土壤健康是指土壤作為維持植物、動(dòng)物和人類(lèi)生存的重要生命生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)能力，并將農(nóng)業(yè)和土壤科學(xué)與政策、利益需求和可持續(xù)供應(yīng)鏈管理聯(lián)系起來(lái)。歷史上，土壤評(píng)估側(cè)重于作物生產(chǎn)，但今天的土壤健康將土壤在水質(zhì)、氣候變化和人類(lèi)健康方面的作用包含其中。然而，由于知識(shí)有限和缺乏有效的方法，盡管人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到土壤生物多樣性的重要性，但量化土壤健康仍以化學(xué)指標(biāo)為主。本文闡述了土壤健康的定義和歷史，并與其他土壤概念進(jìn)行了比較。我們概述了由土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，用于衡量土壤功能的指標(biāo)，以及它們與信息性土壤健康指數(shù)的整合。科學(xué)家們應(yīng)該把土壤健康作為一項(xiàng)首要原則，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，而不僅僅是一種可以衡量的屬性。

作者：JohannesLehmann(康奈爾大學(xué)),DeborahA.Bossio(大自然保護(hù)協(xié)會(huì)TNC),IngridKogel-KnabnerandMatthiasC.Rillig

譯者：楊瀟逸

土壤是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，位于大氣、巖石圈、水圈和生物圈的交匯處，對(duì)糧食生產(chǎn)至關(guān)重要，并通過(guò)其對(duì)重要的社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支持實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。正是在這種背景下，土壤健康的概念出現(xiàn)在21世紀(jì)初，如今，它與新興的“一個(gè)健康”概念相關(guān)，在這個(gè)概念中，人類(lèi)、動(dòng)物和環(huán)境的健康都是相互聯(lián)系的。

土壤健康的術(shù)語(yǔ)、概念和操作化仍在不斷發(fā)展?，F(xiàn)在，大多數(shù)機(jī)構(gòu)(如美國(guó)農(nóng)業(yè)部)將其定義為“土壤作為維持植物、動(dòng)物和人類(lèi)生存的重要生命生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)能力”。還有其他一些相關(guān)概念，包括土壤肥力、土壤質(zhì)量和土壤安全，這些概念也強(qiáng)調(diào)土壤在社會(huì)、生態(tài)系統(tǒng)和/或農(nóng)業(yè)中的作用或功能。

土壤肥力指的是土壤在作物生產(chǎn)中的作用。土壤肥力由農(nóng)民在田間進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的作物生產(chǎn)和專(zhuān)注于種植人類(lèi)所需的食物、燃料和纖維。

土壤質(zhì)量是“土壤健康”一詞的歷史來(lái)源，描述了土壤對(duì)農(nóng)業(yè)及其直接環(huán)境的作用能力。因此，土壤質(zhì)量包括土壤對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)、動(dòng)植物健康的影響。盡管“土壤健康”與“土壤質(zhì)量”經(jīng)常被混淆使用，但兩者并不等同，因?yàn)橥寥澜】档姆秶隽巳祟?lèi)健康的范圍，擴(kuò)展到更廣泛的可持續(xù)性目標(biāo)，包括地球健康，而土壤質(zhì)量的范圍通常側(cè)重于與人類(lèi)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

土壤安全是指獲得土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)會(huì)必須與其他人權(quán)處于同一水平，因此，通常在政策背景下使用，包括人類(lèi)文化、資本和土壤管理法律等方面。重要的是，土壤安全使人們能夠就土壤作為一種公共資源進(jìn)行有關(guān)生產(chǎn)的對(duì)話(huà)，類(lèi)似于水和空氣，而不是僅僅作為私有財(cái)產(chǎn)(如土壤肥力和質(zhì)量)。

土壤健康包括與土壤質(zhì)量和肥力相關(guān)的尺度、利益相關(guān)者、功能和評(píng)估工具，并包含一些土壤安全的政策層面問(wèn)題，超越了只關(guān)注作物生產(chǎn)或其他明確的人類(lèi)利益。土壤健康最重要的成就之一是在土壤管理中增加了生物學(xué)觀點(diǎn)，以應(yīng)對(duì)作物生產(chǎn)的長(zhǎng)期可持續(xù)性挑戰(zhàn)。生物學(xué)觀點(diǎn)對(duì)于擴(kuò)大土壤評(píng)估和管理，以解決對(duì)生物多樣性、水質(zhì)、氣候以及人類(lèi)和地球健康的問(wèn)題，也是至關(guān)重要的。

1.土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

土壤可提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(圖1)，因此，支持可持續(xù)發(fā)展的土壤健康管理必須考慮三點(diǎn)：通過(guò)多功能管理來(lái)提高土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);通過(guò)管理土壤來(lái)改善一項(xiàng)服務(wù)的同時(shí)可能對(duì)另一項(xiàng)服務(wù)產(chǎn)生積極(協(xié)同)或負(fù)面影響(權(quán)衡);土壤健康管理應(yīng)長(zhǎng)期維持土壤的服務(wù)功能。本文中，我們簡(jiǎn)要介紹了土壤健康管理過(guò)程中考慮的四大土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)——可持續(xù)植物生產(chǎn)、水質(zhì)控制、人類(lèi)健康改善和氣候變化緩解。

圖1土壤健康和全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)土壤健康通過(guò)作物產(chǎn)量、質(zhì)量、儲(chǔ)存和運(yùn)輸;食品質(zhì)量和口味;土壤污染;或氣候變化、娛樂(lè)和文化影響人類(lèi)和地球健康。

1.1.可持續(xù)植物生產(chǎn)

植物生產(chǎn)是集約農(nóng)業(yè)的主要目的，也是土壤健康管理的一個(gè)重點(diǎn)，因?yàn)樗绊懙剿氖褂煤唾|(zhì)量、人類(lèi)健康、動(dòng)物健康、氣候和生物多樣性(圖1)。然而從土壤健康的角度來(lái)看，僅通過(guò)使用農(nóng)用化學(xué)品(主要是肥料)來(lái)管理養(yǎng)分有效性是不足以?xún)?yōu)化植物生長(zhǎng)的。此外，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，在集約化農(nóng)業(yè)中使用的一些增加植物產(chǎn)量的管理措施危害了土壤健康。因此，在考慮到土壤健康的情況下，土壤管理將不僅僅依賴(lài)于使用無(wú)機(jī)肥料，而將更多的注意力放在使用有機(jī)改良劑及秸稈還田、減少耕作造成的機(jī)械影響、增加植物在時(shí)間和空間上的多樣性，或通過(guò)等高線耕作(沿海拔等高線耕作)或種植覆蓋作物來(lái)減少土壤侵蝕。

除了管理植物生產(chǎn)所需的土壤理化性質(zhì)外，土壤健康還需考慮植物與根際土壤微生物群落之間的相互作用，這些相互作用可以促進(jìn)或抑制植物的生長(zhǎng)。通過(guò)管理微生物的豐度、活性、群落組成和特定功能可以提高植物產(chǎn)量。例如，有機(jī)改良劑(如堆肥)可以通過(guò)促進(jìn)有益微生物的數(shù)量來(lái)提高對(duì)植物病原體的抵抗力。在許多情況下，通過(guò)增加改良或減少耕作、提高有機(jī)質(zhì)含量以及增加生物多樣性的做法，有望提高作物的抗逆性。但是也有例外，例如，減少耕作可以在某些情況下降低作物產(chǎn)量，從而減少土壤有機(jī)碳含量。

1.2.水質(zhì)

當(dāng)雨水和融雪流經(jīng)土壤時(shí)，土壤可能成為污染源和/或匯(圖1)。這些污染物包括除草劑、殺蟲(chóng)劑、重金屬、抗生素、激素、微塑料、病原體、多環(huán)芳烴、全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)。此外，農(nóng)業(yè)化肥使用造成的營(yíng)養(yǎng)污染是一個(gè)全球性問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和/或缺氧，促進(jìn)有害藻類(lèi)大量繁殖，并對(duì)飲用水質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了維持良好的水質(zhì)，需要進(jìn)行土壤健康管理，將土壤中的污染物保留并對(duì)它們進(jìn)行緩沖和生物轉(zhuǎn)化。增加土壤有機(jī)質(zhì)可吸附重金屬和有機(jī)毒素，其中一些吸附作用幾乎是不可逆的。使用緩沖區(qū)，如建設(shè)農(nóng)業(yè)區(qū)或人工濕地附近的植被過(guò)濾帶，可以減緩硝酸鹽、磷酸鹽或農(nóng)藥污染物向水中的遷移。土壤生物群可以將有機(jī)污染物，如常見(jiàn)的碳?xì)浠衔锛妆?，轉(zhuǎn)化為無(wú)害的化合物。因此，有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性這兩個(gè)土壤健康的關(guān)鍵特性，都能改善土壤徑流的水質(zhì)。

城市土壤的土壤健康尚未得到充分的認(rèn)識(shí)，但可能含有比農(nóng)業(yè)土壤更廣泛的污染物，而且許多城市土壤也被改造為可以快速排水或根本不排水的程度。因此，城市土壤的土壤健康管理必須通過(guò)生物滯留和土壤阻塞以實(shí)現(xiàn)物理滯留管理與污染物生物轉(zhuǎn)化的結(jié)合，進(jìn)而提供清潔飲用水。

1.3.人類(lèi)健康

人類(lèi)健康在很大程度上取決于土壤健康，包括并超越了土壤通過(guò)作物生產(chǎn)與人類(lèi)健康之間的明顯聯(lián)系。

作物類(lèi)型及其營(yíng)養(yǎng)成分十分重要，微量營(yíng)養(yǎng)素利用率高的土壤有助于降低營(yíng)養(yǎng)不良，較高的土壤有機(jī)質(zhì)提高了作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。除了這些相對(duì)普遍的特性外，作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值還取決于土壤生物多樣性，土壤生物多樣性可以提高作物的微量營(yíng)養(yǎng)元素的生物利用率，抑制土傳植物病害，并影響風(fēng)味、食品儲(chǔ)藏和食品加工。

土壤也會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，土壤污染物可以通過(guò)直接接觸或灰塵、懸浮物和雨滴污染產(chǎn)品。除了非生物污染物外，土壤還可能含有致病真菌，通過(guò)產(chǎn)生真菌毒素來(lái)污染植物產(chǎn)品，并在動(dòng)物和人類(lèi)中引起急性和慢性疾病。此外，土壤中生存著大量的寄生蠕蟲(chóng)(helminthiasis)，這些寄生蟲(chóng)可以在人體胃腸道中存活數(shù)年，引起營(yíng)養(yǎng)不良并導(dǎo)致發(fā)育遲緩。

盡管土壤帶有多種病原體，但在一定歷史時(shí)期中，土壤也富含產(chǎn)生抗生素的有機(jī)體，如產(chǎn)生鏈霉素。大多數(shù)土壤微生物有待發(fā)現(xiàn)和鑒定，并被運(yùn)用于人類(lèi)醫(yī)學(xué)。量化和管理土壤生物多樣性是土壤健康管理目標(biāo)的一部分，它為阻止微生物物種的滅絕并為未來(lái)的生物勘探保留了機(jī)會(huì)。

1.4.氣候變化

土壤管理可以緩解或加劇氣候變化及其對(duì)其他土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，如水質(zhì)或植物生產(chǎn)。以減緩氣候變化的策略為例，將碳作為有機(jī)物固定在土壤中，以便提高作物生產(chǎn)力和抗旱、抗洪的能力，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)受益。此外，可通過(guò)增加有機(jī)肥料或土壤改良劑的使用以及減少耕作來(lái)增加土壤有機(jī)質(zhì)，以增加聚集并控制微生物礦化產(chǎn)生二氧化碳，這也可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)。然而，在氣候變化與糧食生產(chǎn)之間要權(quán)衡利弊，比如施用氮肥增加作物產(chǎn)量的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致溫室氣體一氧化二氮的釋放。

圖2土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理圖的頂部列出了土壤的四個(gè)重要作用(植物生產(chǎn)、水質(zhì)保持、人類(lèi)健康和氣候緩解)。下方列出了各種管理策略及其對(duì)主要土壤特性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。

2.土壤健康量化

量化在管理土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面非常重要，土壤的多功能性(圖1)和多樣性要求將多個(gè)指標(biāo)量化并整合到一個(gè)指數(shù)中。一般而言，土壤健康指標(biāo)可分為物理、化學(xué)或生物三類(lèi)，但是由于許多特性反映了多種過(guò)程，這三類(lèi)指標(biāo)并未完全劃分界限。

土壤健康指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：與土壤健康及其生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)相關(guān);敏感性，變化迅速并可檢測(cè);實(shí)用性，操作成本低，周轉(zhuǎn)時(shí)間短;為管理提供信息。盡管土壤健康指標(biāo)難以同時(shí)滿(mǎn)足以上四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但這些指標(biāo)為土壤健康管理提供了背景。

有關(guān)植物生產(chǎn)的土壤健康評(píng)估通常包括總有機(jī)碳、植物可利用養(yǎng)分、pH值、陽(yáng)離子交換容量、電導(dǎo)率、滲透阻力、氮礦化和微生物生物量。其中較少的測(cè)試(不到20%)包括土壤團(tuán)聚體、儲(chǔ)水和有機(jī)碳組分。

為緩解氣候變化土壤健康評(píng)估也應(yīng)測(cè)試以上參數(shù)，其中一小部分測(cè)試也包含了檢測(cè)土壤中的氮形態(tài)，這些測(cè)試應(yīng)加以調(diào)整，以提供有關(guān)潛在溫室氣體排放(包括一氧化二氮)的信息。

與水質(zhì)相關(guān)的土壤健康評(píng)估應(yīng)包括微生物生物量和活性、流動(dòng)性養(yǎng)分、重金屬毒素和總有機(jī)碳的檢測(cè)，這已經(jīng)是許多土壤健康測(cè)試計(jì)劃的一部分，但也應(yīng)偶爾檢測(cè)土壤團(tuán)聚體和滲透。這些指標(biāo)中的許多也應(yīng)用于有關(guān)人類(lèi)健康的土壤健康評(píng)估。

3.新一代指標(biāo)

建議在評(píng)估每項(xiàng)管理目標(biāo)的土壤時(shí)，增加額外的指標(biāo)，特別是生物評(píng)估。例如，我們建議在土壤健康測(cè)中更廣泛地檢測(cè)土壤團(tuán)聚體、土壤滲透系數(shù)、蚯蚓豐度和有機(jī)碳氮組分，并在植物生產(chǎn)的土壤健康評(píng)估中加入氮礦化酶活性的檢測(cè)。

建議一些主要針對(duì)非農(nóng)業(yè)土壤服務(wù)的新指標(biāo)，如人類(lèi)健康和水質(zhì)，需要成為常規(guī)土壤健康測(cè)試的一部分。這些指標(biāo)包括病原體、寄生蟲(chóng)、生物多樣性、生物有效性、流動(dòng)性毒素(如二惡英、多環(huán)芳烴和微塑料)、化合物和孔徑多樣性。

同時(shí)也建議重視與氣候變化功能相關(guān)的土壤健康指標(biāo)的制定，如溫室氣體排放和碳封存。

未來(lái)十年，土壤健康監(jiān)測(cè)的進(jìn)展還應(yīng)包括遙感技術(shù)的發(fā)展。遙感不僅應(yīng)包括土壤特性的空間信息，例如使用微波測(cè)量土壤濕度，而且可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型評(píng)估與土壤功能相關(guān)的土壤管理做法。下一代電子產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)運(yùn)用于實(shí)現(xiàn)低成本和分布式傳感器部署、快速數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理，并利用計(jì)算機(jī)和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)用于土壤健康監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4.土壤健康指數(shù)

4.1.挑戰(zhàn)

需要對(duì)包括分類(lèi)屬性在內(nèi)的多個(gè)指數(shù)進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換和加權(quán)，以便將它們整合到最終的單一得分中。數(shù)值必須使用非線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)檩^高的值并不總是表示好的土壤健康狀況。

因土壤類(lèi)型之間的固有差異或因時(shí)間的改變而產(chǎn)生偏差時(shí)，需要根據(jù)區(qū)域條件仔細(xì)校準(zhǔn)。

4.2.需求

全面的土壤健康指數(shù)應(yīng)包含多標(biāo)準(zhǔn)決策分析，以量化和優(yōu)先考慮土壤健康管理的可持續(xù)性成果。

土壤健康數(shù)據(jù)應(yīng)使用交互式數(shù)據(jù)可視化來(lái)呈現(xiàn)，該呈現(xiàn)方式可根據(jù)所需側(cè)重來(lái)進(jìn)行重新配置。這將有利于研究人員和決策者優(yōu)先考慮土壤功能并作出決定。

新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析工具，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或博弈論，應(yīng)更充分地加以探索，以便量化土壤健康指標(biāo)的影響，并優(yōu)先考慮水質(zhì)控制和食物生產(chǎn)等土壤功能。

需要開(kāi)發(fā)新的分析和概念研究方法來(lái)發(fā)掘土壤健康的系統(tǒng)特征，以便實(shí)施監(jiān)測(cè)土壤健康和了解土壤健康對(duì)土壤功能的影響。

水科學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和其他領(lǐng)域需要參與到土壤健康的衡量和管理中，以反映土壤健康的全部功能，包括氣候變化、水質(zhì)、生物多樣性和人類(lèi)健康。

5.未來(lái)展望

科學(xué)家們正在就土壤健康的定義達(dá)成共識(shí)，并正在開(kāi)發(fā)和改進(jìn)量化土壤健康的方法，但這些方法主要涉及土壤的作物生產(chǎn)力功能，沒(méi)有充分考慮到生物和非生物多樣性。研究人員應(yīng)該把土壤健康作為一項(xiàng)首要原則來(lái)建立知識(shí)體系，而不是僅僅把它作為一種可測(cè)量的屬性。這樣，土壤健康就可以更好地被確立為一個(gè)多學(xué)科支撐的科學(xué)領(lǐng)域。

由于土壤具有廣泛的環(huán)境和社會(huì)功能，土壤健康應(yīng)在法律上被確認(rèn)為一種共同利益。土壤健康量化標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)由政府或政府間組織牽頭，必須就相關(guān)指標(biāo)、檢測(cè)方法細(xì)節(jié)以及納入指數(shù)制定國(guó)家間標(biāo)準(zhǔn)。如此，一個(gè)綜合的土壤健康指數(shù)應(yīng)該被地方、地區(qū)或國(guó)家的司法機(jī)構(gòu)和組織參考，來(lái)指導(dǎo)影響土壤及其功能的決策，從而有利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。