农田土壤生态系统多功能性研究进展

人口的持续增加和气候变化对全球粮食安全提出了前所未有的挑战。突如其来的新冠肺炎疫情和频发的极端天气进一步加剧了保障全球粮食安全的紧张形势，尤其像我国这样的人口大国问题尤为突出。近30年来，科技进步尤其是化肥、农药等科技产品在提升我国粮食产量，保障粮食安全方面发挥了前所未有的关键作用。然而过量施用化学品和高强度的土地利用，导致耕地质量下降、农田土壤退化和环境污染等生产和环境问题。在绿色发展的新时代，守护土壤健康，构建人和自然生命共同体，发挥土壤多功能性，保护耕地资源成为农业高质量发展的重要目标。当前我国有近70％的耕地仍为中低产田[1]，因此提升耕地质量和确保耕地资源的可持续利用，是实现“藏粮于地、藏粮于技”战略和提升耕地产能的基本保障和重要途径[2]。
1.1 土壤功能的定义与分类
土壤作为一个生态系统，其中土壤属性即生物及非生物组分（物理、化学）之间的相互作用产生了土壤过程，通过发挥土壤功能提供了土壤生态系统服务，进而影响人类福祉（图1）。土壤多组分、多过程、多尺度的互作循环与人类活动密切相关，并受环境和气候变化叠加效应的影响。因此，良好的土地利用和土壤管理措施可维持良性土壤过程和生态系统服务，反之则导致土壤生态系统失衡，最终影响人类社会的生存和发展。
 

近年来，生态系统多功能性（Ecosystem multifunctionality，EMF）引起人们的广泛关注。EMF主要探讨生态系统多种功能的系统整体表现，以及由此产生的生态系统服务，而不是仅仅考虑单个或若干个生态功能[10]。与此类似，土壤生态系统多功能性指土壤同时提供多种服务和功能的能力，而土壤功能指某一项能力。随着人们对土壤生物多样性和土壤健康的关注，土壤学家开始重视土壤对生态系统服务的贡献[11]，以及在土地资源政策和管理中进行土壤生态系统服务评估的重要性[12]。在农田生态系统中，人们对土壤功能的认识，不再仅限于作物高产，而是追求产量、质量、效益、环境、资源效率等的多目标协同。
土壤具有多重功能。欧盟委员会[13]在2006年土壤保护专题战略中归纳了土壤的7项功能，包括（1）农业及林业中的生物量生产；（2）养分、其他物质和水的储存、过滤和转化；（3）生物多样性，包括物种和遗传多样性，以及生物栖息地；（4）人类及人类活动的物理和文化环境；（5）原材料的来源；（6）碳库；（7）地质考古遗产档案。FAO[14]提出了11项土壤功能。目前人们重点关注的土壤功能主要包括5项：（1）初级生产力；（2）水的净化与调节；（3）气候调节与碳固持；（4）土壤生物多样性的维持；（5）养分的供给与循环[15]。可以看出，目前仍较少涉及土壤的社会经济功能，对土壤功能的认识多基于自然科学的研究[4]。
1.2 土壤功能与土壤健康
土壤健康是指土壤作为一个重要的生命系统，在其生态系统和土地使用边界内发挥功能的能力，以维持动植物生产力，维持或改善水和空气质量，并促进动植物健康[16]。由此可见，土壤多功能性是土壤健康的核心，是土壤健康状况的综合体现。联合国“土地退化零增长”目标（Land Degradation Neutrality）及生物多样性公约（Convention on Biological Diversity）均关注土壤功能与土壤健康[17-18]。当前人类健康、可持续发展、气候变化与土壤健康的关系已引起人们的广泛关注，随着全球土壤健康行动推进，土壤健康的内涵不断扩展，包括碳中和、营养健康、气候变化相关的内容成为土壤健康未来研究的重点。

1.3 土壤生物多样性对土壤多功能性的影响
土壤是生物的栖息地，是地球上最大的生物资源库。土壤生物多样性是生态系统群落结构和功能的主要驱动因素[20]。土壤生物支撑多种土壤生态系统功能，包括初级生产力、养分循环、有机质分解，气候调控以及病原菌消长等[21-22]。生物多样性的丧失和生物群落的简化导致生态系统的功能下降[23]。在青藏高原的研究发现，地上与地下生物多样性对生态系统多功能性的叠加效应高于两者的独立效应[24]。
土壤生物生活在复杂的食物网中，不同营养级生物间通过多样化取食关系在生态网络中形成高度复杂的生态集群[25-26]。各个生态集群内部的生物具有相似的资源和环境偏好，土壤生物组合之间的连通性影响食物网的复杂度。在生物多样性高的土壤中，食物网的复杂性增强，可高效调节物质循环和能量流动[27]。在农田生态系统中，多营养级生物间的正向互作能够促进土壤养分循环，提高作物产量[28-29]。食物网中较高的营养级水平或者关键物种在土壤多功能性中有重要的调节作用[30-31]。例如，无脊椎动物以植物和动物碎屑为食，显著影响土壤养分有效性。研究发现，蚯蚓通过改变土壤基础理化性质调节土壤微生物群落结构，影响生态系统多功能性[32]。此外，土壤微生物多样性和核心功能微生物类群也是影响生态系统稳定性的主要因素[33]。
1.4 土壤功能之间的协同与权衡
土壤功能及土壤可提供的生态系统服务主要受土壤属性及其相互作用的影响，其中土地利用方式和土壤管理对土壤功能的影响较大。人类对土壤的不合理利用与管理导致土壤生态系统失衡，引起负服务（Dis-service），例如生物栖息地丧失、营养物质损失、温室气体排放等[22, 34]。土壤各个功能之间并非相互独立，而是存在着动态的协同与权衡关系。协同关系表现为多种土壤功能同步增强或减弱；权衡关系表现为一种或多种土壤功能的增加减弱了另一种或多种土壤功能。在农业生态系统中，各项调节服务（如气候调节与生物多样性维持）之间通常存在协同关系[9]，而在供给服务（如初级生产力）和调节服务（如水净化和碳固存）之间，即在生产力提升和生态系统服务可持续之间需要进行权衡[35-36]。在农田土壤管理中，一些健康土壤的培育技术如保护性耕作、多样化种植、以及生物防治等的目的是挖掘土壤和作物的生物学潜力，培育健康土壤，实现多目标协同[37]。
由于土壤功能在时空上存在动态性，因此土壤功能间的协同与权衡应充分考虑时空要素[38]。在时间尺度上，土壤功能不仅取决于当下的土壤性质与过程，还会随着土壤过程与外界环境的互作发生变化，并且在大空间尺度范围影响土壤功能的发挥。在空间尺度上，我国幅员辽阔，不同地理区域的气候特征、土壤特性、水资源分布、作物类型等均存在差异，不同尺度对土壤功能关注的侧重点不同。在田块尺度上，土壤肥力、病虫害防治等是农户关注的焦点，而在流域尺度上过量氮磷投入会通过淋洗或径流污染地下水与地表水，造成富营养化、鱼类缺氧死亡，削弱生物多样性。同时，一些土壤功能在地理区域之间存在相互叠加或抵消效应[15]。以土壤固碳为例，不同土壤类型、土地利用方式及管理方式之间存在显著差异，而在区域上则可以叠加，这也为我国“碳达峰”与“碳中和”目标的实现提供了区域优化的可能途径[39]。
在权衡各项土壤功能时，需要充分结合不同时空尺度的需求和管理目标，保证重要土壤功能的协同。如在提高作物品质时，可能会对产量产生影响，但品质的提升最终将提高产品价值。在景观尺度上，增加乡土植物缓冲带、多花带等会影响土地产能，但增加了生物多样性和景观功能，因而权衡土壤功能与土地整体规划和管理目标需求关系密切。


文章来源：土壤学报