耕地土壤健康及其評價探討*

吳克寧，楊淇鈞，趙 瑞

（1. 中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術(shù)學院，北京 100083；2. 自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035）

土壤是人類賴以生存、興國安邦、生態(tài)文明建設的基礎資源。當前，人口壓力及與之相關(guān)的土地利用變化導致全球土壤資源負擔越來越重，土壤退化問題日益突出，糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展受到極大沖擊[1-3]。近年來，在聯(lián)合國糧農(nóng)組織、國際土壤科學聯(lián)合會等機構(gòu)的推動下，土壤健康管護理念已成為共識。我國人均耕地較少，土壤質(zhì)量不高，部分地區(qū)土壤退化與污染嚴重[4-5]，耕地土壤的安全利用面臨嚴重威脅。掌握耕地土壤健康狀況及其動態(tài)變化，實現(xiàn)耕地土壤健康管護，對保障我國糧食安全和生態(tài)文明建設具有緊迫的現(xiàn)實意義[6-8]。因此，迫切需要開展面向耕地的土壤健康評價[9-10]。

目前，國內(nèi)外土壤健康/質(zhì)量研究主要集中在某個特定土地利用方式下或者農(nóng)業(yè)耕地條件下的中、小空間尺度上[11]，多空間尺度、多功能維度研究相對缺乏[12]。在實踐方面，長期以來，我國自然資源部耕地質(zhì)量等別調(diào)查評價（原農(nóng)用地分等）和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量等級調(diào)查評價（原耕地地力調(diào)查評價）兩項工作中，形成了以縣域為項目單位、以田塊為評價單元，逐級匯總形成省域、國家級成果的耕地資源評價體系，為耕地利用與管理提供了堅實的基礎。但這兩套方案受當時科學方法和保護理念制約，一方面，忽略了土地評價中“不同尺度解決不同問題”的一般性原則，存在尺度雜糅的問題，不易準確、快速地描繪縣域以上尺度的狀況，難以滿足不同層級的管理需求。另一方面，兩套方案主要表征“本底”生產(chǎn)潛力、服務耕地培肥，對土壤功能與土壤環(huán)境狀況考慮不足，評價結(jié)果作用單一，難以服務目前多目標的耕地土壤健康管護。在理論研究缺位和實踐方案存在缺陷的背景下，建立耕地土壤健康的多尺度評價理論與方法，已成為我國耕地資源管理領(lǐng)域亟待突破的瓶頸。本文針對土壤健康概念抽象、評價尺度雜糅等相關(guān)研究中的普遍性問題，和歐美主流技術(shù)路線中的局限性，從概念解構(gòu)的視角進行探討，并提出研究框架，以期為耕地土壤健康評價工作提供啟示。

1 土壤健康概念及其解構(gòu)

1.1 土壤健康的經(jīng)典定義

土壤健康是在土壤質(zhì)量研究不斷發(fā)展中衍生的概念。土壤質(zhì)量研究始于20世紀70年代[13]，隨著多年的發(fā)展形成了相對穩(wěn)定的概念定義：土壤質(zhì)量，即土壤在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)力、維護環(huán)境質(zhì)量、促進動植物和人類健康的能力[14-16]。早期研究中，“土壤健康”常用作“土壤質(zhì)量”的同義詞[17]。近年來，土壤健康概念得到進一步完善：土壤是一個支撐植物、動物和人類生存的重要生態(tài)系統(tǒng)，土壤健康即為其持續(xù)發(fā)揮這種功能的能力[18]。我國已將土壤健康狀況概念性地引入《耕地質(zhì)量等級》（GB/T 33469—2016），界定為土壤作為一個動態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力。

當前，仍有學者認為土壤健康和土壤質(zhì)量兩者相對等同，可互換使用[19]。另一種觀點認為土壤質(zhì)量包含固有（inherent）和動態(tài)（dynamic）質(zhì)量，固有土壤質(zhì)量是指與土壤天然成分和性狀（即土壤類型）相關(guān)的土壤質(zhì)量，長期受自然因素和成土過程影響大[20]；動態(tài)土壤質(zhì)量才相當于土壤健康，是指由于土壤使用和管理而在人類時間尺度上發(fā)生變化的土壤性狀，例如有機質(zhì)、容重和團聚體穩(wěn)定性等[18]。

從上述概念梳理來看，土壤健康已經(jīng)形成了較為一致的經(jīng)典定義，抽象地概括了健康的土壤應具備的特性。但如同土壤質(zhì)量概念一樣，由于土壤健康與人地關(guān)系的密切相關(guān)性，時至今日它仍因受人為主觀影響而被質(zhì)疑其科學屬性。這種爭議性和它本身的抽象性，給土壤健康評價工作帶來了一定困擾。

1.2 基于土壤功能與脅迫的土壤健康觀

土壤健康狀況又可概括為發(fā)揮土壤功能和提供土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的能力[21]。土壤功能是支撐提供生態(tài)系統(tǒng)服務的一系列土壤過程[22]，土壤脅迫是影響這一系列過程的重要因素[23]。土壤功能、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務與土壤脅迫共同構(gòu)成了近年來土壤健康/質(zhì)量評價研究的主要內(nèi)容[24-27]。目前，國內(nèi)外土壤功能分類方案不盡相同[28]，但土壤健康研究中關(guān)注的主要土壤功能基本一致，即與農(nóng)林生產(chǎn)密切相關(guān)的：初級生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等功能[29-30]。

從土壤健康的經(jīng)典定義中的“功能”入手，引入土壤功能（土壤生態(tài)系統(tǒng)服務）理論，將抽象的土壤健康解構(gòu)為多種易被客觀描述的、與農(nóng)林生產(chǎn)相關(guān)的土壤功能，再結(jié)合具體農(nóng)地類型對土壤功能的需求，探討土壤功能供給能力和土壤脅迫程度，由此評價土壤健康狀況。土壤功能對于土壤健康評價，可類比為人體機能對于人體健康狀況評估，它是土壤健康的重要組成，將后者概念具體化。這里借用木桶理論，進一步闡述土壤健康、土壤功能與脅迫的邏輯關(guān)系，辨析土壤健康與土壤質(zhì)量的區(qū)別。如圖1a）所示，耕地、林地和草地等農(nóng)地類型分別對應不同木桶，初級生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等土壤功能即為組成各個木桶的木板，依據(jù)功能性土地管理理論[29，31]，不同農(nóng)地類型對各種土壤功能的需求存在差異，即組成不同木桶的木板的配比不同，基于此“木桶結(jié)構(gòu)”，考慮是否存在短板、漏洞或結(jié)構(gòu)問題，以判斷各個農(nóng)地類型的土壤健康狀況。關(guān)于土壤健康與土壤質(zhì)量，從兩者的經(jīng)典定義來看，它們存在相互轉(zhuǎn)換、各有側(cè)重的關(guān)系，但從土壤質(zhì)量到土壤健康，實質(zhì)是土壤資源管護理念的進步。如圖1b）所示，土壤質(zhì)量可以類比為木桶容積，土壤健康則可看作木桶發(fā)揮正常作用的狀態(tài)，土壤天生稟賦有差異，對土壤資源的管護應該是補短板與漏洞——改善健康狀態(tài)，提下限——保育以不退化，而非一味加高木桶——機械集約拔高“耕地質(zhì)量”，形成土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失調(diào)、欠穩(wěn)定的不可持續(xù)狀態(tài)。

這種基于土壤功能與脅迫的土壤健康觀，既可以客觀描述土壤的多種功能，又可以依據(jù)農(nóng)地利用與土壤管護需求，有針對地評價土壤健康狀況，兼具客觀科學性和主觀實踐性。

1.3 土壤健康的尺度問題

土壤健康的尺度問題是指，在土壤健康評價中，不同空間尺度、評價對象所偏重的評判標準不同，不同尺度下評價方法和作用有顯著差異。這也可以概括為土地評價的一般性原則——不同尺度解決不同問題。所以，尺度問題是解構(gòu)土壤健康的另一重要視角，它從實踐方面區(qū)分了土壤健康評價的方法與作用。

對國際上涉及空間尺度的土壤健康/質(zhì)量研究成果進行分類統(tǒng)計，可知研究尺度聚焦于國家/地區(qū)、流域/集水區(qū)、景觀/農(nóng)場、田塊等類別[21]。而在我國耕地資源管理體系中，田塊是基層評價單元，是農(nóng)戶進行生產(chǎn)活動的最大均一單位；縣域是常用項目單位，也是耕地資源可持續(xù)利用與管理的常用尺度；而省域和國家等宏觀尺度，尚缺乏直接的評價方案。所以，結(jié)合我國耕地資源管理的實際情況與需求，面向耕地的土壤健康評價研究宜主要關(guān)注田塊、縣域、省域和國家等4級尺度。

2 耕地土壤健康評價研究思路

自21世紀初以來，由美國農(nóng)業(yè)部科學家Andrews等[32]提出的土壤管理評價框架（Soil Management Assessment Framework，SMAF），在全球得到了廣泛應用，并被不斷改良與發(fā)展[19]，對土壤健康/質(zhì)量研究產(chǎn)生了深遠影響。在這一理論框架指引下，土壤健康評價形成了“制定評價目標—明確評價對象和涉及的土壤功能—選取評價指標與評價方式—輸出評價結(jié)果”的一般技術(shù)路線。目前，土壤健康評價主要有以下兩類實踐方案：以美國康奈爾土壤健康綜合評價[18]和印度土壤健康卡[33]為代表的田塊尺度土壤健康評價方案已經(jīng)過數(shù)次迭代，并開展了初步實踐，它們的特征是中間過程不評價具體的土壤功能，而以指標直接評價土壤健康狀況；以土壤功能研究見長的歐盟研究團隊，則提出將各類土壤功能評價結(jié)果分土地利用類型進行整合，指導功能性土地管理，以實現(xiàn)土壤健康管護。兩者均已形成了自洽的理論體系，各有特色，但是也分別存在一定局限性：前者對土壤健康的解析較為模糊，現(xiàn)有方案難以實現(xiàn)大中尺度的空間制圖；后者對不同土地利用方式的土壤功能需求分異的探討，仍停留在概念層面，基于土壤功能的土壤健康狀況表達的具體方法有待研究。

針對兩種主流土壤健康評價技術(shù)路線，不同尺度的耕地土壤健康概念解析、指標映射和結(jié)果表達等技術(shù)瓶頸，基于前述的兩種土壤健康解構(gòu)思路，可構(gòu)建如下全流程研究框架，主要包含5部分研究內(nèi)容：

（1）土壤健康的科學內(nèi)涵與評價框架。初步界定“耕地土壤健康”的內(nèi)涵為：基于耕地（旱地、水澆地和水田）自身特性與利用需求，持續(xù)供給初級生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等5類土壤功能，且不存在顯著土壤脅迫的狀態(tài)。結(jié)合功能性土地管理理論，擬定“土壤功能/脅迫—耕地土壤健康”整合評價路徑，構(gòu)建適用于多尺度的普適性耕地土壤健康評價理論框架。

（2）耕地土壤健康與土壤功能供需、土壤脅迫的關(guān)系及其表達。結(jié)合土壤健康內(nèi)涵與耕地利用導向，明確5類土壤功能的供需與耕地土壤健康狀況之間的關(guān)系。土壤污染是耕地安全利用的關(guān)鍵影響因素，侵蝕、有機質(zhì)減少、鹽堿化、壓實等其他土壤脅迫類型均可以通過土壤功能評價中的具體指標體現(xiàn)，宜選取重金屬污染為典型脅迫因素，探討基于土壤功能表征結(jié)果和重金屬脅迫風險管控的耕地土壤健康分級方案。

（3）不同尺度耕地土壤功能表征與土壤健康評價。在土壤健康評價框架內(nèi)，根據(jù)研究區(qū)實際情況和數(shù)據(jù)條件選擇評價模型與指標，準確表征各土壤功能，將土壤功能表征結(jié)果和重金屬污染水平導入擬定的耕地土壤健康分級方案，實現(xiàn)綜合評價。不同空間尺度的土壤功能表征存在顯著差異，國家尺度：基于廣域地學柵格數(shù)據(jù)和解譯土壤系統(tǒng)分類（高級單元）成果，以農(nóng)業(yè)區(qū)劃方案劃分研究區(qū)單元，進行粗分辨率土壤功能空間制圖；省域尺度：集成遙感、土壤地球化學調(diào)查、土壤普查和國土調(diào)查等數(shù)據(jù)，對省域耕地進行土壤功能空間制圖；縣域尺度：通過整合土地利用現(xiàn)狀、耕地質(zhì)量分等數(shù)據(jù)庫和空間插值布點采樣測試結(jié)果，對縣域耕地進行多時序的圖斑精度土壤功能空間制圖；田塊尺度：在縣域尺度研究區(qū)內(nèi)布點采集選取不同土壤類型的土壤樣本，通過對土壤物理、化學、生物性狀的測試結(jié)果和農(nóng)田管理利用因素的統(tǒng)計分析，構(gòu)建隸屬度函數(shù)，定量描述不同土壤類型田塊及其土壤功能分異及動態(tài)變化。

（4）不同尺度耕地土壤健康空間分異特征及影響要素。基于不同尺度耕地土壤健康評價結(jié)果空間特征，及相關(guān)驅(qū)動因子的相關(guān)關(guān)系，揭示耕地土壤健康空間分異規(guī)律。分析不同尺度土壤功能表征結(jié)果與其他自然資源要素、土地利用、農(nóng)地管理、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，識別耕地土壤健康狀況空間分異的影響因子，比較各因子在不同尺度上的作用強弱以明確其尺度特征，以此探明關(guān)鍵影響要素及其作用機理。

（5）耕地土壤健康管護的對策和模式。模擬耕地土壤健康與影響要素之間的響應關(guān)系機制，預測不同氣候變化和農(nóng)田管理情境下，研究區(qū)的耕地土壤健康狀況演變，識別風險并提出耕地資源優(yōu)化管護措施。例如：國家、省域尺度，基于耕地土壤健康狀況的空間和程度變化，刻畫耕地土壤健康短板區(qū)和脆弱區(qū)，研究對應的優(yōu)化和保育策略；縣域尺度，探討不同種植制度條件、集約度水平下，縣域耕地土壤健康總體狀況和空間變異，基于此提出典型區(qū)縣域耕地土壤健康管護策略；田塊尺度，結(jié)合不同耕地管理情境，識別土壤健康限制因素，建立維護耕地土壤健康的農(nóng)田管理模式。

通過依次開展5部分研究，以期實現(xiàn)3方面目標：第一，構(gòu)建基于土壤功能與脅迫的土壤健康概念模型，和適用于國家、省域、縣域、田塊尺度的耕地土壤健康評價框架；第二，進行多尺度案例研究，實踐服務于我國多層級耕地資源管理的耕地土壤健康評價理論與方法；第三，明確耕地土壤健康狀況空間分異規(guī)律及其尺度特征，揭示不同空間尺度下耕地土壤健康狀況對農(nóng)田管理和氣候變化等的響應機制，提出優(yōu)化管護策略。

3 存在的主要問題

3.1 從土壤功能與脅迫到耕地土壤健康

本文提出將土壤健康解構(gòu)為土壤功能與脅迫，借由表征土壤功能與重金屬脅迫來評價耕地土壤健康狀況。這一過程需引入功能性土地管理理論[29，31]，即耕地、林地和草地等不同農(nóng)地利用類型對各類土壤功能的需求存在差異，這一理論初步闡述了土壤功能與土壤健康/質(zhì)量的關(guān)系，為耕地土壤健康評價結(jié)果整合提供了新思路：評價土壤健康，應視耕地利用對土壤功能的需求而定，即關(guān)注與耕地利用相關(guān)的土壤功能供給能力。本文提出基于先驗知識，構(gòu)建半定量化的土壤功能供需判別矩陣，再疊加土壤重金屬污染脅迫水平，形成耕地土壤健康評價矩陣，將耕地土壤分為健康、亞健康和不健康等3個等級的初步路徑。

3.2 土壤功能表征指標的選取

指標選取是各類土壤資源評價工作的重中之重，它決定了評價的科學性與效率。相關(guān)研究在選取指標時，主要依據(jù)土壤學基礎理論和專家經(jīng)驗等先驗知識，所以常因較大的主觀性而被詬病。隨著國內(nèi)外土壤質(zhì)量研究的發(fā)展，一方面，與土壤健康、土壤功能與脅迫的同行評議成果日趨豐富，對這些成果進行廣泛的分類統(tǒng)計分析，可以基于指標使用頻率反映學界共識，以提高指標客觀性。另一方面，近年來我國陸續(xù)出臺了《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》（GB/T 28407—2012）、《耕地質(zhì)量等級》（GB/T 33469—2016）等國家標準，這些成果可視為一種“類專家系統(tǒng)”，也可為相關(guān)研究的指標選取、分級和區(qū)域劃分提供支撐[34]。

數(shù)據(jù)條件是選取指標的主要制約因素，但從尺度分異視角來看，數(shù)據(jù)可得性與指標選取具有邏輯上的一致性。例如，大空間尺度主要關(guān)注土壤功能內(nèi)生潛力與演進趨勢，宜采用能反映土壤固有屬性的靜態(tài)指標，這些指標與廣域空間數(shù)字土壤制圖成果相對一致；而小空間尺度主要關(guān)注土壤功能發(fā)揮情況與當前狀態(tài)，需采用能響應農(nóng)田管理措施的動態(tài)指標，這些指標則可通過采樣測試獲取[35-36]，見圖2。

3.3 主觀評價與客觀模擬

評價（assessment）與建模（modeling）是資源環(huán)境研究中兩種主要研究思路，評價是應用導向下對研究對象進行主觀描述，主要依據(jù)文獻、專家經(jīng)驗等先驗知識構(gòu)建指標體系和評分函數(shù)，評價過程實質(zhì)形成了支持決策的模糊系統(tǒng)，技術(shù)路線簡單易行，評價結(jié)果具有較好的實用性；建模是理論研究中對研究對象進行客觀表征，主要通過識別事物運行機理與過程，對其實際情況進行模擬，模擬質(zhì)量有賴于建模水平，表征結(jié)果相對客觀。兩種研究思路各有所長，在耕地土壤健康評價中應綜合使用。例如，在不同尺度土壤功能表征中，由于廣域空間地學數(shù)據(jù)類型有限、數(shù)據(jù)體量巨大、氣候與地體條件復雜，大空間尺度研究在分析數(shù)據(jù)、構(gòu)建專家系統(tǒng)等主觀評價過程存在局限，而通過機器學習算法挖掘指標與土壤功能之間的映射關(guān)系，進行土壤功能客觀模擬與制圖，更具可行性；中小尺度研究，則宜充分考慮研究區(qū)具體情況，采用主觀評價與客觀模擬相結(jié)合的方式。又如，從土壤功能與脅迫到耕地土壤健康的評價思路中，土壤功能與脅迫是客觀存在的，可進行建模與模擬研究，而耕地土壤健康概念與人地關(guān)系密切相關(guān)，具有明顯的主觀性，所以在構(gòu)建基于土壤功能與脅迫的耕地土壤健康評價矩陣時，需采用主觀評價的思路。這種“客觀模擬—主觀評價”兩步走的耕地土壤健康評價路線，能提高評價結(jié)果的客觀性，且兼顧其實踐意義。

4 結(jié) 語

土壤健康的具體含義和關(guān)注的土壤功能會因研究區(qū)及其空間尺度不同而有所差異。通過構(gòu)建基于土壤功能與脅迫的土壤健康觀，從理論方面將耕地土壤健康解構(gòu)為初級生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等5類土壤功能，探討了耕地土壤健康管護理念?；谕恋卦u價的一般性原則，從實踐角度對耕地土壤健康進行了尺度劃分，提出了田塊、縣域、省域和國家等4級尺度的耕地土壤健康管護目標。由此，形成了以土壤功能分解與表達為核心，以空間尺度為劃分的耕地土壤健康評價全流程研究框架。在此框架內(nèi)，如何定義并量化耕地（旱地、水澆地和水田）土壤健康狀況與土壤功能的供需關(guān)系，科學選取土壤功能評價指標與表征方法，以實現(xiàn)從土壤功能與脅迫到耕地土壤健康的表達，仍是重難點，值得重點關(guān)注和進一步研究。