吳克寧，楊淇鈞，趙 瑞

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)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(shè)的基礎(chǔ)資源。當(dāng)前，人口壓力及與之相關(guān)的土地利用變化導(dǎo)致全球土壤資源負擔(dān)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(xué)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(shè)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(chǔ)。但這兩套方案受當(dāng)時科學(xué)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(zhǔn)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(wù)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(wù)目前多目標(biāo)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(jì)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(dāng)前，仍有學(xué)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(dāng)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(yīng)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(xué)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(wù)的能力[21]。土壤功能是支撐提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)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(wù)）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(yīng)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(yīng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)初以來，由美國農(nóng)業(yè)部科學(xué)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(yīng)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(biāo)—明確評價對象和涉及的土壤功能—選取評價指標(biāo)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(biāo)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(dǎo)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(biāo)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(xué)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(dǎo)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(biāo)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(fēng)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(biāo)，準(zhǔn)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)、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?；诓煌叨雀赝寥澜】翟u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(yīng)關(guān)系機制，預(yù)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(fēng)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(yīng)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(biāo)：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(wù)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(yīng)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(yīng)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(biāo)的選取

指標(biāo)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(xué)性與效率。相關(guān)研究在選取指標(biāo)時，主要依據(jù)土壤學(xué)基礎(chǔ)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(biāo)使用頻率反映學(xué)界共識，以提高指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)，這些指標(biāo)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(dāng)前狀態(tài)，需采用能響應(yīng)農(nóng)田管理措施的動態(tài)指標(biāo)，這些指標(biāo)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(yīng)用導(dǎo)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(biāo)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(yīng)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(xué)數(shù)據(jù)類型有限、數(shù)據(jù)體量巨大、氣候與地體條件復(fù)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(xué)習(xí)算法挖掘指標(biāo)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(biāo)。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(xué)選取土壤功能評價指標(biāo)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。