新時期中國土壤科學發展現狀與戰略思考*

沈仁芳，顏曉元，張甘霖，滕 應

新時期中國土壤科學發展現狀與戰略思考*

沈仁芳1，顏曉元1，張甘霖1，滕 應2

（1. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；2. 中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

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、區域土壤復合污染過程與綠色修復、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。

新時期；土壤科學；研究發展；戰略思考

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、環境污染加劇、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[1-2]。

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，并為土壤資源利用、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，土壤學的研究范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，拓展了對土壤環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[3]。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），并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[1-4]，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[2]。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征：

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：“Soil Science：Beyond food and fuel-土壤科學：超越食物和燃料”，討論如何養活一個饑餓的星球，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，如何消除地球的污染，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核心數據庫中34份土壤科學期刊為檢索范圍，從這些主流期刊發文的主題來看，在過去二十多年里世界主要國家的土壤科學服務于作物生產、農業土壤學的基礎研究仍然是一個永恒的主題（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。由于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[5]。隨著環境污染治理與緩解全球氣候變化的新需求牽引，土壤污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。植物修復作為有效凈化污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污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（biochar）和生物多樣性，由于其在土壤生態功能中的多方面作用，不時涌現并呈爆發式增長態勢。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。

圖1 以水稻、小麥、玉米、土豆四大糧食作物為主題的土壤學論文及其占全部土壤學論文的比例（數據來源，Web of Science 34份土壤學期刊）

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、多要素過程耦合關系，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、土壤形成之間的關系，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于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[7-9]。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于標記和示蹤土壤-生物系統中生命元素循環和污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于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征，為研究土壤微環境中復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，如在污染物環境行為、水力學過程、水土流失、空間變異預測與制圖、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、近地傳感與制圖技術應用于土壤性質動態變化的監測與制圖，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，并被用于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 Exploration Network），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。

圖2 應用長期試驗平臺的土壤學研究主題詞共現關系圖

4）多學科交叉融合研究成為土壤科學發展的重要推動力

隨著化學、生物學、物理學等學科的基礎理論、方法、技術的進步在土壤科學中的進一步應用，多學科交叉融合成為推動國際土壤科學快速發展的重要動力，土壤學與其他基礎科學的滲透融合促進了土壤學研究新方向和分支學科的誕生。化學各分支學科發展為定性和定量研究土壤中養分離子及污染物形態及其轉化提供技術和理論支撐，尤其是近年來原子及分子分析方法的快速發展，為從分子水平研究養分與污染物的界面過程提供了先進手段；化學結構、化學計量與土壤顆粒基本物質分子組成研究內容的交叉和綜合形成了土壤分子模擬方向；生物學尤其是分子生物學技術的進步，深化了對土壤微生物所驅動的土壤過程的認識，尤其是基于高通量測序的組學技術（基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等）打開了土壤微生物的“黑箱”，極大地推動了對土壤中“未知微生物類群及功能的認識[9]。生物學參與的土壤物質和過程的研究，衍生出土壤生物物理研究分支學科；微生物學與土壤微形態學的交叉研究派生出土壤微生境和微生態研究方向；數學、地統計學和土壤學的交叉形成了土壤計量學；數字技術、信息技術的發展使得土壤信息系統研究和數字土壤研究成為現實，改變了傳統土壤學分析的模糊和定性的形象。在關鍵帶土壤環境過程研究方面，土壤學整合了生物學、水文學、生態學、環境科學、地球化學、地質學、大氣科學等知識和技術，大大提升了解釋地球各圈層之間交互作用的能力以及對區域土壤環境質量進行綜合管理的能力。

5）社會與公眾需求成為土壤科學發展的內在牽引力

全球農業可持續發展和資源生態環境安全面臨的現實挑戰，對土壤學的需求越來越強烈，極大地牽引了國際土壤科學的發展，也促進了土壤學在各個領域的應用。聯合國可持續發展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）中就有多個目標對土壤科學的需求提出了明確要求，其中促進可持續農業、保障健康生活、確保可持續消費與生產模式、恢復退化陸地生態系統等，分別涉及土壤質量、土壤污染、土壤健康、土壤退化等方面。在全球資源環境矛盾日益突出的情況下，土壤的生產力及其可持續提高的機理和途徑仍然是農業土壤學的一大中心任務[10]。應對氣候變化挑戰催生了土壤碳循環研究在全球的興起，至今一直是國際土壤學的前沿領域；環境污染的全球化背景下，旨在控制持久性有機污染物（POPs）國際公約的簽訂，使得土壤環境與污染修復成為全球環境科學的熱點領域。科學研究的全球化和重大國際科學研究計劃，推動了土壤學的全球對比與網絡化，如全球土壤信息化對比研究，推進了國際土壤分類系統和數字土壤制圖的全球合作研究。

2 我國土壤科學發展現狀與態勢

我國土壤科學雖然起步較晚，但近幾十年來發展迅速，土壤學研究在面對國家需求、解決生產實際的同時，學科建設得到了極大發展，相繼建立了土壤地理學、土壤物理學、土壤化學、土壤生物學、土壤侵蝕與水土保持、土壤肥力與土壤養分循環、土壤污染與修復、土壤質量與食物安全等各分支學科，提出了土壤圈物質循環的重要研究內涵，建立了較為完整的土壤學科體系，在國際上已具有一定特色和國際地位。以Web of Science收錄的34份土壤學期刊發表的文章為例，我國在2014年超過美國，成為在土壤學期刊上發文最多的國家（圖3），目前已超過全球總量的30%。由于我國社會經濟快速發展對土壤學的強烈需求，我國土壤學各分支學科均取得了很好的研究進展，如系統清查了我國土系資源，建立了近5 000個土系并出版了《中國土系志》，全面更新了我國土壤資源清單和土壤信息，將土壤分類工作推向了新的前沿[11]；發展了土壤物理新技術和新方法，以及地球關鍵帶水文過程與物質遷移、土壤水熱鹽耦合過程與調控、污染物遷移與數值模擬、土壤結構等新理論與新模型[12]；基于同步輻射技術、機理性動力學模型及量子化學計算等，揭示了土壤微界面化學動力學反應分子機制[13]；首次在較大的空間尺度下定量揭示了土壤微生物的地理分布特征，揭示了土壤生源要素的微生物地球化學過程與驅動機制[14]；闡明了土壤侵蝕動力機制，建立了土壤抗沖性與土壤物理性質參數的最優模型[15]；采用氮穩定同位素成功標記測定了土壤氮素初級轉化速率，在認識亞熱帶土壤氮動態和機制方面取得了一系列新的認識[16]，在協調作物生產和環境雙贏的氮肥管理方面從理論到實踐均取得了較大進展[17]；在農田和場地土壤污染過程、污染機制、風險評估、風險管控修復材料、裝備和技術及工程示范等方面開展了大量工作[18]；土壤質量和食物安全領域主要聚焦在施肥、作物類型、水肥管理以及施肥引起土壤酸化對食物安全的影響等[19]。詳細參見各個分支學科發展報告[11-19]。

從研究領域看，我國土壤科學研究領域既緊跟國際熱點，如在應對全球氣候變化、根際微生物多樣性、硝化過程與氨氧化菌等國際熱點領域；又帶有明顯的區域特色，如在黃土高原水土流失、污染土壤生物修復等特色領域（圖4）。在過去的十多年里，這些熱點研究領域研究成果累累，產生了多項國家自然科學獎和科技進步獎。

從研究深度上看，我國土壤學整體上處于跟蹤國際前沿水平，引導國際土壤科學研究方向的原創性研究成果較少。少數領域如人為土壤（特別是水耕人為土）的研究、古土壤、土壤電化學、植物修復、稻田溫室氣體排放研究等處于國際領先水平。部分學科和研究領域與國際前沿差距較大，需要多學科多領域交叉綜合研究，進一步推動我國土壤科學的全面發展。

圖3 世界主要國家在Web of Science土壤學期刊發文數量變化

圖4 2011—2019年我國土壤學SCI論文主題詞關系共現網絡

3 學科發展需求與關鍵科學問題

3.1 土壤科學與國家需求

當前，我國乃至全球社會面臨著“糧食安全、環境污染、資源匱乏、生態退化、全球變化、災害頻發”等重大挑戰，這些問題均與土壤的開發與利用、保護與管理息息相關。首先，耕地是保障國家糧食安全、實施鄉村振興的根本。目前，全國耕地面積為20.24億畝（1公頃為15畝），人均耕地不足1.5畝，中低產田占72.7%，耕地地力總體偏低。我國耕地基礎地力對糧食生產的貢獻率僅為52%左右，較40年前降低了10～15個百分點，耕地質量退化嚴重威脅到國家糧食安全。目前，國家正大力推進實施耕地質量保護和提升行動計劃，目標到2022年耕地質量平均提升0.5個等級以上。滿足國家需求，加強土壤質量基礎與提升技術研究，應當是我國土壤科學發展的根本任務。

其次，土壤健康是保障生態安全和支撐美麗中國的基礎。我國土壤環境污染嚴重，區域擴展日益突出，已經影響到全面建設小康社會和實現可持續發展的戰略目標。“凈土攻堅戰”是國家三大污染防治攻堅戰之一。黨的十九大報告明確指出：著力解決突出環境問題，強化土壤污染管控和修復，加強農業面源污染防治，構建全社會共同參與的環境治理體系；加大生態系統保護力度，實施生態系統保護和修復重大工程，尤其是長江經濟帶土壤污染修復與安全利用等。因此，加強土壤環境與污染修復研究成為土壤科學發展的重要任務。

第三，全球變化與土壤的關系密切。一方面，土壤碳氮循環等生物地球化學過程產生或消耗溫室氣體以及其他氣體，直接或者間接地影響氣候變化；另一方面，全球變化通過降雨、溫度和養分沉降等變化，影響土壤過程，也對生態系統的生產力及其穩定性產生影響，因此，土壤管理成為應對氣候變化的研究熱點。從土壤與土壤學科及國民經濟發展需求的關系來看，當前對土壤重要性的認識，已從農業生產向生態環境保護提升，從食物安全向人體健康提升，從土壤資源向生態要素的認識提升，從土壤質量的培育向提高土壤綜合服務功能提升，從全球土壤質量變化向人類生存提升，從城鄉發展向人居環境建設提升。這些認識的提升對未來我國土壤科學的研究與發展，均有重要的指導意義。

3.2 關鍵科學問題

從國際和國內土壤科學發展態勢來看，土壤形成與演化研究正朝定量化、信息化、數字化方向發展；土壤過程與模型模擬研究成為土壤物理學研究的主要趨勢；土壤物理化學與生物化學過程的耦合研究成為土壤化學的發展新趨勢；土壤生物學已經成為土壤科學、地球科學、環境科學、微生物學和生態學等學科交叉前沿；土壤侵蝕與水土保持研究是土壤科學服務于生態脆弱區生態環境建設的重要內容；土壤肥力與養分循環研究是實現土壤生產力持續提升與保護生態環境協調發展的重要途徑；土壤污染與修復研究成為土壤科學發展的重要研究方向；土壤質量與食物安全研究是土壤科學服務于食物安全的重要內容；發展基于“大數據+互聯網+人工智能”土壤資源大數據信息決策理論與方法成為未來土壤學技術的發展趨勢。圍繞這些研究內容，土壤學需解決如下關鍵科學問題：

1）闡明土壤圈物質循環與土壤功能演變機制。土壤圈多時空尺度土壤形成和演化過程與機制，土壤圈物質（養分、水分、污染物等）生物地球化學循環過程及其對土壤功能（生產功能、環境功能、生態功能）的影響，這些過程發生的微生物學機制，以及調控原理與途徑。

2）揭示土壤內部界面反應過程與作用機制。揭示土壤膠體及其組分與生物活性分子、微生物等相互作用復雜性、土壤界面反應作用機制及影響；闡明土壤生態系統生源要素和污染物轉化過程、食物鏈和食物網能量轉換、生物信息傳遞過程及其對環境污染和全球變化的反饋機制等。

3）明確土壤健康的維持機制與新技術原理。土壤污染、土壤侵蝕、土壤鹽漬化以及土壤酸化是我國土壤退化的重要因素，闡明土壤污染、侵蝕、鹽漬化和酸化形成過程、機理及其響應機制，揭示土壤健康演變的規律與機制，發展基于“大數據+互聯網+人工智能”的土壤信息大數據決策理論與方法，建立土壤健康評價的指標體系以及退化土壤的防控、修復與保育的理論和技術體系。

4 未來優先研究領域與重要方向

圍繞國際土壤科學研究前沿和國家重大戰略需求，充分發揮多學科交叉融合的學科優勢，預期未來5～10年我國土壤學將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、區域土壤復合污染過程與綠色修復、土壤生物的分布、過程與功能等優先領域和重要方向。

4.1 地球關鍵帶過程與土壤功能演變

地球關鍵帶研究作為地球科學、土壤學、水文地質學、大氣科學、生態科學等的綜合交叉學科，以調查、監測、試驗、模擬、預測為手段，研究不同時間和空間尺度上土壤、水文、植被和大氣相互作用過程及其景觀、物質能量傳輸的關系，實現關鍵帶結構-過程-功能-服務的耦合與集成。重點研究地球關鍵帶類型劃分方法與理論框架，繪制區域、國家及全球尺度地球關鍵帶類型分區圖；研究地球關鍵帶的厚度、地層結構、風化強度、孔隙結構等的空間變異及其氣候、生物、水文、地質和人為活動驅動力；表征地球關鍵帶中水、碳、氮、磷、鉀、微生物等的時空動態。研究地球關鍵帶區域、流域、坡面、剖面等多尺度的生態水文過程及其驅動的物質遷移過程，創新多尺度觀測與模擬研究方法和理論；探究土-氣、土-水、土-巖和土-根界面熱區物質遷移和轉化過程，創建多界面物質循環通量觀測和模擬研究理論；剖析碳、氮、磷、硫、鐵、錳等元素微觀至宏觀的生物地球化學循環過程及其耦合關系；研究典型生態脆弱地區關鍵帶過程對土壤資源演變的驅動機制，以及關鍵帶過程對土壤功能與安全的影響，開展青藏高原、黃土高原等熱點地區的橫縱向界面研究及國際對比。研究氣候變化情景下礦物風化、土壤形成、植被演變、土地利用等影響下地球關鍵帶碳、氮、磷、硫等生源要素循環過程與機制；探索地球關鍵帶過程調控與應對氣候變化的綜合途徑；構建我國地球關鍵帶調查觀測研究平臺。

4.2 農田土壤健康與質量提升理論與技術

農田土壤健康保護和耕地質量提升，是實施藏糧于地（技）戰略和確保國家糧食安全的重大現實需求，亦是土壤學內部學科交叉的綜合性研究內容。重點研究農田土壤主要生源要素的生物地球化學循環過程及其驅動因子，闡明典型生源要素循環耦合關系的關鍵過程及其制約機制、協同轉化理論；研究維系土壤健康的典型微生物過程、影響因素，闡明土壤微生物過程與關鍵物質循環的耦合關系；研究土壤調控對植物疾病防控的原理與機制及技術模式；研究土壤生物網絡構成、多樣性及其演變規律，明確土壤生物網絡功能對土壤有機質周轉和養分循環的影響。研究主要生態區中低產田障礙類型及驅動因素，解析土壤酸化、（次生）鹽漬化、潛育化、瘠瘦化等典型障礙類型發生與形成機制，闡明其消減與調控機理；研究土壤肥沃耕層結構形成機制，提出協調土壤水、肥、氣、熱條件的肥沃土壤耕層的構建方向；研究農田土壤有機質形成演變規律、平衡機理及驅動因素，闡明主要生態區中低產田土壤有機質提升的潛力與途徑。

4.3 土壤復合污染過程與協同修復

系統認識我國土壤污染區域化特征，探究區域土壤污染成因，闡明區域土壤污染過程與治理修復原理，實現分區治理修復策略，已成為土壤學、環境科學、區域地理學，以及環境土壤學、修復土壤學必須解決的重大環境污染問題。針對重點區域土壤污染成因復雜性、過程耦合性、風險疊加性等基礎性科學問題，研究重點區域土壤-地下水污染特征、空間格局和質量演變規律；研究區域土壤-地下水系統污染物遷移轉化規律、擴散通量及主控機制；研究區域土壤-地下水污染物多介質界面過程與調控機制，闡明區域土壤-地下水復合污染物的生物地球化學過程；研究區域土壤污染的大數據系統，研發基于大數據的場地污染智能識別模式；研究農用地土壤污染靶向修復與安全利用技術原理，以及場地土壤-地下水污染智慧修復與風險智能預警系統；研究區域土壤污染全過程控制與協同修復技術原理。

4.4 土壤生物的分布、過程與功能

土壤生物學是土壤科學、微生物學和生態學等學科交叉前沿。重點研究不同土壤生態系統中生物多樣性的時空差異性，闡明不同時空尺度上土壤生物多樣性的驅動機制、演化特征及其影響機制，建立土壤生物基因及物種資源數據庫；研究土壤生源要素的生物學轉化過程，揭示土壤物質循環的生物學機制；研究土壤健康食物網的生物和非生物影響及反饋機制，闡明土壤食物網中關鍵物種、生態網絡關系及其對土壤生物多樣性維持的貢獻；解析土壤多營養級生物結構、多樣性、互作關系等與土壤促生、免疫和解毒功能發揮之間的關系，探究核心土壤生物在促生、免疫和解毒功能發揮中的互作模式、演化規律和和進化機制，建立動態提升土壤生物功能的策略；研究引起人類疾病的土壤病原微生物、病毒在土壤中類群、存活以及傳播途徑；建立土壤病原微生物動態檢測方法，建立土壤病原生物數據庫，提出預判和阻控土壤源疫情傳播的理論與技術手段。

4.5 土壤碳氮循環與全球氣候及環境變化

土壤碳氮循環與全球氣候及環境變化研究成為土壤學、大氣科學、地球科學等交叉學科的研究熱點。研究典型陸地生態系統碳氮生物地球化學循環特征、碳氮微量氣體排放強度及固碳減排潛力；解析土壤碳氮微量氣體對氣候變化因子的響應規律及微生物學驅動機制；土壤碳氮循環過程的生物驅動機制與計量，碳氮溫室氣體產生和轉化的生物學機理及其對全球變化的響應，土壤碳氮耦合的生物聯作機制，全球變化敏感區土壤生物群落和功能的演變與適應，土壤碳氮生物地球化學循環過程的生物學模型；探索不同農業生態系統碳氮微量氣體減排與作物高產高效的耦合途徑及綜合對策；研究全球變化要素農田生態系統過程的反饋機制；深入研究微生物同化無機氮的機制，增加土壤氮固持能力；探索新的固氮微生物，增加非豆科固氮，闡明土壤反硝化和硝酸鹽異化還原過程的主要控制因子，實現氮素去向的合理調控，發展全球環境變化下不同區域土地利用方式下的農業綠色生產技術體系。

4.6 土壤微界面化學過程與作用機制

土壤化學-物理-生物界面反應研究是土壤化學、界面化學、膠體化學、生物學等多學科交叉的前沿。重點研究土壤組分微界面養分與污染物化學反應過程，揭示微生物-礦物-微生物之間胞外電子傳遞機制；研究微生物驅動的土壤養分與污染物化學過程，建立微生物驅動化學體系機制模型；研究土壤礦物-微生物-有機質界面過程，闡明多界面、多過程、多要素耦合機制；研究土壤組分間動態相互作用機制及其影響因素；研究土壤膠體界面養分與污染物多過程耦合反應動力學機制，發展土壤微納多尺度多過程動力學行為預測模型；研究全球變化影響下土壤組分微界面養分與污染物化學動力學過程、環境行為、反饋機制以及定量預測模型。

4.7 土壤養分高效利用與精準施肥

土壤養分高效利用與精準施肥是土壤學、植物生理學、微生物學、分子生物學、育種學、肥料學等多學科交叉的研究熱點。重點研究土壤-根系-微生物互作過程對作物養分高效利用的影響機制，揭示土壤-作物-環境相互作用與養分有效性；解析作物高效利用土壤養分機制，挖掘作物高效利用養分的基因、作物種質資源和微生物菌種資源；利用分子設計等育種技術培育氮磷養分高效利用的專用作物新品種；研究氮磷高效利用的地上-地下生物功能調控與技術原理，建立氮磷高效利用生物調控技術體系。開發新型控釋肥料、有機肥料以及功能肥料，構建肥料環境效應評估方法和評估體系；開發土壤肥力快速測定系統，構建智能化、信息化、數字化、精準化施肥技術體系，開展互聯網＋高效施肥技術集成。發展不同區域生態高值農業生產技術體系。

4.8 土壤侵蝕過程與水土保持

土壤侵蝕過程與水土保持原理研究是遏制我國土壤退化和保障區域生態安全的重要基礎性科學問題。重點研究不同尺度下水文過程與侵蝕-搬運-沉積的級聯效應；水文連通性對流域侵蝕產沙影響機理及其過程模擬；研究自然作用和人為活動影響下土壤侵蝕的形成過程、機理及其響應機制，典型區侵蝕產沙原型觀測，跨尺度的土壤侵蝕評價系統理論與預測模型；土壤侵蝕徑流-泥沙（土）-面源污染物相互作用機制；研究土壤侵蝕模型中參數的區域演變規律，建立模型參數與氣候、土壤、植被、地形特征等宏觀區域參數間的關系，提升模型的區域適用性；研究土壤侵蝕防治原理與技術；建立土壤侵蝕研究新技術與新方法。

4.9 土壤學研究新方法、新技術

近年來，隨著信息技術、生物技術、人工智能、大數據技術等發展迅猛，土壤學亟需應用這些高技術來表征土壤物質的多態性、土壤過程的多尺度性和土壤功能的多元性。重點研究土壤多組分、多界面和多尺度性質和行為的觀測、分析和模擬分析方法；研發應急和生物監測技術，完善現代土壤質量分析方法標準體系；開發土壤原位采樣、地球物理探測與污染監測一體化技術，實現土壤與地下水污染物分布、地下水流場、地層特征及含水層介質滲透性實時、動態、高分辨表征；發展野外觀測的定量分析、動態表征技術，結合空間表達技術，構建不同尺度的計量土壤學理論和研究方法體系；開發基于大數據的自動控制、數據采集信息技術以及基于“互聯網+”的遠程數據傳輸技術；研究基于星-空-地一體化的土壤智慧監測技術與系統；發展基于“大數據+互聯網+人工智能”的土壤大數據信息決策理論與支持系統。

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Status Quo of and Strategic Thinking for the Development of Soil Science in China in the New Era

SHEN Renfang1, YAN Xiaoyuan1, ZHANG Ganlin1, TENG Ying2

(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of SoilScience, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2.CAS Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Soil science plays an important strategic role in ensuring sustainable development of the agriculture and the construction of ecological civilization in China. This paper briefly reviews the status quo and development trend of soil science research at home and abroad, analyzes national strategic needs and key scientific issues of the research on soil science in the future, and collates priority aspects and key strategic directions of the soil science of China over the next 5-10 years, such as earth’s critical zone process and evolution of soil functions, theories and technologies for improvement of farmland soil health and quality, regional soil mixed pollution processes and green remediation, soil biological process and function, in an attempt to further promote leaping development of the soil science in China.

New ara; Soil science; Research and Development; Strategic thinking

X53

A

10.11766/trxb202006240330

沈仁芳，顏曉元，張甘霖，滕應. 新時期中國土壤科學發展現狀與戰略思考[J]. 土壤學報，2020，57（5）：1051–1059.

SHEN Renfang，YAN Xiaoyuan，ZHANG Ganlin，TENG Ying. Status Quo of and Strategic Thinking for the Development of Soil Science in China in the New Era[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1051–1059.

* 國家杰出青年科學基金項目（41025005）資助 Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars（No. 41025005）

沈仁芳（1965—），男，浙江蕭山人，研究員，主要從事土壤-植物營養方面研究。E-mail：rfshen@issas.ac.cn

2020–06–24；

2020–07–13；

網絡首發日期（www.cnki.net）：2020–07–27

（責任編輯：盧 萍）