土壤健康指标体系与评价方法研究进展

Introduction

引言

健康土壤能够保障健康食物生产，维持土壤生态系统多功能性，是农业绿色发展的基础。明确土壤健康现状， 系统开展土壤健康诊断是培育健康土壤和提高土壤生产力的基础。然而，以往人们基于单一土壤功能即土壤生产力开展了大量的指标选择和评价工作，忽视了其他土壤功能，评价指标中土壤生物学特性未引起足够重视，对土壤过程的动态监测少。随着对可持续发展的关注以及农业绿色发展的需求，土壤健康指标体系和评价方法正在不断完善。针对不同空间尺度和不同作物体系，建立多目标协同的土壤健康评价体系成为土壤可持续利用的热点和前沿。本文总结了土壤健康指标体系的选择原则，分析了生物学指标在土壤健康评价中的重要性，重点阐述了我国、美国、新西兰等国家土壤健康评价方法以及基于土壤功能和土壤管理等评价方法的进展、优缺点和应用区域，提出了完善土壤健康评价系统的途径。未来需要构建基于区域自然禀赋环境特征的土壤-作物管理大数据平台，发展生物学指标， 建立长期和全程动态监测体系，并与快速无损测试技术、智能化信息技术相结合，形成多目标协同、适用于不同区域和作物体系的土壤健康评价方法，通过多主体参与，为农业绿色发展提供重要支撑。

/ 01土壤健康的内涵 /

FAO 对土壤肥力的定义为：在没有可能抑制植物生长的有毒物质存在的前提下，土壤能持续为植物生长供应水分和养分的能力。土壤肥力更侧重于对土壤化学和部分物理特性的描述。土壤质量的研究始于 20 世纪 70 年代，它是指土壤作为重要的生命系统行使各种功能的能力，以及在生态系统水平和土地利用的边界范围内，维持生产植物性和动物性产品的能力，维持或改善水和大气质量的能力，促进植物和动物健康的能力。“土壤健康”一词最早是由植物保护学界针对影响植物健康的土壤状况而提出的。土壤健康是指在生态系统和土地利用的范围内，土壤能持续作为有生命的系统维持生物生产力，保持空气和水环境质量，促进植物、动物和人类健康的能力。从定义可以看出，两者基本同义。土壤健康强调了土壤的生命力、生态属性、社会属性等，以及其对生态环境安全、食物健康、人体健康的能力，是全球 One health 的一个重要内容。耕地是指用于种植粮食作物、蔬菜和其他经济作物的土地；耕地地力是指在当前管理水平下，由土壤立地条件、自然属性等相关要素构成的耕地生产能力；耕地质量是指耕地满足作物生长和清洁生产的程度，包括耕地地力和耕地环境质量（土壤重金属污染、农药残留与灌溉水质量等）；耕地健康是指土壤作为一个动态生命系统具有维持其功能的持续能力，用清洁程度、生物多样性表示。由此可见，耕地地力侧重于强调土壤的生产力，即作物的产量或生物量。耕地质量和耕地健康更关注耕地土壤的清洁程度，但范围相对比较窄。而土壤健康侧重于土壤发挥土壤功能和提供生态系统服务功能的能力，涉及范围更广。在整个生态系统中，耕地健康是土壤健康的子集，而耕地健康的核心内容是土壤健康。土壤安全是在 2012 年提出的，它涉及的范围更加广泛，包括土壤健康，其经常在政策范围内使用，涵盖了土壤管理的人类文化、资本和法律方面。

/ 02土壤健康评价指标的选择 /

通常土壤评价指标的筛选应遵循以下原则：所选取的指标能代表复杂的土壤系统中发生的物理、化学和生物学过程；指标对土壤管理、土地利用方式、气候变化等引起的土壤功能变化具有较强的敏感性；所选指标应比较容易测定，易于操作，方便使用；测定指标能反映土壤功能与管理目标之间的关系，可以在相关的时间尺度进行决策，为土壤管理提供重要信息；指标具有可解释性，能将管理和功能结合；测定成本尽量低，可以被用户接受。目前能同时满足以上4个标准的指标仅占20%。

不同尺度土壤健康指标和管理目标

/ 03土壤健康评价过程 /

通常土壤健康评价过程分为三个步骤：选择用于评价土壤健康的属性指标；量化所选择的土壤属性指标；将所选的土壤属性指标进行整合，得到土壤健康综合结果。对于土壤属性指标的筛选，主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）是最常见的一种方法，用于选择不同作物体系或土壤条件下土壤属性，然而 PCA 法选择的土壤属性有可能排除一些与土壤功能相关的指标，因此在使用PCA 选择土壤属性指标时，需结合土壤功能和评价目标进行筛选，确保结果能准确反映土壤健康状况。除PCA 外，一些评价方法如康奈尔评价[47]和新西兰“SINDI”等采用与土壤功能和性状相联系的指标评价土壤健康状况。

/ 04常见土壤健康评价方法 /

土壤健康评价对于明确现阶段土壤健康状况，指导土壤管理具有重要的意义。国内外在土壤健康评价方面开展了大量的研究工作，评价方法也在不断发展和变化（见下图）。本部分主要阐述常见的几种土壤健康评价方法，主要包括我国、美国和新西兰的土壤健康评价方法以及基于土壤功能和土壤管理的土壤健康评价方法等。

土壤健康评价主要工具与方法

我国主要区域耕地质量的评估采用耕地地力综合指数。在评价耕地质量时，建立了包括气候条件、立地条件、剖面性状、土壤理化性状、土壤养分、障碍因素和土壤管理等 7 个类别的 63 个评价指标。在不同区域，针对主要作物对耕地质量的要求，采用系统聚类方法、DELPHI 法等方法，并组织相关区域专家召开专题研讨会，通过定量与定性相结合的方法，确定该区域耕地质量评价指标。对于确定的评价指标，采用 DELPHI 法与层次分析法（Analytical Hierarchical Process，AHP）相结合确定各个评价指标的权重。在具体评价时，首先采用 DELPHI 法由专家对评价指标进行赋值，然后再利用 AHP 计算各指标的权重。在指标权重确定后，明确定性指标的隶属度和定量指标的隶属函数是评价过程最关键的环节。对于定性指标，通过 DELPHI 法直接确定隶属度；对于定量指标，需要在正直线型、负直线型、戒上型、戒下型、峰型五种函数类型中确定对应的函数类型，依据测定值和专家打分进行函数拟合，得到隶属函数。如土壤 pH 隶属函数为峰型，有机质和耕层含盐量分别为戒上型和戒下型。确定了各评价指标的隶属度或隶属函数后，计算各评价单元分值，得出耕地质量综合指数。最后不同区域把耕地质量综合指数划分为 6~10 个等级，一般情况下耕地质量越高则作物产量越高。

康奈尔土壤健康评价方法（Comprehensive Assessment of Soil Health, CASH）由美国康奈尔大学土壤健康团队于 2006 年建立，该方法在优化农田管理、提升土壤健康方面发挥着重要的作用。随着研究的不断深入，康奈尔土壤健康评价方法的指标体系也在发生改变。2017 年出版的《康奈尔土壤健康综合评价框架（第三版）》调整了评价指标，调整前备选的指标共39 个，其中物理指标、化学指标和生物学指标分别为16、12和11个。目前增加到43个，其中物理指标17个，化学指标15个，生物学指标11个。最终选定物理指标、化学指标和生物学指标各4个用于土壤健康评价。之后，在综合考虑到评价指标与土壤关键过程的相关性、对管理的响应、测试时间与费用等因素后，调整了土壤生物学指标，用土壤蛋白含量、土壤呼吸代替潜在可矿化氮和根系健康等级。评价时需要对确定好的土壤健康指标通过相应的累积正态分布函数转化成对应的指标分值。CASH 方法采用递增型、递减性和最优型三种评分函数。根据评价指标的分值计算出土壤健康指数，用百分数表示。根据百分数的大小依次分为很低（0~20）、低（20~40）、中等（40~60）、高（60~80）、很高（80~100）五个等级，并分别采用红色、橙色、黄色、浅绿和深绿进行表示。该评价方法认为土壤质地是影响评价结果的关键因子，因此在评价过程中按照砂土、粉土和黏土三种类型开展相应的评价工作。采用该方法时，需要对健康土壤和不健康土壤进行成对对比测定，依据结果进行综合评价。

新西兰 SINDI（Soil Indicators）方法是一种网络在线评价工具，通过将采集的土壤样品与土壤数据库信息进行比较得出土壤健康的信息，并根据不同土地利用方式和管理目标提出相应的管理措施。SINDI 综合了土壤物理结构、土壤肥力、养分储存、有机资源和土壤中生物等土壤属性指标，主要包括有效磷、土壤 pH、可矿化氮、总碳、总氮、容重和大孔隙度等 7 个指标。其中，土壤有效磷代表土壤肥力状况，土壤 pH 代表土壤的酸碱度，其直接影响土壤养分的有效性。可矿化氮、总碳和总氮代表土壤的有机资源，在一定程度上能反映土壤的生物活性。土壤容重和大孔隙度代表土壤的物理特性，反映土壤的压实和渗透特性，影响作物根系的下扎深度。根据新西兰土地利用方式、土壤类型等信息，土壤专家绘制了土壤响应曲线，并对土壤指标进行颜色编码。颜色编码类似于“红绿灯”，其中红色代表不利于作物生长，橙色表示潜在影响，绿色代表最佳生长条件。SINDI 方法主要适用于新西兰地区，较好地指导了当地的作物生产，但具有区域局限性，此外，评价过程主要以单个指标为评价单元，没有充分整合其他指标形成一个综合指数。

/ 05展望 /

健康土壤是提高生态系统服务功能的基础，能为健康食物的生产提供支撑，直接影响人类健康。近年来随着科技的进步和人们对土壤多功能性认识的深入，土壤健康的研究已经成为国内外研究的前沿和热点。未来在农业绿色发展的引导下，积极倡导土壤健康理念，促进人与自然和谐发展。构建多目标协同、多主体参与、适用于不同尺度/作物体系的农田土壤健康评价， 建议从以下几个方面开展研究工作：

1.构建土壤健康大数据平台。土壤是一个动态变化的系统，除了土壤固有的特性外，还受气候 、人为活动（种植作物类型、种植制度、管理策略）等影响。土壤健康大数据应包含气候因素、地形条件、土壤物理、化学和生物学特性、作物类型、管理、农产品品质和社会经济因素等信息。
2.建立不同尺度和作物体系的土壤健康评价方法。土壤健康的研究尺度不同，评价标准不同， 选择的评价指标也有区别。依据不同土地利用方式，协同实现景观尺度土壤多功能的耦合。
3.建立多目标协同的土壤健康评价方法。土壤健康评价指标的选择要涵盖多种土壤功能，而 不能仅仅以生产力为依据。以追求高产为导向的传统方法忽视了土壤健康多功能的发挥，造成了严重的资源环境问题，影响了土壤的可持续利用。未来亟需建立以协同增产、提质、增效和环保多目标的农田土壤健康评价体系，实现多种土壤功能协调发展。
4.土壤健康评价与系统研究方法相结合。土壤健康评价是了解土壤状况的基础，其目的是为 了更好的指导生产，保障健康食物生产的同时，维持土壤生态系统服务功能的发挥。
5.土壤健康评价需要多主体参与。土壤健康与食物健康、环境健康、人体健康等相互关联，需要多学科交叉，多主体参与。多主体包括科研单位、政府部门、企业、农场主、种植户等。

基于多目标协同多主体参与的土壤健康评价体系框架

致 谢 感谢 Craig and Susan McCaw Foundation、大自然保护协会（The Nature Conservancy，TNC）和国家留学基金委（留金美[2019]13043）的支持。

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