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Advances in Understanding Soil Degradation 土壤退化知识的进展 目标和范围 Springer 系列“景观研究创新”展示了理解、监测和管理人类世景观的新方法和技术。其目的是以高生产力实现景观可持续性。这包括停止景观及其区域的退化、发展文化景观和保护半自然景观。清洁的水和空气、肥沃和健康的土壤以供食物和其他生态系统服务，以及绿色和生物多样性的环境是居住在其中的人类生存和福祉的景观属性。景观如何发挥作用？未来的风景如何？我们如何才能可持续地开发密集使用和压力大的景观？ 科学创新和决策工具是回答和解决这些具有挑战性的问题的关键。该系列将介绍景观研究中学科、跨学科和跨学科工作的先进方法和成果。它提供了一系列广泛的方法来测量、评估、预测、利用和控制景观及其隔间。这些包括现场和实验室测量方法、资源评估方法、功能制图和风险评估、景观监测的传感方法、数据分析和生态系统建模的先进方法、优化多功能景观使用的方法和技术，土壤和水的生物修复，以及景观规划的基础和程序。该系列提供了一个关于景观的新观点，重点关注科技创新、土壤和在逐步城市化的条件下优化农业景观的问题。人类世全球化世界中的景观研究基于收集大数据和场景建模。 国际长期实验和农业环境监测系统将为生态系统模型和决策支持系统提供数据。 本系列的编辑卷将重点讨论以下主题：景观研究的现状和趋势；了解关键景观过程；景观服务、功能和生物多样性；评估土壤资源和质量；水资源和质量监测；景观监测概念和研究；景观传感器和监测技术；景观建模和决策支持；农业土壤和植物管理；景观规划的基础知识和工具；水和湿地管理工具；森林管理和农林业；退化景观的恢复。 该系列的书籍是对景观科学和相关学科主题感兴趣的研究人员、教师、学生和利益相关者的信息来源。他们介绍了现状分析、有条理的章节和案例研究，展示了新决策工具和技术的实际相关性和可行性。因此，本系列的书籍将为从地方到国际决策机构的各级管理者和决策者提供特别有价值的信息基础。 可以通过联系出版商获得作者/编辑问卷、作者说明和图书提案表。 目录 1 了解土壤：它们的功能、用途和退化。 . . . . . . . . . . 2 物理土壤退化的类型及其预防和监测的意义。 . . . . . . 3 了解和监测化学和生物土壤退化。 . . . . . . . . . . . . . 4 俄罗斯草原农业景观灌溉导致土壤退化的分类和原因。 . . . . . 5 西西伯利亚荒漠化：时间尺度的识别、评估和驱动力。 . . . 6 俄罗斯平原不同地区土地退化的环境和经济评价。 . 7 西西伯利亚融雪侵蚀的测量和评估。 . . . . . . . . . . . 8 气候变化和土地利用对未来土壤侵蚀的潜在影响，以塞尔维亚东南部为例。 9 咸海盆地地面粉尘沉积监测。 . . . ... . . 10 耕作如何加速土壤生产和提高泥岩和页岩中的土壤有机碳储量露头地区？ . 11 克里米亚农业景观中土壤侵蚀的风险和允许速率。 . . . . . . . . 12 日本森林生态系统中的鹿浏览和砍伐树木对土壤侵蚀的影响。 . . . 13 农业田间交通导致的土壤压实：压实量化和绘图的当前知识和技术概述。 . 14 农业景观中田间交通强度和土壤压实风险的建模。 . 15 通过生物测定法对棕地土壤进行生态毒理学评估。 . . . . . . . . . . ... 16 重金属污染土壤多组分有证标准物质的制备和研究方法。 . . . . . . 17 生物强化和生物刺激：比较它们对石油污染土壤的生态毒性和生物活性的长期影响。 . . 18 西伯利亚铝冶炼厂附近的环境污染。 . . . . . . . . 19 冶金厂运营导致西伯利亚草原土壤中的技术性氟。 . . . . 20 石灰对农业生态系统的污染：概述和实验数据。 . . . 21 中塞尔维亚土壤中潜在有毒元素的浓度、背景值和限值。 . . 22 风化和植被对粉煤灰处置场土壤特征和污染物扩散控制的影响。 . . . 23 洪水灾害对波斯纳河汇合处农业用地和作物污染的影响。 . 24 伏尔加草原土壤中难溶性和移动性的重金属。 . . . . . . . 25 尾矿流出对前 Stolice 矿（塞尔维亚）周围土壤质量的影响。 . . . . . . . 26 粉煤灰的危害和可用性。 . . . . . . . . . . . . . . 27 土壤有机质下降对作物产量的限制：美国太平洋西北部的案例研究。 . . 28 灌溉农业 75 年和 35 年后，跨伏尔加干草原深色板栗土壤中土壤腐殖质的组成和动态以及物理性质的变化。. .. 29 伏尔加草原的可耕黑钙土和栗子土壤与它们的原始类似物相比，肥力下降。 . 30 不稳定土壤碳作为塞尔维亚伏伊伏丁那省土壤有机质质量的指标。 . . . 31 后火成森林生态系统关键土壤物理性质的变化：以俄罗斯亚寒带森林灾难性火灾为例。 .. 32 遥感传感器和荒漠化和土地退化制图的最新技术——回顾。 .. 33 绘制里海北部海岸土壤图：转化和退化。 . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 长期硫和氮沉积导致的土壤酸化模式以及它们如何影响塞尔维亚东部植被组成的变化。 . 35 圣彼得堡历史中心的城市土壤（俄罗斯）。 . . . . . . . . . . . . . . . . 36 圣彼得堡市的农业土壤：人为演化和现状。 . . . . . . . . . . . . ... . 1 了解土壤：它们的功能、用途和退化 摘要 土壤，地球的薄皮，一个生命体，是一切高度发达的生命的基础，几千年来保障了人类的生存和文化。它们的功能和生态系统服务对人类的生存至关重要。由于过度使用和管理不善而增加的土壤压力已经超出了它们的能力，这被认为是土壤退化。为了实现联合国可持续发展目标的使命，必须阻止和扭转土壤退化。我们回顾了土壤退化的框架条件、研究的科学概念及其实施的现状和趋势。必须在生态系统、土地和景观等不同类别和规模的背景下了解、监测、减轻和对抗土壤性能和退化过程。评估和监测土壤动态、退化和荒漠化的方法在多个层面显示出不一致和知识差距。土壤健康和土壤生态系统服务的概念应以基于实地和景观指标和测量的“硬数据”为后盾。调解利益相关者相互冲突的需求的参与性方法对于广泛了解土壤及其长期可持续利用至关重要。这需要一个先进的土壤性能现场诊断系统，该系统基于可靠的现场测量技术以及基于专家的知识和评估方法。加强田间土壤科学对于在减少和扭转土壤退化方面取得进展至关重要。 摘要 土壤，地球的薄皮，一个生命体，是一切高度发达的生命的基础，几千年来保障了人类的生存和文化。它们的功能和生态系统服务对人类的生存至关重要。由于过度使用和管理不善而增加的土壤压力已经超出了它们的能力，这被认为是土壤退化。为了实现联合国可持续发展目标的使命，必须阻止和扭转土壤退化。我们回顾了土壤退化的框架条件、研究的科学概念及其实施的现状和趋势。必须在生态系统、土地和景观等不同类别和规模的背景下了解、监测、减轻和对抗土壤性能和退化过程。评估和监测土壤动态、退化和荒漠化的方法在多个层面显示出不一致和知识差距。土壤健康和土壤生态系统服务的概念应以基于实地和景观指标和测量的“硬数据”为后盾。调解利益相关者相互冲突的需求的参与性方法对于广泛了解土壤及其长期可持续利用至关重要。这需要一个先进的土壤性能现场诊断系统，该系统基于可靠的现场测量技术以及基于专家的知识和评估方法。加强田间土壤科学对于在减少和扭转土壤退化方面取得进展至关重要。 1.1 简介 世界人口以爆炸性的速度增长。食品、纤维和其他商品的生产必须跟上这种增长，以防止人类倒退和世界人口福祉水平的下降（Foley 等人，2011年）。为了在未来简单地养活额外的数十亿人，需要通过农业进一步前所未有地增加粮食产量。 生产性土壤是农业的基础。全新世晚期和人类世的农业需要在广泛使用机械、化肥和农药、最新的灌溉方法等基础上引入现代农业技术。此外，快速的全球化和城市化，许多大城市的出现极大地提高了对基本住房质量的要求，最低限度是家庭和卫生舒适度和交通。到处都需要大规模的建设活动，例如城市发展、交通和交通设施或创造可靠的水源和能源。所有这些，以及气候变化等其他因素，都对包括农业用地在内的所有全球资源造成压力。 土壤是全球土地资源中最重要的组成部分。土壤是地球的上层，是它们的皮肤，是一个生命体。它们是母岩、气候、植被、生物活动和随着时间的推移以及人类活动的结果。与其他自然系统一样，土壤是发育、老化和干扰过程的基础。 土壤具有为人类提供食物、饲料和其他生态系统服务的生物质以及回收废物的能力和弹性。如果土壤的状态不可逆转地超出这些容量和弹性的限制，则它被认为是退化的。 了解土壤的功能和开发用于做出明智的土壤管理决策的工具对于实现联合国的可持续发展目标 (SDG)（UN 2015）至关重要。 《世界土壤宪章》（FAO 2015）通过理解和可持续利用土壤的原则支持实现可持续发展目标。 《世界土壤宪章》的原则 10 解决了尽量减少或消除土壤退化的需要。 本章回顾了土壤退化的主要方面、其原因、触发因素、后果和监测问题。土地利用变化和农业管理实践引起的人为影响引起的退化受到关注。本章还讨论了在生态系统功能背景下评估土壤质量和健康变化的退化程度和形式、指标和属性的不同方法。 土壤退化过程需要更好的理解。将确定在可靠评估土壤退化和荒漠化方面的知识差距。 1.2.1土壤圈和人类圈 要了解土壤退化的机制，需要有关土壤的信息。土壤是土壤圈的基石组成部分，是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的交汇点。只有在土壤圈中，矿物质、有机物、空气和水才会发生动态的复杂相互作用，从而奇妙地提供和维持地球上的生命。 整个文明的兴衰取决于土壤供应食物的能力。在过去的几千年里，不同地区积累了关于土壤及其肥力的知识。在埃及（第一次灌溉种植）、美索不达米亚、印度和中国的古代河流文明中，这种知识水平特别高。农民积累了关于土壤及其处理方法的更广泛知识，并由可能被称为罗马帝国第一批土壤科学家的人汇编。在那个时代，土壤肥力被视为大地的神力，在无数的传说和神话中被崇拜。传统上，土壤被认为是陆生植物生长的自然环境，无论其物理结构如何（例如，是否具有可识别的视野）。 然而，即使在最早的农业社会中，人们也知道需要为土壤提供堆肥等“食物”，以保持土壤肥沃。人们也认识到土壤不仅作为食物、纤维、药物和其他必要原材料的来源，而且作为过滤水和回收废物的介质的重要性。 1877 年至 1880 年间，土壤研究的先驱Dokuchaev 引入了土壤的新概念。它被定义为一个独立的自然体，由数量众多但数量有限的类型组成，每种类型都有独特的形态和特性，受气候、生物、地质、地形和年龄的特定地点综合影响的影响。这是一个革命性的概念，它允许将所有土壤特征一起考虑，作为一个完整的、整合的自然体，其中一个属性的效果取决于其他属性在空间和时间上的组合相互作用。俄罗斯将土壤视为具有遗传视野的独立自然体的观点导致了这样一种概念，即土壤是地壳的一部分，其特性反映了当地或区域土壤形成剂的影响。在 19 世纪进行了长时间的土壤考察后，Dokuchaev的研究小组得出结论，土壤肥力下降（即失去有利的土壤特性）是由人类造成的，即不适当的土地利用，例如土壤层的破坏以及土壤的恶化。它的水情。 土壤作为化学和生物地球化学流入和流出整个地球系统的媒介，由气体、矿物、液体和生物成分组成。土壤是能量流经链条的启动器和发生器：土壤、植物和有机体（微生物和动物）。食物链是生命的通道，通过死亡和腐烂，这种能量会返回土壤，可供另一个循环使用。 随着工业发展的加速，这种相互作用又增加了一种新的人为影响。鉴于土壤是食物、能源和水相互作用网络的一个组成部分，它是环境可持续性的一个功能组成部分，与气候变化、生物多样性下降、水、能源和粮食安全有关。 土壤被认为是不可再生资源，因为岩石需要数千年才能风化成土壤，而丰富的有机质层需要数百年才能形成。我们的福利在很大程度上取决于我们的土壤，因为随着时间的推移，土壤是气候、地形、生物（植物、动物和人类）对母材（原始岩石和矿物）共同影响的最终产物。 由于世界上 99%以上的食物是通过土壤生产的，因此土壤在食物、能源和水的关系中的重要性至关重要。在新技术的帮助下通过提高土壤生产力来增加粮食、纤维和生物能源的产量，可能会导致土壤退化速度加快，直至技术进步无法克服退化和枯竭土壤的极限。 1.2.2土壤功能 土壤对环境的重要性不仅限于粮食生产，因为土壤是一个多功能系统。土壤功能分为两个主要领域：生态功能（生物质生产、保护人类和环境以及基因库）和非生态功能（人类活动的物理基础、原材料来源以及地质和文化遗产） . 独立地，生态学家开发了生态系统服务概念 (ESS)，它迅速成为环境政策的主要理论方法，但至少在开始时忽视了土壤。土壤环境功能包括地球生命支持的方方面面，如初级生产、可再生能源和原材料以及水和养分的运输和循环利用。事实上，地下水的去污和食物链的维护是最重要的土壤环境功能之一，这些功能受土壤（1）过滤固体和液体化合物的能力控制，（ 2）通过吸附和沉淀的复合缓冲和（3）通过土壤生物群的改变和分解的复合转化。 总而言之，土壤功能可分为以下几个领域，图 1.1： – 生物质生产：植物/作物生长培养基（食品、饲料和可再生能源）。 – 过滤和缓冲有机和无机成分：确保健康的食物、饲料、水和纤维。 – 生物多样性生长和发展的基因储备和环境：植物、动物和微生物有助于维持和改善土壤质量。 – 技术、住宅和工业结构及基础设施的基础：不断增长的人口和城市化不可避免地对土壤质量和可达性造成越来越大的压力。 – 矿物、材料和化石燃料的来源：集约化采矿对气候变化和景观特性产生负面影响。 – 自然和文化遗产：为生命和环境演变的历史做出贡献。 – 生化过程调节：通过参与地球上的两个基石生化过程：光合作用和分解，使碳和养分、水和能量通过土壤圈、生物圈、大气和水圈循环。 –地球化学过程的调节：土壤圈和大气之间的气体交换 地球化学径流进入海洋。 对于欧盟国家所覆盖的区域，确定了易受土壤威胁的七种土壤功能（FAO 和ITPS 2015）： 1. 生物质生产，包括农业和林业， 2. 储存、过滤和转化营养物质、物质和水， 3. 生物多样性库，例如栖息地、物种和基因， 4.人类和人类活动的物质和文化环境， 5.原料来源， 6. 作为碳库， 7. 地质和考古遗产档案。 土壤使陆地生态系统发挥作用。土壤的每一项环境功能都与食物、能源和水的关系直接或间接相关，并与土壤-水-植物-有机体系统中发生的物理、化学和生物过程有关。在土壤生态系统中，微生物和动物的生物多样性在很大程度上是未开发的。这需要基础研究以提高对一般土壤功能的理解，因为它会显着影响所有其他土壤功能。 1.2.3 人类世人类可持续发展的土壤 对人类需求与有限全球资源之间日益增加的冲突的认识激发了关于如何确保生计处于更好的可持续性水平的想法。千年生态系统评估（MEA 2005）提供了基于生态系统服务概念的全球生态系统现状分析。这一概念引发了对土壤在全球生态系统中作用的更广泛认识。政府间土壤技术小组通过将最重要的生态系统服务 (ES) 与土壤功能联系起来证明了这一点（表 1.1）。 表 1.1应被视为第一步，并作为在不同层次上进行更具体定义和量化的灵感。此处尚未提及许多特定的土壤功能和生态系统服务（ES）。这在后来的许多研究中都完成了。欧盟 (EU) 和其他地方的土壤政策基于这些概念评估土壤多功能性。 新兴的生态系统服务概念基于将土壤视为自然资本和公共产品的理论。另一方面，全球土地集中在少数人手中、土地掠夺、公共土地私有化以及农业和土壤科学公共研究私有化的趋势正在上升（Mueller 等人，2020年）。这导致了科学界的冲突和有争议的辩论，这对如何测量和控制土壤质量/健康和退化的研究产生了影响（Wander等人，2019年）。 麦克布拉特尼等人。(2014) 介绍了土壤安全的总体概念。这一概念以与粮食安全或水安全相同的方式解决了基于土壤性能的现有全球环境挑战，包括个人或社区充分获取这些资源的想法。他们提出了土壤安全的五个维度： · 与保持土壤在景观中的位置相关的能力。 · 与土壤状态相关的条件，例如土壤状况。无污染。 · 包含明确经济价值的资本，特别是作为生态系统服务的一部分。 · 带来管理、管理和任期等社会方面的连通性。 · 编纂与保护和改善土壤的政策和立法相一致。 这个概念需要评估框架、参数化以及与其他概念（如 ES 概念）的相互联系，但它有可能帮助实现联合国的可持续发展目标。联合国的可持续发展目标 15（2015年）：“陆地上的生命”，明确指出“可持续管理森林、防治荒漠化、制止和扭转土地退化、制止生物多样性丧失”，这是一项行动任务。
图 1.1 商品和服务由土地和土壤提供。 表 1.1 土壤提供的生态系统服务和支持这些服务的土壤功能
Source FAO and ITPS (2015) 1.2.4土壤作为土地和景观的组分 地理学、景观生态学和农业等土壤科学的相邻学科分别将土壤视为其中心研究课题的重要组成部分，例如地质系统、景观和土地。 “土地”和“景观”的范畴比“土壤”更广泛。根据联合国粮食及农业组织 (FAO) 的理解，“土壤”是“土地”和“生态系统”的重要组成部分，两者都是更广泛的概念，包括土地的植被、水和气候，以及除了这三个方面，还包括生态系统方面的社会和经济考虑。根据欧洲环境署 (EEA) 的定义，“陆地”通常是指未被海洋、湖泊或河流覆盖的地球表面。它包括包括大陆和岛屿在内的总陆地面积。在更多的日常使用和法律文本中，“土地”通常是指一块指定的土地。 “它由岩石、石头、土壤、植被、动物、池塘、建筑物等组成。”根据对《联合国防治荒漠化公约》（UNCCD）的理解，土地是“包括土壤、植被、其他生物群以及在该系统内运行的生态和水文过程的陆地生物生产系统”（UNCCD 1994）。这与土壤科学的操作领域非常相似。 “景观”是一个更广泛的概念，侧重于区域和地方层面的自然与人类之间的相互作用。 Antrop 和 van Eetvelde (2019) 将“景观”描述为一个整体概念。 “作为一个空间单位，它表征了社区土地的身份，并定义了适用习惯权利的领土。领土和风景都是社区与其使用环境的方式之间的地方、区域或国家关系的表现”。 景观方法有望用于理解、监测和解决自然资源的可持续利用、土壤的利用、退化和保护等问题。 将土壤视为景观的一部分对土壤保护和恢复战略具有重要意义。景观保护措施基于 ES 概念，并将土壤、土地和景观视为自然资本。 Lilburne 等人开发的土地资源圈 (LRC) 概念(2020)（图 1.2）是一个框架，将土壤功能与土地和景观功能联系起来，以告知用户当地地块的适宜性和价值。 土壤侵蚀是与景观相关的复杂过程的典型例子。侵蚀主要通过风和水移动土壤（图 1.3、1.4、1.5、1.6）。然而，过程不仅仅是土壤过程。它们依赖于景观属性，在地质时期塑造了景观，并影响了数千年来人类和文明的生存。农业用地土壤的人为侵蚀速度比自然过程高约 10-40 倍，必须将其视为土壤退化过程。对抗导致有害异地影响的加速土壤侵蚀过程，例如旱地退化和特别是水污染，需要景观尺度的方法。 一个国家或地区整体经济和社会经济制度的变化导致耕地面积的扩大或缩小，是土壤退化时空变化的主要因素。一个典型的例子是亚洲俄罗斯，与 1960 年至1990 年的集约种植时期相比，在过去几十年中，该地区一些地区的土壤侵蚀减少了约 70% 至 90%。另一方面，这些过程通常与农村地区的衰退、环境问题和土壤退化向工业和城市中心的转移有关。废弃土地可以被视为尚未开发的农业潜力，必须将其土壤新一轮退化的风险降到最低。 1.2.5土地利用和土壤压力 土地和土壤的多功能利用。自新石器时代革命以来，人类开始定居，在以前的草原和森林上发展农业，挖掘矿产和其他自然资源以生产工具和武器，发展文明和文化景观，土壤经历了变化、压力和干扰。这些过程随着人口规模的增加、分工和创新的不断增加而加速。图 1.7 显示了人类活动对土壤的退化影响。
图 1.2 描述地块关键土壤、土地和生态系统功能的土地资源圈 (LRC) 框架。
图 1.3 水蚀作为景观形成过程。哈萨克斯坦恰伦河支流峡谷（左）。地带性土壤是棕色沙漠土壤。俄罗斯库尔斯克附近的干谷（ovrag）（右）。该地区的地带性土壤是黄土母质上的黑钙土。历史侵蚀将黄土移至第三纪。照片 L.穆勒
图 1.4 坡耕地水加速土壤侵蚀，被认为是土壤退化过程。德国的油菜田。剥蚀场部分（左）和积累场部分（右）。该地区的地带性土壤是晚更新世母质上的 Luvisols 和 Retisols (Albeluvisols)。新的土壤类型正在被侵蚀的田地部分发展。照片 L.穆勒
图 1.5 作为景观形成过程的风蚀。照片显示了哈萨克斯坦沙漠和半沙漠中的土壤剖面。具有表层砾石滞后的棕色沙漠土壤（左）。地表砾石堆积是较细土壤颗粒长期吹散的结果。它在很大程度上减少了进一步的侵蚀，保持了重新植被的潜力。浅栗色土壤发育在细沙风成沉积物上。阿拉木图附近的独联体阿拉套地区（右）。植被是退化的草地/牧场，因此容易受到当前加速侵蚀，使土壤和土地退化。照片 L.穆勒
图 1.6 美国西北部哥伦比亚高原农田（位于俄勒冈州彭德尔顿附近）由黄土上的土壤耕作引起的风蚀作为土壤退化过程。气候半干旱。土壤是Kastanozem。耕作苗床准备。随着精细物质和有机物首先被吹走，剩余的表土变得更粗糙，腐殖质被耗尽。照片 L.穆勒
图 1.7 人类活动对土壤的影响（来源 Blum 2008） 目前，在人类世，由人类、土壤、土地、景观和地球所有领域塑造的时代都面临着巨大的压力。除了农业，土壤功能或破坏的焦点越来越多地由与局部极端人口过剩相关的问题引发，例如城市化改造的土地和基础设施建设、废物处理、空气污染等。同时，全球所有土壤和景观都带有人类活动的迹象，包括“外来”物质（塑料颗粒、人造、放射性和化学物质、氮和磷负荷等），以复杂的方式影响生态系统 .对农业土壤的压力。由于人类开始农业是为了满足他们对食物和纤维的基本需求并改善他们的生计，他们试图通过强化管理来实现土壤的高产。粮食生产土壤性能不足的问题可以追溯到古代。农业导致的高自然土壤肥力下降以及由此导致的作物产量下降一直是历史上的重大问题。土壤和土地退化、侵蚀，特别是在北非，罗马的“粮仓”促成了罗马帝国的崩溃。 在万年的耕地中，农业在起伏、发现和发明中逐渐发展。由于对粮食的需求增加，土地利用强度增加，而这只能通过科技创新来满足。在过去的 200 年里，农业科学和土壤科学已经发展成为公认的科学学科。自工业时代以来，土壤科学和植物营养方面的知识增长速度加快。基于技术进步和复杂农业试验的创新改进了肥料生产和机械，同时，农业决策支持和调度系统优化了植物和土壤资源，从而实现了农业生产的快速增长。不幸的是，对生态问题的理解滞后于科学技术的发展。尽管在了解土地利用对土壤的影响方面取得了很大进展，但随着土壤性能下降的实际问题有所增加。许多科学家和越来越多的知情公民认识到土壤作为人类生命基础的至关重要性。然而，决策者和资源匮乏的农民由于缺乏认识和/或缺乏可获取的信息或工具和资源，常常忽视土壤资源的重要性。 土壤过度开发的负面影响。在追求提高土地生产力的过程中，土壤的潜力被永久过度开发（图 1.7）。这导致了广泛的后果，例如因森林砍伐和过度放牧、灌溉和耕作不当导致的土壤侵蚀过程加速；通货紧缩导致表土层流失；由于细沟侵蚀和沟壑形成而导致的地形解剖；由于养分开采和浸出造成的肥力损失;过度使用杀虫剂、改良剂、空气传播的有毒元素、工业和城市垃圾填埋场造成的污染；由于使用农用化学品、过度耕作导致生物多样性丧失；由于灌溉不当导致盐碱化、缺乏排水系统、重机械负荷导致的过度压实和酸化由于滥用肥料和空气中的酸性沉积物。此外，这些影响可能会导致场外影响，例如水体的沉积、淤积和富营养化，或洪水加剧、流域功能降低、自然栖息地变化导致遗传资源和生物多样性丧失。 上述影响的另一个间接影响是由于土壤有机质 (SOM) 加速矿化和一氧化二氮导致二氧化碳 (CO2 ) 排放增加，从而对气候产生不利影响(N 2 O) 作为土地转换的结果。总体而言，全球用于农业的土地中约有一半处于中度或严重退化状态。 土壤治理和土壤科学面临的挑战。在 11 年期间（从2001 年到2012 年），由于土地管理的先进技术（Foley等人，2011年）和化肥使用量的增加，大多数常见作物的产量增加了 13%。充足的粮食生产需要足够的耕地和牧区农业用地，而生产安全和有营养的食物则需要健康、肥沃和生物成因的土壤。 随着世界人口的增长，肥沃土壤的面积一直在减少，而退化土壤的面积一直在增加，预计到 2050 年将达到 90 亿。作为城市和其他基础设施扩张的一部分，由于封闭，肥沃的土壤已经不可逆转地丧失. 一般来说，较高的人口密度与高度退化的土壤面积增加有关。这很可能会引发社会问题，例如从受影响最严重的地区向人口密度低的地区“生态”迁移。所有这些趋势都对减少人类对土壤的影响和启动可持续土地管理的农业政策提出了严峻挑战和重大责任。需要科学技术创新和决策工具来支持这一过程。 1.3 土壤性能评估 1.3.1土壤肥力、土壤质量和土壤健康的概念 哪些土壤状态被认为是正常且表现良好的，哪些状态需要被认为是退化的，哪些过程会导致退化？回答这些问题需要评估土壤性能的概念，包括合适的指标、测量方法和数据、数据评估尺度和阈值以及土壤管理的可持续技术。 土壤肥力、质量和健康是描述土壤性能以满足人类功能的概念。这些概念在不同的时代、不同的地区发展和流行，在目标和内容上都有不同的侧重点，有一些重叠，但仍然并存。 土壤肥力(SF)。土壤肥力是一个传统概念，指的是土壤在农业中维持植物生长的能力。它一直是农业植物营养和土壤科学的领域，已经流行了大约 100 年，尤其是在 20 世纪下半叶。二十世纪的德国文献（术语：Bodenfruchtbarkeit）中存在大约 40 多种不同的定义，其中人类对土壤和作物产量的影响程度是影响最大的因素。随着收获的作物从土壤中吸收养分，通过施肥进行特定地点的替代是维持 SF 的关键主题。土壤肥力也可以通过复杂的施肥、机械化、土壤水分管理和最佳种植实践来提高，不仅可以提高作物产量，还可以导致土壤退化（例如与退化相反）。 土壤质量（SQ）。这个概念已经在美国发展起来，并在 1990 年代变得非常流行。作为扩展的科学辩论的结果，它考虑的土壤功能比农业生产的粮食和纤维更多。土壤质量是“一种特定类型的土壤在自然或受管理的生态系统边界内维持植物和动物生产力、维持或提高水和空气质量以及支持人类健康和居住的能力”（Karlen et al. 1997） .土壤质量的广义定义包括一系列可能广泛的土壤功能服务，例如环境、经济、社会、物理、生物和化学。然而，在实践中，评估与这些功能相关的所有土壤参数仍然是不可能的。此外，没有土壤能够成功地执行所有这些功能。 Bünemann 等人从土壤质量是环境质量支柱的合理假设出发，承诺通过指定有针对性的土壤威胁、功能和生态系统服务、开发与目标用户的互动评估工具以及考虑生物/生化指标来更好地实施这一概念。可持续农业土壤利用也是量化 SQ 的实用方法的主要目标。土壤质量和作物产量潜力取决于土壤固有特性，这些特性随时间变化非常缓慢，如土壤质地和矿物质成分，以及动态特性，如土壤结构，在短期内会受到管理的影响。 土壤健康（SH）。这个概念在 1990 年代后期在美国讨论土壤质量之后变得流行起来，并且仍然主导着当前的科学辩论。土壤被视为一个必须维持或恢复其健康状况的生物系统。它也被认为是扭转现有土壤退化并满足可持续发展目标（UN 2015）的一条有希望的途径，只要更好地了解土壤生物过程。 术语 SQ 和 SH 经常互换使用。然而，SH 更强调土壤生物和生化过程和方法。 Doran 和Zeiss (2000) 将土壤健康定义为“一种特定类型的土壤在自然或受管理的生态系统边界内维持植物和动物生产力、维持或提高水和空气质量以及支持人类健康和居住的能力。Rinot 等人(2019)提出通过将 SH 与生态系统服务 (ES) 概念相结合来改进 SH 方法。与此同时，欧盟委员会采用了土壤健康术语，并将用它来实现雄心勃勃的目标，到 2030 年改善土壤的性能（使命委员会2020）。主要目标是在每个欧盟成员国确保>75% 的健康土壤，即能够提供基本生态系统服务的土壤。他们的首要目标是减少土地退化并恢复 50% 的退化土地（使命委员会2020）。 1.3.2土壤性能的方法和指标 指标的特点。指标是与评估对象的质量或状况变化相关的统计数据或单位。它们提供简化的信息，描述特定现象的状态，有助于监测变化，提供比较一段时间内的趋势和进展的机会。选择指标的主要问题是必须选择适合特定条件且具有代表性的指标，但同时又易于理解且易于定期测量。土壤质量指标以土壤参数和指标为基础并衍生自土壤参数和指标。土壤参数是直接定量测量的原始信息单位（即维度），而土壤指数是通过经验模型或数学计算（平均值、比率等）获得的衍生信息单位，它是无量纲的。指标可以是一个参数或指数，它提供关于根据特定目标评估、测量和控制的条件或过程的简要而清晰的信息。指标应包含有关过程如何随时间演变和空间变化的定量信息，而最佳指标集的选择应可靠、与环境和社会相关、敏感且具有成本效益。指标还应该能够转化土壤的现状以及预测土壤流失或变化的趋势。最重要的土壤参数/指标通常是景观指标调色板的一个子集。 土壤状况评估。状态指标描述了物理、化学和生物现象的数量和质量。 ISO TC 190“土壤质量”和CEN/TC 444“固体基质环境表征的测试方法”（CEN 2020）在许多标准中对它们的测量进行了标准化。使用这些标准对于比较土壤数据至关重要。土壤状态评估由基于恒定协议的不同时间步长的土壤清单组成，在基于科学的土壤性能监测中很常见。土壤性能可以通过比较当前土壤条件与既定控制点或基线值的指标来评估。许多国家的土壤监测系统都基于此类状态评估系统（。在地方层面，土地所有者、管理者和其他利益相关者参与开发土壤质量监测系统（包括退化方面）在过去几年已成为一种道德标准，对于在保持土壤健康。指标和评估方案必须在现场范围内易于理解。 在国家范围内，许多国家的土壤监测系统由不同的能力中心、机构和当局实施，并遵循不同的概念和方法。雅科夫列夫（2013 年）制定了土壤生态调节原则，其中包括以俄罗斯为例，证实允许的土壤生态状态（质量）的标准和水平以及对它们的人为影响。在这些标准和环境生态状况和对环境影响的五级评定量表的基础上，他开发了一套土壤综合指标“状态-影响”，以统一的相对数值表示。 尽管这些数据可能是免费提供的，但它们用于科学评估和建议的实际可用性受到严重限制。数据收集、分析、存储、管理和评估通常以纪律方式分开。例如，在德国，存在广泛的监测，包括对农田、草地、森林的约 800 个土壤长期监测地块、长期田间试验以及生态系统监测科学研究，侵蚀监测、土壤碳和泥炭监测等课题。有一个关于土壤生物多样性的德国数据库 (Edaphobase)，正在准备一个扩展的欧洲版本，称为 EUdaphobase。现代数据存储库正在建设中。国际土壤健康数据库（SoilHealthDB）提供有关全球种植区 42 种土壤健康指标和 46 种背景指标的量级和分布的信息，从而能够定义阈值和基线。 Herrick 等人（2019）制定了草地和牧场的健康和退化评估规则。在过去的几年里，欧盟内部（至少）有两种类型的活动可见。 – 实施欧盟范围内的测量计划，以收集有关欧洲土壤特性的数据（另见 CEN/TC 444），部分通过资助各个项目，部分通过在国家数据库中收集数据并在 JRC 数据库中提供。然后这些数据用于描述最先进的技术或预测进一步的发展（例如，包括发布这些活动以证明现实世界中存在需求）。 – 到目前为止，促进土壤问题一直被忽视，不仅在欧洲，而且实际上在全球范围内。此类活动的一个例子是报告的出版，甚至以地图集的形式更具吸引力和非常成功，例如欧洲。 美国土壤质量和土壤健康评估系统。 Doran 和Parkin (1994, 1996) 开发了用于测量和评估土壤功能的土壤质量/健康评估的土壤状态指标。这些指标需要满足反映生态系统过程的标准，包括土壤物理、化学和生物特性，并对管理和气候因素敏感。在此基础上，美国农业部自然资源保护局开发、采用并推荐了适用于科学和实践的土壤健康和质量评估工具和程序（USDA/NRCS 2020）。 土壤质量指标用于表征支持潜在不同功能的物理、化学和生物土壤特性（表 1.2）。实际上，生产力函数是应用的焦点和最常见的原因。 土壤管理评估框架(SMAF) 支持选择相关的土壤功能和场地特定指标，以及基于土壤物理、化学数据的无量纲评分函数计算整体土壤质量 (SQ) 指数和生物指标集。近年来，SMAF进行了更新，包括了更多的化学和生物参数，并被应用于巴西南部或南非等其他地区。康奈尔大学（美国纽约）农业与生命科学学院制定了土壤健康综合评估 (CASH) 协议，并为农民和其他客户提供CASH 指标分析和土壤健康评估科学建议。已经开发了一个土壤健康数据库，用于对与农田保护管理相关的土壤健康变化进行荟萃分析（Jian 等人，2020年）。 威廉姆斯等人(2020) 将CASH 方法应用于瑞典南部的 20 个农场，发现与未管理的土壤相比，农田的 SH 指数较低。通过更高的作物多样性、更少的机械土壤扰动和更高的有机质投入来改善土壤管理，从而改善土壤健康（Williams 等人，2020年）。本研究证实了上述 SH 状态指标方法对科学研究的适用性。 如表 1.2所示的土壤状态指标系统，作为SMAF 和CASH 方法的一部分，在认识土壤性能和缺陷方面向前迈进了一步。 指示土壤是否退化的评估尺度和阈值可用于一些指标，例如，pH 和 EC 分别指示酸化和碱化和盐化。需要做更多的工作来为这里推荐的大多数其他方法开发量表。只是生物学特性和方法在一定程度上是非常具体的，并且在空间和时间上仍然具有未知的可变性，需要进一步研究。此外，需要指出的是，目前开发的方法是针对特定国家的，很少有可比性。加强国际研究以制定转换规则和算法以及国际标准将是有用的。 . 总体而言，审查表明，使用 USDA/NRCS 推荐的方法对土壤性能进行全面评估是专家的领域。由于某些分析非常耗时，因此需要特殊的实验室分析或在现场持续几个小时（例如，稳态现场渗透）到几周（例如，有机物质和碳组分分析），然后才能获得可靠的结果代表观察点将提供给客户。此外，现场检查和抽样通常与数据的分析和评估脱钩。 评估土壤性能的现场方法。一些科学家认为，一次实地检查应该可以很好地估计土壤质量/土壤健康。这种观点与人类保健中经过验证的家庭医生原则有关。 “土壤医生”必须具有良好和全面的教育、技能和经验，一些现代快速操作的诊断设备，并与公认的专家和实验室有良好的联系。 这些现场表达方法的示例是 SOILpak 方法、视觉土壤评估方法和Muencheberg 土壤质量评级。如图 1.8所示，视觉可识别的土壤结构指标是这些方法的重点。开发了进一步的土壤结构评估方法并在当地进行了调整。这些方法的开发受到 Ball 等人(2007, 2017)开发的土壤结构视觉检查(VESS) 的启发及其先前的方法。方法与土壤的生产力功能相关，并基于现场手册和简单的现场测量和评估现场程序方面的专家知识。现有的土壤常规和专题地图和数据（养分状况、污染物、作物产量、智能农业地图、气候、地籍数据等）应用作基础和支持信息。这很重要，因为温度、降水和蒸散方面的气候因素决定了土壤的温度和水分状况，从而决定了全球植物生长和腐烂的最重要的生物物理过程。 SOILpak 和 VSA 在土壤结构参数方面关注土壤质量的动态方面，而 M-SQR 包括反映动态、土壤固有和气候参数的指标，从而实现了土壤耕作和放牧性能的功能指纹。 M-SQR 危害指标的等级表提供了关于被认为是退化的土壤状态的信息。 M-SQR 还提供整体土壤质量的评分分数，这些评分与区域和全球范围内的作物产量相关。 表 1.2 美国农业部推荐的土壤质量/健康状态指标（USDA/NRCS 2020）
粮农组织的土壤测试方法手册（FAO 2020b）也为向农民提供建议和教育的田间方法提供了指导。除了视觉触觉方法外，植被分析、简单的土壤调查设备和现场测量工具包（表 1.2）可作为土壤质量/健康的指标。已经开发和测试了与 USDA/NRCS（美国农业部/自然资源保护局）的 SH 评估系统兼容的土壤健康评估的进一步现场程序。土壤结构和/或整体土壤质量的那些现场方法也是专家的领域。但是，它们可以准实时地在某些采样点上对 SQ/SH 进行参与式评估，并为所有参与的利益相关者提供临时结果。 SQ/SH 评估比土壤生产力更多的功能。在复杂的层面上评估土壤的变化，例如作为决策和考虑社会变化原因和后果的工具，需要更全面的方法来评估土壤的多功能性能。 DPSIR 方法是一种经过验证且流行的指标模型，用于在复杂层面监测欧洲的环境过程，例如泛欧评估和土壤侵蚀监测。 DPSIR 是驱动力、压力、状态、影响和响应的缩写。 土壤功能指标是生命周期分析(LCA) 模型的重要元素。已经开发了用于灵活映射有针对性的土壤指标的土壤数据库和算法。 舒尔特等人(2014)制定了一个管理基于土壤的 ES 以实现农业可持续集约化的框架，该框架除了生产力功能外，还考虑了水净化、碳封存、生物多样性栖息地和循环外部投入的功能。 Gardi 等人已经提出了类似的想法。 （2009 年）并随后在欧盟项目 EcoFINDERS 中进行了检查，重点关注个体生物群体的多样性以及特定的生态系统功能。 Schwilch 等人（2018 年）的综合方法包括从以土壤威胁为特征的众多地区的自然资本中定义和量化几种供应、调节和文化 ES。 ES 被用作状态评估的指标和田间地块级别的 10 年情景。 德罗布尼克等人(2018) 将土壤功能与生态系统服务相结合，制定了专项规划的整体土壤质量指数。范列文等人。 2019年创建了决策专家模型（DEX模型）来量化土壤提供土壤生物多样性和栖息地功能（SB功能）的能力。他们定义了土壤的生物多样性功能和基于土壤养分状况、生物状况、结构和水文状况的指标体系。为社会开发决策工具，SQ评估的方法和方法不断更新。 尽管在土壤性能的量化方面取得了进展，但在理解土壤中复杂的功能过程、植物-土壤-生物群的相互作用以及土壤生物多样性和生物地球化学功能之间的关系方面仍然存在很大的知识差距，尤其是在一系列生态系统中。
图 1.8 土壤结构视觉-触觉方法在现有评估方案框架下作为土壤质量/健康半定量指标的示例。 a 种植系统中的有利土壤聚集体，b 同一地点的不利聚集体，c 土壤熟化和结壳，影响土壤和大气之间的水和气体交换，d 在 VSA 程序的跌落试验后重新排列聚集体，e 有利的自然易碎的 Chernozem 结构，f 粗糙的 Solonetz 柱状结构。 照片 L.穆勒 1.4 土壤退化 1.4.1 评估和监测的定义和概念 本质和定义。粮农组织将土壤退化定义为“土壤健康状况的变化，导致生态系统为其受益者提供商品和服务的能力下降”。 “土地退化”和“土壤退化”这两个术语经常互换使用，因为大多数作者都同意土壤的任何退化都会反映在土地退化中，反之亦然。因此，监测和评估土壤是可持续发展和实现土地退化零增长的适当措施。这是一项具有挑战性的任务，因为不存在确定土壤或土地何时退化的明确限制或阈值。从当地的角度来看，作物产量下降被视为土地退化的指标。土壤和土地退化是人类与自然互动过程的结果。土壤、气候、土地利用、经济动态和社会人口力量等多种因素起着关键作用。 另一个与土壤和土地退化密切相关的术语是荒漠化。荒漠化是旱地退化，是土壤退化最严重的情况，因为很难阻止和对抗它。联合国专家在 1977 年将荒漠化定义为“土地生物潜力的减少或破坏”，最终可能导致类似沙漠的状况。这是生态系统普遍恶化的一个方面，并且在需要提高生产力以支持不断增长的人口寻求发展的时候，已经减少或破坏了生物潜力，即植物和动物生产，用于多种用途”。 《联合国防治荒漠化公约》将荒漠化定义为“由于气候变化和人类活动等各种因素导致的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化”。这一过程与对自然和社会的其他威胁相互关联，例如生物多样性丧失和贫困，这些都是实现联合国可持续发展目标的强大障碍。 “土壤退化”一词的缺点。 “土壤退化”一词的使用不允许任何明确的解释。这是从学科的角度，甚至从土壤科学的子学科的角度来看的。在土壤遗传学中，当一种土壤类型由于环境条件的变化和管理向另一种土壤类型的方向发展时，使用术语“退化”。降解的黑钙钙（沥出的黑钙）是已知的，它是在更潮湿的条件下由黑钙发展而来的。在这种情况下，术语“退化”没有功能意义。如果由于使用导致土壤性质的变化导致土壤功能的变化，评估可能会更加矛盾。一种土壤功能得到增强，而另一种土壤功能减弱，这更像是一种规则而不是例外。生产力功能和生物多样性功能在农业利用过程中大多向相反方向发展。然后纪律评估决定土壤发育是被描述为积极（恶化）还是消极（退化）。这种讨论经常出现在关于排水后潮湿腐殖质积累的水形土壤的使用相关变化的辩论中。湿地保护主义者将这种泥炭土壤的发展称为退化，尽管与作物产量相关的土壤参数并未减少。农业学家重视排水泥炭土壤提高生产力的作用。在文献中，还有许多其他关于土壤和土地退化的定义和概念。其中一些似乎是永恒的和普遍的。然而，所有定义都需要根据其目的以及时间和地方尺度来解释。 尝试量化土壤退化GLASOD（全球土壤退化评估）方法是大约 30 年前由荷兰 ISRIC 的国际土壤参考和信息中心开发和协调的，产生了大约 1:10 百万比例的全球地图。这种方法基于现有的土壤和地形图，并辅以基于专家的区域和全国信息。土壤退化（SD）的基本工作定义是“土壤退化被定义为降低土壤当前和/或未来生产商品或服务的能力的过程”。对土壤退化的不同类型、程度、相对程度和成因进行了详细说明和描述。后来，这种方法被改进并应用于特定地区。目前，它仍然是唯一基本且全球一致的土地退化信息来源，涵盖全球整个地区。 GLA-SOD 估计全球有12.16 亿公顷，而其他科学家的估计范围很广，从 470 到61.4 亿公顷不等。 GLASOD 研究和连续的区域研究旨在为国家行动计划提供信息，包括研究和监测土壤变化、研究驱动力和对当地人民的经济和社会影响以及制定制止退化和荒漠化计划的新概念。后来的研究利用了增强和快速发展的遥感方法和其他地理空间技术与地理信息系统相结合的巨大潜力以及高分辨率数据和建模工具的开放可用性。 为了更好地了解区域和地方层面最相关的退化和荒漠化过程，已经启动了许多区域和地方实验和模拟研究。构建了新的测量系统，产生了新的实验装置，获得了新的数据，并增加了对单一退化过程的性质和程度的理解，以及农场和区域规模的缓解和对抗战略。例如风蚀、水蚀、土壤压实和许多其他人。在一些欧盟国家，每个农田都根据其水蚀和风蚀风险进行了分类。然而，尚不存在在土壤质量/健康评估土壤功能框架内的田间土壤退化状态监测。 1.4.2 退化和荒漠化土壤状况指示 与土壤质量/健康概念相一致的退化功能土壤状态指示是区域和地方层面参与性决策的基础，将是可取的。然而，这些概念仅在一定程度上存在。 尝试在欧盟层面建立土壤威胁监测。 15 年前，在ENVASSO 项目（用于监测的土壤环境评估）的框架内，为欧盟国家开发并测试了一个土壤监测项目。这是建立定期土壤监测系统的尝试，该系统基于关键指标和统一的国家和区域方法，每隔几年提供可靠的数据，以测量和表征土壤退化。该方法基于 DPSIR 概念，但大多数指标是状态指标。表 1.3、1.4、1.5 显示了国际专家团队识别的主要威胁和选择的前三项指标。 ER = 水、风和耕作侵蚀，OM = 土壤有机质下降，SE =土壤封闭、土地消耗和棕地重建，CP =土壤压实和结构退化，BI =土壤生物多样性，LS =滑坡活动，DE =荒漠化。 干燥指数 =（年降水量）/（年潜在蒸散量），NA = 尚不可用，特定地点，CLC = Corine 土地覆盖，Calc = 计算：过去 20 年中每年燃烧面积最小的 5 年（ km 2 ), DM = 干物质 表 1.3表明，除了土壤侵蚀，没有明确的基线和阈值可以量化绝对数据。对于与复杂生物系统相关的土壤威胁，例如土壤生物多样性和有机质下降，关于可能的基线和阈值的知识尤其缺失。同时，在生物系统方面取得了一些进展（例如，在一般监测工作中使用蚯蚓丰度和/或多样性）（参见ISO 15799:2019-11 2019；ISO 17616:2019-11 2019）以及化学监管领域。此外，虽然在学科研究中已经很好地量化了土壤压实和土壤结构恶化的过程，但尚未通过定量基线数据和阈值来表示。由于机械负载不断增加，并且对大多数土壤的土壤压实深度和强度的影响已经得到很好的理解和量化，因此可以考虑包含一个简单的压力指标，例如轴载或机械总重量.机械的不断进步，例如四轮驱动拖拉机的引入意味着以前没有耕种的陡坡土地现在被用于农作物生产。土地利用从牧场到种植的变化进一步加剧了耕作侵蚀等风险。相比之下，重金属（表 1.4）和盐度/碱度（表 1.5）等可以通过化学分析测量的土壤指标已经积累了大量的理论和实践知识。很明显，区域特定阈值是有用且可能的，因为背景浓度的空间变异性很大，取决于土壤母质、土壤质地、土壤 pH 值和历史土地利用。提供了阈值概述。 表 1.4 欧洲不同土壤/法规或建议中土壤重金属的背景浓度和阈值范围
表 1.5 盐碱化和碱化指标的基线和阈值
还可以看出，每个威胁三个指标是不够的。当在更广泛的范围内监测土壤退化时，下至区域和田间水平，远不止三个指标（如ENVASSO 项目）需要充分描述单一的土壤退化过程。 Kosmas 等人基于来自全球 17 个土壤退化和荒漠化程度高的地区的综合数据集，通过多元统计方法得出了最重要的指标。他们发现，6 个（耕作侵蚀）和 14 个（水侵蚀）指标显着影响过程。 Virto 等人的综合分析显示，欧盟国家的土壤退化呈上升趋势，而解决、定期监测和对抗这些威胁的工作却停滞不前。从立法的角度来看，水和空气比土壤更受关注。从逻辑上讲，尽管过去几十年取得了所有进展，但与人类世的其他威胁和问题相关，公众对土壤及其研究和监测的认识仍然被低估、不足和不完整。目前尚不存在与土壤健康/质量方法相当且兼容的土壤退化现场指标系统。启动与土壤质量/土壤健康方法相匹配的土壤退化运行监测系统的工作将是一项具有挑战性的任务。 土壤功能建模的进展以及对指标和数据的需求。土壤功能建模可用于量化土壤退化。在模拟和预测土壤过程和农业生态系统、它们的生产力和其他功能方面取得了很大进展。生态系统建模是知识生成和决策支持的新兴分支。其中一个关键部分是描述土壤-水-大气相互作用和作物生长的模型（SWAT 模型）。 创新的生态系统模型需要智能传感器技术提供可靠的数据、多层次的土壤信息系统以及包括天气和植被数据在内的其他高分辨率数据。它们通常与可以获得这些详细数据的野外观测站或研究站点相结合。如果数据不足以允许多种可能的排列，并且可以使用 Baysean Belief Networks 包括专家知识。例如，Troldborg 等人(2013) 使用这种方法绘制了有土壤压实风险的区域。然而，这种方法确实需要访问几位在威胁和土壤方面都有经验的土壤科学家，以及获得良好的土壤调查信息。 简单的基于指标的 GIS模型是创建当前空间或时空信息并预测未来状态的另一种选择。基于 pedotransfer 函数的土壤功能特性区域化现场数据能够对土壤功能过程进行一致的建模，例如地下水形成、作物生产力潜力、土壤有机质动态以及从田间规模到大区域的土壤污染风险。这里给出了三个进一步的例子，证明了相对简单的空间数据对于特定土壤退化风险的规模化建模的有用性。帕纳戈斯等人。 2020 年根据欧洲版修订后的通用土壤流失方程 (RUSLE) 模拟了整个欧盟的水侵蚀。四分之一的欧盟土地主要位于南部，其侵蚀率高于可持续阈值（2 吨/公顷），约 6% 的土壤遭受严重侵蚀（>11 吨/公顷）。结果表明，在改进的共同农业政策 (CAP) 法规的框架内，通过更好的土壤保持来减少土壤退化的努力得到加强。 表 1.3 欧盟 (EU) 监测土壤威胁的前三项指标，来自 ENVASO 项目的数据
24 E. Saljnikov et al. 基于国家标准（DIN 19, 706:2013–02 2013），Steininger 和 Wurbs（2016）阐述了一种统一的方法，用于根据空间土壤、气候、植被、管理和管理来评估德国所有农田的风蚀风险。景观结构数据。岳等人。 2019 年开发了一种基于数据挖掘的方法，根据气候、植被和土壤的空间可用数据绘制风沙化地图。输入是年平均降水量、干旱指数、风速、植被指数和离网土壤可蚀性指数。 荒漠化监测。IPCC 关于气候变化背景下荒漠化知识现状的清单显示，基于区域化气候数据的干旱指数（AI）和归一化差异植被指数（NDVI）计算自遥感数据是在区域和全球范围内评估荒漠化状况和风险的最常见指标。土壤数据在这种监测中不发挥关键作用。此外，评估没有以次区域和地方层面的兼容指标和数据为基础。奥尔森等人(2019) 指出没有连贯和系统的全球土地退化清单。他们需要区域差异化的可持续土地管理战略，这些战略需要得到实施和充分监测。 在大约 40 至 50 年前的以往研究中，粮农组织和联合国环境规划署（UNEP）支持实地研究荒漠化。他们提出了对荒漠化进行分类以及制定农场和区域防治战略的建议和阈值（表 1.6）。由于遥感和 GIS技术的发展，它们在理论和实践中失去了重要性。 表 1.6显示这些分类是基于测量的现场数据。数据集并非没有单一指标之间的矛盾，而是可以作为地方和区域层面功能土壤图的可靠决策依据。 这些指标和数据应成为现代土壤信息系统和数据库的一部分，支持不同用途的模型。它们能够根据 DSS 中可用的土壤质量、气候、植被和土地管理指数来计算综合指数（复杂指标），例如环境敏感区域指数 (ESAI)，用于描述土地退化和荒漠化风险的特征和功能制图在大范围内始终如一，并且是考虑土壤质量、气候、植被和管理的其他复杂指标方案的基础。 治理和振兴农村地区的参与性过程，例如环境影响评估、景观规划以及其中的部分或其他相关程序，例如景观特征评估，土地整治和景观保护设计不能基于缩小的区域土壤数据，而是需要通过表 1.6 中所示的指标来表征土壤在景观层面的表现的当地数据。这些参与程序包括当前状态下土壤退化和荒漠化的时空信息和基于模型的未来情景。这些基于指标的模型必须与更详细的数据密集型基于过程的模型相互关联，例如农业生态系统模型。 表 1.6 评价荒漠化状况的基于实地的植被、水侵蚀和盐渍化标准（由粮农组织/环境署 1984 年提出，由 Verón 等人 2006 年引述，摘录，修改）
1.5 迈向土壤性能综合现场诊断系统 保持复杂监控系统的概览和安全数据质量的挑战。从土壤指标数据集可知，指标与其他指标相互关联，需要最少的土壤指标数据集。可以使用土壤图和数据库中关于土壤功能的现有信息，但由于某些土壤属性和质量（动态土壤质量）会根据管理在相对短期内发生变化，因此需要实际的土壤数据。土壤健康聚类分析显示，表土特性的土壤类别与土地利用（土壤表型）的相关性高于土壤地图分类（土壤基因型）。 数据的多重共线性、空间数据的自相关和时间序列的趋势是数据分析的高级多元统计方法面临的挑战。需要主成分分析 (PCA) 和复杂的层次分析过程，以一致的最小数据集 (MDS)、不同位置、研究和管理的权重和评分函数显示。 对土壤对生态系统功能的关键作用及其多功能性的认识导致土壤指标是生态系统指标系统的一部分，并应用于生态系统监测、景观规划和其他目的。由于同一土壤数据可以导出不同的 ES，因此数据的多重共线性和可靠性问题可能会更加严重。在过去的几年中，已经制定了一个国际通用的生态系统服务分类 (CICES)，它为所有用户更新、描述、编码和分类生态系统服务。其层次结构中不断增长的列表对这些复杂指标系统的可靠性和清晰度提出了质疑。 是否可以根据经济估值对基于土壤的 ES 进行量化？已经进行了尝试，例如Bartkowski等人（2020年）。其他科学家认为，ES 概念使许多服务的测量和定量预测变得复杂，并且没有反映利益相关者的担忧。如果单一土壤指标发生显着变化并超出阈值，生态系统的状态是否仍处于可接受的范围内？某项技术或控制措施是否可持续，因为源自土壤指标的单一 ES 已显着提高？哪些土壤指标在这些复杂系统中表现最好？这些问题仍然悬而未决。需要详细说明多个指标/数据集的重要性规则。 复杂的 ES 信息可以在综合研究中进行辩论，但对现场参与的利益相关者流程没有用处。现场利益相关者的担忧更多地与土壤和植被有关。 “硬”土壤测量数据可能会在复杂的 ES 服务系统的混乱中消失，变得不如估计数据重要。需要与利益相关者的已知经验世界相关的可直接测量的指标和数据，即可以感知、可见、有形和可闻，并与对生态系统过程的观察直接相关，例如植物生长和产量以及动物繁荣。 有一些希望，土壤测量和评估方法的现场方法可以再次发挥更大的作用。对物理 SQI 提供生态系统产品和服务能力的稳健性、空间和时间变异性以及预期变化率的统计测试揭示了以下指标的偏好： 土壤堆积密度、土壤保水特性、团聚体稳定性、土壤侵蚀速率、土壤深度、土壤结构（通过视觉土壤评估评估）和土壤封闭性。所有这些都是现场指标，可以从简单的现场采样中测量，或者在保水曲线的某些范围内（土壤比现场容量更干燥），它们可以使用土壤传递函数从现场诊断特性中推导出来。 用于学习和参与式决策过程的土壤现场测量和评估。 农业是全球最大的土地和土壤用户，但公众对农业和农村景观的教育和科学的关注和资助正在下降。因此，能够与土壤互动的人数在高教育水平的田野和景观中，必须稳定和成长。土壤科学家与相邻学科科学家和利益相关者之间更好的互动对于获得可在该领域应用的重要研究成果越来越重要。这是一种跨学科的研究和该领域的辩论，同时查看土壤剖面是最好的舞台。这更加注重接触地面，并使用表 1.6 所示的现场测量方法和现场指标。 现场土壤信息（图 1.9）应从景观中特定土壤的分配开始，解释土壤形成过程（气候、母质、植被、人为影响）和基于遗传视野的土壤分类和诊断材料。除了地方和国家以及土壤分类，还需要根据世界土壤资源参考基础（IUSS 工作组 WRB 2014）给出一个具有国际可比性的土壤名称。
图 1.9 土壤科学家与农学家、经济学家和从业者会面期间对土壤功能状态的联合评估。照片 L.穆勒 在农业用途的土地上，生产力的主要土壤功能可以根据 2007 年手册（M-SQR手册2007）和几个更新Mueller等人（2016年）的评级表。目前，M-SQR是唯一的土壤评价方法，适用于全球大部分农田和草地。土壤剖面将通过图 1.10 所示的指标进行扫描。 危害指标描述了土壤退化因素和对土壤的其他威胁，这些因素会大大降低土壤质量和作物产量潜力。 除了土壤遗传分类（由 WRB 2014 提供）和生产力功能分类（由M-SQR 提供）之外，其他土壤功能评估、表征这些功能的现场表达方法，现场建议使用测试套件和土壤取样进行特殊分析。新的传感器技术，例如电化学传感与基于离子选择性膜的传感器相结合，适用于土壤化学参数（硝酸盐、磷酸盐、钾）的快速原位监测（Ali et al. 2020）。现代野外诊断工具，如电子野外手册、无人机 (UAV) 制作的景观和植被异质性图像可以支持表达现场土壤的过程功能和威胁评估。 最近的国际研究证实，土壤质量/健康的视野评估方法与快速诊断测量方法以及背景区域和当地站点数据相结合，是评估管理实践的可靠工具。它们在很大程度上满足了农民和其他当地利益相关者的基于经验的看法，它们对于参与式研究特别有价值。这些技术的安装和应用需要扩展专家的科学协议、指导和培训，否则结果可能会模棱两可。
图 1.10 Muencheberg 土壤质量评级 (M-SQR) 的指标和评级方案，这是一种评估土壤生产力潜力的快速方法。 Mueller 等人推荐了该方法（2016 年）结合世界土壤资源参考库（WRB，IUSS 工作组 WRB 2014）在该领域中应用 1.6 结论 1. 土壤退化是许多降低土壤功能的复杂现象的统称。在许多情况下，例如风蚀和水蚀、盐碱化和碱化，这是由于过度使用和管理不善的土壤导致自然过程加速造成的。在其他情况下，例如通过基础设施建设进行的土壤密封、耕作侵蚀和农业机械造成的土壤压实，这完全是由于土壤的过度使用和管理不善造成的。最后但同样重要的是，必须在不同的生物组织尺度和时间尺度上考虑化学品对生物结构和功能的影响。 2. 必须在土壤作为生态系统、土地、景观和其他类别和规模的动态系统的背景下理解、监测、减轻和对抗土壤退化过程。在研究和实践中处理这种极端复杂性需要学科、跨学科和跨学科的工作。 3. 现有的退化和荒漠化评估和监测概念在多个层面显示出知识差距。土壤功能的土壤质量/土壤健康概念应得到土壤退化测量数据的支持，无论是在实验室，但最重要的是在子田间和田间规模。 特别是，最后一步是一个特别被忽视的研究领域，考虑到当地和区域层面土壤的不同土壤学和生物学特性。 4. 我们承诺基于可靠的现场测量技术结合基于专家的知识和评估方法，建立先进的土壤性能现场诊断系统。这对于参与式决策过程中土壤保健的进展至关重要。 |
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