导 读
2016年12月，美国政府的国家科学和技术部发布了联邦土壤科学战略计划框架。环境、自然资源和可持续性小组委员会编写了该报告，总结了美国当前的土壤状况、未来的挑战和对解决方案的支持。
《土壤家》已经推送了该份报告前三部分内容（可在文末相关阅读中点击查看）。本次推送的内容为“联邦土壤科学战略计划框架”的核心部分，分为A. 土地利用和土地覆盖变化，B. 不可持续的土地管理措施，和C. 气候和环境变化三大部分，每个部分又细分为概述、挑战和机会和需求，在“机会和需求”又细分为（1）研究（2）技术（3）土地管理和（4）社会科学四个层次的内容。
期待您的细读和点赞，也欢迎对翻译上的纰漏之处予以指正并提出宝贵意见。
编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员 ）
来源：https://www.soilsecurity.org/strategic-plan-for-soil-science-in-the-usa/
（Part 4 挑战和机遇）
(Part 4 Challenges and Opportunities)
A. 土地利用和土地覆盖变化
1. 概观
2. 挑战
（1）农田转化
（2）城市发展
（3）采矿与资源开采与处理
（4）支撑森林的土壤能力的威胁
（5）非人为的土地覆盖变化
3. 机会和需求
（1）研究
（2）土地管理
（3）社会科学
B. 不可持续的土地管理措施
1. 概观
2. 挑战
（1）土壤生物多样性与土壤生态系统服务相关的变化
（2）生物质管理
（3）资源压力，竞争和效率
（4）水管理
（5）管理农业系统
（6）不可持续的牲畜和放牧实践
3. 机会和需求
（1）研究
（2）技术
（3）土地管理
（4）社会科学
C. 气候和环境变化
1. 概观
2. 挑战
（1）水文和降水模式的变化
（2）增加全球气温对土壤的影响
（3）碳封存
（4）大气沉积
（5）入侵物种
3. 机会和需求
（1）研究
（2）技术
（3）土地管理
（4）社会科学
A. 土地利用和土地覆盖变化
1. 概观
美国过去50年的土地利用变化导致了生态系统服务的减少。这些变化是由人口增长和人口流动等多种因素推动的的：日益扩大的城市足迹(例如道路发展和能源基础设施);改变对水和土地的需求，包括通过增加生物燃料原料生产;改变公众和消费者的偏好；以及对土地管理者的经济压力。从1982年到2012年，美国开发的土地数量增加了4200多万英亩。而在2007年至2012年期间，虽然耕地面积增加了近400万英亩，但是参与保护储备计划的农业用地减少了800多万英亩（图3和图4，译者注：限于篇幅，图略，下同）[33]。随着土地使用和土地覆盖变化而发生的土地管理做法的变化可能导致水文功能退化、污染、盐碱化和土壤压实。本节确定的问题还可能改变土壤中的养分和碳水平，影响土壤中的微生物和无脊椎动物群落。这些威胁的范围从局部到全球各不相同。在所有规模(地方、州、区域和国家)的政策或管理决策中，并不总是能够获得或纳入土地使用决策所需的数据和信息。
2. 挑战
（1）农田转化
经济和政策压力导致了森林、湿地、草地和牧场转变成农场【34】。此外，技术发展导致越来越多的人向作物多样性较低的大农场迁移，农田与其他用途(如牧场、林地、荒地和休闲用地)的整合程度也较低【35】。尽管大部分农田对土壤资源的保护管理良好，但最初的转变往往会造成严重的土壤和景观覆盖扰动，导致土壤碳迅速丧失、物理压实和其他变化，扰乱水文功能（渗透，通气和排水）、土壤养分循环和土壤生态系统，特别是土壤微生物群落。这种转化导致大规模碳损失向大气排放的一个极端的例子是在有机土壤湿地上开发的农田，这些湿地被排干用以作物生产【36】。
（2）城市发展
美国超过80％以上的人口居住在城市或城郊地区，尽管这些地区只占美国土地总面积的3％左右，但城市发展可能会严重破坏自然生态系统，导致土壤、水和空气污染，并消耗自然资源。城市和工业用地对土壤提出了很高的要求，特别是在提供基础设施和建筑物的介质方面，由于工程项目施加的不透水表面覆盖物，城市发展而退化了的土壤通常无法自然恢复。有些土壤对某些城市土地用途有限制，如建筑物、道路和地下管线，在这些项目中具有某些特性的土壤（如膨缩粘土、水饱和土壤和pH值不合适的土壤）会导致结构失效【38】。有毒重金属（包括铅和砷）、过量的农药使用以及石棉等都是常见的城市污染物，它们可能对土壤动物和微生物群落以及对人类健康，特别是儿童健康产生不良影响。
（3）采矿与资源开采与处理
资源开采是指与开采自然资源或其他资源（如金属矿石、煤炭或天然气）有关的工业、流程、程序和技术。与城市发展不同，资源开采往往发生在偏远而生态重要的地区。在偏远地区开展的自然资源开采过程带来的道路、输电基础设施、住宅用地和废石堆等都会影响土壤功能。此外，许多作业依靠氰化物等有害化学物质将大量废石中的少量有价矿石分离出来，在此过程中使用并污染大量的水，然后储存在可达小湖泊大小的大池塘中【39】。煤炭开采和其他资源开采活动会由于化学污染、土壤生产层的破坏以及地表永久性疤痕而导致土地大量流失【40】。重大的放射性污染挑战也与铀、钚和用于核能的其他放射性核素的开采和加工有关【41】。处置早期原子武器库存有关的残余物可能会导致类似的污染。
成功案例：美国环保局的棕地
美国环保局的棕地再生计划已经允许将场地重新开发成蓬勃发展的新商业和工业中心，通过清理和再利用创造就业机会，在政府和私营部门利益相关者之间形成创新伙伴关系，并为棕地社区的居民提供高薪环境职业培训。根据美国环保局的数据，截至2014年，棕地的投资创造了超过97,500个就业岗位。
资源开采带来的对土壤的负面影响通常对公众而言并不明显，因为这些地点偏远，但这些活动将长期对生态系统和人类群体产生长期效应。
（4）支撑森林的土壤能力的威胁
森林土壤是美国景观的关键组成部分。虽然它们只占国土面积的三分之一左右，但它们占全国地表淡水的80％【42】。虽然森林土壤不像农业和城市土壤那样受到影响，但在20世纪初至中期，美国各地的森林土壤以惊人的速度退化，主要是由于不可持续的集约化林业产业【43】。森林面临着的威胁与农业土壤面临的威胁类似，自然保护主义者开发了最佳管理措施，以尽量减少对森林土壤的影响，但与农业一样，有必要更好地遵从这些措施。今天，许多大城市地区都制定了上游流域保护措施，以保护相关的森林土壤。然而森林土壤仍然受到发展的威胁。估计每年有100万英亩的林地被开发或转化为城市土地【44】。
其它一些威胁使得森林土壤容易遭受土地覆盖变化的影响。在美国东北部，土壤酸化（酸雨）仍然是一个重要问题。尽管政策大幅度减少了酸沉降，但土壤恢复速度缓慢【45】。此外，气候变化对森林土壤的影响仍不确定，取决于温度和降水量的变化幅度、极端事件的频率和动植物群落的响应。所有这些挑战都可能使土壤难以长期为作为土地覆盖的森林提供支撑。
（5）非人为的土地覆盖变化
诸如干旱、洪水、飓风和龙卷风等极端事件对土壤功能造成干扰。姑且不论气候变化的潜在频率会增加，由于土地利用变化，极端天气对土壤的影响可能会持续增强。例如，当旨在保护土地免受洪水侵袭的堤坝和防护层遭受结构性破坏时，其结果可能对当地的土壤具有破坏性。一些土地管理措施可能会导致地表水的疏导，从而增加滑坡等灾害造成灾难性后果的风险【46,47】。人口增长和郊区扩张侵入农村土地可能会将作物生产区域推向土壤更加脆弱的地区，导致这些土壤进一步退化。
3. 机会和需求
（1）研究
需要进行更多的研究来提高对土壤生态系统服务的基本理解，并制定量度或指标来评估和跟踪不断变化的土地利用情景下的土壤功能。由于缺乏对土壤生态系统服务的全面了解，因此难以确定土地利用变化影响严重程度的目标和衡量标准，主要难点在于缺乏基准。目前仅限于个体特征的趋势分析，难有能力进行复杂的比对和站点间的特征比较。通过更稳健的数据和建模以及恰当的基准的开发，可以更好地理解土地利用和土地覆盖变化的长期影响。
实现这些目标的一个可能的机制是对包括土壤观测在内的长期研究计划（如美国国家科学基金会的长期生态研究网络（Long-term Agroecosystem Research，LTER）计划、国家生态观测网络和农业研究局（ARS）的长期农业生态系统研究（LTAR）计划）的整合，扩大和增加投资。目标应包括覆盖更广泛的土地利用和土地覆盖类型，收集更高的分辨率数据，以及在学术机构、城市政府、国家机构、金融机构、农村土地所有者和管理者等之间开展公私合作。当与空间分布的土壤监测计划（包括遥感计划）相关联，这些研究深入的站点可以最有效，使研究可以直接应用到整个地区，并与国际社会的相关工作一起发挥作用。长期研究和监测工作也是评估土壤如何因土地利用方式，气候变化和酸沉降等环境驱动因素而改变必不可少的工作。例如，在农业措施发生一些变化时，土壤侵蚀在1— 2年内可以大大减少，但从酸沉降恢复森林需要数十年的持续监测和分析。污染（pollution）和化学沾污(chemical contamination) 也会对城市、牧场和其他生态系统（包括管理和非管理）产生长期影响，这表明需要为土壤功能的长期研究提供额外的支持。
在土壤生态系统服务相关方面，需要联邦政府为土壤科学提供资金。土壤科学位于地球科学和生命科学的宽泛学科的交叉点，并与许多其他领域重叠，而新出现的研究问题需求更广泛的技术经验。例如，解析土壤微生物群落在与大气碳交换中的作用既不是严格的地质学家的工作，也不是纯粹的生物学家的工作。一个可应用的实例可能需要进一步研究城市农业、城市规划和森林管理之间的交叉点，从而产生能显着改善城市生活质量和包括保护脆弱的土壤的可持续管理自然资源的计划。将所有层面上（从微生物到整个景观过程）的见解整合的研究，可以做到单个研究项目本身无法完成的方式来增进知识。
（2）土地管理
与土地使用和土地覆盖变化的影响有关的研究问题和保护计划可能因土地所有权问题（如土地所有权和管理权的变化）而进一步复杂化。尽管如此，这些变化也为嵌入可持续实践提供了机会。目前需要制定和实施知识、技术和战略，以改善可持续混农林业在保护水土资源方面的应用；建立景观层面的适应气候变化影响的能力；重新连接农村—城市边界土地和社区的生态服务；支持创新和可持续的生物能源生产系统；更广泛地开发可以生产食品，饲料，纤维，生物能源和生物产品的多用途景观，同时保护自然资源。 美国农业部农业研究局（USDA-ARS），自然资源保护局（NRCS），国家粮食和农业研究所（NIFA）和森林服务机构中的四个机构已经开始进一步开发这些优先事项。开发工具和方法非常重要，这些工具和方法将加强监测，以增加对大气污染如何影响联邦指定荒野地区的水、空气和土壤资源的解析。
这些需求和机遇应通过横向机构（和跨部门）在景观规模土壤保持规划中的合作来解决，这种规划考虑了美国土地利用和土地覆盖的动态性。现有模式包括美国农业部气候变化中心和内政部景观保护合作社（Landscape Conservation Cooperatives，LCC），这些部门合作关注区域和景观尺度的土地管理。
（3）社会科学
需要对可能威胁土壤功能的变化背后的社会驱动因素有更好的理解；特别是在行为科学、心理学、经济学和其他领域的进一步研究将为未来制定土地管理者设计更有效的公共政策和激励措施提供信息。这对于评估现有奖励措施在不同所有权和土地使用权安排下管理的土地的有效性特别有用。
对于城市土壤的管理，将土壤可持续性考虑因素纳入城市增长规划也有助于提高生活质量和公共卫生水平，使城市能够利用土壤提供的众多生态系统服务。需要进行额外的跨学科研究来量化城市土壤中毒素和金属对公共健康的风险，并确定最有效的公共政策机制和行业领先的努力来应对这些风险。
B. 不可持续的土地管理措施
1. 概观
由于土地管理措施不善造成的土壤退化是人为活动对土壤的严重威胁。不可持续的措施会影响所有土壤用途和类型的土壤生态系统服务。相反，许多措施可以改善土壤功能，包括增加作物轮作、使用覆盖作物、保护性耕作、改善放牧管理等等。可持续度低的土地管理措施可能会受超越能实现长期土壤可持续管理措施之上的短期经济激励措施所驱动[48]。许多措施可以帮助土地管理者平衡和优化业务目标，包括风险管理和其他保护目标操作。改善向土地所有者提供技术援助的范围和途径仍然是减少威胁和更广泛使用可持续土壤管理做法的优先事项。由于土壤管理不善影响长期食物、生物燃料和纤维生产系统，不良的管理措施导致土壤退化的威胁跨越地方、国家和全球利益。
2. 挑战
不可持续的土地管理的措施造成的许多威胁主要涉及农业土壤，但也存在对城市、牧场、湿地和森林土壤的威胁。这些挑战的影响可以大致分为以下几类。
（1）土壤生物多样性与土壤生态系统服务相关的变化
土壤生物区系在当地、区域和全球范围内提供关键的农业和环境服务。它们参与所有主要的营养和生物地球化学循环，包括碳循环、氮循环和磷循环，从而影响植物营养素、大气气体通量、固碳作用和水质【49,50,51】。土壤生物区系协助植物营养吸收通过固氮菌增加植物的养分利用效率；它们还有助于废物、污染物和农用化学品的生物降解和生物修复，有助于减少农药使用造成的负面影响【52】。土壤生物区系还可以增加土壤有机质和稳定的土壤团聚体，积极影响通气、减少压实、改善水分渗透、并且提高持水能力【53】。这些综合服务减少侵蚀风险、减轻洪水和干旱的不利影响，并增加碳储存量。通过植物—微生物— 植物信号传导，一些土壤生物区系也有助于抑制许多植物病害，以及杂草的萌发，生长和持久性【54】。
土壤生物在复杂的食物网中相互作用。因此，在一个营养或功能群体中丰度和多样性的改变可能会改变另一个营养或功能群体的多样性和功能。多项研究表明，强化农业措施、土地利用变化、土壤污染和其他人为影响可以减少微生物和动物的丰度以及土壤有机体的整体多样性【55】。土壤群落结构的此类丧失（甚至改变）可能会损害多种生态系统功能，包括植物多样性、分解、养分保留和循环【56】。
（2）生物质管理
生物量被定义为特定环境中活生物体的数量或植物和动物物质的数量。通常根据每单位面积或体积的干重来测量或估计。在土壤生态系统中，食物网预测主要消费者有足够的生物量来为呼吸和繁殖提供能量。生物质必须妥善管理，以便土壤生物区系落生存。在农业生产系统中，生物量管理不善的做法包括（1）收获过多的可利用的植物残留物，这也是保护土壤免受风和水侵蚀（以及作为支持生态过程和生物过程的固定碳的主要来源支持他们的多样性）【57】和（2）采用过度耕作，这会加速这些材料的分解【58】。
对生物质的另一个影响是火灾。在一些生态系统中，火是一种天然成分，适当温度的燃烧可能会激活许多草地和林地【59】。另一方面，不良的火灾和生物量管理会对土壤碳、水分保持、结构和生物群落产生负面影响，通常导致土壤生产力下降，陆地水流和水蚀增加【60】。
（3）资源压力，竞争和效率
对土壤资源的一个威胁是来自最大化和提高土地产出的欲望，却又没有全面理解在这些资源内发生的所有生态功能和相互作用。将废物如动物粪便、工业副产品或城市固体废物返回土壤以平衡碳和其他元素的损失可以提高资源利用效率；然而，这些做法可能会导致意想不到的后果，例如土壤和水道营养过剩污染【61】。
（4）水管理
由于饱和（过湿）和干燥条件，水管理不善可能会威胁土壤功能。开发灌溉系统以缓解干旱和提高生产力是可行的，但是必须管理这些系统以防止钠或其他盐类在土壤中积累（即盐化和修剪），这会导致植物胁迫，降低生产力并导致其他环境问题【62】。安装人工排水是缓解土壤过量水分（可能影响土壤生产力）的一种方法，但如果没有对缓冲区，湿地和/或覆盖作物进行周密的营养管理或景观实践，排水也会使自然短路将营养物、农药、甚至病原体流入并转移到河流和河流中，这些河流和河流经常被用作饮用水源【63】。
水利用效率也很重要。因管理不善而退化的土壤通常渗透和储存水的效率较低，因此每单位农业产量需要更多的水。灌溉农业以及旱地或雨养农业可能会大大受益于土壤保持系统。缓解水资源压力的一个解决方案是使用废水进行灌溉，但这种做法需要额外的关注以避免土地的污染和盐碱化，特别是在干旱或半干旱地区，因为废水的质量往往比淡水差【64,65】。
（5）管理农业系统
需要妥善管理农业用地，以确保国家长期的土壤、粮食和水安全。通常，多种因素导致农地土壤退化。农田缺乏残留物或地面覆盖物使土壤更容易受到极端事件（特别是强降雨）的影响，并降低渗透、持水能力、植物生产力、土壤生物多样性以及保持土壤有机质的能力【66,67】。缺乏覆盖也会降低养分利用效率；增加了杂草和其他植物有害生物的繁殖；增加薄片，小溪和风蚀（薄片和小溪侵蚀是水侵蚀的形式）；并且会降低水质【68,69】。肥料的不适当使用会对土壤生物产生负面影响，并严重降低水质和空气质量【70】。在一年中错误的时间施用肥料（特别是氮肥），使用太多或太少，或施用不正确的方法，来源或放置有助于降低养分利用效率和植物生产力【71,72】。过度耕作和交通往往导致土壤长期压实【73】。压实减少了渗透，持水能力，生物多样性和土壤维持土壤有机质的能力；它还会降低养分循环和利用效率，增加水和风蚀，加剧水质问题，并且意味着在农业系统中不必要地使用能源和其他投入【74,75,76,77】。从长远来看，耕作和压实可能会降低生产力【78】。
（6）不可持续的牲畜和放牧实践
饲养牲畜的土地（注：pastures），草地（注：grassland）和未经改良的畜牧地（注：rangeland）的过度放牧会导致土壤和土地退化。即使大多数年份的放养率都是最佳的，长期干旱或降雨量减少也会导致通常管理良好的系统过度放牧【79】。有许多放牧管理系统；针对特定土地利用和气候的放牧系统的针对性优化也有助于恢复退化的土壤。
粪便管理不善也会影响土壤功能。例如，在冬季施肥可导致过量的营养物质，特别是氮和磷，这可能导致养分流失和地表水污染【80】。土壤中过量施用粪便还会导致降水不足地区的盐碱化。
3. 机会和需求
提高土地管理实践可持续性的科技需求高度相关。应该解决基础和应用研究需求，数据采集和管理问题，与生产者和社区的合作以及更广泛的可持续实践的实施。一些特定的机会包括：
（1）研究
仍然需要在生物、化学和计算科学方面研究不同土地管理做法对土壤生态系统服务的影响。此外，全国各地还需要加强与公共和私人土地所有者的研究伙伴关系。研究应该协调和标准化，同时留出科学创新的空间。理解和量化贫困土地管理效果和解决方案的国家适用指标将使土地管理者能够妥善管理各种土地用途的土壤。
联邦机构用于收集、测量、存储、解释和传播跟踪和了解土壤生态系统所需的广泛土壤信息的方法和模型应定期进行技术审查。用于测量和响应土壤功能威胁的许多方法可追溯到20世纪70年代或更早。实施日常审查还可以使用现代技术和计算工具来评估国家土壤的状况。这些工具不仅可用于数据分析，还可用于数据采集，包括使用新的远程和现场传感技术来提高可用数据的精度和范围。
扩大的数据收集将有助于联邦机构用于测量土壤条件组分的预测模型的开发，评估和验证。鉴于严格分析的数据需求规模庞大，需要一个全国性、合作性、，重点突出的联盟来聚集研究机构，公私合作伙伴和联邦机构建立一个数据基础设施，其中包含有关牧场（rangeland）、农业、森林、湿地、城市和其他土壤。虽然现有平台（如NCSS）是庞大而重要的信息来源，但它们可以扩展并进一步标准化，以纳入新数据，引入更复杂的分析方法，并监测全国土壤条件的变化。通过与国际组织如ITPS（注：国际土壤伙伴关系）和其他国际科学联盟的互利合作，还有机会扩大获取重要数据的机会。
（2）技术
最迫切的技术需求是开发低成本、高精度的传感器，这些传感器可以很容易地获取、使用和部署，以检测关键的土壤属性。这些包括土壤湿度、土壤碳、营养物质、微量气体通量的传感器和更多包括评估微生物群落结构和功能的技术。这些技术不仅对于建立更高分辨率的全国性数据流非常重要，他们还可以使机构、土地管理者和决策者以更高效、更有效和更及时的方式作出负责任的土壤管理决策。美国研究人员和国际社会利用国际社会开发的数据库和知识的持续合作，有助于减轻美国机构开展这些工作的负担，并提高结果的适用性。成果包括通过国际机制如“防治荒漠化公约”、国际农业研究磋商小组（全球农业研究伙伴关系）和其他组织等发展支持云计算的移动应用的开发，这些开发将越来越多地允许美国农民访问全球知识和信息来源。
（3）土地管理
需要更广泛的公私合作来利用现有网络，并在整个国家实施适当的土壤管理战略。这可能包括在联邦机构、科学非政府组织（scientific non-government organizations）、大学或推广服务机构和行业之间开展研究或数据合作。这些合作还可能涉及与国际工作组（例如通过ITPS或UNCCD的知识中心）加强合作或领导（包括通过ITPS或UNCCD的知识中心），包括侧重于边缘或脆弱地区的组织，如工作与苔原和永久冻土地区相关的北极理事会。这种合作将扩大对联邦项目投资的影响，并更深入地与土地所有者和决策者达成长期可持续性目标。
另一个需要是土地管理措施的改进文件，这个目标也可以通过创新的公私合作来提高。每种土地利用类型都面临着独特的需求，并需要不同的记录工作。例如，牧场土壤需要改进大面积的基线监测能力，以及进一步研究将收集的数据纳入威胁和退化情景的综合模型。同时，森林土壤需要监测的分布不均匀，但需要更密切地记录影响森林边界的做法，包括城市侵占或火灾风险管理的影响。应探讨利用现有技术和平台 (如陆地卫星和其他联邦维持遥感工具) 的机会, 以及在联邦政府内外建立新的伙伴关系, 以实现这些目标。
在城市地区，城市土壤管理中越来越需要的跨学科专家为城市开发推荐的最佳措施，不仅负责任地管理其土壤和其他自然资源，而且还要利用它们改善居民的生活质量并推进更广泛的可持续性建筑环境努力。这将建立在解决上述扩大长期研究工作以监测城市土壤的需求方面取得的任何进展的基础上。
（4）社会科学
科学进步与实施机制的结合对于确保土壤的长期可持续性至关重要。主要挑战包括设计激励机制，以增加可持续措施的采用；建立向决策者传播最佳科学的机制，以及制定政策确保全国所有社区的公平和平等代表性。
最迫切的社会科学需求, 或自然科学和社会科学的核心需求包括：
◆确定如何最好地使用激励政策来提高采用可持续措施的速度；
◆开展经济研究，量化实施可持续土壤管理战略的成本和收益；
◆将土壤数据纳入综合评估模型（IAMs）, 力求将科学原则映射到与气候变化有关的经济风险；
◆理解改变或修订土壤-科学方法学和模型的技术成分的经济影响；
◆开发改进的决策支持工具，可持续为修订后的政策提供信息，帮助重构土地管理目标，促进土壤生态系统服务的长期改善。
C. 气候和环境变化
1. 概观
土壤生态系统容易受到气候和其他形式环境变化的影响。气候驱动的温度和降水扰动对土壤过程、功能和损失（包括碳封存的潜力）具有显着影响。国家气候评估指出，美国大部分地区预计会经历2°F到4°F的温度升高【81】，这取决于温室气体人为排放的路径。大气变暖将导致土壤温度更高，改变土壤水分状况，进而可能通过土壤有机质分解造成碳和温室气体的排放更多【82】。气候变化也可能导致干旱持续时间和强度增加【83】，反过来限制植物的生产力，从而限制土壤的碳输入。受干旱影响的地区的风蚀会增加【84】。相反，在一些地区，气候变化将驱动极端的风暴和降水事件，导致径流增加水蚀【85】。
另外，入侵物种分布的变化会对土壤生态系统产生不利影响。潜在影响包括pH值、土壤结构、生物多样性、水分含量、保水能力和养分循环等方面的变化【86,87,88,89】。气候变化与入侵物种之间的相互作用可能加剧两者各自的影响【90】。
2. 挑战
（1）水文和降水模式的变化
全球降水模式的转变可能包括更频繁，更强烈的降雨以及美国部分地区干旱的严重程度和频率的增加【91】。降水的变化预计会增加侵蚀力（降雨侵蚀土壤的能力【92】。降雨事件是水蚀模型中的关键乘法因子，如经修正的通用土壤流失方程（RUSLE和RUSLE2）和水蚀预测方案模型（WEPP），最高可达58％【93,94】。 在侵蚀力变化的预测中仍然存在很大的不确定性，部分原因是侵蚀力模型继承了气候变化模型的不确定性，此外还有将强化降水转化为侵蚀性变化的不确定性【95】。通过耦合模型比较项目阶段5 （CMIP5）是国际上通过的[气候系统]耦合海洋 —大气环流模式（GCM）框架，显示全国各地的侵蚀力总体上有所增加【96】。
在美国，由于降水减少，降水频率减少以及生长季节较长时期气温上升，美国西南部和其他地区可能会经历更严重的干旱条件【97】。在美国西部大部分地区，减少积雪也可能严重限制生长季节的水储存和可用性【98,99】。这些变化可能导致以前可持续的土壤管理措施和生产系统变得不可持续。因此，水文变化可能会显着增加土壤退化和侵蚀速率，并可能导致其他负面影响，包括减少持水能力和增加土体密度，从而降低渗透率并增加洪水风险。
（2）增加全球气温对土壤的影响
土壤中地表1米厚度内中储存的有机碳约为1,300-1,600Pg（译者注：1Pg=10亿吨），至少有900Pg以上，其中占全球陆地碳汇的一半以上【100,101】。据估计，北极冻土区域含有1672Pg额外的有机碳【102】，泥炭地有180至455Pg的固定碳【103】。温暖的空气温度以及太阳辐射的增加将使全球土壤温度升高。由于这种情况（以及温带地区较长的生长季节和较长时间的非冻土），土壤微生物群落将变得更加活跃，预计会增加大量土壤有机质的分解速率，并有可能加速了土壤养分的限制[104,105]。这种加速分解会导致较高的土壤呼吸速率，导致二氧化碳（CO2）向大气中的积极反馈，以及潜在的较高的氮矿化速率[106]，这可能导致土壤养分的限制可用性。这可能会导致土壤肥力下降，这在世界某些地区已经是一个粮食安全问题，并且可能导致产量降低和营养贫乏的作物【107】。在土壤含水量较高的地区（例如湿地和农田）由温度升高引起的干旱和热浪将增加植物对土壤水分和土壤蒸发的需求，导致甲烷（CH4）生产向CO2排放转变【108,109】。与气候变化相关的气温上升和生长季节增加也将导致植物分布（在高程和纬度上）朝向通常具有不同土壤性质的区域，从而给土壤养分动态和湿度增加新的压力。
（3）碳封存
土壤能通过初级生产者的有机投入，土壤有机质稳定，土壤生物的同化和矿化之间的相互作用，储存地球生物活性碳的大部分。事实上，土壤代表了陆地生物圈中最大的碳库碳通过植物进入土壤（通过根系的光合作用来源的碳或死叶，茎和木质材料的碎屑）【110】。但人为活动如化石燃料的使用使大气中的二氧化碳浓度增加到百万分之四百以上【111,112】。这种增加的二氧化碳增加了陆地生态系统的初级生产，增加了二氧化碳的陆地封存【113,114,115】。气候变化操纵实验，如开放式空气二氧化碳浓度增高（FACE）的研究发现，由于土壤中营养物质和水分的限制，森林中的“碳”肥施用效果减弱[116,117]。微生物群落及其碳利用效率的变化也会影响土壤中碳的源 - 库平衡。
许多土地管理战略（例如纳入快速增长的植物物种或使用陈年牲畜饲料用于生物燃料生产）已经显示出减缓碳排放的前景。这些可能有助于减少碳驱动的气候变化反馈，但可能会带来其他风险，例如引入入侵物种。因此，需要在各种时间和空间尺度上充分量化碳汇和通量，并开发一个强大的预测建模框架，包括地下过程的高分辨率模型，以更好地阐明土壤封存策略的不确定性，所有土地用途的政策。
总体而言，尽管土壤生态系统具有高度的适应性和适应性，但气候变化带来的压力和预期影响可能会减少土壤生态系统服务。
（4）大气沉积
传统上，相对于空气质量和水质（每小时可以变化），森林景观中的土壤被认为是几百年来变化的环境的静态组成部分，但越来越复杂的土壤监测已经鉴别到由于空气污染，土壤在生态上呈现出更快速的重要变化。
在二十世纪七十年代早期在北美被发现了酸性沉积物（酸雨），并且被确定主要是由化石燃料燃烧和一些农业活动中的硫和氮污染物排放引起的【118】。由于大部分降水在到达地表水之前通常从土壤渗透过，土壤在对酸性沉积对陆地和水生生态系统造成的危害程度方面起着至关重要的作用。
土壤在中和酸性沉积的能力方面根据土壤中活性钙的数量而不同。石灰石和其他类似矿物形成的土壤能有效地中和酸性沉积物的输入（因为土壤含有丰富的钙），从而能防止其有害影响【119,120,121】。然而，美国东部大面积的土壤天然的活性钙含量低。在这些景观中，钙从土壤中渗出到地表和地下水中，最终耗尽可利用的钙库，并导致地表水中的酸度增加【122】。酸性沉积物释放出的铝对森林和大多数水生生物有害【123】。铝已被证明可以让鱼类种群减少，甚至使湖泊和溪流无鱼，并能杀死对铝敏感的敏感树种，如糖枫，这类树木需要大量的钙，且对铝敏感。在山林中，曾经高水平酸性沉降让树木枯死率高达50％【124】。
在低钙土壤中，特别是在美国东部，氮的大气沉积往往与硫一起造成土壤酸化。来自牲畜和化肥的活性氮的增加会进一步增加大气氮沉积量，从而影响敏感的生态系统【125】。来自大气来源的潜在活性氮包括氮氧化物、硝酸蒸气、气态氨、颗粒硝酸盐和氨。在美国，人为地对其中一些形式氮的贡献可匹敌甚至超过自然来源的贡献【126,127】。
活性氮（以及大气中的硝酸盐，NO3-）的湿沉降可以被看作是农作物的另一种肥料来源，但由于它们的沉积是随机的，这些物质对敏感生态系统也可能是不需要的补充。总体而言，整个中西部地区的降水量每年为土壤每英亩无机氮贡献1.2—2.8千克（0.2-0.46公斤/亩）【128】。这通常占玉米无机氮需求量的不到5％，以及小麦氮需求量的15％（取决于土壤的状况）【129】。非固氮的主要作物至少可从大气沉降中获得其需求氮的10％【130】。这一额外的氮投入应该加以列入以避免肥料的施用过量，而导致造成不必要的成本和意外的环境影响。
（5）入侵物种
侵入物种是非本土生物，其侵入会造成损害或可能造成损害。入侵物种对土壤生态系统服务的不利影响是多重的，它们可能有很长的遗留物，最终导致生物多样性和生态系统结构和功能发生重大变化。这些影响可能源于地上或地下【131,132】。
侵入植物及其关联共生体（例如柔枝莠竹（Microstegium vimineum）；旱雀麦（Bromus tectorum））可以促进土壤化学、水分含量和土壤—微生物关系的变化，从而抑制本土植物并间接地抑制本土动物的生长【133,134】。居住于土壤的入侵物种也可能对人类健康（例如火蚁叮咬【135】）和安全（例如火灾频率和规模【136】）以及经济（例如，农业生产力下降【137】）产生影响。外侵的蚯蚓和微生物会影响土壤养分的可利用性，以及营养和能量流动，反过来又影响地上生物群。动物通过食草动物（例如食根象鼻虫）改变植物群落组成、种子传播（尤其是鸟类、还有哺乳动物和爬行动物）和生态系统工程（例如蚯蚓和挖洞啮齿动物）来改变土壤化学和（地上和地下的）群落组成【138,139】。
入侵物种对土壤的改变可能会在入侵物种被移除后很长时间内依然妨碍自然群落的恢复【140】。由于岛屿历史悠久处于隔离状态，动植物具有独特性，其生态系统特别容易受到侵入物种的影响【141】。北极生态系统也特别令人关切，因为永久冻土融化了大面积土壤，使其容易受到多种改变土壤的生物的入侵【142】。因此，岛屿和北极地区需要特别考虑处理生态和入侵物种对土壤生态系统服务的社会经济影响。
气候变化将产生直接和间接的影响，促进入侵物种的引进、建立和传播。同样，入侵物种也会增加生态系统对其他与气候有关的压力因素的脆弱性，并降低它们隔绝温室气体的潜力【143】。
3. 机会和需求
对土壤 - 植物 - 大气过程和反馈的强大和预测性理解对于维持土壤生态系统服务和增强土壤固碳潜力是必要的。上述挑战可以部分通过对以下领域的重点投资来解决。
（1）研究
需要更好地表征气候和环境变化对土壤的威胁，其中包括更高分辨率的缩小气候模型。例如，需要在各种时间和空间尺度上充分量化和监测土壤碳库和通量，以及开发强大的预测建模框架，其中包括高分辨率地下过程以阐明土壤固碳策略和政策的不确定性。支持更多的操纵性实验可以使研究人员探索土壤生态系统响应温度和土壤湿度变化的重要阈值或临界点。还需要进一步的研究来限制气候变化对美国降雨侵蚀力影响的不确定性。
耦合实验和模拟研究可加速对土壤生态系统过程级预测性理解的进展，并支持从地块级数据到生态系统和全球尺度的洞察。模型将需要更好地纳入潜在技术和土地管理策略的各种采用方案，以加强碳封存或从营养素损失中回收土壤。
协调一致的基线研究，例如NEON，对于提供关于土壤生态系统服务的长期数据集，尤其是在气候变化的背景下，也很重要。对土壤特性和趋势的长期研究（包括捕捉土壤系统广泛的时空异质性的研究）的持续和扩大支持将有助于确保全国土壤资源的长期可持续利用。这包括需要进一步研究微生物群落在所有土地上调节生物圈 - 大气碳交换的作用。
扩大的研究支持还可以包括研究气候和环境变化对入侵物种的影响。重要研究问题的例子包括在不同的未来气候情景下，范围如何变化，生态系统组成和易受诸如火灾等压力的脆弱性如何变化，以及极端天气模式与入侵物种传播之间的联系。
（2）技术
信息技术、机器人、化学和生物传感以及其他领域的进步为环境变化的高分辨率监测提供了机会，包括精确感测土壤特性和大规模数据管理。这也包括投资于高风险、早期技术的潜在变革性影响，以为气候和环境变化对土壤造成的威胁提供有针对性的解决方案。一个例子是高级研究计划署 - 能源部的“根际观测优化陆地封存”（ROOTS）计划，该计划旨在通过改变根部质量结构和其他植物特征，使用能够实现高通量表型的技术来提高封存能力。
现在，遥感技术的新进展包括使用无人机系统以高分辨率测量土壤光谱特性的技术。这为进一步研究以开发更加复杂的工具来测量关键特性（如水分、碳含量、营养物可利用性、水属性、根体系结构和其他因素）创造了机会。应该鼓励美国和国际研究人员之间的合作，以便对这些工具的使用进行全球观察。
现有的工具和框架为这种合作研究提供了基础，其中一个例子是基于生态信息学的开放资源和机器可访问性（Ecoinformatics-based Open Resources and Machine Accessibility，EcoINFORMA），环境数据层兼容，易于格式化，形成良好文档记录。
还有更多机会利用现有和资助的卫星技术来研究环境变化对土壤的影响。高光谱成像可以提供数据来远程推断土壤的性质。改进中红外光谱和与CubeSat技术的整合也将是遥感土壤性质的重要步骤。
（3）土地管理
由粮农组织定义的“气候智能型农业”概念是“帮助农业系统管理人员有效应对气候变化的农业方法”【144】，近年来气候智能型农业得到了推进。它侧重于三个主要目标：（1）可持续地增加农业生产力和收入；（2）调整和建设适应气候变化的能力；（3）尽可能减少和/或消除温室气体排放。 2016年5月，美国农业部宣布了“智能农业和林业气候构建模块”（Building Blocks for Climate Smart Agriculture & Forestry），旨在帮助农民和土地管理者通过10个重点领域，包括和保护土壤和敏感土地，应对气候变化【145】，需要进一步努力，研究并制定最佳管理措施来因应不同的土地用途、土地覆盖类型和以气候为导向的目标（例如，碳固存，对极端天气的适应能力，或不同目标或目标组合）。这需要与全国各地的土地管理者进行强有力的研究合作。
（4）社会科学
需要更好地了解气候智能农业和林业实践的社会驱动力的阻碍因素。综合的经济和科学分析将增加对气候变化对土壤影响的认识，进一步支持公共政策研究将有助于改进土地管理者采取更具气候适应性和碳封存措施的激励机制，以及并利用现有规则和条例的权力。
公民科学还可以为公众参与和教育提供机会，并提供更好的空间覆盖和地面实况数据。一个例子是最近加强土壤监测网络的工作，以协助验证卫星的土壤水分测量，如SMAP。应该支持为“众包”科学制定教育和宣传材料，以及向公众和土地管理人员教授标准化方法。研究和推广的强力整合，以及推广专家的教育将推动这些努力。
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