Soil Health and Agriculture Green Development:Opportunities and Challenges
摘要:農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路,土壤健康是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基石。本文系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)土壤健康的內(nèi)涵、研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì),探討了提升土壤健康的途徑和對(duì)策,并對(duì)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(xué)潛力,增碳提高資源效率,強(qiáng)化生物學(xué)過程,協(xié)同地上和地下生物互作。通過優(yōu)化土壤內(nèi)部調(diào)節(jié)過程,最小化外部的投入,以實(shí)現(xiàn)土壤生產(chǎn)功能和其他生態(tài)服務(wù)的同步提升。健康土壤的培育是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要對(duì)投入品-生產(chǎn)過程-產(chǎn)品品質(zhì)-產(chǎn)品加工-廢棄物循環(huán)等全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行系統(tǒng)綜合考慮,多學(xué)科交叉創(chuàng)新,政產(chǎn)學(xué)研用一體化聯(lián)合攻關(guān),同時(shí)還需要政策保障和激勵(lì)措施,需要全社會(huì)行動(dòng)起來。
農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展是以效率、和諧、可持續(xù)為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)發(fā)展方式,是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。其內(nèi)涵主要包括以下三個(gè)要點(diǎn):一是將環(huán)境資源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)在要素;二是將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展作為綠色發(fā)展的目標(biāo);三是將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)過程和結(jié)果的綠色化、生態(tài)化作為綠色發(fā)展的主要內(nèi)容和途徑。土壤健康是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要基礎(chǔ)和核心內(nèi)容,直接關(guān)系到可持續(xù)進(jìn)程和有關(guān)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過30多年的不懈努力,我國糧食產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入?yún)s不斷增加,在滿足糧食需求的同時(shí),也導(dǎo)致了土壤退化、資源利用率低和環(huán)境惡化等嚴(yán)重問題。當(dāng)前,集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展到了一個(gè)新的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn),改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)投入高、資源效率低和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大的生產(chǎn)模式,以綠色發(fā)展為導(dǎo)向,協(xié)同實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)、資源高效、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收等目標(biāo),走出一條資源節(jié)約、環(huán)境友好、食品安全、人類健康的高質(zhì)量農(nóng)業(yè)發(fā)展道路成了必然選擇。綠色發(fā)展理念和綠色生產(chǎn)方式開啟了農(nóng)業(yè)發(fā)展的新時(shí)代,健康土壤是保障現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根基。人類消耗的食物和能量99%來源于土壤,世界糧農(nóng)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(dòng),認(rèn)為只有健康的土壤才能生產(chǎn)健康的食物,進(jìn)而孕育健康的人類和健康的社會(huì)。隨著全球人口的增加和生活水平的不斷提高,人們對(duì)食物需求的數(shù)量和質(zhì)量都發(fā)生了重大變化,同時(shí)面臨極端天氣等氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境的負(fù)面影響,人口、糧食、資源和環(huán)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(xù)性管理正成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-2]。2015年聯(lián)合國提出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),旨在至2030年徹底解決社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三個(gè)維度協(xié)同發(fā)展的問題,使全球社會(huì)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展道路?!?030年可持續(xù)發(fā)展議程》中涵蓋了17項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),其中13項(xiàng)目標(biāo)直接或間接與土壤有關(guān)。因此,土壤健康不僅深刻地影響植物、動(dòng)物和人類的健康,而且與大氣、水環(huán)境保護(hù)休戚相關(guān),是以人類健康為中心的整體健康系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基石。
1 我國土壤健康問題與發(fā)展態(tài)勢(shì) 1.1 問題
當(dāng)前我國土壤健康問題嚴(yán)重,土壤保育形勢(shì)嚴(yán)峻。我國現(xiàn)有耕地資源總量僅為1.35億hm2,土壤資源嚴(yán)重不足,而且由于長期不合理的利用,土壤退化嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),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(xiàn)有土壤侵蝕總面積2.95億hm2,占國土面積的30.7%(2014年報(bào)道),是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一,水土流失給我國造成的經(jīng)濟(jì)損失約相當(dāng)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(huì)的廣泛關(guān)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(diào)查公報(bào)》結(jié)果顯示,我國土壤污染總超標(biāo)率達(dá)到16.1%,以輕微程度的為主,約占11.2%。以無機(jī)污染為主,約占總污染的80%以上,有機(jī)污染次之,復(fù)合污染較少。土壤污染對(duì)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(dá)1 200萬噸,因重金屬污染而導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)高達(dá)1 000多萬噸,合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元[4]。農(nóng)用薄膜造成的白色污染、濫用抗生素導(dǎo)致的污染等也對(duì)土壤健康造成極大的威脅。
當(dāng)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(jī)碳(SOC)普遍貧乏,土壤結(jié)構(gòu)性問題比較明顯?;诘诙稳珖寥榔詹閿?shù)據(jù)的估算,我國農(nóng)田20世紀(jì)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(yuǎn)低于美國農(nóng)田的平均值43.7 t·hm-2[8]和歐洲農(nóng)田的平均值40.2 t·hm-2[9]。2015年全國優(yōu)等耕地面積為397.38萬hm2,僅占全國耕地評(píng)定總面積的2.9%。其次,近年來我國土壤耕層“淺、實(shí)、少”的問題嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國65.5%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jù)2016年全國耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告指出,全國25.9%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jié),影響作物根系下扎的深度,導(dǎo)致根系無法利用深層土壤的水分和養(yǎng)分,作物生長受抑制;同時(shí),土壤結(jié)構(gòu)變差,蓄水和滲透能力變差,增加了土壤流失和侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。再者,我國土壤養(yǎng)分對(duì)當(dāng)季作物貢獻(xiàn)的份額較少,平均份額在50%,有的甚至只有30%~40%,低于可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(> 70%)。我國養(yǎng)分資源利用率也較低,三大糧食作物氮肥、磷肥和鉀肥當(dāng)季平均利用率分別為33%、24%和42%。最后,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)復(fù)種指數(shù)比較高、作物種植種類單一以及大肥大水大藥等,導(dǎo)致土壤生物多樣性低,土傳病害頻發(fā),嚴(yán)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(jīng)濟(jì)作物均面臨土傳病害的問題??傊?,傳統(tǒng)高度集約化農(nóng)業(yè)管理方式導(dǎo)致土壤酸化、有機(jī)質(zhì)下降、土壤生物多樣性降低、土傳病害頻發(fā)和環(huán)境污染[11-12],嚴(yán)重影響土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。由于土壤污染和退化具有隱蔽性、長期性和復(fù)雜性的特點(diǎn),導(dǎo)致土壤污染或退化之后極難恢復(fù),因此防治土壤污染和退化,培育健康土壤,是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。
1.2 內(nèi)涵和發(fā)展態(tài)勢(shì)
人類對(duì)土壤健康和功能的興趣可以追溯到文明的起點(diǎn)[13]。隨著人口的急劇增長和土壤退化的加劇,自20世紀(jì)70年代以來,土壤質(zhì)量和功能受到越來越多的關(guān)注[14-17],出現(xiàn)了兩個(gè)獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)的術(shù)語,即土壤質(zhì)量和土壤健康。通常科研人員偏好土壤質(zhì)量,而農(nóng)民和其他政企等公眾人員則對(duì)土壤健康更感興趣。盡管不同學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)和看法,現(xiàn)在普遍傾向于接受兩者統(tǒng)一的觀點(diǎn)。早期土壤健康與土壤質(zhì)量兩個(gè)概念之間的差異,主要表現(xiàn)在土壤質(zhì)量主要強(qiáng)調(diào)土壤的運(yùn)行能力或者適合使用[14]。例如,美國土壤學(xué)會(huì)定義的土壤質(zhì)量,是指土壤作為重要的生命系統(tǒng)行使各種功能的能力,以及在生態(tài)系統(tǒng)水平和土地利用的邊界范圍內(nèi),維持生產(chǎn)植物性和動(dòng)物性產(chǎn)品的能力,維持或改善水和大氣質(zhì)量的能力,以及促進(jìn)植物和動(dòng)物健康的能力[18]。狹義的土壤健康,強(qiáng)調(diào)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(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi),一個(gè)充滿活力的土壤所具有的保證持續(xù)生產(chǎn),保持良好的水體和大氣環(huán)境,促進(jìn)植物、動(dòng)物(人類)健康的能力[17]??梢钥闯?,兩者基本同義。土壤健康在更廣的范圍內(nèi)認(rèn)為土壤具有生命力、是動(dòng)態(tài)的,強(qiáng)調(diào)土壤的自然資源屬性、環(huán)境屬性和生態(tài)屬性,其與植物健康、動(dòng)物健康和人類健康密切相關(guān)。土壤健康還包括恢復(fù)力和抵抗力[19],具體體現(xiàn)在土壤生物在調(diào)節(jié)全球氣候變化的重要性等方面。
我國科學(xué)家也對(duì)土壤健康進(jìn)行了廣泛關(guān)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(zhì)的土壤肥力質(zhì)量,土壤保持周邊水體和空氣潔凈的土壤環(huán)境質(zhì)量,土壤消納有機(jī)和無機(jī)有毒物質(zhì)、提供生物必需元素、維護(hù)人畜健康和確保生態(tài)安全的土壤健康質(zhì)量的綜合量度”。周啟星[21]認(rèn)為土壤健康最為基本的判斷標(biāo)準(zhǔn),首先是能生產(chǎn)出對(duì)人體具有健康效益的動(dòng)植物產(chǎn)品,其次是應(yīng)該具有改善水和大氣質(zhì)量的能力以及在一定程度上抵抗污染物的能力,還應(yīng)該能夠直接或間接地促進(jìn)植物、動(dòng)物、微生物以及人體的健康。由上可以看出,土壤健康是一個(gè)綜合量度,除了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的基本功能之外,還強(qiáng)調(diào)了土壤生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性,以及其改善環(huán)境質(zhì)量和提高動(dòng)植物健康的能力。
近年來,隨著人們對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)注[1, 22-26],土壤健康成為國際上土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。自20世紀(jì)60年代起,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性[27]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從自然界獲得的益處,涵蓋供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)以及文化服務(wù)等。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,常常被視為“免費(fèi)”的禮物,而生態(tài)學(xué)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(dòng)的影響,土壤功能急劇衰減,表現(xiàn)在土壤生產(chǎn)力下降、養(yǎng)分失衡、傳粉能力下降、生物多樣性下降等,土壤生態(tài)系統(tǒng)失衡,已嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展。人們普遍認(rèn)識(shí)到土壤不僅可以提供食物,而且還為社會(huì)提供了廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[24, 28-30]。具體而言,土壤的供給服務(wù)是指土壤為人類提供糧食生產(chǎn),以及非糧食原材料、土壤礦物等資源和產(chǎn)品。調(diào)節(jié)服務(wù)是指土壤在溫度調(diào)節(jié)、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(yīng)。支持服務(wù)指土壤產(chǎn)生和支撐其他服務(wù)的效應(yīng),包括初級(jí)生產(chǎn)力、參與生物地球化學(xué)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(wù)功能是指土壤對(duì)文化遺產(chǎn)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(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的挑戰(zhàn)與土壤健康的機(jī)遇 2.1 農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的挑戰(zhàn)
我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面:
1)我國農(nóng)業(yè)資源投入量大,產(chǎn)量和資源效率有待進(jìn)一步提升。我國化肥和農(nóng)藥投入量位居世界第一,保障了我國糧食安全生產(chǎn),近幾年糧食總產(chǎn)穩(wěn)定超過6億噸。然而,高度集約化農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)是化學(xué)品投入高,資源利用效率低。在農(nóng)藥化肥投入量居高不下的前提下,并未成正比實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高產(chǎn)出。目前我國糧食作物產(chǎn)量僅達(dá)到產(chǎn)量潛力的50%~80%,仍有20%~50%的潛力有待進(jìn)一步挖掘,因此我國農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增效潛力巨大。
2)我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本高,品質(zhì)有待提升。我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的特點(diǎn)是數(shù)量多,但品質(zhì)差,不能滿足人民對(duì)美好生活的需求,因此,市場(chǎng)價(jià)值低,出口率低,產(chǎn)業(yè)發(fā)展困難重重。例如,作為蘋果的第一生產(chǎn)大國,我國蘋果生產(chǎn)量占全球的近50%,但出口額不足12%。由此可見,我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提升空間非常大,加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,優(yōu)化提升全產(chǎn)業(yè)鏈,尤其是土壤健康培育和作物栽培生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理,還可以大幅降低農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本,切實(shí)提高健康、高質(zhì)量食品的供給能力。
3)我國糧食、水果和蔬菜生產(chǎn)的資源環(huán)境代價(jià)太高。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源環(huán)境代價(jià)非常高。從1980至2018年間,我國糧食總產(chǎn)量增長了105%,但是化肥消費(fèi)量增長了345%。農(nóng)用塑料薄膜和農(nóng)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(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品和地下水硝酸鹽含量超標(biāo),也不利于土壤結(jié)構(gòu)的形成,作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降。同時(shí),不合理施肥導(dǎo)致農(nóng)田土壤顯著酸化現(xiàn)象非常嚴(yán)重,從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì),全國農(nóng)田土壤的pH平均下降了0.5個(gè)單位[31]。土壤酸化不僅影響作物根系生長導(dǎo)致作物減產(chǎn),還會(huì)造成重金屬元素活化、土傳病蟲害加重等一系列問題,進(jìn)而嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全[32]。
4)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展對(duì)科技創(chuàng)新提出更高要求。科技創(chuàng)新的主攻方向應(yīng)該是如何用最少的資源生產(chǎn)出數(shù)量足、質(zhì)量好、營養(yǎng)健康的農(nóng)產(chǎn)品,以滿足人們對(duì)美好生活向往的需求,這是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域最關(guān)鍵的一個(gè)創(chuàng)新方向和主攻點(diǎn)。它的突破口就在于對(duì)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈卡脖子技術(shù)的突破。傳統(tǒng)單一學(xué)科不能解決農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展全產(chǎn)業(yè)鏈的問題。通過多學(xué)科交叉融合、創(chuàng)新技術(shù),大幅度提高資源利用效率,生產(chǎn)出更多、更好、更健康的農(nóng)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與資源和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)確匹配,糧食安全和環(huán)境安全雙贏的綠色發(fā)展目標(biāo)[33-34]。
2.2 土壤健康的新機(jī)遇
農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重點(diǎn)是在發(fā)展過程中減少資源環(huán)境代價(jià),平衡好“綠色”與“發(fā)展”的問題[35],健康土壤是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基礎(chǔ)。土壤酸化、土壤重金屬污染、土壤退化等系列問題的凸顯,嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。培育健康的土壤,增加土壤養(yǎng)分有效性、微生物多樣性等,提升土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)勢(shì)在必行。
2016年國務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》,指出到2020年,全國土壤污染加重趨勢(shì)得到初步遏制,土壤環(huán)境質(zhì)量總體保持穩(wěn)定,農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤環(huán)境安全得到基本保障,土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)得到基本管控。到2030年,全國土壤環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好,農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤環(huán)境安全得到有效保障,土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)得到全面管控。到21世紀(jì)中葉,土壤環(huán)境質(zhì)量全面改善,生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán);同時(shí),可持續(xù)發(fā)展議程的實(shí)現(xiàn)也需加強(qiáng)土壤的可持續(xù)管理。這是一項(xiàng)巨大的工程,需要提出更多行之有效的措施來防止土壤進(jìn)一步惡化,健康土壤培育方法和案例亟需進(jìn)行研究和總結(jié),為國家土壤污染防治和土壤質(zhì)量提升奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
新時(shí)代社會(huì)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(fā)展之間的矛盾。人民對(duì)美好生活需求需要生產(chǎn)更多綠色、優(yōu)質(zhì)、健康的農(nóng)產(chǎn)品,除了先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)理念,健康的土壤是生產(chǎn)綠色產(chǎn)品和安全食品的基礎(chǔ),構(gòu)建健康土壤是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,對(duì)于解決新時(shí)代社會(huì)主要供需矛盾具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
3 土壤健康研究進(jìn)展與熱點(diǎn)
農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展需要保證水、土、氣清潔和安全,保證農(nóng)產(chǎn)品安全和質(zhì)量,才可以保證人體健康,提高人民生活幸福指數(shù)。作為環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要組分,土壤健康(質(zhì)量)和大氣、水體質(zhì)量一樣同等重要。
3.1 土壤健康指標(biāo)的建立和評(píng)價(jià)方法
土壤各組成成分復(fù)雜,各組分之間在不同時(shí)空維度上也存在多種互作,這些均為衡量和評(píng)價(jià)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[18]。長期以來,人們一直致力于篩選土壤質(zhì)量(健康)評(píng)價(jià)指標(biāo),并完善評(píng)價(jià)方法。土壤健康是一個(gè)綜合量度,評(píng)價(jià)的指標(biāo)包括土壤靜態(tài)(自然屬性)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。土壤靜態(tài)指標(biāo)主要受成土過程的影響;動(dòng)態(tài)指標(biāo)則對(duì)管理措施較為敏感,通常作為篩選的對(duì)象。土壤健康程度的判定標(biāo)準(zhǔn),在于土壤是否充分發(fā)揮了其功能,如果發(fā)揮了功能就認(rèn)為是高質(zhì)量的,反之,則存在著障礙因素或者土壤質(zhì)量低。現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到土壤具有多功能性,不同功能之間存在權(quán)衡和協(xié)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(zhì)量)狀況不可能使用單一的指標(biāo)和方法,也無法一直通用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),所以土壤健康的評(píng)價(jià)具有目標(biāo)性、相對(duì)性和實(shí)效性。通常,人們從眾多的土壤定性和定量指標(biāo)中篩選出最小數(shù)據(jù)集(Minimum Data Set,MDS),用來評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量[15-16]。測(cè)定指標(biāo)涉及物理、化學(xué)和生物指標(biāo)三個(gè)方面,目前許多評(píng)價(jià)體系多采用理化指標(biāo),涉及的生物指標(biāo)不多。常用的物理指標(biāo)包括土壤水分、容重、土壤質(zhì)地、團(tuán)聚體、土層深度、穿透力、導(dǎo)水率、孔隙度、滲透力等?;瘜W(xué)指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、pH、有效養(yǎng)分、重金屬,中量元素含量,含鹽量等[36]。近年來,生物學(xué)指標(biāo)正處于快速發(fā)展階段。土壤生物直接參與土壤過程,深刻影響土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),因此生物學(xué)指標(biāo)被認(rèn)為是對(duì)管理更為敏感的指標(biāo)。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(dá)、酶學(xué)方法、代謝組和轉(zhuǎn)錄組以及一些指示生物(如菌根真菌、線蟲、蚯蚓等)檢測(cè)也得到快速發(fā)展。土壤生物是否消失,土壤生物的數(shù)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(shù)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(biāo)帶來了困難。在這方面歐盟國家已進(jìn)行了大量的探索,開展了對(duì)生物指標(biāo)的篩選工作[37-38]。圖 1列舉了土壤質(zhì)量(健康)指標(biāo)、工具和評(píng)價(jià)體系的發(fā)展過程,探索新指標(biāo)和評(píng)價(jià)工具和方法是未來的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

考慮到土壤類型和管理方式的多樣性,并且各個(gè)測(cè)定指標(biāo)的度量也不同,因此需要建立一個(gè)綜合評(píng)價(jià)體系,將各種指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)整合,計(jì)算出土壤健康(質(zhì)量)的綜合指標(biāo)。鑒于目前土壤學(xué)界已普遍接受土壤健康可以與土壤質(zhì)量術(shù)語相互替代,因此可以借鑒土壤學(xué)家建立的土壤質(zhì)量指數(shù)法(Soil Quality Index,SQI)[16],建立土壤健康指數(shù)法(Soil Health Index,SHI),其中發(fā)展較為系統(tǒng)的是康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)體系。評(píng)估的方法有靜態(tài)評(píng)價(jià)方法,如多變量指標(biāo)克里格法、土壤質(zhì)量綜合指數(shù)評(píng)分法和土壤相對(duì)質(zhì)量法,也有動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法,如土壤質(zhì)量動(dòng)力學(xué)方法等。許多國家利用土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)和健康測(cè)試對(duì)土壤質(zhì)量、食品安全和環(huán)境安全進(jìn)行了評(píng)估。例如,土壤管理評(píng)估框架(Soil Management Assessment Framework,簡稱SMAF)[39]、康奈爾土壤健康綜合評(píng)價(jià)(Comprehensive Assessment of Soil Health,CASH),以及基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)價(jià)方法[40]等??傊寥澜】敌杞Y(jié)合土壤管理目標(biāo),從生態(tài)學(xué)視角展開研究,還需深入理解土壤生物驅(qū)動(dòng)的代謝過程,建立大數(shù)據(jù)平臺(tái),借助一些新技術(shù)和手段逐步完善和發(fā)展土壤健康體系。
3.2 農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與人體健康
土壤健康直接影響人體健康。農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量尤其是后者與人體健康密切相關(guān)。健康土壤還能降低或者消納土壤中有毒和有害物質(zhì),避免土壤中致病微生物對(duì)人體健康的危害。此外,土壤還是抗生素類物質(zhì)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(xué)品的大量投入導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量提高的同時(shí),品質(zhì)和口感明顯下降;同時(shí),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(gè)整體的觀點(diǎn)。1990年Reganold等[43]學(xué)者提出土壤是一個(gè)復(fù)雜的、有活力的但很脆弱的體系,應(yīng)加以保護(hù)和滋養(yǎng)才能保持土壤的可持續(xù)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。近年來,土壤污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件頻發(fā),人們已經(jīng)深刻認(rèn)識(shí)到過量和不合理使用化學(xué)品的負(fù)面效應(yīng),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(yǎng)健康與土壤健康密切相關(guān)。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì),全世界有近20億人口處于營養(yǎng)缺乏狀態(tài),其中包括微量元素缺乏癥,又被稱為“隱形殺手”,且一些經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)國家和地區(qū)鐵、鋅、硒等微量元素已成為營養(yǎng)不良的首要問題,在婦女和兒童身上表現(xiàn)更為突出[44-45]。另一方面,農(nóng)產(chǎn)品中有害有毒物質(zhì)如農(nóng)藥殘留和重金屬等,對(duì)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(chǎn)國和消費(fèi)國,每年生產(chǎn)的抗生素近一半用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)。因此,動(dòng)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(shí),抗生素抗性基因可以通過水平基因轉(zhuǎn)移被土壤微生物獲取,導(dǎo)致微生物耐藥性的擴(kuò)散,攜帶抗生素抗性基因的微生物會(huì)進(jìn)一步在環(huán)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(chǎn)腐熟物質(zhì)和施用有機(jī)肥(尤其是動(dòng)物源有機(jī)肥)對(duì)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(fù)雜,共同參與養(yǎng)分和水分的生物地球化學(xué)循環(huán),影響土壤結(jié)構(gòu),調(diào)控土傳病害,且在污染物轉(zhuǎn)化和凈化方面具有重要作用,是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組分。在集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,大量化學(xué)品的投入和不合理管理導(dǎo)致土壤生物多樣性下降,微生物區(qū)系失衡,土壤食物網(wǎng)趨于簡單化[48],病蟲害增加,作物嚴(yán)重減產(chǎn);與此同時(shí),為防止病蟲害的發(fā)生,種植戶不得不大量使用農(nóng)藥等化學(xué)品,這種惡性循環(huán)導(dǎo)致土壤代謝過程嚴(yán)重受損,生態(tài)系統(tǒng)的功能下降,作物品質(zhì)下降和環(huán)境質(zhì)量惡化,甚至危害人體健康。
一些研究者認(rèn)為,土壤生物數(shù)量及其活動(dòng)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(yù)警生態(tài)指示。如澳大利亞學(xué)者Pankhurst等[49]提出了表征土壤健康的生物指標(biāo)體系,主要包括微生物量、土壤微生物、病原菌、大中型土壤動(dòng)物區(qū)系、土壤酶和植物等。歐盟的EcoFinders(Ecological Function and Biodiversity Indicators in European Soils)項(xiàng)目也努力挖掘能綜合反映土壤健康的生物指標(biāo),包括土壤生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)、功能基因表達(dá)等[37-38]。生物指標(biāo)在土壤健康評(píng)價(jià)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但也存在一些問題,包括采集樣品的代表性、測(cè)定成本以及與土壤功能的相關(guān)性等。隨著土壤生物多樣性和食物網(wǎng)研究的迅速發(fā)展,尤其是分子生物學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步,基于基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組和蛋白組學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)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(shí),土壤生物多樣性和地上部生物多樣性緊密相關(guān)[52],土壤生物多樣性顯著影響生態(tài)系統(tǒng)的功能[53]。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(gè)整體放在一個(gè)或多個(gè)植物生長期的時(shí)間尺度進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。連作障礙就是典型的負(fù)反饋效應(yīng),而間套作則表現(xiàn)出正反饋。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)是在農(nóng)事管理和生產(chǎn)周期中形成正反饋,因此如何通過提高生物多樣性,進(jìn)而提升生態(tài)系統(tǒng)多功能性,形成正向反饋是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。
3.4 土壤生態(tài)服務(wù)功能
長期以來人們低估了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[56],直到2000年后才開始注意到土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),到2009年后該領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速。近年來,人們對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的認(rèn)識(shí),從單純對(duì)土壤生產(chǎn)功能的關(guān)注,逐步發(fā)展到注重土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣化,并提出了在景觀尺度上進(jìn)行功能土地管理的理念。即通過綜合評(píng)估土壤功能,對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性進(jìn)行綜合協(xié)同和權(quán)衡,以實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)管理和利用[24, 57-58]。一些不可持續(xù)管理措施,如傳統(tǒng)耕作、不合理施肥、盲目使用除草劑和殺蟲劑等,可導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貶值和退化。相反,可持續(xù)的土壤管理措施,如保護(hù)性耕作、有機(jī)農(nóng)業(yè)、覆蓋作物和作物多樣化種植等則對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有正效應(yīng)[59]。
為了更好地評(píng)價(jià)和管理土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,科學(xué)家試圖建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的框架,將整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過程聯(lián)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(yīng)用較為廣泛(圖 2)[60]。Turner和Daily[61]提供的框架包括問題識(shí)別、評(píng)估、政策制定、能力建設(shè)和重新評(píng)估。歐盟FP7資助的開放項(xiàng)目試圖通過強(qiáng)調(diào)土壤功能特征,建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)層級(jí)框架,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本的概念應(yīng)用于土地、水和城市的管理與決策[62]。在歐盟FP7計(jì)劃的基礎(chǔ)上,RECARE(Preventing and Remediating Degradation of Soils in Europe through Land Care)提出了一個(gè)適用的框架,以評(píng)估土壤威脅和預(yù)防及修復(fù)措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)歐盟對(duì)環(huán)境的政策需求,來權(quán)衡和協(xié)同土壤的主要功能。

4 面向農(nóng)業(yè)綠色發(fā)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(diǎn),耕地保護(hù)政策力度一直很大。我國的耕地保護(hù)始于20世紀(jì)80年代,和耕地保護(hù)相關(guān)的政策相繼出臺(tái),對(duì)保障糧食安全起了重要的作用。有分析表明,耕地保護(hù)政策對(duì)提高糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)43.1%[65]。隨著鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn),耕地保護(hù)逐漸轉(zhuǎn)向耕地轉(zhuǎn)型、耕地多功能保護(hù)、生態(tài)休耕與安全等,且更加關(guān)注耕地的自然本體保護(hù)[65]。針對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),我國在80年代初開始選擇了很多的指標(biāo),但未形成合適的體系和標(biāo)準(zhǔn)。90年代初,我國土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中所選取的指標(biāo)范圍很廣,涵蓋了土壤質(zhì)量的各個(gè)方面,其中土壤物理性質(zhì)、環(huán)境指標(biāo)和肥力因子較全面,而生物指標(biāo)相對(duì)很少。隨著耕地保護(hù)制度的內(nèi)涵變革從“數(shù)量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)量+質(zhì)量”,再躍遷到“數(shù)量+質(zhì)量+生態(tài)”三位一體的均衡管理[66],如何建立面向農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的土壤健康綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)成為挑戰(zhàn)。近年來,各國均在積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,一些科學(xué)家提出了基于“地下革命”的觀點(diǎn)[67],其核心是減少化學(xué)品的過度使用,立足于自然生態(tài)過程,通過提高生物多樣性和強(qiáng)化生物互作,優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)過程,并指出輪作、多樣化種植和生物防治等的重要性。
我國土壤類型和作物種類繁多,不同地區(qū)地形地貌氣候因子復(fù)雜,再加上土壤管理措施和管理目標(biāo)的差異性,很難統(tǒng)一界定健康土壤的標(biāo)準(zhǔn)。健康土壤應(yīng)因作物、土壤、氣候和管理目標(biāo)等而定。本文僅對(duì)田塊尺度進(jìn)行討論,提出健康土壤培育的三個(gè)階段(圖 3):第一個(gè)階段主要是消除土壤的障礙因子,即找到影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的限制因子,同時(shí)厘清生態(tài)環(huán)境的障礙因子,有針對(duì)性進(jìn)行消除;同時(shí),保證良好的土壤結(jié)構(gòu),構(gòu)建理想的耕層。第二個(gè)階段主要是強(qiáng)化土壤生物學(xué)過程,提高土壤有機(jī)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(gè)階段是提升土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),通過農(nóng)田景觀配置和生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu),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(tài)涵養(yǎng)功能,保障生態(tài)安全;引入土壤生態(tài)服務(wù)定量化模型,建立土壤生態(tài)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)體系,提出健康土壤管理的優(yōu)化解決方案。

5 土壤健康的實(shí)施路徑與行動(dòng)
在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展下,通過優(yōu)化土壤內(nèi)部調(diào)節(jié)過程,最小化外部的投入,實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)多功能性的協(xié)同是當(dāng)前健康土壤培育的目標(biāo)。具體的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括以下方面:
5.1 消除土壤障礙因子,構(gòu)建理想土壤耕層
土壤的自然屬性和不合理管理均可導(dǎo)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(gè)重要內(nèi)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(yǎng)分的有效性。通過施用石灰和有機(jī)物料可以提高土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分有效性。在西南地區(qū)水田改旱作后土壤質(zhì)地黏重,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差,犁底層堅(jiān)硬,嚴(yán)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(jié)構(gòu)是提升作物生產(chǎn)力的核心。
針對(duì)土壤物理障礙,主要的一些改良措施包括深耕、有機(jī)肥施用、秸稈還田以及施用土壤調(diào)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(jìn)作物增產(chǎn)[69-70]。施用有機(jī)肥可以改良土壤物理結(jié)構(gòu),提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量[71-72]。生物有機(jī)肥的施用還可以通過抑制土壤病原菌提升土壤質(zhì)量[73]。秸稈還田在東北和華北等主要種植區(qū)得到了大面積的推廣。秸稈在腐解的過程中提高了土壤團(tuán)聚體數(shù)量,增加土壤孔隙度,降低土壤緊實(shí)度等。近年來,土壤調(diào)理相關(guān)產(chǎn)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(diào)節(jié)土壤的酸度,還具有改良土壤結(jié)構(gòu)的效果,其原理是石灰中富含的大量Ca2+可促進(jìn)土壤膠體的凝聚,加速土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[75-76]。我國的土壤調(diào)理產(chǎn)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(zhì)的相關(guān)產(chǎn)品較少。最近的研究發(fā)現(xiàn),深根作物包括一些覆蓋植物的根系在提高土壤有機(jī)質(zhì)和改良土壤結(jié)構(gòu)上具有重要的作用,因此深入理解植物根系形態(tài)和生理的可塑性,充分發(fā)揮根系的生物學(xué)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(zhì),培育高質(zhì)量農(nóng)田
我國土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍不高,同時(shí)長期高度集約化耕作和過度放牧導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量持續(xù)減少,采用合理的管理措施可以保護(hù)和重建土壤碳,是實(shí)施土壤健康計(jì)劃的基礎(chǔ)[79-80]。基于全球數(shù)據(jù)的匯總分析發(fā)現(xiàn),在當(dāng)前的生產(chǎn)力水平下,土壤有機(jī)質(zhì)提高1%(即從1%提高到2%)后,小麥和玉米平均產(chǎn)量可增加10%和5%,并且可減少70%氮肥用量[81]。我國農(nóng)田土壤每固定1.0 t·hm-2有機(jī)碳,糧食作物的產(chǎn)量平均提升約0.7 t·hm-2[82]。近30年來,我國農(nóng)田表層SOC庫總體增加,發(fā)揮了碳匯功能[83-84]。然而,我國仍然有0.87億hm2中低產(chǎn)田,這些中低產(chǎn)田土壤障礙因子多,有機(jī)質(zhì)含量低,且容易發(fā)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(jī)肥投入相比,長期施用有機(jī)肥可顯著提高土壤固碳速率,同時(shí)SOC含量和質(zhì)量均得到提升[85-87]。保護(hù)性耕作管理措施能有效提高土壤SOC含量,傳統(tǒng)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?bào)w的數(shù)量和質(zhì)量,顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性,提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量[90-91]。2015年聯(lián)合國巴黎氣候大會(huì)上啟動(dòng)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(jī)物質(zhì),將可以抵消全球的溫室氣體排放量。這項(xiàng)計(jì)劃旨在通過因地制宜的農(nóng)業(yè)實(shí)踐,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和碳固持,從而發(fā)揮農(nóng)業(yè)土壤在糧食安全和氣候變化方面的關(guān)鍵作用。專家組提出了土壤碳管理的8項(xiàng)措施,包括防止土壤碳流失、促進(jìn)土壤碳吸收、科學(xué)監(jiān)控、評(píng)估及驗(yàn)證干預(yù)、利用高科技監(jiān)測(cè)土壤碳儲(chǔ)量變化、開發(fā)計(jì)算機(jī)模型和示范性網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、增強(qiáng)宣傳教育等[92]。盡管全球農(nóng)業(yè)土壤增加“千分之四”的目標(biāo)能否真正實(shí)現(xiàn)仍存在爭議[93],但該行動(dòng)積極推動(dòng)了政府和公眾對(duì)農(nóng)田固碳作用的關(guān)注。
5.3 強(qiáng)化生物過程,提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性
土壤健康需要實(shí)現(xiàn)土壤生產(chǎn)功能與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的同步提升。Reganold和Wachter [94]系統(tǒng)比較了有機(jī)農(nóng)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的差異,發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè)更能實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)多功能的協(xié)同。在此基礎(chǔ)上,我們提出農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展同樣需要提升土壤生態(tài)系統(tǒng)的多功能性,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同和權(quán)衡(圖 4)。提升土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一個(gè)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(xié)同與調(diào)控。土壤生物多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要內(nèi)容,在生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)生物圈的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。國際生物多樣性合作計(jì)劃始于1991年的DIVERSITAS項(xiàng)目;2002年,聯(lián)合國糧農(nóng)組織設(shè)立了土壤生物多樣性研究議程(Soil Biodiversity Initiative),之后全球陸續(xù)開展了土壤生物多樣性研究,極大地推動(dòng)了人們對(duì)土壤生物多樣性及其影響的關(guān)鍵生態(tài)過程的理解。近年來,關(guān)于作物根際微生物組的研究取得較大進(jìn)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(diào)控等方面取得較大的進(jìn)展[95-97]。例如,基于合成菌群中菌株成對(duì)的競爭或便利互作,較好地預(yù)測(cè)了復(fù)雜群落的互作關(guān)系以及對(duì)病原菌入侵的抵抗能力,為通過調(diào)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(yǎng)級(jí)生物互作也可以有效提高土壤免疫,控制土傳病害的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),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(jìn)而恢復(fù)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(xié)同進(jìn)化的研究為創(chuàng)制抗逆性生物肥料奠定了基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)土壤微生物組和食物網(wǎng)的認(rèn)識(shí)不斷深入,土壤生物在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的作用日益凸顯。合理培育健康土壤生物區(qū)系,優(yōu)化土壤內(nèi)部調(diào)控過程,深度挖掘土壤生物尤其是土壤微生物資源,發(fā)揮功能微生物和土壤生物的作用,實(shí)現(xiàn)生物定向調(diào)控,正成為全球的研究熱點(diǎn)。一些管理措施,如增施有機(jī)肥、多樣化種植、種植覆蓋作物或功能植物、開展有機(jī)農(nóng)業(yè)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(tài)系統(tǒng)功能則被認(rèn)為是大自然賦予的免費(fèi)資本。近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)尤其是對(duì)土壤生物多樣性和功能的理解和認(rèn)識(shí)不斷深入,極大地推動(dòng)了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究。當(dāng)前全球正掀起土壤健康理論和實(shí)踐的熱潮,各國政府也在采用各種激勵(lì)機(jī)制積極推動(dòng)可持續(xù)土壤管理行動(dòng)。未來需以綠色發(fā)展理念為指導(dǎo),提高全社會(huì)對(duì)土壤健康重要性的認(rèn)識(shí)。建議重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面展開工作:
1)提高土壤自身免疫和生物學(xué)過程,強(qiáng)化地上和地下生物協(xié)同互作,實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)、代謝和功能的耦合是健康土壤培育的核心科學(xué)問題。重視土壤對(duì)脅迫的記憶,充分發(fā)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(fù)力,以及土壤對(duì)全球變化響應(yīng)機(jī)制和過程值得深入研究。
2)大規(guī)模微生物分離培養(yǎng)、人工重組微生物群落和功能食物網(wǎng)的發(fā)展,為減少化學(xué)品投入,挖掘土壤生物資源提供了廣闊的前景。隨著新技術(shù)的發(fā)展和交叉學(xué)科的不斷滲入,人們從多視角多途徑開展了對(duì)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(qiáng)化生物互作以提升土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),正成為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究的一個(gè)重要內(nèi)容。
3)可持續(xù)土壤的管理還要堅(jiān)持發(fā)展生態(tài)綠色的理念,需要對(duì)投入品-生產(chǎn)過程-產(chǎn)品加工-廢物循環(huán)等全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行系統(tǒng)綜合考慮,對(duì)水-土-氣進(jìn)行一體化綜合生態(tài)管理,實(shí)現(xiàn)全鏈條的綠色發(fā)展。同時(shí),需要多學(xué)科交叉創(chuàng)新,推行新農(nóng)科教育體制,聯(lián)合攻關(guān),創(chuàng)新科學(xué)技術(shù),發(fā)展綠色產(chǎn)品和新技術(shù)。
4)健康土壤需建立相對(duì)完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),建立檢測(cè)土壤資源大數(shù)據(jù)管理平臺(tái),掌握時(shí)空變化特征,探討土壤健康演變過程以及人為活動(dòng)對(duì)土壤演變的影響及反饋機(jī)理,形成能兼顧預(yù)警、檢測(cè)并實(shí)時(shí)反饋的土壤健康系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系。同時(shí),利用信息農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)全鏈條的精準(zhǔn)管理。
5)土壤健康是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要從國家層面開展研究,形成“政產(chǎn)學(xué)研用”共同參與多元化互助推動(dòng)的模式。企業(yè)、種植戶和農(nóng)民是土壤的主要經(jīng)營者,還需廣泛傳播健康土壤的知識(shí),培育保護(hù)土壤的意識(shí)。同時(shí)還需要繼續(xù)加強(qiáng)政策保障和激勵(lì)措施,激發(fā)健康土壤先行者的積極性和興趣,并提高公眾的意識(shí),在實(shí)施科技創(chuàng)新的同時(shí),使全社會(huì)大眾成為土壤健康的踐行者和推動(dòng)者。
ZHANG Junling1,2 , ZHANG Jiangzhou1,2 , SHEN Jianbo1,2 , TIAN Jing1,2 , JIN Kemo1,2 , ZHANG Fusuo1,2
Abstract: 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.
Key words: Soil health Agriculture green development Limiting factors Biofortification Ecosystem multifunctionality
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網(wǎng)址: Soil Health and Agriculture Green Development:Opportunities and Challenges http://m.u1s5d6.cn/newsview88603.html
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