联邦土壤科学战略计划框架（Part 3 ）

导  读

2016年12月，美国政府的国家科学和技术部发布了联邦土壤科学战略计划框架。环境、自然资源和可持续性小组委员会编写了该报告，总结了美国当前的土壤状况，未来的挑战和对解决方案的支持。

《土壤家》分次推送该份报告。

译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）

来源：https://www.soilsecurity.org/strategic-plan-for-soil-science-in-the-usa/

原题为：Framework for a Federal Strategic Plan for Soil Science 

美国目前估计的侵蚀速率为平均每年每英亩4.6吨，即0.76吨/亩/年，平均土壤形成速率接近每年每英亩0.5吨，即82.4公斤/亩/年。因此，单靠自然土壤形成不可能弥补土壤的流失。

Part 3 （美国）国家土壤状况

Part 3 The State of the Nation’s Soils

美国土壤类型多样，这些土壤类型是随着时间的推移在特定地点的因素包括当地气候和水文、生物活动、地形和地质母质（统称为土壤形成因子）的作用下形成的。不同的土壤类型对退化措施的敏感程度、恢复生态系统服务的速度、用于恢复的管理措施以及可恢复的土壤功能水平都有所不同。

土壤退化

土壤退化是一个统称术语，适用于招致土壤无法提供其预期生态系统服务水平的过程。最初，这个术语用于农业生产力，但现在其概念范围已经扩展到涵盖土壤提供的更宽泛的服务。退化会降低土壤对于食物和纤维生产、水过滤和储存、碳固定以及社会所依赖的其他重要生态系统服务的可用性。在许多情况下，退化的土壤可以通过改进管理措施或土壤改良剂（如有机物质）来改善物理或化学障碍。退化的土壤可能需要数百年甚至数千年的时间才能自然恢复[15]。例如，有机质损耗是农业土壤中常见的一种退化类型，这通常是由于集约化耕作，并且常常在非生长季节土地没有得到覆盖所导致。土壤管理方面的改变可中止、且常常能扭转土壤有机质损耗的趋势。

美国的土壤流失

土壤流失主要有风蚀和水蚀两种形式，可以被认为是最极端的土壤退化类型，因为流失效应不能通过简单地用另一个地方的土壤的替换来缓解。形成一英寸的土壤可能需要超过500年的时间[16]，而且由于土壤也是个活生生的共同体，健康的和功能性的土壤所需的微生物群落结构因地点和用途而异，用另一个地方的土壤机械地替换流走的土壤并不足以恢复其功能。从1982年至国家资源清单(NRI)【注释1】的数据能提供数据的2012年期间，农田水土流失的平均速度下降了30％以上（图3） [17]，这主要是由于越来越多的农民采用减耕管理。尽管如此，目前估计的侵蚀速率（平均每年每英亩4.6吨[18]）（译者注：即0.76吨/亩/年）依然导致严重的土壤流失。这些估计的损失并不是均匀分布的，一些地区的土壤损失接近平均值的两倍[19]（图3a和3b）。

地图3a：1982年美国的板材和细沟侵蚀。资料来源：2012年国家资源清单，美国农业部自然资源保护局 (USDA NRCS)。

图3b：2012年美国的板材和细沟侵蚀。资料来源：2012年国家资源清单，美国农业部自然资源保护局 (USDA NRCS)。

土壤形成速率本身并不能抵消由于侵蚀导致的土壤流失速率。尽管有大量的尝试努力量化在各种条件下的土壤形成速率，但得到的唯一共识是土壤形成速率变化很大。最近的估计表明平均土壤形成速率接近每年每英亩0.5吨（译者注：即82.4公斤/亩/年，1英亩 =6.07亩）[20，21]，因此，单靠自然土壤形成不可能弥补农业土壤和其他土壤的高土壤流失率。

当前联邦土壤数据的可用性及其质量

记录美国土壤资源状况的数据相当多。土壤信息的主要来源是土壤调查地理（SSURGO）【注释2】数据库，该数据库可通过美国农业部网络土壤调查(Web Soil Survey)接驳[22]。该数据库由NRCS维护，包含数百种估算的土壤景观和构成的性质，涵盖了美国大陆90％以1:24,000的空间尺度绘制的地图。国家土壤地理数据库（STATSGO）也通过网络土壤调查分发，为整个国家提供了一套较小的估计的性质数据库，比例为1:250，000。SSURGO中的化学数据的空间分辨率对于大而均匀的景观是足够的，但是在多种土壤母质的多变地形中，如同在东部和西部山区的许多地方，数据集数据有限。因此，SSURGO数据通常不会提供关于地表水或森林状况的详细信息，也不提供土壤碳储量的有用估计；然而，NRCS继续投资改善土壤资源绘图计划，预计这些计划将有助于解决目前的局限性。

全国合作土壤调查（NCSS）土壤特征数据库包含了从美国和全世界超过63,000个地点获得的1000多种土壤特性的测量数据，尽管美国许多地方的测量受到空间分辨率低的限制[23]。NCSS 还包含许多其他土壤性质的计算数据。所有这些数据集都基于一致的、记录完好的标准和规范。NRCS能够通过国际合作，包括与联合国粮食及农业组织（FAO）全球土壤合作伙伴关系以及国际组织（如ISRIC）的土壤信息等，利用有关全球土壤资源的重要信息。

NRCS还维护NRI，这是一项基于统计原则和程序的国家土地利用特征纵向抽样调查。NRI与爱荷华州立大学调查统计和方法学中心合作进行。目前的估算覆盖了相连的48个州，夏威夷和加勒比部分地区。单独的估计还包括阿拉斯加。NRI开展清查工作的方法有助于随时间审查农村和已开发的土地特征及其使用趋势，因为：

◆自1982年以来一直在相同的采样点开展研究；

◆自1982年以来收集到相同的数据；

◆清单占100％的表面面积；

◆设计和开发了质量保证和统计程序，以确保趋势数据在科学上合法且毫不含糊；和

◆当土地特性和用途的变化时，很容易得到跟进。

随着时间的推移，收集的关键信息包括与土壤特性配对的土地覆盖和利用、水蚀和风蚀、以及与湿地特征。然而，NRI在制定对土壤生态系统服务威胁的反应方面的适用性是有限的，因为它原则上是土地利用数据库，而不是土壤属性数据库，因此缺乏关于土壤特性的详细信息。

美国农业部另一个机构林务局负责领导森林清查和分析（FIA）【注释3】，该局负责对美国森林状况（包括森林土壤）进行年度调查，并就土地覆盖变化、碳封存以及污染物和火灾影响等问题提供报告。调查内容包括大约125,000个核心数据采集点，其中约7,800个采样点集中采样并包括森林健康和土壤特征。

数个公私合作聚合和分析大量的土壤数据。例如，科学家创建了国际土壤碳网络（ISCN），该网络是一个开发土壤碳测量全球综合数据库的平台[24]。ISCN与多个联邦计划合作，包括美国全球变化研究计划（USGCRP）和美国全球变化研究计划NSF资助的国家生态观测网络（NEON）[25, 26]（NEON的科学指导小组包括多个美国和外国政府机构以及大学和研究机构）。包括EPA，DOE和其他机构在内的联邦机构拥有许多其他数据集。然而，尽管做了所有这些努力，许多现有数据集缺乏行之有效的政策和土壤管理决策的必要解决方案，许多高分辨率数据集是区域性的，并且缺乏与国家数据库的整合[27]。美国缺乏单一的土壤数据交换中心或基础设施进行异构数据集的比对，尤其是那些包含通过不同方法收集的数据和不同目标（例如，当两名研究人员在不同深度测量相同属性时）。由于土壤属性变化幅度大，各个属性的重要性不同，因此聚合和比对本质上是困难的，这取决于位置和土地使用或土地覆盖类型、规模以及针对不同土壤管理目标的不同研究需求。例如，土壤湿度主－被动探测卫星（SMAP）被设计用来测量5厘米深的土壤湿度，而水文学家可能会研究10米深的地下水流量。确保数据可被发现（可通过元数据格式搜索，使用数字对象标识符标记数据集）和可访问性（允许一致的数据格式以及安装和综合方法）也具有挑战性。计划中的机构间土壤资源管理方法的一个重要组成部分是协调各个联邦机构的这些类型的数据集，以最大限度地发挥信息和分析工具的可发现性，可访问性和可用性，从而为重要的政策决策奠定基础。

全球视角下的土壤重要性

历史上，美国农业，畜牧业和林业生产的成功在很大程度上取决于国家高度肥沃的土壤。黑沃土（Mollisols）是世界上生产力最高的土壤[28]，也是美国最常见的土壤，约占国土面积的22％，但在全球的该土壤面积中不到7.29％[29]。通常Mollisols形成于草原植被下，含有高含量的有机物质，可储存大量对植物健康至关重要的碳和营养物质。美国特别肥沃的土壤为美国农民、牧场主和林农提供了相对于世界其他地区的生产者相当大的竞争优势。

例如，非洲的许多地区都在努力在普遍高度风化和营养贫化的土壤中生产足够的粮食[30]。非洲大陆的土壤中仅约16％适合作物和畜牧生产[31, 32]（见地图5，全球土纲），而其它的土壤对成功的农业都存在着一个或多个主要挑战，例如有机物质水平低或酸度太强。农民在管理这些土壤过程中遇到干旱和极端天气事件中其作物和牲畜容易遭受损失。这些损失可能导致饥饿或严重的粮食短缺，而这些情况在美国不太可能发生。通过美国国际开发署等联邦机构，联邦政府通过支持农业发展项目帮助世界各国避免这些悲剧，其中许多项目的重点是帮助小农保护和改善土壤。

由于土壤威胁及其在社会中的不同角色具有全球性质，因此有一系列的国际实体直接或间接解决土壤可持续性问题。其中包括负责全球土壤伙伴关系和政府间土壤技术小组（ITPS）的粮农组织；在全世界防治土地退化的联合国防治荒漠化公约（(UNCCD）， 和联合国环境规划署（环境规划署）的国际资源专家组（IRP）。这些实体与世界各国合作生成数据和数据库，用于解决与土壤有关的重要研究问题。

美国的高度肥沃土壤比世界任何其他国家所占的比例都高，如下图的堪萨斯州深色草原土壤，使得它能有富足且可靠的收成。贫瘠的土壤可能会通过增加作物和牲畜失收，未能改善收入和营养状况，从而阻碍国家的进步。（图片：Jim Richardson，Small World Gallery，经许可使用）

参考文献

15 R. Lal and B.A. Stewart (1992). Advances in soil science: soil restoration. Vol. 17.

16 USDA Natural Resources Conservation Service (2003). Fact Sheet: What on Earth Is Soil? Retrieved from https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs144p2_002430.pdf.

17 USDA Natural Resources Conservation Service (2012). National Resources Inventory: 2012 Summary Report.

18 USDA Natural Resources Conservation Service (2012). National Resources Inventory: 2012 Summary Report.

19 USDA Natural Resources Conservation Service (2012). National Resources Inventory: 2012 Summary Report.

20 F.G.A. Verheijen, R.J.A. Jones, R.J. Rickson, C.J. Smith (2009). Tolerable versus actual soil erosion rates in Europe. Earth-Science Reviews, 94, pp 23—38.

21 United Nations Food and Agriculture Organization (2015). Status of the World’s Soil Resources. Retrieved from http://www.fao.org/3/a-i5199e.pdf.

22 USDA Natural Resources Conservation Service (2016). Web Soil Survey. Retrieved from http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/.

23 USDA (2016). National Cooperative Soil Survey, Soil Characterization Data: Query Page. Retrieved from http://ncsslabdatamart.sc.egov.usda.gov/.

24 USDA Forest Service (2014). International Soil Carbon Network. Retrieved from http://www.nrs.fs.fed.us/niacs/carbon/nscn/.

25 International Soil Carbon Network (2016). Partner Networks. Retrieved from http://iscn.fluxdata.org/partner-networks/. Several scientists from the United States Geological Survey (USGS), EPA, and USDA serve on the ISCN’s Steering Committee, which is chaired by a USGS scientist.

26 G.B. Lawrence, I.J Fernandez, D.D. Richter, D.S. Ross, P.W. Hazlett, S.W. Bailey, R. Ouimet, R.A.F Warby, A.H. Johnson, H.S. Lin, J.M. Kaste, A.G. Lapenis, T.J. Sullivan. (2013). Measuring environmental change in forest ecosystems by repeated soil sampling: A North American perspective. Journal of Environmental Quality, 42, pp 623—639.

27 A.J. Tugel, J.E. Herrick, J.R. Brown, M.J. Mausbach, W. Puckett, K. Hipple (2005). Soil change, soil survey and natural resources decision making: a blueprint for action. Soil Science Society of America Journal, 69, pp 738—747.

28 University of Idaho, College of Agricultural and Life Sciences (NA). Mollisols. Retrieved from http://www.cals.uidaho.edu/soilorders/mollisols.htm.

29 University of Idaho, College of Agricultural and Life Sciences (NA). Mollisols. Retrieved from http://www.cals.uidaho.edu/soilorders/mollisols.htm.

30 United Nations Food and Agriculture Organization (2015). Status of the World’s Soil Resources. Retrieved from http://www.fao.org/3/a-i5199e.pdf.

31 USDA Natural Resources Conservation Service (1997). Soil Quality and Soil Productivity in Africa. Retrieved from https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/use/?cid=nrcs142p2_054024.

32 H. Eswaran, R. Almaraz, P. Reich, P. Zdruli (1997). Soil Quality and Soil Productivity in Africa. Journal of Sustainable Agriculture, 4, pp 75—90.

【注释1】

NRI。在美国，“国家资源清单”(NRI)专门用于评估非联邦土地上的土壤、水和相关环境资源（Nusser 和 Goebel, 1997 年; Fuller, 1999 年）8。“国家资源清单”使用多个来源的数据核实估计值。美国的地理信息系统用于保存清 单，它包括全部地面面积、水面积和联邦土地。由其它来源（例如土壤数据库）和其它清单（如“森林清单和分 析”等）提供的数据可与“国家资源清单”相链接9。尽管“国家资源清单”和“森林清单和分析”的抽样技术相类 似，但是不同的目标要求不同的抽样格网，从两个在统计上独立的清单中得出估计值。不过，粗略的抽样数据可用 作方法三的基础。 “国家资源清单”是由美国农业部自然资源局在衣阿华州大学的合作下制定的。有关“国家资源清单”的更多 情况可在以下网址上查阅： http://www.nhq.nrcs.usda.gov/technical/NRI/1997/

【注释2】

土壤调查地理数据库 (SSURGO) 提供了大量美国境内土壤的相关信息。这些数据存储在 60 多个表格内，表格提供了地图单元、土壤成分和土层这三个基本级别的信息。地图单元面是与 SSURGO 表格相关联的地理单元。每个地图单元面都有一个与地图单元表中的记录相连接的 "MUKEY"。

土壤调查地理数据库是县域级详细土壤调查资料的数字化版本。SSURGO中的空间数据是通过编辑、数字化、以1：1.25晚土壤图上的图斑单元存档而形成的。在这种比例尺的土壤图中，所能展现的最小图斑面积在0.61至4.05h㎡之间，故该数据库可以满足国家土壤图的准确标准；SSURGO中的属性信息则来源于土壤制图单元纪录（MUR）。SSURGO被广泛用于GIS研究之中。

【注释3】

“森林清单和分析”由美国农业部森林局中的研究与发展组织在州和私人林业及国家森林系统的合作下进行经 营。有关“森林清单和分析”的更多情况可在以下网址上查阅： http://fia.fs.fed.us/

翻译水平有限，如有纰漏之处，敬请批评指正。

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