以及評價的目的選擇適宜的評價方法。目前常用的定量評價方法主要有以下幾種。2.2.2.土壤指標評分方法的比較指數(shù)法是目前使用較廣泛的決策方法,包括選擇合適的指標、將指標轉(zhuǎn)化成分值和綜合分值生成指數(shù)3個主要步驟。目前主要分為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法和土壤相對質(zhì)量評價法。該方法源于Doran等提出的土壤質(zhì)量的綜合評分法。Andrews等對每個步驟的方法進行了系統(tǒng)的比較,發(fā)現(xiàn)在選擇土壤評價指標時,主成分分析法和專家法都可以選擇有代表性的土壤指標組成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科的偏見;在指標評分方法中,非線性方程比線性方程效果更好;在綜合指標的評分方法中,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都能支持作物正常生長的需要,以這種土壤的質(zhì)量指標為標準,其他土壤與它相比,得出相對土壤質(zhì)量指數(shù)RSQI。該方法方便、合理、針對性強,評價結(jié)果較符合實際,適于對土壤的長期管理,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,當利用該法研究土壤質(zhì)量變化時,必須有時間和起點概念。2.2.2.多變量指標轉(zhuǎn)換該法是美國農(nóng)業(yè)部和華盛頓州立大學的研究者提出的,它可以將無數(shù)量限制的單個土壤質(zhì)量指標利用地統(tǒng)計學方法綜合成一個總體的土壤質(zhì)量指數(shù),將這一過程稱為多變量指標轉(zhuǎn)換(MVIT)。運用多變量指標克立格法評價土壤質(zhì)量的結(jié)果不再局限在一個地塊的評價,將空間尺度擴大,評價土壤質(zhì)量空間變異性,評價時也可以將管理措施、經(jīng)濟和環(huán)境限制因子引入分析過程。2.2.2.系統(tǒng)動力學方法土壤質(zhì)量是一個動態(tài)變化的過程,其土壤屬性都是隨著時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)實踐的影響。Larson和Pierce提出了利用系統(tǒng)動力學的方法來描述土壤質(zhì)量動態(tài)變化的方法。它是將土壤質(zhì)量(Q)看作各個土壤性質(zhì)(qi)相互影響的綜合函數(shù):Q=f(qi…n),若要反映整個土壤質(zhì)量的變化,可以選擇一階導數(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,其核心為動力學結(jié)構(gòu)模型。Kwansoo等運用該法研究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)量恢復到最初水平的速度。2.2.2.模糊數(shù)學與gis的結(jié)合此外,將地理信息系統(tǒng)(GIS)、地統(tǒng)計學、數(shù)學模型結(jié)合,如模糊數(shù)學與GIS的結(jié)合,灰關(guān)聯(lián)分析與GIS的結(jié)合,也陸續(xù)被應用到土壤質(zhì)量評價中。3然歷史綜合體土壤是母質(zhì)、地形、氣候、生物、時間和人為因素長期綜合作用形成的復雜的自然歷史復合體。在不同的空間尺度、不同的地理區(qū)域、不同的人為干預條件下,由于促成其空間演變的主導因素不同,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識土壤有機體、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)動力,它有利于土壤質(zhì)量因子空間變異結(jié)構(gòu)性的加強和相關(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)為較大的隨機性,它往往對變量空間變異的結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性具有削弱作用。3.2對土壤空間插值的預測20世紀80年代初,空間異質(zhì)性已成為土壤科學研究的重要內(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)計分析過渡到Matheron提出的地統(tǒng)計學分析,應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、土壤修復等新領(lǐng)域。當前地統(tǒng)計學與土壤質(zhì)量因子空間變異的幾個重要結(jié)合點和應用面是:地統(tǒng)計學和土壤多源數(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,單一地對土壤特性進行空間變異研究和預測時,其精度一般很難達到預期的結(jié)果,而充分挖掘和利用與目標變量相關(guān)的因子,預測精度往往效果更好。結(jié)合輔助變量以提高目標變量的預測精度的方法的研究和應用已有很多,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光波段光譜值與土壤屬性數(shù)據(jù)之間的回歸分析來預測土壤有機質(zhì)、pH值、K的空間分布。協(xié)克立格是用幾個變量的測量數(shù)據(jù)對所感興趣的一個或多個變量進行估值的一種方法,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測結(jié)果。Gregorio等利用高密度土壤電導率數(shù)據(jù)和協(xié)克立格法估計土壤有機碳,預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)預測的土壤有機質(zhì)、土壤耕層深度的空間分布圖均比普通克立格法更詳細、更準確。姜勇等利用輔助變量對污染土壤鋅及農(nóng)田土壤有機質(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)個數(shù)不能少于主變量的數(shù)據(jù)個數(shù),同時,克里格插值會有平滑效應,易使預測值向均值或中值偏移,直接導致預測結(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)絡技術(shù)在土壤空間變異方面的應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)等以空間坐標和鄰近樣點信息作為網(wǎng)絡輸入,利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(RadialBasisFunctionNeuralNetwork,RBF)對土壤有機質(zhì)、全氮和有效錳進行空間插值產(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)絡用于土壤養(yǎng)分的空間變異的研究是可行的,而且它對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樣本數(shù)量有一定的要求。廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(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)預測問題的工具之一,它是徑向基網(wǎng)絡的變形,克服了BP網(wǎng)絡存在的收斂速度慢和局部極小等缺點;與地統(tǒng)計方法相比,可以得到相近或更好的結(jié)果,而且即使在適當減少采樣數(shù)量和加大采樣間隔時,也能獲得較好的結(jié)果,但是由于該神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的函數(shù)擬合和逼近的能力,因此,用于訓練的樣本數(shù)據(jù)必須具有很強的代表性。4社會、經(jīng)濟和政策土壤質(zhì)量是個非常綜合的概念,不僅涉及到土壤學、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、經(jīng)濟和政策有關(guān)。目前,對于土壤質(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)量評價的理論、方法和指標體系、土壤質(zhì)量變化的原因、土壤質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測與預測預警及對策等方面,總結(jié)當前國內(nèi)外土壤質(zhì)量研究的最新進展,結(jié)合我國的實際情況,土壤質(zhì)量研究還存在以下的主要問題,應加強這幾個方面的研究。(1)建立標準化的土壤質(zhì)量評價體系雖然土壤是一個復雜的綜合體,土壤質(zhì)量評價也是針對特定的土壤功能進行,但是為了便于對不同地區(qū)和不同研究者的研究結(jié)果進行比較,需要對土壤質(zhì)量評價進行標準化,包括對確定研究目的、選擇評價指標、確定和描述點位、確定采樣程序和方法、樣品儲藏、準備和預處理、樣品分析和結(jié)果表達方式、針對評價目的進行結(jié)果分析、獲得解決方案各個步驟的標準化。(2)建立了比較完整的指標體系目前,國內(nèi)外學者主要集中在某個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)量評價研究,也基本形成了一套指標體系,但是評價尺度還是不夠大,且土壤重金屬污染等負面指標納入土壤質(zhì)量評價范圍的研究也較少。(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、標準農(nóng)田建設(shè)、耕地占補平衡等工作還沒有將土地質(zhì)量放在首要位置考量,對現(xiàn)有基本農(nóng)田、標準農(nóng)田的土壤質(zhì)量的定量評價,耕地占補平衡的質(zhì)量分析量化研究較少。(4)土壤肥力質(zhì)量空間預測丘陵山區(qū)特定景觀區(qū)域的土壤由于受復雜地形和人類利用的影響,其土壤物理、化學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,但是目前還沒有一套關(guān)于山區(qū)土壤肥力質(zhì)量空間預測的成熟方法,且預測精