《Sustainability》：Soil Health Under Climate Change: A Review of Climate Impacts, Sustainable Management Strategies, and Future Directions
土壤健康是可持续农业、作物生产力及关键生态系统服务的基础。然而，气候变化通过气温升高、降水格局改变、大气CO2浓度上升及极端天气事件日益威胁土壤的功能完整性。上述因素加速土壤退化，并扰乱维持土壤健康所必需的物理、化学及生物学过程。本综述整合了关于气候变化对土壤健康与作物生产影响的近期证据，同时评估了旨在增强农业韧性的可持续管理策略。保护性农业（conservation agriculture）、有机质管理、多样化种植制度及综合养分管理（integrated nutrient management, INM）等技术可改善土壤结构、养分循环、水分保持、碳封存及整体作物生产力。此外，新兴技术为实时、定点及数据驱动的土壤管理提供了新机遇，包括遥感（remote sensing）、地理信息系统（geographic information systems, GIS）、人工智能（artificial intelligence, AI）、数字农业及先进土壤监测工具。政策与社会经济因素——尤其是财政激励、推广服务及制度支持——在鼓励农户采纳上述实践中至关重要。尽管近期取得进展，经济障碍、技术局限、区域差异性及长期证据缺乏等问题仍制约可持续土壤健康实践的广泛推广。本综述提供了一个整合视角，将气候驱动的土壤物理、化学及生物学特性变化与可持续管理实践、新兴技术及政策支持相关联，并强调各组分间的相互作用与权衡，以促进气候韧性与可持续农业系统的构建。
1. 引言
土壤健康被日益视为可持续农业与环境完整性的关键因素。联合国粮农组织全球土壤伙伴关系下属国际土壤技术专家组将其定义为土壤维持生物生产力、促进生物多样性并在陆地生态系统内提供关键生态系统服务的能力。健康土壤是支撑农业产出、维系生态系统功能、维持生物多样性、保障粮食安全并促进环境可持续性的关键自然资源。然而，土壤功能深受土壤质地、成土母质、风化过程、管理实践及气候条件等因素影响，这些因素共同调控土壤的物理、化学及生物学特性。
气候变化通过气温升高、降水格局改变、大气CO2浓度上升及极端天气事件频发对土壤功能造成显著干扰，影响土壤结构、养分循环、微生物动态、水分有效性及植物-土壤相互作用，削弱土壤提供关键生态系统服务与维持农业生产力的能力。气候变化同时加速土地退化，导致荒漠化、养分耗竭与土壤质量下降。例如，持续干旱可显著降低土壤有机碳水平，而实验增温研究则显示底层土壤有机碳的显著损失及土壤CO2通量的增加，凸显土壤碳库对气候变化的敏感性及其在放大气候反馈循环中的潜在作用。土壤退化亦对实现联合国可持续发展目标构成重大障碍。
多项可持续土壤管理实践，如保护性耕作、覆盖作物、作物多样化、有机改良剂及生物炭施用，被公认具有增强土壤健康与提升农业系统气候韧性的潜力。土壤碳封存对于恢复土壤有机碳水平、改善土壤质量及通过促进土壤长期碳储存以减缓气候变化至关重要。有机改良剂已被证明能有效改善土壤理化性质、增加土壤有机质含量并恢复退化土壤。整合多年生植被、多样化轮作及畜牧业的种植制度，相较于传统一年生种植制度，可通过促进有机质积累、增加微生物活性及增强养分循环来改善土壤生物学健康。覆盖种植作为一种气候智能型管理实践，不仅能增加土壤有机碳储存，还能优化养分循环、刺激微生物活性并促进长期土壤韧性。
保护性农业的有效性具有显著的情境依赖性，并非一致性地提升作物产量。全球荟萃分析显示，相较于传统耕作，保护性耕作下平均减产1.35%；当免耕、秸秆覆盖与作物轮作同时实施时，未观察到显著产量差异。季节性降水超过400 mm时保护性耕作对产量产生不利影响，而碱性土壤则表现出约4%的增产。持续超过20年的免耕实践与减产相关，可能关联于容重升高、杂草压力增大、害虫爆发及病害流行等因素。上述观察强调保护性农业需因地制宜，其效能取决于针对当地土壤特性、气候条件及管理策略的最优实践整合。
精准农业技术的进步，包括物联网（Internet of Things, IoT）、精密传感器、遥感及人工智能驱动工具，正逐步促进可持续土壤管理。这些创新使土壤条件的实时监测与精确评估成为可能，推动数据驱动的决策以优化资源利用。
应对气候变化背景下复杂的土壤管理挑战，需要融合土壤科学、农学、生物技术、微生物学、环境科学及社会经济学科的跨学科方法。此外，增强土壤健康与实现可持续农业生产力的关键在于研究人员、政策制定者、农户及其他利益相关者之间的紧密协作，同时需考虑影响可持续土壤管理实践采纳的社会经济因素。
本综述综合了关于气候变化对土壤健康影响的近期科学发现，批判性评估涵盖保护性实践、有机改良剂、碳封存、覆盖种植、精准农业及跨学科方法的管理策略，指出现有进展、重大挑战与知识空白，并探讨增强土壤韧性及促进气候韧性农业系统的未来方向。与将各组分割裂处理的综述不同，本综述将气候对土壤健康与作物生产力的影响与可持续管理策略、新兴技术及政策机制相整合，旨在评估影响土壤健康与作物生产的主要气候变化驱动因素，评价增强农业韧性的可持续管理实践与创新技术，并识别需解决的关键研究、实施及政策缺陷。
2. 气候变化影响土壤健康与作物生产的关键驱动因素与挑战
气候变化通过增温、降水格局改变、极端天气情景及大气CO2水平升高等多重驱动因素的复杂交互对土壤系统产生深远影响。增温加速有机质分解、微生物呼吸及土壤水分损失速率；降水格局变化可加剧干旱、侵蚀、养分淋溶及土壤结构退化；极端气候事件的频率与强度进一步促进土壤退化过程；CO2升高则影响植物生长动态、根系分泌物、微生物活性及养分循环机制。上述影响的程度具有异质性，取决于特定土壤类型与气候带，最终影响土壤肥力、碳封存潜力、水文调节及生态系统韧性等关键功能。
2.1 气候变化对作物生产的影响
气候变化通过加剧环境胁迫被日益视为土壤健康、农业生产率及全球粮食安全的关键威胁。基于超过12,600个农业区域（约占全球作物热量三分之二）的实证数据评估显示，全球平均地表温度每升高1 °C，农业生产每年可能减少约5.5 × 1014 kcal，相当于每人每天约120 kcal。尽管适应措施与社会经济发展可在本世纪末缓解约23–34%的预计损失，但作物生产力的显著残余下降仍然存在，表明仅靠适应不足以保障未来粮食安全。
全球统计作物模型表明，温度每升高1 °C，玉米、小麦、大豆及水稻产量可能分别减少约7.5%、6.0%、6.8%及1.2%。荟萃回归分析报告小麦产量减少约7.6% °C?1，水稻与玉米减少约9.5% °C?1，表明CO2施肥效应在同步增温下可能被大幅削减甚至抵消。夜间增温导致水稻、小麦及玉米产量分别减少约33%、21%及10%。不同研究中产量响应的显著变异性凸显了通用估计在捕捉作物对增温脆弱性方面的不足，需考虑作物种类、增温特征、CO2暴露、环境条件及方法学差异等因素。
2.2 气候变化对土壤物理、化学及生物学特性的影响
2.2.1 土壤物理性质
长期田间增温实验表明，温度升高导致土壤物理性质退化，表现为容重升高、总孔隙度与非毛管孔隙度降低、团聚体粒径及稳定性下降，表明持续增温条件下土壤结构完整性下降。土壤结构对于维持物理完整性及保护土壤有机质至关重要，对气候引起的温度与水分状况变化尤为敏感。粗质地土壤因其固有的低团聚体稳定性和低有机质含量，在干旱环境中对结构退化尤为敏感。全球评估强调了降雨侵蚀力作为水蚀关键因素的作用，强降雨区域表现出更高的侵蚀风险。降水减少10–15%与土壤持水能力降低约25%相关，加剧地表径流并增加侵蚀风险。
2.2.2 土壤化学性质
一项15年增温研究显示，气候引起的变化改变土壤有机碳稳定化机制，影响易变碳库及团聚体结合碳组分动态。团聚体稳定性下降预计增强土壤有机碳对分解的敏感性，加剧碳损失。预测表明气候变化将加速土壤有机碳库耗竭，通过增加分解速率和干扰碳动态降低其稳定性。长期气候增温削弱土壤有机碳稳定化，减弱团聚体内颗粒有机质的物理保护及矿物结合的化学保护，使有机质含量较高的土壤更易发生碳损失。
气候变化加剧盐分与水分胁迫，影响植物生长、土壤微生物多样性及生态系统韧性。1980至2018年数据显示，全球14.73%的土壤盐度显著增加，持续超过六个月的干旱事件促进非盐渍土向盐渍土转化，尤其在干旱地区。气候引起的温度与降水变化可通过盐基阳离子淋溶、生物量驱动的碱度移除及土壤水分状况改变显著影响土壤pH。年降水量被确定为影响土壤有机碳与全氮储量的关键气候因素，预测至2050年代土壤有机碳可能减少约1163–1171 Tg，全氮减少64 Tg。
大规模分析（含1131项观测）表明土壤氮转化过程对升温高度敏感，氮矿化、硝化及反硝化的敏感性值分别为1.96、1.90及2.19；在预测增温情景下，2040至2100年间土壤氮转化速率可能增加至1.87倍。植物从土壤储备中获取82–88%的氮，即使在集约施氮条件下，从土壤获取的氮仍比肥料多4.6–7.3倍。CO2升高与增温的联合作用增强土壤源氮的吸收而不伴随肥料氮吸收的增加，可能加速土壤氮储备耗竭，威胁集约管理农业生态系统的长期可持续性。
2.2.3 土壤生物学特性
土壤微生物活动在调控全球土壤有机碳库（约2000 Pg C）中发挥重要作用。温度升高10 °C可使微生物异养呼吸速率提升约50%。长期气候增温与土壤微生物多样性和丰度的显著下降相关，全球分析表明增温与土壤细菌和真菌多样性分别减少16.0%和19.7%相关，同时土壤有机碳减少18.1%。在3.4 °C的严重增温情景下，60年内细菌和真菌多样性可能分别下降56%和81%。
CO2升高显著影响硝化与反硝化微生物群落及其功能基因库，农田土壤中潜在硝化速率增加28%，细菌amoA基因丰度上升62%。模拟气候实验显示，CO2浓度从400倍增到800 μmol mol?1显著影响土壤碳循环酶的温度敏感性（Q10），降低其温度敏感性而增强氮磷循环酶的温度敏感性。干旱可显著抑制土壤酶活性，地中海森林中脲酶活性降低42–60%，蛋白酶降低35–45%，β-葡萄糖苷酶降低35–83%，酸性磷酸酶降低31–40%。
上述证据表明，增温持续威胁微生物多样性，而酶响应则因具体气候驱动因素而异，可能被刺激或抑制。气候引起的土壤健康影响因素间相互作用复杂，不能简化为单一驱动因素。增温、降水格局改变及CO2升高共同影响一系列土壤物理、化学及生物学过程，响应幅度和方向因土壤类型与气候区域而异，强调需采用整合物理、化学及生物学响应的综合方法评估土壤对气候变化的脆弱性。
3. 气候韧性农业的土壤健康管理策略进展
3.1 可持续农艺管理策略
作物残留物与覆盖作物通过提供保护性土壤覆盖，减少侵蚀、保障土壤生产力并减少泥沙向邻近水体的流失。这些实践增强水分入渗与保持，减少灌溉需求并增强作物抗旱性。多样化作物轮作通过减少对单作的依赖及降低病虫害损失促进产量稳定。
3.1.1 保护性农业
保护性农业在减缓气候变化中发挥关键作用，主要通过促进土壤碳封存和减少温室气体排放。证据表明，相较于传统农业，保护性实践可使0–30 cm土层土壤有机碳增加12%，平均碳增益为0.48 Mg C ha?1 yr?1。初始有机碳较低（≤40 Mg C ha?1）的土壤中效益尤为显著，有机碳水平可增加达20%。免耕与减耕实践可实现土壤N2O排放约11%的减少，在湿润气候和低碳土壤中效益更明显。
3.1.2 土壤有机质管理
有机质管理基于两项核心原则：通过减少土壤扰动最小化有机质分解，以及通过有机物料增加碳输入。粪肥、作物残留物、植物生物质、堆肥及其他有机废弃物等各类有机物料作为有效土壤改良剂，可增加土壤有机质、养分有效性和微生物活性，同时改善土壤结构、通气性，减少侵蚀和容重。奶牛粪肥施用显著提升土壤有机碳水平并降低表层土壤容重；鸡粪肥即使在较低施用量下也能改善根系密度与分布。碳农业是旨在增加碳封存和改善土壤健康的同时应对气候变化的创新可持续土地管理策略。荟萃分析显示，生物炭施用使N2O和CH4排放分别减少13.1%和6.8%。生物炭通过降低容重、增加孔隙度和水分保持改善土壤物理性质，增强通气性和氧可用性，抑制作为N2O产生主要微生物过程的反硝化作用。全球荟萃分析表明，长期生物炭施用使作物平均产量增加16%，土壤有机碳水平提升36.2%，施后六年产量改善仍持续在15%。长期田间试验表明，有机改良剂与矿物氮肥的战略整合使冬小麦最大产量增加4.6%至19.0%，平均增强8.8%，并减少达到最优产量所需的氮肥量。有机肥料通常提供较慢、更持续的氮释放，促进作物逐步吸收。
3.1.3 种植策略
种植策略涵盖旨在优化作物生产管理的有意方法，包括作物多样化、轮作、间作及多年生作物整合。多样化轮作，特别是纳入覆盖作物的轮作，可维持土壤质量与生产力并增强农业生态系统可持续性。荟萃分析显示，多样化轮作使容重降低1.6%，团聚作用增强15.9%，孔隙度增加3.1%，饱和导水率提升112.8%。豆科作物通过生物固氮和根系沉积在支持土壤氮有效性方面发挥关键作用，其根系沉积氮比禾本科作物多贡献138.93%。长期研究证明覆盖种植改善易变土壤碳库，多样化轮作有效增强土壤磷有效性。禾本科覆盖作物如黑麦草、燕麦和大麦，以及豆科物种如三叶草和苜蓿，整合入轮作时可提升经济作物产量。长期使用覆盖作物，特别是豆科或混合物种，可使谷物产量平均增加9–12%。间作系统，特别是玉米-小麦和玉米-大豆组合，相较于玉米单作表现出显著产量优势。
3.1.4 综合养分管理
综合养分管理（INM）涵盖结合有机、无机及生物养分来源的整体方法，以维持土壤肥力、作物产量与环境完整性。关键组分包括矿物肥料、厩肥、堆肥、绿肥、生物肥料、作物残留物还田、豆科轮作、常规土壤测试及定制养分施用的平衡应用。38年纵向研究显示，氮肥与有机肥联合施用使土壤质量提升312.53%，小麦生物量增加42.24%，产量提升73.40%。低地水稻系统田间试验表明，INM技术使N2O和NH3排放分别减少11–24%和13–27%，但有机投入的纳入导致CH4排放增加及全球增温潜势上升，同时产量下降9.8–20%。五年田间试验证据表明，生物炭施用使蔬菜产量和氮利用效率分别增加28.4%和29.2%，同时减少45.4%的活性氮损失。以有机肥替代50%化学氮肥使产量增加11.6%，氮利用效率提升45.7%，氮损失减少34.9%。生物炭与有机或无机肥料在酸性土壤中的联合施用显著改善作物产量，表明生物炭可增强肥料效率和盈利能力。
3.2 土壤健康改善的先进与新兴技术
3.2.1 遥感与GIS用于土壤健康评估
遥感技术，如卫星影像、无人机（UAV）及基于传感器的平台，提供高分辨率时空数据，对监测多样化农业景观中的土壤和作物状况至关重要。多光谱与热成像及植被指数如归一化植被指数（NDVI）和增强植被指数（EVI）提供关于植被健康、土壤水分水平和环境变异性的关键信息。遥感与地理信息系统（GIS）的整合增强空间分析，促进田块数字制图及资源分配。全球定位系统（GPS）技术结合GIS分析支持变量施肥（VRA），根据土壤性质的空间变异性施用肥料、灌溉水及改良剂。
3.2.2 人工智能与数字农业
人工智能（AI）整合遥感、GIS、土壤传感器、气象站及田间观测等多源数据集，表征土壤变异性、预测土壤性质并指导精准管理策略。早期应用主要利用机器学习算法，如决策树、随机森林、支持向量机及人工神经网络。随机森林因能整合多棵决策树、提高预测精度同时缓解过拟合，并确定影响土壤有机碳、pH、质地及污染等特性的环境因素相对重要性而成为首选算法之一。近期范式转向擅长建模复杂时空动态的深度学习技术。循环神经网络（RNN），特别是长短期记忆（LSTM）架构，有效利用序列环境数据的长期依赖关系，在土壤水分水平、灌溉需求及其他动态土壤过程预测方面展现优越性能。AI通过整合土壤变异性、地形、气候条件及历史田间表现信息，促进变量施肥（VRA）的精确实施。AI在数字农业发展中处于核心地位，特别是与物联网（IoT）技术、云计算、大数据分析及决策支持系统（DSS）的整合。
3.2.3 土壤监测工具
传统土壤评估方法主要涉及田间采样和实验室分析，虽提供可靠结果但往往劳动密集、耗时且成本高昂。传感器技术支撑现代土壤健康监测系统，实现土壤水分、温度、pH、电导率（EC）及养分有效性等关键土壤性质的连续原位测量。土壤水分传感技术包括张力计及介电传感器如时域反射仪（TDR）和频域反射仪（FDR）。离子选择场效应晶体管（ISFET）及光学传感技术的创新提高了土壤pH和电导率原位测量的精度、耐久性和长期稳定性。微机电系统（MEMS）微流控装置可实现土壤亚硝酸盐快速检测，聚合物基传感器促进氮（N）、磷（P）、钾（K）的连续监测。可见-近红外（Vis-NIR）、近红外（NIR）、中红外（MIR）光谱、激光诱导击穿光谱（LIBS）及X射线荧光（XRF）等光谱技术可实现土壤有机碳、有机质、养分浓度、质地、水分含量及矿物组成等关键性质的快速无损估算。无线传感器网络（WSN）、物联网及云计算通信系统通过促进传感器数据的连续采集、传输和解读，进一步革新土壤健康监测。微流控"土壤芯片"平台实现微尺度下微生物活性、养分转化及根-土相互作用的实时监测。尽管技术快速发展，高实施成本、技术复杂性、基础设施不足、数据质量变异性及定点校准需求等障碍仍阻碍先进方法的广泛整合。
4. 可持续土壤管理的政策与社会经济方法
可持续土壤管理的有效实施高度依赖支持性政策与制度框架。土壤政策涵盖政府与利益相关者建立的协调原则、框架和行动，确保土壤资源的负责任管理。关键要素包括承认土壤多样性、循证方法促进知识发展、跨治理层级的协调与统一、考虑土壤功能与生态系统服务、理解影响土壤管理的生物物理、经济、社会和文化驱动因素、承认所有利益相关者及其权利、支持社会与地球功能、在决策中应用预防原则及促进可持续土壤管理的管理实践。
财政激励可减轻可持续农业实践采纳的障碍，生态系统服务付费可补偿农民提供的碳封存和水质改善等环境效益。美国全国性研究显示，实施土壤健康管理系统的30名农民平均净农场收入增加65美元/英亩，同时作物生产成本减少7至16美元/英亩。短期经济激励可加速可持续农业实践的采纳，而技术援助、推广服务及契合农民需求的政策对促进长期采纳至关重要。经济盈利能力仍是可持续土地管理（SLM）实践采纳的核心驱动力，约73%的SLM技术产生正向或中性短期效益，长期增加至97%。高初始成本仍是重大障碍，强调即时财政支持的必要性。
5. 可持续土壤健康管理的挑战与未来方向
尽管可持续土壤管理（SSM）具有优势，若干制约因素挑战其长期效能与广泛采纳。土壤有机碳封存的效益常受产量响应阈值和碳积累速率随时间的递减限制。在干旱和半干旱地区维持最优土壤健康尤为困难，水分限制、有机质耗竭、有机投入不足及生物活性降低阻碍土壤生产力和生态系统功能。经济障碍，包括高质量有机投入、生物肥料及精密工具的高成本和有限可用性，进一步阻碍农民采纳，尤其在资源受限环境中。数字技术可能加剧现有不平等，小农户和边缘化群体常面临知识有限、技术获取不足、信任问题、基础设施不完善及投资能力不足等困难。补贴有限、治理碎片化及推广服务薄弱等额外障碍也阻碍土壤健康与可持续性改善实践的采纳。
实现SSM是需要长期视角的多方面挑战。长期研究对评估有机改良剂、保护性农业、精准农业及综合养分管理的持久影响至关重要。未来研究应优先在不同土壤、气候和种植系统中开展协调的长期多点试验，重点关注增温、CO2升高、干旱及降水变化等气候变量的交互效应。建立标准化土壤健康指标和监测规程将促进跨研究和跨区域比较。技术创新的进步对推动可持续土壤健康实践至关重要，数字先进技术、数据驱动工具、自动化分析方法及实时传感技术可显著提高资源利用效率并支持明智的农业决策。
6. 总结与结论
本综述全面探讨了气候变化对土壤健康和农业生产力的深远且日益加剧的影响，强调其对土壤物理、化学和生物学特性造成的复杂改变。气候变化通过水分水平、养分有效性及微生物群落稳定性的改变对土壤生态系统构成多重威胁，可显著降低农业产量，威胁依赖稳定作物生产的人口的粮食安全。
为有效应对上述挑战，实施促进农业系统韧性和适应性的可持续土壤管理实践至关重要。保护性农业强调最小化土壤扰动以保持土壤结构和增强水分保持；通过覆盖作物或覆盖物维持有机覆盖在防止侵蚀和促进土壤微生物生态系统健康方面发挥关键作用；通过堆肥施用等实践管理有机质对改善土壤结构、增强养分有效性和提升整体肥力至关重要。多样化种植制度通过种植多种作物而非依赖单作，可改善土壤韧性、增强生物多样性并有效缓解害虫压力。综合养分管理策略倡导平衡施肥方法，通过结合粪肥和堆肥等有机投入与根据土壤测试定制施用的无机肥料，优化作物养分吸收，同时最小化养分径流和环境退化。
先进数字技术和精密土壤监测工具的出现为规模化改善土壤管理提供了重要机遇。精准农业技术，辅以卫星影像和实时土壤传感器，使农民能够就土壤肥力管理做出明智的定点决策。然而，尽管上述进展令人鼓舞，可持续实践的更广泛采纳仍受重大挑战制约。经济障碍常限制小农户投资创新技术和实践的能力。技术差距——如现代工具和知识获取受限——以及土壤类型和当地气候条件的内在变异性，使开发可普遍适用于多样化农业背景的解决方案复杂化。
迫切需要支持性政策框架和推广服务，以促进知识转移和资源获取，特别是面向边缘化农业社区。持续长期研究结合本地化定制方法，对深化理解可持续实践对土壤健康、生物多样性和生态系统服务的影响至关重要。因此，整合可持续农艺实践与前沿技术创新、健全的社会经济支持系统及协调的政策倡议势在必行。这一整体方法不仅对维持土壤完整性和健康至关重要，也对确保持久作物生产力和在快速气候变化时代构建气候韧性农业系统不可或缺。通过优先考虑这些相互关联的策略，可为兼顾环境完整性与粮食安全的可持续农业开辟路径。
