董梅

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院　266109）

·產(chǎn)業(yè)論壇·

生物參數(shù)作為土壤健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

董梅

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院266109）

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和財(cái)富源泉。長(zhǎng)期以來(lái)，由于環(huán)境污染、不合理耕作、過(guò)度放牧、鹽堿化、沙漠化等原因，土壤生產(chǎn)力嚴(yán)重退化。保持或改善土壤質(zhì)量對(duì)人類生存及可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，土壤質(zhì)量的研究吸引了眾多國(guó)際組織及研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。歷來(lái)的研究中，一直強(qiáng)調(diào)以土壤理化特性為主要的土壤質(zhì)量表征指標(biāo)，特別是土壤有機(jī)質(zhì)，被看作是反映土壤肥力質(zhì)量的1個(gè)綜合指標(biāo)，是土壤各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是N、P的重要來(lái)源。但土壤有機(jī)質(zhì)的變化比較緩慢，難以反映土壤遭受干擾時(shí)的各種短期的、微小的變化。近期，科學(xué)家們正試圖尋找生物學(xué)參數(shù)來(lái)表征土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)。土壤生物學(xué)性質(zhì)能敏感地反映出土壤質(zhì)量健康的變化，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)不可缺少的指標(biāo)。土壤生物學(xué)指標(biāo)通常包括土壤微生物、土壤酶活性和土壤動(dòng)物。北美和歐洲的一些土壤學(xué)家在這方面已取得一些成就，國(guó)內(nèi)還需及時(shí)了解和跟蹤國(guó)際土壤質(zhì)量研究的進(jìn)展，以進(jìn)一步根據(jù)我國(guó)具體實(shí)際情況開(kāi)展土壤質(zhì)量指標(biāo)的研究和應(yīng)用工作。

1　土壤質(zhì)量含義

土壤學(xué)界、農(nóng)學(xué)界對(duì)土壤質(zhì)量的定義和標(biāo)準(zhǔn)有不同的看法。曹志洪研究員等認(rèn)為，土壤質(zhì)量是土壤在一定的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)提供生命必須養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的能力，容納、降解、凈化污染物質(zhì)和維護(hù)生態(tài)平衡的能力，影響和促進(jìn)植物、動(dòng)物和人類生命安全和健康的能力之綜合量度。簡(jiǎn)言之，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(gè)既相對(duì)獨(dú)立而又有機(jī)聯(lián)系的組分之綜合集成。土壤質(zhì)量是土壤支持生物生產(chǎn)能力、凈化環(huán)境能力和促進(jìn)動(dòng)植物和人類健康能力的集中體現(xiàn)，是現(xiàn)代土壤學(xué)研究的核心。

2　土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)

反映土壤質(zhì)量與健康的診斷特征的基本定量指標(biāo)體系中，物理學(xué)指標(biāo)包括土壤質(zhì)地、土層和根系深度、土壤容重和滲透率、田間持水量、土壤持水特征、土壤含水量和土壤溫度，化學(xué)指標(biāo)包括有機(jī)全C和N、pH值、電導(dǎo)率、礦化N和P及K，生物學(xué)指標(biāo)包括微生物生物量C和N、潛在可礦化N、土壤呼吸量、生物量C/有機(jī)總C、呼吸量/生物量。土壤生物學(xué)性質(zhì)可以敏感地反映出土壤質(zhì)量健康的變化，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)重要的指標(biāo)，其中應(yīng)用最多的是土壤微生物指標(biāo)。有前人研究提出1個(gè)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量所需土壤性質(zhì)的最小數(shù)據(jù)集，包括以下10項(xiàng)指標(biāo)：速效養(yǎng)分、有機(jī)全C、活性有機(jī)C、顆粒大小、植物有效性水分含量、土壤結(jié)構(gòu)及形態(tài)、土壤強(qiáng)度、最大根深、pH值和電導(dǎo)率。但是，上海地區(qū)土壤評(píng)價(jià)用此標(biāo)準(zhǔn)是否適宜，還有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

3　土壤生物學(xué)指標(biāo)具備的標(biāo)準(zhǔn)

土壤中的微生物是維持土壤質(zhì)量的重要組分，它們調(diào)節(jié)著土壤動(dòng)植物殘?bào)w和施入土壤的有機(jī)物質(zhì)及其它有害化合物的分解，生物化學(xué)循環(huán)（包括生物固氮作用）和土壤結(jié)構(gòu)的形成等過(guò)程。土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能主要由土壤微生物機(jī)制所控制，土壤微生物是目前可用的最敏感的生物標(biāo)記之一，在我們能夠精確地測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)變化之前，微生物群體動(dòng)態(tài)是土壤微妙變化的最好證明。所以，土壤微生物參數(shù)將很有潛力成為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)。土壤生物指標(biāo)應(yīng)當(dāng)滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：（1）反映土壤生態(tài)過(guò)程的結(jié)構(gòu)或功能，同時(shí)適用于所有土壤類型和地貌特點(diǎn)；（2）對(duì)土壤健康變化做出反應(yīng)；（3）有可行的度量測(cè)定方法；（4）能夠進(jìn)行合理的解釋。通過(guò)分析，一些科學(xué)家認(rèn)為微生物生物量、土壤呼吸及其衍生指數(shù)、一些土壤微生物功能組、微生物群體結(jié)構(gòu)及功能多樣性等，均可看作目前具有潛力的生物學(xué)指標(biāo)。

4　土壤生物學(xué)指標(biāo)體系

4.1土壤微生物生物量

微生物生物量常被用來(lái)評(píng)價(jià)土壤的生物學(xué)性狀，可作為潛在的指標(biāo)指示土壤有機(jī)質(zhì)水平、平衡和未來(lái)的趨勢(shì)，用于土壤質(zhì)量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)和植物生長(zhǎng)可利用養(yǎng)分的重要來(lái)源，與微生物個(gè)體數(shù)量相比，更能反映微生物在土壤中的實(shí)際含量和作用潛力，因而具有更加靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。土壤微生物量包括微生物碳（MB-C）、微生物氮（MB-N）、微生物磷（MB-P）和微生物硫（MB-S），它們均可采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定。

土壤微生物碳含量變化較大，微生物對(duì)有機(jī)碳的利用率是一項(xiàng)反映土壤質(zhì)量的重要特性。利用率越高，維持相同微生物量所需的能源越少，說(shuō)明土壤環(huán)境有利于土壤微生物的生長(zhǎng)，質(zhì)量比較高。土壤微生物氮是植物有效氮的重要儲(chǔ)備，微生物的礦化—同化作用是土壤氮素庫(kù)源調(diào)節(jié)的重要機(jī)制。土壤微生物磷是有機(jī)磷中活性較高的部分，它不僅是土壤有效磷的重要給源，而且與土壤有效磷直接相平衡。土壤微生物硫?qū)ν寥懒虻闹参镉行约傲蛟谏鷳B(tài)環(huán)境中的循環(huán)具有很大的制約作用。因此，研究以上指標(biāo)對(duì)土壤健康影響很大。

4.2微生物活性

土壤微生物活性表示了土壤中整個(gè)微生物群落或其中的一些特殊種群的狀態(tài)。在免耕的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，微生物活性隨土壤深度的變化而變化，一般表層土壤中的微生物活性最大，然而在耕翻的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，微生物活性在整個(gè)耕作層中相當(dāng)一致。土壤微生物活性可以用多種方法來(lái)評(píng)價(jià)，但許多方法由于沒(méi)有考慮生物量大小與微生物種群活性間的相關(guān)關(guān)系，因而只能測(cè)定微生物的總體活性變化，不能測(cè)定微生物種群的差異。

4.3土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性

微生物群落的種群多樣性一直是微生物生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)科研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，人們對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究日益增多。微生物多樣性是指生命體在遺傳、種類和生態(tài)系統(tǒng)層次上的變化，代表著微生物群落的穩(wěn)定性，也反映土壤生態(tài)機(jī)制和土壤脅迫對(duì)群落的影響，是反映系統(tǒng)受干擾后細(xì)小變化的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)因子，是監(jiān)測(cè)土壤變化和對(duì)脅迫的反應(yīng)等的重要指標(biāo)。同時(shí)，土壤微生物的多樣性也可反映重建區(qū)域的生態(tài)擾動(dòng)的類型和程度。但土壤微生物種類繁多且難以培養(yǎng)，考察其種類和數(shù)量一直是個(gè)極其艱巨的任務(wù)。綜合運(yùn)用多種土壤微生物研究方法測(cè)定多項(xiàng)指標(biāo)能更好地反映土壤退化和生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤質(zhì)量的變化，目前的研究方法大致可分為4類：（1）微生物傳統(tǒng)培養(yǎng)方法（培養(yǎng)基培養(yǎng)法）；（2）生物化學(xué)方法的代表磷脂酸法；（3）生理學(xué)方法—BIOLOG微量分析；（4）分子生物學(xué)方法。

4.4土壤酶活性指標(biāo)

土壤酶是催化土壤中生物和生物化學(xué)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行的重要因素。土壤酶是指土壤中的聚積酶，包括游離酶、胞內(nèi)酶和胞外酶，主要源于土壤微生物的活動(dòng)、植物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w腐解過(guò)程中釋放的酶。通常認(rèn)為土壤酶在很大程度上起源于微生物。前人對(duì)磷酸酶、核酸酶、蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、芳基硫酸酯酶和蛋白酶活性都有研究。對(duì)于土壤酶的檢測(cè)技術(shù)很多，熒光微型板酶檢測(cè)技術(shù)被廣泛用來(lái)研究土壤酶多樣性及其功能多樣性；凝膠電泳不僅可以測(cè)定胞內(nèi)酶活性，分析同工酶的差異，也可用于某些酶的分類。另外，超聲波降解法、超速離心技術(shù)和高壓液相色譜等也應(yīng)用于土壤酶活性的測(cè)定。

4.5土壤呼吸

土壤呼吸嚴(yán)格意義上是指未受擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用，包括3個(gè)生物學(xué)過(guò)程（即土壤有機(jī)質(zhì)的分解和土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸以及土壤動(dòng)物的呼吸）和1個(gè)非生物學(xué)過(guò)程（即含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等）。土壤呼吸被認(rèn)為是土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo)。土壤呼吸強(qiáng)度通常是根據(jù)土壤表面釋放出CO2量來(lái)確定的，其測(cè)定方法有很多，主要分為直接測(cè)定和間接測(cè)定，同時(shí)2種測(cè)定方式又細(xì)分出不同的方法。直接測(cè)定法可分為靜態(tài)氣室法、動(dòng)態(tài)氣室法和渦度相關(guān)法3種，間接測(cè)定方法是通過(guò)測(cè)定其他相關(guān)指標(biāo)來(lái)推算土壤呼吸速率，例如用土壤中的三磷酸腺苷（ATP）含量估算土壤呼吸。此外，通過(guò)研究溫度和水分對(duì)土壤呼吸的影響建立回歸方程，也可計(jì)算得出土壤呼吸。也可研究呼吸商，又稱代謝商，為基礎(chǔ)呼吸與微生物生物量C間的比率，即每單位生物量C的具體呼吸率，它將微生物生物量的大小與微生物的生物活性和功能有機(jī)地聯(lián)系了起來(lái)，是反映環(huán)境因素、管理措施變化和重金屬污染對(duì)微生物活性影響的1個(gè)敏感指標(biāo)，土壤水分匱乏、除草劑應(yīng)用、土壤酸化等會(huì)使呼吸商增大，在此意義上可將其看作1個(gè)微生物脅迫指標(biāo)。

4.6微生物群落

土壤微生物群落包括細(xì)菌、真菌和藻類，它們?cè)谕寥赖墓δ芎瓦^(guò)程中起重要作用。土壤微生物具有景觀變異性，所有的微生物種群數(shù)量一般隨著土壤深度的增加而降低，其中真菌數(shù)量的降低幅度較細(xì)菌高。研究土壤微生物和土壤質(zhì)量間的相關(guān)性可在3個(gè)層次上進(jìn)行，即種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)。要確切了解土壤微生物在土壤質(zhì)量中的作用，必須對(duì)描述和監(jiān)測(cè)土壤中微生物組成和功能的方法進(jìn)行探討。如土壤真菌影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定，是土壤質(zhì)量的重要微生物指標(biāo)。

5　結(jié)語(yǔ)

土壤微生物幾乎與所有的土壤理化反應(yīng)過(guò)程有關(guān)，與通常土壤變化產(chǎn)物的土壤有機(jī)質(zhì)或養(yǎng)分不同，土壤微生物及其活性能被用作土壤變化的早期預(yù)警生物指標(biāo)，尤其是因污染、土壤管理措施、種植制度、土地利用等引起的農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量變化。一些土壤微生物學(xué)特性，如微生物生物量、呼吸商、微生物的豐富性和多樣性等，已呈現(xiàn)出其成為土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)潛力，但生物活性指標(biāo)無(wú)論是單獨(dú)性質(zhì)或者是聯(lián)合指標(biāo)都沒(méi)能得到廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)有的知識(shí)技術(shù)條件下，單單使用1種或兩種生化參數(shù)來(lái)闡明土壤系統(tǒng)機(jī)能的復(fù)雜性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。土壤樣品的預(yù)處理及分析過(guò)程必須標(biāo)準(zhǔn)化，否則不同實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行數(shù)據(jù)比較會(huì)變得十分困難?？紤]到土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，應(yīng)將其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并將土壤理化和生物等相關(guān)學(xué)科結(jié)合起來(lái)表征土壤質(zhì)量將是目前的主要任務(wù)。