土壤生态过程研究与野外观测台站建设

翁伯琦，张伟利

（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013；2.福建省农业科学院农业政策研究室，福建 福州 350003）

万物土中生，食以土为本，土壤不仅是人类生存的基本资源，也是农业发展的重要基础。土壤肥力是农田最本质的特征，能够提供作物生长所需的水分和养分，肥沃的农田与洁净的土壤是生产高优农产品的基本保证。就目前而言，提高土壤质量、维护生态环境安全以及推动农业可持续发展是现代土壤学的根本方向和主要任务。科学研究表明，土壤中的养分含量与作物生长之间必须维持供需平衡，必须注重调节。如果不注重土壤保育，不注重合理施肥，农田土壤环境质量的恶化，必然会致使作物减产、品质下降，必然严重危害我国农田生态系统的生物多样性、食物链安全、人类的健康、经济的发展和社会的稳定，必然会影响到我国现代农业可持续发展甚至世界地位。因此，探究土壤变化规律，研发土壤保育技术，有效防控环境污染，无疑是维持 “人口－资源－环境－经济－社会”这个大系统统筹协调和持续发展的根本保证。

1 土壤学研究必须应对当前土壤资源危机与挑战

众所周知，农业是以土地、水、能源和生物等自然资源为基础的产业，自然资源的数量与质量状况对农业生产与发展至关重要。中国是一个农业大国，从业人口超8亿的农业是国民经济的牢固基础。随着社会经济的发展，我国农业的转型升级不仅面临人口增加、资源紧缺、经济增长的新挑战，也会受到国际农产品市场与贸易的深刻影响。就世界耕地而言，质量较好的土壤仅占总耕地面积的40%，其余大约有60%是低产出高消耗的类型，其中还包括受工业废弃物、化学农药、重金属污染的土壤占一定的比例。因此，合理利用与有效保护土壤资源是一项十分长期的战略任务。据有关资料显示，我国土壤资源与合理利用存在的问题主要是：土壤资源退化，肥力下降，每公顷耕地的作物产量小于2250kg的低产田大约占了1/3；土壤侵蚀严重，危害巨大，尤其值得关注是黄土高原与红壤丘陵地区土壤侵蚀面面积达5000万hm2以上；优质土地被占用，耕地减少，可垦或者待垦的宜农耕地资源已不足2000万hm2［1］。因此，无论是世界还是中国，现代土壤学理论与技术研究面临的重要任务之一，就是加强土壤资源的保护、合理开发以及实施土壤资源的综合治理。

2020－2030年是中国发展的关键时期，占世界22%人口的中国要全面实现小康是史无前例的目标。在食物安全方面，要满足13亿人口的营养与健康，在经济安全方面，要保证13亿人口的收入增长翻两番，这就要求既要满足其所需要的水土资源和能矿资源，又要解决人口与经济发展所带来的生态环境问题。例如相当部分地区水土流失、沙漠化、土壤次生盐渍化、面源污染等问题仍较为严重。据 《2012年中国环境状况公报》报道，全国现有水土流失面积294.91万km2，占普查范围总面积的31.12%。其中，水力侵蚀面积129.32万km2，风力侵蚀面积165.59万km2［2］。农业面源污给农业生产造成严重损失，据环保部统计，我国被污染的耕地面积约为1000万hm2，占耕地总面积的1/10以上［3］。由于农药、化肥和工业导致的土壤污染，我国粮食每年因此减产100亿kg，全国每年因重金属污染的粮食高达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元［3］。

与以往相比，我国农业资源仍十分紧张，人均耕地不足1067m2，并呈现逐年减少的趋势，现有耕地中有近一半的土地肥力较差或存在某些障碍因素。2012年，农业部对全国107个国家级耕地质量监测点数据分析显示，近十多年我国基础地力贡献率下降了5%［4］。各项建设占用的耕地大部分为城镇周围地势平坦、交通便利、水利条件较好，土质较肥沃的优质耕地，而新增耕地的主要途径是未利用土地的开发利用、农村居民点整理、耕地整理及废弃地复垦利用等，开发出的耕地质量较差，很难形成一定的生产能力，导致新增耕地与被占用耕地的质量差别较大，产出水平相差达1.0～1.5倍。据统计，1987－1996年全国新减少耕地679万hm2（产粮能力为600亿kg），新增耕地395万hm2（产粮能力为110亿kg），两者产粮能力相差490亿kg，相当于中国目前粮食总产量的10%［5］。

从2001年联合国开展千年生态系统评估以来，国际上日益关注生态系统现状、变化趋势和应对政策的研究，日益关注生态系统服务功能的保护和建设，对土壤学研究也提出了新的更高要求。在丘陵生态脆弱区退化生态系统的恢复领域，国内外的发展趋势已经从生态系统的恢复重建发展到生态系统功能的恢复提高，日益强调恢复生态环境保护功能和提高生态系统生产力和经济效益的结合，重视农产品品质和健康质量的提高。目前，我国在南方红壤退化治理实践中形成了系列红壤治理技术，如在退化红壤肥力重建方面，形成了提高作物养分资源利用效率的根际调控技术、贫瘠红壤养分库恢复的种植模式和施肥技术、红壤酸化的化学综合治理技术、经济绿肥开发利用技术、堆肥环境生物与控制关键技术等。但是与农业发展现实要求相比，与土壤生态面临的危机与挑战相比，土壤学研究现状还有一定的差距，必须针对当前存在问题开展有针对性研究。

2 农田土壤生态过程研究的主要内容与发展趋势

全面深入分析中国农业资源与环境面临的问题，并切情探索出改善生态环境、实现农业绿色发展的对策措施，这无疑是实现中国农业持续发展与保障粮食安全的迫切需要。就理论层面认识，土壤质量是指土壤肥力的丰缺、土壤生态的优劣及土壤的健康状况等三个方面的综合质量的体现。一般认为，它是保障土壤生态安全和资源可持续利用的能力的重要标志，也是现代土壤学深入研究的核心内容。通过对土壤质量的时空演变规律，即土－气、土－水、土－植的物质交换，红壤、潮土、黑土、水稻土等质量演变与持续利用研究，提出不同类型与区域的土壤质量指标评价体系，建立土壤质量的变化趋势预警与技术调控对策，是十分必要的。就实践意义认识，就是要通过对环境质量的演变规律、界面过程及环境保护的重建对技术的集成研究，力求突破关键环节，优化组合技术，防控面源污染，实现农业资源的循环利用，实现种田和养地的有机统一。通过多年来的努力，在许多领域的研究取得了进展，如对我国南方沿海地区、长江流域地区及珠江三角洲区域的农田土壤质量和大气环境变化规律及其调控技术进行的系统研究，对地区污染物的产生过程、扩展机理、污染状况，尤其是土壤重金属、有机污染物、营养盐形成的复合污染及修复与风险评价有了深入了解，并结合区域生产实际，提出了区域环境质量的调控技术。许多研究与实践都对丰富现代土壤学理论与技术体系做出了新的贡献。

新世纪的全球战略任务之一就是要着力解决全球及地区性环境及其质量问题，其中包括自然环境及其质量、社会经济环境及其质量、人类生存与健康环境及其质量问题等。从土壤学角度看，除了要深入研究土壤自身基本性质及其发生规律外，其重点是探索土壤及环境质量的命题，具体包括土壤全球变化与环境、土壤圈层与物质循环、土壤生态与环境质量、土地利用与土壤退化、农业土壤与产品质量、种田养地与保护耕作、资源利用与农业开发、土壤肥力与水土保持、土壤污染与优化修复和城乡建设及环境保护等。土壤是作物生长与环境科学研究的主体，必须要有系统工程理论的指导和多学科、多专业的参与。从土壤学研究历史看，人们预测到2020年前将转入对社会环境进行系统性评价，尤其会对土壤与社会环境系统相关性进入深入的研究，力求阐明内在变化与优化调控技术，提升土壤质量与保育水平，为绿色发展与生态保护提供科技支持［6］。

就发展趋势分析，今后现代土壤学研究将更加关注土壤质量与生态环境相互关联的系统研究。专家认为，其重点主要集中在五个方面：一是土壤质量的时空变化与发展动态研究，主要涉及不同时间尺度土壤质量动态变化与内在变化规律、空间差异分布与土壤内在特点、土壤质量演变与影响因素等。二是农田土壤质量的演变过程与形成机理，主要涉及土壤物理、化学性质应变及交互过程和作用机理，尤其要深入探讨并揭示人为活动对土壤质量演变的影响及反馈机理。三是土壤肥力的指标体系与优化调控原理，主要涉及土壤质量的自然与人为指标体系、土壤肥力演变的信息数据库与政策咨询系统的建设、土壤肥力的调控原理研究等。四是土壤养分在土壤圈中循环及交互作用，主要涉及土壤养分形态及其动态平衡，农田耕作层土壤养分、根系分布、微生物与土壤酶活性之间相互关系及其作用。五是不同类型土壤的持续重建与定向培育，主要涉及水土保持、养分流失、种田养地、土壤保育等方面理论研究与技术体系构建。必须强调是，农田质量、耕地土壤以及合理施肥的科技创新研究应结合绿色发展理念与区域农村产业需求进行，只有这样才能使土壤环境研究更具实践意义。

不言而喻，当前我国的农田资源和土壤环境正面临着新的形势与挑战，土壤的重要性正从农业生产基础向环境安全、资源利用、生态建设及全球变化等方向转变。与此同时，环境学、生物学、物理学、生态化学、数学及信息科学等学科的发展，则为土壤科学领域与资源利用技术研发注入了新的活力，提供了更丰富的理论指导、更多的应用方法和先进的技术手段，促进了土壤学科之间的交融与支撑，必将使我国的土壤科学与肥料技术创新及应用取得更大突破。毫无疑问，土壤科学也必将在新的需求和与其他学科发展的推动下，取得新的成绩。

3 野外观测与定位试验是土壤学研究的重要方法

众所周知，农业生产不仅是农村经济的主要环节，而且也是农村社会经济持续发展的重要基础。农业生产的周期性与连续性有赖于优质土壤和有效肥力的支撑。那么如何保育土壤，怎样培肥地力呢？实践证明，必须实行种地与养地的有机结合，其中一个重要的环节就是要进行定位试验与野外观测，以了解变化动态，分析内在规律，指导生产实践。福建地处我国南方红壤区，受东南季风影响，高温多雨，矿物风化和淋溶作用强烈，土壤多呈酸性反应，阳离子交换量低，土壤有机质含量较低，大量与微量养分元素缺乏，保肥供肥性能差，土壤自然肥力不高。同时还由于不合理的开发利用，导致水土流失严重，尤其是旱地土壤养分贫瘠化现象十分严重。因此，应当针对红壤地区农田养分库退化、土壤生物功能退化、有益动物和微生物减少、病原微生物和有害动物增加、土壤生态循环功能下降等问题，研究并建立土壤生物功能与养分供应能力监测指标体系，研究土壤养分库的快速激活与恢复技术、土壤生态功能的生化调控技术等，集成构建退化红壤质量的综合修复技术体系，增强红壤旱作生态系统土壤生物的多样性及其稳定性，提高旱作综合生产能力与经济效益。

就种植业而言，农业资源与环境科学是研究农业生物生产活动中的基本资源问题及其与生态、环境之间的相互关系，跟踪研究农业自然资源的演化和开发利用过程、格局与调控机理，研究农业资源开发利用的环境影响和开发废弃物资源化技术、环境修复技术，揭示和发现自然资源利用与社会经济发展的相互作用机理、资源流动机制，其对农业生产质量与高优产品开发都是至关重要的。发展农业资源科学和生态环境科学，也一直是农业高优生产与保护资源环境领域的重要研究任务和重点。而野外长期观测与定位试验是开展农业资源与环境研究的基本手段。通过长期定位试验所提供的土壤质量演变、生态环境变化数据与资料，是科学研究的珍贵资源与基础积累。

福建省农业科学院土壤肥料研究所野外台站由全国化肥网设置的一个长期定位试验点逐步发展起来的，自1983年建站至今已走过30年的历程。从20世纪70～80年代中低产田改良攻关到现今的高标准农田建设，从水稻专用配方肥研发到全省各大作物的专用肥配方提供，从传统的单质肥料到复混肥、稳定性肥料以及水溶性肥料研发与养分资源高效利用，从绿肥品种选育筛选到分子辅助育种以及综合利用，土壤肥料研究所老中青几代科技人员在台站发展中均留下了辛勤耕耘的足迹。如今，台站已发展形成包括福州市闽侯县、莆田市荔城区、宁德市福安市、漳州市角美区等多个长期定位试验的观测点，形成一站多网的分布格局，涉及的研究领域包括施肥与农产品品质、紫云英与土壤肥力、面源污染、重金属源头控制、耕作轮作制度、生物多样性等。同时，通过野外长期定位试验研究得出的理论成果与配套技术已直接服务于生产。

在当前土壤科学快速发展的形势下，土壤肥料和农业资源环境领域的科技工作者应针对国家、社会的需求发现问题与制定目标，持之以恒地开展野外科技研究，为发展高产、优质、高效、生态和安全型的现代农业做出新的贡献。同时，要重视传统肥料的作用和农家肥的积造，经过沤制、烧制、腐熟、消毒后的农家肥，肥力强、肥效长，含有丰富的有机质，对于改良土壤物理性质、耕作性能，从而提高农产品质量，有着化学肥料不可替代的作用。就野外观测台站深化研究而言，必须要把握六个重要环节：一是单项研究要持之以恒，长期坚持，分析肥力变化动态与消长规律；二是不同处理要优化调整，充实完善，分析不同因素影响与配套技术；三是资源利用要拓展研究，高值开发，探讨运作管理模式与机制创新；四是保护生态要种田养地，注重保育，不断创新基础理论与集成技术；五是构建野外观测台站群，完善体系，提升土壤质量管理与保育水平；六是深化闽台交流与合作，互相借鉴，构建联合观测网络并实现资源共享。总之，我们必须不断提升对土壤变化规律和生态保育重要性的认识，并与时俱进地不断推动土壤科学创新，以更好适应我国未来土壤肥料与资源利用科学的发展，为福建农业农村经济持续发展提供了理论指导与技术支撑。

［1］赵其国.发展与创新现代土壤科学土壤学报，2003（3）：321.

［2］环境保护部.中国环境质量状况报告.［EB/OL］.［2013－06－06 ］.http：//jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/2012zkgb/201306/t20130606＿253396.htm.

［3］孙彬.我国10%耕地遭重金属污染东北黑土地或消失 ［N］.经济参考报，2012－06－11（3）.

［4］曲昌荣.中国近年基础地力贡献率不断下降 ［N］.人民日报，2013－04－14 （7）.

［5］吕春生.食物安全与我国农业资源环境 ［J］.中国食物与营养，2006 （1）：17.

［6］赵其国.21世纪土壤科学展望 ［J］.地球科学进展，2001（5）：169－172.