农学进展（AA）：农业生态系统中的土壤健康:现状和未来展望（一）

摘 要   土壤为人类提供了食物、纤维、住所和维持生命的气候，因此当土壤健康时，人类才会繁荣发展。在人们意识到有必要为不断扩大的人口种植粮食以及维持环境质量的要求去优化土壤功能后，利益攸关方和从业人员对改善土壤健康产生了强烈的兴趣。虽然公众在最近几年才开始意识到土壤健康的问题，但对于经验丰富的土壤科学家和农学家来说，在很早以前的从沙尘暴时代，他们就开始了改善土壤健康的历程，一直到后来的土壤质量运动。本文旨在通过研究土壤健康的历史和定义的演变过程来综述我们目前对于土壤健康的理解，然后从物理、化学和生物层面探索最佳的土壤健康指标，并将这些指标用于增强土壤功能的实践中。由于改善土壤健康水平会增强土壤功能，所以改善土壤健康可以提高土壤有机碳含量这一说法也是合理的。我们简要回顾了有关改善土壤健康的各种土壤指标和管理方案，并探讨了关于呼吁农民采用利于土壤健康措施的社会及经济前景。最后，我们总结了当前存在的知识差距，并提出了如何促进对土壤健康的理解和交流的方法。对于农业界，我们为土壤健康提出了新的定义，即土壤健康是指土壤具有为减缓气候变化的影响而进行碳汇以及为维持的生态系统生产力提供储存必要养分库的能力。

1 引言

1.1 调查的目标

本文的目的是:

（一）调查土壤健康研究的现状，重点是研究目前使用的土壤健康评估技术和模型；

（二）调查用于提高土壤有机碳含量和改善土壤健康的田间管理方案；

（三）讨论终端用户的看法、沟通需求及管理和维护土壤健康的经济状况。

调查的重点主要是美国目前正在研究的方向，在认识到世界各地社会、文化和管理上的差异后，其中提出的建议和架构也可以运用在其他地方。

1.2 土壤健康的历史和概念

1937年，在美国遭受到一场灾难性的沙尘暴之后，其总统富兰克林·D·罗斯福(Franklin D. Roosevelt)说，“毁掉土壤的国家也会毁掉人类自己”，土壤保护也从这一阶段发展到今天联合国宣布将2015-2024年作为“国际土壤十年”。随着20世纪30年代的严重干旱导致的沙尘暴时代的到来，人们认识到不断增加的耕作和不良管理措施对土壤的不利影响。这也最终使以改善耕作方式为中心的政府政策得到了发展和应用。这些政策的重点是作物多样化以及使用能够穿透土壤的减量和非倒转耕作工具，这些工具不仅可以减少物理干扰，还可以在土壤中保留更多的作物残体，从而改善土壤中的水分和有机质。沙尘暴过后不久，美国就成立了土壤保护署，即现在的自然资源保护署。2015年，联合国秘书长潘基文引用联合国粮农组织的估算：全球有33%的土壤已经退化(https://www.un.org/sustainabledevelopment/blog/2015/12/at-end-of-international-year-of-soils-un-chief-appeals-for-reverse-in-rate-of-soil-degradation/)。他提出:“可持续的土壤管理方案是实现可持续发展目标的基础——其中许多目标反映了土壤在维持生命、食物和水资源上的重要性。”为了使决策者们认识到土壤对粮食安全、适应和减缓气候变化的影响、基本生态系统服务、减轻贫困和可持续发展的贡献，联合国力求提高他们的意识并鼓励他们采取行动。目前，世界的命运正集中在改善农业环境中的土壤健康上，这也需要开发出客观的工具来描述、量化和优化促进土壤健康的方案。

现在的土壤退化可以追溯到哈伯-博世工艺(Haber-Bosch process)的发现，它是一种用于大量产生氮肥工业固氮工艺，它也最终激起了20世纪初的绿色革命。虽然在世界范围内的作物的生产力都得到了提高，但在化学物质对土壤生产力的影响上，人们仍存在着些许担忧。绿色革命和化学药品(化肥、杀虫剂)的使用使矮秆品种的小麦和水稻的产量翻了两番。因此，随着单一种植制度的建立，以维持和循环土壤养分为目的的传统农业生产模式正在逐渐减少。在20世纪末到21世纪初期间，科学家和实践者们越来越多地意识到技术创新对土壤带来的各种不利影响。因此，在20世纪70年代至90年代，人们创造了“土壤质量”和“土壤健康”这两个术语来专门评价土壤质量。“土壤性质”一词是指不易改变的土壤特性，例如土壤质地，它与土壤质量和有机质存在着内在联系，受管理措施的影响。Mausel在1971年提出“土壤质量”一词，即将需要不时监测的动态土壤性质称为“土壤质量”。Doran和Parkin(1994)也呼吁土壤科学界要打破传统的土壤评估制度，专注于土壤的整体评估。他们进一步强调有必要将土壤质量及其测量定义为土壤生产所需作物的能力。

土壤质量被描述为一种与土地管理有内在联系的独特的土壤属性，其代表土壤生产力和人地的相互作用。另一方面，Haberern(1992年)、Doran和Parkin(1994年)将“土壤健康”术语和土壤质量互换使用，并且Gregorich和Acton(1995年)在土壤评价中也交替使用了“土壤健康”一词。从概念上讲，土壤健康可类比于有机体、人类或群落的健康，是因为土壤作为生态系统的核心，具有通过控制植物，动物和人类健康来维持地球上的生命体的功能。

土壤质量的概念因其将土壤科学转化为一种企业价值系统而受到争议。它的发展更多的是作为“生态”的代表，包括土壤中具有活性的、动态的组成部分（如土壤植物群、动物群、土壤微生物和土壤食物网）。尽管这两个术语可以互换或同义使用，但Moebius-Clune等人在2016年提出：土壤质量包含土壤的固有性质和动态性质，而土壤健康只代表土壤动态性质，这与土壤功能有关。土壤作为一种生命系统，除了具有维持作物生产能力的作用外，还发挥着各种土壤功能，这代表了土壤健康的观点。土壤健康的概念从注重种植模式到注重整体生态系统这一微妙而重要的思维模式上的转变重新引起了人们的兴趣，这也导致了需要将对土壤健康的评估方法和管理方案进行重新定位和更新。与人类健康一样，土壤健康被认为可以综合地通过对生命体征的检查和一系列生化剖面测试为其评估打分。因此，在现代土壤综合管理及评价中，对于研究和农业界来说，土壤健康是一个很实用的术语。因此，“土壤健康”一词的出现也许证明了将土壤置于一个公众和农民观点与科学观点和研究成果发挥同等作用的领域的意图是正当的。

图1土壤质量评估在目标、工具、方法和总体方法方面随时间的演变

土壤质量评价理念在目标、工具、方法、指标等方面随时间的演变如图1所示。例如，在20世纪70年代之前，评估的主要目标是确定土壤是否适宜作物生长，而在2010年之后，评估的目标则转向确定土壤的多功能性、生态系统的服务功能、抗性及其恢复力。这一目标的变化， 产生了更先进的方法和新的指标去确定土壤质量或土壤健康。对土壤的极大兴趣也导致了科研水平的提高。例如，根据Web of Science 核心数据库显示，在1945年到2019年期间，在其摘要中提到土壤健康、土壤质量和土壤属性的文章分别为2065篇、9197篇和26132篇。其中关于土壤健康的文章数量虽然比较少，但其整体也呈上升趋势(图2)。

1.3 土壤健康的定义和现状

一般而言，健康土壤的特征包括:(一)良好的土壤耕作模式;(二)足够深的根部来获取水分和养分;(三)充足(但不过量)的养分供应;(四)适宜的pH值;(五)病原体和害虫数量少;(六)有利于有机质分解、养分循环和维持土壤结构的丰富多样的有益生物种群；(七)杂草少；(八)无有害化学物质和毒素；(九)耐降解或可恢复的土壤。这些特征中许多代表了土壤在物理、化学和生物领域上的特性，如图3所示，健康土壤应具有这三方面共同特性。

图2 1945 - 2019年同行评议文献摘要。来源:Web of Science核心数据库中收集的关键词为土壤属性，土壤质量和土壤健康的文献

图3 土壤健康受土壤物理、化学和生物学特性相互作用的调节

Doran和Parkin(1994)将土壤质量定义为“土壤在生态系统和土地利用边界内维持生产力和环境质量以及促进动植物健康的能力”。 “土壤健康”和“土壤质量”这两个术语通常可以互换，其中土壤质量更多地取决于土壤固有特性，如母质和土壤质地，而土壤健康被认为更具动态性。因此，美国农业部-自然资源保护局(USDA-NRCS)将土壤健康称为土壤质量，并将其定义为“土壤作为维持植物、动物和人类生存的重要生态系统的持续能力”。这个宽泛而又模糊的定义体现了土壤作为一个动态系统的概念，即它为地球上蓬勃发展的生命系统奠定基石，并为当今社会管理好土壤，使其对后代可持续发展的基于价值的必要性奠定基础。然而，这一定义并没有充分考虑到土壤作为地球上最大的碳库和最大植物生长所需营养物质库的作用。由于以下两个主要原因，我们可以更清楚地界定土壤有机碳作为其与土壤健康等同关系中不可改变的一部分的作用。第一是，通过建立“每4公里土壤用于粮食安全和气候”研究项目，来弥补人为造成的温室气体的排放，这使全球土壤有机质储量每年增加0.4%。第二，签署国承诺实施一项自愿行动计划，以保持或提高农业土壤中的有机碳储量。

由于许多土壤健康和保护项目的目的是增加土壤有机碳储量，从而提供二氧化碳汇，并促进土壤健康的改善，对于土壤健康，我们为农业界提出以下具有针对性的定义：“土壤健康是指土壤为减缓气候变化的影响而进行碳汇以及为维持生态系统生产力提供必要养分的库的能力”，这也体现了碳元素在土壤中的重要性以及土壤作为养分库的重要性。

这是美国土壤健康运动的一个激动人心的时刻。全国各地都有组织积极提倡打破常规的土壤健康测试。诺贝尔基金会最近成立的土壤健康研究所、土壤健康合作会以及康奈尔土壤健康综合评估等倡议支持通过研究、实施工作和合伙契约关系改善全国土壤健康。世界自然基金会、自然保护协会、比尔和梅林达·盖茨基金会等非营利组织的完善，以及大型和小型农业企业的先进技术，在未来塑造健康土壤方面将发挥主导作用。目前，几个州政府正在积极采取农业措施来改善土壤健康并增加土壤有机碳固存。如马里兰州在2017年通过了关于土壤健康的立法，马萨诸塞州提出了一项教育农民了解土壤的法案，纽约出台了为帮助增加土壤有机碳的农民提供税收抵免的立法，夏威夷州也通过了立法，使该州与巴黎协议保持一致，并成立了一个特别工作组来研究富碳农业。其他富碳农业项目也在科罗拉多州、亚利桑那州和蒙大拿州也取得了进展。加州在富碳农业方面走在了前列，加州健康土壤倡议将农业列为减缓气候变化的关键组成部分，此外还设定了减少温室气体排放的目标。

2019年初，一群农业贸易商和食品公司发起了一种基于市场的生态系统服务市场联盟，旨在有偿让农民和牧场主采取保护管理措施来改善土壤健康并减少排放。虽然这种方法还处于试验阶段，但该联盟却为改善土壤健康带来了新的资金来源。随着《国家地理》、《纽约时报》以及其他文章、视频和纪录片等领先传媒的报道越来越多，人们也在不断加深对于土壤健康的认识及其演变的理解。在《纽约时报》的专栏中，作者提出，在半干旱草原上采用良好的土壤管理措施是有可能增加碳储量的，其土壤健康状况在几年内也会得到改善。这篇文章和其他有关再生农业实践的文章（如免耕、地面覆盖、减少除草剂和化肥的使用）引起了公众对改善土壤健康的兴趣和讨论。

2 土壤健康指标

美国的很多组织提出了一些有关评估土壤健康的指标。这些指标是可测量的属性，其可用于评估综合土壤健康或检测管理措施对土壤健康影响。使用这些指标的目的是想根据自然状态下显示的阈值水平来调整指标值。这些指标可在各种环境、生物、经济、社会、机构和政治学科等层面代表土壤状况和跟踪土壤健康的变化。在农业生态系统中选择合适的土壤健康指标以及作出合理管理决策的主要标准是：(一)与重要土壤功能的良好相关性；(二)对管理措施的敏感性；(三)在标准实验室环境下的成本和易测量性；(四)准确性和可重复性；(五)有用性，指独立可解释性和(或)可解释性与表示土壤健康状况的其他指标相结合的有用性。一旦选择了适当的土壤健康指标，就应标准化各种分析操作程序。指标测量程序的不定变化需由机构和实验室来解决完善。与各种指标一样，分析前的土壤取样、存储和处理(现场和实验室方法和方案)也需要标准化。随着技术的发展及知识库的建立和扩大，还应该对新的土壤健康指标需进行评估。这意味着每3-5年需要审查和更换一次指标。

2.1 土壤健康指标的领域

用于评估土壤健康的主要指标分为物理、化学和生物三大类。图4显示了对选定的土壤健康指标的简化概述，其中水分有效性的测量因为其受到质地、堆积密度和聚集的影响，属于物理领域的范畴；养分有效性，因受酸碱度、电导率、阳离子交换能力和碱饱和度的影响，属于化学领域；养分循环由于其受到有机碳以及碳和氮矿化的影响，属于生物领域的范畴。

图4 土壤健康指标在物理、化学和生物领域的简化概述

几十年来，化学和物理指标一直被用于评估土壤的物理和化学性质，而生物指标由于在土壤健康方面的作用复杂，难以分离和测量，因此传统上一直处于次要地位。无论是历史上还是当今，土壤评估的重点都是土壤养分(即化学指标)、如何满足农艺要求和提供管理建议。虽然土壤生物学一直是有关土壤健康讨论中的一个重要话题，但直到最近几十年，随着对土壤健康的关注越来越多和土壤微生物技术的进步，更倾向于利用生物指标来监测土壤健康时。一些重要的土壤功能，如有机物的分解、营养物的矿化和循环、固氮、污染物的解毒、维持土壤结构、植物害虫和寄生虫的生物抑制，都能在许多生物过程中体现出来。这些过程也与土壤的化学和物理性质密切相关。虽然这些信息将有助于加深对土壤的理解，但有人可能会说，农民不需要这些复杂的信息就能成功种植作物。同样，人类健康是通过年度检查心脏/肺功能等关键指标以及营养和健康指导来评估的。更复杂的健康检查只在症状要求时才进行，所以癌症筛查只在风险和症状要求时进行。对植物来说，水和养分是两个最基本的需求。由于土壤中的水分和养分受到一些变量的影响，因此对这些变量的测量可以成为他们能否成功种植作物的根据。

2.2 土壤健康指标的建议

土壤管理评估框架(SMAF)是由美国农业部农业研究组织(USDA-ARS)和自然资源保护署 (USDA-NRCS)开发的，它使用确定的土壤健康指标，并将测量结果转化为场地/土壤特定条件。场地特定条件包括质地等级、土壤有机质(SOM)含量、氧化铁(Fe₂O₃)含量、矿物等级、气候、风化等级、坡度、采样时间、作物顺序和土地管理措施，这些都会影响土壤的物理、化学和生物特性。因此，SMAF提出了土壤健康指标的测量方法来评估管理措施对农田和牧场中土壤功能的影响。USDA-NRCS最近发布了一份关于推荐的土壤健康指标标准方法的技术说明，这些标准方法是由多个组织合作选定的。他们确定了六个与在健康土壤中良好运行的测量指标相关的关键土壤物理和生物过程。这些过程强调了土壤健康指标与(一)有机质动态和固碳量；(二)土壤结构稳定性；(三)一般微生物活性；(四)食物碳源；(五)生物有效氮；(六)微生物群落多样性之间的关系。因此，有必要对土壤健康指标的评价方法进行标准化。

土壤健康研究所(SHI)是由塞缪尔·罗伯茨·诺布尔基金会和农场基金会成立的一个独立的非盈利组织，负责协调和支持土壤管理工作。图5显示了SHI用于表征土壤健康的一级、二级和三级指标。一级指标是根据土壤类别定义的，具有已知的阈值，并且有能力提出改善土壤功能的具体管理方案。例如，一级指标包括常规的土壤测试和其他方面（图4），它可以用来评估水分和养分的有效性。二级指标虽然对于健康的土壤特征没有确定的阈值，但它为制定管理方案的增加了知识储备。二级指标的示例包括活性碳和生物可利用氮。尽管没有一项生物指标被列入一级，但经过研究改进后仍有进步的空间。三级指标在确定了测量值与土壤过程之间的关系后，有可能提供某些特定地点的土壤健康重要的信息。

康奈尔大学研发的土壤健康综合评估(CASH)框架（前称为康奈尔土壤健康测试）是基于SMAF范式开发的。然而，它更倾向于满足农业土地管理者的需要。就像医生看病一样，该框架重点确定农业生态系统中特定的土壤约束条件，从而保证管理方案在能够提高生产率的同时最大限度地减少环境影响。除了基本的土壤健康指标外，该框架还评估附加指标，如碱度（钠含量）、重金属或根病原体胁迫等级。

用来分析土壤养分动态的土壤健康工具是由在德克萨斯州坦普尔美国农业部农业研究组织的科学家研发的。其前称为哈尼土壤健康测试(HSHT)，并将土壤认定为一个具有活性的和高度集成的系统。土壤健康工具与其他土壤评估系统的不同之处在于，其包含可以测定无机和有机形态的指标，如植物可利用氮(硝酸盐氮、氨氮)、水溶性有机碳和水溶性有机氮。这些测试使用了由模拟植物根系分泌物的弱有机酸组成的Haney, Haney, Hossner, Arnold (H3A)萃取剂去分析为土壤微生物活动提供能量来源的有机物的质量。

图5 土壤健康研究所提出的表征土壤健康的一、二、三级指标

科学文献表明，研究人员通常使用多种指标来评估土壤质量。例如，Bunemann等人在2018年对65项研究进行了综述，其中有4种生物指标在土壤中的检测频率为15% ~ 30%；13项化学指标中磷、pH、有机物/碳的检测频率最高，为15%-90%；10项物理指标中，对质地、体积密度、储水能力的检测频率最高，为15%-60% (图6)。

图6 土壤质量评价科学文献中物理(蓝色条)、化学(红色条)和生物(绿色条)土壤指标的检测频率百分比

2.3  解读土壤健康指标值，确定土壤健康评分

当土壤健康指标组合成不同的评分系统时，往往需要使用复杂的公式来生成加权值，用于生成最终的评价指标。这项土壤健康评估旨在帮助终端用户完善如何有效管理土壤方面的知识。因此，这需要对不同土壤参数的评价结果进行汇总表示，或者建立土壤健康指数。然而，由于难以确定用哪些指标和其相关的阈值能够代表特定的土壤类型，以及难以评估改善土壤健康管理方案的有效性，因此如何选择正确的指标是一项艰巨的任务。经验法则是根据特定土壤类型需要注意的土壤管理措施和特定的土壤功能来选择指标的。虽然使用综合的土壤健康指标来构建土壤健康指数是振奋人心的，但它却是非常昂贵和不切实际。许多研究表明，选择一些指标可以更有效地检测管理措施对土壤质量的影响。因此，在评价和构建易于解释和使用的土壤健康指数时，应使用一组简单经济的最小指标。此外，用颜色编码或示意图/图形表示独立指标，或将独立指标作为土壤功能的代表进行分组，比建立和解释复杂的土壤指数更有帮助。

2.4  新兴土壤健康指标

虽然土壤生物在土壤功能中发挥着重要作用，但目前也只有微生物可以作为土壤指标。大型生物（如蚯蚓、线虫、微/大型节肢动物和土壤生物群）可以作为土壤功能的指标。因此，土壤生物在土壤健康评估中的使用范围还有改进的余地。与传统技术相比，专注于DNA和RNA的分子手段提供了更快、更便宜、信息丰富的土壤生物群测量方法。然而，通过分子手段获得的结果却存在空间和时间变化所引起的偏差和分析问题。由于很大一部分土壤生物尚未在分类和功能方面得到表征，测序产生的“大数据”分析在时间和释义上都存在很大的挑战。因此，未来更多的研究将为研究它们作为主流指标的使用奠定基础。其他分子技术如代谢组学和宏蛋白质组学也可能产生合适的指标，虽然测量指标与土壤功能直接相关，但由于提取困难，其应用也受到了限制。稳定同位素探测结合磷脂脂肪酸分析(PLFA)和DNA探测也有助于将土壤生物多样性与土壤过程联系起来。土壤光谱技术（如近红外光谱和土壤遥感），能以快速和廉价的方式测量各种土壤特性。在电导率(EC)等现场测量中结合基于实验室的可见和近红外光谱可以用于土壤健康的评估。简而言之，尽管人们可能会争论农民是否需要所有这些详细而复杂的信息来成功种植作物，但使用创新技术来评估土壤特性的做法正在呈爆炸式增长。

定义和评估土壤的健康水平需要根据不断变化的气候定期更新方法，因为大多数土壤功能会受到全球变化驱动因素的影响，如全球气温上升、二氧化碳增加和降水模式变化。同时，土壤健康指标也有助于衡量气候变化对土壤健康的影响程度。例如土壤有机质、土壤有机碳、团聚体稳定性、微生物生物量和群落、土壤呼吸和酶活性这些指标都会受到气候变化的影响。在土壤健康测试越来越倾向于使用土壤健康指标的最小数据集的同时，我们应谨慎选择那些包含对气候变化驱动因素敏感的指标的最小数据集。

原名：Soil health in agricultural ecosystems: Current status and future perspectives

译名：农业生态系统中的土壤健康:现状和未来展望

期刊：Advances in Agronomy

IF2020：5.279

发表时间：2021.04.05

通讯作者：Gurpal S. Toora

通讯作者单位：马里兰大学

全文链接:https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0065211321000328

翻译：范珍，徐湛禹

校对：肖祖飞，王哲

编辑：陈晓涛，朱慧静