第一章 关于土壤健康
第一节 土壤健康概念的提出
一、土壤
土壤是地球陆地表面能生长绿色植物的疏松表层、地球表层系统的重要组成部分，是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互作用的产物，即由岩石、气候、生物、地形等地球表面自然环境因子通过时间共同作用下形成的（图1-1），常被认为是地球的“皮肤”（geoderma）。土壤的形成过程非常缓慢，一般需要100～400年才能形成1 cm的土层。土壤层是一个动态界面，土壤独特的疏松多孔结构将其与其他4个圈层连接在一起。岩石与生物之间、空气与水之间的进入、穿过和包围，各圈层间的物质交换和能量循环等均通过土壤界面相互作用。土壤的特性和重要性决定了无论是在自然还是在人为管理条件下，它都是人类和地球上其他生命赖以生存的物质基础，是地球陆地上动物、植物、微生物乃至一切生命体与非生命体的载体。
图1-1 地球上的土壤（左，图片由曾希柏提供）及土壤圈与各圈层间的关系（右）（彩图请扫描封底二维码）
土壤由各种物质混合组成，包括不同比例的固态、液态和气态（图1-2）。土壤的固态成分包括矿物质和有机成分（生物和非生物）。约占土壤体积50%的固态物质由矿物质和腐殖质组成，其中土壤矿物是由岩石经风化作用而形成的不同粒径大小的颗粒。土壤矿物质种类很多，化学组成复杂，根据颗粒大小可以分为粗砂、中粒砂、细砂、壤土和黏土等。土壤颗粒组成成分强烈地影响着土壤的功能，不同粒径大小的矿物组分对土壤功能的影响方式不同，同时不同土壤粒径颗粒的相对比例决定了土壤的质地和结构类别，如图1-3所示。土壤质地是量化土壤功能的基本特征之一。例如，土壤中黏土的数量和类型可以很大程度地影响土壤结构保持、养分交换和储存有机物的能力。土壤中黏土矿物一般具有层状或片状结构、较大的比表面积，大多数黏土表面带有负电荷，可以使带有正电荷的营养离子通过静电吸附的方式被“粘”在土壤表面。通常，我们把土壤颗粒表面能够“抓住”带正电的营养离子并与土壤水或溶液进行交换的能力，称为土壤的阳离子交换能力（cation exchange capacity，CEC）。含有黏粒物质适中的土壤，一般具有较高的土壤阳离子交换能力，可以更好地保持土壤养分、改善土壤的物理结构和理化特性。按照土壤颗粒大小和组成比例，土壤可以被划分为砂质土（粒径大于2 mm的颗粒含量不超过全重的50%，而粒径大于0.075 mm的颗粒全量含量超过全重的50%的土）、黏质土和壤土（颗粒大小为0.02～0.2 mm）三类。砂质土含沙量大，土壤颗粒大而粗糙，通气性好，但保水和保肥性能差，渗水速度快。黏质土含沙量少，土壤颗粒粒径较小，通气性差，但保水和保肥性能好，渗水速度慢。壤土的性质则介于砂质土与黏质土之间，水与气之间的矛盾不强烈，通气透水，供肥保肥能力适中，耐旱耐涝，抗逆性强，适种性广，适耕期长，易培育成高产稳产土壤。
图1-2 土壤中固态和孔隙的分布（改编自龚子同等，2015）（彩图请扫描封底二维码）固态成分是由矿物质、有机质和生物或生物群组成。毛细孔隙中充满了水、气体和生物群落
图1-3 土壤结构三角形（改编自龚子同等，2015）
除了土壤的固态组成部分，土壤还包括气态和液态两部分。按照容积比计算，土壤的固相部分一般约占总体积的50%，气相和液相部分体积之和一般为50%左右（图1-2），且在不同类型土壤中存在一定程度的变幅。土壤中的气体主要存在于土壤孔隙中，绝大部分来自于由大气层进入土壤的氧气、氮气等，还有一小部分是由土壤内生命体的代谢活动而产生的二氧化碳和水蒸气。土壤中气相的占比在很大程度上取决于土壤中的液相状况，两者处于动态平衡状况。存在于土壤中的水分主要从地表进入，在水分从地表进入土壤过程中溶解了矿物质和养分。土壤中固态、气态和液态这三类物质构成了一个矛盾的统一体，它们相互联系、相互制约，为作物提供必需的生活条件。此外，土壤中还含有各种各样的有机生命体，包括动物、植物和微生物。
（一）土壤有机质
土壤有机质（soil organic matter，SOM；或 organic matter，OM）是来源于生物体的物质，主要由碳组成，通常与土壤矿物紧密结合在一起。广义上，土壤有机质是指以各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质，包括土壤中的各种动植物残体、微生物及其分解和合成的各种有机物质；狭义上，土壤有机质是指有机残体经微生物作用形成的一类特殊、复杂、性质比较稳定的高分子有机化合物。有机质按照分解程度可以分为新鲜有机质、半分解有机质和腐殖质。其中，腐殖质是指新鲜有机质经过酶的转化所形成的灰黑土色的胶体物质，一般占土壤有机质总量的85%以上。
土壤有机质是土壤固相的重要组成成分之一，对土壤中养分离子的保持具有十分重要的作用，这种作用与矿物（黏土等）相类似，但可在更大范围影响土壤离子养分供给和交换能力。土壤有机质分子结构中含有大量的营养元素，当有机质被土壤生物群体分解时，养分就被释放出来，供作物吸收利用，既满足了微生物和其他土壤生物生长活动所需，又可作为作物养分的重要来源之一。土壤中有机质与土壤矿物的相互作用，一般主要以胶膜形式包裹在矿物质颗粒的表面。通常，有机质松软、絮状多孔，黏结力比砂粒强，但又比黏粒弱。分解良好的有机质小颗粒可包裹粒径小的土壤黏粒矿物，形成稳定的土壤团聚体。土壤团聚体可作为土壤结构的一部分，使土壤变得松软并具有良好的团粒结构，对土壤理化性质起到明显的改善作用。此外，由于土壤团聚体的形成过程中对碳的固持更稳定，也可以起到碳封存的作用，被视为减缓气候变化的一个重要过程。
稳定的土壤有机质及其相对较高的含量对土壤的结构性、通气性、渗透性、吸附性和缓冲性等方面均有重要贡献。在一般耕地耕层土壤中，有机质含量只占土壤干重的0.5%～2.5%，耕层以下有机质的含量则会显著降低，但土壤有机质对土壤功能的作用却是巨大的。在农业生产中，有机质含量常作为衡量土壤肥力的一个重要指标。
（二）土壤孔隙
一般来说，固体土壤颗粒之间的空隙被称为孔隙，土壤中布满了大大小小蜂窝状的孔隙。其中，直径0.001～0.1 mm的土壤孔隙被称为毛管孔隙，其中充满了空气、水和生物，而水和空气又是土壤中所有生命必需的。水是促进养分在土壤中运输和植物吸收养分的介质，也可使微生物（如线虫和细菌）在土壤中移动。毛管水可以上下左右移动，但移动的快慢取决于土壤的松紧程度。松紧适宜，移动速度*快，过松过紧，移动速度都较慢。土壤孔隙可以使空气进入，为好氧生物的生长提供所需的氧气。土壤空气还对作物种子发芽、根系发育及养分转化等具有重要的影响。土壤中空气和水的平衡不仅取决于天气条件、气压状态，也取决于土壤孔隙的大小。土壤孔隙大小主要与形成孔隙的土壤矿质组成颗粒大小有关，如黏土的孔隙往往比砂土小。此外，与土壤颗粒大小同样重要的还有土壤颗粒之间通过表面化学、真菌菌丝、微生物和植物分泌物聚集或“聚类”而形成的土壤碎屑或团聚体。
不同类型的土壤，由于颗粒组成等的差异，其固相土粒的大小及形状也各不相同，决定了其排列的方式并*终导致其孔隙性、结构性的差别。在固相土粒之间的孔隙中可以填充水（溶液）和气体，因此，土壤固相的差别也在很大程度上有机物等的溶液，其比例因降雨、灌溉等变化而发生相应变化；土壤气相的组成主要是氮气（N2）和氧气（O2），还有比大气中含量高很多的二氧化碳（ CO2）及其他微量气体。按容积比计算，土壤固相部分（含有机质部分）一般约占50%，液相和气相部分之和（孔隙）一般占50%上下（变幅为15%～35%），气相的比例在很大程度上取决于土壤水（溶液）的状况。
土壤颗粒大小不一致，土壤团聚体的大小也不同，较大的团聚体由较小的团聚体组成，这些被称为土壤结构，对应于农业生产中则被通俗地称为“耕层”。一个健康的、团聚良好的土壤应具有一系列稳定的土壤颗粒和土壤孔隙，如图1-4所示。土壤孔隙大小及其连续性决定了水在土壤中的流动方式。当土壤变湿后，在重力作用的影响下，与小孔隙相比，水更容易在大孔隙中被排出，这是因为毛细管压力作用会使较小的孔隙变得更小从而储存渗入土壤中的一部分水分。植物几乎可以从所有的毛孔中获取水分，但当土壤中的毛孔将水分锁得太紧时，水分将无法被植物吸收利用。因此，一个结构良好、孔隙大小不等的土壤，既可以使土壤中的水分和氧气在大孔隙和小孔隙中达到平衡状态，也可为植物根系和土壤生物提供有利的生存环境。
图1-4 健康土壤包含不同孔径的团聚体（改编自 Moebius-Clune et al.，2017）（彩图请扫描封底二维码）
（三）土壤剖面
土壤是母质、生物、气候、地形和时间五大自然因素及人类活动综合作用下形成的独立历史自然体，尽管在不同地域土层厚度差异很大，但均经过了漫长的时间才发育而成，一般认为需要100～400年才能形成1 cm的土层。不同时间和空间尺度上成土因素的差别，也导致了地球表面土壤的千变万化，因此，土壤不仅具有自身的发生、发展历史，同时也具有相应的形态、组成和结构。在漫长的成土过程中，受前述各因素的综合影响，土壤的颗粒及矿物组成、各种元素含量等均会随土层深度的变化而发生相应变化，从而使土壤具有了一定的剖面层次。按照苏联土壤学家道库恰耶夫（В.В.Дοкучаев）的成土学说，常见的土壤剖面一般具有3个基本的层次，分别为 A层即地表的*上层，亦为腐殖质聚积层（或淋溶层）；B层即淀积层，一般黏粒和土壤中其他可移动的物质在该层淀积； C层即母质层，由不同程度的风化物构成，位于 B层之下（图1-5）。此外，C层之下通常为母岩（ R层）。其后的研究者又在此基础上，对土壤层次做了更详细的划分，如淋溶层（ A层）、潜育层（ G层）、耕作层（ Ap1层）、犁底层（ Ap2层），并将淀积层进一步划分为黏粒淀积层（Bt层）和碳酸钙淀积层（Bk层）。
图1-5 典型剖面构型及土壤剖面图（图片由曾希柏提供）
土壤剖面构型是影响土壤肥力和生产力的重要因素之一。不同剖面构型的土壤，水分和养分的运移、植物根系的生长和伸展等均不相同，因此，对植物生长和产量的影响也各异，所表现出的肥力等也不尽一致。良好的土壤剖面构型，既有利于作物根系生长，又有利于保水保肥，反之亦然。
（四）土壤生物
土壤不仅为植物提供必需的营养和水分，也是土壤动物和微生物赖以生存的栖息场所，因此可以说土壤是一个不折不扣的生命共同体。土壤科学家认为，当
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