【專家視角】新時期中國土壤科學發展現狀與戰略思考

北極星環境修復網訊:摘要：土壤科學在保障國家農業可持續發展和生態文明建設中具有重要的學科戰略地位。本文全面扼要分析了國內外土壤科學研究現狀和發展態勢，結合未來土壤科學發展的國家戰略需求與關鍵科學問題，梳理了未來5-10年我國土壤科學擬重點發展地球關鍵帶過程與土壤功能演變、農田土壤健康與質量提升理論與技術、區域土壤複合汙染過程與綠色修復、土壤生物過程與功能等優先領域和重要方向，以期進一步推動我國土壤科學跨越式發展。

土壤是聯接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的樞紐，是陸地生態系統存在、演變和發展的物質基礎、地球表層元素生物地球化學循環發生的主要場所、保護人類生存的自然歷史體，支撐著陸地生態系統中的生命過程。當前，全球面臨著土壤資源短缺、環境汙染加劇、生態系統退化、自然災害頻發和氣候變化等重大挑戰，嚴重威脅著經濟社會可持續發展、生態環境安全和人體健康，如何協調發揮土壤的生產功能、環境保護功能、生態工程建設支撐功能和全球變化緩解功能，成為現代土壤學為人類社會可持續發展作貢獻的重要任務。

土壤學是研究自然條件和人為利用下土壤組成、性質、過程及功能，揭示土壤自身發生、演替、空間分布和動態變化及其與地表圈層系統的相互作用規律，並為土壤資源利用、保護和可持續管理提供科學依據的學科。當前，隨著人類對土壤資源保護利用的持續認知，土壤學的研究範疇延伸到地球表層系統科學、生態和環境科學、全球變化和可持續發展科學，拓展了對土壤境功能和生態功能的認識，土壤學的研究內涵也在發生深刻演變。經過170多年的發展，土壤科學吸納了物理、化學、數學、生物學等相關學科的理論、方法及技術，研究內容不斷豐富，由早期定性描述性研究發展為系統觀測與定量實驗研究，以多組分、多形態和多尺度物質遷移和轉化為核心，以土壤多過程和多功能為重點的土壤學學科理論、研究方法和技術體系的系統性科學。土壤學在當今世界土壤資源管理、農業可持續發展與生態環境治理等領域中發揮著不可替代的作用。本文擬扼要分析國內外土壤科學發展現狀與態勢，結合我國土壤學科發展需求和關鍵科學問題，梳理了未來5-10年土壤科學戰略發展的優先研究領域與重要方向，可供土壤科學工作者參考，以期進一步推動我國土壤科學跨越式發展。

1、國際土壤科學發展現狀與態勢

隨著國際土壤科學的發展，其學科地位不斷提升。國際土壤學會（ISSS）升格為國際土壤學聯合會（IUSS），並成為國際科聯的獨立成員，充分反映了國際土壤學的學科地位和發展形勢。目前，國際土壤學聯合會設有土壤時空演變、土壤性質與過程、土壤利用與管理、土壤在社會及環境中應用等4個部門（Division），總共分設了22個下屬專業委員會（Commission）。同時，還設立了若干工作組（WorkingGroup），來吸納和推進交叉學科的土壤學研究。2013年12月第68屆聯合國大會正式通過決議，將2015年定為「國際土壤年」，主題為「健康土壤帶來健康生活」。目前，國際上十分關注土壤安全議題，解決與土壤相關的國際共同關注的重大問題，以提高對土壤資源的可持續管理能力，滿足人類對糧食、燃料和纖維生產的需求，促使土壤生態系統功能更好地適應當前和未來的氣候變化，因此在聯合國可持續發展目標（SDG）中土壤得到前所未有的重視。說明土壤學科作為一門自然科學在科學界已達成共識，其應用領域不斷擴大的同時重要性也得到了進一步提升。近20多年，國際土壤學的發展現狀與趨勢有如下特徵：

1）土壤服務功能研究進一步拓展，已經從相對單一的生產功能研究進入到生產、環境、生態多目標多功能系統研究階段

當前，全球土壤正面臨著嚴重的退化問題，威脅著世界糧食安全、生態安全、環境安全。因而土壤服務功能也隨之擴展，從傳統單一的生產功能發展到生產、環境、生態多目標多功能階段。2018年8月在巴西召開的第21屆世界土壤學大會的主題：「SoilScience：Beyond food and fuel-土壤科學：超越食物和燃料」，討論如何養活一個飢餓的星球，如何為一個能源匱乏的星球生產燃料，如何解決地球上水資源短缺，如何消除地球的汙染，如何平衡生物多樣性保護與農業生產的可持續土地管理。以Web of science核心資料庫中34份土壤科學期刊為檢索範圍，從這些主流期刊發文的主題來看，在過去二十多年裡世界主要國家的土壤科學服務於作物生產、農業土壤學的基礎研究仍然是一個永恆的主題（圖1），以土壤肥力為中心的土壤養分與元素的轉化還是國際土壤科學的研究重點。由於土壤微生物學研究成為國際土壤科學的研究前沿，其關注點轉向養分元素的生物地球化學循環過程研究。隨著環境汙染治理與緩解全球氣候變化的新需求牽引，土壤汙染修復和全球變化下土壤碳氮循環研究成為國際土壤科學的研究熱點。植物修復作為有效淨化汙染土壤的綠色環保方法越來越受到重視，且微生物介導的植物根際修復理論與技術的研究成為目前土壤汙染治理研究中的生長點。土壤是地球表層系統中最大的碳儲庫，土壤碳循環研究不斷得到重視。一些新的研究主題，比如生物質炭（bio）和生物多樣性，由於其在土壤生態功能中的多方面作用，不時湧現並呈爆發式增長態勢。可見，近20多年來土壤科學研究不僅關注肥力、產量、水分等傳統土壤學的內容，還關注人為活動產生的環境效應等方面，目的是充分發揮土壤的生產功能、環境功能、生態功能，從而實現人類活動和生態環境的協調發展。

2）土壤形成、過程與演化研究向關鍵帶擴展，成為地球系統科學的組成部分

地球關鍵帶（Earth’s Critical Zone）是物質和能量循環最活躍的地球表層系統，土壤圈是關鍵帶最核心的部分，是元素生物地球化學過程最活躍的區域，土壤科學研究關鍵帶土壤的物質形成，與大氣、水、生物的交換和循環過程，為理解地球表層系統演變和功能提供依據。主要研究內容包括：土壤時空演化與關鍵帶多界面、多尺度、多要素過程耦合關係，關鍵帶重要的生物地球化學過程和驅動機制，關鍵帶結構與水文過程、巖石風化、土壤形成之間的關係，關鍵帶過程對土壤生產力、生態環境安全等功能的影響[6]。在美國自然科學基金（NSF）資助下，美國境內的關鍵帶研究點由最初的3個流域發展到由10個流域組成的監測網絡。在歐盟第七框架資助下，開展了以歐洲各國流域為主體的土壤過程及其功能的聯合監測研究。在德國DFG資助下，在德國境內建立了類似於關鍵帶的陸地環境監測網絡。這些監測網絡覆蓋了氣候變化和人類活動強度的梯度，集成了實時監測、控制實驗、過程模擬等環節，提供了不同學科相互合作的研究平臺。我國生態系統研究網絡（CERN）近來也在積極向關鍵帶觀測推進。以地球關鍵帶為平臺，土壤作為重要的組成部分，近期可深入開展以下幾個方面的系統研究：（1）土壤形成發育過程及其元素生物地球化學過程的耦合，（2）多尺度（剖面、坡面、流域和區域）的生態水文過程及其物質遷移轉化，（3）多界面（土-水、土-氣、土-生、土-巖等）的物理、化學和生物過程相互作用與反饋機制。

3）新技術、新方法的應用以及長期定位試驗成為土壤科學發展的重要手段

近年來，新技術與新方法在土壤研究中的廣泛應用，極大促進了土壤科學的發展。在土壤物質形態和性質方面，傳統元素穩定性同位素如13C、14C、15N、32P和重金屬同位素等用於標記和示蹤土壤-生物系統中生命元素循環和汙染物轉化的生物地球化學過程，尤其在土壤功能微生物識別及其物質代謝過程方面了發揮了重要作用；同步輻射技術成功應用於揭示土壤膠體組分與重金屬之間的物理、化學、生物界面分子作用機制，而且同步輻射光譜顯微鏡技術能夠詳細描述微米和亞微米空間的化學特徵，為研究土壤微環境中複雜的生物地球化學過程提供了可能；宇宙射線土壤水分監測（COSMOS）是一種精度較高的大尺度土壤水分含量監測系統；CT技術使土壤結構研究從定性描述走向定量化，推動了土壤結構與水分運動和根系生長等相互耦合研究；模型模擬成為重要的研究工具，可以實現土壤多過程的精細刻畫、情景分析、尺度擴展等分析，如在汙染物環境行為、水力學過程、水土流失、空間變異預測與製圖、碳氮循環與全球變化等方面發揮了重要作用。信息技術結合新的遙感遙測、近地傳感與製圖技術應用於土壤性質動態變化的監測與製圖，不斷提高土壤監測的準確性與實時性，尤其是5G技術、物聯網技術、高精度遙感遙測技術的發展，將對土壤學科發展產生變革性影響，促進土壤監測朝向智慧化、智能化方向發展。

長期試驗研究方法的重要性日益凸顯，被賦予了新的生命力，從農田肥料試驗走向生態系統試驗，從單一試驗研究走向整合和網絡研究，從土壤過程走向生態系統過程，從土壤圈走向地球關鍵帶系統，並被用於分析全球尺度的土壤變化規律。目前的發展趨勢是土壤過程-生物過程-生態系統過程的系統而連續的觀察和監測。通過長期定位觀測試驗可以揭示土壤微生物區系與生物多樣性、長期施肥與土壤肥力的變化、長期耕作措施的土壤保育效果、土壤環境質量的演變規律，以及模型預測結果的驗證（圖2）。長期土壤生態系統研究已經納入美國科學基金會的關鍵帶探測網絡（Critical Zone ExplorationNetwork），我國也初步形成了中國地球關鍵帶網絡的雛形，有望融合到相關國際網絡中。

北極星環保網聲明：此資訊系轉載自北極星環保網合作媒體或網際網路其它網站，北極星環保網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。