国内外土壤质量评价研究进展

1、耕地质量评价国内外研究进展耕地质量评价国内外研究进展田有国田有国2011年年12月月3日日 河南农业大学河南农业大学 （中华人民共和国土地管理法，1998）GB/T21010-2007GLASOD CLASSIFICATIONS (OLDEMAN, 1991)Soil Degradation, by the GLASOD definition, is a process that describes human-induced phenomena which lower the current and/or future capacity of the soil to support huma

2、n life.土壤退化土壤退化物理退化物理退化化学退化化学退化生物退化生物退化土壤结构下降：压实、结壳、缺氧盐化 碱化侵蚀加剧风蚀水蚀淋溶 酸化 淀积土 壤 生物 多 样性下降腐 殖 质质 量 和数 量 降低l生物量生产力降低l水体污染与富营养化l大气质量下降l微量气体逸失到大气中土壤退化类型（土壤退化类型（R. Lal, 2001）中国土壤退化分类中国土壤退化分类（中国科学院南京土壤研究所）土地退化与土壤退化土地退化与土壤退化 土地退化的直接后果是： 直接破坏陆地生态系统的平衡及其生产力； 破坏自然景观及人类生存环境； 通过水分和能量的平衡与循环的交替演化诱发区域乃至全球的土被破坏、水系萎缩

3、、森林衰亡和气候变化。在讨论土地退化或土壤退化时，两者常常混为一谈，许多情形下，把土壤退化简单地作为土地退化来讨论，反之亦然。 土壤退化是土地退化的核心部分土壤退化是土地退化的核心部分土壤提高植物和生物生产力土壤提高植物和生物生产力的能力的能力 土壤降低环境污染物和病菌土壤降低环境污染物和病菌损害的能力损害的能力 土壤质量影响动植物和人类土壤质量影响动植物和人类健康的能力健康的能力 1需要从机理水平需要从机理水平理解土壤质量，理解土壤质量，强调土地利用决强调土地利用决策对养分循环、策对养分循环、淋溶、土壤结构、淋溶、土壤结构、碳积累和其它相碳积累和其它相关过程的影响。关过程的影响。2与生产力评

4、价类与生产力评价类似，不仅强调产似，不仅强调产量，同时强调土量，同时强调土壤资源的物理、壤资源的物理、化学和生物状况化学和生物状况以及目前土地利以及目前土地利用措施的长期经用措施的长期经济变异性。济变异性。3需要进行田间试需要进行田间试验来理解土壤质验来理解土壤质量和作物生产之量和作物生产之间的关系。强调间的关系。强调不同的土地利用不同的土地利用类型和土壤类型类型和土壤类型及管理措施对土及管理措施对土壤质量的影响壤质量的影响。 点尺度点尺度农田尺度农田尺度小区尺度小区尺度评价目的评价目的评价指标评价指标评价方法评价方法不同的评价不同的评价目的决定考目的决定考虑不同的土虑不同的土壤功能，从壤功能

5、，从而影响评价而影响评价指标和方法指标和方法的选取。的选取。根据土壤功根据土壤功能选取主要能选取主要指标，利用指标，利用专家建议法专家建议法和多元统计和多元统计方法确定最方法确定最小数据集。小数据集。将指标值转将指标值转化，综合形化，综合形成指数；建成指数；建立土壤质量立土壤质量标准，用以标准，用以反映土壤属反映土壤属性的变化。性的变化。受营养受营养(A)和水和水(B)影响的粮食影响的粮食 产量与潜在产量产量与潜在产量(C)的差异的差异 决定营养平衡的输入和输出参数决定营养平衡的输入和输出参数 土壤营养吸收量土壤营养吸收量Glover等（等（2000）为）为评价华盛顿州果园在传统、施有机肥和综

6、合评价华盛顿州果园在传统、施有机肥和综合三种不同管理系统下对土壤质量的影响，三种不同管理系统下对土壤质量的影响，将土壤质量分为容纳将土壤质量分为容纳水的能力、促进水转移和吸收的能力、抗退化能力和支持植物水的能力、促进水转移和吸收的能力、抗退化能力和支持植物生长四方面的土壤功能，根据各种土壤功能选取对应的指标。生长四方面的土壤功能，根据各种土壤功能选取对应的指标。评价指标评价指标物理性指标物理性指标土壤质地和结构、土壤质地和结构、土层和根系深度、土层和根系深度、土壤容重和渗透土壤容重和渗透率、土壤含水量、率、土壤含水量、团聚稳定性等。团聚稳定性等。化学性指标化学性指标有机有机C、全、全N、有、有

7、效效P、交换性、交换性K、pH值、阳离子交值、阳离子交换量（换量（CEC）、）、电导率、电导率、Zn、Mo等。等。生物性指标生物性指标微生物生物量、微生物生物量、土壤呼吸等。土壤呼吸等。(after Arshad &Coen, 1992; Doran & Parkin, 1994; Gregorich et al., 1994; Larson & Pierce, 1994; Carter et al., 1997; Karlen et al., 1997; Martin et al., 1998) MDS专家建议专家建议由专家根据不同评价目的、土壤功能，结合以前的实践经

8、验选取指标多元统计多元统计对分析指标通过PCA和相关分析，确定能反映变量主要差异且独立的指标(Wienhold1 et al., 2004) 评价指标评价指标评价方法评价方法The Card meets local needs. Experience has shown that local ecological and environmental conditions as well as the type of local farming systems must be considered for a qualitative soil assessment tool to be effe

9、ctive. Researchers who worked on the original Wisconsin Soil Health Card confirmed that each Card needs to be adapted to local circumstances.The Card is by farmers for farmers. Farmers need to be involved and have ownership in the Card design. Because farmers are the primary users of the Card, their

10、 terminology and preferences determine the soil quality indicators and descriptive terms as well as the Cards format and layout. The role of NRCS and project sponsors is to facilitate the farmers design process and coordinate production of the Card.Cropping and pastoral grazing on flat to rolling co

11、untryCropping and pastoral grazing on flat to rolling countryCropping and pastoral grazing on flat to rolling country评价方法评价方法选择合适的评价指标(MDS)将各指标分值综合生成指数通过一定运算法则获得分值线性函数非线性函数主成分分析 直接转换 多元回归评价方法评价方法Conceptual relationship between soil quality minimum data sets, scoring functions, and index values(Wienh

12、old1 et al., 2004).in1iiSWSQI评价方法评价方法评价方法评价方法评价方法评价方法 评价方法评价方法评价方法评价方法10)(SQIn1iinSWatersheds 1 and 2为传统耕作的土地，Watersheds 3为垄沟耕作的土地（ridge-tillage）。前期准备工作前期准备工作农户调查数据农户调查数据试验示范数据试验示范数据第二次土壤普查成果资料第二次土壤普查成果资料属性数据库属性数据库空间数据库空间数据库确定评价确定评价单元并给单元并给评价因子评价因子赋值赋值模糊数学模糊数学法确定各法确定各评价因子评价因子评语评语层次分析层次分析法确定各法确定各评价因子

13、评价因子权重权重综合指数综合指数法确定各法确定各评价单元评价单元地力等级地力等级归入全国归入全国等级系统等级系统之之县 域县 域耕 地耕 地资 源资 源管 理管 理信 息信 息系 统系 统之之测土配方施肥测土配方施肥属性数据库属性数据库测土测土配方配方施肥施肥土样测试数据土样测试数据数据库和县域系统的建立数据库和县域系统的建立耕地地力评价流程耕地地力评价流程电子图件电子图件/表格表格/报告报告县级耕地地力评价县级耕地地力评价 NY/7389-1996 归入国家地力等级体系归入国家地力等级体系 耕耕 地地 地地 力力 评评 价价 技技术术 流流 程程 建立县域耕地资源基础数据库建立县域耕地资源基

14、础数据库 选择评价要素选择评价要素 确定评价单元确定评价单元 建立县域耕地资源管理信息系统建立县域耕地资源管理信息系统评价单元获取数据评价单元获取数据 计算单因素评价评语计算单因素评价评语 计算单因素的权重计算单因素的权重 计算耕地地力综合指数计算耕地地力综合指数 确定地力综合指数分级方案确定地力综合指数分级方案 评价成果评价成果 省级专家组从全国指标体系筛选省级专家组从全国指标体系筛选 属性提取属性提取层次分析法层次分析法等距法等距法累计频率曲线法累计频率曲线法RS GPS GIS 野外补充调查野外补充调查 土壤图土壤图土地利用现状图土地利用现状图 空间数据库空间数据库/属性数据库属性数据库

15、 专家知识库专家知识库 /模型库模型库 指数法指数法/模型综合评判法模型综合评判法累加法累加法/ 累乘法累乘法 加法与乘法相结合加法与乘法相结合 推荐方法：推荐方法： 土壤图土壤图( (土种土种) )土地利用现状图（基本农田保护土地利用现状图（基本农田保护块图行政区划图）叠加产生的图斑作为耕地地力评价块图行政区划图）叠加产生的图斑作为耕地地力评价的评价单元。有以下特点：的评价单元。有以下特点： 空间界线及行政隶属关系明确，有准确的面积（要空间界线及行政隶属关系明确，有准确的面积（要注意与当地政府发布的耕地面积一致）；注意与当地政府发布的耕地面积一致）； 地貌类型及土壤类型一致；地貌类型及土壤类

16、型一致； 利用方式及耕作方法基本相同。利用方式及耕作方法基本相同。优点：优点：为农业决策提供支持；为农业决策提供支持；指导实际的农事操作；指导实际的农事操作；实施精准农业奠定良好的基础。实施精准农业奠定良好的基础。全国耕地地力评价指标体系全国耕地地力评价指标体系 总集总集省、县级耕地地力评价指标集江苏省、县级耕地地力评价指标集江苏 假设假设我们做了这样的实验：经过一定时间（如每隔一小我们做了这样的实验：经过一定时间（如每隔一小时），测量一次土壤水分含量，得到一组实验数据如下：时），测量一次土壤水分含量，得到一组实验数据如下：图图4 函数关系示意图函数关系示意图y=at+b 特尔斐法的基本步骤特

17、尔斐法的基本步骤确定提问的提纲确定提问的提纲意见反馈意见反馈最后总结分析最后总结分析归纳归纳 统计统计分别征询每个专家分别征询每个专家对问题的见解对问题的见解选择解答人选选择解答人选反反 馈馈3-5次次YESNO戒上型函数模型（有效土层厚度、有机质含量等）戒上型函数模型（有效土层厚度、有机质含量等）式中式中,yi为第为第i个因素评语个因素评语;ui为样品观测值为样品观测值;ci为为标准指标标准指标;ai为系数为系数;ut为指标下限值。为指标下限值。戒下型函数模型（坡度、土壤容重等）戒下型函数模型（坡度、土壤容重等） 式中式中,ut为指标上限值。为指标上限值。峰型函数模型（峰型函数模型（pH）式

18、中式中,ut1、ut2分别为指标上、下限值。分别为指标上、下限值。计算举例计算举例pH pH 隶属函数拟合隶属函数拟合(1)专家评估专家对专家对pHpH的评估值如下表的评估值如下表 (2)用SPSS软件计算参数a,c (3)显著性检验 R squared = 1 - Residual SS / Corrected SS = 0.94471 Asymptotic 95 % Parameter Estimate Std. Error Lower Upper C 6.750014853 .055471183 6.631780825 6.868248880 A .265484712 .02056013

19、2 .221661829 .309307595y=1/(1+0.265(u-c)2) c=6.8 ut1=4 ut2=9y=1/(1+0.265(u-c)2) c=6.8 ut1=4 ut2=9拟合的拟合的pH隶属函数曲线隶属函数曲线 理化性状B2剖面组成B3土壤管理B5立地条件B4有效锌C1速效钾C2有效磷C3PHC4质地C5有机质C6潜水埋深C7障碍层深度C8耕层厚度C9坡向C10坡度C11地貌类型C12灌溉指数据C1 耕地生产潜力 A 排涝能力C1层次分析法基本步骤举例 确定指标体系及构造层次结构养分B1特征向量：特征向量：0.0615,0.2350,0.1697,0.3379,0.19

20、59最大特征根为：最大特征根为：5.0168CI=4.20552184252943E-03RI=1.12CR=CI/RI=0.00375493 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！目标层判别矩阵目标层判别矩阵准则层准则层(1)(1)判别矩阵原始资料：判别矩阵原始资料：特征向量：特征向量：0.0893,0.5870,0.32380.0893,0.5870,0.3238最大特征根为：最大特征根为：3.00913.0091CI=4.5329986189464E-03CI=4.5329986189464E-03RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.00781551 0.1 CR=CI/RI

21、=0.00781551 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！ 准则层准则层(2)(2)判别矩阵原始资料判别矩阵原始资料特征向量：特征向量：0.0836,0.2835,0.63300.0836,0.2835,0.6330最大特征根为：最大特征根为：3.07403.0740CI=3.70175041242657E-02CI=3.70175041242657E-02RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.06382328 0.1 CR=CI/RI=0.06382328 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！准则层准则层(3)(3)判别矩阵原始资料判别矩阵原始资料特征向量：特征向量：0.0

22、915,0.7071,0.20140.0915,0.7071,0.2014最大特征根为：最大特征根为：3.09563.0956CI=4.77997275813142E-02CI=4.77997275813142E-02RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.08241332 0.1 CR=CI/RI=0.08241332 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！准则层（准则层（4 4）判别矩阵原始资料）判别矩阵原始资料特征向量：特征向量：0.0719,0.1655,0.76260.0719,0.1655,0.7626最大特征根为：最大特征根为：3.08723.0872CI=4.35990

23、378865192E-02CI=4.35990378865192E-02RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.07517075 0.1 CR=CI/RI=0.07517075 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！准则层（准则层（5 5）判别矩阵原始资料）判别矩阵原始资料特征向量：特征向量：0.2000,0.80000.2000,0.8000最大特征根为：最大特征根为：2.00002.0000CI=0CI=0RI=0RI=0CR=CI/RI=0.00000000 0.1 CR=CI/RI=0.00000000 0.1 一致性检验通过！一致性检验通过！-层次总排序一致性检验：层次总排序

24、一致性检验：CI=3.18210288912442E-02CI=3.18210288912442E-02RI=.466363160095842RI=.466363160095842CR=CI/RI=0.06823230 0.1 CR=CI/RI=0.06823230 0.920.86-0.920.75-0.860.61-0.760.48-0.630.48Grading123456 Table The Statistic Area of Each Level Arable Land in Qingzhou CityGrades123456totalArea（ha）2178819200112778

25、51811136496276885Percentage（%）28.325.014.7100全国耕地地力等级与综合指数法耕地等级对照表全国耕地地力等级与综合指数法耕地等级对照表耕地地力等级汇总耕地地力等级汇总资料的永久保存资料的永久保存图形、数据的全方位查询、统计、汇总图形、数据的全方位查询、统计、汇总专题制图专题制图专题评价专题评价测土配方施肥测土配方施肥其它扩展功能其它扩展功能耕地地力评价耕地地力评价土壤环境质量评价土壤环境质量评价耕地适宜性评价耕地适宜性评价级别级别利用利用方式方式pH范围范围CuPbCdCrAsHg六六六六六六 DDT1级级, 优优NY/T391-2

26、000旱田旱田pH7.550500.3012060500.30.120200.300.10.160500.40120200.350.10.1水田水田pH7.550500.30120200.300.10.160500.30120200.400.10.160500.40120150.400.10.12级级, 良良GB/T17407.1-2001不分不分pH7.51000.30150400.300.50.51500.30200300.500.50.51500.60250251.00.50.53级级, 不合不合格格不分不分pH7.5 1500.30150400.300.50.5

27、 1500.30200300.500.50.5 1500.60250251.00.50.5级别级别pHCODcrHgCdAsPbCr6+F1级级, 优优,5.5-8.51500.0010.0050.02级级, 良良5.5-8.51500.0010.0050.03级级, 不不及格及格5.5-8.51500.0010.0050.0环境要素环境要素严控指标严控指标一般控制指标一般控制指标土壤土壤Cd, Hg, As, Cr,Cu, Pb, 六六六六六六, DDT灌溉水灌溉水Pb, Cd, Hg, AS, Cr6+pH, CODcr, F样点

28、样点号号利用利用方式方式pH镉镉汞汞砷砷铬铬铅铅铜铜六六六六六六DDT土土1旱田旱田7.4577.821.926.10.0090.001土土2旱田旱田6.400.120.286.8869.421.321.20.0030.007土土3水田水田7.650.380.167.6881.522.422.40.0040.006土土4旱田旱田7.150.520.287.9812056.440.30.0110.011 样样点点超 标 污超 标 污染物染物 单项污染指数单项污染指数Pi/土壤综合评价结果土壤综合评价结果CdHgAsCrPbCu666DDTPxPmaxP综综1按按1级算级算

29、0.730.430.430.650.440.440.090.010.400.730.592汞汞1级超级超,按按2级算级算0.400.930.170.460.210.010.010.310.930.693按按1级算级算0.950.400.510.680.450.370.040.040.430.950.744镉镉2级超级超, 仍仍按按2级算级算1.730.560.270.600.190.400.020.020.481.731.73土壤综合土壤综合污染等级污染等级土壤综合污染土壤综合污染指数指数污染污染程度程度污染水平污染水平1P综综0.7安全安全清洁清洁20.7 P综综1.0警戒限警戒限尚清洁尚清

30、洁31.0 P综综2.0轻污染轻污染土壤有一项或多项污染物超标。土壤有一项或多项污染物超标。42.03.0重污染重污染土壤有一项或多项污染物超标土壤有一项或多项污染物超标严重。严重。 示例示例- -水质分析结果水质分析结果(mg/L)样样号号pHCOD镉镉汞汞砷砷铬铬铅铅氟氟水水16.4433.40.00130.00030.0040.0110.0110.19水水27.2272.20.00240.00070.0060.0070.0030.21水水37.4541.60.00410.00080.0120.0610.0320.22水水47.781050.00790.00040.0250.0420.02

31、20.62样样点点超 标 污超 标 污染物染物 单项污染指数单项污染指数Pi/水质综合评价结果水质综合评价结果pHC ODCdHgAsCrPbFPxPmaxP综综1按按1级算级算0 .370.220 .260.300 .080 .110.110 .100.190.370.292按按1级算级算0 .150.480 .480.700 .120 .070.030 .100.270.700.533按按1级算级算0 .300.280 .820.800 .240 .610.030 .110.400.820.644C d 2 级级超 ， 仍超 ， 仍按按2级算级算0 .260.701 .580.400 .5

32、00 .420.020 .310.521.581.58样点样点 Pi土土Pi水水11级级, 0.591级级, 0.2922级级, 0.691级级, 0.53（2级级, 0.53）31级级, 0.741级级, 0.644超超2级级, 1.73超超2级级, 1.58 P综综=0.590.65+0.290.35=0.49（1级级 ，0.49） P综综=0.690.65+0.530.35=0.63（2级，级，0.63级）级） P综综=0.740.65+0.640.35=0.71（1级，级，0.71） P综综=1.730.65+1.580.35=1.68（超（超2级，即级，即3级）级） 气候变怪、土地变

33、娇、农民变贵气候变怪、土地变娇、农民变贵政府要粮、农民要钱在丛林里，最终能存活下来的，往往不是最高大、最强壮的，而是应对变化最快的物种！达尔文达尔文进化论进化论现代土壤学科前沿 技术与信息时代技术与信息时代遥感遥感地理信息系统地理信息系统景观分析景观分析分子尺度的分析技术分子尺度的分析技术环境土壤生物学环境土壤生物学计算机与土壤过程和反应的定量建模计算机与土壤过程和反应的定量建模精确农业精确农业信息科学与技术其他应用信息科学与技术其他应用( Lee Sommers and Larry Wilding,2006-4, CSA News)现代土壤学优先研究内容：现代土壤学优先研究内容：我国土壤学中

34、、长期发展优先研究内容以土壤质我国土壤学中、长期发展优先研究内容以土壤质量提升与调控为核心。量提升与调控为核心。 具体有以下几个方面具体有以下几个方面: : 土壤养分资源高效利用技术研究土壤养分资源高效利用技术研究 土壤有机质提高机制与生产力关系的研究土壤有机质提高机制与生产力关系的研究 土壤肥力演变规律与评价体系研究土壤肥力演变规律与评价体系研究 障碍及低产土壤改良研究障碍及低产土壤改良研究 土壤污染环境及修复重建研究土壤污染环境及修复重建研究( 徐明岗等，2006) 耕地耕地保护保护食品食品安全安全粮食粮食安全安全生态生态安全安全数量数量生生态态质质量量美国2005年召开了2个土壤科学问题的研讨会（主题分别是“临界带界面研究的前沿”和“土壤科学研究前沿”）：提出土壤科学面临的重要挑战是需要学科交叉研究。不仅包括土壤学的分支学科如土壤化学、土壤物理学、土壤生物学、土壤矿物学之间的合作