《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

1076 土壤学报 57卷 保护性耕作使土壤容重增加,土壤饱和导水率下降,动机制是盐渍土改良利用的核心科学冋题 根系受到的穿透阻力提高。两种相反的观点的出 土壤水盐运移受区域性气候蒸发力、地形高差、 现可能与耕作实验实施年限和土壤质地等有关。地下水埋深、土壤自身属性和盐源分布的影响,因 Pittelkow等分析了全球610个研究案例,5463而田间管理措施对水盐迁移有着重要的影响,也成 个对比数据,发现仅采用少免耕往往使作物减产,为优化调控的首选。目前,土壤水盐运移生态调控 只有与作物覆盖和轮作等措施相结合,在干旱区域措施多种多样,包括各种具有节水减肥、绿色增效 提高作物产量较为明显。因此,采用保护性耕作揹特色的水利工程、物理、化学、农艺等多种措施, 施要因地而宜。另一方面,深耕(包括深松、深翻但其核心主要通过降低土壤温度或减少蒸发进而抑 等)是提高土壤物理质量的耕作措施,通过深耕,制盐分上行、改善土壤结构促进盐分淋洗、隔层创 提高土壤耕层厚度,降低土壤容重,提高土壤固碳建阻滞盐分上行,或增加土壤排水加快土壤排盐等 能力,增加土壤透水通气性,利于作物根系生长,途径实现土壤水盐运移过程的调控(图4)。不同形 从而实现作物增产增效。无论是保护性耕作还是成原因、驱动机制下的水盐运动调控措施需要针对 深耕,耕作措施改变土壤物理质量效果显著,但是不同生物气候带和不同盐渍化发生区域的实际情况 釆取何种适宜的耕作措施需要综合考虑当地气候特进行确定。水利工程措施如暗管排水通过增加净入 征、土壤状况和种植制度等。 渗方式加速土壤盐分从下边界的淋洗与排出,有效 2.3水热盐运移耦合过程与生态调控 降低土壤含盐量,但大量研究表明暗管排水需要 盐渍地是我国重要的后备耕地资源,达3千多通过后期控制排水,减少土壤水分和养分的淋失5 万公顷,其改良利用与水热盐运移过程密切相关。物理调控措施主要通过耕作、客土、秸秆隔层、生 土壤水盐迁移过程是指在自然、人为等多种因素影物质炭、铺沙压碱等方法创建疏松隔层抑制盐分上 响下水分和盐分在土壤中的再分配过程。温度与土行,或加速土壤盐分向深层次淋洗等方式实现水盐 壤水盐运移耦合研究是剖析不同气候带土壤盐渍化调控。化学调控措施主要通过环境友好型的钙基材 发生演变的重要基础,国内外学者通过大量试验研料的应用,利用Ca2与土壤胶体Na交换并淋洗, 究和理论分析,从水热盐耦合运移的角度阐述了土降低土壤胶体中的交换性钠Na',调节改善土壤理 壤盐渍化形成机理、演变规律与驱动机制。 Nassar化性状和生物学性状。此外,生物调控措施主要 等综合考虑水分梯度、温度梯度、溶质梯度作用利用保护性耕作方式、或者通过微生物促进土壤团 下的水汽输送、热量传递和溶质运移过程,对一维粒结构的形成与保存,提升盐碱地有机质含量,同 水、盐、热运移进行了模拟,并在封闭土柱中进行时阻控土壤返盐5。在当今生态优先的背景下,生 了验证和分析;万良兴等阐述了近20年来土壤物改良措施已成为研究的热点。受水资源因素制约 水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者目前国际上对盐碱地治理没有更好的办法,单一的调 的研究成果,评价了目前的土壤水热盐运移模型。控措施在不同区域适用条件有别,由此一些侧重于因 总体而言,温度通过间接影响土壤水汽运动、冻融地制宜的综合调控措施改进工作备受关注。例如,雷 过程进而影响盐分的迁移与分布。近年来的咸水结宏军等8提出的曝气滴灌水肥一体化技术,通过将 冰灌溉,其利用低温时咸水结冰,融化时含盐分高大量微气泡与水肥同步输送到根区而改善作物微环 的冰先融化入渗,含低浓度的微咸水后融化起到洗境,明显提升了作物生产潜力。张博提出的一种 盐的作用,使土壤表层脱盐。目前,国内外学者地下排水系统与田间入渗工程相结合的基础措施,并 在冻融、覆膜、秸秆覆盖等管理条件下的土壤水盐辅施有机肥料和改良剂的综合改良方法,改良后表土 运移开展大量的工作,但在不同种植方式、水文气积盐情况得到有效缓解,土壤养分有效提升。从已有 候条件下温度对水盐运移影响的程度、范围、效应研究看,随着近年来气候变化、水资源短缺以及极端 等方面仍需要进一步研究。比如,以往研究覆盖对气候频繁,不同气候区土壤水盐运动异质性与气候 减少灌溉用水的影响,但是很少关注地膜通过减少地形、灌排管理等因素长期并存,局部盐渍化减缓与 蒸发以及增加降水的深层渗滤将雨水存储在土壤中持久性的反复和加剧并存,这对传统的饱和带水盐运 的积极作用。不同气候带土壤盐渍化演变的复合驱动理论和水盐调控思路提出了新的挑战,未来研究应 http://pedologica.issas.ac.cn

1076 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 保护性耕作使土壤容重增加，土壤饱和导水率下降， 根系受到的穿透阻力提高[46]。两种相反的观点的出 现可能与耕作实验实施年限和土壤质地等有关[47]。 Pittelkow 等[48]分析了全球 610 个研究案例，5 463 个对比数据，发现仅采用少免耕往往使作物减产， 只有与作物覆盖和轮作等措施相结合，在干旱区域 提高作物产量较为明显。因此，采用保护性耕作措 施要因地而宜。另一方面，深耕（包括深松、深翻 等）是提高土壤物理质量的耕作措施，通过深耕， 提高土壤耕层厚度，降低土壤容重，提高土壤固碳 能力，增加土壤透水通气性，利于作物根系生长， 从而实现作物增产增效[49]。无论是保护性耕作还是 深耕，耕作措施改变土壤物理质量效果显著，但是 采取何种适宜的耕作措施需要综合考虑当地气候特 征、土壤状况和种植制度等。 2.3 水热盐运移耦合过程与生态调控 盐渍地是我国重要的后备耕地资源，达 3 千多 万公顷，其改良利用与水热盐运移过程密切相关[50]。 土壤水盐迁移过程是指在自然、人为等多种因素影 响下水分和盐分在土壤中的再分配过程。温度与土 壤水盐运移耦合研究是剖析不同气候带土壤盐渍化 发生演变的重要基础，国内外学者通过大量试验研 究和理论分析，从水热盐耦合运移的角度阐述了土 壤盐渍化形成机理、演变规律与驱动机制。Nassar 等[51]综合考虑水分梯度、温度梯度、溶质梯度作用 下的水汽输送、热量传递和溶质运移过程，对一维 水、盐、热运移进行了模拟，并在封闭土柱中进行 了验证和分析；万良兴等[52]阐述了近 20 年来土壤 水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者 的研究成果，评价了目前的土壤水热盐运移模型。 总体而言，温度通过间接影响土壤水汽运动、冻融 过程进而影响盐分的迁移与分布。近年来的咸水结 冰灌溉，其利用低温时咸水结冰，融化时含盐分高 的冰先融化入渗，含低浓度的微咸水后融化起到洗 盐的作用，使土壤表层脱盐[53]。目前，国内外学者 在冻融、覆膜、秸秆覆盖等管理条件下的土壤水盐 运移开展大量的工作，但在不同种植方式、水文气 候条件下温度对水盐运移影响的程度、范围、效应 等方面仍需要进一步研究。比如，以往研究覆盖对 减少灌溉用水的影响，但是很少关注地膜通过减少 蒸发以及增加降水的深层渗滤将雨水存储在土壤中 的积极作用。不同气候带土壤盐渍化演变的复合驱 动机制是盐渍土改良利用的核心科学问题。 土壤水盐运移受区域性气候蒸发力、地形高差、 地下水埋深、土壤自身属性和盐源分布的影响，因 而田间管理措施对水盐迁移有着重要的影响，也成 为优化调控的首选。目前，土壤水盐运移生态调控 措施多种多样，包括各种具有节水减肥、绿色增效 特色的水利工程、物理、化学、农艺等多种措施， 但其核心主要通过降低土壤温度或减少蒸发进而抑 制盐分上行、改善土壤结构促进盐分淋洗、隔层创 建阻滞盐分上行，或增加土壤排水加快土壤排盐等 途径实现土壤水盐运移过程的调控（图 4）。不同形 成原因、驱动机制下的水盐运动调控措施需要针对 不同生物气候带和不同盐渍化发生区域的实际情况 进行确定。水利工程措施如暗管排水通过增加净入 渗方式加速土壤盐分从下边界的淋洗与排出，有效 降低土壤含盐量[54]，但大量研究表明暗管排水需要 通过后期控制排水，减少土壤水分和养分的淋失[55]。 物理调控措施主要通过耕作、客土、秸秆隔层、生 物质炭、铺沙压碱等方法创建疏松隔层抑制盐分上 行，或加速土壤盐分向深层次淋洗等方式实现水盐 调控。化学调控措施主要通过环境友好型的钙基材 料的应用，利用 Ca2+与土壤胶体 Na+ 交换并淋洗， 降低土壤胶体中的交换性钠 Na+ ，调节改善土壤理 化性状和生物学性状[56]。此外，生物调控措施主要 利用保护性耕作方式、或者通过微生物促进土壤团 粒结构的形成与保存，提升盐碱地有机质含量，同 时阻控土壤返盐[57]。在当今生态优先的背景下，生 物改良措施已成为研究的热点。受水资源因素制约， 目前国际上对盐碱地治理没有更好的办法，单一的调 控措施在不同区域适用条件有别，由此一些侧重于因 地制宜的综合调控措施改进工作备受关注。例如，雷 宏军等[58]提出的曝气滴灌水肥一体化技术，通过将 大量微气泡与水肥同步输送到根区而改善作物微环 境，明显提升了作物生产潜力。张博[59]提出的一种 地下排水系统与田间入渗工程相结合的基础措施，并 辅施有机肥料和改良剂的综合改良方法，改良后表土 积盐情况得到有效缓解，土壤养分有效提升。从已有 研究看，随着近年来气候变化、水资源短缺以及极端 气候频繁，不同气候区土壤水盐运动异质性与气候、 地形、灌排管理等因素长期并存，局部盐渍化减缓与 持久性的反复和加剧并存，这对传统的饱和带水盐运 动理论和水盐调控思路提出了新的挑战，未来研究应

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 1077 地面覆盖 GSPAC系统 水分运动模块 修改上边界条件 抑制蒸发① 精作抑盐 2、盐分运移模块9 2、修改水力特征参数,模 隔层色建B.Bi 3、热量传速(冻融)) 阻断返盐③ 3,修改边界条件参数,模 4、作物根系吸水模块① cOMsOL万 拟下滴准节水控盐B 水盐随毛管 5、地下水流动模块 排水 上边界条 =0z=t>0 iE Note: Surface cover inhibits evaporation; @2 Tillage and water-saving to control salinization; @3 Create a interlayer to inhibit salt accumulation on the surface soil: Deep drainage promotes salt-leaching: ( Salt infiltration and accumulation; 6 Water and salt go up by apillary rising: (Simplified characteristics of water and salt movement; (8 Water movement module; Salt transport module; Q0He transfer( freeze-thaw ):(D Root water absorption module; (12 Groundwater flow module; (3 Modify upper boundary conditions to simulate surface cover inhibiting evaporation; (14 Modify hydraulic characteristic parameters to simulate tillage and interlayer blocking capillary: 15 Modify boundary condition parameters to simulate water saving and salt control by drip irrigation under film: (5 Modify lower boundary conditions to simulate deep drainage and salt-leaching 图4土壤水热盐耦合迁移的调控途径及其过程模拟 Fig4 The regulation approach and process simulation of coupled soil water, heat and salt transport 重点突破非饱和带水盐迁移过程、驱动机制及其尺度有限元理论的数值仿真模型 COMSOL被用于模拟 效应,微咸水/咸水、农田排水等非传统水资源在盐地下水流动、土壤盐分运移和气流形成规律等问题 渍土安全利用及其生态效应等。 Wang等利用 COMSOL研究了盐土路基膨胀中的 土壤中溶质的运动包括对流、分子扩散、机械弥土壤盐分迁移、结晶等过程。焦会青等结合 散、溶解沉淀、离子吸附、植物吸收等一系列物理 COMSOL构建的模型较好地模拟了绿洲盐渍化土 化学和生物过程。土壤溶质运移模型是近似描述盐渍壤中多离子耦合运移过程。与现有其他模型相比, 土水热盐运移规律的有效、快捷方法,可归纳为:机尽管 COMSOL目前主要局限于地下水和土壤水入 理性模型,物理模拟模型及数学模拟模型。 Nassar渗的硏究,但是其数值分析能力强、计算适用性广, 等于1992年提出了描述非恒定条件下水、热、盐且具备复杂工程设置方式和二次开发潜力,因此在 运动的控制方程,其中包括水分、热运动和溶质运一些特定的土壤溶质运移过程模拟研究中具有广泛 移3个子方程,这也是目前土壤水热盐耦合运移数应用前景。总体来看,目前在地下水-土壤-植物-大 学模拟的基础。 HYDRUS模型被广泛用于模拟饱气连续体( GSPAC)水分传输模型研究中,对提高 非饱和渗流区水、热及多种溶质的迁移与转化过作物水分利用率极为关键的根区水分传输机理的认 程,能够较好地模拟田间点源交汇条件下的水-盐-识仍不够深入。尤其是,由于盐分的影响,明确 热分布。尤其是, HYDRUS模型引入了能模拟优势 GSPAC系统水分转化机制相当困难。近年来,环境 流的双孔隙模型,可进行物理非平衡和化学非平衡或人为加入稳定同位素技术已经成为研究植物水资 溶质运移的模拟(例如两区模型、两点模型等),这源利用的新方法,这为进一步揭示 GSPAC系统 为土壤结构和层次复杂条件下溶质迁移模拟提供了土壤水与溶质运移过程提供了有效手段。总体上 方便。α等利用 HYDRUS模型准确模拟了水、热、盐耦合运移模型有了很大发展,然而现有 秸秆覆盖和滴灌条件下的土壤水盐运移过程。此外,模型存在如参数多、田间可操作性差、难以验证等 SHAW模型亦广泛用于研究土壤水热盐耦合运移,很多不足。未来的主要研究热点是将数学模型和机 尤其是在冻融条件下。Lu等6利用SHAW模型模理性模型相结合 拟不同覆盖条件下全年土壤水热盐耦合运移过程,2.4污染物迁移与模型模拟 并对当地秋浇提出了理论指导。近年来,一种基于 针对我国土壤和水体污染形势严峻问题,土壤 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 1077 http://pedologica.issas.ac.cn 注 Note：①Surface cover inhibits evaporation；②Tillage and water-saving to control salinization；③Create a interlayer to inhibit salt accumulation on the surface soil；④Deep drainage promotes salt-leaching；⑤Salt infiltration and accumulation；⑥Water and salt go up by capillary rising；⑦Simplified characteristics of water and salt movement；⑧Water movement module；⑨Salt transport module；⑩Heat transfer（freeze-thaw）；⑪Root water absorption module；⑫Groundwater flow module；⑬Modify upper boundary conditions to simulate surface cover inhibiting evaporation；⑭Modify hydraulic characteristic parameters to simulate tillage and interlayer blocking capillary； ⑮Modify boundary condition parameters to simulate water saving and salt control by drip irrigation under film；⑯Modify lower boundary conditions to simulate deep drainage and salt-leaching. 图 4 土壤水热盐耦合迁移的调控途径及其过程模拟 Fig. 4 The regulation approach and process simulation of coupled soil water，heat and salt transport 重点突破非饱和带水盐迁移过程、驱动机制及其尺度 效应，微咸水/咸水、农田排水等非传统水资源在盐 渍土安全利用及其生态效应等。 土壤中溶质的运动包括对流、分子扩散、机械弥 散、溶解沉淀、离子吸附、植物吸收等一系列物理、 化学和生物过程。土壤溶质运移模型是近似描述盐渍 土水热盐运移规律的有效、快捷方法，可归纳为：机 理性模型，物理模拟模型及数学模拟模型[60]。Nassar 等[51]于 1992 年提出了描述非恒定条件下水、热、盐 运动的控制方程，其中包括水分、热运动和溶质运 移 3 个子方程，这也是目前土壤水热盐耦合运移数 学模拟的基础。HYDRUS 模型[60]被广泛用于模拟饱 和-非饱和渗流区水、热及多种溶质的迁移与转化过 程，能够较好地模拟田间点源交汇条件下的水-盐- 热分布。尤其是，HYDRUS 模型引入了能模拟优势 流的双孔隙模型，可进行物理非平衡和化学非平衡 溶质运移的模拟（例如两区模型、两点模型等），这 为土壤结构和层次复杂条件下溶质迁移模拟提供了 方便[61-62]。Qi 等[63]利用 HYDRUS 模型准确模拟了 秸秆覆盖和滴灌条件下的土壤水盐运移过程。此外， SHAW 模型亦广泛用于研究土壤水热盐耦合运移， 尤其是在冻融条件下。Lu 等[64]利用 SHAW 模型模 拟不同覆盖条件下全年土壤水热盐耦合运移过程， 并对当地秋浇提出了理论指导。近年来，一种基于 有限元理论的数值仿真模型 COMSOL 被用于模拟 地下水流动、土壤盐分运移和气流形成规律等问题， Wang 等[65]利用 COMSOL 研究了盐土路基膨胀中的 土壤盐分迁移、结晶等过程。焦会青等[66]结 合 COMSOL 构建的模型较好地模拟了绿洲盐渍化土 壤中多离子耦合运移过程。与现有其他模型相比， 尽管 COMSOL 目前主要局限于地下水和土壤水入 渗的研究，但是其数值分析能力强、计算适用性广， 且具备复杂工程设置方式和二次开发潜力，因此在 一些特定的土壤溶质运移过程模拟研究中具有广泛 应用前景。总体来看，目前在地下水-土壤-植物-大 气连续体（GSPAC）水分传输模型研究中，对提高 作物水分利用率极为关键的根区水分传输机理的认 识仍不够深入。尤其是，由于盐分的影响，明确 GSPAC 系统水分转化机制相当困难。近年来，环境 或人为加入稳定同位素技术已经成为研究植物水资 源利用的新方法[67]，这为进一步揭示 GSPAC 系统 土壤水与溶质运移过程提供了有效手段。总体上， 水、热、盐耦合运移模型有了很大发展，然而现有 模型存在如参数多、田间可操作性差、难以验证等 很多不足。未来的主要研究热点是将数学模型和机 理性模型相结合。 2.4 污染物迁移与模型模拟 针对我国土壤和水体污染形势严峻问题，土壤

1078 土壤学报 57卷 物理学依托学科优势,围绕土壤污染物的迁移转化壤中运输相当长的距离对土壤胶体态污染物的 规律及其模拟模型开展了广泛硏究,关注的污染物运移过程硏究结果表明,与土壤溶质的吸附和解吸 包括氮磷、重金属、有机大分子等溶质态污染物,机制不同,土壤胶体吸附和解吸受重力沉降、拦截、 以及病毒、细菌、纳米材料等尺寸在lnm到l0μm布朗扩散、水动力和DLvo( Derjaguin- Landau 之间的胶体污染物。土壤溶质运移硏究始于19世纪 Verwey-Overbeek)力的控制,土壤表面非均质性被 末,关于氮磷、重金属、有机物等污染物运移硏究发现是影响DLVO力从而影响胶体吸附和解吸的关 则起始于20世纪六七十年代。土壤污染物的运移途键因素纳米尺度粗糙凸起不仅有利于胶体吸附, 径包括对流、扩散、弥散以及胶体携带等,并受吸同时在环境条件发生变化时还有利于胶体解吸,表 附-解吸、酸-碱反应、沉淀、溶解、络合、氧化-还面电荷异质性则有利于胶体的不可逆吸附 原反应等化学、物理化学、生物转化过程影响。在 对集水区/流域尺度的研究,主要关注土壤氮磷 20世纪90年代发现放射性核素钚可通过胶体携带流失过程,并取得了积极进展,特别是对紫色土 方式在地下环境中进行超长距离迁移后6,胶体携红壤地区等的研究。由于紫色土土层薄、耕作频繁 带污染物迁移的研究受到重视。21世纪以来,纳米土壤相对疏松,紫色土小流域氮素主要以可溶态形 材料在土壤中的迁移成为了新的研究热点例。研究式流失,磷素迁移则以颗粒态为主,壤中流是氮流 纳米材料的迁移不仅对有毒纳米材料的环境风险评失的主要水文过程,强降雨对于氮磷流失的影响显 估十分重要,而且对采用纳米零价铁等纳米材料原著似列。对红壤为主的浙江椒江流域氢氧和氮氧稳 位修复受污染的土壤具有十分重要的意义。2013定同位素的分析结果表明,慢速壤中流和地下水对 年以来,土壤中抗生素抗性基因的迁移转化过程逐河流流量的贡献达到75%以上,地下水(约50% 步受到关注n 和土壤氮(>30%)是河流中硝氮的主要来源0 对土壤及地下水中污染物迁移转化过程的研究对红壤丘陵区的长沙金井流域研究结果也表明,由 主要依赖于室内模拟试验、田间观察、模型模拟等于大面积种植水稻会导致浅层地下水氨氮污染,提 三种手段。应用土柱模拟、田间观察等手段,我国高地下水硝态氮和总氮浓度,基流的硝态氮和总氮 在土壤水分、质地、结构等物理性质对重金属、氮流失贡献分别高达大于27%和大于21%,尤其在水 磷、抗生素、胶体态污染物等迁移转化过程的影响稻种植面积比例高的流域和水稻休耕期。对华北 研究方面取得了积极进展。已有的研究表明,干湿平原地下水硝酸盐氮氧同位素的研究表明,地下水 交替条件下六价铬浓度随着氧化还原电位的波动而硝酸盐主要来源于有机肥和污水,而不是化肥82。 上下波动,土壤中有效态铬浓度和重金属铬的迁移/土壤氮磷流失的尺度效应得到关注,已有的一些研 淋溶能力显著高于淹水条件。在淹水环境下,土究表明由于沟渠、堰塘的截留作用以及农田排水重 壤中的氮磷因向上覆水中迁移而损失,且随着淹水复利用,使得氮磷流失强度随着集水区/流域面积的 历时的延长,氮磷损失率呈增加趋势。因此,农作増加总体呈现降低趋势,但也有一些硏究得到了相 物受淹后可根据实际情况采取控制排水措施,减少反的结论。目前,对尺度效应形成机制缺少系统研 地表水的排放,以减少氮磷流失。相比于大水漫究,对不同空间尺度下土壤氮磷流失主导因素以及 灌,控制灌溉、干湿交替灌溉等技术可以有效削减响应关系的变化规律尚不清楚。 农田氮磷的流失。土壤水分过程一方面决定了土 数学模型是当前定量认识土壤污染物迁移转化 壤好氧厌氧环境和氧化还原电位,从而影响氮磷的过程的主要手段。前述用于盐分运移的确定性模型、 形态转化过程等过程,另一方面驱动了土壤溶解态随机模型和传递函数模型也被广泛用于土壤污染物 氮磷的垂向和横向运移3。由于壤中流的存在,坡迁移的模拟。总体而言,当前应用于氮磷、农药等 地土壤氮磷等污染物垂直迁移形态呈现地表径流、迁移转化过程的模型主要包括:田间/坡面尺度模型 壤中流和地下径流不同的分层特征对土壤中抗SON、EPIC、DNDC等和流域尺度模型SWAT 生素抗性基因迁移转化过程的一些研究表明,不同HSPF、 ANSWERS、GBNP、HBV-N、TVGM、HYPE 质地土壤对抗生素抗性基因的吸附和持留能力存等183尽管以上田间模型被广泛应用于土壤氮 在较大差异,抗生素抗性基因可以在水分饱和的土PFCs等的迁移转化过程模拟,但是更多的研究通过 http://pedologica.issas.ac.cn

1078 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 物理学依托学科优势，围绕土壤污染物的迁移转化 规律及其模拟模型开展了广泛研究，关注的污染物 包括氮磷、重金属、有机大分子等溶质态污染物， 以及病毒、细菌、纳米材料等尺寸在 1 nm 到 10 μm 之间的胶体污染物。土壤溶质运移研究始于 19 世纪 末，关于氮磷、重金属、有机物等污染物运移研究 则起始于 20 世纪六七十年代。土壤污染物的运移途 径包括对流、扩散、弥散以及胶体携带等，并受吸 附-解吸、酸-碱反应、沉淀、溶解、络合、氧化-还 原反应等化学、物理化学、生物转化过程影响。在 20 世纪 90 年代发现放射性核素钚可通过胶体携带 方式在地下环境中进行超长距离迁移后[68]，胶体携 带污染物迁移的研究受到重视。21 世纪以来，纳米 材料在土壤中的迁移成为了新的研究热点[69]。研究 纳米材料的迁移不仅对有毒纳米材料的环境风险评 估十分重要，而且对采用纳米零价铁等纳米材料原 位修复受污染的土壤具有十分重要的意义[70]。2013 年以来，土壤中抗生素抗性基因的迁移转化过程逐 步受到关注[71]。 对土壤及地下水中污染物迁移转化过程的研究 主要依赖于室内模拟试验、田间观察、模型模拟等 三种手段。应用土柱模拟、田间观察等手段，我国 在土壤水分、质地、结构等物理性质对重金属、氮 磷、抗生素、胶体态污染物等迁移转化过程的影响 研究方面取得了积极进展。已有的研究表明，干湿 交替条件下六价铬浓度随着氧化还原电位的波动而 上下波动，土壤中有效态铬浓度和重金属铬的迁移/ 淋溶能力显著高于淹水条件[72]。在淹水环境下，土 壤中的氮磷因向上覆水中迁移而损失，且随着淹水 历时的延长，氮磷损失率呈增加趋势。因此，农作 物受淹后可根据实际情况采取控制排水措施，减少 地表水的排放，以减少氮磷流失[73]。相比于大水漫 灌，控制灌溉、干湿交替灌溉等技术可以有效削减 农田氮磷的流失[74]。土壤水分过程一方面决定了土 壤好氧厌氧环境和氧化还原电位，从而影响氮磷的 形态转化过程等过程，另一方面驱动了土壤溶解态 氮磷的垂向和横向运移[75]。由于壤中流的存在，坡 地土壤氮磷等污染物垂直迁移形态呈现地表径流、 壤中流和地下径流不同的分层特征[76]。对土壤中抗 生素抗性基因迁移转化过程的一些研究表明，不同 质地土壤对抗生素抗性基因的吸附和持留能力存 在较大差异，抗生素抗性基因可以在水分饱和的土 壤中运输相当长的距离[77]。对土壤胶体态污染物的 运移过程研究结果表明，与土壤溶质的吸附和解吸 机制不同，土壤胶体吸附和解吸受重力沉降、拦截、 布朗扩散、水动力和 DLVO（Derjaguin-Landau￾Verwey-Overbeek）力的控制，土壤表面非均质性被 发现是影响 DLVO 力从而影响胶体吸附和解吸的关 键因素[78]。纳米尺度粗糙凸起不仅有利于胶体吸附， 同时在环境条件发生变化时还有利于胶体解吸，表 面电荷异质性则有利于胶体的不可逆吸附。 对集水区/流域尺度的研究，主要关注土壤氮磷 流失过程，并取得了积极进展，特别是对紫色土、 红壤地区等的研究。由于紫色土土层薄、耕作频繁、 土壤相对疏松，紫色土小流域氮素主要以可溶态形 式流失，磷素迁移则以颗粒态为主，壤中流是氮流 失的主要水文过程，强降雨对于氮磷流失的影响显 著[78-79]。对红壤为主的浙江椒江流域氢氧和氮氧稳 定同位素的分析结果表明，慢速壤中流和地下水对 河流流量的贡献达到 75%以上，地下水（约 50%） 和土壤氮（> 30%）是河流中硝氮的主要来源[80]。 对红壤丘陵区的长沙金井流域研究结果也表明，由 于大面积种植水稻会导致浅层地下水氨氮污染，提 高地下水硝态氮和总氮浓度，基流的硝态氮和总氮 流失贡献分别高达大于 27%和大于 21%，尤其在水 稻种植面积比例高的流域和水稻休耕期[81]。对华北 平原地下水硝酸盐氮氧同位素的研究表明，地下水 硝酸盐主要来源于有机肥和污水，而不是化肥[82]。 土壤氮磷流失的尺度效应得到关注，已有的一些研 究表明由于沟渠、堰塘的截留作用以及农田排水重 复利用，使得氮磷流失强度随着集水区/流域面积的 增加总体呈现降低趋势，但也有一些研究得到了相 反的结论。目前，对尺度效应形成机制缺少系统研 究，对不同空间尺度下土壤氮磷流失主导因素以及 响应关系的变化规律尚不清楚。 数学模型是当前定量认识土壤污染物迁移转化 过程的主要手段。前述用于盐分运移的确定性模型、 随机模型和传递函数模型也被广泛用于土壤污染物 迁移的模拟。总体而言，当前应用于氮磷、农药等 迁移转化过程的模型主要包括：田间/坡面尺度模型 SOILN、EPIC、DNDC 等和流域尺度模型 SWAT、 HSPF、ANSWERS、GBNP、HBV-N、TVGM、HYPE 等[83-84]。尽管以上田间模型被广泛应用于土壤氮、 PFCs 等的迁移转化过程模拟，但是更多的研究通过

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 1079 耦合土壤水文模型与生物地球化学反应模型,模拟分物理性状对污染物的固、液、气、生物多界面行为 析土壤污染物的迁移转化特征。例如,赖晓明等1过程机制尚缺乏系统研究,有关土壤结构对污染物 耦合 HYDRUS-D和DNDC模型模拟太湖流域农田多过程耦合的微观调控机制及其定量预测模型将是 系统水分渗漏和氮磷淋失特征。李龙飞等耦合水未来重要研究的重点。微流控技术应用于模拟多孔 动力学和化学反应动力学模型描述土壤硝态氮的迁介质物理环境,并结合先进成像与数值模拟技术 移和转化过程。基于集水区/流域尺度的模拟模型硏为传统上被视为“黑箱”的土壤过程提供了新的研 究发展迅速,其中SWAT模型逐步成为运用最为广究工具与思路1。现有的流域/集水区尺度模型主要 泛。从研究内容上看,主要聚焦在污染物流失负荷、是依据欧美发达国家的实践发展起来的,许多过程 模型优化以及径流变化和土壤属性对流失负荷的影描述和经验参数难以适用我国国情,且存在所需数 响,并开始关注气候变化的影响,以及不同类型污据和参数多、时间和空间平均化处理、经验参数/关 染物在不同尺度下的精细化模拟与管理 系替代机理过程、验证困难等诸多不足。通过多 总体而言,我国土壤污染物迁移转化过程及其模技术、多方法、多尺度协同研究,特别是应用大数 拟模型方面取得了重要进展。从研究尺度上看,逐步据、人工智能、星地传感、深度学习等技术8,深 从常规的土柱和田间尺度向更微观的分子和纳米尺入理解和系统描述区域/流域尺度土壤物理过程(特 度和更宏观的集水区和流域尺度双向发展(图5)。别是水文过程)及其驱动的污染物迁移转化过程 随着X-射线CT、同步辐射技术、透射电镜等技术实现现有模型参数的本国化,构建适合我国实际的 的应用,深化了对土壤结构及其过程的微观认知,新模型,突破污染物迁移转化过程的尺度效应、滞 促进了对土壤物理性状与污染物迁移转化响应关系后效应以及关键源区识别的关键冋题,将是未来研 的微观机制认识。但是,土壤水分、结构、质地等究重点。 流域尺度 Watershed scale cope scale Micro-nano scale 水文过程 污染物过程 Hydrological process Contaminant process 图5不同空间尺度土壤水文与污染物迁移转化耦合过程 Fig. 5 Coupled processes of soil hydrology and pollutant migration and transformation at different spatial scales 3土壤物理学发展驱动力 3.1国家需求的驱动 3.1.1粮食安全与农业可持续发展我国耕地面 进入21世纪以来,我国土壤物理学取得了长足积122亿公顷,占世界耕地7%,养活了世界上20% 进展。从土壤物理学的研究对象来看,从过去土壤的人口。同时,我国耕地质量总体偏低,2/3耕地属 静态物理性质,包括土壤结构、水分、机械物理性于中低产田,酸化、盐渍化、结构板结、有机质低 等,演变到重视机理探讨、过程分析、模型构建和养分不均衡等制约了我国粮食产能。基于我国人 等综合研究。从土壤物理学的服务对象来看,从单口众多,耕地面积小的国情,粮食安全是我国安国 纯的农业生产拓展到更为综合、复杂的生态环境问之本。国家一直非常重视我国粮食安全,中央一号 题。纵观这些进展,可以发现,土壤物理学发展动文件毫不放松抓好粮食生产,相继提出实施“藏粮 力来自于国家需求的驱动,也有来自于学科交叉的于地、藏粮于技”计划。土壤物理学家积极推动了 延伸;有来源于研究尺度的拓展,也有来源于新技我国中低产田改良与地力提升等研究。在长期集约 术和新方法的采用。主要表现在以下几个方面: 化和重种轻养的模式下,我国农田土壤质量与健康 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 1079 http://pedologica.issas.ac.cn 耦合土壤水文模型与生物地球化学反应模型，模拟分 析土壤污染物的迁移转化特征。例如，赖晓明等[85] 耦合 HYDRUS-1D 和 DNDC 模型模拟太湖流域农田 系统水分渗漏和氮磷淋失特征。李龙飞等[86]耦合水 动力学和化学反应动力学模型描述土壤硝态氮的迁 移和转化过程。基于集水区/流域尺度的模拟模型研 究发展迅速，其中 SWAT 模型逐步成为运用最为广 泛。从研究内容上看，主要聚焦在污染物流失负荷、 模型优化以及径流变化和土壤属性对流失负荷的影 响，并开始关注气候变化的影响，以及不同类型污 染物在不同尺度下的精细化模拟与管理[83]。 总体而言，我国土壤污染物迁移转化过程及其模 拟模型方面取得了重要进展。从研究尺度上看，逐步 从常规的土柱和田间尺度向更微观的分子和纳米尺 度和更宏观的集水区和流域尺度双向发展（图 5）。 随着 X-射线 CT、同步辐射技术、透射电镜等技术 的应用，深化了对土壤结构及其过程的微观认知， 促进了对土壤物理性状与污染物迁移转化响应关系 的微观机制认识。但是，土壤水分、结构、质地等 物理性状对污染物的固、液、气、生物多界面行为 过程机制尚缺乏系统研究，有关土壤结构对污染物 多过程耦合的微观调控机制及其定量预测模型将是 未来重要研究的重点。微流控技术应用于模拟多孔 介质物理环境，并结合先进成像与数值模拟技术， 为传统上被视为“黑箱”的土壤过程提供了新的研 究工具与思路[87]。现有的流域/集水区尺度模型主要 是依据欧美发达国家的实践发展起来的，许多过程 描述和经验参数难以适用我国国情，且存在所需数 据和参数多、时间和空间平均化处理、经验参数/关 系替代机理过程、验证困难等诸多不足[83]。通过多 技术、多方法、多尺度协同研究，特别是应用大数 据、人工智能、星地传感、深度学习等技术[88]，深 入理解和系统描述区域/流域尺度土壤物理过程（特 别是水文过程）及其驱动的污染物迁移转化过程， 实现现有模型参数的本国化，构建适合我国实际的 新模型，突破污染物迁移转化过程的尺度效应、滞 后效应以及关键源区识别的关键问题，将是未来研 究重点。 图 5 不同空间尺度土壤水文与污染物迁移转化耦合过程 Fig. 5 Coupled processes of soil hydrology and pollutant migration and transformation at different spatial scales 3 土壤物理学发展驱动力 进入 21 世纪以来，我国土壤物理学取得了长足 进展。从土壤物理学的研究对象来看，从过去土壤 静态物理性质，包括土壤结构、水分、机械物理性 质等，演变到重视机理探讨、过程分析、模型构建 等综合研究。从土壤物理学的服务对象来看，从单 纯的农业生产拓展到更为综合、复杂的生态环境问 题。纵观这些进展，可以发现，土壤物理学发展动 力来自于国家需求的驱动，也有来自于学科交叉的 延伸；有来源于研究尺度的拓展，也有来源于新技 术和新方法的采用。主要表现在以下几个方面： 3.1 国家需求的驱动 3.1.1 粮食安全与农业可持续发展 我国耕地面 积 1.22 亿公顷，占世界耕地 7%，养活了世界上 20% 的人口。同时，我国耕地质量总体偏低，2/3 耕地属 于中低产田，酸化、盐渍化、结构板结、有机质低 和养分不均衡等制约了我国粮食产能。基于我国人 口众多，耕地面积小的国情，粮食安全是我国安国 之本。国家一直非常重视我国粮食安全，中央一号 文件毫不放松抓好粮食生产，相继提出实施“藏粮 于地、藏粮于技”计划。土壤物理学家积极推动了 我国中低产田改良与地力提升等研究。在长期集约 化和重种轻养的模式下，我国农田土壤质量与健康

土壤学报 57卷 水平已经严重制约了国家的粮食安全、生态环境安构方面得到了长足的发展,但是土壤是一个极其复 全和国民健康,土壤健康保护和耕地质量建设工作杂的多孔介质,目前还有很多问题有待深入研究 也将继续推进我国农业绿色发展。 其中有两个比较突出的问题:一是如何更准确、客 3.1.2污染土壤治理与修复随着我国工业化、观和便捷地表征土壤的孔隙结构;二是如何在多尺 城市化、农业高度集约化的快速发展,土壤污染日度下将土壤孔隙结构特征对物质迁移转化的影响进 益加剧。2014年环境保护部和国土资源部联合发布行精确的数学表达。随着CT设备普及和图像分析 的《全国土壤污染状况调査公报》显示,全国土壤软件快速升级,这一技术将是揭开“土壤黑箱”物理 总体污染物点位超标率16.1%,耕地点位超标率高过程的有力工具。 达194%,重度污染耕地面积髙达300多万公顷。3.22地球物理探测技术近年来,地球物理探 为此,国家非常重视土壤污染阻控与修复,相继出测技术在坡面、集水域和小流域等尺度的土壤物理 台一系列重要政策与法规,2016年国家颁布实施的性质探测中得到了广泛的应用。常用地球物理探测 《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)和2018工具包括大地电导率仪(EMI),电阻率层析成像仪 年出台的《中华人民共和国土壤污染防治法》。国家(ERT)和探地雷达(GPR)等。这些地球物理探测 重视与社会需求大力推动了我国污染物在土壤迁移工具都是基于监测特定土壤的物理参数(如电导率、 转化、溯源和阻控修复的研究快速发展,土壤物理介电常数、温度等)并构建物理或经验模型,反演 学在该领域,特别是污染物迁移、模型模拟与预测土壤结构和水分状况等物理性质。EM通过发射线 方面发挥自身学科的特长。 圈产生随时间和深度变化的初级磁场并诱导出次级 3.13水土流失与生态保护我国受季风气候影磁场,从而测定土壤表观电导率并构建其与土壤水 响,雨季旱季分明,雨季水土流失严重,旱季农业分、盐分、质地等性质定量关系,实现土壤物理性 用水匮乏,加之我国不同区域地形、成土母质等具质的反演。ERT探测方法通过在土壤中插入电极 有很大差异性,形成具有区域特色的水土流失和生(温纳或施伦贝格模式)并测定电极间电阻率的变 态保护研究。水土流失依然是我国生态保护与治理化,构建土壤不同维度的电阻率空间分布,并通过 重点关注的问题,我国仍有超过国土面积1/4的水电阻率的地下空间分布信息可视化反演土壤物理性 土流失面积,黄土高原地区、东北黑土区、南方红质的分布。GPR的原理是不同介电常数的物质对 壤区、西南喀斯特地区等区域水土流失问题依然突电磁波的散射作用,通过地面记录电磁波的散射信 出。随着全球气候变化和人类活动影响的加剧,青号,可视化判别土壤中不同物质(如水分、岩石、 藏高寒地区也面临着十分严峻的土壤退化与水土流根系等)的分布。 失问题。土壤物理学队伍积极参与土壤水分运动、3.2,3示踪技术示踪技术是追踪物质在“土壤- 旱地农业用水、土壤侵蚀等相关研究。 植物-大气连续体”系统中迁移路径的有效方法,在 3.2新技术新方法的应用 土壤物理研究中的应用领域得到很大拓展。环境同 32.1计算机断层扫描(CT)技术土壤CT技位素是最为常用的示踪剂,地球化学离子 术能够快速、无损地获取土壤孔隙三维结构。CT技稀土元素咧、甚至温度等环境变量1在一定条件 术由 Petrovic等引入到土壤科学中来,近10年随下均可用于土壤物理过程示踪。基于氢氧同位素的 着CT设备和图像分析快速升级,该技术日益成为水分来源解析是目前最为活跃的领域之一,可有效 土壤物理研究的重要手段。目前,医用CT、工业解决植物耗水策略、流域径流组分解析、壤中产流 CT和同步辐射CT等多种设施可以从团聚体到土体机制和地下水补给路径等o0等。稀土元素示踪 等多个尺度进行土壤孔隙结构定量化,这为揭示方法在阐明土壤团聚体周转过程方面也得到发展 土壤中物理过程及其与生物、化学过程的耦合提供Peng等l0通过利用1C同位素和稀土元素双向标 了契机。应用CT技术,研究内容主要集中耕作和记的方法,大幅提高回收率并成功示踪了土壤团聚 施肥等措施对土壤孔隙结构的影响,土壤结构对体周转路径及周期。室内人为添加示踪剂便于控制 作物根系生长、土壤动物活动例、以及土壤水分但难以模拟野外真实环境,如何将室内实验与野外 运动等的影响。尽管CT技术在定量土壤三维结监测有机结合是当前面临的难题。此外,天然示踪 http://pedologica.issas.ac.cn

1080 土 壤 学 报 57 卷 http://pedologica.issas.ac.cn 水平已经严重制约了国家的粮食安全、生态环境安 全和国民健康，土壤健康保护和耕地质量建设工作 也将继续推进我国农业绿色发展。 3.1.2 污染土壤治理与修复 随着我国工业化、 城市化、农业高度集约化的快速发展，土壤污染日 益加剧。2014 年环境保护部和国土资源部联合发布 的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤 总体污染物点位超标率 16.1%，耕地点位超标率高 达 19.4%，重度污染耕地面积高达 300 多万公顷。 为此，国家非常重视土壤污染阻控与修复，相继出 台一系列重要政策与法规，2016 年国家颁布实施的 《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”）和 2018 年出台的《中华人民共和国土壤污染防治法》。国家 重视与社会需求大力推动了我国污染物在土壤迁移 转化、溯源和阻控修复的研究快速发展，土壤物理 学在该领域，特别是污染物迁移、模型模拟与预测 方面发挥自身学科的特长。 3.1.3 水土流失与生态保护 我国受季风气候影 响，雨季旱季分明，雨季水土流失严重，旱季农业 用水匮乏，加之我国不同区域地形、成土母质等具 有很大差异性，形成具有区域特色的水土流失和生 态保护研究。水土流失依然是我国生态保护与治理 重点关注的问题，我国仍有超过国土面积 1/4 的水 土流失面积，黄土高原地区、东北黑土区、南方红 壤区、西南喀斯特地区等区域水土流失问题依然突 出。随着全球气候变化和人类活动影响的加剧，青 藏高寒地区也面临着十分严峻的土壤退化与水土流 失问题。土壤物理学队伍积极参与土壤水分运动、 旱地农业用水、土壤侵蚀等相关研究。 3.2 新技术新方法的应用 3.2.1 计算机断层扫描（CT）技术 土壤 CT 技 术能够快速、无损地获取土壤孔隙三维结构。CT 技 术由 Petrovic 等[89]引入到土壤科学中来，近 10 年随 着 CT 设备和图像分析快速升级，该技术日益成为 土壤物理研究的重要手段。目前，医用 CT、工业 CT 和同步辐射 CT 等多种设施可以从团聚体到土体 等多个尺度进行土壤孔隙结构定量化[90]，这为揭示 土壤中物理过程及其与生物、化学过程的耦合提供 了契机。应用 CT 技术，研究内容主要集中耕作和 施肥等措施对土壤孔隙结构的影响[91]，土壤结构对 作物根系生长[92]、土壤动物活动[93]、以及土壤水分 运动[43]等的影响。尽管 CT 技术在定量土壤三维结 构方面得到了长足的发展，但是土壤是一个极其复 杂的多孔介质，目前还有很多问题有待深入研究， 其中有两个比较突出的问题：一是如何更准确、客 观和便捷地表征土壤的孔隙结构；二是如何在多尺 度下将土壤孔隙结构特征对物质迁移转化的影响进 行精确的数学表达。随着 CT 设备普及和图像分析 软件快速升级，这一技术将是揭开“土壤黑箱”物理 过程的有力工具。 3.2.2 地球物理探测技术 近年来，地球物理探 测技术在坡面、集水域和小流域等尺度的土壤物理 性质探测中得到了广泛的应用。常用地球物理探测 工具包括大地电导率仪（EMI），电阻率层析成像仪 （ERT）和探地雷达（GPR）等。这些地球物理探测 工具都是基于监测特定土壤的物理参数（如电导率、 介电常数、温度等）并构建物理或经验模型，反演 土壤结构和水分状况等物理性质。EMI 通过发射线 圈产生随时间和深度变化的初级磁场并诱导出次级 磁场，从而测定土壤表观电导率并构建其与土壤水 分、盐分、质地等性质定量关系，实现土壤物理性 质的反演[94]。ERT 探测方法通过在土壤中插入电极 （温纳或施伦贝格模式）并测定电极间电阻率的变 化，构建土壤不同维度的电阻率空间分布，并通过 电阻率的地下空间分布信息可视化反演土壤物理性 质的分布[95]。GPR 的原理是不同介电常数的物质对 电磁波的散射作用，通过地面记录电磁波的散射信 号，可视化判别土壤中不同物质（如水分、岩石、 根系等）的分布[96]。 3.2.3 示踪技术 示踪技术是追踪物质在“土壤- 植物-大气连续体”系统中迁移路径的有效方法，在 土壤物理研究中的应用领域得到很大拓展。环境同 位素是最为常用的示踪剂[97]，地球化学离子[98]、 稀土元素[99]、甚至温度等环境变量[100]在一定条件 下均可用于土壤物理过程示踪。基于氢氧同位素的 水分来源解析是目前最为活跃的领域之一，可有效 解决植物耗水策略、流域径流组分解析、壤中产流 机制和地下水补给路径等[101-102]等。稀土元素示踪 方法在阐明土壤团聚体周转过程方面也得到发展， Peng 等[103]通过利用 13C 同位素和稀土元素双向标 记的方法，大幅提高回收率并成功示踪了土壤团聚 体周转路径及周期。室内人为添加示踪剂便于控制 但难以模拟野外真实环境，如何将室内实验与野外 监测有机结合是当前面临的难题。此外，天然示踪