生物参数作为土壤健康评价指标体系研究

董梅

（青岛农业大学园艺学院　266109）

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生物参数作为土壤健康评价指标体系研究

董梅

（青岛农业大学园艺学院266109）

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础和财富源泉。长期以来，由于环境污染、不合理耕作、过度放牧、盐碱化、沙漠化等原因，土壤生产力严重退化。保持或改善土壤质量对人类生存及可持续发展至关重要，土壤质量的研究吸引了众多国际组织及研究机构的关注。历来的研究中，一直强调以土壤理化特性为主要的土壤质量表征指标，特别是土壤有机质，被看作是反映土壤肥力质量的1个综合指标，是土壤各种营养元素特别是N、P的重要来源。但土壤有机质的变化比较缓慢，难以反映土壤遭受干扰时的各种短期的、微小的变化。近期，科学家们正试图寻找生物学参数来表征土壤生态系统变化的预警及敏感指标。土壤生物学性质能敏感地反映出土壤质量健康的变化，是土壤质量评价不可缺少的指标。土壤生物学指标通常包括土壤微生物、土壤酶活性和土壤动物。北美和欧洲的一些土壤学家在这方面已取得一些成就，国内还需及时了解和跟踪国际土壤质量研究的进展，以进一步根据我国具体实际情况开展土壤质量指标的研究和应用工作。

1　土壤质量含义

土壤学界、农学界对土壤质量的定义和标准有不同的看法。曹志洪研究员等认为，土壤质量是土壤在一定的生态系统内提供生命必须养分和生产生物物质的能力，容纳、降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力，影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能力之综合量度。简言之，土壤质量是土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量3个既相对独立而又有机联系的组分之综合集成。土壤质量是土壤支持生物生产能力、净化环境能力和促进动植物和人类健康能力的集中体现，是现代土壤学研究的核心。

2　土壤质量的评价指标

反映土壤质量与健康的诊断特征的基本定量指标体系中，物理学指标包括土壤质地、土层和根系深度、土壤容重和渗透率、田间持水量、土壤持水特征、土壤含水量和土壤温度，化学指标包括有机全C和N、pH值、电导率、矿化N和P及K，生物学指标包括微生物生物量C和N、潜在可矿化N、土壤呼吸量、生物量C/有机总C、呼吸量/生物量。土壤生物学性质可以敏感地反映出土壤质量健康的变化，是土壤质量评价重要的指标，其中应用最多的是土壤微生物指标。有前人研究提出1个评价土壤质量所需土壤性质的最小数据集，包括以下10项指标：速效养分、有机全C、活性有机C、颗粒大小、植物有效性水分含量、土壤结构及形态、土壤强度、最大根深、pH值和电导率。但是，上海地区土壤评价用此标准是否适宜，还有待进一步试验验证。

3　土壤生物学指标具备的标准

土壤中的微生物是维持土壤质量的重要组分，它们调节着土壤动植物残体和施入土壤的有机物质及其它有害化合物的分解，生物化学循环（包括生物固氮作用）和土壤结构的形成等过程。土壤生态系统的功能主要由土壤微生物机制所控制，土壤微生物是目前可用的最敏感的生物标记之一，在我们能够精确地测定土壤有机质变化之前，微生物群体动态是土壤微妙变化的最好证明。所以，土壤微生物参数将很有潜力成为土壤生态系统变化的预警及敏感指标。土壤生物指标应当满足下列标准：（1）反映土壤生态过程的结构或功能，同时适用于所有土壤类型和地貌特点；（2）对土壤健康变化做出反应；（3）有可行的度量测定方法；（4）能够进行合理的解释。通过分析，一些科学家认为微生物生物量、土壤呼吸及其衍生指数、一些土壤微生物功能组、微生物群体结构及功能多样性等，均可看作目前具有潜力的生物学指标。

4　土壤生物学指标体系

4.1土壤微生物生物量

微生物生物量常被用来评价土壤的生物学性状，可作为潜在的指标指示土壤有机质水平、平衡和未来的趋势，用于土壤质量的长期监测。土壤微生物生物量是土壤养分的储存库和植物生长可利用养分的重要来源，与微生物个体数量相比，更能反映微生物在土壤中的实际含量和作用潜力，因而具有更加灵敏、准确的优点，现已成为国内外土壤学研究的热点之一。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），它们均可采用氯仿熏蒸提取法测定。

土壤微生物碳含量变化较大，微生物对有机碳的利用率是一项反映土壤质量的重要特性。利用率越高，维持相同微生物量所需的能源越少，说明土壤环境有利于土壤微生物的生长，质量比较高。土壤微生物氮是植物有效氮的重要储备，微生物的矿化—同化作用是土壤氮素库源调节的重要机制。土壤微生物磷是有机磷中活性较高的部分，它不仅是土壤有效磷的重要给源，而且与土壤有效磷直接相平衡。土壤微生物硫对土壤硫的植物有效性及硫在生态环境中的循环具有很大的制约作用。因此，研究以上指标对土壤健康影响很大。

4.2微生物活性

土壤微生物活性表示了土壤中整个微生物群落或其中的一些特殊种群的状态。在免耕的农田生态系统中，微生物活性随土壤深度的变化而变化，一般表层土壤中的微生物活性最大，然而在耕翻的农田生态系统中，微生物活性在整个耕作层中相当一致。土壤微生物活性可以用多种方法来评价，但许多方法由于没有考虑生物量大小与微生物种群活性间的相关关系，因而只能测定微生物的总体活性变化，不能测定微生物种群的差异。

4.3土壤微生物群落结构与多样性

微生物群落的种群多样性一直是微生物生态学和环境学科研究的重点和热点，人们对土壤微生物群落结构和多样性的研究日益增多。微生物多样性是指生命体在遗传、种类和生态系统层次上的变化，代表着微生物群落的稳定性，也反映土壤生态机制和土壤胁迫对群落的影响，是反映系统受干扰后细小变化的重点监测因子，是监测土壤变化和对胁迫的反应等的重要指标。同时，土壤微生物的多样性也可反映重建区域的生态扰动的类型和程度。但土壤微生物种类繁多且难以培养，考察其种类和数量一直是个极其艰巨的任务。综合运用多种土壤微生物研究方法测定多项指标能更好地反映土壤退化和生态恢复过程中土壤质量的变化，目前的研究方法大致可分为4类：（1）微生物传统培养方法（培养基培养法）；（2）生物化学方法的代表磷脂酸法；（3）生理学方法—BIOLOG微量分析；（4）分子生物学方法。

4.4土壤酶活性指标

土壤酶是催化土壤中生物和生物化学过程持续进行的重要因素。土壤酶是指土壤中的聚积酶，包括游离酶、胞内酶和胞外酶，主要源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶。通常认为土壤酶在很大程度上起源于微生物。前人对磷酸酶、核酸酶、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、芳基硫酸酯酶和蛋白酶活性都有研究。对于土壤酶的检测技术很多，荧光微型板酶检测技术被广泛用来研究土壤酶多样性及其功能多样性；凝胶电泳不仅可以测定胞内酶活性，分析同工酶的差异，也可用于某些酶的分类。另外，超声波降解法、超速离心技术和高压液相色谱等也应用于土壤酶活性的测定。

4.5土壤呼吸

土壤呼吸严格意义上是指未受扰动土壤中产生CO2的所有代谢作用，包括3个生物学过程（即土壤有机质的分解和土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸以及土壤动物的呼吸）和1个非生物学过程（即含碳矿物质的化学氧化作用等）。土壤呼吸被认为是土壤质量变化最敏感的指标。土壤呼吸强度通常是根据土壤表面释放出CO2量来确定的，其测定方法有很多，主要分为直接测定和间接测定，同时2种测定方式又细分出不同的方法。直接测定法可分为静态气室法、动态气室法和涡度相关法3种，间接测定方法是通过测定其他相关指标来推算土壤呼吸速率，例如用土壤中的三磷酸腺苷（ATP）含量估算土壤呼吸。此外，通过研究温度和水分对土壤呼吸的影响建立回归方程，也可计算得出土壤呼吸。也可研究呼吸商，又称代谢商，为基础呼吸与微生物生物量C间的比率，即每单位生物量C的具体呼吸率，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了起来，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1个敏感指标，土壤水分匮乏、除草剂应用、土壤酸化等会使呼吸商增大，在此意义上可将其看作1个微生物胁迫指标。

4.6微生物群落

土壤微生物群落包括细菌、真菌和藻类，它们在土壤的功能和过程中起重要作用。土壤微生物具有景观变异性，所有的微生物种群数量一般随着土壤深度的增加而降低，其中真菌数量的降低幅度较细菌高。研究土壤微生物和土壤质量间的相关性可在3个层次上进行，即种群、群落和生态系统。要确切了解土壤微生物在土壤质量中的作用，必须对描述和监测土壤中微生物组成和功能的方法进行探讨。如土壤真菌影响土壤团聚体的稳定，是土壤质量的重要微生物指标。

5　结语

土壤微生物几乎与所有的土壤理化反应过程有关，与通常土壤变化产物的土壤有机质或养分不同，土壤微生物及其活性能被用作土壤变化的早期预警生物指标，尤其是因污染、土壤管理措施、种植制度、土地利用等引起的农业土壤质量变化。一些土壤微生物学特性，如微生物生物量、呼吸商、微生物的丰富性和多样性等，已呈现出其成为土壤质量的生物指标潜力，但生物活性指标无论是单独性质或者是联合指标都没能得到广泛的应用。在现有的知识技术条件下，单单使用1种或两种生化参数来阐明土壤系统机能的复杂性是远远不够的。土壤样品的预处理及分析过程必须标准化，否则不同实验室之间进行数据比较会变得十分困难。考虑到土壤生态系统的复杂性，应将其进行系统的研究，并将土壤理化和生物等相关学科结合起来表征土壤质量将是目前的主要任务。