摘要

土壤科學(xué)在保障國家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)中具有重要的學(xué)科戰(zhàn)略地位。本文全面扼要分析了國內(nèi)外土壤科學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，結(jié)合未來土壤科學(xué)發(fā)展的國家戰(zhàn)略需求與關(guān)鍵科學(xué)問題，梳理了未來5-10年我國土壤科學(xué)擬重點發(fā)展地球關(guān)鍵帶過程與土壤功能演變、農(nóng)田土壤健康與質(zhì)量提升理論與技術(shù)、區(qū)域土壤復(fù)合污染過程與綠色修復(fù)、土壤生物過程與功能等優(yōu)先領(lǐng)域和重要方向，以期進一步推動我國土壤科學(xué)跨越式發(fā)展。

土壤是聯(lián)接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的樞紐，是陸地生態(tài)系統(tǒng)存在、演變和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)、地球表層元素生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)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(tài)系統(tǒng)中的生命過程。當(dāng)前，全球面臨著土壤資源短缺、環(huán)境污染加劇、生態(tài)系統(tǒng)退化、自然災(zāi)害頻發(fā)和氣候變化等重大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重威脅著經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境安全和人體健康，如何協(xié)調(diào)發(fā)揮土壤的生產(chǎn)功能、環(huán)境保護功能、生態(tài)工程建設(shè)支撐功能和全球變化緩解功能，成為現(xiàn)代土壤學(xué)為人類社會可持續(xù)發(fā)展作貢獻的重要任務(wù)。

土壤學(xué)是研究自然條件和人為利用下土壤組成、性質(zhì)、過程及功能，揭示土壤自身發(fā)生、演替、空間分布和動態(tài)變化及其與地表圈層系統(tǒng)的相互作用規(guī)律，并為土壤資源利用、保護和可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)的學(xué)科。當(dāng)前，隨著人類對土壤資源保護利用的持續(xù)認(rèn)知，土壤學(xué)的研究范疇延伸到地球表層系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)和環(huán)境科學(xué)、全球變化和可持續(xù)發(fā)展科學(xué)，拓展了對土壤境功能和生態(tài)功能的認(rèn)識，土壤學(xué)的研究內(nèi)涵也在發(fā)生深刻演變。經(jīng)過170多年的發(fā)展，土壤科學(xué)吸納了物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論、方法及技術(shù)，研究內(nèi)容不斷豐富，由早期定性描述性研究發(fā)展為系統(tǒng)觀測與定量實驗研究，以多組分、多形態(tài)和多尺度物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化為核心，以土壤多過程和多功能為重點的土壤學(xué)學(xué)科理論、研究方法和技術(shù)體系的系統(tǒng)性科學(xué)。土壤學(xué)在當(dāng)今世界土壤資源管理、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境治理等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。本文擬扼要分析國內(nèi)外土壤科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢，結(jié)合我國土壤學(xué)科發(fā)展需求和關(guān)鍵科學(xué)問題，梳理了未來5-10年土壤科學(xué)戰(zhàn)略發(fā)展的優(yōu)先研究領(lǐng)域與重要方向，可供土壤科學(xué)工作者參考，以期進一步推動我國土壤科學(xué)跨越式發(fā)展。

1、國際土壤科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢

隨著國際土壤科學(xué)的發(fā)展，其學(xué)科地位不斷提升。國際土壤學(xué)會(ISSS)升格為國際土壤學(xué)聯(lián)合會(IUSS)，并成為國際科聯(lián)的獨立成員，充分反映了國際土壤學(xué)的學(xué)科地位和發(fā)展形勢。目前，國際土壤學(xué)聯(lián)合會設(shè)有土壤時空演變、土壤性質(zhì)與過程、土壤利用與管理、土壤在社會及環(huán)境中應(yīng)用等4個部門(Division)，總共分設(shè)了22個下屬專業(yè)委員會(Commission)。同時，還設(shè)立了若干工作組(WorkingGroup)，來吸納和推進交叉學(xué)科的土壤學(xué)研究。2013年12月第68屆聯(lián)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(guān)注土壤安全議題，解決與土壤相關(guān)的國際共同關(guān)注的重大問題，以提高對土壤資源的可持續(xù)管理能力，滿足人類對糧食、燃料和纖維生產(chǎn)的需求，促使土壤生態(tài)系統(tǒng)功能更好地適應(yīng)當(dāng)前和未來的氣候變化，因此在聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDG)中土壤得到前所未有的重視。說明土壤學(xué)科作為一門自然科學(xué)在科學(xué)界已達(dá)成共識，其應(yīng)用領(lǐng)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(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢有如下特征：

01土壤服務(wù)功能研究進一步拓展，已經(jīng)從相對單一的生產(chǎn)功能研究進入到生產(chǎn)、環(huán)境、生態(tài)多目標(biāo)多功能系統(tǒng)研究階段

當(dāng)前，全球土壤正面臨著嚴(yán)重的退化問題，威脅著世界糧食安全、生態(tài)安全、環(huán)境安全。因而土壤服務(wù)功能也隨之?dāng)U展，從傳統(tǒng)單一的生產(chǎn)功能發(fā)展到生產(chǎn)、環(huán)境、生態(tài)多目標(biāo)多功能階段。2018年8月在巴西召開的第21屆世界土壤學(xué)大會的主題：“SoilScience：Beyondfoodandfuel-土壤科學(xué)：超越食物和燃料”，討論如何養(yǎng)活一個饑餓的星球，如何為一個能源匱乏的星球生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)土地管理。以Webofscience核心數(shù)據(jù)庫中34份土壤科學(xué)期刊為檢索范圍，從這些主流期刊發(fā)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(xué)服務(wù)于作物生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)土壤學(xué)的基礎(chǔ)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(yǎng)分與元素的轉(zhuǎn)化還是國際土壤科學(xué)的研究重點。由于土壤微生物學(xué)研究成為國際土壤科學(xué)的研究前沿，其關(guān)注點轉(zhuǎn)向養(yǎng)分元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程研究。隨著環(huán)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(fù)和全球變化下土壤碳氮循環(huán)研究成為國際土壤科學(xué)的研究熱點。植物修復(fù)作為有效凈化污染土壤的綠色環(huán)保方法越來越受到重視，且微生物介導(dǎo)的植物根際修復(fù)理論與技術(shù)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(tǒng)中最大的碳儲庫，土壤碳循環(huán)研究不斷得到重視。一些新的研究主題，比如生物質(zhì)炭(biochar)和生物多樣性，由于其在土壤生態(tài)功能中的多方面作用，不時涌現(xiàn)并呈爆發(fā)式增長態(tài)勢?？梢姡?0多年來土壤科學(xué)研究不僅關(guān)注肥力、產(chǎn)量、水分等傳統(tǒng)土壤學(xué)的內(nèi)容，還關(guān)注人為活動產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)等方面，目的是充分發(fā)揮土壤的生產(chǎn)功能、環(huán)境功能、生態(tài)功能，從而實現(xiàn)人類活動和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

02土壤形成、過程與演化研究向關(guān)鍵帶擴展，成為地球系統(tǒng)科學(xué)的組成部分

地球關(guān)鍵帶(Earth’sCriticalZone)是物質(zhì)和能量循環(huán)最活躍的地球表層系統(tǒng)，土壤圈是關(guān)鍵帶最核心的部分，是元素生物地球化學(xué)過程最活躍的區(qū)域，土壤科學(xué)研究關(guān)鍵帶土壤的物質(zhì)形成，與大氣、水、生物的交換和循環(huán)過程，為理解地球表層系統(tǒng)演變和功能提供依據(jù)。主要研究內(nèi)容包括：土壤時空演化與關(guān)鍵帶多界面、多尺度、多要素過程耦合關(guān)系，關(guān)鍵帶重要的生物地球化學(xué)過程和驅(qū)動機制，關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)與水文過程、巖石風(fēng)化、土壤形成之間的關(guān)系，關(guān)鍵帶過程對土壤生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境安全等功能的影響。在美國自然科學(xué)基金(NSF)資助下，美國境內(nèi)的關(guān)鍵帶研究點由最初的3個流域發(fā)展到由10個流域組成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。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(lián)合監(jiān)測研究。在德國DFG資助下，在德國境內(nèi)建立了類似于關(guān)鍵帶的陸地環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。這些監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋了氣候變化和人類活動強度的梯度，集成了實時監(jiān)測、控制實驗、過程模擬等環(huán)節(jié)，提供了不同學(xué)科相互合作的研究平臺。我國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)近來也在積極向關(guān)鍵帶觀測推進。以地球關(guān)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(tǒng)研究：(1)土壤形成發(fā)育過程及其元素生物地球化學(xué)過程的耦合，(2)多尺度(剖面、坡面、流域和區(qū)域)的生態(tài)水文過程及其物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化，(3)多界面(土-水、土-氣、土-生、土-巖等)的物理、化學(xué)和生物過程相互作用與反饋機制。

03新技術(shù)、新方法的應(yīng)用以及長期定位試驗成為土壤科學(xué)發(fā)展的重要手段

近年來，新技術(shù)與新方法在土壤研究中的廣泛應(yīng)用，極大促進了土壤科學(xué)的發(fā)展[7-9]。在土壤物質(zhì)形態(tài)和性質(zhì)方面，傳統(tǒng)元素穩(wěn)定性同位素如13C、14C、15N、32P和重金屬同位素等用于標(biāo)記和示蹤土壤-生物系統(tǒng)中生命元素循環(huán)和污染物轉(zhuǎn)化的生物地球化學(xué)過程，尤其在土壤功能微生物識別及其物質(zhì)代謝過程方面了發(fā)揮了重要作用;同步輻射技術(shù)成功應(yīng)用于揭示土壤膠體組分與重金屬之間的物理、化學(xué)、生物界面分子作用機制，而且同步輻射光譜顯微鏡技術(shù)能夠詳細(xì)描述微米和亞微米空間的化學(xué)特征，為研究土壤微環(huán)境中復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程提供了可能;宇宙射線土壤水分監(jiān)測(COSMOS)是一種精度較高的大尺度土壤水分含量監(jiān)測系統(tǒng);CT技術(shù)使土壤結(jié)構(gòu)研究從定性描述走向定量化，推動了土壤結(jié)構(gòu)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(xiàn)土壤多過程的精細(xì)刻畫、情景分析、尺度擴展等分析，如在污染物環(huán)境行為、水力學(xué)過程、水土流失、空間變異預(yù)測與制圖、碳氮循環(huán)與全球變化等方面發(fā)揮了重要作用。信息技術(shù)結(jié)合新的遙感遙測、近地傳感與制圖技術(shù)應(yīng)用于土壤性質(zhì)動態(tài)變化的監(jiān)測與制圖，不斷提高土壤監(jiān)測的準(zhǔn)確性與實時性，尤其是5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高精度遙感遙測技術(shù)的發(fā)展，將對土壤學(xué)科發(fā)展產(chǎn)生變革性影響，促進土壤監(jiān)測朝向智慧化、智能化方向發(fā)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(nóng)田肥料試驗走向生態(tài)系統(tǒng)試驗，從單一試驗研究走向整合和網(wǎng)絡(luò)研究，從土壤過程走向生態(tài)系統(tǒng)過程，從土壤圈走向地球關(guān)鍵帶系統(tǒng)，并被用于分析全球尺度的土壤變化規(guī)律。目前的發(fā)展趨勢是土壤過程-生物過程-生態(tài)系統(tǒng)過程的系統(tǒng)而連續(xù)的觀察和監(jiān)測。通過長期定位觀測試驗可以揭示土壤微生物區(qū)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(huán)境質(zhì)量的演變規(guī)律，以及模型預(yù)測結(jié)果的驗證(圖2)。長期土壤生態(tài)系統(tǒng)研究已經(jīng)納入美國科學(xué)基金會的關(guān)鍵帶探測網(wǎng)絡(luò)(CriticalZoneExplorationNetwork)，我國也初步形成了中國地球關(guān)鍵帶網(wǎng)絡(luò)的雛形，有望融合到相關(guān)國際網(wǎng)絡(luò)中。

04多學(xué)科交叉融合研究成為土壤科學(xué)發(fā)展的重要推動力

隨著化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論、方法、技術(shù)的進步在土壤科學(xué)中的進一步應(yīng)用，多學(xué)科交叉融合成為推動國際土壤科學(xué)快速發(fā)展的重要動力，土壤學(xué)與其它基礎(chǔ)科學(xué)的滲透融合促進了土壤學(xué)研究新方向和分支學(xué)科的誕生。化學(xué)各分支學(xué)科發(fā)展為定性和定量研究土壤中養(yǎng)分離子及污染物形態(tài)及其轉(zhuǎn)化提供技術(shù)和理論支撐，尤其是近年來原子及分子分析方法的快速發(fā)展，為從分子水平研究養(yǎng)分與污染物的界面過程提供了先進手段;化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)計量與土壤顆?；疚镔|(zhì)分子組成研究內(nèi)容的交叉和綜合形成了土壤分子模擬方向;生物學(xué)尤其是分子生物學(xué)技術(shù)的進步，深化了對土壤微生物所驅(qū)動的土壤過程的認(rèn)識，尤其是基于高通量測序的組學(xué)技術(shù)(基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)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(rèn)識。生物學(xué)參與的土壤物質(zhì)和過程的研究，衍生出土壤生物物理研究分支學(xué)科;微生物學(xué)與土壤微形態(tài)學(xué)的交叉研究派生出土壤微生境和微生態(tài)研究方向;數(shù)學(xué)、地統(tǒng)計學(xué)和土壤學(xué)的交叉形成了土壤計量學(xué);數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展使得土壤信息系統(tǒng)研究和數(shù)字土壤研究成為現(xiàn)實，改變了傳統(tǒng)土壤學(xué)分析的模糊和定性的形象。在關(guān)鍵帶土壤環(huán)境過程研究方面，土壤學(xué)整合了生物學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)等知識和技術(shù)，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(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量進行綜合管理的能力。

05社會與公眾需求成為土壤科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在牽引力

全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和資源生態(tài)環(huán)境安全面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)，對土壤學(xué)的需求越來越強烈，極大地牽引了國際土壤科學(xué)的發(fā)展，也促進了土壤學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SustainableDevelopmentGoals，SDGs)中就有多個目標(biāo)對土壤科學(xué)的需求提出了明確要求，其中促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)、保障健康生活、確?？沙掷m(xù)消費與生產(chǎn)模式、恢復(fù)退化陸地生態(tài)系統(tǒng)等，分別涉及到土壤質(zhì)量、土壤污染、土壤健康、土壤退化等方面。在全球資源環(huán)境矛盾日益突出的情況下，土壤的生產(chǎn)力及其可持續(xù)提高的機理和途徑仍然是農(nóng)業(yè)土壤學(xué)的一大中心任務(wù)[10]。應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)催生了土壤碳循環(huán)研究在全球的興起，至今一直是國際土壤學(xué)的前沿領(lǐng)域;環(huán)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(huán)境與污染修復(fù)成為全球環(huán)境科學(xué)的熱點領(lǐng)域?？茖W(xué)研究的全球化和重大國際科學(xué)研究計劃，推動了土壤學(xué)的全球?qū)Ρ扰c網(wǎng)絡(luò)化，如全球土壤信息化對比研究，推進了國際土壤分類系統(tǒng)和數(shù)字土壤制圖的全球合作研究.

2、我國土壤科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢

我國土壤科學(xué)雖然起步較晚，但近幾十年來發(fā)展迅速，土壤學(xué)研究在面對國家需求、解決生產(chǎn)實際的同時，學(xué)科建設(shè)得到了極大發(fā)展，相繼建立了土壤地理學(xué)、土壤物理學(xué)、土壤化學(xué)、土壤生物學(xué)、土壤侵蝕與水土保持、土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)土壤污染與修復(fù)、土壤質(zhì)量與食物安全等各分支學(xué)科，提出了土壤圈物質(zhì)循環(huán)的重要研究內(nèi)涵，建立了較為完整的土壤學(xué)科體系，在國際上已具有一定特色和國際地位。以WebofScience收錄的34份土壤學(xué)期刊發(fā)表的文章為例，我國在2014年超過美國，成為在土壤學(xué)期刊上發(fā)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(jīng)濟快速發(fā)展對土壤學(xué)的強烈需求，我國土壤學(xué)各分支學(xué)科均取得了很好的研究進展，系統(tǒng)清查了我國土系資源，建立了近5000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;發(fā)展了土壤物理新技術(shù)和新方法，以及地球關(guān)鍵帶水文過程與物質(zhì)遷移、土壤水熱鹽耦合過程與調(diào)控、污染物遷移與數(shù)值模擬、土壤結(jié)構(gòu)等新理論與新模型;基于同步輻射技術(shù)、機理性動力學(xué)模型及量子化學(xué)計算等，揭示了土壤微界面化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)分子機制;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(xué)過程與驅(qū)動機制;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(zhì)參數(shù)的最優(yōu)模型;采用氮穩(wěn)定同位素成功標(biāo)記測定了土壤氮素初級轉(zhuǎn)化速率，在認(rèn)識亞熱帶土壤氮動態(tài)和機制方面取得了一系列新的認(rèn)識，在協(xié)調(diào)作物生產(chǎn)和環(huán)境雙贏的氮肥管理方面從理論到實踐均取得了較大進展;在農(nóng)田和場地土壤污染過程、污染機制、風(fēng)險評估、風(fēng)險管控修復(fù)材料、裝備和技術(shù)及工程示范等方面開展了大量工作;土壤質(zhì)量和食物安全領(lǐng)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影響等。詳細(xì)參見各個分支學(xué)科發(fā)展報告。

從研究領(lǐng)域看，我國土壤科學(xué)研究領(lǐng)域既緊跟國際熱點，如在應(yīng)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(lǐng)域;又帶有明顯的區(qū)域特色，如在黃土高原水土流失、污染土壤生物修復(fù)等特色領(lǐng)域(圖4)。在過去的十多年里，這些熱點研究領(lǐng)域研究成果累累，產(chǎn)生了多項國家自然科學(xué)獎和科技進步獎。

從研究深度上看，我國土壤學(xué)整體上處于跟蹤國際前沿水平，引導(dǎo)國際土壤科學(xué)研究方向的原創(chuàng)性研究成果較少。少數(shù)領(lǐng)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(xué)、植物修復(fù)、稻田溫室氣體排放研究等處于國際領(lǐng)先水平。部分學(xué)科和研究領(lǐng)域與國際前沿差距較大，需要多學(xué)科多領(lǐng)域交叉綜合研究，進一步推動我國土壤科學(xué)的全面發(fā)展。

3、學(xué)科發(fā)展需求與關(guān)鍵科學(xué)問題

3.1土壤科學(xué)與國家需求當(dāng)前，我國乃至全球社會面臨著“糧食安全、環(huán)境污染、資源匱乏、生態(tài)退化、全球變化、災(zāi)害頻發(fā)”等重大挑戰(zhàn)，這些問題均與土壤的開發(fā)與利用、保護與管理息息相關(guān)。首先，耕地是保障國家糧食安全、實施鄉(xiāng)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(chǎn)田占72.7%，耕地地力總體偏低。我國耕地基礎(chǔ)地力對糧食生產(chǎn)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(zhì)量退化嚴(yán)重威脅到國家糧食安全。目前，國家正大力推進實施耕地質(zhì)量保護和提升行動計劃，目標(biāo)到2022年耕地質(zhì)量平均提升0.5個等級以上。滿足國家需求，加強土壤質(zhì)量基礎(chǔ)與提升技術(shù)研究，應(yīng)當(dāng)是我國土壤科學(xué)發(fā)展的根本任務(wù)。

其次，土壤健康是保障生態(tài)安全和支撐美麗中國的基礎(chǔ)。我國土壤環(huán)境污染嚴(yán)重，區(qū)域擴展日益突出，已經(jīng)影響到全面建設(shè)小康社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。“凈土攻堅戰(zhàn)”是國家三大污染防治攻堅戰(zhàn)之一。黨的十九大報告明確指出：著力解決突出環(huán)境問題，強化土壤污染管控和修復(fù)，加強農(nóng)業(yè)面源污染防治，構(gòu)建全社會共同參與的環(huán)境治理體系;加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度，實施生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)重大工程，尤其是長江經(jīng)濟帶土壤污染修復(fù)與安全利用等。因此，加強土壤環(huán)境與污染修復(fù)研究成為土壤科學(xué)發(fā)展的重要任務(wù)。

第三，全球變化與土壤的關(guān)系密切。一方面，土壤碳氮循環(huán)等生物地球化學(xué)過程產(chǎn)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(yǎng)分沉降等變化，影響土壤過程，也對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，土壤管理成為應(yīng)對氣候變化的研究熱點。從土壤與土壤學(xué)科及國民經(jīng)濟發(fā)展需求的關(guān)系來看，當(dāng)前對土壤重要性的認(rèn)識，已從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向生態(tài)環(huán)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(tài)要素的認(rèn)識提升，從土壤質(zhì)量的培育向提高土壤綜合服務(wù)功能提升，從全球土壤質(zhì)量變化向人類生存提升，從城鄉(xiāng)發(fā)展向人居環(huán)境建設(shè)提升。這些認(rèn)識的提升對未來我國土壤科學(xué)的研究與發(fā)展，均有重要的指導(dǎo)意義。

3.2關(guān)鍵科學(xué)問題從國際和國內(nèi)土壤科學(xué)發(fā)展態(tài)勢來看，土壤形成與演化研究正朝定量化、信息化、數(shù)字化方向發(fā)展;土壤過程與模型模擬研究成為土壤物理學(xué)研究的主要趨勢;土壤物理化學(xué)與生物化學(xué)過程的耦合研究成為土壤化學(xué)的發(fā)展新趨勢;土壤生物學(xué)已經(jīng)成為土壤科學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科交叉前沿;土壤侵蝕與水土保持研究是土壤科學(xué)服務(wù)于生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要內(nèi)容;土壤肥力與養(yǎng)分循環(huán)研究是實現(xiàn)土壤生產(chǎn)力持續(xù)提升與保護生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑;土壤污染與修復(fù)研究成為土壤科學(xué)發(fā)展的重要研究方向;土壤質(zhì)量與食物安全研究是土壤科學(xué)服務(wù)于食物安全的重要內(nèi)容;發(fā)展基于“大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”土壤資源大數(shù)據(jù)信息決策理論與方法成為未來土壤學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢。圍繞這些研究內(nèi)容，土壤學(xué)需解決如下關(guān)鍵科學(xué)問題：

1)闡明土壤圈物質(zhì)循環(huán)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(zhì)(養(yǎng)分、水分、污染物等)生物地球化學(xué)循環(huán)過程及其對土壤功能(生產(chǎn)功能、環(huán)境功能、生態(tài)功能)的影響，這些過程發(fā)生的微生物學(xué)機制，以及調(diào)控原理與途徑。

2)揭示土壤內(nèi)部界面反應(yīng)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(fù)雜性、土壤界面反應(yīng)作用機制及影響;闡明土壤生態(tài)系統(tǒng)生源要素和污染物轉(zhuǎn)化過程、食物鏈和食物網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換、生物信息傳遞過程及其對環(huán)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(shù)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(yīng)機制，揭示土壤健康演變的規(guī)律與機制，發(fā)展基于“大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的土壤信息大數(shù)據(jù)決策理論與方法，建立土壤健康評價的指標(biāo)體系以及退化土壤的防控、修復(fù)與保育的理論和技術(shù)體系。

4、未來優(yōu)先研究領(lǐng)域與重要方向

圍繞國際土壤科學(xué)研究前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，充分發(fā)揮多學(xué)科交叉融合的學(xué)科優(yōu)勢，預(yù)期未來5-10年我國土壤學(xué)將重點發(fā)展地球關(guān)鍵帶過程與土壤功能演變、農(nóng)田土壤健康與質(zhì)量提升理論與技術(shù)、區(qū)域土壤復(fù)合污染過程與綠色修復(fù)、土壤生物的分布、過程與功能等優(yōu)先領(lǐng)域和重要方向。

4.1、地球關(guān)鍵帶過程與土壤功能演變

地球關(guān)鍵帶研究作為地球科學(xué)、土壤學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、生態(tài)科學(xué)等的綜合交叉學(xué)科，以調(diào)查、監(jiān)測、試驗、模擬、預(yù)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(zhì)能量傳輸?shù)年P(guān)系，實現(xiàn)關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)的耦合與集成。重點研究地球關(guān)鍵帶類型劃分方法與理論框架，繪制區(qū)域、國家及全球尺度地球關(guān)鍵帶類型分區(qū)圖;研究地球關(guān)鍵帶的厚度、地層結(jié)構(gòu)、風(fēng)化強度、孔隙結(jié)構(gòu)等的空間變異及其氣候、生物、水文、地質(zhì)和人為活動驅(qū)動力;表征地球關(guān)鍵帶中水、碳、氮、磷、鉀、微生物等的時空動態(tài)。研究地球關(guān)鍵帶區(qū)域、流域、坡面、剖面等多尺度的生態(tài)水文過程及其驅(qū)動的物質(zhì)遷移過程，創(chuàng)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(qū)物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化過程，創(chuàng)建多界面物質(zhì)循環(huán)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(xué)循環(huán)過程及其耦合關(guān)系;研究典型生態(tài)脆弱地區(qū)關(guān)鍵帶過程對土壤資源演變的驅(qū)動機制，以及關(guān)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(qū)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(fēng)化、土壤形成、植被演變、土地利用等影響下地球關(guān)鍵帶碳、氮、磷、硫等生源要素循環(huán)過程與機制;探索地球關(guān)鍵帶過程調(diào)控與應(yīng)對氣候變化的綜合途徑;構(gòu)建我國地球關(guān)鍵帶調(diào)查觀測研究平臺。

4.2、農(nóng)田土壤健康與質(zhì)量提升理論與技術(shù)

農(nóng)田土壤健康保護和耕地質(zhì)量提升，是實施藏糧于地(技)戰(zhàn)略和確保國家糧食安全的重大現(xiàn)實需求，亦是土壤學(xué)內(nèi)部學(xué)科交叉的綜合性研究內(nèi)容。重點研究農(nóng)田土壤主要生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程及其驅(qū)動因子，闡明典型生源要素循環(huán)耦合關(guān)系的關(guān)鍵過程及其制約機制、協(xié)同轉(zhuǎn)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(guān)鍵物質(zhì)循環(huán)的耦合關(guān)系;研究土壤調(diào)控對植物疾病防控的原理與機制及技術(shù)模式;研究土壤生物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、多樣性及其演變規(guī)律，明確土壤生物網(wǎng)絡(luò)功對土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循環(huán)的影響。研究主要生態(tài)區(qū)中低產(chǎn)田障礙類型及驅(qū)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(fā)生與形成機制，闡明其消減與調(diào)控機理;研究土壤肥沃耕層結(jié)構(gòu)形成機制，提出協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱條件的肥沃土壤耕層的構(gòu)建方向;研究農(nóng)田土壤有機質(zhì)形成演變規(guī)律、平衡機理及驅(qū)動因素，闡明主要生態(tài)區(qū)中低產(chǎn)田土壤有機質(zhì)提升的潛力與途徑。

4.3、土壤復(fù)合污染過程與協(xié)同修復(fù)

系統(tǒng)認(rèn)識我國土壤污染區(qū)域化特征，探究區(qū)域土壤污染成因，闡明區(qū)域土壤污染過程與治理修復(fù)原理，實現(xiàn)分區(qū)治理修復(fù)策略，已成為土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)、區(qū)域地理學(xué)，以及環(huán)境土壤學(xué)、修復(fù)土壤學(xué)必須解決的重大環(huán)境污染問題。針對重點區(qū)域土壤污染成因復(fù)雜性、過程耦合性、風(fēng)險疊加性等基礎(chǔ)性科學(xué)問題，研究重點區(qū)域土壤-地下水污染特征、空間格局和質(zhì)量演變規(guī)律;研究區(qū)域土壤-地下水系統(tǒng)污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、擴散通量及主控機制;研究區(qū)域土壤-地下水污染物多介質(zhì)界面過程與調(diào)控機制，闡明區(qū)域土壤-地下水復(fù)合污染物的生物地球化學(xué)過程;研究區(qū)域土壤污染的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的場地污染智能識別模式;研究農(nóng)用地土壤污染靶向修復(fù)與安全利用技術(shù)原理，以及場地土壤-地下水污染智慧修復(fù)與風(fēng)險智能預(yù)警系統(tǒng);研究區(qū)域土壤污染全過程控制與協(xié)同修復(fù)技術(shù)原理。

4.4、土壤生物的分布、過程與功能

土壤生物學(xué)是土壤科學(xué)、微生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科交叉前沿。重點研究不同土壤生態(tài)系統(tǒng)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(qū)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(shù)據(jù)庫;研究土壤生源要素的生物學(xué)轉(zhuǎn)化過程，揭示土壤物質(zhì)循環(huán)的生物學(xué)機制;研究土壤健康食物網(wǎng)的生物和非生物影響及反饋機制，闡明土壤食物網(wǎng)中關(guān)鍵物種、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系及其對土壤生物多樣性維持的貢獻;解析土壤多營養(yǎng)級生物結(jié)構(gòu)、多樣性、互作關(guān)系等與土壤促生、免疫和解毒功能發(fā)揮之間的關(guān)系，探究核心土壤生物在促生、免疫和解毒功能發(fā)揮中的互作模式、演化規(guī)律和和進化機制，建立動態(tài)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(tài)檢測方法，建立土壤病原生物數(shù)據(jù)庫，提出預(yù)判和阻控土壤源疫情傳播的理論與技術(shù)手段。

4.5、土壤碳氮循環(huán)與全球氣候及環(huán)境變化

土壤碳氮循環(huán)與全球氣候及環(huán)境變化研究成為土壤學(xué)、大氣科學(xué)、地球科學(xué)等交叉學(xué)科的研究熱點。研究典型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)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(yīng)規(guī)律及微生物學(xué)驅(qū)動機制;土壤碳氮循環(huán)過程的生物驅(qū)動機制與計量，碳氮溫室氣體產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的生物學(xué)機理及其對全球變化的響應(yīng)，土壤碳氮耦合的生物聯(lián)作機制，全球變化敏感區(qū)土壤生物群落和功能的演變與適應(yīng)，土壤碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)過程的生物學(xué)模型;探索不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮微量氣體減排與作物高產(chǎn)高效的耦合途徑及綜合對策;研究全球變化要素農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(xiàn)氮素去向的合理調(diào)控，發(fā)展全球環(huán)境變化下不同區(qū)域土地利用方式下的農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)技術(shù)體系。

4.6土壤微界面化學(xué)過程與作用機制

土壤化學(xué)-物理-生物界面反應(yīng)研究是土壤化學(xué)、界面化學(xué)、膠體化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿。重點研究土壤組分微界面養(yǎng)分與污染物化學(xué)反應(yīng)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(qū)動的土壤養(yǎng)分與污染物化學(xué)過程，建立微生物驅(qū)動化學(xué)體系機制模型;研究土壤礦物-微生物-有機質(zhì)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(tài)相互作用機制及其影響因素;研究土壤膠體界面養(yǎng)分與污染物多過程耦合反應(yīng)動力學(xué)機制，發(fā)展土壤微納多尺度多過程動力學(xué)行為預(yù)測模型;研究全球變化影響下土壤組分微界面養(yǎng)分與污染物化學(xué)動力學(xué)過程、環(huán)境行為、反饋機制以及定量預(yù)測模型。

4.7、土壤養(yǎng)分高效利用與精準(zhǔn)施肥

土壤養(yǎng)分高效利用與精準(zhǔn)施肥是土壤學(xué)、植物生理學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、育種學(xué)、肥料學(xué)等多學(xué)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(yǎng)分高效利用的影響機制，揭示土壤-作物-環(huán)境相互作用與養(yǎng)分有效性;解析作物高效利用土壤養(yǎng)分機制，挖掘作物高效利用養(yǎng)分的基因、作物種質(zhì)資源和微生物菌種資源;利用分子設(shè)計等育種技術(shù)培育氮磷養(yǎng)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(diào)控與技術(shù)原理，建立氮磷高效利用生物調(diào)控技術(shù)體系。開發(fā)新型控釋肥料、有機肥料以及功能肥料，構(gòu)建肥料環(huán)境效應(yīng)評估方法和評估體系;開發(fā)土壤肥力快速測定系統(tǒng)，構(gòu)建智能化、信息化、數(shù)字化、精準(zhǔn)化施肥技術(shù)體系，開展互聯(lián)網(wǎng)+高效施肥技術(shù)集成。發(fā)展不同區(qū)域生態(tài)高值農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)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(qū)域生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)性科學(xué)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(lián)效應(yīng);水文連通性對流域侵蝕產(chǎn)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(yīng)機制，典型區(qū)侵蝕產(chǎn)沙原型觀測，跨尺度的土壤侵蝕評價系統(tǒng)理論與預(yù)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(shù)的區(qū)域演變規(guī)律，建立模型參數(shù)與氣候、土壤、植被、地形特征等宏觀區(qū)域參數(shù)間的關(guān)系，提升模型的區(qū)域適用性;研究土壤侵蝕防治原理與技術(shù);建立土壤侵蝕研究新技術(shù)與新方法。

4.9、土壤學(xué)研究新方法、新技術(shù)

近年來，隨著信息技術(shù)、生物技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)等發(fā)展迅猛，土壤學(xué)亟需應(yīng)用這些高技術(shù)來表征土壤物質(zhì)的多態(tài)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(zhì)和行為的觀測、分析和模擬分析方法;研發(fā)應(yīng)急和生物監(jiān)測技術(shù)，完善現(xiàn)代土壤質(zhì)量分析方法標(biāo)準(zhǔn)體系;開發(fā)土壤原位采樣、地球物理探測與污染監(jiān)測一體化技術(shù)，實現(xiàn)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(zhì)滲透性實時、動態(tài)、高分辨表征;發(fā)展野外觀測的定量分析、動態(tài)表征技術(shù)，結(jié)合空間表達(dá)技術(shù)，構(gòu)建不同尺度的計量土壤學(xué)理論和研究方法體系;開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的自動控制、數(shù)據(jù)采集信息技術(shù)以及基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù);研究基于星-空-地一體化的土壤智慧監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng);發(fā)展基于“大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的土壤大數(shù)據(jù)信息決策理論與支持系統(tǒng)。