CREST | 确保星球存续——有机碳在土壤多功能特性权衡中的中心地位

导读

澳美欧科学家合作在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“确保星球存续——有机碳在土壤多功能特性权衡中的中心地位（Ensuring planetary survival: the centrality of organic carbon in balancing the multifunctional nature of soils; DOI: 10.1080/10643389.2021.2024484; Published online: 10 Jan 2022）”的特邀综述。这篇综述由来自三大洲十余个科研机构的著名科学家、青年学者以及土壤生物地球化学和土壤有机质方面杰出专家领衔撰写, 包括：澳大利亚昆士兰大学Peter Kopittke 教授（第一作者）、Eve McDonald-Madden教授、Neal W. Menzies教授，澳大利亚悉尼大学Budiman Minasny教授（通讯作者）、Damien J. Field教授、Michael J. Grundy教授、Alex B. McBratney教授、Iain M. Young教授，美国加州大学默塞德分校Asmeret Asefaw Berhe教授，澳大利亚西悉尼大学Elise Pendall教授，澳大利亚阿德莱德大学Timothy R. Cavagnaro教授、Petra Marschner教授，澳大利亚墨尔本大学陈德立教授、贺纪正教授，澳大利亚莫道克大学Daniel V. Murphy教授、Anthony G. O’Donnell教授，德国慕尼黑工业大学Ingrid Kögel-Knabner教授，丹麦哥本哈根大学Carsten W. Mueller副教授，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Jennifer Pett-Ridge教授，法国国家科学研究中心Cornelia Rumpel教授。

土壤为人类提供了许多重要功能。然而，人类往往重点关注通过农业集约化增加生物质供应（食物、纤维和能源等）的单一土壤功能，导致土壤退化及土壤其他重要功能的弱化。这些土壤功能的权衡——追逐单一功能而牺牲其他关键功能——是该综述的重点。作者研究了追求生物质供应功能的土地利用变化如何降低土壤其他功能，包括土壤通过调节碳库来影响气候变化，维持植物生长和生态系统健康的养分，保护土壤生物多样性，及保障淡水循环与供应等能力。作者进一步探讨了如何阻止并逆转土壤其他功能下降的措施。这些土壤功能复杂且相互关联，土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）在其中起着核心作用，是土壤功能的主要指标，因此需要更好地理解控制土壤中碳行为和持久性的因素。鉴于人类及其经济所面临的威胁，我们必须认识到土壤安全本身就是一项生存挑战，我们需要更加关注土壤的多功能性，以维护人类的长期福祉及在地球上的生存能力。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

人类社会可持续发展的六个地球生存基石均面临着威胁，即粮食安全、水安全、能源安全、减缓气候变化、生物多样性保护和生态系统服务供给。土壤与这些生存基石均密切相关，是维持地球上生命最重要的共同变量，土壤功能对联合国可持续发展目标的实现具有重要作用（图2）。

图2 土壤功能在促进实现联合国可持续发展目标中的作用

土壤的五个关键功能

土壤功能被定义为“支撑生态系统服务的一系列土壤过程”。本文总结了土壤对生态系统服务贡献的五个关键功能（图3），详细评述了全球对生产性农业的持续需求如何严重弱化土壤其他方面的关键功能，并提出了潜在的应对措施。

图3 五个相互关联的土壤关键功能，即1）生物质供应（黑色）、2）碳库调节（红色）、3）养分循环（白色）、4）生物多样性（绿色）和5）水循环（蓝色）。其中土壤有机碳（SOC）起核心作用

1）生物质供应（食物、纤维和能量）：大约98.7%的人类食物来源于土壤。为满足全球日益增长的粮食和其他商品需求，人类将地球16亿公顷土地（全球12%无冰土地）用于农作物生产，32亿公顷土地用于永久性草地与牧场，深刻地改变了地球的土地利用方式（图4和图5）。此外，人类对从土壤中生产纤维和能源（生物燃料）的需求亦不断增加。例如，2013年全球生物燃料生产占用了3200万公顷土地，而乙醇产量需求预计将从2000年的200亿升增加至2030年的1300亿升，更多土地将被占用。目前主要挑战在于，如何提高单位面积生物质的生产效率和产量，同时避免农田面积的肆意扩张。

图4 土地利用变化对土壤多功能性的影响。在自然系统中，生物质的循环有助于增加土壤有机碳（SOC）的多功能性；相比之下，在大部分生物质被去除、生物质投入减少的农业系统中，SOC储量的减少将会导致土壤多功能性的降低

图5 全球耕地和放牧的土地利用变化占无冰土地面积的百分比（阴影区域）和人口变化（灰色点）

2）碳库调节：地球地表1米深的土壤储存了1.5万亿吨有机碳，远高于大气和植被碳储量的总和，在调节碳通量和气候变化方面有重要影响。据估计，土壤碳库调节的经济价值高达每年每公顷268美元，全球无冰土地面积（130亿公顷）每年可提供大约3.5万亿美元的价值。

然而，土地利用类型的变化导致了SOC的显著损失，如森林转化为耕地，平均降低了约42%的SOC储量。过去200年的土地利用变化导致了约1160亿吨CO₂-C的额外排放，相当于约25%的全球CO₂累积排放量和约16%的人为温室气体辐射强迫增加总量。此外，土地利用与全球变化因素（如温度上升、大气CO₂增加、氮沉降增加等）还可能在未来对泛北极地区冻土融化碳排放和部分北方森林的碳汇增加产生复杂影响。

“千分之四”土壤增碳计划提出将全球SOC储量每年增加0.4%以有效抵消碳排放的理想目标。尽管传统耕作系统的调整可能受限于当地环境和国家管理的差异，该措施被证实可有效增加SOC储量。整合分析发现，采取免耕、有机改良剂添加等保护性农业措施可分别增加约8%和25%的SOC储量。然而，这些方法的增碳速率缓慢，且可能仍然不足以抵消土地利用变化所导致的碳损失。因此，可以考虑将农业生产的土壤转换回高植被密度的系统（如“碳耕作”产业）。据估计，转换农田为次生林和牧场将分别增加约53%和19%的SOC储量。要实现土壤碳储量的显著增加，需要一种明确的方法来量化土壤增碳措施的成效，及温室气体排放和农业生产损失价值之间的权衡。

3）养分循环：如果没有土壤的养分储存和循环功能，自然生态系统和农业系统中的植物生长将几乎完全停止（图3、图4和图6）。陆地生物圈中的N（1350亿吨）和P（270亿吨）分别有94%和98%储存在土壤中。SOC通过土壤微生物介导矿化或溶解来逐渐调动养分，对于植物和土壤之间的养分循环至关重要。据估计，通过土壤内养分循环产生的价值高达每年每公顷180美元，全球无冰土地每年可提供高达2.3万亿美元的价值。

图 6 自然生态系统（左）和农业系统（右）中的养分循环过程和损失。土壤过程主要由与土壤有机碳（SOC）相关的生物驱动。箭头大小与养分流量的大小成正比

然而，土地利用变化通过对植物生物量、物种多样性和土壤特性的影响改变了土壤养分（尤其是与SOC密切相关的N、P、S）的总储量及其循环（图6）。例如，全球整合分析显示，将森林转为耕地，土壤中N、P和S储量的中位数分别减少42%、31%和32%。土地利用变化可通过减少返回土壤的有机质和养分，加速SOC在耕作过程中的分解率，以及通过径流、侵蚀、挥发、浸出和作物生产等增加养分损失，从而破坏养分循环过程。此外，土地利用变化也可能减少进入土壤的有机物质的多样性，从而减少食物网多样性、破坏养分循环。

土地利用变化对养分储量和循环的负面影响可以通过一系列增加SOC储量的管理策略实现部分逆转。例如，使用提高植物多样性、覆盖种植、减少耕作或免耕以及永久植物覆盖等方法，有助于保留SOC并改善养分循环。一项整合分析发现，SOC的增加可能会使小麦和玉米产量分别增加10%和23%；与SOC贫瘠的土壤相比，富含SOC的土壤中在产量相近情况下需要更少的氮肥。同时，有机改良剂的应用可以显著提高土壤养分循环和肥力。据以往报道，养分循环的经济价值在有机管理的田地中为每年每公顷260美元，而在常规管理的田地中为每年每公顷142美元。以牺牲粮食生产为代价，退耕还林（草）可能会大大增加SOC储量，同时提高土壤储存和循环养分的能力。

4）生物多样性保护和栖息地提供：土壤是地球上生物多样性最丰富的栖息地，富含细菌、古生菌和真核生物，约占全球总生物多样性的四分之一以及陆地生态系统生物的40%以上。土壤生物多样性支撑着众多关键的土壤功能，包括食物（生物量）生产、碳库调节、养分循环、水供应、捕食者-食饵规则调节和人类健康（图3和图4）。例如，1983至1994年间批准的所有抗菌剂中约80%来自土壤，而1989至1995年间批准的所有药物中约60%来自土壤。土壤生物多样性的总价值估计为每年2.1万亿美元。SOC是驱动土壤群落的能源，生物多样性和SOC的储量与类型均密切相关。

然而，土地利用变化导致了SOC和土壤生物多样性的显著下降。大量报告已表明集约化农业生产大大减少了土壤食物网的复杂性和土壤动物群的数量。

要实现可持续的耕作系统，同时阻止（或逆转）农业生产对土壤和生态系统生物多样性的负面影响，将需要作物多样化、再生实践、有机施肥和生物控制等多种方法。例如，农业多样化——人为地将更多样的功能性生物添加到耕地系统，以再生并维持生态系统服务和生产所需的生物交互作用，已成为促进实现联合国可持续发展目标的一项战略。尽管作物产量和多项生态系统服务之间经常存在权衡取舍关系，但最近的整合分析表明，农业多样化可以在不影响作物产量的情况下促进生态系统的生物多样性和功能实现。此外，有机和保护性耕作可以促进生态系统的多功能性，包括保护生物多样性、保障土壤和水体质量、减缓气候变化以及提供经济效益。

5）水循环：作为陆地生态系统中最大的淡水储存库，全球土壤最多可以储存121,800 km³的水；平均而言，土壤一般包含最大容量的十分之一水分（约17,000 km³），仍多于大气和生物体水分总量（图3和图4）。土壤与大气、植物和地下水之间的界面是水文循环的重要组成部分，为植物储存和供水，地下水传输、过滤、储存，径流与河流的产生，土壤-植物-大气系统中的水交换，干旱和洪涝潜力的缓和，及水文循环对气候变化的响应缓冲等方面提供重要服务。由SOC和土壤生物等驱动的土壤团聚行为在影响土壤水循环功能方面发挥着重要作用。

然而，土地利用变化和传统农业实践严重影响了土壤对水循环的贡献。耕作和SOC的损失，连同其他因素，导致了土壤压实和土壤团聚体损失。反过来，这种退化过程又增加了径流和蒸发，减少了水的渗透、储存和补给。土地利用不仅影响土壤的物理条件及其输水蓄水能力，还影响该地区的水文循环。土地利用对水循环的影响将进一步受到气候变化的影响，可能导致土壤干旱的发生。

现有研究已发现保护性农业，包括使用少耕、留茬和覆盖作物等，可以减少土地利用对水循环的负面影响。这些有力措施限制了SOC的损失，增加了土壤聚集和大孔隙的形成，从而增加水的渗透和土壤蓄水量，减少了水土流失，并成为洪水管理的基础设施保障。

量化土壤功能并优化权衡以保障在地球上的生存能力

鉴于人类现在面临的生存威胁，人类必须更加关注土壤提供的多种重要功能。迫切需要开发可量化土壤功能复杂性的预测性多尺度模型，以指导政策和决策过程，帮助我们更好地理解、量化和在经济层面评估土壤功能的权衡。例如，识别土壤临界点（农业产量低的地方）以确保将系统恢复到自然系统所获得的土壤多功能性收益，超过农业生产损失的价值。这些多尺度模型至关重要，因为需要足够全面的信息以促进政策干预，同时需要足够的局部细节以反映一个地区特定土壤的功能复杂性。

本文总结了现有量化和预测土壤功能的方法，涵盖了上述的五个关键土壤功能。对于碳库调节功能，可以通过测量SOC储量及其变化来直接量化实际贡献。对于养分循环功能，通常包括对SOC以及阳离子交换容量的评估，其中后者取决于土壤质地、矿物学、pH值以及SOC含量。鉴于SOC在土壤养分循环中的核心作用，其常被用于量化土壤对固有养分循环的贡献。因此，对于养分循环能力下降的受管理土壤，可以通过估计SOC的损失来评估土壤对养分循环的潜在贡献与实际贡献之间的差异。土壤生物多样性可以通过一系列方法来衡量，包括物种丰富度、多样性指数或关键物种的存在和功能多样性。然而，如何将这些土壤生物多样性的指标与土壤的实际功能联系起来，并了解土壤生物多样性变化与土壤功能之间的联系，仍然是一个关键挑战。最后，对于水循环，对于任何给定的土壤，其对于水循环的实际贡献取决于一系列土壤物理特性（包括质地、聚集、孔隙度和保水性）和各种化学特性（包括SOC含量）。

SOC作为功能指标的核心作用

土壤功能极其复杂，作者认为SOC在其中起着核心作用，是检查土壤功能变化的主要指标。在任一土壤中，SOC是土壤碳库调节功能的主要指标，是养分储存和循环的核心，与土壤生物多样性密切相关，并且由于其在土壤团聚和结构中的作用，SOC对水循环亦至关重要（图3、图4和图6）。然而，SOC的增加如何促进这些功能的实现，人们对于其中的定量机制知之甚少。土壤碳管理最突出的作用是将减缓气候变化与农业生产的利益联系起来，从而缩小作物产量差。已有研究证明，土壤储存额外碳并促进土壤多功能性的潜力，很大程度上取决于具有不同土壤类型和土壤利用历史的特定生态区。由于土地利用、土壤类型、土壤结构和土壤矿物质成分等直接决定了土壤储存和封存碳的能力，未来研究必须厘清其中的机制。

作者倡议未来研究应聚焦于更好地理解驱动土壤中碳持久性、不稳定碳库动态的生物和非生物因素。有了这些认识，才能预测SOC储量如何随管理、土地利用和其他压力因素（如气候变化）的变化而变化，并了解与生物活动相关的多种土壤功能。同时也需要考虑经济价值，以确定多种土壤功能改变对人类社会的影响。显然，我们需要新的管理方法来增加土壤功能；还必须确定能够通过恢复退化土壤而获得环境效益的地理区域，使它们能够最大限度地提供其他功能，以超过继续用于生物质供应的功能效益。

总结与展望

在综合现有研究的基础上，作者总结了相关的知识空白并展望了未来亟待研究的四个重要方向：1）土壤中有机碳持久性和尺度效应；2）土壤生物多样性的功能；3）提高土壤多功能性的新方法；4）将土壤多功能性纳入并优化生态系统服务模型。作者提出，土壤作为地球上最复杂的生物材料，尚无简单的解决方案来应对地球上持续的土壤安全危机。未来须寻找新思路，通过土壤的可持续利用来发挥土壤的多种功能和生态系统服务，从而保障人类子孙后代在地球上的生存。为此，作者提出需要在基础科学和转化科学之间进行高度协作，开展跨学科的密切合作，将实验研究与更广泛的建模研究联系起来，以实现对将土壤用于粮食生产或其他类似情况下的土壤状态和重要功能的准确预测。

作者简介

第一作者简介：

Peter M. Kopittke，博士，教授，澳大利亚昆士兰大学土壤环境科学课题组组长，澳大利亚研究委员会“未来学者”（ARC Future Fellow），前澳大利亚土壤科学学会昆士兰州主席，2018年获JK Taylor 土壤科学金奖。主要从事农业生产、水化学和废物处理方面研究，目前的研究重点：(i) 通过在土壤中高效和环保地使用肥料来改善植物营养，(ii) 微量金属对植物的毒性，以及 (iii) 通过叶面施肥方式克服营养限制。

通讯作者简介：

Budiman Minasny，博士，教授，澳大利亚悉尼大学悉尼农业研究所土壤、碳和水研究专题负责人，悉尼东南亚中心和中国研究中心的成员，澳大利亚研究委员会“女王伊丽莎白二世（QEII）学者”和“未来学者”。致力于研究土壤在管理气候变化、食物、水、能源安全和维护生物多样性方面的作用。已发表论文160余篇，被公认为数字土壤测绘和建模领域的领导者。担任Geoderma期刊共同主编（Editors-in-Chief），入选2019年Web of Science高被引科学家。

|供稿：王俊坚

|编排：曾镜羽

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