北京
原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第 11 期 《推進(jìn)土壤健康研究，保障土壤資源可持續(xù)利用 》
土壤健康是指土壤可持續(xù)支持植物生產(chǎn)力、保持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動(dòng)植物和人類健康的能力。土壤健康直接關(guān)系到土壤資源可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院科研人員論述了土壤健康概念內(nèi)涵及研究現(xiàn)狀，探討了面向土壤健康的土壤生態(tài)調(diào)控原理與技術(shù)體系，提出管理土壤健康的建議并展望了土壤健康研究的未來方向。
1 土壤健康的概念及內(nèi)涵
1.1 土壤健康的概念
土壤不僅是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的生命系統(tǒng)，具備糧食生產(chǎn)功能，還承擔(dān)著水源涵養(yǎng)、環(huán)境凈化、生物多樣性維持，以及調(diào)節(jié)和應(yīng)對(duì)全球變化等多重生態(tài)和環(huán)境功能。土壤健康是指土壤作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，持續(xù)發(fā)揮其功能，以維持植物生產(chǎn)力、保持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動(dòng)植物和人類健康的能力。康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)體系將土壤健康定義為：土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜且有生命的系統(tǒng)，在特定的土地利用和管理目標(biāo)下，基于其內(nèi)在屬性和環(huán)境條件發(fā)揮功能，持續(xù)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力。中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將土壤健康定義為：土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)，維持其功能的持續(xù)能力，可通過土壤清潔程度和土壤生物多樣性來表征。
體現(xiàn)土壤在社會(huì)、生態(tài)系統(tǒng)或農(nóng)業(yè)中的作用或功能的概念還有土壤肥力、土壤質(zhì)量和土壤安全等。土壤健康與這些概念并存，但在研究尺度和目標(biāo)上有所區(qū)別（圖1）。土壤健康不僅包含了土壤肥力和土壤質(zhì)量涉及的尺度、利益相關(guān)方、功能和評(píng)價(jià)工具，還具有一些與土壤安全類似的政策層面的意義，而不僅是關(guān)注作物生產(chǎn)或其他明確的人類利益。土壤健康概念的多維性使土壤管理目標(biāo)與可持續(xù)性目標(biāo)保持一致，并為兼顧多重利益相關(guān)者、土壤功能和時(shí)空尺度奠定了基礎(chǔ)。土壤健康框架最重要的成果之一是在土壤管理中增加了生物學(xué)視角，以便解決作物生產(chǎn)面臨的長(zhǎng)期可持續(xù)性挑戰(zhàn)，并將土壤評(píng)估和管理擴(kuò)展到解決人類自身以外的對(duì)生物多樣性、水質(zhì)、氣候和星球健康的關(guān)切。
圖1 土壤健康相關(guān)概念內(nèi)涵關(guān)系
土壤健康研究對(duì)國(guó)家層面土壤資源可持續(xù)管理與利用具有重要意義。首先，土壤健康對(duì)確保糧食安全至關(guān)重要，而糧食安全是國(guó)家戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。其次，土壤健康研究有助于提高土壤質(zhì)量和肥力。此外，土壤健康研究還聚焦于土壤環(huán)境污染問題。土壤健康概念的另一大益處在于提升公眾對(duì)土壤資源重要性的認(rèn)知，并促進(jìn)利益相關(guān)者之間的溝通。總之，土壤健康研究不僅對(duì)于提高耕地質(zhì)量、保障糧食安全至關(guān)重要，還涉及食品安全、人類健康以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和韌性，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家土壤資源管理戰(zhàn)略和可持續(xù)利用的重要支撐。
1.2 健康土壤的特征
健康土壤的特征可歸結(jié)為物理、化學(xué)、生物和可持續(xù)性4個(gè)方面。物理特征包括較好的可耕種性（如結(jié)構(gòu)疏松、土層厚度足以支撐植物生長(zhǎng)）和良好的持水和排水性能。化學(xué)特征包括：豐富的有機(jī)質(zhì)、適量的養(yǎng)分供應(yīng)，且無有毒有害物質(zhì)。生物特征包括數(shù)量多、種類豐富的有益土壤生物（如參與養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解的有益微生物），較少的病原菌和害蟲，植物根系、土壤及微生物形成的根際微生態(tài)維持動(dòng)態(tài)平衡。可持續(xù)性特征包括對(duì)環(huán)境惡化和脅迫具有一定的抵抗力和恢復(fù)力。
1.3 土壤健康研究現(xiàn)狀
研究人員構(gòu)建了土壤健康研究的基本框架，涵蓋建立土壤健康指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系、深入分析土壤健康演變規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以及研發(fā)健康土壤培育技術(shù)等方面。
土壤健康評(píng)價(jià)方法的發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)階段。第一階段起始于20世紀(jì)70年代，主要依靠描述性指標(biāo)（如土壤顏色、含水量、蚯蚓的有無等），對(duì)土壤的健康狀況進(jìn)行直觀評(píng)估。第二階段，隨著土壤分析測(cè)試方法不斷發(fā)展，促使學(xué)者們開發(fā)出更多量化指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤健康，從而更準(zhǔn)確地表征土壤健康狀況。第三階段，生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展使得土壤生物多樣性成為評(píng)價(jià)土壤健康狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，國(guó)際上建立了多種土壤質(zhì)量/健康評(píng)價(jià)方法體系，主要基于土壤健康特征指標(biāo)或土壤功能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖2）。
圖2 國(guó)際土壤健康評(píng)價(jià)體系發(fā)展
在基于土壤健康特征指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系中，康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)體系發(fā)展的較為完善。該體系從土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)中篩選出最小數(shù)據(jù)集，作為量化指標(biāo)來描述土壤健康特征。歐盟LANDMARK項(xiàng)目開發(fā)的“Soil Navigator”農(nóng)田管理決策系統(tǒng)，是目前國(guó)際上主流的土壤功能評(píng)價(jià)體系之一。其他評(píng)價(jià)體系還包括土壤管理評(píng)估框架（Soil Management Assessment Framework，SMAF）和新西蘭在線土壤指標(biāo)評(píng)價(jià)工具“SINDI”（Soil Quality INDIcators）等。各種土壤健康評(píng)價(jià)體系在數(shù)據(jù)集來源、指標(biāo)篩選、權(quán)重確定、賦分函數(shù)、綜合得分計(jì)算和驗(yàn)證方法上存在差異，但其共同目標(biāo)是通過掌握不同區(qū)域的土壤健康狀況，實(shí)現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)管理。中國(guó)也制定了耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立了耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，初步構(gòu)建了土壤健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)理論框架。總的來說，土壤健康評(píng)價(jià)方法正朝著多目標(biāo)、多指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化的方向不斷發(fā)展。當(dāng)前在土壤健康研究領(lǐng)域，碳匯相關(guān)和生物相關(guān)指標(biāo)的效力評(píng)估、核心指標(biāo)的簡(jiǎn)化以及生物指示物的篩選正受到越來越多的關(guān)注。目前圍繞土壤健康演變規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制已開展了不少研究工作，揭示了土地開墾、施肥管理和土地利用方式與土壤生產(chǎn)力及多功能性密切相關(guān)，也會(huì)對(duì)土壤健康產(chǎn)生顯著影響。
2 面向土壤健康的土壤生態(tài)調(diào)控原理和技術(shù)體系
2.1 土壤生態(tài)調(diào)控原理
以土壤健康為目標(biāo)的土壤生態(tài)調(diào)控主要采用物理、化學(xué)或生物學(xué)技術(shù)措施對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，盡量減少土壤侵蝕、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、促進(jìn)土壤養(yǎng)分均衡和循環(huán)、防止和減緩?fù)寥利}堿化、土壤污染及酸化、保持和增加土壤生物多樣性、減少土地封蓋、防止和減緩?fù)寥腊褰Y(jié)，最終達(dá)到維持和保障土壤健康的目的（圖3）。
圖3 土壤健康生態(tài)調(diào)控原理
常見的物理措施包括改善土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚性，增強(qiáng)土壤透氣性和保水性等。化學(xué)調(diào)控措施主要有調(diào)節(jié)土壤pH值和養(yǎng)分含量，降低土壤鹽堿度和重金屬、農(nóng)藥等有害物質(zhì)含量等。生物調(diào)控包括增加有益微生物多樣性，減少病原微生物以及防止生物入侵等。
農(nóng)田土壤健康管理和調(diào)控可參考美國(guó)農(nóng)業(yè)部（United States Department of Agriculture，USDA）建議的4大原則：（1）最大限度地增加土壤中的根系量（maximize living roots）；（2）盡量減少土壤干擾（minimize disturbance）；（3）最大限度增加地上植被覆蓋度（maximize soil cover）；（4）最大限度地增加土壤生物多樣性（maximize biodiversity）。依據(jù)這些原則，實(shí)施免耕、覆蓋種植和輪作等保護(hù)性耕作措施，能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、加速物質(zhì)循環(huán)速率、提升土壤滲透性，以及改善土壤微生物活性，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。
2.2 土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)體系
針對(duì)不同情形的土壤健康問題有不同的生態(tài)調(diào)控策略，但大體可分為土壤環(huán)境調(diào)控、土壤生物系統(tǒng)調(diào)控和生態(tài)工程措施3大類，由此構(gòu)成土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)體系。
2.2.1 土壤環(huán)境調(diào)控
土壤環(huán)境調(diào)控分為自然調(diào)控和人為調(diào)控。前者是指在自然因素作用下，土壤通過自凈作用（如吸附、分解、遷移和轉(zhuǎn)化等）使土壤物理化學(xué)障礙因子減輕的過程；后者可通過：（1）物理手段（如熱處理或向土壤中加入用于改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)或生物活性的土壤改良劑等）降低或消除土壤物理、化學(xué)和生物障礙因子；（2）氧化還原、光催化降解等化學(xué)方法消減土壤障礙；（3）借助生物生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)進(jìn)行土壤環(huán)境調(diào)控。
2.2.2 土壤生物系統(tǒng)調(diào)控
土壤健康是土壤環(huán)境與土壤生物系統(tǒng)聯(lián)系在一起的同一健康，而土壤生物系統(tǒng)是維持和調(diào)控土壤健康的關(guān)鍵，在退化土壤生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。通過添加微生物菌劑等技術(shù)措施可以直接調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，從而改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況和植物健康；或者采用抑制有害微生物生長(zhǎng)的方式，如高溫燜棚、土壤熏蒸、殺菌劑噴灌、種子包衣、生防菌等方法進(jìn)行調(diào)控。
2.2.3 生態(tài)工程措施
生態(tài)工程是指應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，結(jié)合系統(tǒng)分析的最優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)促進(jìn)分層多級(jí)利用的生產(chǎn)系統(tǒng)。以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為例，提高土壤健康的生態(tài)工程措施需要從作物管理和土壤管理兩方面入手，其最終目的是保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與多功能性，從而保持土壤健康（圖4）。具體而言，遵循適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件和需求的3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的原則實(shí)施保護(hù)性農(nóng)業(yè)，包括最低程度的土壤機(jī)械擾動(dòng)（免耕）、永久性土壤有機(jī)物覆蓋（不低于30%）和物種多樣化（不同作物輪作或間作），即可達(dá)到維持或者提升土壤健康的目的。
圖4 調(diào)控農(nóng)田土壤健康的生態(tài)工程措施
2.2.4 土壤健康管理政策與規(guī)劃
除了發(fā)展土壤健康管理技術(shù)體系，國(guó)家和地方政府制定、完善和實(shí)施相關(guān)政策或管理規(guī)定也是守護(hù)土壤健康的重要保障。2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)的《到2025年化肥減量化行動(dòng)方案》和《到2025年化學(xué)農(nóng)藥減量化行動(dòng)方案》政策有效遏制了中國(guó)土壤污染的持續(xù)惡化，保障了土壤生物的生存環(huán)境及糧食安全。2024年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《中國(guó)生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃（2023—2030年）》來維持和保護(hù)生物多樣性。生物多樣性越高，生態(tài)系統(tǒng)會(huì)越穩(wěn)定，生態(tài)功能和服務(wù)才能得到保障。這些國(guó)家政策的制定和落實(shí)對(duì)于從整體上保護(hù)中國(guó)生態(tài)環(huán)境和維持土壤健康具有重要積極意義。
3 土壤健康研究展望及管理建議
我們可以將土壤看作一種生命系統(tǒng)，而生命系統(tǒng)是有復(fù)雜調(diào)節(jié)機(jī)制的內(nèi)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)集合，因此土壤健康不能單純地用功能判定，需要用內(nèi)穩(wěn)態(tài)來界定。
近年來隨著人們對(duì)土壤生物多樣性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)不斷積累，逐漸認(rèn)識(shí)到土壤微生物群落的裝配影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及土壤健康狀態(tài)。土壤學(xué)家應(yīng)積極推動(dòng)土壤微生物研究，充分發(fā)揮有益微生物的作用，增強(qiáng)土壤對(duì)擾動(dòng)的抵抗力，土壤的自我調(diào)節(jié)能力和快速恢復(fù)能力，提高土壤在氣候變化等不確定因素影響下快速恢復(fù)健康的能力。
為了實(shí)現(xiàn)有效的土壤健康管理，需建立相對(duì)完善的土壤健康管控系統(tǒng)，構(gòu)建土壤大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立全面的土壤檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全鏈條智慧檢測(cè)。掌握土壤健康指標(biāo)的時(shí)空變化特征、氣候變化及人為活動(dòng)對(duì)土壤健康的擾動(dòng)、土壤自身反饋及自我調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)中國(guó)土壤健康管理的智能化、精準(zhǔn)化、高效化。未來需堅(jiān)持推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展理念，形成實(shí)時(shí)反饋的、全面的土壤健康評(píng)價(jià)體系，推動(dòng)土壤資源永續(xù)利用。
目前，各國(guó)政府都在積極推動(dòng)可持續(xù)土壤管理行動(dòng)。中國(guó)也需要從國(guó)家層面廣泛傳播土壤健康知識(shí)，加強(qiáng)土壤健康教育和公眾參與，通過各種渠道和方式，普及土壤健康理念，培育企業(yè)、種植戶和農(nóng)民保護(hù)土壤的公眾意識(shí)。
本文作者：陳保冬、黃斯韻、宋曉桐、牛天祎、張麗梅、孫國(guó)新、朱永官
作者簡(jiǎn)介：陳保冬，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，研究員，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)；黃斯韻，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，博士研究生，研究方向?yàn)橥寥赖挚沽εc恢復(fù)力；宋曉桐，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，助理研究員，研究方向?yàn)橥寥澜】担慌Ｌ斓t，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，博士研究生，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)調(diào)控；張麗梅，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，研究員，研究方向?yàn)橥寥牢⑸锷鷳B(tài)學(xué)；孫國(guó)新，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，研究員，研究方向?yàn)橥寥牢廴九c修復(fù)；朱永官（通信作者），中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，區(qū)域與城市生態(tài)安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，研究員，中國(guó)科學(xué)院院士，研究方向?yàn)榄h(huán)境土壤學(xué)。
文章來 源 ：陳保冬, 黃斯韻, 宋曉桐, 牛天祎, 張麗梅, 孫國(guó)新, 朱永官. 推進(jìn)土壤健康研究，保障土壤資源可持續(xù)利用[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(11): 51-59 .
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