SCIENCE文章：人类的福祉依赖于对土壤的呵护

导   读

历史上一些伟大的文明之所以衰亡，是因为它们未能阻止文明赖以建立的土壤退化。当今世界在全球范围内，可能会遭受同样的命运。

编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）

原文： Scholes MC，Scholes RJ. 2013. Dust Unto Dust（注：尘归尘，土归土）. Science. 342:565-566. DOI: 10.1126/science.1244579 

摘 要

        历史上一些伟大的文明之所以衰亡，是因为它们未能防止文明赖以建立的土壤退化(1)，当今世界在全球范围内，也可能遭受同样的命运。由于土壤侵蚀、盐分积累和养分枯竭，在很多地方，土地的固有生产力已大为减低。在非洲，农业正处于大力发展时期，但是在非洲大陆尺度上土壤侵蚀使产量减少了8%(2)、养分耗竭普遍(3)。目前采取的改进技术主要包括持续高使用化肥、灌溉和耕作等等这些措施提供了一种虚假的安全感，事实上全球1%的陆地面积退化了。

      在这个问题上，正如菲勒（Fierer）等在本刊第621页【Fierer N et al. 2013. Reconstructing the Microbial Diversity and Function of Pre-Agricultural Tallgrass Prairie Soils in the United States.Science.342:621-623. DOI: 10.1126/science.1243768】所论述的，自耕种以来，美国中西部草原土壤生物群的多样性发生了很大变化 (5)，我们忘记了“沙尘暴”的教训: “即使在发达经济体，人类的福祉依赖于对土壤的呵护（才能维持）(6)”。我们必须拥有一个完整的、能自我恢复的土壤生态系统，尤其是当前正面临着气候变化的压力。

        土壤肥力为什么具有维持大量植物生产的能力，对古人来说这是一个谜。传统农民认为土壤也会变得疲倦、生病或寒冷，人们为此持续地解决这个问题，直到土壤恢复健康为止。

       启蒙时代的科学使人们认识到植物的生长，是将空气中的二氧化碳与土壤中的水分和养分结合起来。到了上个世纪中叶，人们可以对土壤和植物进行例行测试以诊断元素缺乏，并开始以全球性的农业化学工业化来解决这个问题 (7)。土壤被看作是一个惰性的支持基质，像是被浸泡的营养汤。

土壤的复杂性。土壤肥力管理仍然主要遵循一个简单化的化学模型 (a)。可持续农业需要一个更复杂的观点， 包括土壤生物多样性 (B)， 如菲勒等所示【注文献5】

       这种狭隘的做法虽然让粮食产量得到空前的增加，但也助长了全球变暖和含水层、河流、湖泊和沿海生态系统的污染。与农业有关的活动目前只贡献了1/3 的温室气体排放，超过一半的温室气体排放起源于土壤 (8)。

      土壤侵蚀带来的沉积物和过剩的养分流入河流，由此导致的淡水质量下降也制约许多地方发展的重要因素， 淡水生物的多样性受到破坏，成为地球上最受威胁的物种之一 (9)。以依赖外部投入的方式替代土壤中的肥力维持过程，让土壤生态系统和人类容易受到这些外部投入供应中断的影响，例如由于价格震荡等。

       理解生命支持元素 (如碳、氮和磷) 行为的关键不在于其绝对数量，而在于它们在环境中的各种形式之间的通量， 这是由生物调控的。微生物和遗传分析表明，在一个健康的土壤中，遗传多样性比它所支持的所有动植物都多。不同土壤微生物群落可以处理和转化土壤各种方式的成分，提供了一种能适应环境变化的高能效、不外泄的自我调节系统(10)。

      菲勒等为这种更生态的方法提供了一个例子，以了解土壤的功能。他们发现，土壤微生物分类学多样性与独立测量的功能多样性密切相关，这表明高多样性是有用的，而不是多余的。特别是疣微杆菌门（Verrucomicrobia）这种低养分条件下存活的细菌从土壤中消失，导致土壤难以提供肥料以外的养分。

       将生物学纳入土壤肥力的概念是一个重要的进步，但这个概念还需要进一步拓宽以便人类可以用可持续的方式来管理土壤。在现代世界中，已经没有一块土壤不受人类行为的影响。人类依赖于土壤而生存，但土壤的命运也被人类行为所主宰。土壤的肥力属性不能与土地使用的目的分开，也不能从这一用途不可预计的后果中分开来。因此，土壤肥力是土壤-植物-人类系统的一个突现特质（emergent property），这个复杂系统充满了各种相互作用、限制和惊奇 (见上图)。

       建设并维持高土壤肥力(11)面临着化石能源和环境成本上升，以及磷酸盐等重要营养物质外部供应能力下降等挑战。恢复土壤生物过程是实现粮食和环境持久安全的关键，为确保生物系统在不确定的未来有弹性, 也需要恢复土壤生物多样性。

       重建土壤有机质既是这一努力的成功指标，也是减少大气中碳负荷的一种方法(12)。然而，目前和未来的世界人口无法通过对全球农业采用一种教条的 "有机"方法来养活(13)，这种做法也无法避免气候变化、生物多样性或河流净化，因为这需要大量额外的面积。

       农业土壤生态系统更接近于自然生态系统中密切和有效的循环，并且也受益于生物技术和无机肥料可能带来的产量增加。农业土壤生态系统需要将农业生产提高到所需的水平，同时能尽量减少其不利影响效果。我们需要将农学、生态学、土壤生物学、化学、物理学、植物育种和自然资源管理的研究、创新和最佳实践相结合起来，才能实现养活世界并保持其宜居的目的，这是目前唯一可行的途径。

References

1)J. M. Diamond， Collapse: How Societies Choose to Fail or Succeed (Penguin， New York， 2005).

2)R. Lal， Soil Sci. Soc. Am. J. 59， 661 (1995).

3)P. A. Sanchez， Science 295， 2019 (2002).

4)Food and Agriculture Organization of the United Nations， The State of Food and Agriculture 2010-11； www.fao.org/publications/sofa.

5)N. Fierer et al.， Science 342， 621 (2013).

6)T. Egan， The Worst Hard Time: The Untold Story of Those Who Survived the Great American Dust Bowl (Mariner， New York， 2006).

7)V. Smil， Enriching the Earth: Fritz Haber， Carl Bosch， and the Transformation of World Food Production (MIT Press， Cambridge， MA， 2004).

8)P. Smith et al.， Global Change Biol. 19， 2285 (2013).

9)E. Bennett， S. Carpenter， N. F. Caraco， Bioscience 51， 227 (2001).

10)K. E. Giller， M. H. Beare， P. Lavelle， A. Izac， M. J. Swift， Appl. Soil Ecol. 6， 3 (1997).

11)P. Déry， B. Anderson， Energy Bull. (13 August 2007)； www.energybulletin.net/node/33164.

12)M. W. I. Schmidt et al.， Nature 478， 49 (2011).

13)D. J. Connor， Field Crops Res. 106， 187 (2008).

编译水平有限，如有错误敬请批评指正。

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