導  讀

健康土壤培育是耕地産能提升的先決條件，也是應對糧食安全和環境保護挑戰，保障土壤可持續利用，實現農業綠色發展和構建生(shēng)命共同體(tǐ)的基礎。健康土壤培育的核心是實現土壤生(shēng)态系統多功能性。在生(shēng)态文明建設的新時代，土壤生(shēng)态系統多功能性評價、培育過程及機制研究已成爲全球土壤健康行動的焦點和前沿。本文系統梳理了土壤功能、土壤生(shēng)态系統服務與土壤生(shēng)态系統多功能性的概念，讨論了土壤生(shēng)物(wù)多樣性對多功能性的影響、土壤功能間的協同與權衡關系，總結了土壤功能評價及量化的方法，并提出了突破單一(yī)追求糧食高産目标，發展基于多功能性綜合調控的農田健康土壤培育新思路。提出在不同層級上提高土壤多功能性的途徑：在全國尺度調整土地利用方式及農業結構、區域尺度協調資(zī)源配置、景觀尺度構建農業設施建設與景觀格局、田塊尺度優化田間土壤管理技術，全面提升土壤健康和多功能性。未來需要通過多學科交叉深入探索不同時空尺度的土壤多功能性形成與維持機理，與現代科技相結合，完善土壤功能管理相關政策與落地方案，強化土壤多功能性在可持續環境政策與管理中(zhōng)的多維作用，爲山水林田湖草生(shēng)命共同體(tǐ)協調發展和“碳達峰、碳中(zhōng)和”國家戰略的實施提供重要支撐。

作者：李奕贊1,2，張江周3,1，賈吉玉1,2，樊 帆1，張福鎖1，張俊伶1（1. 中(zhōng)國農業大(dà)學資(zī)源與環境學院/國家農業綠色發展研究院/植物(wù)-土壤相互作用教育部重點實驗室，北(běi)京 100193；2. 荷蘭瓦赫甯根大(dà)學及研究中(zhōng)心，瓦赫甯根 6700AA；3. 福建農林大(dà)學資(zī)源與環境學院/國際鎂營養研究所, 福州 350002）

來源：土壤學報 

網絡首發時間：2022-01-21 10:10:46

網絡首發地址：

https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20220121.0822.002.html

人口的持續增加和氣候變化對全球糧食安全提出了前所未有的挑戰。突如其來的新冠肺炎疫情和頻(pín)發的極端天氣進一(yī)步加劇了保障全球糧食安全的緊張形勢，尤其像我(wǒ)國這樣的人口大(dà)國問題尤爲突出。近30年來，科技進步尤其是化肥、農藥等科技産品在提升我(wǒ)國糧食産量，保障糧食安全方面發揮了前所未有的關鍵作用。然而過量施用化學品和高強度的土地利用，導緻耕地質量下(xià)降、農田土壤退化和環境污染等生(shēng)産和環境問題。在綠色發展的新時代，守護土壤健康，構建人和自然生(shēng)命共同體(tǐ)，發揮土壤多功能性，保護耕地資(zī)源成爲農業高質量發展的重要目标。當前我(wǒ)國有近70％的耕地仍爲中(zhōng)低産田[1]，因此提升耕地質量和确保耕地資(zī)源的可持續利用，是實現“藏糧于地、藏糧于技”戰略和提升耕地産能的基本保障和重要途徑[2]。

在實現聯合國可持續發展目标的過程中(zhōng)，土壤占有舉足輕重的地位。除保障糧食安全外(wài)，土壤與淡水和能源的供應、氣候變化及生(shēng)物(wù)多樣性喪失等可持續發展主題息息相關[3]。因此，傳統集約化生(shēng)産中(zhōng)過分(fēn)追求糧食高産的做法已無法适應新時期農業綠色發展的需求，土壤管理必須同時實現資(zī)源高效、環境保護、食品安全與人類福祉的協同發展，因此土壤多功能性（Soil multifunctionality）成爲保障多目标協同發展的基礎。充分(fēn)理解土壤提供的各項生(shēng)态系統功能（即土壤功能，Soil functions），将其與資(zī)源環境及人類營養與健康建立直接聯系，并突出土壤在可持續環境政策與管理中(zhōng)的多維作用[4]，是土壤可持續管理的重要内容。

1 土壤功能的内涵

1.1 土壤功能的定義與分(fēn)類

自20世紀70年代以來，随着人們對生(shēng)态系統功能認識的不斷深入，土壤功能一(yī)詞開(kāi)始逐漸興起。例如，Adhikari和Hartemink[4]認爲土壤功能是土壤的屬性，是土壤提供生(shēng)态系統服務的能力。Volchko等[5]認爲土壤功能是指土壤滿足自然賦予要求的能力，是生(shēng)态系統功能的子集。Bünemann等[6]沿用Glenk等[7]提出的概念，将土壤功能定義爲支撐生(shēng)态系統服務提供的一(yī)系列土壤過程。Baveye[8]認爲土壤功能不限于生(shēng)态系統的邊界，還應包括其對人類以及自然界的其他惠益。總體(tǐ)而言，在不同的研究中(zhōng)，功能一(yī)詞常常與過程、作用或服務混用[6]，界定較爲模糊。在将生(shēng)态學對于生(shēng)态系統功能及生(shēng)态系統服務的定義進行綜合後，土壤功能是土壤生(shēng)态系統功能（Soil ecosystem functions）的簡稱，是指土壤爲滿足人類需求直接或間接地提供商(shāng)品和服務的能力，即土壤支撐生(shēng)态系統服務提供的能力。土壤生(shēng)态系統服務（Soil ecosystem services）指人類從土壤生(shēng)态系統中(zhōng)獲得的惠益[9]。可以看出，前者強調土壤作用過程，後者則強調服務的對象和利益相關群體(tǐ)。在相關研究中(zhōng)，二者大(dà)多同時出現，且關注對象基本一(yī)緻。土壤作爲一(yī)個生(shēng)态系統，其中(zhōng)土壤屬性即生(shēng)物(wù)及非生(shēng)物(wù)組分(fēn)（物(wù)理、化學）之間的相互作用産生(shēng)了土壤過程，通過發揮土壤功能提供了土壤生(shēng)态系統服務，進而影響人類福祉（圖1）。土壤多組分(fēn)、多過程、多尺度的互作循環與人類活動密切相關，并受環境和氣候變化疊加效應的影響。因此，良好的土地利用和土壤管理措施可維持良性土壤過程和生(shēng)态系統服務，反之則導緻土壤生(shēng)态系統失衡，最終影響人類社會的生(shēng)存和發展。

圖1 土壤屬性、土壤過程、土壤（生(shēng)态系統）功能、土壤（生(shēng)态系統）服務及人類福祉關聯圖

Fig. 1 Flowchart among soil properties, soil processes, soil (ecosystem) functions, soil (ecosystem) services and human wellbeing

近年來，生(shēng)态系統多功能性（Ecosystem multifunctionality，EMF）引起人們的廣泛關注。EMF主要探讨生(shēng)态系統多種功能的系統整體(tǐ)表現，以及由此産生(shēng)的生(shēng)态系統服務，而不是僅僅考慮單個或若幹個生(shēng)态功能[10]。與此類似，土壤生(shēng)态系統多功能性指土壤同時提供多種服務和功能的能力，而土壤功能指某一(yī)項能力。随着人們對土壤生(shēng)物(wù)多樣性和土壤健康的關注，土壤學家開(kāi)始重視土壤對生(shēng)态系統服務的貢獻[11]，以及在土地資(zī)源政策和管理中(zhōng)進行土壤生(shēng)态系統服務評估的重要性[12]。在農田生(shēng)态系統中(zhōng)，人們對土壤功能的認識，不再僅限于作物(wù)高産，而是追求産量、質量、效益、環境、資(zī)源效率等的多目标協同。

土壤具有多重功能。歐盟委員(yuán)會[13]在2006年土壤保護專題戰略中(zhōng)歸納了土壤的7項功能，包括（1）農業及林業中(zhōng)的生(shēng)物(wù)量生(shēng)産；（2）養分(fēn)、其他物(wù)質和水的儲存、過濾和轉化；（3）生(shēng)物(wù)多樣性，包括物(wù)種和遺傳多樣性，以及生(shēng)物(wù)栖息地；（4）人類及人類活動的物(wù)理和文化環境；（5）原材料的來源；（6）碳庫；（7）地質考古遺産檔案。FAO[14]提出了11項土壤功能。目前人們重點關注的土壤功能主要包括5項：（1）初級生(shēng)産力；（2）水的淨化與調節；（3）氣候調節與碳固持；（4）土壤生(shēng)物(wù)多樣性的維持；（5）養分(fēn)的供給與循環[15]。可以看出，目前仍較少涉及土壤的社會經濟功能，對土壤功能的認識多基于自然科學的研究[4]。

1.2 土壤功能與土壤健康

土壤健康是指土壤作爲一(yī)個重要的生(shēng)命系統，在其生(shēng)态系統和土地使用邊界内發揮功能的能力，以維持動植物(wù)生(shēng)産力，維持或改善水和空氣質量，并促進動植物(wù)健康[16]。由此可見，土壤多功能性是土壤健康的核心，是土壤健康狀況的綜合體(tǐ)現。聯合國“土地退化零增長”目标（Land Degradation Neutrality）及生(shēng)物(wù)多樣性公約（Convention on Biological Diversity）均關注土壤功能與土壤健康[17-18]。當前人類健康、可持續發展、氣候變化與土壤健康的關系已引起人們的廣泛關注，随着全球土壤健康行動推進，土壤健康的内涵不斷擴展，包括碳中(zhōng)和、營養健康、氣候變化相關的内容成爲土壤健康未來研究的重點。

土壤健康突出了土壤的生(shēng)命力與活性[19]，生(shēng)物(wù)多樣性是直接的驅動因素，是土壤生(shēng)态系統服務的主要提供者。随着人們對土壤生(shēng)物(wù)多樣性重要性的認識，土壤過程不再隻是關注土壤化學和物(wù)理過程，而是從土壤生(shēng)态系統的視角，對化學、物(wù)理和生(shēng)物(wù)學多組分(fēn)協同互作進行整體(tǐ)研究（圖2A）。這一(yī)轉變将對土壤功能産生(shēng)深刻的影響。在集約化農業生(shēng)産中(zhōng)，以追求高産爲單一(yī)目标的管理将導緻土壤生(shēng)态系統失衡或紊亂，引起土壤功能的退化或喪失；可持續集約化的目标即是在維持作物(wù)生(shēng)産功能的同時，還可以保證和強化其他（養分(fēn)循環、氣候調節、生(shēng)物(wù)多樣性、水的淨化等）的土壤功能，維持整個生(shēng)态系統的平衡，守護土壤健康與農業可持續發展（圖2B）。

圖2 土壤性質、土壤功能及土壤健康關系示意圖

Fig. 2 Schematic diagram of soil properties, soil functions and soil health

1.3 土壤生(shēng)物(wù)多樣性對土壤多功能性的影響

土壤是生(shēng)物(wù)的栖息地，是地球上最大(dà)的生(shēng)物(wù)資(zī)源庫。土壤生(shēng)物(wù)多樣性是生(shēng)态系統群落結構和功能的主要驅動因素[20]。土壤生(shēng)物(wù)支撐多種土壤生(shēng)态系統功能，包括初級生(shēng)産力、養分(fēn)循環、有機質分(fēn)解，氣候調控以及病原菌消長等[21-22]。生(shēng)物(wù)多樣性的喪失和生(shēng)物(wù)群落的簡化導緻生(shēng)态系統的功能下(xià)降[23]。在青藏高原的研究發現，地上與地下(xià)生(shēng)物(wù)多樣性對生(shēng)态系統多功能性的疊加效應高于兩者的獨立效應[24]。

土壤生(shēng)物(wù)生(shēng)活在複雜(zá)的食物(wù)網中(zhōng)，不同營養級生(shēng)物(wù)間通過多樣化取食關系在生(shēng)态網絡中(zhōng)形成高度複雜(zá)的生(shēng)态集群[25-26]。各個生(shēng)态集群内部的生(shēng)物(wù)具有相似的資(zī)源和環境偏好，土壤生(shēng)物(wù)組合之間的連通性影響食物(wù)網的複雜(zá)度。在生(shēng)物(wù)多樣性高的土壤中(zhōng)，食物(wù)網的複雜(zá)性增強，可高效調節物(wù)質循環和能量流動[27]。在農田生(shēng)态系統中(zhōng)，多營養級生(shēng)物(wù)間的正向互作能夠促進土壤養分(fēn)循環，提高作物(wù)産量[28-29]。食物(wù)網中(zhōng)較高的營養級水平或者關鍵物(wù)種在土壤多功能性中(zhōng)有重要的調節作用[30-31]。例如，無脊椎動物(wù)以植物(wù)和動物(wù)碎屑爲食，顯著影響土壤養分(fēn)有效性。研究發現，蚯蚓通過改變土壤基礎理化性質調節土壤微生(shēng)物(wù)群落結構，影響生(shēng)态系統多功能性[32]。此外(wài)，土壤微生(shēng)物(wù)多樣性和核心功能微生(shēng)物(wù)類群也是影響生(shēng)态系統穩定性的主要因素[33]。

1.4 土壤功能之間的協同與權衡

土壤功能及土壤可提供的生(shēng)态系統服務主要受土壤屬性及其相互作用的影響，其中(zhōng)土地利用方式和土壤管理對土壤功能的影響較大(dà)。人類對土壤的不合理利用與管理導緻土壤生(shēng)态系統失衡，引起負服務（Dis-service），例如生(shēng)物(wù)栖息地喪失、營養物(wù)質損失、溫室氣體(tǐ)排放(fàng)等[22, 34]。土壤各個功能之間并非相互獨立，而是存在着動态的協同與權衡關系。協同關系表現爲多種土壤功能同步增強或減弱；權衡關系表現爲一(yī)種或多種土壤功能的增加減弱了另一(yī)種或多種土壤功能。在農業生(shēng)态系統中(zhōng)，各項調節服務（如氣候調節與生(shēng)物(wù)多樣性維持）之間通常存在協同關系[9]，而在供給服務（如初級生(shēng)産力）和調節服務（如水淨化和碳固存）之間，即在生(shēng)産力提升和生(shēng)态系統服務可持續之間需要進行權衡[35-36]。在農田土壤管理中(zhōng)，一(yī)些健康土壤的培育技術如保護性耕作、多樣化種植、以及生(shēng)物(wù)防治等的目的是挖掘土壤和作物(wù)的生(shēng)物(wù)學潛力，培育健康土壤，實現多目标協同[37]。

由于土壤功能在時空上存在動态性，因此土壤功能間的協同與權衡應充分(fēn)考慮時空要素[38]。在時間尺度上，土壤功能不僅取決于當下(xià)的土壤性質與過程，還會随着土壤過程與外(wài)界環境的互作發生(shēng)變化，并且在大(dà)空間尺度範圍影響土壤功能的發揮。在空間尺度上，我(wǒ)國幅員(yuán)遼闊，不同地理區域的氣候特征、土壤特性、水資(zī)源分(fēn)布、作物(wù)類型等均存在差異，不同尺度對土壤功能關注的側重點不同。在田塊尺度上，土壤肥力、病蟲害防治等是農戶關注的焦點，而在流域尺度上過量氮磷投入會通過淋洗或徑流污染地下(xià)水與地表水，造成富營養化、魚類缺氧死亡，削弱生(shēng)物(wù)多樣性。同時，一(yī)些土壤功能在地理區域之間存在相互疊加或抵消效應[15]。以土壤固碳爲例，不同土壤類型、土地利用方式及管理方式之間存在顯著差異，而在區域上則可以疊加，這也爲我(wǒ)國“碳達峰”與“碳中(zhōng)和”目标的實現提供了區域優化的可能途徑[39]。

在權衡各項土壤功能時，需要充分(fēn)結合不同時空尺度的需求和管理目标，保證重要土壤功能的協同。如在提高作物(wù)品質時，可能會對産量産生(shēng)影響，但品質的提升最終将提高産品價值。在景觀尺度上，增加鄉土植物(wù)緩沖帶、多花帶等會影響土地産能，但增加了生(shēng)物(wù)多樣性和景觀功能，因而權衡土壤功能與土地整體(tǐ)規劃和管理目标需求關系密切。

2 土壤功能的量化與評價

對土壤功能進行量化與綜合評價，主要有以下(xià)四種方式：基于土壤功能的土壤健康評價、土壤功能需求與供給的量化、土壤生(shēng)态系統多功能性計算，以及土壤生(shēng)态系統服務價值量與物(wù)質量評估。這四種方法分(fēn)别由不同領域學者開(kāi)展，研究的側重點和應用尺度存在差異。

2.1 基于土壤功能的土壤健康評價

區别于對各項土壤屬性指标的單獨評估，基于土壤功能的評價方法是以各項土壤功能爲評價單元，而單個功能包含多項指标數據集，以代表性土壤功能（目前模型主要包括五項功能）水平來表征土壤健康程度。

歐盟LANDMARK項目組[40]開(kāi)發了Soil Navigator決策支持模型，以土壤管理、氣象參數、土壤物(wù)理、化學、生(shēng)物(wù)學特性作爲模型輸入，對初級生(shēng)産力、水的淨化與調節、氣候調節與碳固持、土壤生(shēng)物(wù)多樣性的維持、養分(fēn)的供給與循環5項土壤功能進行等級評價，并根據用戶期望的土壤功能水平、以及對各項土壤管理的可接受程度提出了針對性的土壤健康改良方案。該方法已應用于奧地利、德國、丹麥、法國、愛爾蘭的土壤健康評價。Rinot等[41]總結了目前的土壤健康評價研究，他參考了海洋健康指數的計算方法，将各項土壤屬性轉化爲标準化得分(fēn)函數，并量化其對各項土壤生(shēng)态系統服務的貢獻權重，構建了基于土壤生(shēng)态系統服務及功能的土壤健康評價方法。基于土壤功能進行土壤健康評價在我(wǒ)國起步較晚，趙瑞等[42]參考Rinot等[41]提出的方法，構建了“生(shēng)态系統服務-功能-特性-質量維度-指标-健康”的土壤健康評價理論框架，并對河南(nán)省溫縣進行了縣域尺度的土壤健康評價。楊穎等[43]沿用了LANDMARK項目組對土壤功能的分(fēn)類，參考德國Müncheberg的評價系統[44]，将評價指标分(fēn)爲基礎項指标（加和關系）和限制項指标（乘積關系），計算了封丘、栾城和禹城三個站點的土壤健康綜合評分(fēn)。

目前基于土壤功能的土壤健康評價多在田塊尺度上開(kāi)展。在區域尺度上，通常需要整合大(dà)量的田塊監測點的結果，結合GIS、數學模型及大(dà)數據分(fēn)析等技術手段，結果通常以地圖的形式呈現。需要指出的是，基于土壤功能對土壤健康進行評價時，除傳統土壤質量評價涉及的物(wù)理指标（如土壤質地、容重、蓄水能力、土壤團聚體(tǐ)穩定性等）及化學指标（如土壤有機質含量、pH、電(diàn)導率、陽離(lí)子交換量、全氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣鎂等）外(wài)，應充分(fēn)考慮以往評價體(tǐ)系中(zhōng)常被忽略的生(shēng)物(wù)學指标（如土壤微生(shēng)物(wù)量、土壤呼吸、蚯蚓、線蟲、酶活性、微食物(wù)網等），建立包含代表性指标的最小(xiǎo)數據集（Minimum Data Set，MDS）[45]。

2.2 土壤功能需求與供給的量化

在景觀尺度上，Schulte等[15,46]提出了土地功能管理（Functional Land Management，FLM）的概念，并首次将其應用于愛爾蘭農業系統。該理論的核心是定量化土壤功能的供需平衡。其中(zhōng)對各項土壤功能的需求量化主要是基于愛爾蘭及歐盟範圍内的限制性法規、發展戰略、規劃綱要等政策性文件。如歐盟《2030年氣候與能源政策框架（Climate and Energy Framework 2030）》、《硝酸鹽法令（Nitrates Directive）》、《生(shēng)物(wù)多樣性戰略（Biodiversity Strategy）》等。對于土壤功能供給與需求的量化，采用可通過單獨的模型計算或以程度分(fēn)級表示的替代性指标（Proxy-indicators）進行評價（表1）。由于相關政策中(zhōng)各項标準（即選用的指标阈值）對應的空間範圍不同，因此對土壤功能需求及替代性指标的計算可以在田塊、流域、國家等不同尺度開(kāi)展，結果以地圖方式呈現。該評價方法是基于土壤供需平衡的雙向協同，而非單向性一(yī)味要求土壤無限量的提供生(shēng)态系統服務。因此，該評價方法的範圍不再局限于自然科學研究層面，而是與農業及環境政策緊密聯系，可爲土壤管理措施與政策的制定提供基礎。

表1 功能性土壤管理各土壤功能量化替代性指标[15]

2.3 土壤生(shēng)态系統多功能性的計算

計算土壤生(shēng)态系統多功能性的目的是評價土壤同時發揮多種功能的能力。該方法的第一(yī)步是劃定土壤功能，并選擇相關土壤參數指标；第二步爲多功能性指數的計算，常用方法包括：單功能法（Single function approach）、替代法（Turnover approach）、平均值法（Averaging approach）、單阈值法（Single threshold approach）及多阈值法（Multiple thresholds approach）[47]。表2總結了上述五種方法的計算過程和結果，比較了不同方法的側重點和計算方法間的差異。

然而，土壤生(shēng)态系統多功能性計算也有其局限性。該方法對于土壤功能及指标的選擇較爲主觀，且計算方法與阈值标準不一(yī)，計算出的多功能性指數是相對的，因而評價結果難以與其他研究進行比較。同時，該方法充分(fēn)考慮了生(shēng)物(wù)學指标，如土壤呼吸速率、酶活性、功能基因等，因其測定技術要求及成本相對較高，單獨應用于評價土壤生(shēng)态系統多功能性時，推廣難度較大(dà)，更适用于土壤多功能性相關機理的研究。例如解析農田土壤多功能性的驅動因素、微生(shēng)物(wù)群落組成和生(shēng)物(wù)多樣性對土壤多功能性的影響程度等[48-49]。

表2 土壤生(shēng)态系統多功能性計算方法[47]

2.4 土壤生(shēng)态系統服務價值量與物(wù)質量的評估

生(shēng)态系統服務評估的對象是生(shēng)态系統服務而非功能，相關研究通常由經濟學家及政策制定者開(kāi)展，評價尺度可以是生(shēng)态系統、流域以及全球範圍等[50]。土壤生(shēng)态系統服務包括價值量和物(wù)質量評估兩種方法。價值量評估法是以市場定價、條件價值、群體(tǐ)定價爲基礎，核算出土壤生(shēng)态系統服務的貨币價值[50-51]。該方法由Daily等[52]及Costanza等[53]進行了系統的闡述，并于1999年引入我(wǒ)國[54]。物(wù)質量評估法主要是從生(shēng)态系統物(wù)質當量的角度對其提供的服務進行評價。該方法基于生(shēng)态系統過程，可客觀反應各項服務的形成機理[55]。由于目前很多生(shēng)态系統服務還難以完全進行貨币化，因此物(wù)質量評估法是相關研究領域的主流[56]。

目前專門用于評估土壤生(shēng)态系統服務的模型較少，主要是利用生(shēng)态系統服務評估綜合模型中(zhōng)的土壤相關模塊[57]，如生(shēng)态系統服務和權衡的綜合評估模型InVEST，可用于評估生(shēng)物(wù)多樣性、碳儲量、木材産量和土壤侵蝕等土壤生(shēng)态系統服務[57-58]。Polyscape模型基于GIS框架，用于探索各項土壤服務之間的空間協同與權衡關系；LUCI是Polyscape的改進版本，可以在景觀尺度上追蹤土體(tǐ)，包括水、沉積物(wù)和化學物(wù)質在内的縱向與橫向運動[59-60]。同時，還有學者運用水土動态過程機理模型[3,61]。例如Ellili-Bargaoui等[62]運用STICS土壤作物(wù)模型模拟了法國西部小(xiǎo)麥-玉米體(tǐ)系的作物(wù)生(shēng)長過程，評估了氣候調節、水質調節、碳供應、作物(wù)水供應和生(shēng)物(wù)量，以及地下(xià)水補給等6項土壤生(shēng)态系統服務。這類模型以土壤中(zhōng)的物(wù)理和化學過程爲主，如水、土及鹽分(fēn)運移，氮的礦化、硝化及反硝化作用等，較少涉及對土壤生(shēng)物(wù)學組分(fēn)及過程的考量。

結合數字土壤制圖方法，可以直觀呈現土壤生(shēng)态系統服務，以表征各項服務的空間分(fēn)布特征，即形成生(shēng)态系統服務制圖（Ecosystem Service Mapping）[63]。随着遙感等地理信息技術的進步，空間制圖方法不斷完善，爲生(shēng)态系統服務的可視化提供了便利。

3 農田土壤功能的調控思路

土壤功能的調控受土地利用方式、土壤屬性、作物(wù)種植制度、環境要素、管理目标等多種因素的影響。在不同尺度上，土壤功能的調控思路、途徑和側重點不同（圖3）。

圖3 土壤功能調控整體(tǐ)思路（修改自Schulte等[46]）

Fig. 3 Framework of soil function regulation (Modified from Schulte et al.[46])

3.1 全國尺度：土地利用方式及農業結構調整

土壤的初級生(shēng)産功能是保障糧食安全的基礎，涉及糧食的區域間運輸問題，應從全國尺度對供需平衡自上而下(xià)整體(tǐ)考量，在國家層面劃定政策目标，實行農業産業結構調整。面對我(wǒ)國土壤資(zī)源嚴重缺乏的現狀，應嚴守十八億畝耕地紅線，劃定永久基本農田，糧食主産區大(dà)規模推進高标準農田建設提升耕地地力，提高土壤生(shēng)産力，非糧食主産區因地制宜積極探索和發展适合當地土壤及氣候特點的作物(wù)及種植模式[64]。

在全國層面上，需要全面統籌山水林田湖草生(shēng)命共同體(tǐ)系統治理。生(shēng)命共同體(tǐ)内部各要素間是普遍聯系且相互影響的，健康土壤是山水林田湖草生(shēng)命共同體(tǐ)和諧發展的重要載體(tǐ)，健康土壤管理能協同實現糧食安全、産品安全、環境安全和生(shēng)态健康，保證土壤的永續利用。通過輪作休耕、退耕還林還草等生(shēng)态退耕手段規劃調整特定區域的土地利用方式，以調控大(dà)尺度範圍的土壤功能[65]，這些生(shēng)态措施對實現我(wǒ)國“雙碳”目标非常重要。此外(wài)，還需要完善耕地占補平衡政策，複墾廢棄工(gōng)礦用地、宅基地等，保障耕地數量，同時依照耕地異地補充政策，統籌跨省域補充的耕地數量和糧食産能，均衡土壤的生(shēng)産與生(shēng)态功能[66]。

土地利用方式及農業結構的改變顯著影響了相關主體(tǐ)的經濟利益，需要結合環境經濟政策，即生(shēng)态補償機制（Payment for ecosystem services）。當前我(wǒ)國生(shēng)态補償機制主要應用于退耕還林補償，仍存在補償覆蓋不全面、補償标準及測算方法缺乏科學性等問題[67]。政府層面仍需要完善政策配套，健全生(shēng)态補償機制，才能推進土壤功能調控的落地實現。

3.2 區域尺度：協調資(zī)源配置

區域尺度的土壤功能調控适合在省級及地級行政區開(kāi)展，需要滿足國家層面的總體(tǐ)目标及區域分(fēn)配要求。我(wǒ)國各個區域土壤空間分(fēn)異性顯著，主要作物(wù)類型、障礙因子及對于土壤功能的需求均有不同，因此需要在區域層面進行土壤功能供需評價，開(kāi)發差異化區域政策及戰略措施，根據區域内資(zī)源禀賦因地制宜，加強耕地與農田保護：

1）東北(běi)黑土區中(zhōng)低産田分(fēn)布較爲集中(zhōng)，由于長期的高強度利用，重用輕養，導緻土層變薄，有機質含量下(xià)降，水土流失及土壤退化嚴重。該地區應當側重提升土壤的水分(fēn)調節及養分(fēn)循環功能，開(kāi)發兼顧保護、治理和開(kāi)發利用相結合的治理策略，防止水土流失，同時改良培肥，促進地力提升[2]。

2）華北(běi)平原地區當前面臨着水資(zī)源嚴重不足的困境，土壤蓄水保肥能力下(xià)降，同時由于長期的耕作導緻耕層變淺且養分(fēn)貧瘠。該地區作爲我(wǒ)國糧食主産區應當緻力于培肥地力，提升土壤的糧食生(shēng)産力，同時改善農田水利設施建設，發展節水灌溉技術，提升土壤的蓄水功能[2,64]。

3）西北(běi)黃土高原區氣候及土壤條件複雜(zá)，幹旱缺水，土壤侵蝕嚴重且易發生(shēng)次生(shēng)鹽堿化。該地區應大(dà)力開(kāi)發膜下(xià)滴灌、暗管排鹽等鹽漬化土壤節水改良技術模式，同時發展退耕還林還草等生(shēng)态工(gōng)程，防風固沙，修複生(shēng)态脆弱區[68]。

4）西南(nán)區障礙因子主要表現爲耕層貧瘠及部分(fēn)土壤酸化、稻田潛育化等問題。該地區應當側重水土保持、土壤改良和水肥定向調控，同時通過開(kāi)溝排水等措施緩解稻田潛育化問題，并培肥地力改善土壤結構[69]。

5）南(nán)方紅壤區土壤酸化及重金屬污染問題嚴峻，且存在坡耕地生(shēng)産力低下(xià)等問題。該地區應緻力于發展治酸控污技術，同時考慮将低産坡耕地退耕恢複植被，提升碳固存[70]。

在區域尺度上，還需要考慮土壤功能在區域内的流動和溢出。如土壤養分(fēn)循環功能的需求與供給通常以流域尺度爲研究對象，這是由于投入土壤的養分(fēn)通常由地下(xià)及地表水排出，在流域内循環造成污染。需要結合區域層面的政策約束，如我(wǒ)國《環境保護法》、《土壤污染防治法》、《水污染防治法》及部分(fēn)流域、湖泊地方性法規等均涉及化肥使用造成的農業面源污染問題，但相關政策尚不完善，規定内容不夠明确詳實，對于生(shēng)産實踐指導意義不足，缺乏對于土壤功能框架的系統考量。

3.3 景觀尺度：農業設施建設與景觀格局構建

景觀尺度的土壤功能調控适合在縣級及鄉/鎮級行政區開(kāi)展，旨在通過農業設施建設等人爲幹預措施優化景觀格局，改變土壤靜态屬性，如土壤的水力特征等，從而定向調整土壤的特定功能。

景觀尺度的農業幹預措施，如灌排系統、節水灌溉與施肥配套技術等農田水利設施的建設，通常需由地方政府統籌規劃。但同時應注意避免因過度整治而造成對農田半自然生(shēng)境的破壞，考慮将農業設施工(gōng)程生(shēng)态景觀化，完善溝渠等生(shēng)物(wù)緩沖帶建設，生(shēng)态涵養通過調節水資(zī)源的時空分(fēn)布，改良農田土壤水分(fēn)狀況，提高水肥利用效率，并配合建立以村(cūn)集體(tǐ)和農場爲主體(tǐ)的農田生(shēng)态管護制度，對綠色基礎設施開(kāi)展定期維護，以提升景觀層面農田的生(shēng)産功能及自然資(zī)本價值[71]。

《全球生(shēng)物(wù)多樣性展望》提出的可持續轉型途徑中(zhōng)重點提及了景觀尺度空間規劃[72]。在景觀尺度上，應綜合考慮現有生(shēng)态景觀格局、農田規模化需求及生(shēng)物(wù)多樣性保護的需求，避免因過度強調高标準農田建設新增集中(zhōng)連片土壤面積破壞作物(wù)-害蟲-天敵之間的互作有機整體(tǐ)，導緻生(shēng)物(wù)栖息地喪失及土壤功能受損[73]。應慎重考慮保留農地田埂、河岸草地灌叢等原生(shēng)空間作爲田間物(wù)種的庇護所，推動景觀層面的可持續土壤功能調控[71]。

3.4 田塊尺度：田間土壤管理技術優化

田塊尺度的土壤功能調控的主體(tǐ)是個體(tǐ)農戶，旨在執行與落實更大(dà)空間尺度與行政級别的政策要求，通過田間管理措施的優化以改變土壤動态屬性。在田塊尺度上，土壤管理（肥料、農用化學品、有機肥及稭稈還田）顯著影響土壤多功能性[74]。例如，種植覆蓋作物(wù)（Cover crop）對養分(fēn)循環、水分(fēn)調節、生(shēng)物(wù)多樣性維持等多項土壤功能均有提升作用[75]。免耕避免了機械幹擾，增加了土壤的有機質及微生(shēng)物(wù)活性，提高了土壤團聚體(tǐ)的穩定性，但在較黏重的土壤中(zhōng)免耕易導緻排水不暢及作物(wù)減産[75-76]。因而在生(shēng)産實踐中(zhōng)應充分(fēn)考慮土壤功能間的協同與權衡關系，依據具體(tǐ)需求補齊短闆。

農戶是田塊尺度上土壤功能調控的主體(tǐ)，對于技術的采納程度是實現土壤功能調控的關鍵。科技小(xiǎo)院通過農民參與式技術創新模式可以有效地提高技術到位率，提高作物(wù)産量和效率[77]。與此類似的多主體(tǐ)參與式方法可以将科學技術與生(shēng)産實踐之間建立直接聯系，科學問題來自于生(shēng)産一(yī)線，理論在生(shēng)産一(yī)線不斷得到發展和完善，這種模式不僅推動了科技創新，還有利于技術直接落地，爲土壤改良和保育提供保障[78-79]。

土壤管理改良還需要政府層面的政策保障。我(wǒ)國農業農村(cūn)部、财政部當前已實施一(yī)些強農惠農政策，如耕地地力保護補貼等，以綠色生(shēng)态爲導向的補貼政策體(tǐ)系和激勵約束機制正在逐步建立[80]。未來可從土壤多功能性的視角加以考量，最大(dà)程度發揮土壤功能，實現土壤的可持續利用。

4 展 望

健康土壤是食物(wù)、生(shēng)物(wù)能源、纖維、飼料和其他産品的來源，也是提供多種生(shēng)态系統服務的基本前提。作爲健康土壤和生(shēng)命共同體(tǐ)的核心内容，土壤多功能性體(tǐ)現在資(zī)源環境、食品安全、氣候變化與人類福祉的多目标協同，同步發揮其生(shēng)産、生(shēng)活與生(shēng)态價值。爲實現這一(yī)目标，未來需要加強以下(xià)幾個方面的工(gōng)作：

1） 深入探索土壤多功能性形成和維持機理。包括土壤多功能性的形成機制與驅動因素，及其與人類活動的關系；利用現代組學技術，深入探究土壤物(wù)理、化學及生(shēng)物(wù)學多組分(fēn)互作的過程及機制。此外(wài)，還應繼續加強生(shēng)物(wù)多樣性的研究，特别考慮多維度、多營養級的互作，充分(fēn)挖掘土壤生(shēng)物(wù)學潛力以及地上和地下(xià)互饋的作用；深化土壤微生(shēng)物(wù)組在元素循環、土壤污染修複及根際免疫調控等方面的作用。

2）在不同尺度上協同土壤功能調控目标。以保障土壤初級生(shēng)産能力爲基礎，系統權衡各項土壤功能。在大(dà)空間尺度上，側重整體(tǐ)目标，建立完善的頂層設計，把控土壤治理大(dà)方向，向“數量+質量+生(shēng)态”三位一(yī)體(tǐ)轉移[81]，并采用“自上而下(xià)”的思路向小(xiǎo)尺度均衡分(fēn)配；在小(xiǎo)空間上，側重個體(tǐ)目标，需要考慮空間分(fēn)異性，因地制宜提高土壤功能。在實現土壤功能管理的進程中(zhōng)，需要充分(fēn)調動各利益主體(tǐ)的主觀能動性，強化對土壤健康及土壤多功能性的理解，并通過政策手段，健全約束與鼓勵機制。

3）多學科交叉實現土壤多功能性協同。土壤功能調控是一(yī)個系統工(gōng)程，堅持走綠色生(shēng)産、種養結合、綠色生(shēng)态環境與綠色食品相結合的農業綠色發展道路，倡導“同一(yī)健康（One health）”的理念，從土壤健康至環境健康、食品健康、人類健康，涉及自然科學、生(shēng)态科學和社會科學等多個學科。土壤多功能性的形成機制、提升技術和優化管理措施，及其落地方案、操作規範等，需要多學科和不同利益相關主體(tǐ)的緊密協作，才能形成全鏈條的系統解決方案。

4）土壤多功能性提升需要與現代科技相結合。随着遙感、5G、大(dà)數據等現代信息技術的進步，空間制圖方法不斷完善，将土壤功能與遙感技術、數字信息技術有機融合，創新數字技術産品；建立天地空一(yī)體(tǐ)的監測與應用體(tǐ)系，構建土壤健康大(dà)數據平台，并與作物(wù)種植、管理措施、産品品質、環境質量等建立關聯，形成基于土壤多功能性的健康管理信息中(zhōng)心和決策工(gōng)具系統。

5）重視土壤固碳增彙功能對“雙碳”目标的貢獻。“碳達峰”與“碳中(zhōng)和”作爲我(wǒ)國當前重要的戰略目标與土壤的固碳功能息息相關。在“雙碳”行動中(zhōng)應當充分(fēn)挖掘土壤的固碳潛力，開(kāi)展土壤減碳增彙技術與政策研究，通過增施有機肥、保護性耕作、種植覆蓋作物(wù)等途徑提高土壤有機質含量，增加土壤碳彙，将土壤固碳作爲實現“雙碳”目标的重要途徑協同推進。

6）完善土壤管理相關政策與落地方案。我(wǒ)國當前土壤相關政策尚未充分(fēn)考慮土壤多功能性，對于農業系統生(shēng)态環境相關的激勵與約束機制尚不完善。可從土壤的各項功能出發，加強國際合作，借鑒當前國際先進的農業環境生(shēng)态治理經驗，形成我(wǒ)國特色的系統性土壤管理行業标準。同時加強建立基于土壤功能與耕地質量評估的技術規程和落地實施方案，激發各級利益相關群體(tǐ)積極參與，實現政策落地。

緻 謝   感謝Craig and Susan McCaw Foundation、大(dà)自然保護協會（The Nature Conservancy，TNC）和國家留學基金委員(yuán)會（留金美[2019]13043）的經費(fèi)支持。