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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

土壤时空变化研究的进展与未来

2022-06-22

作者:张甘霖, 史舟 , 朱阿兴 , 王秋兵 , 吴克宁 , 史志华 , 赵永存 , 赵玉国, 潘贤章, 刘峰 , 宋效东

作者单位:土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所);中国科学院大学现代农学院;中国科学院流域地理学重点实验室(中国科学院南京地理与湖泊研究所);浙江大学环境与资源学院;南京师范大学地理科学学院;沈阳农业大学土地与环境学院;中国地质大学(北京)土地科学技术学院;华中农业大学资源与环境学院


理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务,也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤的时空变化与气候环境变迁、岩石圈风化、地表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相耦合。围绕土壤时空变化研究的新近进展,本文综述并展望了土壤形成和演变过程、土壤形态学、土壤调查、土壤分类、数字土壤制图与土壤退化的发展态势。未来土壤时空变化研究的关键科学问题主要包括:地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟、多尺度土壤-环境关系与模拟、多元土壤信息的融合机理与数据同化。未来重点研究领域将涉及到关键带科学引领的土壤形成和演变研究、多尺度数字土壤制图与时空变化预测、基于多传感器的土壤综合观测原理与技术、完整和详尽的国家和全球土壤资源清单及共享平台建设、区域土壤资源退化机理及其功能恢复。


亮点论述:


  3 土壤时空变化研究的需求与未来

  

  土壤是人类生存和发展的基础。从传统的粮食安全保障,到土壤与生命健康、土壤与区域生态安全、土壤与全球气候变化,土壤这一重要的地表要素在国家议程上的地位持续上升。2014年联合国提出的全球可持续发展目标(SDGs)中有数个目标直接与土壤相关。管理好土壤这一近乎不可再生的自然资源,关乎到人类的生存和福祉。应对这一宏伟目标,土壤学面临挑战和革新发展的契机,既推进研究的前沿,同时支撑可持续发展目标的实现。对土壤时空变化研究而言,需要进一步明确近期需要解决的科学问题,并基于此设定研究的重点。

  

  3.1 新兴的关键科学问题

  

  全球环境变化和强烈人为活动条件下的土壤时空变化研究面临新的挑战和契机。现代环境条件下,人为活动(森林砍伐、农田耕作和管理、城市建设等)及其产生的环境变化(酸雨、大气CO2含量升高、水土流失等)对土壤影响强度远远超过自然因素,可以改变土壤发生的方向和轨迹,使得成土过程更加复杂,土壤空间分布特征发生改变。土壤的定义超越了“陆地表面能生长绿色植物的疏松表层”,而是发展为“土壤圈”。同时,土壤学的研究对象和科学内涵也在不断演进,从传统的土壤自身向地球关键带视角下的整个疏松表层延伸,研究方法上也更加全面地融合多学科技术和方法,不断走向定量化。基于对相关领域研究现状的分析,未来土壤时空变化研究可聚焦以下关键科学问题。

  

  (1)地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟。以关键带科学为代表的地球表层系统科学是研究土壤时空变化的重要契机,在关键带科学范畴内能够系统地进行以土壤为重要枢纽的表层系统物质循环研究,可以综合考虑地质大循环和生物小循环对土壤形成和演变的作用。借助水文学、生物地球化学和生态学等多交叉学科,可从多尺度、多界面、多要素角度出发综合研究多过程耦合,以理解地表过程各要素的响应与交互机理。在大量的原位测定实验的基础上,需要从田间尺度到流域尺度上构建多过程耦合的数学模型,如生态过程与水文过程耦合建模研究、包气带与饱和带水文过程耦合等[2, 81],这些模型旨在预测不同情景下物质在界面之间的通量及其环境效应,还可模拟土壤性质的演化过程和未来趋势,为土壤资源可持续利用提供支撑。以风化和成土过程为例,描述全球土被分布格局与气候、地质背景、地貌特征等之间的定量关系,需要融合风化过程、地表剥蚀与沉积过程、人为活动等多个关键要素发展预测模型。

  

  (2)多尺度土壤-环境关系与模拟。随着多源、多平台传感器的发展以及土壤地理信息获取和处理技术的不断进步,以土壤发生学为理论基础,通过数字土壤制图模型模拟大范围区域乃至洲际、全球尺度上的土壤相关属性的时空分布特征仍然是一个挑战。近年来,数字土壤制图已成为土壤科学和土壤制图领域的研究前沿,未来需要针对不同生态和环境类型,构建适用于区域特点的土壤—景观模型,预测土壤类型或属性分布。如何与相关学科领域不断涌现出新的知识发现模型或改进模型进行结合,实现多尺度精准模拟,是深入解剖土壤时空变异、土壤与成土要素耦合关系的重要科学问题。

  

  (3)多元土壤信息的融合机理与数据同化。由于观测技术手段和观测平台的多样化,土壤信息的多元获取方式导致大量异构土壤数据的生产,而任何基于观测数据的土壤管理措施(管理模型)需要具有可比的基础,因此数据的同化是一个急需解决的难题。传统实验室获取数据仍然可以作为可比的基础,但未来基于遥感、近感和接触式传感获取的土壤信息或将发展出相对独立的标准,而这些标准的建立需要先探索不同途径获取的土壤信息与土壤功能之间的关系。

  

  3.2 未来重点研究领域分析

  

  经过近25年的快速发展,正像很多研究领域一样,我国土壤学正迅速从跟踪向国际第一梯队迈进,并在很多领域逐步发挥引领作用。为在国际上实现领跑,未来土壤时空变化研究可根据相关发展态势,优先发展以下领域。

  

  (1)以关键带(地球表层系统)科学研究引领土壤形成和演变研究的革新。现代土壤发生逐渐从自然因素发展到人为因素影响的研究,从静态发展到动态研究,从实验室到田间,从现象到机理探索,从定性到定量,从观测和模拟到模型,从以土壤为主体走向以土壤为中心的地球表层系统,到水-土-气-生-岩交互作用的关键带研究。土壤是关键带的核心部分,水是地球关键带各组成部分的纽带,是物质迁移和能量转换的主要驱动力。针对我国不同地区存在的生态环境问题,可利用已经建立的长期关键带观测站和稳定同位素、同步辐射等先进技术,多尺度、跨学科地系统研究自然和人为作用下土壤发育与相关要素耦合过程研究,进而建立生物地球化学和水文过程耦合模型,模拟多尺度水文过程、物质迁移转化过程和土壤演变过程,预测未来土壤和关键带演变趋势。

  

  (2)多尺度数字土壤制图与时空变化预测。由于自然条件和社会经济发展水平的差异,土壤信息可获取水平和实际需求相差较大,高分辨率土壤数据事实上存在较大的区域空白,土壤质量时空变化程度难以准确估计。土壤数据多使用以类别多边形为基础的制图表达,无法充分满足现代生产应用、流域水文模拟、全球气候模型等需求。因此,未来需要针对不同生态系统类型区,利用现代土壤调查技术,构建代表性区域土壤—景观定量模型,预测生成不同深度的三维土壤属性空间分布数据产品,为土壤资源合理利用和生态文明建设以及多目标应用提供关键土壤数据。

  

  (3)基于多传感器的土壤综合观测原理与技术。包括卫星与航空遥感、近地传感在内的星地传感技术的蓬勃发展为土壤调查带来了新契机。土壤星地传感技术在不同地理尺度(田块、农场、区域)获得了海量、不同分辨率的空间数据,这些数据有望较好地满足不同应用的需求。然而,传感器平台机制差异导致了数据融合与反演困难重重。在此背景下,需要结合土壤时空变化研究的具体需求,研发更高效的土壤信息快速获取与多源数据融合、协同反演技术体系,尤其是基于超高分辨率的无人机遥感实现近地面非接触土壤和作物信息的快速获取,挖掘土壤关键参数的光谱响应机理,建立遥感信息与土壤理化属性地面观测数据的耦合关系和同化方法,进一步发展土壤信息科学(Soil Informatics)。

  

  (4)建立完整和详尽的国家和全球土壤资源清单,并实现共享与应用。土壤资源清单包括以多边形为表现形式的土壤类型图和基于栅格数据的属性图。土壤的特性在空间尺度上呈现不同程度的变异性,这种空间变异信息的获取、分析、模拟、制图表达等处理离不开土壤数据库的支持,尤其是多时空属性、包含更多基层分类信息的土壤剖面样点。作为一个土壤类型众多、土壤资源丰富的国家,我国现在尚未构建覆盖全国、以基层单元类型为核心的土壤类型数据库。因此,目前需要建立国家尺度土壤数据库并发展相应的解译服务技术,建立我国网络化、网格化、多时空属性的土壤数据库(Soil Grid),为土壤信息广泛地应用于土壤资源的评价、开发、利用和管理等提供支持,也能直接服务于相关部门在精准农业和生态过程模拟等方面的需求。与此同时,作为国际社会的重要一员,应积极参与乃至领导地区和至全球土壤资源数据库建设。

  

  (5)区域土壤资源退化机理及其功能恢复。土壤作为维系陆地生命系统不可替代的资源,土壤物理、化学和生物学性质共同决定了土壤过程和功能。土壤退化机理及其功能恢复的研究重点包括:①研究土壤退化的主要类型与驱动因素,建立以土壤过程为核心的功能模型,并开展多尺度土壤退化趋向的模拟预测与预警;②理解土壤性质和过程变化的尺度效应,及其对生源要素与水循环、温室气体排放、生物系统演替等生态过程的影响,揭示土壤质量变化与土壤功能退化或恢复的关系;③研究土壤资源服务功能的形成机制,及其与人类活动的关系,开发适用于不同土壤退化类型区的、以生态功能提升为目标的土壤质量恢复重建的关键技术与途径。

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  责任编辑:宫在芹
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现任西安科技大学机械工程学院院长、机械工程一级学科带头人,陕西...

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