评估土壤品质的方法

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

土壤指的是能够储存水分、分解固体、提供营养物质以及无机物质的地表生物群落。土壤质量对各种生物群落的健康发育非常重要，如何有效评估土壤品质是一个十分关键的问题。在国内外许多国家土壤质量都面临着巨大的挑战。我们需要不断寻找新的方法来解决这个问题。
本文将从土壤品质评估的角度出发，从不同角度、层次来阐述如何评估土壤品质，并给出相应的评估方法、工具及应用。文章将从如下五个方面进行阐述：

Ⅰ．功能分析法（Functional Analysis）：该方法基于土壤生物利用效率分析，通过分析土壤水分和营养物质的利用情况，从而判定土壤的生物利用性能是否符合要求。该方法被认为是目前最科学的土壤品质评价方式之一。

Ⅱ．微生物学方法（Microbiology Methodology）：微生物学方法着重于观察、分析和研究微生物的存在，特别是对土壤中存在的微生物进行分类、鉴定和研究。由于微生物在土壤中作用如此广泛，使得微生物学方法成为识别和管理土壤微生物的一种新型方法。

Ⅲ．遗传学方法（Genetics Methodology）：遗传学方法借助基因组测序、遗传分析等方法，对自然选择产生的杂交种群进行研究，通过分析遗传变异和染色体序列，检测到有害微生物。遗传学方法可以有效地评估土壤微生物的多样性和适应性。

Ⅳ．化学分析方法（Chemistry Methodology）：化学分析方法包括化学组分成分分析、物理性质参数测定、颜色指标、气孔分布等。这些方法用于评估土壤水分含量、结构和可溶性，以及光合作用力、水合作用力、电导率、酸碱度等。

Ⅴ．生态学方法（Ecology Methodology）：生态学方法主要研究土壤环境中的生物，包括水生生物和陆生生物。通过了解土壤生物互动关系、影响气候变化、植被和人类健康、生物资源利用、营养吸收等现象，生态学方法有利于提高土壤品质。

2.核心概念术语说明

2.1.二元模型与三元模型

二元模型（Binary Model）和三元模型（Ternary Model）分别是指对土壤的二值或三值特征进行分类。

二值模型包括：“完全沙滩”和“植被”。这种模型认为土壤不能同时满足以上两个条件，只能有一个或另一个条件成立，且两者之间不存在矛盾关系。比如“完全沙滩”的土壤就是没有植被；“植被”的土壤就是没有沙滩。

三值模型包括：“天然热带低沼”、“中沼”和“恶性沼泽”，这种模型认为土壤既不能同时满足两个条件“低温性”和“植被”（低温性指土壤不适宜生长），又不能同时满足三个条件“高含水量”，“高氮肥”，“高PH值”。它将土壤按照沼泽、中沼和热带沼作为三个不同的品质。

2.2.绿化指标

绿化指标（Vegetation Index）是用来评估土壤绿化程度和质量的指标。一般情况下，绿化指标是由图像处理、空间统计、机器学习等技术来实现。常用的绿化指标有以下几个：

1.NDVI（归一化植被指数）:NDVI指归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index）的缩写，是一种利用红绿波谷之间的差异计算土壤水分含量的方法。 NDVI 的范围为-1～1，大于0表示土壤绿化，小于0表示土壤退化。

其计算方法如下：

（NIR+RED）/（NIR-RED）

其中NIR代表近红外波段，RED代表近紫外波段。

2.TRI（透射型光合效率指数）：TRI指透射型光合效率指数（Triangular Index of Refraction）的缩写，用来衡量土壤水分的效率。该指标是一个反映土壤在不同光照条件下表面积的指标，取值范围为0~1，越大表示土壤水分的有效率越高，通常较强的水分在低光照条件下含量较高。

其计算方法如下：

(NIR+R-G)/(NIR+R+G)

NIR是近红外波段，R是红色通道，G是绿色通道。

2.3.生物指标

生物指标（Biometric）是指基于生物特征、生态学特性、环境条件以及相关生物学信息等的综合评价方法。常用的生物指标包括：

1.RMSEI（荧光遗传效果指数）：RMSEI（Redness-Moisture Stress Environment Index）的缩写，是用来评价土壤荧光的贡献度的指标。通常用范围从0~1来衡量，越接近1，表示荧光抵抗力更强，水分含量会降低。

2.PPFD（太阳耦合太阳辐射发射效率）：PPFD（Photosynthetic Photon Flux Density）的缩写，即太阳耦合太阳辐射发射效率（Photochemical Sunshine Photon Flux Density）。PPFD越大，表示太阳辐射温度越高，耦合反应率越高，可以补充营养，但过度使用会导致荧光病变。

3.核心算法原理与操作步骤

3.1.功能分析法

功能分析法（Functional Analysis）是评估土壤生物利用性能的方法之一。该方法基于土壤水分和营养物质的利用情况，结合植物生理、生物系统、微生物的功能特点、资源占用情况等一系列因素，对土壤生物利用效率进行评估。功能分析法包括四个部分：

• 水分利用评价：对土壤中水分的利用率、利用效率进行评估。
• 营养利用评价：对土壤中营养物质的利用效率、利用稳定性进行评估。
• 生物利用效率：利用生物系统、微生物的功能特点及资源占用情况，对土壤生物利用效率进行评估。
• 毒素利用效率：利用毒素抵抗能力及地表扬尘、雾霾等环境影响，对土壤毒素利用效率进行评估。

功能分析法的具体操作步骤如下：

1.描述土壤类型：描述土壤是沙漠、草原还是平原。

2.水分利用评价：以“水分转化效率”和“水分利用效率”为主要指标，衡量土壤水分的利用率、利用效率。水分转化效率是指土壤中水分的体积/质量。水分利用效率则考虑土壤在生长过程中所释放的水分，即总体/有效利用。

3.营养利用评价：以营养物质（生长性菌、微生物等）利用率和稳定性为主，衡量土壤中营养物质的利用效率、利用稳定性。营养物质的利用效率是指土壤中各类营养物质的利用比例，利用稳定性则指营养物质的生长率是否维持在预期水平。

4.生物利用效率：以植物生理、生物系统及微生物的功能特点为依据，结合土壤生物利用条件，衡量土壤生物利用效率。生物利用效率主要包括纯营养生物、生物有机体、微生物的利用效率。

5.毒素利用效率：以毒素抵抗力、扬尘、雾霾等影响为依据，评估土壤毒素利用效率。

3.2.微生物学方法

微生物学方法（Microbiology Methodology）是用微生物代谢途径和生物质的差异来评估土壤微生物的多样性和适应性的一种方法。微生物学方法借助微生物的生物学特性、代谢特性、生态学特征及功能特性，通过微生物入侵、代谢过程和寄生聚集、植物生长调控、土壤利用环境、环境污染、光合作用力、气孔分布、植被覆盖度等条件的综合判断，利用分类、鉴定、计量和研究微生物在土壤环境中的作用。微生物学方法的具体操作步骤如下：

1.代谢与生物相互作用：通过分析微生物代谢途径及生物质的差异，判断微生物在土壤环境中的作用。

2.细胞学特性：通过细胞培养、溶液学特性、形态学特性等生物学属性，分析微生物在土壤中的物理特性和功能特性。

3.植物生理特性：结合微生物代谢途径和生物质的差异，对植物的生理调控作用、根系结构、根蒂活动、凋落物构造、发芽发育及分裂进行分析。

4.植物生境特性：对土壤中的植物生境进行详细研究，分析微生物在植物生境中作用机制，包括景观类型、环境风化、噪声捕捉、透明度、光照强度、植被分布、沙暴频率、水分利用、天气条件、微生物环境、土壤利用效率等。

5.资源利用：分析微生物资源利用的条件、限制、节约水分、节约营养物质和毒素的能力。

3.3.遗传学方法

遗传学方法（Genetics Methodology）是通过比较遗传标记物种体与参考基因序列上有哪些突变、哪些区域发生了突变以及突变的方向、大小来评估基因组多样性的一种方法。遗传学方法由两部分组成：

1.基因分型：通过比较基因序列上的差异，识别和鉴定所有可能的基因。

2.基因组分析：根据突变区域的大小、方向以及与参考基因序列的一致性，确定基因组多样性。

遗传学方法的具体操作步骤如下：

1.基因标记：通过对单核苷酸多态性（STR）或其他染色体标记物识别位点的方式来鉴定基因。

2.序列比对：利用比对软件对序列进行比对，识别位点间的相似性，确认基因位置。

3.分型：将已知的不同遗传变异分为四类：重复缺失位点、单一缺失位点、杂合位点、交叉位点。

4.序列定位：对序列的编码区域进行定位。

5.基因组分析：对不同的遗传变异进行计数，确定基因组多样性。

3.4.化学分析方法

化学分析方法（Chemistry Methodology）用于评估土壤水分含量、结构和可溶性，以及光合作用力、水合作用力、电导率、酸碱度等。它采用各种实验方法和技术手段来测量和分析土壤中的各种物质，从而对土壤品质进行有意义的评估。

化学分析方法的具体操作步骤如下：

1.水分含量：测量水分含量，了解土壤的水分生物量分布、含水量、含糖量。

2.结构分析：对土壤的结构、大小、形态、组织形态、密度、均匀度、电导率、表面活性等进行检测、测定和分析。

3.二次离心法：使用二次离心法分析土壤的晶状结构和原子排序。

4.电离假设：遵循电离假设，理解不同成分的相互作用，对冷却速度、温度和辐射进行参数调整，并检验结果是否与理论预测吻合。

5.扩散系数：使用扩散系数法进行测定，了解土壤的渗透压、接触面积、扩散系数、景气层高度等。

3.5.生态学方法

生态学方法（Ecology Methodology）是评估土壤生态系统、气候条件、生物资源利用、地表水污染、植被影响等条件对土壤健康、生态结构和经济效益的影响的一种方法。生态学方法包括生物演化、微生物的起源、生物再生产、物种多样性、物种分布及迁移、环境变化、人类活动、农作物施肥、废弃物处理、土壤修复等方面的研究。

生态学方法的具体操作步骤如下：

1.生物演化：探讨微生物的起源、进化及功能演化。

2.微生物的寄居地：探讨微生物的寄居地分布、影响、塑性。

3.植物资源利用：探讨植物在土壤中资源的利用、有害微生物对植物的影响。

4.植被影响：探讨植被覆盖、植物存活率、植被异质性、植被特征、植被改善及植被保护等。

5.水污染：探讨土壤的水污染来源、影响、防治办法、控制措施、经费投入等。

未来发展趋势与挑战

随着近年来的技术革命和产业变革，智能手机、云计算、大数据、人工智能、物联网、区块链等新兴产业不断涌现，土壤质量也不断受到冲击。如何更准确、高效地评估土壤品质是一件重要的科技问题，也是作者在工作之余要持续关注并努力探索的方向。