黄土高原地区土壤质量评价研究浅析

Analysis of Soil Quality Evaluation in the Loess Plateau

摘要: 黄土高原丘陵沟壑区发育的众多沟道蕴藏着丰富的水土资源，但因已有淤地坝年久失修、灌排设施不配套等突出问题，沟道土地利用的难度大、效率低。在退耕还林和治沟造地工程实施后，黄土高原地区水土流失问题明显改善，新增耕地质量和土地产能也有所提升。本文通过查阅大量文献，对土壤质量评价相关指标、方法及黄土高原地区土壤质量研究现状进行综述，为研究区土壤质量的保持与改善提供理论依据。

Abstract: Numerous trenches developed in the hilly and gully area of the Loess Plateau contain abundant water and soil resources. However, due to the problems such as long-term disrepair of silt dams and inadequate irrigation and drainage facilities, the use of trenches is difficult and inefficient. After the implementation of conversion of cropland to forest project and gully control and land reclamation, the problem of soil erosion in the Loess Plateau has been significantly improved, and the quality of newly added cultivated land and its productivity has also improved. In this paper, through literature research, the relevant indicators and methods for soil quality evaluation and the current status of soil quality research after gully construction are summarized, and this provides a theoretical basis for the maintenance and improvement of soil quality after gully construction.

1. 引言

地处陕北黄土高原的延安市，是黄土高原丘陵沟壑的典型区域。前期调研发现，延安市有500 m以上沟道4.4万条，1 km以上沟道2.09万条，众多沟道蕴藏着丰富的水土资源 [1]。长期以来，当地已累计建成各类淤地坝1.2万座，淤成坝地30万亩，但因年久失修，普遍存在坝地水毁严重、灌排设施不配套、沟道与沟坡生态环境防护措施不到位等突出问题，沟道土地利用的难度大、效率低 [2]。新近研究表明，治沟造地对于保障沟道安全、提高沟道基础设施水平、提升沟道农业生产能力起到了积极作用 [3]。延安市治沟造地土地整治重大工程，作为适时补充耕地、盘活存量土地、优化城乡用地、提升土地产能的重要手段，顺应了大规模退耕还林工程后耕地保护重点由坡面转向沟道，水土流失减少后沟道整治由淤地转为造地的新形势 [4]。近年来，随着该项目实施，已整治沟道土地约50.6万亩(1亩 = 1/15 hm²) [5]。治沟造地工程实施后新增耕地土壤质量的提升与保持非常关键。本文通过查阅大量文献对土壤质量评价相关指标、方法及研究现状进行综述，为工程实施后土壤质量的保持与改善提供理论依据。

2. 土壤质量评价指标

土壤质量是土壤在一定生态系统内提供生命必需养分和生产生物物质的能力，其对动、植物及人类的生命活动有着密切影响，对于农业的可持续性影响最为直接 [6] [7]。土壤质量的好坏取决于土地利用方式、生态系统类型、地理位置、土壤类型等多种因素，土壤质量评价应由土壤质量指标来确定，按照传统的土壤性质可将其分成三类：物理指标、化学指标和生物指标 [8]，如表1所示。物理指标主要指土壤质地、含水率、厚度、孔隙性和结构性及耕性等性质，直接或间接影响土壤养分的吸收利用、水分与肥力的保持及土壤环境质量的改变 [9]。化学指标主要包括有机质、氮、磷、钾含量与有效性、pH值、阳离子交换量、电导率等，能够反映土壤养分和肥力的变化，为保护和提高土壤肥力提供依据 [10]。此外，土壤中的生物调节着土壤动植物残体和进入土壤中的有机物质及其他有害化合物的分解、生物化学循环和土壤结构的形成等过程 [11]。研究土壤生物质量指标是进行土壤质量研究不可或缺的一部分。常见生物指标包括脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶等酶活性指标及微生物数量、种类等。

Table 1. Commonly used soil quality evaluation indicators

表1. 常用土壤质量评价指标

各类指标不同数值的组合诠释了土壤的质量状况。在土壤质量评价中需要根据不同的土壤类型、评价目的等来对这些指标进行取舍。由于土壤肥力质量是土壤质量的核心，在黄土高原地区的土壤质量评价研究中，大多采用土壤肥力质量指标进行研究 [8]。

土壤质量评价指标的权重确定方法包括主观法、客观法和主客观综合法三种，主观法包括层次分析法、专家打分法、模糊分析法和最小平方法等；客观法包括主成分分析法、均方差法、多目标规划法、最大熵法和简单关联函数法等 [12]。文献计量分析表明，应用频率主观法>客观法>主客观综合法；且主观法中的层次分析法与客观法中的主成分分析法应用最为普遍 [13]。

3. 土壤质量评价方法

评价土壤质量及其随时间变化的趋势是农业土地可持续管理中一个很重要的思想。虽然人们已对土壤质量研究的重要性有了深刻认识，但到目前为止还没有一致的、可被从事土壤质量研究的科学家们普遍认可的评价和解释土壤质量的方法 [14]。目前，国际上较为常用的土壤质量方法有多变量指标克里格法，土壤质量动力学法，土壤质量综合评分法，土壤相对质量法等。几种方法中土壤相对质量评价法更为方便、合理，它评价的是土壤的相对质量，而且可根据不同地区的不同土壤建立理想土壤，选择代表性的土壤质量评价指标做出量化的评价结果。近年来在地理信息系统支持下，国内不少学者将灰色关联度法、模糊数学、多元统计分析、层次分析模型、地统计学方法、系统评价模型、Fuzzy聚类分析等方法应用到土壤质量综合评价中 [15]。实际应用中大多学者通常将两种或三种方法结合起来进行综合评价。林芬芳 [16] 结合多变量指标克里格法、多元统计分析法及地统计学方法等方法，基于岩性类型、土壤类型和不同土地利用方式对富阳市土壤质量进行了定量系统评价。

4. 黄土高原地区土壤质量评价研究现状

在黄土高原农田土壤质量研究方面，李彬彬(2017) [17] 分析了不同农业类型区典型县农田土壤理化特征、有机碳与理化性质的关系、最小数据集尺度效应、区域尺度土壤质量特征，进而提出了黄土高原区域尺度的农田土壤质量评价标准；张嘉宁(2015) [8] 选取了黄土高原6个典型小流域进行采样分析与调查，研究了土壤质量评价指标；通过相关性分析、敏感度分析、主成分分析和判别分析等筛选出评价指标，继而构建了适宜研究区的土壤质量综合评价模型，并对6个流域内不同土地利用方式下的土壤质量进行了综合评价。李强(2012) [18] 等对黄土高原坡耕地沟蚀影响下土壤质量的研究表明沟蚀可造成土壤pH的增加以及土壤的硬化，并筛选出黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量的表征指标。薛萐(2011)等 [19] 以纸坊沟流域梯田土壤为研究对象，分析了坡改梯农田土壤质量的演变过程。胡雅(2016) [20] 等研究了南泥湾镇阳湾沟沟道区土壤养分在整治前后的分布特征，并进行了养分分级，结果表明土地整治过程对耕作层内有机质和有效磷含量影响较大。董起广(2019)等 [21] 以羊圈沟治沟造地工程为例，分析了沟道农田土壤养分的分布特征，结果表明沟道农田土壤经生土填充及人为耕作后，有机质含量随深度增加呈先减小后增大趋势，而全氮、有效磷、速效钾随土层深度增加逐渐降低。刘哲(2019)等 [22] 研究表明治沟造地工程既优化了整治项目区的田块规模、平整度，又改善了土体剖面结构及土壤质量，提高了土地利用率和耕地质量等级。

5. 结论与展望

良好的土壤环境质量对整个生物圈的可持续发展意义重大。近年来，为更好解决黄土高原地区水土流失问题，当地政府大力推进退耕还林和治沟造地工程，农田土壤质量，生态环境得到明显改善。今后工作中还应加强以下方面研究：一是构建一套适宜于黄土高原地区的土壤质量标准及系统评价方法，更加侧重于将土壤微生物、土壤动物及人为活动等因素对土壤质量的影响结合起来；二是要全面分析土壤质量与影响因子之间的关系，将定性评价与定量评价深入结合起来，以更好的维持和提升该区域的土壤质量。