土壤生態(tài)過程研究與野外觀測臺站建設(shè)

翁伯琦，張偉利

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。土壤肥力是農(nóng)田最本質(zhì)的特征，能夠提供作物生長所需的水分和養(yǎng)分，肥沃的農(nóng)田與潔凈的土壤是生產(chǎn)高優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品的基本保證。就目前而言，提高土壤質(zhì)量、維護生態(tài)環(huán)境安全以及推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代土壤學(xué)的根本方向和主要任務(wù)?？茖W(xué)研究表明，土壤中的養(yǎng)分含量與作物生長之間必須維持供需平衡，必須注重調(diào)節(jié)。如果不注重土壤保育，不注重合理施肥，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的惡化，必然會致使作物減產(chǎn)、品質(zhì)下降，必然嚴(yán)重危害我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、食物鏈安全、人類的健康、經(jīng)濟的發(fā)展和社會的穩(wěn)定，必然會影響到我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展甚至世界地位。因此，探究土壤變化規(guī)律，研發(fā)土壤保育技術(shù)，有效防控環(huán)境污染，無疑是維持 “人口－資源－環(huán)境－經(jīng)濟－社會”這個大系統(tǒng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和持續(xù)發(fā)展的根本保證。

1 土壤學(xué)研究必須應(yīng)對當(dāng)前土壤資源危機與挑戰(zhàn)

眾所周知，農(nóng)業(yè)是以土地、水、能源和生物等自然資源為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)，自然資源的數(shù)量與質(zhì)量狀況對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展至關(guān)重要。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，從業(yè)人口超8億的農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的牢固基礎(chǔ)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級不僅面臨人口增加、資源緊缺、經(jīng)濟增長的新挑戰(zhàn)，也會受到國際農(nóng)產(chǎn)品市場與貿(mào)易的深刻影響。就世界耕地而言，質(zhì)量較好的土壤僅占總耕地面積的40%，其余大約有60%是低產(chǎn)出高消耗的類型，其中還包括受工業(yè)廢棄物、化學(xué)農(nóng)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(zhàn)略任務(wù)。據(jù)有關(guān)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(chǎn)量小于2250kg的低產(chǎn)田大約占了1/3；土壤侵蝕嚴(yán)重，危害巨大，尤其值得關(guān)注是黃土高原與紅壤丘陵地區(qū)土壤侵蝕面面積達5000萬hm2以上；優(yōu)質(zhì)土地被占用，耕地減少，可墾或者待墾的宜農(nóng)耕地資源已不足2000萬hm2［1］。因此，無論是世界還是中國，現(xiàn)代土壤學(xué)理論與技術(shù)研究面臨的重要任務(wù)之一，就是加強土壤資源的保護、合理開發(fā)以及實施土壤資源的綜合治理。

2020－2030年是中國發(fā)展的關(guān)鍵時期，占世界22%人口的中國要全面實現(xiàn)小康是史無前例的目標(biāo)。在食物安全方面，要滿足13億人口的營養(yǎng)與健康，在經(jīng)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(jīng)濟發(fā)展所帶來的生態(tài)環(huán)境問題。例如相當(dāng)部分地區(qū)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(yán)重。據(jù) 《2012年中國環(huán)境狀況公報》報道，全國現(xiàn)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(fēng)力侵蝕面積165.59萬km2［2］。農(nóng)業(yè)面源污給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重損失，據(jù)環(huán)保部統(tǒng)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(nóng)藥、化肥和工業(yè)導(dǎo)致的土壤污染，我國糧食每年因此減產(chǎn)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(jīng)濟損失超過200億元［3］。

與以往相比，我國農(nóng)業(yè)資源仍十分緊張，人均耕地不足1067m2，并呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，現(xiàn)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(nóng)業(yè)部對全國107個國家級耕地質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析顯示，近十多年我國基礎(chǔ)地力貢獻率下降了5%［4］。各項建設(shè)占用的耕地大部分為城鎮(zhèn)周圍地勢平坦、交通便利、水利條件較好，土質(zhì)較肥沃的優(yōu)質(zhì)耕地，而新增耕地的主要途徑是未利用土地的開發(fā)利用、農(nóng)村居民點整理、耕地整理及廢棄地復(fù)墾利用等，開發(fā)出的耕地質(zhì)量較差，很難形成一定的生產(chǎn)能力，導(dǎo)致新增耕地與被占用耕地的質(zhì)量差別較大，產(chǎn)出水平相差達1.0～1.5倍。據(jù)統(tǒng)計，1987－1996年全國新減少耕地679萬hm2（產(chǎn)糧能力為600億kg），新增耕地395萬hm2（產(chǎn)糧能力為110億kg），兩者產(chǎn)糧能力相差490億kg，相當(dāng)于中國目前糧食總產(chǎn)量的10%［5］。

從2001年聯(lián)合國開展千年生態(tài)系統(tǒng)評估以來，國際上日益關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、變化趨勢和應(yīng)對政策的研究，日益關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保護和建設(shè)，對土壤學(xué)研究也提出了新的更高要求。在丘陵生態(tài)脆弱區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)領(lǐng)域，國內(nèi)外的發(fā)展趨勢已經(jīng)從生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)提高，日益強調(diào)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境保護功能和提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益的結(jié)合，重視農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和健康質(zhì)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(shù)，如在退化紅壤肥力重建方面，形成了提高作物養(yǎng)分資源利用效率的根際調(diào)控技術(shù)、貧瘠紅壤養(yǎng)分庫恢復(fù)的種植模式和施肥技術(shù)、紅壤酸化的化學(xué)綜合治理技術(shù)、經(jīng)濟綠肥開發(fā)利用技術(shù)、堆肥環(huán)境生物與控制關(guān)鍵技術(shù)等。但是與農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)實要求相比，與土壤生態(tài)面臨的危機與挑戰(zhàn)相比，土壤學(xué)研究現(xiàn)狀還有一定的差距，必須針對當(dāng)前存在問題開展有針對性研究。

2 農(nóng)田土壤生態(tài)過程研究的主要內(nèi)容與發(fā)展趨勢

全面深入分析中國農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境面臨的問題，并切情探索出改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的對策措施，這無疑是實現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展與保障糧食安全的迫切需要。就理論層面認識，土壤質(zhì)量是指土壤肥力的豐缺、土壤生態(tài)的優(yōu)劣及土壤的健康狀況等三個方面的綜合質(zhì)量的體現(xiàn)。一般認為，它是保障土壤生態(tài)安全和資源可持續(xù)利用的能力的重要標(biāo)志，也是現(xiàn)代土壤學(xué)深入研究的核心內(nèi)容。通過對土壤質(zhì)量的時空演變規(guī)律，即土－氣、土－水、土－植的物質(zhì)交換，紅壤、潮土、黑土、水稻土等質(zhì)量演變與持續(xù)利用研究，提出不同類型與區(qū)域的土壤質(zhì)量指標(biāo)評價體系，建立土壤質(zhì)量的變化趨勢預(yù)警與技術(shù)調(diào)控對策，是十分必要的。就實踐意義認識，就是要通過對環(huán)境質(zhì)量的演變規(guī)律、界面過程及環(huán)境保護的重建對技術(shù)的集成研究，力求突破關(guān)鍵環(huán)節(jié)，優(yōu)化組合技術(shù)，防控面源污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用，實現(xiàn)種田和養(yǎng)地的有機統(tǒng)一。通過多年來的努力，在許多領(lǐng)域的研究取得了進展，如對我國南方沿海地區(qū)、長江流域地區(qū)及珠江三角洲區(qū)域的農(nóng)田土壤質(zhì)量和大氣環(huán)境變化規(guī)律及其調(diào)控技術(shù)進行的系統(tǒng)研究，對地區(qū)污染物的產(chǎn)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(yǎng)鹽形成的復(fù)合污染及修復(fù)與風(fēng)險評價有了深入了解，并結(jié)合區(qū)域生產(chǎn)實際，提出了區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的調(diào)控技術(shù)。許多研究與實踐都對豐富現(xiàn)代土壤學(xué)理論與技術(shù)體系做出了新的貢獻。

新世紀(jì)的全球戰(zhàn)略任務(wù)之一就是要著力解決全球及地區(qū)性環(huán)境及其質(zhì)量問題，其中包括自然環(huán)境及其質(zhì)量、社會經(jīng)濟環(huán)境及其質(zhì)量、人類生存與健康環(huán)境及其質(zhì)量問題等。從土壤學(xué)角度看，除了要深入研究土壤自身基本性質(zhì)及其發(fā)生規(guī)律外，其重點是探索土壤及環(huán)境質(zhì)量的命題，具體包括土壤全球變化與環(huán)境、土壤圈層與物質(zhì)循環(huán)、土壤生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量、土地利用與土壤退化、農(nóng)業(yè)土壤與產(chǎn)品質(zhì)量、種田養(yǎng)地與保護耕作、資源利用與農(nóng)業(yè)開發(fā)、土壤肥力與水土保持、土壤污染與優(yōu)化修復(fù)和城鄉(xiāng)建設(shè)及環(huán)境保護等。土壤是作物生長與環(huán)境科學(xué)研究的主體，必須要有系統(tǒng)工程理論的指導(dǎo)和多學(xué)科、多專業(yè)的參與。從土壤學(xué)研究歷史看，人們預(yù)測到2020年前將轉(zhuǎn)入對社會環(huán)境進行系統(tǒng)性評價，尤其會對土壤與社會環(huán)境系統(tǒng)相關(guān)性進入深入的研究，力求闡明內(nèi)在變化與優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，提升土壤質(zhì)量與保育水平，為綠色發(fā)展與生態(tài)保護提供科技支持［6］。

就發(fā)展趨勢分析，今后現(xiàn)代土壤學(xué)研究將更加關(guān)注土壤質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)研究。專家認為，其重點主要集中在五個方面：一是土壤質(zhì)量的時空變化與發(fā)展動態(tài)研究，主要涉及不同時間尺度土壤質(zhì)量動態(tài)變化與內(nèi)在變化規(guī)律、空間差異分布與土壤內(nèi)在特點、土壤質(zhì)量演變與影響因素等。二是農(nóng)田土壤質(zhì)量的演變過程與形成機理，主要涉及土壤物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)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(zhì)量演變的影響及反饋機理。三是土壤肥力的指標(biāo)體系與優(yōu)化調(diào)控原理，主要涉及土壤質(zhì)量的自然與人為指標(biāo)體系、土壤肥力演變的信息數(shù)據(jù)庫與政策咨詢系統(tǒng)的建設(shè)、土壤肥力的調(diào)控原理研究等。四是土壤養(yǎng)分在土壤圈中循環(huán)及交互作用，主要涉及土壤養(yǎng)分形態(tài)及其動態(tài)平衡，農(nóng)田耕作層土壤養(yǎng)分、根系分布、微生物與土壤酶活性之間相互關(guān)系及其作用。五是不同類型土壤的持續(xù)重建與定向培育，主要涉及水土保持、養(yǎng)分流失、種田養(yǎng)地、土壤保育等方面理論研究與技術(shù)體系構(gòu)建。必須強調(diào)是，農(nóng)田質(zhì)量、耕地土壤以及合理施肥的科技創(chuàng)新研究應(yīng)結(jié)合綠色發(fā)展理念與區(qū)域農(nóng)村產(chǎn)業(yè)需求進行，只有這樣才能使土壤環(huán)境研究更具實踐意義。

不言而喻，當(dāng)前我國的農(nóng)田資源和土壤環(huán)境正面臨著新的形勢與挑戰(zhàn)，土壤的重要性正從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)向環(huán)境安全、資源利用、生態(tài)建設(shè)及全球變化等方向轉(zhuǎn)變。與此同時，環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、生態(tài)化學(xué)、數(shù)學(xué)及信息科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，則為土壤科學(xué)領(lǐng)域與資源利用技術(shù)研發(fā)注入了新的活力，提供了更豐富的理論指導(dǎo)、更多的應(yīng)用方法和先進的技術(shù)手段，促進了土壤學(xué)科之間的交融與支撐，必將使我國的土壤科學(xué)與肥料技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用取得更大突破。毫無疑問，土壤科學(xué)也必將在新的需求和與其他學(xué)科發(fā)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(xué)研究的重要方法

眾所周知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅是農(nóng)村經(jīng)濟的主要環(huán)節(jié)，而且也是農(nóng)村社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期性與連續(xù)性有賴于優(yōu)質(zhì)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(yǎng)地的有機結(jié)合，其中一個重要的環(huán)節(jié)就是要進行定位試驗與野外觀測，以了解變化動態(tài)，分析內(nèi)在規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。福建地處我國南方紅壤區(qū)，受東南季風(fēng)影響，高溫多雨，礦物風(fēng)化和淋溶作用強烈，土壤多呈酸性反應(yīng)，陽離子交換量低，土壤有機質(zhì)含量較低，大量與微量養(yǎng)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(fā)利用，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，尤其是旱地土壤養(yǎng)分貧瘠化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，應(yīng)當(dāng)針對紅壤地區(qū)農(nóng)田養(yǎng)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(tài)循環(huán)功能下降等問題，研究并建立土壤生物功能與養(yǎng)分供應(yīng)能力監(jiān)測指標(biāo)體系，研究土壤養(yǎng)分庫的快速激活與恢復(fù)技術(shù)、土壤生態(tài)功能的生化調(diào)控技術(shù)等，集成構(gòu)建退化紅壤質(zhì)量的綜合修復(fù)技術(shù)體系，增強紅壤旱作生態(tài)系統(tǒng)土壤生物的多樣性及其穩(wěn)定性，提高旱作綜合生產(chǎn)能力與經(jīng)濟效益。

就種植業(yè)而言，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)是研究農(nóng)業(yè)生物生產(chǎn)活動中的基本資源問題及其與生態(tài)、環(huán)境之間的相互關(guān)系，跟蹤研究農(nóng)業(yè)自然資源的演化和開發(fā)利用過程、格局與調(diào)控機理，研究農(nóng)業(yè)資源開發(fā)利用的環(huán)境影響和開發(fā)廢棄物資源化技術(shù)、環(huán)境修復(fù)技術(shù)，揭示和發(fā)現(xiàn)自然資源利用與社會經(jīng)濟發(fā)展的相互作用機理、資源流動機制，其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與高優(yōu)產(chǎn)品開發(fā)都是至關(guān)重要的。發(fā)展農(nóng)業(yè)資源科學(xué)和生態(tài)環(huán)境科學(xué)，也一直是農(nóng)業(yè)高優(yōu)生產(chǎn)與保護資源環(huán)境領(lǐng)域的重要研究任務(wù)和重點。而野外長期觀測與定位試驗是開展農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究的基本手段。通過長期定位試驗所提供的土壤質(zhì)量演變、生態(tài)環(huán)境變化數(shù)據(jù)與資料，是科學(xué)研究的珍貴資源與基礎(chǔ)積累。

福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所野外臺站由全國化肥網(wǎng)設(shè)置的一個長期定位試驗點逐步發(fā)展起來的，自1983年建站至今已走過30年的歷程。從20世紀(jì)70～80年代中低產(chǎn)田改良攻關(guān)到現(xiàn)今的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，從水稻專用配方肥研發(fā)到全省各大作物的專用肥配方提供，從傳統(tǒng)的單質(zhì)肥料到復(fù)混肥、穩(wěn)定性肥料以及水溶性肥料研發(fā)與養(yǎng)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(fā)展中均留下了辛勤耕耘的足跡。如今，臺站已發(fā)展形成包括福州市閩侯縣、莆田市荔城區(qū)、寧德市福安市、漳州市角美區(qū)等多個長期定位試驗的觀測點，形成一站多網(wǎng)的分布格局，涉及的研究領(lǐng)域包括施肥與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、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(shù)已直接服務(wù)于生產(chǎn)。

在當(dāng)前土壤科學(xué)快速發(fā)展的形勢下，土壤肥料和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境領(lǐng)域的科技工作者應(yīng)針對國家、社會的需求發(fā)現(xiàn)問題與制定目標(biāo)，持之以恒地開展野外科技研究，為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全型的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)做出新的貢獻。同時，要重視傳統(tǒng)肥料的作用和農(nóng)家肥的積造，經(jīng)過漚制、燒制、腐熟、消毒后的農(nóng)家肥，肥力強、肥效長，含有豐富的有機質(zhì)，對于改良土壤物理性質(zhì)、耕作性能，從而提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，有著化學(xué)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(huán)節(jié)：一是單項研究要持之以恒，長期堅持，分析肥力變化動態(tài)與消長規(guī)律；二是不同處理要優(yōu)化調(diào)整，充實完善，分析不同因素影響與配套技術(shù)；三是資源利用要拓展研究，高值開發(fā)，探討運作管理模式與機制創(chuàng)新；四是保護生態(tài)要種田養(yǎng)地，注重保育，不斷創(chuàng)新基礎(chǔ)理論與集成技術(shù)；五是構(gòu)建野外觀測臺站群，完善體系，提升土壤質(zhì)量管理與保育水平；六是深化閩臺交流與合作，互相借鑒，構(gòu)建聯(lián)合觀測網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)資源共享?？傊?，我們必須不斷提升對土壤變化規(guī)律和生態(tài)保育重要性的認識，并與時俱進地不斷推動土壤科學(xué)創(chuàng)新，以更好適應(yīng)我國未來土壤肥料與資源利用科學(xué)的發(fā)展，為福建農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

［1］趙其國.發(fā)展與創(chuàng)新現(xiàn)代土壤科學(xué)土壤學(xué)報，2003（3）：321.

［2］環(huán)境保護部.中國環(huán)境質(zhì)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(jīng)濟參考報，2012－06－11（3）.

［4］曲昌榮.中國近年基礎(chǔ)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(nóng)業(yè)資源環(huán)境 ［J］.中國食物與營養(yǎng)，2006 （1）：17.

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