土壤生態過程研究與野外觀測臺站建設

翁伯琦，張偉利

（1.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013；2.福建省農業科學院農業政策研究室，福建 福州 350003）

萬物土中生，食以土為本，土壤不僅是人類生存的基本資源，也是農業發展的重要基礎。土壤肥力是農田最本質的特征，能夠提供作物生長所需的水分和養分，肥沃的農田與潔凈的土壤是生產高優農產品的基本保證。就目前而言，提高土壤質量、維護生態環境安全以及推動農業可持續發展是現代土壤學的根本方向和主要任務。科學研究表明，土壤中的養分含量與作物生長之間必須維持供需平衡，必須注重調節。如果不注重土壤保育，不注重合理施肥，農田土壤環境質量的惡化，必然會致使作物減產、品質下降，必然嚴重危害我國農田生態系統的生物多樣性、食物鏈安全、人類的健康、經濟的發展和社會的穩定，必然會影響到我國現代農業可持續發展甚至世界地位。因此，探究土壤變化規律，研發土壤保育技術，有效防控環境污染，無疑是維持 “人口－資源－環境－經濟－社會”這個大系統統籌協調和持續發展的根本保證。

1 土壤學研究必須應對當前土壤資源危機與挑戰

眾所周知，農業是以土地、水、能源和生物等自然資源為基礎的產業，自然資源的數量與質量狀況對農業生產與發展至關重要。中國是一個農業大國，從業人口超8億的農業是國民經濟的牢固基礎。隨著社會經濟的發展，我國農業的轉型升級不僅面臨人口增加、資源緊缺、經濟增長的新挑戰，也會受到國際農產品市場與貿易的深刻影響。就世界耕地而言，質量較好的土壤僅占總耕地面積的40%，其余大約有60%是低產出高消耗的類型，其中還包括受工業廢棄物、化學農藥、重金屬污染的土壤占一定的比例。因此，合理利用與有效保護土壤資源是一項十分長期的戰略任務。據有關資料顯示，我國土壤資源與合理利用存在的問題主要是：土壤資源退化，肥力下降，每公頃耕地的作物產量小于2250kg的低產田大約占了1/3；土壤侵蝕嚴重，危害巨大，尤其值得關注是黃土高原與紅壤丘陵地區土壤侵蝕面面積達5000萬hm2以上；優質土地被占用，耕地減少，可墾或者待墾的宜農耕地資源已不足2000萬hm2［1］。因此，無論是世界還是中國，現代土壤學理論與技術研究面臨的重要任務之一，就是加強土壤資源的保護、合理開發以及實施土壤資源的綜合治理。

2020－2030年是中國發展的關鍵時期，占世界22%人口的中國要全面實現小康是史無前例的目標。在食物安全方面，要滿足13億人口的營養與健康，在經濟安全方面，要保證13億人口的收入增長翻兩番，這就要求既要滿足其所需要的水土資源和能礦資源，又要解決人口與經濟發展所帶來的生態環境問題。例如相當部分地區水土流失、沙漠化、土壤次生鹽漬化、面源污染等問題仍較為嚴重。據 《2012年中國環境狀況公報》報道，全國現有水土流失面積294.91萬km2，占普查范圍總面積的31.12%。其中，水力侵蝕面積129.32萬km2，風力侵蝕面積165.59萬km2［2］。農業面源污給農業生產造成嚴重損失，據環保部統計，我國被污染的耕地面積約為1000萬hm2，占耕地總面積的1/10以上［3］。由于農藥、化肥和工業導致的土壤污染，我國糧食每年因此減產100億kg，全國每年因重金屬污染的糧食高達1200萬噸，造成的直接經濟損失超過200億元［3］。

與以往相比，我國農業資源仍十分緊張，人均耕地不足1067m2，并呈現逐年減少的趨勢，現有耕地中有近一半的土地肥力較差或存在某些障礙因素。2012年，農業部對全國107個國家級耕地質量監測點數據分析顯示，近十多年我國基礎地力貢獻率下降了5%［4］。各項建設占用的耕地大部分為城鎮周圍地勢平坦、交通便利、水利條件較好，土質較肥沃的優質耕地，而新增耕地的主要途徑是未利用土地的開發利用、農村居民點整理、耕地整理及廢棄地復墾利用等，開發出的耕地質量較差，很難形成一定的生產能力，導致新增耕地與被占用耕地的質量差別較大，產出水平相差達1.0～1.5倍。據統計，1987－1996年全國新減少耕地679萬hm2（產糧能力為600億kg），新增耕地395萬hm2（產糧能力為110億kg），兩者產糧能力相差490億kg，相當于中國目前糧食總產量的10%［5］。

從2001年聯合國開展千年生態系統評估以來，國際上日益關注生態系統現狀、變化趨勢和應對政策的研究，日益關注生態系統服務功能的保護和建設，對土壤學研究也提出了新的更高要求。在丘陵生態脆弱區退化生態系統的恢復領域，國內外的發展趨勢已經從生態系統的恢復重建發展到生態系統功能的恢復提高，日益強調恢復生態環境保護功能和提高生態系統生產力和經濟效益的結合，重視農產品品質和健康質量的提高。目前，我國在南方紅壤退化治理實踐中形成了系列紅壤治理技術，如在退化紅壤肥力重建方面，形成了提高作物養分資源利用效率的根際調控技術、貧瘠紅壤養分庫恢復的種植模式和施肥技術、紅壤酸化的化學綜合治理技術、經濟綠肥開發利用技術、堆肥環境生物與控制關鍵技術等。但是與農業發展現實要求相比，與土壤生態面臨的危機與挑戰相比，土壤學研究現狀還有一定的差距，必須針對當前存在問題開展有針對性研究。

2 農田土壤生態過程研究的主要內容與發展趨勢

全面深入分析中國農業資源與環境面臨的問題，并切情探索出改善生態環境、實現農業綠色發展的對策措施，這無疑是實現中國農業持續發展與保障糧食安全的迫切需要。就理論層面認識，土壤質量是指土壤肥力的豐缺、土壤生態的優劣及土壤的健康狀況等三個方面的綜合質量的體現。一般認為，它是保障土壤生態安全和資源可持續利用的能力的重要標志，也是現代土壤學深入研究的核心內容。通過對土壤質量的時空演變規律，即土－氣、土－水、土－植的物質交換，紅壤、潮土、黑土、水稻土等質量演變與持續利用研究，提出不同類型與區域的土壤質量指標評價體系，建立土壤質量的變化趨勢預警與技術調控對策，是十分必要的。就實踐意義認識，就是要通過對環境質量的演變規律、界面過程及環境保護的重建對技術的集成研究，力求突破關鍵環節，優化組合技術，防控面源污染，實現農業資源的循環利用，實現種田和養地的有機統一。通過多年來的努力，在許多領域的研究取得了進展，如對我國南方沿海地區、長江流域地區及珠江三角洲區域的農田土壤質量和大氣環境變化規律及其調控技術進行的系統研究，對地區污染物的產生過程、擴展機理、污染狀況，尤其是土壤重金屬、有機污染物、營養鹽形成的復合污染及修復與風險評價有了深入了解，并結合區域生產實際，提出了區域環境質量的調控技術。許多研究與實踐都對豐富現代土壤學理論與技術體系做出了新的貢獻。

新世紀的全球戰略任務之一就是要著力解決全球及地區性環境及其質量問題，其中包括自然環境及其質量、社會經濟環境及其質量、人類生存與健康環境及其質量問題等。從土壤學角度看，除了要深入研究土壤自身基本性質及其發生規律外，其重點是探索土壤及環境質量的命題，具體包括土壤全球變化與環境、土壤圈層與物質循環、土壤生態與環境質量、土地利用與土壤退化、農業土壤與產品質量、種田養地與保護耕作、資源利用與農業開發、土壤肥力與水土保持、土壤污染與優化修復和城鄉建設及環境保護等。土壤是作物生長與環境科學研究的主體，必須要有系統工程理論的指導和多學科、多專業的參與。從土壤學研究歷史看，人們預測到2020年前將轉入對社會環境進行系統性評價，尤其會對土壤與社會環境系統相關性進入深入的研究，力求闡明內在變化與優化調控技術，提升土壤質量與保育水平，為綠色發展與生態保護提供科技支持［6］。

就發展趨勢分析，今后現代土壤學研究將更加關注土壤質量與生態環境相互關聯的系統研究。專家認為，其重點主要集中在五個方面：一是土壤質量的時空變化與發展動態研究，主要涉及不同時間尺度土壤質量動態變化與內在變化規律、空間差異分布與土壤內在特點、土壤質量演變與影響因素等。二是農田土壤質量的演變過程與形成機理，主要涉及土壤物理、化學性質應變及交互過程和作用機理，尤其要深入探討并揭示人為活動對土壤質量演變的影響及反饋機理。三是土壤肥力的指標體系與優化調控原理，主要涉及土壤質量的自然與人為指標體系、土壤肥力演變的信息數據庫與政策咨詢系統的建設、土壤肥力的調控原理研究等。四是土壤養分在土壤圈中循環及交互作用，主要涉及土壤養分形態及其動態平衡，農田耕作層土壤養分、根系分布、微生物與土壤酶活性之間相互關系及其作用。五是不同類型土壤的持續重建與定向培育，主要涉及水土保持、養分流失、種田養地、土壤保育等方面理論研究與技術體系構建。必須強調是，農田質量、耕地土壤以及合理施肥的科技創新研究應結合綠色發展理念與區域農村產業需求進行，只有這樣才能使土壤環境研究更具實踐意義。

不言而喻，當前我國的農田資源和土壤環境正面臨著新的形勢與挑戰，土壤的重要性正從農業生產基礎向環境安全、資源利用、生態建設及全球變化等方向轉變。與此同時，環境學、生物學、物理學、生態化學、數學及信息科學等學科的發展，則為土壤科學領域與資源利用技術研發注入了新的活力，提供了更豐富的理論指導、更多的應用方法和先進的技術手段，促進了土壤學科之間的交融與支撐，必將使我國的土壤科學與肥料技術創新及應用取得更大突破。毫無疑問，土壤科學也必將在新的需求和與其他學科發展的推動下，取得新的成績。

3 野外觀測與定位試驗是土壤學研究的重要方法

眾所周知，農業生產不僅是農村經濟的主要環節，而且也是農村社會經濟持續發展的重要基礎。農業生產的周期性與連續性有賴于優質土壤和有效肥力的支撐。那么如何保育土壤，怎樣培肥地力呢？實踐證明，必須實行種地與養地的有機結合，其中一個重要的環節就是要進行定位試驗與野外觀測，以了解變化動態，分析內在規律，指導生產實踐。福建地處我國南方紅壤區，受東南季風影響，高溫多雨，礦物風化和淋溶作用強烈，土壤多呈酸性反應，陽離子交換量低，土壤有機質含量較低，大量與微量養分元素缺乏，保肥供肥性能差，土壤自然肥力不高。同時還由于不合理的開發利用，導致水土流失嚴重，尤其是旱地土壤養分貧瘠化現象十分嚴重。因此，應當針對紅壤地區農田養分庫退化、土壤生物功能退化、有益動物和微生物減少、病原微生物和有害動物增加、土壤生態循環功能下降等問題，研究并建立土壤生物功能與養分供應能力監測指標體系，研究土壤養分庫的快速激活與恢復技術、土壤生態功能的生化調控技術等，集成構建退化紅壤質量的綜合修復技術體系，增強紅壤旱作生態系統土壤生物的多樣性及其穩定性，提高旱作綜合生產能力與經濟效益。

就種植業而言，農業資源與環境科學是研究農業生物生產活動中的基本資源問題及其與生態、環境之間的相互關系，跟蹤研究農業自然資源的演化和開發利用過程、格局與調控機理，研究農業資源開發利用的環境影響和開發廢棄物資源化技術、環境修復技術，揭示和發現自然資源利用與社會經濟發展的相互作用機理、資源流動機制，其對農業生產質量與高優產品開發都是至關重要的。發展農業資源科學和生態環境科學，也一直是農業高優生產與保護資源環境領域的重要研究任務和重點。而野外長期觀測與定位試驗是開展農業資源與環境研究的基本手段。通過長期定位試驗所提供的土壤質量演變、生態環境變化數據與資料，是科學研究的珍貴資源與基礎積累。

福建省農業科學院土壤肥料研究所野外臺站由全國化肥網設置的一個長期定位試驗點逐步發展起來的，自1983年建站至今已走過30年的歷程。從20世紀70～80年代中低產田改良攻關到現今的高標準農田建設，從水稻專用配方肥研發到全省各大作物的專用肥配方提供，從傳統的單質肥料到復混肥、穩定性肥料以及水溶性肥料研發與養分資源高效利用，從綠肥品種選育篩選到分子輔助育種以及綜合利用，土壤肥料研究所老中青幾代科技人員在臺站發展中均留下了辛勤耕耘的足跡。如今，臺站已發展形成包括福州市閩侯縣、莆田市荔城區、寧德市福安市、漳州市角美區等多個長期定位試驗的觀測點，形成一站多網的分布格局，涉及的研究領域包括施肥與農產品品質、紫云英與土壤肥力、面源污染、重金屬源頭控制、耕作輪作制度、生物多樣性等。同時，通過野外長期定位試驗研究得出的理論成果與配套技術已直接服務于生產。

在當前土壤科學快速發展的形勢下，土壤肥料和農業資源環境領域的科技工作者應針對國家、社會的需求發現問題與制定目標，持之以恒地開展野外科技研究，為發展高產、優質、高效、生態和安全型的現代農業做出新的貢獻。同時，要重視傳統肥料的作用和農家肥的積造，經過漚制、燒制、腐熟、消毒后的農家肥，肥力強、肥效長，含有豐富的有機質，對于改良土壤物理性質、耕作性能，從而提高農產品質量，有著化學肥料不可替代的作用。就野外觀測臺站深化研究而言，必須要把握六個重要環節：一是單項研究要持之以恒，長期堅持，分析肥力變化動態與消長規律；二是不同處理要優化調整，充實完善，分析不同因素影響與配套技術；三是資源利用要拓展研究，高值開發，探討運作管理模式與機制創新；四是保護生態要種田養地，注重保育，不斷創新基礎理論與集成技術；五是構建野外觀測臺站群，完善體系，提升土壤質量管理與保育水平；六是深化閩臺交流與合作，互相借鑒，構建聯合觀測網絡并實現資源共享。總之，我們必須不斷提升對土壤變化規律和生態保育重要性的認識，并與時俱進地不斷推動土壤科學創新，以更好適應我國未來土壤肥料與資源利用科學的發展，為福建農業農村經濟持續發展提供了理論指導與技術支撐。

［1］趙其國.發展與創新現代土壤科學土壤學報，2003（3）：321.

［2］環境保護部.中國環境質量狀況報告.［EB/OL］.［2013－06－06 ］.http：//jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/2012zkgb/201306/t20130606＿253396.htm.

［3］孫彬.我國10%耕地遭重金屬污染東北黑土地或消失 ［N］.經濟參考報，2012－06－11（3）.

［4］曲昌榮.中國近年基礎地力貢獻率不斷下降 ［N］.人民日報，2013－04－14 （7）.

［5］呂春生.食物安全與我國農業資源環境 ［J］.中國食物與營養，2006 （1）：17.

［6］趙其國.21世紀土壤科學展望 ［J］.地球科學進展，2001（5）：169－172.