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2015 国际土壤年提出了“健康土壤带来健康生活”的理念，指出健康土壤生产健康食物，进而孕育健康人类与社会。当前全球土壤面临土壤侵蚀、有机碳含量降低、养分不平衡、酸化、污染、水涝、板结、地表硬化、盐渍化和生物多样性丧失十大威胁。通过土壤培肥技术可以逆转土壤退化趋势，如有机培肥技术改善农田土壤微生物活性和多样性，改良土壤物理结构并提高养分含量，有利于提高农田土壤质量和可持续生产力[1-2]。本文综述了不同培肥技术措施对土壤物理、化学与生物学功能的影响，明确了培肥技术对土壤健康的作用机制，以期为我国耕地提质增效和培育健康土壤提供理论依据与技术指导。
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1 土壤健康的内涵与发展历程
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传统土壤学以土壤肥力为核心。土壤资源的过度开发利用对农产品产量、品质、安全以及生态环境造成严重威胁，土壤质量这一概念逐渐兴起。土壤质量的国际通用定义为土壤在生态系统中保持生物的生产力、维持环境质量的能力。随着生活水平不断提高，消费需求不断升级，农产品的优质、安全、营养、健康得到广泛重视，进而出现了土壤健康的概念。美国土壤学家 Doran 最早明确了土壤健康的内涵，认为土壤健康是指土壤作为一个重要的生命系统，在其生态系统和土地使用边界内发挥功能的能力，以维持动植物生产力，维持或改善水和空气质量，并促进动植物健康[3]。美国农业部自然资源保护局定义土壤健康是土壤作为维持植物、动物和人类重要生物生态系统的持续能力[4]。我国发布的《耕地质量等级》（GB/T33469—2016）中对土壤健康的界定为土壤作为一个动态生命系统具有维持其功能的持续能力，主要通过土壤的清洁能力与生物多样性表示。土壤质量与土壤健康的概念差别主要在于土壤质量侧重于土壤理化功能研究，如我国耕地质量等级评价中土壤生物功能研究只涉及到土壤动物，并未涉及土壤微生物。而土壤健康更注重土壤物理功能、化学功能与生物学功能的内在联系，更强调土壤生物功能、作物产量品质与健康的协同提升[5]。Zhu 等[6]认为土壤健康与人类健康、动物健康、环境健康是一个大的有机体，“土壤-植物-人群（动物）”连续体中土壤健康和微生物循环是实现“大健康”的核心。因此，从整个大的生物圈来看，土壤健康范围和尺度比土壤质量更加广范。
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2 化肥施用对土壤健康的影响
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2.1 化肥施用对土壤理化特征的影响
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农业农村部数据显示 2020 年我国化肥总用量约 5396 万 t，单位耕地面积化肥用量是欧美国家的 2.5 倍，但粮食作物的化肥利用率仅为 40.2%，而发达国家的肥料利用率已超过 50%，接近 60%[7]。化肥大量施用可以显著提高土壤中 N、P、K 等养分含量，从而提高土壤肥力[4]，但长期过量施肥尤其氮肥过量施用会对土壤健康造成不利的影响。长期施用氮肥会造成土壤碳的过度消耗，致使土壤 C∶N 失衡[8]，引起土壤有机质含量的降低和土壤团聚体由大团聚体向小团聚体的转变，最终导致土壤板结。土壤有机质和大团聚体含量的降低还会进一步削弱土壤对养分的吸附能力，进而加剧土壤养分的流失和土壤贫瘠化。Guo 等[9]的研究表明长期施用氮肥引起土壤 NH4 + 的大量积累造成土壤胶体分散，而微生物量碳的减少降低了土壤团聚体的稳定性。
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氮肥过量施用会导致土壤酸化，这主要与氮循环过程中可以产生大量的酸有关，如 NH4 + 的硝化作用[10]，而 NO3- 与碱性阳离子的淋失和根系-微生物释放的酸会进一步加剧土壤酸化程度。有研究发现过量施用氮肥引起的土壤酸化作用是大气酸沉降的 25 倍[11]。土壤酸化导致土壤中 Ca、Fe、 Mn、Zn、Cu 等活化，进而提高土壤中微量元素有效性。但是土壤中 Cd、Al 等重金属浓度的上升会导致植株中富集的重金属含量升高，从而对食品安全造成威胁[12]。除土壤酸化和重金属活化外，氮肥的大量施用还导致农田温室气体 N2O 排放量迅速增加[13]，同时降低农田土壤对 CH4 的吸收强度。有研究表明，施氮量为 0、200、400 和 600 kg/hm2 时，冬小麦-夏玉米轮作系统 N2O 排放总量分别为 1.27、2.24、4.85 和 6.40 kg/hm2，其 CH4 吸收量分别为 2.01、1.11、1.01 和 1.34 kg/hm2[14]。氮肥施加后导致土壤硝化和反硝化过程加剧，进而使其产物 N2O 增加[15]；而铵态氮肥的施用增加了土壤 NH4 + 含量，并且甲烷氧化细菌会优先同化氨，从而抑制了土壤对 CH4 的吸收强度[16]。
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2.2 化肥施用对土壤微生物群落功能的影响
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氮在土壤中富集可降低土壤中微生物群落多样性，并且这种负效应随着氮肥用量的增加而加剧[17]。Yang 等[18]通过 Meta 分析发现，长期施氮使土壤细菌和真菌多样性分别降低了 11% 和 17%。长期高氮施肥致使土壤氮素富集，降低土壤重氮营养群落的结构稳定性和重氮营养生物多样性。同时施肥引起的土壤高渗透势还会降低部分耐受性较差的微生物竞争能力，导致微生物群落组成改变[19]。 Huang 等[20]研究发现氮肥长期施用导致表土真菌与细菌、革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌的比例降低。施氮导致土壤微生物群落多样性的降低、群落组成的改变与长期施肥引起土壤理化特性的变化有关。例如，土壤 pH 值降低、C∶N∶P 计量平衡的改变等是土壤微生物群落结构功能的变化的主要驱动因子。土壤 pH 值降低增强了对植物和微生物有毒的金属离子的活化，导致土壤微生物多样性下降[21]。真菌群落对 N的敏感性大于细菌群落，而 P 有利于细菌群落快速生长[22]，由施肥引起土壤 C∶N 和 C∶P 的变化也会显著改变土壤微生物特性，土壤 C∶N 和 C∶P 较低时，细菌群落相对较为丰富，而土壤 N∶P 和 C∶P 较高时，真菌群落丰度显著增加。此外，Chen 等[23]发现，持续大量施用氮和磷，抑制了土壤真菌和丛枝菌根真菌的生长。
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不同类型农田土壤微生物多样性对长期施氮的响应也不相同。小麦田土壤中变形菌门和酸菌门在施氮过程中表现出明显优势，而放线菌门则受到抑制，这可能是因为变形菌门和酸菌门在施氮作用下比放线菌门更能争夺空间和资源[24]。水稻田土壤中长期施用化肥使厌氧铁氨氧化微生物 Feammox A6 的丰度显著增加 87.6%，厌氧氨氧化细菌丰度显著降低，反硝化功能基因 nirK、nosZ 丰度显著增高，这可能是由施肥导致反应底物（NH4 +、 NO3-）及土壤理化性质改变决定的[25]。但也有研究发现长期施用化肥会提高土壤放线菌门、子囊菌门等病原菌群的相对丰度，降低变形菌门、拟杆菌门等有益菌群的相对丰度，这可能与施氮造成的土壤 pH 值降低以及底物增加有关[26]。Zhang 等[27]的研究也证明了过度施用氮肥引起的土壤酸化促进病原体在土壤中积累，从而加速土传病害发生。
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3 耕作模式对土壤健康的影响
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3.1 耕作模式对土壤理化特征的影响
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适宜的耕作模式可以通过改善土壤耕层结构和功能，协调土壤中水、肥、气、热的关系进而影响土壤健康。旋耕、翻耕、深耕与免（少）耕相比可降低土壤硬度，维持或增加耕层深度，改善总孔隙度和土壤容重来改良土壤结构[28-29]。保护性耕作是一种主要以秸秆覆盖地表、免少耕播种、深松及病虫草害综合控制为主要内容的现代耕作技术。实施保护性耕作能够防止土壤侵蚀，改善土壤结构，有效提高土壤储水孔隙、导水率。例如，秸秆覆盖能有效减少土壤水分蒸发，具有开源与节流双重节水机制[30]。免耕通过减少耕作次数，提高了表层土壤大团聚体和水稳定性团聚体的含量，作物覆盖和秸秆还田增加了土壤团聚体形成过程中碳的供给，进而促进土壤团聚体的形成，提升土壤团聚体的稳定性。也有研究表明，长期保护性耕作也会导致土壤耕层变浅、容重增加，根系下扎困难、供肥能力下降等问题[31]。因此，提出适合区域特点的土壤轮耕模式是实现土壤可持续利用的重要措施。
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传统翻耕技术在一定程度上降低了土壤表层结构的稳定性，增加土壤有机碳暴露而加快土壤有机碳分解，并促进土壤固定养分的释放和温室气体排放[32]。而保护性耕作技术减少了对土壤的扰动，增强了土壤碳封存能力并通过作物覆盖的方式促进土壤水分和养分的固定和降低土壤温室气体排放[33]。免耕土壤较低的可溶性有机碳和较高的土壤容重可以抑制稻田甲烷的排放[34]。有研究发现，传统翻耕产生的碳排放约为 35.3 kg/hm2，而免耕仅为 5.8 kg/hm2[35]。此外，传统翻耕的暴露有利于土壤有机氮的矿化分解，产生较多的硝态氮并有利于反硝化作用而释放更多的 N2O，保护性耕作技术则减少了土壤氮素暴露，土壤氮素矿化率较低，并且较大的容重进一步限制了土壤 N2O 向大气排放[36]。但也有研究表明，免耕秸秆残留会使养分在表层富集，并且免耕土壤的厌氧环境会促进反硝化作用进而增加土壤 N2O 排放量[37]。此外，部分研究认为在土壤免耕和秸秆覆盖等保护性耕作措施下，来自作物残渣或根系分泌物有机酸输入增加且有机物分解释放大量氢离子、土壤氮转化相关过程增强、碱性阳离子减少等原因会加剧土壤酸化[38]。因此，确定保护性耕作土壤酸化改善策略对调控土壤健康具有重要作用。
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3.2 耕作模式对土壤微生物群落功能的影响
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保护性耕作改善土壤物理性状和养分状况影响土壤微生物的生长与繁殖。王雅芝等[39]通过 Meta分析发现，免耕、秸秆还田使土壤微生物香农指数和辛普森指数分别提高 8.4% 和 3.7%。Piovanelli 等[40]研究发现免耕较传统耕作相比有着更高土壤微生物生物量，且这种趋势在表层土壤更加明显。此外，保护性耕作土壤由于人为破坏少，使得土壤各级水稳性团聚体增加，为土壤微生物繁殖提供了大量的生态位[41]；并且作物覆盖提高土壤保水保温性，可以刺激微生物代谢，进而改变微生物种群结构[42]。保护性耕作的土壤表层中有较多作物残体和土壤有机质，提高了土壤碳源和能源供应水平以及土壤 C∶N，进而增强土壤氮的固持能力并提高土壤微生物量碳、氮含量[43]。同时保护性耕作对土壤理化性状的改善也会调控土壤微生物群落组成。秸秆残茬分解过程中可强烈刺激土壤腐生真菌子囊菌门的大量繁殖，降低贫营养微生物类群如酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、疣微菌门丰度，增加富营养微生物类群丰度[44]。
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4 有机培肥技术对土壤健康的影响
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4.1 有机肥施用对土壤理化特征的影响
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有机肥较化肥相比养分更全面、肥效更持久，在改善土壤理化性状和提升土壤微生物活性等方面具有化肥不可比拟的优势，被认为是土壤培肥和改良的最佳肥料。有机肥施用可以增加土壤孔隙度和提高土壤保水保肥能力。有机物料矿化分解过程能刺激腐化真菌的大量繁殖并产生大量腐殖质、菌丝和糖，这些物质胶结土壤颗粒，增加土壤团聚体稳定性及大团聚体（大于 0.25 mm）比例，从而改良土壤结构并提高土壤的保肥能力[45-46]。有机物料矿化分解过程还产生大量有机酸，通过酸溶作用促进土壤矿物的风化和养分释放，通过络合（螯合） 作用增加土壤矿质养分的有效性，同时有机物料自身分解也可产生大量的矿物质养分，进一步增加土壤的供肥能力[47-48]。张国荣等[49]通过 23 年的长期定位试验发现，长期施用有机肥（牛粪）使土壤有机质提高到 41.6 g/kg，有机质对土壤养分的吸附作用可减少速效养分流失，增加土壤养分库容，从而达到土壤培肥效果。增施有机肥可使有机磷向无机磷转化，并且通过腐殖质包裹 Fe、Al、Ca 等氧化物而降低对磷的吸附，提高磷素有效性[50]。此外，有机肥还含有作物生长所需的 S、Mg、Cu、 Zn、Fe、Mn、Mo、B 等微量元素，可以有效缓解土壤中微量元素的缺乏。
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4.2 有机肥施用对土壤微生物群落功能的影响
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长期施用有机肥可以促进土壤微生物大量繁殖，增加微生物生物量。稻田连续施用有机肥 5 年后，土壤微生物量碳、氮和土壤呼吸速率分别提高 37%、28% 和 44%～59%，微生物多样性也显著提高，革兰氏阴性菌的绝对量提高了 100%[51]。徐忠山等[52]通过对黑土研究发现施用有机肥可以增加黑土细菌数量和种类多样性，并一定程度上提高土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性。Zhao 等[38]、Xun 等[53]和 Li 等[54]通过对郑州潮土、常熟黏土和祁阳红壤的研究发现，有机肥通过改变土壤中碳、氮养分来驱动细菌群落由贫营养型向富营养型的转变。同时，有机肥施用促进土壤腐生真菌的生长，降低了真菌网络的复杂性，增强真菌物种之间的协同作用[55]。有机肥施用改良土壤微生物特性主要与土壤理化性质的改变以及有机肥的自身属性有关。有机肥的施用为土壤微生物提供大量的养分和酶促基质，这促进了土壤微生物的生长和繁殖[56]。此外，有机肥自身含有大量的微生物和酶，施用到土壤中可增加微生物群落多样性，提高微生物量碳、氮含量[57]。但也有研究发现，长期施用有机肥会使土壤 C∶N 比例失衡，进而导致土壤单位微生物量碳酶活性和单位有机碳酶活性下降，而化肥和有机肥配施能够在碳、氮资源的生物有效性上形成互补关系，同时促进土壤生物和作物生长，满足土壤生态系统服务功能持续发挥的需要[58]。
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5 施用生物炭对土壤健康的影响
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5.1 生物炭施用对土壤理化特征的影响
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生物炭施用可以改变土壤孔隙分布，降低土壤容重，增加土壤孔隙连通性，改善水和空气循环，提高保水性，减少土壤板结。生物炭容重一般在 0.08～0.5 g/cm3 之间，施用后可通过物理稀释作用降低土壤容重[59]。Tomasz 等[60]在土壤中加入 4% 的生物炭后，土壤容重降低了 35%。生物炭疏松多孔的结构能调节土壤孔隙大小分配和提高土壤通气性和持水性[61]。向土壤施用 2% 生物炭可使土壤总有效孔隙度和半径分别增加 8.3% 和 10.2%[62]，土壤孔隙度的改善进一步提高土壤水分入渗能力，增加土壤累积入渗量和入渗速率，进而促进湿润锋的运移[63]。生物炭的施用还利于土壤团聚体形成。一方面生物炭自身含有较高促进团聚体形成的物质，如较高含量的有机碳，Ca2+、Mg2+ 离子以及丰富的表面官能团等。生物炭施用可以与土壤本土有机质相互作用增加土壤团聚性，较高 Ca2+、Mg2+ 以及丰富的官能团则可以增加土壤团聚体的吸附功能，进而提高土壤大团聚体含量和稳定性[64]。另一方面，生物炭疏松多孔的结构有利于土壤微生物附着，增加微生物活性和菌根的数量。真菌和放线菌的菌丝有助于土壤颗粒聚集，进而促进团聚体形成和稳定性[65]。
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生物炭作为酸化土壤改良剂有着显著作用。首先生物炭自身的弱碱性可以与土壤中酸性离子形成中和。Yuan 等[66]研究发现生物炭表面丰富的含氧官能团（羧基和酚羟基）是生物炭中碱的重要形态，能与酸性土壤中 H+ 发生中和反应。其次生物炭具有较强的阳离子交换能力和吸附能力，能显著增加土壤阳离子交换量进而增强土壤缓冲性能。生物炭中的盐基离子，如 K+、Na+、Ca2+ 和 Mg2+ 等通过交换作用降低土壤 H+ 和交换性铝离子含量，从而提高土壤 pH 值。生物炭的施用还有助于土壤养分汇集，减少养分淋溶损失，提高肥料利用率[67]。施用生物炭使土壤持水供水能力增强，减少水溶性离子的淋失，并在土壤中持续而缓慢地加以释放，从而达到保肥效果。
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5.2 生物炭施用对土壤微生物群落功能的影响
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生物炭的多孔结构作为微环境为微生物提供了良好的生存空间，极大促进了土壤微生物的定殖与群落代谢活性，如生物炭的施用促进了丛枝菌根真菌和放线菌在生物炭颗粒表面定殖与代谢[68]。团聚体的形成与微生物生长之间存在相互促进关系。真菌和放线菌的菌丝有助于土壤颗粒与生物炭颗粒表面之间的黏聚力增加，进而增加土壤团聚体的稳定性[65]，土壤团聚体汇集的养分通过分解释放进一步促进土壤微生物和作物的生长。生物炭施用引起的 pH 值变化是其影响土壤微生物群落的另一个主要机制。生物炭在酸性土壤施用后土壤细菌总量增加[69]，硝化细菌群落中亚硝化单胞菌和硝化螺旋菌的比例增加[70]，固氮菌和纤维素降解菌丰度增加以及拟杆菌门和芽单胞菌门的共营养体比例提高[71]。这些变化又进一步加速了土壤中的生物化学进程。此外，生物炭的施用还会增强土壤微生物活性，进而促进土壤养分转化与利用。Anderson 等[72]研究发现，添加辐射松生物炭显著提高了土壤反硝化细菌和固氮菌基因丰度。王翰琨等[73]通过总结前人研究结果发现，施加生物炭可使不同类型土壤固氮量提高 15%～227%，土壤硝化速率提高 28%～200%，并且土壤氨挥发累积量减少 20%～73%，土壤 N2O 排放累积量减少 11%～78%。生物炭的施用对不同土壤中过氧化物酶、多酚氧化酶、氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶等的活性也有一定增强作用[74-75]。有学者认为，生物炭影响土壤酶活性的改变主要和土壤 pH 值变化、抑制物质（重金属、有机污染物）、底物和酶本身在生物炭上的吸附有关[76]。也有学者认为生物炭的应用促进了微生物间的电子转移以及电子在细菌和土壤矿物之间转移[77-78]，这对土壤酶活性也有着显著影响，但是具体的作用机制仍然需要进一步探索。
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6 讨论与展望
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近年来，随着农业绿色高质量发展的需求，土壤健康领域研究已成为前沿研究热点。提升土壤健康水平是土壤可持续利用与农业绿色发展的核心。消除土壤障碍因子、培育健康土壤对守住 1.2 亿 hm2 耕地红线，保障我国粮食安全，推动农产品优质高效安全生产具有重要意义。综上所述，土壤健康领域的研究方向与发展趋势从以下几个方面开展。
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6.1 解析培肥技术对土壤健康演化规律的影响机制
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研究土壤物理、化学、生物学功能对长期施肥的响应，对于评价土壤健康演变、明确适宜培肥技术、培育健康土壤具有重要参考价值。当前，国内外研究集中于长期施肥对土壤质量演化规律的影响，而土壤健康领域的研究重点方向之一是土壤生物功能在土壤-植物共生体中的影响。因此，长期连续观测土壤功能对培肥技术的响应将是该领域的发展趋势之一。随着分子生物学及生物信息学的迅速发展，利用高通量测序、核酸杂交技术、DNA 指纹图谱技术和基因芯片等分子生物学方法分析土壤微生物多样性和群落结构，以及应用宏基因组学、宏蛋白组学及代谢组学等系统生物学的方法研究土壤微生物活性及功能的演变规律成为未来研究土壤生物学领域的趋势[79]。
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6.2 构建适合我国国情的土壤健康评价体系
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分类构建我国土壤健康评价技术可以为土壤健康培育的理论与技术体系构建提供科学依据和方法学基础。土壤健康指标的选择是目前土壤健康评估的限制因素。目前研究主要围绕土壤生产力开展了大量指标选择和评价工作，评价指标主要聚焦于化学和物理要素。在“碳中和”大背景下也应重视土壤碳汇属性和土壤环境质量要素[80]。因此在土壤健康评价体系的指标选择上，应该更加完善土壤生物学指标和环境指标，如近年来提出的微生物生物量、真菌细菌比值、微生物酶活性、群落组成和功能基因组成等指标。同时也应根据不同地区土壤类型、地理因素和气候条件，因地制宜，进行“弹性化”评估，实现土壤可持续发展的目标。
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6.3 实施农作物优质高效为前提的土壤健康行动计划
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土壤是农作物优质、高产、高效生产的重要基础，土壤瘠薄化、酸化、板结、盐渍化、潜育化、污染、生物多样性下降等土壤健康问题也日益严重。浙江省率先提出实施土壤健康行动计划[81]，以培育健康土壤、促进生态健康、发展健康农业为目标，提出构建健康土壤指标体系、培育体系、评价体系和保障体系，实施“一地一策”健康土壤管理新模式。立足第三次全国土壤普查、生物调查为基础，科学划定土壤健康水平，针对性实施酸化、污染、养分不平衡等障碍治理，土壤生态修复和健康土壤基地培育。创新化肥定额制改革是有效遏制氮肥过量使用的有效途径[82-83]，通过有机肥替代化肥、配方施肥替代平衡施肥行动，秸秆还田、绿肥种植以及种养循环、稻肥轮作等农作制度等一系列综合措施建立化肥减量标准体系；同时要优化施肥结构，通过推广施用有机肥、微生物菌肥和有机无机肥配施等措施改善土壤微生物群落结构和提高土壤微生物丰度，进而提升土壤健康水平，促进农产品优质、高产、高效生产，实现土壤可持续利用。
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6.4 实施中低产田改造提升工程
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目前我国中低产田占耕地总量的 68.76%，实施中低产田改造提升工程是我国保障粮食等重要农产品供给的主攻方向。持续开展耕地质量提升与保护，大力推进高标准农田建设、土地全域整治、中低产田、新垦耕地地力提升和“非粮化”整治耕地地力修复，要注重土壤物理功能、化学功能及生物学功能的协同改良技术研究和应用，着力解决中低产田土体薄、耕层浅、结构差、肥力低、供肥能力差等问题，通过秸秆还田、绿肥种植以及施用有机肥、炭基肥等培肥技术迅速提高土壤肥力，不断夯实耕地综合产能。开展土壤固碳减排、土壤适宜性评价与高效利用等技术研究，科学推进施肥技术、健康土壤和种植模式创新，促进土壤、作物、生态、人类健康的协同发展。
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摘要
土壤健康与农产品优质安全、农业绿色可持续发展密切相关。不同培肥技术对土壤物理功能、化学功能与生物学功能产生较大影响，进而影响土壤健康水平。论文明确了土壤健康的内涵与发展历程，阐述了长期大量施用化肥和不同耕作措施对土壤健康的影响途径，从物理、化学和生物学 3 个方面总结了有机培肥技术对提高土壤健康的作用机制，并对我国未来土壤健康研究方向提出了展望，以期为培育健康土壤和实现我国农业高质量发展提供理论支撑与技术指导。
Abstract
Soil health is closely related to the quality and safety of agricultural products and the sustainable development of agriculture. Different fertilization techniques have great impacts on the physical，chemical and biological functions in soil， which then affect the level of soil health. This paper clarified the definition and development history of soil health，described the impacts of long-term excessive fertilizer application and different tillage measures on soil healthy，summarized the mechanisms of organic fertilization on improving soil health from three aspects：physical functions，chemical functions and biological functions，and prospected the future directions of soil health research. This paper could provide the theoretical support and technical guidance for cultivating the healthy soil and promoting the high-quality development of agriculture in our country.