摘要

土壤健康是指土壤維持植物、動(dòng)物和人類的重要生命生態(tài)系統(tǒng)功能的持續(xù)能力，其將農(nóng)業(yè)科學(xué)和土壤科學(xué)與政策、涉眾需求以及可持續(xù)供應(yīng)鏈管理聯(lián)系起來。過去土壤評估側(cè)重于作物生產(chǎn)，而現(xiàn)今土壤健康也包括土壤在水質(zhì)、氣候變化和人類健康中的作用。然而，盡管人們越來越認(rèn)識(shí)到土壤生物多樣性的重要性，但由于功能知識(shí)有限且缺乏有效的方法，量化土壤健康仍然以化學(xué)指標(biāo)為主。本文即從此角度出發(fā)，論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，同時(shí)概述了土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、土壤功能的測量指標(biāo)及其與土壤健康指數(shù)的整合。科學(xué)家應(yīng)把土壤健康作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的首要原則，而不是僅僅作為一種屬性來衡量。

1.引言

土壤是一個(gè)復(fù)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(chǎn)至關(guān)重要，并且其對重要的社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支持是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。正是在這種背景下，于21世紀(jì)初期出現(xiàn)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(guān)聯(lián)，在“全球健康”這一概念中，人類、動(dòng)物和環(huán)境的健康都是相互聯(lián)系的。

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(jì)初期“土壤健康”一詞才在科學(xué)和大眾文獻(xiàn)中經(jīng)常使用，但將土壤生態(tài)系統(tǒng)比作有機(jī)體由來已久。正如歌曲、美術(shù)和表演藝術(shù)中所展現(xiàn)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(lián)系。

自18世紀(jì)以來，科學(xué)家們就在土壤形成過程中引入了生物過程的概念，認(rèn)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(chǔ)。1979年，蓋亞概念(Gaiaconcept)普及了自然是一個(gè)行星尺度的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，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(wù)的觀念。自20世紀(jì)80年代以來，土壤生物過程的分析能力取得了重大進(jìn)展，包括2010年以來繪制的全球土壤生物多樣性地圖。2015年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的制定要求將土壤功能與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，使土壤健康成為一個(gè)合適的平臺(tái)。

土壤健康概念是在20世紀(jì)90年代從土壤質(zhì)量中產(chǎn)生的，最初受到了相當(dāng)多的批評。最近決策者接受了這一概念，印度向1億農(nóng)民發(fā)放了土壤健康卡，一些大公司開始實(shí)施土壤健康方案，以更可持續(xù)地管理供應(yīng)鏈。將土壤固碳作為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)中降低大氣二氧化碳的一個(gè)主要途徑，增強(qiáng)了在全球范圍內(nèi)實(shí)施適當(dāng)?shù)耐寥澜】捣桨傅恼尉o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(guān)方可以以自己的方式使用。

土壤健康的術(shù)語、概念和操作性仍在不斷發(fā)展(BOX1)?，F(xiàn)在，大部分機(jī)構(gòu)(如美國農(nóng)業(yè)部)將其定義為維持植物、動(dòng)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(guān)概念，包括土壤肥力、土壤質(zhì)量和土壤安全(圖1)，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。這些術(shù)語中最狹義的是土壤肥力，指的是土壤在作物生產(chǎn)中的作用。土壤肥力是由農(nóng)民在田間規(guī)模進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)作物經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)，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(zhì)量”，后者描述了土壤對農(nóng)業(yè)及其相關(guān)環(huán)境的作用能力。因此，土壤質(zhì)量包括土壤對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中水質(zhì)、植物和動(dòng)物健康的影響。雖然二者經(jīng)常被混淆使用,但其含義并不相同，因?yàn)橥寥澜】党隽巳祟惤】档姆懂?，將其擴(kuò)展到更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(包括地球健康),而土壤質(zhì)量通常側(cè)重于與人類相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

2012年引入的“土壤安全”是四個(gè)術(shù)語中最新和范圍最廣泛的一個(gè)，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(nèi)涵包括獲得土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)會(huì)須與其他人權(quán)處于同一水平，因此經(jīng)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?qū)⑼寥雷鳛橐环N公共資源進(jìn)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(cái)產(chǎn)(如土壤肥力和質(zhì)量)。我們認(rèn)為必須把討論中心轉(zhuǎn)移到關(guān)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(zhì)量和肥力相關(guān)的尺度、利益攸關(guān)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(guān)注作物生產(chǎn)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(biāo)與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)保持一致，并應(yīng)為考慮大量利益攸關(guān)方、功能以及時(shí)空尺度奠定基礎(chǔ)。土壤健康框架(最初指土壤質(zhì)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(xué)視角，以解決作物長期可持續(xù)性生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。生物視角對于擴(kuò)大土壤評估和管理，以解決生物多樣性、水質(zhì)、氣候、娛樂以及人類和地球健康等人類以外的問題也至關(guān)重要。

圖1.土壤肥力、質(zhì)量、健康和安全。這些概念因其所涉及的相關(guān)空間尺度、功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和利益相關(guān)者而不同(在圖的右側(cè)作為嵌套概念列出)。這些概念在土地權(quán)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(wù)和參與者，影響著一系列廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。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(wù)。

歷史上，科學(xué)家們對土壤健康的概念感到擔(dān)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(nèi)的所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行通用的定量評估，造成這一挑戰(zhàn)的原因包括土壤異質(zhì)性、土壤管理的場地特殊性以及有時(shí)存在沖突或競爭需求的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。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(guān)方的廣泛關(guān)注。

從這個(gè)角度，我們描述了土壤健康管理與植物可持續(xù)生產(chǎn)、水質(zhì)、人類健康和減緩氣候變化之間的關(guān)系，概述了生物、化學(xué)和物理指標(biāo)及其納入土壤健康綜合方法的現(xiàn)狀，并主張?jiān)谕寥澜】翟u估中納入更多的生物指標(biāo)。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(shù)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(wù)

土壤可提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(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(diǎn)：通過多功能管理以提高多種土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);管理土壤以改善一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能對另一種服務(wù)產(chǎn)生的積極的(協(xié)同)或消極的影響(權(quán)衡);土壤健康管理應(yīng)長期維持土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)：植物可持續(xù)生產(chǎn)、水質(zhì)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(wù)

土壤健康通過作物生產(chǎn)、質(zhì)量、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，食物的品質(zhì)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(guān)系(例如土壤養(yǎng)分有效性影響作物生產(chǎn))。連鎖效應(yīng)(例如通過作物質(zhì)量和糧食儲(chǔ)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(guān)系，因此，在某些情況下，仍然需要建立科學(xué)依據(jù)。

2.1植物可持續(xù)生產(chǎn)

植物生產(chǎn)是集約農(nóng)業(yè)的主要目標(biāo)，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、人類健康、動(dòng)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(nóng)用化學(xué)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(rèn)識(shí)到集約農(nóng)業(yè)中用于增加植物總產(chǎn)量的一些管理措施對土壤健康有害。例如，對植物生產(chǎn)至關(guān)重要的生根深度在很大程度上取決于土壤結(jié)構(gòu)，而土壤結(jié)構(gòu)則部分由有機(jī)質(zhì)含量和整地決定。耕作中土壤壓實(shí)會(huì)對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響，且僅使用無機(jī)肥料(與有機(jī)肥料相反，如堆肥、糞肥或覆蓋作物)往往不足以恢復(fù)或保持土壤有機(jī)質(zhì)的適當(dāng)水平。因此，關(guān)注土壤健康應(yīng)使土壤管理從依賴無機(jī)肥料擴(kuò)展到采用有機(jī)改良劑和秸稈還田，減少耕作的機(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(chǎn)所需的土壤理化性質(zhì)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(jìn)或抑制植物生長。促進(jìn)土壤微生物以提高植物產(chǎn)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(jī)改良劑(如堆肥)可以通過促進(jìn)有益微生物的生長來增強(qiáng)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(jī)質(zhì)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(huì)降低作物產(chǎn)量，進(jìn)而減少土壤有機(jī)碳含量。

2.2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(zhì)。此外，農(nóng)業(yè)化肥使用造成的營養(yǎng)污染是一個(gè)全球性問題，會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和/或缺氧，促進(jìn)有害藻華的生長，并對飲用水質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，土壤管理需在支持作物生長和水質(zhì)之間進(jìn)行權(quán)衡，這需要仔細(xì)考慮并綜合多種管理策略。

為了維持良好的水質(zhì)，需要進(jìn)行土壤健康管理，從而將污染物和其他有害物質(zhì)保留在土壤中，并對它們進(jìn)行緩沖和生物轉(zhuǎn)化。增加土壤有機(jī)質(zhì)能吸附重金屬和有機(jī)毒素，其中一些吸附作用幾乎是不可逆的。使用緩沖區(qū)可以減緩硝酸鹽、磷酸鹽或農(nóng)藥污染向水體的遷移，例如農(nóng)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(jī)污染物，如常見的碳?xì)浠衔锛妆?，轉(zhuǎn)化為無害的化合物。因此，作為土壤健康的關(guān)鍵屬性，有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性均可改善土壤徑流的水質(zhì)。

城市土壤的土壤健康狀況尚未得到充分的認(rèn)識(shí)，但可能比農(nóng)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(shí)現(xiàn)物理滯留管理與污染物生物轉(zhuǎn)化的結(jié)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(chǎn)與人類健康之間的明顯聯(lián)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(jī)質(zhì)含量有利于提高作物的營養(yǎng)價(jià)值。除了這些相對普遍的特性外，作物的營養(yǎng)價(jià)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(chǔ)存和食品加工。

土壤也會(huì)對人類健康產(chǎn)生負(fù)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(nóng)產(chǎn)品。一些化合物，如砷和大多數(shù)無機(jī)污染物，也可以通過植物根系被吸收并在籽?；蚬麑?shí)中積累。除非生物污染物外，土壤還可能含有致病真菌，其能通過產(chǎn)生真菌毒素污染植物果實(shí)，并在動(dòng)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(shù)年，引起營養(yǎng)不良并導(dǎo)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(chǎn)抗生素(如鏈霉素)的有機(jī)體的來源。大多數(shù)土壤微生物仍有待發(fā)現(xiàn)和鑒定，一些重要發(fā)現(xiàn)還可應(yīng)用于人類醫(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，為阻止微生物物種滅絕以及未來的生物勘探保留了機(jī)會(huì)。

表1.土壤指標(biāo)，納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價(jià)的功能，指標(biāo)類型以及評價(jià)方法。超過20%的土壤健康評估方案所包括的指標(biāo)標(biāo)記為“>20%”。在至少包含在一種方案中但少于20%的指標(biāo)標(biāo)記為“<20%”。通常不包括在評估方案內(nèi)，但建議使用的指標(biāo)標(biāo)記為“proposed”。與某一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不直接相關(guān)的指標(biāo)標(biāo)記為“−”，較相關(guān)的被標(biāo)記為“+”。B：生物的;C：化學(xué)的;GHG：溫室氣體;P：物理的。a部分來自參考文獻(xiàn)。b給出的方法較寬泛，其中一些提出了詳細(xì)的方法(見參考文獻(xiàn))，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(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，將碳以有機(jī)質(zhì)的形式固定在土壤中，可提高作物生產(chǎn)力和抗旱抗洪能力，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。此外，可通過增加有機(jī)肥或土壤改良劑的使用以及減少耕作來提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，以增加團(tuán)聚并控制微生物礦化產(chǎn)生的二氧化碳(表1)，同時(shí)促進(jìn)植物生長。然而，土壤健康管理需在氣候變化和糧食生產(chǎn)之間權(quán)衡利弊。例如，施用氮肥增加作物產(chǎn)量的同時(shí)也會(huì)增加溫室氣體一氧化二氮的排放。這些實(shí)例突出了平衡土壤多種用途的困難，以及提供背景和目標(biāo)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(wù)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化并整合為一個(gè)指數(shù)。一般而言，土壤健康指標(biāo)可分為物理、化學(xué)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(biāo)并不能完全劃分界限。例如，土壤團(tuán)聚是化學(xué)指標(biāo)(如有機(jī)質(zhì)含量)、礦物類型和/或生物活動(dòng)的結(jié)果。同樣地，植物有效磷也屬于化學(xué)指標(biāo)，但其主要是微生物礦化和植物吸收等生物過程的結(jié)果。因此，從許多方面來說，目前的分類(化學(xué)、物理、生物指標(biāo))并不是因果關(guān)系的反映(例如植物有效磷也是生物過程的結(jié)果),而是易于表征分析的對象(例如磷酸鹽是一種化學(xué)指標(biāo))。

圖3.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)、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(guān)鍵土壤性質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。GHG：溫室氣體;N：氮。

土壤健康指標(biāo)應(yīng)滿足以下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：相關(guān)性，即與土壤健康及其生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)相關(guān)(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(dòng);實(shí)用性，成本低廉，周轉(zhuǎn)時(shí)間短;信息性，即能為管理提供信息(圖4)。目前65個(gè)土壤健康分析方案(包括土壤質(zhì)量方案和土壤健康方案)中，有20%以上約有一半指標(biāo)能滿足四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)(圖4)，但一些重要指標(biāo)并不滿足。例如，總有機(jī)碳滿足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但通常不會(huì)快速變化(不靈敏)，需要額外的指標(biāo)，如更靈敏的有機(jī)碳組分。其他指標(biāo)，如土壤質(zhì)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(guān)，但在許多方案中仍然需要時(shí)間密集型分析或?qū)嵉販y量。然而，這些無法管理的指標(biāo)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(biāo)就無法理解那些可管理的屬性。另外，還有一個(gè)重難點(diǎn)在于目前所列的生物指標(biāo)中沒有一項(xiàng)能低成本、可靠和快速地獲得信息。

圖4.土壤健康指標(biāo)及其與評估的相關(guān)性。理想情況下，土壤健康指標(biāo)具有信息性、敏感性、有效性和相關(guān)性。有些不能滿足所有的標(biāo)準(zhǔn)，但仍然是相關(guān)的(例如質(zhì)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(biāo))。粗體字表示將土壤健康量化的應(yīng)用從作物生產(chǎn)擴(kuò)大到可持續(xù)性和地球健康的指標(biāo)。白箭頭內(nèi)包括應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展為有效和實(shí)用性的指標(biāo)。注意：多樣性包括土壤生物、景觀土壤類型多樣性、土壤有機(jī)質(zhì)的分子/結(jié)構(gòu)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(jìn)行量化。C：碳;CEC：陽離子交換能力;EC：導(dǎo)電性;GHG：溫室氣體;N：氮;TOC：總有機(jī)碳。

關(guān)于植物生產(chǎn)的土壤健康評估通常包括總有機(jī)碳、植物有效養(yǎng)分、pH值、陽離子交換容量、電導(dǎo)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(tuán)聚體、蓄水量和有機(jī)碳組分。為減緩氣候變化而管理土壤健康也應(yīng)測試以上參數(shù)，其中一小部分檢測了土壤氮形態(tài)，這些測試應(yīng)加以調(diào)整以提供有關(guān)潛在溫室氣體排放的信息(包括一氧化二氮等)。與水質(zhì)有關(guān)的土壤健康評估應(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)碳檢測，這已經(jīng)是許多土壤健康測試計(jì)劃的一部分，但還應(yīng)包括只是偶爾檢測的團(tuán)聚和滲透。這些指標(biāo)中許多也應(yīng)用于有關(guān)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(jī)質(zhì)、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(jìn)行測量，以表征生物特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在90%的土壤健康評估方案中(圖5)，化學(xué)指標(biāo)至少占40%，表明化學(xué)性質(zhì)對量化土壤健康的重要性以及長期以來對植物生產(chǎn)的重視。事實(shí)上，目前最先進(jìn)的分析方案(如土壤管理評估框架)重點(diǎn)關(guān)注的是作物可持續(xù)生產(chǎn)的指標(biāo)。然而，歐洲委員會(huì)最近建議將土壤生物多樣性作為土壤健康的六項(xiàng)指標(biāo)之一。

即使某方案所使用的指標(biāo)總數(shù)增加，生物指標(biāo)所占比例仍低于20%(圖4，5)。此外，盡管生物指標(biāo)被認(rèn)為對土壤健康管理很重要，過去十年來土壤健康評估計(jì)劃尚未將更大比例的生物指標(biāo)納入其中(圖5)。我們認(rèn)為生物指標(biāo)代表性較低的一個(gè)原因是缺乏對土壤生物如何與土壤功能相互聯(lián)系的理解(滿足“相關(guān)性”標(biāo)準(zhǔn)，圖4)，以及這種理解如何與管理決策相關(guān)(“信息性”)，并且較難量化生物指標(biāo)(“實(shí)用性”)。這種認(rèn)識(shí)的缺乏使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也缺少生物指標(biāo)(如作物產(chǎn)量、水質(zhì)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(dòng)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?dú)怏w損失量均有關(guān)。因此，迫切需要提高對生物指標(biāo)和土壤健康之間因果關(guān)系的認(rèn)識(shí)，并尋找滿足四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評估指標(biāo)，這也是土壤健康研究的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。

圖5.列入土壤健康評估方案中的生物、化學(xué)和物理指標(biāo)。左欄顯示了指標(biāo)的數(shù)量和每種類型(生物、化學(xué)或物理)的比例。每個(gè)圓代表一個(gè)評估方案，圓的大小代表考核方案中指標(biāo)的數(shù)量。右欄顯示左欄中每個(gè)土壤健康評估計(jì)劃實(shí)施的年份。只顯示年份的最后兩位數(shù)字(80和90的值來自20世紀(jì)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(shù)主要使用了化學(xué)和物理指標(biāo)，生物指標(biāo)的比例通常低于化學(xué)指標(biāo)或物理指標(biāo)，而化學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)在方法發(fā)表后并沒有隨時(shí)間而改變，這可能反映了土壤健康指數(shù)對作物生長的關(guān)注。提出的方案中指標(biāo)數(shù)目與生物指標(biāo)的比例無關(guān)。一個(gè)綜合的土壤健康指數(shù)需要一組平衡的指標(biāo)，至少代表20%的生物、物理和化學(xué)指標(biāo)。然而，用于量化不同服務(wù)的指數(shù)可能需要一套不同的指標(biāo)：植物生產(chǎn)的土壤健康指數(shù)可能需要更多的化學(xué)指標(biāo)(黃三角形)，水質(zhì)需要更多物理指標(biāo)(藍(lán)三角形)，生物多樣性需要更多生物指標(biāo)(綠色三角形)，氣候需要更多的物理和生物指標(biāo)(橙色三角形)。

4.新一代指標(biāo)

每個(gè)土壤健康目標(biāo)都需要一套不同的監(jiān)測參數(shù)，并在管理后適時(shí)地與參考狀態(tài)進(jìn)行比較。建議將20%以上的現(xiàn)有方法中均包含的指標(biāo)作為實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)的最低指標(biāo)集(表1)。此外，建議在為每個(gè)管理目標(biāo)評估土壤時(shí)增加額外的指標(biāo)，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(tuán)聚體、土壤滲透系數(shù)、蚯蚓豐度和有機(jī)碳、氮組分(表1)，并在植物生產(chǎn)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(nóng)業(yè)土壤服務(wù)(如人類健康和水質(zhì))的新指標(biāo)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(dòng)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(guān)的土壤健康指標(biāo)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(dòng)的條件(例如濕度和溫度)，因此，特定領(lǐng)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(hù)和礦物保護(hù)的土壤碳組分來評估土壤有機(jī)質(zhì)的易變性，其也是土壤氣候變化功能不可或缺的指標(biāo)。該組分可以非常靈敏地捕捉土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)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(jìn)行明確的解釋并用快速紅外技術(shù)量化(表1)?，F(xiàn)場測量溫室氣體的排放需要高度動(dòng)態(tài)時(shí)間過程的綜合信息、基于生物反應(yīng)器驅(qū)動(dòng)的氣體和溶質(zhì)自主檢測新一代傳感器以及無線網(wǎng)絡(luò)的一系列能量收集技術(shù)。

目前，有機(jī)體的(生物)、分子的(化學(xué))和結(jié)構(gòu)的(物理)多樣性指標(biāo)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(dāng)?shù)耐寥澜】抵笜?biāo)和實(shí)用的量化方法;同樣地，對于土壤有機(jī)碳的留存和固定具有重要意義的分子多樣性和土壤結(jié)構(gòu)多樣性也仍缺乏研究。下一代植物和氣候功能傳感器技術(shù)可以為監(jiān)測土壤健康隨時(shí)間的變化提供急需的平臺(tái);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(zhǔn)提供背景和參考;應(yīng)對近紅外和中紅外、超紅外能量、聲音、實(shí)驗(yàn)室芯片技術(shù)等快速篩選技術(shù)(對于土壤來說不發(fā)達(dá)的技術(shù))加以改進(jìn)，使現(xiàn)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(shù)，包括電化學(xué)和生物傳感器，是迅速崛起的新方法;被動(dòng)取樣器也可以并且應(yīng)該用來量化對生物體有害的小部分有機(jī)毒素，而不是依靠對管理變化不夠敏感或生態(tài)相關(guān)組分的總含量進(jìn)行評估。總之，這些技術(shù)可以擴(kuò)展對于生物特性的評估，包括土壤有機(jī)質(zhì)的不穩(wěn)定性、微生物、動(dòng)物群落以及功能基因信息。

未來十年土壤健康監(jiān)測的進(jìn)展還應(yīng)包括遙感技術(shù)的發(fā)展。遙感不僅應(yīng)包括土壤性質(zhì)的空間信息，例如使用微波測量土壤含水量，而且還應(yīng)通過數(shù)學(xué)模型評估與土壤功能相關(guān)的土壤管理辦法，如目前已應(yīng)用于土壤有機(jī)碳監(jiān)測的模型方法。通過遙感進(jìn)行快速和大規(guī)模的土壤健康篩查，應(yīng)輔之以引導(dǎo)式小型機(jī)器人的探索使用，來評估通過遠(yuǎn)程或大規(guī)模評估通常無法發(fā)現(xiàn)的土壤熱點(diǎn)和敏感性路徑(如土壤裂縫和蚯蚓洞)。應(yīng)當(dāng)利用新一代電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)和分布式的傳感器部署、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，開發(fā)用于土壤健康監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)?？焖俸Y選、現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)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(wù)。

5.土壤健康指數(shù)

由于土壤健康指標(biāo)眾多，科學(xué)家和利益攸關(guān)方都希望將這些指標(biāo)納入一個(gè)單一的測試評分或“土壤健康指數(shù)”中(注意“指標(biāo)”和“指數(shù)”之間的區(qū)別)。然而，土壤健康指數(shù)相對較少;2020年編制的土壤健康數(shù)據(jù)庫“SoilHealthDB”評估了500多項(xiàng)關(guān)于土壤健康和質(zhì)量的研究，只有5項(xiàng)研究包括單一的土壤健康指數(shù)。這里討論了在建立綜合指數(shù)方面的一些挑戰(zhàn)，以及在開發(fā)和應(yīng)用時(shí)必須克服的需求。

5.1挑戰(zhàn)

從發(fā)布的屈指可數(shù)的指數(shù)數(shù)量可以看出建立土壤健康指數(shù)是很困難的，因?yàn)樾枰獙Πǚ诸悓傩栽趦?nèi)的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換和加權(quán)，以便將它們納入最終的單一評分。指標(biāo)數(shù)值必須使用非線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)閿?shù)值越高并不總是表明土壤健康狀況越好。比如有機(jī)碳數(shù)值高確實(shí)是許多土壤功能的理想屬性，但pH值應(yīng)在一個(gè)中等范圍內(nèi)，并且土壤滲透力應(yīng)相對較低，土壤健康綜合評價(jià)將這三類指標(biāo)描述為“越多越好”、“最佳曲線”和“越少越好”。在大多數(shù)現(xiàn)有框架中，測量值到評分的轉(zhuǎn)換是基于參考數(shù)據(jù)集中實(shí)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(biāo)都同等重要。例如，土壤健康綜合評價(jià)根據(jù)與該區(qū)域所有可用數(shù)據(jù)參考值的比較，為每個(gè)指標(biāo)賦值0至100之間的數(shù)(100為最高值)。

雖然這些指數(shù)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(shí)，區(qū)域之間的比較是不恰當(dāng)?shù)?，需要根?jù)區(qū)域條件和需求仔細(xì)校正。例如，在英格蘭和威爾士的溫帶耕地土壤中，當(dāng)黏土含量為40%時(shí)，1.5%的有機(jī)碳含量被認(rèn)為是下限值，但當(dāng)黏土含量低于10%時(shí)相同的有機(jī)碳含量則被認(rèn)為很高。因此，某地區(qū)土壤有機(jī)碳含量高低的確定取決于其黏土含量，應(yīng)與黏土含量相近的參考土壤進(jìn)行比較。土壤健康隨時(shí)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(shí)間的推移，土壤團(tuán)聚體的形成或穩(wěn)定表明土壤健康狀況較好，因?yàn)轭w粒主要是由有機(jī)改良劑中的微生物產(chǎn)物結(jié)合到團(tuán)聚體中。

然而，即使沒有有機(jī)質(zhì)團(tuán)聚體也可以形成，且不同土壤中團(tuán)聚體的形成也不同——在沒有有機(jī)改良劑的情況下，巴西的高嶺石氧化土中會(huì)在幾周內(nèi)形成團(tuán)聚體，而美國的伊利石軟土中則不會(huì)形成團(tuán)聚體。使用生物指標(biāo)時(shí)，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(zhì)地和pH值對細(xì)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(diǎn)，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(xì)菌多樣性變化也只在此特定地點(diǎn)可見。

盡管有這些注意事項(xiàng)，適當(dāng)?shù)乇容^土壤健康指標(biāo)和指數(shù)隨時(shí)間的變化，或與適當(dāng)?shù)膮⒖紨?shù)據(jù)集比較也可以用來進(jìn)行評估，例如，減少耕作或增加堆肥是否會(huì)提高土壤團(tuán)聚體和土壤健康總分。事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)轉(zhuǎn)化為用于某一作物的肥料量，同時(shí)識(shí)別其質(zhì)地和礦物類型的差異，甚至可以利用肥料對特定土壤響應(yīng)的信息。

5.2需求

制定一個(gè)包括所有土壤功能(圖1，2)的土壤健康指數(shù)需要更廣泛的利益攸關(guān)方參與，而不是只關(guān)注作物生產(chǎn)的指數(shù)。一個(gè)全面的土壤健康框架應(yīng)包括并允許進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到最佳的總體功能，因?yàn)橛袝r(shí)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(quán)衡還意味著必須評估水質(zhì)等非作物生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)評估中也很難量化。需要評估土壤對人類健康的影響，因?yàn)槠淠芡ㄟ^生產(chǎn)有營養(yǎng)的食物以及清潔的水影響人類，但關(guān)于二者誰更重要的量化標(biāo)準(zhǔn)尚不明確。

因此，全面的土壤健康指數(shù)應(yīng)包括多標(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。社會(huì)對不同土壤功能(如水質(zhì)和糧食生產(chǎn))的需求可能因利益攸關(guān)方和地區(qū)而異。在一份歐洲社會(huì)需求分析報(bào)告中，水質(zhì)和食品生產(chǎn)通常被一同提到，盡管荷蘭和比利時(shí)等人口密集的國家則比羅馬尼亞或芬蘭等國更重視水質(zhì)和營養(yǎng)管理。土壤健康數(shù)據(jù)應(yīng)使用交互式數(shù)據(jù)可視化來呈現(xiàn)，呈現(xiàn)方式可根據(jù)重點(diǎn)需求進(jìn)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(guān)者確定土壤功能的優(yōu)先級并做出決策。應(yīng)更充分地探索機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或博弈論等新興數(shù)據(jù)分析工具，以量化土壤健康指標(biāo)的影響，并確定水質(zhì)或糧食生產(chǎn)等土壤功能的優(yōu)先級。

與此同時(shí)，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(shí)了解土壤健康對土壤功能的影響。精確農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)正在利用其多種生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)擴(kuò)展對土壤健康進(jìn)行量化的途徑。土壤科學(xué)和工程之間必須更廣泛地合作，儀器和計(jì)算技術(shù)都是由利益相關(guān)者共同開發(fā)的。例如，通過聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤工程合作，將推動(dòng)新的探測技術(shù)以及可以將復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為簡單應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)分析工具的發(fā)展，以供利益相關(guān)者使用。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)、生物多樣性和人類健康。促進(jìn)在專業(yè)及行業(yè)會(huì)議上的討論以及對下一代科學(xué)家的綜合訓(xùn)練，將有助于促進(jìn)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(xiàn)代社會(huì)中作用的認(rèn)識(shí)，滿足了利益攸關(guān)方在可持續(xù)發(fā)展中的一項(xiàng)重要需求，并正在發(fā)展成為一個(gè)對于農(nóng)民、土地管理者、市政當(dāng)局和決策者具有吸引力且可作為的平臺(tái)。這一概念的多功能性使許多利益攸關(guān)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(biāo)建立聯(lián)系，激發(fā)創(chuàng)新性土壤管理，使得公眾就土壤健康中達(dá)成共識(shí)，并成為努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

科學(xué)家們正在就土壤健康的定義達(dá)成共識(shí)，并正在開發(fā)或改進(jìn)量化土壤健康各方面指標(biāo)的方法，但是這些方法主要是關(guān)于其作物生產(chǎn)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(yīng)該把土壤健康作為首要原則來建立知識(shí)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(gè)多學(xué)科支撐的科學(xué)領(lǐng)域，例如將具體學(xué)科的研究也列在“土壤健康”關(guān)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(guān)方面的參與，特別是利益攸關(guān)方和科學(xué)家之間的共識(shí)。

由于土壤具有廣泛的環(huán)境和社會(huì)功能，土壤健康應(yīng)在法律上被認(rèn)定為一項(xiàng)公共利益。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，如全球土壤伙伴關(guān)系(GlobalSoilPartnership)，必須就指標(biāo)的適當(dāng)類型、檢測方法細(xì)節(jié)以及納入指數(shù)制定國際標(biāo)準(zhǔn)。如此，一種綜合的土壤健康指數(shù)應(yīng)供地方、地區(qū)或國家司法機(jī)構(gòu)和組織參考，以指導(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)展目標(biāo)。