土壤―地球活的皮肤

　　　　　　　　　　　　　　　　 译自“国际地球年重要主题宣传册”

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　黄标、孙序磊

土壤的确非常美妙。她们是维持人类生活的主要支撑系统，为根系提供固定场所，长期容纳植物生长所需的水分，提供维系生命的营养物质。可以这样说，如果没有土壤，地球的景观就像火星一样荒芜。土壤是大量微生物的家园，在这里，微生物通过自身的代谢，完成土壤中一系列生物化学转化过程，如固定大气中的氮、分解土壤中的有机质等；同时，土壤也是我们熟悉的蚯蚓、蚂蚁和白蚁等动物的聚集场所。大部分土壤生物都生活在土壤内部，而不在地面上。

无论观察土壤表面还是土壤内部，或者利用土壤，我们会发现，土壤是如此丰富多彩。地球表面多样的物种以及为人类提供的各种生存环境也反映出地球表面这层皮肤的丰富多样。　　　　　　　　　　　　　　　 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  绚丽多彩的土壤

俄罗斯的土壤学先驱瓦西里•道库恰耶夫（1846-1903）在125年前就首次确认，不同类型的土壤并不是随机的散布在各种景观内，而是以可预测的型式有规律的分布在不同的景观之中。她们是母质、气候、地形和生物等自然因素随着时间的推移共同作用的产物，即道库恰耶夫所说的“景观序列”。

人类也是土壤形成的一个驱动力；像一些景观一样，土壤也常常受人类活动的影响。如果农民们利用土壤能够维持其农业系统可持续，那么长期的利用就培育出了适合耕作的农业土壤；然而土壤管理措施必须适合土壤条件，否则的话，土壤就有可能退化而无法形成农业土壤。土壤除了农业利用外，今天，我们在城市发展过程中，对土壤还有着不同甚至非常特殊的需求；随着城市化过程中土地利用的变化，土壤渗透和排水功能、气候变化缓冲功能等将起着主要作用。

各种土壤景观会随着管理方式的不同发生各种各样的变化。正是因为这个原因，一些独特的农业生产或建设措施在一些地方受到青睐，而在其他地方却不受欢迎。土壤调查确定和描绘出各种土壤景观的分布及特征；土壤科学的其他分支学科则研究如何最大限度地发挥土壤的自然优势，消除土壤利用的障碍因素，例如：在干旱土壤上实施灌溉、将湿地的积水排干、给贫瘠的土壤施肥、在松软的土壤上加固地基。

生物、土壤、大气、水和地貌共同演化，彼此相互作用。土壤会随地形、大气及其气候、地表水和地下水资源以及生态系统的不同而不同。

土壤可能是不连续地或连片地分布在地球表面，作为地球行星至关重要的皮肤，地球上所有的生命都依赖于她的存在。然而我们常常想当然地把她看成是一种无限的资源，毫无节制地开发利用，无视土壤质量的降低。

以往人们都是将土壤、水、燃料和矿产资源作为简单的资源来对待。当然，社会和经济的发展需要利用土壤这一资源，这一点与土壤科学其他地球科学工作一样，大家都在努力研究如何有效利用各种自然资源来保证我们的经济发展。然而，与其他资源不同的是，对土壤科学而言，土壤需要支撑更多的人类活动来实现这一有限而稀缺资源的可持续利用，这些活动包括农业生产、土木工程、水供应、保障空气和水质量、清洁环境、废弃物处置等。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 土壤科学与社会

当土地利用和管理与土壤功能很好地匹配时，土壤功能的发挥与人们预期的景象相符。庄稼和花草茂盛、家畜兴旺、泉井水源丰富、道路和建筑规范、投资环境安全，以至于人们感觉不到土壤功能的作用。但是，当土壤利用不能与土壤性质相匹配时，问题就显现出来了。作物欠收，牲畜患病，在胀缩强烈或盐分较多的土壤上，道路、建筑、管道、电缆会断裂；在地基不稳定的地方，建筑物结构会发生灾难性的坍塌。在大片的城区，被混凝土或沥青密封的土壤表面会造成更多、更快的径流。

随着土壤利用和管理发生明显的变化，有可能使景观固有的一些功能丧失，这些功能包括景观的生产、水文、生态功能。虽然在土壤利用和管理方面，我们已经享受了很大的成功，例如通过施肥，灌排水等措施强化了土壤的生产功能，但是，究竟如何很好地发挥土壤功能？需要发挥多大功能？两者之间的度目前还很难把握。

目前土壤科学面临的挑战是如何发挥我们的聪明才智，避免不合理的利用方式或采取适当措施防止景观功能的丧失，使得各种重要的土壤基本功能都能有效发挥作用。

现在新技术可以揭示我们这个行星各种各样的面貌，可以向我们显示地球的演变，也可以在任何尺度上显示地球系统的运行状况。摆脱物理尺度和感官的限制，在空间尺度上，我们可以观测到从分子到全球尺度的物体，在时间尺度上，可以观测到从毫微秒到千年时间跨度的变化。这些观测结果已被构建成地球演变过程的模型，用以预测地球演变的趋势和选择未来管理的措施。现在我们可以用预测模型来作出决策和制定政策，取代我们曾经依赖的重复试验方法，做到既提高土壤质量，又为子孙后代保护地球的皮肤。

掌握了矿物、土壤结构及显微镜下生物组织等方面的知识，了解了土壤物理、化学和生物过程的机制，使我们认识到，人类深入观察和解剖土壤的许多新手段有力地推动了目前科学的发展或新的发现，这一点着实令人激动。老一辈科学家使用的显微镜或曲颈瓶已变成了如今科学家们所使用的电子显微镜和等离子体光谱仪。尽管这样，地球系统比我们短短几千年文明认识的世界还是要大得多，演变时间也要长的多，可见，地球系统还有更多的未知需要进一步去认识。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 水之源

所有淡水的根本来源是雨水。雨水可被拦截和蒸发、渗透进土壤，或者随着破坏性的地表径流损失掉，这些都取决于土地覆盖和土壤条件。快速径流会引发洪灾、流失肥沃的土壤、侵蚀河岸，以致破坏水生生态系统，并堵塞水库和河道。渗透的水可以保持在土壤中，并被植物利用或补给地下水和地表溪流，这些过程则取决于土壤的厚度、渗透性和含水能力。

水是“有害”还是“有利”取决于其在土壤表面和土壤剖面中的分布情况。更确切地说，它取决于土壤类型和人们对土壤的利用管理方式。水资源可以被浪费，但如果管理的当，同样的水可提高三倍的使用效率。然而，流域水源地的农民和牧民在实施水资源管理时，真正受益的是生活在下游城市里的居民。

所以，要管理好水资源、降低其危害性，人们必须做到：

1、对每一个独特的水传输系统（包括气候、土壤、地形、地表水和地下水以及土地利用方式）都要有深刻的理解。

2、管理措施需应用到整个流域范围内，而不只是在特定点或特定农场区域内实施。

3、下游受益群体应给予上游管理者补偿，应使得他们实施水土资源综合管理后能获得更多的利益。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  土壤与地球的其他系统

土壤也是构成地球上各种系统的重要组成部分:

1、气候：土壤可通过水的循环，碳储存和温室气体排放（水蒸汽、二氧化碳、氮氧化物和甲烷）调节气候；

2、水循环：土壤是世界上水文循环过程中的关键环节和重要缓冲系统。约60%的淡水（“绿色”的水）被贮存在土壤中可供植物利用。土壤也可调节河流和地下水、湿地、灌溉、家庭和工业用水的水供应，有时甚至可调节数千英里以外下游地区的用水。

3、废物和养分循环：风化释放或从空气中固定的养分都在土壤中循环；毒素可在土壤中被降解。如果这个循环受到干扰的话，可能带来水体富营养化或水土资源的污染，亦有可能造成养分枯竭，威胁到世界各地的无数生灵。

4、侵蚀：覆盖地表的土壤如果丧失，可能导致地球这一活的皮肤被剥离，从而丧失其拥有的不可替代的功能。侵蚀的土壤使水体变得浑浊，或者覆盖在肥沃的土壤上，或者沉积在河流、水库和港口内，这些都不是人们所希望的。但侵蚀也不全是坏事，三角洲、冲积平原及黄土平原上许多最肥沃的土壤就是过去侵蚀的产物，海洋中的营养也大都来自土壤侵蚀。然而，当管理不善导致风和水的侵蚀加快，那么，侵蚀会导致明显的土壤退化、空气和水质量降低。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　  土壤和水污染

土壤通常被用来倾倒生活垃圾和工业废料。在许多强烈利用的农业耕作区，从有机或无机肥料、家畜或处理作物秸秆排出的废水中淋失的养分可导致地下水含有高量的硝酸盐和其他化学物质。土壤一方面可过滤、吸收和循环利用大量的这些废弃物；另一方面，有毒物质过量又会淋滤到溪流和地下水中。这些过程也取决于土壤性质，沙性的土壤易于淋溶，而厚重的粘土则不易渗漏。

在世界范围内，由于城市、工业、集约化农业发展造成的土壤和水污染是主要的研究课题。对于大多数土壤而言，要减轻严重的污染就意味着挖掘和昂贵的处理。在欧盟、北美和澳洲，如果要利用土壤，则必须预防土壤污染，一旦土壤遭到污染则要求采取措施进行修复，这些规定已经通过法律形式被确定下来。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　  问题土壤

在自然状态下，有些土壤干燥时非常硬，潮湿时又很粘，排水状况较差，砾石参杂其中；一些土壤养分含量很低，或者含有大量的铝或盐。由于土壤存在这样那样的问题，所以，自从有稳定的农业活动以来，人类就在不断改造这些问题土壤。

酸性硫酸盐土是世界上最具有危害性的土壤。在不受外界干扰的情况下，他们不会惹麻烦。但如果将水排掉，土壤会生成硫酸，10立方米的酸性硫酸盐土可产生1.5吨硫酸，并且释放出铝、重金属和砷等的混合物进入排水和洪水中。这些酸腐蚀钢铁和混凝土，污染河流和河口地区，造成鱼类大量死亡，产生疾病等。食品链中铝、重金属和砷的积累对健康影响的机理尚不清楚，但可以肯定它们是不受欢迎的。

这些土壤主要分布在沿海沼泽地，尽管这类土壤肥力并不高，但一直以来，人们总是在不断开垦，得到他们想得到的，近年来，人们更是开垦这片土地，用于城市和娱乐业的发展。一直依赖这片土壤生存的祖祖辈辈几代人已经越来越贫穷，他们的饮用水也受到了污染。这些工程的实施及产生的环境后果通常是灾难性的。

尽管人们在实践中根据自己的经验逐渐地找到了一些解决问题的方法，但是，从科学上阐明其机理则要来的晚些。在经历了1852年荷兰Haarlemmermeer湖那次最大的土地开垦计划失败后，才由J.M. van Bemmelen在19世纪80年代阐述清楚，即固定在淹水土壤中的硫化物，排水后被氧化的过程。之后，花了一个多世纪才建立一套完整的科学体系，用于解决实际问题，并预测了世界各地这些土壤的现状及危害程度。

　　　　　　　　　　　　　　　　　 区域和全球系统快速准确的调查

航空航天传感器正源源不断提高我们对于区域和全球系统的认识。超强能力计算机处理的数据揭示了这些系统的规模、复杂程度和时间尺度，并指出它们有怎样的关联性。详实而可靠的信息对合理决策至关重要。科学家们会将这些资料运用到决策和政策制定中。

虽然我们有着丰富的土壤资料，但大多是陈旧的、不准确的，在某些情况下是无法使用的。新的航空航天传感器前所未有地提供了详细的、精确的、快速获取的区域或全球地表覆盖资料，获得的磁学和电磁学资料还能提供地表深处的信息。更为特殊地，卫星数据的运用使得低成本监测成为可能。然而，如何进行准确的野外校验和熟练的室内解译相当关键。

这些新信息正在被应用到气候模型、农业和森林估产、土地退化和改良评价、水资源管理、侵蚀与沉积估算等方面。良好的资料信息有助于抑制盐分、确定地下水资源、预测水贮藏量和其他工程量，以及评价土地特定用途的适宜性。

　　　　　　　　　　　　　　　　  土壤-系统内的系统

英国科学家James Lovelock指出，地球看起来像一个自动调节的系统，他将其称之为大地女神。如果这个说法正确，那么其含义对于地球科学和社会的决策方式都将产生深刻的影响。

1、了解全球系统需要跨学科、跨机构、跨国界的合作。

2、全球系统超越私人财产，地区、国家的权限和能力。

3、这个系统运行数十年甚至几个世纪。那些不利的变化难以改变，同样，也难以阻止或逆转。

4、全球系统支撑着所有的经济和社会活动，而这些活动的获利既可以是私有财产也可以是免费的公共资源。

因此，土壤科学要立足于全球和区域系统开展工作。国际地球年的科学及其延伸项目也主要是关注全球和区域系统，因为这些系统支撑着我们日常生活，支撑着我们作为地球一个物种的未来，决定着我们星球演变的轨迹。

　　　　　　　　　　　　　　　  与土壤科学相关的四个关键问题

1. 为了获得最大社会和环境效益，土壤科学未来的研究方向在哪里？

土壤科学对农业生产的指数增长作出了较大贡献，使得全世界的人们有饭吃、有房住、有衣穿。研究土壤与农业生产的关系仍然是土壤科学的一个重要研究热点，但在现代，土壤科学领域不但包括精准农业、有机农业、森林和农业系统的碳固定等的研究，也包括了退化土地的恢复以及可持续发展等方面的研究。

70年代以来，土壤科学已经与环境方面的研究课题紧密地联系在一起，例如土壤污染、气候变迁、水文循环的有效保持、城区土壤的作用和生物多样性的维持等。土壤科学也面临着有很大的挑战，这些挑战来自人口的不断增长以及对土地和水资源需求不断增加的压力。土壤时空特征以及在生态系统内功能的认识，对于我们了解地球系统至关重要。要合理的利用自然资源就必须不断扩大我们知识面，以适应这个快速动态变化的世界；这样，确定土壤科学未来的研究方向就显得非常关键。

2. 我们如何将土壤科学与地球科学其他学科的知识联系起来？

在过去，环境数据已通过地质学、地貌学、土壤学、水文学和生态学等学科的工作积累起来。跨学科的团队也越来越多的利用这些专家数据，例如在全球模型研究中，利用这些数据揭示了地球环境的变化，预测了地球未来的发展情形。将这些数据库进一步整合，通过传统领域之间的交叉研究，例如土壤学和固体地质学之间有关风化层的研究，通过所有空间尺度范围内土地利用和管理对土壤特性影响的研究等，可以期望获得更大的成果。土壤圈是连接大气圈和地表其他圈层之间的纽带，我们需要加强不同的研究群体之间的互通和交流，让大家认识到土壤学在各自研究中的重要性。要弥补这些缺口还需要付出大量的工作。关键是如何可以最有效地做到这一点。

3. 我们怎样才能更好地与社会沟通？

大部分研究者通常认为Wǒmen zěnyàng cáinéng gèng hǎo de yǔ shèhuì gōutōng?

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: “如果研究成果不发表，就等于白做。”但发表在同行评议期刊上的研究成果很少影响到与研究内容相关的人员或社会大众，也不会直接影响到政策制定和实际应用。资助者和资助机构越来越多的要求研究者改善沟通渠道，更多地为社会服务。为了做出可靠的决策，需要可靠的、以科学为基础的资料。这意味着科学家要更为有效地与决策者互动，但这是一个双向的互动过程，双方都有很多东西需要学习。我们也在寻找广播和电视节目、游戏、图片、新闻和互联网等方式最大程度地让人了解这些研究成果。更好的互通也应该吸引学生们参与，他们可是土壤科学未来的希望。

4. 如何最大限度地利用民间的土壤学知识？

土地使用者和社会也蕴含着丰富的土壤学知识。这些知识是从几代人的经验和观察中提炼出的精华；他们是很实用的，以增产为导向，对局部土壤有针对性。他们本应该是一个巨大的资源，但到目前为止，这些民间的土壤学知识只是偶尔应用于正式的科学调查研究中。然而，开发和整合这些知识成为可用的信息并不那么容易。