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本文節(jié)選自《地理學(xué)報(bào)》2015 年12期

作者：朱永官^{1, 2}，李剛¹，張甘霖³，傅伯杰^{2, 4}

單位：1.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   3.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   4.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院

自農(nóng)耕文明出現(xiàn)以來(lái)，人類對(duì)土壤的開(kāi)發(fā)和使用已被視為理所當(dāng)然。從早期的農(nóng)業(yè)文明到現(xiàn)在的快速城市化，人類對(duì)土壤的開(kāi)發(fā)和利用不斷強(qiáng)化并在全球擴(kuò)散。當(dāng)前，作為地球上最大的土地利用類型，農(nóng)業(yè)用地占地球上無(wú)冰土地的38%，其中分別約有12%和26%的無(wú)冰土地用于作物和草地。但是，全球范圍內(nèi)，由于人類過(guò)度或不恰當(dāng)?shù)睦靡呀?jīng)導(dǎo)致大約33%的土壤處于退化狀態(tài)。
 

土壤具有社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化和精神層面的價(jià)值。正是由于土壤的多重功能，傳統(tǒng)的土壤資源概念已經(jīng)不能全面反映土壤的整體功能和價(jià)值，因此土壤安全的概念開(kāi)始形成。土壤安全是指土壤持續(xù)地為人類提供食物、纖維和淡水資源等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)維持生物多樣性和相對(duì)穩(wěn)定性的一種狀態(tài)。因此，土壤安全的概念有效整合了土壤的多重功能，為在更高的層面來(lái)研究土壤、利用土壤和保護(hù)土壤提供了一個(gè)戰(zhàn)略框架（圖1）。

1.地球關(guān)鍵帶
 

地球關(guān)鍵帶（Earth's critical zone） 是由地球表層各部分和相互作用過(guò)程組成的一個(gè)綜合系統(tǒng)，具體而言其是近地球表面、有滲透性、介于大氣圈和巖石圈之間的地帶，垂直方向的范圍從樹(shù)的冠層往下直到地下水深層（圖2）。地球關(guān)鍵帶控制著土壤的發(fā)育、水的質(zhì)量和流動(dòng)、化學(xué)與生物循環(huán)，其在調(diào)控自然生境的同時(shí)，還供應(yīng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需的資源，故這一地帶對(duì)維持地表生命非常重要。

地球關(guān)鍵帶是地球表層系統(tǒng)中最活躍、最富有活力的部分。其包括異質(zhì)性的近地表環(huán)境，巖石、土壤、水、空氣和生物在其中發(fā)生著復(fù)雜的相互作用。在橫向上，關(guān)鍵帶覆蓋不同的生態(tài)系統(tǒng)類型；在縱向上，關(guān)鍵帶自上邊界植物冠層向下穿越了土壤層、非飽和包氣帶、飽和含水層，下邊界通常為地下水深層。
 

關(guān)鍵帶是一個(gè)復(fù)雜的自然反應(yīng)器，其通過(guò)太陽(yáng)光照獲得能量，驅(qū)動(dòng)植物光合作用，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)地表的水文和生物地球化學(xué)循環(huán)。其結(jié)構(gòu)和功能不僅取決于生物的多樣性，還直接與土壤、沉積物、風(fēng)化層和地下水等非生物要素密切相關(guān)。因此，關(guān)鍵帶科學(xué)涉及多種學(xué)科，包括水文學(xué)、地貌學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)等，并涵蓋包括人在內(nèi)的一切生物活動(dòng)。
 

關(guān)鍵帶中發(fā)生的復(fù)雜物理、化學(xué)和生物過(guò)程相互耦合使其成為有機(jī)聯(lián)系和不斷變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。按照其性質(zhì)與作用，這些過(guò)程大致可分為三類：生態(tài)過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程和水文過(guò)程。 

地球關(guān)鍵帶是一個(gè)有生命的歷史自然體，具有活躍的代謝過(guò)程，即能量流動(dòng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程。能量流動(dòng)驅(qū)動(dòng)了物質(zhì)（生源要素和人為活動(dòng)帶來(lái)的化學(xué)品等） 與遺傳信息在關(guān)鍵帶各組分之間的轉(zhuǎn)化與遷移，推動(dòng)了關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和功能的演化。關(guān)鍵帶代謝的核心是生物與地表物質(zhì)的相互作用，包括從生物與巖石風(fēng)化，生物地球化學(xué)循環(huán)，到生物與景觀地貌的修飾。

2.土壤與地球關(guān)鍵帶
 

關(guān)鍵帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈進(jìn)行物質(zhì)遷移和能量交換的交匯區(qū)域（圖2），而土壤是地球關(guān)鍵帶的核心組成部分，并且在不同時(shí)空尺度上受到一系列廣泛的物理、化學(xué)和生物過(guò)程之間的相互作用。
 

作為地球關(guān)鍵帶動(dòng)態(tài)的核心要素，土壤過(guò)程是控制關(guān)鍵帶物質(zhì)、能量和信息流動(dòng)與轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn)。因此，土壤不僅起到生物質(zhì)生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水的儲(chǔ)存、過(guò)濾和轉(zhuǎn)化，而且是地球上生物多樣性最豐富的棲息地、地質(zhì)歷史與人文演化的記錄等多重功能。因此，對(duì)土壤過(guò)程的認(rèn)知是地球關(guān)鍵帶研究的核心內(nèi)容。
 

作為地球關(guān)鍵帶的核心部分，土壤在地球關(guān)鍵帶中的具有多重功能，主要包括養(yǎng)分循環(huán)、水分保蓄、生物多樣性和棲息地、物質(zhì)儲(chǔ)存、過(guò)濾、緩沖和轉(zhuǎn)化，以及物質(zhì)供應(yīng)保障。土壤安全與人類的安全、生存和發(fā)展也有密切聯(lián)系。此外，在解決全球現(xiàn)實(shí)問(wèn)題特別是食品安全、生物多樣性、氣候變化以及水循環(huán)調(diào)控等方面，土壤居于中心地位，但是到目前為止還沒(méi)有建立一種有效協(xié)調(diào)土壤各項(xiàng)功能的方法。
 

同時(shí)，全球土壤的退化速度驚人，從20 世紀(jì)中葉以來(lái)有20 億hm²的土壤資源退化，并且這種趨勢(shì)還在不斷增強(qiáng)。因此，迫切需要建立以水、土資源為核心的政策，以防止土壤退化和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。土壤安全概念的提出能夠有效整合土壤與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的聯(lián)系，是在全球土壤面臨日益嚴(yán)重問(wèn)題的背景下提出的一種新概念，豐富了對(duì)土壤的系統(tǒng)認(rèn)知。這與地球關(guān)鍵帶的概念有類似之處，但是地球關(guān)鍵帶的概念涵蓋了土壤安全所包含的內(nèi)容，并且關(guān)鍵帶科學(xué)研究的內(nèi)容更廣泛和系統(tǒng)。
 

土壤安全包含了土壤的數(shù)量、質(zhì)量和可利用性等方面的特點(diǎn)，基于這些概念能夠更好地維持和管理土壤的狀態(tài)，使其有效發(fā)揮功能和提供服務(wù)。但是土壤安全的內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容更廣泛，與目前全球所面臨的以下主要環(huán)境挑戰(zhàn)密切相關(guān)：
 

① 食品安全。土壤主要通過(guò)提供生物質(zhì)生產(chǎn)比如養(yǎng)分、物質(zhì)和水分以及降低污染來(lái)影響食品安全。

② 水安全。土壤能夠保持水分，并且在化合物的過(guò)濾和轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要，故土壤安全對(duì)水分的安全供應(yīng)具有重要意義。

③ 能源安全。土壤通過(guò)生產(chǎn)生物質(zhì)能源作物而對(duì)能源安全產(chǎn)生影響。

④ 減緩氣候變化。作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳匯，土壤通過(guò)影響碳固定而減緩氣候變化，同時(shí)還影響作物產(chǎn)量和糧食安全。

⑤ 保護(hù)生物多樣性。生物多樣性方面，土壤是最大的基因庫(kù)和物種棲息地，并且這些生物積極參與并影響土壤的形成過(guò)程和功能。其生物多樣性對(duì)促進(jìn)養(yǎng)分、水和能量分循環(huán)，改善土壤結(jié)構(gòu)以及控制土傳病害方面具有重要作用。 

⑥ 輸送生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。土壤在生產(chǎn)植物、輸送養(yǎng)分、提供基因庫(kù)、調(diào)控養(yǎng)分和水文循環(huán)、處置廢棄物、提供建筑材料以及文化和美學(xué)需求等方面提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此，土壤安全在解決這些環(huán)境挑戰(zhàn)中均能夠發(fā)揮重要作用。
 

土壤安全既具有自然屬性（土壤的物理，化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程變化），又具有社會(huì)屬性（經(jīng)濟(jì)、政策、法規(guī)） 。由于土壤安全的多重屬性，因而需要一個(gè)多指標(biāo)和多學(xué)科的方法來(lái)判定土壤的最佳狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)，以達(dá)到有效利用土壤資源的目的。為此，Mcbratney 等提出了評(píng)估土壤安全的5 個(gè)方面指標(biāo)：性能，狀態(tài)，資本性，關(guān)聯(lián)性以及政策法規(guī)。具體來(lái)講：

土壤性能是指其已經(jīng)具有的功能和潛在功能，而土壤狀態(tài)是指土壤現(xiàn)在的狀況與參照體系相比所發(fā)生的變化，主要包括物理狀態(tài)、化學(xué)狀態(tài)和生物狀態(tài)。

土壤的狀態(tài)決定了土壤的最佳性能，同時(shí)土壤的性能也能夠反映土壤的狀態(tài)，而兩者共同構(gòu)成了土壤的生產(chǎn)力。

土壤資本性是指土壤所提供的影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力，包括其自身的價(jià)值和潛在的生產(chǎn)力。

土壤的關(guān)聯(lián)性是土壤安全社會(huì)屬性方面的指標(biāo)，其主要指負(fù)責(zé)管理土壤的人是否已經(jīng)掌握正確的知識(shí)和資源來(lái)管理土壤以達(dá)到其最佳性能，關(guān)聯(lián)性主要是為了更好的管理土壤和改善土壤環(huán)境質(zhì)量。
 

土壤安全的以上4 個(gè)指標(biāo)最終都要通過(guò)政策和法規(guī)來(lái)進(jìn)行約束和規(guī)范，以保障土壤安全和土壤資源的可持續(xù)發(fā)展。評(píng)估土壤安全這5 個(gè)方面的指標(biāo)構(gòu)成了土壤可持續(xù)發(fā)展和利用的理論框架。故土壤安全的概念具有多維性，并且涵蓋社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生物物理等學(xué)科，比“土壤質(zhì)量”、“土壤健康”和“土壤保護(hù)”的概念更寬廣、更綜合，因而土壤安全提供了一種解決人類面臨的環(huán)境問(wèn)題的理論框架，將土壤放在這種理論框架的核心位置能夠更好的為可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。
 

地球關(guān)鍵帶強(qiáng)調(diào)各要素之間的相互作用，土壤和地球關(guān)鍵帶其他要素之間相互作用的界面正是發(fā)揮土壤功能的區(qū)域，如母質(zhì)風(fēng)化提供土壤形成骨架，并向植物提供養(yǎng)分；植物生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)積累將大氣中溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為土壤碳匯；土壤—水相互作用影響地下水和地表水質(zhì)量并很大程度上發(fā)揮過(guò)濾功能提供清潔水源；土壤形成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程促進(jìn)碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素儲(chǔ)存。所以，土壤安全與地球關(guān)鍵帶又有密切聯(lián)系。
 

目前面臨的主要挑戰(zhàn)是，在關(guān)鍵帶范疇內(nèi)理解和認(rèn)識(shí)土壤中物質(zhì)的量和通量平衡以及其組分和功能，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前所面對(duì)的6 種環(huán)境問(wèn)題。由于土壤在關(guān)鍵帶中居于中心地位，與其他組分進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的流動(dòng)和交換，故關(guān)鍵帶科學(xué)所提供的整體性框架能夠定量化描述土壤過(guò)程以及闡明環(huán)境變化如何影響土壤過(guò)程，而這樣的理論框架符合土壤安全的綜合考慮。
 

3.地球關(guān)鍵帶中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)
 

生態(tài)系統(tǒng)及其過(guò)程是維持人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件和提供多種產(chǎn)品的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指對(duì)人類生存和生活質(zhì)量有貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)功能，主要有兩大方面，即生態(tài)系統(tǒng)提供的人類生活必須的生態(tài)產(chǎn)品和保證人類生活質(zhì)量的生態(tài)功能。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型有4 種：
 

① 物質(zhì)供給服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)或能量輸出，包括食物、水和其他資源。

② 調(diào)控服務(wù)。包括影響水質(zhì)量過(guò)程，調(diào)控洪水和疾病。

③ 生境服務(wù)。植物或動(dòng)物個(gè)體生存所需的條件，包括遺傳多樣性的維持。

④ 文化服務(wù)。娛樂(lè)、教育和美學(xué)方面的服務(wù)。
 

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指滿足人們?nèi)粘Ｉ?/span>中文化與追求的基本必需品，包括支持、供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)。Daily 等首次提出了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要總結(jié)為：
 

① 緩沖和調(diào)節(jié)水文循環(huán)。

② 植物的物理支持。

③ 植物養(yǎng)分的供應(yīng)和保持。

④ 廢棄物和有機(jī)殘?bào)w的處理。

⑤ 土壤肥力的恢復(fù)。

⑥ 調(diào)控主要的養(yǎng)分循環(huán)。
 

很多研究人員對(duì)土壤生態(tài)系服務(wù)的內(nèi)涵進(jìn)行了擴(kuò)展。這些土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也可以分為生境服務(wù)、調(diào)控服務(wù)、物質(zhì)供給服務(wù)和文化服務(wù)4 種類型和相應(yīng)的服務(wù)內(nèi)容（表1）。
 

在更廣義范圍內(nèi)，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的框架結(jié)構(gòu)還在討論和精簡(jiǎn)中。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。 

土壤科學(xué)發(fā)展的一個(gè)新的視角是將土壤視為自然資本。自然資本是指能從中輸出有利于生計(jì)的資源流和服務(wù)的自然資源存量，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則是由自然資本的物質(zhì)流、能量流和信息流構(gòu)成。
 

目前土壤科學(xué)所面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何防止土壤退化，土壤退化必然減少或消除土壤功能及其為人類福利所必需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供支持的能力。而目前生態(tài)系統(tǒng)研究中，自然資本的功能被忽視，以往的重點(diǎn)都在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的獲得，而對(duì)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的自然資本的存量重視不夠。所以，建立土壤生態(tài)系統(tǒng)的理論框架需要將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和自然資本有效的整合起來(lái)，并定量研究土壤資源、儲(chǔ)量、通量以及轉(zhuǎn)化過(guò)程和評(píng)估土壤資源的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以便提出有效的土壤管理策略并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的決策工具，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)發(fā)展。
 

土壤安全的理論框架中已經(jīng)包含了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容，其中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其他5 種環(huán)境挑戰(zhàn)也密切相關(guān)。土壤在地球關(guān)鍵帶中居于核心地位，故土壤安全對(duì)于關(guān)鍵帶各要素的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用。比如水來(lái)說(shuō)，土壤對(duì)水的儲(chǔ)存、過(guò)濾和轉(zhuǎn)化具有重要作用，所以土壤會(huì)對(duì)湖泊、河流、淺海以及濕地等與水相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重要影響。
 

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括提供食品、水、能源以及調(diào)節(jié)氣候等方面服務(wù)，此外土壤還是地球上最大的棲息地，其生物多樣性巨大，一般來(lái)說(shuō)，1 g 土壤中含有10 億個(gè)細(xì)菌和2 億個(gè)真菌菌絲。生物多樣性被視為是自然資本的一種，同時(shí)土壤的生物多樣性還在保持土壤功能以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中發(fā)揮著一種根本的作用，因此，為保障這些功能而需要維持土壤生物多樣性。 

近年來(lái)土壤生物多樣性研究得到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。同時(shí)，生物多樣性對(duì)生態(tài)服務(wù)影響一直是國(guó)際研究的熱點(diǎn)，但是就兩者之間的關(guān)系還缺乏統(tǒng)一的共識(shí)。所以今后土壤生物多樣性對(duì)生態(tài)服務(wù)的影響研究也需要長(zhǎng)期的研究與觀測(cè)，為土壤資源的保護(hù)和可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

4.面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤安全研究的未來(lái)需求
 

（1） 在地球關(guān)鍵帶科學(xué)思想的框架下，發(fā)展以“土壤安全”為導(dǎo)向的土壤利用和保護(hù)策略，研究在不同土地利用方式下土壤生態(tài)過(guò)程與服務(wù)的關(guān)系，研究土壤生態(tài)服務(wù)的權(quán)衡，保證土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性，是土壤安全在區(qū)域乃至全球生態(tài)文明建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

（2） 土壤是地球上生物多樣性最豐富的棲息地，目前隨著基因組學(xué)等生物學(xué)和大數(shù)據(jù)科學(xué)的快速發(fā)展，土壤生物多樣性的研究迎來(lái)發(fā)展的最佳時(shí)期。未來(lái)著重研究土壤生物的組成及其時(shí)空分異規(guī)律、土壤生物多樣性的功能及其調(diào)控、土壤生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)健康等方面。

（3） 建立基于“土壤安全”的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)的框架，發(fā)展相關(guān)評(píng)價(jià)的理論和方法，系統(tǒng)開(kāi)展不同土地利用方式、不同生態(tài)環(huán)境條件和不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值評(píng)估。

（4） 制定和完善土壤保護(hù)和利用的系統(tǒng)性政策法規(guī)，構(gòu)建中國(guó)土壤保護(hù)體系，建立土壤的生態(tài)補(bǔ)償制度和加強(qiáng)土壤管理機(jī)制，為維持土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供體制性保障。