• 評價土壤健康和測定土壤退化的敏感性和抵抗力的新方法

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    2020-11-17
    簡介
    評價土壤健康和測定土壤退化的敏感性和抵抗力的新方法發布,詳情如下:

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    土壤健康評價需要對表征土壤生態系統服務的各項指標和功能進行評估。通常采用土壤質量指標(SQI)進行土壤質量評價,但由于這些土壤質量指標均針對特定的土壤功能進行,導致不同指標之間無法進行絕對值的比較。本文提出了一種土壤質量指標面積法,該方法基于雷達圖的面積進行,將土壤化學屬性、生物屬性和物理屬性的面積進行綜合比較。該方法區別于之前的土壤質量指標評價方法,可快速簡單比較土壤各項參數和土壤整體的變化。本文同時提出了對退化土壤的抵抗力和敏感性的測定方法,建議采用SOC降低的程度方法進行測定。基于廢棄農田黑土和黑鈣土恢復過程,對SQI面積和抵抗力/敏感性方法進行了檢驗。SQI面積以及抵抗力/敏感性方法可應用于基礎和應用研究、決策者評估土地利用和測量土壤退化程度具有。本文提出采用土壤質量指數(SQI)-面積方法和抗性-敏感性方法,以詳細評估土壤健康狀況,并能克服傳統SQI的缺陷。與土壤健康相比,土壤肥力的評估相對簡單,并且是基于農作物的生產力。但是,這種土壤肥力觀點也只會關注一種功能,即作物生產力,因而忽略了整體范圍內的其他功能:多功能性。為克服這一局限性,人們提出了各種評估土壤退化,質量和健康狀況的方法。這些方法大多數基于具有或不具有加權因子的少量化學,物理和生物土壤特性的組合,被稱為土壤質量指數(SQI)。在這種SQI指數計算中,除了考慮(部分主觀)選擇的土壤特性之外,有兩個主要缺點限制了它們的應用:(1)不同研究之間各種SQI的比較非常困難,并且由于應用了多種土壤參數和加權因子,因此在某種程度上是不可能的;(2)各個參數對土壤退化的敏感性取決于退化的方向(化學,物理和生物),特定的退化因素(例如過度施肥,高機械負荷和化學污染)和退化類型(例如壓實,骨料破壞,酸化和侵蝕)。因此,個體的化學、物理和生物特性成為在最終的SQI分數中的各種權重。在這里,我們建議,應用兩種方法來克服這些SQI缺點。第一種方法,即SQI面積方法,是基于雷達圖上面積的比較方法,該圖是由所有影響SQI的土壤參數(物理,化學和生物學)所產生的。第二種方法,是抗性-敏感性方法,它反映了各個土壤參數對土壤退化的敏感性,是一種比較特定情況下的土壤健康評價方法。1.計算SQI面積用以比較不同方法SQI面積方法是基于對由單個土壤參數組產生的雷達圖內部面積的比較,這些參數對SQI有加權(在大多數情況下沒有加權或線性加權)。對于未退化的土壤(大多數情況下是自然祖先或類似土壤),每個土壤參數均應標準化為1.0。其中,stPi是標準參數i,Pdeg和Pnatare分別為退化土壤和自然(未退化)土壤中的參數值。這種標準化確保了由任意數量的參數組成的任何SQI的比較。根據標準化參數,可以為未退化的(天然)土壤(所有值均為最大值,圖1)和退化的土壤建立雷達圖。兩種土壤覆蓋面積的比較(例如比率)反映了總的降解強度。相應的面積(AreaSQI)將等于構成整個圖形的各個三角形的總和:其中,n是用于SQI的參數數,π為3.14。盡管總面積在一定程度上取決于SQI計算中涉及的參數數量,但退化土壤和非退化土壤之間的面積比是獨立的。退化土壤中所有三角形面積的總和與自然或未擾動土壤所有參數所覆蓋的面積之比將反映總體退化強度(圖1)。圖1:土壤質量指數面積法(SQI-area)適用于統一評估任何數量的土壤參數并比較各種SQI方法。必須減少雷達圖中未退化土壤和退化土壤之間的面積。未降解土壤和退化土壤的SQI面積之比與面積計算中涉及的參數數量和權重無關。化學土壤參數用藍色表示,物理參數用紅色表示,生物參數用綠色表示。SOC,土壤有機碳含量;TN,總氮含量;AvailP,有效磷;CEC,陽離子交換能力;WHC,持水能力;密度,土壤容重;MaAgg,宏觀集合體;Depth,Ah/Ap+B層的深度;CO2,二氧化碳外排;MBC,微生物生物量碳含量;Nemat,線蟲;和EarthW,蚯蚓。在此示例中,降級SQI與未降級SQI的面積之比為0.47,這表明平均一半的性能和功能會因降級而丟失。請注意,退化土壤圖上的值是任意的(非實驗性)。2.土壤參數對土壤退化的敏感性和抗性土壤參數對土壤退化的敏感性和抗性分別反映了各個參數隨退化而改變(在大多數情況下降低)的程度(強度)。盡管定義很簡單,但主要問題是要確定閾值,在該閾值處抗性會結束,而敏感性會產生。因此,必須對土壤性質進行比較。我們建議使用SOC含量作為普遍的參考土壤特性,原因有四個:(1)SOC對農業用途和大多數形式的土壤退化敏感。(2)SOC含量包括了其他各種物理,化學和生物學特性。(3)它與許多特性(營養成分和可用性,堆積密度和聚集,CEC和吸附能力,例如重金屬和農藥以及孔隙率)密切相關。因此,有機碳有效地是土壤的主要屬性。(4)SOC已用于大多數先前的SQI。因此,所有應該評估其靈敏度和電阻的參數都將與SOC的變化(在大多數退化情況下降低)正交(圖2)。如果特性與SOC的降低成比例地降低(圖2中的標識線),則其靈敏度和電阻與SOC相同。如果更改速度快于SOC(標識線下方的虛線)的變化,則此屬性很敏感;如果更改較慢(標識線上方),則與SOC相比,此屬性可抵抗退化。圖2:根據與土壤有機碳含量變化的比較,土壤參數對退化或土地利用變化的敏感性和抗性的概念和評估原理(改編自Guillaume等人)。與SOC相比,土壤特性可隨SOC含量的降低(標識線,1:1)成比例地降低,或者具有抗性(標識線上方,1:1)或敏感(標識線以下,1:1)。土壤特性的抗性或敏感性是依賴于SOC的損耗強度(虛線),或取決于SOC損耗強度(虛線)。土壤特性均針對未降解的參考土壤進行了標準化(1.0,請參見等式(1)),并且可能會降低至0。對于土壤特性(Y尺度),可以使用任何土壤參數(例如,參與SQI的計算)。通常情況下,(微觀)生物學特性更敏感,而物理特性則更耐土壤退化。虛線(圖2)顯示了各種土壤參數下降的具體情況。即使SOC大大降低或完全去除,某些抗降解參數仍會保留在土壤中。這些參數包括總磷含量,CEC,粘土含量和保水性,即主要與母體材料有關的參數。在SOC完全消失之前,其他對降解敏感的參數將達到接近于零的水平,例如微生物生物量,溶解的有機物,大多數酶的活性和基礎呼吸,即主要是(微生物)生物學參數。兩組參數均用虛線表示(圖2),這兩組參數在SOC完全消失后仍保留在土壤中,或在SOC完全消失之前達到零。相反,一些其他參數,盡管具有靈敏度或抗性,但也只有在SOC完全丟失的情況下,才達到零或下降到母巖水平(圖2中的虛線)。這些參數包括總氮含量,大骨料,有機礦物級分等。但是,土壤特性的敏感性或抗性不能反映其彈性。因此,由于SOC負責廣泛的土壤特性和功能,因此將任何參數與SOC的比較通過降解而降低,反映了其敏感性或抗性。與SOC含量相比,大多數物理土壤參數通常更具抵抗力,并且大多數生物參數對土壤退化更敏感。這種抗性-敏感性方法也可以很好地用于比較各種土壤對退化的相對敏感性。SQI區域和抗性-敏感性這兩種方法不僅可以很好地用于基礎和應用研究問題,而且對決策者也很有吸引力,因為它們提供了簡單而統一的選項來評估土地利用實踐和措施土壤退化,進而影響土壤健康。
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