【专家视角】新时期中国土壤科学发展现状与战略思考

3、学科发展需求与关键科学问题

3.1土壤科学与国家需求当前，我国乃至全球社会面临着“粮食安全、环境污染、资源匮乏、生态退化、全球变化、灾害频发”等重大挑战，这些问题均与土壤的开发与利用、保护与管理息息相关。首先，耕地是保障国家粮食安全、实施乡村振兴的根本。目前，全国耕地面积为20.24亿亩（1公顷为15亩），人均耕地不足1.5亩，中低产田占72.7%，耕地地力总体偏低。我国耕地基础地力对粮食生产的贡献率仅为52%左右，较40年前降低了10～15个百分点，耕地质量退化严重威胁到国家粮食安全。目前，国家正大力推进实施耕地质量保护和提升行动计划，目标到2022年耕地质量平均提升0.5个等级以上。满足国家需求，加强土壤质量基础与提升技术研究，应当是我国土壤科学发展的根本任务。

其次，土壤健康是保障生态安全和支撑美丽中国的基础。我国土壤环境污染严重，区域扩展日益突出，已经影响到全面建设小康社会和实现可持续发展的战略目标。“净土攻坚战”是国家三大污染防治攻坚战之一。党的十九大报告明确指出：着力解决突出环境问题，强化土壤污染管控和修复，加强农业面源污染防治，构建全社会共同参与的环境治理体系；加大生态系统保护力度，实施生态系统保护和修复重大工程，尤其是长江经济带土壤污染修复与安全利用等。因此，加强土壤环境与污染修复研究成为土壤科学发展的重要任务。

第三，全球变化与土壤的关系密切。一方面，土壤碳氮循环等生物地球化学过程产生或消耗温室气体以及其他气体，直接或者间接地影响气候变化；另一方面，全球变化通过降雨、温度和养分沉降等变化，影响土壤过程，也对生态系统的生产力及其稳定性产生影响，因此，土壤管理成为应对气候变化的研究热点。从土壤与土壤学科及国民经济发展需求的关系来看，当前对土壤重要性的认识，已从农业生产向生态环境保护提升，从食物安全向人体健康提升，从土壤资源向生态要素的认识提升，从土壤质量的培育向提高土壤综合服务功能提升，从全球土壤质量变化向人类生存提升，从城乡发展向人居环境建设提升。这些认识的提升对未来我国土壤科学的研究与发展，均有重要的指导意义。

3.2关键科学问题从国际和国内土壤科学发展态势来看，土壤形成与演化研究正朝定量化、信息化、数字化方向发展；土壤过程与模型模拟研究成为土壤物理学研究的主要趋势；土壤物理化学与生物化学过程的耦合研究成为土壤化学的发展新趋势；土壤生物学已经成为土壤科学、地球科学、环境科学、微生物学和生态学等学科交叉前沿；土壤侵蚀与水土保持研究是土壤科学服务于生态脆弱区生态环境建设的重要内容；土壤肥力与养分循环研究是实现土壤生产力持续提升与保护生态环境协调发展的重要途径；土壤污染与修复研究成为土壤科学发展的重要研究方向；土壤质量与食物安全研究是土壤科学服务于食物安全的重要内容；发展基于“大数据+互联网+人工智能”土壤资源大数据信息决策理论与方法成为未来土壤学技术的发展趋势。围绕这些研究内容，土壤学需解决如下关键科学问题：

1）阐明土壤圈物质循环与土壤功能演变机制。土壤圈多时空尺度土壤形成和演化过程与机制，土壤圈物质（养分、水分、污染物等）生物地球化学循环过程及其对土壤功能（生产功能、环境功能、生态功能）的影响，这些过程发生的微生物学机制，以及调控原理与途径。

2）揭示土壤内部界面反应过程与作用机制。揭示土壤胶体及其组分与生物活性分子、微生物等相互作用复杂性、土壤界面反应作用机制及影响；阐明土壤生态系统生源要素和污染物转化过程、食物链和食物网能量转换、生物信息传递过程及其对环境污染和全球变化的反馈机制等。

3）明确土壤健康的维持机制与新技术原理。土壤污染、土壤侵蚀、土壤盐渍化以及土壤酸化是我国土壤退化的重要因素，阐明土壤污染、侵蚀、盐渍化和酸化形成过程、机理及其响应机制，揭示土壤健康演变的规律与机制，发展基于“大数据+互联网+人工智能”的土壤信息大数据决策理论与方法，建立土壤健康评价的指标体系以及退化土壤的防控、修复与保育的理论和技术体系。

4、未来优先研究领域与重要方向

围绕国际土壤科学研究前沿和国家重大战略需求，充分发挥多学科交叉融合的学科优势，预期未来5-10年我国土壤学将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、土壤生物的分布、过程与功能等优先领域和重要方向。

4.1、地球关键带过程与土壤功能演变

地球关键带研究作为地球科学、土壤学、水文地质学、大气科学、生态科学等的综合交叉学科，以调查、监测、试验、模拟、预测为手段，研究不同时间和空间尺度上土壤、水文、植被和大气相互作用过程及其景观、物质能量传输的关系，实现关键带结构-过程-功能-服务的耦合与集成。重点研究地球关键带类型划分方法与理论框架，绘制区域、国家及全球尺度地球关键带类型分区图；研究地球关键带的厚度、地层结构、风化强度、孔隙结构等的空间变异及其气候、生物、水文、地质和人为活动驱动力；表征地球关键带中水、碳、氮、磷、钾、微生物等的时空动态。研究地球关键带区域、流域、坡面、剖面等多尺度的生态水文过程及其驱动的物质迁移过程，创新多尺度观测与模拟研究方法和理论；探究土-气、土-水、土-岩和土-根界面热区物质迁移和转化过程，创建多界面物质循环通量观测和模拟研究理论；剖析碳、氮、磷、硫、铁、锰等元素微观至宏观的生物地球化学循环过程及其耦合关系；研究典型生态脆弱地区关键带过程对土壤资源演变的驱动机制，以及关键带过程对土壤功能与安全的影响，开展青藏高原、黄土高原等热点地区的横纵向界面研究及国际对比。研究气候变化情景下矿物风化、土壤形成、植被演变、土地利用等影响下地球关键带碳、氮、磷、硫等生源要素循环过程与机制；探索地球关键带过程调控与应对气候变化的综合途径；构建我国地球关键带调查观测研究平台。

4.2、农田土壤健康与质量提升理论与技术

农田土壤健康保护和耕地质量提升，是实施藏粮于地（技）战略和确保国家粮食安全的重大现实需求，亦是土壤学内部学科交叉的综合性研究内容。重点研究农田土壤主要生源要素的生物地球化学循环过程及其驱动因子，阐明典型生源要素循环耦合关系的关键过程及其制约机制、协同转化理论；研究维系土壤健康的典型微生物过程、影响因素，阐明土壤微生物过程与关键物质循环的耦合关系；研究土壤调控对植物疾病防控的原理与机制及技术模式；研究土壤生物网络构成、多样性及其演变规律，明确土壤生物网络功对土壤有机质周转和养分循环的影响。研究主要生态区中低产田障碍类型及驱动因素，解析土壤酸化、（次生）盐渍化、潜育化、瘠瘦化等典型障碍类型发生与形成机制，阐明其消减与调控机理；研究土壤肥沃耕层结构形成机制，提出协调土壤水、肥、气、热条件的肥沃土壤耕层的构建方向；研究农田土壤有机质形成演变规律、平衡机理及驱动因素，阐明主要生态区中低产田土壤有机质提升的潜力与途径。

4.3、土壤复合污染过程与协同修复

系统认识我国土壤污染区域化特征，探究区域土壤污染成因，阐明区域土壤污染过程与治理修复原理，实现分区治理修复策略，已成为土壤学、环境科学、区域地理学，以及环境土壤学、修复土壤学必须解决的重大环境污染问题。针对重点区域土壤污染成因复杂性、过程耦合性、风险叠加性等基础性科学问题，研究重点区域土壤-地下水污染特征、空间格局和质量演变规律；研究区域土壤-地下水系统污染物迁移转化规律、扩散通量及主控机制；研究区域土壤-地下水污染物多介质界面过程与调控机制，阐明区域土壤-地下水复合污染物的生物地球化学过程；研究区域土壤污染的大数据系统，研发基于大数据的场地污染智能识别模式；研究农用地土壤污染靶向修复与安全利用技术原理，以及场地土壤-地下水污染智慧修复与风险智能预警系统；研究区域土壤污染全过程控制与协同修复技术原理。

4.4、土壤生物的分布、过程与功能

土壤生物学是土壤科学、微生物学和生态学等学科交叉前沿。重点研究不同土壤生态系统中生物多样性的时空差异性，阐明不同时空尺度上土壤生物多样性的驱动机制、演化特征及其影响机制，建立土壤生物基因及物种资源数据库；研究土壤生源要素的生物学转化过程，揭示土壤物质循环的生物学机制；研究土壤健康食物网的生物和非生物影响及反馈机制，阐明土壤食物网中关键物种、生态网络关系及其对土壤生物多样性维持的贡献；解析土壤多营养级生物结构、多样性、互作关系等与土壤促生、免疫和解毒功能发挥之间的关系，探究核心土壤生物在促生、免疫和解毒功能发挥中的互作模式、演化规律和和进化机制，建立动态提升土壤生物功能的策略；研究引起人类疾病的土壤病原微生物、病毒在土壤中类群、存活以及传播途径；建立土壤病原微生物动态检测方法，建立土壤病原生物数据库，提出预判和阻控土壤源疫情传播的理论与技术手段。

4.5、土壤碳氮循环与全球气候及环境变化

土壤碳氮循环与全球气候及环境变化研究成为土壤学、大气科学、地球科学等交叉学科的研究热点。研究典型陆地生态系统碳氮生物地球化学循环特征、碳氮微量气体排放强度及固碳减排潜力；解析土壤碳氮微量气体对气候变化因子的响应规律及微生物学驱动机制；土壤碳氮循环过程的生物驱动机制与计量，碳氮温室气体产生和转化的生物学机理及其对全球变化的响应，土壤碳氮耦合的生物联作机制，全球变化敏感区土壤生物群落和功能的演变与适应，土壤碳氮生物地球化学循环过程的生物学模型；探索不同农业生态系统碳氮微量气体减排与作物高产高效的耦合途径及综合对策；研究全球变化要素农田生态系统过程的反馈机制；深入研究微生物同化无机氮的机制，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，阐明土壤反硝化和硝酸盐异化还原过程的主要控制因子，实现氮素去向的合理调控，发展全球环境变化下不同区域土地利用方式下的农业绿色生产技术体系。

4.6土壤微界面化学过程与作用机制

土壤化学-物理-生物界面反应研究是土壤化学、界面化学、胶体化学、生物学等多学科交叉的前沿。重点研究土壤组分微界面养分与污染物化学反应过程，揭示微生物-矿物-微生物之间胞外电子传递机制；研究微生物驱动的土壤养分与污染物化学过程，建立微生物驱动化学体系机制模型；研究土壤矿物-微生物-有机质界面过程，阐明多界面、多过程、多要素耦合机制；研究土壤组分间动态相互作用机制及其影响因素；研究土壤胶体界面养分与污染物多过程耦合反应动力学机制，发展土壤微纳多尺度多过程动力学行为预测模型；研究全球变化影响下土壤组分微界面养分与污染物化学动力学过程、环境行为、反馈机制以及定量预测模型。

4.7、土壤养分高效利用与精准施肥

土壤养分高效利用与精准施肥是土壤学、植物生理学、微生物学、分子生物学、育种学、肥料学等多学科交叉的研究热点。重点研究土壤-根系-微生物互作过程对作物养分高效利用的影响机制，揭示土壤-作物-环境相互作用与养分有效性；解析作物高效利用土壤养分机制，挖掘作物高效利用养分的基因、作物种质资源和微生物菌种资源；利用分子设计等育种技术培育氮磷养分高效利用的专用作物新品种；研究氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控与技术原理，建立氮磷高效利用生物调控技术体系。开发新型控释肥料、有机肥料以及功能肥料，构建肥料环境效应评估方法和评估体系；开发土壤肥力快速测定系统，构建智能化、信息化、数字化、精准化施肥技术体系，开展互联网＋高效施肥技术集成。发展不同区域生态高值农业生产技术体系。

4.8土壤侵蚀过程与水土保持

土壤侵蚀过程与水土保持原理研究是遏制我国土壤退化和保障区域生态安全的重要基础性科学问题。重点研究不同尺度下水文过程与侵蚀-搬运-沉积的级联效应；水文连通性对流域侵蚀产沙影响机理及其过程模拟；研究自然作用和人为活动影响下土壤侵蚀的形成过程、机理及其响应机制，典型区侵蚀产沙原型观测，跨尺度的土壤侵蚀评价系统理论与预测模型；土壤侵蚀径流-泥沙（土）-面源污染物相互作用机制；研究土壤侵蚀模型中参数的区域演变规律，建立模型参数与气候、土壤、植被、地形特征等宏观区域参数间的关系，提升模型的区域适用性；研究土壤侵蚀防治原理与技术；建立土壤侵蚀研究新技术与新方法。

4.9、土壤学研究新方法、新技术

近年来，随着信息技术、生物技术、人工智能、大数据技术等发展迅猛，土壤学亟需应用这些高技术来表征土壤物质的多态性、土壤过程的多尺度性和土壤功能的多元性。重点研究土壤多组分、多界面和多尺度性质和行为的观测、分析和模拟分析方法；研发应急和生物监测技术，完善现代土壤质量分析方法标准体系；开发土壤原位采样、地球物理探测与污染监测一体化技术，实现土壤与地下水污染物分布、地下水流场、地层特征及含水层介质渗透性实时、动态、高分辨表征；发展野外观测的定量分析、动态表征技术，结合空间表达技术，构建不同尺度的计量土壤学理论和研究方法体系；开发基于大数据的自动控制、数据采集信息技术以及基于“互联网+”的远程数据传输技术；研究基于星-空-地一体化的土壤智慧监测技术与系统；发展基于“大数据+互联网+人工智能”的土壤大数据信息决策理论与支持系统。