新时代土壤地理学的发展现状与趋势

土壤地理学是研究土壤时空分布规律、形成过程及其资源环境效应的土壤学学科分支，其主要目标和任务是理解土壤形成演化的关键过程与影响因素并预测未来土壤-环境的共同演化特征，揭示土壤资源分布规律、利用前景和保护对策，为农业、生态环境保护等提供科学依据，支撑土壤普查、耕地保护等国家目标。21世纪特别是新时代10年以来土壤地理学取得了一些重要的进展，研究对象和内容也发生了很大的变化，逐渐向以土壤为核心的地球表层系统科学发展，高强度人为活动和全球气候变化背景下的土壤时空演变研究愈加活跃。土壤地理学主要发展趋势包括土壤信息获取方式正在发生变革，数字土壤制图向融合过程机理与数据驱动发展，土壤时空信息的应用范围更加广泛。未来土壤地理学优先发展领域包括：以关键带研究带动土壤发生和演变研究的革新，基于多传感器的土壤综合观测原理与技术，多尺度数字土壤制图与时空变化预测等。     

中国土壤地理学发展的回顾与展望

基础土壤地理学的核心内容是土壤在时间和空间中的变化,目标是预测土壤在生态系统中的行为以及在自然和人为影响下的演变、实现土壤资源的有效管理。我国土壤地理学的发展经历了几个重要阶段,20世纪50年代区域和全国性的土壤调查和综合考察奠定了我国土壤地理学的发展基础;20世纪80年代随着全国第二次土壤普查的开始和科学研究恢复,土壤地理学重新复兴,包括土壤发生、土壤分类、土壤制图、土壤遥感等各个分支学科在内的土壤地理学得以迅速发展,这其中1984年开始的"中国土壤系统分类"研究贯穿了此后20多年的发展历程并推动了相关学科的进步;20世纪90年代以后,以3S技术为代表的新技术和新方法全面促进了土壤地理研究的现代化,土壤空间变化描述的内容、方式、应用等都发生了重大变化。未来的土壤地理学研究将面对我国土壤资源制约的国情,重点应该围绕变化中的自然条件和强烈的人为干扰下土壤质量与功能的演变、以土系为主体的土壤基层分类体系、以信息技术和模型模拟相结合的土壤资源数字化表达与管理系统等中心内容,为我国土壤资源的可持续管理、环境保护以及应对全球环境变化服务。     

面向数字土壤制图的土壤采样设计研究进展与展望

全球化土壤环境问题的出现对基础输入数据的精度、尺度和时序提出了更高要求,面向数字土壤制图的土壤采样研究得到了快速发展。首先利用文献计量学的方法定量化分析国内外土壤采样研究学科分布和研究热点变化;随后重点梳理了国内外土壤采样研究的文献,根据不同的土壤调查目的、调查区历史采样点将土壤采样设计分为:土壤全面采样设计、土壤补充采样设计、土壤验证采样设计和土壤监测采样设计;最后介绍了基于样点的推理制图方法。在此基础上,对未来在多尺度的土壤采样设计、土壤–环境因子关系的新型假设和采样设计中现实问题的量化等方面进行了展望,旨在为数字土壤调查工作的开展提供参考依据。     

土壤物理学研究的现状、挑战与任务

根据新近土壤物理学研究进展,论述了土壤物理学在土壤学中的定位和在自然科学和社会可持续发展中的地位;从研究的对象、内容、尺度、理论、方法和测定技术方面,阐述了土壤物理学的研究现状;分析了新形势下土壤物理学面临的挑战;提出了我国土壤物理学研究未来10年5个方面的主要任务,即:农业可持续发展中的土壤物理问题,土壤结构形成过程及其稳定性,土壤中能量传输和物质运移过程,土壤性状及过程的时空变异与尺度转化,土壤物理过程与土壤化学、土壤生物过程的耦合。     

大空间尺度土壤质量评价研究进展与启示

土壤质量评价的空间尺度决定了评价结果的适用范围与功能,然而一直以来大空间尺度相关研究相对缺乏。为了分析其核心内容、方法论特征和发展趋势,构建了土壤质量评价相关概念认知框架,综述了当前大空间尺度理论研究和多国实践。分析结果表明:(1)全球—地区尺度土壤质量评价研究基本遵循了"制定评价目标—明确评价对象和涉及的土壤功能—选取评价指标与评价模型—输出评价结果"的技术路线,在评价目标、对象和指标选取等方面侧重反映土壤的自然资源属性与固有质量,常见综合评价模型应用;(2)土壤功能分解与表达逐渐成为土壤质量评价的核心,驱动了相关研究的多维度、多尺度发展。目前亟待开展:对应复合管理目标的广域空间土壤质量统一评价,根据土壤功能分布、土壤类型特征及土地利用方式,明确国家土壤资源分区利用与保护策略;通过多源地学数据集成与基于土壤功能的评价模型研发,发现大空间尺度土壤质量演变规律,协同大、中、小空间尺度研究以探明土壤质量评价的尺度效应。     

农田土壤生态系统多功能性研究进展

健康土壤培育是耕地产能提升的先决条件,也是应对粮食安全和环境保护挑战,保障土壤可持续利用,实现农业绿色发展和构建生命共同体的基础。健康土壤培育的核心是实现土壤生态系统多功能性。在生态文明建设的新时代,土壤生态系统多功能性评价、培育过程及机制研究已成为全球土壤健康行动的焦点和前沿。本文系统梳理了土壤功能、土壤生态系统服务与土壤生态系统多功能性的概念,讨论了土壤生物多样性对多功能性的影响、土壤功能间的协同与权衡关系,总结了土壤功能评价及量化的方法,并提出了突破单一追求粮食高产目标,发展基于多功能性综合调控的农田健康土壤培育新思路。提出在不同层级上提高土壤多功能性的途径：在全国尺度调整土地利用方式及农业结构、区域尺度协调资源配置、景观尺度构建农业设施建设与景观格局、田块尺度优化田间土壤管理技术,全面提升土壤健康和多功能性。未来需要通过多学科交叉深入探索不同时空尺度的土壤多功能性形成与维持机理,与现代科技相结合,完善土壤功能管理相关政策与落地方案,强化土壤多功能性在可持续环境政策与管理中的多维作用,为山水林田湖草生命共同体协调发展和“碳达峰、碳中和”国家战略的实施提供重要支撑。     

基于地图直接对比的土壤空间表达尺度效应研究——以封丘土壤属性制图为例

将封丘县3 608个土壤样点分为3 463和145个点,分别构成制图数据总集和验证数据总集,再从制图数据总集中通过4%～96%的多尺度随机抽样,构成17个制图子集。分别按Kriging、IDW和以点代面法对土壤有机质、有效磷和速效钾进行预测制图,基于地图直接对比计算制图子集和制图数据总集制图结果的相关系数以评价土壤属性图变化的尺度效应,并与验证数据集评价的多尺度制图结果进行了对比。最后,采用多子集制图结果的变异系数指示多尺度地图表达的不确定性,并将其与基于Kriging估值方差及随机模拟的不确定性表达进行了对比。研究表明,基于地图直接对比可发现,制图效果与样本数量具有显著的分形关系,且分形维数受制图方法和土壤属性空间可变性的双重影响:同样条件下以Kriging方法最小,而以点代面法最大;以土壤速效钾最小,而土壤有效磷最大。验证数据集实测值和估计值的相关系数及均方根误差没有表现预期的分形特征。Kriging估值方差及随机模拟表达的单一尺度制图不确定性明显受采样点分布与Kriging估值大小影响,而基于地图直接对比的多尺度制图的不确定性更客观地反映土壤自然变异,其中土壤有机质、土壤速效钾有较强规律可循,而土壤有效磷则没有规律。     

新时期中国土壤科学发展现状与战略思考

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。     

土壤中铁锰结核微结构与组分研究进展

铁锰结核是土壤演化过程中形成的一种特殊新生体,其内部同心圆环带构造可用于反演古气候条件和成土环境,其组分可为微生物代谢提供营养元素和能量,进而影响土壤中养分和重金属的转化、固定与释放。本文综述了近几十年来国内外学者对土壤中铁锰结核研究所取得的进展,包括铁锰结核形成机制、演变过程与影响因素,不同地区铁锰结核微结构与组分差异,以及铁锰结核对养分转化与重金属吸附的影响。未来需进一步研究不同成土阶段铁锰结核形成速率与环境阈值,构建不同成土环境中铁锰结核演化模型,阐明铁锰结核对土壤中养分和重金属的固释机理,以期更好地理解地表关键带土壤发生过程与元素生物地球化学循环,为定量评价变化环境下土壤质量和功能提供依据。     

数字土壤制图技术研究进展与展望

土壤调查与制图是获取土壤信息的基本手段,在土壤科学发展中发挥了至关重要的作用,采用新方法开展数字土壤制图是土壤学科新兴的研究方向。本文全面回顾总结了近年来国内外数字土壤制图工作开展情况、方法的发展和应用,分析了当前在数字土壤制图研究中存在的主要问题,并且对数字土壤制图研究的发展趋势进行了展望,提出了今后一段时间我国开展这方面工作的建议,可以为数字土壤制图研究工作提供参考。     

高度集约农业利用导致的土壤退化及其生态环境效应

集约化农业对保障我国粮食安全发挥了巨大的作用，但其长期的土地高强度利用和农用化学品过量投入的负面影响也日益显现，导致的以土壤养分失衡、土壤酸化、有害物质积累、生物多样性衰退等为主要表现形式的土壤物理、化学和生物学退化，给生态系统本身与环境都带来了巨大压力和严重威胁。在长期保持高强度利用和过量农用化学品投入的情况下，以非线性响应为特征的土壤生态系统特性有可能出现突变状态，并引起更大的环境风险。目前，应当高度重视集约农业利用下土壤退化的形成与演变机理、时空分异规律、以及土壤退化的控制和退化土壤的恢复重建措施的研究。     

土壤退化时间序列的构建及其在我国土壤退化研究中的意义

我国土壤退化发生广、发展快,后果严重,很多问题亟待解决,加大其研究力度势在必行。显而易见,人们对土壤特性与土壤退化过程了解得越详细,对土壤退化的评估与防治也会越好。因此迫切需要建立大量土壤退化时间序列来明确土壤退化过程中时间因素的作用并帮助人们正确理解和认识土壤退化与人为作用之间的关系。为了得到可靠的结果,土壤退化时间序列的建立需包括起始土壤相似性判定与退化土壤绝对或相对年龄的验证两个重要过程。本文详细论述了土壤退化时间序列的构建过程及应注意的问题,并探讨了土壤时间序列在我国土壤退化研究中的意义,旨在为土壤退化时间序列的正确建立与应用提供较为详尽的参考。     

城乡复合生态系统土壤微生物群落特征及功能差异

土壤微生物在陆地生态系统多个过程中发挥着重要作用,而城市化过程使得城市及其周边地区土地利用发生剧烈变化,形成了异质性环境梯度,直接或间接地影响了土壤微生物群落的组成和功能,进而影响了其承载的生态系统服务。本文综述了城乡复合生态系统不同景观单元土壤微生物群落的组成特征、主要影响因素及其功能差异,发现城市化对土地利用的改变驱动了土壤微生物群落的组成、结构和功能差异,土地利用、土壤污染物、植被覆盖、土壤性质等因素共同影响土壤微生物群落,并且在不同景观中影响土壤微生物的主导因素有所不同。进一步探讨了土壤微生物的生态服务功能,并分析了不同景观中土壤微生物功能存在的差异性。今后需进一步解析社会—经济—自然复合生态系统格局特征对土壤微生物的影响,揭示城乡复合生态系统不同功能区土壤微生物对土壤生态服务的产生和维持机制,明确变化环境下土壤微生物对土壤安全和人类健康的维持机制,以提升土壤生态服务功能、维护城乡土壤安全和人居环境健康。     

关于我国“数字土壤”建设若干问题的思考

对"数字土壤"的渊源、定义、功能以及如何建设我国的"数字土壤"进行了讨论。"数字土壤"渊源于"数字地球",是土壤学科发展的产物、是土壤科学与现代信息技术和计算机技术相融合的必然趋势,是一种进行土壤科学研究的现代技术体系;"数字土壤"具有管理与提供土壤科学数据、进行空间分析、制作士壤专题图、指导土壤调查、查询与传播土壤信息、构建运用模型、土壤质量预警等功能;历史土壤调查资料是研制我国"数字土壤"的骨干材料;中国需要同时研制不同精度的"数字土壤";"联合共建",是建设我国"数字土壤"的好途径。     

青藏高原永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图

以青藏高原为研究区,采用数字土壤制图方法,进行了少量调查样本支持下的永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图研究。利用土壤和景观环境之间关系,筛选建立了活动层厚度预测指标集:地表昼夜温差、海拔、坡度、坡向、归一化植被指数(NDVI)、母岩。利用样点个体代表性方法实现了该区永冻土活动层厚度分布制图,取得了较高的精度和分辨率,克服了永冻土活动层厚度模拟过程中数学物理模型难以进行空间扩展制图以及半经验模型制图分辨率粗的局限。针对调查样点全局代表性较差以及数量有限的局限,本研究没有采用常规的一次性全样本最优建模方式,而采取多次抽样分别建模方式,获得预测指标集和制图结果。     

道路对景观格局和土壤侵蚀的影响——以云南省凤庆县为例

道路的大规模建设对生态系统的影响巨大,影响着居民的分布格局和周围土地利用的变化,对生态过程产生直接或是间接的影响。在不同等级缓冲区内,景观格局、土地利用以及土壤侵蚀可能存在较大的时空差异。本文以云南省凤庆县为例,利用GIS和RS技术,研究1994年和2004年道路影响下的景观格局和土壤侵蚀变化规律。结果表明:1994年到2004年期间,凤庆县林地、水域减少,减少百分比分别是23%和0.14%,耕地、草地和建设用地增加,增加百分比是17%、6.5%、0.03%;不同等级道路缓冲区内,所有等级道路周围林地减少,耕地增加,省干线周围林地、草地减少,斑块密度、破碎度和分离度指数变化较大;低等级道路周围土壤侵蚀模数较大,省干线周围土壤侵蚀模数增加最大,对以后周围生态环境景观格局、土壤侵蚀产生深远影响。     

水耕人为土磁性矿物的生成转化机制研究回顾与展望

随着环境问题的日益突出,人为活动对土壤的影响越来越深刻,需加强对"人为作用"的研究以便解释现代土壤磁性的过程和变化。水耕人为土在发育过程中人为作用的方式多种多样,明确其磁性矿物的生成和转化机制及其影响因素有利于理解人为活动对现代土壤磁性的作用。但目前水耕人为土磁学研究还比较零散,缺乏系统性,已有研究结果有待深入梳理。本文对已有的相关研究报道,包括水耕人为土磁性参数的演变特征、磁性矿物的生成转化机制以及对成土因素的响应等进行综合评述。最后,对当前研究的不足和存在问题进行总结,并对研究方向进行了展望,以期有助于环境磁学的发展。     

Into the Pedocene—Pedology of a changing world

Pedology, or the study of soil, is often viewed focusing on soil formation, morphology, mapping and classification. But the study of soil has largely expanded beyond these four areas and now includes quantitative studies using soil legacy data combined with technological advances in data collection, soil sampling and computation. We have global availability of soil information and can retrieve pedological information for any location including some indication of its accuracy. Scientific and technological developments in pedology have been led by the rise of several subdisciplines including pedometrics, digital soil mapping, spectral pedology, digital soil morphometrics, hydropedology, microbial pedology, astropedology and the development of pedotransfer functions. With the expansion of pedology and its relevance for understanding the earth system and tackling global change, it is postulated that soil science has now entered the ‘Pedocene’—a soil epoch equivalent to the Anthropocene. The Pedocene is characterized by the quantitative understanding and evaluation of the global soil system, and the effects of human-induced changes brought to soil.