作者：李奕赞1,2，张江周3,1，贾吉玉1,2，樊帆1，张福锁1，张俊伶1（1.中国农业大学资源与环境学院/国家农业绿色发展研究院/植物-土壤相互作用教育部重点实验室，北京100193；2.荷兰瓦赫宁根大学及研究中心，瓦赫宁根6700AA；3.福建农林大学资源与环境学院/国际镁营养研究所,福州350002）
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人口的持续增加和气候变化对全球粮食安全提出了前所未有的挑战。突如其来的新冠肺炎疫情和频发的极端天气进一步加剧了保障全球粮食安全的紧张形势，尤其像我国这样的人口大国问题尤为突出。近30年来，科技进步尤其是化肥、农药等科技产品在提升我国粮食产量，保障粮食安全方面发挥了前所未有的关键作用。然而过量施用化学品和高强度的土地利用，导致耕地质量下降、农田土壤退化和环境污染等生产和环境问题。在绿色发展的新时代，守护土壤健康，构建人和自然生命共同体，发挥土壤多功能性，保护耕地资源成为农业高质量发展的重要目标。当前我国有近70％的耕地仍为中低产田[1]，因此提升耕地质量和确保耕地资源的可持续利用，是实现“藏粮于地、藏粮于技”战略和提升耕地产能的基本保障和重要途径[2]。
1土壤功能的内涵
1.1土壤功能的定义与分类
图1土壤属性、土壤过程、土壤（生态系统）功能、土壤（生态系统）服务及人类福祉关联图
Fig.1Flowchartamongsoilproperties,soilprocesses,soil(ecosystem)functions,soil(ecosystem)servicesandhumanwellbeing
1.2土壤功能与土壤健康
图2土壤性质、土壤功能及土壤健康关系示意图
Fig.2Schematicdiagramofsoilproperties,soilfunctionsandsoilhealth
1.3土壤生物多样性对土壤多功能性的影响
土壤是生物的栖息地，是地球上最大的生物资源库。土壤生物多样性是生态系统群落结构和功能的主要驱动因素[20]。土壤生物支撑多种土壤生态系统功能，包括初级生产力、养分循环、有机质分解，气候调控以及病原菌消长等[21-22]。生物多样性的丧失和生物群落的简化导致生态系统的功能下降[23]。在青藏高原的研究发现，地上与地下生物多样性对生态系统多功能性的叠加效应高于两者的独立效应[24]。
土壤生物生活在复杂的食物网中，不同营养级生物间通过多样化取食关系在生态网络中形成高度复杂的生态集群[25-26]。各个生态集群内部的生物具有相似的资源和环境偏好，土壤生物组合之间的连通性影响食物网的复杂度。在生物多样性高的土壤中，食物网的复杂性增强，可高效调节物质循环和能量流动[27]。在农田生态系统中，多营养级生物间的正向互作能够促进土壤养分循环，提高作物产量[28-29]。食物网中较高的营养级水平或者关键物种在土壤多功能性中有重要的调节作用[30-31]。例如，无脊椎动物以植物和动物碎屑为食，显著影响土壤养分有效性。研究发现，蚯蚓通过改变土壤基础理化性质调节土壤微生物群落结构，影响生态系统多功能性[32]。此外，土壤微生物多样性和核心功能微生物类群也是影响生态系统稳定性的主要因素[33]。
1.4土壤功能之间的协同与权衡
土壤功能及土壤可提供的生态系统服务主要受土壤属性及其相互作用的影响，其中土地利用方式和土壤管理对土壤功能的影响较大。人类对土壤的不合理利用与管理导致土壤生态系统失衡，引起负服务（Dis-service），例如生物栖息地丧失、营养物质损失、温室气体排放等[22,34]。土壤各个功能之间并非相互独立，而是存在着动态的协同与权衡关系。协同关系表现为多种土壤功能同步增强或减弱；权衡关系表现为一种或多种土壤功能的增加减弱了另一种或多种土壤功能。在农业生态系统中，各项调节服务（如气候调节与生物多样性维持）之间通常存在协同关系[9]，而在供给服务（如初级生产力）和调节服务（如水净化和碳固存）之间，即在生产力提升和生态系统服务可持续之间需要进行权衡[35-36]。在农田土壤管理中，一些健康土壤的培育技术如保护性耕作、多样化种植、以及生物防治等的目的是挖掘土壤和作物的生物学潜力，培育健康土壤，实现多目标协同[37]。
在权衡各项土壤功能时，需要充分结合不同时空尺度的需求和管理目标，保证重要土壤功能的协同。如在提高作物品质时，可能会对产量产生影响，但品质的提升最终将提高产品价值。在景观尺度上，增加乡土植物缓冲带、多花带等会影响土地产能，但增加了生物多样性和景观功能，因而权衡土壤功能与土地整体规划和管理目标需求关系密切。
2土壤功能的量化与评价
对土壤功能进行量化与综合评价，主要有以下四种方式：基于土壤功能的土壤健康评价、土壤功能需求与供给的量化、土壤生态系统多功能性计算，以及土壤生态系统服务价值量与物质量评估。这四种方法分别由不同领域学者开展，研究的侧重点和应用尺度存在差异。
2.1基于土壤功能的土壤健康评价
区别于对各项土壤属性指标的单独评估，基于土壤功能的评价方法是以各项土壤功能为评价单元，而单个功能包含多项指标数据集，以代表性土壤功能（目前模型主要包括五项功能）水平来表征土壤健康程度。
欧盟LANDMARK项目组[40]开发了SoilNavigator决策支持模型，以土壤管理、气象参数、土壤物理、化学、生物学特性作为模型输入，对初级生产力、水的净化与调节、气候调节与碳固持、土壤生物多样性的维持、养分的供给与循环5项土壤功能进行等级评价，并根据用户期望的土壤功能水平、以及对各项土壤管理的可接受程度提出了针对性的土壤健康改良方案。该方法已应用于奥地利、德国、丹麦、法国、爱尔兰的土壤健康评价。Rinot等[41]总结了目前的土壤健康评价研究，他参考了海洋健康指数的计算方法，将各项土壤属性转化为标准化得分函数，并量化其对各项土壤生态系统服务的贡献权重，构建了基于土壤生态系统服务及功能的土壤健康评价方法。基于土壤功能进行土壤健康评价在我国起步较晚，赵瑞等[42]参考Rinot等[41]提出的方法，构建了“生态系统服务-功能-特性-质量维度-指标-健康”的土壤健康评价理论框架，并对河南省温县进行了县域尺度的土壤健康评价。杨颖等[43]沿用了LANDMARK项目组对土壤功能的分类，参考德国Müncheberg的评价系统[44]，将评价指标分为基础项指标（加和关系）和限制项指标（乘积关系），计算了封丘、栾城和禹城三个站点的土壤健康综合评分。
目前基于土壤功能的土壤健康评价多在田块尺度上开展。在区域尺度上，通常需要整合大量的田块监测点的结果，结合GIS、数学模型及大数据分析等技术手段，结果通常以地图的形式呈现。需要指出的是，基于土壤功能对土壤健康进行评价时，除传统土壤质量评价涉及的物理指标（如土壤质地、容重、蓄水能力、土壤团聚体稳定性等）及化学指标（如土壤有机质含量、pH、电导率、阳离子交换量、全氮、有效磷、速效钾、交换性钙镁等）外，应充分考虑以往评价体系中常被忽略的生物学指标（如土壤微生物量、土壤呼吸、蚯蚓、线虫、酶活性、微食物网等），建立包含代表性指标的最小数据集（MinimumDataSet，MDS）[45]。
2.2土壤功能需求与供给的量化
表1功能性土壤管理各土壤功能量化替代性指标[15]
2.3土壤生态系统多功能性的计算
表2土壤生态系统多功能性计算方法[47]
2.4土壤生态系统服务价值量与物质量的评估
结合数字土壤制图方法，可以直观呈现土壤生态系统服务，以表征各项服务的空间分布特征，即形成生态系统服务制图（EcosystemServiceMapping）[63]。随着遥感等地理信息技术的进步，空间制图方法不断完善，为生态系统服务的可视化提供了便利。
3农田土壤功能的调控思路
土壤功能的调控受土地利用方式、土壤属性、作物种植制度、环境要素、管理目标等多种因素的影响。在不同尺度上，土壤功能的调控思路、途径和侧重点不同（图3）。
图3土壤功能调控整体思路（修改自Schulte等[46]）
Fig.3Frameworkofsoilfunctionregulation(ModifiedfromSchulteetal.[46])
3.1全国尺度：土地利用方式及农业结构调整
土壤的初级生产功能是保障粮食安全的基础，涉及粮食的区域间运输问题，应从全国尺度对供需平衡自上而下整体考量，在国家层面划定政策目标，实行农业产业结构调整。面对我国土壤资源严重缺乏的现状，应严守十八亿亩耕地红线，划定永久基本农田，粮食主产区大规模推进高标准农田建设提升耕地地力，提高土壤生产力，非粮食主产区因地制宜积极探索和发展适合当地土壤及气候特点的作物及种植模式[64]。
在全国层面上，需要全面统筹山水林田湖草生命共同体系统治理。生命共同体内部各要素间是普遍联系且相互影响的，健康土壤是山水林田湖草生命共同体和谐发展的重要载体，健康土壤管理能协同实现粮食安全、产品安全、环境安全和生态健康，保证土壤的永续利用。通过轮作休耕、退耕还林还草等生态退耕手段规划调整特定区域的土地利用方式，以调控大尺度范围的土壤功能[65]，这些生态措施对实现我国“双碳”目标非常重要。此外，还需要完善耕地占补平衡政策，复垦废弃工矿用地、宅基地等，保障耕地数量，同时依照耕地异地补充政策，统筹跨省域补充的耕地数量和粮食产能，均衡土壤的生产与生态功能[66]。
3.2区域尺度：协调资源配置
区域尺度的土壤功能调控适合在省级及地级行政区开展，需要满足国家层面的总体目标及区域分配要求。我国各个区域土壤空间分异性显著，主要作物类型、障碍因子及对于土壤功能的需求均有不同，因此需要在区域层面进行土壤功能供需评价，开发差异化区域政策及战略措施，根据区域内资源禀赋因地制宜，加强耕地与农田保护：
1）东北黑土区中低产田分布较为集中，由于长期的高强度利用，重用轻养，导致土层变薄，有机质含量下降，水土流失及土壤退化严重。该地区应当侧重提升土壤的水分调节及养分循环功能，开发兼顾保护、治理和开发利用相结合的治理策略，防止水土流失，同时改良培肥，促进地力提升[2]。
2）华北平原地区当前面临着水资源严重不足的困境，土壤蓄水保肥能力下降，同时由于长期的耕作导致耕层变浅且养分贫瘠。该地区作为我国粮食主产区应当致力于培肥地力，提升土壤的粮食生产力，同时改善农田水利设施建设，发展节水灌溉技术，提升土壤的蓄水功能[2,64]。
3）西北黄土高原区气候及土壤条件复杂，干旱缺水，土壤侵蚀严重且易发生次生盐碱化。该地区应大力开发膜下滴灌、暗管排盐等盐渍化土壤节水改良技术模式，同时发展退耕还林还草等生态工程，防风固沙，修复生态脆弱区[68]。
4）西南区障碍因子主要表现为耕层贫瘠及部分土壤酸化、稻田潜育化等问题。该地区应当侧重水土保持、土壤改良和水肥定向调控，同时通过开沟排水等措施缓解稻田潜育化问题，并培肥地力改善土壤结构[69]。
5）南方红壤区土壤酸化及重金属污染问题严峻，且存在坡耕地生产力低下等问题。该地区应致力于发展治酸控污技术，同时考虑将低产坡耕地退耕恢复植被，提升碳固存[70]。
3.3景观尺度：农业设施建设与景观格局构建
景观尺度的土壤功能调控适合在县级及乡/镇级行政区开展，旨在通过农业设施建设等人为干预措施优化景观格局，改变土壤静态属性，如土壤的水力特征等，从而定向调整土壤的特定功能。
景观尺度的农业干预措施，如灌排系统、节水灌溉与施肥配套技术等农田水利设施的建设，通常需由地方政府统筹规划。但同时应注意避免因过度整治而造成对农田半自然生境的破坏，考虑将农业设施工程生态景观化，完善沟渠等生物缓冲带建设，生态涵养通过调节水资源的时空分布，改良农田土壤水分状况，提高水肥利用效率，并配合建立以村集体和农场为主体的农田生态管护制度，对绿色基础设施开展定期维护，以提升景观层面农田的生产功能及自然资本价值[71]。
《全球生物多样性展望》提出的可持续转型途径中重点提及了景观尺度空间规划[72]。在景观尺度上，应综合考虑现有生态景观格局、农田规模化需求及生物多样性保护的需求，避免因过度强调高标准农田建设新增集中连片土壤面积破坏作物-害虫-天敌之间的互作有机整体，导致生物栖息地丧失及土壤功能受损[73]。应慎重考虑保留农地田埂、河岸草地灌丛等原生空间作为田间物种的庇护所，推动景观层面的可持续土壤功能调控[71]。
3.4田块尺度：田间土壤管理技术优化
田块尺度的土壤功能调控的主体是个体农户，旨在执行与落实更大空间尺度与行政级别的政策要求，通过田间管理措施的优化以改变土壤动态属性。在田块尺度上，土壤管理（肥料、农用化学品、有机肥及秸秆还田）显著影响土壤多功能性[74]。例如，种植覆盖作物（Covercrop）对养分循环、水分调节、生物多样性维持等多项土壤功能均有提升作用[75]。免耕避免了机械干扰，增加了土壤的有机质及微生物活性，提高了土壤团聚体的稳定性，但在较黏重的土壤中免耕易导致排水不畅及作物减产[75-76]。因而在生产实践中应充分考虑土壤功能间的协同与权衡关系，依据具体需求补齐短板。
农户是田块尺度上土壤功能调控的主体，对于技术的采纳程度是实现土壤功能调控的关键。科技小院通过农民参与式技术创新模式可以有效地提高技术到位率，提高作物产量和效率[77]。与此类似的多主体参与式方法可以将科学技术与生产实践之间建立直接联系，科学问题来自于生产一线，理论在生产一线不断得到发展和完善，这种模式不仅推动了科技创新，还有利于技术直接落地，为土壤改良和保育提供保障[78-79]。
土壤管理改良还需要政府层面的政策保障。我国农业农村部、财政部当前已实施一些强农惠农政策，如耕地地力保护补贴等，以绿色生态为导向的补贴政策体系和激励约束机制正在逐步建立[80]。未来可从土壤多功能性的视角加以考量，最大程度发挥土壤功能，实现土壤的可持续利用。
4展望
1）深入探索土壤多功能性形成和维持机理。包括土壤多功能性的形成机制与驱动因素，及其与人类活动的关系；利用现代组学技术，深入探究土壤物理、化学及生物学多组分互作的过程及机制。此外，还应继续加强生物多样性的研究，特别考虑多维度、多营养级的互作，充分挖掘土壤生物学潜力以及地上和地下互馈的作用；深化土壤微生物组在元素循环、土壤污染修复及根际免疫调控等方面的作用。
2）在不同尺度上协同土壤功能调控目标。以保障土壤初级生产能力为基础，系统权衡各项土壤功能。在大空间尺度上，侧重整体目标，建立完善的顶层设计，把控土壤治理大方向，向“数量+质量+生态”三位一体转移[81]，并采用“自上而下”的思路向小尺度均衡分配；在小空间上，侧重个体目标，需要考虑空间分异性，因地制宜提高土壤功能。在实现土壤功能管理的进程中，需要充分调动各利益主体的主观能动性，强化对土壤健康及土壤多功能性的理解，并通过政策手段，健全约束与鼓励机制。
4）土壤多功能性提升需要与现代科技相结合。随着遥感、5G、大数据等现代信息技术的进步，空间制图方法不断完善，将土壤功能与遥感技术、数字信息技术有机融合，创新数字技术产品；建立天地空一体的监测与应用体系，构建土壤健康大数据平台，并与作物种植、管理措施、产品品质、环境质量等建立关联，形成基于土壤多功能性的健康管理信息中心和决策工具系统。
致谢感谢CraigandSusanMcCawFoundation、大自然保护协会（TheNatureConservancy，TNC）和国家留学基金委员会（留金美[2019]13043）的经费支持。