土壤退化研究的進(jìn)展與趨向
鑒于土壤及土地退化對全球食物安全、環(huán)境質(zhì)量及人畜健康的負(fù)面日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)，從土壤圈與地圈一生物圈系統(tǒng)及其它圈層間的相互作用的角度研究土壤退化，特別是人為因素誘導(dǎo)的土壤退化的發(fā)生機(jī)制與演變動態(tài)、時空分布及未來變化預(yù)測與恢復(fù)重建對策，已成為研究全球變化的最重要的組成部分，并將繼續(xù)成為21世紀(jì)國際土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)及環(huán)境科學(xué)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)。但是，迄今為止，有關(guān)土壤退化的許多問題及過程機(jī)理尚不清楚，還沒有公認(rèn)的或統(tǒng)一的土壤退化指標(biāo)和定量化評價川。因此，及時了解國際土壤退化研究的最新動向，并結(jié)合我國實(shí)際創(chuàng)造性地開展該領(lǐng)域的研究工作，具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)意義。
1.土壤退化的概念
土壤退化(Soil degradation)是指在各種，特別是人為因素影響下所發(fā)生的導(dǎo)致土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力或土地利用和環(huán)境調(diào)控潛力，即土壤質(zhì)量及其可持續(xù)性下降(包括暫時性的和永久性的)甚至完全喪失其物理的、化學(xué)的和生物學(xué)特征的過程，包括過去的、現(xiàn)在的和將來的退化過程，是土地退化的核心部分。土壤質(zhì)量(Soil quality)則是指土壤的生產(chǎn)力狀態(tài)或健康(Health)狀況，特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和持續(xù)土地利用及環(huán)境管理、促進(jìn)動植物健康的能力呤J。土壤質(zhì)量的核心是土壤生產(chǎn)力，其基礎(chǔ)是土壤肥力。土壤肥力是土壤維持植物生長的自然能力，它一方面是五大自然成土因素，即成土母質(zhì)、氣候、生物、地形和時間因素長期相互作用的結(jié)果，帶有明顯的響應(yīng)主導(dǎo)成土因素的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性；另一方面，人類活動也深刻影響著自然成土過程，改變土壤肥力及土壤質(zhì)量的變化方向。因此，土壤質(zhì)量的下降或土壤退化往往是一個自然和人為因素綜合作用的動態(tài)過程。根據(jù)土壤退化的表現(xiàn)形式。土壤退化可分為顯型退化和隱型退化兩大類型。前者是指退化過程(有些甚至是短暫的)可導(dǎo)致明顯的退化結(jié)果，后者則是指有些退化過程雖然已經(jīng)開始或已經(jīng)進(jìn)行較長時間，但尚未導(dǎo)致明顯的退化結(jié)果。
2.全球土壤退化概況
當(dāng)前，因各種不合理的人類活動所引起的土壤和土地退化問題，已嚴(yán)重威脅著世界農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球土壤退化面積達(dá)1965萬km2。就地區(qū)分布來看，地處熱帶亞熱帶地區(qū)的亞洲、非洲土壤退化尤為突出，約300萬km2的嚴(yán)重退化土壤中有120萬krn2分布在非洲、110萬km2分布于亞洲；就土壤退化類型來看，土壤侵蝕退化占總退化面積的84％，是造成土壤退化的最主要原因之一；就退化等級來看，土壤退化以中度、嚴(yán)重和極嚴(yán)重退化為主，輕度退化僅占總退化面積的38％L3,4]。全球土壤退化評價(Global Assessment of SoilDegradation)研究結(jié)果【3．40顯示，土壤侵蝕是最重要的土壤退化形式，全球退化土壤中水蝕影響占56％，風(fēng)蝕占28％；至于水蝕的動因，43％是由于森林的破壞、29％是由于過度放牧、24％是由于不合理的農(nóng)業(yè)管理，而風(fēng)蝕的動因，60％是由于過度放牧、16％是由于不合理的農(nóng)業(yè)管理、16％是由于自然植被的過度開發(fā)、8％是由于森林破壞；全球受土壤化學(xué)退化(包括土壤養(yǎng)分衰減、鹽堿化、酸化、污染等)影響的總面積達(dá)240萬km2，其主要原因是農(nóng)業(yè)的不合理利用(56％)和森林的破壞(28％)；全球物理退化的土壤總面積約83萬km2，主要集中于溫帶地區(qū)，可能絕大部分與農(nóng)業(yè)機(jī)械的壓實(shí)有關(guān)。
3.我國土壤退化狀況
首先，我國水土流失狀況相當(dāng)嚴(yán)重，在部分地區(qū)有進(jìn)一步加重的趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料”J，1996年我國水土流失面積已達(dá)183萬km2，占國土總面積的19％。僅南方紅黃壤地區(qū)土壤侵蝕面積就達(dá)6153萬km2，占該區(qū)土地總面積的1／4怕J。同時，對長江流域13個重點(diǎn)流失縣水土流失面積調(diào)查結(jié)果表明，在過去的30年中，其土壤侵蝕面積以平均每年1．2％一2．5％的速率增加一J，水土流失形勢不容樂觀。其次，從土壤肥力狀況來看，我國耕地的有機(jī)質(zhì)含量一般較低，水田土壤大多在1％一3％，而旱地土壤有機(jī)質(zhì)含量較水田低，<1％的就占31．2％；我國大部分耕地土壤全氮都在0．2％以下，其中山東、河北、河南、山西、新疆等5省(區(qū))嚴(yán)重缺氮面積占其耕地總面積的一半以上；缺磷土壤面積為67．3萬km2，其中有20多個省(區(qū))有一半以上耕地嚴(yán)重缺磷；缺鉀土壤面積比例較小，約有18．5萬km2，但在南方缺鉀較為普遍，其中海南、廣東、廣西、江西等省(區(qū))有75％以上的耕地缺鉀，而且近年來，全國各地農(nóng)田養(yǎng)分平衡中，鉀素均虧缺，因而，無論在南方還是北方，農(nóng)田土壤速效鉀含量均有普遍下降的趨勢；缺乏中量元素的耕地占63．3％¨J。對全國土壤綜合肥力狀況的評價尚未見報道，就東部紅壤丘陵區(qū)而言，選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、pH值、CEC、物理性粘粒含量、粉／粘比、表層土壤厚度等11項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行土壤肥力綜合評價的結(jié)果表明，其大部分土壤均不同程度遭受肥力退化的，處于中、下等水平，高、中、低肥力等級的土壤的面積分別占該區(qū)總面積的25．9％、40．8％和33．3％，在廣東丘陵山區(qū)、廣西百色地區(qū)、江西吉泰盆地以及福建南部等地區(qū)肥力退化已十分嚴(yán)重‘9|。此外，其它形式的土壤退化也十分嚴(yán)重。以南方紅壤區(qū)為例，約20萬km2的土壤由于酸化問題而影響其生產(chǎn)潛力的發(fā)揮；化肥、農(nóng)藥施用量逐年上升，地下水污染不斷加劇，在部分沿海地區(qū)其地下水硝態(tài)氮含量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WHO建議的最高允許濃度lOmg／l；同時，在一些礦區(qū)附近和復(fù)墾地及沿海地區(qū)土壤重金屬污染也相當(dāng)嚴(yán)重。
4.土壤退化進(jìn)展
自1971年FAO提出土壤退化問題并出版“土壤退化”專著以來，土壤退化問題日益受到人們的關(guān)注。第一次與土地退化有關(guān)的全球性會議一一聯(lián)合國土地荒漠化(desertification)會議于1977在肯尼亞內(nèi)羅畢召開。聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)又分別于1990年和1992年資助了Olde msn等開展全球土壤退化評價(GLASOD)、編制全球土壤退化圖和干旱土地的土地退化(即荒漠化)評估的項(xiàng)目計(jì)劃。1993年FAO等又召開國際土壤退化會議，決定開展熱帶亞熱帶地區(qū)國家級土壤退化和SOTER(土壤和地體數(shù)字化數(shù)據(jù)庫)試點(diǎn)研究。在1994年墨西哥第15屆國際土壤學(xué)大會上，土壤退化，尤其是熱帶亞熱帶的土壤退化問題倍受與會者的重視，不少家指出，今后20年熱帶亞熱帶將有1／3耕地淪為荒地，1 17個國家糧食將大幅度減產(chǎn)，呼吁加強(qiáng)土壤退化及土地退化恢復(fù)重建研究，并在土壤退化的概念、退化動態(tài)數(shù)據(jù)庫、退化指標(biāo)及評價模型與地理信息系統(tǒng)、退化的遙感與定位動態(tài)監(jiān)測和模擬建模及預(yù)測、土壤復(fù)退性能研究、退化系統(tǒng)恢復(fù)重建的專家決策系統(tǒng)等研究方面有了新的。國際水土保持學(xué)會也于1997在加拿大多倫多組織召開了以流域?yàn)榛A(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)管理的全球挑戰(zhàn)國際研討會，從生態(tài)系統(tǒng)、流域的角度探討土壤侵蝕等土壤退化等問題。而且，國際土壤聯(lián)合會于1996年和1999年分別在土耳其和泰國舉行了直接以土地退化為主題的第一屆和第二屆國際土地退化會議，并在第一屆會議上決定成立了土壤退化研究工作組專門研究土壤退化，在第二屆會議上則對土壤退化問題更為重視，并有學(xué)者倡議將土壤退化研究提高到退化科學(xué)的高度來認(rèn)識，并決定于2001年在巴西召開第三屆國際土壤退化會議。同時，在亞洲，由UNDP和FAO支持的“亞洲濕潤熱帶土壤保持網(wǎng)(ASOCON)”和“亞洲問題土壤網(wǎng)”也在亞太土地退化評估與控制方面開展了大量的卓有成效的研究工作。
總的說來，國際上土壤退化研究在以下方面取得了重要進(jìn)展：①從土壤退化的內(nèi)在動因和外部影響因子(包括和因素)的綜合角度，研究土壤退化的評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)與評價體系；②從土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程及其相互作用入手，研究土壤退化的過程與本質(zhì)及機(jī)理；③從歷史的角度出發(fā)，結(jié)合定位動態(tài)監(jiān)測，研究各類土壤退化的演變過程及發(fā)展趨向和速率，并對其進(jìn)行模擬和預(yù)測；④側(cè)重人類活動(特別是土地利用方式和土壤經(jīng)營管理措施)對土壤退化和土壤質(zhì)量影響的研究，并將土壤退化的研究與退化土壤的治理和開發(fā)相結(jié)合，進(jìn)行土地~更新技術(shù)和土壤生態(tài)功能保護(hù)的試驗(yàn)示范和推廣；⑤注重傳統(tǒng)技術(shù)(野外調(diào)查、田間試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室測試、定位觀測試驗(yàn)等)與高新技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)、地面定位系統(tǒng)、模擬仿真、專家系統(tǒng)等)的結(jié)合；⑥從社會經(jīng)濟(jì)學(xué)角度研究土壤退化對土壤質(zhì)量及其生產(chǎn)力的影響。
我國土壤學(xué)工作在過去幾十年主要集中在土壤發(fā)生、分類和制圖(特別是土壤資源清查)；土壤基本物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)(特別是土壤肥力性狀)；土壤資源開發(fā)利用與改良(特別是土壤培肥，鹽漬土和紅壤的改良等)等方面。這些工作雖然在廣義上與土壤退化密切相關(guān)，但直接以土壤退化為主題的研究工作主要集中在最近10多年，其中又以熱帶亞熱帶土壤退化研究工作較為系統(tǒng)和深入，并在80年代參與了熱帶亞熱帶土壤退化圖的編制，完成了海南島1：100萬SOTER圖的編制工作。
90年代以來，科學(xué)院南京土壤研究所結(jié)合承擔(dān)國家“八五”攻關(guān)專題“南方紅壤退化機(jī)制及防治措施研究”和國家科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“我國東部紅壤地區(qū)土壤退化的時空變化、機(jī)理及調(diào)控對策的研究”任務(wù)，將宏觀調(diào)研與田間定位動態(tài)觀測和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)相結(jié)合，將遙感、地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，將自然與因素相結(jié)合，將時間演變與空間分布研究相結(jié)合，將退化機(jī)理與調(diào)控對策研究相結(jié)合，對南方紅壤丘陵區(qū)土壤退化的基本過程、作用機(jī)理及調(diào)控對策進(jìn)行了有益的探索，并在以下方面取得了重要進(jìn)展：
①初步定義了土壤退化的概念，闡明了紅壤退化的基本過程、機(jī)制、特點(diǎn)。
②在土壤侵蝕方面，利用遙感資料和地理信息系統(tǒng)技術(shù)編制了東部紅壤區(qū)1：400萬土壤侵蝕圖與疊加類型圖及典型地70、80、90年代疊加土壤侵蝕圖，并在土壤侵蝕圖、土地利用圖、土壤母質(zhì)圖等基礎(chǔ)上，編制了1：400萬土壤侵蝕退化分區(qū)概圖；對南方主要類型土壤可蝕性K值進(jìn)行了田間測定，并利用全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)和校正的Wischmeier方程，我國南方主要類型土壤可蝕性K，編制了相關(guān)圖件。
③在肥力退化機(jī)理方面，建立了南方紅壤區(qū)土壤肥力數(shù)據(jù)庫，初步提出了肥力退化評價指標(biāo)體系，進(jìn)行了土壤肥力退化評價的嘗試，并繪制了紅壤退化評價有關(guān)圖件；將養(yǎng)分平衡與土壤養(yǎng)分退化研究相結(jié)合了我國南方農(nóng)田養(yǎng)分平衡l0年變化及其與土壤肥力退化的關(guān)系，認(rèn)為土壤侵蝕、酸化養(yǎng)分淋失等造成的養(yǎng)分赤字循環(huán)及養(yǎng)分的不平衡是土壤養(yǎng)分退化的根本原因；遙感手段及資料，編制了0—20cm及0～100cm土層的土壤有機(jī)碳密度圖，探討了紅壤有機(jī)碳庫的消長與轉(zhuǎn)化及腐殖質(zhì)組成性質(zhì)的變化規(guī)律；提出了磷素固定是紅壤磷素退化的主要原因，磷素有效性衰減的實(shí)質(zhì)是磷素的雙核化和向固相的擴(kuò)散，解決了紅壤磷素退化的實(shí)質(zhì)。
④在土壤酸化方面，研究了紅壤的酸化特點(diǎn)，根據(jù)土壤的酸緩沖性能，建立了土壤酸敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了紅壤酸敏感性分級和分區(qū)，首次繪制了有關(guān)地區(qū)土壤酸敏感性分區(qū)概圖；采用MAGIC模型，并進(jìn)行校正對我國紅壤酸化進(jìn)行預(yù)測，揭示紅壤酸度的時空變化規(guī)律；并在作物耐鉗陜速評估方面取得了重要進(jìn)展。
⑤在土壤污染方面，利用多參數(shù)對重金屬的土壤污染進(jìn)行了綜合評估，建立了綜合污染指數(shù)(CPI)值的計(jì)算，對不同地區(qū)的污染狀況進(jìn)行了評估，繪制了重金屬污染概圖；應(yīng)用農(nóng)藥在土壤中的吸附系數(shù)(Kd)和半衰期(tl／2)及基質(zhì)遷移模式，闡明了土壤農(nóng)藥污染的機(jī)理；在重金屬污染對土壤肥力的方面的研究結(jié)果表明，重金屬污染可降低土壤對鉀的保持能力，促進(jìn)鉀的淋失；而對氮和磷而言，主要是降低與其催化降解和循環(huán)相關(guān)的酶的活性。
⑥紅壤退化防治方面，提出了區(qū)域治理調(diào)控對策，“頂林一腰果一谷農(nóng)一塘魚”等立體種養(yǎng)模式等，并對一些開發(fā)模式進(jìn)行示范和評價。然而，我國幅員遼闊，自然和社會經(jīng)濟(jì)條件復(fù)雜多樣，地區(qū)間差異明顯。各類型區(qū)在農(nóng)業(yè)和過程中均不同程度地面臨著各種資源環(huán)境退化問題，有些問題是全區(qū)共存的，有些則是特定類型區(qū)所特有的。過去的工作僅集中于江南紅壤丘陵區(qū)，而對其它地區(qū)觸及較少。而且，在研究工作中，也往往偏重于單項(xiàng)指標(biāo)及單個過程的研究。土壤退化綜合評價指標(biāo)體系的研究基本處于空白，對退化過程的相互作用研究不夠。同時，在合理選擇堿性物質(zhì)改良劑種類、提高經(jīng)濟(jì)效益以及長期施用改良劑對土壤物理、化學(xué)，特別是生物學(xué)性質(zhì)的影響等方面還有許多問題有待進(jìn)一步研究，對耐酸(鋁)作物品種的選擇研究也亟待加強(qiáng)。此外，對其它土壤退化問題，如集約化農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)及礦產(chǎn)開發(fā)引起的土壤及水體污染、土壤生物多樣性衰減等問題，尚未開展系統(tǒng)研究。
5.土壤退化的方向
土壤退化是一個非常綜合和復(fù)雜的、具有時間上的動態(tài)性和空間上的各異性以及高度非線性特征的過程。土壤退化涉及很多研究領(lǐng)域，不僅涉及到土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)，而且也與科學(xué)和學(xué)及相關(guān)方針政策密切相關(guān)。然而，迄今為止，國內(nèi)外的大多數(shù)研究工作偏重于對特定區(qū)域或特定土壤類型的某些土壤性狀在空間上的變化或退化的評價，而很少涉及不同退化類型在時間序列上的變化。而且，在土壤退化評價論及評價指標(biāo)體系定量化、動態(tài)化、綜合性和實(shí)用性以及尺度轉(zhuǎn)換等方面的研究工作大多處于探索階段。我國土壤退化研究雖然在某些方面取得了一定的、有特色的進(jìn)展，但整體上還處于起步階段。為此，作者認(rèn)為，今后我國土壤退化的研究工作應(yīng)從更廣和更深的層次上系統(tǒng)綜合地開展土壤退化的綜合評價與主要退化類型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重建和恢復(fù)研究，并逐步向土地退化或環(huán)境退化方向拓展。具體來說，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面的研究工作：
5．1 土壤與土地退化指標(biāo)評價體系研究。主要包括用于評價不同土壤及土地退化類型的單項(xiàng)和綜合評價指標(biāo)、分級標(biāo)準(zhǔn)、閾值和彈性，定量化的和綜合的評價方法與評價模型等。
5．2 土壤退化的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究。主要包括建立土壤退化監(jiān)測研究，對重點(diǎn)區(qū)域和國家在不同尺度水平上的土壤及土地退化的類型、范圍及退化程度進(jìn)行監(jiān)測和評價，并進(jìn)行分類區(qū)劃，為退化土地整治提供依據(jù)。
5．3土壤與土地退化過程、機(jī)理及因素研究。重點(diǎn)研究幾種主要退化形式(如土壤侵蝕、土壤肥力衰減、土壤酸化、土壤污染及土壤鹽漬化等)的發(fā)生條件、過程、影響因子(包括的和社會經(jīng)濟(jì)的)及其相互作用機(jī)理。
5．4土壤與土地退化動態(tài)監(jiān)測與動態(tài)數(shù)據(jù)庫及其管理信息系統(tǒng)的研究。主要包括土壤退化監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)(Benchmark sites)的選建、3S(GIS、GPS、RS)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)及尺度轉(zhuǎn)換等技術(shù)和手段的與、土壤退化屬性數(shù)據(jù)庫和GIS圖件及其動態(tài)更新、土壤退化趨向的模擬預(yù)測與預(yù)警等方面的工作。
5．5 土壤退化與全球變化關(guān)系研究。主要包括土壤退化與水體富營養(yǎng)化、地下水污染、溫室氣體釋放等。
5．6退化土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建研究。主要包括運(yùn)用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理及專家系統(tǒng)等技術(shù)，研究和開發(fā)適用于不同土壤退化類型區(qū)的、以持續(xù)農(nóng)業(yè)為目標(biāo)的土壤和環(huán)境綜合整治決策支持系統(tǒng)與優(yōu)化模式，主要退化生態(tài)系統(tǒng)類型土壤質(zhì)量恢復(fù)重建的關(guān)鍵技術(shù)及其集成運(yùn)用的試驗(yàn)示范研究等方面的工作，為土壤退化防治提供決策咨詢和示范樣板。
5．7加強(qiáng)土壤退化對生產(chǎn)力的影響及其經(jīng)濟(jì)研究，協(xié)助政府制定有利于持續(xù)土地利用，防治土壤退化的政策。
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