综述：人工智能增强显微镜在土壤生物多样性评估中的作用——推动土壤安全、连通性与治理，对欧盟土壤监测与恢复指令及全球议程的启示

本综述深入探讨了人工智能增强显微镜（AIEM）在土壤生物多样性评估中的变革性作用，强调其通过将土壤生物（微生物、微动物）可视化、量化，有效弥合了土壤科学、政策制定与公众认知间的鸿沟。文章系统阐述了健康的土壤生物多样性（如细菌、真菌、线虫）对维持土壤功能（养分循环、碳固存）、保障粮食安全及国家稳定的关键意义，并提出了“土壤社区中心（SCH）”作为连接多层级治理与实地行动的核心平台，为实施欧盟《土壤监测与恢复指令》及全球土壤治理议程提供了创新性技术路径与政策框架。

　　

引言：土壤的“不可见性”问题

土壤作为文明的基石，支撑着人类福祉与行星健康，却在公众认知与政策框架中长期被忽视。这种忽视导致土壤持续退化，尽管国际社会日益认识到其不可再生性及在粮食安全、气候调节、社会经济韧性与国家稳定中的关键作用。土壤生物多样性既是土壤状况的驱动者，也是其反映者：微生物和动物群落介导pH缓冲、养分循环、水分保持和碳稳定，而非生物因素的转变又重塑生物网络。由于这种互惠联系，生物多样性成为土壤健康的敏感、综合性指标，也是一个非专家也能直观理解的概念。

土壤安全在粮食与国家安全背景下的意义

土壤安全框架包含五个相互关联的维度：能力、条件、资本、连通性（Connectivity）和法典化（Codification）。其中，连通性指的是土壤被非专家（包括政策制定者、土壤利益相关者和公众）认识、理解和重视的程度。土壤退化不仅威胁农业生产力，还通过削弱粮食系统的稳定性，加剧经济脆弱性和地缘政治风险。据估计，土壤退化导致的年度经济损失相当于全球年度总产值的10%，例如在欧洲联盟，这一负担超过每年500亿欧元。

全球供应链的高度互联性加剧了农业的脆弱性。土壤退化迫使农业系统依赖外部投入，如化肥和农药，这进一步增加了对全球市场波动的暴露风险。气候压力（如长期干旱和极端洪水）与贸易政策相互作用，削弱了小农系统的韧性，凸显出将土壤条件视为国内战略优先事项的必要性。

土壤生物多样性：从生态过程到政策相关指标与治理的桥梁

土壤生物多样性是土壤功能的核心预测因子。健康的土壤包含完整的营养网络，包括分解者（细菌、古菌、真菌）以及从原生动物、线虫、微节肢动物到蚯蚓等捕食者。这些群落通过相互作用增强通气性、肥力和对生物/非生物胁迫的抵抗力，从而减少对外部投入的依赖。

将生物多样性纳入治理需要稳健、可比较的指标。当前的方法包括：

1. 1.

   复杂性指标（如α多样性、β多样性）；

2. 2.

   功能活性指标（如基础呼吸、酶活性）；

3. 3.

   指示类群与性状指标（如真菌:细菌比率、线虫成熟指数）；

4. 4.

   网络与共现指标（如共现网络、能量通量网络）。

然而，分子方法（如DNA测序）存在局限性，如假阳性/假阴性、高成本以及对专业实验室的依赖，限制了其在决策中的广泛应用。

高通量与人工智能驱动工具包在推进土壤生命监测中的作用

人工智能增强显微镜（AIEM）将机器人驱动的高分辨率成像与机器学习算法相结合，可在近实时状态下检测、识别和量化土壤生物，提供可扩展的低成本生物多样性数据用于决策。AIEM克服了土壤生物的“不可见性”，通过可视化其形态和运动，减少了非专家与土壤系统之间的心理距离。

AIEM与其它高通量方法（如分子宏组学、原位/遥感传感器）形成互补。分子方法揭示“谁在那里”和“能做什么”，而AIEM增加了“如何做”的行为见解，传感器则扩展了覆盖的时空尺度。开放式硬件和低成本显微镜（如手机显微镜应用NemaRec）使农民、学生和公民科学家能够参与生物多样性监测，将土壤生命监测转变为一项参与性事业。

AIEM与土壤社区中心（SCH）作为连通性、意识、赋能和国家多层级治理的核心

土壤社区中心（SCH）是包容性空间，整合AIEM技术、技术分析与协作学习。它们作为知识中心，为地方决策提供实时数据，支持识别退化风险、优先考虑再生实践以及设计适应当地土壤气候条件的可持续农业系统。通过聚合数据，SCH为区域评估提供信息，指导证据型政策制定，并促进全球土壤测绘。

SCH还培育互动、知识交流和相互学习，将农民、研究人员、政策制定者和公众团结起来。在此方面，它们既是科学探究的中心，也是社会凝聚力的催化剂，加强了对土壤状况的集体责任。

扩大AIEM-SCH土壤生物多样性评估以促进政策整合与全球可持续性

广泛采用土壤生物多样性评估需要将数据系统地嵌入正式授权、资助计划和长期监测框架中。例如，欧盟《土壤监测与恢复指令》和“土壤使命”计划要求标准化评估土壤健康，并在成员国建立100个生活实验室（Living Labs）。这些实验室作为实验性、跨学科和参与性平台，共同开发和测试基于自然的土壤管理解决方案。

在国际层面，AIEM-SCH可以发展成为分散但相互关联的网络，以监测跨境土壤问题，并为尊重当地生态和社会背景的 cohesive 政策响应提供信息。食品及农业组织（FAO）通过全球土壤伙伴关系（GSP）可在治理层面协调这些努力，而GlobalSoilMap.net等科学倡议可以合成本地数据，形成可纳入全球土壤生物多样性图谱的完整数据集。

结论

AIEM-SCH有潜力重新定义治理框架内的土壤生物多样性监测。除了提高诊断能力外，其优势在于将科学证据与决策联系起来，激励以土壤为中心的管理，并在不同背景下培养包容性。未来工作应优先评估土壤生物多样性对不同利益相关群体连通性的影响，同时将试点项目扩展到更广泛的治理框架中，并确保全球南北之间的公平访问。