土壤健康與農業綠色發展：機遇與對策*

張俊伶張江周申建波田 靜金可默張福鎖?

土壤健康與農業綠色發展：機遇與對策*

張俊伶1，2，張江周1，2，申建波1，2，田 靜1，2，金可默1，2，張福鎖1，2?

（1. 中國農業大學資源與環境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193；2. 中國農業大學國家農業綠色發展研究院，北京 100193）

農業綠色發展是農業現代化的必由之路，土壤健康是農業綠色發展的基石。本文系統總結了國內外有關土壤健康的內涵、研究進展和發展趨勢，探討了提升土壤健康的途徑和對策，并對我國未來健康土壤培育工程提出了建議和展望。健康土壤培育的核心是消除土壤障礙因子，深入挖掘土壤生物學潛力，增碳提高資源效率，強化生物學過程，協同地上和地下生物互作。通過優化土壤內部調節過程，最小化外部的投入，以實現土壤生產功能和其他生態服務的同步提升。健康土壤的培育是一個系統工程，需要對投入品-生產過程-產品品質-產品加工-廢棄物循環等全產業鏈進行系統綜合考慮，多學科交叉創新，政產學研用一體化聯合攻關，同時還需要政策保障和激勵措施，需要全社會行動起來。

土壤健康；農業綠色發展；障礙因子；生物強化；生態系統多功能

農業綠色發展是以效率、和諧、可持續為目標的經濟增長和社會發展方式，是可持續發展的必然選擇。其內涵主要包括以下三個要點：一是將環境資源作為社會經濟發展的內在要素；二是將實現經濟、社會和環境的可持續發展作為綠色發展的目標；三是將經濟活動過程和結果的綠色化、生態化作為綠色發展的主要內容和途徑。土壤健康是農業綠色發展的重要基礎和核心內容，直接關系到可持續進程和有關目標的實現。

經過30多年的不懈努力，我國糧食產量大幅提高，人民生活日益得到改善。然而，土地集約化程度和農業生產資料的投入卻不斷增加，在滿足糧食需求的同時，也導致了土壤退化、資源利用率低和環境惡化等嚴重問題。當前，集約化農業發展到了一個新的歷史轉折點，改變傳統農業投入高、資源效率低和環境污染風險大的生產模式，以綠色發展為導向，協同實現提質增產、資源高效、環境安全、經濟發展、農民增收等目標，走出一條資源節約、環境友好、食品安全、人類健康的高質量農業發展道路成了必然選擇。綠色發展理念和綠色生產方式開啟了農業發展的新時代，健康土壤是保障現代化農業高質量發展的根基。人類消耗的食物和能量99%來源于土壤，世界糧農組織（FAO）在國際土壤年提出了“健康土壤帶來健康生活”的理念和行動，認為只有健康的土壤才能生產健康的食物，進而孕育健康的人類和健康的社會。隨著全球人口的增加和生活水平的不斷提高，人們對食物需求的數量和質量都發生了重大變化，同時面臨極端天氣等氣候變化對農業生產和環境的負面影響，人口、糧食、資源和環境之間的矛盾日趨尖銳。土壤作為脆弱性的非再生資源，其健康狀況和可持續性管理正成為全球關注的焦點和熱點[1-2]。2015年聯合國提出的可持續發展目標，旨在至2030年徹底解決社會、經濟和環境三個維度協同發展的問題，使全球社會和經濟轉向可持續發展道路。《2030年可持續發展議程》中涵蓋了17項可持續發展目標，其中13項目標直接或間接與土壤有關。因此，土壤健康不僅深刻地影響植物、動物和人類的健康，而且與大氣、水環境保護休戚相關，是以人類健康為中心的整體健康系統中的一個重要組成部分，是農業綠色發展的基石。

1 我國土壤健康問題與發展態勢

1.1 問 題

當前我國土壤健康問題嚴重，土壤保育形勢嚴峻。我國現有耕地資源總量僅為1.35億hm2，土壤資源嚴重不足，而且由于長期不合理的利用，土壤退化嚴重。據統計，我國因土壤侵蝕、肥力貧瘠、鹽漬化、沼澤化、污染及酸化等造成的土壤退化總面積約為4.60億hm2，占全國土地總面積的40%，是全球土壤退化總面積的1/4[3]。其中，全國現有土壤侵蝕總面積2.95億hm2，占國土面積的30.7%（2014年報道），是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，水土流失給我國造成的經濟損失約相當于GDP總量的3.5%。2019年12月5日世界土壤日的主題是“阻止土壤侵蝕，拯救我們的未來”，說明土壤退化日益引起國際社會的廣泛關注。同樣，土壤污染問題也敲響了警鐘。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》結果顯示，我國土壤污染總超標率達到16.1%，以輕微程度的為主，約占11.2%。以無機污染為主，約占總污染的80%以上，有機污染次之，復合污染較少。土壤污染對食品安全和人類健康造成很大威脅。全國每年受重金屬污染的糧食多達1 200萬噸，因重金屬污染而導致的糧食減產高達1 000多萬噸，合計經濟損失至少200億元[4]。農用薄膜造成的白色污染、濫用抗生素導致的污染等也對土壤健康造成極大的威脅。

當前我國有限耕地的土壤健康狀況仍不容樂觀。除污染帶來的健康問題外，首先，耕地地力總體水平不高，耕地土壤有機碳（SOC）普遍貧乏，土壤結構性問題比較明顯。基于第二次全國土壤普查數據的估算，我國農田20世紀80年代初始SOC庫（20 cm深度）基本處于26.6～32.5 t·hm–2之間[5-7]，遠低于美國農田的平均值43.7 t·hm–2 [8]和歐洲農田的平均值40.2 t·hm–2 [9]。2015年全國優等耕地面積為397.38萬hm2，僅占全國耕地評定總面積的2.9%。其次，近年來我國土壤耕層“淺、實、少”的問題嚴重。據統計，全國65.5%的監測點土壤耕層厚度平均值小于20 cm，低于美國耕層厚度35 cm[10]；據2016年全國耕地質量監測報告指出，全國25.9%的監測點土壤容重大于1.35 g·cm–3，高于作物適合生長的范圍1.10～1.35 g·cm–3。土壤有效耕層變淺和板結，影響作物根系下扎的深度，導致根系無法利用深層土壤的水分和養分，作物生長受抑制；同時，土壤結構變差，蓄水和滲透能力變差，增加了土壤流失和侵蝕的風險。再者，我國土壤養分對當季作物貢獻的份額較少，平均份額在50%，有的甚至只有30%～40%，低于可持續農田生態系統（>70%）。我國養分資源利用率也較低，三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當季平均利用率分別為33%、24%和42%。最后，現代農業復種指數比較高、作物種植種類單一以及大肥大水大藥等，導致土壤生物多樣性低，土傳病害頻發，嚴重影響土壤健康和作物健康狀況。全國大約5億畝（1公頃為15畝）經濟作物均面臨土傳病害的問題。總之，傳統高度集約化農業管理方式導致土壤酸化、有機質下降、土壤生物多樣性降低、土傳病害頻發和環境污染[11-12]，嚴重影響土壤生態系統功能的發揮。由于土壤污染和退化具有隱蔽性、長期性和復雜性的特點，導致土壤污染或退化之后極難恢復，因此防治土壤污染和退化，培育健康土壤，是農業綠色發展面臨的重大挑戰。

1.2 內涵和發展態勢

人類對土壤健康和功能的興趣可以追溯到文明的起點[13]。隨著人口的急劇增長和土壤退化的加劇，自20世紀70年代以來，土壤質量和功能受到越來越多的關注[14-17]，出現了兩個獨立但相互關聯的術語，即土壤質量和土壤健康。通常科研人員偏好土壤質量，而農民和其他政企等公眾人員則對土壤健康更感興趣。盡管不同學者持有不同的觀點和看法，現在普遍傾向于接受兩者統一的觀點。早期土壤健康與土壤質量兩個概念之間的差異，主要表現在土壤質量主要強調土壤的運行能力或者適合使用[14]。例如，美國土壤學會定義的土壤質量，是指土壤作為重要的生命系統行使各種功能的能力，以及在生態系統水平和土地利用的邊界范圍內，維持生產植物性和動物性產品的能力，維持或改善水和大氣質量的能力，以及促進植物和動物健康的能力[18]。狹義的土壤健康，強調的是土壤生物特別是土壤病原菌，尤指土壤要保證植物的健康生長。廣義的土壤健康，是指在自然或管理的生態系統邊界內，一個充滿活力的土壤所具有的保證持續生產，保持良好的水體和大氣環境，促進植物、動物（人類）健康的能力[17]。可以看出，兩者基本同義。土壤健康在更廣的范圍內認為土壤具有生命力、是動態的，強調土壤的自然資源屬性、環境屬性和生態屬性，其與植物健康、動物健康和人類健康密切相關。土壤健康還包括恢復力和抵抗力[19]，具體體現在土壤生物在調節全球氣候變化的重要性等方面。

我國科學家也對土壤健康進行了廣泛關注。曹志洪和周健民[20]將土壤健康的定義為“土壤提供食物、纖維和能源等生物物質的土壤肥力質量，土壤保持周邊水體和空氣潔凈的土壤環境質量，土壤消納有機和無機有毒物質、提供生物必需元素、維護人畜健康和確保生態安全的土壤健康質量的綜合量度”。周啟星[21]認為土壤健康最為基本的判斷標準，首先是能生產出對人體具有健康效益的動植物產品，其次是應該具有改善水和大氣質量的能力以及在一定程度上抵抗污染物的能力，還應該能夠直接或間接地促進植物、動物、微生物以及人體的健康。由上可以看出，土壤健康是一個綜合量度，除了與農業生產有關的基本功能之外，還強調了土壤生物對生態系統服務的重要性，以及其改善環境質量和提高動植物健康的能力。

近年來，隨著人們對土壤生態系統服務的關注[1，22-26]，土壤健康成為國際上土壤學和生態學研究的熱點問題。自20世紀60年代起，人們已經認識到生態系統服務的重要性[27]。生態系統服務是指人類從自然界獲得的益處，涵蓋供給服務、調節服務、支持服務以及文化服務等。土壤作為生態系統的一個重要組成部分，常常被視為“免費”的禮物，而生態學家則更注重地上部生物多樣性忽視了土壤生物多樣性。然而，近年來由于氣候變化和人類活動的影響，土壤功能急劇衰減，表現在土壤生產力下降、養分失衡、傳粉能力下降、生物多樣性下降等，土壤生態系統失衡，已嚴重威脅人類的生存和發展。人們普遍認識到土壤不僅可以提供食物，而且還為社會提供了廣泛的生態系統服務[24，28-30]。具體而言，土壤的供給服務是指土壤為人類提供糧食生產，以及非糧食原材料、土壤礦物等資源和產品。調節服務是指土壤在溫度調節、溫室氣體排放和固定、水體凈化、污染物降解和吸納等方面的效應。支持服務指土壤產生和支撐其他服務的效應，包括初級生產力、參與生物地球化學過程，為生物多樣性提供生境和作為遺傳資源庫等。文化服務功能是指土壤對文化遺產的保存、提供游憩地、景觀和開展教育等方面的功效。

2 我國農業綠色發展的挑戰與土壤健康的機遇

2.1 農業綠色發展的挑戰

我國農業綠色發展面臨的挑戰包括以下幾個方面：

1）我國農業資源投入量大，產量和資源效率有待進一步提升。我國化肥和農藥投入量位居世界第一，保障了我國糧食安全生產，近幾年糧食總產穩定超過6億噸。然而，高度集約化農業的特點是化學品投入高，資源利用效率低。在農藥化肥投入量居高不下的前提下，并未成正比實現相應的高產出。目前我國糧食作物產量僅達到產量潛力的50%～80%，仍有20%～50%的潛力有待進一步挖掘，因此我國農產品增產增效潛力巨大。

2）我國農產品生產成本高，品質有待提升。我國農產品生產的特點是數量多，但品質差，不能滿足人民對美好生活的需求，因此，市場價值低，出口率低，產業發展困難重重。例如，作為蘋果的第一生產大國，我國蘋果生產量占全球的近50%，但出口額不足12%。由此可見，我國農產品質量的提升空間非常大，加強農產品供給側結構性改革，優化提升全產業鏈，尤其是土壤健康培育和作物栽培生產環節的管理，還可以大幅降低農產品生產成本，切實提高健康、高質量食品的供給能力。

3）我國糧食、水果和蔬菜生產的資源環境代價太高。我國農業生產的資源環境代價非常高。從1980至2018年間，我國糧食總產量增長了105%，但是化肥消費量增長了345%。農用塑料薄膜和農藥使用量，分別由1991年的64.2萬和76.5萬噸增至2018年的246.5萬和150.4萬噸。以化肥為例，長期盲目濫用化肥，導致了農產品和地下水硝酸鹽含量超標，也不利于土壤結構的形成，作物減產和品質下降。同時，不合理施肥導致農田土壤顯著酸化現象非常嚴重，從20世紀80年代到21世紀，全國農田土壤的pH平均下降了0.5個單位[31]。土壤酸化不僅影響作物根系生長導致作物減產，還會造成重金屬元素活化、土傳病蟲害加重等一系列問題，進而嚴重威脅農業生產和生態環境安全[32]。

4）農業綠色發展對科技創新提出更高要求。科技創新的主攻方向應該是如何用最少的資源生產出數量足、質量好、營養健康的農產品，以滿足人們對美好生活向往的需求，這是現在農業科技領域最關鍵的一個創新方向和主攻點。它的突破口就在于對農業全產業鏈卡脖子技術的突破。傳統單一學科不能解決農業綠色發展全產業鏈的問題。通過多學科交叉融合、創新技術，大幅度提高資源利用效率，生產出更多、更好、更健康的農產品，實現農業生產與資源和生態環境準確匹配，糧食安全和環境安全雙贏的綠色發展目標[33-34]。

2.2 土壤健康的新機遇

農業綠色發展的重點是在發展過程中減少資源環境代價，平衡好“綠色”與“發展”的問題[35]，健康土壤是農業綠色發展的基礎。土壤酸化、土壤重金屬污染、土壤退化等系列問題的凸顯，嚴重制約了農業綠色發展。培育健康的土壤，增加土壤養分有效性、微生物多樣性等，提升土壤生態系統服務勢在必行。

2016年國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》，指出到2020年，全國土壤污染加重趨勢得到初步遏制，土壤環境質量總體保持穩定，農用地和建設用地土壤環境安全得到基本保障，土壤環境風險得到基本管控。到2030年，全國土壤環境質量穩中向好，農用地和建設用地土壤環境安全得到有效保障，土壤環境風險得到全面管控。到21世紀中葉，土壤環境質量全面改善，生態系統實現良性循環；同時，可持續發展議程的實現也需加強土壤的可持續管理。這是一項巨大的工程，需要提出更多行之有效的措施來防止土壤進一步惡化，健康土壤培育方法和案例亟需進行研究和總結，為國家土壤污染防治和土壤質量提升奠定科學基礎。

新時代社會主要矛盾為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。人民對美好生活需求需要生產更多綠色、優質、健康的農產品，除了先進的生產技術和生產理念，健康的土壤是生產綠色產品和安全食品的基礎，構建健康土壤是一項系統工程，對于解決新時代社會主要供需矛盾具有重要現實意義。

3 土壤健康研究進展與熱點

農業綠色發展需要保證水、土、氣清潔和安全，保證農產品安全和質量，才可以保證人體健康，提高人民生活幸福指數。作為環境質量的一個重要組分，土壤健康（質量）和大氣、水體質量一樣同等重要。

3.1 土壤健康指標的建立和評價方法

土壤各組成成分復雜，各組分之間在不同時空維度上也存在多種互作，這些均為衡量和評價土壤生態系統服務帶來了嚴峻的挑戰[18]。長期以來，人們一直致力于篩選土壤質量（健康）評價指標，并完善評價方法。土壤健康是一個綜合量度，評價的指標包括土壤靜態（自然屬性）和動態指標。土壤靜態指標主要受成土過程的影響；動態指標則對管理措施較為敏感，通常作為篩選的對象。土壤健康程度的判定標準，在于土壤是否充分發揮了其功能，如果發揮了功能就認為是高質量的，反之，則存在著障礙因素或者土壤質量低。現在人們認識到土壤具有多功能性，不同功能之間存在權衡和協同互作。由于土壤具有多相性和多功能性，因此衡量土壤健康（質量）狀況不可能使用單一的指標和方法，也無法一直通用一個標準，所以土壤健康的評價具有目標性、相對性和實效性。通常，人們從眾多的土壤定性和定量指標中篩選出最小數據集（Minimum Data Set，MDS），用來評價土壤質量[15-16]。測定指標涉及物理、化學和生物指標三個方面，目前許多評價體系多采用理化指標，涉及的生物指標不多。常用的物理指標包括土壤水分、容重、土壤質地、團聚體、土層深度、穿透力、導水率、孔隙度、滲透力等。化學指標包括有機質、pH、有效養分、重金屬，中量元素含量，含鹽量等[36]。近年來，生物學指標正處于快速發展階段。土壤生物直接參與土壤過程，深刻影響土壤生態系統服務，因此生物學指標被認為是對管理更為敏感的指標。除常用的微生物碳和氮、可礦化氮等外，土壤生物多樣性、功能基因表達、酶學方法、代謝組和轉錄組以及一些指示生物（如菌根真菌、線蟲、蚯蚓等）檢測也得到快速發展。土壤生物是否消失，土壤生物的數量、活性、生理或行為的變化均可能反映土壤健康情況，但由于土壤生物種類多、數量大、變化快，且在一定程度上存在功能冗余性，這些均為定量化生物指標帶來了困難。在這方面歐盟國家已進行了大量的探索，開展了對生物指標的篩選工作[37-38]。圖1列舉了土壤質量（健康）指標、工具和評價體系的發展過程，探索新指標和評價工具和方法是未來的發展態勢。

圖1 土壤質量（健康）評價的目標、工具和方法匯總（改自Bünemann等[36]）

考慮到土壤類型和管理方式的多樣性，并且各個測定指標的度量也不同，因此需要建立一個綜合評價體系，將各種指標進行系統整合，計算出土壤健康（質量）的綜合指標。鑒于目前土壤學界已普遍接受土壤健康可以與土壤質量術語相互替代，因此可以借鑒土壤學家建立的土壤質量指數法（Soil Quality Index，SQI）[16]，建立土壤健康指數法（Soil Health Index，SHI），其中發展較為系統的是康奈爾土壤健康評價體系。評估的方法有靜態評價方法，如多變量指標克里格法、土壤質量綜合指數評分法和土壤相對質量法，也有動態評價方法，如土壤質量動力學方法等。許多國家利用土壤質量監測網和健康測試對土壤質量、食品安全和環境安全進行了評估。例如，土壤管理評估框架（Soil Management Assessment Framework，簡稱SMAF）[39]、康奈爾土壤健康綜合評價（Comprehensive Assessment of Soil Health，CASH），以及基于生態系統服務的評價方法[40]等。總之，土壤健康需結合土壤管理目標，從生態學視角展開研究，還需深入理解土壤生物驅動的代謝過程，建立大數據平臺，借助一些新技術和手段逐步完善和發展土壤健康體系。

3.2 農產品品質與人體健康

土壤健康直接影響人體健康。農產品的數量和質量尤其是后者與人體健康密切相關。健康土壤還能降低或者消納土壤中有毒和有害物質，避免土壤中致病微生物對人體健康的危害。此外，土壤還是抗生素類物質和一些次生代謝物的來源[41]。早在1948年研究者Balfour[42]就提出“有活力的土壤（The Living Soil）”，明確指出土壤生命力和人類健康的重要性。作者觀察到化學品的大量投入導致農產品產量提高的同時，品質和口感明顯下降；同時，畜禽容易感病，人體健康也遭受巨大的威脅，因此提出了土壤-畜禽-人體健康是一個整體的觀點。1990年Reganold等[43]學者提出土壤是一個復雜的、有活力的但很脆弱的體系，應加以保護和滋養才能保持土壤的可持續生產力和穩定性。近年來，土壤污染和農產品質量安全事件頻發，人們已經深刻認識到過量和不合理使用化學品的負面效應，只有培育健康土壤才能保證食品安全和人類的健康。一方面，營養健康與土壤健康密切相關。據FAO統計，全世界有近20億人口處于營養缺乏狀態，其中包括微量元素缺乏癥，又被稱為“隱形殺手”，且一些經濟不發達國家和地區鐵、鋅、硒等微量元素已成為營養不良的首要問題，在婦女和兒童身上表現更為突出[44-45]。另一方面，農產品中有害有毒物質如農藥殘留和重金屬等，對人體健康造成極大的威脅。以抗生素的使用為例，我國是世界上抗生素最大的生產國和消費國，每年生產的抗生素近一半用于畜牧養殖業。因此，動物糞便成為土壤抗生素和抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs）的重要來源。有研究表明，長期施用豬糞后，土壤中抗生素抗性基因的豐度顯著增加。同時，抗生素抗性基因可以通過水平基因轉移被土壤微生物獲取，導致微生物耐藥性的擴散，攜帶抗生素抗性基因的微生物會進一步在環境中繁殖，并有可能傳播給病原菌，影響人類健康[46-47]。因此如何生產腐熟物質和施用有機肥（尤其是動物源有機肥）對減低土壤抗生素抗性基因的豐度和提升土壤健康意義重大。

3.3 土壤生物多樣性

土壤是全球最大的基因庫和物種棲息地。土壤生物及各種生物間的相互作用非常復雜，共同參與養分和水分的生物地球化學循環，影響土壤結構，調控土傳病害，且在污染物轉化和凈化方面具有重要作用，是土壤生態系統服務的重要組分。在集約化農業生產中，大量化學品的投入和不合理管理導致土壤生物多樣性下降，微生物區系失衡，土壤食物網趨于簡單化[48]，病蟲害增加，作物嚴重減產；與此同時，為防止病蟲害的發生，種植戶不得不大量使用農藥等化學品，這種惡性循環導致土壤代謝過程嚴重受損，生態系統的功能下降，作物品質下降和環境質量惡化，甚至危害人體健康。

一些研究者認為，土壤生物數量及其活動能敏感地反映出土壤健康和人類管理的變化過程，可以用作土壤變化的早期預警生態指示。如澳大利亞學者Pankhurst等[49]提出了表征土壤健康的生物指標體系，主要包括微生物量、土壤微生物、病原菌、大中型土壤動物區系、土壤酶和植物等。歐盟的EcoFinders（Ecological Function and Biodiversity Indicators in European Soils）項目也努力挖掘能綜合反映土壤健康的生物指標，包括土壤生物多樣性、群落結構、功能基因表達等[37-38]。生物指標在土壤健康評價中有獨特的優勢，但也存在一些問題，包括采集樣品的代表性、測定成本以及與土壤功能的相關性等。隨著土壤生物多樣性和食物網研究的迅速發展，尤其是分子生物學和生物信息學技術手段的不斷進步，基于基因組、轉錄組、代謝組和蛋白組學技術的發展極大地推動了土壤生物多樣性和功能的研究。

根際微生物在植物生長和健康中有重要的作用[50]。根際有益微生物作為根系的屏障，可以提高植物抗病性和土壤抑病性[51]。同時，土壤生物多樣性和地上部生物多樣性緊密相關[52]，土壤生物多樣性顯著影響生態系統的功能[53]。在生態學領域廣泛應用的植物-土壤反饋（Plant-soil feedback，PSF）理論[54-55]，是將植物與根際（尤其是根際微生物）作為一個整體放在一個或多個植物生長期的時間尺度進行系統評價。連作障礙就是典型的負反饋效應，而間套作則表現出正反饋。農業生產的目標是在農事管理和生產周期中形成正反饋，因此如何通過提高生物多樣性，進而提升生態系統多功能性，形成正向反饋是農業綠色發展的一個重要內容。

3.4 土壤生態服務功能

長期以來人們低估了土壤生態系統服務[56]，直到2000年后才開始注意到土壤生態系統服務，到2009年后該領域的研究發展迅速。近年來，人們對土壤生態系統服務的認識，從單純對土壤生產功能的關注，逐步發展到注重土壤生態系統服務的多樣化，并提出了在景觀尺度上進行功能土地管理的理念。即通過綜合評估土壤功能，對土壤生態系統服務多樣性進行綜合協同和權衡，以實現土壤的可持續管理和利用[24,57-58]。一些不可持續管理措施，如傳統耕作、不合理施肥、盲目使用除草劑和殺蟲劑等，可導致土壤生態系統服務貶值和退化。相反，可持續的土壤管理措施，如保護性耕作、有機農業、覆蓋作物和作物多樣化種植等則對土壤生態系統服務具有正效應[59]。

為了更好地評價和管理土壤生態系統服務功能，科學家試圖建立生態系統服務的框架，將整個生態系統服務過程聯系在一起，并用來支持政策以及決策的建立。其中歐盟在1998年提出的DPSIR（Driver-Pressure-State-Impact-Response）框架應用較為廣泛（圖2）[60]。Turner和Daily[61]提供的框架包括問題識別、評估、政策制定、能力建設和重新評估。歐盟FP7資助的開放項目試圖通過強調土壤功能特征，建立生態系統服務層級框架，將生態系統服務和自然資本的概念應用于土地、水和城市的管理與決策[62]。在歐盟FP7計劃的基礎上，RECARE（Preventing and Remediating Degradation of Soils in Europe through Land Care）提出了一個適用的框架，以評估土壤威脅和預防及修復措施對生態系統服務的影響[63-64]。Schulte等[58]提出了功能土地管理（Functional Land Management，簡稱FLM）的概念，主要是依據歐盟對環境的政策需求，來權衡和協同土壤的主要功能。

4 面向農業綠色發展的健康土壤的培育思路

基于我國人口多、單位人口耕地面積少的特點，耕地保護政策力度一直很大。我國的耕地保護始于20世紀80年代，和耕地保護相關的政策相繼出臺，對保障糧食安全起了重要的作用。有分析表明，耕地保護政策對提高糧食產量的貢獻率達43.1%[65]。隨著鄉村振興、生態文明建設與可持續發展戰略的推進，耕地保護逐漸轉向耕地轉型、耕地多功能保護、生態休耕與安全等，且更加關注耕地的自然本體保護[65]。針對土壤質量評價，我國在80年代初開始選擇了很多的指標，但未形成合適的體系和標準。90年代初，我國土壤質量評價研究中所選取的指標范圍很廣，涵蓋了土壤質量的各個方面，其中土壤物理性質、環境指標和肥力因子較全面，而生物指標相對很少。隨著耕地保護制度的內涵變革從“數量”轉變為“數量+質量”，再躍遷到“數量+質量+生態”三位一體的均衡管理[66]，如何建立面向農業綠色發展的土壤健康綜合評價系統成為挑戰。近年來，各國均在積極推動農業可持續發展，一些科學家提出了基于“地下革命”的觀點[67]，其核心是減少化學品的過度使用，立足于自然生態過程，通過提高生物多樣性和強化生物互作，優化系統內部調節過程，并指出輪作、多樣化種植和生物防治等的重要性。

圖2 土壤DPSIR 框架圖（改自Brussaard 等[60]）

我國土壤類型和作物種類繁多，不同地區地形地貌氣候因子復雜，再加上土壤管理措施和管理目標的差異性，很難統一界定健康土壤的標準。健康土壤應因作物、土壤、氣候和管理目標等而定。本文僅對田塊尺度進行討論，提出健康土壤培育的三個階段（圖3）：第一個階段主要是消除土壤的障礙因子，即找到影響作物產量和品質的限制因子，同時厘清生態環境的障礙因子，有針對性進行消除；同時，保證良好的土壤結構，構建理想的耕層。第二個階段主要是強化土壤生物學過程，提高土壤有機碳；利用植物-土壤-生物（尤其是微生物）互作，提升土壤免疫力和抵抗力，提高作物抵御病蟲害的能力。第三個階段是提升土壤生態系統服務，通過農田景觀配置和生態系統重構，提高土壤生物和地上部的生物多樣性，利用地上-地下生物互作提升土壤生態涵養功能，保障生態安全；引入土壤生態服務定量化模型，建立土壤生態服務功能的評價體系，提出健康土壤管理的優化解決方案。

圖3 健康土壤培育的思路

5 土壤健康的實施路徑與行動

在農業綠色發展下，通過優化土壤內部調節過程，最小化外部的投入，實現土壤生態系統多功能性的協同是當前健康土壤培育的目標。具體的實現途徑主要包括以下方面：

5.1 消除土壤障礙因子，構建理想土壤耕層

土壤的自然屬性和不合理管理均可導致土壤不健康或亞健康，因此消除土壤的障礙因子是提升土壤健康的一個重要內容。例如，在南方酸性紅壤上，低pH和鋁毒顯著影響土壤中鉀、鈣、鎂等養分的有效性。通過施用石灰和有機物料可以提高土壤pH、有機質含量和養分有效性。在西南地區水田改旱作后土壤質地黏重，團粒結構差，犁底層堅硬，嚴重影響作物根系的生長和作物健康。在此種植模式中，土壤物理障礙是主要的限制因子，改善土壤結構是提升作物生產力的核心。

針對土壤物理障礙，主要的一些改良措施包括深耕、有機肥施用、秸稈還田以及施用土壤調理劑等[68]。此外，合理的水肥管理、植物抗性品種和基因型的選擇也非常重要。有效合理的深耕可以打破土壤犁底層，增加土壤的通透性，提高土壤的蓄水力和保水力，促進作物增產[69-70]。施用有機肥可以改良土壤物理結構，提高土壤的有機質含量[71-72]。生物有機肥的施用還可以通過抑制土壤病原菌提升土壤質量[73]。秸稈還田在東北和華北等主要種植區得到了大面積的推廣。秸稈在腐解的過程中提高了土壤團聚體數量，增加土壤孔隙度，降低土壤緊實度等。近年來，土壤調理相關產品也得到廣泛的使用。例如在酸性土壤上施用石灰，不僅能調節土壤的酸度，還具有改良土壤結構的效果，其原理是石灰中富含的大量Ca2+可促進土壤膠體的凝聚，加速土壤團粒結構的形成[74]。土壤中添加生物炭后顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度和微生物活性，從而改善土壤結構[75-76]。我國的土壤調理產品多通過添加天然礦物為主，生物制劑以及含有生物活性物質的相關產品較少。最近的研究發現，深根作物包括一些覆蓋植物的根系在提高土壤有機質和改良土壤結構上具有重要的作用，因此深入理解植物根系形態和生理的可塑性，充分發揮根系的生物學潛力，成為緩解土壤物理障礙的一種極具潛力的改良策略[12,77-78]。

5.2 增碳提質，培育高質量農田

我國土壤有機質含量普遍不高，同時長期高度集約化耕作和過度放牧導致土壤碳儲量持續減少，采用合理的管理措施可以保護和重建土壤碳，是實施土壤健康計劃的基礎[79-80]。基于全球數據的匯總分析發現，在當前的生產力水平下，土壤有機質提高1%（即從1%提高到2%）后，小麥和玉米平均產量可增加10%和5%，并且可減少70%氮肥用量[81]。我國農田土壤每固定1.0 t·hm–2有機碳，糧食作物的產量平均提升約0.7 t·hm–2[82]。近30年來，我國農田表層SOC庫總體增加，發揮了碳匯功能[83-84]。然而，我國仍然有0.87億hm2中低產田，這些中低產田土壤障礙因子多，有機質含量低，且容易發生土壤退化。合理的管理措施可顯著增加土壤SOC含量。例如，與無機肥投入相比，長期施用有機肥可顯著提高土壤固碳速率，同時SOC含量和質量均得到提升[85-87]。保護性耕作管理措施能有效提高土壤SOC含量，傳統耕作+秸稈還田、免耕以及免耕+秸稈還田的年固碳速率分別為0.22 g·kg–1、0.35 g·kg–1和0.52 g·kg–1[88-89]。此外，多樣化種植以及輪作改變了作物殘體的數量和質量，顯著影響土壤微生物群落結構和活性，提高了土壤有機質的含量[90-91]。2015 年聯合國巴黎氣候大會上啟動了“千分之四倡議”，即全球每年如能在土壤中增加千分之四的有機物質，將可以抵消全球的溫室氣體排放量。這項計劃旨在通過因地制宜的農業實踐，增加土壤有機質含量和碳固持，從而發揮農業土壤在糧食安全和氣候變化方面的關鍵作用。專家組提出了土壤碳管理的8項措施，包括防止土壤碳流失、促進土壤碳吸收、科學監控、評估及驗證干預、利用高科技監測土壤碳儲量變化、開發計算機模型和示范性網絡測試、增強宣傳教育等[92]。盡管全球農業土壤增加“千分之四”的目標能否真正實現仍存在爭議[93]，但該行動積極推動了政府和公眾對農田固碳作用的關注。

5.3 強化生物過程，提高生態系統服務多樣性

土壤健康需要實現土壤生產功能與其他生態系統服務的同步提升。Reganold和Wachter[94]系統比較了有機農業和傳統農業生態系統服務的差異，發現有機農業更能實現生態系統多功能的協同。在此基礎上，我們提出農業綠色發展同樣需要提升土壤生態系統的多功能性，實現生態系統服務的協同和權衡（圖4）。提升土壤生態系統服務的一個重要途徑是提高生物多樣性，包括土壤生物多樣性、以及地上和地下生物的協同與調控。土壤生物多樣性是維持生態系統結構和功能的重要內容，在生態系統乃至整個生物圈的能量流動和物質循環中發揮著關鍵作用。國際生物多樣性合作計劃始于1991年的DIVERSITAS項目；2002年，聯合國糧農組織設立了土壤生物多樣性研究議程（Soil Biodiversity Initiative），之后全球陸續開展了土壤生物多樣性研究，極大地推動了人們對土壤生物多樣性及其影響的關鍵生態過程的理解。近年來，關于作物根際微生物組的研究取得較大進展，作為植物的第二基因組，根際微生物直接影響植物的生長和健康。我國科研工作者在土壤免疫、菌群互作、合成菌群、植物-微生物互作和生物調控等方面取得較大的進展[95-97]。例如，基于合成菌群中菌株成對的競爭或便利互作，較好地預測了復雜群落的互作關系以及對病原菌入侵的抵抗能力，為通過調控根際菌群提高土壤免疫能力提出了重要的途徑[98]。此外，利用土壤多營養級生物互作也可以有效提高土壤免疫，控制土傳病害的發生。研究發現，土壤噬菌體組合可以獵殺和致弱土傳病原菌，使之喪失競爭能力和致病能力，進而恢復和提升了根際土壤微生物抵御病原菌入侵的能力[99]。作物-根際有益微生物協同進化的研究為創制抗逆性生物肥料奠定了基礎。隨著人們對土壤微生物組和食物網的認識不斷深入，土壤生物在生態系統服務中的作用日益凸顯。合理培育健康土壤生物區系，優化土壤內部調控過程，深度挖掘土壤生物尤其是土壤微生物資源，發揮功能微生物和土壤生物的作用，實現生物定向調控，正成為全球的研究熱點。一些管理措施，如增施有機肥、多樣化種植、種植覆蓋作物或功能植物、開展有機農業等均可提高土壤生物多樣性。

6 未來研究方向與展望

土壤長期以來被視為“黑箱”，土壤生態系統功能則被認為是大自然賦予的免費資本。近年來，隨著科學技術的進步，人們對土壤物理、化學和生物學尤其是對土壤生物多樣性和功能的理解和認識不斷深入，極大地推動了土壤生態系統服務的研究。當前全球正掀起土壤健康理論和實踐的熱潮，各國政府也在采用各種激勵機制積極推動可持續土壤管理行動。未來需以綠色發展理念為指導，提高全社會對土壤健康重要性的認識。建議重點從以下幾個方面展開工作：

1）提高土壤自身免疫和生物學過程，強化地上和地下生物協同互作，實現土壤結構、代謝和功能的耦合是健康土壤培育的核心科學問題。重視土壤對脅迫的記憶，充分發揮有益微生物的作用，保證植物健康。此外，土壤抵抗力和恢復力，以及土壤對全球變化響應機制和過程值得深入研究。

2）大規模微生物分離培養、人工重組微生物群落和功能食物網的發展，為減少化學品投入，挖掘土壤生物資源提供了廣闊的前景。隨著新技術的發展和交叉學科的不斷滲入，人們從多視角多途徑開展了對土壤多樣性和功能的深入研究。通過提高土壤生物多樣性強化生物互作以提升土壤生態系統服務，正成為農業綠色發展研究的一個重要內容。

3）可持續土壤的管理還要堅持發展生態綠色的理念，需要對投入品-生產過程-產品加工-廢物循環等全產業鏈進行系統綜合考慮，對水-土-氣進行一體化綜合生態管理，實現全鏈條的綠色發展。同時，需要多學科交叉創新，推行新農科教育體制，聯合攻關，創新科學技術，發展綠色產品和新技術。

4）健康土壤需建立相對完善的監測網絡，建立檢測土壤資源大數據管理平臺，掌握時空變化特征，探討土壤健康演變過程以及人為活動對土壤演變的影響及反饋機理，形成能兼顧預警、檢測并實時反饋的土壤健康系統評價體系。同時，利用信息農業和智慧農業的優勢，實現全鏈條的精準管理。

5）土壤健康是一個系統工程，需要從國家層面開展研究，形成“政產學研用”共同參與多元化互助推動的模式。企業、種植戶和農民是土壤的主要經營者，還需廣泛傳播健康土壤的知識，培育保護土壤的意識。同時還需要繼續加強政策保障和激勵措施，激發健康土壤先行者的積極性和興趣，并提高公眾的意識，在實施科技創新的同時，使全社會大眾成為土壤健康的踐行者和推動者。

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Soil Health and Agriculture Green Development：Opportunities and Challenges

ZHANG Junling1, 2, ZHANG Jiangzhou1, 2, SHEN Jianbo1, 2, TIAN Jing1, 2, JIN Kemo1, 2, ZHANG Fusuo1, 2?

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. National Academy of Agriculture Green Development, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Agriculture green development (AGD) is the future for modern agriculture, and soil health is the cornerstone of AGD. This article summarized the connotation, research progress and trend of soil health in domestic and overseas. By summarizing the main management strategies for healthy soil cultivation, this paper puts forward novel ideas and approaches for promoting soil health, and discusses the challenges and opportunities for soil health engineering. The cores for the promotion of healthy soils are; eliminating the limiting factors of soils; increasing the content of soil organic carbon and nutrient use efficiency; exploiting the biological potentials; promoting synergistic interactions between above-ground and below-ground. The aim of soil health engineering is to synergize the production and other ecosystem services delivered by soils by optimizing the internal regulatory processes whilst minimizing the external inputs. The cultivation of healthy soil needs holistic engineering, which requires comprehensive integration of whole industry chain in the nexus of external input, crop production, products-processing, and waste recycling. Meanwhile, cross-disciplinary innovation, government-farmer-research-extension institute collaboration, and policy support and incentive systems are crucial for realizing soil health towards AGD.

Soil health; Agriculture green development; Limiting factors; Biofortification; Ecosystem multifunctionality

S154.4

A

10.11766/trxb202002220064

張俊伶，張江周，申建波，田靜，金可默，張福鎖. 土壤健康與農業綠色發展：機遇與對策[J]. 土壤學報，2020，57（4）：783–796.

ZHANG Junling，ZHANG Jiangzhou，SHEN Jianbo，TIAN Jing，JIN Kemo，ZHANG Fusuo. Soil Health and Agriculture Green Development：Opportunities and Challenges[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：783–796.

* 國家重點研發計劃項目（2016YFE0101100）、北京市科技支撐鄉村振興項目（Z191100004019013）和北京高校高精尖學科建設項目資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFE0101100），the Science and Technology Supports Rural Revitalization Project in Beijing（No. Z191100004019013）and the Beijing University Advanced Discipline Construction Project

，E-mail：zhangfs@cau.edu.cn

張俊伶（1970—），女，山西臨汾人，博士，教授，主要從事土壤健康與微生物研究。E-mail: junlingz@cau.edu.cn

2020–02–22；

2020–03–12；

2020–03–27

（責任編輯：盧 萍）