综述：土壤健康研究是否发挥其潜力？加利福尼亚州研究分析及其对生态系统服务的影响

　　本文综述了加州农业生态系统土壤健康与土壤质量研究的现状，指出尽管土壤健康研究更侧重生物指标（85%论文涉及），但其对土壤物理、化学、生物三维指标的综合评估（仅46%论文涵盖）反而不及土壤质量研究（51%）。研究揭示了当前指标多关联土壤肥力与养分循环等支持性生态系统服务（ES），而对粮食生产、土壤碳固存（C sequestration）、水分调节及气候调节（如CO2、CH4、N2O排放）关注不足，强调需加强综合评估以支撑多功能农业系统。

　　

土壤健康研究是否发挥了其潜力？加州研究的分析与对生态系统服务的启示

摘要

土壤健康是一个不断发展的学科，对研究、政策和农业综合企业具有重要意义。土壤健康的一个关键原则是对物理、化学和生物特性三个维度进行综合评估。然而，很少有研究检验研究是否达到了这一目标，或者是否与数十年的土壤质量工作有所不同。本研究评估了在加利福尼亚州的农业生态系统中，土壤健康和土壤质量研究如何在不同管理实践下评估这些维度。我们将在每个维度内的指标与生态系统服务联系起来，以理解其对多功能农业生态系统的影响。我们发现，从1976年到2024年，有43篇文章使用了“土壤质量”一词，而26篇文章使用了“土壤健康”，后者首次出现于2015年，显示出近期增长的兴趣。覆盖作物在土壤健康研究中占主导地位（30%），而有机改良剂和废水管理是土壤质量研究中最常见的实践（分别为31%和24%）。近85%的土壤健康论文测量了生物组分，而土壤质量论文为60%，这支持了土壤健康学科的驱动力。土壤物理和化学性质研究较少，意味着土壤质量研究即使不是更全面，也与土壤健康研究相似（分别为51% 对 46%）。大多数指标与支持土壤肥力和养分循环相关，突显了需要对粮食生产、土壤碳固存和水调节给予更多关注。无论术语如何，本综述表明研究尚未全面评估土壤。综合评估对于使农民受益和为社会提供多种生态系统服务至关重要。

缩写

ES：生态系统服务

POXC：高锰酸盐可氧化碳

WEOC：水可提取有机碳

1 引言

土壤对于生产食物至关重要，并且通过支持重要的社会和经济功能以及生态系统服务（ES），对可持续性至关重要。土壤质量作为一个单一术语最早由Schultz使用，描述了植被对土壤质量的影响。土壤健康、质量和肥力这些术语在1960年代绿色革命后开始更广泛地使用。在绿色革命之前，土壤肥力是发表最多的术语。到1930年代，土壤生物学被认为是连接土壤与动植物健康的重要环节。Doran和Parkin将土壤质量定义为“土壤在生态系统边界内发挥功能以维持生物生产力、保持环境质量以及促进动植物健康的能力”。土壤健康的概念后来出现，旨在提高对土壤生物学作用的认识，特别是生物的多样性及其不同功能，并且今天与“One Health”概念相关联。土壤健康是可持续农业的关键组成部分，因为它包含了土壤的物理、化学和生物属性，这些属性有助于其持续作为一种维持植物、动物和人类的重要生命生态系统的能力。专家认为，全面的土壤健康评估应考虑一组平衡的指标，包括生物、物理和化学测量，每项至少占总使用指标的20%。这种转变反映了土壤科学中更广泛的范式转变，使我们能够超越土壤质量对作物生产的单一关注，而将土壤在水质、气候变化和人类健康中的作用包括在内。

尽管这些定义已很完善，但很少有人质疑过去十年土壤研究学科如何改变了这一框架。土壤健康主题以及非营利组织、政府和农民的兴趣呈指数级增长，但尚未有努力评估土壤健康研究的全面性以及它是否达到了整合化学、物理和生物参数的目标。相反，现有的综述侧重于评估框架和适当的指标，以及对土壤健康和土壤质量学科的批判性评估，因为它们都存在缺陷。早期，Sojka和Upchurch提出了批判性观点，认为由于土壤是复杂的生态系统，土壤质量的定义因每种情景而异，最终变得无法定义。后来，Janzen等人对土壤健康范式表达了类似的想法；然而，他们强调了使用该隐喻的力量，因为它能引起受众的深刻共鸣，并促进了跨学科和生态系统的视角。由于总体目标的相似性以及科学观点的这种变化，我们假设使用土壤健康术语的研究已经取代了Doran和Parkin提出的土壤质量概念框架。

农业生态系统在可行的社会经济边界内提供所需比例的供给、调节和支持服务的能力，一直是推广土壤质量和健康理念的原则。虽然农业生态系统有助于多种服务及相关功能，但它们也可能提供降低生产力或增加成本的损害（例如氮淋失）。同时，由于气候变化，世界各地的农业生态系统面临严重威胁，特别是气温升高和水资源短缺，威胁着生态系统功能和产生积极结果的潜力，进一步加剧了农业的环境影响。生态系统服务由特定生态位、栖息地或土地类型内的功能和生物提供。人类受益于并依赖于这些服务产生的结果或产品。将这些生态系统服务与不同的土壤参数联系起来很重要，因为土壤是这些服务产生的自然资本基础。已经开发了连接它们的框架，以在不同空间尺度和管理层级估计这些影响。将土壤参数与生态系统服务联系起来，为评估土壤资源管理提供了科学工具，同时考虑了社会需求。因此，评估土壤健康研究的一个重要步骤是将物理、化学和生物属性中的特定参数所提供的不同生态系统服务进行映射。这为评估当前关于土壤健康和土壤质量的研究如何促进支持粮食生产同时提供与生物多样性以及水和气候调节相关的更广泛生态系统服务的多功能农业生态系统提供了基础。记录趋势对于确定研究差距和在未来计划中优先考虑特定生态系统服务也至关重要。

土壤质量和土壤健康的指标通常根据其准确代表生态系统过程的能力、对管理实践和气候条件变化的响应性以及对农业专家、生产者、保护主义者和政策制定者的实用性和有用性进行评估。土壤健康与改善环境质量的生态系统服务结果之间的联系已在全球范围内得到广泛强调。然而，关于土壤健康实践对产量效益和农民结果的信息缺乏。需要了解不同地区研究了哪些实践，这可以为支持农民采用的政策或激励措施提供证据基础，从而对生产力、盈利性和/或环境可持续性产生益处。加州的农业部门在美国领先，销售额达560亿美元，种植作物多样性高。关于土壤质量的研究自1925年（Schultz）以来一直在进行，土壤健康在科学和政策努力中日益受到重视。此外，农民对土壤健康管理表现出显著兴趣，将其设为高度优先的农艺主题。加州食品与农业部的一份最新报告强调需要汇编关于土壤生物多样性的现有数据，并将其与土壤健康指标和生态系统服务联系起来。此外，加州食品与农业部的健康土壤计划（HSP）是美国的一项开创性倡议，旨在培育加州的健康土壤，资助研究和农场示范项目，以增强土壤有机质、水分入渗并减少温室气体（GHG）排放。尽管有大量资金投入，但最近的研究表明，大多数HSP投资侧重于投入替代实践，而非全面的农业系统重新设计。总体而言，现有研究仍然零散，土壤参数、生产力结果和生态系统服务的整合尚未得到解决。因此，土壤健康研究的全面性以及它是否达到了这些目标仍不清楚。

本综述旨在（a）综合关于土壤健康和土壤质量的现有研究，量化在物理、化学和生物维度上测量的指标，并确定所研究实践的趋势；（b）评估这些指标所代表的生态系统服务及其影响；以及（c）确定研究差距，并为土壤质量和健康结果的全面表征提供建议。

核心思想

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  土壤健康研究常常忽视物理维度。
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  土壤质量研究即使不比土壤健康更全面，也同样全面。
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  生物指标在土壤健康评估中变得更重要。
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  需要更多关注养分循环以外的生态系统服务。
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  综合土壤评估是多功能农业生态系统的关键。

2 方法

在2024年5月使用Scopus数据库检索已发表文献，使用所有日期范围。使用了以下关键词组合：（“土壤质量” AND 加利福尼亚）和（“土壤健康” AND 加利福尼亚），并分别保存在两个数据库中。阅读所有找到的文章（土壤质量n = 113，土壤健康n = 55）。纳入本综述数据库的文章标准是：（i）研究在加利福尼亚州的农业生态系统进行；（ii）文章必须在标题、摘要或关键词中提到“土壤质量”或“土壤健康”一词；以及（iii）测量了土壤参数。筛选后，分别有43篇和26篇包含土壤质量和土壤健康术语的文章被纳入。我们认识到可能有一些已发表的研究涉及该主题，但没有呈现与“加利福尼亚”相关联的“土壤健康”或“土壤质量”术语。这些出版物未纳入我们的数据库，因为它们没有使用作为主要研究主题一部分的术语。从下载的文章中提取了以下信息：发表年份、研究地点（坐标）、作物、评估的农业生态实践以及土壤参数，然后将土壤参数分类为土壤的化学、生物或物理性质。

从系统综述中提取的土壤参数随后与生态系统服务联系起来，改编自Tamburini等人的框架。在该框架中，每个土壤参数被重新分类为一个或多个生态系统服务。例如，土壤养分有效性被分配给土壤肥力，含水量被分配给水调节，而温室气体排放被分配给气候调节。因此，一些研究覆盖了不止一个生态系统服务。所有图表均使用RStudio制作。

表1. 与土壤参数相关的生态系统服务

生态系统服务	生态系统服务类别	所纳入出版物中的土壤参数
生物多样性	支持	线虫多样性
		微生物多样性，细菌和/或真菌和/或古菌
		微生物生物量和/或组成
		一般生物多样性
食物生产	供给	作物产量
土壤肥力和养分循环	支持	总碳
		POxC
		总氮
		硝酸盐和/或铵
		土壤有机氮
		碱基阳离子
		土壤磷
		土壤pH值
		容重
		团聚体稳定性
		微生物生物量和/或组成
		微生物生物量碳
		微生物生物量氮
碳固存	调节	总碳
气候调节	调节	CO2–CH4–N2O—NH3 排放
		土壤呼吸
水调节	调节	容重
		孔隙度
		入渗
		持水能力
		氮淋失

注：改编自Tamburini等人。

缩写：POxC，高锰酸盐可氧化碳。

3 结果

3.1 测量的指标与所实施实践的趋势

我们的研究揭示了在加州发表的土壤健康和土壤质量研究的侧重点存在显著差异。具体而言，使用土壤健康术语的研究更倾向于测量生物参数，85%的论文包含了此类指标。然而，尽管存在这种积极趋势，但土壤健康研究中对物理参数的包含率显著较低，只有58%的论文包含了这些测量。在土壤参数内部，测量的指标在两个数据库之间也有所不同，尤其是化学指标。已经从测量磷和碱基阳离子等元素转向测量碳组分（例如，高锰酸盐可氧化碳[POxC]和水可提取有机碳[WEOC]）。令人惊讶的是，我们发现土壤质量研究甚至比土壤健康研究略微更全面，51%的土壤质量论文涉及所有三个参数，而只有46%的土壤健康论文包含了所有参数。另一方面，使用土壤健康术语的论文中报告产量的比例高于土壤质量论文（58% 对 49%）。

所研究的两个数据库中的研究实践也有所不同。在土壤健康数据库中，覆盖作物是最常被研究的实践，占论文的30%。然而，土壤质量数据库显示出对有机改良剂和废水管理的更高关注，分别为31%和24%，反映了术语之间不同的研究重点。有趣的是，尽管侧重点不同，但时间趋势分析表明，“土壤健康”一词并未在文献中取代“土壤质量”。相反，两个术语都在使用，没有明显转向 exclusively 使用其中一个。值得注意的是，有七篇论文同时出现在土壤健康和土壤质量数据库中。

3.2 所代表的生态系统服务

大多数论文与支持土壤肥力和养分循环和/或可利用性的生态系统功能相关。这是由于报告化学性质的研究比例很高。气候调节是研究量最少的功能，仅占论文的20.3%。大多数研究与支持性生态系统服务相关，而只有50.7%对应于供给服务（即食物生产）。

4 讨论

4.1 测量的指标与所研究的实践

尽管土壤健康学科受到重视并呈指数级增长，但报告涵盖生物、化学和物理土壤指标的论文比例并未增加。事实上，在土壤质量研究中观察到的略微全面性优势表明，尽管土壤健康的定义更广泛，但其研究尚未完全实现Janzen等人强调的跨学科系统视角的潜力，并且没有按预期全面进行。看到报告物理指标的论文数量较少，因此全面性较低，一个合理的解释可能是现在大多数研究项目的最大长度为三年，这可能不足以观察到物理参数的重要变化。然而，忽略物理指标降低了土壤健康评估的全面性。即使短期内不太可能发生变化，纳入物理指标对于评估基线条件和支持长期监测也很重要。将土壤评估为生命生态系统需要一种多维度方法，以捕捉生物、化学和物理过程。不纳入物理指标，评估就不允许进行反映土壤功能之间权衡的多标准评估。这反过来又限制了我们理解管理实践如何影响土壤提供生态系统服务的整体能力。两种范式之间对实践的不同侧重点——特别是土壤健康研究中对覆盖作物的强调和土壤质量研究中对废水管理的强调——可能反映了加州特定政策倡议的影响。例如，加州食品与农业部和加州水资源部的项目可能在塑造研究重点和所用术语方面发挥了作用。例如，大部分CDFA HSP资金用于激励堆肥和覆盖作物实践。对覆盖作物日益增长的关注是令人鼓舞的，因为它们在加州的土壤碳、水分入渗和生物多样性方面有据可查的益处。相比之下，土壤质量数据库显示出对废水管理研究的更强关注（25%）。早期研究（可追溯到1976年）中废水的重要性可能反映了对水资源短缺的历史担忧，以及在加州缺水的农业系统中废水补充灌溉的潜力。州政府资金，特别是通过中央谷地盐度长期可持续性替代方案等项目，支持了关于地表水和地下水中盐度和硝酸盐损害的研究。

“土壤健康”和“土壤质量”在关于加州土壤的文献中持续存在，随着时间的推移，没有前者取代后者的明显迹象，这与Powlson的论点一致，即这些术语在很大程度上是同义词。然而，这两个术语的持续使用突显了科学界内部关于如何最好地表征和传达土壤功能的持续辩论和不同观点。我们的综述只关注加州现有的研究，但有许多已知能构建土壤健康的实践在别处的长期实验中有记载，应进一步探索，例如耕作实践或向多年生作物系统的转变。

4.2 生态系统服务及其影响

土壤提供的服务对于促进农业和土壤资源的可持续性至关重要，但我们的评估显示，在支持、调节和供给生态系统服务类别之间的研究不平衡。气候变化对加州农业的主要影响之一可能是减少支持灌溉需求的可用水量。令人惊讶的是，只有46.4%的论文与水调节相关。在不同尺度上快速的生物多样性下降是加州的另一个关键可持续性问题，但不到一半的论文包含了此生态系统服务类别的指标。此外，尽管正在做出巨大努力以减少农业部门的温室气体排放，但只有约20%的论文与气候调节或结果相关。与Adhikari和Hartemink在全球综述中的观点类似，我们认为关于土壤碳固存和水调节的研究应在未来的土壤生态系统服务研究中获得更高的优先级。应注意，我们的综述受搜索术语限制，即论文必须包含“土壤质量”或“土壤健康”术语。因此，很可能其他关于全州农业温室气体排放的研究，以及未使用这些特定术语的土壤温室气体排放田间研究未被纳入。

与土壤健康相关的农学生产力在加州已被报告为一个重要主题。然而，我们的研究结果显示，只有50.7%的论文报告了产量，这表明当前研究未能填补一个重要知识空白。我们承认一些研究可能收集了产量数据，但在单独的出版物中报告。尽管如此，将产量结果与土壤评估结合起来，可以降低可持续土壤管理实践（如覆盖作物）的风险和采用障碍，同时也能提供对这些实践经常影响的其他重要生态系统服务的见解。农民承担着在农场层面促进土壤健康的责任，这在更大尺度上具有惠及社会的巨大影响，因此他们需要因良好实践而获得回报。了解对产量的潜在正面或负面影响对于设计有吸引力且有效的激励措施至关重要。

5 最终评述与结论

关于加州农业生态系统土壤质量和土壤健康的文献广泛。本出版物综述提供了对已评估的管理实践以及生物、化学和物理性质在多大程度上得到全面评估的理解，从而支持土壤健康作为一门独立学科的持续发展。使用土壤健康术语的研究论文包含大量生物指标，但并未比土壤质量术语更全面地评估土壤。只有46%的论文涵盖了所有三个土壤维度，略低于土壤质量数据库中的文章比例。土壤健康研究比土壤质量研究更常报告产量，但缺乏一致报告仍然是采用的障碍。土壤是复杂的系统，在不同背景下将它们与生态系统服务联系起来对于突显其在可持续发展中的多维作用至关重要。我们的综述表明，要推动该领域发展，仍存在需要填补的知识空白，特别是与研究的管理实践多样性、测量的指标范围以及对与生物多样性、气候调节和粮食生产相关的若干生态系统服务类别缺乏关注有关。我们建议未来的土壤健康工作包括三个土壤维度的指标：物理、化学和生物，并加大报告与这些土壤指标相关的产量的努力，以实现其转变农民生计和环境可持续性的潜力。

作者贡献

Valentina Roel-Rezk: 概念化；数据管理；形式分析；方法论；软件；可视化；写作—初稿。William R. Horwath: 概念化；写作—初稿。Cameron M. Pittelkow: 概念化；监督；写作—初稿。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。