什么叫“土壤健康”

土壤健康的诊断和评价方法

摘要： 土壤是维持陆地生态系统功能和持续性的至关重要的有限资源。土壤质量和土壤健康与农牧业的可持续发展和环境质量的改善息息相关。随着人类大规模地开发和利用自然资源，使人类生活和生产所处的土壤地质环境日益严重地受到多种化学和物理因素的影响。因此，诊断和品价土壤健康对人类的自身健康，农业的可持续发展，环境的保护有着重要的意义。

关键词： 土壤健康 土壤污染 土壤生态系统 生物学监测与评价

土壤圈是地球生物圈的重要组成部分，它将水圈、大气圈、和岩石圈有机地联系在～起，成为自然环境要索的中心环节。土壤是至关重要的和有限的自然资源，是农业和自然生态系统的基础要素，就像没有水就没有生命一样，没有土壤也就没有人类的生存基础，因而土壤环境质量的保护与人类的生存及繁衍密不可分。近几十年来，随着人类活动引起的环境污染和生态破坏问题的日益突出，诸如土壤侵蚀、盐碱化、酸化、过度放牧、土地开垦、沙漠化、重金属污染等导致的土壤退化或污染现象严重。土壤健康(soil health)与土壤质量(soil quality) 、农牧业的可持续发展、水和空气环境质量的改善息息相关，并且深刻地影响植物、动物、和人类的健康。因而，土壤健康成为可持续发展的重要内涵。

1、土壤健康的内涵

土壤健康定义为：“土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力”。同时还认为有生物活力的和具有功能的土壤才可定义为健康的土壤。一个具有多样性与活性的生物群落的土壤一定具有较为丰富的土壤养分，但反过来不成立。土壤健康和土壤质量两者从时间尺度考虑，可以用土壤健康描述土壤短时期内的“潜在的”和“动态的”状况，用土壤质量描述长时间尺度上的“内在的”和“静态的”状况。Andersont指出，土壤健康应主要集中在土壤的生物成分上。一些低质量的土壤可以认为是健康的，例如：一类是处于演替初期的土壤或不利环境下如沙地、荒漠和极地的土壤，它们只有低的生物多样性和生物生产潜力，事实上它们处在自然的发展阶段；另一类是生态系统演替顶极的土壤，如热带雨林的高生物多样性和低肥力情况相反，受到生态破坏或环境污染的土壤如荒漠化土壤或石油烃类污染的土壤就不是处于健康状态的土壤。可见，在自然生态系统中土壤质量和土壤健康不完全等同，在受干扰的生态系统特别是污染环境条件下两者内涵不一致，在此意义上两者在研究中应加以区别。“健康”一词是指机体或它的部分可正常执行其生命机能的状态。土壤健康应主要考虑土壤的生物学组分以及土壤生态系统功能性，特别是在系统中维持能量流动、物质循环和信息交换的功能。综合以上分析，土壤健康可概括为“土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力”。
确定标志土壤健康的关键性指标并进行评价对全球范围的土地管理和农业生产具有重要意义。土壤健康品价体系中一般都包括土壤的物理、化学和生物学特性。而近年来前两中方法不常被人们应用，取而代之的生物学特性方法逐渐被人们看中。

2、土壤污染状况

土壤健康状况与土壤的污染程度息息相关，可以说土壤污染程度越大，土壤的健康就越差；反之，则相反。土壤健康可以从土壤的污染状况上首先反映出。
土壤污染物的来源大致可分为无机污染物和有机污染物类：无机污染物主要包括酸、碱、重金属（铜、汞、铬、镉、镍、铅等）盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、3，4-苯并以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。 当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，危害人体健康。所以，诊断和品价土壤健康的首先就是确定土壤的污染状况。

3、土壤生态系统功能

开展土壤生态系统功能的研究则是确定土壤健康的又一途径。如同流域水分生态系统能够反映水质一样，在最佳土壤生态系统中可以看出土壤的质量。那么，什么是土壤生态系统功能?什么特性的土壤有一利于这些功能的发挥?由此以这些功能为基础来确定土壤质量。然而，这一概念不是指不同效用的土壤适宜性，而是指在特定生态区域中这些功能是否是最佳的。随着这些功能的研究，现已开始用在土壤健康的概念中。
土壤生态系统功能包括如下几个方面:(A)土壤有机物从释放到合成新物质的循环过程;(B)地表降雨分配，包括径流与渗透;(C)保持:L壤孔隙大小、表土及上壤水和土壤空气相对压力的生境多样性;(D)保持生境的稳定性，包括土壤结构、耐风沙和水蚀、缓冲温度和湿度以及潜在有害物质累积的迅速变化;(E)储存并逐步释放养分和水分， (F)地表能量的分配，这一点在地球能量循环过程中是至关重要的。
缓冲作用是土壤的另一重要特征之一，有别于其它生境的特征。温度变化幅度小、以及有害的或有益的化学物质累积变化不大则反映着土壤生境的质量。由于高缓冲容量能掩盖预期结果直到临界值的出现，这时的变化已是不可更改的，因此，土壤物质过度累积的结果往往是非常糟糕的。更多关注的是，土壤结构的稳定性越来越得到重视，这是因为许多土壤生态功能受其影响。土壤结构退化是土壤退化的主要因素，尽管肥水管理和植物育种提高了作物生产力而掩盖了土壤退化。

4、土壤健康的微生物学评价方法

在生物指标的确认方面，最重要的步骤应当是确认决定土壤健康的主要生物成分、功能和过程，然后，从中进一步选择监测指标。与土壤理化指标相比较，土壤健康评价的生物指标应具有敏感性、综合性、功能性等生物特性。对土壤中的每～过程均进行监测几乎不可能，我们只能将精力集中到那些决定大多数土壤功能的主要过程上。专家建议评价土壤质量时采用土壤参数的最小数据集(minimum data set，MDS)和土壤质量的生物化学指数(biochemical index of soil quality，BISQ)。单一微生物参数并不能提供完整的和真实的土壤微生物学信息。Schloter等分析了评价土壤质量的一些生物学指标，认为含有丰富微生物种类的土壤具有高的代谢潜势。由于土壤中微生物常常处于限制性生长，它们的能力并没有发挥。另一方面，土壤微生物会通过调整它们的活性、生物量和群落结构对环境胁迫做出响应。结合近年相关研究分析，土壤健康评价可着重土壤生态系统能流和碳流的不同侧面，从土壤生物的量、活性、多样性和功能性4个方面选择评价性较高的监测指标。

4．1 微生物学监测指标
4．1．1 微生物生物量 土壤生物量是土壤养分物质的一个重要的源和汇。微生物生物量是指土壤有机质中的有生命成分，但不包括大型动物及植物根系。微生物生物量能敏感地反映土壤过程的变化，因为它比土壤有机物质有更快的周转。微生物生物量通常被用于估计土壤的生物状态。
4．1．2 微生物呼吸作用 在土壤新陈代谢过程中，产生大量的CO2，并向大气中释放的过程称之为土壤呼吸作用。它严格意义上讲是指未受扰动的土壤中产生CO2的所有代谢作用，主要包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸3个生物过程。作为生态系统功能的一个重要过程，土壤呼吸往往作为土壤生物活性和土壤肥力乃至透气性的指标，并且指示着生态系统演替的过程与方向。土壤生物能够降解某些污染物质，土壤呼吸强度与某些污染物的分解速率呈正相关。微生物呼吸是土壤呼吸的主要过程，单独测定这一生物过程在技术上仍有难度，原位呼吸在监测群落活性方面也是一个较好的参数，但其易受基质、水分、温度等因素的影响，易变性较强。较强的易变性意味着该项指标的单一度量很难对土壤的持续性做出解释。因此，标准条件下测定微生物的基础呼吸(basal respiration，BR)和诱导呼吸(potentialrespiration，PR)显得十分有意义。由于缺乏C源，土壤中的微生物的基础呼吸较弱，如果向土壤中加入易分解的有机物(如葡萄糖)，则微生物的呼吸量在极短的时间内迅速增加，并且可维持4—6h没有多大的变化。这种呼吸量就称为诱导呼吸。
4．1．3 微生物多样性 微生物多样性可反映土壤生态系统的稳定性，也反映土壤生态机制和土壤胁迫对群落的影响。土壤是一个复杂的和动态的生物系统，土壤微生物群落包括细菌、真菌和放线菌等，它们在土壤的功能和过程中起重要作用。对土壤生物多样性及其与植物群落相互作用的研究一直以来是生态学研究中的薄弱环节。微生物群落结构和功能的变化与土壤有机质的含量和构成紧密相关，土壤微生物群落有潜力成为土壤生物指标 。
4．1．4 微生物的功能性 能够正常维持土壤生态系统功能的土壤可以判断是健康的。评价时选择一些商值，它能够避免在使用绝对量或对不同有机质含量的土壤进行比较时出现的一些问题。即便没有一个参照值，也可以比较不同土壤的健康状况。以下一些与微生物生物量相关的商值在监测土壤健康时也赋予了各自的含义。
呼吸商(respiration quotient，qCO2)，传统上称代谢商(metabolic quotient)，是基础呼吸与微生物生物量-C间的比率(CBR／Cbio)，即每单位微生物生物量-C的基础呼吸率。它将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能有机地联系起来，是对二者的一种有效调和。qCO2值大，意味着微生物呼吸消耗的基质C比例相对较大，构造微生物细胞的C比例相对较小；反过来理解亦成立。呼吸商是反映环境因素、管理措施变化和重金属污染对微生物活性影响的一个敏感指标。土壤水分匮乏、除草剂应用、土壤酸化等将使qCO2增大，在此意义上可将其看作一个微生物胁迫指标。著名生态学家Odum P.E．指出，环境胁迫条件下，微生物必须从维持生长和繁殖的能量中分流出一部分去补偿由于胁迫所需要付出的额外能量，因此胁迫必然会提高微生物生长所需要的维持能。
潜在呼吸商(potential respiration quotient，qPR)是诱导呼吸量与微生物生物量一c 的比值(CBR／Cbio)。该值代表了准确添加葡萄糖后无限制情况下的呼吸商。与微生物对能量的需求及矿化潜能有关。
呼吸活化商(respiratory activation quotient，qR)，基础呼吸与诱导呼吸比值(CBR／Cpr )。反映土壤中基质与呼吸活性相互关系的信息，与系统潜在恢复力或土壤自净作用潜力有关。微生物商(microbial quotient)是指微生物生物量一C与土壤有机C的比值(Cbio／Corg)。在标示土壤过程或土壤健康变化时，微生物商要比Cbio或全C单独应用有效。基质矿化商(mineralization quotient，Qext)，指可浸提有机c与微生物生物量-C的比值(Cext/Cbio)，与微生物的矿化作用强度和基质利用率有关。
腐殖化效率(humic efficiency，Eext)，指可浸提有机C与基础呼吸C之比(Cext／CBR)，标示呼吸的腐殖化效率高低。

4．2 土壤健康评价方法
对土壤微生物的评估可以反映土壤的生物学质量。Hofman等人提出土壤生物学质量评价的新方法。具体采用基本量值指标，包括了评价体系中代表量的基本指标微生物生物量-C和可浸提有机C；代表活性的基本指标基础呼吸和诱导呼吸。评价参数采用衍生商值指标，如代表生物量水平功能性的基础呼吸商(CBR／Cbio)、诱导呼吸商(CPR／Cbio)、基质矿化商(Cext／Cbio)，以及呼吸活化商(CBR／CPR)等8～1O个评价指标(表1)。这些指标具有敏感性、变异性和现实性的特点，可以提供土壤生物学质量足够的信息，同时考虑检测方法的省钱、简便、省时，已有标准的测定方法，总共仅需要3个简单测定方法即可完成监测工作。上述量值指标，即Cbrg／Cext／Cbio／CBR／CPR)，结合与微生物生物量水平的衍生参数作为生态功能性的商值指标，可以很好地反映某个土壤生态系统的基本能流和碳流过程，揭示土壤微生物最根本的生理生存状态，成为评价土壤健康和土壤生物学质量状况的有力工具。

5、讨论

经研究，目前“土壤健康”一词在近几年才提出，国内外对土壤健康的定义尚有争议，主要基于传统上的土壤质量和现行提出的土壤健康两者之间的概念仍有混淆和模糊的地方。但总的来说土壤健康实质定义是：“土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力。”它和土壤质量的区别上文已经提到。
研究土壤健康，首先着眼于土壤的物理、化学和生物学特性，过去几年，人们侧重于通过土壤的理化性状来诊断和评价土壤健康，主要是对土壤的污染状况、土壤的结构、土壤的缓冲能力等；而最近几年人们对土壤的生物学特性研究加大了力度，用土壤中的微生物学监测指标来反映土壤健康程度，这种方法不仅在实际中获得了成效，而且使“土壤健康”与“土壤质量”的研究意义有了更大的区别。

附件：土壤健康的诊断和评价方法——沈波[1].doc