土壤学学科发展报告

土壤学学科发展报告(2010-11简本)
一、引言
目前，全球所面临的粮食安全和环境污染等方面的问题以及节能减排和生态保护等方面的要求促使土壤学各分支学科的研究不断向前推进。

在这样的背景下，总结近年来我国科学家在该领域所取得的研究成果，并通过和国际同行间的比较，找出我国土壤学发展中存在的问题，分析学科发展趋势，提出近期研究的重点领域、发展的措施和展望，促进土壤、环境和生态学的交叉、融合，把握学科发展方向，紧跟学科发展前沿，对促进土壤学科发展，促进国家科技进步与经济可持续发展具有重要意义。

二、本学科近年来的研究进展
我国的土壤科学虽然起步较晚，但近年来发展极为迅速。

在土壤学的某些分支，如土壤系统分类、表面化学、土壤温室气体排放和面源污染控制、土壤水肥管理、长效肥的研制、土壤－植物营养、土壤污染修复和土壤微生物等方面的研究均有长足发展。

我国的土壤系统分类研究逐步与美国系统接轨，中国土壤分类系统已经成为国际四大分类体系之一，其中，有关人为土纲的分类研究在世界处于领先水平；在土壤化学方面系统地开展了土壤胶体化学、土壤界面化学、土壤养分化学、土壤污染化学等方面的研究，其中以土壤胶体和界面化学的研究较为系统和深入，也取得了很好的研究结果；在污染土壤修复方面系统地开展了土壤污染调查、污染过程与机制研究、污染效应风险评价、污染土壤修复管理研究，基于污染物界面过程的效应评价模型已经达到国际水平；在土壤环境方面开展了温室气体排放调控和农业非点源污染控制的系统研究，稻田CH4和N2O排放规律和稻麦系统CO2倍增生态效应的FACE研究达到国际先进水平；土壤-植物营养学方面已形成以植物-土壤互作的根际理论为核心，以作物高产、资源高效和环境保护为目标，综合利用生物调控及养分管理技术来实现作物高产高效的研究体系，形成以植物营养生理与遗传、土壤-植物互作与调控、养分资源管理、污染物控制和治理等主要研究领域的系统学科；土壤物理学与土壤矿物学研究在土壤水文学、土壤力学、矿物界面反应分子机制以及矿物界面反应过程与化学动力学等领域也已接近国际前沿。

此外，我国的古土壤研究、（数字）土壤制图研究、土壤质量研究、土壤退化机理研究等基本与国际同步。

在面对国家需求、解决生产实际问题的同时土壤学的学科建设也得到了极大发展，相继建立了土壤地理学、土壤化学、土壤物理学、土壤生物学等各分支学科，出版了《中国土壤》、《中国水稻土》、《土壤发生与系统分类》、《中国农业土壤志》、《中国土壤质量》、《中国红壤》、《红壤物质循环与调控》等一系列专（编）著，提出了土壤圈物质循环的重要研究内涵，建立了具有中国特色的土壤学理论，中国土壤学已经形成了阵容较大的研究队伍和较为完整的学科体系，在国际上已具有一定特色和地位。

三、本学科发展趋势
土壤学的研究成果在解决全球资源紧张、环境污染、气候变化以及保障人类社会可持续发展等问题中发挥了巨大作用。

目前，该学科正在经历从传统土壤学向现代土壤学的过渡，
具体可归结为三方面的转变:一是研究目标的转变，即从土壤的发生分布更多地转向与人类活动密切相关的农业、资源和环境方面的研究；二是研究时空尺度的拓展和融合，土壤研究在宏观（全球、区域、流域）、中观（土链、田块、颗粒、结构、表面）和微观（分子、原子、离子和电子）尺度上相互融合，在短时间（秒、分）和长时间（年、世纪）尺度上相互结合；三是研究手段的不断提升，借助于现代高技术不断走向信息化、数字化、网络化、集成化，建立从实验室模拟、机制模型到田间模式、示范模区的综合体系。

经过160多年的发展，土壤科学已发展成以系统观测与定量实验为基础，以多组分、多形态和多尺度物质性质、分异与变化为中心，以土壤过程和功能为重点的土壤学学科理论、研究方法及相应技术体系的综合性学科。

近年来，国内外土壤学的发展呈现如下发展态势：
1.新技术、新方法的应用以及长期定位试验成为土壤学发展的重要手段
当前国际土壤学研究，由于广泛借助地球系统科学新思维、物质科学新技术和地球过程监测新装备等现代科学技术而获得空前发展。

技术进步将在未来相当长的一段时期内继续推动土壤学的认知水平和分析能力，从而提升土壤学研究的整体水平。

这些技术包括：应用同位素的生物地球化学法元素识别技术、同步光谱显微技术、同步辐射技术等对土壤物质形态和性质的研究；应用红外发射光谱法、发射性反射光谱法和光栅分类法等技术进行的遥感遥测与制图技术；应用现代分子微生态技术（例如FISH和CARD-FISH技术）和DNA同位素探针技术(13C DNA probing)，生物化学同位素质谱探针耦联技术（例如PLFA-GC-MS）进行界面及其相互作用研究；应用磷脂脂肪酸(PLFA)、脂肪酸甲酯(FAME)、限制性片段长度多态性(RFLP )、DGGE /TGGE等方法进行分子生物学和分子生态学研究；应用基因芯片(又称DNA微阵列)与高通量DNA测序技术进行基因组学研究；借助通量观测系统、水分-温度-电位的现代传感器系统、数据自动存储和远程传输系统进行长期定位观测和联网试验研究等。

2.基础理论创新、技术进步与产业开发相结合成为现代土壤科学发展的战略途径
土壤科学正在向农业和环境问题的结合研究发展，（有机）碳-氮-磷的土壤和生态系统循环再度成为土壤学研究重点和热点。

环境污染和全球变化下生态系统C-N耦合、P的活化及其在土壤-植物-水体系统转移与富营养化形成机理成为土壤学解决农业和环境问题的焦点；土壤中痕量元素的生物有效性与环境效应研究朝着食物安全和生物修复方向不断深化；土壤环境污染表征、界面过程与生物效应研究成为新热点，土壤环境污染修复技术向通过化学－生物联合方法降低重金属对作物的生物有效性以及提高富集植物的生物提取效率两个方向发展。

上述动态说明，当前国际土壤学研究已在基础理论创新上有所突破，并不断地推进农业和环境技术体系与产业发展进步。

3.多学科交叉综合与集成研究是提升和发展现代土壤学的新的趋势
新兴土壤学研究方向及分支学科的诞生和涌现得益于与土壤学内部分支学科的融合和土壤学与其它基础科学的渗透融合。

例如，生物学参与土壤物质和过程的研究，衍生出土壤生物物理研究分支学科；微生物学、微形态学和土壤颗粒与土壤结构的交叉研究派生出土壤微生境和微生态研究方向；突飞猛进的生物学特别是分子生物学技术与土壤学的交叉发展了分子土壤学研究；化学结构、化学计量与土壤颗粒基本物质分子组成的交叉和综合形成了分子模拟(molecular modeling)方向；数学、地统计学和土壤学的交叉形成了土壤计量学(pedometrics);数字技术、信息技术的发展使得土壤信息系统研究和数字土壤研究成为现实，改变了传统土
壤学分析的模糊和定性的形象。

特别是在土壤的环境研究上，土壤学与生态毒理、环境毒理和化学毒理与风险管理学等学科的交叉融合奠定了土壤环境与健康风险的活跃的研究领域方向。

而临界带（critical zone）土壤的研究，则是整合了微生物学、水文学、生态学、环境科学、地球化学、地质学、大气科学的知识和技术，在考虑土壤过程、功能及服务上与地球系统科学表层过程研究接轨，使得土壤学在解决地球各圈层交互作用以及诸如农业与面源污染、土壤与全球变化、跨界面和跨流域环境污染与控制等问题上的能力大为提高。

4.社会与公众需求成为土壤科学发展的推动力
全球社会可持续发展面临的挑战极大地推动了土壤学的发展。

不断增长的人口对粮食的需求成为农业土壤学尤其是土壤肥力和生产力研究的持续动力; 气候变化及其应对的挑战，催生了土壤碳循环与固碳土壤学在全球的兴起；环境污染的全球化和POPs控制的国际公约推动了土壤环境与污染控制和修复成为全球环境科学的热点领域。

科学研究的全球合作和重大国际科学研究计划，也推动了土壤学的全球对比与网络化。

随着国际地圈生物圈计划（IGBP）等全球变化研究的需要，构成了国际有机质研究网络(SOMNET)和全球土壤变化与长期试验网络（LTES）的跨地域和国家的整合研究。

为了全球土壤信息化对比，在ISRIC（International Soil Reference and Information Centre）基础上，正在开展国际土壤分类系统的全球合作研究。

随着全球对社会可持续发展科学的需求，土壤学在各个领域的全球对比和网络化研究必将得到进一步的推进。

四、本学科研究展望及建议
今后我国土壤学的发展必须首先面临全球能源、资源、生态、环境、农业、全球变化、自然灾害、经济危机及人类生命健康等八大问题的挑战。

目前我国面临的土壤学问题主要是如何进一步提高土壤生产力和可持续利用能力，满足人口不断增加对粮食和其他农产品的需求；如何提高农用化学品和水资源利用率，减少环境污染；最大限度地开发土壤的环境保持功能，缓解区域和全球环境向不利方面发展。

针对这些问题我们认为在未来几年土壤科学应该优先发展的重要领域如下：
1.土壤发育与土壤信息
研究大空间和精细时间尺度土壤演化速率、影响因素和过程模拟，特别是全球环境变化背景下风化和土壤（如冻土）形成过程与全球生物地球化学循环，以及地学定年为基础的古土壤与环境演变以及近代人为活动的土壤学记录；深入研究以基层分类为主要内容的土壤系统分类，以国际上统一分类为导向开展分类参比研究；研究土壤遥感与信息技术中土壤学、农学、地学等的机理，构建标准光谱库；发展土壤遥感图像处理与自动分类技术，多元、多维复合分析的智能化处理，以及新型传感器数据分析处理技术；实现土壤数字制图和土壤数据库的数据标准化，开发“3S”一体化技术。

2.土壤资源和土壤质量演变
系统观测和联网研究高强度利用条件下土壤质量，特别是环境和健康质量的演变规律和机制；研究土壤退化的景观生态学机制和预测预报，自然作用和人为活动共同影响下土壤侵蚀的形成过程、机理及其调控机制，跨尺度土壤侵蚀研究方法综合集成和预测模型，径流-泥
沙（土）-面源污染物相互作用机制，盐渍土土壤质量演变规律与机制，高效评估方法、盐渍化防控机理和修复技术，酸沉降和人为活动共同影响下的红壤加速酸化机制及其生物调控技术。

3.土壤性质与多界面过程
研究土壤特性和生物物理过程演变的定量描述方法和监测方法；研究土壤物理过程和化学、生物过程的耦合机制和模拟模型，建立土壤基本特性与土壤水、盐、溶质(包括养分和污染物)、热、气迁移特性的内在定量关系；研究土壤水-盐-肥耦合调控的机理和措施；基于现代光谱技术研究土壤胶体的结构、亚结构及特性，以及纳米相界面反应和纳米颗粒相互作用的机理；开展纳米微域中养分和污染物的土壤固定与液体流动态监测，研制相应的非均质体系模型；研究土壤组分与有机物/微生物作用的界面过程、分子机制及分子模拟；研究土壤矿物表面铁循环与物质转化的化学过程、生物起源的矿物形成过程和形成机制及其在污染物迁移中的作用。

4.土壤分子生物学与蛋白组学
以土壤微生物群落的遗传信息为研究对象，采用先进的分子生物学手段，构建土壤微生物环境基因组学和蛋白组学库；研究土壤生物代谢过程及其影响因素和产物；研究炭黑形成的生物化学过程与机理，土壤生物氧化还原过程及其作用机制；研究极端环境、微域空间与根际界面土壤生物驱动过程、互作方式及其调节机制；研究复杂群落及食物网水平土壤生物的相互作用、进化机制及其生态功能。

5.土壤利用与全球变化及生态系统
通过多目标、多类型（农田、森林、草地、湿地等）的长期野外观察网络，研究不同生态系统土壤碳汇提高和稳定的机制，全球变化下土壤生态过程的响应与反馈过程和机理，特别是土壤碳、氮循环与温室气体产生和释放的关键过程和因素作用，以及全球变化背景下不同类型生态系统土壤碳动态的模型模拟和准确预测；研究脆弱和退化农业生态系统中土壤－生物－植被交互作用机制，以及生态系统服务功能恢复过程中土壤生物多样性与植物多样性的协同机制及其反馈；研究污染退化土壤的土壤植物-微生物强化修复机理。

6.土壤养分、肥力与生产力
研究农田生态系统内源有机质转化途径及其关键生物群落与功能，有机质积累、转化的环境因素与调控机制，土壤有机质提高对高生产力条件下生态系统稳定性的影响机制；研究土壤多养分转化的生物学过程和机制，如土壤有机碳耦合条件下氮磷在土-水界面的生物学过程及其机制，土壤碳氮共济的关键生物过程、制约条件及潜力；研究土壤根际过程与养分资源高效利用机制，主要包括作物根系诱导的根际养分活化过程及其分子机制、根际微生物与根际养分转化过程、根系与水分养分时空耦合的作物根层水肥调控机制；建立不同尺度土壤肥力及可持续性评价的方法与指标体系，研究不同生态区域土壤肥力的演变规律与主要驱动因子及机制；研究高生产力条件下养分资源综合管理理论与技术。

7.生态高值农业的土壤学基础研究
研究耕地质量的定向培育与耕地资源集约利用、水肥耦合管理与流域水资源保护利用、农业面源污染控制与农业清洁生产、应对全球变化的农田增汇减排体系；研究现代农业条件下，主要土壤障碍形成机制与调控技术；研究连作障碍的生态过程与调控、精准农业和信息化农业科技发展技术，建立土壤质量标准体系；研究土壤环境污染防治与修复技术体系。

面对这些艰巨的任务，我们应该清楚地看到存在的不足。

首先，我国教育体制限制了多学科综合人才的培养。

由农业大学培养的土壤学基础人才在数学、物理学和哲学等基础学科的知识和技能上明显逊于国外，使得从事土壤科学研究的科研人员知识面单一，应用其他自然科学的最新进展严重滞后，从而影响其创新能力。

其次，对于土壤学观测、监测和实验分析的仪器设备研制方面的支持不够，生态环境长期定位监测网络的自动化水平低，制约了土壤学研究水平的提升，导致尖端仪器设备以及相关信息产品（如高精度卫星遥感数据）的土壤学研究工作始终滞后于国际先进水平。

第三，部门分割导致土壤学研究资源分散，利用效率低，共享程度差。

高水平研究平台、国家信息数据、土壤调查和长期试验资料分别掌握在不同的部门和研究单位，由于管理体制问题，对这些资源很难做到完全共享，制约着整体土壤学研究水平的提高。

综上所述，土壤学发展面临着前所未有的机遇与挑战，特别是随着全球生态环境的急剧变化，人类将遭受难以预测的突发性灾害影响。

因此，现代土壤学研究的任务，首先必须从战略的高度、从系统角度出发研究土壤的结构、过程和功能的演变规律和机制，准确把握土壤演变的未来发展趋势，提出应对策略和措施；同时，现代土壤学的研究必须与社会需求和社会变革相适应，以解决全球土壤变化和生态环境对社会经济与人类健康影响等方面的关键性问题。

只有不断发展现代土壤学，才能为实现人口、资源、环境和社会可持续发展的前景提供必不可少的保障。