土壤安全----与我国的战略对策

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土壤安全----与我国的战略对策

2016-06-23 沈仁芳 农业环境科学

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农环格格有话说：

6月23日周四大家早安！！

不知谁还记得，我们大概是从什么时候开始了 “安全”意识，食品安全、水安全、空气安全、土壤安全，“安全”成为了现在大家最为关心的话题或者说是问题。

有了安全意识是好事，不过我们还需要更进一步地科学了解和对待............

今天文章来自《中国科学院院刊》2015年第4期，原标题《土壤安全的概念与我国的战略对策》

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文沈仁芳腾应

中国科学院南京土壤研究所南京210008

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【摘要】土壤安全是基于社会可持续发展为目标的一种土壤系统认知,关系到与粮食、纤维和淡水等相关的全球土壤资源利用与保育。土壤对粮食安全、水安全、能源可持续性、气候稳定性、生物多样性及生态系统服务等方面具有重要作用,这些土壤相关问题受到国际社会高度关注。土壤安全也是一个多属性多指标的概念,不仅具有自然属性(包括土壤物理、化学、生物学过程变化),而且具有社会属性(包括经济、社会、政策等)。文章在充分认知土壤安全概念以及分析我国土壤安全重要性的基础上,进一步提出了我国土壤安全的宏观战略对策。

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背景：

土壤是地球表层系统最活跃的圈层,是人类赖以生存和发展的基石,是保障人类食物与生态环境安全的重要物质基础。当前,全球正面临着土水资源紧张、能源短缺、环境污染、气候变化、生物多样性锐减、生态系统服务功能退化等重大挑战,如何协调发挥土壤的生产功能、环境保护功能、生态工程建设支撑功能和全球变化缓解功能,成为国家土壤安全亟需解决的重要任务。2004年Science 专刊明确指出,土壤是最后的科学前沿。

如果没有土壤安全,人类难以确保粮食、纤维制品、淡水资源的安全供应,难以保障陆地生物多样性安全,将会减弱土壤作为地球系统生源要素( 碳、氮、磷、硫等 )循环库的潜力 ,进而失去产生可再生能源的重要物质基础。因此,土壤资源持续高效安全利用已成为世界共识。进入 21 世纪以来,土壤学科发展和科学地位得到了不断提升。国际土壤学会(ISSS)升格为国际土壤学联合会(IUSS),并成为国际科联的独立成员,充分反映了国际土壤学的学科地位和发展形势。2013年联合国粮农组织大会通过了每年 12 月 5 日为世界土壤日(World Soil Day),而且在全球土壤伙伴关系 (Global Soil Partnership, GSP)框架下,粮农组织理事会批准了2015年为“国际土壤年”,主题为“健康土壤服务于健康生命”。

目前,国际上十分关注土壤安全议题,解决与土壤相关且国际共同关注的重大问题,以提高土壤资源的可持续管理能力,满足人类对粮食、燃料和纤维生产的需求,促使土壤生态系统功能更好地适应当前和未来的气候变化。

土壤安全的基本内涵

▼土壤安全

土壤安全是基于社会可持续发展目标的一种土壤系统认知,其关系到与粮食、纤维和淡水等相关的全球土壤资源的利用与保育,维持生物多样性、保护生态系统服务功能并对环境可持续发展有重要的意义。在全球环境可持续发展体系下,土壤对粮食安全、水安全、能源可持续性、气候稳定性、生物多样性及生态系统服务供应等方面具有不可替代的重要作用。因此土壤安全的认知必须基于土壤的功能和土壤可能受到的挑战。

土壤的七大功能：

包括 :( 1 ) 生物质生产 ;( 2 ) 养分、物质和水的储存、过滤与转化 ;( 3 ) 生物多样性 ;( 4 ) 物质与人文环境 ;( 5 ) 原材料来源 ;( 6 ) 碳库 ;( 7 ) 地质与文化遗产等,土壤通过上述功能来应对六大全球挑战(图 1)。

土壤安全面临的六大全球挑战

▼粮食安全

图 1 所示,土壤的功能之一是产生生物质,为粮食生产提供物质基础和保障。据联合国预测,全球人口将从 2005 年的 64 亿多增至 2050 年的 90 亿,增加 40%。由于人口膨胀、经济增长和城市化快速扩张,人类对食物数量和质量的需求将成倍增长,对耕地资源等造成越来越大的压力,全球性粮食危机日趋严峻。

据预测,2050 年中国人口将超过 16.5 亿,而维系粮食生产的耕地土壤却因工业化和城市化的加速发展,大量转变为非农用地,耕地土壤资源数量和质量同步下降,将会严重影响国家粮食安全。我国土壤污染问题十分突出,最新调查显示,全国耕地土壤环境质量堪忧,耕地土壤中重度污染面积高达 5000 万亩,土壤污染呈现出流域性和区域化发展的态势,严重威胁到我国农产品安全甚至社会稳定发展。同时,我国农村大量耕地撂荒现象普遍,许多优质的商品粮基地被开发为城市建设用地。

随着上述趋势的发展与扩张,若无有效的调整措施,保护土壤资源,改善土壤质量,保证耕地土壤资源数量,提高耕地土壤资源质量,可能会从根本上危及国家粮食安全。

▼水安全

水资源危机已被联合国和世界银行等国际机构列入威胁全球食物和农业发展的最大因素。据估计,至 2025 年世界上无法获得安全饮用水的人数将增至 23 亿,生活在水源紧张和经常缺水国家的人数将达 30亿。而且水资源危机带来生态系统恶化和生物多样性破坏,也将严重威胁人类生存。

中国是世界水资源最短缺的国家之一,水资源危机问题十分突出。同时,随着我国城市化、工业化以及农业高度集约化的快速发展,水污染十分严重,生态保护用水需求不断增加,农业用水缺口越来越严重,威胁到我国粮食的生产和食物的保障。

基于这一情景,为了保障中国水资源安全,需要建立土壤水分监测、水肥资源利用平台;深入研究我国区域耕地水资源演变与调控技术,农业生态系统水肥循环与生理需水规律,建立节水型农业技术体系,实现水土资源集约利用、耕地生产力稳定提升,保障我国土壤与农业可持续发展。

▼能源安全

当前世界能源消费以化石能源为主,随着经济社会的快速发展,人类面临着化石能源日趋减少的挑战。人类在大规模开发和利用化石能源的同时,也带来了气候变暖和生态环境破坏等问题。尽管我国能源资源总量较为丰富,但是人均能源资源拥有量较低,加上耕地资源有限,严重制约了生物质能源的规模化发展。生物质能源具有清洁、多用途特征,已成为未来持续能源的重要组成部分,据估算,我国可开发的生物质能源总量约7 亿吨标准煤。生物质能源工程的基础是集约经营现有土地,大规模开发利用农、林后备土地,发展高效生物质生产。因此,可以充分利用边际土壤、荒地和后备土地资源,建立生物质能源基地, 提供规模化的木质或植物油等能源资源。

▼气候变化减缓

近年来,全球气候变化成为国际社会的核心议题之一。全球气候变化的潜在原因是化石能源使用增加和土地利用改变。土壤与全球变化密切相关,土壤过程通过释放或吸收温室气体(CO2、CH4、N2O 等)以及其他气体(如 NH3、NOx)直接或间接地影响气候变化。全球土壤碳存储量大,土壤碳的释放将对全球变暖产生重要影响。反之, 土壤固碳能力对减缓大气中温室气体增加具有重要潜力。可见,合理的管理措施可以影响土壤固碳潜力,缓解气候变化,而且对农业生产力和全球粮食安全产生积极的影响。另一方面,全球变化通过降雨、温度和养分沉降等变化影响土壤过程, 进而影响生态系统的生产力及稳定性。因此,有必要建立基于全球变化和人类活动影响的土壤生物地球化学循环模型,预测不同气候变化条件下土壤的可能反馈,发展土壤固碳减排增汇技术等。

▼生物多样性保护

《生物多样性公约》是一项保护地球生物资源的国际性公约,于 1992 年在联合国环境与发展大会上签署生效。《生物多样性公约》有 3 个主要目标,即:保护生物多样性、生物多样性组成成分的可持续利用、以公平合理的方式共享遗传资源的商业利益和其他形式的利用。

土壤生物多样性可定义为土壤生命的变化,从基因到群落以及土壤生物栖息地的变化,从微团聚体到整个环境。土壤是物种最大基因库和多样性的栖息地,并且这些生物积极参与影响土壤形成的过程和功能。土壤生物群落对土壤生态功能,如养分运转、有机质分解、土壤结构维持、温室气体产生、污染物净化与调节发挥着重要作用。据统计,在氮素固定、有机废弃物处理、土壤形成、化学污染修复及农业害虫的生物防治等方面,全球农业土壤生物每年创造的总价值超过千亿美元。正是由于土壤生物在陆地生态系统中的重要性,有关土壤生物多样性的研究得到了广泛的重视。英国自然与环境委员会(Natural Environment Research Council, NERC)于 1999 年启动了为期 5 年的土壤生物多样性研究计划。联合国粮农组织也启动了国际土壤生物多样性计划(Soil Biodiversity Initiative),开展与土壤生物多样性的评价、管理和保护有关的基础和应用基础研究。

2014 年中科院战略性先导科技专项 ( B 类 )“ 土壤 - 微生物系统功能及其调控 ” 正式启动。该专项利用中科院建制化的土壤微生物学研究基础,凝集跨学科的优势力量,发展土壤微生物研究的新技术、新方法,研究我国主要生态系统土壤微生物的组成、格局及其驱动机制;解析土壤关键元素生物地球化学循环的分子微生物生态学机理,揭示土壤地上-地下生态系统协同作用机制,以整体提升我国土壤微生物资源的认知水平及可持续利用的调控能力,发展土壤微生物定向培育为基础的资源管理措施,为提高土壤养分利用率,保障我国粮食与生态安全提供重要依据。

▼生态系统服务

生态系统服务是人类从生态系统获得的各种惠益,是人类赖以生存和发展的基础,包括供给、支持、调节和文化服务。 2000年联合国正式启动了千年生态系统评估 (Millennium Ecosystem Assessment,MEA), 对全球生态系统的过去、现在及未来状况进行评估,并提出了相应管理对策。生态系统服务研究已成为当前国际上生态学研究的前沿和热点领域。近年来,国际上围绕生态系统服务的内涵、分类、物质量及价值量评估等方面开展了许多研究。人类活动在不断改变生态系统组成、结构和功能过程,进而削弱了生态系统服务能力。生态系统服务取决于一定时间和空间上的生态系统结构和过程,人类从生态系统获得利益的大小与生态系统的时空尺度有着密切的关系。因此,明确生态系统服务的时空特征对景观和区域生态保护和土地管理规划具有重要意义。

土壤生态系统服务是指满足人们日常生活中文化与追求的基本必需品, 包括支持、供给、调节和文化服务。土壤的支撑服务是为植物输送营养物质和基因库提供支持,其调节服务是为土壤主要元素和水文循环以及废物处置提供调控作用,而精神价值,考古保护和遗产却是提供文化服务,这四大功能本身也可视为生态系统服务的基本内容。

土壤安全的评估指标

土壤安全不仅具有自然属性(包括土壤的物理、化学、生物学过程变化 ),而且具有社会属性( 包括经济、社会、政策等 )。 土壤评价或框架评估经历了悠久的历史,目前已发展到土壤质量(包括土壤性质和可利用性)评估阶段,并作为土壤的功能指标。同时,这些科学评估往往受价值驱动和环境决定,包括土地管理、经济、社会和政治/监管层面。因此,为了明确区分土壤评估的最佳状态和土壤的当前状态以及如何有效利用土壤资源,需要一个多指标、多学科的方法来评估土壤的安全性。根据 McBratney等人的建议,采用 5 个指标,如性能(capa- bility)、状态(condition)、资本(capital)、关联性(connectivity)和法律法规(codifica- tion)来综合评估土壤的安全性,以达到保护土壤之目的。

▼土壤性能

土壤性能是指其已有的功能和潜在的功能,包括土壤有哪些功能以及这些功能的生产力。20 世纪 20 年代土壤学家利用土壤性能对土地资源进行了评估,且利用土壤性质识别不同类型土壤之间的内在差异。联合国粮农组织对旱地农业、林业、灌溉农业、牧业生产等制定了一系列的土地评估规范。这种土地评估框架是通过基于土地质量的土地适宜性评价来诠释土壤。土地质量的概念比土壤质量的概念更为广泛,并认识到“特殊土壤功能的适宜性”,在很大程度上取决于所经历的气候,在连续多年的有利或不利的气候条件下不同土壤的可能表现以及土壤管理质量。

土壤的管理依赖于土壤的利用程度和管理目的,如从农业和土壤科学来看可能更多地关注最大化生产量,而从生态服务和经济学上来看,良好的土壤管理应关注功能的最大化。无论基于哪种目的的管理方式,土壤经过较长时间的利用,都可能导致自身性能的变化。

▼土壤状态

土壤状态是指土壤现在的情形与参考体系相比所发生的变化。20 世纪 90 年代土壤状态的概念得到普遍认识,目前人们将土壤状态简单地归结为“土壤健康”。事实上,与土壤质量和土壤健康相比,土壤状态可以用更灵敏的指标评估,通常分为与土壤功能相关的物理、化学和生物三组,并采用标准化方法来评估。澳大利亚农林渔部门认为,土壤状态可被定义为维持土地利用和生态系统功能下、土壤行使功能、维持生物生产力、保持环境卫生、促进动植物和人类健康的能力。

土壤状态可以通过测量特定的土壤性质 (如有机质含量)和观察土壤的状态(如土壤肥力) 来判断。美国农业资源保护部门(USDA NRCS) 采用土壤质量作为土壤状态定义的参考,并且特别强调,应该是最优管理下的土壤作为参考体系, 而我国认为参考体系不仅应该考虑最优管理制度而且也应该强调土类。和土壤功能一样,土壤状态将会随着管理和使用目的发生变化。如果土壤功能和管理方式相一致,那么土壤状态也会达到相应的要求。土壤状态不能仅仅以它的生产能力来衡量,而应考虑土壤的表现即土壤性能和状态之和。同时,土壤状态信息对管理机构和土地管理者非常重要,可以通过土壤信息了解管理措施对土壤的影响,以及维持或提高土壤资源投资的理由。

可见,土壤安全不仅仅需要考虑土壤的生物状态、物理状态、功能和生态系统服务,还需要考虑其经济、社会和政策层面。

▼土壤自然资本

土壤的自然资本是由土壤的成分状态所决定,土壤提供库存量影响着整个生态系统的功能和生态系统服务能力。自然资本是指物理和生物资源 ,包括可再生能源( 如生物物种 )、非可再生能源( 如石油和煤 )、可更新的可再生资源( 如饮用水和肥沃的土壤)以及可栽培的自然资本(如农作物和森林)。也有一部分自然资本是由耕地土壤所产生的,如农业和林业企业的商品,但是我们仍然需要用模型来评价所属土壤的资本部分,如作物生产也可以在现阶段或其他任何条件下来评估这部分土壤的资本。

生态系统服务是来自生态系统非生物和生物过程的相互作用,同时其生态系统服务功能来源于生态系统的基本性质,因此直接把生态系统产品归于自然资本和土壤仍然是困难的。矿产和能源资源的经济价值低于土壤潜在的价值,但由于土壤的内在价值或潜在生产力还不确定,复合土地使用时土壤安全问题难以确定。土壤的经济价值包括土壤自身价值和潜在的生产力。土壤自身的价值也就是生态系统服务的价值,扣除无土壤时的贡献值,包括人力、经济以及生产力等因素。

▼土壤关联性

土壤的关联性在某种程度上可以反映人们是否关心土壤的质量或者是否已经掌握正确的土壤知识和资源。也就是说,如果没有联系到土壤,土壤本身可能没有价值,且可能达不到它的最佳状态。关联性是为了更好地促进土壤管理和改善土壤环境质量。

土壤科学知识和技能可提供有效的方法来解决复杂的问题,并且可根据实际情况实现有效的沟通。知识传播主要依靠技术转移和正规培训。目前主要有 5 种知识传播的方式: 集体授权、技术转移、学习培训、信息咨询和交流访问。土壤的安全需要现阶段土壤的性能、知识及其自然资本的集成。这将决定如何优化与利用土壤的经济、环境和社会服务功能,可以改进管理措施来约束土壤资源的使用者。同时,可以从多方面获得土壤的相关信息,包括:信息来源研究、外部供应、接受正式教育和其他咨询与支持服务。如,准备从事土壤科学研究的毕业生,必须要有土壤物理、化学和生物过程方面的知识,可在土壤生态系统管理方面提出很好的建议。另外,我们必须了解社会如何开发利用土壤以及土壤资源如何更好地满足社会需求,更加重视土壤的安全性。

▼土壤政策法规

安全的土壤需要通过适当的管理条件,重视资本和社会的联系性,需要加强公共政策和监管, 并积极反馈到土壤安全的其他属性。好的政策和决策依赖于相应的土地管理利益相关者,可以通过政策法规的方式把土壤科学知识转化为更有效的实用解决方案。在政策法规编纂的过程中需要考虑政策的周期性 ,如 :指令、设计、决策、执行和评估等阶段。

目前国际上已有多项计划使土壤得到强有力的政策关注,如世界土壤政策使《世界土壤宪章》在 20 世纪 80 年代初期得到了发展,并制定了一整套提高土地生产力的土地资源保护与管理原则。联合国环境计划署(UNEP)采用这套原则评估了全球和区域土壤退化状况,并出版了《世界荒漠化地图集》。国际土壤科学联合会发展了世界土壤议程三项重点任务,即科学、政策和实施。科学方面在于重点监测土壤退化,制定适当的指标,并提出适合于土壤可持续性管理的技术和方法。政策的任务在于组织多学科的、跨政府的土壤国际网络,提供各种技术咨询、开发和实施国家政策等。

从历史上来看,土壤的保护政策主要集中在土壤侵蚀和土壤肥力方面。2011 年,世界粮农组织发起了由全球土壤伙伴关系(GSP)与欧盟委员会(European Commission)联合提出了涉及土壤资源可持续管理的两个全球环境问题，即粮食安全和减缓气候变化。因此，编纂政策和法律法规对于保障土壤安全及未来土壤资源可持续发展具有十分重要的现实意义。

可见,土壤安全性是由土壤性能、状态、资本、关联性和政策法规等多指标综合评估的。土壤安全保护策略是基于土壤的功能和土壤可能受到的挑战,如,欧盟委员会将土壤安全威胁分为侵蚀、压实、污染、有机质下降、盐渍化、山体滑坡和表面密封等。其中许多主要威胁与土壤条件和能力有关。土壤安全的威胁如表 1 所示。

我国土壤安全的战略对策

近 30 年来,随着工业化、城市化、农业高度集约化快速发展以及全球变化的影响, 我国的土壤安全问题日趋严峻,严重威胁到国家粮食安全、人居环境安全、生态安全甚至社会和谐发展。当前我国土壤的价值被低估,对土壤安全的认识十分不足,对土壤安全的评估也没有一套完整的体系。

我国土壤资源与管理方面也存在问题,主要表现在以下几个方面。

（1）资源数量有限。我国是土壤资源严重缺乏的国家，耕地资源紧张，后备耕地资源严重不足。我国耕地总面积已不足18.3亿亩，人均耕地面积不足世界平均水平的45%,耕地面积仍呈逐年减少态势严重威胁到保障国家粮食安全问题。“耕地红线”如何保护,“粮食安全”如何保障已经成为当前我国亟需解决的重大问题。

(2)土壤质量不高。目前,我国有 2/3 耕地属于中低产田,农田土壤地力偏低难以满足高产稳产作物对养分的持续需求。据调查,我国土壤缺乏磷、钾、中量元素和微量元素的耕地分别占总耕地的 59%、30%、70%和 50%,并有扩大趋势。

(3)退化现象严重。尤其是土壤污染十分突出,全国污染耕地约有 1.5 亿亩,中重度污染耕地高达 5 000 万亩,全国工业企业搬迁遗留的严重污染场地超过 50 万家,矿区、油田以及饮用水源地区土壤环境安全日趋恶化,土壤污染呈现出流域性和区域化发展的态势;土壤酸化面积占耕地面积的 40%以上;水土流失面积达 360 多万平方公里,每年流失的土壤至少在 50 亿吨以上;我国具有农业利用潜力的盐碱地面积近 2 亿亩,每年土壤次生盐渍化面积达 17 万亩,等等。

(4)管理技术落后与政策法律缺失。 尽管我国在土壤退化阻控和障碍消减方面研发了相应的施肥、水分、农艺、生物、耕作等管理技术体系 ,但由于不合理的耕作管理措施,导致我国养分资源的严重浪费,降低了土壤质量,对生态环境也造成威胁。尤其在土壤修复与保育技术体系方面,管理技术与政策法律十分不足。而且至今尚未出台和建立较为完整的土壤保护与管理政策及相应的法律法规。建议尽快把土壤安全纳入基本国策, 科学制定土壤安全战略具有十分重大的现实作用和深远的历史意义。

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我国土壤安全战略应以建立和完善土壤价值评估体系为基础,以完善土壤保护的政策法规和科技标准为前提,以加强土壤安全的科技支撑为手段,以解决重点土壤问题为突破口。

目前我国土壤安全的重点任务包括以下几项:

(1)加强我国土壤价值的评估研究。以保证土壤资源安全与可持续为目标,全面构建土壤价值评估的指标体系、方法技术以及框架路线图。

(2)完善国家土壤质量监测网络,开展土壤例行监测,提升土壤质量动态监控能力;建立国家土壤质量信息共享平台,实现土壤质量动态信息发布;建立国家、省、市三级突发土壤事件应急预案。

(3)构建和完善适合我国国情的土壤安全政策、法律及管理体系,建立土壤安全预警的有效机制和技术支撑体系。

(4)加强土壤安全问题的形成机制研究,寻求解决土壤问题、实现土壤保护的有效途径和工程对策,不断改善重点地区和重要农产品产地土壤质量,确保土壤安全和土壤资源的可持续利用。

(5)编制并启动土壤安全教育行动计划,加大土壤安全的宣传力度,拓宽土壤安全的宣传教育渠道,提高公众的土壤安全保护意识。

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