由于人類直接或間接的干擾，如土地利用變化、土壤管理和土地退化，使得土壤在全球變化壓力下變得愈加脆弱。土壤在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，土壤所提供的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互協(xié)同或抵消作用是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的主要內(nèi)容。

作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所

1全球變化下的土壤

當(dāng)前，地球處于“人類紀(jì)”，由于人類的繁衍及其經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一半以上的地球表面受到人為活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾和改變，包括農(nóng)業(yè)的耕種、草原的放牧、城鎮(zhèn)化土地占用、森林砍伐、工程建設(shè)、土壤污染等，這些干擾主要發(fā)生在大氣到地下水的近地表系統(tǒng)特別是地表的薄層土壤，改變著地球的生物地球化學(xué)循環(huán)和地球生命的生境及生態(tài)協(xié)調(diào)。

土壤侵蝕、生境破碎化、化學(xué)物質(zhì)活化、物種消亡、溫室氣體濃度升高、氣候變化改變了土壤水碳養(yǎng)分循環(huán)，從而改變了地球生物地球化學(xué)過(guò)程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)以及全球氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔谩?/span>

為滿足未來(lái)幾十年全球人口的快速增長(zhǎng)對(duì)食物、纖維和能源的需求，植物和土壤的生產(chǎn)力必須不斷提高，這將進(jìn)一步給土壤帶來(lái)壓力。

人類需求的增加將導(dǎo)致越來(lái)越多的自然土地轉(zhuǎn)變?yōu)榇址判凸芾硗恋睾图s利用的農(nóng)用地，同時(shí)還體現(xiàn)為對(duì)已有土地的高強(qiáng)度人為管理，例如增加養(yǎng)分和水的投入、增加收獲次數(shù)等。

土地覆蓋和利用的變化，如森林和自然草地開(kāi)墾為牧場(chǎng)或農(nóng)田，將移除生物量、改變植被、干擾土壤，進(jìn)而導(dǎo)致土壤碳和養(yǎng)分的損失、土壤結(jié)構(gòu)的改變以及地上、地下部生物多樣性的變化。

已有研究估計(jì)，人類已經(jīng)至少改變了地球50%的無(wú)冰雪覆蓋的陸地。森林砍伐已經(jīng)導(dǎo)致了全球25%的土壤有機(jī)碳排放到大氣中，而1950—2000年，中國(guó)東北和青藏高原等地區(qū)有1.3萬(wàn)km2的濕地開(kāi)墾為農(nóng)田，最終導(dǎo)致了近5.5Pg二氧化碳當(dāng)量的土壤有機(jī)碳的損失。

在農(nóng)田生產(chǎn)過(guò)程中，一些良好的集約化管理措施可以在保障產(chǎn)量的同時(shí)避免過(guò)多的土地開(kāi)墾，例如，Burney等估計(jì)1961—2010年農(nóng)田的集約化生產(chǎn)減免了約590Pg二氧化碳的排放。

然而，農(nóng)業(yè)措施的過(guò)度使用將大大增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，例如，農(nóng)作物收獲后，土壤中仍殘留了50%—60%的養(yǎng)分，后季的繼續(xù)施用將可能導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入水體中成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染源。

在處理全球食物生產(chǎn)和供應(yīng)的農(nóng)業(yè)問(wèn)題時(shí)，往往忽視土壤將如何適應(yīng)這種需求。全球食物生產(chǎn)量還需要增加50%，土壤的農(nóng)業(yè)耕作等將不斷強(qiáng)化，地球上的土壤將日益處于風(fēng)險(xiǎn)和威脅之中。

在高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)下，世界上一些地區(qū)每年剝?nèi)ネ寥肋_(dá)50t˙hm-2以上，超過(guò)自然土壤形成速率100多倍。

土壤在可持續(xù)集約化利用中占據(jù)中心位置，在全球環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展中扮演著非常重要的角色。2015年是世界土壤年，科學(xué)界將迎來(lái)新一輪的機(jī)遇以探索人類干預(yù)下的全球變化對(duì)土壤的影響。

同時(shí)，2015年各國(guó)政府也將在聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約下探討新的有法律效應(yīng)的氣候變化協(xié)議，而土壤碳氮循環(huán)是陸地溫室氣體排放與清除的關(guān)鍵。而在2015年，各國(guó)政府將在“千年發(fā)展目標(biāo)”下形成并通過(guò)各自的新的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，土壤將在支撐生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。

2土壤功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定義為人類可以從生態(tài)系統(tǒng)獲取的益處。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被分為四類，分別是供給服務(wù)(provisioningservices)、調(diào)節(jié)服務(wù)(regulatingservices)、支持服務(wù)(supportingservices)和文化服務(wù)(culturalservices)。

供給服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)向人類提供產(chǎn)品的服務(wù)，調(diào)節(jié)服務(wù)指從生態(tài)系統(tǒng)管理中獲取的益處，支持服務(wù)是指其他生態(tài)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的必要條件，文化服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中可獲取的非物質(zhì)性的益處。

“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”首先系統(tǒng)地列出了近20項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，它們通過(guò)一系列生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程表現(xiàn)為對(duì)人類的直接或間接服務(wù)功能，歸結(jié)為氣候調(diào)節(jié)和固碳、提供天然水儲(chǔ)庫(kù)和水流通、病原生物控制、天然原材料、提供燃料和能源、廢棄物和污染物分解、形成、維持和更新土壤肥力、作物植物繁殖、病蟲(chóng)害控制、食物生產(chǎn)、生產(chǎn)木材和纖維、過(guò)濾和純化水質(zhì)、提供氧氣、提供文化和精神慰藉、休閑和娛樂(lè)、治愈某些疾病及提供科學(xué)思維的源泉等。

不過(guò)，目前還不能完全量化生態(tài)系統(tǒng)的功能、服務(wù)或收益。盡管如此，上述服務(wù)功能對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、人類生活和健康具有不同的直接或間接影響;有些服務(wù)是具體的，局地生產(chǎn)者受益的，而另一些服務(wù)則是人類普遍的(例如生物多樣性)。

當(dāng)然，這些服務(wù)在不同地區(qū)、不同環(huán)境和不同人群具有不同的重要性，使其成為生態(tài)學(xué)與社會(huì)科學(xué)研究的主要內(nèi)容。由于人為利用和管理的差異，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能是互相沖突的，或者可能是互相抵消的，但在良好的生態(tài)系統(tǒng)或良好的管理下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以協(xié)同而得到最大收益。

2.2土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

土壤功能不僅僅體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)，土壤中的碳、氮、水和生物儲(chǔ)庫(kù)對(duì)地球可持續(xù)性也具有舉足輕重的貢獻(xiàn)。

生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的核心是碳氮水生物地球化學(xué)循環(huán)，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能視角認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)土壤的碳氮水等自然資本儲(chǔ)蓄，可以提供一種途徑來(lái)最優(yōu)化利用自然資本而提高生產(chǎn)活動(dòng)的資源利用效率。

有機(jī)碳貯存是土壤的一項(xiàng)重要的生態(tài)系統(tǒng)功能，土壤有機(jī)碳的固持與增加可以為人類社會(huì)帶來(lái)一系列的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，包括可以增加土壤的保水保肥能力，避免土壤侵蝕，從而增加和穩(wěn)定作物產(chǎn)量;增加土壤碳儲(chǔ)量還有助于減緩氣候變化。

氮素是蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)的重要組成元素，是所有生命形態(tài)中含量最多的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制性因素。以氮素循環(huán)為代表的養(yǎng)分循環(huán)為生物量的生產(chǎn)提供著養(yǎng)分支持。

與土壤水循環(huán)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括糧食和水安全的供給服務(wù)、土壤貯存水分和凈化水流的調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)。

土壤生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的形成有密切的關(guān)系，應(yīng)該將維持生物多樣性置于土壤功能的中心地位。無(wú)論在團(tuán)聚體水平，還是在剖面和景觀水平，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都與地上部和地下部生物活動(dòng)有密切的關(guān)系，而生物多樣性本身又決定或制約土壤功能及服務(wù)。

然而，土壤微生物量及其多樣性是否與地上部生物生產(chǎn)力及其多樣性相耦合，或者地下部生物多樣性是否與地上部的生產(chǎn)力及多樣性相聯(lián)系，這些認(rèn)識(shí)至今仍是空白。

生態(tài)學(xué)上廣為接受的土壤生態(tài)系統(tǒng)功能包括：

(1)生物生產(chǎn)，(2)物質(zhì)(包括養(yǎng)分、水和污染物)儲(chǔ)存、過(guò)濾和轉(zhuǎn)化，(3)生境、物種和遺傳多樣性保持，(4)自然和文化環(huán)境維持，(5)提供礦物等原材料，(6)碳庫(kù)及其循環(huán)，以及(7)歷史遺跡存留。

如果生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類社會(huì)通過(guò)這些土壤功能而得到的收益，那么土壤的生態(tài)服務(wù)可以理解為對(duì)生物生產(chǎn)、生境、物種和遺傳多樣性的支撐服務(wù)，提供養(yǎng)分、水和礦物質(zhì)原料的供應(yīng)服務(wù)，對(duì)水、碳循環(huán)及和溫室氣體排放的調(diào)節(jié)服務(wù)和土壤景觀、歷史和文化遺跡保存的文化服務(wù)。

最近，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織在組織編制世界土壤資源態(tài)勢(shì)報(bào)告時(shí)，重新定義和厘清了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其與土壤功能的關(guān)系(表1)。

因此，科學(xué)家呼吁在亞洲等人口密集且仍在快速增長(zhǎng)的地區(qū)進(jìn)行土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究，這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)將日益集約化、土地將被高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)，其在利用土壤生產(chǎn)力同時(shí)對(duì)地球近地表環(huán)境的干擾和破壞必將更為深刻和長(zhǎng)遠(yuǎn)。

當(dāng)前，高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)已經(jīng)引起土壤退化：結(jié)構(gòu)破壞、土壤侵蝕、養(yǎng)分流失和有效性降低、污染物積累且遷移到食物鏈、生物多樣性下降、土壤溫室氣體排放大幅度提高。

因此，土地利用及農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的各種土壤功能變化及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響成為科學(xué)界十分關(guān)注的問(wèn)題。

然而，對(duì)土壤功能及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行量化和集成分析的研究還非常有限。為此，迫切需要一個(gè)表征土壤功能變化的預(yù)測(cè)性機(jī)制，并定量刻畫(huà)其對(duì)于地球環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的深刻和長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響，探索和評(píng)價(jià)可能的解決方案，并尋找最佳的解決途徑。

與傳統(tǒng)土壤學(xué)不同，土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究是系統(tǒng)詮釋土壤過(guò)程和功能的基本原理，影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤形成與退化的機(jī)制，力圖做到定量化的表征及預(yù)測(cè)土壤功能變化，并通過(guò)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)。

3土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能表征與計(jì)量

3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)

土地利用和土地管理是影響生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的重要因子，了解土地利用和土地管理、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的交互作用是認(rèn)識(shí)土地利用可持續(xù)性的基礎(chǔ)。

而生態(tài)指標(biāo)是認(rèn)識(shí)和表征這些交互作用的重要指示，可為決策者提供制定土地管理和利用政策的依據(jù)。

高強(qiáng)度的土地利用將通過(guò)影響土壤碳氮水循環(huán)以及對(duì)能源和資源的消耗，從而對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成影響。

例如，高強(qiáng)度的土壤擾動(dòng)和過(guò)度的土地利用將加劇土壤礦化過(guò)程，甚至通過(guò)大量排放二氧化碳使得土壤成為碳源;在稻田淹水厭氧條件下，還將通過(guò)產(chǎn)甲烷過(guò)程造成甲烷的排放，而甲烷的全球增溫趨勢(shì)是二氧化碳的21倍[。

由于氮素能夠顯著增加作物產(chǎn)量，且氮肥價(jià)格較低，農(nóng)民通常過(guò)量施用氮肥以保證作物的生長(zhǎng)需求。中國(guó)氮肥利用率較低，氮肥過(guò)量施用使得氮素在土壤中大量積累，造成了水體污染、土壤酸化、溫室氣體排放等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

土壤水分可通過(guò)蒸散過(guò)程排放到大氣中，甚至?xí)ㄟ^(guò)地表徑流和土體滲透將養(yǎng)分和污染物排放到水體當(dāng)中。在當(dāng)前氣候變化水資源分配不均的背景下，農(nóng)田水分高效利用對(duì)于保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要。

以土壤碳氮水循環(huán)為核心和焦點(diǎn)的土壤功能及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)量研究愈來(lái)愈成為關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

生態(tài)足跡是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種生態(tài)可持續(xù)性評(píng)估方法，它通過(guò)計(jì)量人類對(duì)生態(tài)服務(wù)的需求與自然能提供的生態(tài)服務(wù)之間的差距，來(lái)研究人類對(duì)自然的利用狀況以及生態(tài)系統(tǒng)的承受能力，從而判斷生態(tài)的可持續(xù)性。

碳足跡、氮足跡和水足跡都是發(fā)源于生態(tài)足跡概念，是用于衡量人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響程度的生態(tài)學(xué)指標(biāo)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳、氮、水足跡的定義及目標(biāo)如表2所示。

碳足跡是指在產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)整個(gè)生命周期中直接和間接排放的溫室氣體總量，用于評(píng)價(jià)生產(chǎn)和活動(dòng)的溫室氣體排放狀況。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡已在國(guó)家、區(qū)域和田間尺度得到了廣泛的評(píng)價(jià)。英國(guó)科學(xué)家通過(guò)田間調(diào)查計(jì)算了蘇格蘭農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中75%的溫室氣體排放來(lái)源于氮肥的施用。

筆者課題組發(fā)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡高于發(fā)達(dá)國(guó)家，且近年來(lái)碳排放效益呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而，由于研究目標(biāo)和數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，碳足跡的計(jì)量范圍和方法有所差異。

例如，Cheng等基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用排放系數(shù)法計(jì)算中國(guó)糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中直接排放和間接排放;而Gan等則以加拿大一個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)為研究對(duì)象，將試驗(yàn)測(cè)定、排放系數(shù)法與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄏ嘟Y(jié)合，將土壤固碳也計(jì)入了碳足跡當(dāng)中。

氮足跡是關(guān)注產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程中向環(huán)境排放的活性氮的總量，用以評(píng)價(jià)氮素?fù)p失與利用效率。水足跡則是計(jì)量用于生產(chǎn)某產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的用水量之和，以評(píng)價(jià)水分損失與利用效率為主要目標(biāo)。

氮足跡和水足跡可以反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)氮素和水分的利用情況。Leip等和Pierer等分別對(duì)歐盟和奧地利食物生產(chǎn)氮足跡進(jìn)行了計(jì)量，均得出畜牧業(yè)生產(chǎn)的氮足跡遠(yuǎn)高于種植業(yè)。

Chapagain和Hoekstra計(jì)算了全球不同國(guó)家水稻生產(chǎn)的水足跡，并探討了藍(lán)水、綠水和灰水足跡的比例。Xu等[研究了北京市農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的年際變化，指出近年來(lái)水足跡有所下降，而藍(lán)水足跡所占比例最大。

由上可知，目前對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮、水足跡的研究主要集中于大尺度的計(jì)量，

小尺度特別是田塊尺度的研究還非常有限，且適用于田塊尺度研究的計(jì)量方法學(xué)還有待進(jìn)一步的發(fā)展。

目前對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究大多數(shù)關(guān)注于單一影響，將溫室效應(yīng)、氮素環(huán)境影響、水資源消耗綜合考慮的研究還非常有限。

近來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡和水足跡、能源作物的碳足跡和氮足跡可能出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的特征，而且可通過(guò)整合足跡的計(jì)算判別作物生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體排放和水資源消耗對(duì)生態(tài)環(huán)境的相對(duì)貢獻(xiàn)。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，人們往往只追求某一種或某幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型(例如糧食供給服務(wù))，而對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供產(chǎn)生了影響，從而引起了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同問(wèn)題。

在氣候變化背景下，均衡的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是地球可持續(xù)發(fā)展的重要條件。近年來(lái)，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中日益采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

Macfadyen等從病蟲(chóng)害控制的多個(gè)指標(biāo)分析了有機(jī)農(nóng)業(yè)與常規(guī)農(nóng)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異，而Schipanski等[56]采用與糧食供給、氧化亞氮減排、土壤固碳等有關(guān)的11個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)，評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年際變化，并探討不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同或抵消情況。

而且，將生態(tài)指標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)計(jì)量方法相結(jié)合進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)價(jià)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

例如，Goldstein等通過(guò)不同土地利用規(guī)劃情景下各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的抵消情況的比較分析，探討了實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏的可能途徑。

Watanabe和Ortega]則將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)量化為宏觀經(jīng)濟(jì)價(jià)值，采用數(shù)量、能值、貨幣3種方式評(píng)價(jià)了巴西某流域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，結(jié)果表明自然的熱帶草原和農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高。

另外一些指標(biāo)也可能幫助探討人類活動(dòng)對(duì)于土地利用及生態(tài)系統(tǒng)功能及服務(wù)的影響。

例如，生態(tài)系統(tǒng)人類干擾綜合指數(shù)可以反映人類對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的干預(yù)或干擾程度(ecosystemcomprehensiveanthropogenicdisturbanceindex，ECADI)。

景觀分析也可以通過(guò)空間變異結(jié)構(gòu)變化，討論農(nóng)業(yè)或人類干擾對(duì)土壤景觀和生態(tài)交錯(cuò)帶結(jié)構(gòu)的影響。李陽(yáng)兵等采用景觀多樣性指數(shù)空間變化討論喀斯特生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的效應(yīng)。

意大利科學(xué)家Mancinelli等發(fā)展了景觀多樣性分析用于探討土地利用可持續(xù)性，結(jié)果表明，私有用地景觀異質(zhì)性較高，促進(jìn)了生態(tài)交錯(cuò)帶的存在和土地覆被的多樣性，因此，一個(gè)有良好結(jié)構(gòu)的私有用地有助于提高(景觀)可持續(xù)性。

此外，還有的研究采用模糊認(rèn)知圖方法學(xué)(Fuzzycognitivemapping)來(lái)分析直接或間接影響土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的不同利益相關(guān)者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其保護(hù)的認(rèn)知及其潛在的參與度和重要性。

聯(lián)合國(guó)“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”提出的DPSIR框架(Drivers，Pressures，State，ImpactandResponse)和TEEB(TheEconomicsofEcosystemsandBiodiversity)，均致力于研究土地管理-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-人類福祉的相互關(guān)聯(lián)，可為建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方法學(xué)框架提供支持。

Dominati等提出了一個(gè)分類、量化和模擬土壤及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的方法框架。該框架將土壤資源與其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)很好的聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)明確外部驅(qū)動(dòng)力對(duì)土壤過(guò)程及其生態(tài)服務(wù)的影響，來(lái)評(píng)價(jià)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類福祉的貢獻(xiàn)。

該框架包括五個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分：土壤資源，土壤資源的形成、維持和退化，土壤過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因子，土壤的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)，與人類需求相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

3.2模型在土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究中的應(yīng)用

野外試驗(yàn)和觀測(cè)可為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究提供翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于支撐單一到多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，但這些觀測(cè)資料需要進(jìn)行尺度放大，以從短時(shí)間尺度到較長(zhǎng)時(shí)間尺度，從小流域升尺度到特定的地球環(huán)境區(qū)域，因此，數(shù)學(xué)模擬在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中越來(lái)越得到應(yīng)用。

近年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一系列的計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬田間尺度到區(qū)域尺度甚至全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程。

例如，由全球植被動(dòng)態(tài)模型ORCHIDEE和基于過(guò)程的作物模型STICS組成的ORCHIDEE-STICS模型，可以模擬不同植被類型下地表二氧化碳交換和水熱交換以及各種土壤過(guò)程;RothC模型是由英國(guó)洛桑實(shí)驗(yàn)站的科學(xué)家們通過(guò)對(duì)洛桑實(shí)驗(yàn)站農(nóng)田的長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)展而來(lái)，可以模擬全球多個(gè)區(qū)域的農(nóng)田、草地和森林的碳循環(huán);DAYCENT模型可以模擬與植物-土壤系統(tǒng)中碳、氮循環(huán)相關(guān)的主要過(guò)程，包括作物生長(zhǎng)、水分運(yùn)移、熱量流動(dòng)、有機(jī)碳分解、氮素礦化和固定作用、硝化作用和反硝化作用、甲烷氧化作用和甲烷產(chǎn)生;而SPA模型(Soil-plant-atmospheremodel)是一個(gè)多層次生態(tài)系統(tǒng)模型，可以用來(lái)模擬總初級(jí)生產(chǎn)力、冠層水分利用、氣孔導(dǎo)度、葉面光合作用、各種土壤過(guò)程等。

目前已經(jīng)有一些研究將模型模擬運(yùn)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)中。例如，Schipanski等[56]采用Cycles和RUSLE模型模擬農(nóng)田過(guò)程，通過(guò)11個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了美國(guó)賓夕法尼亞州農(nóng)田多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的年際變化以及不同服務(wù)間的協(xié)同情況，并識(shí)別了各服務(wù)間最小抵消作用的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。

Watanabe和Ortega采用水碳模擬熱帶草原、農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)、農(nóng)田、牧場(chǎng)幾種土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，得出自然熱帶草原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高，而常規(guī)耕作農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最低。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中的重要組成部分，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的控制是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的前提，而生態(tài)系統(tǒng)模型可以通過(guò)模擬各種生態(tài)過(guò)程，以探討不同管理情景的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與效益。

4亟待進(jìn)行的探索

2015國(guó)際土壤年對(duì)于土壤學(xué)界是一個(gè)很好的契機(jī)，來(lái)提升國(guó)際和國(guó)家政策制定者、土地管理者、農(nóng)林業(yè)和大眾對(duì)土壤作為生態(tài)系統(tǒng)核心的認(rèn)識(shí)。

土壤學(xué)工作者應(yīng)著力于系統(tǒng)地采用多尺度、多目標(biāo)和多因素集成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，及其與土壤功能聯(lián)系的評(píng)估方法學(xué)，從試驗(yàn)和觀測(cè)資料結(jié)合區(qū)域空間資料，開(kāi)發(fā)基于生物地球化學(xué)循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土壤功能評(píng)價(jià)、診斷和預(yù)測(cè)的方法學(xué)工具，特別是計(jì)算機(jī)模型，這是進(jìn)行土壤管理可持續(xù)性評(píng)價(jià)以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)的需要，也是區(qū)域綜合治理技術(shù)支撐的需要。

對(duì)于中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家，土壤學(xué)研究的首要任務(wù)應(yīng)是通過(guò)研究土壤功能與土壤健康，以探索保證食物安全與保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要途徑。

由于耕地資源緊缺，高強(qiáng)度、集約化的利用已經(jīng)是農(nóng)田利用的主要特征。因此，在土壤學(xué)研究中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先關(guān)注與作物生產(chǎn)相關(guān)的過(guò)程和條件，應(yīng)當(dāng)很清晰地知道利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)獲取作物產(chǎn)量所應(yīng)付出的代價(jià)和收到的回報(bào)。

碳、氮、水足跡是能夠表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫室氣體排放、氮素?fù)p失、水分消耗等環(huán)境影響的重要指標(biāo)。然而，當(dāng)前的研究還僅限于單個(gè)指標(biāo)、單個(gè)系統(tǒng)的研究，將三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行集成以探討綜合影響的研究還非常有限。

而且，隨著生活水平提高，人類對(duì)畜禽類產(chǎn)品的消耗也日益增加。畜牧業(yè)對(duì)環(huán)境的影響也體現(xiàn)為多個(gè)方面，同時(shí)，其與作物生產(chǎn)也有著緊密的聯(lián)系。將種植業(yè)與畜牧業(yè)進(jìn)行綜合研究，探討其對(duì)環(huán)境的綜合影響，并將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)相結(jié)合，探索生產(chǎn)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)多贏的關(guān)鍵途徑，是當(dāng)前研究的主要任務(wù)。

當(dāng)前，土壤健康面臨著各種威脅，例如氣候變化、肥料過(guò)量施用、濫用農(nóng)藥、重金屬污染、水土流失等，同時(shí)，也有一些新的技術(shù)手段運(yùn)用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，例如生物質(zhì)炭、重金屬污染改良劑、有機(jī)菌肥等。

如何通過(guò)土壤功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表征，分析影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵因子，篩選關(guān)鍵指標(biāo)及其閾值，評(píng)價(jià)環(huán)境變化和人為干擾下不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的協(xié)同與抵消作用，從而為土壤可持續(xù)管理模式的選取與構(gòu)建提供方法學(xué)基礎(chǔ)，亦是當(dāng)前土壤學(xué)研究的重大任務(wù)。