《土壤学报》：土壤时空变化研究的进展与未来（2020）

第57卷第5期 土壤学报 Vol.57,No5 2020年9月 ACTA PEDOLOGICA SINICA 2020 DOI:10.11766/trxb20200427019 张甘霖,史舟,朱阿兴,王秋兵,吴克宁,史志华,赵永存,赵玉国,潘贤章,刘峰,宋效东.土壤时空变化研究的进展与未来土 壤学报,2020,57(5):1060-1070 ZHANG Ganlin, SHI Zhou, ZHU Axing. WANG Qiubing, wU Kening, SHI Zhihua. ZHAO Yongcun. ZHAO Yuguo, PAN Xianzhang, LIU Feng, SONG Xiaodong. Progress and Perspective of Studies on Soils in Space and Time [J]. Acta Pedologica Sinica, 2020. 57(5): 1060-1070. 土壤时空变化研究的进展与未来 张甘霖23,史舟4,朱阿兴,王秋兵6,吴克宁,史志华8,赵永存, 赵玉国2,潘贤章,刘峰,宋效东 (1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京210008;2.中国科学院大学资源与环境学院,北京100049; 3.中国科学院流域地理学重点实验室(中国科学院南京地理与湖泊研究所),南京210008;4.浙江大学环境与资源学院,杭州310058; 5.南京师范大学地理科学学院,南京210023;6.沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳110161;7.中国地质大学(北京)土地科学技术 学院,北京100083;8.华中农业大学资源与环境学院,武汉430070) 摘要:理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务,也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤的时空变化与气 候环境变迁、岩石圈风化、地表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相耦合。围绕土壤时空变化研究的新近进展 本文综述并展望了土壤形成和演变过程、土壤形态学、土壤调査、土壤分类、数字土壤制图与土壤退化的发展态势。未来」 壤时空变化研究的关键科学问题主要包括:地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟、多尺度土壤-环 境关系与模拟、多元土壤信息的融合机理与数据同化。未来重点硏究领域将涉及到关键带科学驱动的土壤形成和演变研究、 多尺度数字土壤制图与时空变化预测、基于多传感器的土壤综合观测原理与技术、完整和详尽的国家和全球土壤资源清单及 共享机制、区域土壤资源退化机理及其功能恢复 关键词:土壤地理学;土壤发生学;土壤形态学;土壤调査;土壤制图;土壤光谱 中图分类号:S159文献标志码:A Progress and Perspective of studies on Soils in Space and Time ZHANG Ganlin,2,3f, SHI Zhou, ZHU Axing, WANG Qiubing WU Kening,, SHI Zhihua, ZHAO Yongcun ZHAO Yuguo, PAN Xianzhang, LIU Feng, SONG Xiaodong (1. State Key Laboratory of soil and Sustainable Agriculture, Institute of soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4. College of Environmental Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 5. School of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023 *国家重点研发计划项目(No.2018YFE0107000)、NSFC·广东省人民政府联合基金项目(No.U1901601)、国家自然科学基金项目 (41571130051)、国家科技基础性工作专项(Nos.2008FY110600,2014FY110200)资助 Supported by the National Key Research and Development Plan of China(No 2018YFE0107000), Joint Fund of National Natural Science Foundation of China and Guangdong Provincial Peoples Government( No U1901601), National Natural Science Foundation of China(No 41571130051), Special Project of National Science and Technology Basic Research (Nos. 2008FY110600, 2014FY110200) ↑通讯作者 Corresponding author,E-mail: glzhangaissas accn 作者简介:张甘霖(1966—),男,湖北通山人,研究员,土壤学专业。 收稿日期:2020-04-27:收到修改稿日期:2020-05-11:网络首发日期(www.cnkinet):2020-06-11 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 * 国家重点研发计划项目（No.2018YFE0107000）、NSFC-广东省人民政府联合基金项目（No.U1901601）、国家自然科学基金项目 （41571130051）、国家科技基础性工作专项（Nos.2008FY110600，2014FY110200）资助 Supported by the National Key Research and Development Plan of China（No. 2018YFE0107000），Joint Fund of National Natural Science Foundation of China and Guangdong Provincial People's Government（No. U1901601），National Natural Science Foundation of China（No. 41571130051），Special Project of National Science and Technology Basic Research（Nos. 2008FY110600，2014FY110200） † 通讯作者 Corresponding author，E-mail：glzhang@issas.ac.cn 作者简介：张甘霖（1966—），男，湖北通山人，研究员，土壤学专业。 收稿日期：2020–04–27；收到修改稿日期：2020–05–11；网络首发日期（www.cnki.net）：2020–06–11 http://pedologica.issas.ac.cn DOI：10.11766/trxb202004270199 张甘霖，史 舟，朱阿兴，王秋兵，吴克宁，史志华，赵永存，赵玉国，潘贤章，刘 峰，宋效东. 土壤时空变化研究的进展与未来[J]. 土 壤学报，2020，57（5）：1060–1070. ZHANG Ganlin，SHI Zhou，ZHU Axing，WANG Qiubing，WU Kening，SHI Zhihua，ZHAO Yongcun，ZHAO Yuguo，PAN Xianzhang，LIU Feng，SONG Xiaodong. Progress and Perspective of Studies on Soils in Space and Time [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1060–1070. 土壤时空变化研究的进展与未来* 张甘霖1，2，3†，史 舟4 ，朱阿兴5 ，王秋兵6 ，吴克宁7 ，史志华8 ，赵永存1 ， 赵玉国1，2 ，潘贤章1 ，刘 峰1 ，宋效东1 （1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008；2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049； 3. 中国科学院流域地理学重点实验室（中国科学院南京地理与湖泊研究所），南京 210008；4. 浙江大学环境与资源学院，杭州 310058； 5. 南京师范大学地理科学学院，南京 210023；6. 沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110161；7. 中国地质大学（北京）土地科学技术 学院，北京 100083；8. 华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070） 摘 要：理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务，也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤的时空变化与气 候环境变迁、岩石圈风化、地表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相耦合。围绕土壤时空变化研究的新近进展， 本文综述并展望了土壤形成和演变过程、土壤形态学、土壤调查、土壤分类、数字土壤制图与土壤退化的发展态势。未来土 壤时空变化研究的关键科学问题主要包括：地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟、多尺度土壤-环 境关系与模拟、多元土壤信息的融合机理与数据同化。未来重点研究领域将涉及到关键带科学驱动的土壤形成和演变研究、 多尺度数字土壤制图与时空变化预测、基于多传感器的土壤综合观测原理与技术、完整和详尽的国家和全球土壤资源清单及 共享机制、区域土壤资源退化机理及其功能恢复。 关键词：土壤地理学；土壤发生学；土壤形态学；土壤调查；土壤制图；土壤光谱 中图分类号：S159 文献标志码：A Progress and Perspective of Studies on Soils in Space and Time ZHANG Ganlin1, 2, 3†, SHI Zhou4 , ZHU Axing5 , WANG Qiubing6 , WU Kening7 , SHI Zhihua8 , ZHAO Yongcun1 , ZHAO Yuguo1, 2, PAN Xianzhang1 , LIU Feng1 , SONG Xiaodong1 (1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4. College of Environmental & Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 5. School of Geographical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023

5期 张甘霖等:土壤时空变化研究的进展与未来 China; 6. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 7. School of land Science an Technology, China Universiry of Geosciences, Beijing 100083, China; 8. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China) Abstract: Soils evolve in space and time and soil changes are coupled with the changes in climate and environment, rock weathering and biogeochemical cycling. a better understanding and accurate quantification of soil spatio temporal variation not only act as a basic research task of soil science but also are prerequisite for scientifically evaluating and reasonably maintaining soil functions. The main objective of this study was to review the recent studies on spatio-temporal soil variation. Dozens of latest elated publications were reviewed, of which the topics included soil formation and evolution, soil morphology, soil survey, soil digital soil mapping and soil degradation. It is anticipated that coupling processes between soil and environment within the framework of earth surface system, precise modeling of the soil-landscape, and the data fusion and assimilation of multisource soil information. Based on the analysis, future priority areas of soils in space and time studies may include the soil formation and evolution driven by Critical Zone processes, digital soil mapping at various scales, the principle and technology for soil information acquisition based on multi-sensors, a complete and detailed national even global soil inventory and its sharing platform, and the processes of regional soil resource degradation and the recovery of soil functio Key words: Soil geography; Pedogenesis, Soil morphology; Soil survey; Soil mapping; Soil spectral 土壤是地球表层系统的重要组成部分,在全球息的获取、存储、表达、传输与分析是贯穿土壤时 陆地分布中构成了完整的圈层。地表系统中的其他空变化研究的核心,这些信息的有效利用能为粮食 圈层(岩石圈、生物圈、水圈、大气圈)相互作用安全、生态文明建设、乡村振兴、精准扶贫等国计 的连接界面就是土壤圈,因此土壤的空间分布和演民生提供重要的决策支持。 化与其他圈层系统密切相关。19世纪中叶土壤学起 源之初提出的土壤形成因素学说,即土壤是气候、 土壤时空变化研究的内涵 生物、地形、母质相互作用的产物,可以看作是对 这种圈层之间耦合关系的一种简单描述。事实上, 土壤的时空分布是土壤形成、演化、发展的综合 土壤的时空变化与气候环境变迁、岩石圈风化、地体现,是五大成土因素(气候、生物、母质、地形和 表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相时间)和人为作用长期综合作用的结果。地表系统中 耦合,并经历上述环境因子的变迁和日益强化的人土壤与地理环境相互作用关系的研究正是土壤深时 类活动。因此,土壤时空变化研究必然从这些相关空变化研究的主题。土壤的任何变化都有其时空维 过程出发,反之也可以通过土壤的记录来解译这些度,本文所指的土壤时空变化研究主要是土体尺度以 环境的变化。 上的变化。以经典土壤地理学为学科表现形式的土壤 土壤是行星地球活的皮肤,是维系生命的载体, 时空变化研究包含了土壤的发生和演变、土壤分类与 以其生产、支持、缓冲等功能为地球生命提供服务。分布、土壤调查与制图、土壤区划和土壤资源评价等 人类社会已经认识到,科学合理地维持土壤功能对诸多方面。土壤的时空分异规律的研究能够有效地 人类自身的生存和可持续发展至关重要。在全球可服务于土壤资源的可持续利用和管理。 持续发展目标( Sustainable Development Goals 土壤发生学是研究土壤形成和演变的土壤学学 sDGs)中,有多个目标与土壤密切相关,土壤资源科分支。经典的土壤发生学研究对土壤发生层的性 的合理利用和管理是全球可持续发展解决方案中的状、物理属性、化学属性、矿物学属性进行对比,将 重要环节土壤功能的发挥取决于土壤自身的属土壤形成因素与土壤形态和性质联系起来,推测土壤 性,而土壤的属性又随空间和时间而变化。因此,过去可能的发生过程。基于土壤时间序列的方法可以 理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务,揭示具有不同时间尺度响应特征的土壤性质的演变。 也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤信人为活动的加剧已经对土壤过程产生深刻的影响 http://pedologica.issas.ac.cn

5 期 张甘霖等：土壤时空变化研究的进展与未来 1061 http://pedologica.issas.ac.cn China; 6. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 7. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 8. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China) Abstract: Soils evolve in space and time and soil changes are coupled with the changes in climate and environment, rock weathering and biogeochemical cycling. A better understanding and accurate quantification of soil spatio-temporal variation not only act as a basic research task of soil science but also are prerequisite for scientifically evaluating and reasonably maintaining soil functions. The main objective of this study was to review the recent studies on spatio-temporal soil variation. Dozens of latest related publications were reviewed, of which the topics included soil formation and evolution, soil morphology, soil survey, soil classification, digital soil mapping and soil degradation. It is anticipated that main scientific issues may include the simulation of coupling processes between soil and environment within the framework of earth surface system, precise modeling of the soil-landscape, and the data fusion and assimilation of multisource soil information. Based on the analysis, future priority areas of soils in space and time studies may include the soil formation and evolution driven by Critical Zone processes, digital soil mapping at various scales, the principle and technology for soil information acquisition based on multi-sensors, a complete and detailed national even global soil inventory and its sharing platform, and the processes of regional soil resource degradation and the recovery of soil functions. Key words: Soil geography; Pedogenesis; Soil morphology; Soil survey; Soil mapping; Soil spectral 土壤是地球表层系统的重要组成部分，在全球 陆地分布中构成了完整的圈层。地表系统中的其他 圈层（岩石圈、生物圈、水圈、大气圈）相互作用 的连接界面就是土壤圈，因此土壤的空间分布和演 化与其他圈层系统密切相关。19 世纪中叶土壤学起 源之初提出的土壤形成因素学说，即土壤是气候、 生物、地形、母质相互作用的产物，可以看作是对 这种圈层之间耦合关系的一种简单描述。事实上， 土壤的时空变化与气候环境变迁、岩石圈风化、地 表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相 耦合，并经历上述环境因子的变迁和日益强化的人 类活动。因此，土壤时空变化研究必然从这些相关 过程出发，反之也可以通过土壤的记录来解译这些 环境的变化。 土壤是行星地球活的皮肤，是维系生命的载体， 以其生产、支持、缓冲等功能为地球生命提供服务[1]。 人类社会已经认识到，科学合理地维持土壤功能对 人类自身的生存和可持续发展至关重要。在全球可 持续发展目标（Sustainable Development Goals， SDGs）中，有多个目标与土壤密切相关，土壤资源 的合理利用和管理是全球可持续发展解决方案中的 重要环节[2][3]。土壤功能的发挥取决于土壤自身的属 性，而土壤的属性又随空间和时间而变化。因此， 理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务， 也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤信 息的获取、存储、表达、传输与分析是贯穿土壤时 空变化研究的核心，这些信息的有效利用能为粮食 安全、生态文明建设、乡村振兴、精准扶贫等国计 民生提供重要的决策支持。 1 土壤时空变化研究的内涵 土壤的时空分布是土壤形成、演化、发展的综合 体现，是五大成土因素（气候、生物、母质、地形和 时间）和人为作用长期综合作用的结果。地表系统中 土壤与地理环境相互作用关系的研究正是土壤深时 空变化研究的主题。土壤的任何变化都有其时空维 度，本文所指的土壤时空变化研究主要是土体尺度以 上的变化。以经典土壤地理学为学科表现形式的土壤 时空变化研究包含了土壤的发生和演变、土壤分类与 分布、土壤调查与制图、土壤区划和土壤资源评价等 诸多方面[4]。土壤的时空分异规律的研究能够有效地 服务于土壤资源的可持续利用和管理。 土壤发生学是研究土壤形成和演变的土壤学学 科分支。经典的土壤发生学研究对土壤发生层的性 状、物理属性、化学属性、矿物学属性进行对比，将 土壤形成因素与土壤形态和性质联系起来，推测土壤 过去可能的发生过程。基于土壤时间序列的方法可以 揭示具有不同时间尺度响应特征的土壤性质的演变。 人为活动的加剧已经对土壤过程产生深刻的影响，就

土壤学报 57卷 现代土壤的利用和不当使用的规模和强度而言,对于是指在各种自然和人为因素影响下,土壤生产能力 土壤与人类的关系还有很多问题亟需阐明。 或环境调控潜力暂时性或永久性的下降,甚至完全 土壤形态学是土壤学研究的起点。根据对土壤丧失的过程。土壤退化是高度非线性的过程,具有 形态的研究,就能对土壤的组成、土壤中发生的各时间上的动态性和空间上的异质性,涉及到土壤学 种过程的化学本质以及影响成土作用发展的种种条农学、生态学及环境科学,而且也与社会科学和经 件进行推断和演绎。土壤剖面描述是土壤形态学的济学密切相关 基础,包括剖面立地环境、地理位置、土壤发生层 划分及其形态性质描述等。详实的土壤剖面描述结2土壤时空变化研究的新近进展与态势 果和实验室测定的矿物性质、土壤理化性质、微形 态特征等,有助于认识、理解土壤发生过程,科学2,1土壤形成和演变过程:从土壤到地表系统物 划分土壤类型,有利于土壤调查、土壤制图、土地 质循环 评价等工作的顺利开展 土壤发生学研究土壤的演变过程及其与环境 土壤调查与制图的目的是获取土壤属性特征和(成土因素)之间的相互作用。土壤风化和形成速率 时空演变的过程信息,并以地图这种可视化的方式是土壤发生学的基础科学问题之一,其研究技术和 表达土壤的空间分布规律,能够为士壤资源的利用方法主要包括实验室模拟、流域物质通量平衡方法 提供空间数据支持。传统的土壤调查主要是对土壤时间序列方法等。实验室模拟测定的矿物风化速率 剖面形态及影响土壤形成的地理环境进行观察与描与田间测定结果可相差数个数量级1,适用于矿物 述记载,受野外调查成本和实际分析样本数量的限风化机理研究。排水采集器方法可观测自然状态下 制,很难进行大范围土壤信息的重复调查。传统土元素的淋溶和迁移,相对接近自然状态,但只能代 壤制图的技术流程包括资料收集一野外调查一室内表点位尺度的一维过程。流域物质平衡方法的依据 分析-野外校核一定界成图,这种制图方法以土壤是元素的生物地球化学平衡原理,即对于流域体系 调查者经验和手工操作为基础,通过手工将不同的输出元素与输入元素的差值来源于矿物的风化。通 土壤类型或类型组合的空间分布归纳成制图单元并过径流、植物、土壤、岩石、干湿沉降等要素长期 绘制成土壤图。靠脚步绘出土壤图的传统土壤地理和动态观测,可以计算物质的输入、损失、迁移和 学迫切需要引入新技术、新方法,传统土壤制图正转化,可相对真实地估算特定区域的矿物风化和 向数字土壤制图( Predictive Soil Mapping)演变。成土速率 土壤分类的目的是建立一个土壤类别的有序等 对于研究土壤的动态演变过程而言,土壤时间 级(体系)。土壤分类的发展与土壤科学的发展密不序列方法( Soil Chronosequence)具有重要的意义。 可分,在相当长的时间内引领了土壤科学的发展方在获得序列中各土壤个体的绝对或相对发育时间基 向。土壤是一个连续体,因此土壤分类相对而言必础上,系统比较不同相对年龄的各种土壤性质,在 须更多地依照分类者的主观理解。除了认识土壤、定量研究土壤发生过程中具有独到的价值l 组织知识等理论意义,土壤分类在实践上并不局限近年来利用土壤时间序列方法对热带地区土壤和 于传统的制图应用。在土壤数据的支持下,基于数水稻土开展了比较深入和系统的研究,为揭示自然 值空间距离的分类方法一直在不断地尝试新的突和人为作用下土壤的演变和可持续性提供了新的 破,因而土壤分类理论、方法、标准及相关分类信理解lo2n 息数据库的集成与应用将是土壤分类在现在和将来 近10年来,以关键带科学为代表的地球表层系 段时间内的重点 统科学发展迅速,为土壤发生学提供了新的契机,土 土壤时空格局是土壤资源评价的基础,因此在壤与其他环境要素之间的相互作用逐步成为土壤发 自然和人为作用下土壤资源的演变过程也是土壤时生学新的研究内容。地球关键带科学是地表系统的综 退化也是土壤资源演变研究的重要内容。土壤退化但土壤发生学在其中起着核心和纽带的作用y 空变化研究的重要内容。本质上,可以将土壤退化合研究,涉及到地质学、地球物理学、土壤学、水 过程理解为人为影响下的土壤演变过程,因此土壤学、生态学、地貌学等跨学科的系统研究(图 http://pedologica.issas.ac.cn

1062 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 现代土壤的利用和不当使用的规模和强度而言，对于 土壤与人类的关系还有很多问题亟需阐明。 土壤形态学是土壤学研究的起点。根据对土壤 形态的研究，就能对土壤的组成、土壤中发生的各 种过程的化学本质以及影响成土作用发展的种种条 件进行推断和演绎。土壤剖面描述是土壤形态学的 基础，包括剖面立地环境、地理位置、土壤发生层 划分及其形态性质描述等。详实的土壤剖面描述结 果和实验室测定的矿物性质、土壤理化性质、微形 态特征等，有助于认识、理解土壤发生过程，科学 划分土壤类型，有利于土壤调查、土壤制图、土地 评价等工作的顺利开展。 土壤调查与制图的目的是获取土壤属性特征和 时空演变的过程信息，并以地图这种可视化的方式 表达土壤的空间分布规律，能够为土壤资源的利用 提供空间数据支持。传统的土壤调查主要是对土壤 剖面形态及影响土壤形成的地理环境进行观察与描 述记载，受野外调查成本和实际分析样本数量的限 制，很难进行大范围土壤信息的重复调查。传统土 壤制图的技术流程包括资料收集－野外调查－室内 分析－野外校核－定界成图，这种制图方法以土壤 调查者经验和手工操作为基础，通过手工将不同的 土壤类型或类型组合的空间分布归纳成制图单元并 绘制成土壤图。靠脚步绘出土壤图的传统土壤地理 学迫切需要引入新技术、新方法，传统土壤制图正 向数字土壤制图（Predictive Soil Mapping）演变。 土壤分类的目的是建立一个土壤类别的有序等 级（体系）。土壤分类的发展与土壤科学的发展密不 可分，在相当长的时间内引领了土壤科学的发展方 向。土壤是一个连续体，因此土壤分类相对而言必 须更多地依照分类者的主观理解。除了认识土壤、 组织知识等理论意义，土壤分类在实践上并不局限 于传统的制图应用。在土壤数据的支持下，基于数 值空间距离的分类方法一直在不断地尝试新的突 破，因而土壤分类理论、方法、标准及相关分类信 息数据库的集成与应用将是土壤分类在现在和将来 一段时间内的重点。 土壤时空格局是土壤资源评价的基础，因此在 自然和人为作用下土壤资源的演变过程也是土壤时 空变化研究的重要内容。本质上，可以将土壤退化 过程理解为人为影响下的土壤演变过程，因此土壤 退化也是土壤资源演变研究的重要内容。土壤退化 是指在各种自然和人为因素影响下，土壤生产能力 或环境调控潜力暂时性或永久性的下降，甚至完全 丧失的过程。土壤退化是高度非线性的过程，具有 时间上的动态性和空间上的异质性，涉及到土壤学、 农学、生态学及环境科学，而且也与社会科学和经 济学密切相关。 2 土壤时空变化研究的新近进展与态势 2.1 土壤形成和演变过程：从土壤到地表系统物 质循环 土壤发生学研究土壤的演变过程及其与环境 （成土因素）之间的相互作用。土壤风化和形成速率 是土壤发生学的基础科学问题之一，其研究技术和 方法主要包括实验室模拟、流域物质通量平衡方法、 时间序列方法等。实验室模拟测定的矿物风化速率 与田间测定结果可相差数个数量级[5]，适用于矿物 风化机理研究。排水采集器方法可观测自然状态下 元素的淋溶和迁移，相对接近自然状态，但只能代 表点位尺度的一维过程。流域物质平衡方法的依据 是元素的生物地球化学平衡原理，即对于流域体系， 输出元素与输入元素的差值来源于矿物的风化。通 过径流、植物、土壤、岩石、干湿沉降等要素长期 和动态观测，可以计算物质的输入、损失、迁移和 转化[6][7]，可相对真实地估算特定区域的矿物风化和 成土速率。 对于研究土壤的动态演变过程而言，土壤时间 序列方法（Soil Chronosequence）具有重要的意义[8]。 在获得序列中各土壤个体的绝对或相对发育时间基 础上，系统比较不同相对年龄的各种土壤性质，在 定量研究土壤发生过程中具有独到的价值[ 9][ 11]。 近年来利用土壤时间序列方法对热带地区土壤和 水稻土开展了比较深入和系统的研究，为揭示自然 和人为作用下土壤的演变和可持续性提供了新的 理解[10][12][16]。 近 10 年来，以关键带科学为代表的地球表层系 统科学发展迅速，为土壤发生学提供了新的契机，土 壤与其他环境要素之间的相互作用逐步成为土壤发 生学新的研究内容。地球关键带科学是地表系统的综 合研究，涉及到地质学、地球物理学、土壤学、水文 学、生态学、地貌学等跨学科的系统研究（图 1）， 但土壤发生学在其中起着核心和纽带的作用[ 17 ]

5期 张甘霖等:土壤时空变化研究的进展与未来 书的面世,表明数字土壤形态计量学体系已趋于 成熟。之后又有多篇论文问世,数字化土壤形态计 量学已应用于不同的学科领域2425。 ▲ 与传统土壤剖面形态描述相比,数字化土壤形 态计量学能够更精确地定量再现土壤形态属性,并 以一种相对客观的方式量化土壤变异1,从而实现 了土壤形态属性信息的数字化,并可进一步结合数 字土壤制图技术应用于不同尺度、不同专业领域。 23土壤调查:技术引领革新 土壤调查是获取土壤类型及其空间分布信息的 主要手段,是土壤资源管理的基础。然而,传统土 壤调査信息的获取周期长、成本高、过程复杂、复 杂区域不可达、现势性差,难以进行大范围、高覆 Qq00a00月自 盖度的重复调査。卫星与航空遥感、近地传感在 的星地传感技术的蓬勃发展为土壤调查提供了新 图1土壤形成演化过程耦合地表系统要素之间的物质迁机遇27 移与转化 按照工作原理,土壤星地传感技术包括光学与 Fg1 The coupling between the soil formation and the migration辐射型、电与电磁型、电化学型、机械式型等种类。 and transformation of materials of earth surface system 地面传感包括了这四类方式,卫星和航空遥感搭载 22土壤形态学:从描述走向数字化 的传感器主要是基于光学与辐射型27(图2) 土壤形态是现代土壤学的核心科学概念之 土壤航空光学遥感出现于20世纪20年代。1969 对土壤剖面的描述是研究土壤最直观和详实的有效年, MacDonald和Waie28利用航空成像雷达进行土 手段。在土壤学发展过程中,土壤剖面的描述标壤湿度监测试验。1972年世界第一颗资源卫星发射 准虽然也经历了一些变化,但其基本内容一直相当成功,1975年发射第二颗并更名为“ Landsa”,此后 稳定。以 Soil Survey manual、 Field Book for Landsat卫星开始用于大面积土壤调查。进入到21 Describing and Sampling Soils20、 Guidelines for Soil世纪,无人机遥感( Unmanned Aerial Vehicle,UAV) Description2等为代表的土壤形态描述工具实际上技术快速发展,已应用于田间尺度的高分辨率土壤 大同小异。 调查与制图。 传统土壤描述的信息采集设备简陋,无法充分 土壤具有感应电磁的特性,在地下土壤信息获 反映土壤在空间上的连续变异特征,描述结果受描取中,电与电磁型传感器能够基于电流的变化来度 述者个人经验所限,其适用性和实用性受到了一定量土壤导电能力,而随着土壤在空间位置上的变异, 程度的限制,因此历史上已经获取的大量土壤形态电流将发生瞬时变化。电与电磁型传感器能够有效 描述资料并未发挥应有的作用 反演黏土层埋深、土壤养分、土壤盐分、土壤质地、 随着不同传感技术在土壤信息获取领域逐步得土壤水分等属性。 到应用2,2014年 Hartemink和 Minasny23首先提 土壤光谱探测技术研究的主要任务是从探测信 出了数字土壤形态计量学( Digital Soil Morphometrics)号获取可与传统方法相比较的土壤性质,数据预处 该技术主要是通过不同的调査工具,定量获取土壤理与预测模型的构建是其核心内容。数据预处理主 剖面属性、剖面属性图及其深度函数。国际土壤联要针对野外土壤光谱受到的各种环境因素以及土壤 合会( International union of soil sciences,IUSS)本身的差异(土壤水分含量、土壤颗粒大小等)的 2014年设立了数字化土壤形态计量学工作组,并于影响2,目前国际上主要提出了三类方法:一是利 次年6月在美国举行了第一次数字化土壤形态计量用室内外干湿样光谱对比,采用分段直接标准化法 学国际专题研讨会。2016年 Digital Soil Morphometrics( Piecewise Direct Standardization,PDS)、直接标准 http://pedologica.issas.ac.cn

5 期 张甘霖等：土壤时空变化研究的进展与未来 1063 http://pedologica.issas.ac.cn 图 1 土壤形成演化过程耦合地表系统要素之间的物质迁 移与转化 Fig. 1 The coupling between the soil formation and the migration and transformation of materials of earth surface system 2.2 土壤形态学：从描述走向数字化 土壤形态是现代土壤学的核心科学概念之一。 对土壤剖面的描述是研究土壤最直观和详实的有效 手段[18]。在土壤学发展过程中，土壤剖面的描述标 准虽然也经历了一些变化，但其基本内容一直相当 稳定。以 Soil Survey Manual[19]、Field Book for Describing and Sampling Soils[20]、Guidelines for Soil Description[21]等为代表的土壤形态描述工具实际上 大同小异。 传统土壤描述的信息采集设备简陋，无法充分 反映土壤在空间上的连续变异特征，描述结果受描 述者个人经验所限，其适用性和实用性受到了一定 程度的限制，因此历史上已经获取的大量土壤形态 描述资料并未发挥应有的作用。 随着不同传感技术在土壤信息获取领域逐步得 到应用[22]，2014 年 Hartemink 和 Minasny[23]首先提 出了数字土壤形态计量学（Digital Soil Morphometrics）。 该技术主要是通过不同的调查工具，定量获取土壤 剖面属性、剖面属性图及其深度函数。国际土壤联 合会（International Union of Soil Sciences，IUSS） 2014 年设立了数字化土壤形态计量学工作组，并于 次年 6 月在美国举行了第一次数字化土壤形态计量 学国际专题研讨会。2016 年 Digital Soil Morphometrics 一书的面世，表明数字土壤形态计量学体系已趋于 成熟。之后又有多篇论文问世，数字化土壤形态计 量学已应用于不同的学科领域[24][25]。 与传统土壤剖面形态描述相比，数字化土壤形 态计量学能够更精确地定量再现土壤形态属性，并 以一种相对客观的方式量化土壤变异[18]，从而实现 了土壤形态属性信息的数字化，并可进一步结合数 字土壤制图技术应用于不同尺度、不同专业领域。 2.3 土壤调查：技术引领革新 土壤调查是获取土壤类型及其空间分布信息的 主要手段，是土壤资源管理的基础。然而，传统土 壤调查信息的获取周期长、成本高、过程复杂、复 杂区域不可达、现势性差，难以进行大范围、高覆 盖度的重复调查[26]。卫星与航空遥感、近地传感在 内的星地传感技术的蓬勃发展为土壤调查提供了新 机遇[27]。 按照工作原理，土壤星地传感技术包括光学与 辐射型、电与电磁型、电化学型、机械式型等种类。 地面传感包括了这四类方式，卫星和航空遥感搭载 的传感器主要是基于光学与辐射型[27]（图 2）。 土壤航空光学遥感出现于 20 世纪 20 年代。1969 年，MacDonald 和 Waite[28]利用航空成像雷达进行土 壤湿度监测试验。1972 年世界第一颗资源卫星发射 成功，1975 年发射第二颗并更名为“Landsa”，此后 Landsat 卫星开始用于大面积土壤调查。进入到 21 世纪，无人机遥感（Unmanned Aerial Vehicle，UAV） 技术快速发展，已应用于田间尺度的高分辨率土壤 调查与制图。 土壤具有感应电磁的特性，在地下土壤信息获 取中，电与电磁型传感器能够基于电流的变化来度 量土壤导电能力，而随着土壤在空间位置上的变异， 电流将发生瞬时变化。电与电磁型传感器能够有效 反演黏土层埋深、土壤养分、土壤盐分、土壤质地、 土壤水分等属性。 土壤光谱探测技术研究的主要任务是从探测信 号获取可与传统方法相比较的土壤性质，数据预处 理与预测模型的构建是其核心内容。数据预处理主 要针对野外土壤光谱受到的各种环境因素以及土壤 本身的差异（土壤水分含量、土壤颗粒大小等）的 影响[27]，目前国际上主要提出了三类方法：一是利 用室内外干湿样光谱对比，采用分段直接标准化法 （Piecewise Direct Standardization，PDS）、直接标准

土壤学报 57卷 微波遥感 卫星 光学遥感 MS4000 HYMAPr高光谱 航空 航空成像 VIS-NIR UAV 车载 MS-6I Veris车载 测仪 Vis-NIR 探地雷 EM3 田间 XRE 野外光谱仪 VIs-NIR Y射线X射线紫外可见光红外微波射频电磁感应 图2现代土壤调查数据获取平台特征 Fig. 2 The characteristics of data acquisition 化法( Direct Standardization,DS)、外部参数正交系统分类(ST)和国际土壤分类参比基础(WRB) His( External Parameter Orthogonalization, EPO 我国近代土壤分类始于20世纪30年代,先后 等方法直接进行光谱曲线的转换3;二是从预测经历了马伯特分类、土壤地理发生分类和土壤系统 样本中挑选有代表性的子集,从而提高模型对预测分类三个时期。土壤发生分类在我国土壤科学发展 样本的预测精度13213;三是通过导数等预处理来提和生产应用方面发挥了重要作用,以其为基础编制 高野外光谱预测精度。 了大量的大、中比例尺图,而且还编制了全国1 土壤近地传感是利用田间传感器获取土壤近地400万土壤图和1:1200万土壤图。中国土壤系统 面或土体内信息的一种科学技术围自1920年代以分类研究始于20世纪80年代初,经过近四十年的 来,传感技术不断进步,1960年代出现了最早的土发展,出版的 Chinese soil taxonomy经过国际土壤 壤光谱辐射能研究,以及Ⅹ射线荧光光谱技术的应学会的介绍后,已经传播到20多个国家。关于基层 用( X ray fluorescence spectroscopy,XRF),1970分类的研究与系统分类高级单元的原则和方法呼 年代出现了盐碱土电磁感应技术( Electromagnetic应,目前已取得了阶段性的进展H。最近10多年来 duction,EMI)1。近年来可见-近红外光谱“我国土系调查和《中国土系志》编制”工作基于中 ( ViS-NIR)发展迅速,2006年, Brown等开始建立国土壤系统分类建立了土族和土系划分标准{2,并 全球土壤光谱库,此后各国也陆续开展了国家尺度在广泛调查的基础上,陆续出版了系列《土系志》 的土壤光谱库建设工作悶。此外,探地雷达和地专著,将土壤分类工作推向了新的前沿46 震仪在土壤调查中能够更有效地获取到表下层土壤 土壤分类方法正在由基于专家经验的人工判 的特征信息,已逐步成为现代土壤调查的重要手段别逐步走向数值化自动分类114。受益于星地遥 之一。总之,以技术进步为标志的现代土壤信息感和近地传感等技术的飞速发展,用于分类的属性 获取为土壤时空变化研究提供了极其有力的工具,逐步从基于实验室测定的物理、化学属性向传感获 无疑为业已发端的土壤信息学奠定了技术基础 得的信号信息过渡。土壤光谱获取相对简单、快速 2.4土壤分类:不断精细并与数值融合 信息量大,能够反映土壤的多种关键属性,已成为 土壤分类是科学认识和区分土壤类型的实践,也数值分类体系中重要的数据来源n;同时现代地理 是建立土壤属性与功能之间联系的桥梁。随着科学的信息系统技术和计算机技术的发展,为数值土壤分 进步,土壤分类也在迅速发展。目前国际上土壤分类类提供了更强大的工具。传统的土壤分类只能将目 仍然是以土壤形态学为基础的诊断分类,如美国土壤标土壤剖面划分为一个非此即彼的具体类型,而数 http://pedologica.issas.ac.cn

1064 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 图 2 现代土壤调查数据获取平台特征 Fig. 2 The characteristics of data acquisition for modern soil survey 化法（Direct Standardization，DS）、外部参数正交 化法（External Parameter Orthogonalization，EPO） 等方法直接进行光谱曲线的转换[29][31]；二是从预测 样本中挑选有代表性的子集，从而提高模型对预测 样本的预测精度[32][33]；三是通过导数等预处理来提 高野外光谱预测精度[34]。 土壤近地传感是利用田间传感器获取土壤近地 面或土体内信息的一种科学技术[35]。自 1920 年代以 来，传感技术不断进步，1960 年代出现了最早的土 壤光谱辐射能研究，以及 X 射线荧光光谱技术的应 用（X ray fluorescence spectroscopy，XRF），1970 年代出现了盐碱土电磁感应技术（Electromagnetic induction，EMI）[36][37]。近年来可见-近红外光谱 （Vis-NIR）发展迅速，2006 年，Brown 等开始建立 全球土壤光谱库，此后各国也陆续开展了国家尺度 的土壤光谱库建设工作[38][39]。此外，探地雷达和地 震仪在土壤调查中能够更有效地获取到表下层土壤 的特征信息，已逐步成为现代土壤调查的重要手段 之一[40]。总之，以技术进步为标志的现代土壤信息 获取为土壤时空变化研究提供了极其有力的工具， 无疑为业已发端的土壤信息学奠定了技术基础。 2.4 土壤分类：不断精细并与数值融合 土壤分类是科学认识和区分土壤类型的实践，也 是建立土壤属性与功能之间联系的桥梁。随着科学的 进步，土壤分类也在迅速发展。目前国际上土壤分类 仍然是以土壤形态学为基础的诊断分类，如美国土壤 系统分类（ST）和国际土壤分类参比基础（WRB）[4]。 我国近代土壤分类始于 20 世纪 30 年代，先后 经历了马伯特分类、土壤地理发生分类和土壤系统 分类三个时期。土壤发生分类在我国土壤科学发展 和生产应用方面发挥了重要作用，以其为基础编制 了大量的大、中比例尺图，而且还编制了全国 1︰ 400 万土壤图和 1︰1200 万土壤图。中国土壤系统 分类研究始于 20 世纪 80 年代初，经过近四十年的 发展，出版的 Chinese Soil Taxonomy 经过国际土壤 学会的介绍后，已经传播到 20 多个国家。关于基层 分类的研究与系统分类高级单元的原则和方法呼 应，目前已取得了阶段性的进展[41]。最近 10 多年来， “我国土系调查和《中国土系志》编制”工作基于中 国土壤系统分类建立了土族和土系划分标准[42]，并 在广泛调查的基础上，陆续出版了系列《土系志》 专著，将土壤分类工作推向了新的前沿[43][46]。 土壤分类方法正在由基于专家经验的人工判 别逐步走向数值化自动分类[47][48]。受益于星地遥 感和近地传感等技术的飞速发展，用于分类的属性 逐步从基于实验室测定的物理、化学属性向传感获 得的信号信息过渡。土壤光谱获取相对简单、快速、 信息量大，能够反映土壤的多种关键属性，已成为 数值分类体系中重要的数据来源[47]；同时现代地理 信息系统技术和计算机技术的发展，为数值土壤分 类提供了更强大的工具。传统的土壤分类只能将目 标土壤剖面划分为一个非此即彼的具体类型，而数