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从问题到解决方案:土壤与可持续发展目标的实现(1)

来源:土壤观察 2018-02-23 08:51:20

导  读


可持续发展是时代的主旋律!土壤在人类文明及可持续发展中的意义尚未得到应有的重视。《中国科学院院刊》组织了“土壤与可持续发展”专题,针对土壤资源保护、土壤污染防治等方面存在的问题,提供相关解决方案,以期为建设美丽中国、健康中国贡献科技力量。该专题由中国科学院南京土壤研究所张甘霖研究员指导推进。


“土壤观察”公号将于近期隆重推送该专题系列文章,敬请关注。


文/张甘霖 吴华勇(中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室)

来源:中国科学院院刊(2018年第2期)


土壤是地球鲜活的、会呼吸的皮肤,是陆地表层系统的核心,孕育着世间万物,是人类赖以生存的最基本自然资源。土壤具有社会、生态、经济、文化和精神层面的价值,同时也在生态系统服务中发挥着支持、供给、调节和文化服务等功能,在生物质生产、环境净化、气候变化缓解、生物多样性维持、自然文化遗产保护、景观旅游资源开发等方面发挥着重要作用。2015 年 9 月,世界各国领导人在纽约联合国峰会上通过了《2030 年可持续发展议程》,该议程涵盖 17 项宏伟的全球可持续发展目标(Sustainable Development Goals,SDGs)。全球可持续发展目标建立在联合国千年发展目标(Millennium Development Goals,MDGs)所取得的成就之上,适用于所有国家,包含经济增长、社会包容和环境保护可持续发展三个维度,致力于进一步消除一切形式的贫困。其中 13 项目标直接或间接与土壤有关,土壤生态系统服务势必为全球可持续发展目标的实现提供关键保障。2015 年是联合国确定的国际土壤年,该年确立的全球可持续发展目标,为土壤学家提供了彰显土壤功能助推可持续发展目标实现的新的、独特的机遇。


1 土壤功能与土壤生态系统服务


基于千年生态系统评估,联合国粮农组织(FAO)在国际土壤年发布的《世界土壤资源状况报告》中厘定了土壤功能及其提供的生态系统服务。土壤生态系统服务是指人类从土壤生态系统获得的惠益,包括支持服务(supporting services)、调节服务(regulating services)、供给服务(provisioning services)和文化服务(cultural services)四类。支持服务是指其他所有生态系统服务实现所必要的服务,对人类的影响通常是间接的,或者影响的时间尺度很长;调节服务是指从生态系统过程调节获得的惠益;供给服务是指从生态系统获得的对人类有直接益处的产品;文化服务是指人类以精神富足、审美体验、自然和文化遗产保护与重建形式从生态系统获得的非物质惠益。表 1 列出了土壤生态系统服务及其实现所需的土壤功能。



2 可持续发展目标与土壤生态系统服务的关系


全球可持续发展的 17 项目标是对经济、社会和环境可持续发展的总体预期。可持续发展目标以人为本,致力于保护我们共同的地球家园,旨在消除一切形式的贫困,是各国政府对人民的庄严承诺。土壤与人类的生存和发展有着密切联系,在解决全球现实问题,尤其是粮食安全、水安全、气候变化、生物多样性等方面,土壤居于中心地位。可持续发展目标全方位涉及土壤生态系统的 16 种服务(表 2),其中与土壤直接相关的有 8 项(目标 2,3,6,7,11—13 和 15),间接相关的有 5 项(目标1,4,8,9 和 16)。因此,土壤生态系统服务的全面发挥将深入推进可持续发展目标的实现。


基于上述共识,土壤科学团体、政策制定者、企业和社会大众等参与主体应采取更大范围的切实有效的行动。不同的参与主体应承担与其职能相应的责任,土壤科学团体应加强有针对性、创新性的基础和应用研究,加大与相关学科的交叉与融合,加强科普传播,加深人们对土壤生态系统服务与可持续发展目标间关系的认知。同时,我们必须承认土壤生态系统服务由自然界提供,人类干预生态系统时需认清系统本身的特点、动态和阈值,唯有在重视土壤生态系统过程、反馈和阈值的前提下,可持续发展目标才能达成。下面将从 4 个方面深入论述土壤生态系统服务与可持续发展目标的关系。


2.1 土壤支撑粮食安全(可持续发展目标 1—3,8 和12)


民以食为天,食以土为本。农业是人类生存的基础,而土壤是农业的基础。土壤生态系统的支持、调节和供给服务是粮食安全的根基。全球70亿人口每天消耗的资源中,80%以上的热量、75% 的蛋白质和植物纤维都直接来自土壤。绿色植物生长发育有五大基本要素,即日光(光能)、热量(热能)、空气(氧气及二氧化碳)、水分和养分,其中所需的水分和养分主要通过根系从土壤中获取;而其生长必需的 16种营养元素中,除碳以二氧化碳形式主要吸收自空气外,其他15种(氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼、氯)主要摄取自土壤。土壤不仅是陆地植物的营养库,还是植物生根发芽的介质。植物通过根系在土壤中伸展和穿插,获得土壤的机械支撑作用,以保证地上部稳定立于地表。


同时,土壤中生存着种类繁多、数量巨大的微生物可帮助植物获得养分,抵御病害,增强对干旱、洪水、高盐、重金属污染、有机污染、高温及低温等逆境的胁迫。据估计,土壤中的根瘤菌豆科植物共生体每年从大气中固定的氮元素高达1.3亿吨,在农业生产中发挥着重要作用。2012年12月出版的美国微生物学会讨论会报告《微生物如何帮助养活人类》提出了一个宏伟可行的目标,即在20年内微生物使粮食增产20%,并将化肥和农药使用量各降低20%。


目前,一方面,全球人口快速增加对粮食需求量日益增长;另一方面,人为活动的强烈干预造成土壤严重退化,优质耕地的粮食供给能力不断降低。《世界土壤资源状况报告》[3]显示全球土壤面临侵蚀、封闭、污染、酸化、盐碱化、压实和养分失衡等诸多突出问题,严重制约粮食供给能力。例如,据统计,全球土壤年均侵蚀速率为12—15吨/公顷,造成作物产量每年相应下降约 0.3%。以全球15.3亿公顷的耕地进行估算,从2015—2050年,作物产量将累计降低10.25%,这相当于35年损失了约1.5 亿公顷能生产粮食的耕地。又如,经粗略估计,全球城市化每天造成的土壤永久封闭面积为250—300平方公里。土壤退化问题使土壤粮食安全保障能力受到巨大挑战,可持续利用、管理和保护土壤尤为迫切。


2.2 土壤是保障水安全的枢纽(可持续发展目标3,6和11)


土壤是水循环过程和水质调节的枢纽。土壤具有生物活性和多孔多相的三维结构,拥有吸附、储存、传导和净化水资源的功能。土壤对降雨的吸附和入渗作用,可降低地表径流,阻控水土流失和洪水发生。入渗进入土壤中的水分在土体中进行再分布,一部分储存起来用于维持生物生长,而过量的水则继续下渗补给地下水和地表水。土壤体系中的生物组分和非生物组分可与流经的污染物发生反应,通过生物降解和吸附固定机制消减农药、重金属、磷素等污染物而净化水资源。因此,土壤的特性和功能对于水在土壤、生物、大气、地下水和地表水间的良性循环具有重要意义。


据统计,全球淡水总量为0.35 亿立方千米,占全球总水量的 2.5%。淡水总量中冰川和冰盖占68.7%,地下水占30.1%,而人类易于利用的地表及其他淡水仅占1.2%。在地表及其他淡水中,地下冰和永久冻土占69.0%,湖泊占20.9%,土壤水占3.8%(1.65 万立方千米),沼泽和湿地占2.6%,河流水占0.49%。从数据可知,土壤会对地下水、湖泊、河流、湿地等与水相关的生态系统服务产生重要影响,人类易于利用的淡水资源在很大程度上会受到土壤的影响和调控。


另外,土壤作为重要的“海绵体”,在海绵城市建设方面也发挥着重要作用。城市化过程中,应尽量减少不透水下垫面面积,保持足够的水系、草地、林地等的面积,使城市土壤保持海绵体的功能,增加城市排水能力,缓解内涝压力。


2.3 土壤固碳减缓气候变化(可持续发展目标 13)


土壤是陆地碳循环的中枢。全球土壤(1米深度以内)碳库储量约为25000 亿吨,其中有机碳库15500 亿吨,无机碳库9500 亿吨。土壤碳库储量是大气碳库(7 600亿吨)的3.3倍,植物碳库(5600 亿吨)的4.5倍。在不同环境条件下,土壤有机碳库可从干旱气候条件下的30 吨/公顷增加至寒冷区有机土壤的800 吨/公顷。土壤有机碳库代表了土壤碳收支的一种动态平衡,任何短期人为活动干扰造成的土壤有机碳周转速率的小幅变化,都将引起大气二氧化碳浓度的大幅波动。


人口增加和经济发展对全球土壤资源形成了前所未有的压力。在 19世纪人类进入工业社会之前,陆地生态系统以平均每年0.4亿吨碳的速度向大气排放3200亿吨碳,这7800 年间的排放量仅是工业社会时期(1800—2000 年)200年间的2倍。在1850—1998 年间,因化石燃料燃烧向大气排放了2700 亿吨碳,约是陆地生态系统排放量(1360 亿吨)的2倍。而在陆地1360 亿吨碳的排放量中,有780 亿吨来自土壤,其中因土壤退化和侵蚀占1/3,有机碳矿化占2/3。因此,如何更好地保护、综合管理和利用土壤对于降低土壤碳排放,缓解气候变化十分必要。


土壤具有巨大的固碳潜力,研究表明全球土壤每年可固定4—12 亿吨碳。充分发挥土壤固碳潜力,在土壤碳库达到饱和之前的一定时期内,可部分或全部抵消化石燃料燃烧向大气中释放的二氧化碳,也为人类找到化石燃料的替代能源放宽了期限。在第21 届联合国气候变化大会上,法国政府提出了一个应对气候变化的“千分之四全球土壤增碳计划”,即每年使农业表层土壤(30—40 厘米深)有机碳库增加0.4%,这将使当前大气二氧化碳浓度停止升高变成可能。因此,以培肥地力、阻控退化、增加作物产量和降低碳排放为前提,探寻合适的土壤碳投入途径、水肥综合管理措施、轮作休耕和保护性耕作制度等,可望在粮食安全和气候变化方面达到双赢。


2.4 土壤保护生物多样性(可持续发展目标 15)


土壤是地球上生物多样性最为丰富的栖息地,是人类尚未完全认识的巨大基因库。一把肥沃的花园土壤或有机土壤里面生存的生物数量比地球上自古至今生存的人类还多,其中包括1万亿个细菌、1万个原生动物、1万个线虫和长达 25公里的真菌菌丝,还有数不清的其他种类。尽管全球土壤细菌多样性是巨大的,但新近研究发现,仅有2%的细菌为优势物种,即约500个物种,几乎占细菌全部物种数量的50%。这项研究将全球土壤细菌的巨大生物多样性缩小至“最想要”的清单,为土壤生物学研究从生物多样性探究走向生物功能挖掘提出了新的研究思路。


2016年全球土壤生物多样性行动计划完成的《全球土壤生物多样性地图集》对全球土壤生物多样性、时空分布、功能和生态服务、面临的威胁、人为干预等给出了全面系统的介绍,同时也对人类如何可持续利用和管理土壤提出了更高的要求。土壤生物在发挥调节植物生长、促进土壤形成、转化养分、净化污染物、调节气候变化、维持生态系统平衡等功能时,需要特定的土壤生境。因此,实现土壤的可持续利用,必须考虑土壤生物多样性维持和功能发挥所需的必要条件。


3 土壤资源精准管理助力国家战略和可持续发展目标的实现


我国现阶段多种重大战略和举措如精准脱贫、生态文明建设、乡村振兴、农业可持续发展、土壤污染防治等既是自身发展的内在要求,也是对联合国《2030 年可持续发展议程》的积极响应,而土壤资源精准管理是国家战略顺利实施的关键环节。


3.1 精准脱贫


《“十三五”脱贫攻坚规划》[20]指出我国脱贫目标是:到 2020年,稳定实现现行标准下农村贫困人口不愁吃、不愁穿,义务教育、基本医疗和住房安全保障(“两不愁、三保障”)。2016—2020 年实现5630万贫困人口脱贫和832个贫困县摘帽,脱贫目标实现时间比全球可持续发展目标提前10 年。


脱贫攻坚的9个主要任务和重要举措中有3个与土壤生态系统服务密切相关,包括产业发展脱贫、生态扶贫、提升贫困区区域发展能力。产业发展脱贫中,在立足贫困地区资源禀赋的基础上,要把土壤资源的合理利用放在首要位置。例如:粮食主产县可大规模建设高标准农田,增强粮食生产能力。非粮食主产县可调整种植结构,重点发展适合当地土壤和气候特点的品种,积极探索和发展名特优农产品种植模式。生态脆弱地区要坚持生态优先,推行利用和保护水土资源相结合的特色作物种植结构。在贫困地区因地制宜积极发展畜牧业,提高草原土壤饲草供给能力和质量,发展有竞争力的地方特色畜牧业。结合贫困地区当地水土资源和气候特点,推进特色林果、花卉等产业发展,打造一批特色示范基地。依托贫困地区名特优农产品、农业景观等资源,着力发展休闲农业,促进农业与旅游观光的深度融合。同时,需加大农林院校、科研机构与贫困地区的对接帮扶力度,提高农林技术推广和培训力度,促进科技成果向贫困地区转化,解决农林牧产业发展和生态建设的关键技术瓶颈。


由湘西十八洞村精准扶贫经验可知,规模化种植与当地土壤和气候相适宜的猕猴桃是其产业脱贫的关键举措,也用实践证明了土壤生态系统服务在精准扶贫、精准脱贫举措中的重要作用。目前我国尚未脱贫的区县多处在偏远的山区,土壤资源承载力较低,但总体生态环境质量较好,必须基于土壤的特点因地制宜发展适合的产业,同时还必须兼顾其长期可持续发展能力,不能以土壤等资源的过度开发为代价。


3.2 生态文明建设


“绿水青山就是金山银山”,开展生态文明建设与土壤密不可分。十八大报告将生态文明建设纳入到“五位一体”的总体布局;2015年5月5日,中共中央、国务院发布了《关于加快推进生态文明建设的意见》;2015年9月又印发了《生态文明体制改革总体方案》;十九大报告做出加快生态文明体制改革,建设美丽中国的重大部署。合理利用土壤资源,加强土壤污染防控,强化农业面源污染防治,增强农业固体废弃物资源化利用,推进水土流失以及土壤酸化、荒漠化、石漠化综合治理,扩大耕地轮作休耕和保护性耕作试点,加快土壤保护立法等重要举措,应该成为生态文明建设的“抓手”“钥匙”。


3.3 乡村振兴战略


十九大报告提出实施乡村振兴战略。农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题,必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作重中之重。要确保国家粮食安全,把中国人的饭碗牢牢端在自己手中。2017年12月28—29日,中央农村工作会议首次提出走中国特色社会主义乡村振兴道路,首次明确了乡村振兴战略“三步走”的时间表。乡村振兴的最终目标是实现农业强、农村美、农民富,因而其目标实现的重要基础必将是耕地面积足、土壤质量高、生态环境好。与生态文明建设一样,土壤也必将在乡村振兴战略实施中发挥重要的作用。土壤资源的保护、治理、高效利用和可持续管理是其中非常重要的环节,既要确保适宜农业的土壤保护好、利用好,稳定和不断提高粮食生产能力,又要减少农药化学品投入,保证农产品质量和水土环境安全。


3.4 农业可持续发展


美丽中国建设基于农业永续利用。为实现农业可持续发展,国家多部门采取了多种有效的行动。中共中央、国务院于2015年2月1日出台了《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》,指出要不断加强粮食生产能力,深入推进农业结构调整,提升农产品质量和食品安全水平,强化农业科技创新驱动作用,加强农业生态治理等。2015年2月17日农业部印发的《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020 年农药使用量零增长行动方案》对于维持土壤和食品安全、防控面源污染方面将起到积极的推动作用。2015年5月20日,农业部等8部门联合印发的《全国农业可持续发展规划(2015—2030 年)》指出农业关乎国家食物安全、资源安全和生态安全。


大力推动农业可持续发展,是实现“五位一体”战略布局和建设美丽中国的必然选择。2015年8月7日,国务院办公厅发布了《关于加快转变农业发展方式的意见》,要求至2020年建成8亿亩高标准农田。2015年10月28日,农业部印发了《耕地质量保护与提升行动方案》,提出要推动实施耕地质量保护与提升行动,着力提升耕地内在质量,实现“藏粮于地”,夯实国家粮食安全基础。2016年6月22日,国土资源部印发了《全国土地利用总体规划纲要(2006—2020 年)调整方案》,指出至2020年全国耕地保有量为18.65 亿亩以上,基本农田保护面积为15.46亿亩以上。2017年2月17日,国家发展和改革委员会发布了《关于扎实推进高标准农田建设的意见》[33],为扎实推进高标准农田建设,尽快补齐农业基础设施短板和提高农业综合生产能力给出了指导意见。2017年9月21日,国土资源部、农业部联合召开新闻发布会,对外公布全国已划定永久基本农田15.50亿亩。


概括来说,农业可持续发展中与土壤相关的重要举措主要体现在三个方面:首先是保持足够的耕作土壤面积;其次是提高土壤质量,防治土壤退化;然后是实现可持续的土壤管理,提高养分利用率,降低土壤利用过程中土壤养分耗散和流失,以终实现粮食产量、质量及生态环境的安全。