土壤健康的概念和未来展望(上)
摘要
土壤健康是指土壤维持植物、动物和人类的重要生命生态系统功能的持续能力，其将农业科学和土壤科学与政策、涉众需求以及可持续供应链管理联系起来。过去土壤评估侧重于作物生产，而现今土壤健康也包括土壤在水质、气候变化和人类健康中的作用。然而，尽管人们越来越认识到土壤生物多样性的重要性，但由于功能知识有限且缺乏有效的方法，量化土壤健康仍然以化学指标为主。本文即从此角度出发，论述了土壤健康的定义和历史，并与其他土壤概念进行了比较，同时概述了土壤提供的生态系统服务、土壤功能的测量指标及其与土壤健康指数的整合。科学家应把土壤健康作为实现可持续发展目标的首要原则，而不是仅仅作为一种属性来衡量。
1.引言
土壤是一个复杂的系统，位于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈的交汇处，对于粮食生产至关重要，并且其对重要的社会和生态系统服务的支持是实现可持续发展的关键。正是在这种背景下，于21世纪初期出现了土壤健康的概念（BOX 1），如今，这一概念已与新兴的“全球健康（One Health）”相关联，在“全球健康”这一概念中，人类、动物和环境的健康都是相互联系的。
BOX 1
土壤健康概念的历史
公众对土壤健康概念的广泛兴趣是有历史渊源的。尽管直到21世纪初期“土壤健康”一词才在科学和大众文献中经常使用，但将土壤生态系统比作有机体由来已久。正如歌曲、美术和表演艺术中所展现的，土壤常常是神话创作的一部分，人类与土壤也一直有着深刻的精神联系。
自18世纪以来，科学家们就在土壤形成过程中引入了生物过程的概念，认为土壤生态系统和其他生态系统一样受到了危害，为土壤健康提供了基础。1979年，盖亚概念(Gaia concept)普及了自然是一个行星尺度的自我调节系统的观点，明确包括了土壤生态系统的概念，并超越了土壤仅是为人类提供服务的观念。自20世纪80年代以来，土壤生物过程的分析能力取得了重大进展，包括2010年以来绘制的全球土壤生物多样性地图。2015年联合国可持续发展目标的制定要求将土壤功能与可持续发展相结合，使土壤健康成为一个合适的平台。
土壤健康概念是在20世纪90年代从土壤质量中产生的，最初受到了相当多的批评。最近决策者接受了这一概念，印度向1亿农民发放了土壤健康卡，一些大公司开始实施土壤健康方案，以更可持续地管理供应链。将土壤固碳作为《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)中降低大气二氧化碳的一个主要途径，增强了在全球范围内实施适当的土壤健康方案的政治紧迫性。2010年之后，土壤健康概念迅速得到采纳，部分原因可能在于它的灵活性，因此，不同的利益攸关方可以以自己的方式使用。
土壤健康的术语、概念和操作性仍在不断发展（BOX 1）。现在，大部分机构（如美国农业部）将其定义为维持植物、动物和人类生存的重要生命生态系统的持续能力。其他一些相关概念，包括土壤肥力、土壤质量和土壤安全（图1），也强调土壤在社会、生态系统和/或农业中的作用或功能。这些术语中最狭义的是土壤肥力，指的是土壤在作物生产中的作用。土壤肥力是由农民在田间规模进行管理，以实现作物经济高效的生产，完全聚焦于种植供人类使用的粮食、燃料和纤维。
“土壤健康”来源于“土壤质量”，后者描述了土壤对农业及其相关环境的作用能力。因此，土壤质量包括土壤对整个生态系统中水质、植物和动物健康的影响。虽然二者经常被混淆使用,但其含义并不相同，因为土壤健康超出了人类健康的范畴，将其扩展到更广泛的可持续发展目标（包括地球健康）,而土壤质量通常侧重于与人类相关的生态系统服务。
2012年引入的“土壤安全”是四个术语中最新和范围最广泛的一个，它包括了土壤健康。“土壤条件”用来描述土壤的可管理特性。土壤安全内涵包括获得土壤生态系统服务的机会须与其他人权处于同一水平，因此经常在政策背景下使用，包括土壤管理的人类文化、资本和法律等方面。重要的是，土壤安全使人们能够将土壤作为一种公共资源进行富有成效的讨论，就像水和空气一样，而不仅仅是作为私有财产(如土壤肥力和质量)。我们认为必须把讨论中心转移到关于土壤在可持续性和管理方面的作用上。
土壤健康包括与土壤质量和肥力相关的尺度、利益攸关方、功能和评估方法，并包含某些土壤安全的政策层面问题（图1），而不仅仅关注作物生产或其他明确的人类利益。土壤健康概念的多维性使土壤管理目标与可持续发展目标保持一致，并应为考虑大量利益攸关方、功能以及时空尺度奠定基础。土壤健康框架(最初指土壤质量)最重要的成就之一是在土壤管理中增加了亟需的生物学视角，以解决作物长期可持续性生产的挑战。生物视角对于扩大土壤评估和管理，以解决生物多样性、水质、气候、娱乐以及人类和地球健康等人类以外的问题也至关重要。
图1. 土壤肥力、质量、健康和安全。这些概念因其所涉及的相关空间尺度、功能、生态系统服务和利益相关者而不同(在图的右侧作为嵌套概念列出)。这些概念在土地权和土壤评估上也存在差异。土壤健康包括一系列广泛的生态系统功能、服务和参与者，影响着一系列广泛的可持续发展目标。这里列出的五种功能影响着整体的土壤生态系统服务。
历史上，科学家们对土壤健康的概念感到担忧，这是由于在定义土壤健康上存在巨大挑战，须能对包括人类健康在内的所有生态系统服务进行通用的定量评估，造成这一挑战的原因包括土壤异质性、土壤管理的场地特殊性以及有时存在冲突或竞争需求的不同生态系统服务。尽管如此，土壤健康概念的使用仍引起研究人员、政策制定者和利益攸关方的广泛关注。
从这个角度，我们描述了土壤健康管理与植物可持续生产、水质、人类健康和减缓气候变化之间的关系，概述了生物、化学和物理指标及其纳入土壤健康综合方法的现状，并主张在土壤健康评估中纳入更多的生物指标。最后，本文讨论了最近在测量和监测土壤健康方面的技术发展，以及土壤健康研究和管理的未来方向。
2.土壤健康和土壤生态系统服务
图2. 土壤健康和全球生态系统服务。土壤健康通过作物生产、质量、储存和运输，食物的品质和味道，土壤污染，以及气候变化，娱乐和文化影响人类和地球健康。土壤健康对植物和土壤生物的直接影响有助于评估因果关系(例如土壤养分有效性影响作物生产)。连锁效应(例如通过作物质量和粮食储存间接影响人类健康的土壤养分有效性)需要证明其因果关系，因此，在某些情况下，仍然需要建立科学依据。
2.1 植物可持续生产
植物生产是集约农业的主要目标，也是土壤健康管理的一个重点，因为它影响到水的使用和质量、人类健康、动物健康、气候和生物多样性（图2）。然而，从土壤健康的角度来看，仅通过使用农用化学品(主要是肥料)管理养分有效性是不足以优化植物生长的。此外，人们越来越认识到集约农业中用于增加植物总产量的一些管理措施对土壤健康有害。例如，对植物生产至关重要的生根深度在很大程度上取决于土壤结构，而土壤结构则部分由有机质含量和整地决定。耕作中土壤压实会对土壤结构产生负面影响，且仅使用无机肥料(与有机肥料相反，如堆肥、粪肥或覆盖作物)往往不足以恢复或保持土壤有机质的适当水平。因此，关注土壤健康应使土壤管理从依赖无机肥料扩展到采用有机改良剂和秸秆还田，减少耕作的机械影响，增加植物在时间和空间上的多样性或通过等高线耕作(沿海拔等高线耕作)以及草带以减少土壤侵蚀。
除了管理植物生产所需的土壤理化性质外，土壤健康还需考虑到植物与根际土壤微生物群落之间的相互作用，这些作用可以促进或抑制植物生长。促进土壤微生物以提高植物产量需要管理微生物的丰度和活性、群落组成和特定功能。例如，有机改良剂(如堆肥)可以通过促进有益微生物的生长来增强植物对病原体的抵抗力。在许多情况下，通过增加改良或减少耕作以提高有机质含量可以增加生物多样性，从而有望提高作物的抗逆性。但是也有例外，例如在某些情况下，减少耕作会降低作物产量，进而减少土壤有机碳含量。
2.2 水质
当雨水和融雪流经土壤时，土壤可能成为污染物的源和/或汇（图2）。这些污染物包括除草剂、杀虫剂、重金属、抗生素、激素、微塑料、病原体、多环芳烃、全氟烷基和多氟烷基物质。此外，农业化肥使用造成的营养污染是一个全球性问题，会导致水体富营养化和/或缺氧，促进有害藻华的生长，并对饮用水质量产生负面影响。因此，土壤管理需在支持作物生长和水质之间进行权衡，这需要仔细考虑并综合多种管理策略。
为了维持良好的水质，需要进行土壤健康管理，从而将污染物和其他有害物质保留在土壤中，并对它们进行缓冲和生物转化。增加土壤有机质能吸附重金属和有机毒素，其中一些吸附作用几乎是不可逆的。使用缓冲区可以减缓硝酸盐、磷酸盐或农药污染向水体的迁移，例如农业区或人工湿地附近的植被过滤带。土壤生物可以将有机污染物，如常见的碳氢化合物甲苯，转化为无害的化合物。因此，作为土壤健康的关键属性，有机质含量和微生物活性均可改善土壤径流的水质。
城市土壤的土壤健康状况尚未得到充分的认识，但可能比农业土壤包含更广泛的污染物，而且许多城市土壤也被改造为可以迅速排水或完全不排水的程度。因此，城市土壤的土壤健康管理必须在消除地表径流与减少排水来保留水和污染物之间取得平衡。为了提供洁净的饮用水，可以利用生物滞留池和人工土壤以实现物理滞留管理与污染物生物转化的结合。
2.3 人类健康
人类健康在很大程度上取决于土壤健康，包括但不限于土壤通过作物生产与人类健康之间的明显联系（图2）。作物类型及其营养成分也十分重要，土壤中微量营养元素的高利用率有助于降低营养不良，较高的土壤有机质含量有利于提高作物的营养价值。除了这些相对普遍的特性外，作物的营养价值还取决于土壤生物多样性，其能够提高作物对微量营养元素的生物利用率，抑制土传植物病害，并且影响口感、食物储存和食品加工。
土壤也会对人类健康产生负面影响。例如，土壤污染物可以通过直接接触、灰尘、悬浮物或雨水污染农产品。一些化合物，如砷和大多数无机污染物，也可以通过植物根系被吸收并在籽粒或果实中积累。除非生物污染物外，土壤还可能含有致病真菌，其能通过产生真菌毒素污染植物果实，并在动物和人类中引起急慢性疾病。此外，土壤中生存着大量寄生蠕虫(蠕虫病)，这些寄生虫可以在人类胃肠道中存活数年，引起营养不良并导致发育迟缓。
虽然土壤是病原体的宿主，但历史上它也是医疗工业用于生产抗生素(如链霉素)的有机体的来源。大多数土壤微生物仍有待发现和鉴定，一些重要发现还可应用于人类医学。量化和管理土壤生物多样性是土壤健康管理目标的一部分，为阻止微生物物种灭绝以及未来的生物勘探保留了机会。
表1. 土壤指标，纳入生态系统服务评价的功能，指标类型以及评价方法。超过20%的土壤健康评估方案所包括的指标标记为“>20%”。在至少包含在一种方案中但少于20%的指标标记为“<20%”。通常不包括在评估方案内，但建议使用的指标标记为“proposed”。与某一生态系统服务不直接相关的指标标记为“−”，较相关的被标记为“+”。B：生物的；C：化学的；GHG：温室气体；P：物理的。a部分来自参考文献。b给出的方法较宽泛，其中一些提出了详细的方法(见参考文献)，另一些则是对未来探索的建议。
2.4 气候变化
土壤管理可以缓解或加剧气候变化及其对其他土壤生态系统服务的影响，如水质或植物生产。以减缓气候变化的策略为例，将碳以有机质的形式固定在土壤中，可提高作物生产力和抗旱抗洪能力，进而促进农业发展。此外，可通过增加有机肥或土壤改良剂的使用以及减少耕作来提高土壤有机质含量，以增加团聚并控制微生物矿化产生的二氧化碳（表1），同时促进植物生长。然而，土壤健康管理需在气候变化和粮食生产之间权衡利弊。例如，施用氮肥增加作物产量的同时也会增加温室气体一氧化二氮的排放。这些实例突出了平衡土壤多种用途的困难，以及提供背景和目标对于土壤健康管理的重要性。
翻译：王哲
审核：韩瑞霞，朱慧静
编辑：陈晓涛