土壤健康是指土壤作为维持植物、动物和人类生存的重要生命生态系统的持续能力，并将农业和土壤科学与政策、利益需求和可持续供应链管理联系起来。历史上，土壤评估侧重于作物生产，但今天的土壤健康将土壤在水质、气候变化和人类健康方面的作用包含其中。然而，由于知识有限和缺乏有效的方法，尽管人们越来越认识到土壤生物多样性的重要性，但量化土壤健康仍以化学指标为主。本文阐述了土壤健康的定义和历史，并与其他土壤概念进行了比较。我们概述了由土壤提供的生态系统服务，用于衡量土壤功能的指标，以及它们与信息性土壤健康指数的整合。科学家们应该把土壤健康作为一项首要原则，有助于实现可持续发展目标，而不仅仅是一种可以衡量的属性。
作者：JohannesLehmann(康奈尔大学),DeborahA.Bossio(大自然保护协会TNC),IngridKogel-KnabnerandMatthiasC.Rillig
译者：杨潇逸
土壤是一个复杂的系统，位于大气、岩石圈、水圈和生物圈的交汇处，对粮食生产至关重要，并通过其对重要的社会和生态系统服务的支持实现可持续发展。正是在这种背景下，土壤健康的概念出现在21世纪初，如今，它与新兴的“一个健康”概念相关，在这个概念中，人类、动物和环境的健康都是相互联系的。
土壤健康的术语、概念和操作化仍在不断发展。现在，大多数机构(如美国农业部)将其定义为“土壤作为维持植物、动物和人类生存的重要生命生态系统的持续能力”。还有其他一些相关概念，包括土壤肥力、土壤质量和土壤安全，这些概念也强调土壤在社会、生态系统和/或农业中的作用或功能。
土壤肥力指的是土壤在作物生产中的作用。土壤肥力由农民在田间进行管理，以实现经济高效的作物生产和专注于种植人类所需的食物、燃料和纤维。
土壤质量是“土壤健康”一词的历史来源，描述了土壤对农业及其直接环境的作用能力。因此，土壤质量包括土壤对整个生态系统内水质、动植物健康的影响。尽管“土壤健康”与“土壤质量”经常被混淆使用，但两者并不等同，因为土壤健康的范围超出了人类健康的范围，扩展到更广泛的可持续性目标，包括地球健康，而土壤质量的范围通常侧重于与人类相关的生态系统服务。
土壤安全是指获得土壤生态系统服务的机会必须与其他人权处于同一水平，因此，通常在政策背景下使用，包括人类文化、资本和土壤管理法律等方面。重要的是，土壤安全使人们能够就土壤作为一种公共资源进行有关生产的对话，类似于水和空气，而不是仅仅作为私有财产(如土壤肥力和质量)。
土壤健康包括与土壤质量和肥力相关的尺度、利益相关者、功能和评估工具，并包含一些土壤安全的政策层面问题，超越了只关注作物生产或其他明确的人类利益。土壤健康最重要的成就之一是在土壤管理中增加了生物学观点，以应对作物生产的长期可持续性挑战。生物学观点对于扩大土壤评估和管理，以解决对生物多样性、水质、气候以及人类和地球健康的问题，也是至关重要的。
1.土壤健康和土壤生态系统服务
土壤可提供多种生态系统服务(图1)，因此，支持可持续发展的土壤健康管理必须考虑三点：通过多功能管理来提高土壤生态系统服务;通过管理土壤来改善一项服务的同时可能对另一项服务产生积极(协同)或负面影响(权衡);土壤健康管理应长期维持土壤的服务功能。本文中，我们简要介绍了土壤健康管理过程中考虑的四大土壤生态系统服务——可持续植物生产、水质控制、人类健康改善和气候变化缓解。
图1土壤健康和全球生态系统服务土壤健康通过作物产量、质量、储存和运输;食品质量和口味;土壤污染;或气候变化、娱乐和文化影响人类和地球健康。
1.1.可持续植物生产
植物生产是集约农业的主要目的，也是土壤健康管理的一个重点，因为它影响到水的使用和质量、人类健康、动物健康、气候和生物多样性(图1)。然而从土壤健康的角度来看，仅通过使用农用化学品(主要是肥料)来管理养分有效性是不足以优化植物生长的。此外，人们越来越认识到，在集约化农业中使用的一些增加植物产量的管理措施危害了土壤健康。因此，在考虑到土壤健康的情况下，土壤管理将不仅仅依赖于使用无机肥料，而将更多的注意力放在使用有机改良剂及秸秆还田、减少耕作造成的机械影响、增加植物在时间和空间上的多样性，或通过等高线耕作(沿海拔等高线耕作)或种植覆盖作物来减少土壤侵蚀。
除了管理植物生产所需的土壤理化性质外，土壤健康还需考虑植物与根际土壤微生物群落之间的相互作用，这些相互作用可以促进或抑制植物的生长。通过管理微生物的丰度、活性、群落组成和特定功能可以提高植物产量。例如，有机改良剂(如堆肥)可以通过促进有益微生物的数量来提高对植物病原体的抵抗力。在许多情况下，通过增加改良或减少耕作、提高有机质含量以及增加生物多样性的做法，有望提高作物的抗逆性。但是也有例外，例如，减少耕作可以在某些情况下降低作物产量，从而减少土壤有机碳含量。
1.2.水质
当雨水和融雪流经土壤时，土壤可能成为污染源和/或汇(图1)。这些污染物包括除草剂、杀虫剂、重金属、抗生素、激素、微塑料、病原体、多环芳烃、全氟烷基和多氟烷基物质。此外，农业化肥使用造成的营养污染是一个全球性问题，会导致水体富营养化和/或缺氧，促进有害藻类大量繁殖，并对饮用水质量产生负面影响。
为了维持良好的水质，需要进行土壤健康管理，将土壤中的污染物保留并对它们进行缓冲和生物转化。增加土壤有机质可吸附重金属和有机毒素，其中一些吸附作用几乎是不可逆的。使用缓冲区，如建设农业区或人工湿地附近的植被过滤带，可以减缓硝酸盐、磷酸盐或农药污染物向水中的迁移。土壤生物群可以将有机污染物，如常见的碳氢化合物甲苯，转化为无害的化合物。因此，有机质含量和微生物活性这两个土壤健康的关键特性，都能改善土壤径流的水质。
城市土壤的土壤健康尚未得到充分的认识，但可能含有比农业土壤更广泛的污染物，而且许多城市土壤也被改造为可以快速排水或根本不排水的程度。因此，城市土壤的土壤健康管理必须通过生物滞留和土壤阻塞以实现物理滞留管理与污染物生物转化的结合，进而提供清洁饮用水。
1.3.人类健康
人类健康在很大程度上取决于土壤健康，包括并超越了土壤通过作物生产与人类健康之间的明显联系。
作物类型及其营养成分十分重要，微量营养素利用率高的土壤有助于降低营养不良，较高的土壤有机质提高了作物的营养价值。除了这些相对普遍的特性外，作物的营养价值还取决于土壤生物多样性，土壤生物多样性可以提高作物的微量营养元素的生物利用率，抑制土传植物病害，并影响风味、食品储藏和食品加工。
土壤也会对人类健康产生负面影响。例如，土壤污染物可以通过直接接触或灰尘、悬浮物和雨滴污染产品。除了非生物污染物外，土壤还可能含有致病真菌，通过产生真菌毒素来污染植物产品，并在动物和人类中引起急性和慢性疾病。此外，土壤中生存着大量的寄生蠕虫(helminthiasis)，这些寄生虫可以在人体胃肠道中存活数年，引起营养不良并导致发育迟缓。
尽管土壤带有多种病原体，但在一定历史时期中，土壤也富含产生抗生素的有机体，如产生链霉素。大多数土壤微生物有待发现和鉴定，并被运用于人类医学。量化和管理土壤生物多样性是土壤健康管理目标的一部分，它为阻止微生物物种的灭绝并为未来的生物勘探保留了机会。
1.4.气候变化
土壤管理可以缓解或加剧气候变化及其对其他土壤生态系统服务的影响，如水质或植物生产。以减缓气候变化的策略为例，将碳作为有机物固定在土壤中，以便提高作物生产力和抗旱、抗洪的能力，进而使农业受益。此外，可通过增加有机肥料或土壤改良剂的使用以及减少耕作来增加土壤有机质，以增加聚集并控制微生物矿化产生二氧化碳，这也可以促进植物生长。然而，在气候变化与粮食生产之间要权衡利弊，比如施用氮肥增加作物产量的同时也会导致温室气体一氧化二氮的释放。
图2土壤生态系统服务管理图的顶部列出了土壤的四个重要作用(植物生产、水质保持、人类健康和气候缓解)。下方列出了各种管理策略及其对主要土壤特性和生态系统服务的影响。
2.土壤健康量化
量化在管理土壤健康和土壤生态系统服务方面非常重要，土壤的多功能性(图1)和多样性要求将多个指标量化并整合到一个指数中。一般而言，土壤健康指标可分为物理、化学或生物三类，但是由于许多特性反映了多种过程，这三类指标并未完全划分界限。
土壤健康指标应满足几个标准，包括：与土壤健康及其生态系统功能和服务相关;敏感性，变化迅速并可检测;实用性，操作成本低，周转时间短;为管理提供信息。尽管土壤健康指标难以同时满足以上四个标准，但这些指标为土壤健康管理提供了背景。
有关植物生产的土壤健康评估通常包括总有机碳、植物可利用养分、pH值、阳离子交换容量、电导率、渗透阻力、氮矿化和微生物生物量。其中较少的测试(不到20%)包括土壤团聚体、储水和有机碳组分。
为缓解气候变化土壤健康评估也应测试以上参数，其中一小部分测试也包含了检测土壤中的氮形态，这些测试应加以调整，以提供有关潜在温室气体排放(包括一氧化二氮)的信息。
与水质相关的土壤健康评估应包括微生物生物量和活性、流动性养分、重金属毒素和总有机碳的检测，这已经是许多土壤健康测试计划的一部分，但也应偶尔检测土壤团聚体和渗透。这些指标中的许多也应用于有关人类健康的土壤健康评估。
3.新一代指标
建议在评估每项管理目标的土壤时，增加额外的指标，特别是生物评估。例如，我们建议在土壤健康测中更广泛地检测土壤团聚体、土壤渗透系数、蚯蚓丰度和有机碳氮组分，并在植物生产的土壤健康评估中加入氮矿化酶活性的检测。
建议一些主要针对非农业土壤服务的新指标，如人类健康和水质，需要成为常规土壤健康测试的一部分。这些指标包括病原体、寄生虫、生物多样性、生物有效性、流动性毒素(如二恶英、多环芳烃和微塑料)、化合物和孔径多样性。
同时也建议重视与气候变化功能相关的土壤健康指标的制定，如温室气体排放和碳封存。
未来十年，土壤健康监测的进展还应包括遥感技术的发展。遥感不仅应包括土壤特性的空间信息，例如使用微波测量土壤湿度，而且可以通过数学模型评估与土壤功能相关的土壤管理做法。下一代电子产品应当运用于实现低成本和分布式传感器部署、快速数据传输、存储和处理，并利用计算机和智能电网领域的快速发展，开发用于土壤健康监测的物联网传感器网络。
4.土壤健康指数
4.1.挑战
需要对包括分类属性在内的多个指数进行量化转换和加权，以便将它们整合到最终的单一得分中。数值必须使用非线性关系进行转换，因为较高的值并不总是表示好的土壤健康状况。
因土壤类型之间的固有差异或因时间的改变而产生偏差时，需要根据区域条件仔细校准。
4.2.需求
全面的土壤健康指数应包含多标准决策分析，以量化和优先考虑土壤健康管理的可持续性成果。
土壤健康数据应使用交互式数据可视化来呈现，该呈现方式可根据所需侧重来进行重新配置。这将有利于研究人员和决策者优先考虑土壤功能并作出决定。
新出现的数据分析工具，如机器学习、深度学习、人工神经网络或博弈论，应更充分地加以探索，以便量化土壤健康指标的影响，并优先考虑水质控制和食物生产等土壤功能。
需要开发新的分析和概念研究方法来发掘土壤健康的系统特征，以便实施监测土壤健康和了解土壤健康对土壤功能的影响。
水科学、医学、心理学、哲学和其他领域需要参与到土壤健康的衡量和管理中，以反映土壤健康的全部功能，包括气候变化、水质、生物多样性和人类健康。
5.未来展望
科学家们正在就土壤健康的定义达成共识，并正在开发和改进量化土壤健康的方法，但这些方法主要涉及土壤的作物生产力功能，没有充分考虑到生物和非生物多样性。研究人员应该把土壤健康作为一项首要原则来建立知识体系，而不是仅仅把它作为一种可测量的属性。这样，土壤健康就可以更好地被确立为一个多学科支撑的科学领域。
由于土壤具有广泛的环境和社会功能，土壤健康应在法律上被确认为一种共同利益。土壤健康量化标准的制定应由政府或政府间组织牵头，必须就相关指标、检测方法细节以及纳入指数制定国家间标准。如此，一个综合的土壤健康指数应该被地方、地区或国家的司法机构和组织参考，来指导影响土壤及其功能的决策，从而有利于实现可持续发展。
