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科研｜土壤健康評估指標、框架及程序研究進展

來源：泰然健康網時間：2024年11月28日 08:43

土壤是一個整體的、動態(tài)的生命系統(tǒng)。長期以來，作物產量是衡量土壤優(yōu)劣的主要指標，而當前，人們越來越認識到土壤健康與水質調節(jié)、氣候變化和人類健康均密不可分，因此日益受到重視。2013 年 12 月第 68 屆聯(lián)合國大會正式通過決議，將 2015 年定為“國際土壤年”，主題為“健康土壤帶來健康生活”。維持土壤健康對人類可持續(xù)性發(fā)展至關重要。因此，需要一種透明的、可重復的方法來評估土壤健康。雖然不少學者已經提出了土壤健康評估方法，但是仍需不斷改進和完善，以滿足土壤健康管理的需要?；诖?，由李烜楨，駱永明，侯德義組成的研究團隊在本文系統(tǒng)總結了進行土壤健康評估的物理、化學和生物學指標及其表征意義，介紹了目前常用的土壤健康評估框架及其適用性，梳理了土壤健康評估的一般程序，旨在為建立符合我國國情的土壤健康評估方法提供借鑒。相關研究成果發(fā)表在《土壤學報》。本研究得到國家重點研發(fā)計劃項目（2020YFC1808000）資助。

土壤健康評估指標、框架及程序研究進展

李烜楨，駱永明，侯德義

摘要

土壤健康已經成為土壤學中的研究熱點。對土壤健康進行科學的評估是進行土壤健康管理和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的基礎。然而，由于土壤具有多種屬性和生態(tài)服務功能，科學地進行土壤健康評估面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文回顧了土壤健康概念的發(fā)展歷程，總結了進行土壤健康評估的物理、化學和生物學指標及其表征意義；介紹了目前常用的土壤健康評估框架及其適用性，梳理了土壤健康評估的一般程序，并指出我國未來的土壤健康評估應該關注碳匯指標、生物學指標和環(huán)境指標。本文旨在為建立符合我國國情的土壤健康評估方法提供借鑒。
關鍵詞：土壤健康；評估方法；指標；最小數據集；土壤健康指數

土壤是一個整體的、動態(tài)的生命系統(tǒng)。長期以來，作物產量是衡量土壤優(yōu)劣的主要指標，而當前，人們越來越認識到土壤健康與水質調節(jié)、氣候變化和人類健康均密不可分，因此日益受到重視。美國土壤學家 Doran 和 Zeiss較早明確提出了土壤健康的概念，他們認為土壤健康是土壤作為一個重要的生命系統(tǒng)，在生態(tài)系統(tǒng)和土地使用的界限內，維持動植物生產力，保障大氣和水環(huán)境質量，促進動植物健康的能力。該定義受到了聯(lián)合國糧食和農業(yè)組織的肯定和沿用。我國《耕地質量等級》（GB/T 33469—2016）將土壤健康定義為：作為一個動態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力。土壤健康是一個頗具生態(tài)文明色彩的詞匯，因為它將土壤當作一個有獨特生命力的客體對待，而不僅僅是服務于人類的工具，這是具有進步意義的。

2013 年 12 月第 68 屆聯(lián)合國大會正式通過決議，將 2015 年定為“國際土壤年”，主題為“健康土壤帶來健康生活”。在 2020 年 9 月召開的中國土壤學會第十四次全國會員代表大會上也將“守護土壤健康，助力高質發(fā)展”確定為大會主題。可見，土壤健康問題已經受到政府和學界的高度重視。

維持土壤健康對人類可持續(xù)性發(fā)展至關重要。因此，需要一種透明的、可重復的方法來評估土壤健康。雖然不少學者已經提出了土壤健康評估方法，但是仍需不斷改進和完善，以滿足土壤健康管理的需要。本文系統(tǒng)總結了進行土壤健康評估的物理、化學和生物學指標及其表征意義，介紹了目前常用的土壤健康評估框架及其適用性，梳理了土壤健康評估的一般程序，旨在為建立符合我國國情的土壤健康評估方法提供借鑒。

1 土壤健康評估的必要性和挑戰(zhàn)

1.1 進行土壤健康評估的必要性

土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務功能一般可分為可持續(xù)植物生產、水體質量調控、人類健康改善和氣候變化調節(jié)等四類，也有學者認為應分為支持服務、調節(jié)服務、供給服務和文化服務四類。目前全球所面臨的問題，尤其是糧食安全、水安全、氣候變化、生物多樣性等問題的解決，均與土壤有關。2015 年 9 月，聯(lián)合國發(fā)布的《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》所涵蓋 17項全球可持續(xù)發(fā)展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）中，涉及到土壤 16 種服務功能，其中與土壤直接相關的有 8 項，間接相關的有 5 項。因此，土壤健康程度將直接影響到可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。在過去幾十年里，土壤健康評估在科學界和農業(yè)生產者中受到越來越多的關注。

1.2 進行土壤健康評估的挑戰(zhàn)性

土壤健康評估的實質就是對其所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的評價。土壤健康指標很多，但是在土壤健康評估中需要對這些指標整合，以建立統(tǒng)一的土壤健康指數（Soil heath index）。目前公布的土壤健康指數數量相對較少，并且需要對眾多指標進行定量轉換和加權，以便將其納入最終的單一分值，因此構建土壤健康指數并非易事。指標值必須使用非線性關系進行轉換，因為較高的值并不總對應著較好的土壤健康狀況。例如，過高土壤 pH 均不利于土壤健康。為了確定最終的土壤健康分值，通常將所有指標均置于同等重要的地位。目前尚無單一的土壤健康指數可以表征所有的土壤屬性，從而開展土壤健康評估常常會面臨困難。

2 土壤健康評估的指標

2.1 土壤健康指標的遴選

土壤健康指標是指可以反映土壤某種健康屬性的指標。Rinot 等認為理想的土壤健康指標應滿足四個條件：（1）與土壤功能密切相關，可反映土壤物理、化學或生物屬性；（2）對土壤管理、土地利用、氣候變化等因素引起的土壤功能變化較為敏感；（3）具備操作性強、有效性高、準確性強、成本低廉等優(yōu)勢，并可在短時間內幫助決策；（4）可反映土壤功能與土壤健康管理目標之間的關系。但是，目前常用的指標中僅有少部分可同時滿足以上四個標準。例如，土壤中總有機碳含量是一個重要的指標，但是對環(huán)境變化的響應不敏感，因此也只能滿足上述的其中三個標準。習慣上，土壤健康指標可以分為物理指標、化學指標和生物學指標。由于土壤健康這一概念本身是由土壤質量發(fā)展而來的，因此一些土壤健康指標與土壤質量指標事實上是重疊的。

2.2 傳統(tǒng)的土壤健康指標

2.2.1 物理指標 最常見的物理指標有：容重、含水量和質地。多數土壤健康評估框架包括了田間持水量和容重指標。容重可反映土壤緊實度和孔隙度，易受到環(huán)境因素的影響，因此可作為土壤健康評估的主要物理指標。土壤水分不僅是養(yǎng)分運輸的介質，而且直接影響著水解過程，對土壤微生物多樣性的影響很大。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，影響著許多生物過程和農藝過程，是一個關鍵的土壤健康指標。

2.2.2 化學指標 化學指標在大多數土壤健康評估框架所涉及的指標中至少占了 40%，可見人們非常重視化學指標對土壤健康的指示作用。土壤 pH、有機質含量、碳含量、氮含量均是重要的化學指標。土壤 pH 決定了養(yǎng)分有效性，控制著土壤中微生物的多樣性，并影響土壤緩沖能力。土壤有機質含量影響著土壤的聚集性和穩(wěn)定性，并與土壤肥力緊密相關。土壤碳和氮含量，尤其是其中的活性組分含量，通常是影響土壤健康的關鍵變量，也是土壤中有機質含量的早期指標，對于土壤健康管理至關重要。

2.2.3 生物學指標 相對于傳統(tǒng)的物理和化學指標，生物學指標能更好地指示土壤健康。土壤生物包括細菌、真菌、藻類、原生動物和線蟲等，這些生命體相互作用，互相影響，在維持土壤健康方面發(fā)揮了重要作用。同時，土壤生物也劇烈的影響著土壤結構、養(yǎng)分循環(huán)、水分遷移、污染物降解等。在土壤生物中，土壤微生物的地位和作用最為關鍵，因此一直是土壤生物學的研究熱點。據統(tǒng)計，每克土壤中有數以億萬計的微生物，但其中高達 99%的物種及其功能尚屬未知，因此被稱為地球“微生物暗物質”。微生物作為單細胞生物，繁殖周期短，對環(huán)境變化反應敏感，因此是診斷土壤健康的理想指示生物，較土壤物理或化學指標更具優(yōu)越性。細菌普遍存在于環(huán)境中，是環(huán)境中生物地球化學循環(huán)的驅動因素。真菌可促進植物生長和養(yǎng)分循環(huán)，在維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著關鍵作用。因此，細菌和真菌數量和多樣性可以作為土壤健康的理想生物學指標。除此之外，微生物生物量、病原菌種類和數量，也常用來當作土壤健康的生物學指標。

酶學指標屬于生物學指標范疇。土壤酶活性與土壤有機質狀況及微生物活性密切相關，可視為土壤生產力和污染程度的量度。一些土壤酶，如淀粉酶、纖維素酶、幾丁質酶、脫氫酶、磷酸酶均常用于土壤健康評估。Chae 等評價了 8 種土壤酶（酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、過氧化氫酶、脫氫酶、熒光素二醋酸水解酶、蛋白酶、脲酶和 β-葡萄糖苷酶）在污染土壤修復效果評估中的指示作用，認為 β-葡萄糖苷酶是反映土壤健康的最佳酶學指標。

2.3 新興分析技術

某些傳統(tǒng)土壤健康指標分析方法耗時長、成本高，不能滿足大規(guī)模、實時性的土壤健康管理需求。隨著分析技術的快速發(fā)展，也給土壤健康評估的創(chuàng)新帶來契機。近年來，土壤健康指標的新興分析技術不斷涌現(xiàn)，其基本特點是快速、準確、價廉和高通量（表 1）。

3 土壤健康評估的框架

3.1 土壤健康評估框架發(fā)展現(xiàn)狀

土壤健康評估框架是指進行土壤健康評價的方法和程序。Morrow 等認為理想的土壤健康評估框架應滿足七個標準，即，（1）有足夠的事實依據，即來源于可靠的科學原理和可測量的土壤特性和過程；（2）對外界變化較為敏感，可響應土壤管理措施并適用于各種土壤條件；（3）在邏輯上可行，可在較短時間內有效地幫助決策；（4）成本較低，可在經濟承受范圍內進行評估；（5）具有較高的準確性和精確性，具有標準化評估方法和可重復的結果；（6）待測樣品應是原位的或是未被擾動的，以便獲得真實信息；（7）能夠及時地為管理者決策提供有價值的信息。

自從美國農業(yè)部科學家 Andrews 等提出土壤管理評價框架（Soil Management Assessment Framework，SMAF）后，土壤健康綜合評價（Comprehensive Assessment of Soil Health，CASH）、土壤健康評估工具（Soil Health Tool，SHT）等土壤健康評估方法應運而生。我國學者吳克寧等也提出了以表征耕地土壤功能與重金屬脅迫為核心的耕地土壤健康評價全流程研究框架。此外，趙瑞等和楊穎等分別進行了縣域尺度的耕地健康產能評價。由此可見，近年來國內外學者在土壤健康評估理論研究和實踐應用兩方面均取得了長足發(fā)展。

3.2 目前常用的土壤健康評估框架

3.2.1 土壤管理評價框架 SMAF 是美國研究人員最初為北美土壤質量評估開發(fā)的，在美國已經被廣泛用于農業(yè)和自然系統(tǒng)土壤的評估中，其特點是可以定量、動態(tài)反映土壤對近期管理措施的響應。目前，SMAF 擁有 13 個指標的評分曲線或解釋算法。Cherubin 等將 SMAF 用于巴西甘蔗田擴張對土壤健康影響的評估中，發(fā)現(xiàn)草地轉為甘蔗田對土壤健康有輕微的改善作用，主要表現(xiàn)為土壤肥力的提高。

3.2.2 土壤健康綜合評價 CASH 在早期被稱為康奈爾土壤健康試驗（Cornell Soil Health Test，CSHT），是為直接滿足農業(yè)土地管理者和研究者的需求而開發(fā)的。CASH 強調對農田特定限制因素的識別和確認，從而選擇最佳的土地管理辦法，以提高土壤生產力并減少對環(huán)境的影響。van Es 和 Karlen采用該方法分析了美國北卡羅萊納州三個長期試驗田 15 個土壤健康指標的數據，認為該框架可以滿足土壤健康評估需要。

3.2.3 土壤健康評估工具 SHT 是由美國農業(yè)部農業(yè)研究處（USDA Agricultural Research Service，USDA-ARS）為商業(yè)化的土壤測試而設計的，具有快速、價廉等優(yōu)勢。SHT 是將土壤視為一個有生命力的、高度一體化的、不斷演變的系統(tǒng)來分析土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化。與過去的土壤肥力評價相比，它采用了一種更為綜合的方法。SHT 還可以幫助使用者深入了解土壤化學和生物學之間復雜的相互作用，并通過科學地評估養(yǎng)分有效性、以及碳、氮和磷循環(huán)等信息，為農業(yè)生產者提供決策建議。

3.2.4 基于“需求-功能-維度-要素-指標”的耕地健康產能評價框架 為探尋適合我國新時代耕地健康產能評價的新理論與方法，趙瑞等從耕地產能評價與耕地健康診斷兩個維度出發(fā)，選取了耕地氣候條件、土壤特性、技術設施等 8 個要素，構建了基于“需求-功能-維度-要素-指標”的耕地健康產能評價框架。利用該框架，運用綜合算法、“1 + X”累加模型法、圖層疊加法定量評價了河南省溫縣耕地健康產能，收到了滿意的效果。

3.3 其他土壤健康評估框架

3.3.1 土壤健康數據庫 土壤健康數據庫（SoilHealthDB）由 Jian 等首次提出，主要用于評價四種農業(yè)措施（覆蓋作物、免耕、農林間作和有機農業(yè)）對土壤健康的影響。該框架包括 42 個土壤健康指標和 46 個背景指標，將氣候、海拔和土壤類型等因素均考慮在內。該數據庫具有在線、開源、實時更新等特點。SoilHealthDB 為農業(yè)生產者和科學家在農田規(guī)劃、評估和管理中提供了有價值的信息。

3.3.2 基于自然土壤生產力與人類管理的土壤健康指數 基于自然土壤生產力與人類管理的土壤健康指數（Soil health index based on natural soil productivity and human management）由Li 等提出。該方法強調自然土壤生產力及其外部投入的協(xié)同作用?；?10 天的歸一化差值植被指數Normalized difference vegetation index，NDVI），該方法可快速量化農業(yè)生產對土壤健康的影響。Li 等發(fā)現(xiàn)果園系統(tǒng)的土壤較玉米單作和小麥/玉米輪作兩種種植方式更為健康。

4 土壤健康評估程序

4.1 土壤健康評估的一般程序

在目前主流的土壤健康評估程序中，主要包括三個主要步驟：（1）選擇土壤屬性。通過主成分分析、相關性分析和聚類分析等數學方法降低變量維度，以獲得最小數據集合（Minimum Data Set，MDS），從中選擇最佳的土壤健康指標。（2）定量化。在得到最小化數據集后，采用適當方法將其轉化到具有可比性的同一維度上。常用的打分方法有標準化、差值法等，也可以根據評估目的設計其他適當的數學變換。（3）整合。根據設定的權重將各指標整合，通過專家估值、主成分分析或偏最小二乘法計算得到統(tǒng)一的土壤健康指數。
然而，這種土壤健康評估僅重視了土壤供給服務功能，而忽略了調節(jié)和支持服務功能。因此，Rinot 等認為必須對現(xiàn)有的框架進行改進，以便于對土壤的供給服務、調節(jié)服務和支持服務進行定量化描述。

4.2 新興土壤健康評估程序

多元復合評估方法（Multivariate-complex soil health approach）是 Rinot 等提出的一種采用不同視角評估土壤健康的新方法。與一般的土壤健康評估程序不同，該方法直接從土壤健康定義中的“土壤生態(tài)服務功能”入手，對各土壤指標進行逆向的篩選。這種“結果導向”的評估思路不僅有助于篩選出更具代表性的土壤指標，也利于農業(yè)、園林和生態(tài)工程中的實際應用。該方法主要分為三個步驟進行評估。第一步應盡可能廣泛地從不同土壤類型、用地類型和氣候條件下獲取土壤樣本，并進行物理、化學和生物學指標檢測，通過主成分分析、相關性分析和聚類分析等數學方法建立最小數據集，從中選擇最佳的土壤健康指標，以描述土壤所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。通過相關性分析和主成分分析來最小化需要測量的指標數量，然后使用聚類分析來確定每組在統(tǒng)計上相似的指標中最具代表性的指標。第二步是將原始數據轉換為標準化分值。常用的方法是將測量指標的絕對值轉換為相對值（0%~100%）。第三步是通過最小二乘模型實現(xiàn)數據整合。這些模型將為每個指標提供特定的系數，以表征其對每個土壤服務功能（供給服務、調節(jié)服務和支持服務）及整個模型的貢獻，然后剔除貢獻相對較低的指標。最后，結合所有相關土壤服務功能構建一個整體模型。

5 研究展望

5.1 “碳中和”大背景下應重視土壤的碳匯屬性

土壤有機質(碳)是土壤的關鍵屬性，是維持土壤生產力的基本條件，也是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，有機碳總量達到 1115~2220 Pg，約為大氣碳庫的 2 倍，在調節(jié)二氧化碳濃度和全球變化過程中具有舉足輕重的地位。2015 年聯(lián)合國氣候變化框架公約宣布啟動“千分之四全球土壤增碳計劃”，即每年增加土壤（2 m 深）4‰ 的有機碳，將抵消當年礦物燃料的碳排放。2020 年 9 月 22 日，我國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上莊嚴提出：中國將采取更加有力的政策和措施努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。因此，在這種大背景下，積極探索土壤固碳技術，提高土壤有機質(碳)含量，研究土壤碳匯指標與土壤健康的關系，并把碳匯指標科學的列入土壤健康評估中去，對于實現(xiàn)“碳中和”宏偉目標具有重要的現(xiàn)實意義。

5.2 應進一步重視土壤生物評價指標

生物學指標是土壤健康最直接的反映，較物理和化學指標更能代表土壤健康狀況。但與物理和化學指標相比，土壤生物學指標應用較少。其原因是目前對微生物與土壤功能之間的關系缺乏深入了解，尚有很多“未知”微生物種類和功能有待挖掘；此外生物學指標所采用的分析技術成本高、耗時長和難度大。而在目前的生物評價中，相對于微生物，對植物和小型動物指標的應用更少。植物尤其是農作物與人體健康緊密相關，因此作物產量和品質應作為土壤健康評估的指標。而動物也是土壤生態(tài)系統(tǒng)和食物網的重要組成部分，蚯蚓、線蟲等小型動物對土壤健康具有明顯的指示作用，在土壤健康評估中也應予以考慮。因此，今后應加強對生物學指標的研究，以全面評價土壤健康。

5.3 應考慮土壤環(huán)境質量要素

土壤污染問題已經成為一個全球性問題，且有日益加劇的趨勢。土壤污染將影響土壤各個生態(tài)服務功能，并最終影響人體健康。土壤環(huán)境要素是土壤健康的重要組成部分，但目前的土壤健康評估中鮮有考慮土壤環(huán)境要素。在我國，已經出臺了《農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018），詳細規(guī)定了土壤污染風險等級，對于土壤健康評估具有重要的借鑒意義。但是該標準所涉及的土壤污染物種類非常有限，尤其未包括很多新興污染物如微塑料、納米材料等。此外，污染物在土壤中的遷移、轉化特征因種類而異，不同污染物的毒效應又可相互影響，相互疊加，從而對土壤健康狀況構成復雜的影響。目前，我們對這種影響的定量評價還很滯后，一定程度限制了其在土壤健康評估中的應用。因此需加大對污染與土壤健康之間關系的研究力度，建立污染物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的劑量-效應關系，為土壤健康評估提供依據。需要注意的是，化學污染物有時會表現(xiàn)為有利的一面，例如向土中添加微塑料可提高土壤中可溶性有機碳、有機氮和有機磷含量，但不能簡單認為微塑料污染對土壤健康是有益的。因此，如何將化學污染物納入到土壤健康評估中來，是一個亟待解決的重要課題。

5.4 建立適合我國國情的土壤健康評估方法

我國土壤類型眾多，不同地區(qū)的氣候、水文條件差異較大，在建立土壤健康評估方法時，應注意“土壤健康”的相對性，不同的土壤類型應賦予不同的土壤健康標準。以有機質指標為例，我國東北黑土有機質本底值較高，但不能忽視近年來有機質不斷下降的現(xiàn)實，仍應重視其健康風險；而我國西南某些原本貧瘠的石漠化土壤，經過治理后，有機質含量逐步增加，仍可視為健康土壤。因此，要建立符合我國國情的土壤健康評估方法，在指標的選擇上，應根據不同地區(qū)土壤類型、地理因素和氣候條件，因地制宜，進行“彈性化”評估，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。

作者：李烜楨1，駱永明2，侯德義3*

1 河南農業(yè)大學林學院

2 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室（南京土壤研究所）

3* 清華大學

網址: 科研｜土壤健康評估指標、框架及程序研究進展 http://www.u1s5d6.cn/newsview149250.html