土壤健康指标体系与评价方法研究进展

健康土壤能够保障健康食物生产,维持土壤生态系统多功能性,是农业绿色发展的基础。明确土壤健康现状,系统开展土壤健康诊断是培育健康土壤和提高土壤生产力的基础。然而,以往人们基于单一土壤功能即土壤生产力开展了大量的指标选择和评价工作,忽视了其他土壤功能,评价指标中土壤生物学特性未引起足够重视,对土壤过程的动态监测少。随着对可持续发展的关注以及农业绿色发展的需求,土壤健康指标体系和评价方法正在不断完善。针对不同空间尺度和不同作物体系,建立多目标协同的土壤健康评价体系成为土壤可持续利用的热点和前沿。本文总结了土壤健康指标体系的选择原则,分析了生物学指标在土壤健康评价中的重要性,重点阐述了我国、美国、新西兰等国家土壤健康评价方法以及基于土壤功能和土壤管理等评价方法的进展、优缺点和应用区域,提出了完善土壤健康评价系统的途径。未来需要构建基于区域自然禀赋环境特征的土壤-作物管理大数据平台,发展生物学指标,建立长期和全程动态监测体系,并与快速无损测试技术、智能化信息技术相结合,形成多目标协同、适用于不同区域和作物体系的土壤健康评价方法,通过多主体参与,为农业绿色发展提供重要支撑。     

基于生态系统多功能性的农田土壤健康评价

农田土壤健康状况不仅影响作物产量和品质,还影响大气、水环境质量和生物安全,因而农田土壤健康评价应将土壤生产能力与生态环境效应结合考虑。基于土壤生态系统多功能性,将土壤功能归纳为作物生产、持水净水、养分运移与缓冲、碳固存及栖息地与多样性等5项功能。进一步针对每项功能,按照固有属性和动态属性两个方面分别选取基础项指标,同时考虑具有区域特点的威胁土壤功能发挥的限制项指标,并采用2个乘数来体现限制因子对固有和动态属性影响的差异性,共同构建农田生态系统土壤健康评价指标体系。以中国生态系统研究网络(CERN)内位于黄淮海平原的封丘、栾城和禹城3个实验站典型农田生态系统为例,应用所建立的指标体系,采用灰色关联分析法对其土壤健康状况进行综合评价。结果显示,3个农业生态实验站土壤健康状况总体相当且处于较高水平,但仍有所差异,表现为禹城>栾城>封丘,且作物生产功能与产量R~2达到0.60,验证表明该评价体系比较合理。因此,基于多功能性的土壤健康评价方法可为进一步探究土壤健康长期变化趋势,实施土壤资源有效管理提供一定参考。     

基于生态系统服务功能视角的县域尺度土壤健康评价

土壤健康与粮食安全和农业可持续绿色发展息息相关,探索构建土壤健康评价体系,了解和定义土壤的生态系统服务功能是关键。本文根据土壤健康的内涵,从土壤生态系统服务功能视角,学习生态系统级联演化过程,采用逆向思维,在充分考虑"生态系统服务-功能-特性-质量维度-指标-健康"关系基础上,构建了基于土壤的肥力质量、环境质量和弹性质量三个维度的土壤健康评价指标体系,并以河南省温县为例,对其进行了验证。结果表明,温县土壤健康状况整体较好,健康土壤占74.94%,仅25.06%为亚健康;土壤健康等别具有明显的地域分异特征,以青峰岭为界,北部土壤本身肥力高,环境清洁,自我调节和恢复能力强,应继续保持良好的耕种行为,维持健康水平;青峰岭以南的大部分区域耕地应采取必要措施改善土壤健康状况。文章建立的评价体系与方法对开展县域尺度耕地土壤健康评价有借鉴意义,它可清晰地展示土壤的健康状况,为土壤可持续管理模式和对策的选取与构建提供参考。     

农田土壤健康评价体系构建的若干思考

健康土壤是保障粮食安全、耕地产能提升和农业高质量发展的基础。目前土壤健康评价已成为全球土壤学领域研究的焦点和热点,国内外学者对于土壤健康评价方法及指标的选择进行了系统总结,然而缺乏具体评价过程中的实操性建议。本文重点剖析了土壤健康的特点与多功能性、评价的通用原则、指标选择的n+X模式及评价方法的选择与落地实现,提出了土壤健康差与基准值、基础指标和约束性指标的选择及指标选择的制宜性,明确了土壤健康指标体系建立需要考虑土壤质地、作物类型、土地利用方式、气候条件等因素,建议土壤健康技术和模式落地实现需要与相关政策结合。未来需要继续开展土壤健康驱动机制和健康土壤培育机理研究;基于长期定位试验和耕地质量长期监测网点,构建基于土壤质地、作物类型、土地利用、管理目标和评价尺度的指标体系和阈值、数据库和决策支持系统;结合相关政策和区域环境的约束性,形成跨区域、跨国家的共识、公约和行动,推动全球土壤健康行动落地和农业可持续发展。     

宁镇丘陵区村域小流域不同土壤景观下表土质量变化及评价

中国南方丘陵区存在着自然过程和人类活动交互影响的、土地利用—土地覆盖叠加变化的多种土壤景观,其土壤质量对乡村农业产业发展具有重要影响。在南京市远郊的溧水区晶桥镇芝山村域小流域,选取流域内生态保护的林地、农业利用的园地、旱地和稻田4种土壤景观,于秋季分别采集表土样品,测定土壤基础理化性质、土壤团聚体粒径组成及土壤微生物磷脂肪酸和胞外酶活性分布,分析土壤肥力、土壤团聚化、土壤生物活性等关键性质在不同土壤景观中的变异情况,并采用土壤质量评价方法探明土壤景观与表土质量的变化关系。结果表明,与原生林地相比,农业土壤景观中有机质减少50.93%~69.63%,土壤团聚体平均重量直径降低41.34%~68.71%;相应地,土壤微生物总磷脂脂肪酸含量也降低19.20%~42.04%,土壤归一化酶活性降低22.48%~63.27%。因此,与林地景观土壤相比,农业土壤景观的土壤生态系统服务功能已经显著削弱。不过,在农业土壤景观中,稻田的土壤有机质储量和微生物活性相对较高。回归分析表明,土壤有机质含量是影响土壤性质变化的最强因子。基于总数据集和最小数据集的土壤质量评价和基于土壤健康理念的土壤功能质量评价均表明,表土总体土壤质量的变化趋势为林地>稻田>旱地>园地。同时,基于土壤健康理念的评价体系能综合地反映不同土壤景观间土壤的质量变化及其生态系统功能意义。     

气候变化对农田生态系统碳氮过程的影响及其对生产的启示

从农田生态系统过程角度综合分析了气候变化（[CO2]增加、温度升高）对土壤碳库、氮供给生物化学过程的综合影响和长期效应。总结指出,[CO2]增加、温度升高对农田生态系统过程的影响具有明显的时间效应,短时间尺度上加快农田土壤养分周转,改变碳氮组分,长时间尺度上导致土壤养分有效性降低;[CO2]增加、温度升高和养分管理对农田生态系统过程的影响具有显著的交互作用,土壤养分有效性制约着气候变化对农田生态系统生产力和碳汇功能的影响。因此,气候变化（[CO2]增加、温度升高）情景下对农业生产管理包括施肥运筹及秸秆还田策略等的启示在于：根据气候变化背景下土壤养分的周转规律有效管理农田土壤养分、保持农田土壤肥力,从而保障农业高产的可持续性以及农田碳汇的生态服务功能。     

耕地土壤健康及其评价探讨

开展面向耕地的土壤健康评价,对保障我国粮食安全和生态文明建设具有紧迫的现实意义。针对相关研究中土壤健康概念抽象、评价尺度杂糅等普遍性问题,及欧美主流技术路线中的局限性,文章从概念解构的视角进行了探讨,提出研究框架,以期为我国耕地土壤健康评价工作提供参考。首先,通过构建基于土壤功能与胁迫的土壤健康观,从理论方面将耕地土壤健康解构为初级生产力、水净化与调节、碳封存与调节、生物多样性供给、养分供给与循环等5类土壤功能,探讨了耕地土壤健康管护理念;然后,基于土地评价的一般性原则,从实践角度对耕地土壤健康进行了尺度划分,识别了田块、县域、省域和国家等4级尺度的耕地土壤健康管护目标。由此,提出了以表征耕地土壤功能与重金属胁迫为核心的耕地土壤健康评价全流程研究框架。然而,如何定义并量化耕地(旱地、水浇地和水田)土壤健康状况与土壤功能的供需关系,科学应用土壤功能评价指标与表征方法,以实现从土壤功能与胁迫到耕地土壤健康的表达,仍是重难点,值得重点关注和进一步研究。     

生态农业景观与生物多样性保护及生态服务维持*

现代集约化的农业生产极大地改变农业景观生物多样性状况及生态系统服务功能,进而影响到农业可持续发展。大量研究显示,农业生态系统中物种多样性维持、害虫控制、传花授粉等生态系统服务功能受到景观结构的影响,仅仅改变集约化的生产方式,并不足以促进生物多样性的恢复及生态系统服务的维持,尚需考虑景观结构的调整和管理。从不同尺度上优化景观要素的空间配置和景观管理方式、建设生态农业景观成为促进农业景观生态系统服务功能维持、保护生物多样性和农业可持续发展的重要措施,具体包括:1)在区域和景观尺度上合理规划和配置种植区域和非种植区域以确保生态安全与稳定性;2)在地块间尺度保护、建设和管理甲虫带、野花带等生态设施,为农业生产提供必要生态系统服务;3)在地块内尺度通过多样化的种植和优化管理措施以获取农业生产和自然保护之间的平衡;4)整合景观规划设计与生态循环工程以促进农业景观资源的高效利用。     

土壤健康与农业绿色发展：机遇与对策

农业绿色发展是农业现代化的必由之路,土壤健康是农业绿色发展的基石。本文系统总结了国内外有关土壤健康的内涵、研究进展和发展趋势,探讨了提升土壤健康的途径和对策,并对我国未来健康土壤培育工程提出了建议和展望。健康土壤培育的核心是消除土壤障碍因子,深入挖掘土壤生物学潜力,增碳提高资源效率,强化生物学过程,协同地上和地下生物互作。通过优化土壤内部调节过程,最小化外部的投入,以实现土壤生产功能和其他生态服务的同步提升。健康土壤的培育是一个系统工程,需要对投入品-生产过程-产品品质-产品加工-废弃物循环等全产业链进行系统综合考虑,多学科交叉创新,政产学研用一体化联合攻关,同时还需要政策保障和激励措施,需要全社会行动起来。     

土壤微生物影响土壤健康的作用机制研究进展

土壤健康是农业可持续发展的中心主题。土壤微生物参与土壤生态功能、环境功能和免疫功能协同驱动土壤生命系统运转，是维持土壤健康的核心与关键。了解不同微生物介导的土壤健康调控机制对有效利用这些核心微生物维持和改善土壤健康至关重要。本文围绕微生物参与调节土壤碳循环、养分循环，改变土壤结构、抑制植物病虫害、污染控制等主要生物过程系统梳理了微生物在调控土壤健康中的重要作用，以及微生物作为土壤健康的敏感指标对土壤健康的指示与预警作用。强调未来应加强驱动土壤健康特定功能以及多个生物过程的核心微生物组信息数据库挖掘、构建与生产应用研究，为定向利用微生物改善农业土壤生态系统功能、维持土壤健康以及保障土壤可持续发展提供科学依据。     

城乡复合生态系统土壤微生物群落特征及功能差异

土壤微生物在陆地生态系统多个过程中发挥着重要作用,而城市化过程使得城市及其周边地区土地利用发生剧烈变化,形成了异质性环境梯度,直接或间接地影响了土壤微生物群落的组成和功能,进而影响了其承载的生态系统服务。本文综述了城乡复合生态系统不同景观单元土壤微生物群落的组成特征、主要影响因素及其功能差异,发现城市化对土地利用的改变驱动了土壤微生物群落的组成、结构和功能差异,土地利用、土壤污染物、植被覆盖、土壤性质等因素共同影响土壤微生物群落,并且在不同景观中影响土壤微生物的主导因素有所不同。进一步探讨了土壤微生物的生态服务功能,并分析了不同景观中土壤微生物功能存在的差异性。今后需进一步解析社会—经济—自然复合生态系统格局特征对土壤微生物的影响,揭示城乡复合生态系统不同功能区土壤微生物对土壤生态服务的产生和维持机制,明确变化环境下土壤微生物对土壤安全和人类健康的维持机制,以提升土壤生态服务功能、维护城乡土壤安全和人居环境健康。     

耕地和草地土壤健康研究进展与展望

土壤是地球关键带的重要组成部分，为维持和保障农业生产、植物生长、动物栖息、生物多样性和环境质量提供了基本服务，是链接整个自然生态系统的核心要素之一。增强土壤健康对实现可持续发展目标至关重要，近年来在全世界范围内皆受到越来越多的重视和更广泛的研究。耕地和草地是当前地球上最大的土地利用类型，分别约占地球上无冰土地12%和26%。同时,“田”和“草”是“山水林田湖草生命共同体”中的重要组成部分，维护耕地和草地两种农牧地类型土壤健康对于维持整个自然生态系统健康和实现可持续发展具有重要意义。近二十年来，围绕这两种土地利用类型土壤健康的相关研究呈现兴起态势。中国在此研究领域虽比较活跃，但研究成果的影响力还有待加强，且还未从国家层面建立一个统一的土壤健康评估体系。本文首先厘清了土壤健康内涵的演变，并聚焦于以上两个典型的农牧地类型，归纳了当前国内外相关研究的热点内容；其次，梳理了当前国内外土壤健康评估研究工作现状,同时总结了中国在土壤健康维护方面已有的工作基础；最后，对我国未来土壤健康评估研究提出了建议和展望，以期为改善耕地和草地土壤功能、维护我国土壤健康提供依据和方法。     

生态农业未来的发展方向

当今世界,我们面临诸多挑战。全球性的人口、粮食、能源与环境危机互为因果,正在形成一个越来越危险的恶性循环。在这一背景之下,农业领域所面临的问题都是综合性问题。本文从农业生态系统的结构出发,重点论述了农业环境、农业生物多样性、食物网、农业集约化生态系统结构功能之间相互关系等尚未解决的理论问题和将来要努力的方向。生态农业是建立在生态学、特别是农业生态学之上的实践活动。未来的生态农业要处理好"生物"、"环境"、"生物与环境"这几个概念模块之间的相互关系,以及各个模块内部诸多要素之间的关系。近期内,土壤质量普查、生态风险评估和种植业结构调整是需要优先研究和解决的问题。与此同时,本文建议从一个更广阔的角度来研究生态经济社会复合体内部的深层关系,如农产品价格的形成机制、农田基本建设投资规模、灾害控制和生态修复的经济成本、农村社会结构变化及生计和福祉等。总而言之,我们要用整体的视野和方法来研究和解决生态农业所面临的困难。     

我国设施农业农膜使用的环境问题刍议

农膜使用和地面覆盖技术的应用加快了我国农业现代化的步伐,增加和丰富了农产品的供给。但随着农膜的连续使用,导致大量的农膜残留,严重影响农业生产,并对农业生态环境安全和人体健康构成巨大威胁。本文总结了设施农业中农膜使用所造成的主要环境问题,剖析了这些问题的内在原因。在此基础上,针对我国设施农业中农膜使用和管理现状,分别从管理、政策、经济和技术方面提出了对策建议,以期为规范我国设施农业中农膜使用、提高设施农业环境管理效率和健康持续发展提供理论依据。     

国土空间治理视角下苏南地区农用地生态修复分区

农用地既是重要的生产空间，也是乡村生态空间重要的生态要素，面向山水林田湖草全要素综合治理修复的要求，科学划分农用地生态修复区域对新时期农村全域土地综合整治具有重要意义。该研究立足于国土空间治理背景下农业空间生态修复目标与要求，构建涵盖"生态功能、投入、耗散"3个维度的农用地生态修复评估框架，选取苏南地区为研究区，以500 m×500 m空间格网为评价单元，综合运用经济社会数据空间化、地理空间分析、数理统计分析等方法在2010年和2018年两个时间断面下进行农用地生态修复潜力测算，并提出生态修复分区方案，探讨相应的修复对策。研究结果表明：1）同一时间断面下，苏南地区农用地生态修复指数及生态功能、投入、耗散的空间分异显著。2）2010－2018年苏南地区农用地生态修复指数明显提升，两者相差0.018，生态功能变化呈现出区域差异性，投入与耗散表现为降低态势。3）遵照潜力测算结果将苏南地区划分迫切修复区、优化提升区、重点管控区、协调发展区4个大区，每个大区包含综合因素型、功能约束型、耗散约束型、投入约束型4个小区，形成15个农用地生态修复分区，并提出针对性修复对策。研究结果可为长江中下游平原的农用地生态修复评估创新思路，并希冀对国土空间生态修复规划编制与差异化管理提供借鉴价值。     

中国南方农业生态系统可持续发展面临的问题及对策

南方农业生态系统在我国整个农业生态系统中占有重要地位和作用,具有结构的复杂性、功能的多样性、生产的高效性、价值的珍贵性和开发利用潜力的巨大性等特征。当前,南方农业生态系统存在着耕地撂荒、地力下降、土壤污染、灾害频繁、效益低下和后劲不足等方面的问题,严重制约着生态系统的可持续发展。为实现南方农业生态系统的可持续发展,应采取以下对策和措施:(1)实行集约用地;(2)开展环境整治;(3)推行轮作休耕;(4)实施用养结合;(5)优化系统结构;(6)深化农村改革。     

Anthropogenic effects on soil quality of ancient agricultural systems of the American Southwest

Soil studies of ancient agricultural fields contribute to research on long-term human–environmental relationships and land use sustainability. This kind of research is especially applicable in desert landscapes of the American Southwest because: (1) soil formation is slow enough that cultivation effects persist for centuries to millennia; (2) many ancient fields in valley margins have remained uncultivated since they were abandoned, so long-term soil properties reflect ancient agricultural use; and (3) agricultural features (e.g., terraces, rock alignments and rock piles, and irrigation canals) provide clues for identifying and sampling ancient cultivated and uncultivated soils. Surficial remnants of these field systems persist and remain intact in many cases. Soil studies of ancient and modern American Indian agricultural systems across the Southwest indicate that soil changes are highly variable, ranging from degradation (e.g., organic matter/nutrient decline, compaction), to minimal net change, to enhanced soil quality. Soil changes caused by cultivation can be inferred by comparing soils in agricultural fields relative to reference uncultivated areas in similar landscape settings (that is, space-for-time substitution). Soil response trajectories vary for a number of reasons, such as variability in initial ecosystem conditions, diversity in agricultural methods, variability in the mix of crops and cropping intensity, and environmental sensitivity to alteration (varying resistance and resilience). Studies of rock mulch soils indicate enhanced fertility, with elevated organic carbon, nitrogen, and available phosphorus levels, increased infiltration rates and moisture retention, and no evidence of compaction. By contrast, cultivation effects vary widely for terraced soils. Although numerous studies have focused on irrigation canals, irrigated soils have received far less attention. Soil studies of irrigation systems along the Gila and Santa Cruz rivers of Arizona now underway will help fill this research gap.