導(dǎo) 讀
土壤具有社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化和精神層面的價(jià)值。正是由于土壤的多重功能，傳統(tǒng)的土壤資源概念已經(jīng)不能全面反映土壤的整體功能和價(jià)值，因此土壤安全的概念開始形成。
土壤安全是指土壤持續(xù)地為人類提供食物、纖維和淡水資源等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),同時(shí)維持生物多樣性和相對(duì)穩(wěn)定性的一種狀態(tài)。
因此，土壤安全的概念有效整合了土壤的多重功能，為在更高的層面來(lái)研究土壤、利用土壤和保護(hù)土壤提供了一個(gè)戰(zhàn)略框架。
文/朱永官（ 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、李剛（中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、張甘霖（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、 傅伯杰（北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院）
來(lái)源：地理學(xué)報(bào)（2015年第12期）（www.geog.com.cn）
1 引言
土壤是人類賴以生存的最基本自然資源。傳統(tǒng)的土壤資源似乎只是與一個(gè)與農(nóng)業(yè)或人類溫飽相關(guān)的問(wèn)題。事實(shí)上，土壤不僅為人類提供了食物和纖維，而且在確保環(huán)境安全和能源安全，記錄地球與人類的演化歷史，以及保護(hù)生物多樣性等方面都發(fā)揮了不可替代的作用，故土壤是保障地球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的核心。
自農(nóng)耕文明出現(xiàn)以來(lái)，人類對(duì)土壤的開發(fā)和使用已被視為理所當(dāng)然。從早期的農(nóng)業(yè)文明到現(xiàn)在的快速城市化，人類對(duì)土壤的開發(fā)和利用不斷強(qiáng)化并在全球擴(kuò)散。
當(dāng)前，作為地球上最大的土地利用類型，農(nóng)業(yè)用地占地球上無(wú)冰土地的38%，其中分別約有12%和26%的無(wú)冰土地用于作物和草地。但是,全球范圍內(nèi),由于人類過(guò)度或不恰當(dāng)?shù)睦靡呀?jīng)導(dǎo)致大約33%的土壤處于退化狀態(tài)。
為了提升全球?qū)ν寥蕾Y源的重視，2013年12月20日第68屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)決議通過(guò)了12月5日為世界土壤日，并宣布2015年為國(guó)際土壤年，主題為“健康土壤帶來(lái)健康生活”。聯(lián)合國(guó)制定的2016-2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)也直接或間接地體現(xiàn)了土壤重要性。
為應(yīng)對(duì)土壤退化對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn),協(xié)調(diào)世界各國(guó)土壤研究、保護(hù)和管理,FAO于2012年發(fā)起成立了“全球土壤伙伴計(jì)劃”（Global Soil Partnership）,旨在通過(guò)協(xié)調(diào)和匯聚土壤研究、土壤利用和土壤管理各利益相關(guān)方的力量，更有效地利用和保護(hù)土壤資源，服務(wù)全球可持續(xù)發(fā)展。
土壤具有社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化和精神層面的價(jià)值。正是由于土壤的多重功能，傳統(tǒng)的土壤資源概念已經(jīng)不能全面反映土壤的整體功能和價(jià)值，因此土壤安全的概念開始形成。
土壤安全是指土壤持續(xù)地為人類提供食物、纖維和淡水資源等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),同時(shí)維持生物多樣性和相對(duì)穩(wěn)定性的一種狀態(tài)。因此，土壤安全的概念有效整合了土壤的多重功能,為在更高的層面來(lái)研究土壤、利用土壤和保護(hù)土壤提供了一個(gè)戰(zhàn)略框架（圖1）。
2 地球關(guān)鍵帶
傳統(tǒng)上不同學(xué)科分門別類研究地球表層各組分，如生物學(xué)家研究植被，水文學(xué)家研究地表水和地下水，地質(zhì)學(xué)家研究巖石和沉積物等。這些研究雖然有助于理解地球表層各組分的狀態(tài)，但是無(wú)法在全局掌握地表系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)和行為。
因此，2001年地球科學(xué)家提出一個(gè)地球表層過(guò)程的系統(tǒng)科學(xué)框架，即地球關(guān)鍵帶科學(xué)。
地球關(guān)鍵帶（Earth's critical zone）是由地球表層各部分和相互作用過(guò)程組成的一個(gè)綜合系統(tǒng)，具體而言其是近地球表面、有滲透性、介于大氣圈和巖石圈之間的地帶,垂直方向的范圍從樹的冠層往下直到地下水深層（圖2）。
地球關(guān)鍵帶控制著土壤的發(fā)育、水的質(zhì)量和流動(dòng)、化學(xué)與生物循環(huán),其在調(diào)控自然生境的同時(shí),還供應(yīng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需的資源，故這一地帶對(duì)維持地表生命非常重要。
因而，美國(guó)國(guó)家委員（National Research Council, NRC）確定地球關(guān)鍵帶科學(xué)是21世紀(jì)亟需研究的重點(diǎn)科學(xué)領(lǐng)域，NRC認(rèn)為通過(guò)對(duì)地球關(guān)鍵帶的研究,將促進(jìn)一系列社會(huì)、環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題的解決。
美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey, USGS）在2012年制定和發(fā)布了《美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局核心科學(xué)體系科學(xué)戰(zhàn)略（2013-2023）》，也將地球關(guān)鍵帶列為其核心科學(xué)體系的重要研究對(duì)象，該戰(zhàn)略是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在“大數(shù)據(jù)時(shí)代”的背景下提出的地球科學(xué)研究的新思維，其提出了針對(duì)關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)和過(guò)程進(jìn)行調(diào)查并最終建立關(guān)鍵帶的模塊式科學(xué)框架。
地球關(guān)鍵帶是地球表層系統(tǒng)中最活躍、最富有活力的部分。其包括異質(zhì)性的近地表環(huán)境,巖石、土壤、水、空氣和生物在其中發(fā)生著復(fù)雜的相互作用。在橫向上,關(guān)鍵帶覆蓋不同的生態(tài)系統(tǒng)類型;在縱向上,關(guān)鍵帶自上邊界植物冠層向下穿越了土壤層、非飽和包氣帶、飽和含水層,下邊界通常為地下水深層。
關(guān)鍵帶是一個(gè)復(fù)雜的自然反應(yīng)器,其通過(guò)太陽(yáng)光照獲得能量,驅(qū)動(dòng)植物光合作用,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)地表的水文和生物地球化學(xué)循環(huán)。其結(jié)構(gòu)和功能不僅取決于生物的多樣性,還直接與土壤、沉積物、風(fēng)化層和地下水等非生物要素密切相關(guān)。因此,關(guān)鍵帶科學(xué)涉及多種學(xué)科,包括水文學(xué)、地貌學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)等,并涵蓋包括人在內(nèi)的一切生物活動(dòng)。
關(guān)鍵帶中發(fā)生的復(fù)雜物理、化學(xué)和生物過(guò)程相互耦合使其成為有機(jī)聯(lián)系和不斷變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。按照其性質(zhì)與作用,這些過(guò)程大致可分為三類：生態(tài)過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程。
生態(tài)過(guò)程是生態(tài)系統(tǒng)中維持生命的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。其主要研究土壤—生物—大氣中的水循環(huán)和水平衡、養(yǎng)分循環(huán)、能量、微量氣體產(chǎn)生、輸送和轉(zhuǎn)化、有機(jī)物及金屬元素的分解、積累、傳輸?shù)任⒂^過(guò)程。由于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響越來(lái)越大,人類活動(dòng)可被看作是生態(tài)過(guò)程的一部分。
生物地球化學(xué)過(guò)程將生物過(guò)程與非生物過(guò)程聯(lián)系在一起,通過(guò)流體、沉積和氣體作用,使碳、氮等化學(xué)元素和物質(zhì)在空間上的分布發(fā)生變化,重點(diǎn)研究各種化學(xué)物質(zhì)的來(lái)源、存在數(shù)量和狀態(tài)以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,以及生物有機(jī)體參與下發(fā)生的地球化學(xué)過(guò)程。
水文過(guò)程是通過(guò)水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化使物質(zhì)和能量在空間上重新分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程。生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程相互耦合,推動(dòng)了生態(tài)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行,又共同決定了關(guān)鍵帶的整體形態(tài)和功能。
這種多重的交互作用構(gòu)成了一個(gè)巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)，如何理解關(guān)鍵帶動(dòng)態(tài)組成之間的聯(lián)系和連鎖響應(yīng)，這需要一個(gè)新的協(xié)同科學(xué)理論框架和觀測(cè)方法集成在一起的學(xué)科。迫切需要包括地貌學(xué)家、地球化學(xué)家、水文學(xué)家、土壤科學(xué)家、生態(tài)學(xué)家和許多其他相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)作研究來(lái)推動(dòng)對(duì)關(guān)鍵帶科學(xué)的理解和應(yīng)用以維持人類的生存發(fā)展,這也是國(guó)際地學(xué)界提出地球關(guān)鍵帶概念的意義所在。
自從地球關(guān)鍵帶的科學(xué)概念提出之后，國(guó)際上先后在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家發(fā)起并建立了60多個(gè)關(guān)鍵帶觀測(cè)站（Critical Zone Observatories, CZO），并且建立了具有全球環(huán)境變化梯度的國(guó)際關(guān)鍵帶觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
目前,人們對(duì)關(guān)鍵帶的觀測(cè)途徑包括兩大類：一類是在微觀尺度上利用傳感器技術(shù)和測(cè)量技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)上監(jiān)測(cè);另一類則是在宏觀尺度上利用遙感技術(shù)進(jìn)行大面積面上監(jiān)測(cè)。而針對(duì)介于二者之間的中觀尺度的觀測(cè)技術(shù)還很不成熟，還有待于進(jìn)一步的研究。
關(guān)鍵帶觀測(cè)站的建立，使我們從調(diào)查關(guān)鍵帶入手,將系統(tǒng)內(nèi)的各組分作為一個(gè)整體來(lái)開展研究，可以使我們預(yù)測(cè)氣候和人類活動(dòng)的變化對(duì)關(guān)鍵帶演化和功能的影響，特別是對(duì)水資源再生、土壤的發(fā)育、水的質(zhì)量和流動(dòng)、化學(xué)循環(huán)、能源和礦物資源等發(fā)生的影響。
如上所述，地球關(guān)鍵帶是一個(gè)有生命的歷史自然體，具有活躍的代謝過(guò)程，即能量流動(dòng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程。能量流動(dòng)驅(qū)動(dòng)了物質(zhì)（生源要素和人為活動(dòng)帶來(lái)的化學(xué)品等）與遺傳信息在關(guān)鍵帶各組分之間的轉(zhuǎn)化與遷移，推動(dòng)了關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和功能的演化。關(guān)鍵帶代謝的核心是生物與地表物質(zhì)的相互作用,包括從生物與巖石風(fēng)化，生物地球化學(xué)循環(huán)，到生物與景觀地貌的修飾。
3 土壤與地球關(guān)鍵帶
土壤是指地球表面上能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層，由各種顆粒狀礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、水分、空氣和微生物等組成,是在地球演化過(guò)程中，通過(guò)氣候、生物、母質(zhì)、地形和年齡等5個(gè)自然因素和人為活動(dòng)共同作用而形成的歷史自然體。
Matson于1938年首次概括了土壤圈的內(nèi)涵，并指出土壤是巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈相互作用的產(chǎn)物。
在20世紀(jì)80-90年代，中國(guó)科學(xué)家進(jìn)一步豐富了土壤圈的內(nèi)涵，認(rèn)為土壤圈是覆蓋于地球表面和淺水域底部的土壤所構(gòu)成的一種連續(xù)體或覆蓋層，在一定程度上類似于生物體的生物膜。
土壤圈是地球表層系統(tǒng)最活躍的圈層,其是地圈系統(tǒng)中聯(lián)接大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈的核心要素（圖3）。
相對(duì)于地球表層系統(tǒng)其他圈層,土壤圈不像大氣圈可以快速進(jìn)行物理擴(kuò)散，不像水圈可以迅速流動(dòng)，不像生物圈由于可分為不同的個(gè)體而不受環(huán)境變化的影響，也不像巖石圈一樣基本不受人類和生物活動(dòng)的破壞。土壤圈是一種獨(dú)特的、相對(duì)穩(wěn)定并容易受到人類活動(dòng)影響的圈層。
因此，作為一個(gè)相對(duì)固定的原位歷史自然體，土壤圈可以在不同的時(shí)間尺度上反應(yīng)和記錄氣候、生物和人類活動(dòng)所引起的環(huán)境變化。故通過(guò)對(duì)土壤變化的觀測(cè)能夠很好的對(duì)環(huán)境變化做出評(píng)估。
關(guān)鍵帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈進(jìn)行物質(zhì)遷移和能量交換的交匯區(qū)域（圖2），而土壤是地球關(guān)鍵帶的核心組成部分，并且在不同時(shí)空尺度上受到一系列廣泛的物理、化學(xué)和生物過(guò)程之間的相互作用。
關(guān)鍵帶的主要研究?jī)?nèi)容包括揭示控制關(guān)鍵帶界面物質(zhì)循環(huán)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程,解析關(guān)鍵帶物理、化學(xué)和生物風(fēng)化過(guò)程耦合的機(jī)制，提出基于生物地球化學(xué)過(guò)程的保障土壤和水資源長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展的模式，以及闡明關(guān)鍵帶生態(tài)系統(tǒng)在不同時(shí)空間尺度的上演變過(guò)程與規(guī)律。
作為地球關(guān)鍵帶動(dòng)態(tài)的核心要素，土壤過(guò)程是控制關(guān)鍵帶物質(zhì)、能量和信息流動(dòng)與轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn)。因此,土壤不僅起到生物質(zhì)生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水的儲(chǔ)存、過(guò)濾和轉(zhuǎn)化，而且是地球上生物多樣性最豐富的棲息地、地質(zhì)歷史與人文演化的記錄等多重功能。因此,對(duì)土壤過(guò)程的認(rèn)知是地球關(guān)鍵帶研究的核心內(nèi)容。
人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)全球土壤和水資源形成了前所未有的壓力。在未來(lái)40年內(nèi),世界總?cè)丝陬A(yù)計(jì)會(huì)增加到97億，同時(shí)全球經(jīng)濟(jì)總量翻兩番。因此所需的食物和清潔水將分別增加一倍和50%。為了滿足這些需求,全球農(nóng)業(yè)用地預(yù)計(jì)需要增加3.2~8.5億hm2,這將超過(guò)地球總環(huán)境容量的10%~45%。
同時(shí)，在當(dāng)前形勢(shì)下，人類對(duì)全球范圍內(nèi)的土壤造成了前所未有的壓力,由于各種原因造成土壤流失的速率遠(yuǎn)大于土壤形成速率（100倍或更高）。因此,作為一種有限的資源,如何更好的保護(hù)土壤的需求變得日益迫切。
國(guó)際上高度關(guān)注土壤資源安全利用和保護(hù)，2006年，針對(duì)土壤侵蝕、鹽漬化、有機(jī)質(zhì)減少和滑坡等土壤環(huán)境問(wèn)題,歐盟委員會(huì)發(fā)布了土壤保護(hù)主題戰(zhàn)略，將傳統(tǒng)的1~2 m深的土壤層擴(kuò)展到地表至基巖之間的未固結(jié)土層進(jìn)行調(diào)查和研究。
該戰(zhàn)略界定了全球土壤脅迫以及土壤所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并且規(guī)定了保護(hù)土壤功能為優(yōu)先研究領(lǐng)域，主要研究土壤的生物、物理、化學(xué)過(guò)程的時(shí)空變異性以及定量化研究影響土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的環(huán)境變化和威脅土壤安全的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力。
2007年,中國(guó)將土壤保護(hù)戰(zhàn)略作為重要環(huán)境要素戰(zhàn)略之一。歐盟委員會(huì)于2009年啟動(dòng)了“歐洲流域土壤變化”項(xiàng)目（SoilTrEC）,其中一項(xiàng)重要任務(wù)是對(duì)地球關(guān)鍵帶中的土壤進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。該項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)土壤是地球關(guān)鍵帶的核心，將土壤監(jiān)測(cè)作為地球關(guān)鍵帶長(zhǎng)期觀測(cè)的重點(diǎn)。
根據(jù)土壤形成的不同階段,分別在歐盟4個(gè)典型地點(diǎn)建立了瑞典的Damma Glacier CZO（原始土壤形成階段）,奧地利的Fuchsenbigl CZO（土壤肥力發(fā)展階段）,捷克的Lysina CZO（森林土壤遭到酸雨破壞后人工恢復(fù)階段）和希臘的Koiliaris 河流CZO（土壤受荒漠化威脅階段），,研究關(guān)鍵帶中土壤的形成演化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性。
此外,歐盟的英國(guó)、法國(guó)和瑞典、美國(guó)以及中國(guó)也均建立了CZO來(lái)研究土地利用、酸雨、大氣沉降、地形以及集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)土壤過(guò)程的影響。
作為地球關(guān)鍵帶的核心部分,土壤在地球關(guān)鍵帶中的具有多重功能，主要包括養(yǎng)分循環(huán)、水分保蓄、生物多樣性和棲息地、物質(zhì)儲(chǔ)存、過(guò)濾、緩沖和轉(zhuǎn)化,以及物質(zhì)供應(yīng)保障。土壤安全與人類的安全、生存和發(fā)展也有密切聯(lián)系。
此外，在解決全球現(xiàn)實(shí)問(wèn)題特別是食品安全、生物多樣性、氣候變化以及水循環(huán)調(diào)控等方面,土壤居于中心地位，但是到目前為止還沒(méi)有建立一種有效協(xié)調(diào)土壤各項(xiàng)功能的方法。
同時(shí)，全球土壤的退化速度驚人，從20世紀(jì)中葉以來(lái)有20億hm2的土壤資源退化，并且這種趨勢(shì)還在不斷增強(qiáng)。因此，迫切需要建立以水、土資源為核心的政策，以防止土壤退化和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。
土壤安全概念的提出能夠有效整合土壤與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的聯(lián)系，是在全球土壤面臨日益嚴(yán)重問(wèn)題的背景下提出的一種新概念，豐富了對(duì)土壤的系統(tǒng)認(rèn)知。這與地球關(guān)鍵帶的概念有類似之處，但是地球關(guān)鍵帶的概念涵蓋了土壤安全所包含的內(nèi)容,并且關(guān)鍵帶科學(xué)研究的內(nèi)容更廣泛和系統(tǒng)。
土壤安全包含了土壤的數(shù)量、質(zhì)量和可利用性等方面的特點(diǎn)，基于這些概念能夠更好地維持和管理土壤的狀態(tài)，使其有效發(fā)揮功能和提供服務(wù)。但是土壤安全的內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容更廣泛,與目前全球所面臨的以下主要環(huán)境挑戰(zhàn)密切相關(guān)：
① 食品安全。土壤主要通過(guò)提供生物質(zhì)生產(chǎn)比如養(yǎng)分、物質(zhì)和水分以及降低污染來(lái)影響食品安全;
② 水安全。土壤能夠保持水分,并且在化合物的過(guò)濾和轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要,故土壤安全對(duì)水分的安全供應(yīng)具有重要意義;
③ 能源安全。土壤通過(guò)生產(chǎn)生物質(zhì)能源作物而對(duì)能源安全產(chǎn)生影響;
④ 減緩氣候變化。作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳匯,土壤通過(guò)影響碳固定而減緩氣候變化,同時(shí)還影響作物產(chǎn)量和糧食安全;
⑤ 保護(hù)生物多樣性。生物多樣性方面,土壤是最大的基因庫(kù)和物種棲息地,并且這些生物積極參與并影響土壤的形成過(guò)程和功能。其生物多樣性對(duì)促進(jìn)養(yǎng)分、水和能量分循環(huán)，改善土壤結(jié)構(gòu)以及控制土傳病害方面具有重要作用;
⑥ 輸送生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。土壤在生產(chǎn)植物、輸送養(yǎng)分、提供基因庫(kù)、調(diào)控養(yǎng)分和水文循環(huán)、處置廢棄物、提供建筑材料以及文化和美學(xué)需求等方面提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此，土壤安全在解決這些環(huán)境挑戰(zhàn)中均能夠發(fā)揮重要作用。
土壤安全既具有自然屬性（土壤的物理,化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程變化）,又具有社會(huì)屬性（經(jīng)濟(jì)、政策、法規(guī)）。
由于土壤安全的多重屬性,因而需要一個(gè)多指標(biāo)和多學(xué)科的方法來(lái)判定土壤的最佳狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)，以達(dá)到有效利用土壤資源的目的。
為此,Mcbratney等提出了評(píng)估土壤安全的5個(gè)方面指標(biāo)：性能,狀態(tài),資本性,關(guān)聯(lián)性以及政策法規(guī)。具體來(lái)講，土壤性能是指其已經(jīng)具有的功能和潛在功能，而土壤狀態(tài)是指土壤現(xiàn)在的狀況與參照體系相比所發(fā)生的變化，主要包括物理狀態(tài)、化學(xué)狀態(tài)和生物狀態(tài)。
土壤的狀態(tài)決定了土壤的最佳性能，同時(shí)土壤的性能也能夠反映土壤的狀態(tài)，而兩者共同構(gòu)成了土壤的生產(chǎn)力。
土壤資本性是指土壤所提供的影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力，包括其自身的價(jià)值和潛在的生產(chǎn)力;
土壤的關(guān)聯(lián)性是土壤安全社會(huì)屬性方面的指標(biāo),其主要指負(fù)責(zé)管理土壤的人是否已經(jīng)掌握正確的知識(shí)和資源來(lái)管理土壤以達(dá)到其最佳性能,關(guān)聯(lián)性主要是為了更好的管理土壤和改善土壤環(huán)境質(zhì)量;土壤安全的以上4個(gè)指標(biāo)最終都要通過(guò)政策和法規(guī)來(lái)進(jìn)行約束和規(guī)范,以保障土壤安全和土壤資源的可持續(xù)發(fā)展。
評(píng)估土壤安全這5個(gè)方面的指標(biāo)構(gòu)成了土壤可持續(xù)發(fā)展和利用的理論框架。故土壤安全的概念具有多維性,并且涵蓋社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生物物理等學(xué)科，比“土壤質(zhì)量”、“土壤健康”和“土壤保護(hù)”的概念更寬廣、更綜合，因而土壤安全提供了一種解決人類面臨的環(huán)境問(wèn)題的理論框架,將土壤放在這種理論框架的核心位置能夠更好的為可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。
地球關(guān)鍵帶強(qiáng)調(diào)各要素之間的相互作用，土壤和地球關(guān)鍵帶其他要素之間相互作用的界面正是發(fā)揮土壤功能的區(qū)域,如母質(zhì)風(fēng)化提供土壤形成骨架,并向植物提供養(yǎng)分;植物生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)積累將大氣中溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為土壤碳匯;土壤—水相互作用影響地下水和地表水質(zhì)量并很大程度上發(fā)揮過(guò)濾功能提供清潔水源;土壤形成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程促進(jìn)碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素儲(chǔ)存。
所以,土壤安全與地球關(guān)鍵帶又有密切聯(lián)系。目前面臨的主要挑戰(zhàn)是,在關(guān)鍵帶范疇內(nèi)理解和認(rèn)識(shí)土壤中物質(zhì)的量和通量平衡以及其組分和功能，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前所面對(duì)的6種環(huán)境問(wèn)題。由于土壤在關(guān)鍵帶中居于中心地位,與其他組分進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的流動(dòng)和交換,故關(guān)鍵帶科學(xué)所提供的整體性框架能夠定量化描述土壤過(guò)程以及闡明環(huán)境變化如何影響土壤過(guò)程,而這樣的理論框架符合土壤安全的綜合考慮。
4 地球關(guān)鍵帶中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)
生態(tài)系統(tǒng)及其過(guò)程是維持人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件和提供多種產(chǎn)品的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指對(duì)人類生存和生活質(zhì)量有貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)功能，主要有兩大方面，即生態(tài)系統(tǒng)提供的人類生活必須的生態(tài)產(chǎn)品和保證人類生活質(zhì)量的生態(tài)功能。
20世紀(jì)70年代，Westman首次使用“自然的服務(wù)（nature's services）”的概念，并嘗試對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的人類服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。Ehrlich等第一次提出了“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的概念，并考察了物種滅絕和人工替代與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系。
1997年Daily研究小組通過(guò)對(duì)以往的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整理和總結(jié)出版了《生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)：人類社會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的依賴性》一書，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)涵、定義和分類進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
Costanza等[43]在Nature發(fā)文闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法，并對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了估算，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)估研究成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿。
2000年世界環(huán)境日,聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)安南正式宣布啟動(dòng)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)劃（Millennium Ecosystem Assessment, MEA），這是人類首次對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)去、現(xiàn)在及未來(lái)狀況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并重點(diǎn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評(píng)估。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)全球生態(tài)系統(tǒng)有60%的功能項(xiàng)正在退化，而且影響了人類的生存發(fā)展和區(qū)域的生態(tài)安全，這種評(píng)估為加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和可持續(xù)利用，提高生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類福祉的貢獻(xiàn)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
2004年,美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)提出的“21世紀(jì)美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)行動(dòng)計(jì)劃”中，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)科學(xué)作為生態(tài)學(xué)應(yīng)對(duì)擁擠地球的首個(gè)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)問(wèn)題。2006年，英國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)也在提出的100個(gè)與政策制訂相關(guān)的生態(tài)學(xué)問(wèn)題中將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)列為第一個(gè)主題。
這表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)目前已成為國(guó)際上生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型有4種：
① 物質(zhì)供給服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)或能量輸出,包括食物、水和其他資源;
② 調(diào)控服務(wù)。包括影響水質(zhì)量過(guò)程,調(diào)控洪水和疾病;
③ 生境服務(wù)。植物或動(dòng)物個(gè)體生存所需的條件,包括遺傳多樣性的維持;
④ 文化服務(wù)。娛樂(lè)、教育和美學(xué)方面的服務(wù)。
土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指滿足人們?nèi)粘Ｉ钪形幕c追求的基本必需品,包括支持、供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)。Daily等首次提出了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要總結(jié)為：
① 緩沖和調(diào)節(jié)水文循環(huán);② 植物的物理支持;③ 植物養(yǎng)分的供應(yīng)和保持;④ 廢棄物和有機(jī)殘?bào)w的處理;⑤ 土壤肥力的恢復(fù);⑥ 調(diào)控主要的養(yǎng)分循環(huán)。很多研究人員對(duì)土壤生態(tài)系服務(wù)的內(nèi)涵進(jìn)行了擴(kuò)展。
這些土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也可以分為生境服務(wù)、調(diào)控服務(wù)、物質(zhì)供給服務(wù)和文化服務(wù)4種類型和相應(yīng)的服務(wù)內(nèi)容（表1）。
早在2006年,歐盟就將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)列為優(yōu)先研究領(lǐng)域。最近,歐盟資助的很多項(xiàng)目都將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)涵蓋進(jìn)來(lái),比如SoilTrEC項(xiàng)目,SOIL SERVICE項(xiàng)目以及EcoFINDERS項(xiàng)目（歐洲土壤生態(tài)功能與生物多樣性指標(biāo)）。在更廣義范圍內(nèi),對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的框架結(jié)構(gòu)還在討論和精簡(jiǎn)中。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，比如Daily將生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和過(guò)程以及生命支持功能都包含在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi);Costanza等則認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)功能所產(chǎn)生可被人類利用的產(chǎn)品和服務(wù);MEA則認(rèn)為服務(wù)就是福利。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也面臨相同的挑戰(zhàn),到目前為止還沒(méi)有普遍認(rèn)可的理論框架。
土壤科學(xué)發(fā)展的一個(gè)新的視角是將土壤視為自然資本。自然資本是指能從中輸出有利于生計(jì)的資源流和服務(wù)的自然資源存量，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則是由自然資本的物質(zhì)流、能量流和信息流構(gòu)成。
Palm等首次將土壤視為自然資本;Robinson等基于物質(zhì)、能量和結(jié)構(gòu)對(duì)土壤自然資本進(jìn)行了類型學(xué)分析;Dominati等將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本的框架整合在一起來(lái)定量化評(píng)估自然資本和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，這種框架能夠很好地展示如何利用土壤特性來(lái)表征土壤自然資本以及如何將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)跟土壤性質(zhì)建立聯(lián)系。
2015年6月聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of the United states, FAO）修訂了《世界土壤憲章》，其所列的13項(xiàng)原則依然有效，但是根據(jù)這30多年來(lái)積累的科學(xué)知識(shí)給予更新和修訂，主要包括：土壤污染及其對(duì)環(huán)境的影響，氣候變化適應(yīng)與減緩,城市擴(kuò)展對(duì)土壤可供給量和功能的影響以及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念。
《憲章》重點(diǎn)就土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了闡述，認(rèn)為只有這些服務(wù)得到維持或增強(qiáng)，才能使得提供這些服務(wù)的土壤功能或生物多樣性不造成重大損害。
同時(shí)認(rèn)為土壤管理是實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。目前土壤科學(xué)所面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何防止土壤退化，土壤退化必然減少或消除土壤功能及其為人類福利所必需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供支持的能力。
而目前生態(tài)系統(tǒng)研究中，自然資本的功能被忽視，以往的重點(diǎn)都在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的獲得，而對(duì)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的自然資本的存量重視不夠。
所以,建立土壤生態(tài)系統(tǒng)的理論框架需要將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本有效的整合起來(lái)，并定量研究土壤資源、儲(chǔ)量、通量以及轉(zhuǎn)化過(guò)程和評(píng)估土壤資源的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以便提出有效的土壤管理策略并開發(fā)出相應(yīng)的決策工具,最終來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)發(fā)展。
土壤安全的理論框架中已經(jīng)包含了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容，其中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其他5種環(huán)境挑戰(zhàn)也密切相關(guān)。土壤在地球關(guān)鍵帶中居于核心地位,故土壤安全對(duì)于關(guān)鍵帶各要素的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用。
比如水來(lái)說(shuō),土壤對(duì)水的儲(chǔ)存、過(guò)濾和轉(zhuǎn)化具有重要作用,所以土壤會(huì)對(duì)湖泊、河流、淺海以及濕地等與水相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重要影響。
土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括提供食品、水、能源以及調(diào)節(jié)氣候等方面服務(wù)，此外土壤還是地球上最大的棲息地，其生物多樣性巨大，一般來(lái)說(shuō),1 g土壤中含有10億個(gè)細(xì)菌和2億個(gè)真菌菌絲。
生物多樣性被視為是自然資本的一種，同時(shí)土壤的生物多樣性還在保持土壤功能以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中發(fā)揮著一種根本的作用，因此，為保障這些功能而需要維持土壤生物多樣性。
近年來(lái)土壤生物多樣性研究得到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,比如英國(guó)的自然環(huán)境研究委員會(huì)NERC（Natural Environment Research Council, NERC）啟動(dòng)的“土壤生物多樣性研究計(jì)劃”（http://soilbio.nerc.ac.uk/），歐盟的 EcoFINDERS 的項(xiàng)目[58],FAO的國(guó)際生物多樣性計(jì)劃（Soil Biodiversity Initiative）（http://www.globalsoilbiodiversity.org/）以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“土壤—微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”。
同時(shí)，生物多樣性對(duì)生態(tài)服務(wù)影響一直是國(guó)際研究的熱點(diǎn),但是就兩者之間的關(guān)系還缺乏統(tǒng)一的共識(shí)。所以今后土壤生物多樣性對(duì)生態(tài)服務(wù)的影響研究也需要長(zhǎng)期的研究與觀測(cè),為土壤資源的保護(hù)和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。
5 面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤安全研究的未來(lái)需求
（1）在地球關(guān)鍵帶科學(xué)思想的框架下，,發(fā)展以“土壤安全”為導(dǎo)向的土壤利用和保護(hù)策略,研究在不同土地利用方式下土壤生態(tài)過(guò)程與服務(wù)的關(guān)系，研究土壤生態(tài)服務(wù)的權(quán)衡,保證土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性，是土壤安全在區(qū)域乃至全球生態(tài)文明建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
（2）土壤是地球上生物多樣性最豐富的棲息地，目前隨著基因組學(xué)等生物學(xué)和大數(shù)據(jù)科學(xué)的快速發(fā)展，土壤生物多樣性的研究迎來(lái)發(fā)展的最佳時(shí)期。未來(lái)著重研究土壤生物的組成及其時(shí)空分異規(guī)律、土壤生物多樣性的功能及其調(diào)控、土壤生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)健康等方面。
（3）建立基于“土壤安全”的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)的框架,發(fā)展相關(guān)評(píng)價(jià)的理論和方法,系統(tǒng)開展不同土地利用方式、不同生態(tài)環(huán)境條件和不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值評(píng)估。
（4）制定和完善土壤保護(hù)和利用的系統(tǒng)性政策法規(guī),構(gòu)建中國(guó)土壤保護(hù)體系,建立土壤的生態(tài)補(bǔ)償制度和加強(qiáng)土壤管理機(jī)制,為維持土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供體制性保障。
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