本文节选自《地理学报》2015 年12期

作者：朱永官^{1, 2}，李刚¹，张甘霖³，傅伯杰^{2, 4}

单位：1.中国科学院城市环境研究所中国科学院城市环境与健康重点实验室   2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室   3.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室   4.北京大学城市与环境学院

自农耕文明出现以来，人类对土壤的开发和使用已被视为理所当然。从早期的农业文明到现在的快速城市化，人类对土壤的开发和利用不断强化并在全球扩散。当前，作为地球上最大的土地利用类型，农业用地占地球上无冰土地的38%，其中分别约有12%和26%的无冰土地用于作物和草地。但是，全球范围内，由于人类过度或不恰当的利用已经导致大约33%的土壤处于退化状态。
 

土壤具有社会、生态、经济、文化和精神层面的价值。正是由于土壤的多重功能，传统的土壤资源概念已经不能全面反映土壤的整体功能和价值，因此土壤安全的概念开始形成。土壤安全是指土壤持续地为人类提供食物、纤维和淡水资源等生态系统服务，同时维持生物多样性和相对稳定性的一种状态。因此，土壤安全的概念有效整合了土壤的多重功能，为在更高的层面来研究土壤、利用土壤和保护土壤提供了一个战略框架（图1）。

1.地球关键带
 

地球关键带（Earth's critical zone） 是由地球表层各部分和相互作用过程组成的一个综合系统，具体而言其是近地球表面、有渗透性、介于大气圈和岩石圈之间的地带，垂直方向的范围从树的冠层往下直到地下水深层（图2）。地球关键带控制着土壤的发育、水的质量和流动、化学与生物循环，其在调控自然生境的同时，还供应着经济社会发展所需的资源，故这一地带对维持地表生命非常重要。

地球关键带是地球表层系统中最活跃、最富有活力的部分。其包括异质性的近地表环境，岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用。在横向上，关键带覆盖不同的生态系统类型；在纵向上，关键带自上边界植物冠层向下穿越了土壤层、非饱和包气带、饱和含水层，下边界通常为地下水深层。
 

关键带是一个复杂的自然反应器，其通过太阳光照获得能量，驱动植物光合作用，进而驱动地表的水文和生物地球化学循环。其结构和功能不仅取决于生物的多样性，还直接与土壤、沉积物、风化层和地下水等非生物要素密切相关。因此，关键带科学涉及多种学科，包括水文学、地貌学、地质学、地球化学、地球物理学、土壤学和生态学等，并涵盖包括人在内的一切生物活动。
 

关键带中发生的复杂物理、化学和生物过程相互耦合使其成为有机联系和不断变化的动态系统。按照其性质与作用，这些过程大致可分为三类：生态过程、生物地球化学过程和水文过程。 

地球关键带是一个有生命的历史自然体，具有活跃的代谢过程，即能量流动的物理、化学和生物过程。能量流动驱动了物质（生源要素和人为活动带来的化学品等） 与遗传信息在关键带各组分之间的转化与迁移，推动了关键带结构和功能的演化。关键带代谢的核心是生物与地表物质的相互作用，包括从生物与岩石风化，生物地球化学循环，到生物与景观地貌的修饰。

2.土壤与地球关键带
 

关键带是陆地生态系统中土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈进行物质迁移和能量交换的交汇区域（图2），而土壤是地球关键带的核心组成部分，并且在不同时空尺度上受到一系列广泛的物理、化学和生物过程之间的相互作用。
 

作为地球关键带动态的核心要素，土壤过程是控制关键带物质、能量和信息流动与转化的重要节点。因此，土壤不仅起到生物质生产、营养物质和水的储存、过滤和转化，而且是地球上生物多样性最丰富的栖息地、地质历史与人文演化的记录等多重功能。因此，对土壤过程的认知是地球关键带研究的核心内容。
 

作为地球关键带的核心部分，土壤在地球关键带中的具有多重功能，主要包括养分循环、水分保蓄、生物多样性和栖息地、物质储存、过滤、缓冲和转化，以及物质供应保障。土壤安全与人类的安全、生存和发展也有密切联系。此外，在解决全球现实问题特别是食品安全、生物多样性、气候变化以及水循环调控等方面，土壤居于中心地位，但是到目前为止还没有建立一种有效协调土壤各项功能的方法。
 

同时，全球土壤的退化速度惊人，从20 世纪中叶以来有20 亿hm²的土壤资源退化，并且这种趋势还在不断增强。因此，迫切需要建立以水、土资源为核心的政策，以防止土壤退化和促进可持续发展。土壤安全概念的提出能够有效整合土壤与环境可持续发展之间的联系，是在全球土壤面临日益严重问题的背景下提出的一种新概念，丰富了对土壤的系统认知。这与地球关键带的概念有类似之处，但是地球关键带的概念涵盖了土壤安全所包含的内容，并且关键带科学研究的内容更广泛和系统。
 

土壤安全包含了土壤的数量、质量和可利用性等方面的特点，基于这些概念能够更好地维持和管理土壤的状态，使其有效发挥功能和提供服务。但是土壤安全的内涵和研究内容更广泛，与目前全球所面临的以下主要环境挑战密切相关：
 

① 食品安全。土壤主要通过提供生物质生产比如养分、物质和水分以及降低污染来影响食品安全。

② 水安全。土壤能够保持水分，并且在化合物的过滤和转化以及养分循环中发挥重要，故土壤安全对水分的安全供应具有重要意义。

③ 能源安全。土壤通过生产生物质能源作物而对能源安全产生影响。

④ 减缓气候变化。作为全球陆地生态系统最大的碳汇，土壤通过影响碳固定而减缓气候变化，同时还影响作物产量和粮食安全。

⑤ 保护生物多样性。生物多样性方面，土壤是最大的基因库和物种栖息地，并且这些生物积极参与并影响土壤的形成过程和功能。其生物多样性对促进养分、水和能量分循环，改善土壤结构以及控制土传病害方面具有重要作用。 

⑥ 输送生态系统服务。土壤在生产植物、输送养分、提供基因库、调控养分和水文循环、处置废弃物、提供建筑材料以及文化和美学需求等方面提供生态系统服务。因此，土壤安全在解决这些环境挑战中均能够发挥重要作用。
 

土壤安全既具有自然属性（土壤的物理，化学和生物学过程变化），又具有社会属性（经济、政策、法规） 。由于土壤安全的多重属性，因而需要一个多指标和多学科的方法来判定土壤的最佳状态和当前状态，以达到有效利用土壤资源的目的。为此，Mcbratney 等提出了评估土壤安全的5 个方面指标：性能，状态，资本性，关联性以及政策法规。具体来讲：

土壤性能是指其已经具有的功能和潜在功能，而土壤状态是指土壤现在的状况与参照体系相比所发生的变化，主要包括物理状态、化学状态和生物状态。

土壤的状态决定了土壤的最佳性能，同时土壤的性能也能够反映土壤的状态，而两者共同构成了土壤的生产力。

土壤资本性是指土壤所提供的影响整个生态系统功能和生态系统服务能力，包括其自身的价值和潜在的生产力。

土壤的关联性是土壤安全社会属性方面的指标，其主要指负责管理土壤的人是否已经掌握正确的知识和资源来管理土壤以达到其最佳性能，关联性主要是为了更好的管理土壤和改善土壤环境质量。
 

土壤安全的以上4 个指标最终都要通过政策和法规来进行约束和规范，以保障土壤安全和土壤资源的可持续发展。评估土壤安全这5 个方面的指标构成了土壤可持续发展和利用的理论框架。故土壤安全的概念具有多维性，并且涵盖社会、经济和生物物理等学科，比“土壤质量”、“土壤健康”和“土壤保护”的概念更宽广、更综合，因而土壤安全提供了一种解决人类面临的环境问题的理论框架，将土壤放在这种理论框架的核心位置能够更好的为可持续发展提供决策依据。
 

地球关键带强调各要素之间的相互作用，土壤和地球关键带其他要素之间相互作用的界面正是发挥土壤功能的区域，如母质风化提供土壤形成骨架，并向植物提供养分；植物生长和有机质积累将大气中温室气体CO₂转化为土壤碳汇；土壤—水相互作用影响地下水和地表水质量并很大程度上发挥过滤功能提供清洁水源；土壤形成和物质转化过程促进碳氮磷等营养元素储存。所以，土壤安全与地球关键带又有密切联系。
 

目前面临的主要挑战是，在关键带范畴内理解和认识土壤中物质的量和通量平衡以及其组分和功能，以应对当前所面对的6 种环境问题。由于土壤在关键带中居于中心地位，与其他组分进行物质、能量和信息的流动和交换，故关键带科学所提供的整体性框架能够定量化描述土壤过程以及阐明环境变化如何影响土壤过程，而这样的理论框架符合土壤安全的综合考虑。
 

3.地球关键带中土壤生态系统服务
 

生态系统及其过程是维持人类赖以生存和发展的自然环境条件和提供多种产品的基础。生态系统服务是指对人类生存和生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能，主要有两大方面，即生态系统提供的人类生活必须的生态产品和保证人类生活质量的生态功能。生态系统服务的类型有4 种：
 

① 物质供给服务。生态系统的物质或能量输出，包括食物、水和其他资源。

② 调控服务。包括影响水质量过程，调控洪水和疾病。

③ 生境服务。植物或动物个体生存所需的条件，包括遗传多样性的维持。

④ 文化服务。娱乐、教育和美学方面的服务。
 

土壤生态系统服务是指满足人们日常生活中文化与追求的基本必需品，包括支持、供给、调节和文化服务。Daily 等首次提出了土壤生态系统服务，并将土壤生态系统服务主要总结为：
 

① 缓冲和调节水文循环。

② 植物的物理支持。

③ 植物养分的供应和保持。

④ 废弃物和有机残体的处理。

⑤ 土壤肥力的恢复。

⑥ 调控主要的养分循环。
 

很多研究人员对土壤生态系服务的内涵进行了扩展。这些土壤的生态系统服务也可以分为生境服务、调控服务、物质供给服务和文化服务4 种类型和相应的服务内容（表1）。
 

在更广义范围内，对于生态系统服务的框架结构还在讨论和精简中。生态系统服务的概念目前还没有一个统一的定义。 

土壤科学发展的一个新的视角是将土壤视为自然资本。自然资本是指能从中输出有利于生计的资源流和服务的自然资源存量，而生态系统服务则是由自然资本的物质流、能量流和信息流构成。
 

目前土壤科学所面临的最大挑战就是如何防止土壤退化，土壤退化必然减少或消除土壤功能及其为人类福利所必需的生态系统服务提供支持的能力。而目前生态系统研究中，自然资本的功能被忽视，以往的重点都在生态系统服务的获得，而对提供生态系统服务的自然资本的存量重视不够。所以，建立土壤生态系统的理论框架需要将土壤生态系统服务和自然资本有效的整合起来，并定量研究土壤资源、储量、通量以及转化过程和评估土壤资源的生态系统服务，以便提出有效的土壤管理策略并开发出相应的决策工具，最终来实现土壤的可持续发展。
 

土壤安全的理论框架中已经包含了土壤生态系统服务的内容，其中土壤生态系统服务与其他5 种环境挑战也密切相关。土壤在地球关键带中居于核心地位，故土壤安全对于关键带各要素的生态系统服务具有重要作用。比如水来说，土壤对水的储存、过滤和转化具有重要作用，所以土壤会对湖泊、河流、浅海以及湿地等与水相关的生态系统服务产生重要影响。
 

土壤生态系统服务包括提供食品、水、能源以及调节气候等方面服务，此外土壤还是地球上最大的栖息地，其生物多样性巨大，一般来说，1 g 土壤中含有10 亿个细菌和2 亿个真菌菌丝。生物多样性被视为是自然资本的一种，同时土壤的生物多样性还在保持土壤功能以及维持土壤生态系统服务中发挥着一种根本的作用，因此，为保障这些功能而需要维持土壤生物多样性。 

近年来土壤生物多样性研究得到世界各国的广泛关注。同时，生物多样性对生态服务影响一直是国际研究的热点，但是就两者之间的关系还缺乏统一的共识。所以今后土壤生物多样性对生态服务的影响研究也需要长期的研究与观测，为土壤资源的保护和可持续利用提供理论依据。

4.面向生态系统服务的土壤安全研究的未来需求
 

（1） 在地球关键带科学思想的框架下，发展以“土壤安全”为导向的土壤利用和保护策略，研究在不同土地利用方式下土壤生态过程与服务的关系，研究土壤生态服务的权衡，保证土壤生态系统服务的可持续性，是土壤安全在区域乃至全球生态文明建设中发挥应有的作用。

（2） 土壤是地球上生物多样性最丰富的栖息地，目前随着基因组学等生物学和大数据科学的快速发展，土壤生物多样性的研究迎来发展的最佳时期。未来着重研究土壤生物的组成及其时空分异规律、土壤生物多样性的功能及其调控、土壤生物多样性与生态系统健康等方面。

（3） 建立基于“土壤安全”的土壤生态系统服务评价的框架，发展相关评价的理论和方法，系统开展不同土地利用方式、不同生态环境条件和不同社会经济发展水平下的土壤生态系统服务的价值评估。

（4） 制定和完善土壤保护和利用的系统性政策法规，构建中国土壤保护体系，建立土壤的生态补偿制度和加强土壤管理机制，为维持土壤的生态系统服务提供体制性保障。