【专家视角】新时期中国土壤科学发展现状与战略思考

摘要：土壤科学在保障国家农业可持续发展和生态文明建设中具有重要的学科战略地位。本文全面扼要分析了国内外土壤科学研究现状和发展态势，结合未来土壤科学发展的国家战略需求与关键科学问题，梳理了未来5-10年我国土壤科学拟重点发展地球关键带过程与土壤功能演变、农田土壤健康与质量提升理论与技术、区域土壤复合污染过程与绿色修复、土壤生物过程与功能等优先领域和重要方向，以期进一步推动我国土壤科学跨越式发展。

土壤是联接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的枢纽，是陆地生态系统存在、演变和发展的物质基础、地球表层元素生物地球化学循环发生的主要场所、保护人类生存的自然历史体，支撑着陆地生态系统中的生命过程。当前，全球面临着土壤资源短缺、环境污染加剧、生态系统退化、自然灾害频发和气候变化等重大挑战，严重威胁着经济社会可持续发展、生态环境安全和人体健康，如何协调发挥土壤的生产功能、环境保护功能、生态工程建设支撑功能和全球变化缓解功能，成为现代土壤学为人类社会可持续发展作贡献的重要任务。

土壤学是研究自然条件和人为利用下土壤组成、性质、过程及功能，揭示土壤自身发生、演替、空间分布和动态变化及其与地表圈层系统的相互作用规律，并为土壤资源利用、保护和可持续管理提供科学依据的学科。当前，随着人类对土壤资源保护利用的持续认知，土壤学的研究范畴延伸到地球表层系统科学、生态和环境科学、全球变化和可持续发展科学，拓展了对土壤境功能和生态功能的认识，土壤学的研究内涵也在发生深刻演变。经过170多年的发展，土壤科学吸纳了物理、化学、数学、生物学等相关学科的理论、方法及技术，研究内容不断丰富，由早期定性描述性研究发展为系统观测与定量实验研究，以多组分、多形态和多尺度物质迁移和转化为核心，以土壤多过程和多功能为重点的土壤学学科理论、研究方法和技术体系的系统性科学。土壤学在当今世界土壤资源管理、农业可持续发展与生态环境治理等领域中发挥着不可替代的作用。本文拟扼要分析国内外土壤科学发展现状与态势，结合我国土壤学科发展需求和关键科学问题，梳理了未来5-10年土壤科学战略发展的优先研究领域与重要方向，可供土壤科学工作者参考，以期进一步推动我国土壤科学跨越式发展。

1、国际土壤科学发展现状与态势

随着国际土壤科学的发展，其学科地位不断提升。国际土壤学会（ISSS）升格为国际土壤学联合会（IUSS），并成为国际科联的独立成员，充分反映了国际土壤学的学科地位和发展形势。目前，国际土壤学联合会设有土壤时空演变、土壤性质与过程、土壤利用与管理、土壤在社会及环境中应用等4个部门（Division），总共分设了22个下属专业委员会（Commission）。同时，还设立了若干工作组（WorkingGroup），来吸纳和推进交叉学科的土壤学研究。2013年12月第68届联合国大会正式通过决议，将2015年定为“国际土壤年”，主题为“健康土壤带来健康生活”。目前，国际上十分关注土壤安全议题，解决与土壤相关的国际共同关注的重大问题，以提高对土壤资源的可持续管理能力，满足人类对粮食、燃料和纤维生产的需求，促使土壤生态系统功能更好地适应当前和未来的气候变化，因此在联合国可持续发展目标（SDG）中土壤得到前所未有的重视。说明土壤学科作为一门自然科学在科学界已达成共识，其应用领域不断扩大的同时重要性也得到了进一步提升。近20多年，国际土壤学的发展现状与趋势有如下特征：

1）土壤服务功能研究进一步拓展，已经从相对单一的生产功能研究进入到生产、环境、生态多目标多功能系统研究阶段

当前，全球土壤正面临着严重的退化问题，威胁着世界粮食安全、生态安全、环境安全。因而土壤服务功能也随之扩展，从传统单一的生产功能发展到生产、环境、生态多目标多功能阶段。2018年8月在巴西召开的第21届世界土壤学大会的主题：“SoilScience：Beyond food and fuel-土壤科学：超越食物和燃料”，讨论如何养活一个饥饿的星球，如何为一个能源匮乏的星球生产燃料，如何解决地球上水资源短缺，如何消除地球的污染，如何平衡生物多样性保护与农业生产的可持续土地管理。以Web of science核心数据库中34份土壤科学期刊为检索范围，从这些主流期刊发文的主题来看，在过去二十多年里世界主要国家的土壤科学服务于作物生产、农业土壤学的基础研究仍然是一个永恒的主题（图1），以土壤肥力为中心的土壤养分与元素的转化还是国际土壤科学的研究重点。由于土壤微生物学研究成为国际土壤科学的研究前沿，其关注点转向养分元素的生物地球化学循环过程研究。随着环境污染治理与缓解全球气候变化的新需求牵引，土壤污染修复和全球变化下土壤碳氮循环研究成为国际土壤科学的研究热点。植物修复作为有效净化污染土壤的绿色环保方法越来越受到重视，且微生物介导的植物根际修复理论与技术的研究成为目前土壤污染治理研究中的生长点。土壤是地球表层系统中最大的碳储库，土壤碳循环研究不断得到重视。一些新的研究主题，比如生物质炭（bio）和生物多样性，由于其在土壤生态功能中的多方面作用，不时涌现并呈爆发式增长态势。可见，近20多年来土壤科学研究不仅关注肥力、产量、水分等传统土壤学的内容，还关注人为活动产生的环境效应等方面，目的是充分发挥土壤的生产功能、环境功能、生态功能，从而实现人类活动和生态环境的协调发展。

2）土壤形成、过程与演化研究向关键带扩展，成为地球系统科学的组成部分

地球关键带（Earth’s Critical Zone）是物质和能量循环最活跃的地球表层系统，土壤圈是关键带最核心的部分，是元素生物地球化学过程最活跃的区域，土壤科学研究关键带土壤的物质形成，与大气、水、生物的交换和循环过程，为理解地球表层系统演变和功能提供依据。主要研究内容包括：土壤时空演化与关键带多界面、多尺度、多要素过程耦合关系，关键带重要的生物地球化学过程和驱动机制，关键带结构与水文过程、岩石风化、土壤形成之间的关系，关键带过程对土壤生产力、生态环境安全等功能的影响[6]。在美国自然科学基金（NSF）资助下，美国境内的关键带研究点由最初的3个流域发展到由10个流域组成的监测网络。在欧盟第七框架资助下，开展了以欧洲各国流域为主体的土壤过程及其功能的联合监测研究。在德国DFG资助下，在德国境内建立了类似于关键带的陆地环境监测网络。这些监测网络覆盖了气候变化和人类活动强度的梯度，集成了实时监测、控制实验、过程模拟等环节，提供了不同学科相互合作的研究平台。我国生态系统研究网络（CERN）近来也在积极向关键带观测推进。以地球关键带为平台，土壤作为重要的组成部分，近期可深入开展以下几个方面的系统研究：（1）土壤形成发育过程及其元素生物地球化学过程的耦合，（2）多尺度（剖面、坡面、流域和区域）的生态水文过程及其物质迁移转化，（3）多界面（土-水、土-气、土-生、土-岩等）的物理、化学和生物过程相互作用与反馈机制。

3）新技术、新方法的应用以及长期定位试验成为土壤科学发展的重要手段

近年来，新技术与新方法在土壤研究中的广泛应用，极大促进了土壤科学的发展。在土壤物质形态和性质方面，传统元素稳定性同位素如13C、14C、15N、32P和重金属同位素等用于标记和示踪土壤-生物系统中生命元素循环和污染物转化的生物地球化学过程，尤其在土壤功能微生物识别及其物质代谢过程方面了发挥了重要作用；同步辐射技术成功应用于揭示土壤胶体组分与重金属之间的物理、化学、生物界面分子作用机制，而且同步辐射光谱显微镜技术能够详细描述微米和亚微米空间的化学特征，为研究土壤微环境中复杂的生物地球化学过程提供了可能；宇宙射线土壤水分监测（COSMOS）是一种精度较高的大尺度土壤水分含量监测系统；CT技术使土壤结构研究从定性描述走向定量化，推动了土壤结构与水分运动和根系生长等相互耦合研究；模型模拟成为重要的研究工具，可以实现土壤多过程的精细刻画、情景分析、尺度扩展等分析，如在污染物环境行为、水力学过程、水土流失、空间变异预测与制图、碳氮循环与全球变化等方面发挥了重要作用。信息技术结合新的遥感遥测、近地传感与制图技术应用于土壤性质动态变化的监测与制图，不断提高土壤监测的准确性与实时性，尤其是5G技术、物联网技术、高精度遥感遥测技术的发展，将对土壤学科发展产生变革性影响，促进土壤监测朝向智慧化、智能化方向发展。

长期试验研究方法的重要性日益凸显，被赋予了新的生命力，从农田肥料试验走向生态系统试验，从单一试验研究走向整合和网络研究，从土壤过程走向生态系统过程，从土壤圈走向地球关键带系统，并被用于分析全球尺度的土壤变化规律。目前的发展趋势是土壤过程-生物过程-生态系统过程的系统而连续的观察和监测。通过长期定位观测试验可以揭示土壤微生物区系与生物多样性、长期施肥与土壤肥力的变化、长期耕作措施的土壤保育效果、土壤环境质量的演变规律，以及模型预测结果的验证（图2）。长期土壤生态系统研究已经纳入美国科学基金会的关键带探测网络（Critical Zone ExplorationNetwork），我国也初步形成了中国地球关键带网络的雏形，有望融合到相关国际网络中。