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土壤与生态系统健康：从性质研究到分区管理

已有 6320 次阅读 2019-12-9 11:56 |系统分类:科普集锦

土壤与生态系统健康：从性质研究到分区管理

杨顺华杨飞

（中国科学院南京土壤研究所）

（原发于高端科普杂志《科学》2019年第11期）

摘要：万物土中生，土壤是人类社会可持续发展的物质基础，土壤生态系统的健康关乎人类福祉。本文从我国土壤资源的空间格局出发，分析土壤性质与污染物活性之间的关系，探讨土壤污染区域差异的原因，最后指出因地制宜、分区管理是实现土壤生态系统健康发展的必由之路。

关键词：土壤生态系统健康土壤污染土壤性质空间格局分区管理

2019年9月23日，联合国气候变化峰会在纽约联合国总部举行。一个来自瑞典的16岁女孩通贝里（G.Thunberg）因一场近乎控诉的“你们怎么敢这样！（How Dare You!）”的演讲成为整个会场最耀眼的明星，气候变化也再次成为全球瞩目的焦点话题。其实，对于这场关乎人类命运的世纪之战，土壤学家早就给出了自己的解决方案——让土壤来固定大气中更多的二氧化碳^[1]。事实上，土壤作为陈铺在地球表面的一层薄薄皮肤，是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，处于地球关键带的核心位置，有着除固碳和生产粮食之外的更多功能，在陆地生态系统中有着举足轻重的作用。联合国于2015年发布《变革我们的世界——2030年可持续发展议程》，在其提出的17项全球可持续发展目标中，有13项直接或间接与土壤有关，充分表明土壤及其功能与生态系统服务对人类社会可持续发展具有重要作用。

土壤生态系统服务是指土壤生态系统提供给人类社会的惠益，包括供给服务（食物、淡水、木材、纤维和燃料等）、调节服务（气候、洪水、侵蚀和生物过程等）、文化服务（休闲、娱乐和教育等）和支持服务（养分循环、栖息地和生物多样性等）。实现土壤生态系统服务的稳定、持续输出，关键在于对土壤性质的有效管理与利用^[2]。例如，我国南方地区红壤广布，是重要的粮食和经济林木、果树生产基地。然而，由于长期不合理利用，土壤存在着侵蚀、肥力减退和酸化等问题。因而，如何改良土壤酸度、增加土壤有机质就成了科研人员的首要任务。又比如，华北平原历史上一直是农耕发达的地区，然而随着时间的推移，这片土地慢慢地变成了盐碱地，威胁作物生产。以中国科学院南京土壤研究所熊毅、席承藩先生为首的团队用井灌井排的洗盐技术，成功地解决了盐碱地生产力低下的问题。

目前，土壤生态系统的整体健康状况不容乐观。根据联合国粮农组织于2015年发布的《世界土壤资源状况报告》，全球范围内，土壤仍然面临着侵蚀、有机质丧失、养分不平衡、酸化、污染、水涝、板结、地表硬化、盐渍化和生物多样性丧失等多项威胁^[3]。例如，仅土壤侵蚀每年就会造成250亿~400亿吨的表土流失。2019年世界土壤日的主题就被定为“防止土壤侵蚀，拯救人类未来（Stopsoil erosion, save our future）”，意在呼吁更多的人关注土壤侵蚀带来的生态系统健康问题。近年来呈爆发式增长的土壤污染事件，也频频牵动着公众的神经。这些土壤问题给生态系统的健康状况蒙上了一层阴影，制约着全球可持续发展目标的实现。维持土壤生态系统服务的可持续供给，离不开对土壤形成过程及其性质的理解，并据此制定因地制宜的管理措施。

关键土壤性质、土壤功能和生态系统服务及人类福祉的关系^[2]

空间格局：

过程的反映、健康的地图

俄罗斯是世界上国土面积最大的国家，具有180万平方千米的肥沃黑钙土。然而，19世纪中叶，这个国家却屡遭干旱侵袭，导致农业歉收、民不聊生，像极了一个守着金山银山却天天饿肚子的人。在这样的背景下，来自圣彼得堡大学的地质学博士研究生多库恰耶夫（V. V.Dokuchaev），开始了一系列广泛而详实的土壤调查，并据此完成了自己的博士论文《俄罗斯黑钙土》。这篇论文深刻揭示了土壤不仅仅是岩石风化的产物，而是在气候、生物、母质、地形和年龄（时间）这五大要素共同作用下形成的历史自然体^[4]，并首次将土壤定义为“在水、空气和活的或死的各种有机体共同作用下改变了的岩石表层或亚表层”。这一论断揭示了土壤学这门学科的化学和地质学属性，为人们重新认识土壤形成和发育过程奠定了基础，也为合理利用和科学管理土壤资源提供了一个全新的视角。

我国是世界上土壤资源最为丰富的国家。北京中山公园社稷坛中的五色土坛展示了我国土壤资源的基本面貌：东方青土、西方白土、南方红土、北方黑土和中部黄土。藏在这些颜色背后的，是不同地域土壤形成的独特生境。例如，南方气候高温多雨，雨水的冲刷导致土壤中易溶于水的物质大量流失，从而使得难溶于水的氧化铁主导了土壤的颜色，形成了南方常见的红壤。世界上幅员较大的国家包括俄罗斯、加拿大、中国和美国等，但论土壤资源类型，我国复杂的地形、气候条件以及历史悠久的人为耕种历史决定了我国的土壤资源数量无可匹敌。根据中国土壤系统分类，我国土壤包含14个土纲，39个亚纲，138个土类，588个亚类，土系数量保守估计不少于20 000个，充分说明了土壤资源类型之丰富和变异程度之大，也说明土壤形成过程和空间布局的多样性和复杂性。

土壤性质既是土壤过程的产物，又是土壤功能的基础，具有明显的空间格局。以土壤pH为例，我国土壤pH的基本格局是“南酸北碱”。从气候上来讲，南方高温多雨，丰富的降水带走了大量的土壤盐基离子，为了维持土壤中主要阴阳离子的平衡，大量的氢离子被释放到土壤中以占据土壤阳离子留下的位置，导致土壤呈现酸性反应。与此相反，干旱少雨的北方地区则能够维持相对较高的土壤pH。此外，酸雨、施肥等也在土壤pH空间格局的形成中扮演了重要角色。酸雨是酸性沉积物的总称，包括酸性的雨、雾、雪、霜等形式的降水和气态的酸性污染物。由于酸雨对生态系统的危害极大，从20世纪五六十年代开始，就被当作一个重要的世界环境问题来考虑，其中的一个后果就是土壤酸化。酸雨带来的氢离子进入土壤，将吸附在土壤胶体表面的一些植物生长必需的阳离子如钙离子替换，导致养分随雨水从土体中流失，威胁植物的正常生长。施肥也加速了土壤的酸化过程。氮是作物生长必需的元素，而作物一般只能利用土壤中以硝酸根（NO3－）和铵根（NH4＋）形态存在的氮。在氧化环境下，NH4+极易在土壤微生物的参与下，发生硝化反应转化成NO3－，产生氢离子。如果施肥量大，硝化反应产生的氢离子将加速土壤的酸化。据报道，由于高强度的农业利用，中国主要产粮区的土壤pH在1980年到2000年之间下降了0.5个单位^[5]。

北京中山公园社稷坛中的“五色土”示意图

掌握土壤性质的空间格局对于了解土壤资源禀赋和指导农业生产具有很强的现实意义。但由于目的不同，人们对土壤性质的信息需求也有所不同。例如，农民主要关心与作物收成直接相关的土壤肥力状况，而国家为保证粮食安全，需全面掌握我国土壤资源的禀赋。要掌握这些信息，传统的方法主要依赖于农民的经验或者基于土壤点位的采样与分析技术。但利用这些方法获取的土壤性质信息不仅存在很高的不确定性，还容易因施肥的盲目性而造成肥料的浪费和环境污染，而且费时费力，难以获取空间连续的土壤信息。为摸清我国土壤资源的“家底”，基于正在进行的中国土系调查数据，土壤学家利用最新的数字土壤制图技术，按照全球土壤图网络（Globalsoilmap.net）的国际制图标准，制作了一系列中国土壤属性图。其中，表层土壤pH图很好地展示了我国土壤“南酸北碱”的基本格局。土壤有机质也是一个重要的土壤属性，包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其不同分解阶段的产物，它既是土壤肥力的物质基础，也是全球碳循环和气候变化研究的核心内容。土壤有机质的空间分布同时受气候、母质、生物、地形和时间的影响，因此呈现较强的空间异质性。我国土壤有机质的空间分布具有明显的地带性分布规律：东部地区，由东北向西南逐步递减，至长江流域以南又有所回升；由东向西的方向上，由于水分的减少，土壤有机质含量逐步下降。这些土壤性质就像医生诊断病人需要用到的一项项生理指标，指导着人们对土壤健康状况的判断，而土壤性质的空间格局，则是土壤健康状况的指标地图，很好地反映了不同地域土壤的基本特征。

土壤污染：

威胁土壤生态系统健康的定时炸弹

近年来，频发的食品安全问题使土壤污染成为社会热点。一般来讲，土壤污染是指人为有意或无意地将对人类本身和其他生命体有害的物质施加到土壤中，使其某种成分的含量明显高于原有含量、并引起现存或潜在的土壤环境质量恶化的现象^[6]。除此之外，在一些特殊的地区，一些土壤元素在自然状况下具有很高的背景值，外界环境的变化，如洪水泛滥引起的物质迁移，也会引起土壤污染事件。土壤污染的类型一般可以分为：①有机物污染，多由农药、多环芳烃和多氯联苯等有机物引起；②无机污染物，如金属采矿活动引入大量重金属元素；③生物污染，如某些能够危害植物生长甚至人体健康的土壤病菌；④放射性物质污染，一般指进入土壤中的各种放射性核素，如核弹爆炸带来的粉尘。土壤污染物通过食物链传递进入人体，严重威胁着人体健康。1942年，美国胡克化学公司购买了已经干涸的拉夫运河（LoveCanal），用于处理工业废弃物，十余年间，共计两万余吨有毒废弃物被埋入地下。1953年，纽约市政府以极其低廉的价格从胡克化学公司手中购得这块土地，并将其开发成了一块住宅小区。讽刺的是，这块土地并没有像它的名字Love（爱）那样向人们展现爱意，而是给居民们带来了无尽的噩梦。1977年开始，小区居民不断罹患各种怪病，包括婴儿畸形、儿童夭折、孕妇流产和各种癌症。原来，那些被埋入地下的有毒物质并没有随着小区的建成而消失，而是悄悄地潜伏了下来，等待一个爆发的时机。事情被揭露后，引起了巨大的社会反响，成了著名的拉夫运河污染事件。拉夫运河污染事件直接推动了美国土壤污染立法的进步，也强化了国际社会防治土壤污染的意识。事实证明，当土壤污染超出了土壤的承受极限，其引发的后果将是让人难以承受的。

近年来，我国的土壤污染事件也频频见诸报端。2015年，江苏常州外国语学校的土壤和地下水污染事件让人记忆犹新。这些问题之所以在近年内凸显，一方面可能与人们对环保的愈加重视和新媒体时代更有效的传播手段有关，另一方面在某些地区这些问题的严重性确实也在进一步加剧。土壤污染的防治因而也成了继大气污染和水污染防治之后的又一个环保战场。2018年12月5日，联合国粮农组织将世界土壤日的主题定为“土壤污染的解决方案（Be thesolution to soil pollution）”，呼吁各国人民共同保护土壤这一近乎不可再生的资源，为当前面临的土壤污染问题建言献策。在我国，2016年5月28日，国务院印发《土壤污染防治行动计划》（俗称“土十条”），标志着对我国存在的土壤环境质量“九龙治水”、责任不明确的问题正式宣战。2018年6月22日，生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》和《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》，进一步体现了国家保护土壤环境质量、管控土壤污染风险的决心。

工厂附近被污染的土壤，右图菜叶上沾满降尘^[4]。(黄标摄)

土壤污染固然与环境中污染物的累积有关，但其有害性一般很难用全量来评估，因为其生物有效性（能被植物直接吸收利用的部分）与土壤性质本身有着莫大的联系。例如，镉一般在土壤呈酸性的条件下表现出更高的生物活性从而更容易被植物吸收。由于土壤具有吸附、分散和降解环境污染物的能力，一般来讲，化学物质在土壤中的累积与储存，在一定时间内并不表现出其危害性，但当储量超过土壤的承受极限（负载容量）或者当气候、土地利用方式或者环境发生较大变化时，污染物的活性就会被激发，产生危害性，这一现象被相关学者形象地称作“化学定时炸弹”。例如，在中、东欧部分国家，上百年的工业化进程导致森林土壤pH下降明显，在土壤的酸缓冲能力达到极限之后，土壤中的铝大量活化而被植物吸收，在1980年代导致了大片林木的死亡。在我国广大的南方红壤地区，土壤本身pH呈酸性，再加上工业活动、酸雨和施肥的影响，土壤酸化问题也十分突出，这就为“化学定时炸弹”的爆发积聚了很强的“势能”。龚子同等^[7]研究认为，“化学定时炸弹”的内在触爆因素包括土壤有机质、土壤质地、土壤阳离子交换量、pH、土壤氧化还原电位和水盐运动等。为了防止“化学定时炸弹”的爆发，一方面需要切断污染源，必要时可以从调控土壤性质着手，切断炸弹的“引信”。曾凡荣等^[8]定量研究了几种重金属有效性与土壤属性的关系，发现土壤有效铬的含量与pH呈现负相关关系，而与土壤有机质含量表现为正相关关系。土壤性质与土壤污染之间的这些关系，深刻地左右了土壤污染物活性的区域差异。

当前，土壤污染已经成为土壤生态系统健康的一个重大威胁。控制土壤污染源固然是一个釜底抽薪的办法，但由于经济发展的需求，我们暂时无法完全摆脱对资源的消耗，也就无法从根源上斩断污染的来源。由于土壤性质的区域差异带来的土壤“体质”差异，土壤对污染物的“抵抗力”也具有明显的差异。例如，南方土壤pH多呈酸性，更加有利于镉的活化，增大了植物吸收镉的风险。因此，根据土壤性质的差异来制定适合于当地的土壤污染治理方案，可能是土壤环境治理的一条必由之路。

因地制宜：

土壤生态系统健康管理的药方

根据国家环境保护部与国土资源部2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》，全国土壤环境状况总体不容乐观，总体超标率16.1%，中度和重度污染点位比例分别为1.5%和1.1%，镉、汞、砷和铅四种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向升高的区域化态势，其中镉污染主要集中在辽东半岛、东北和长江以南的华南地区等地^[9]。由于受江、湖流域沿岸的采矿、冶炼和污水灌溉等活动的影响，土壤污染的流域性特征也十分明显。例如，湖南湘、资、沅、澧四水流域土壤重金属超标现象十分严重且重金属元素种类繁多。另外，由于土壤性质对成土母质具有继承性，西南地区一些含重金属元素较高的岩石在风化成土过程中，大量重金属被释放到土壤中，也容易造成土壤重金属含量的严重超标。土壤机械组成也是影响土壤污染物迁移的重要属性。这些自然现象如与人为作用叠加，往往会造成更为严重的土壤污染事件。

土壤污染区域性空间格局产生的原因主要集中在自然因素、人为因素和管理因素三个方面^[10]。自然原因主要包括地球化学元素的高背景值、自然灾害和地质外营力导致的物质重新分配等。根据我国地球化学类型的组合和分布特点，可从西北至东南将我国土壤划分为盐渍土区、碳酸盐土区、硅铝土区和铁铝土区四个大区^[11]。盐渍土区分布广泛，约占全国土地面积的29%，包括我国西部内陆的干旱区，该区土壤质地较粗，呈碱性至强碱性反应，土壤中普遍带有盐分。碳酸盐土区中的易溶性盐类已经淋失掉，富集了大量的钙、镁和碳酸盐，土壤呈碱性反应。硅铝土区中土壤盐分则已经完全淋失，碳酸盐也基本淋失，土壤呈酸性反应。铁铝土区分布于热带、亚热带地区，易溶盐、碳酸盐和大部分盐基已淋失，留下了大量相对聚集的铁、铝（水）氧化物。这些内源性因素奠定了土壤元素空间分布的基本格局。而人为因素则可能对土壤污染区域性的自然格局进一步重塑。一方面，在经济发展中具有资源消耗高、污染排放大等特点的区域，在发展过程中会不可避免地产生污染物。这些人为产生的物质或直接进入水体和土壤，或通过地表径流和大气沉降等方式造成二次污染，改变了土壤污染的空间格局。另一方面，农药、化肥和污水灌溉可能进一步加剧耕地土壤的区域性差异。为了追求农作物高产，大量农药和化肥被施入土壤，而某些肥料中常常含有一定量的重金属元素，如常用的磷肥中含有一定量的重金属镉，长期施用这些肥料会导致土壤重金属含量的升高。使用未经无害化处理的污水灌溉则是耕地土壤区域化差异的另一个重要因素。管理因素主要体现在土壤污染无法可依和现行土壤环境质量标准的不完善上。2018年颁布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》和《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》仅仅给出了农用地和建设用地土壤环境标准的全国统一值，并没有综合考虑我国土壤类型及其背景值的区域差异。此外，确定风险筛选值和管制值只按照pH进行了区间划分，实际上土壤的环境容量还跟其他土壤性质有关^[12]。例如，有机质可以缓冲污染物、土壤母质风化程度的差异可以影响元素的释放与迁移。2019年1月1日，《中华人民共和国土壤污染防治法》正式施行，标志着无法可依的局面得到了改善。

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我国人口众多、资源制约明显，如何实现土壤资源的可持续利用仍然是亟待解决的问题。首先，高山与干旱区面积占全国土地面积的40%以上，极大地限制了我国土壤资源的粮食生产能力。其次，工业化和城市化建设，又给土壤带来了耕地占用、土壤退化严重、土壤污染加剧等严重影响土壤生态系统健康的新问题。当前，我国土壤质量和功能研究仍处于分类、分级区划的探索阶段^[13]，尚未真正实行分区管理和分区治理的政策，这既不符合土壤质量区域差异的客观性，也不利于区域土壤资源的可持续利用。土壤生态系统健康亟须贯彻分区管理的思想。经过几十年的发展，以诊断层和诊断特性为基础的分类标准以其定量化和标准化的特点逐渐被世界各国接受。我国土壤系统分类工作也取得了长足的进步，在已经完成高级分类单元的基础上，正在进行的基层分类单元也更强调与生产应用和环境保护的结合。数字土壤制图技术也正在实现从土壤类型和土壤属性制图向土壤功能、土壤生态系统服务制图的跨越。在此基础上，考虑我国土壤类型及其土壤元素背景值的区域差异，建立因地制宜的土壤管理措施对于土壤生态系统健康的管理具有重要意义。

参考文献

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11. 龚子同, 黄贤金, 张甘霖. 中国土壤地理. 北京：科学出版社, 2014.

12. 周东美, 王玉军, 陈怀满. 论土壤环境质量重金属标准的独立性与依存性. 农业环境科学学报, 2014,33(2): 205-216.

13. 郭书海, 吴波, 李宝林, 等. 中国土壤环境质量区划方案. 环境科学学报, 2017,37(8): 3127-3138.

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