首頁(yè) 資訊科研｜土壤健康評(píng)估指標(biāo)、框架及程序研究進(jìn)展

科研｜土壤健康評(píng)估指標(biāo)、框架及程序研究進(jìn)展

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年11月28日 08:43

土壤是一個(gè)整體的、動(dòng)態(tài)的生命系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，作物產(chǎn)量是衡量土壤優(yōu)劣的主要指標(biāo)，而當(dāng)前，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到土壤健康與水質(zhì)調(diào)節(jié)、氣候變化和人類(lèi)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(guó)大會(huì)正式通過(guò)決議，將 2015 年定為“國(guó)際土壤年”，主題為“健康土壤帶來(lái)健康生活”。維持土壤健康對(duì)人類(lèi)可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。因此，需要一種透明的、可重復(fù)的方法來(lái)評(píng)估土壤健康。雖然不少學(xué)者已經(jīng)提出了土壤健康評(píng)估方法，但是仍需不斷改進(jìn)和完善，以滿(mǎn)足土壤健康管理的需要。基于此，由李烜楨，駱永明，侯德義組成的研究團(tuán)隊(duì)在本文系統(tǒng)總結(jié)了進(jìn)行土壤健康評(píng)估的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)及其表征意義，介紹了目前常用的土壤健康評(píng)估框架及其適用性，梳理了土壤健康評(píng)估的一般程序，旨在為建立符合我國(guó)國(guó)情的土壤健康評(píng)估方法提供借鑒。相關(guān)研究成果發(fā)表在《土壤學(xué)報(bào)》。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFC1808000）資助。

土壤健康評(píng)估指標(biāo)、框架及程序研究進(jìn)展

李烜楨，駱永明，侯德義

摘要

土壤健康已經(jīng)成為土壤學(xué)中的研究熱點(diǎn)。對(duì)土壤健康進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估是進(jìn)行土壤健康管理和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)。然而，由于土壤具有多種屬性和生態(tài)服務(wù)功能，科學(xué)地進(jìn)行土壤健康評(píng)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(jié)了進(jìn)行土壤健康評(píng)估的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)及其表征意義；介紹了目前常用的土壤健康評(píng)估框架及其適用性，梳理了土壤健康評(píng)估的一般程序，并指出我國(guó)未來(lái)的土壤健康評(píng)估應(yīng)該關(guān)注碳匯指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)。本文旨在為建立符合我國(guó)國(guó)情的土壤健康評(píng)估方法提供借鑒。
關(guān)鍵詞：土壤健康；評(píng)估方法；指標(biāo)；最小數(shù)據(jù)集；土壤健康指數(shù)

土壤是一個(gè)整體的、動(dòng)態(tài)的生命系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，作物產(chǎn)量是衡量土壤優(yōu)劣的主要指標(biāo)，而當(dāng)前，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到土壤健康與水質(zhì)調(diào)節(jié)、氣候變化和人類(lèi)健康均密不可分，因此日益受到重視。美國(guó)土壤學(xué)家 Doran 和 Zeiss較早明確提出了土壤健康的概念，他們認(rèn)為土壤健康是土壤作為一個(gè)重要的生命系統(tǒng)，在生態(tài)系統(tǒng)和土地使用的界限內(nèi)，維持動(dòng)植物生產(chǎn)力，保障大氣和水環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力。該定義受到了聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織的肯定和沿用。我國(guó)《耕地質(zhì)量等級(jí)》（GB/T 33469—2016）將土壤健康定義為：作為一個(gè)動(dòng)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(gè)頗具生態(tài)文明色彩的詞匯，因?yàn)樗鼘⑼寥喇?dāng)作一個(gè)有獨(dú)特生命力的客體對(duì)待，而不僅僅是服務(wù)于人類(lèi)的工具，這是具有進(jìn)步意義的。

2013 年 12 月第 68 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)正式通過(guò)決議，將 2015 年定為“國(guó)際土壤年”，主題為“健康土壤帶來(lái)健康生活”。在 2020 年 9 月召開(kāi)的中國(guó)土壤學(xué)會(huì)第十四次全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)上也將“守護(hù)土壤健康，助力高質(zhì)發(fā)展”確定為大會(huì)主題?？梢?jiàn)，土壤健康問(wèn)題已經(jīng)受到政府和學(xué)界的高度重視。

維持土壤健康對(duì)人類(lèi)可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。因此，需要一種透明的、可重復(fù)的方法來(lái)評(píng)估土壤健康。雖然不少學(xué)者已經(jīng)提出了土壤健康評(píng)估方法，但是仍需不斷改進(jìn)和完善，以滿(mǎn)足土壤健康管理的需要。本文系統(tǒng)總結(jié)了進(jìn)行土壤健康評(píng)估的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)及其表征意義，介紹了目前常用的土壤健康評(píng)估框架及其適用性，梳理了土壤健康評(píng)估的一般程序，旨在為建立符合我國(guó)國(guó)情的土壤健康評(píng)估方法提供借鑒。

1 土壤健康評(píng)估的必要性和挑戰(zhàn)

1.1 進(jìn)行土壤健康評(píng)估的必要性

土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能一般可分為可持續(xù)植物生產(chǎn)、水體質(zhì)量調(diào)控、人類(lèi)健康改善和氣候變化調(diào)節(jié)等四類(lèi)，也有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)分為支持服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)和文化服務(wù)四類(lèi)。目前全球所面臨的問(wèn)題，尤其是糧食安全、水安全、氣候變化、生物多樣性等問(wèn)題的解決，均與土壤有關(guān)。2015 年 9 月，聯(lián)合國(guó)發(fā)布的《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》所涵蓋 17項(xiàng)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（Sustainable Development Goals，SDGs）中，涉及到土壤 16 種服務(wù)功能，其中與土壤直接相關(guān)的有 8 項(xiàng)，間接相關(guān)的有 5 項(xiàng)。因此，土壤健康程度將直接影響到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在過(guò)去幾十年里，土壤健康評(píng)估在科學(xué)界和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者中受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1.2 進(jìn)行土壤健康評(píng)估的挑戰(zhàn)性

土壤健康評(píng)估的實(shí)質(zhì)就是對(duì)其所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)。土壤健康指標(biāo)很多，但是在土壤健康評(píng)估中需要對(duì)這些指標(biāo)整合，以建立統(tǒng)一的土壤健康指數(shù)（Soil heath index）。目前公布的土壤健康指數(shù)數(shù)量相對(duì)較少，并且需要對(duì)眾多指標(biāo)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換和加權(quán)，以便將其納入最終的單一分值，因此構(gòu)建土壤健康指數(shù)并非易事。指標(biāo)值必須使用非線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因?yàn)檩^高的值并不總對(duì)應(yīng)著較好的土壤健康狀況。例如，過(guò)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(biāo)均置于同等重要的地位。目前尚無(wú)單一的土壤健康指數(shù)可以表征所有的土壤屬性，從而開(kāi)展土壤健康評(píng)估常常會(huì)面臨困難。

2 土壤健康評(píng)估的指標(biāo)

2.1 土壤健康指標(biāo)的遴選

土壤健康指標(biāo)是指可以反映土壤某種健康屬性的指標(biāo)。Rinot 等認(rèn)為理想的土壤健康指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足四個(gè)條件：（1）與土壤功能密切相關(guān)，可反映土壤物理、化學(xué)或生物屬性；（2）對(duì)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(qiáng)、有效性高、準(zhǔn)確性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，并可在短時(shí)間內(nèi)幫助決策；（4）可反映土壤功能與土壤健康管理目標(biāo)之間的關(guān)系。但是，目前常用的指標(biāo)中僅有少部分可同時(shí)滿(mǎn)足以上四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。例如，土壤中總有機(jī)碳含量是一個(gè)重要的指標(biāo)，但是對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)不敏感，因此也只能滿(mǎn)足上述的其中三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。習(xí)慣上，土壤健康指標(biāo)可以分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)。由于土壤健康這一概念本身是由土壤質(zhì)量發(fā)展而來(lái)的，因此一些土壤健康指標(biāo)與土壤質(zhì)量指標(biāo)事實(shí)上是重疊的。

2.2 傳統(tǒng)的土壤健康指標(biāo)

2.2.1 物理指標(biāo) 最常見(jiàn)的物理指標(biāo)有：容重、含水量和質(zhì)地。多數(shù)土壤健康評(píng)估框架包括了田間持水量和容重指標(biāo)。容重可反映土壤緊實(shí)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(píng)估的主要物理指標(biāo)。土壤水分不僅是養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，而且直接影響著水解過(guò)程，對(duì)土壤微生物多樣性的影響很大。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響著許多生物過(guò)程和農(nóng)藝過(guò)程，是一個(gè)關(guān)鍵的土壤健康指標(biāo)。

2.2.2 化學(xué)指標(biāo) 化學(xué)指標(biāo)在大多數(shù)土壤健康評(píng)估框架所涉及的指標(biāo)中至少占了 40%，可見(jiàn)人們非常重視化學(xué)指標(biāo)對(duì)土壤健康的指示作用。土壤 pH、有機(jī)質(zhì)含量、碳含量、氮含量均是重要的化學(xué)指標(biāo)。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(jī)質(zhì)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(guān)。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(guān)鍵變量，也是土壤中有機(jī)質(zhì)含量的早期指標(biāo)，對(duì)于土壤健康管理至關(guān)重要。

2.2.3 生物學(xué)指標(biāo) 相對(duì)于傳統(tǒng)的物理和化學(xué)指標(biāo)，生物學(xué)指標(biāo)能更好地指示土壤健康。土壤生物包括細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)、原生動(dòng)物和線蟲(chóng)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(shí)，土壤生物也劇烈的影響著土壤結(jié)構(gòu)、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(guān)鍵，因此一直是土壤生物學(xué)的研究熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每克土壤中有數(shù)以?xún)|萬(wàn)計(jì)的微生物，但其中高達(dá) 99%的物種及其功能尚屬未知，因此被稱(chēng)為地球“微生物暗物質(zhì)”。微生物作為單細(xì)胞生物，繁殖周期短，對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)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(xué)指標(biāo)更具優(yōu)越性。細(xì)菌普遍存在于環(huán)境中，是環(huán)境中生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)因素。真菌可促進(jìn)植物生長(zhǎng)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(guān)鍵作用。因此，細(xì)菌和真菌數(shù)量和多樣性可以作為土壤健康的理想生物學(xué)指標(biāo)。除此之外，微生物生物量、病原菌種類(lèi)和數(shù)量，也常用來(lái)當(dāng)作土壤健康的生物學(xué)指標(biāo)。

酶學(xué)指標(biāo)屬于生物學(xué)指標(biāo)范疇。土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)狀況及微生物活性密切相關(guān)，可視為土壤生產(chǎn)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(zhì)酶、脫氫酶、磷酸酶均常用于土壤健康評(píng)估。Chae 等評(píng)價(jià)了 8 種土壤酶（酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、過(guò)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(fù)效果評(píng)估中的指示作用，認(rèn)為 β-葡萄糖苷酶是反映土壤健康的最佳酶學(xué)指標(biāo)。

2.3 新興分析技術(shù)

某些傳統(tǒng)土壤健康指標(biāo)分析方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，不能滿(mǎn)足大規(guī)模、實(shí)時(shí)性的土壤健康管理需求。隨著分析技術(shù)的快速發(fā)展，也給土壤健康評(píng)估的創(chuàng)新帶來(lái)契機(jī)。近年來(lái)，土壤健康指標(biāo)的新興分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其基本特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、價(jià)廉和高通量（表 1）。

3 土壤健康評(píng)估的框架

3.1 土壤健康評(píng)估框架發(fā)展現(xiàn)狀

土壤健康評(píng)估框架是指進(jìn)行土壤健康評(píng)價(jià)的方法和程序。Morrow 等認(rèn)為理想的土壤健康評(píng)估框架應(yīng)滿(mǎn)足七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即，（1）有足夠的事實(shí)依據(jù)，即來(lái)源于可靠的科學(xué)原理和可測(cè)量的土壤特性和過(guò)程；（2）對(duì)外界變化較為敏感，可響應(yīng)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(shí)間內(nèi)有效地幫助決策；（4）成本較低，可在經(jīng)濟(jì)承受范圍內(nèi)進(jìn)行評(píng)估；（5）具有較高的準(zhǔn)確性和精確性，具有標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估方法和可重復(fù)的結(jié)果；（6）待測(cè)樣品應(yīng)是原位的或是未被擾動(dòng)的，以便獲得真實(shí)信息；（7）能夠及時(shí)地為管理者決策提供有價(jià)值的信息。

自從美國(guó)農(nóng)業(yè)部科學(xué)家 Andrews 等提出土壤管理評(píng)價(jià)框架（Soil Management Assessment Framework，SMAF）后，土壤健康綜合評(píng)價(jià)（Comprehensive Assessment of Soil Health，CASH）、土壤健康評(píng)估工具（Soil Health Tool，SHT）等土壤健康評(píng)估方法應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)學(xué)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(píng)價(jià)全流程研究框架。此外，趙瑞等和楊穎等分別進(jìn)行了縣域尺度的耕地健康產(chǎn)能評(píng)價(jià)。由此可見(jiàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土壤健康評(píng)估理論研究和實(shí)踐應(yīng)用兩方面均取得了長(zhǎng)足發(fā)展。

3.2 目前常用的土壤健康評(píng)估框架

3.2.1 土壤管理評(píng)價(jià)框架 SMAF 是美國(guó)研究人員最初為北美土壤質(zhì)量評(píng)估開(kāi)發(fā)的，在美國(guó)已經(jīng)被廣泛用于農(nóng)業(yè)和自然系統(tǒng)土壤的評(píng)估中，其特點(diǎn)是可以定量、動(dòng)態(tài)反映土壤對(duì)近期管理措施的響應(yīng)。目前，SMAF 擁有 13 個(gè)指標(biāo)的評(píng)分曲線或解釋算法。Cherubin 等將 SMAF 用于巴西甘蔗田擴(kuò)張對(duì)土壤健康影響的評(píng)估中，發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)為甘蔗田對(duì)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(píng)價(jià) CASH 在早期被稱(chēng)為康奈爾土壤健康試驗(yàn)（Cornell Soil Health Test，CSHT），是為直接滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)土地管理者和研究者的需求而開(kāi)發(fā)的。CASH 強(qiáng)調(diào)對(duì)農(nóng)田特定限制因素的識(shí)別和確認(rèn)，從而選擇最佳的土地管理辦法，以提高土壤生產(chǎn)力并減少對(duì)環(huán)境的影響。van Es 和 Karlen采用該方法分析了美國(guó)北卡羅萊納州三個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)田 15 個(gè)土壤健康指標(biāo)的數(shù)據(jù)，認(rèn)為該框架可以滿(mǎn)足土壤健康評(píng)估需要。

3.2.3 土壤健康評(píng)估工具 SHT 是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究處（USDA Agricultural Research Service，USDA-ARS）為商業(yè)化的土壤測(cè)試而設(shè)計(jì)的，具有快速、價(jià)廉等優(yōu)勢(shì)。SHT 是將土壤視為一個(gè)有生命力的、高度一體化的、不斷演變的系統(tǒng)來(lái)分析土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化。與過(guò)去的土壤肥力評(píng)價(jià)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(xué)和生物學(xué)之間復(fù)雜的相互作用，并通過(guò)科學(xué)地評(píng)估養(yǎng)分有效性、以及碳、氮和磷循環(huán)等信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供決策建議。

3.2.4 基于“需求-功能-維度-要素-指標(biāo)”的耕地健康產(chǎn)能評(píng)價(jià)框架 為探尋適合我國(guó)新時(shí)代耕地健康產(chǎn)能評(píng)價(jià)的新理論與方法，趙瑞等從耕地產(chǎn)能評(píng)價(jià)與耕地健康診斷兩個(gè)維度出發(fā)，選取了耕地氣候條件、土壤特性、技術(shù)設(shè)施等 8 個(gè)要素，構(gòu)建了基于“需求-功能-維度-要素-指標(biāo)”的耕地健康產(chǎn)能評(píng)價(jià)框架。利用該框架，運(yùn)用綜合算法、“1 + X”累加模型法、圖層疊加法定量評(píng)價(jià)了河南省溫縣耕地健康產(chǎn)能，收到了滿(mǎn)意的效果。

3.3 其他土壤健康評(píng)估框架

3.3.1 土壤健康數(shù)據(jù)庫(kù) 土壤健康數(shù)據(jù)庫(kù)（SoilHealthDB）由 Jian 等首次提出，主要用于評(píng)價(jià)四種農(nóng)業(yè)措施（覆蓋作物、免耕、農(nóng)林間作和有機(jī)農(nóng)業(yè)）對(duì)土壤健康的影響。該框架包括 42 個(gè)土壤健康指標(biāo)和 46 個(gè)背景指標(biāo)，將氣候、海拔和土壤類(lèi)型等因素均考慮在內(nèi)。該數(shù)據(jù)庫(kù)具有在線、開(kāi)源、實(shí)時(shí)更新等特點(diǎn)。SoilHealthDB 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和科學(xué)家在農(nóng)田規(guī)劃、評(píng)估和管理中提供了有價(jià)值的信息。

3.3.2 基于自然土壤生產(chǎn)力與人類(lèi)管理的土壤健康指數(shù) 基于自然土壤生產(chǎn)力與人類(lèi)管理的土壤健康指數(shù)（Soil health index based on natural soil productivity and human management）由Li 等提出。該方法強(qiáng)調(diào)自然土壤生產(chǎn)力及其外部投入的協(xié)同作用。基于 10 天的歸一化差值植被指數(shù)Normalized difference vegetation index，NDVI），該方法可快速量化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)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(píng)估程序

4.1 土壤健康評(píng)估的一般程序

在目前主流的土壤健康評(píng)估程序中，主要包括三個(gè)主要步驟：（1）選擇土壤屬性。通過(guò)主成分分析、相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析等數(shù)學(xué)方法降低變量維度，以獲得最小數(shù)據(jù)集合（Minimum Data Set，MDS），從中選擇最佳的土壤健康指標(biāo)。（2）定量化。在得到最小化數(shù)據(jù)集后，采用適當(dāng)方法將其轉(zhuǎn)化到具有可比性的同一維度上。常用的打分方法有標(biāo)準(zhǔn)化、差值法等，也可以根據(jù)評(píng)估目的設(shè)計(jì)其他適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換。（3）整合。根據(jù)設(shè)定的權(quán)重將各指標(biāo)整合，通過(guò)專(zhuān)家估值、主成分分析或偏最小二乘法計(jì)算得到統(tǒng)一的土壤健康指數(shù)。
然而，這種土壤健康評(píng)估僅重視了土壤供給服務(wù)功能，而忽略了調(diào)節(jié)和支持服務(wù)功能。因此，Rinot 等認(rèn)為必須對(duì)現(xiàn)有的框架進(jìn)行改進(jìn)，以便于對(duì)土壤的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)進(jìn)行定量化描述。

4.2 新興土壤健康評(píng)估程序

多元復(fù)合評(píng)估方法（Multivariate-complex soil health approach）是 Rinot 等提出的一種采用不同視角評(píng)估土壤健康的新方法。與一般的土壤健康評(píng)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(wù)功能”入手，對(duì)各土壤指標(biāo)進(jìn)行逆向的篩選。這種“結(jié)果導(dǎo)向”的評(píng)估思路不僅有助于篩選出更具代表性的土壤指標(biāo)，也利于農(nóng)業(yè)、園林和生態(tài)工程中的實(shí)際應(yīng)用。該方法主要分為三個(gè)步驟進(jìn)行評(píng)估。第一步應(yīng)盡可能廣泛地從不同土壤類(lèi)型、用地類(lèi)型和氣候條件下獲取土壤樣本，并進(jìn)行物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)檢測(cè)，通過(guò)主成分分析、相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析等數(shù)學(xué)方法建立最小數(shù)據(jù)集，從中選擇最佳的土壤健康指標(biāo)，以描述土壤所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。通過(guò)相關(guān)性分析和主成分分析來(lái)最小化需要測(cè)量的指標(biāo)數(shù)量，然后使用聚類(lèi)分析來(lái)確定每組在統(tǒng)計(jì)上相似的指標(biāo)中最具代表性的指標(biāo)。第二步是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化分值。常用的方法是將測(cè)量指標(biāo)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為相對(duì)值（0%~100%）。第三步是通過(guò)最小二乘模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。這些模型將為每個(gè)指標(biāo)提供特定的系數(shù)，以表征其對(duì)每個(gè)土壤服務(wù)功能（供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)）及整個(gè)模型的貢獻(xiàn)，然后剔除貢獻(xiàn)相對(duì)較低的指標(biāo)。最后，結(jié)合所有相關(guān)土壤服務(wù)功能構(gòu)建一個(gè)整體模型。

5 研究展望

5.1 “碳中和”大背景下應(yīng)重視土壤的碳匯屬性

土壤有機(jī)質(zhì)(碳)是土壤的關(guān)鍵屬性，是維持土壤生產(chǎn)力的基本條件，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，有機(jī)碳總量達(dá)到 1115~2220 Pg，約為大氣碳庫(kù)的 2 倍，在調(diào)節(jié)二氧化碳濃度和全球變化過(guò)程中具有舉足輕重的地位。2015 年聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約宣布啟動(dòng)“千分之四全球土壤增碳計(jì)劃”，即每年增加土壤（2 m 深）4‰ 的有機(jī)碳，將抵消當(dāng)年礦物燃料的碳排放。2020 年 9 月 22 日，我國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上莊嚴(yán)提出：中國(guó)將采取更加有力的政策和措施努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。因此，在這種大背景下，積極探索土壤固碳技術(shù)，提高土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量，研究土壤碳匯指標(biāo)與土壤健康的關(guān)系，并把碳匯指標(biāo)科學(xué)的列入土壤健康評(píng)估中去，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳中和”宏偉目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5.2 應(yīng)進(jìn)一步重視土壤生物評(píng)價(jià)指標(biāo)

生物學(xué)指標(biāo)是土壤健康最直接的反映，較物理和化學(xué)指標(biāo)更能代表土壤健康狀況。但與物理和化學(xué)指標(biāo)相比，土壤生物學(xué)指標(biāo)應(yīng)用較少。其原因是目前對(duì)微生物與土壤功能之間的關(guān)系缺乏深入了解，尚有很多“未知”微生物種類(lèi)和功能有待挖掘；此外生物學(xué)指標(biāo)所采用的分析技術(shù)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)和難度大。而在目前的生物評(píng)價(jià)中，相對(duì)于微生物，對(duì)植物和小型動(dòng)物指標(biāo)的應(yīng)用更少。植物尤其是農(nóng)作物與人體健康緊密相關(guān)，因此作物產(chǎn)量和品質(zhì)應(yīng)作為土壤健康評(píng)估的指標(biāo)。而動(dòng)物也是土壤生態(tài)系統(tǒng)和食物網(wǎng)的重要組成部分，蚯蚓、線蟲(chóng)等小型動(dòng)物對(duì)土壤健康具有明顯的指示作用，在土壤健康評(píng)估中也應(yīng)予以考慮。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生物學(xué)指標(biāo)的研究，以全面評(píng)價(jià)土壤健康。

5.3 應(yīng)考慮土壤環(huán)境質(zhì)量要素

土壤污染問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)全球性問(wèn)題，且有日益加劇的趨勢(shì)。土壤污染將影響土壤各個(gè)生態(tài)服務(wù)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(píng)估中鮮有考慮土壤環(huán)境要素。在我國(guó)，已經(jīng)出臺(tái)了《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018），詳細(xì)規(guī)定了土壤污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)于土壤健康評(píng)估具有重要的借鑒意義。但是該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的土壤污染物種類(lèi)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(zhuǎn)化特征因種類(lèi)而異，不同污染物的毒效應(yīng)又可相互影響，相互疊加，從而對(duì)土壤健康狀況構(gòu)成復(fù)雜的影響。目前，我們對(duì)這種影響的定量評(píng)價(jià)還很滯后，一定程度限制了其在土壤健康評(píng)估中的應(yīng)用。因此需加大對(duì)污染與土壤健康之間關(guān)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(yīng)關(guān)系，為土壤健康評(píng)估提供依據(jù)。需要注意的是，化學(xué)污染物有時(shí)會(huì)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(jī)碳、有機(jī)氮和有機(jī)磷含量，但不能簡(jiǎn)單認(rèn)為微塑料污染對(duì)土壤健康是有益的。因此，如何將化學(xué)污染物納入到土壤健康評(píng)估中來(lái)，是一個(gè)亟待解決的重要課題。

5.4 建立適合我國(guó)國(guó)情的土壤健康評(píng)估方法

我國(guó)土壤類(lèi)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(píng)估方法時(shí)，應(yīng)注意“土壤健康”的相對(duì)性，不同的土壤類(lèi)型應(yīng)賦予不同的土壤健康標(biāo)準(zhǔn)。以有機(jī)質(zhì)指標(biāo)為例，我國(guó)東北黑土有機(jī)質(zhì)本底值較高，但不能忽視近年來(lái)有機(jī)質(zhì)不斷下降的現(xiàn)實(shí)，仍應(yīng)重視其健康風(fēng)險(xiǎn)；而我國(guó)西南某些原本貧瘠的石漠化土壤，經(jīng)過(guò)治理后，有機(jī)質(zhì)含量逐步增加，仍可視為健康土壤。因此，要建立符合我國(guó)國(guó)情的土壤健康評(píng)估方法，在指標(biāo)的選擇上，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)土壤類(lèi)型、地理因素和氣候條件，因地制宜，進(jìn)行“彈性化”評(píng)估，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

作者：李烜楨1，駱永明2，侯德義3*

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院

2 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京土壤研究所）

3* 清華大學(xué)

網(wǎng)址: 科研｜土壤健康評(píng)估指標(biāo)、框架及程序研究進(jìn)展 http://m.u1s5d6.cn/newsview149250.html