耕地保育与产能提升
Soils for Food Security
· 第七篇 ·
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健康土壤对于生态系统为人类社会提供的多样化服务至关重要，包括供应 (食品、纤维、木材和燃料)、调节 (气候、疾病和自然灾害)、废物处理、养分循环和文化服务。土壤具有三相系统，其化学、生物和物理属性之间的相互作用决定了其功能 (水力、热力和气体通量)。集约化农业在提高作物产量以支持人口增长方面取得了显著成就，但牺牲了土壤的多功能性，导致土壤属性和环境质量受损。据FAO估计，全球约三分之一土壤已退化，且每日不可逆的退化面积约为400平方公里。为应对人口激增和全球变化，可持续农业亟需采取有效管理措施，确保高产的同时还能恢复土壤的多功能性。
土壤健康是指土壤作为一个重要的生命系统，能够维持生物生产力、环境质量及动植物健康的能力。作为生命系统，其功能与选定的参考或基准条件相关。由于“土壤健康”一词本身就涵盖了土壤的生机与动态特性，构建健康土壤需长期监测与努力，以适应时空变化。然而，由于农民在追求高额利润，导致农业实践的频繁干扰和转变，因此会干扰实施长期监测。因此，与人类健康类似，土壤健康也需要系统方法对动态和固有土壤属性进行优化，以实现短期和长期效益。
当前农业管理措施主要聚焦在作物产量方面，但部分措施不利于土壤其他功能。集约化农田评估显示，土壤养分常过量，而生物和物理属性受损。化肥、农药过度使用和频繁耕作降低了土壤生物多样性，破坏其功能。土壤作为整体，需考虑其三相间的复杂性和互作关系。土壤群落复杂丰富，涉及分类学、系统发育和功能层面。土壤生物对有机物分解、养分循环和土壤团聚体至关重要，是土壤健康的关键调节者。虽然土壤微生物多样性和复杂性对植物生产力影响有争议，但欧洲的研究显示，土壤健康 (如微生物生物量、多样性和氮碳含量) 正向影响初级生产力，尤其是农田和草地。高微生物生物量能提高植物养分利用和循环效率。因土壤生物多样性和生态系统功能之间的关系较为复杂，通常需要提高生物多样性，确保土壤功能。有机农业虽然促进生物多样性，却可能降低产量。作物多样化可活跃土壤微生物群落，但受机械管理的限制，可操作性在一定程度上受限。因此提升土壤生物多样性需系统设计，增强微生物内部调节效率。深入理解土壤生物成分及其网络互动有助于土壤功能优化。
土壤有机碳 (SOC) 是土壤健康的基础和重要组成，有机质的提升是一个复杂的动态过程，需长期投入。在历史上，土壤有机质 (SOM) 常称腐殖质，其中植物源碳为主要贡献者。最新的研究表明，微生物残留物 (和分泌物) 对SOC积累至关重要。活体微生物生物量占SOC的比例不到5%。土壤微生物通过多种方式影响碳周转，它们不仅通过分解 (即分解代谢) 将碳释放到大气中，而且还吸收碳，用于自身生长和代谢，并最终死亡 (即合成代谢)。这些通过同化和生物量构建以及随后的细胞死亡和代谢产物的持续碳周转过程，被定义为微生物碳泵。最近的一项荟萃分析显示，温带生态系统中微生物残留物占表层土壤SOC一半以上。目前的关键问题是如何提高土壤微生物的活性和碳周转率，以增强碳的固存。
施用有机肥料通常能增加SOC，但因种养常常分离，在实际应用中不切实际且成本效益低，使用不当还可能引发健康和环境问题。与矿物肥料相比，施用有机肥料更不方便且对谷物生产来说往往收益不高。因此，农民使用有机肥料的动力不足，可能需要政策干预。中国政策如零增长行动计划和有机肥替代政策鼓励健康土壤。过度使用化学肥料导致土壤退化和资源恶化。中国耕地SOC平均储量为36 t·ha–1，远低于全球平均62 t·ha–1。与化学肥料相比，有机肥料养分较低但利于土壤生物和物理特性。有机管理除提供养分外，还促进生态系统多功能性，如生物多样性保护、土壤和水质改善及气候缓解。因此，鼓励适当施用有机肥料以维持土壤碳库、土壤健康并实现可持续土地利用。
通常难以实现所有土壤功能的优化，且土壤功能存在权衡。建议形成基于优先土壤功能的定向土地管理。图1展示了在农田生态系统中土壤健康与资源投入的相互作用。在低投入脆弱土壤系统中，通过提高土壤肥力和SOC (如施肥、堆肥等) 并协调作物管理 (如作物特性与多样化) 来促进土壤生物多样性。随着土壤养分和SOC增加到最佳水平，生物特性的相对贡献增强，土壤多功能性达到稳定状态。而在高投入系统中，作物产量与土壤多功能性不对称，可能源于土壤微生物组转变及土壤性质 (如酸化和土壤结构不良) 的恶化。因此，需要系统管理土壤/植物微生物组、作物特性及SOC，考虑气候变化下的资源投入和管理实践。此外，作物种植系统的季节性和长期管理实践亦需加以充分考虑。目前组学的发展为理解土壤的生物特征及其与土壤物理、化学性质的互作关系提供了新的技术手段，有助于提升农业可持续性。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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