GSR公开课第39讲：The Research Prospect and Application of Soil Health Assessment
主讲人：Mehdi Sharifi 博士
（2023年11月2日）
Mehdi Sharifi，加拿大农业和农业食品部Summerland研究与发展中心土壤养分管理研究学者。研究方向主要集中于通过土地覆盖管理和使用有机改进剂提高多年生园艺作物的环境可持续性和恢复力、土壤氮循环等方面。
课程概要：
讲座以土壤健康理论为线索，从农用地健康指标与评估、城市土地健康风险挑战、城市土地健康评估与管理三个方面，提出当前土壤健康评估和管理面临的挑战与机遇，并对未来土壤健康发展做出预测。
课程内容：
一、土壤健康概念和准则
（一）土壤健康的定义
1）在生态系统和土地利用范围内，土壤作为重要生命系统发挥作用的持续性能力，包括维持生物生产力、大气与水质量、维持生态系统中生物组分健康。
2）对胁迫具有恢复能力的稳定土壤性质。
3）土壤健康是生物生存和社会稳定的基础，是21世纪全球土地利用管理决策的基石。
（二）土壤健康的复杂性
1、土壤健康的复杂性包括三个层次
1）概念复杂性
土壤健康受生态系统内部生物组分（动植物、人类等）生命活动影响，还受外部如全球变暖、气候变化等因素的影响，土壤属性和发育过程也是决定土壤健康与否的指标；同时土壤具有涵养生物组分、抵御气候胁迫等生态系统服务功能，此外，土壤健康还需符合人类社会价值、伦理文化、美学感受等要求。众多决定因素导致土壤健康的复杂性远高于人类健康等概念。
图1 从定量的土壤肥力发展到定性的土壤健康概念，其囊括的生态系统功能及范围不断扩大，同时从单一物质测定扩展到不同学科交叉融合
2）评估复杂性
土壤健康评估是发展土壤健康科学的重点领域之一。结合众多学者研究成果，当前已经形成了Health Card、Solvita Tests等多种土壤健康评估方法，这些方法通常选取土壤聚合稳定性、pH值、有机质等多种指标综合进行土壤健康状况评估。
在实际研究中，土壤健康并非简单的土壤属性测量，而应作为可持续发展战略实现的首要原则，在评估周期中不断更新研究方法，建立数学模型，从属性延伸到功能，得到综合各类因素的准确结果。
图2 土壤健康研究的学习周期实例
3）管理复杂性
土壤健康管理根据土壤健康评估结果制定一系列规则和措施以改善土壤状况。
土壤健康管理包括五个准则：
①土壤覆盖 ②最低干扰 ③植物多样性 ④存活植物/根系 ⑤畜牧整合
五个准则在应用中的融合、实施是土壤健康管理的原则。
图3 发展土壤健康科学，将概念、评估和管理作为三个重点领域。
（CEC：阳离子交换容量；EC：电导率；CASH：土壤健康综合评估；SHAPE：土壤健康评估协议和评估；SMAF：土壤管理评估框架）
二、农用地土壤健康指标和评估
（一）土壤健康指标
1、土壤健康是广泛、综合且依赖于环境的概念，其复杂性概念决定土壤健康不能直接测量。然而，土壤健康从广义上可理解为对土壤功能变化最敏感的单一属性和过程，是土壤功能的表现形式，由物理、化学和生物指标及其成分之间的强烈相互作用（即生物物理、生物化学和物理化学）决定，由此，土壤的多样性功能可通过土壤健康指标或最小数据集多样性组合建立土壤函数间接测定。
图4 土壤健康指标包括土壤在物理、化学、生物三个方面性质，三者交集组成土壤健康
图5 五种基本土壤功能和相关土壤健康指标
图6 常见土壤物理、化学和生物健康指标
2、分子土壤健康指标——总可提取DNA和功能指标
不同类型土壤中所含DNA种类与数量存在差异。土壤中总DNA提取结果可反应土壤中各组分含量，进而衡量土壤健康；
作者在研究中采取三种不同的土壤修复方法，观测各方法修复效果、功能表现，测定土壤中活性物质，根据功能指标快速确定土壤健康。
（二）土壤健康评估工具和评估挑战
1、土壤健康评估综合广泛的物理、生物、化学性质指标，建立评估工具。评估工具可根据评分函数等方法输出土壤健康状态，工具将指标与土壤功能一一对应，对特定场地进行土壤健康评估，进而决策土壤健康管理方案。
2、土壤健康评估挑战
1）土壤健康指标与作物产量/产量品质间无具有明显指示作用的相关关系；
2）土壤健康评价工具缺乏土壤指标之间的相互作用或区域独特的土壤/气候条件等方面的考虑；
3）生物土壤健康指标具有场地异质性，且具有较大的时间和空间变异性；
4）当前，分子技术成本较高，且指标优劣判断无明确标准。
图7 综合土壤健康评估报告示例，阐明农田土壤的评估分数、总体健康状况和主要制约因素
（三）土壤健康评估指标选取和案例分析
土壤健康指标种类多样，如何权衡场地评估需求、评估成本和评估效率是影响土壤健康评估框架制定的主要因素。为此众多研究学者提出土壤健康指标三级选取方法：
1、常规土壤评定中常用的物理、化学和部分生物措施；
这类指标根据国家、区域进行分类，有明确阈值，指标与生态系统功能有明确且单一的关联性，测定实施成本低，被广泛使用于土壤健康评估。
2、与土壤健康相关的大部分土壤生物学性质，部分缺乏明确规范要求的测量程序和管理准则；
该类指标在实际应用中对土壤健康有指示作用和明显影响趋势，但当前存在指标区域敏感性及阈值不清晰等问题，常用于研究土壤健康中某种明确的目标；
3、尚待深入研究的高级生物学特性，重点指代分子层面的土壤微生物的种群和多样性分析。
这类指标具有成为土壤健康评估指标的潜力。
图8 三个层次的土壤健康指标
案例分析：
作者在项目中，通过监测土壤固碳和温室气体减排能力评估某农用地健康。以土壤深度为变量，选取土壤健康一级指标，如土壤密度、pH值、电导率等物理指标；有机碳和总氮为化学指标，以及微生物活性碳等生物指标。同时从土壤有机碳管理、土壤碳矿化角度，对土壤健康进行评估：
1）土壤有机质图像量化测量：采集土壤样本，并分割成5-6mm直径的颗粒，通过土壤在盛水培养皿中放置前后初始面积与最终面积比，根据计算和索引，得到土壤稳定性结果。
2）土壤碳矿化潜力测定：收集并筛选样品，测量风干过筛的土壤重新润湿24小时后产生的二氧化碳( CO2 )含量；25℃黑暗条件下培养24小时，根据实际条件使用不同方法测量CO2释放量，如碱性捕集器或气体分析；测量碱性化学物质捕获罐中所产生的CO2，或量化培养罐中CO2浓度变化。
图9 作者研究中所选取的一级指标
图10 土壤有机碳微小变化对土壤中生物产生多重级联效应；土壤类型、气候和管理因素对土壤有机质在土壤中滞留产生影响
三、城市土壤健康风险挑战
（一）城市土壤的生态系统服务功能
城市场景中，土壤可提供粮食生产、调节区域小气候、是城市生态系统物质和能量循环的场所，同时，连接不同城市景观，为人类提供美学价值等。在城市生态系统中，土壤健康与人类健康密不可分。
人为干扰和自然栖息地的丧失极大地影响了城市土壤生物多样性。然而，有多种缓解方案（例如，绿色屋顶和墙壁、室内栖息地、多样化和恢复的公园）可以提供土壤栖息地，以增加室内和室外空间的土壤生物多样性。
通过增加土壤生物多样性、抑制土壤病原体和抗生素耐药性细菌（ARB）以及减少增加甲烷和一氧化二氮排放率的微生物数量，保护生物多样性绿地和建立更多的绿色基础设施有利于维护土壤健康。城市土壤生物多样性的适当管理可以降低免疫介导疾病的风险，并通过减少病原体、净化土壤污染物、增强人类免疫调节和调节人类微生物组来改善城市中的人类健康。
图11 绿色城市模型
（二）城市土壤健康面临威胁
随着人类活动增加，当前城市土壤健康正面临一系列风险：
①重金属污染 ②有机质损失 ③物种入侵 ④土壤侵蚀 ⑤土壤板结 ……
图12 城市土壤健康面临多样化风险
四、城市土地健康评估与管理
（一）城市环境中土壤健康的基础理论和关键原理
1、城市可持续发展：土壤健康是城市可持续发展的重要组成部分，促进土地利用和绿色空间发展是推动可持续城市发展的重要举措。
2、土壤生态学：生态系统中，土壤是农业生产的基本资料，还是以人类社会为主的区域生态系统的重要组成部分。它同大气、水、生物和矿物资源一样，对人类社会的生存具有重要作用，了解土壤的生命生态系统对于城市土壤健康至关重要。
3、土壤肥力：土壤肥力是反映土壤健康的重要指标之一，是土壤各种基本性质的综合表现，是土壤作为自然资源和农业生产资料的物质基础，保证城市植物的养分有效性是维持人类健康的根本所在。
4、缓解土壤板结：解决土壤压实问题，保持土壤结构性和入渗性。
5、污染治理：重金属等污染物的治理问题对于城市土壤健康改善已经迫在眉睫。
此外还包括：有机物料管理、生物多样性保护、绿色基础设施、土壤pH平衡、土壤监测和检测、社区参与等相关基本措施。
（二）城市环境土壤健康评价指标
1）物理指标
容重：测量土壤的紧实度和孔隙度，在评估通气性和根系渗透方面至关重要；
质地指标：评估土壤中影响持水能力和排水的砂粒、粉粒和粘粒的相对比例。
2）化学指标
pH：指示土壤酸碱性，影响养分有效性和整体土壤健康；
养分指标：评估土壤中必需养分（例如，氮、磷、钾）的水平及其平衡；
阳离子交换量（CEC）：测量土壤对阳离子（带正电荷的离子）的保持和交换能力，影响养分保持能力。
3）生物指标
微生物活性等：评估有益土壤微生物的存在和活性，对养分循环和分解至关重要；
腐蚀性动物数量：这类数值与土壤健康有较强关联性，对土壤结构和通气性等性质有积极影响。
4）液压指数
渗透速率：测定水渗入土壤的速度，可用于城市雨洪管理等方面；
渗透性：评估水通过土壤的能力，改善城市排水和防洪等工程实施。
（三）城市土壤健康研究进展
当前，国际关于城市土壤健康的研究热点包括土壤生物特性和过程等方向。
从土壤健康评估时空尺度上看，局部场地尺度的土壤健康评价已经无法满足现实需求，当前土壤健康综合评价（CASH）算法已扩展到包括更广泛区域的土壤和新的土壤健康指标，如土壤呼吸和土壤蛋白。此外，大规模的土壤健康数据库和数据分析技术的发展将促进当前评估工具的尺度限制等问题，既往研究存在研究时序间断、研究时序短等问题，当前，基于原位评估的传感器开发等项目推进土壤健康评估在时间上的连续性发展。在三维方向上，基于移动和垂直探头的原位光谱数据收集现在已经成为可能，且对满足指标测定多样性等需求有所改进：包括有机碳，容重，pH，土壤深度，土壤持水能力等。此外，通过垂直贯入仪或移动水平传感器测量的贯入阻力可以提供关于压实状态和土壤容重的信息。
（四）城市土壤健康机遇
未来，城市土壤健康发展应建立完整的体系。健全持久连续的土壤健康监测方案，实时掌握土壤健康指标变化。在土壤健康管理方面，可通过堆肥等方式，人为调节土壤健康，增加城市土壤表面植物覆盖度，进一步避免土壤板结或因人类工业等各方面需求所进行的压实行为，维持土壤结构和透气性质，关注城市土壤中的生物多样性，保证城市生态系统中的生物多样性；发展城市农业和绿化，鼓励都市农业和绿化屋顶，促进城市内的绿色基础设施，有利于改善土壤状况。融合多学科知识体系，持续研究、发明和创新，提升城市土壤多功能性质，促进跨尺度数据集成，推动土壤健康的区域化管理，在实施中因地制宜改善土壤管理评价，进一步加强对土壤健康的全面评估和改善管理策略。
五、展望
结合当前研究成果与未来土壤健康发展需求，今后的研究中，可围绕以下几方面深入开展：
1. 深入生物多样性和土壤功能研究：生态系统具有稳态性质，环境中土壤受到胁迫，仍能承载多样的生物群落，并为生态系统的各种过程做出贡献。对城市土壤中生物多样性和功能性的探索会成为未来研究的重要方向。
2. 城市土壤属性的细致分类和调查：当前在土壤分类和调查方面的进展提高了对城市土壤的理解和管理，未来，可基于此制定更有效的管理策略和可持续利用方案。
3. 对机能强化型土壤的研究和开发：在城市地区，被覆盖的表面增加了对土壤功能的需求，需要研究和数据来发展超越原生水平的“超功能”土壤。
4. 城市土壤多功能性的研究：未来研究倡导城市土壤的多功能性研究，以充分了解城市土壤的独特益处，如污泥可持续使用。
5. 对土壤生物在城市土壤形成和养分循环中的作用的明确探索：在城市土壤中，对土壤生物的作用对于土壤的形成、养分循环和其他关键过程至关重要。
6.城市土壤健康评估方法的进一步改进：需要提高评估方法在相关性、科学质量、实用性和局部适应性等方面的验证和增强。同时，需要对已有的评估框架如土壤健康评估、综合土壤健康评估等进行改进，以提供更好的国家尺度土壤健康监测方案和更高效的现场评估工具。
7. 加强研究、教育和对土壤健康评估与管理策略的推广工作：通过研究、教育和推广工作，实现土壤健康评估与管理策略的本土化适应，推动土地健康管理因地制宜实施。
8. 城市地区作为气候变化影响的研究模型：城市地区为研究气候变化对生态系统的影响提供了宝贵的模型，推动气候变化在全球尺度上的趋势变化预测。
讲座整理：聂雨欣、邓璟菲、刘瑞平（注：内容未经作者确认，未经允许禁止转载）