3.量化土壤健康
量化在土壤健康和土壤生态系统服务管理中具有重要意义，土壤的多功能性（图2）和多样性要求将多个指标进行量化并整合为一个指数。一般而言，土壤健康指标可分为物理、化学或生物三类，但是由于许多特性反映了多种过程，这三类指标并不能完全划分界限。例如，土壤团聚是化学指标(如有机质含量)、矿物类型和/或生物活动的结果。同样地，植物有效磷也属于化学指标，但其主要是微生物矿化和植物吸收等生物过程的结果。因此,从许多方面来说，目前的分类(化学、物理、生物指标)并不是因果关系的反映(例如植物有效磷也是生物过程的结果),而是易于表征分析的对象 (例如磷酸盐是一种化学指标)。
图3. 土壤生态系统服务管理。图的顶部列出了土壤的四个重要作用(植物生产、水质、人类健康和减缓气候变化)。下面列出了各种管理策略及其对关键土壤性质和生态系统服务的影响。GHG：温室气体；N：氮。
土壤健康指标应满足以下四个标准：相关性，即与土壤健康及其生态系统功能和服务相关（表1；图3）；灵敏性，变化快速且可检测，而不只是反映短期波动；实用性，成本低廉，周转时间短；信息性，即能为管理提供信息（图4）。目前65个土壤健康分析方案（包括土壤质量方案和土壤健康方案）中，有20%以上约有一半指标能满足四项标准（图4），但一些重要指标并不满足。例如，总有机碳满足三个标准，但通常不会快速变化(不灵敏)，需要额外的指标，如更灵敏的有机碳组分。其他指标，如土壤质地或深度，不容易变化，也不容易管理(换句话说，不能为管理提供信息，图4)，即使它们与土壤健康高度相关，但在许多方案中仍然需要时间密集型分析或实地测量。然而，这些无法管理的指标为土壤健康提供了背景，反映了土壤的潜力或容量，没有这些指标就无法理解那些可管理的属性。另外，还有一个重难点在于目前所列的生物指标中没有一项能低成本、可靠和快速地获得信息。
图4. 土壤健康指标及其与评估的相关性。理想情况下，土壤健康指标具有信息性、敏感性、有效性和相关性。有些不能满足所有的标准，但仍然是相关的(例如质地或土壤深度，它们不容易改变，也不受管理，因此也称为能力指标)。粗体字表示将土壤健康量化的应用从作物生产扩大到可持续性和地球健康的指标。白箭头内包括应进一步发展为有效和实用性的指标。注意：多样性包括土壤生物、景观土壤类型多样性、土壤有机质的分子/结构多样性和土壤中生长的植物多样性，其中一些可能无法通过分析或建模方法进行量化。C：碳；CEC：阳离子交换能力；EC：导电性；GHG：温室气体；N：氮；TOC：总有机碳。
关于植物生产的土壤健康评估通常包括总有机碳、植物有效养分、pH值、阳离子交换容量、电导率、渗透阻力、氮矿化和微生物生物量测试（表1）。土壤健康评估中有一小部分(少于20%)包括土壤团聚体、蓄水量和有机碳组分。为减缓气候变化而管理土壤健康也应测试以上参数，其中一小部分检测了土壤氮形态，这些测试应加以调整以提供有关潜在温室气体排放的信息（包括一氧化二氮等）。与水质有关的土壤健康评估应包括微生物生物量和活性、流动性养分、重金属毒素和总有机碳检测，这已经是许多土壤健康测试计划的一部分，但还应包括只是偶尔检测的团聚和渗透。这些指标中许多也应用于有关人类健康的土壤健康评估。
总的来说，目前三分之二以上的土壤健康测试框架包括传统的土壤有机质、pH值和植物速效磷和钾的定量测定，一半以上包括含水量和容重的测试，有三分之一还建议对土壤呼吸、微生物生物量或氮矿化进行测量，以表征生物特性和结构稳定性。在90%的土壤健康评估方案中（图5），化学指标至少占40%，表明化学性质对量化土壤健康的重要性以及长期以来对植物生产的重视。事实上，目前最先进的分析方案（如土壤管理评估框架）重点关注的是作物可持续生产的指标。然而,欧洲委员会最近建议将土壤生物多样性作为土壤健康的六项指标之一。
即使某方案所使用的指标总数增加，生物指标所占比例仍低于20%（图4，5）。此外，尽管生物指标被认为对土壤健康管理很重要，过去十年来土壤健康评估计划尚未将更大比例的生物指标纳入其中（图5）。我们认为生物指标代表性较低的一个原因是缺乏对土壤生物如何与土壤功能相互联系的理解(满足“相关性”标准，图4)，以及这种理解如何与管理决策相关(“信息性”)，并且较难量化生物指标(“实用性”)。这种认识的缺乏使得生态系统服务也缺少生物指标（如作物产量、水质或生物多样性）。例如，在瑞士草地土壤中土壤生物多样性(微生物和动物)的减少与降低的植物多样性、三倍的磷淋失量和六倍的一氧化二氮气体损失量均有关。因此，迫切需要提高对生物指标和土壤健康之间因果关系的认识，并寻找满足四个标准的评估指标，这也是土壤健康研究的下一个前沿领域。
图5. 列入土壤健康评估方案中的生物、化学和物理指标。左栏显示了指标的数量和每种类型(生物、化学或物理)的比例。每个圆代表一个评估方案，圆的大小代表考核方案中指标的数量。右栏显示左栏中每个土壤健康评估计划实施的年份。只显示年份的最后两位数字(80和90的值来自20世纪80年代和90年代，00到20的值代表2000年以后)。目前提出的土壤健康指数主要使用了化学和物理指标，生物指标的比例通常低于化学指标或物理指标，而化学指标和物理指标在方法发表后并没有随时间而改变，这可能反映了土壤健康指数对作物生长的关注。提出的方案中指标数目与生物指标的比例无关。一个综合的土壤健康指数需要一组平衡的指标，至少代表20%的生物、物理和化学指标。然而，用于量化不同服务的指数可能需要一套不同的指标:植物生产的土壤健康指数可能需要更多的化学指标(黄三角形)，水质需要更多物理指标(蓝三角形)，生物多样性需要更多生物指标(绿色三角形)，气候需要更多的物理和生物指标(橙色三角形)。
4.新一代指标
每个土壤健康目标都需要一套不同的监测参数，并在管理后适时地与参考状态进行比较。建议将20%以上的现有方法中均包含的指标作为实现管理目标的最低指标集(表1)。此外，建议在为每个管理目标评估土壤时增加额外的指标，特别是生物评估。例如，建议在土壤健康测试中更广泛地检测土壤团聚体、土壤渗透系数、蚯蚓丰度和有机碳、氮组分(表1)，并在植物生产的土壤健康评估中添加氮矿化酶活性的检测。建议将一些主要针对非农业土壤服务（如人类健康和水质）的新指标成为常规土壤健康测试的一部分，包括病原体、寄生虫、生物多样性、生物可利用毒素和流动性毒素(如二恶英、多环芳烃和微塑料)以及化合物和孔径多样性。
更重要的是在很大程度上忽视了与气候变化功能相关的土壤健康指标的制定，如温室气体排放和碳固定，主要是由于温室气体排放取决于波动的条件(例如湿度和温度)，因此，特定领域或地区的温室气体通量不能通过一次土壤测量来评估。但是土壤固碳可以通过未受保护和矿物保护的土壤碳组分来评估土壤有机质的易变性，其也是土壤气候变化功能不可或缺的指标。该组分可以非常灵敏地捕捉土壤有机质性质的变化，但与矿化法或微生物生物量测定法相比，这种组分的变化较小，并且后两者可以进行明确的解释并用快速红外技术量化(表1)。现场测量温室气体的排放需要高度动态时间过程的综合信息、基于生物反应器驱动的气体和溶质自主检测新一代传感器以及无线网络的一系列能量收集技术。
目前，有机体的(生物)、分子的(化学)和结构的(物理)多样性指标均未充分纳入或整合到土壤健康分析框架中，尤其是对土壤和人类健康具有重要意义的生物多样性，尚缺乏适当的土壤健康指标和实用的量化方法；同样地，对于土壤有机碳的留存和固定具有重要意义的分子多样性和土壤结构多样性也仍缺乏研究。下一代植物和气候功能传感器技术可以为监测土壤健康随时间的变化提供急需的平台；最近的全球生物多样性制图和类似的工作将为生物多样性校准提供背景和参考；应对近红外和中红外、超红外能量、声音、实验室芯片技术等快速筛选技术（对于土壤来说不发达的技术）加以改进，使现有的土壤健康分析更便宜和快捷；具有前景的生物特性观察工具或技术，包括电化学和生物传感器，是迅速崛起的新方法；被动取样器也可以并且应该用来量化对生物体有害的小部分有机毒素，而不是依靠对管理变化不够敏感或生态相关组分的总含量进行评估。总之，这些技术可以扩展对于生物特性的评估，包括土壤有机质的不稳定性、微生物、动物群落以及功能基因信息。
未来十年土壤健康监测的进展还应包括遥感技术的发展。遥感不仅应包括土壤性质的空间信息，例如使用微波测量土壤含水量，而且还应通过数学模型评估与土壤功能相关的土壤管理办法，如目前已应用于土壤有机碳监测的模型方法。通过遥感进行快速和大规模的土壤健康筛查，应辅之以引导式小型机器人的探索使用，来评估通过远程或大规模评估通常无法发现的土壤热点和敏感性路径(如土壤裂缝和蚯蚓洞)。应当利用新一代电子技术实现廉价和分布式的传感器部署、快速数据传输、存储和处理，并利用计算机和智能电网领域的快速发展，开发用于土壤健康监测的物联网传感器网络。快速筛选、现场和远程监测技术将大大提高测量和管理土壤健康的能力，最终改善土壤生态系统服务。
5.土壤健康指数
由于土壤健康指标众多，科学家和利益攸关方都希望将这些指标纳入一个单一的测试评分或“土壤健康指数”中(注意“指标”和“指数”之间的区别)。然而，土壤健康指数相对较少；2020年编制的土壤健康数据库“SoilHealthDB”评估了500多项关于土壤健康和质量的研究，只有5项研究包括单一的土壤健康指数。这里讨论了在建立综合指数方面的一些挑战，以及在开发和应用时必须克服的需求。
5.1 挑战
从发布的屈指可数的指数数量可以看出建立土壤健康指数是很困难的，因为需要对包括分类属性在内的多个指标进行量化转换和加权，以便将它们纳入最终的单一评分。指标数值必须使用非线性关系进行转换，因为数值越高并不总是表明土壤健康状况越好。比如有机碳数值高确实是许多土壤功能的理想属性，但pH值应在一个中等范围内，并且土壤渗透力应相对较低，土壤健康综合评价将这三类指标描述为“越多越好”、“最佳曲线”和“越少越好”。在大多数现有框架中，测量值到评分的转换是基于参考数据集中实际测量值的分布。为了确定最终的土壤健康评分，通常所有的指标都同等重要。例如，土壤健康综合评价根据与该区域所有可用数据参考值的比较，为每个指标赋值0至100之间的数(100为最高值)。
虽然这些指数可以在大尺度上提供有用信息，但因土壤类型之间的固有差异造成偏差时，区域之间的比较是不恰当的，需要根据区域条件和需求仔细校正。例如，在英格兰和威尔士的温带耕地土壤中，当黏土含量为40%时，1.5%的有机碳含量被认为是下限值，但当黏土含量低于10%时相同的有机碳含量则被认为很高。因此，某地区土壤有机碳含量高低的确定取决于其黏土含量，应与黏土含量相近的参考土壤进行比较。土壤健康随时间变化的比较更有意义，可以将土壤健康定义为一种持续能力。例如，随着时间的推移，土壤团聚体的形成或稳定表明土壤健康状况较好，因为颗粒主要是由有机改良剂中的微生物产物结合到团聚体中。然而，即使没有有机质团聚体也可以形成，且不同土壤中团聚体的形成也不同——在没有有机改良剂的情况下，巴西的高岭石氧化土中会在几周内形成团聚体，而美国的伊利石软土中则不会形成团聚体。使用生物指标时，考虑土壤之间的固有差异尤为重要。例如，在横跨德国南北梯度上，土壤类型、土壤质地和pH值对细菌多样性的影响与土壤是森林土或是草地土的影响一样大。在相同地点，由于草原的施肥、割草和放牧管理或森林的各种造林管理而引起的细菌多样性变化也只在此特定地点可见。
尽管有这些注意事项，适当地比较土壤健康指标和指数随时间的变化，或与适当的参考数据集比较也可以用来进行评估，例如，减少耕作或增加堆肥是否会提高土壤团聚体和土壤健康总分。事实上，标准做法是确定土壤可提取养分含量的高低，或者将养分指标转化为用于某一作物的肥料量，同时识别其质地和矿物类型的差异，甚至可以利用肥料对特定土壤响应的信息。
5.2 需求
制定一个包括所有土壤功能（图1，2）的土壤健康指数需要更广泛的利益攸关方参与，而不是只关注作物生产的指数。一个全面的土壤健康框架应包括并允许进行权衡，以达到最佳的总体功能，因为有时必须平衡多种土壤功能之间的竞争，例如平衡减少化肥造成的水污染的需要与优化作物生长所需的养分有效性的需要。这种权衡还意味着必须评估水质等非作物生态系统服务的影响与作物生长对人类健康的影响，而这种影响即使在综合生态系统服务评估中也很难量化。需要评估土壤对人类健康的影响，因为其能通过生产有营养的食物以及清洁的水影响人类，但关于二者谁更重要的量化标准尚不明确。
因此，全面的土壤健康指数应包括多标准决策分析，以量化和优先考虑土壤健康管理的可持续性成果。社会对不同土壤功能(如水质和粮食生产)的需求可能因利益攸关方和地区而异。在一份欧洲社会需求分析报告中，水质和食品生产通常被一同提到，尽管荷兰和比利时等人口密集的国家则比罗马尼亚或芬兰等国更重视水质和营养管理。土壤健康数据应使用交互式数据可视化来呈现，呈现方式可根据重点需求进行重新配置，这种交互式工具将有利于研究人员和利益攸关者确定土壤功能的优先级并做出决策。应更充分地探索机器学习、深度学习、人工神经网络或博弈论等新兴数据分析工具，以量化土壤健康指标的影响，并确定水质或粮食生产等土壤功能的优先级。
与此同时，需要开发新的分析和概念研究方法，发掘土壤健康的系统特征，以便在监测土壤健康的同时了解土壤健康对土壤功能的影响。精确农业和数字农业正在利用其多种生态系统功能和服务扩展对土壤健康进行量化的途径。土壤科学和工程之间必须更广泛地合作，仪器和计算技术都是由利益相关者共同开发的。例如，通过联合实验室进行土壤工程合作，将推动新的探测技术以及可以将复杂数据结构转换为简单应用程序的数据分析工具的发展，以供利益相关者使用。水科学、医学、心理学、哲学和其他领域需要参与到土壤健康的衡量和管理中，以反映土壤健康的全部功能，包括气候变化、水质、生物多样性和人类健康。促进在专业及行业会议上的讨论以及对下一代科学家的综合训练，将有助于促进相互了解，共同解决问题。
6.未来展望
土壤健康概念提高了对土壤在现代社会中作用的认识，满足了利益攸关方在可持续发展中的一项重要需求，并正在发展成为一个对于农民、土地管理者、市政当局和决策者具有吸引力且可作为的平台。这一概念的多功能性使许多利益攸关方均能够采用并使之适用于其背景。通过与可持续发展目标建立联系，激发创新性土壤管理，使得公众就土壤健康中达成共识，并成为努力实现的目标。
科学家们正在就土壤健康的定义达成共识，并正在开发或改进量化土壤健康各方面指标的方法，但是这些方法主要是关于其作物生产力功能，并没有充分考虑到生物和非生物多样性。研究人员应该把土壤健康作为首要原则来建立知识体系，而不是仅仅将其作为一种属性来衡量。如此，土壤健康就可以更好地被确立为一个多学科支撑的科学领域，例如将具体学科的研究也列在“土壤健康”关键词之下。发挥土壤健康概念作为整合土壤功能的统一概念的潜力，需要所有有关方面的参与，特别是利益攸关方和科学家之间的共识。
由于土壤具有广泛的环境和社会功能，土壤健康应在法律上被认定为一项公共利益。土壤健康量化标准的制定应由政府或政府间组织牵头，如全球土壤伙伴关系(Global Soil Partnership)，必须就指标的适当类型、检测方法细节以及纳入指数制定国际标准。如此，一种综合的土壤健康指数应供地方、地区或国家司法机构和组织参考，以指导影响土壤及其功能的决策，从而有利于实现可持续发展目标。
出处：Lehmann,J., Bossio, D.A., Kögel-Knabner, I. et al. The concept and future prospects of soil health.Nature Reviews Earth & Environment, 2020,1:544-553
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