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Advances in Understanding Soil Degradation 土壤退化知識(shí)的進(jìn)展 目標(biāo)和范圍 Springer 系列“景觀研究創(chuàng)新”展示了理解、監(jiān)測和管理人類世景觀的新方法和技術(shù)。其目的是以高生產(chǎn)力實(shí)現(xiàn)景觀可持續(xù)性。這包括停止景觀及其區(qū)域的退化、發(fā)展文化景觀和保護(hù)半自然景觀。清潔的水和空氣、肥沃和健康的土壤以供食物和其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以及綠色和生物多樣性的環(huán)境是居住在其中的人類生存和福祉的景觀屬性。景觀如何發(fā)揮作用？未來的風(fēng)景如何？我們?nèi)绾尾拍芸沙掷m(xù)地開發(fā)密集使用和壓力大的景觀？ 科學(xué)創(chuàng)新和決策工具是回答和解決這些具有挑戰(zhàn)性的問題的關(guān)鍵。該系列將介紹景觀研究中學(xué)科、跨學(xué)科和跨學(xué)科工作的先進(jìn)方法和成果。它提供了一系列廣泛的方法來測量、評(píng)估、預(yù)測、利用和控制景觀及其隔間。這些包括現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測量方法、資源評(píng)估方法、功能制圖和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、景觀監(jiān)測的傳感方法、數(shù)據(jù)分析和生態(tài)系統(tǒng)建模的先進(jìn)方法、優(yōu)化多功能景觀使用的方法和技術(shù)，土壤和水的生物修復(fù)，以及景觀規(guī)劃的基礎(chǔ)和程序。該系列提供了一個(gè)關(guān)于景觀的新觀點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注科技創(chuàng)新、土壤和在逐步城市化的條件下優(yōu)化農(nóng)業(yè)景觀的問題。人類世全球化世界中的景觀研究基于收集大數(shù)據(jù)和場景建模。 國際長期實(shí)驗(yàn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將為生態(tài)系統(tǒng)模型和決策支持系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。 本系列的編輯卷將重點(diǎn)討論以下主題：景觀研究的現(xiàn)狀和趨勢；了解關(guān)鍵景觀過程；景觀服務(wù)、功能和生物多樣性；評(píng)估土壤資源和質(zhì)量；水資源和質(zhì)量監(jiān)測；景觀監(jiān)測概念和研究；景觀傳感器和監(jiān)測技術(shù)；景觀建模和決策支持；農(nóng)業(yè)土壤和植物管理；景觀規(guī)劃的基礎(chǔ)知識(shí)和工具；水和濕地管理工具；森林管理和農(nóng)林業(yè)；退化景觀的恢復(fù)。 該系列的書籍是對(duì)景觀科學(xué)和相關(guān)學(xué)科主題感興趣的研究人員、教師、學(xué)生和利益相關(guān)者的信息來源。他們介紹了現(xiàn)狀分析、有條理的章節(jié)和案例研究，展示了新決策工具和技術(shù)的實(shí)際相關(guān)性和可行性。因此，本系列的書籍將為從地方到國際決策機(jī)構(gòu)的各級(jí)管理者和決策者提供特別有價(jià)值的信息基礎(chǔ)。 可以通過聯(lián)系出版商獲得作者/編輯問卷、作者說明和圖書提案表。 目錄 1 了解土壤：它們的功能、用途和退化。 . . . . . . . . . . 2 物理土壤退化的類型及其預(yù)防和監(jiān)測的意義。 . . . . . . 3 了解和監(jiān)測化學(xué)和生物土壤退化。 . . . . . . . . . . . . . 4 俄羅斯草原農(nóng)業(yè)景觀灌溉導(dǎo)致土壤退化的分類和原因。 . . . . . 5 西西伯利亞荒漠化：時(shí)間尺度的識(shí)別、評(píng)估和驅(qū)動(dòng)力。 . . . 6 俄羅斯平原不同地區(qū)土地退化的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。 . 7 西西伯利亞融雪侵蝕的測量和評(píng)估。 . . . . . . . . . . . 8 氣候變化和土地利用對(duì)未來土壤侵蝕的潛在影響，以塞爾維亞東南部為例。 9 咸海盆地地面粉塵沉積監(jiān)測。 . . . ... . . 10 耕作如何加速土壤生產(chǎn)和提高泥巖和頁巖中的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量露頭地區(qū)？ . 11 克里米亞農(nóng)業(yè)景觀中土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)和允許速率。 . . . . . . . . 12 日本森林生態(tài)系統(tǒng)中的鹿瀏覽和砍伐樹木對(duì)土壤侵蝕的影響。 . . . 13 農(nóng)業(yè)田間交通導(dǎo)致的土壤壓實(shí)：壓實(shí)量化和繪圖的當(dāng)前知識(shí)和技術(shù)概述。 . 14 農(nóng)業(yè)景觀中田間交通強(qiáng)度和土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的建模。 . 15 通過生物測定法對(duì)棕地土壤進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)評(píng)估。 . . . . . . . . . . ... 16 重金屬污染土壤多組分有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備和研究方法。 . . . . . . 17 生物強(qiáng)化和生物刺激：比較它們對(duì)石油污染土壤的生態(tài)毒性和生物活性的長期影響。 . . 18 西伯利亞鋁冶煉廠附近的環(huán)境污染。 . . . . . . . . 19 冶金廠運(yùn)營導(dǎo)致西伯利亞草原土壤中的技術(shù)性氟。 . . . . 20 石灰對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的污染：概述和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 . . . 21 中塞爾維亞土壤中潛在有毒元素的濃度、背景值和限值。 . . 22 風(fēng)化和植被對(duì)粉煤灰處置場土壤特征和污染物擴(kuò)散控制的影響。 . . . 23 洪水災(zāi)害對(duì)波斯納河匯合處農(nóng)業(yè)用地和作物污染的影響。 . 24 伏爾加草原土壤中難溶性和移動(dòng)性的重金屬。 . . . . . . . 25 尾礦流出對(duì)前 Stolice 礦（塞爾維亞）周圍土壤質(zhì)量的影響。 . . . . . . . 26 粉煤灰的危害和可用性。 . . . . . . . . . . . . . . 27 土壤有機(jī)質(zhì)下降對(duì)作物產(chǎn)量的限制：美國太平洋西北部的案例研究。 . . 28 灌溉農(nóng)業(yè) 75 年和 35 年后，跨伏爾加干草原深色板栗土壤中土壤腐殖質(zhì)的組成和動(dòng)態(tài)以及物理性質(zhì)的變化。. .. 29 伏爾加草原的可耕黑鈣土和栗子土壤與它們的原始類似物相比，肥力下降。 . 30 不穩(wěn)定土壤碳作為塞爾維亞伏伊伏丁那省土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的指標(biāo)。 . . . 31 后火成森林生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵土壤物理性質(zhì)的變化：以俄羅斯亞寒帶森林災(zāi)難性火災(zāi)為例。 .. 32 遙感傳感器和荒漠化和土地退化制圖的最新技術(shù)——回顧。 .. 33 繪制里海北部海岸土壤圖：轉(zhuǎn)化和退化。 . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 長期硫和氮沉積導(dǎo)致的土壤酸化模式以及它們?nèi)绾斡绊懭麪柧S亞東部植被組成的變化。 . 35 圣彼得堡歷史中心的城市土壤（俄羅斯）。 . . . . . . . . . . . . . . . . 36 圣彼得堡市的農(nóng)業(yè)土壤：人為演化和現(xiàn)狀。 . . . . . . . . . . . . ... . 1 了解土壤：它們的功能、用途和退化 摘要 土壤，地球的薄皮，一個(gè)生命體，是一切高度發(fā)達(dá)的生命的基礎(chǔ)，幾千年來保障了人類的生存和文化。它們的功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類的生存至關(guān)重要。由于過度使用和管理不善而增加的土壤壓力已經(jīng)超出了它們的能力，這被認(rèn)為是土壤退化。為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的使命，必須阻止和扭轉(zhuǎn)土壤退化。我們回顧了土壤退化的框架條件、研究的科學(xué)概念及其實(shí)施的現(xiàn)狀和趨勢。必須在生態(tài)系統(tǒng)、土地和景觀等不同類別和規(guī)模的背景下了解、監(jiān)測、減輕和對(duì)抗土壤性能和退化過程。評(píng)估和監(jiān)測土壤動(dòng)態(tài)、退化和荒漠化的方法在多個(gè)層面顯示出不一致和知識(shí)差距。土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念應(yīng)以基于實(shí)地和景觀指標(biāo)和測量的“硬數(shù)據(jù)”為后盾。調(diào)解利益相關(guān)者相互沖突的需求的參與性方法對(duì)于廣泛了解土壤及其長期可持續(xù)利用至關(guān)重要。這需要一個(gè)先進(jìn)的土壤性能現(xiàn)場診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可靠的現(xiàn)場測量技術(shù)以及基于專家的知識(shí)和評(píng)估方法。加強(qiáng)田間土壤科學(xué)對(duì)于在減少和扭轉(zhuǎn)土壤退化方面取得進(jìn)展至關(guān)重要。 摘要 土壤，地球的薄皮，一個(gè)生命體，是一切高度發(fā)達(dá)的生命的基礎(chǔ)，幾千年來保障了人類的生存和文化。它們的功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類的生存至關(guān)重要。由于過度使用和管理不善而增加的土壤壓力已經(jīng)超出了它們的能力，這被認(rèn)為是土壤退化。為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的使命，必須阻止和扭轉(zhuǎn)土壤退化。我們回顧了土壤退化的框架條件、研究的科學(xué)概念及其實(shí)施的現(xiàn)狀和趨勢。必須在生態(tài)系統(tǒng)、土地和景觀等不同類別和規(guī)模的背景下了解、監(jiān)測、減輕和對(duì)抗土壤性能和退化過程。評(píng)估和監(jiān)測土壤動(dòng)態(tài)、退化和荒漠化的方法在多個(gè)層面顯示出不一致和知識(shí)差距。土壤健康和土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念應(yīng)以基于實(shí)地和景觀指標(biāo)和測量的“硬數(shù)據(jù)”為后盾。調(diào)解利益相關(guān)者相互沖突的需求的參與性方法對(duì)于廣泛了解土壤及其長期可持續(xù)利用至關(guān)重要。這需要一個(gè)先進(jìn)的土壤性能現(xiàn)場診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可靠的現(xiàn)場測量技術(shù)以及基于專家的知識(shí)和評(píng)估方法。加強(qiáng)田間土壤科學(xué)對(duì)于在減少和扭轉(zhuǎn)土壤退化方面取得進(jìn)展至關(guān)重要。 1.1 簡介 世界人口以爆炸性的速度增長。食品、纖維和其他商品的生產(chǎn)必須跟上這種增長，以防止人類倒退和世界人口福祉水平的下降（Foley 等人，2011年）。為了在未來簡單地養(yǎng)活額外的數(shù)十億人，需要通過農(nóng)業(yè)進(jìn)一步前所未有地增加糧食產(chǎn)量。 生產(chǎn)性土壤是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。全新世晚期和人類世的農(nóng)業(yè)需要在廣泛使用機(jī)械、化肥和農(nóng)藥、最新的灌溉方法等基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)。此外，快速的全球化和城市化，許多大城市的出現(xiàn)極大地提高了對(duì)基本住房質(zhì)量的要求，最低限度是家庭和衛(wèi)生舒適度和交通。到處都需要大規(guī)模的建設(shè)活動(dòng)，例如城市發(fā)展、交通和交通設(shè)施或創(chuàng)造可靠的水源和能源。所有這些，以及氣候變化等其他因素，都對(duì)包括農(nóng)業(yè)用地在內(nèi)的所有全球資源造成壓力。 土壤是全球土地資源中最重要的組成部分。土壤是地球的上層，是它們的皮膚，是一個(gè)生命體。它們是母巖、氣候、植被、生物活動(dòng)和隨著時(shí)間的推移以及人類活動(dòng)的結(jié)果。與其他自然系統(tǒng)一樣，土壤是發(fā)育、老化和干擾過程的基礎(chǔ)。 土壤具有為人類提供食物、飼料和其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生物質(zhì)以及回收廢物的能力和彈性。如果土壤的狀態(tài)不可逆轉(zhuǎn)地超出這些容量和彈性的限制，則它被認(rèn)為是退化的。 了解土壤的功能和開發(fā)用于做出明智的土壤管理決策的工具對(duì)于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) (SDG)（UN 2015）至關(guān)重要。 《世界土壤憲章》（FAO 2015）通過理解和可持續(xù)利用土壤的原則支持實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。 《世界土壤憲章》的原則 10 解決了盡量減少或消除土壤退化的需要。 本章回顧了土壤退化的主要方面、其原因、觸發(fā)因素、后果和監(jiān)測問題。土地利用變化和農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐引起的人為影響引起的退化受到關(guān)注。本章還討論了在生態(tài)系統(tǒng)功能背景下評(píng)估土壤質(zhì)量和健康變化的退化程度和形式、指標(biāo)和屬性的不同方法。 土壤退化過程需要更好的理解。將確定在可靠評(píng)估土壤退化和荒漠化方面的知識(shí)差距。 1.2.1土壤圈和人類圈 要了解土壤退化的機(jī)制，需要有關(guān)土壤的信息。土壤是土壤圈的基石組成部分，是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的交匯點(diǎn)。只有在土壤圈中，礦物質(zhì)、有機(jī)物、空氣和水才會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的復(fù)雜相互作用，從而奇妙地提供和維持地球上的生命。 整個(gè)文明的興衰取決于土壤供應(yīng)食物的能力。在過去的幾千年里，不同地區(qū)積累了關(guān)于土壤及其肥力的知識(shí)。在埃及（第一次灌溉種植）、美索不達(dá)米亞、印度和中國的古代河流文明中，這種知識(shí)水平特別高。農(nóng)民積累了關(guān)于土壤及其處理方法的更廣泛知識(shí)，并由可能被稱為羅馬帝國第一批土壤科學(xué)家的人匯編。在那個(gè)時(shí)代，土壤肥力被視為大地的神力，在無數(shù)的傳說和神話中被崇拜。傳統(tǒng)上，土壤被認(rèn)為是陸生植物生長的自然環(huán)境，無論其物理結(jié)構(gòu)如何（例如，是否具有可識(shí)別的視野）。 然而，即使在最早的農(nóng)業(yè)社會(huì)中，人們也知道需要為土壤提供堆肥等“食物”，以保持土壤肥沃。人們也認(rèn)識(shí)到土壤不僅作為食物、纖維、藥物和其他必要原材料的來源，而且作為過濾水和回收廢物的介質(zhì)的重要性。 1877 年至 1880 年間，土壤研究的先驅(qū)Dokuchaev 引入了土壤的新概念。它被定義為一個(gè)獨(dú)立的自然體，由數(shù)量眾多但數(shù)量有限的類型組成，每種類型都有獨(dú)特的形態(tài)和特性，受氣候、生物、地質(zhì)、地形和年齡的特定地點(diǎn)綜合影響的影響。這是一個(gè)革命性的概念，它允許將所有土壤特征一起考慮，作為一個(gè)完整的、整合的自然體，其中一個(gè)屬性的效果取決于其他屬性在空間和時(shí)間上的組合相互作用。俄羅斯將土壤視為具有遺傳視野的獨(dú)立自然體的觀點(diǎn)導(dǎo)致了這樣一種概念，即土壤是地殼的一部分，其特性反映了當(dāng)?shù)鼗騾^(qū)域土壤形成劑的影響。在 19 世紀(jì)進(jìn)行了長時(shí)間的土壤考察后，Dokuchaev的研究小組得出結(jié)論，土壤肥力下降（即失去有利的土壤特性）是由人類造成的，即不適當(dāng)?shù)耐恋乩?，例如土壤層的破壞以及土壤的惡化。它的水情?/span> 土壤作為化學(xué)和生物地球化學(xué)流入和流出整個(gè)地球系統(tǒng)的媒介，由氣體、礦物、液體和生物成分組成。土壤是能量流經(jīng)鏈條的啟動(dòng)器和發(fā)生器：土壤、植物和有機(jī)體（微生物和動(dòng)物）。食物鏈?zhǔn)巧耐ǖ溃ㄟ^死亡和腐爛，這種能量會(huì)返回土壤，可供另一個(gè)循環(huán)使用。 隨著工業(yè)發(fā)展的加速，這種相互作用又增加了一種新的人為影響。鑒于土壤是食物、能源和水相互作用網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，它是環(huán)境可持續(xù)性的一個(gè)功能組成部分，與氣候變化、生物多樣性下降、水、能源和糧食安全有關(guān)。 土壤被認(rèn)為是不可再生資源，因?yàn)閹r石需要數(shù)千年才能風(fēng)化成土壤，而豐富的有機(jī)質(zhì)層需要數(shù)百年才能形成。我們的福利在很大程度上取決于我們的土壤，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，土壤是氣候、地形、生物（植物、動(dòng)物和人類）對(duì)母材（原始巖石和礦物）共同影響的最終產(chǎn)物。 由于世界上 99%以上的食物是通過土壤生產(chǎn)的，因此土壤在食物、能源和水的關(guān)系中的重要性至關(guān)重要。在新技術(shù)的幫助下通過提高土壤生產(chǎn)力來增加糧食、纖維和生物能源的產(chǎn)量，可能會(huì)導(dǎo)致土壤退化速度加快，直至技術(shù)進(jìn)步無法克服退化和枯竭土壤的極限。 1.2.2土壤功能 土壤對(duì)環(huán)境的重要性不僅限于糧食生產(chǎn)，因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)多功能系統(tǒng)。土壤功能分為兩個(gè)主要領(lǐng)域：生態(tài)功能（生物質(zhì)生產(chǎn)、保護(hù)人類和環(huán)境以及基因庫）和非生態(tài)功能（人類活動(dòng)的物理基礎(chǔ)、原材料來源以及地質(zhì)和文化遺產(chǎn)） . 獨(dú)立地，生態(tài)學(xué)家開發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念 (ESS)，它迅速成為環(huán)境政策的主要理論方法，但至少在開始時(shí)忽視了土壤。土壤環(huán)境功能包括地球生命支持的方方面面，如初級(jí)生產(chǎn)、可再生能源和原材料以及水和養(yǎng)分的運(yùn)輸和循環(huán)利用。事實(shí)上，地下水的去污和食物鏈的維護(hù)是最重要的土壤環(huán)境功能之一，這些功能受土壤（1）過濾固體和液體化合物的能力控制，（ 2）通過吸附和沉淀的復(fù)合緩沖和（3）通過土壤生物群的改變和分解的復(fù)合轉(zhuǎn)化。 總而言之，土壤功能可分為以下幾個(gè)領(lǐng)域，圖 1.1： – 生物質(zhì)生產(chǎn)：植物/作物生長培養(yǎng)基（食品、飼料和可再生能源）。 – 過濾和緩沖有機(jī)和無機(jī)成分：確保健康的食物、飼料、水和纖維。 – 生物多樣性生長和發(fā)展的基因儲(chǔ)備和環(huán)境：植物、動(dòng)物和微生物有助于維持和改善土壤質(zhì)量。 – 技術(shù)、住宅和工業(yè)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)：不斷增長的人口和城市化不可避免地對(duì)土壤質(zhì)量和可達(dá)性造成越來越大的壓力。 – 礦物、材料和化石燃料的來源：集約化采礦對(duì)氣候變化和景觀特性產(chǎn)生負(fù)面影響。 – 自然和文化遺產(chǎn)：為生命和環(huán)境演變的歷史做出貢獻(xiàn)。 – 生化過程調(diào)節(jié)：通過參與地球上的兩個(gè)基石生化過程：光合作用和分解，使碳和養(yǎng)分、水和能量通過土壤圈、生物圈、大氣和水圈循環(huán)。 –地球化學(xué)過程的調(diào)節(jié)：土壤圈和大氣之間的氣體交換 地球化學(xué)徑流進(jìn)入海洋。 對(duì)于歐盟國家所覆蓋的區(qū)域，確定了易受土壤威脅的七種土壤功能（FAO 和ITPS 2015）： 1. 生物質(zhì)生產(chǎn)，包括農(nóng)業(yè)和林業(yè)， 2. 儲(chǔ)存、過濾和轉(zhuǎn)化營養(yǎng)物質(zhì)、物質(zhì)和水， 3. 生物多樣性庫，例如棲息地、物種和基因， 4.人類和人類活動(dòng)的物質(zhì)和文化環(huán)境， 5.原料來源， 6. 作為碳庫， 7. 地質(zhì)和考古遺產(chǎn)檔案。 土壤使陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮作用。土壤的每一項(xiàng)環(huán)境功能都與食物、能源和水的關(guān)系直接或間接相關(guān)，并與土壤-水-植物-有機(jī)體系統(tǒng)中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程有關(guān)。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，微生物和動(dòng)物的生物多樣性在很大程度上是未開發(fā)的。這需要基礎(chǔ)研究以提高對(duì)一般土壤功能的理解，因?yàn)樗鼤?huì)顯著影響所有其他土壤功能。 1.2.3 人類世人類可持續(xù)發(fā)展的土壤 對(duì)人類需求與有限全球資源之間日益增加的沖突的認(rèn)識(shí)激發(fā)了關(guān)于如何確保生計(jì)處于更好的可持續(xù)性水平的想法。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估（MEA 2005）提供了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念的全球生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析。這一概念引發(fā)了對(duì)土壤在全球生態(tài)系統(tǒng)中作用的更廣泛認(rèn)識(shí)。政府間土壤技術(shù)小組通過將最重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) (ES) 與土壤功能聯(lián)系起來證明了這一點(diǎn)（表 1.1）。 表 1.1應(yīng)被視為第一步，并作為在不同層次上進(jìn)行更具體定義和量化的靈感。此處尚未提及許多特定的土壤功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ES）。這在后來的許多研究中都完成了。歐盟 (EU) 和其他地方的土壤政策基于這些概念評(píng)估土壤多功能性。 新興的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念基于將土壤視為自然資本和公共產(chǎn)品的理論。另一方面，全球土地集中在少數(shù)人手中、土地掠奪、公共土地私有化以及農(nóng)業(yè)和土壤科學(xué)公共研究私有化的趨勢正在上升（Mueller 等人，2020年）。這導(dǎo)致了科學(xué)界的沖突和有爭議的辯論，這對(duì)如何測量和控制土壤質(zhì)量/健康和退化的研究產(chǎn)生了影響（Wander等人，2019年）。 麥克布拉特尼等人。(2014) 介紹了土壤安全的總體概念。這一概念以與糧食安全或水安全相同的方式解決了基于土壤性能的現(xiàn)有全球環(huán)境挑戰(zhàn)，包括個(gè)人或社區(qū)充分獲取這些資源的想法。他們提出了土壤安全的五個(gè)維度： · 與保持土壤在景觀中的位置相關(guān)的能力。 · 與土壤狀態(tài)相關(guān)的條件，例如土壤狀況。無污染。 · 包含明確經(jīng)濟(jì)價(jià)值的資本，特別是作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一部分。 · 帶來管理、管理和任期等社會(huì)方面的連通性。 · 編纂與保護(hù)和改善土壤的政策和立法相一致。 這個(gè)概念需要評(píng)估框架、參數(shù)化以及與其他概念（如 ES 概念）的相互聯(lián)系，但它有可能幫助實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) 15（2015年）：“陸地上的生命”，明確指出“可持續(xù)管理森林、防治荒漠化、制止和扭轉(zhuǎn)土地退化、制止生物多樣性喪失”，這是一項(xiàng)行動(dòng)任務(wù)。
圖 1.1 商品和服務(wù)由土地和土壤提供。 表 1.1 土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和支持這些服務(wù)的土壤功能
Source FAO and ITPS (2015) 1.2.4土壤作為土地和景觀的組分 地理學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)等土壤科學(xué)的相鄰學(xué)科分別將土壤視為其中心研究課題的重要組成部分，例如地質(zhì)系統(tǒng)、景觀和土地。 “土地”和“景觀”的范疇比“土壤”更廣泛。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織 (FAO) 的理解，“土壤”是“土地”和“生態(tài)系統(tǒng)”的重要組成部分，兩者都是更廣泛的概念，包括土地的植被、水和氣候，以及除了這三個(gè)方面，還包括生態(tài)系統(tǒng)方面的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)考慮。根據(jù)歐洲環(huán)境署 (EEA) 的定義，“陸地”通常是指未被海洋、湖泊或河流覆蓋的地球表面。它包括包括大陸和島嶼在內(nèi)的總陸地面積。在更多的日常使用和法律文本中，“土地”通常是指一塊指定的土地。 “它由巖石、石頭、土壤、植被、動(dòng)物、池塘、建筑物等組成。”根據(jù)對(duì)《聯(lián)合國防治荒漠化公約》（UNCCD）的理解，土地是“包括土壤、植被、其他生物群以及在該系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的生態(tài)和水文過程的陸地生物生產(chǎn)系統(tǒng)”（UNCCD 1994）。這與土壤科學(xué)的操作領(lǐng)域非常相似。 “景觀”是一個(gè)更廣泛的概念，側(cè)重于區(qū)域和地方層面的自然與人類之間的相互作用。 Antrop 和 van Eetvelde (2019) 將“景觀”描述為一個(gè)整體概念。 “作為一個(gè)空間單位，它表征了社區(qū)土地的身份，并定義了適用習(xí)慣權(quán)利的領(lǐng)土。領(lǐng)土和風(fēng)景都是社區(qū)與其使用環(huán)境的方式之間的地方、區(qū)域或國家關(guān)系的表現(xiàn)”。 景觀方法有望用于理解、監(jiān)測和解決自然資源的可持續(xù)利用、土壤的利用、退化和保護(hù)等問題。 將土壤視為景觀的一部分對(duì)土壤保護(hù)和恢復(fù)戰(zhàn)略具有重要意義。景觀保護(hù)措施基于 ES 概念，并將土壤、土地和景觀視為自然資本。 Lilburne 等人開發(fā)的土地資源圈 (LRC) 概念(2020)（圖 1.2）是一個(gè)框架，將土壤功能與土地和景觀功能聯(lián)系起來，以告知用戶當(dāng)?shù)氐貕K的適宜性和價(jià)值。 土壤侵蝕是與景觀相關(guān)的復(fù)雜過程的典型例子。侵蝕主要通過風(fēng)和水移動(dòng)土壤（圖 1.3、1.4、1.5、1.6）。然而，過程不僅僅是土壤過程。它們依賴于景觀屬性，在地質(zhì)時(shí)期塑造了景觀，并影響了數(shù)千年來人類和文明的生存。農(nóng)業(yè)用地土壤的人為侵蝕速度比自然過程高約 10-40 倍，必須將其視為土壤退化過程。對(duì)抗導(dǎo)致有害異地影響的加速土壤侵蝕過程，例如旱地退化和特別是水污染，需要景觀尺度的方法。 一個(gè)國家或地區(qū)整體經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度的變化導(dǎo)致耕地面積的擴(kuò)大或縮小，是土壤退化時(shí)空變化的主要因素。一個(gè)典型的例子是亞洲俄羅斯，與 1960 年至1990 年的集約種植時(shí)期相比，在過去幾十年中，該地區(qū)一些地區(qū)的土壤侵蝕減少了約 70% 至 90%。另一方面，這些過程通常與農(nóng)村地區(qū)的衰退、環(huán)境問題和土壤退化向工業(yè)和城市中心的轉(zhuǎn)移有關(guān)。廢棄土地可以被視為尚未開發(fā)的農(nóng)業(yè)潛力，必須將其土壤新一輪退化的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。 1.2.5土地利用和土壤壓力 土地和土壤的多功能利用。自新石器時(shí)代革命以來，人類開始定居，在以前的草原和森林上發(fā)展農(nóng)業(yè)，挖掘礦產(chǎn)和其他自然資源以生產(chǎn)工具和武器，發(fā)展文明和文化景觀，土壤經(jīng)歷了變化、壓力和干擾。這些過程隨著人口規(guī)模的增加、分工和創(chuàng)新的不斷增加而加速。圖 1.7 顯示了人類活動(dòng)對(duì)土壤的退化影響。
圖 1.2 描述地塊關(guān)鍵土壤、土地和生態(tài)系統(tǒng)功能的土地資源圈 (LRC) 框架。
圖 1.3 水蝕作為景觀形成過程。哈薩克斯坦恰倫河支流峽谷（左）。地帶性土壤是棕色沙漠土壤。俄羅斯庫爾斯克附近的干谷（ovrag）（右）。該地區(qū)的地帶性土壤是黃土母質(zhì)上的黑鈣土。歷史侵蝕將黃土移至第三紀(jì)。照片 L.穆勒
圖 1.4 坡耕地水加速土壤侵蝕，被認(rèn)為是土壤退化過程。德國的油菜田。剝蝕場部分（左）和積累場部分（右）。該地區(qū)的地帶性土壤是晚更新世母質(zhì)上的 Luvisols 和 Retisols (Albeluvisols)。新的土壤類型正在被侵蝕的田地部分發(fā)展。照片 L.穆勒
圖 1.5 作為景觀形成過程的風(fēng)蝕。照片顯示了哈薩克斯坦沙漠和半沙漠中的土壤剖面。具有表層礫石滯后的棕色沙漠土壤（左）。地表礫石堆積是較細(xì)土壤顆粒長期吹散的結(jié)果。它在很大程度上減少了進(jìn)一步的侵蝕，保持了重新植被的潛力。淺栗色土壤發(fā)育在細(xì)沙風(fēng)成沉積物上。阿拉木圖附近的獨(dú)聯(lián)體阿拉套地區(qū)（右）。植被是退化的草地/牧場，因此容易受到當(dāng)前加速侵蝕，使土壤和土地退化。照片 L.穆勒
圖 1.6 美國西北部哥倫比亞高原農(nóng)田（位于俄勒岡州彭德爾頓附近）由黃土上的土壤耕作引起的風(fēng)蝕作為土壤退化過程。氣候半干旱。土壤是Kastanozem。耕作苗床準(zhǔn)備。隨著精細(xì)物質(zhì)和有機(jī)物首先被吹走，剩余的表土變得更粗糙，腐殖質(zhì)被耗盡。照片 L.穆勒
圖 1.7 人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響（來源 Blum 2008） 目前，在人類世，由人類、土壤、土地、景觀和地球所有領(lǐng)域塑造的時(shí)代都面臨著巨大的壓力。除了農(nóng)業(yè)，土壤功能或破壞的焦點(diǎn)越來越多地由與局部極端人口過剩相關(guān)的問題引發(fā)，例如城市化改造的土地和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、廢物處理、空氣污染等。同時(shí)，全球所有土壤和景觀都帶有人類活動(dòng)的跡象，包括“外來”物質(zhì)（塑料顆粒、人造、放射性和化學(xué)物質(zhì)、氮和磷負(fù)荷等），以復(fù)雜的方式影響生態(tài)系統(tǒng) .對(duì)農(nóng)業(yè)土壤的壓力。由于人類開始農(nóng)業(yè)是為了滿足他們對(duì)食物和纖維的基本需求并改善他們的生計(jì)，他們試圖通過強(qiáng)化管理來實(shí)現(xiàn)土壤的高產(chǎn)。糧食生產(chǎn)土壤性能不足的問題可以追溯到古代。農(nóng)業(yè)導(dǎo)致的高自然土壤肥力下降以及由此導(dǎo)致的作物產(chǎn)量下降一直是歷史上的重大問題。土壤和土地退化、侵蝕，特別是在北非，羅馬的“糧倉”促成了羅馬帝國的崩潰。 在萬年的耕地中，農(nóng)業(yè)在起伏、發(fā)現(xiàn)和發(fā)明中逐漸發(fā)展。由于對(duì)糧食的需求增加，土地利用強(qiáng)度增加，而這只能通過科技創(chuàng)新來滿足。在過去的 200 年里，農(nóng)業(yè)科學(xué)和土壤科學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為公認(rèn)的科學(xué)學(xué)科。自工業(yè)時(shí)代以來，土壤科學(xué)和植物營養(yǎng)方面的知識(shí)增長速度加快?；诩夹g(shù)進(jìn)步和復(fù)雜農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)了肥料生產(chǎn)和機(jī)械，同時(shí)，農(nóng)業(yè)決策支持和調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化了植物和土壤資源，從而實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速增長。不幸的是，對(duì)生態(tài)問題的理解滯后于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。盡管在了解土地利用對(duì)土壤的影響方面取得了很大進(jìn)展，但隨著土壤性能下降的實(shí)際問題有所增加。許多科學(xué)家和越來越多的知情公民認(rèn)識(shí)到土壤作為人類生命基礎(chǔ)的至關(guān)重要性。然而，決策者和資源匱乏的農(nóng)民由于缺乏認(rèn)識(shí)和/或缺乏可獲取的信息或工具和資源，常常忽視土壤資源的重要性。 土壤過度開發(fā)的負(fù)面影響。在追求提高土地生產(chǎn)力的過程中，土壤的潛力被永久過度開發(fā)（圖 1.7）。這導(dǎo)致了廣泛的后果，例如因森林砍伐和過度放牧、灌溉和耕作不當(dāng)導(dǎo)致的土壤侵蝕過程加速；通貨緊縮導(dǎo)致表土層流失；由于細(xì)溝侵蝕和溝壑形成而導(dǎo)致的地形解剖；由于養(yǎng)分開采和浸出造成的肥力損失;過度使用殺蟲劑、改良劑、空氣傳播的有毒元素、工業(yè)和城市垃圾填埋場造成的污染；由于使用農(nóng)用化學(xué)品、過度耕作導(dǎo)致生物多樣性喪失；由于灌溉不當(dāng)導(dǎo)致鹽堿化、缺乏排水系統(tǒng)、重機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致的過度壓實(shí)和酸化由于濫用肥料和空氣中的酸性沉積物。此外，這些影響可能會(huì)導(dǎo)致場外影響，例如水體的沉積、淤積和富營養(yǎng)化，或洪水加劇、流域功能降低、自然棲息地變化導(dǎo)致遺傳資源和生物多樣性喪失。 上述影響的另一個(gè)間接影響是由于土壤有機(jī)質(zhì) (SOM) 加速礦化和一氧化二氮導(dǎo)致二氧化碳 (CO2 ) 排放增加，從而對(duì)氣候產(chǎn)生不利影響(N 2 O) 作為土地轉(zhuǎn)換的結(jié)果。總體而言，全球用于農(nóng)業(yè)的土地中約有一半處于中度或嚴(yán)重退化狀態(tài)。 土壤治理和土壤科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。在 11 年期間（從2001 年到2012 年），由于土地管理的先進(jìn)技術(shù)（Foley等人，2011年）和化肥使用量的增加，大多數(shù)常見作物的產(chǎn)量增加了 13%。充足的糧食生產(chǎn)需要足夠的耕地和牧區(qū)農(nóng)業(yè)用地，而生產(chǎn)安全和有營養(yǎng)的食物則需要健康、肥沃和生物成因的土壤。 隨著世界人口的增長，肥沃土壤的面積一直在減少，而退化土壤的面積一直在增加，預(yù)計(jì)到 2050 年將達(dá)到 90 億。作為城市和其他基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張的一部分，由于封閉，肥沃的土壤已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地喪失. 一般來說，較高的人口密度與高度退化的土壤面積增加有關(guān)。這很可能會(huì)引發(fā)社會(huì)問題，例如從受影響最嚴(yán)重的地區(qū)向人口密度低的地區(qū)“生態(tài)”遷移。所有這些趨勢都對(duì)減少人類對(duì)土壤的影響和啟動(dòng)可持續(xù)土地管理的農(nóng)業(yè)政策提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和重大責(zé)任。需要科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和決策工具來支持這一過程。 1.3 土壤性能評(píng)估 1.3.1土壤肥力、土壤質(zhì)量和土壤健康的概念 哪些土壤狀態(tài)被認(rèn)為是正常且表現(xiàn)良好的，哪些狀態(tài)需要被認(rèn)為是退化的，哪些過程會(huì)導(dǎo)致退化？回答這些問題需要評(píng)估土壤性能的概念，包括合適的指標(biāo)、測量方法和數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)評(píng)估尺度和閾值以及土壤管理的可持續(xù)技術(shù)。 土壤肥力、質(zhì)量和健康是描述土壤性能以滿足人類功能的概念。這些概念在不同的時(shí)代、不同的地區(qū)發(fā)展和流行，在目標(biāo)和內(nèi)容上都有不同的側(cè)重點(diǎn)，有一些重疊，但仍然并存。 土壤肥力(SF)。土壤肥力是一個(gè)傳統(tǒng)概念，指的是土壤在農(nóng)業(yè)中維持植物生長的能力。它一直是農(nóng)業(yè)植物營養(yǎng)和土壤科學(xué)的領(lǐng)域，已經(jīng)流行了大約 100 年，尤其是在 20 世紀(jì)下半葉。二十世紀(jì)的德國文獻(xiàn)（術(shù)語：Bodenfruchtbarkeit）中存在大約 40 多種不同的定義，其中人類對(duì)土壤和作物產(chǎn)量的影響程度是影響最大的因素。隨著收獲的作物從土壤中吸收養(yǎng)分，通過施肥進(jìn)行特定地點(diǎn)的替代是維持 SF 的關(guān)鍵主題。土壤肥力也可以通過復(fù)雜的施肥、機(jī)械化、土壤水分管理和最佳種植實(shí)踐來提高，不僅可以提高作物產(chǎn)量，還可以導(dǎo)致土壤退化（例如與退化相反）。 土壤質(zhì)量（SQ）。這個(gè)概念已經(jīng)在美國發(fā)展起來，并在 1990 年代變得非常流行。作為擴(kuò)展的科學(xué)辯論的結(jié)果，它考慮的土壤功能比農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的糧食和纖維更多。土壤質(zhì)量是“一種特定類型的土壤在自然或受管理的生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)維持植物和動(dòng)物生產(chǎn)力、維持或提高水和空氣質(zhì)量以及支持人類健康和居住的能力”（Karlen et al. 1997） .土壤質(zhì)量的廣義定義包括一系列可能廣泛的土壤功能服務(wù)，例如環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、物理、生物和化學(xué)。然而，在實(shí)踐中，評(píng)估與這些功能相關(guān)的所有土壤參數(shù)仍然是不可能的。此外，沒有土壤能夠成功地執(zhí)行所有這些功能。 Bünemann 等人從土壤質(zhì)量是環(huán)境質(zhì)量支柱的合理假設(shè)出發(fā)，承諾通過指定有針對(duì)性的土壤威脅、功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、開發(fā)與目標(biāo)用戶的互動(dòng)評(píng)估工具以及考慮生物/生化指標(biāo)來更好地實(shí)施這一概念?？沙掷m(xù)農(nóng)業(yè)土壤利用也是量化 SQ 的實(shí)用方法的主要目標(biāo)。土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量潛力取決于土壤固有特性，這些特性隨時(shí)間變化非常緩慢，如土壤質(zhì)地和礦物質(zhì)成分，以及動(dòng)態(tài)特性，如土壤結(jié)構(gòu)，在短期內(nèi)會(huì)受到管理的影響。 土壤健康（SH）。這個(gè)概念在 1990 年代后期在美國討論土壤質(zhì)量之后變得流行起來，并且仍然主導(dǎo)著當(dāng)前的科學(xué)辯論。土壤被視為一個(gè)必須維持或恢復(fù)其健康狀況的生物系統(tǒng)。它也被認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)現(xiàn)有土壤退化并滿足可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（UN 2015）的一條有希望的途徑，只要更好地了解土壤生物過程。 術(shù)語 SQ 和 SH 經(jīng)?；Q使用。然而，SH 更強(qiáng)調(diào)土壤生物和生化過程和方法。 Doran 和Zeiss (2000) 將土壤健康定義為“一種特定類型的土壤在自然或受管理的生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)維持植物和動(dòng)物生產(chǎn)力、維持或提高水和空氣質(zhì)量以及支持人類健康和居住的能力。Rinot 等人(2019)提出通過將 SH 與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) (ES) 概念相結(jié)合來改進(jìn) SH 方法。與此同時(shí)，歐盟委員會(huì)采用了土壤健康術(shù)語，并將用它來實(shí)現(xiàn)雄心勃勃的目標(biāo)，到 2030 年改善土壤的性能（使命委員會(huì)2020）。主要目標(biāo)是在每個(gè)歐盟成員國確保>75% 的健康土壤，即能夠提供基本生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤。他們的首要目標(biāo)是減少土地退化并恢復(fù) 50% 的退化土地（使命委員會(huì)2020）。 1.3.2土壤性能的方法和指標(biāo) 指標(biāo)的特點(diǎn)。指標(biāo)是與評(píng)估對(duì)象的質(zhì)量或狀況變化相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或單位。它們提供簡化的信息，描述特定現(xiàn)象的狀態(tài)，有助于監(jiān)測變化，提供比較一段時(shí)間內(nèi)的趨勢和進(jìn)展的機(jī)會(huì)。選擇指標(biāo)的主要問題是必須選擇適合特定條件且具有代表性的指標(biāo)，但同時(shí)又易于理解且易于定期測量。土壤質(zhì)量指標(biāo)以土壤參數(shù)和指標(biāo)為基礎(chǔ)并衍生自土壤參數(shù)和指標(biāo)。土壤參數(shù)是直接定量測量的原始信息單位（即維度），而土壤指數(shù)是通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)計(jì)算（平均值、比率等）獲得的衍生信息單位，它是無量綱的。指標(biāo)可以是一個(gè)參數(shù)或指數(shù)，它提供關(guān)于根據(jù)特定目標(biāo)評(píng)估、測量和控制的條件或過程的簡要而清晰的信息。指標(biāo)應(yīng)包含有關(guān)過程如何隨時(shí)間演變和空間變化的定量信息，而最佳指標(biāo)集的選擇應(yīng)可靠、與環(huán)境和社會(huì)相關(guān)、敏感且具有成本效益。指標(biāo)還應(yīng)該能夠轉(zhuǎn)化土壤的現(xiàn)狀以及預(yù)測土壤流失或變化的趨勢。最重要的土壤參數(shù)/指標(biāo)通常是景觀指標(biāo)調(diào)色板的一個(gè)子集。 土壤狀況評(píng)估。狀態(tài)指標(biāo)描述了物理、化學(xué)和生物現(xiàn)象的數(shù)量和質(zhì)量。 ISO TC 190“土壤質(zhì)量”和CEN/TC 444“固體基質(zhì)環(huán)境表征的測試方法”（CEN 2020）在許多標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)它們的測量進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。使用這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于比較土壤數(shù)據(jù)至關(guān)重要。土壤狀態(tài)評(píng)估由基于恒定協(xié)議的不同時(shí)間步長的土壤清單組成，在基于科學(xué)的土壤性能監(jiān)測中很常見。土壤性能可以通過比較當(dāng)前土壤條件與既定控制點(diǎn)或基線值的指標(biāo)來評(píng)估。許多國家的土壤監(jiān)測系統(tǒng)都基于此類狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（。在地方層面，土地所有者、管理者和其他利益相關(guān)者參與開發(fā)土壤質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)（包括退化方面）在過去幾年已成為一種道德標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于在保持土壤健康。指標(biāo)和評(píng)估方案必須在現(xiàn)場范圍內(nèi)易于理解。 在國家范圍內(nèi)，許多國家的土壤監(jiān)測系統(tǒng)由不同的能力中心、機(jī)構(gòu)和當(dāng)局實(shí)施，并遵循不同的概念和方法。雅科夫列夫（2013 年）制定了土壤生態(tài)調(diào)節(jié)原則，其中包括以俄羅斯為例，證實(shí)允許的土壤生態(tài)狀態(tài)（質(zhì)量）的標(biāo)準(zhǔn)和水平以及對(duì)它們的人為影響。在這些標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境生態(tài)狀況和對(duì)環(huán)境影響的五級(jí)評(píng)定量表的基礎(chǔ)上，他開發(fā)了一套土壤綜合指標(biāo)“狀態(tài)-影響”，以統(tǒng)一的相對(duì)數(shù)值表示。 盡管這些數(shù)據(jù)可能是免費(fèi)提供的，但它們用于科學(xué)評(píng)估和建議的實(shí)際可用性受到嚴(yán)重限制。數(shù)據(jù)收集、分析、存儲(chǔ)、管理和評(píng)估通常以紀(jì)律方式分開。例如，在德國，存在廣泛的監(jiān)測，包括對(duì)農(nóng)田、草地、森林的約 800 個(gè)土壤長期監(jiān)測地塊、長期田間試驗(yàn)以及生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測科學(xué)研究，侵蝕監(jiān)測、土壤碳和泥炭監(jiān)測等課題。有一個(gè)關(guān)于土壤生物多樣性的德國數(shù)據(jù)庫 (Edaphobase)，正在準(zhǔn)備一個(gè)擴(kuò)展的歐洲版本，稱為 EUdaphobase?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫正在建設(shè)中。國際土壤健康數(shù)據(jù)庫（SoilHealthDB）提供有關(guān)全球種植區(qū) 42 種土壤健康指標(biāo)和 46 種背景指標(biāo)的量級(jí)和分布的信息，從而能夠定義閾值和基線。 Herrick 等人（2019）制定了草地和牧場的健康和退化評(píng)估規(guī)則。在過去的幾年里，歐盟內(nèi)部（至少）有兩種類型的活動(dòng)可見。 – 實(shí)施歐盟范圍內(nèi)的測量計(jì)劃，以收集有關(guān)歐洲土壤特性的數(shù)據(jù)（另見 CEN/TC 444），部分通過資助各個(gè)項(xiàng)目，部分通過在國家數(shù)據(jù)庫中收集數(shù)據(jù)并在 JRC 數(shù)據(jù)庫中提供。然后這些數(shù)據(jù)用于描述最先進(jìn)的技術(shù)或預(yù)測進(jìn)一步的發(fā)展（例如，包括發(fā)布這些活動(dòng)以證明現(xiàn)實(shí)世界中存在需求）。 – 到目前為止，促進(jìn)土壤問題一直被忽視，不僅在歐洲，而且實(shí)際上在全球范圍內(nèi)。此類活動(dòng)的一個(gè)例子是報(bào)告的出版，甚至以地圖集的形式更具吸引力和非常成功，例如歐洲。 美國土壤質(zhì)量和土壤健康評(píng)估系統(tǒng)。 Doran 和Parkin (1994, 1996) 開發(fā)了用于測量和評(píng)估土壤功能的土壤質(zhì)量/健康評(píng)估的土壤狀態(tài)指標(biāo)。這些指標(biāo)需要滿足反映生態(tài)系統(tǒng)過程的標(biāo)準(zhǔn)，包括土壤物理、化學(xué)和生物特性，并對(duì)管理和氣候因素敏感。在此基礎(chǔ)上，美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局開發(fā)、采用并推薦了適用于科學(xué)和實(shí)踐的土壤健康和質(zhì)量評(píng)估工具和程序（USDA/NRCS 2020）。 土壤質(zhì)量指標(biāo)用于表征支持潛在不同功能的物理、化學(xué)和生物土壤特性（表 1.2）。實(shí)際上，生產(chǎn)力函數(shù)是應(yīng)用的焦點(diǎn)和最常見的原因。 土壤管理評(píng)估框架(SMAF) 支持選擇相關(guān)的土壤功能和場地特定指標(biāo)，以及基于土壤物理、化學(xué)數(shù)據(jù)的無量綱評(píng)分函數(shù)計(jì)算整體土壤質(zhì)量 (SQ) 指數(shù)和生物指標(biāo)集。近年來，SMAF進(jìn)行了更新，包括了更多的化學(xué)和生物參數(shù)，并被應(yīng)用于巴西南部或南非等其他地區(qū)?？的螤柎髮W(xué)（美國紐約）農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院制定了土壤健康綜合評(píng)估 (CASH) 協(xié)議，并為農(nóng)民和其他客戶提供CASH 指標(biāo)分析和土壤健康評(píng)估科學(xué)建議。已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)土壤健康數(shù)據(jù)庫，用于對(duì)與農(nóng)田保護(hù)管理相關(guān)的土壤健康變化進(jìn)行薈萃分析（Jian 等人，2020年）。 威廉姆斯等人(2020) 將CASH 方法應(yīng)用于瑞典南部的 20 個(gè)農(nóng)場，發(fā)現(xiàn)與未管理的土壤相比，農(nóng)田的 SH 指數(shù)較低。通過更高的作物多樣性、更少的機(jī)械土壤擾動(dòng)和更高的有機(jī)質(zhì)投入來改善土壤管理，從而改善土壤健康（Williams 等人，2020年）。本研究證實(shí)了上述 SH 狀態(tài)指標(biāo)方法對(duì)科學(xué)研究的適用性。 如表 1.2所示的土壤狀態(tài)指標(biāo)系統(tǒng)，作為SMAF 和CASH 方法的一部分，在認(rèn)識(shí)土壤性能和缺陷方面向前邁進(jìn)了一步。 指示土壤是否退化的評(píng)估尺度和閾值可用于一些指標(biāo)，例如，pH 和 EC 分別指示酸化和堿化和鹽化。需要做更多的工作來為這里推薦的大多數(shù)其他方法開發(fā)量表。只是生物學(xué)特性和方法在一定程度上是非常具體的，并且在空間和時(shí)間上仍然具有未知的可變性，需要進(jìn)一步研究。此外，需要指出的是，目前開發(fā)的方法是針對(duì)特定國家的，很少有可比性。加強(qiáng)國際研究以制定轉(zhuǎn)換規(guī)則和算法以及國際標(biāo)準(zhǔn)將是有用的。 . 總體而言，審查表明，使用 USDA/NRCS 推薦的方法對(duì)土壤性能進(jìn)行全面評(píng)估是專家的領(lǐng)域。由于某些分析非常耗時(shí)，因此需要特殊的實(shí)驗(yàn)室分析或在現(xiàn)場持續(xù)幾個(gè)小時(shí)（例如，穩(wěn)態(tài)現(xiàn)場滲透）到幾周（例如，有機(jī)物質(zhì)和碳組分分析），然后才能獲得可靠的結(jié)果代表觀察點(diǎn)將提供給客戶。此外，現(xiàn)場檢查和抽樣通常與數(shù)據(jù)的分析和評(píng)估脫鉤。 評(píng)估土壤性能的現(xiàn)場方法。一些科學(xué)家認(rèn)為，一次實(shí)地檢查應(yīng)該可以很好地估計(jì)土壤質(zhì)量/土壤健康。這種觀點(diǎn)與人類保健中經(jīng)過驗(yàn)證的家庭醫(yī)生原則有關(guān)。 “土壤醫(yī)生”必須具有良好和全面的教育、技能和經(jīng)驗(yàn)，一些現(xiàn)代快速操作的診斷設(shè)備，并與公認(rèn)的專家和實(shí)驗(yàn)室有良好的聯(lián)系。 這些現(xiàn)場表達(dá)方法的示例是 SOILpak 方法、視覺土壤評(píng)估方法和Muencheberg 土壤質(zhì)量評(píng)級(jí)。如圖 1.8所示，視覺可識(shí)別的土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)是這些方法的重點(diǎn)。開發(fā)了進(jìn)一步的土壤結(jié)構(gòu)評(píng)估方法并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了調(diào)整。這些方法的開發(fā)受到 Ball 等人(2007, 2017)開發(fā)的土壤結(jié)構(gòu)視覺檢查(VESS) 的啟發(fā)及其先前的方法。方法與土壤的生產(chǎn)力功能相關(guān)，并基于現(xiàn)場手冊和簡單的現(xiàn)場測量和評(píng)估現(xiàn)場程序方面的專家知識(shí)?，F(xiàn)有的土壤常規(guī)和專題地圖和數(shù)據(jù)（養(yǎng)分狀況、污染物、作物產(chǎn)量、智能農(nóng)業(yè)地圖、氣候、地籍?dāng)?shù)據(jù)等）應(yīng)用作基礎(chǔ)和支持信息。這很重要，因?yàn)闇囟取⒔邓驼羯⒎矫娴臍夂蛞蛩貨Q定了土壤的溫度和水分狀況，從而決定了全球植物生長和腐爛的最重要的生物物理過程。 SOILpak 和 VSA 在土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)方面關(guān)注土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)方面，而 M-SQR 包括反映動(dòng)態(tài)、土壤固有和氣候參數(shù)的指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了土壤耕作和放牧性能的功能指紋。 M-SQR 危害指標(biāo)的等級(jí)表提供了關(guān)于被認(rèn)為是退化的土壤狀態(tài)的信息。 M-SQR 還提供整體土壤質(zhì)量的評(píng)分分?jǐn)?shù)，這些評(píng)分與區(qū)域和全球范圍內(nèi)的作物產(chǎn)量相關(guān)。 表 1.2 美國農(nóng)業(yè)部推薦的土壤質(zhì)量/健康狀態(tài)指標(biāo)（USDA/NRCS 2020）
糧農(nóng)組織的土壤測試方法手冊（FAO 2020b）也為向農(nóng)民提供建議和教育的田間方法提供了指導(dǎo)。除了視覺觸覺方法外，植被分析、簡單的土壤調(diào)查設(shè)備和現(xiàn)場測量工具包（表 1.2）可作為土壤質(zhì)量/健康的指標(biāo)。已經(jīng)開發(fā)和測試了與 USDA/NRCS（美國農(nóng)業(yè)部/自然資源保護(hù)局）的 SH 評(píng)估系統(tǒng)兼容的土壤健康評(píng)估的進(jìn)一步現(xiàn)場程序。土壤結(jié)構(gòu)和/或整體土壤質(zhì)量的那些現(xiàn)場方法也是專家的領(lǐng)域。但是，它們可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)地在某些采樣點(diǎn)上對(duì) SQ/SH 進(jìn)行參與式評(píng)估，并為所有參與的利益相關(guān)者提供臨時(shí)結(jié)果。 SQ/SH 評(píng)估比土壤生產(chǎn)力更多的功能。在復(fù)雜的層面上評(píng)估土壤的變化，例如作為決策和考慮社會(huì)變化原因和后果的工具，需要更全面的方法來評(píng)估土壤的多功能性能。 DPSIR 方法是一種經(jīng)過驗(yàn)證且流行的指標(biāo)模型，用于在復(fù)雜層面監(jiān)測歐洲的環(huán)境過程，例如泛歐評(píng)估和土壤侵蝕監(jiān)測。 DPSIR 是驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)的縮寫。 土壤功能指標(biāo)是生命周期分析(LCA) 模型的重要元素。已經(jīng)開發(fā)了用于靈活映射有針對(duì)性的土壤指標(biāo)的土壤數(shù)據(jù)庫和算法。 舒爾特等人(2014)制定了一個(gè)管理基于土壤的 ES 以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化的框架，該框架除了生產(chǎn)力功能外，還考慮了水凈化、碳封存、生物多樣性棲息地和循環(huán)外部投入的功能。 Gardi 等人已經(jīng)提出了類似的想法。 （2009 年）并隨后在歐盟項(xiàng)目 EcoFINDERS 中進(jìn)行了檢查，重點(diǎn)關(guān)注個(gè)體生物群體的多樣性以及特定的生態(tài)系統(tǒng)功能。 Schwilch 等人（2018 年）的綜合方法包括從以土壤威脅為特征的眾多地區(qū)的自然資本中定義和量化幾種供應(yīng)、調(diào)節(jié)和文化 ES。 ES 被用作狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)和田間地塊級(jí)別的 10 年情景。 德羅布尼克等人(2018) 將土壤功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相結(jié)合，制定了專項(xiàng)規(guī)劃的整體土壤質(zhì)量指數(shù)。范列文等人。 2019年創(chuàng)建了決策專家模型（DEX模型）來量化土壤提供土壤生物多樣性和棲息地功能（SB功能）的能力。他們定義了土壤的生物多樣性功能和基于土壤養(yǎng)分狀況、生物狀況、結(jié)構(gòu)和水文狀況的指標(biāo)體系。為社會(huì)開發(fā)決策工具，SQ評(píng)估的方法和方法不斷更新。 盡管在土壤性能的量化方面取得了進(jìn)展，但在理解土壤中復(fù)雜的功能過程、植物-土壤-生物群的相互作用以及土壤生物多樣性和生物地球化學(xué)功能之間的關(guān)系方面仍然存在很大的知識(shí)差距，尤其是在一系列生態(tài)系統(tǒng)中。
圖 1.8 土壤結(jié)構(gòu)視覺-觸覺方法在現(xiàn)有評(píng)估方案框架下作為土壤質(zhì)量/健康半定量指標(biāo)的示例。 a 種植系統(tǒng)中的有利土壤聚集體，b 同一地點(diǎn)的不利聚集體，c 土壤熟化和結(jié)殼，影響土壤和大氣之間的水和氣體交換，d 在 VSA 程序的跌落試驗(yàn)后重新排列聚集體，e 有利的自然易碎的 Chernozem 結(jié)構(gòu)，f 粗糙的 Solonetz 柱狀結(jié)構(gòu)。 照片 L.穆勒 1.4 土壤退化 1.4.1 評(píng)估和監(jiān)測的定義和概念 本質(zhì)和定義。糧農(nóng)組織將土壤退化定義為“土壤健康狀況的變化，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)為其受益者提供商品和服務(wù)的能力下降”。 “土地退化”和“土壤退化”這兩個(gè)術(shù)語經(jīng)?；Q使用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)作者都同意土壤的任何退化都會(huì)反映在土地退化中，反之亦然。因此，監(jiān)測和評(píng)估土壤是可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)土地退化零增長的適當(dāng)措施。這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)椴淮嬖诖_定土壤或土地何時(shí)退化的明確限制或閾值。從當(dāng)?shù)氐慕嵌葋砜?，作物產(chǎn)量下降被視為土地退化的指標(biāo)。土壤和土地退化是人類與自然互動(dòng)過程的結(jié)果。土壤、氣候、土地利用、經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)和社會(huì)人口力量等多種因素起著關(guān)鍵作用。 另一個(gè)與土壤和土地退化密切相關(guān)的術(shù)語是荒漠化。荒漠化是旱地退化，是土壤退化最嚴(yán)重的情況，因?yàn)楹茈y阻止和對(duì)抗它。聯(lián)合國專家在 1977 年將荒漠化定義為“土地生物潛力的減少或破壞”，最終可能導(dǎo)致類似沙漠的狀況。這是生態(tài)系統(tǒng)普遍惡化的一個(gè)方面，并且在需要提高生產(chǎn)力以支持不斷增長的人口尋求發(fā)展的時(shí)候，已經(jīng)減少或破壞了生物潛力，即植物和動(dòng)物生產(chǎn)，用于多種用途”。 《聯(lián)合國防治荒漠化公約》將荒漠化定義為“由于氣候變化和人類活動(dòng)等各種因素導(dǎo)致的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化”。這一過程與對(duì)自然和社會(huì)的其他威脅相互關(guān)聯(lián)，例如生物多樣性喪失和貧困，這些都是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的強(qiáng)大障礙。 “土壤退化”一詞的缺點(diǎn)。 “土壤退化”一詞的使用不允許任何明確的解釋。這是從學(xué)科的角度，甚至從土壤科學(xué)的子學(xué)科的角度來看的。在土壤遺傳學(xué)中，當(dāng)一種土壤類型由于環(huán)境條件的變化和管理向另一種土壤類型的方向發(fā)展時(shí)，使用術(shù)語“退化”。降解的黑鈣鈣（瀝出的黑鈣）是已知的，它是在更潮濕的條件下由黑鈣發(fā)展而來的。在這種情況下，術(shù)語“退化”沒有功能意義。如果由于使用導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化導(dǎo)致土壤功能的變化，評(píng)估可能會(huì)更加矛盾。一種土壤功能得到增強(qiáng)，而另一種土壤功能減弱，這更像是一種規(guī)則而不是例外。生產(chǎn)力功能和生物多樣性功能在農(nóng)業(yè)利用過程中大多向相反方向發(fā)展。然后紀(jì)律評(píng)估決定土壤發(fā)育是被描述為積極（惡化）還是消極（退化）。這種討論經(jīng)常出現(xiàn)在關(guān)于排水后潮濕腐殖質(zhì)積累的水形土壤的使用相關(guān)變化的辯論中。濕地保護(hù)主義者將這種泥炭土壤的發(fā)展稱為退化，盡管與作物產(chǎn)量相關(guān)的土壤參數(shù)并未減少。農(nóng)業(yè)學(xué)家重視排水泥炭土壤提高生產(chǎn)力的作用。在文獻(xiàn)中，還有許多其他關(guān)于土壤和土地退化的定義和概念。其中一些似乎是永恒的和普遍的。然而，所有定義都需要根據(jù)其目的以及時(shí)間和地方尺度來解釋。 嘗試量化土壤退化GLASOD（全球土壤退化評(píng)估）方法是大約 30 年前由荷蘭 ISRIC 的國際土壤參考和信息中心開發(fā)和協(xié)調(diào)的，產(chǎn)生了大約 1:10 百萬比例的全球地圖。這種方法基于現(xiàn)有的土壤和地形圖，并輔以基于專家的區(qū)域和全國信息。土壤退化（SD）的基本工作定義是“土壤退化被定義為降低土壤當(dāng)前和/或未來生產(chǎn)商品或服務(wù)的能力的過程”。對(duì)土壤退化的不同類型、程度、相對(duì)程度和成因進(jìn)行了詳細(xì)說明和描述。后來，這種方法被改進(jìn)并應(yīng)用于特定地區(qū)。目前，它仍然是唯一基本且全球一致的土地退化信息來源，涵蓋全球整個(gè)地區(qū)。 GLA-SOD 估計(jì)全球有12.16 億公頃，而其他科學(xué)家的估計(jì)范圍很廣，從 470 到61.4 億公頃不等。 GLASOD 研究和連續(xù)的區(qū)域研究旨在為國家行動(dòng)計(jì)劃提供信息，包括研究和監(jiān)測土壤變化、研究驅(qū)動(dòng)力和對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)影響以及制定制止退化和荒漠化計(jì)劃的新概念。后來的研究利用了增強(qiáng)和快速發(fā)展的遙感方法和其他地理空間技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的巨大潛力以及高分辨率數(shù)據(jù)和建模工具的開放可用性。 為了更好地了解區(qū)域和地方層面最相關(guān)的退化和荒漠化過程，已經(jīng)啟動(dòng)了許多區(qū)域和地方實(shí)驗(yàn)和模擬研究。構(gòu)建了新的測量系統(tǒng)，產(chǎn)生了新的實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了新的數(shù)據(jù)，并增加了對(duì)單一退化過程的性質(zhì)和程度的理解，以及農(nóng)場和區(qū)域規(guī)模的緩解和對(duì)抗戰(zhàn)略。例如風(fēng)蝕、水蝕、土壤壓實(shí)和許多其他人。在一些歐盟國家，每個(gè)農(nóng)田都根據(jù)其水蝕和風(fēng)蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分類。然而，尚不存在在土壤質(zhì)量/健康評(píng)估土壤功能框架內(nèi)的田間土壤退化狀態(tài)監(jiān)測。 1.4.2 退化和荒漠化土壤狀況指示 與土壤質(zhì)量/健康概念相一致的退化功能土壤狀態(tài)指示是區(qū)域和地方層面參與性決策的基礎(chǔ)，將是可取的。然而，這些概念僅在一定程度上存在。 嘗試在歐盟層面建立土壤威脅監(jiān)測。 15 年前，在ENVASSO 項(xiàng)目（用于監(jiān)測的土壤環(huán)境評(píng)估）的框架內(nèi)，為歐盟國家開發(fā)并測試了一個(gè)土壤監(jiān)測項(xiàng)目。這是建立定期土壤監(jiān)測系統(tǒng)的嘗試，該系統(tǒng)基于關(guān)鍵指標(biāo)和統(tǒng)一的國家和區(qū)域方法，每隔幾年提供可靠的數(shù)據(jù)，以測量和表征土壤退化。該方法基于 DPSIR 概念，但大多數(shù)指標(biāo)是狀態(tài)指標(biāo)。表 1.3、1.4、1.5 顯示了國際專家團(tuán)隊(duì)識(shí)別的主要威脅和選擇的前三項(xiàng)指標(biāo)。 ER = 水、風(fēng)和耕作侵蝕，OM = 土壤有機(jī)質(zhì)下降，SE =土壤封閉、土地消耗和棕地重建，CP =土壤壓實(shí)和結(jié)構(gòu)退化，BI =土壤生物多樣性，LS =滑坡活動(dòng)，DE =荒漠化。 干燥指數(shù) =（年降水量）/（年潛在蒸散量），NA = 尚不可用，特定地點(diǎn)，CLC = Corine 土地覆蓋，Calc = 計(jì)算：過去 20 年中每年燃燒面積最小的 5 年（ km 2 ), DM = 干物質(zhì) 表 1.3表明，除了土壤侵蝕，沒有明確的基線和閾值可以量化絕對(duì)數(shù)據(jù)。對(duì)于與復(fù)雜生物系統(tǒng)相關(guān)的土壤威脅，例如土壤生物多樣性和有機(jī)質(zhì)下降，關(guān)于可能的基線和閾值的知識(shí)尤其缺失。同時(shí)，在生物系統(tǒng)方面取得了一些進(jìn)展（例如，在一般監(jiān)測工作中使用蚯蚓豐度和/或多樣性）（參見ISO 15799:2019-11 2019；ISO 17616:2019-11 2019）以及化學(xué)監(jiān)管領(lǐng)域。此外，雖然在學(xué)科研究中已經(jīng)很好地量化了土壤壓實(shí)和土壤結(jié)構(gòu)惡化的過程，但尚未通過定量基線數(shù)據(jù)和閾值來表示。由于機(jī)械負(fù)載不斷增加，并且對(duì)大多數(shù)土壤的土壤壓實(shí)深度和強(qiáng)度的影響已經(jīng)得到很好的理解和量化，因此可以考慮包含一個(gè)簡單的壓力指標(biāo)，例如軸載或機(jī)械總重量.機(jī)械的不斷進(jìn)步，例如四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的引入意味著以前沒有耕種的陡坡土地現(xiàn)在被用于農(nóng)作物生產(chǎn)。土地利用從牧場到種植的變化進(jìn)一步加劇了耕作侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，重金屬（表 1.4）和鹽度/堿度（表 1.5）等可以通過化學(xué)分析測量的土壤指標(biāo)已經(jīng)積累了大量的理論和實(shí)踐知識(shí)。很明顯，區(qū)域特定閾值是有用且可能的，因?yàn)楸尘皾舛鹊目臻g變異性很大，取決于土壤母質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤 pH 值和歷史土地利用。提供了閾值概述。 表 1.4 歐洲不同土壤/法規(guī)或建議中土壤重金屬的背景濃度和閾值范圍
表 1.5 鹽堿化和堿化指標(biāo)的基線和閾值
還可以看出，每個(gè)威脅三個(gè)指標(biāo)是不夠的。當(dāng)在更廣泛的范圍內(nèi)監(jiān)測土壤退化時(shí)，下至區(qū)域和田間水平，遠(yuǎn)不止三個(gè)指標(biāo)（如ENVASSO 項(xiàng)目）需要充分描述單一的土壤退化過程。 Kosmas 等人基于來自全球 17 個(gè)土壤退化和荒漠化程度高的地區(qū)的綜合數(shù)據(jù)集，通過多元統(tǒng)計(jì)方法得出了最重要的指標(biāo)。他們發(fā)現(xiàn)，6 個(gè)（耕作侵蝕）和 14 個(gè)（水侵蝕）指標(biāo)顯著影響過程。 Virto 等人的綜合分析顯示，歐盟國家的土壤退化呈上升趨勢，而解決、定期監(jiān)測和對(duì)抗這些威脅的工作卻停滯不前。從立法的角度來看，水和空氣比土壤更受關(guān)注。從邏輯上講，盡管過去幾十年取得了所有進(jìn)展，但與人類世的其他威脅和問題相關(guān)，公眾對(duì)土壤及其研究和監(jiān)測的認(rèn)識(shí)仍然被低估、不足和不完整。目前尚不存在與土壤健康/質(zhì)量方法相當(dāng)且兼容的土壤退化現(xiàn)場指標(biāo)系統(tǒng)。啟動(dòng)與土壤質(zhì)量/土壤健康方法相匹配的土壤退化運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的工作將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。 土壤功能建模的進(jìn)展以及對(duì)指標(biāo)和數(shù)據(jù)的需求。土壤功能建?？捎糜诹炕寥劳嘶?。在模擬和預(yù)測土壤過程和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、它們的生產(chǎn)力和其他功能方面取得了很大進(jìn)展。生態(tài)系統(tǒng)建模是知識(shí)生成和決策支持的新興分支。其中一個(gè)關(guān)鍵部分是描述土壤-水-大氣相互作用和作物生長的模型（SWAT 模型）。 創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng)模型需要智能傳感器技術(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)、多層次的土壤信息系統(tǒng)以及包括天氣和植被數(shù)據(jù)在內(nèi)的其他高分辨率數(shù)據(jù)。它們通常與可以獲得這些詳細(xì)數(shù)據(jù)的野外觀測站或研究站點(diǎn)相結(jié)合。如果數(shù)據(jù)不足以允許多種可能的排列，并且可以使用 Baysean Belief Networks 包括專家知識(shí)。例如，Troldborg 等人(2013) 使用這種方法繪制了有土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。然而，這種方法確實(shí)需要訪問幾位在威脅和土壤方面都有經(jīng)驗(yàn)的土壤科學(xué)家，以及獲得良好的土壤調(diào)查信息。 簡單的基于指標(biāo)的 GIS模型是創(chuàng)建當(dāng)前空間或時(shí)空信息并預(yù)測未來狀態(tài)的另一種選擇。基于 pedotransfer 函數(shù)的土壤功能特性區(qū)域化現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠?qū)ν寥拦δ苓^程進(jìn)行一致的建模，例如地下水形成、作物生產(chǎn)力潛力、土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)以及從田間規(guī)模到大區(qū)域的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)。這里給出了三個(gè)進(jìn)一步的例子，證明了相對(duì)簡單的空間數(shù)據(jù)對(duì)于特定土壤退化風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)?；５挠杏眯?。帕納戈斯等人。 2020 年根據(jù)歐洲版修訂后的通用土壤流失方程 (RUSLE) 模擬了整個(gè)歐盟的水侵蝕。四分之一的歐盟土地主要位于南部，其侵蝕率高于可持續(xù)閾值（2 噸/公頃），約 6% 的土壤遭受嚴(yán)重侵蝕（>11 噸/公頃）。結(jié)果表明，在改進(jìn)的共同農(nóng)業(yè)政策 (CAP) 法規(guī)的框架內(nèi)，通過更好的土壤保持來減少土壤退化的努力得到加強(qiáng)。 表 1.3 歐盟 (EU) 監(jiān)測土壤威脅的前三項(xiàng)指標(biāo)，來自 ENVASO 項(xiàng)目的數(shù)據(jù)
24 E. Saljnikov et al. 基于國家標(biāo)準(zhǔn)（DIN 19, 706:2013–02 2013），Steininger 和 Wurbs（2016）闡述了一種統(tǒng)一的方法，用于根據(jù)空間土壤、氣候、植被、管理和管理來評(píng)估德國所有農(nóng)田的風(fēng)蝕風(fēng)險(xiǎn)。景觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。岳等人。 2019 年開發(fā)了一種基于數(shù)據(jù)挖掘的方法，根據(jù)氣候、植被和土壤的空間可用數(shù)據(jù)繪制風(fēng)沙化地圖。輸入是年平均降水量、干旱指數(shù)、風(fēng)速、植被指數(shù)和離網(wǎng)土壤可蝕性指數(shù)。 荒漠化監(jiān)測。IPCC 關(guān)于氣候變化背景下荒漠化知識(shí)現(xiàn)狀的清單顯示，基于區(qū)域化氣候數(shù)據(jù)的干旱指數(shù)（AI）和歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）計(jì)算自遙感數(shù)據(jù)是在區(qū)域和全球范圍內(nèi)評(píng)估荒漠化狀況和風(fēng)險(xiǎn)的最常見指標(biāo)。土壤數(shù)據(jù)在這種監(jiān)測中不發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，評(píng)估沒有以次區(qū)域和地方層面的兼容指標(biāo)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。奧爾森等人(2019) 指出沒有連貫和系統(tǒng)的全球土地退化清單。他們需要區(qū)域差異化的可持續(xù)土地管理戰(zhàn)略，這些戰(zhàn)略需要得到實(shí)施和充分監(jiān)測。 在大約 40 至 50 年前的以往研究中，糧農(nóng)組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）支持實(shí)地研究荒漠化。他們提出了對(duì)荒漠化進(jìn)行分類以及制定農(nóng)場和區(qū)域防治戰(zhàn)略的建議和閾值（表 1.6）。由于遙感和 GIS技術(shù)的發(fā)展，它們在理論和實(shí)踐中失去了重要性。 表 1.6顯示這些分類是基于測量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集并非沒有單一指標(biāo)之間的矛盾，而是可以作為地方和區(qū)域?qū)用婀δ芡寥缊D的可靠決策依據(jù)。 這些指標(biāo)和數(shù)據(jù)應(yīng)成為現(xiàn)代土壤信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的一部分，支持不同用途的模型。它們能夠根據(jù) DSS 中可用的土壤質(zhì)量、氣候、植被和土地管理指數(shù)來計(jì)算綜合指數(shù)（復(fù)雜指標(biāo)），例如環(huán)境敏感區(qū)域指數(shù) (ESAI)，用于描述土地退化和荒漠化風(fēng)險(xiǎn)的特征和功能制圖在大范圍內(nèi)始終如一，并且是考慮土壤質(zhì)量、氣候、植被和管理的其他復(fù)雜指標(biāo)方案的基礎(chǔ)。 治理和振興農(nóng)村地區(qū)的參與性過程，例如環(huán)境影響評(píng)估、景觀規(guī)劃以及其中的部分或其他相關(guān)程序，例如景觀特征評(píng)估，土地整治和景觀保護(hù)設(shè)計(jì)不能基于縮小的區(qū)域土壤數(shù)據(jù)，而是需要通過表 1.6 中所示的指標(biāo)來表征土壤在景觀層面的表現(xiàn)的當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)。這些參與程序包括當(dāng)前狀態(tài)下土壤退化和荒漠化的時(shí)空信息和基于模型的未來情景。這些基于指標(biāo)的模型必須與更詳細(xì)的數(shù)據(jù)密集型基于過程的模型相互關(guān)聯(lián)，例如農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型。 表 1.6 評(píng)價(jià)荒漠化狀況的基于實(shí)地的植被、水侵蝕和鹽漬化標(biāo)準(zhǔn)（由糧農(nóng)組織/環(huán)境署 1984 年提出，由 Verón 等人 2006 年引述，摘錄，修改）
1.5 邁向土壤性能綜合現(xiàn)場診斷系統(tǒng) 保持復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的概覽和安全數(shù)據(jù)質(zhì)量的挑戰(zhàn)。從土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)集可知，指標(biāo)與其他指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，需要最少的土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)集?？梢允褂猛寥缊D和數(shù)據(jù)庫中關(guān)于土壤功能的現(xiàn)有信息，但由于某些土壤屬性和質(zhì)量（動(dòng)態(tài)土壤質(zhì)量）會(huì)根據(jù)管理在相對(duì)短期內(nèi)發(fā)生變化，因此需要實(shí)際的土壤數(shù)據(jù)。土壤健康聚類分析顯示，表土特性的土壤類別與土地利用（土壤表型）的相關(guān)性高于土壤地圖分類（土壤基因型）。 數(shù)據(jù)的多重共線性、空間數(shù)據(jù)的自相關(guān)和時(shí)間序列的趨勢是數(shù)據(jù)分析的高級(jí)多元統(tǒng)計(jì)方法面臨的挑戰(zhàn)。需要主成分分析 (PCA) 和復(fù)雜的層次分析過程，以一致的最小數(shù)據(jù)集 (MDS)、不同位置、研究和管理的權(quán)重和評(píng)分函數(shù)顯示。 對(duì)土壤對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵作用及其多功能性的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致土壤指標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)系統(tǒng)的一部分，并應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、景觀規(guī)劃和其他目的。由于同一土壤數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出不同的 ES，因此數(shù)據(jù)的多重共線性和可靠性問題可能會(huì)更加嚴(yán)重。在過去的幾年中，已經(jīng)制定了一個(gè)國際通用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類 (CICES)，它為所有用戶更新、描述、編碼和分類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。其層次結(jié)構(gòu)中不斷增長的列表對(duì)這些復(fù)雜指標(biāo)系統(tǒng)的可靠性和清晰度提出了質(zhì)疑。 是否可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)估值對(duì)基于土壤的 ES 進(jìn)行量化？已經(jīng)進(jìn)行了嘗試，例如Bartkowski等人（2020年）。其他科學(xué)家認(rèn)為，ES 概念使許多服務(wù)的測量和定量預(yù)測變得復(fù)雜，并且沒有反映利益相關(guān)者的擔(dān)憂。如果單一土壤指標(biāo)發(fā)生顯著變化并超出閾值，生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是否仍處于可接受的范圍內(nèi)？某項(xiàng)技術(shù)或控制措施是否可持續(xù)，因?yàn)樵醋酝寥乐笜?biāo)的單一 ES 已顯著提高？哪些土壤指標(biāo)在這些復(fù)雜系統(tǒng)中表現(xiàn)最好？這些問題仍然懸而未決。需要詳細(xì)說明多個(gè)指標(biāo)/數(shù)據(jù)集的重要性規(guī)則。 復(fù)雜的 ES 信息可以在綜合研究中進(jìn)行辯論，但對(duì)現(xiàn)場參與的利益相關(guān)者流程沒有用處。現(xiàn)場利益相關(guān)者的擔(dān)憂更多地與土壤和植被有關(guān)。 “硬”土壤測量數(shù)據(jù)可能會(huì)在復(fù)雜的 ES 服務(wù)系統(tǒng)的混亂中消失，變得不如估計(jì)數(shù)據(jù)重要。需要與利益相關(guān)者的已知經(jīng)驗(yàn)世界相關(guān)的可直接測量的指標(biāo)和數(shù)據(jù)，即可以感知、可見、有形和可聞，并與對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程的觀察直接相關(guān)，例如植物生長和產(chǎn)量以及動(dòng)物繁榮。 有一些希望，土壤測量和評(píng)估方法的現(xiàn)場方法可以再次發(fā)揮更大的作用。對(duì)物理 SQI 提供生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)能力的穩(wěn)健性、空間和時(shí)間變異性以及預(yù)期變化率的統(tǒng)計(jì)測試揭示了以下指標(biāo)的偏好： 土壤堆積密度、土壤保水特性、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤侵蝕速率、土壤深度、土壤結(jié)構(gòu)（通過視覺土壤評(píng)估評(píng)估）和土壤封閉性。所有這些都是現(xiàn)場指標(biāo)，可以從簡單的現(xiàn)場采樣中測量，或者在保水曲線的某些范圍內(nèi)（土壤比現(xiàn)場容量更干燥），它們可以使用土壤傳遞函數(shù)從現(xiàn)場診斷特性中推導(dǎo)出來。 用于學(xué)習(xí)和參與式?jīng)Q策過程的土壤現(xiàn)場測量和評(píng)估。 農(nóng)業(yè)是全球最大的土地和土壤用戶，但公眾對(duì)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村景觀的教育和科學(xué)的關(guān)注和資助正在下降。因此，能夠與土壤互動(dòng)的人數(shù)在高教育水平的田野和景觀中，必須穩(wěn)定和成長。土壤科學(xué)家與相鄰學(xué)科科學(xué)家和利益相關(guān)者之間更好的互動(dòng)對(duì)于獲得可在該領(lǐng)域應(yīng)用的重要研究成果越來越重要。這是一種跨學(xué)科的研究和該領(lǐng)域的辯論，同時(shí)查看土壤剖面是最好的舞臺(tái)。這更加注重接觸地面，并使用表 1.6 所示的現(xiàn)場測量方法和現(xiàn)場指標(biāo)。 現(xiàn)場土壤信息（圖 1.9）應(yīng)從景觀中特定土壤的分配開始，解釋土壤形成過程（氣候、母質(zhì)、植被、人為影響）和基于遺傳視野的土壤分類和診斷材料。除了地方和國家以及土壤分類，還需要根據(jù)世界土壤資源參考基礎(chǔ)（IUSS 工作組 WRB 2014）給出一個(gè)具有國際可比性的土壤名稱。
圖 1.9 土壤科學(xué)家與農(nóng)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和從業(yè)者會(huì)面期間對(duì)土壤功能狀態(tài)的聯(lián)合評(píng)估。照片 L.穆勒 在農(nóng)業(yè)用途的土地上，生產(chǎn)力的主要土壤功能可以根據(jù) 2007 年手冊（M-SQR手冊2007）和幾個(gè)更新Mueller等人（2016年）的評(píng)級(jí)表。目前，M-SQR是唯一的土壤評(píng)價(jià)方法，適用于全球大部分農(nóng)田和草地。土壤剖面將通過圖 1.10 所示的指標(biāo)進(jìn)行掃描。 危害指標(biāo)描述了土壤退化因素和對(duì)土壤的其他威脅，這些因素會(huì)大大降低土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量潛力。 除了土壤遺傳分類（由 WRB 2014 提供）和生產(chǎn)力功能分類（由M-SQR 提供）之外，其他土壤功能評(píng)估、表征這些功能的現(xiàn)場表達(dá)方法，現(xiàn)場建議使用測試套件和土壤取樣進(jìn)行特殊分析。新的傳感器技術(shù)，例如電化學(xué)傳感與基于離子選擇性膜的傳感器相結(jié)合，適用于土壤化學(xué)參數(shù)（硝酸鹽、磷酸鹽、鉀）的快速原位監(jiān)測（Ali et al. 2020）?，F(xiàn)代野外診斷工具，如電子野外手冊、無人機(jī) (UAV) 制作的景觀和植被異質(zhì)性圖像可以支持表達(dá)現(xiàn)場土壤的過程功能和威脅評(píng)估。 最近的國際研究證實(shí)，土壤質(zhì)量/健康的視野評(píng)估方法與快速診斷測量方法以及背景區(qū)域和當(dāng)?shù)卣军c(diǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，是評(píng)估管理實(shí)踐的可靠工具。它們在很大程度上滿足了農(nóng)民和其他當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者的基于經(jīng)驗(yàn)的看法，它們對(duì)于參與式研究特別有價(jià)值。這些技術(shù)的安裝和應(yīng)用需要擴(kuò)展專家的科學(xué)協(xié)議、指導(dǎo)和培訓(xùn)，否則結(jié)果可能會(huì)模棱兩可。
圖 1.10 Muencheberg 土壤質(zhì)量評(píng)級(jí) (M-SQR) 的指標(biāo)和評(píng)級(jí)方案，這是一種評(píng)估土壤生產(chǎn)力潛力的快速方法。 Mueller 等人推薦了該方法（2016 年）結(jié)合世界土壤資源參考庫（WRB，IUSS 工作組 WRB 2014）在該領(lǐng)域中應(yīng)用 1.6 結(jié)論 1. 土壤退化是許多降低土壤功能的復(fù)雜現(xiàn)象的統(tǒng)稱。在許多情況下，例如風(fēng)蝕和水蝕、鹽堿化和堿化，這是由于過度使用和管理不善的土壤導(dǎo)致自然過程加速造成的。在其他情況下，例如通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行的土壤密封、耕作侵蝕和農(nóng)業(yè)機(jī)械造成的土壤壓實(shí)，這完全是由于土壤的過度使用和管理不善造成的。最后但同樣重要的是，必須在不同的生物組織尺度和時(shí)間尺度上考慮化學(xué)品對(duì)生物結(jié)構(gòu)和功能的影響。 2. 必須在土壤作為生態(tài)系統(tǒng)、土地、景觀和其他類別和規(guī)模的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的背景下理解、監(jiān)測、減輕和對(duì)抗土壤退化過程。在研究和實(shí)踐中處理這種極端復(fù)雜性需要學(xué)科、跨學(xué)科和跨學(xué)科的工作。 3. 現(xiàn)有的退化和荒漠化評(píng)估和監(jiān)測概念在多個(gè)層面顯示出知識(shí)差距。土壤功能的土壤質(zhì)量/土壤健康概念應(yīng)得到土壤退化測量數(shù)據(jù)的支持，無論是在實(shí)驗(yàn)室，但最重要的是在子田間和田間規(guī)模。 特別是，最后一步是一個(gè)特別被忽視的研究領(lǐng)域，考慮到當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域?qū)用嫱寥赖牟煌寥缹W(xué)和生物學(xué)特性。 4. 我們承諾基于可靠的現(xiàn)場測量技術(shù)結(jié)合基于專家的知識(shí)和評(píng)估方法，建立先進(jìn)的土壤性能現(xiàn)場診斷系統(tǒng)。這對(duì)于參與式?jīng)Q策過程中土壤保健的進(jìn)展至關(guān)重要。 |
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