土壤健康：中国粮食安全之根

◎ 陈能场 何小霞

提 要: 随着人类社会的发展，人类对土壤的认识不断深化，相关认知包括土壤肥力意识、人体健康意识、土壤环境意识、地球关键带意识、土壤健康意识和土壤安全意识。土壤安全事关人类可持续的未来。粮食安全问题的根本在于土壤健康，粮食安全问题的出路在于土壤的科学管理。土壤生物多样性是土壤管理的关键，土壤有机质是土壤管理的核心。为了更好地让土壤为粮食安全保驾护航，切实做到“藏粮于地，藏粮于技”，本文从农业顶层设计、政策法规、研究、技术、劳动者培养和科学普及五方面提出建议。

45.5 亿年前，地球诞生，它处在离太阳不太远也不太近的独特位置，因而在38 亿年孕育出最早的生命，到了5 亿年前的寒武纪，地球出现生命的大爆发，生命开始出现在陆地上。陆地生命的存在成就了土壤这一独特的物质。借助生命，土壤演化成具有团聚体的疏松多孔的多相体系，进一步成为陆地生命的摇篮；生命借助土壤不断演化，让地球变得多姿多彩。如今，人类脚下的土壤却成为制约人类发展和文明持续的关键因素，2010 年《Science》刊发的有关文章警示，历史上很多伟大的文明因为无法阻止土壤的退化而消亡，而今我们也正面临着同样的命运。美国土壤学会杂志在2011 年以“全球前景根植于土壤科学”为题开宗明义地指出土壤之于人类未来的重要意义。在我们进入土壤安全与中国粮食安全话题之前，让我们先回顾一下人类认识土壤的过程。

一、人类对土壤的认知过程

人类最早起源于300 万年前，而具有现代人类行为（语言能力）的人类则出现在5 万年前，人类文明历史不过1 万年。在文明发展过程中，人类是如何认识土壤的呢？

（一）土壤肥力意识

古代文明出现在大河区域，天然条件是土壤肥沃的主因之一。最早的游耕让先人认识到休闲过的土地能恢复肥力而增产，刀耕火种让先人认识到烧过的土地肥力增加，进而，人们学会通过秸秆还田，施用粪肥、农家肥，灌溉，甚至种植豆科植物来增加肥力。但一些文明因为灌溉导致的土壤盐渍化、或者随着土壤的流失而消亡了。

（二）人体健康意识

到了20 世纪初期和中期，医学尚不发达，人们无法知道是什么因素造成了人类疾病，但很多医生意识到人类的健康受损最终可能归因于土壤，撰写了关于土壤与健康方面的书籍。1912 年诺贝尔文学奖得主Alexis Carrel（亚历克西·卡雷尔）博士在《Man the Unknown》《神秘人类》一书中说，由于土壤是所有人类生活的基础，我们对一个健康的世界的唯一希望寄托在被现代农学手法破坏了的土壤的和谐重建之上。土壤与人体健康直接关联的最典型案例应该是美国土壤肥力之父阿尔布雷希特的研究。他分析了68584 个年轻水兵体检表中的牙齿健康资料，并与其家乡所在地的土壤关联，发现来自美国东部（特别是东北部）的水兵牙齿最差，蛀牙率最高；其次是来自西部的水兵；牙齿健康状况最好的是中部地区的水兵。这是因为美国东部雨量丰富，土壤高度发育，钙流失严重；而西部土壤干燥，土壤发育差，土壤中的钙未能充分释放出来；中部的情况居于其中。在当时物流和人口流动有限的情况下，土壤健康程度（这里指钙含量）就充分体现在依靠家乡食物长大的士兵身上了。

（三）土壤环境意识

工业革命给人类带来了极大的便利和发展，但通过废水、废渣和废气的大气沉降给土壤带来了污染。20 世纪初，在日本的神通川流域出现了原因不明的“骨痛病”，50 多年后的1968 年，终于认定是上游的矿山开采和冶炼排放的镉进入食物链造成的环境健康问题。此后人们认识到土壤环境的重要性，许多国家先后制定了各种重金属、农药、有机毒物的土壤环境质量标准。

（四） 地球关键带意识

粮食安全问题的根本在于土壤健康，粮食安全问题的出路在于土壤的科学管理。图/中新社

长期以来，随着工业污染物以及农业生产资料（化肥、农药除草剂等）的大量排放，土壤的环境问题从土壤所在的区域对下扩散到地下水层，对上影响着地面植物体，也因此在20 世纪80 年代后科学家提出了“地球关键带”一词，将土壤过程和环境研究拓展到上至植物冠层下到地下水层的区域，以解决人类活动带来的土壤环境安全问题。

（五）土壤健康意识

二战后，原用于战争的氮肥被用于化肥施入土壤，以提高作物产量，并逐渐代替原来的粪肥和农家肥。长期大量的施用下，虽然作物产量得到极大提高，但土壤变得酸化、板结，土壤养分不平衡，土壤中的食物网变得不健康，土壤生态系统遭到损害，出现连作障碍问题等。到了1980 年代，土壤生态系统的健康问题开始重新得到重视，并被大量研究，研究者设计了土壤健康评估系统。2010 年以来，欧美、澳洲等地先后制定了土壤健康战略和路线图，人们充分认识到，也正如2015 年世界土壤日的口号所说，“健康土壤带来健康生活”。

（六）土壤安全意识

随着科学的深入发展和各种环境问题的出现，科学家发现，粮食安全、水安全、能源安全、气候变化、生物多样性和各种生态系统服务与土壤密切相关，土壤是以上各方面的核心。由此，在2014 年获得土壤界的诺贝尔奖——道库查耶夫奖的澳大利亚大学McBratney 提出了土壤安全概念，从性能、状态、资本性、关联性以及政策法规五个维度对此加以阐述。这一概念涵盖社会、经济和生物、物理等学科，比土壤质量、土壤健康和土壤保护的概念更宽泛、更综合，为解决土壤安全问题提供了重要的理论框架。

随着人类社会的发展，人们对土壤的认识也不断深化。如今人们充分认识到土壤健康和土壤安全的重要性，土壤安全事关人类可持续的未来。

二、粮食安全问题的根本在于土壤健康

土壤这一物质神奇又复杂。早在500 年前，达·芬奇就说“我们对天体的了解比对脚下的土壤多得多”，如今，科技早已“上九天揽月，下深海探险”，但我们对土壤中微生物的分离培养不到1%。

土壤的神奇更在于土壤的团聚体结构及其所发挥的功能。土壤的高分子有机物质将纳米级大小的黏粒、较大的粉粒和更大的砂粒粘合在一起，微生物和根系分泌的“黏胶”让团聚体进一步变大且更加稳定，土壤有了大小不一的空隙，具备保水性能和通气性能，黏粒和高分子的腐殖质表面带有电荷，土壤因此具有保肥性能。团聚体及其形成的空间构建成为土壤中各种生物的家园，土壤的通气和保水性能为土壤中各种生物的存活和繁殖提供了条件。1 克健康的土壤含有数百万种生物，包括蚯蚓、线虫、螨虫、昆虫、真菌、细菌和放线菌，这为土壤的物质分解和循环奠定了基础。这些生物构成食物网，为植物的生长提供各种养分，推动着元素的地球化学循环。

健康的土壤具有强大的储存养分和水分的功能，从而具有很强的环境复原力。土壤含1%或更低的有机质只能持水不到1 万加仑/英亩（6236升/亩），含3%的有机质则可持2-3 英寸雨水或34923-52384 升/亩，持水能力相差5.6-8.4 倍。如果有机质含量从2%下降到1.5%，土壤的保肥能力就丧失14%。耕层7 英寸(18 厘米)含4%的有机质相当于5984 公斤/亩，含纯氮314 公斤（N5.25%）。

此外，土壤有机碳库是陆地生态系统表层最大和最活跃的碳库之一，全球土壤有机碳的储量为900Pg-2400Pg，中值一般认为在1500Pg。但是这一数据都是基于1 米土体来估算的。土壤中储存的碳比所有植物、所有动物和大气中碳的总和还要多，大体上是活体植物的4 倍或大气的3 倍多，土壤碳量的微小变化深刻影响大气中二氧化碳的浓度，带来气候变化，因此土壤固碳不仅有利于土壤健康，对缓解气候问题更有其意义。6英寸表土中1%有机质中的碳量与农田上空大气中的碳量相当。

农业表土有机质含量一般在1%-6%。一项对美国密歇根州土壤的研究表明，每增加1%的有机质，作物潜在的产量增加约为12%。在马里兰州的一项实验中，研究人员发现，当土壤有机质含量从0.8%增加到2%时，每英亩玉米的产量增加了大约80 蒲式耳（359 公斤/英亩）。研究表明，要让作物的产量不受土壤有机质限制，土壤有机碳含量要达到2%，也就是土壤的有机质含量要达到3.4%。

因此粮食健康的根本在于土壤健康，保障了土壤健康，也就做到了“藏粮于地”。

三、粮食安全的出路在于科学管理土壤

土壤的形成是一个极为缓慢的过程，在人类的寿命尺度上很难看到土壤的变化，也难感受到土壤的变化对于人类健康和未来的影响。平均来说，形成1 英寸的表土需要500 年的时间，在没有人类活动的年代，据估计流失1 英寸的土壤需要1400 年，但是在人类活动影响下，目前流失1英寸的土壤只要60 年或更短的时间。土壤的性质很容易因人类的干扰而发生急剧变化，主要的土壤退化过程包括物理退化（例如，土壤结构下降、结壳、板结、侵蚀加速）、化学退化（例如，养分消耗、元素失衡、酸化、盐渍化）和生物退化（例如，土壤有机质的消耗、土壤微生物活性和物种多样性的减少）。

（一）土壤生物多样性是土壤管理的关键

据研究，地球上至少有870 万种生命与人类共存，其中约1/4 在我们脚下的土壤中。土壤中的生物参与地球化学元素的循环，分解和释放岩石中的各种元素，转化碳氮磷硫等物质，供给植物营养。植物光合作用产物的一大部分通过根系分泌到土壤中，植物的凋落物和死亡的根系都作为土壤生物的食物，供养着土壤生物，进一步推动元素的地球化学循环，土壤生物多样性是地球演化的引擎。

（二）土壤有机质是土壤管理的核心

土壤有机质泛指土壤中来源于生命的物质，包括土壤微生物、土壤动物及其分泌物、土体中植物残体和植物分泌物。土壤有机质可分为四部分，活的生物部分是土壤养分转化的引擎，枯枝落叶等新鲜的土壤有机质部分是土壤生物潜在的食物来源，分解中的有机质是土壤生物的碳源和能源，也是构建土壤团聚体的“黏胶”，而变成稳定的有机质即腐殖质部分是土壤的养分库，让土壤具有缓冲性能。有机质对土壤的物理、化学和生物性质都有正面影响，因此，对土壤有机质的科学管理是“藏粮于技”的关键。

四、中国粮食安全现状

从健康角度看，粮食安全包括数量安全、卫生安全和营养安全三方面。

数量安全方面。中国是一个人口基数大、平均耕地面积很少的国家，粮食安全问题一直得到高度重视，我国一直在坚守18 亿亩的耕地面积红线。为了应对复杂的国际环境和气候变化，目前很多地方在退林还耕，确保粮食种植面积。

卫生安全方面。我国的大宗粮食产品还存在一定的风险隐患。这是因为绿色革命以来，种子的问题得到了很好的解决，良种带来的高产大幅度地解决了人类的饥饿问题，但与此同时，化肥、农药和除草剂的大量施用造成土壤退化。中国也不例外，有研究表明，从20 世纪80 年代到21世纪，全国农田土壤的pH 值平均下降了0.5 个单位，其中，在小麦、玉米、水稻等粮田里面，70%的酸化是过量施氮造成的；在果蔬田里面，过量氮对酸化贡献度高达90%，相当于土壤酸量（H+）在原有基础上增加了2.2 倍。在自然条件下，土壤酸化是一个相对缓慢的过程，土壤pH值每下降1 个单位通常需要数百年甚至上千年，而我国过去20 年来的高投入集约化农业生产大大加速了农田土壤的酸化过程。另一方面，对比1990 年发布的第二次全国土壤普查结果和2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，可以发现我国土壤中的重金属含量在短时间内快速增加。以镉为例，第二次全国土壤普查结果显示，镉含量算术平均值是0.097 毫克/千克，远低于0.3 毫克/千克的标准，而《全国土壤污染状况调查公报》中镉的点位超标率达到7%，土壤酸化和重金属污染的叠加增加了我国粮食的卫生安全风险。

目前，对我国退化耕地的修复包括高标准农田建设、污染耕地的治理等，都在进行之中。

在营养安全方面，世卫组织指出，隐性饥饿是目前全世界存在的问题，涉及人口20 亿以上，对于发展中国家的人群，这个问题更加突出，主要存在铁、锌、碘、硒、维生素A 等微量元素缺乏。要解决营养安全问题，一方面要对微量元素缺乏的土壤施用这些肥料，如土壤缺硒的芬兰从1984 年起对全国土壤补硒，经过20 多年的调整，如今食物中的硒达到了人体需要的较为理想的状态。微量元素在土壤中往往有效性低，需要通过土壤生物的转化以便作物根系吸收，因此土壤的健康程度在提高作物的微量元素方面尤其重要。

土壤生物多样性是土壤管理的关键，土壤有机质是土壤管理的核心。图/中新社

五、关于中国粮食安全的对策思考

自《全国土壤污染状况调查公报》发布，土壤问题得到了前所未有的重视。2016 年出台了《土壤污染防治行动计划》，同年实施了《耕地质量等级》国家标准，2018 年出台实施了新的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》。2019 年颁布施行《土壤污染防治法》。2022 年，我国开启了第三次土壤普查，旨在全面查清我国土壤类型及分布规律、土壤资源现状及变化趋势，真实准确掌握土壤质量、性状和利用状况等基础数据，提升土壤资源保护和利用水平，为守住耕地红线、优化农业生产布局、确保国家粮食安全奠定坚实基础，为加快农业农村现代化、全面推进乡村振兴、促进生态文明建设提供有力支撑。

为了更好地让土壤为粮食安全保驾护航，切实做到“藏粮于地，藏粮于技”，笔者提出如下建议。

（一）在农业顶层设计方面统一表述

目前，我国农业总体上向可持续发展方向推进，但表述似乎不够统一。如2021 年5 月农业农村部办公厅发布《关于开展绿色种养循环农业试点工作的通知》， 2022 年1 月农业农村部办公厅印发《推进生态农场建设的指导意见》，中国农大张福锁院士大力倡导农业全产业链绿色发展，中科院城市与环境研究所朱永官院士提出“培育健康土壤，发展健康农业，支撑健康中国”。在农业顶层设计上，期待有统一的表述，以免因为名称的不一致而产生歧义。

1992 年6 月，日本政府在《新的食品、农业、农村政策的方向》中首次提出发展环境保全型农业，并作为农业政策的新目标。环境保全型农业是“利用农业的物质循环功能，注重与生产力的协调，通过整地等使用化肥、农药来减轻环境负荷的可持续农业”。在推进环境保全型农业发展过程中，构建了环境保全型农业政策和法律体系、农业技术体系和认证体系，将有机农业作为发展环境保全型农业的首选，有机农业的核心和出发点是土壤保护和土壤健康。日本关于有机农产品的法律与标准由农林水产省制定和实施，认证管理程序基本分为双层申请、双向调查、双审认定、发证监管等四个环节。

（二）加强并完善土壤安全立法

在政策法规层面，我国虽然有了前述法律以及《食用农产品产地环境质量评价标准》《农产品产地土壤重金属安全分级评价技术规定》，但对大宗的投入品如肥料等农资，只有《肥料登记管理办法》，而《肥料管理条例》尚在酝酿之中，还没有《肥料管理法》和《堆肥品质法》。我国需要进一步从法律上确保施入农耕地的物资的安全性。

据统计，日本有关土地管理方面的法律共有130 部之多，有《土地基本法》《农地法》《农地调整法》《农业振兴地域法》（《农振法》）《农业经营基础强化促进法》（《农促法》）《增进农用地利用法》《土地改良法》等；近20 年，制定了《食品、农业、农村基本法》（1999）、《家禽排泄物法》（1999）、《肥料管理法》（1999）、《可持续农业法》（1999）、《有机JAS 标准》（2000）、《堆肥品质法》（2001）、《农药危害防治运动实施纲要》（2003）、《食物、农业、农村基本计划》（2005）、《农业环境规范》（2005）、《有机农业促进法》（2006）、《关于有机农业推进的基本方针》（2007）等。

（三）进一步加强研究力量

在研究层面，虽然张福锁院士和朱永官院士不遗余力地推进土壤健康的研究，但我国从事土壤健康研究的团队和机构依然不足。欧洲、美国、加拿大、澳洲等都制定了土壤健康战略或土壤健康路线图，美国康奈尔大学在土壤健康方面开展了长期系统的研究，出版了大量书籍。我国自从“土十条”发布以来，国内很多研究团队已经转向对土壤重金属污染的调查和治理，期待更多团队加入对土壤健康的研究工作。

农业生产体系是一个多学科的系统，我国相关的跨学科研究工作较为薄弱。如土壤健康与碳固定技术是相互关联的，固碳促进土壤健康，土壤健康有利于减少土壤碳对大气的释放；又如土壤健康与作物健康也是相互关联的，土壤营养可以助力作物健康，作物健康也可以促进土壤健康。日本开发了由诊断、评估和对策构成的基于健康诊断的土壤病害管理系统。类似的工作值得我们借鉴。

（四）健全涉及农业安全的技术体系

技术与土壤健康和粮食安全有直接的关联，从1990 年代开始，日本就推行GAP（良好农业操作规范）技术体系，旨在实现劳动者安全、土壤安全、生态安全和农产品安全，目前做到了面向每一种主要农作物的GAP 体系的建设。

（五）加强劳动者培养和科学普及

我国乡村振兴的开展、农村科技特派员制度的建立，有力地推动了农村和农业的发展。但目前我国的农业从业者大都是老年人，参加新型职业农民培训的也大多是中老年人。为了实现土壤健康和粮食安全，需要加大培育新型从业者和科学普及的力度。

结语

人类从狩猎和采集进入人工栽培以来，已经经历了四次农业革命。第一次是栽培、犁耕和畜力耕作；第二次是发明轮作、谷物和豆类间作及厩肥增强和维持肥力；第三次是农业机械化和工业化；第四次是品种改良、生物技术，即所谓的“绿色革命”。也因此，人类的发展并没有陷入马尔萨斯的人口论陷阱，时至今日，地球上生活着76 亿人口。

与此同时，人类对土壤的认识也从土壤肥力，经过人体健康、土壤环境、地球关键带、土壤健康到了土壤安全的高度。

经过了四次农业革命，特别是“绿色革命”的洗礼，如今，因为化肥、农药、除草剂的过度施用，有机质没有及时得到补充等原因，很多耕地土壤已经失去了“生命”，变得了无生机。与此同时，地球上的人口在短期爆炸的同时，粮食产量虽然持续增加，但也接近了“天花板”。联合国粮农组织2015 年出版的《世界土壤资源状况》一书指出，世界上将近1/3 的土壤严重退化。土壤未来是否还能支撑地球上日益膨胀的人口需求，已经成为人类共同面临的问题。

我们脚下的土壤如何持续养活这个星球上的芸芸众生，唯一的答案在于土壤健康，需要让土壤重新焕发生机。因此，正如《耕作革命》一书所说，我们需要开展第五次农业革命——耕作革命，即面向土壤健康和土壤安全的革命。