王怀嵩，张 涛
(东北师范大学草地科学研究所/ 植被生态科学教育部重点实验室/ 吉林松嫩草地生态系统国家野外科学观测研究站，吉林 长春 130024)
由于人类活动(如土地利用和管理等)干扰的加剧，导致土壤发生退化和土壤功能显著下降[1]。据统计，全球约33%的土壤发生了不同程度的退化现象，其中，近一半的土壤退化属于中度退化，且这种趋势还在不断蔓延，土壤的严重退化影响着农业的可持续生产[2]。我国是人口大国，人均耕地较少，土壤质量普遍不高，而且部分地区土壤退化现象十分严重[3]，作为中国农牧产品主要产区的东北黑土区和北方农牧交错带也面临着严重的土壤退化问题，严重威胁着国家粮食安全和生态安全。随着黑土的日益退化，部分高产农田已成为中低产田，降低了黑土的生产力，严重制约了我国粮食生产和经济可持续发展。2020年7月习近平总书记在考察吉林时强调，一定要采取有效措施保护好黑土地这一“耕地中的大熊猫”。国家科技部也于2021年启动“黑土地保护”重点专项课题。因此，掌握农业土壤健康状况及其影响因素，实现耕地土壤健康管护，对保障我国粮食安全和建设生态文明具有紧迫的现实意义[4]。该文综述了国内外土壤健康评价体系应用现状并总结了现有土壤健康评价体系在农业管理实践中的应用，以此探讨土壤健康评价体系在中国的发展趋势。总结分析了在维护我国农业土壤健康方面存在的问题及解决途径，旨在为促进我国农业土壤健康、实现可持续发展目标提供理论支持。
土壤是陆生生物赖以生存的物质基础，也是陆地生态系统为植物生长提供能量交换与肥力养分的主要场所[5]。自20世纪70年代开始就已出现土壤质量的概念，80—90年代土壤质量成为研究热点，在农业领域的应用十分广泛。土壤质量是指土壤在一定的生态系统内提供生命所必需的养分和生产生物物质的能力，容纳、降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力，影响并促进植物、动物和人类生命安全及健康能力的综合度量[6]。早期有学者认为土壤质量和土壤健康是同义词，但这一观念受到质疑。与土壤质量相比，土壤健康更多地加入了土壤的生态属性，这些属性具有超出其质量或生产特定作物的能力。这些属性主要是与土壤生物相关的属性，包括土壤生物多样性、土壤食物网结构、土壤生态功能[7]。这些学者认为“土壤健康”一词涵盖了土壤的生命和动态特性，并将其与土壤质量区分开来。土壤健康的概念最早由Doran和Zeiss在2000年提出, 土壤健康是指土壤维持植物、动物和人类重要生命系统的持续能力，土壤健康强调土壤在社会、生态系统和农业中的作用或功能[8]。有学者认为应该将土壤健康作为促进可持续发展目标的首要原则，而不仅仅是一个需要衡量的属性。目前，学术界比较认可的土壤健康的定义是美国农业部自然资源保护局(USDA-NRCS)的定义，即土壤在生态系统的范围内，维持生物的生产力、保护环境质量以及促进动、植物与人类健康行为的能力(https:∥www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/main/national/soils/health/)。我国也已将土壤健康状况概念性地引入GB/T 33469—2016《耕地质量等级》，将其界定为土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力[9]。
2.1 土壤管理评价框架(SMAF)
21世纪初，ANDREWS等[10]提出了土壤管理评价框架(soil management assessment framework, SMAF)，在全球得到了广泛应用，并且被不断改良与发展。该工具选取了土壤物理、化学和生物学指标，评价农业管理对土壤功能的影响，主要过程包括：构建土壤质量指标并对土壤质量评价指标进行解释，最后通过对土壤质量指标的整合，形成土壤质量指数。值得一提的是，SMAF对评价指标的选择非常灵活。SMAF指标值的解释基于评分曲线，可以得出土壤附加质量指数。利用指标与相关土壤功能之间的关系，开发评分功能，将测得的指标值转换为无单位评分。将所有指标得分组合成一个累加指数，意味着可以提供反映整体土壤健康状况的单一指标[10]。SMAF是农业生态系统土壤质量评价调控的重要工具，并且自2004年发布以来，SMAF已在美国和其他几个国家/地区大量用于土壤健康评估[11](表1)。
CHERUBIN等[12]利用SMAF对巴西甘蔗土地扩张问题进行研究发现，甘蔗用地提高了土壤质量，这主要是由于土壤化学质量的提高。有学者运用SMAF研究了土地利用(原生植被、牧场、甘蔗地、免耕和农作物-畜牧综合系统)对土壤质量的影响，发现从原生植被向农业土地的长期转化会使通过SMAF评估的土壤质量评分降低，从而损害土壤发挥其作用的能力，而保护农业通过增加碳含量和土壤肥力提高了土壤质量[13]。YU等[14]通过建立土壤质量指数(SQI)，对中国东北地区天然草地、人工草地和农田几种土地利用方式进行比较发现，将农田转化为多年生草地可以显著改善松嫩草原的土壤质量。NUNES等[15]将代表美国的456篇文章的数据进行汇编和SMAF分析，结果表明，SMAF评分曲线对于管理实践与土壤功能影响敏感，但SMAF分数低估了有机碳和β-葡萄糖苷酶活性的作用，而高估了土壤团聚体的作用，建议应重新评估和改进这些指标的算法。但总体而言，SMAF是有效的，并强调了保护性农业措施的益处。
2.2 康奈尔土壤健康评价体系(CASH)
康奈尔土壤健康评价体系(Cornell soil health assessment, CASH)主要是由康奈尔大学提出，是通过快速测定土壤物理、化学和生物指标来评价土壤健康，是传统土壤质量评价的重要发展。CASH方法基于700个农业土壤中收集的数据，这些数据是从美国东北部长期受控的研究地点和商业种植者的田地中取样的。CASH可囊括测定的 39 个土壤质量评价指标，一般情况下根据对土壤管理措施的敏感性、土壤过程或功能的相关性以及测定过程和费用等特点，选取包括土壤质地、团粒稳定性、土壤可获得水含量、土壤潜在矿化率、活性碳含量、有机质含量以及植物根系健康评价等指标。这些指标一般获取费用较低，具有明显的农学、物理和化学意义的特点[16]。由于该评价工具的运用快速、简单、费用低，发展迅速，许多学者认为该工具有望成为构建国际土壤质量标准的基本方法(表1)。
有学者对CASH进行评估，结果表明，长期管理实践通常对团聚体结构、活性炭、蛋白质和大多数化学指标具有重大影响，并且耕种强度对土壤健康影响更大。CASH指标，特别是与碳和氮有关的指标，对管理实践反应良好，在农田试验中显示出CASH对土壤健康评估的效用[17]。WILLIAMS等[18]利用CASH调查了土壤管理对瑞典南部20个农田土壤健康指标的影响，研究发现高的作物多样性、少耕及施加有机添加物的田地显示出更好的土壤健康状况。NUNES等[19]利用CASH对连续耕作和免耕管理进行评价，研究表明免耕在温带地区是可行的，可显著改善土壤健康状况和农作物产量，并且将免耕与轮作和覆盖作物结合使用时，这些益处会得到进一步增强。张彬等[20]利用CASH对不同草地利用方式进行评价，结果表明，平均土壤健康综合指数由高到低依次为不放牧、轻度放牧、重度放牧和极度放牧。
2.3 Haney土壤健康测试(HSHT)
Haney土壤健康测试(Haney soil test，HSHT)主要基于土壤生物活性，它已成为评估土壤健康的一种新方法[21]。HANEY等[22]开发了一种新的萃取剂(H3A)，将3种有机酸(柠檬酸、草酸和乙酸)结合在一起，用于同时测量植物可获得的土壤养分，包括磷(P)、钾(K)和无机氮(N)。这种萃取剂旨在模拟活跃根系和根系分泌物的根际土壤pH值，因此可以依据根际pH值提取养分。Haney方法旨在提供基于生物利用营养素的肥料方面的建议。HSHT最初是为德克萨斯州的农业系统开发的，还没有针对其他土壤进行过广泛的校准和验证，但美国的企业和政府机构对这种新方法产生兴趣。政府机构(例如，美国农业部自然资源保护局)鼓励生产者采用HSHT方法跟踪管理实践，用于反映其农场的土壤健康变化，但还是缺乏研究数据来证明这种方法的有效性。ADHIKARI等[23]研究团队基于Haney土壤健康工具计算土壤健康值，研究了玉米产量和土壤健康之间的关系，结果表明，具有较低的24 h CO2排放量、可提取有机碳和有机氮值的土壤样品，其土壤健康值较低，通常对应较低的玉米产量。CHU等[24]检验了HSHT在美国田纳西州西部因管理引起的土壤养分水平和土壤健康变化中的应用情况，但结果表明采用HSHT并未监测到田纳西州西部因覆盖作物而造成的土壤健康差异。尽管HSHT旨在将土壤生物学与土壤肥力和土壤健康联系起来，但依然存在一定的缺陷，可能需要对更多类型土壤和气候进行对比，并进行广泛的农业实践评价(表1)。
2.4 我国耕地土壤健康及其评价
我国学者从土壤功能与胁迫角度出发，将耕地土壤健康分为初级生产力、水净化与调节、碳封存与调节、生物多样性供给、养分供给与循环5 类土壤功能，从应用实践角度对耕地土壤健康进行尺度划分，分为田块、县域、省域和国家4级尺度，并由此提出以表征耕地土壤功能和重金属胁迫为核心的耕地土壤健康评价全流程研究框架。但是该评价体系依然存在一些问题：如何定义并量化耕地(旱地、水浇地和水田)土壤健康状况与土壤功能的供需关系，如何科学应用土壤功能评价指标与表征方法以实现从土壤功能与胁迫到耕地土壤健康的表达。因此，耕地土壤健康全流程研究框架需要进一步通过实践进行研究[25]。
近年来，由于在全球范围内的集约化农业发展，导致快速的土地利用变化，并且也因此导致许多生态问题，主要包括CO2、CH4和N2O在内的温室气体排放增加、生物多样性降低、土壤酸化和土地荒漠化等一系列生态危机[26]。已有大量研究通过SMAF报道了不合理的土地利用方式可能导致土壤质量下降[18,27]，并且有学者通过选取部分土壤健康指标，例如：土壤线虫群落[28]、土壤孔隙度、土壤有机碳、微生物[29]等证明合理的土地利用方式会提高土壤健康状况。
种植模式主要包括单作、轮作和间(套)作。大面积的单一作物连续种植造成严重的土地养分偏耗，加速土壤退化，而且单一的农业生态系统也更容易受到病虫害的威胁[30]。MBUTHIA等[31]在对保护性农业的研究中通过SMAF已经证明与单作相比，覆盖作物能够提升土壤质量，并且已有研究通过选取已建立的CASH方案中的选定土壤健康指标揭示了多样化种植方式能够维护土壤健康状况[18-19]。
在对农田的管理过程中，为了提高作物产量，种植者会采取向农田添加肥料、对土地进行翻耕、向作物喷洒农药、对作物进行覆盖地膜等技术措施。而这些措施往往会通过直接或间接影响土壤肥力、土壤生物的方式来改变土壤生态功能，进而对土壤健康状况造成影响。已有研究通过选取部分土壤质量指标证明了有机添加物对土壤质量提升的重要性，但这项研究也证明了有机添加物促进了温室气体的排放[32]。OZLU等[33]以土壤碳氮组分、酶活性和微生物群落结构作为土壤健康指标，结果表明与无机肥料相比，粪肥有利于提高土壤健康指标。也有学者选取已建立的CASH方案中的选定土壤指标揭示了添加有机肥能够维护土壤健康状况[18]。农田系统对大气 CO2库是碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡，而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量，影响农田系统的碳循环与碳平衡。大量研究通过SMAF和CASH系统性地研究了保护性耕作与土壤健康的关系，发现保护性耕作能够提高土壤健康状况[18-19,31]。农药的使用对于现代农业来说是不可缺少的一部分，可以控制和预防杂草和病虫害。有研究报道2006—2016年我国农药使用总量和农药使用强度总体呈上升趋势[34]。LI等[35]的研究发现，威百亩显著降低了总细菌、真菌、固氮菌、氨氧化细菌和古菌的数量，反硝化相关的功能微生物数量也显著下降。农用塑料薄膜和地膜在全球范围内广泛使用, 它们可以通过节水、保湿、除草、增温、抗寒等方式提高作物产量和保水效率[36]，但是塑料的大量使用会导致土壤中微塑料的富集。有研究表明，残留的地膜破坏土壤团聚体结构，降低土壤的通气性和透水性，从而阻碍作物根系生长并降低植物整体生产力[37]。此外，微塑料对土壤微生物活性、各营养级的土壤动物、土壤有机碳和氮循环以及养分转移具有负面影响, 进而导致农田的不可持续利用和环境危害[38]。目前有关农药和微塑料对土壤健康的影响研究相对较少(表2)。
表2 农业管理实践与农业土壤健康的关系
以往对土壤健康、土壤质量的评估重点是作物产量和土壤肥力，但是越来越多的学者认为，土壤健康评估还包括土壤在水质、气候变化和人类健康中的诸多作用。人们对土壤生物多样性的重要性越来越了解，但目前主流的土壤评价体系仍然以化学和物理指标为主导(表1)。张江周等[39]也认为以往人们基于单一土壤功能即土壤生产力开展了大量的指标选择和评价工作，忽视了其他土壤功能，评价指标中土壤生物学特性未引起足够重视，对土壤过程的动态监测少。因此，新一代的土壤健康评价体系中应该加入一些新的指标，尤其是生物学和土壤功能指标。朱永官等[40]研究团队在其最新研究中关注了元素循环、污染消解和土传病害防控3大土壤生态功能，提出了利用土壤微生物组调控土壤健康的新途径。孙新等[41]围绕土壤动物在指示土壤健康方面的潜力，认为土壤动物物种多样性、功能性状和土壤食物网应该作为指示土壤健康的指标。梁文举等[42]从土壤生物健康的角度，总结了土壤健康的生物学表征指标，阐述了土壤微生物、土壤酶活性、土壤微食物网及蚯蚓对土壤健康的指示作用。国外一些研究人员认为一些主要针对非农业土壤服务的新指标，例如人类健康和水质，必须成为常规土壤健康测试的一部分，包括：病原体、寄生虫、生物多样性、可生物利用和移动的毒素(例如多环芳烃和微塑料)、温室气体排放和碳固存等，并利用新技术对土壤健康进行监测和评价[8]。因此，在对土壤健康进行评价时，要综合多种土壤健康评价体系，并适当加入一些生物学指标，比如线虫、蚯蚓、AM真菌等土壤微生物以及草食昆虫等，结合土壤功能指标，例如温室气体排放、养分淋洗、土壤遗留效应以及土壤食物网变化情况等。同时，土壤生物学、传感器技术以及用于解释和总结农田、牧场和景观尺度上土壤健康指标数据技术的进步，也将促进土壤健康领域的发展，建立更可持续的生产系统，帮助减轻和防止全球土壤退化[11]。另外，值得关注的是，在对指标的选择中要同时遵循一些基本原则：(1)代表性：所选取的指标能代表复杂的土壤系统中发生的物理、化学和生物学过程；
(2)敏感性：指标对土壤管理、土地利用方式、气候变化等引起的土壤功能变化具有较强的敏感性；
(3)易获得性：所选指标应该比较容易测定，易于操作，方便使用；
(4)性价比高：测定成本尽量低，可以被用户普遍接受[8,43](图1)。
图1 新一代土壤健康指标的选取
北美土壤健康测量评估项目是基于SMAF、CASH和HSHT进行评价进而广泛用于验证农业管理实践与土壤健康的关系，从加拿大中北部到墨西哥南部的120个长期农业研究地点选择20多项指标进行评估，其最终目标是为北美开发最佳、最全面的土壤健康评估方案，包括对其不同的土壤健康测量和指标的解释[44]。但是在中国对于各种管理措施与农业土壤健康之间的系统性研究还很少(表2)。大量研究表明，合理的土地利用和耕作措施会有效改善土壤健康状况。合理的土地利用方式包括退耕还林还草，我国在1999年就已经开始以四川、陕西、甘肃为试点，大力推行退耕还林还草政策。为了提高土壤有机质含量，科学家们更提倡向农田中施加有机物，例如有机肥、生物炭、秸秆还田等。长期种植单一作物导致土壤退化严重，目前较为合理的耕作方式有间作和轮作。对土壤不断的扰动(如耕、靶等)也会造成土壤质量下降，而少耕和免耕则可以显著降低土壤耕作对土壤质量的不利影响。除此以外，在农田管理过程中，农药和微塑料也会对土壤健康产生不利影响。尽管土地利用方式和管理措施对土壤健康的影响很大，目前对于农业土壤健康的评价仍仅是通过SMAF、CASH或选取其中个别指标进行评价。中国现有的关于土壤健康评价体系和土壤健康评价的研究比较分散，各个地区只是针对本地区的研究状况，难以推广至全国，缺少类似于北美的土壤健康评估项目针对中国开发的最佳的、全面的土壤健康评价方案。因此，在未来建立中国土壤健康评价体系过程中，需要建立全国农业土壤健康网络，利用大数据监测管理实践与农业土壤健康间的关系，开发适合中国气候环境与土壤条件的农业土壤健康评价体系。中国农业土壤健康网络的建立也可以用于验证土壤健康评价体系的可行性并修正该土壤健康评价体系，其结果又可以反过来指导农业生产实践，进而促进农业土壤健康(图2)。
图2 农业土壤健康评价体系与农业管理实践间的关系
目前，土壤健康已经引起了大量学者和政府机构的关注，欧盟已将土壤健康作为其5大优先事项之一，许多全球举措正在土壤保护领域出现。一些学者也认为与空气和水质一样，土壤健康对环境很重要。但是目前在农业土壤健康的提高与维护方面还存在很多问题。很重要的一个方面是土壤健康评价体系不完善，而完善土壤健康评价体系是实现农业土壤健康的必经之路。另一方面，社会层面对农业土壤健康关注度不够。中国农业用地大部分是由农民及企业和农场主进行管理，但是对于农业用地的管理大多较为粗放，例如化肥、农药的大规模超剂量使用。整个社会层面都存在对农业土壤健康这一概念的认知不足，对维护农业土壤健康的意识薄弱，而土壤健康评价体系的完善，需要大众的参与和支持，需要广泛的管理实践去验证和修正，在此提出了基于完善土壤健康评价体系的路径以促进农业土壤健康。
若想提高与维护农业土壤健康，实现可持续发展目标还需要基于土壤健康评价体系，可从农业管理措施与社会层面对农业土壤健康关注度等方面加以不断完善，即一目标三路径的“农业土壤健康环”(图3)。一目标是指维护农业土壤健康，实现土壤可持续发展的目标。这一目标的实现是土壤资源高效利用的具体体现，是建设生态文明、落实乡村振兴战略、推进农村绿色发展的重要支撑力量。实现农业土壤健康的第1条路经是指完善土壤健康评价体系，这也与前人的研究达成了共识。依据前文提到的土壤健康评价体系未来发展趋势，在农业土壤健康评价中加入新指标，主要包括生物学指标和生态功能指标，运用新技术，例如大数据技术和3S技术，建立我国农业土壤健康网络，利用大数据监测管理实践与农业土壤健康之间的关系，开发适合中国气候环境与土壤条件的农业土壤健康评价体系。第2条路径是指多尺度探究我国的土地利用方式和管理措施与土壤健康的关系并实现推广应用。广泛性和系统性地对存在的土地利用方式和管理措施进行农业土壤健康评价，做到既有广度(数量)，又有深度(质量)，结合不同地区的实际情况推出适合当地自然环境的土地利用方式和管理措施，精准化管理与利用土壤，促进农业发展。第3条路径是指社会层面的多主体参与[39]，实现土壤健康需要科研单位、政府部门、企业、农场主、种植户积极联动参与，共同努力。科研单位积极开展相关科研工作，政府部门做好相关政策保障，农场主及种植户应进一步提升农业土壤健康意识，形成土壤健康保护和可持续发展的价值观。在实践中积极维护农业土壤健康，可以通过多种渠道(例如微信公众号等多元化网络途径)进行农业土壤健康相关实践做法、相关理念的宣传，让更多人了解农业土壤健康，实践农业土壤健康。
图3 提高和维护农业土壤健康的“农业土壤健康环”
第3条路径在提高和维护农业土壤健康中起着基石的作用，既是维护农业土壤健康的执行者，又是受益者，在维护农业土壤健康中发挥着不可替代的作用，而完善土壤健康评价体系这一路径处于中间环节，起着至关重要的作用。土壤健康评价体系的完善还需要社会层面多主体的参与，建立中国农业土壤健康网络，利用大数据监测管理实践与农业土壤健康之间的关系，可以验证土壤健康评价体系的可行性并修正该土壤健康评价体系，其结果又可以反过来指导农业生产实践。在此，基于土壤健康评价体系的完善提出了一目标三路径的“农业土壤健康环”，但提高与维护农业土壤健康的“三路径”并非独立的，而是齐头并举、相互依存的，缺少任何环节都不能构成“农业土壤健康环”的稳定结构。
农业土壤健康不仅影响作物产量和品质，还影响大气、水环境质量和生物安全，因此，如何提高和维护农业土壤健康状况具有深远意义。该文总结分析了提高和维护农业土壤健康中存在的3个重要问题，分别从土壤健康评价体系、农业土壤健康评价体系对土地利用方式和管理措施的评估以及社会层面的认知和实践3个方面提出了问题和解决途径，提出了“一目标三路径”的“农业土壤健康环”的解决方法，以期在未来农业绿色发展和维护农业土壤健康过程中提供参考。期望在未来能够开发出更适宜更系统的土壤健康评价体系，并将其广泛地应用于农业生态系统的研究中，社会各界加强对农业土壤健康的认识，积极主动地参与到农业土壤健康的维护行动中，而种植户、相关企业公司能够依据广泛的研究更加科学地管理农田，社会各界共同维护农业土壤健康。
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