编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家） 校/林大松（农业部环境保护科研监测所副研究员） 目 录 除了作为我们食品系统的基础之外，土壤对于经常被认为是理所当然的多种生命支持系统是必不可少的，例如水循环、碳循环和氮循环。农民、科学家、土地所有者、环境专家和政策制定者越来越认识到土壤健康是一个关键问题，解决其复杂的挑战迫在眉睫。虽然土壤的健康受到一些固有因素（如土壤形成、地理和气候）的影响，但其他因素更具活力，并受土壤管理方式的影响。 土壤有机碳损失 从历史上看，随着美国开阔的草原被改造成耕地，肥沃的土壤开始因侵蚀、有机物的流失、污染、压实、盐度增加等问题而逐渐退化【6】。随着时间的推移，像美国中心地带（图1）这样的区域作物生产高度集中，已经受到了生产力提高对环境需求的深刻影响。 图1：美国作物生产高度集中的地区。上图，2015年玉米，下图 ，2014年大豆（资料来源：美国农业部农业普查） 这一问题的症结在于土壤有机碳（SOC）的流失。 SOC是由碳构成的土壤有机质的一部分，它日益被公认为土壤健康的代表指标【7】.土壤与空气和水等其他自然资源相互作用，理想情况下，土壤富含通过与植物的自然交换而形成的有机物。活的和分解的植物物质养活了多种生物体，而生物体又会产生一系列生物有机化合物。许多土壤科学家认为,较高的SOC水平是土壤的恢复力、农业生产力和更能承受环境压力的指标【8】。 虽然土壤中的一些有机物会迅速分解,使其以CO2的方式返回大气层，但其他部分可以稳定或“顽固”多年，因此可以作为碳汇，从大气中吸收和储存二氧化碳【9】。 SOC测定表明，上个世纪使用的常见栽培技术，包括耕作例如犁地和刨地，以及单作物种植在机械上和生物层面分解土壤，减少土壤生物群和植物的充足氧气供应，消耗养分、增加土壤侵蚀、降低总体稳定性和持水能力、降低有机物含量【10】.与农业有关的最大SOC损失一般发生在耕种的前25年，损失率为50％【11】.在中西部地区，从天然系统转变为农业系统的大部分土壤已经损失了原始SOC含量的60％或更多。随着SOC水平的下降，需要更多的肥料来补偿损失【译者注原文为compensate rose，应为compensate loss】，这可能是增加养分流失的一个因素。 这些常见农业实践加上SOC损失的影响是多方面的：农场无法实现最大生产力;由于侵蚀和水径流，土壤中的养分流失;硝酸盐和磷污染——与肥料损失有关的后果——会影响地下水和水道的质量;大量天然存放在土壤中的温室气体返回大气。相反，通过使用促进土壤健康的做法，随着SOC和其他关键土壤性质的改善，许多这些影响可以逆转，如下节所述。 土壤保持管理系统的潜在效益 旨在恢复SOC的农业土壤保持管理系统可以减轻甚至逆转环境影响，采用这种系统的个体农民已经看到土壤健康方面的显著改善，包括产量提高,对养分的购买需求减少(见'农民概况'第10页，译者改注：见附录资料2：土壤健康农民简介)。这些系统包括覆盖作物种植、更多作物轮作和减少耕作，每个系统都显示出农场和社会效益的潜力，包括： 农场生产力和盈利能力：土壤碳含量的增加可以带来整体改善土壤健康、改善水渗透和保留、改善养分保持率和更好的作物根系，所有这些都有助于提高生产力和盈利能力【12】.土地所有者，包括公司、市政当局和个人，可能会实现更健康，更富有成效的土地，从而转化为更高的土地价值。 减少温室气体排放：实现微小的增加或防止土壤碳含量的减少可以减少温室气体如甲烷和一氧化二氮排放到大气中。 NRCS对各种土壤健康系统的潜力进行了排名，国家可持续农业联盟也审查了这些系统的潜力【13】.此外，COMET-Farm工具是通过科罗拉多州立大学和USDA-NRCS之间的合作开发的，作为一种计算节约措施的碳吸收贡献的方法。 减少养分流失：磷和氮通常以土壤侵蚀和淋溶的形式丧失，特别是在排水系统中。增加土壤有机质可以使土壤与这些营养物质结合，减少损失。覆盖作物有助于在非作物季节将这些营养素储存在生物量中。 土壤健康,特别是最佳的团聚结构、渗透性和碳含量的普遍改善，可以减少水的径流，更好的通风，增加水渗透和增加水的保留【15】.此外，地下水中的硝酸盐含量可能会降低，影响农场和市政供水【16】. 减少侵蚀：健康和管理良好的田地因风和/或水侵蚀而导致土壤流失的可能性要小得多，特别是在恶劣天气事件期间【17】.通过侵蚀减少土壤流失不仅保持了农场的价值，而且减轻侵蚀土壤的下游影响，如河道沉积和水道中的生物多样性丧失【18】. 土壤健康科学 这个问题的复杂性反映在简单定义“土壤健康”含义的努力中。目前还没有一个定义，尽管新出现的共识通常与NRCS和美国农业部的描述一致，即“土壤作为维持植物、动物和人类生命的重要生态系统的持续能力”。大自然保护协会完全支持这种土壤健康的定义，认识到它将随着科学的发展而发展。 尽管如此，土壤健康科学，即如何最好地定义和衡量它，如何最好地促进它，以及它如何支持其他目标，仍然是一项正在进行的工作。近年来，土壤科学的几个长期原则受到挑战，从免耕农业在提高土壤碳中的作用，到土壤如何分解 - 以及所产生的化合物的稳定性 - 对不同类型的土壤碳的表现如何。改善土壤健康的努力面临两个相互关联的问题：土壤健康意味着什么（土壤健康的哪个组成部分最重要）以及如何衡量它（哪些指标最合适和最有用）。科学家已经开发出几种普遍接受的土壤健康成分指标，包括有机和颗粒有机物的含量、水的渗透和持水能力、容重和团聚体稳定性、通气、生物活性、包括微生物和无脊椎动物的多样性和丰度，以及来自杂草、害虫和疾病的压力。然而，越来越多的关于个体土壤健康指标的共识尚未就最佳整体土壤健康指数达成一致。关于如何最好地测量土壤的生物学方面，生物特性是否对于达到目标至关重要，或者它们是否与其他土壤特性简单相关，以及哪些生物特性是最重要的，是微生物多样性、生物量（biomass）、荧光素二乙酸酯水解来测定的酶活性等等，还存在着争论。现有的测试测量某些指标，但它们不提供有关健康土壤的其他重要特征的信息，因此无法提供对土壤健康的完全理解。 随着土壤健康科学的发展，出现了新的测试方法，试图通过应用先进技术，包括土壤细菌和真菌成分的基因测序，更全面地测量土壤健康。然而，如何解释新测试的结果以及结果在改善土壤健康方面所支持的建议存在不确定性。已经提出的一些更全面的土壤健康指数也是昂贵的、耗时的、并且需要相当多的专业知识和设备。需要进一步研究以确定哪些土壤属性是土壤健康的最佳指标，以及农民可以收集的简单指标与更强大的指标相关联，而更可靠的指标需要能够使用实验室设备的科学家的帮助。 土壤健康研究所和美国能源部的ARPA-E最近都加紧努力开发更好的土壤健康测量方法并提供管理信息（见下页，译者注，参见附录3:一些倡议正在进行中）。 除了土壤的生物物理和化学方面的研究之外，越来越多的社会科学研究围绕着为什么土壤健康实践未被更广泛采用的行为和认知方面。例如，大自然保护协会目前正与康奈尔大学合作开展一个项目，调查为什么一些水果和蔬菜农民正在采用这些做法，目前对于不采用这些做法的农民，其障碍是什么？以及这些做法能带来哪些生态、经济和社会效益。此外，对土壤健康与人类健康之间的生物学联系的更多研究对社会将很有价值。 还需要对改善土壤健康实践在管理其他环境问题方面可以发挥的作用有更全面的科学理解。例如，虽然一些提高养分利用效率的策略在流域项目中显示出显著的效益，但仍难以预测通过这些变化可以实现多少环境改善。使量化土壤保持措施对土壤有机碳含量影响的努力进一步复杂化的事实是，土壤保持措施的许多做法直接带来积极但非特意的保护结果，以及土壤健康状况的改善，这使得要量化土壤保持措施对土壤有机碳含量影响变得更加复杂。例如，覆盖作物可以减少侵蚀并提高SOC，但减少侵蚀是SOC增加的平行效应，而不是预期的效果。需要进一步开展研究，以更好地了解不同农业制度和实践在实现环境目标方面的相互作用和累积效应。 建立土壤健康的动力 在全球范围内，对人口增长和饮食变化的预测意味着到2050年我们将需要增加70％的粮食，这将提高农业生产力。需要战略投资和广泛利益攸关方的承诺，以防止土壤进一步退化。 幸运的是，科学、技术、农业、社会、环境保护和公共政策方面的因素和发展前所未有地融合，促进了土壤健康的活动和兴趣。 联合国可持续发展目标和《巴黎气候变化协定》加强了对与环境问题有关的政策的关注，这促使许多政府和公司增加其环境和可持续性承诺。在科学和技术方面，美国农业部的NRCS在推动土壤健康方面起了带头作用，远在它被其他组织关注之前。 NRCS通过各种计划积极推动土壤健康，包括目前的活动“揭开土壤中的秘密”（见附文第11页，译者注参见附录Soil Health Farmer Profile土壤健康农民简介）。最近，美国农业部为2017财年拨款超过1590万美元，通过农业研究服务部扩大微生物组研究和人类微生物组研究的计算能力。国家卫生研究院正在探索土壤健康与人类健康之间的这种联系，研究人类微生物组计划的工作以及人体肠道微生物学与均衡土壤微生物学之间的生物学相似性。 此外，将拨款大约800万美元支持国家粮食和农业研究所对植物、牲畜、鱼类、土壤、空气和水等微生物组群落进行调查，因为它们影响着粮食生产系统【20】. 在美国的许多大学，包括爱荷华州立大学、明尼苏达大学、普渡大学和加州大学戴维斯分校，教师和学生正在通过土壤健康教育、土壤健康的基础和应用科学研究以及土壤健康能保护和其他环境保护目标做出贡献等方面来推进有关土壤健康的知识。许多中心或研究所建立了专注于土壤健康的不同方面及其与农业管理系统和实践、环境问题和社会需求的关系的中心或研究所，例如加州大学伯克利分校的食品研究所和爱荷华州的利奥波德可持续农业中心。 同样，包括植物遗传学和信息技术在内的其他领域的科学进步已经在农业中得到了广泛应用，包括改善土壤健康。例如，精确农业是一个动态领域，通过将数字技术（如传感器和设备硬件和软件）与扩展的设备网络（“物联网”）和“大数据”分析相结合，推动了这一领域的发展。支持土壤健康的精确农业工具包括土壤网格采样和营养物和化学品的精确应用，以及用于灌溉的传感器和控制。根据研究与市场部的报告，到2018年，全球用于精密农业的支出将达到每年近40亿美元，年增长超过13％【21】. 在供应方面，许多美国农民已经开始实施和试验土壤健康管理系统，包括免耕农业、保护性耕作、轮作、作物多样化、覆盖作物、控制车轮交通和精准农业。根据美国农业部2010-2011年农业资源管理调查，2010年美国中西部中心地区大约33％的农业经营使用免耕。同样的调查显示，超过45％的大豆种植面积采用免耕方式，在四种主要作物中比例最高。 2015年，保护技术信息中心（CTIC）的一项调查显示，2010年至2015年间，种植作物的平均面积虽然仍然很低，但几乎翻了三倍。此外,首次使用覆盖作物的农民人数正在增加。例如，俄亥俄州农民大卫·勃兰特（David Brandt）已经采用了这些系统，他们描述了更好的经济和保护结果（见附文，第9页，译者注，见附录材料1：土壤健康呼唤广泛的实践）。 根据皮尤研究中心（Pew Research）和尼尔森（Nielson）全球调查，在市场上，年轻一代，例如“Z世代”（20岁以下）和“千禧一代”（21-34岁）正在改变对食品的需求，他们偏爱可持续采购或有机食品的健康食品。这些偏好正在改变美国的食品生产，加工，营销和分销的格局，这影响了农民，食品零售商，连锁餐厅和在线食品销售商。随着食品公司响应市场对可持续来源或有机食品的需求，土壤健康越来越受到食品公司的关注。 政策压力也凸显了改善土壤健康的必要性。在美国，政府面临着与农业实践相关的日益严重的问题，特别是它们对水质的影响。例如，一家市政自来水公司起诉爱荷华州的三个县政府，要求收回与从饮用水中去除农业中使用的硝酸盐相关的费用【22】。土壤健康的改善将减轻许多这些挑战。 增加对土壤健康和可持续农业的资金突出了这一现实。除了国家微生物组织计划投入的数亿美元外，联邦政府还通过其他举措投资于土壤健康，例如拨款7200万美元用于美国农业部的10个气候智能构建基块农业，这是一套计划帮助农业社区成为应对气候变化的一部分。正如农业部长汤姆●维尔萨克（Tom Vilsack）在声明中所说，“美国农民，牧场主和林地所有者是保护美国农村自然资源和减少温室气体排放的全球领导者。2015年底，食品和农业研究基金会宣布投资2亿美元。为其目标地区的农业研究提供资金，其中之一是“改变土壤健康”。 对土壤健康的兴趣也产生了公共-私人伙伴关系,这种伙伴关系往往存在于需要科学、经济、环境和政治投入的政策领域。全国玉米种植者协会发起了土壤健康伙伴关系,以识别、测试和衡量'改善土壤健康和造福农民作业的管理做法'。对土壤健康伙伴关系的财政支助来自私营部门、联邦政府和一个慈善基金会,以及环境保护基金和自然保护协会的技术援助(见P13的侧栏，译者注：见附录资料3: 新的土壤健康测试)。 恢复土壤健康面临的挑战 为了在美国实现改善土壤健康管理实践的好处，需要解决一系列巨大的障碍。这些障碍通常围绕三个主题：缺乏科学共识，正如本文前面所讨论的那样;市场/经济挑战;和政策挑战。 对于农民来说，恢复土壤健康所需的管理实践变化会带来巨大的操作复杂性和短期成本，增加了他们本已复杂的工作的负担。例如，农民应该实施哪种土壤健康管理系统和实践，以实现预期的经济效益和任何积极的环境影响？获取和实施软件包的方便程度和成本如何？将土壤健康实践和技术整合到农场的运营需要多少时间和精力？是否有农民应该注意的短期或长期权衡取舍？目前，大多数农民没有看到投资土壤健康的近期回报。各种市场压力，如商品价格低，对农民通过土壤健康改善实现长期价值创造产生短期成本的意愿产生了不利影响。对采用土壤健康系统的驱动因素的研究表明，没有一刀切的解决办法，因为农民不是一个同质的群体，并不总是遵循经济模式进行决策。解决方案更复杂，必须针对特定的子群体进行定制【23】。 农业零售商可以在这里发挥作用，因为他们经常被农民视为值得信赖和可靠的顾问。目前，农业零售商的商业模式只与新产品和服务相关，这可以加速改善土壤健康实践，包括传感器、无人机、覆盖作物种子和精确农业软件等技术创新。为了改变做法，很明显，农业零售商需要参与围绕土壤健康的对话。 土地所有权结构也使土壤健康管理陷入困境。今天，许多农民租用他们种植的土地（如图3所示），这限制了他们采用养护管理系统【24】，这通常需要几年时间才能获得经济回报。农业土地的所有者对其财产的长期价值感兴趣，但到目前为止，改善土壤健康的努力主要集中在农民而不是土地所有者身上。土地所有者必须从事土壤健康工作，因为投资和整合土壤健康系统和实践可以提高土地的长期可持续性和价值。 Figure 3: Farmland Rented or Leased, by County 图3：按县分列的租赁或租赁农田。上图，2015年玉米，下图 ，2014年大豆（资料来源：美国农业部农业普查） 还必须解决其他障碍，以加速采用保护措施和土壤健康投资。农业生产的关键方面，例如支付经营费用的贷款、作物保险和种子和肥料购买合同，通常每年运作一次。这些服务的短期前景与为农民进行土壤健康的长期投资不相容。这里的变革必须来自银行家、保险公司、政府机构和农业零售商，以便贷款、保险和合同不会妨碍土壤健康活动或投资。 最后，关于农业的公共政策并未将政府提供的福利和服务与土壤健康目标和实践联系起来。与农业相关的大多数州和联邦政策都不包括支持或奖励农民或土地所有者在土壤健康投资方面的利益的条款。由于公共资源往往有限，政策制定者需要考虑支持土壤健康改善的政策，这些政策可以显著提高水质、生物多样性、减缓气候变化或其他结果。为生态系统服务（如清洁水或缓解气候变化）产生支付的政策应评估土壤健康实践的非农业效益。 附录：文中侧栏资料 1.土壤健康呼唤广泛的实践 改善美国的土壤健康状况将涉及一个充满活力、持续适应的过程和各种不同地区的实践，甚至一个地区内也因农场而异。 虽然本文后面的效益估计突出了三个更全面研究的土壤健康实践，农民和科学家正在使用和研究更广泛的土壤健康实践。这些包括： 覆盖作物 轮作 少耕或免耕系统 牲畜综合管理 土壤改良剂，包括生物炭 适应性营养、害虫和杂草管理 o可持续养分管理，养护养分管理，4RPlus【译者注，4R指正确的时间，正确的地点，正确的剂量和正确的施肥方法】，精准农业和精准养护 o综合虫害管理，生物虫害控制，避免土壤熏蒸和使用持久性农药 o杂草管理系统，包括行距，作物选择，滚筒压接机等的考虑。 资料来源：NRCS，CCSI，Rodale 2.土壤健康农民简介 大卫·勃兰特 在俄亥俄州1,100英亩 玉米，大豆，小麦 自1971年以来的免耕 覆盖作物：自1978年以来的所有混合物 Brandt的营养素购买量减少了80％。他逐渐从单一种类的覆盖作物转移到10种，首先使用单一物种，如固氮物种，以减少豆类覆盖物的投入成本。接下来，他种植了两种覆盖作物，以吸收可利用的磷和钾肥，然后扩大到其他覆盖作物种类。 产量：目前产量比全县平均产量高12％（玉米为180-200，而国家平均产量为140-160;豆类保持更健康，产量更好，黑麦覆盖率为70-80） 资料来源：NRCS网站 蒂姆·史密斯 爱荷华州农民，土壤健康伙伴关系 800英亩，玉米和大豆 史密斯开始使用黑麦作为300英亩的覆盖作物。他扩大到550英亩，并以不同的组合添加燕麦，多刺的紫云英和萝卜。他获得了全国玉米种植者协会的好管家奖。 好处：防止硝酸盐浸出和侵蚀;增强微生物;并且与他的实践相辅相成，例如条耕。 他承认存在学习曲线。由于不同的天气模式，需要几年时间才能获得清晰的结果。 资料来源：土壤健康合作网站 马克和道格·安森 Indiana / Illinois农民 安森兄弟在2010年开始使用覆盖作物。在干旱年份，他们花了三年的时间让其中一个兄弟成为“信徒”。 资料来源：纽约时报 3.新的土壤健康测试 由Rick Haney及其同事在德克萨斯州坦普尔,美国农业部农业研究服务实验室开发的Haney测试评估土壤食物网可用的“食物”量。 该测试旨在通过使用定制的土壤提取过程来复制田间条件，包括： H3A土壤萃取剂，通过使用活植物根产生的有机酸来模拟土壤溶液。 Solvita 1天CO2 Burst使用干燥和再润湿技术来模拟自然场事件，代表微生物活动的冲刷，导致养分循环。 该测试还测量水提取态的有机碳和氮以及有机磷磷，或土壤微生物容易获得的这些营养素的池。该测试确定土壤中已有的氮的量，这可能减少所需的商业氮的量。 资料来源：成功的农业（Successful Farming） 4.一些倡议正在进行中 美国农业部自然资源保护局（NRCS）发起了“揭开土壤中的秘密”意识觉醒和教育活动，通过在线视频，功能和其他材料帮助农民，牧场主和感兴趣的利益相关者改善土壤健康。 该运动突出了在该国不同地区成功实施土壤卫生系统的生产者。 2015年底，Samuel Roberts Noble基金会和农场基金会宣布成立土壤健康研究所，其使命旨在保护和提高土壤的活力和生产力。该研究所的早期重点是确定土壤健康的关键指标，并促进国家土壤健康评估，以建立美国土壤健康的基线测量。 成立于2014年。土壤健康伙伴关系一直积极开展研究工作,从经济角度量化改良农业做法的好处,向农民展示健康的土壤如何有利于他们的底线。2016年初,土壤健康伙伴关系将其工作范围扩大到8个中西部各州的65个农场试验点。 美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）最近为其根际观测优化陆地封存（ROOTS）计划提供了3000万美元资金，旨在开发新的以根为主的品种，经济地降低大气中的二氧化碳浓度而不降低农业产量。 ROOTS计划的目标是开发作物，使碳沉积深度和积累量增加50％，肥料N2O排放量减少50％，水生产率增加25％。 5.有机耕作 有机农业的核心是建设和保护土壤。美国农业部认证的有机农业所需的土壤健康实践（205.203b）包括： 轮作 覆盖作物 土壤肥力：使用覆盖物和粪肥来建立有机质 由于没有除草剂抗性作物的杂草控制的挑战，减少耕作在有机农业中不太常见。 虽然上述一些保护措施对于美国农业部有机农场是强制性的，但其他做法是可选的（例如，一些有机农场寻求改善生物多样性，但其他有机农场则是明确的自然栖息地）。与所有农业一样，目标之间的权衡往往是为了缓解当地的具体挑战。 有机农业中的害虫和杂草控制策略（包括杀虫剂和除草剂）差别很大，关于如何在促进保护结果的同时最好地减少损失存在争议。 虽然有机农业不能保证土壤健康或本文中提到的关键保护成果，但有机农业是土壤健康的重要途径之一，并明确将土壤健康作为主要的绩效指标。 资料来源：美国农业部有机实践情况说明书，Evanylo，McGuinn 2009，Lotter 2003。 |
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