《土壤学报》：新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望（彭新华、王云强、贾小旭、高伟达、张中彬、姚荣江、赵英、沈重阳、陈丁江、朱青、高磊）

0 第57卷第5期 土壤学报 Vol. 57. No 5 2020年9月 ACTA PEDOLOGICA SINICA 彭新华,王云强,贾小旭高伟达,张中彬,姚荣江赵英,沈重阳,陈丁江,朱青,高磊新时代中国土壤物理学主要领域进展与展 望[土壤学报,2020.57(5):1071-1087 PENG Xinhua. WANG Yunqiang. JIA Xiaoxu, GAO Weida, ZHANG Zhongbin. YAO Rongjiang, ZHAO Ying, SHEN Chongyang, CHEN Dingjiang, ZHU Qing, GAO Lei. Some Key Research Fields of Chinese Soil Physics in The New Era: Progresses and Perspectives ].Acta Pedologica Sinica. 2020. 57(5):1071-1087 新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 彭新华,王云强2,贾小旭3,高伟达,张中彬,姚荣江!,赵英5, 沈重阳4,陈丁江6,朱青,高磊 1.中国科学院南京土壤研究所,南京21008;2.中国科学院地球环境研究所,西安710061;3.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京100101;4.中国农业大学土地科学与技术学院北京,100083;5.鲁东大学资源与环境工程学院,烟台264025;6.浙江大学环 境与资源学院,杭州310058;7.中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京210008) 摘要:在近20年的发展中,我国土壤物理学得到迅速发展,在国际土壤物理学期刊发文量占比从5%上升到30%,主要 研究聚焦在土壤水文过程与尺度转换、土壤物理质量与可持续农业、水热盐迁移与生态调控、以及污染物迁移与模型模拟 领域。本文综合分析这些领域的研究现状与进展,指出这些进展既有国家需求的驱动,也有新技术新方法的应用,以及与相 邻学科交叉融合,最后展望了这些领域的研究重点。论文还指岀我国土壤物理学面临科研原创性不足、仪器设备研制滞后等 挑战,同时也面临粮食安全和生态环境安全等国家需求迫切解决的机遇 关键词:土壤物理质量;土壤水文过程;污染物迁移;土壤盐渍化;模型模拟 中图分类号:S1524文献标志码:A Some Key research Fields of Chinese Soil Physics in the New Era: Progresses and Perspectives PENG Xinhua, WANG Yunqiang, JIA Xiaoxu, GAO Weida!, ZHANG Zhongbin, YAO Rongjiang, ZHAO Ying' SHEN Chongyang, CHEN Dingjiang, ZHU Qing, GAO Lei (1. Institute of Soil Science, CAS, Nanjing 210008, China; 2. Institute of Earth Environment, CAS, Xian, 710061, China78744480: 3 of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 4. College of Land Science and Techology Agricultural University, Beijing 100083, China; 5. School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Shandong 264025, China; 6. College of Environmental and Resource Science, Zhejiang University, Hang=hon 310058, China; 7. Institute of Geography and Linolog, CAS, Nanjing 210008, China) Abstract: In the recent 20 years, soil physics in China has developed fast, and contributed the papers published in high-reputed international journals from 5%up to 30%. These researches mainly focus on soil hydrological processes and scaling transform, *国家自然科学基金项目(41725004) Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41725004) 作者简介:彭新华(1972—),男,湖南荼陵人,博士,研究员,研究方向:土壤物理与水文过程。E-mai: xhpeng @issasaccn 收稿日期:2020-02-28;收到修改稿日期:2020-04-29;网络首发日期(www.cnki.net):2020-05-07 http://pedologica.issas.ac.cn

第 57 卷 第 5 期 土 壤 学 报 Vol. 57，No. 5 2020 年 9 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Sep.，2020 * 国家自然科学基金项目（41725004）Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41725004） 作者简介：彭新华（1972—），男，湖南茶陵人，博士，研究员，研究方向：土壤物理与水文过程。E-mail：xhpeng@issas.ac.cn 收稿日期：2020–02–28；收到修改稿日期：2020–04–29；网络首发日期（www.cnki.net）：2020–05–07 http://pedologica.issas.ac.cn DOI：10.11766/trxb202002280077 彭新华，王云强，贾小旭，高伟达，张中彬，姚荣江，赵英，沈重阳，陈丁江，朱青，高磊. 新时代中国土壤物理学主要领域进展与展 望[J]. 土壤学报，2020，57（5）：1071–1087. PENG Xinhua，WANG Yunqiang，JIA Xiaoxu，GAO Weida，ZHANG Zhongbin，YAO Rongjiang，ZHAO Ying，SHEN Chongyang，CHEN Dingjiang，ZHU Qing，GAO Lei. Some Key Research Fields of Chinese Soil Physics in The New Era：Progresses and Perspectives [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1071–1087. 新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望* 彭新华1 ，王云强2 ，贾小旭3 ，高伟达4 ，张中彬1 ， 姚荣江1 ，赵 英5 ， 沈重阳4 ，陈丁江6 ，朱 青7 ，高 磊1 （1. 中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2. 中国科学院地球环境研究所，西安 710061；3. 中国科学院地理科学与资源研究所， 北京 100101；4. 中国农业大学土地科学与技术学院 北京，100083；5. 鲁东大学资源与环境工程学院，烟台 264025；6. 浙江大学环 境与资源学院，杭州 310058；7. 中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京 210008） 摘 要：在近 20 年的发展中，我国土壤物理学得到迅速发展，在国际土壤物理学期刊发文量占比从 5%上升到 30%，主要 研究聚焦在土壤水文过程与尺度转换、土壤物理质量与可持续农业、水热盐迁移与生态调控、以及污染物迁移与模型模拟等 领域。本文综合分析这些领域的研究现状与进展，指出这些进展既有国家需求的驱动，也有新技术新方法的应用，以及与相 邻学科交叉融合，最后展望了这些领域的研究重点。论文还指出我国土壤物理学面临科研原创性不足、仪器设备研制滞后等 挑战，同时也面临粮食安全和生态环境安全等国家需求迫切解决的机遇。 关键词：土壤物理质量；土壤水文过程；污染物迁移；土壤盐渍化；模型模拟 中图分类号：S 152.4 文献标志码：A Some Key Research Fields of Chinese Soil Physics in the New Era：Progresses and Perspectives PENG Xinhua1 , WANG Yunqiang2 , JIA Xiaoxu3 , GAO Weida4 , ZHANG Zhongbin1 , YAO Rongjiang1 , ZHAO Ying5 , SHEN Chongyang4 , CHEN Dingjiang6 , ZHU Qing7 , GAO Lei1 (1. Institute of Soil Science, CAS, Nanjing 210008, China; 2. Institute of Earth Environment, CAS, Xi’an, 710061, China78744480; 3. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 4. College of Land Science and Techology, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 5. School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai, Shandong 264025, China; 6. College of Environmental and Resource Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 7. Institute of Geography and Linology, CAS, Nanjing 210008, China) Abstract: In the recent 20 years, soil physics in China has developed fast, and contributed the papers published in high-reputed international journals from 5% up to 30%. These researches mainly focus on soil hydrological processes and scaling transform, 0

1072 土壤学报 57卷 oil physical quality and sustainable agriculture, water-heat-salt transport and ecological regulation, contaminants transport and numeric modeling. This paper reviewed the state of the art of these four fields, and pointed out knowledge gaps and future perspectives. These developments result not only from national demands, applications of new also from the integration and convergence of multi-disciplines. Although soil physics in China has made a great achievement, she faces the shortage of original researches and the weakness of instrument development. One the other hand, she has many opportunities to develop further as solving the requirements from food security and ecological environment security Key words: Soil physical quality; Soil hydrological process; Contaminant transport; Soil salinization; Model simulation 我国土壤物理学科发展现状 起源、土壤生态服务功能等,这些反映了当前土 壤物理学基础科学问题,有的甚至是土壤物理学 土壤物理学是土壤学的基础学科分支之一,主难啃的“骨头”。在迎接国家基金委(NSFC)成立 要研究土壤物理性质和物理过程的科学。进入2130周年之际,宋长青等组织一些学者撰写了《土 世纪以来,我国土壤物理学发展迅速,尤其是近5壤科学三十年:从经典到前沿》,其中一章是《土 年来中国土壤学会土壤物理学专业委员会会议的壤物理学》基于文献计量方法分析了国际与国内 参会人数从2014年230人发展到2019年440人 土壤物理学的发展特征、演进过程、发展动力剖 参会单位百余家。土壤物理会议专题主要涉及:土析、NSFC对中国土壤物理学发展的贡献、以及面 壤水文过程与尺度转换,土壤物理质量与可持续农临的挑战等。 业,土壤水热盐耦合过程与调控,污染物迁移与数 根据 Web of science核心合集数据,选择了以 值模拟等内容。近期,世界土壤科学联合会议土壤物理为主的刊物,包括 Vadose zone journal (wCsS)涉及土壤物理学科主要在土壤结构和土壤 Soil and Tillage Research、 Catena和 Journal of so 水两大领域,比如2018年在巴西里约召开 wcss and Water Conservation等四种期刊,检索时间为 会议,有关土壤物理领域的主题包括:土壤结构动2001-2018年,一共发表9109篇论文,其中中国 态变化与模拟,人为排水系统保持土壤功能与保护学者发表了1389篇。我国土壤物理学SCI论文在 水资源,养分与污染物迁移,土壤物理在水土保持21世纪呈现快速上升趋势,而美国则在2008年以 和食品安全中的作用。可见,国内土壤物理学专题后表现平稳甚至略有下降,至2014年以来我国与美 既涵盖了国际土壤物理学内容,又突出国内特色 国在这四种期刊中发文量基本持平(图1)。从单篇 注重国家需求相结合,研究内容更为丰富,涉及面引用次数来看,我国由于在2001-2010年发文较少 更加宽广。 (279篇),而美国为1696篇,我国单篇平均引用次 几年来,国内外也有关于土壤物理学进展的数为41次,反而高于美国的31次 在2011-2018 综述。在庆祝2015年国际土壤年时,李保国等年阶段,我国发文1110篇,平均引用次数为14次, 发表了《土壤物理学发展现状与展望》一文,回美国在同一时间发文量为1453篇,平均引用次数 顾了土壤结构、土壤水分监测与运动模拟、农田1次。但是,在2001-2018年所有论文中,引用 水文过程与水分生产力、土壤中污染物和胶体的次数前50篇论文中来自中国学者的仅3篇。可见, 迁移、土壤生物物理、生物质炭对土壤物理性质我国土壤物理论文数量与质量同步提升很快,但是 作用机制与效应等六个领域的研究进展,这些领有影响力的文章还是偏少。这些数据分析基于上述 域体现了当时的研究热点。在纪念美国土壤学会四种刊物,存在以偏概全,但是可反映总体趋势。 成立75周年,美国科学院院士Jury领衔,与国在国际上,传统上欧美国家的土壤学存在明显的萎 际土壤物理学家合作提出土壤物理学8个研究挑缩状态,特别是2008年美国金融危机削弱了经费资 战:包括尺度转换、确定有效性质、土壤结构与助,而中国的土壤学(包括土壤物理学)在经费大 功能、非稳态流、土壤斥水性、土壤-植物系统水力支持下反而快速发展,在国际上属于异军突起的 分与溶质运移、土壤微生物多样性的物理与生态学科队伍。 http://pedologica.issas.ac.cn

1072 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn soil physical quality and sustainable agriculture, water-heat-salt transport and ecological regulation, contaminants transport and numeric modeling. This paper reviewed the state of the art of these four fields, and pointed out knowledge gaps and future perspectives. These developments result not only from national demands, applications of new technology and methodology, but also from the integration and convergence of multi-disciplines. Although soil physics in China has made a great achievement, she faces the shortage of original researches and the weakness of instrument development. One the other hand, she has many opportunities to develop further as solving the requirements from food security and ecological environment security. Key words: Soil physical quality; Soil hydrological process; Contaminant transport; Soil salinization; Model simulation 1 我国土壤物理学科发展现状 土壤物理学是土壤学的基础学科分支之一，主 要研究土壤物理性质和物理过程的科学。进入 21 世纪以来，我国土壤物理学发展迅速，尤其是近 5 年来中国土壤学会土壤物理学专业委员会会议的 参会人数从 2014 年 230 人发展到 2019 年 440 人， 参会单位百余家。土壤物理会议专题主要涉及：土 壤水文过程与尺度转换，土壤物理质量与可持续农 业，土壤水热盐耦合过程与调控，污染物迁移与数 值模拟等内容。近期，世界土壤科学联合会议 （WCSS）涉及土壤物理学科主要在土壤结构和土壤 水两大领域，比如 2018 年在巴西里约召开 WCSS 会议，有关土壤物理领域的主题包括：土壤结构动 态变化与模拟，人为排水系统-保持土壤功能与保护 水资源，养分与污染物迁移，土壤物理在水土保持 和食品安全中的作用。可见，国内土壤物理学专题 既涵盖了国际土壤物理学内容，又突出国内特色， 注重国家需求相结合，研究内容更为丰富，涉及面 更加宽广。 几年来，国内外也有关于土壤物理学进展的 综述。在庆祝 2015 年国际土壤年时，李保国等[1] 发表了《土壤物理学发展现状与展望》一文，回 顾了土壤结构、土壤水分监测与运动模拟、农田 水文过程与水分生产力、土壤中污染物和胶体的 迁移、土壤生物物理、生物质炭对土壤物理性质 作用机制与效应等六个领域的研究进展，这些领 域体现了当时的研究热点。在纪念美国土壤学会 成立 75 周年，美国科学院院士 Jury 领衔，与国 际土壤物理学家合作提出土壤物理学 8 个研究挑 战[2]：包括尺度转换、确定有效性质、土壤结构与 功能、非稳态流、土壤斥水性、土壤-植物系统水 分与溶质运移、土壤微生物多样性的物理与生态 起源、土壤生态服务功能等，这些反映了当前土 壤物理学基础科学问题，有的甚至是土壤物理学 难啃的“骨头”。在迎接国家基金委（NSFC）成立 30 周年之际，宋长青等[3]组织一些学者撰写了《土 壤科学三十年：从经典到前沿》，其中一章是《土 壤物理学》，基于文献计量方法分析了国际与国内 土壤物理学的发展特征、演进过程、发展动力剖 析、NSFC 对中国土壤物理学发展的贡献、以及面 临的挑战等。 根据 Web of Science 核心合集数据，选择了以 土壤物理为主的刊物，包括 Vadose Zone Journal、 Soil and Tillage Research、Catena 和 Journal of Soil and Water Conservation 等四种期刊，检索时间为 2001—2018 年，一共发表 9 109 篇论文，其中中国 学者发表了 1 389 篇。我国土壤物理学 SCI 论文在 21 世纪呈现快速上升趋势，而美国则在 2008 年以 后表现平稳甚至略有下降，至 2014 年以来我国与美 国在这四种期刊中发文量基本持平（图 1）。从单篇 引用次数来看，我国由于在 2001—2010 年发文较少 （279 篇），而美国为 1 696 篇，我国单篇平均引用次 数为 41 次，反而高于美国的 31 次。在 2011—2018 年阶段，我国发文 1 110 篇，平均引用次数为 14 次， 美国在同一时间发文量为 1 453 篇，平均引用次数 11 次。但是，在 2001—2018 年所有论文中，引用 次数前 50 篇论文中来自中国学者的仅 3 篇。可见， 我国土壤物理论文数量与质量同步提升很快，但是 有影响力的文章还是偏少。这些数据分析基于上述 四种刊物，存在以偏概全，但是可反映总体趋势。 在国际上，传统上欧美国家的土壤学存在明显的萎 缩状态，特别是 2008 年美国金融危机削弱了经费资 助，而中国的土壤学（包括土壤物理学）在经费大 力支持下反而快速发展，在国际上属于异军突起的 学科队伍

5期 彭新华等:新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 10 900 All 间和空间异质性受到自然环境和人为因素的共同影 0-中国世界 China/All 响,同时土壤水文过程存在尺度效应(图2)关于 不同尺度下土壤水文过程的时空特征与影响因子研 §究取得显著进展。样地尺度是土壤水文过程的基本单 1044,:)0元,开展样地尺度士壤水文过程研究,在试验控制 豆样品采集和原位监测等方面具有一定优势,可为深 入认识长时间序列和更大尺度下土壤水文过程提供 基础。研究表明,土壤水分存在一定的小尺度空 20002002200420062008201020122014201620182020 间结构,这种空间结构可影响生态系统的物质循环 年份Year 和能量转换。小流域作为一个完整的水文响应单元 图12001-2018年中国和美国在四种期刊中的发文量坡面产流汇入各级支流或干流,包括蒸发、入渗、 侧渗等过程,其景观格局与土壤水文过程相互作用 Fig. I The number of sci papers published by China and by the United States in the four journals from 2001 to 2018 and their 的机理复杂,是土壤水文过程时空异质性研究的重 contributions to the global 要尺度,也是进行水土资源调控和生态环境建设的 基本尺度。区域尺度包含多个小流域,甚至多个 2主要研究领域进展 大、中型流域,其景观格局和生态水文过程更加复 杂多变,植被、土壤、地形、气候和人类活动等因 近几年,我国土壤物理专业委员会会议专题主素间相互作用也更加剧烈。与小流域相比,区域 要涉及:土壤水文过程与尺度转换,土壤物理质量尺度的土壤水文过程研究着重从宏观角度分析其对 与可持续农业,土壤水热盐耦合过程与调控,污染区域气候、土壤和土地利用等地理分布因子的响应 物迁移与数值模拟等,这些专题反映了我国土壤物与反馈。随着尺度的进一步上升,比如,在国家或 理学主要研究领域。 全球尺度,土壤水文过程与降水时空格局、水资源 2.1多尺度土壤水文过程与尺度转换 储量与通量、植被生长与物候特征等的研究也备受 土壤水是土壤物理的核心内容之一,土壤水分运关注,研究手段由观测逐渐过渡到模型与模式10! 动是土壤物理过程的主要驱动力。土壤水文过程的时 土壤水文过程时空分异的主控因子随空间尺度 土壤深度依懒性④ 气候因子 质地 Soil texture 也形因子 Topography 植被因子 物耗水干径流过程对水分的空间再 降水壤水文过程 湿过程① 分配地形控制、蒸散发② 互馈、土壤持水性能 区域分异③ 料地过度→的度。→R度 EE Note: (Wet and dry processes caused by plant water consumption; (2) Spatial redistribution of soil moisture caused by runoff. pography and evapotranspiration; 3 Interaction between precipitation and soil hydrological process, and regional pattern of soil water holding capacity: Depth dependent soil moisture 图2不同尺度土壤水分时空变化主控过程 Fig. 2 The main control process of the temporal-spatial variation of soil moisture at different scales http://pedologica.issas.ac.cn

5 期 彭新华等：新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 1073 http://pedologica.issas.ac.cn 图 1 2001—2018 年中国和美国在四种期刊中的发文量 与比例 Fig. 1 The number of SCI papers published by China and by the United States in the four journals from 2001 to 2018 and their contributions to the global 2 主要研究领域进展 近几年，我国土壤物理专业委员会会议专题主 要涉及：土壤水文过程与尺度转换，土壤物理质量 与可持续农业，土壤水热盐耦合过程与调控，污染 物迁移与数值模拟等，这些专题反映了我国土壤物 理学主要研究领域。 2.1 多尺度土壤水文过程与尺度转换 土壤水是土壤物理的核心内容之一，土壤水分运 动是土壤物理过程的主要驱动力。土壤水文过程的时 间和空间异质性受到自然环境和人为因素的共同影 响，同时土壤水文过程存在尺度效应[4]（图 2）。关于 不同尺度下土壤水文过程的时空特征与影响因子研 究取得显著进展。样地尺度是土壤水文过程的基本单 元，开展样地尺度土壤水文过程研究，在试验控制、 样品采集和原位监测等方面具有一定优势[5]，可为深 入认识长时间序列和更大尺度下土壤水文过程提供 基础[6]。研究表明，土壤水分存在一定的小尺度空 间结构，这种空间结构可影响生态系统的物质循环 和能量转换。小流域作为一个完整的水文响应单元， 坡面产流汇入各级支流或干流，包括蒸发、入渗、 侧渗等过程，其景观格局与土壤水文过程相互作用 的机理复杂，是土壤水文过程时空异质性研究的重 要尺度，也是进行水土资源调控和生态环境建设的 基本尺度[7]。区域尺度包含多个小流域，甚至多个 大、中型流域，其景观格局和生态水文过程更加复 杂多变，植被、土壤、地形、气候和人类活动等因 素间相互作用也更加剧烈[8-9]。与小流域相比，区域 尺度的土壤水文过程研究着重从宏观角度分析其对 区域气候、土壤和土地利用等地理分布因子的响应 与反馈。随着尺度的进一步上升，比如，在国家或 全球尺度，土壤水文过程与降水时空格局、水资源 储量与通量、植被生长与物候特征等的研究也备受 关注，研究手段由观测逐渐过渡到模型与模式[10-11]。 土壤水文过程时空分异的主控因子随空间尺度 注 Note：①Wet and dry processes caused by plant water consumption；② Spatial redistribution of soil moisture caused by runoff， topography and evapotranspiration；③ Interaction between precipitation and soil hydrological process，and regional pattern of soil water holding capacity；④ Depth dependent soil moisture. 图 2 不同尺度土壤水分时空变化主控过程 Fig. 2 The main control process of the temporal-spatial variation of soil moisture at different scales

1074 土壤学报 57卷 的变化而变化。在样地尺度,土壤水文过程主要受特征,但这种自相似性只存在于一定的尺度阈值内, 微地形和植被的影响。植被是土壤水分消耗的途径适用范围有限;小波分析适于多尺度时空数据的尺 之一,植被耗水及根系分布影响土壤水分的数量和度转换与优化;分布式水文模型方法需定量分析找 空间异质性。 Tahir等2研究发现,南方红壤关键出水文信息在不同尺度之间进行转换的模型结构与 带坡耕地土壤水分时空分异特征主要受植被类型和主要参数。此外,时间稳定性理论也被用于土壤水 坡位的影响。受植物蒸腾和降水的影响,喀斯特峰分尺度转换硏究,通过定量分析某一研究区土壤水 丛洼地土壤水分具有明显的季节变化特征,一年中分空间变异格局在时间上的相似性,确定能够代表 可分为相对稳定期、消耗期和补给期3个阶段1。研究区平均土壤水分状况的样点,明确代表性样点 此外,砾石的存在也可对样地尺度土壤水文过程产的特征及影响因子,进而实现尺度上推或下推22。 生显著影响14。在小流域尺度,土地利用类型和土随着新理论和新技术的发展,水文过程尺度转换途 壤理化性质的分布以及地形因素对土壤水文过程的径更加丰富,转换的精度也不断提高,其核心是尺 时空异质性起着主导作用叮。王云强等发现黄土度转换函数的确定。未来土壤水文过程尺度转换的 关键带小流域θ~5m土壤水分在水平和垂直方向研究应加强不同尺度数据的观测、集成与融合,并 均表现出明显的空间异质性,是土地利用方式、植结合多种数学手段,建立普适性强的尺度转换函数 被类型、土壤质地等多因素综合作用的结果。在区需要注意的是,随着全球气候变化和人类活动影响 域尺度,气候、土壤、土地利用管理等对土壤水文的加强,植被-土壤作用深度延伸至深部土壤,深部 过程具有重要影响。基于1983—2012年农田土壤水土壤水循环过程及动力学机制已成为土壤水分运动 分长期观测数据研究表明,我国北方农田生态系统研究中的核心科学问题之一,是土壤水循环研究的 4~10月生长季0~50cm土壤水分在过去30年呈最薄弱环节,而如何考虑空间和深度的不均匀性是 显著下降趋势,其主要原因是施肥管理、高耗水未来土壤水文过程尺度转换的重要方向之一。 作物种植和气候暖干化的共同影响。Zhu等8基于2.2土壤物理质量与可持续农业 土芯钻探和数值计算,发现面积37万km2,平均厚 农业是人类生存的基础,是人类社会发展的压 度55m的深厚黄土包气带存储了3.1万亿m3土壤舱石。然而,面对资源不断匮乏,生态环境恶化 水,80%的水分布在400~600mm降水量带,主要全球气候等问题,发展可持续性农业是未来现代农 与包气带厚度和土壤持水性能有关。区域尺度土壤业的必经之路。国际可持续农业机构指出可持续农 水文过程观测研究往往需要较高的物力和人力投业的主要目的是不损害后代需求的情况下满足当代 入,随着技术和方法的不断进步,基于卫星、遥感人对粮食和纺织品的需求。可持续农业要求农业生 和模式的集成技术手段逐渐被应用到区域尺度土壤产过程中水资源浪费和生态环境污染最小化、肥料 水文过程及其空间异质性的研究10。此外,在红利用率最大化。土壤是地球表面能够生长绿色植物 壤丘陵区凹、黄土高原地区、西南喀斯特地区l、的疏松表层。因此,保持良好的土壤质量是可持续 高寒草甸区4、西北荒漠区四等开展的土壤水分研农业中关键的一环。土壤质量指土壤所具有的保持 究也表明,随着土层深度的增加,土壤水分时间变植物生长、净化水源和为植物和动物提供栖息的能 异性减弱,而空间变异性增大,即土壤水分的时空力28。土壤质量可以分为土壤物理质量、土壤化学 变异性具有对土壤深度的依赖性。由此可见,土壤质量和土壤生物质量。土壤作为有生命的自然资源, 水文过程的时空异质性及其影响因素均具有尺度依近年来土壤质量概念发展到土壤健康。土壤健康定 赖性和深度依赖性 义为土壤作为由生命的生态系统,为支撑植物和动 由于土壤和水文过程的非线性,尺度转换是土物生产力,维持和提高水和大气质量,促进植物 壤水文过程研究的难点和热点之一,包括尺度上推动物和人类健康等的能力。美国农业部对土壤健 和尺度下推,其转换途径包括分形理论、小波分析、康的定义为土壤作为至关重要的有生命的生态系统 分布式水文模型等26。以自相似性为基础的分形理为植物、动物和人类提供可持续支撑的能力,也指 论,通过分维数反映特征空间分布的变化状态、趋土壤质量。无论是从土壤质量还是土壤健康的角 势和复杂程度,能较好地描述土壤水文过程的线状度,土壤物理质量或者土壤物理健康的内涵未发生 http://pedologica.issas.ac.cn

1074 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 的变化而变化。在样地尺度，土壤水文过程主要受 微地形和植被的影响。植被是土壤水分消耗的途径 之一，植被耗水及根系分布影响土壤水分的数量和 空间异质性[5]。Tahir 等[12]研究发现，南方红壤关键 带坡耕地土壤水分时空分异特征主要受植被类型和 坡位的影响。受植物蒸腾和降水的影响，喀斯特峰 丛洼地土壤水分具有明显的季节变化特征，一年中 可分为相对稳定期、消耗期和补给期 3 个阶段[13]。 此外，砾石的存在也可对样地尺度土壤水文过程产 生显著影响[14]。在小流域尺度，土地利用类型和土 壤理化性质的分布以及地形因素对土壤水文过程的 时空异质性起着主导作用[15]。王云强等[16]发现黄土 关键带小流域 0～5 m 土壤水分在水平和垂直方向 均表现出明显的空间异质性，是土地利用方式、植 被类型、土壤质地等多因素综合作用的结果。在区 域尺度，气候、土壤、土地利用管理等对土壤水文 过程具有重要影响。基于 1983—2012 年农田土壤水 分长期观测数据研究表明，我国北方农田生态系统 4～10 月生长季 0～50 cm 土壤水分在过去 30 年呈 显著下降趋势[17]，其主要原因是施肥管理、高耗水 作物种植和气候暖干化的共同影响。Zhu 等[18]基于 土芯钻探和数值计算，发现面积 37 万 km2 ，平均厚 度 55 m 的深厚黄土包气带存储了 3.1 万亿 m3 土壤 水，80%的水分布在 400～600 mm 降水量带，主要 与包气带厚度和土壤持水性能有关。区域尺度土壤 水文过程观测研究往往需要较高的物力和人力投 入，随着技术和方法的不断进步，基于卫星、遥感 和模式的集成技术手段逐渐被应用到区域尺度土壤 水文过程及其空间异质性的研究[8，19-20]。此外，在红 壤丘陵区[21]、黄土高原地区[22]、西南喀斯特地区[23]、 高寒草甸区[24]、西北荒漠区[25]等开展的土壤水分研 究也表明，随着土层深度的增加，土壤水分时间变 异性减弱，而空间变异性增大，即土壤水分的时空 变异性具有对土壤深度的依赖性。由此可见，土壤 水文过程的时空异质性及其影响因素均具有尺度依 赖性和深度依赖性。 由于土壤和水文过程的非线性，尺度转换是土 壤水文过程研究的难点和热点之一，包括尺度上推 和尺度下推，其转换途径包括分形理论、小波分析、 分布式水文模型等[26]。以自相似性为基础的分形理 论，通过分维数反映特征空间分布的变化状态、趋 势和复杂程度，能较好地描述土壤水文过程的线状 特征，但这种自相似性只存在于一定的尺度阈值内， 适用范围有限；小波分析适于多尺度时空数据的尺 度转换与优化；分布式水文模型方法需定量分析找 出水文信息在不同尺度之间进行转换的模型结构与 主要参数。此外，时间稳定性理论也被用于土壤水 分尺度转换研究，通过定量分析某一研究区土壤水 分空间变异格局在时间上的相似性，确定能够代表 研究区平均土壤水分状况的样点，明确代表性样点 的特征及影响因子，进而实现尺度上推或下推[22，27]。 随着新理论和新技术的发展，水文过程尺度转换途 径更加丰富，转换的精度也不断提高，其核心是尺 度转换函数的确定。未来土壤水文过程尺度转换的 研究应加强不同尺度数据的观测、集成与融合，并 结合多种数学手段，建立普适性强的尺度转换函数。 需要注意的是，随着全球气候变化和人类活动影响 的加强，植被-土壤作用深度延伸至深部土壤，深部 土壤水循环过程及动力学机制已成为土壤水分运动 研究中的核心科学问题之一，是土壤水循环研究的 最薄弱环节，而如何考虑空间和深度的不均匀性是 未来土壤水文过程尺度转换的重要方向之一。 2.2 土壤物理质量与可持续农业 农业是人类生存的基础，是人类社会发展的压 舱石。然而，面对资源不断匮乏，生态环境恶化， 全球气候等问题，发展可持续性农业是未来现代农 业的必经之路。国际可持续农业机构指出可持续农 业的主要目的是不损害后代需求的情况下满足当代 人对粮食和纺织品的需求。可持续农业要求农业生 产过程中水资源浪费和生态环境污染最小化、肥料 利用率最大化。土壤是地球表面能够生长绿色植物 的疏松表层。因此，保持良好的土壤质量是可持续 农业中关键的一环。土壤质量指土壤所具有的保持 植物生长、净化水源和为植物和动物提供栖息的能 力[28]。土壤质量可以分为土壤物理质量、土壤化学 质量和土壤生物质量。土壤作为有生命的自然资源， 近年来土壤质量概念发展到土壤健康。土壤健康定 义为土壤作为由生命的生态系统，为支撑植物和动 物生产力，维持和提高水和大气质量，促进植物、 动物和人类健康等的能力[29]。美国农业部对土壤健 康的定义为土壤作为至关重要的有生命的生态系统 为植物、动物和人类提供可持续支撑的能力，也指 土壤质量[30]。无论是从土壤质量还是土壤健康的角 度，土壤物理质量或者土壤物理健康的内涵未发生

5期 彭新华等:新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 75 本质变化,对植物生长具有直接作用。土壤物理质地应用于评价土壤结构对作物生长的影响。 量评价主要利用与土壤-植物-大气中的物质能量交 Benjamin等报道美国中部大平原实验站小麦产量 换有关的土壤物理性质或指标体系来进行。同时与LLWR呈极显著关系。土壤压实往往降低了 利用土壤物理模型预测其变化对于未来粮食生产和LLWR,而种植覆盖作物可以提高LLWR,并且这 生态环境的影响,以制定和评估农业可持续发展的变化在黏壤土中较砂土中更加明显。以上指标 策略。土壤结构与物质和能量在土壤中运输、传导多表征田块至土块以及团聚体尺度的土壤物理质 和根系生长有密切的关系。因此,土壤的可持续性量,对毫米以下尺度土壤孔隙特征的表征未涉及 通常建立在良好的土壤结构上3。土壤容重是表征 Rabot等比较了不同土壤物理指标,认为土壤孔 土壤物理质量最常用的指标之一。土壤容重过髙将隙特征比如大孔隙度和孔隙连通性等与土壤的功能 抑制作物根系的生长,导致作物大幅度减产;土壤最相关,越来越多的文献也表明土壤的三维孔隙特 容重过低不利于土壤保持水分和根系与土壤紧密接征可以显著改变作物根系构型,同时也可以很好地 触,容易造成种子萌发受阻和作物倒伏-。土壤预测土壤导水导气等参数4。 紧实度,反映土壤强度的重要指标,是土壤容重和 土壤含水量的函数,也显著影响作物生长。 Whalley 月045 等发现小麦干物质重量随着土壤穿透阻力的增加 含水量④ 而线性下降,并指出无论干旱或压实导致,土壤紧 实度均是作物生产力的重要限制因子。土壤团聚体 0.35 是土壤中重要的结构体,其粒径分布和稳定性对土 长0.30 壤可持续利用有显著影响。一方面,良好土壤团聚 性能促进土壤碳的固定和有机质积累,从而降低温 室气体排放,改善土壤化学及生物质量,进而促进 0.20 作物生长。另一方面,团聚体粒径分布影响土壤 容重 Bulk density/(cm3cm3) 中孔隙直径分布,对土壤的持水性能和透水通气性 Note: Soil water content varying with bulk density at 具有显著的影响。对于雨养农业,土壤水分主要来 Air-filled porosity of 0.lcm,cm-3;② )Field capacity,③ wilting 自于降雨。土壤水力特性在一定程度上决定了未来 point and4 Soil penetration resistance o2Ma 极端降雨条件下雨养农业的可持续性。土壤水分特图3不同土壤容重下的最小限制水分范围(阴影部分 征曲线是说明其水力性状的重要指标。基于土壤水 改自 da silva et al.,1994) 分特征曲线, Dexter3提出曲线的拐点的斜率作为Fig.3 The least limiting water range(LLWR) under different.soil 评价土壤物理质量的S指数,并指出该指数较容重 bulk densities( shaded part indicates LLWR, Modified from da Silva 更好地反映作物生长。 Sinha等报道S值与土壤 ta.,1994) 容重、饱和导水率、团聚体稳定性等物理指标以及 土壤物理质量受耕作方式影响深刻。20世纪30 玉米和小麦产量均呈显著的相关性,可有效定量不年代美国受到“黑风暴”的影响开启了保护性耕作 同环境下土壤物理质量。不同的土壤物理指标分别方面的研究。随后美国、加拿大和巴西等国家采用 从不同的方面表征土壤物理质量,但不同指标间往保护性耕作技术以保护土地的可持续生产力,是 往存在内在的联系。比如,土壤强度不但受土壤容次对传统耕作方式的变革。保护性耕作,或者说保 重的影响,也受土壤含水量的影响,因此有学者尝护性农业,遵循三个原则:一是尽量减少土壤扰动 试提出综合多个参数的指标。 da silva等综合土壤二是至少30%的地表被作物或者秸秆覆盖,三是作 容重、土壤强度,土壤通气性、土壤水分有效性等物轮作或间作。保护性耕作对土壤物理质量的作用 参数,提出了作物生长最小限制水分范围( Least存在两种观点。有研究表明,保护性耕作能够增 limiting water range,LLwR),如图3所示。LLWR加土壤有机质含量,团聚体的稳定性和蚯蚓数量 越大,说明作物在该土壤中所抵御水分胁迫、缺氧减少土壤侵蚀,有利于保持完整的土壤孔隙,提高土 胁迫和机械阻力的能力越强。随后,LLWR被广泛壤水分入渗和持水能力。但也有一些研究这发现 http://pedologica.issas.ac.cn

5 期 彭新华等：新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望 1075 http://pedologica.issas.ac.cn 本质变化，对植物生长具有直接作用。土壤物理质 量评价主要利用与土壤-植物-大气中的物质能量交 换有关的土壤物理性质或指标体系来进行[31]。同时 利用土壤物理模型预测其变化对于未来粮食生产和 生态环境的影响，以制定和评估农业可持续发展的 策略。土壤结构与物质和能量在土壤中运输、传导 和根系生长有密切的关系。因此，土壤的可持续性 通常建立在良好的土壤结构上[32]。土壤容重是表征 土壤物理质量最常用的指标之一。土壤容重过高将 抑制作物根系的生长，导致作物大幅度减产；土壤 容重过低不利于土壤保持水分和根系与土壤紧密接 触，容易造成种子萌发受阻和作物倒伏[33-34]。土壤 紧实度，反映土壤强度的重要指标，是土壤容重和 土壤含水量的函数，也显著影响作物生长。Whalley 等[35]发现小麦干物质重量随着土壤穿透阻力的增加 而线性下降，并指出无论干旱或压实导致，土壤紧 实度均是作物生产力的重要限制因子。土壤团聚体 是土壤中重要的结构体，其粒径分布和稳定性对土 壤可持续利用有显著影响。一方面，良好土壤团聚 性能促进土壤碳的固定和有机质积累，从而降低温 室气体排放，改善土壤化学及生物质量，进而促进 作物生长[36]。另一方面，团聚体粒径分布影响土壤 中孔隙直径分布，对土壤的持水性能和透水通气性 具有显著的影响。对于雨养农业，土壤水分主要来 自于降雨。土壤水力特性在一定程度上决定了未来 极端降雨条件下雨养农业的可持续性。土壤水分特 征曲线是说明其水力性状的重要指标。基于土壤水 分特征曲线，Dexter[31]提出曲线的拐点的斜率作为 评价土壤物理质量的 S 指数，并指出该指数较容重 更好地反映作物生长。Sinha 等[37]报道 S 值与土壤 容重、饱和导水率、团聚体稳定性等物理指标以及 玉米和小麦产量均呈显著的相关性，可有效定量不 同环境下土壤物理质量。不同的土壤物理指标分别 从不同的方面表征土壤物理质量，但不同指标间往 往存在内在的联系。比如，土壤强度不但受土壤容 重的影响，也受土壤含水量的影响，因此有学者尝 试提出综合多个参数的指标。da Silva 等[38]综合土壤 容重、土壤强度，土壤通气性、土壤水分有效性等 参数，提出了作物生长最小限制水分范围（Least limiting water range，LLWR），如图 3 所示。LLWR 越大，说明作物在该土壤中所抵御水分胁迫、缺氧 胁迫和机械阻力的能力越强。随后，LLWR 被广泛 地应用于评价土壤结构对作物生长的影响。 Benjamin等[39]报道美国中部大平原实验站小麦产量 与 LLWR 呈极显著关系。土壤压实往往降低了 LLWR，而种植覆盖作物可以提高 LLWR，并且这 一变化在黏壤土中较砂土中更加明显[40]。以上指标 多表征田块至土块以及团聚体尺度的土壤物理质 量，对毫米以下尺度土壤孔隙特征的表征未涉及。 Rabot 等[41]比较了不同土壤物理指标，认为土壤孔 隙特征比如大孔隙度和孔隙连通性等与土壤的功能 最相关，越来越多的文献也表明土壤的三维孔隙特 征可以显著改变作物根系构型，同时也可以很好地 预测土壤导水导气等参数[42-43]。 注 Note：Soil water content varying with bulk density at ① Air-filled porosity of 0.1 cm3 ·cm–3；②Field capacity，③Wilting point and ④Soil penetration resistance of 2 MPa – 图 3 不同土壤容重下的最小限制水分范围（阴影部分， 改自 da Silva et al.，1994） Fig. 3 The least limiting water range（LLWR）under different soil bulk densities（shaded part indicates LLWR，Modified from da Silva et al.，1994） 土壤物理质量受耕作方式影响深刻。20 世纪 30 年代美国受到“黑风暴”的影响开启了保护性耕作 方面的研究。随后美国、加拿大和巴西等国家采用 保护性耕作技术以保护土地的可持续生产力，是一 次对传统耕作方式的变革。保护性耕作，或者说保 护性农业，遵循三个原则：一是尽量减少土壤扰动， 二是至少 30%的地表被作物或者秸秆覆盖，三是作 物轮作或间作。保护性耕作对土壤物理质量的作用 存在两种观点[44]。有研究表明，保护性耕作能够增 加土壤有机质含量，团聚体的稳定性和蚯蚓数量， 减少土壤侵蚀，有利于保持完整的土壤孔隙，提高土 壤水分入渗和持水能力[45]。但也有一些研究这发现