1、耕地質量評價國內外研究進展耕地質量評價國內外研究進展田有國田有國2011年年12月月3日日 河南農業大學河南農業大學 （中華人民共和國土地管理法，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學退化化學退化生物退化生物退化土壤結構下降：壓實、結殼、缺氧鹽化 堿化侵蝕加劇風蝕水蝕淋溶 酸化 淀積土 壤 生物 多 樣性下降腐 殖 質質 量 和數 量 降低l生物量生產力降低l水體污染與富營養化l大氣質量下降l微量氣體逸失到大氣中土壤退化類型（土壤退化類型（R. Lal, 2001）中國土壤退化分類中國土壤退化分類（中國科學院南京土壤研究所）土地退化與土壤退化土地退化與土壤退化 土地退化的直接后果是： 直接破壞陸地生態系統的平衡及其生產力； 破壞自然景觀及人類生存環境； 通過水分和能量的平衡與循環的交替演化誘發區域乃至全球的土被破壞、水系萎縮

3、、森林衰亡和氣候變化。在討論土地退化或土壤退化時，兩者常常混為一談，許多情形下，把土壤退化簡單地作為土地退化來討論，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產力土壤提高植物和生物生產力的能力的能力 土壤降低環境污染物和病菌土壤降低環境污染物和病菌損害的能力損害的能力 土壤質量影響動植物和人類土壤質量影響動植物和人類健康的能力健康的能力 1需要從機理水平需要從機理水平理解土壤質量，理解土壤質量，強調土地利用決強調土地利用決策對養分循環、策對養分循環、淋溶、土壤結構、淋溶、土壤結構、碳積累和其它相碳積累和其它相關過程的影響。關過程的影響。2與生產力評

4、價類與生產力評價類似，不僅強調產似，不僅強調產量，同時強調土量，同時強調土壤資源的物理、壤資源的物理、化學和生物狀況化學和生物狀況以及目前土地利以及目前土地利用措施的長期經用措施的長期經濟變異性。濟變異性。3需要進行田間試需要進行田間試驗來理解土壤質驗來理解土壤質量和作物生產之量和作物生產之間的關系。強調間的關系。強調不同的土地利用不同的土地利用類型和土壤類型類型和土壤類型及管理措施對土及管理措施對土壤質量的影響壤質量的影響。 點尺度點尺度農田尺度農田尺度小區尺度小區尺度評價目的評價目的評價指標評價指標評價方法評價方法不同的評價不同的評價目的決定考目的決定考慮不同的土慮不同的土壤功能，從壤功能

5、，從而影響評價而影響評價指標和方法指標和方法的選取。的選取。根據土壤功根據土壤功能選取主要能選取主要指標，利用指標，利用專家建議法專家建議法和多元統計和多元統計方法確定最方法確定最小數據集。小數據集。將指標值轉將指標值轉化，綜合形化，綜合形成指數；建成指數；建立土壤質量立土壤質量標準，用以標準，用以反映土壤屬反映土壤屬性的變化。性的變化。受營養受營養(A)和水和水(B)影響的糧食影響的糧食 產量與潛在產量產量與潛在產量(C)的差異的差異 決定營養平衡的輸入和輸出參數決定營養平衡的輸入和輸出參數 土壤營養吸收量土壤營養吸收量Glover等（等（2000）為）為評價華盛頓州果園在傳統、施有機肥和綜

6、合評價華盛頓州果園在傳統、施有機肥和綜合三種不同管理系統下對土壤質量的影響，三種不同管理系統下對土壤質量的影響，將土壤質量分為容納將土壤質量分為容納水的能力、促進水轉移和吸收的能力、抗退化能力和支持植物水的能力、促進水轉移和吸收的能力、抗退化能力和支持植物生長四方面的土壤功能，根據各種土壤功能選取對應的指標。生長四方面的土壤功能，根據各種土壤功能選取對應的指標。評價指標評價指標物理性指標物理性指標土壤質地和結構、土壤質地和結構、土層和根系深度、土層和根系深度、土壤容重和滲透土壤容重和滲透率、土壤含水量、率、土壤含水量、團聚穩定性等。團聚穩定性等。化學性指標化學性指標有機有機C、全、全N、有、有

7、效效P、交換性、交換性K、pH值、陽離子交值、陽離子交換量（換量（CEC）、）、電導率、電導率、Zn、Mo等。等。生物性指標生物性指標微生物生物量、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專家建議專家建議由專家根據不同評價目的、土壤功能，結合以前的實踐經

8、驗選取指標多元統計多元統計對分析指標通過PCA和相關分析，確定能反映變量主要差異且獨立的指標(Wienhold1 et al., 2004) 評價指標評價指標評價方法評價方法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評價方法評價方法選擇合適的評價指標(MDS)將各指標分值綜合生成指數通過一定運算法則獲得分值線性函數非線性函數主成分分析 直接轉換 多元回歸評價方法評價方法Conceptual relationship between soil quality minimum data sets, scoring functions, and index values(Wienh

12、old1 et al., 2004).in1iiSWSQI評價方法評價方法評價方法評價方法評價方法評價方法 評價方法評價方法評價方法評價方法10)(SQIn1iinSWatersheds 1 and 2為傳統耕作的土地，Watersheds 3為壟溝耕作的土地（ridge-tillage）。前期準備工作前期準備工作農戶調查數據農戶調查數據試驗示范數據試驗示范數據第二次土壤普查成果資料第二次土壤普查成果資料屬性數據庫屬性數據庫空間數據庫空間數據庫確定評價確定評價單元并給單元并給評價因子評價因子賦值賦值模糊數學模糊數學法確定各法確定各評價因子評價因子評語評語層次分析層次分析法確定各法確定各評價因子

13、評價因子權重權重綜合指數綜合指數法確定各法確定各評價單元評價單元地力等級地力等級歸入全國歸入全國等級系統等級系統之之縣 域縣 域耕 地耕 地資 源資 源管 理管 理信 息信 息系 統系 統之之測土配方施肥測土配方施肥屬性數據庫屬性數據庫測土測土配方配方施肥施肥土樣測試數據土樣測試數據數據庫和縣域系統的建立數據庫和縣域系統的建立耕地地力評價流程耕地地力評價流程電子圖件電子圖件/表格表格/報告報告縣級耕地地力評價縣級耕地地力評價 NY/7389-1996 歸入國家地力等級體系歸入國家地力等級體系 耕耕 地地 地地 力力 評評 價價 技技術術 流流 程程 建立縣域耕地資源基礎數據庫建立縣域耕地資源基

14、礎數據庫 選擇評價要素選擇評價要素 確定評價單元確定評價單元 建立縣域耕地資源管理信息系統建立縣域耕地資源管理信息系統評價單元獲取數據評價單元獲取數據 計算單因素評價評語計算單因素評價評語 計算單因素的權重計算單因素的權重 計算耕地地力綜合指數計算耕地地力綜合指數 確定地力綜合指數分級方案確定地力綜合指數分級方案 評價成果評價成果 省級專家組從全國指標體系篩選省級專家組從全國指標體系篩選 屬性提取屬性提取層次分析法層次分析法等距法等距法累計頻率曲線法累計頻率曲線法RS GPS GIS 野外補充調查野外補充調查 土壤圖土壤圖土地利用現狀圖土地利用現狀圖 空間數據庫空間數據庫/屬性數據庫屬性數據庫

15、 專家知識庫專家知識庫 /模型庫模型庫 指數法指數法/模型綜合評判法模型綜合評判法累加法累加法/ 累乘法累乘法 加法與乘法相結合加法與乘法相結合 推薦方法：推薦方法： 土壤圖土壤圖( (土種土種) )土地利用現狀圖（基本農田保護土地利用現狀圖（基本農田保護塊圖行政區劃圖）疊加產生的圖斑作為耕地地力評價塊圖行政區劃圖）疊加產生的圖斑作為耕地地力評價的評價單元。有以下特點：的評價單元。有以下特點： 空間界線及行政隸屬關系明確，有準確的面積（要空間界線及行政隸屬關系明確，有準確的面積（要注意與當地政府發布的耕地面積一致）；注意與當地政府發布的耕地面積一致）； 地貌類型及土壤類型一致；地貌類型及土壤類

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。優點：優點：為農業決策提供支持；為農業決策提供支持；指導實際的農事操作；指導實際的農事操作；實施精準農業奠定良好的基礎。實施精準農業奠定良好的基礎。全國耕地地力評價指標體系全國耕地地力評價指標體系 總集總集省、縣級耕地地力評價指標集江蘇省、縣級耕地地力評價指標集江蘇 假設假設我們做了這樣的實驗：經過一定時間（如每隔一小我們做了這樣的實驗：經過一定時間（如每隔一小時），測量一次土壤水分含量，得到一組實驗數據如下：時），測量一次土壤水分含量，得到一組實驗數據如下：圖圖4 函數關系示意圖函數關系示意圖y=at+b 特爾斐法的基本步驟特

17、爾斐法的基本步驟確定提問的提綱確定提問的提綱意見反饋意見反饋最后總結分析最后總結分析歸納歸納 統計統計分別征詢每個專家分別征詢每個專家對問題的見解對問題的見解選擇解答人選選擇解答人選反反 饋饋3-5次次YESNO戒上型函數模型（有效土層厚度、有機質含量等）戒上型函數模型（有效土層厚度、有機質含量等）式中式中,yi為第為第i個因素評語個因素評語;ui為樣品觀測值為樣品觀測值;ci為為標準指標標準指標;ai為系數為系數;ut為指標下限值。為指標下限值。戒下型函數模型（坡度、土壤容重等）戒下型函數模型（坡度、土壤容重等） 式中式中,ut為指標上限值。為指標上限值。峰型函數模型（峰型函數模型（pH）式

18、中式中,ut1、ut2分別為指標上、下限值。分別為指標上、下限值。計算舉例計算舉例pH pH 隸屬函數擬合隸屬函數擬合(1)專家評估專家對專家對pHpH的評估值如下表的評估值如下表 (2)用SPSS軟件計算參數a,c (3)顯著性檢驗 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擬合的擬合的pH隸屬函數曲線隸屬函數曲線 理化性狀B2剖面組成B3土壤管理B5立地條件B4有效鋅C1速效鉀C2有效磷C3PHC4質地C5有機質C6潛水埋深C7障礙層深度C8耕層厚度C9坡向C10坡度C11地貌類型C12灌溉指數據C1 耕地生產潛力 A 排澇能力C1層次分析法基本步驟舉例 確定指標體系及構造層次結構養分B1特征向量：特征向量：0.0615,0.2350,0.1697,0.3379,0.19

20、59最大特征根為：最大特征根為：5.0168CI=4.20552184252943E-03RI=1.12CR=CI/RI=0.00375493 0.1 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！目標層判別矩陣目標層判別矩陣準則層準則層(1)(1)判別矩陣原始資料：判別矩陣原始資料：特征向量：特征向量：0.0893,0.5870,0.32380.0893,0.5870,0.3238最大特征根為：最大特征根為：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 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！ 準則層準則層(2)(2)判別矩陣原始資料判別矩陣原始資料特征向量：特征向量：0.0836,0.2835,0.63300.0836,0.2835,0.6330最大特征根為：最大特征根為：3.07403.0740CI=3.70175041242657E-02CI=3.70175041242657E-02RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.06382328 0.1 CR=CI/RI=0.06382328 0.1 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！準則層準則層(3)(3)判別矩陣原始資料判別矩陣原始資料特征向量：特征向量：0.0

22、915,0.7071,0.20140.0915,0.7071,0.2014最大特征根為：最大特征根為：3.09563.0956CI=4.77997275813142E-02CI=4.77997275813142E-02RI=.58RI=.58CR=CI/RI=0.08241332 0.1 CR=CI/RI=0.08241332 0.1 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！準則層（準則層（4 4）判別矩陣原始資料）判別矩陣原始資料特征向量：特征向量：0.0719,0.1655,0.76260.0719,0.1655,0.7626最大特征根為：最大特征根為：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 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！準則層（準則層（5 5）判別矩陣原始資料）判別矩陣原始資料特征向量：特征向量：0.2000,0.80000.2000,0.8000最大特征根為：最大特征根為：2.00002.0000CI=0CI=0RI=0RI=0CR=CI/RI=0.00000000 0.1 CR=CI/RI=0.00000000 0.1 一致性檢驗通過！一致性檢驗通過！-層次總排序一致性檢驗：層次總排序

24、一致性檢驗：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全國耕地地力等級與綜合指數法耕地等級對照表全國耕地地力等級與綜合指數法耕地等級對照表耕地地力等級匯總耕地地力等級匯總資料的永久保存資料的永久保存圖形、數據的全方位查詢、統計、匯總圖形、數據的全方位查詢、統計、匯總專題制圖專題制圖專題評價專題評價測土配方施肥測土配方施肥其它擴展功能其它擴展功能耕地地力評價耕地地力評價土壤環境質量評價土壤環境質量評價耕地適宜性評價耕地適宜性評價級別級別利用利用方式方式pH范圍范圍CuPbCdCrAsHg六六六六六六 DDT1級級, 優優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級級, 良良GB/T17407.1-2001不分不分pH7.51000.30150400.300.50.51500.30200300.500.50.51500.60250251.00.50.53級級, 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級別級別pHCODcrHgCdAsPbCr6+F1級級, 優優,5.5-8.51500.0010.0050.02級級, 良良5.5-8.51500.0010.0050.03級級, 不不及格及格5.5-8.51500.0010.0050.0環境要素環境要素嚴控指標嚴控指標一般控制指標一般控制指標土壤土壤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樣點

28、樣點號號利用利用方式方式pH鎘鎘汞汞砷砷鉻鉻鉛鉛銅銅六六六六六六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 樣樣點點超 標 污超 標 污染物染物 單項污染指數單項污染指數Pi/土壤綜合評價結果土壤綜合評價結果CdHgAsCrPbCu666DDTPxPmaxP綜綜1按按1級算級算

29、0.730.430.430.650.440.440.090.010.400.730.592汞汞1級超級超,按按2級算級算0.400.930.170.460.210.010.010.310.930.693按按1級算級算0.950.400.510.680.450.370.040.040.430.950.744鎘鎘2級超級超, 仍仍按按2級算級算1.730.560.270.600.190.400.020.020.481.731.73土壤綜合土壤綜合污染等級污染等級土壤綜合污染土壤綜合污染指數指數污染污染程度程度污染水平污染水平1P綜綜0.7安全安全清潔清潔20.7 P綜綜1.0警戒限警戒限尚清潔尚清

30、潔31.0 P綜綜2.0輕污染輕污染土壤有一項或多項污染物超標。土壤有一項或多項污染物超標。42.03.0重污染重污染土壤有一項或多項污染物超標土壤有一項或多項污染物超標嚴重。嚴重。 示例示例- -水質分析結果水質分析結果(mg/L)樣樣號號pHCOD鎘鎘汞汞砷砷鉻鉻鉛鉛氟氟水水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樣樣點點超 標 污超 標 污染物染物 單項污染指數單項污染指數Pi/水質綜合評價結果水質綜合評價結果pHC ODCdHgAsCrPbFPxPmaxP綜綜1按按1級算級算0 .370.220 .260.300 .080 .110.110 .100.190.370.292按按1級算級算0 .150.480 .480.700 .120 .070.030 .100.270.700.533按按1級算級算0 .300.280 .820.800 .240 .610.030 .110.400.820.644C d 2 級級超 ， 仍超 ， 仍按按2級算級算0 .260.701 .580.400 .5

32、00 .420.020 .310.521.581.58樣點樣點 Pi土土Pi水水11級級, 0.591級級, 0.2922級級, 0.691級級, 0.53（2級級, 0.53）31級級, 0.741級級, 0.644超超2級級, 1.73超超2級級, 1.58 P綜綜=0.590.65+0.290.35=0.49（1級級 ，0.49） P綜綜=0.690.65+0.530.35=0.63（2級，級，0.63級）級） P綜綜=0.740.65+0.640.35=0.71（1級，級，0.71） P綜綜=1.730.65+1.580.35=1.68（超（超2級，即級，即3級）級） 氣候變怪、土地變

33、嬌、農民變貴氣候變怪、土地變嬌、農民變貴政府要糧、農民要錢在叢林里，最終能存活下來的，往往不是最高大、最強壯的，而是應對變化最快的物種！達爾文達爾文進化論進化論現代土壤學科前沿 技術與信息時代技術與信息時代遙感遙感地理信息系統地理信息系統景觀分析景觀分析分子尺度的分析技術分子尺度的分析技術環境土壤生物學環境土壤生物學計算機與土壤過程和反應的定量建模計算機與土壤過程和反應的定量建模精確農業精確農業信息科學與技術其他應用信息科學與技術其他應用( Lee Sommers and Larry Wilding,2006-4, CSA News)現代土壤學優先研究內容：現代土壤學優先研究內容：我國土壤學中

34、、長期發展優先研究內容以土壤質我國土壤學中、長期發展優先研究內容以土壤質量提升與調控為核心。量提升與調控為核心。 具體有以下幾個方面具體有以下幾個方面: : 土壤養分資源高效利用技術研究土壤養分資源高效利用技術研究 土壤有機質提高機制與生產力關系的研究土壤有機質提高機制與生產力關系的研究 土壤肥力演變規律與評價體系研究土壤肥力演變規律與評價體系研究 障礙及低產土壤改良研究障礙及低產土壤改良研究 土壤污染環境及修復重建研究土壤污染環境及修復重建研究( 徐明崗等，2006) 耕地耕地保護保護食品食品安全安全糧食糧食安全安全生態生態安全安全數量數量生生態態質質量量美國2005年召開了2個土壤科學問題的研討會（主題分別是“臨界帶界面研究的前沿”和“土壤科學研究前沿”）：提出土壤科學面臨的重要挑戰是需要學科交叉研究。不僅包括土壤學的分支學科如土壤化學、土壤物理學、土壤生物學、土壤礦物學之間的合作