1.引言

土壤是一個復雜的系統(tǒng)，位于大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈的交匯處，對于糧食生產至關重要，并且其對重要的社會和生態(tài)系統(tǒng)服務的支持是實現可持續(xù)發(fā)展的關鍵。正是在這種背景下，于21世紀初期出現了土壤健康的概念(BOX1)，如今，這一概念已與新興的“全球健康(OneHealth)”相關聯，在“全球健康”這一概念中，人類、動物和環(huán)境的健康都是相互聯系的。

BOX1

土壤健康概念的歷史

公眾對土壤健康概念的廣泛興趣是有歷史淵源的。盡管直到21世紀初期“土壤健康”一詞才在科學和大眾文獻中經常使用，但將土壤生態(tài)系統(tǒng)比作有機體由來已久。正如歌曲、美術和表演藝術中所展現的，土壤常常是神話創(chuàng)作的一部分，人類與土壤也一直有著深刻的精神聯系。

自18世紀以來，科學家們就在土壤形成過程中引入了生物過程的概念，認為土壤生態(tài)系統(tǒng)和其他生態(tài)系統(tǒng)一樣受到了危害，為土壤健康提供了基礎。1979年，蓋亞概念(Gaiaconcept)普及了自然是一個行星尺度的自我調節(jié)系統(tǒng)的觀點，明確包括了土壤生態(tài)系統(tǒng)的概念，并超越了土壤僅是為人類提供服務的觀念。自20世紀80年代以來，土壤生物過程的分析能力取得了重大進展，包括2010年以來繪制的全球土壤生物多樣性地圖。2015年聯合國可持續(xù)發(fā)展目標的制定要求將土壤功能與可持續(xù)發(fā)展相結合，使土壤健康成為一個合適的平臺。

土壤健康概念是在20世紀90年代從土壤質量中產生的，最初受到了相當多的批評。最近決策者接受了這一概念，印度向1億農民發(fā)放了土壤健康卡，一些大公司開始實施土壤健康方案，以更可持續(xù)地管理供應鏈。將土壤固碳作為《聯合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)中降低大氣二氧化碳的一個主要途徑，增強了在全球范圍內實施適當的土壤健康方案的政治緊迫性。2010年之后，土壤健康概念迅速得到采納，部分原因可能在于它的靈活性，因此，不同的利益攸關方可以以自己的方式使用。

土壤健康的術語、概念和操作性仍在不斷發(fā)展(BOX1)?，F在，大部分機構(如美國農業(yè)部)將其定義為維持植物、動物和人類生存的重要生命生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)能力。其他一些相關概念，包括土壤肥力、土壤質量和土壤安全(圖1)，也強調土壤在社會、生態(tài)系統(tǒng)和/或農業(yè)中的作用或功能。這些術語中最狹義的是土壤肥力，指的是土壤在作物生產中的作用。土壤肥力是由農民在田間規(guī)模進行管理，以實現作物經濟高效的生產，完全聚焦于種植供人類使用的糧食、燃料和纖維。

“土壤健康”來源于“土壤質量”，后者描述了土壤對農業(yè)及其相關環(huán)境的作用能力。因此，土壤質量包括土壤對整個生態(tài)系統(tǒng)中水質、植物和動物健康的影響。雖然二者經常被混淆使用,但其含義并不相同，因為土壤健康超出了人類健康的范疇，將其擴展到更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(包括地球健康),而土壤質量通常側重于與人類相關的生態(tài)系統(tǒng)服務。

2012年引入的“土壤安全”是四個術語中最新和范圍最廣泛的一個，它包括了土壤健康。“土壤條件”用來描述土壤的可管理特性。土壤安全內涵包括獲得土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的機會須與其他人權處于同一水平，因此經常在政策背景下使用，包括土壤管理的人類文化、資本和法律等方面。重要的是，土壤安全使人們能夠將土壤作為一種公共資源進行富有成效的討論，就像水和空氣一樣，而不僅僅是作為私有財產(如土壤肥力和質量)。我們認為必須把討論中心轉移到關于土壤在可持續(xù)性和管理方面的作用上。

土壤健康包括與土壤質量和肥力相關的尺度、利益攸關方、功能和評估方法，并包含某些土壤安全的政策層面問題(圖1)，而不僅僅關注作物生產或其他明確的人類利益。土壤健康概念的多維性使土壤管理目標與可持續(xù)發(fā)展目標保持一致，并應為考慮大量利益攸關方、功能以及時空尺度奠定基礎。土壤健康框架(最初指土壤質量)最重要的成就之一是在土壤管理中增加了亟需的生物學視角，以解決作物長期可持續(xù)性生產的挑戰(zhàn)。生物視角對于擴大土壤評估和管理，以解決生物多樣性、水質、氣候、娛樂以及人類和地球健康等人類以外的問題也至關重要。

圖1.土壤肥力、質量、健康和安全。這些概念因其所涉及的相關空間尺度、功能、生態(tài)系統(tǒng)服務和利益相關者而不同(在圖的右側作為嵌套概念列出)。這些概念在土地權和土壤評估上也存在差異。土壤健康包括一系列廣泛的生態(tài)系統(tǒng)功能、服務和參與者，影響著一系列廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標。這里列出的五種功能影響著整體的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務。

歷史上，科學家們對土壤健康的概念感到擔憂，這是由于在定義土壤健康上存在巨大挑戰(zhàn)，須能對包括人類健康在內的所有生態(tài)系統(tǒng)服務進行通用的定量評估，造成這一挑戰(zhàn)的原因包括土壤異質性、土壤管理的場地特殊性以及有時存在沖突或競爭需求的不同生態(tài)系統(tǒng)服務。盡管如此，土壤健康概念的使用仍引起研究人員、政策制定者和利益攸關方的廣泛關注。

從這個角度，我們描述了土壤健康管理與植物可持續(xù)生產、水質、人類健康和減緩氣候變化之間的關系，概述了生物、化學和物理指標及其納入土壤健康綜合方法的現狀，并主張在土壤健康評估中納入更多的生物指標。最后，本文討論了最近在測量和監(jiān)測土壤健康方面的技術發(fā)展，以及土壤健康研究和管理的未來方向。

2.土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務

土壤可提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(圖2),因此,支持可持續(xù)發(fā)展的土壤健康管理必須考慮以下三點：通過多功能管理以提高多種土壤生態(tài)系統(tǒng)服務;管理土壤以改善一種生態(tài)系統(tǒng)服務可能對另一種服務產生的積極的(協同)或消極的影響(權衡);土壤健康管理應長期維持土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。本文簡要介紹了土壤健康管理中考慮的四大土壤生態(tài)系統(tǒng)服務：植物可持續(xù)生產、水質控制、人類健康改善和氣候變化減緩。

圖2.土壤健康和全球生態(tài)系統(tǒng)服務。土壤健康通過作物生產、質量、儲存和運輸，食物的品質和味道，土壤污染，以及氣候變化，娛樂和文化影響人類和地球健康。土壤健康對植物和土壤生物的直接影響有助于評估因果關系(例如土壤養(yǎng)分有效性影響作物生產)。連鎖效應(例如通過作物質量和糧食儲存間接影響人類健康的土壤養(yǎng)分有效性)需要證明其因果關系，因此，在某些情況下，仍然需要建立科學依據。

2.1植物可持續(xù)生產

植物生產是集約農業(yè)的主要目標，也是土壤健康管理的一個重點，因為它影響到水的使用和質量、人類健康、動物健康、氣候和生物多樣性(圖2)。然而，從土壤健康的角度來看，僅通過使用農用化學品(主要是肥料)管理養(yǎng)分有效性是不足以優(yōu)化植物生長的。此外，人們越來越認識到集約農業(yè)中用于增加植物總產量的一些管理措施對土壤健康有害。例如，對植物生產至關重要的生根深度在很大程度上取決于土壤結構，而土壤結構則部分由有機質含量和整地決定。耕作中土壤壓實會對土壤結構產生負面影響，且僅使用無機肥料(與有機肥料相反，如堆肥、糞肥或覆蓋作物)往往不足以恢復或保持土壤有機質的適當水平。因此，關注土壤健康應使土壤管理從依賴無機肥料擴展到采用有機改良劑和秸稈還田，減少耕作的機械影響，增加植物在時間和空間上的多樣性或通過等高線耕作(沿海拔等高線耕作)以及草帶以減少土壤侵蝕。

除了管理植物生產所需的土壤理化性質外，土壤健康還需考慮到植物與根際土壤微生物群落之間的相互作用，這些作用可以促進或抑制植物生長。促進土壤微生物以提高植物產量需要管理微生物的豐度和活性、群落組成和特定功能。例如，有機改良劑(如堆肥)可以通過促進有益微生物的生長來增強植物對病原體的抵抗力。在許多情況下，通過增加改良或減少耕作以提高有機質含量可以增加生物多樣性，從而有望提高作物的抗逆性。但是也有例外，例如在某些情況下，減少耕作會降低作物產量，進而減少土壤有機碳含量。

2.2水質

當雨水和融雪流經土壤時，土壤可能成為污染物的源和/或匯(圖2)。這些污染物包括除草劑、殺蟲劑、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。此外，農業(yè)化肥使用造成的營養(yǎng)污染是一個全球性問題，會導致水體富營養(yǎng)化和/或缺氧，促進有害藻華的生長，并對飲用水質量產生負面影響。因此，土壤管理需在支持作物生長和水質之間進行權衡，這需要仔細考慮并綜合多種管理策略。

為了維持良好的水質，需要進行土壤健康管理，從而將污染物和其他有害物質保留在土壤中，并對它們進行緩沖和生物轉化。增加土壤有機質能吸附重金屬和有機毒素，其中一些吸附作用幾乎是不可逆的。使用緩沖區(qū)可以減緩硝酸鹽、磷酸鹽或農藥污染向水體的遷移，例如農業(yè)區(qū)或人工濕地附近的植被過濾帶。土壤生物可以將有機污染物，如常見的碳氫化合物甲苯，轉化為無害的化合物。因此，作為土壤健康的關鍵屬性，有機質含量和微生物活性均可改善土壤徑流的水質。

城市土壤的土壤健康狀況尚未得到充分的認識，但可能比農業(yè)土壤包含更廣泛的污染物，而且許多城市土壤也被改造為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須在消除地表徑流與減少排水來保留水和污染物之間取得平衡。為了提供潔凈的飲用水，可以利用生物滯留池和人工土壤以實現物理滯留管理與污染物生物轉化的結合。

2.3人類健康

人類健康在很大程度上取決于土壤健康，包括但不限于土壤通過作物生產與人類健康之間的明顯聯系(圖2)。作物類型及其營養(yǎng)成分也十分重要，土壤中微量營養(yǎng)元素的高利用率有助于降低營養(yǎng)不良，較高的土壤有機質含量有利于提高作物的營養(yǎng)價值。除了這些相對普遍的特性外，作物的營養(yǎng)價值還取決于土壤生物多樣性，其能夠提高作物對微量營養(yǎng)元素的生物利用率，抑制土傳植物病害，并且影響口感、食物儲存和食品加工。

土壤也會對人類健康產生負面影響。例如，土壤污染物可以通過直接接觸、灰塵、懸浮物或雨水污染農產品。一些化合物，如砷和大多數無機污染物，也可以通過植物根系被吸收并在籽?；蚬麑嵵蟹e累。除非生物污染物外，土壤還可能含有致病真菌，其能通過產生真菌毒素污染植物果實，并在動物和人類中引起急慢性疾病。此外，土壤中生存著大量寄生蠕蟲(蠕蟲病)，這些寄生蟲可以在人類胃腸道中存活數年，引起營養(yǎng)不良并導致發(fā)育遲緩。

雖然土壤是病原體的宿主，但歷史上它也是醫(yī)療工業(yè)用于生產抗生素(如鏈霉素)的有機體的來源。大多數土壤微生物仍有待發(fā)現和鑒定，一些重要發(fā)現還可應用于人類醫(yī)學。量化和管理土壤生物多樣性是土壤健康管理目標的一部分，為阻止微生物物種滅絕以及未來的生物勘探保留了機會。

表1.土壤指標，納入生態(tài)系統(tǒng)服務評價的功能，指標類型以及評價方法。超過20%的土壤健康評估方案所包括的指標標記為“>20%”。在至少包含在一種方案中但少于20%的指標標記為“<20%”。通常不包括在評估方案內，但建議使用的指標標記為“proposed”。與某一生態(tài)系統(tǒng)服務不直接相關的指標標記為“−”，較相關的被標記為“+”。B：生物的;C：化學的;GHG：溫室氣體;P：物理的。a部分來自參考文獻。b給出的方法較寬泛，其中一些提出了詳細的方法(見參考文獻)，另一些則是對未來探索的建議。

2.4氣候變化

土壤管理可以緩解或加劇氣候變化及其對其他土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，如水質或植物生產。以減緩氣候變化的策略為例，將碳以有機質的形式固定在土壤中，可提高作物生產力和抗旱抗洪能力，進而促進農業(yè)發(fā)展。此外，可通過增加有機肥或土壤改良劑的使用以及減少耕作來提高土壤有機質含量，以增加團聚并控制微生物礦化產生的二氧化碳(表1)，同時促進植物生長。然而，土壤健康管理需在氣候變化和糧食生產之間權衡利弊。例如，施用氮肥增加作物產量的同時也會增加溫室氣體一氧化二氮的排放。這些實例突出了平衡土壤多種用途的困難，以及提供背景和目標對于土壤健康管理的重要性。

3.量化土壤健康

量化在土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務管理中具有重要意義，土壤的多功能性(圖2)和多樣性要求將多個指標進行量化并整合為一個指數。一般而言，土壤健康指標可分為物理、化學或生物三類，但是由于許多特性反映了多種過程，這三類指標并不能完全劃分界限。例如，土壤團聚是化學指標(如有機質含量)、礦物類型和/或生物活動的結果。同樣地，植物有效磷也屬于化學指標，但其主要是微生物礦化和植物吸收等生物過程的結果。因此,從許多方面來說，目前的分類(化學、物理、生物指標)并不是因果關系的反映(例如植物有效磷也是生物過程的結果),而是易于表征分析的對象(例如磷酸鹽是一種化學指標)。

圖3.土壤生態(tài)系統(tǒng)服務管理。圖的頂部列出了土壤的四個重要作用(植物生產、水質、人類健康和減緩氣候變化)。下面列出了各種管理策略及其對關鍵土壤性質和生態(tài)系統(tǒng)服務的影響。GHG：溫室氣體;N：氮。

土壤健康指標應滿足以下四個標準：相關性，即與土壤健康及其生態(tài)系統(tǒng)功能和服務相關(表1;圖3);靈敏性，變化快速且可檢測，而不只是反映短期波動;實用性，成本低廉，周轉時間短;信息性，即能為管理提供信息(圖4)。目前65個土壤健康分析方案(包括土壤質量方案和土壤健康方案)中，有20%以上約有一半指標能滿足四項標準(圖4)，但一些重要指標并不滿足。例如，總有機碳滿足三個標準，但通常不會快速變化(不靈敏)，需要額外的指標，如更靈敏的有機碳組分。其他指標，如土壤質地或深度，不容易變化，也不容易管理(換句話說，不能為管理提供信息，圖4)，即使它們與土壤健康高度相關，但在許多方案中仍然需要時間密集型分析或實地測量。然而，這些無法管理的指標為土壤健康提供了背景，反映了土壤的潛力或容量，沒有這些指標就無法理解那些可管理的屬性。另外，還有一個重難點在于目前所列的生物指標中沒有一項能低成本、可靠和快速地獲得信息。

圖4.土壤健康指標及其與評估的相關性。理想情況下，土壤健康指標具有信息性、敏感性、有效性和相關性。有些不能滿足所有的標準，但仍然是相關的(例如質地或土壤深度，它們不容易改變，也不受管理，因此也稱為能力指標)。粗體字表示將土壤健康量化的應用從作物生產擴大到可持續(xù)性和地球健康的指標。白箭頭內包括應進一步發(fā)展為有效和實用性的指標。注意：多樣性包括土壤生物、景觀土壤類型多樣性、土壤有機質的分子/結構多樣性和土壤中生長的植物多樣性，其中一些可能無法通過分析或建模方法進行量化。C：碳;CEC：陽離子交換能力;EC：導電性;GHG：溫室氣體;N：氮;TOC：總有機碳。

關于植物生產的土壤健康評估通常包括總有機碳、植物有效養(yǎng)分、pH值、陽離子交換容量、電導率、滲透阻力、氮礦化和微生物生物量測試(表1)。土壤健康評估中有一小部分(少于20%)包括土壤團聚體、蓄水量和有機碳組分。為減緩氣候變化而管理土壤健康也應測試以上參數，其中一小部分檢測了土壤氮形態(tài)，這些測試應加以調整以提供有關潛在溫室氣體排放的信息(包括一氧化二氮等)。與水質有關的土壤健康評估應包括微生物生物量和活性、流動性養(yǎng)分、重金屬毒素和總有機碳檢測，這已經是許多土壤健康測試計劃的一部分，但還應包括只是偶爾檢測的團聚和滲透。這些指標中許多也應用于有關人類健康的土壤健康評估。

總的來說，目前三分之二以上的土壤健康測試框架包括傳統(tǒng)的土壤有機質、pH值和植物速效磷和鉀的定量測定，一半以上包括含水量和容重的測試，有三分之一還建議對土壤呼吸、微生物生物量或氮礦化進行測量，以表征生物特性和結構穩(wěn)定性。在90%的土壤健康評估方案中(圖5)，化學指標至少占40%，表明化學性質對量化土壤健康的重要性以及長期以來對植物生產的重視。事實上，目前最先進的分析方案(如土壤管理評估框架)重點關注的是作物可持續(xù)生產的指標。然而,歐洲委員會最近建議將土壤生物多樣性作為土壤健康的六項指標之一。

即使某方案所使用的指標總數增加，生物指標所占比例仍低于20%(圖4，5)。此外，盡管生物指標被認為對土壤健康管理很重要，過去十年來土壤健康評估計劃尚未將更大比例的生物指標納入其中(圖5)。我們認為生物指標代表性較低的一個原因是缺乏對土壤生物如何與土壤功能相互聯系的理解(滿足“相關性”標準，圖4)，以及這種理解如何與管理決策相關(“信息性”)，并且較難量化生物指標(“實用性”)。這種認識的缺乏使得生態(tài)系統(tǒng)服務也缺少生物指標(如作物產量、水質或生物多樣性)。例如，在瑞士草地土壤中土壤生物多樣性(微生物和動物)的減少與降低的植物多樣性、三倍的磷淋失量和六倍的一氧化二氮氣體損失量均有關。因此，迫切需要提高對生物指標和土壤健康之間因果關系的認識，并尋找滿足四個標準的評估指標，這也是土壤健康研究的下一個前沿領域。

圖5.列入土壤健康評估方案中的生物、化學和物理指標。左欄顯示了指標的數量和每種類型(生物、化學或物理)的比例。每個圓代表一個評估方案，圓的大小代表考核方案中指標的數量。右欄顯示左欄中每個土壤健康評估計劃實施的年份。只顯示年份的最后兩位數字(80和90的值來自20世紀80年代和90年代，00到20的值代表2000年以后)。目前提出的土壤健康指數主要使用了化學和物理指標，生物指標的比例通常低于化學指標或物理指標，而化學指標和物理指標在方法發(fā)表后并沒有隨時間而改變，這可能反映了土壤健康指數對作物生長的關注。提出的方案中指標數目與生物指標的比例無關。一個綜合的土壤健康指數需要一組平衡的指標，至少代表20%的生物、物理和化學指標。然而，用于量化不同服務的指數可能需要一套不同的指標:植物生產的土壤健康指數可能需要更多的化學指標(黃三角形)，水質需要更多物理指標(藍三角形)，生物多樣性需要更多生物指標(綠色三角形)，氣候需要更多的物理和生物指標(橙色三角形)。

4.新一代指標

每個土壤健康目標都需要一套不同的監(jiān)測參數，并在管理后適時地與參考狀態(tài)進行比較。建議將20%以上的現有方法中均包含的指標作為實現管理目標的最低指標集(表1)。此外，建議在為每個管理目標評估土壤時增加額外的指標，特別是生物評估。例如，建議在土壤健康測試中更廣泛地檢測土壤團聚體、土壤滲透系數、蚯蚓豐度和有機碳、氮組分(表1)，并在植物生產的土壤健康評估中添加氮礦化酶活性的檢測。建議將一些主要針對非農業(yè)土壤服務(如人類健康和水質)的新指標成為常規(guī)土壤健康測試的一部分，包括病原體、寄生蟲、生物多樣性、生物可利用毒素和流動性毒素(如二惡英、多環(huán)芳烴和微塑料)以及化合物和孔徑多樣性。

更重要的是在很大程度上忽視了與氣候變化功能相關的土壤健康指標的制定，如溫室氣體排放和碳固定，主要是由于溫室氣體排放取決于波動的條件(例如濕度和溫度)，因此，特定領域或地區(qū)的溫室氣體通量不能通過一次土壤測量來評估。但是土壤固碳可以通過未受保護和礦物保護的土壤碳組分來評估土壤有機質的易變性，其也是土壤氣候變化功能不可或缺的指標。該組分可以非常靈敏地捕捉土壤有機質性質的變化，但與礦化法或微生物生物量測定法相比，這種組分的變化較小，并且后兩者可以進行明確的解釋并用快速紅外技術量化(表1)?，F場測量溫室氣體的排放需要高度動態(tài)時間過程的綜合信息、基于生物反應器驅動的氣體和溶質自主檢測新一代傳感器以及無線網絡的一系列能量收集技術。

目前，有機體的(生物)、分子的(化學)和結構的(物理)多樣性指標均未充分納入或整合到土壤健康分析框架中，尤其是對土壤和人類健康具有重要意義的生物多樣性，尚缺乏適當的土壤健康指標和實用的量化方法;同樣地，對于土壤有機碳的留存和固定具有重要意義的分子多樣性和土壤結構多樣性也仍缺乏研究。下一代植物和氣候功能傳感器技術可以為監(jiān)測土壤健康隨時間的變化提供急需的平臺;最近的全球生物多樣性制圖和類似的工作將為生物多樣性校準提供背景和參考;應對近紅外和中紅外、超紅外能量、聲音、實驗室芯片技術等快速篩選技術(對于土壤來說不發(fā)達的技術)加以改進，使現有的土壤健康分析更便宜和快捷;具有前景的生物特性觀察工具或技術，包括電化學和生物傳感器，是迅速崛起的新方法;被動取樣器也可以并且應該用來量化對生物體有害的小部分有機毒素，而不是依靠對管理變化不夠敏感或生態(tài)相關組分的總含量進行評估?？傊?，這些技術可以擴展對于生物特性的評估，包括土壤有機質的不穩(wěn)定性、微生物、動物群落以及功能基因信息。

未來十年土壤健康監(jiān)測的進展還應包括遙感技術的發(fā)展。遙感不僅應包括土壤性質的空間信息，例如使用微波測量土壤含水量，而且還應通過數學模型評估與土壤功能相關的土壤管理辦法，如目前已應用于土壤有機碳監(jiān)測的模型方法。通過遙感進行快速和大規(guī)模的土壤健康篩查，應輔之以引導式小型機器人的探索使用，來評估通過遠程或大規(guī)模評估通常無法發(fā)現的土壤熱點和敏感性路徑(如土壤裂縫和蚯蚓洞)。應當利用新一代電子技術實現廉價和分布式的傳感器部署、快速數據傳輸、存儲和處理，并利用計算機和智能電網領域的快速發(fā)展，開發(fā)用于土壤健康監(jiān)測的物聯網傳感器網絡?？焖俸Y選、現場和遠程監(jiān)測技術將大大提高測量和管理土壤健康的能力，最終改善土壤生態(tài)系統(tǒng)服務。

5.土壤健康指數

由于土壤健康指標眾多，科學家和利益攸關方都希望將這些指標納入一個單一的測試評分或“土壤健康指數”中(注意“指標”和“指數”之間的區(qū)別)。然而，土壤健康指數相對較少;2020年編制的土壤健康數據庫“SoilHealthDB”評估了500多項關于土壤健康和質量的研究，只有5項研究包括單一的土壤健康指數。這里討論了在建立綜合指數方面的一些挑戰(zhàn)，以及在開發(fā)和應用時必須克服的需求。

5.1挑戰(zhàn)

從發(fā)布的屈指可數的指數數量可以看出建立土壤健康指數是很困難的，因為需要對包括分類屬性在內的多個指標進行量化轉換和加權，以便將它們納入最終的單一評分。指標數值必須使用非線性關系進行轉換，因為數值越高并不總是表明土壤健康狀況越好。比如有機碳數值高確實是許多土壤功能的理想屬性，但pH值應在一個中等范圍內，并且土壤滲透力應相對較低，土壤健康綜合評價將這三類指標描述為“越多越好”、“最佳曲線”和“越少越好”。在大多數現有框架中，測量值到評分的轉換是基于參考數據集中實際測量值的分布。為了確定最終的土壤健康評分，通常所有的指標都同等重要。例如，土壤健康綜合評價根據與該區(qū)域所有可用數據參考值的比較，為每個指標賦值0至100之間的數(100為最高值)。

雖然這些指數可以在大尺度上提供有用信息，但因土壤類型之間的固有差異造成偏差時，區(qū)域之間的比較是不恰當的，需要根據區(qū)域條件和需求仔細校正。例如，在英格蘭和威爾士的溫帶耕地土壤中，當黏土含量為40%時，1.5%的有機碳含量被認為是下限值，但當黏土含量低于10%時相同的有機碳含量則被認為很高。因此，某地區(qū)土壤有機碳含量高低的確定取決于其黏土含量，應與黏土含量相近的參考土壤進行比較。土壤健康隨時間變化的比較更有意義，可以將土壤健康定義為一種持續(xù)能力。例如，隨著時間的推移，土壤團聚體的形成或穩(wěn)定表明土壤健康狀況較好，因為顆粒主要是由有機改良劑中的微生物產物結合到團聚體中。然而，即使沒有有機質團聚體也可以形成，且不同土壤中團聚體的形成也不同——在沒有有機改良劑的情況下，巴西的高嶺石氧化土中會在幾周內形成團聚體，而美國的伊利石軟土中則不會形成團聚體。使用生物指標時，考慮土壤之間的固有差異尤為重要。例如，在橫跨德國南北梯度上，土壤類型、土壤質地和pH值對細菌多樣性的影響與土壤是森林土或是草地土的影響一樣大。在相同地點，由于草原的施肥、割草和放牧管理或森林的各種造林管理而引起的細菌多樣性變化也只在此特定地點可見。

盡管有這些注意事項，適當地比較土壤健康指標和指數隨時間的變化，或與適當的參考數據集比較也可以用來進行評估，例如，減少耕作或增加堆肥是否會提高土壤團聚體和土壤健康總分。事實上，標準做法是確定土壤可提取養(yǎng)分含量的高低，或者將養(yǎng)分指標轉化為用于某一作物的肥料量，同時識別其質地和礦物類型的差異，甚至可以利用肥料對特定土壤響應的信息。

5.2需求

制定一個包括所有土壤功能(圖1，2)的土壤健康指數需要更廣泛的利益攸關方參與，而不是只關注作物生產的指數。一個全面的土壤健康框架應包括并允許進行權衡，以達到最佳的總體功能，因為有時必須平衡多種土壤功能之間的競爭，例如平衡減少化肥造成的水污染的需要與優(yōu)化作物生長所需的養(yǎng)分有效性的需要。這種權衡還意味著必須評估水質等非作物生態(tài)系統(tǒng)服務的影響與作物生長對人類健康的影響，而這種影響即使在綜合生態(tài)系統(tǒng)服務評估中也很難量化。需要評估土壤對人類健康的影響，因為其能通過生產有營養(yǎng)的食物以及清潔的水影響人類，但關于二者誰更重要的量化標準尚不明確。

因此，全面的土壤健康指數應包括多標準決策分析，以量化和優(yōu)先考慮土壤健康管理的可持續(xù)性成果。社會對不同土壤功能(如水質和糧食生產)的需求可能因利益攸關方和地區(qū)而異。在一份歐洲社會需求分析報告中，水質和食品生產通常被一同提到，盡管荷蘭和比利時等人口密集的國家則比羅馬尼亞或芬蘭等國更重視水質和營養(yǎng)管理。土壤健康數據應使用交互式數據可視化來呈現，呈現方式可根據重點需求進行重新配置，這種交互式工具將有利于研究人員和利益攸關者確定土壤功能的優(yōu)先級并做出決策。應更充分地探索機器學習、深度學習、人工神經網絡或博弈論等新興數據分析工具，以量化土壤健康指標的影響，并確定水質或糧食生產等土壤功能的優(yōu)先級。

與此同時，需要開發(fā)新的分析和概念研究方法，發(fā)掘土壤健康的系統(tǒng)特征，以便在監(jiān)測土壤健康的同時了解土壤健康對土壤功能的影響。精確農業(yè)和數字農業(yè)正在利用其多種生態(tài)系統(tǒng)功能和服務擴展對土壤健康進行量化的途徑。土壤科學和工程之間必須更廣泛地合作，儀器和計算技術都是由利益相關者共同開發(fā)的。例如，通過聯合實驗室進行土壤工程合作，將推動新的探測技術以及可以將復雜數據結構轉換為簡單應用程序的數據分析工具的發(fā)展，以供利益相關者使用。水科學、醫(yī)學、心理學、哲學和其他領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、生物多樣性和人類健康。促進在專業(yè)及行業(yè)會議上的討論以及對下一代科學家的綜合訓練，將有助于促進相互了解，共同解決問題。

6.未來展望

土壤健康概念提高了對土壤在現代社會中作用的認識，滿足了利益攸關方在可持續(xù)發(fā)展中的一項重要需求，并正在發(fā)展成為一個對于農民、土地管理者、市政當局和決策者具有吸引力且可作為的平臺。這一概念的多功能性使許多利益攸關方均能夠采用并使之適用于其背景。通過與可持續(xù)發(fā)展目標建立聯系，激發(fā)創(chuàng)新性土壤管理，使得公眾就土壤健康中達成共識，并成為努力實現的目標。

科學家們正在就土壤健康的定義達成共識，并正在開發(fā)或改進量化土壤健康各方面指標的方法，但是這些方法主要是關于其作物生產力功能，并沒有充分考慮到生物和非生物多樣性。研究人員應該把土壤健康作為首要原則來建立知識體系，而不是僅僅將其作為一種屬性來衡量。如此，土壤健康就可以更好地被確立為一個多學科支撐的科學領域，例如將具體學科的研究也列在“土壤健康”關鍵詞之下。發(fā)揮土壤健康概念作為整合土壤功能的統(tǒng)一概念的潛力，需要所有有關方面的參與，特別是利益攸關方和科學家之間的共識。

由于土壤具有廣泛的環(huán)境和社會功能，土壤健康應在法律上被認定為一項公共利益。土壤健康量化標準的制定應由政府或政府間組織牽頭，如全球土壤伙伴關系(GlobalSoilPartnership)，必須就指標的適當類型、檢測方法細節(jié)以及納入指數制定國際標準。如此，一種綜合的土壤健康指數應供地方、地區(qū)或國家司法機構和組織參考，以指導影響土壤及其功能的決策，從而有利于實現可持續(xù)發(fā)展目標。