?土壤與生態(tài)系統(tǒng)健康：從性質(zhì)研究到分區(qū)管理

楊順華 楊飛

（中國科學院南京土壤研究所）

（原發(fā)于高端科普雜志《科學》2019年第11期）

摘要：萬物土中生，土壤是人類社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎，土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康關乎人類福祉。本文從我國土壤資源的空間格局出發(fā)，分析土壤性質(zhì)與污染物活性之間的關系，探討土壤污染區(qū)域差異的原因，最后指出因地制宜、分區(qū)管理是實現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的必由之路。

關鍵詞：土壤生態(tài)系統(tǒng)健康   土壤污染   土壤性質(zhì)   空間格局   分區(qū)管理

2019年9月23日，聯(lián)合國氣候變化峰會在紐約聯(lián)合國總部舉行。一個來自瑞典的16歲女孩通貝里（G.Thunberg）因一場近乎控訴的“你們怎么敢這樣?。℉ow Dare You!）”的演講成為整個會場最耀眼的明星，氣候變化也再次成為全球矚目的焦點話題。其實，對于這場關乎人類命運的世紀之戰(zhàn)，土壤學家早就給出了自己的解決方案——讓土壤來固定大氣中更多的二氧化碳[1]。事實上，土壤作為陳鋪在地球表面的一層薄薄皮膚，是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，處于地球關鍵帶的核心位置，有著除固碳和生產(chǎn)糧食之外的更多功能，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。聯(lián)合國于2015年發(fā)布《變革我們的世界——2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，在其提出的17項全球可持續(xù)發(fā)展目標中，有13項直接或間接與土壤有關，充分表明土壤及其功能與生態(tài)系統(tǒng)服務對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務是指土壤生態(tài)系統(tǒng)提供給人類社會的惠益，包括供給服務（食物、淡水、木材、纖維和燃料等）、調(diào)節(jié)服務（氣候、洪水、侵蝕和生物過程等）、文化服務（休閑、娛樂和教育等）和支持服務（養(yǎng)分循環(huán)、棲息地和生物多樣性等）。實現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的穩(wěn)定、持續(xù)輸出，關鍵在于對土壤性質(zhì)的有效管理與利用[2]。例如，我國南方地區(qū)紅壤廣布，是重要的糧食和經(jīng)濟林木、果樹生產(chǎn)基地。然而，由于長期不合理利用，土壤存在著侵蝕、肥力減退和酸化等問題。因而，如何改良土壤酸度、增加土壤有機質(zhì)就成了科研人員的首要任務。又比如，華北平原歷史上一直是農(nóng)耕發(fā)達的地區(qū)，然而隨著時間的推移，這片土地慢慢地變成了鹽堿地，威脅作物生產(chǎn)。以中國科學院南京土壤研究所熊毅、席承藩先生為首的團隊用井灌井排的洗鹽技術，成功地解決了鹽堿地生產(chǎn)力低下的問題。

目前，土壤生態(tài)系統(tǒng)的整體健康狀況不容樂觀。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織于2015年發(fā)布的《世界土壤資源狀況報告》，全球范圍內(nèi)，土壤仍然面臨著侵蝕、有機質(zhì)喪失、養(yǎng)分不平衡、酸化、污染、水澇、板結、地表硬化、鹽漬化和生物多樣性喪失等多項威脅[3]。例如，僅土壤侵蝕每年就會造成250億~400億噸的表土流失。2019年世界土壤日的主題就被定為“防止土壤侵蝕，拯救人類未來（Stopsoil erosion, save our future）”，意在呼吁更多的人關注土壤侵蝕帶來的生態(tài)系統(tǒng)健康問題。近年來呈爆發(fā)式增長的土壤污染事件，也頻頻牽動著公眾的神經(jīng)。這些土壤問題給生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況蒙上了一層陰影，制約著全球可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。維持土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)供給，離不開對土壤形成過程及其性質(zhì)的理解，并據(jù)此制定因地制宜的管理措施。

關鍵土壤性質(zhì)、土壤功能和生態(tài)系統(tǒng)服務及人類福祉的關系[2]

空間格局：

過程的反映、健康的地圖

俄羅斯是世界上國土面積最大的國家，具有180萬平方千米的肥沃黑鈣土。然而，19世紀中葉，這個國家卻屢遭干旱侵襲，導致農(nóng)業(yè)歉收、民不聊生，像極了一個守著金山銀山卻天天餓肚子的人。在這樣的背景下，來自圣彼得堡大學的地質(zhì)學博士研究生多庫恰耶夫（V. V.Dokuchaev），開始了一系列廣泛而詳實的土壤調(diào)查，并據(jù)此完成了自己的博士論文《俄羅斯黑鈣土》。這篇論文深刻揭示了土壤不僅僅是巖石風化的產(chǎn)物，而是在氣候、生物、母質(zhì)、地形和年齡（時間）這五大要素共同作用下形成的歷史自然體[4]，并首次將土壤定義為“在水、空氣和活的或死的各種有機體共同作用下改變了的巖石表層或亞表層”。這一論斷揭示了土壤學這門學科的化學和地質(zhì)學屬性，為人們重新認識土壤形成和發(fā)育過程奠定了基礎，也為合理利用和科學管理土壤資源提供了一個全新的視角。

我國是世界上土壤資源最為豐富的國家。北京中山公園社稷壇中的五色土壇展示了我國土壤資源的基本面貌：東方青土、西方白土、南方紅土、北方黑土和中部黃土。藏在這些顏色背后的，是不同地域土壤形成的獨特生境。例如，南方氣候高溫多雨，雨水的沖刷導致土壤中易溶于水的物質(zhì)大量流失，從而使得難溶于水的氧化鐵主導了土壤的顏色，形成了南方常見的紅壤。世界上幅員較大的國家包括俄羅斯、加拿大、中國和美國等，但論土壤資源類型，我國復雜的地形、氣候條件以及歷史悠久的人為耕種歷史決定了我國的土壤資源數(shù)量無可匹敵。根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類，我國土壤包含14個土綱，39個亞綱，138個土類，588個亞類，土系數(shù)量保守估計不少于20 000個，充分說明了土壤資源類型之豐富和變異程度之大，也說明土壤形成過程和空間布局的多樣性和復雜性。

土壤性質(zhì)既是土壤過程的產(chǎn)物，又是土壤功能的基礎，具有明顯的空間格局。以土壤pH為例，我國土壤pH的基本格局是“南酸北堿”。從氣候上來講，南方高溫多雨，豐富的降水帶走了大量的土壤鹽基離子，為了維持土壤中主要陰陽離子的平衡，大量的氫離子被釋放到土壤中以占據(jù)土壤陽離子留下的位置，導致土壤呈現(xiàn)酸性反應。與此相反，干旱少雨的北方地區(qū)則能夠維持相對較高的土壤pH。此外，酸雨、施肥等也在土壤pH空間格局的形成中扮演了重要角色。酸雨是酸性沉積物的總稱，包括酸性的雨、霧、雪、霜等形式的降水和氣態(tài)的酸性污染物。由于酸雨對生態(tài)系統(tǒng)的危害極大，從20世紀五六十年代開始，就被當作一個重要的世界環(huán)境問題來考慮，其中的一個后果就是土壤酸化。酸雨帶來的氫離子進入土壤，將吸附在土壤膠體表面的一些植物生長必需的陽離子如鈣離子替換，導致養(yǎng)分隨雨水從土體中流失，威脅植物的正常生長。施肥也加速了土壤的酸化過程。氮是作物生長必需的元素，而作物一般只能利用土壤中以硝酸根（NO3－）和銨根（NH4＋）形態(tài)存在的氮。在氧化環(huán)境下，NH4+極易在土壤微生物的參與下，發(fā)生硝化反應轉化成NO3－，產(chǎn)生氫離子。如果施肥量大，硝化反應產(chǎn)生的氫離子將加速土壤的酸化。據(jù)報道，由于高強度的農(nóng)業(yè)利用，中國主要產(chǎn)糧區(qū)的土壤pH在1980年到2000年之間下降了0.5個單位[5]。

北京中山公園社稷壇中的“五色土”示意圖

掌握土壤性質(zhì)的空間格局對于了解土壤資源稟賦和指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很強的現(xiàn)實意義。但由于目的不同，人們對土壤性質(zhì)的信息需求也有所不同。例如，農(nóng)民主要關心與作物收成直接相關的土壤肥力狀況，而國家為保證糧食安全，需全面掌握我國土壤資源的稟賦。要掌握這些信息，傳統(tǒng)的方法主要依賴于農(nóng)民的經(jīng)驗或者基于土壤點位的采樣與分析技術。但利用這些方法獲取的土壤性質(zhì)信息不僅存在很高的不確定性，還容易因施肥的盲目性而造成肥料的浪費和環(huán)境污染，而且費時費力，難以獲取空間連續(xù)的土壤信息。為摸清我國土壤資源的“家底”，基于正在進行的中國土系調(diào)查數(shù)據(jù)，土壤學家利用最新的數(shù)字土壤制圖技術，按照全球土壤圖網(wǎng)絡（Globalsoilmap.net）的國際制圖標準，制作了一系列中國土壤屬性圖。其中，表層土壤pH圖很好地展示了我國土壤“南酸北堿”的基本格局。土壤有機質(zhì)也是一個重要的土壤屬性，包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其不同分解階段的產(chǎn)物，它既是土壤肥力的物質(zhì)基礎，也是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容。土壤有機質(zhì)的空間分布同時受氣候、母質(zhì)、生物、地形和時間的影響，因此呈現(xiàn)較強的空間異質(zhì)性。我國土壤有機質(zhì)的空間分布具有明顯的地帶性分布規(guī)律：東部地區(qū)，由東北向西南逐步遞減，至長江流域以南又有所回升；由東向西的方向上，由于水分的減少，土壤有機質(zhì)含量逐步下降。這些土壤性質(zhì)就像醫(yī)生診斷病人需要用到的一項項生理指標，指導著人們對土壤健康狀況的判斷，而土壤性質(zhì)的空間格局，則是土壤健康狀況的指標地圖，很好地反映了不同地域土壤的基本特征。

土壤污染：

威脅土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的定時炸彈

近年來，頻發(fā)的食品安全問題使土壤污染成為社會熱點。一般來講，土壤污染是指人為有意或無意地將對人類本身和其他生命體有害的物質(zhì)施加到土壤中，使其某種成分的含量明顯高于原有含量、并引起現(xiàn)存或潛在的土壤環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[6]。除此之外，在一些特殊的地區(qū)，一些土壤元素在自然狀況下具有很高的背景值，外界環(huán)境的變化，如洪水泛濫引起的物質(zhì)遷移，也會引起土壤污染事件。土壤污染的類型一般可以分為：①有機物污染，多由農(nóng)藥、多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯等有機物引起；②無機污染物，如金屬采礦活動引入大量重金屬元素；③生物污染，如某些能夠危害植物生長甚至人體健康的土壤病菌；④放射性物質(zhì)污染，一般指進入土壤中的各種放射性核素，如核彈爆炸帶來的粉塵。土壤污染物通過食物鏈傳遞進入人體，嚴重威脅著人體健康。1942年，美國胡克化學公司購買了已經(jīng)干涸的拉夫運河（LoveCanal），用于處理工業(yè)廢棄物，十余年間，共計兩萬余噸有毒廢棄物被埋入地下。1953年，紐約市政府以極其低廉的價格從胡克化學公司手中購得這塊土地，并將其開發(fā)成了一塊住宅小區(qū)。諷刺的是，這塊土地并沒有像它的名字Love（愛）那樣向人們展現(xiàn)愛意，而是給居民們帶來了無盡的噩夢。1977年開始，小區(qū)居民不斷罹患各種怪病，包括嬰兒畸形、兒童夭折、孕婦流產(chǎn)和各種癌癥。原來，那些被埋入地下的有毒物質(zhì)并沒有隨著小區(qū)的建成而消失，而是悄悄地潛伏了下來，等待一個爆發(fā)的時機。事情被揭露后，引起了巨大的社會反響，成了著名的拉夫運河污染事件。拉夫運河污染事件直接推動了美國土壤污染立法的進步，也強化了國際社會防治土壤污染的意識。事實證明，當土壤污染超出了土壤的承受極限，其引發(fā)的后果將是讓人難以承受的。

近年來，我國的土壤污染事件也頻頻見諸報端。2015年，江蘇常州外國語學校的土壤和地下水污染事件讓人記憶猶新。這些問題之所以在近年內(nèi)凸顯，一方面可能與人們對環(huán)保的愈加重視和新媒體時代更有效的傳播手段有關，另一方面在某些地區(qū)這些問題的嚴重性確實也在進一步加劇。土壤污染的防治因而也成了繼大氣污染和水污染防治之后的又一個環(huán)保戰(zhàn)場。2018年12月5日，聯(lián)合國糧農(nóng)組織將世界土壤日的主題定為“土壤污染的解決方案（Be thesolution to soil pollution）”，呼吁各國人民共同保護土壤這一近乎不可再生的資源，為當前面臨的土壤污染問題建言獻策。在我國，2016年5月28日，國務院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》（俗稱“土十條”），標志著對我國存在的土壤環(huán)境質(zhì)量“九龍治水”、責任不明確的問題正式宣戰(zhàn)。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部和國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》和《土壤環(huán)境質(zhì)量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》，進一步體現(xiàn)了國家保護土壤環(huán)境質(zhì)量、管控土壤污染風險的決心。

工廠附近被污染的土壤，右圖菜葉上沾滿降塵[4]。(黃標 攝)

土壤污染固然與環(huán)境中污染物的累積有關，但其有害性一般很難用全量來評估，因為其生物有效性（能被植物直接吸收利用的部分）與土壤性質(zhì)本身有著莫大的聯(lián)系。例如，鎘一般在土壤呈酸性的條件下表現(xiàn)出更高的生物活性從而更容易被植物吸收。由于土壤具有吸附、分散和降解環(huán)境污染物的能力，一般來講，化學物質(zhì)在土壤中的累積與儲存，在一定時間內(nèi)并不表現(xiàn)出其危害性，但當儲量超過土壤的承受極限（負載容量）或者當氣候、土地利用方式或者環(huán)境發(fā)生較大變化時，污染物的活性就會被激發(fā)，產(chǎn)生危害性，這一現(xiàn)象被相關學者形象地稱作“化學定時炸彈”。例如，在中、東歐部分國家，上百年的工業(yè)化進程導致森林土壤pH下降明顯，在土壤的酸緩沖能力達到極限之后，土壤中的鋁大量活化而被植物吸收，在1980年代導致了大片林木的死亡。在我國廣大的南方紅壤地區(qū)，土壤本身pH呈酸性，再加上工業(yè)活動、酸雨和施肥的影響，土壤酸化問題也十分突出，這就為“化學定時炸彈”的爆發(fā)積聚了很強的“勢能”。龔子同等 [7]研究認為，“化學定時炸彈”的內(nèi)在觸爆因素包括土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤陽離子交換量、pH、土壤氧化還原電位和水鹽運動等。為了防止“化學定時炸彈”的爆發(fā)，一方面需要切斷污染源，必要時可以從調(diào)控土壤性質(zhì)著手，切斷炸彈的“引信”。曾凡榮等[8]定量研究了幾種重金屬有效性與土壤屬性的關系，發(fā)現(xiàn)土壤有效鉻的含量與pH呈現(xiàn)負相關關系，而與土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為正相關關系。土壤性質(zhì)與土壤污染之間的這些關系，深刻地左右了土壤污染物活性的區(qū)域差異。

當前，土壤污染已經(jīng)成為土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的一個重大威脅?？刂仆寥牢廴驹垂倘皇且粋€釜底抽薪的辦法，但由于經(jīng)濟發(fā)展的需求，我們暫時無法完全擺脫對資源的消耗，也就無法從根源上斬斷污染的來源。由于土壤性質(zhì)的區(qū)域差異帶來的土壤“體質(zhì)”差異，土壤對污染物的“抵抗力”也具有明顯的差異。例如，南方土壤pH多呈酸性，更加有利于鎘的活化，增大了植物吸收鎘的風險。因此，根據(jù)土壤性質(zhì)的差異來制定適合于當?shù)氐耐寥牢廴局卫矸桨?，可能是土壤環(huán)境治理的一條必由之路。

因地制宜：

土壤生態(tài)系統(tǒng)健康管理的藥方

根據(jù)國家環(huán)境保護部與國土資源部2014年聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，總體超標率16.1%，中度和重度污染點位比例分別為1.5%和1.1%，鎘、汞、砷和鉛四種無機污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向升高的區(qū)域化態(tài)勢，其中鎘污染主要集中在遼東半島、東北和長江以南的華南地區(qū)等地 [9]。由于受江、湖流域沿岸的采礦、冶煉和污水灌溉等活動的影響，土壤污染的流域性特征也十分明顯。例如，湖南湘、資、沅、澧四水流域土壤重金屬超標現(xiàn)象十分嚴重且重金屬元素種類繁多。另外，由于土壤性質(zhì)對成土母質(zhì)具有繼承性，西南地區(qū)一些含重金屬元素較高的巖石在風化成土過程中，大量重金屬被釋放到土壤中，也容易造成土壤重金屬含量的嚴重超標。土壤機械組成也是影響土壤污染物遷移的重要屬性。這些自然現(xiàn)象如與人為作用疊加，往往會造成更為嚴重的土壤污染事件。

土壤污染區(qū)域性空間格局產(chǎn)生的原因主要集中在自然因素、人為因素和管理因素三個方面[10]。自然原因主要包括地球化學元素的高背景值、自然災害和地質(zhì)外營力導致的物質(zhì)重新分配等。根據(jù)我國地球化學類型的組合和分布特點，可從西北至東南將我國土壤劃分為鹽漬土區(qū)、碳酸鹽土區(qū)、硅鋁土區(qū)和鐵鋁土區(qū)四個大區(qū)[11]。鹽漬土區(qū)分布廣泛，約占全國土地面積的29%，包括我國西部內(nèi)陸的干旱區(qū)，該區(qū)土壤質(zhì)地較粗，呈堿性至強堿性反應，土壤中普遍帶有鹽分。碳酸鹽土區(qū)中的易溶性鹽類已經(jīng)淋失掉，富集了大量的鈣、鎂和碳酸鹽，土壤呈堿性反應。硅鋁土區(qū)中土壤鹽分則已經(jīng)完全淋失，碳酸鹽也基本淋失，土壤呈酸性反應。鐵鋁土區(qū)分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)，易溶鹽、碳酸鹽和大部分鹽基已淋失，留下了大量相對聚集的鐵、鋁（水）氧化物。這些內(nèi)源性因素奠定了土壤元素空間分布的基本格局。而人為因素則可能對土壤污染區(qū)域性的自然格局進一步重塑。一方面，在經(jīng)濟發(fā)展中具有資源消耗高、污染排放大等特點的區(qū)域，在發(fā)展過程中會不可避免地產(chǎn)生污染物。這些人為產(chǎn)生的物質(zhì)或直接進入水體和土壤，或通過地表徑流和大氣沉降等方式造成二次污染，改變了土壤污染的空間格局。另一方面，農(nóng)藥、化肥和污水灌溉可能進一步加劇耕地土壤的區(qū)域性差異。為了追求農(nóng)作物高產(chǎn)，大量農(nóng)藥和化肥被施入土壤，而某些肥料中常常含有一定量的重金屬元素，如常用的磷肥中含有一定量的重金屬鎘，長期施用這些肥料會導致土壤重金屬含量的升高。使用未經(jīng)無害化處理的污水灌溉則是耕地土壤區(qū)域化差異的另一個重要因素。管理因素主要體現(xiàn)在土壤污染無法可依和現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標準的不完善上。2018年頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》和《土壤環(huán)境質(zhì)量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》僅僅給出了農(nóng)用地和建設用地土壤環(huán)境標準的全國統(tǒng)一值，并沒有綜合考慮我國土壤類型及其背景值的區(qū)域差異。此外，確定風險篩選值和管制值只按照pH進行了區(qū)間劃分，實際上土壤的環(huán)境容量還跟其他土壤性質(zhì)有關[12]。例如，有機質(zhì)可以緩沖污染物、土壤母質(zhì)風化程度的差異可以影響元素的釋放與遷移。2019年1月1日，《中華人民共和國土壤污染防治法》正式施行，標志著無法可依的局面得到了改善。

我國人口眾多、資源制約明顯，如何實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用仍然是亟待解決的問題。首先，高山與干旱區(qū)面積占全國土地面積的40%以上，極大地限制了我國土壤資源的糧食生產(chǎn)能力。其次，工業(yè)化和城市化建設，又給土壤帶來了耕地占用、土壤退化嚴重、土壤污染加劇等嚴重影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的新問題。當前，我國土壤質(zhì)量和功能研究仍處于分類、分級區(qū)劃的探索階段[13]，尚未真正實行分區(qū)管理和分區(qū)治理的政策，這既不符合土壤質(zhì)量區(qū)域差異的客觀性，也不利于區(qū)域土壤資源的可持續(xù)利用。土壤生態(tài)系統(tǒng)健康亟須貫徹分區(qū)管理的思想。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，以診斷層和診斷特性為基礎的分類標準以其定量化和標準化的特點逐漸被世界各國接受。我國土壤系統(tǒng)分類工作也取得了長足的進步，在已經(jīng)完成高級分類單元的基礎上，正在進行的基層分類單元也更強調(diào)與生產(chǎn)應用和環(huán)境保護的結合。數(shù)字土壤制圖技術也正在實現(xiàn)從土壤類型和土壤屬性制圖向土壤功能、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務制圖的跨越。在此基礎上，考慮我國土壤類型及其土壤元素背景值的區(qū)域差異，建立因地制宜的土壤管理措施對于土壤生態(tài)系統(tǒng)健康的管理具有重要意義。

參考文獻

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