钩沉｜土壤研究：寻找大地“护肤”良方

来源：M6平台    发布时间：2024-11-08 01:43:25

　　在河北省农林科学院农业资源环境研究所，有两个专门为土壤建立的展室。小小的展室，不仅从科普的角度揭开了土壤的奥秘，也讲述着为保护和利用土壤，半个多世纪以来，在河北这片土地上，一代代科研工作者如何不断探索的故事。

　　2023年12月13日，唐山市汉沽管理区，第三次全国土壤普查野外调查工作中，河北省地矿局第四地质大队技术人员在剖面取样前，对剖面坑进行排水。 河北日报通讯员 王乐摄

　　沧州市沧县风化店乡的盐化潮土、邯郸市魏县德政镇的潮褐土、张家口市张北县海流图乡的栗钙土……随处可见的土，在河北省农林科学院农业资源环境研究所土壤剖面室里，却是当之无愧的主角。几排展柜里，展示着100多份采自河北各地的土。

　　这些土都住着“单间”——它们被分别放在长100厘米、宽21.5厘米、厚5厘米的土壤剖面标本盒内，标注着“出生地”和名称。它们还有“简历”——墙上的展板，有各种土壤的分布与形成、主要特征、利用方向等内容介绍。

　　“我们收集的土壤剖面标本不止这些，河北的土壤类型也远不止这么多种。”介绍起眼前的土壤剖面标本，河北省农林科学院农业资源环境研究所副所长贾良良如数家珍。

　　在普通人看来不足为奇的土，却是贾良良等科研工作者眼中的“宝贝”。“土壤是很珍贵的。”贾良良说。

　　在河北省农林科学院农业资源环境研究所，还专门建立了一间河北省土壤展览室，展示着土壤的前世今生，也述说着几十年来这片土地上科研工作者与土壤间的故事。

　　河北是全国唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海滨的省份，堪称浓缩的“国家地理读本”。也正是由于这个原因，河北的土壤类型也十分丰富。

　　“河北的土壤共分为21个土类、55个亚类、164个土属、357个土种。”在河北省土壤展览室，贾良良指着一张河北省土壤图介绍，“全国第二次土壤普查（以下简称“二普”）于1979年真正开始启动，基于‘二普’数据形成的《中国土种数据库》里，共记录了2400多个土壤典型剖面，代表了2400多个土壤种类。就是说，河北的土壤类型约占全国的七分之一。”

　　“不过，这张地图马上就要换新了。”贾良良说，第三次全国土壤普查（以下简称“三普”）已于2022年启动，计划于2025年全面完成普查任务。届时，河北的土种数量等情况，预计会有所更新变化。

　　“这一方面是由于相关学科的发展和科学技术手段的进步，让我们对土壤有了新的认识。另一方面，土壤本身并不是一成不变的，它像人一样，有幼年、有老年，是会发育的。”贾良良说。

　　1月3日，河北省农林科学院农业资源环境研究所土壤剖面室内展示的土壤剖面标本。 河北日报记者 常方圆摄

　　不同时代的岩层地表，经不断风化，再经水力和风力运移、沉积，在地表组成多种多样的成土物质。在气候及形形的植被类型条件下，进行着相应的成土作用，形成了不同的土壤类型。同时，人为活动也会带来影响。

　　“河北的土壤成土时间，长的一般在一千年至三千年之间，最长的有万年以上，短的只有数十年到数百年，而最短的目前仍受地质过程影响，尚未开始稳定的成土过程。”贾良良介绍，“二普”中，曾利用孢粉鉴别判定技术对三河县（今三河市）燕山山麓平原一地进行成土时间鉴定。结果显示，这里的成土时间分为了5个阶段：从中石器时代到龙山期，到西安半坡期，至殷墟期，再到西汉、唐代，土壤形成时间分别为10000年、7000年、5600—6080年、4000年和1000—2000年。这种现象在全球范围内也很少见。

　　土壤很珍贵，不仅是因为它的形成过程之漫长，更因为它是发展农业生产的基础。地球上有35万多种植物生长在土壤上，人类消耗的80%以上热量、75%的蛋白质和植物纤维都来自土壤。

　　赵州雪梨、深州蜜桃、京东板栗……河北许多久负盛誉、驰名中外的农特产，不能离开当地的土壤资源为这些作物生长提供的条件。

　　赵县地处滹沱河与槐沙河冲积扇的边缘，两河故道的砂壤质土壤资源，为这里栽培雪梨提供了条件。

　　深州也处于滹沱河故道范围，属于潮土区，这里土层深厚，质地砂性、通气透水性好，适宜蜜桃生长。

　　遵化、迁西一带是京东板栗的主要产区，板栗最适宜栽培在花岗岩、片麻岩残坡积物发育的棕壤、淋溶褐土上，而这一带就有不少这样的土地。

　　“土壤是地球的宝贵‘皮肤’。认识土壤、了解土壤，才能更好地保护土壤、利用土壤。”贾良良说。

　　土壤与人类的生产生活息息相关。远古时代，洪水为患，早在那时，我们的祖先就在治水实践中了解到各地土壤状况，并记述于古典文献。

　　《管子地员篇》评价“冀州”土壤“其禾宜黍稷，其畜宜牛羊”。《尚书禹贡篇》把全国土壤分上中下三等，每等分上中下三级。这是全世界记载最早的古代土壤分类、土壤评级、土壤生产力和适宜性评价，也是我国最早的“土壤志”。

　　1955—1956年，由水利部和中国科学院主持，科学家熊毅、席承藩领导的华北平原土壤调查，首次提供了河北平原土壤全面系统的资料数据。

　　1958年，第一次全国土壤普查（以下简称“一普”）开始，于1960年完成。经过“一普”，新中国初步建立了一个土壤分类系统，摸清了耕地资源分布与土壤基本性状。

　　河北省土壤展览室内，一本大开本的《华北平原土壤图集》被贾良良看作“镇展之宝”。这本出版于1964年的图集，收录了华北平原多个地区的土壤图和地下水埋藏深度图，也是“一普”的成果之一。

　　“看，这些比例尺1∶200000的地图，最初都是手工绘制的。”翻开印刷装帧精美、至今色彩鲜明的图集，贾良良不由感慨，“从这本图集中，足见当时为搞土壤研究，国家的投入和科研人员下的苦功。”

　　铁锹、土钻、橡皮锤、手电筒、收音机、老式海拔仪……一旁的展柜里，还展示着一些看起来不怎么“高级”的土壤调查工具。

　　“从华北平原土壤调查，再到‘一普’‘二普’，老一辈科研工作者们是利用这些有限的工具，为我国的土壤研究打下了基础。”贾良良说。

　　如今已经退休的河北省农林科学院农业资源环境研究所研究员贾树龙，当年就曾参与过“二普”的野外调查工作。

　　“那时候，连海拔仪都算贵重物件，并不是每个小组都配，一个大的区域可能只有一台，由老师负责保管，我都没怎么见过。”1980年和1981年，还在河北农业大学土壤农化专业学习的贾树龙，参与了易县、柏各庄农场两地的野外调查，当时他能用到的只有铁锹、洛阳铲、罗盘仪等几样基本工具，和考古队差不多。

　　“到了采样点，先进行环境描述，看地形地貌和植被情况，然后就是挖坑。”贾树龙说，挖坑是为了进行土壤剖面描述。“要看土层结构、颜色、松紧度等，这是划分土种的主要是根据。”

　　挖的坑至少有1米见方、1米深，这是个体力活。“一天干下来，筋疲力尽、灰头土脸。”贾树龙说。

　　河北省土壤展览室内，陈列着一本《河北省路线踏勘剖面记载表》，记录时间是1980年4月5日到1980年6月29日。

　　“剖面深度0—11厘米，灰黄棕色，细河土，单粒，较紧实……”翻开一页，上面手写的字迹工工整整。每组表格正反两页，是对一次土壤剖面调查的情况记录。

　　“可以说，老一辈科研工作者突破了条件限制，克服了许多困难，用脚步丈量了全省的土地。”贾良良说。

　　正在进行的“三普”中，河北省地矿局第四地质大队（以下简称地质四队）承担了承德、沧州、唐山、秦皇岛等地的野外调查工作，地质四队技术人员王宇参与其中。

　　野外调查要带20多种工具，有先进的无人机、电导率速测仪，也有挖坑用的铁锹、洛阳铲。“夏天顶着烈日，冬天冒着大雪，不管多了啥工具，都得‘灰头土脸’。”王宇说。

　　调查小组必备的工具清单里，没有海拔仪，不是因没有条件，而是因为不需要了。“现在一个移动终端App就能实现很多功能。”王宇说。

　　“三普”中大量应用了遥感、计算机、地理信息系统等领域的新技术，从确定布点到外出调查，亚米级高精度的遥感影像、全球定位系统等，既是调查人员的好帮手，也保证了调查工作的精确性。

　　“我们一边在‘电子围栏’范围内做出详细的调查采样，一边将各类数据上传系统。”王宇介绍，App里所要填报的土壤信息包括分层命名、形态观察、理化描述、定重取土、照相取图等，有百余项。

　　1949年，河北粮食总产46.5亿公斤，人均152公斤；1978年，总产168.79亿公斤，人均333公斤；1988年，总产202.25亿公斤，人均349公斤……2023年，河北粮食总产达到380.99亿公斤。

　　为什么科研工作者要一代接一代，锲而不舍地研究土壤？答案，就藏在这些一直增长的数据里。

　　耕地是粮食生产的命根子。黄淮海平原本来是旱涝、盐碱、风沙、瘠薄的低产区，经过对土地不断地改良利用，如今在河北，沿太行山麓复合冲积扇的潮褐土上，已经是高产稳产的吨粮田、吨半粮田，黑龙港流域和滨海地区的盐碱地也从昔日荒滩，变为了今朝的米粮川。

　　“中国用不足全球9%的耕地，解决世界近五分之一人口吃饭问题。这个奇迹背后，是一条艰苦的路，也是一条科学的路，而土壤研究在其中发挥了及其重要的作用。”贾良良说。

　　“粮田产能限制因子已经从单因子主导转换为多因子复合型障碍。”贾良良表示，过去的耕地治理对干旱、涝渍、盐碱等效果明显，但对瘠薄、粘闭、板结等耕性不良并没有根本性突破，目前粮田存在的多因子障碍，虽然都不是决定性因子，但也影响着粮田产能提升。

　　“过去的耕地治理整体上处于‘治标’阶段，而现在进行土壤改良提升耕地质量，已确定进入了啃硬骨头的阶段。这需要把技术改进做得更全面、更精细。”贾良良说。

　　河北省农林科学院农业资源环境研究所的研究团队曾对1979年到2019年的40年间，河北土壤肥力的变化规律进行了系统研究。

　　土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础。多个方面数据显示，河北的土壤有机质呈增加趋势，1979年为11.9g/kg，2019年达到了18.8g/kg。

　　在20世纪90年代开始应用发展并于后来大范围推广的秸秆还田技术，是土壤有机质提升的重要方法之一。而现在，科研工作者对秸秆还田进行技术改进，也进入了更精细的阶段。

　　近几年，河北省农林科学院农业资源环境研究所的研究团队在藁城、曲周、武强等地，试验推广了秸秆切段还田技术。他们把秸秆切成两三厘米的小段后再还田。这样的秸秆与翻地后的土块大小相似，能减少对播种质量的不良影响，还能延长秸秆腐解期，为越冬后的小麦固存更多养分。

　　据测算，秸秆粉碎还田，碳的转化率不足10%，而秸秆切段还田，能将固碳效率提升至12%—13%。

　　“其实，固碳效率提升这两三个百分点，并不能直接体现到当年的粮食增产上。但要一直创新，需要久久为功。”贾良良说。

　　研究土壤肥力变化，要依据连续的调查监测数据。近年来，河北耕地质量长期定位监测点从无到有，至今已发展至1000个，形成了较为完善的监测网络。这一些数据与研究，并不是被当作工作成绩，在展室的墙上“一挂了之”，而是切切实实地走进了农业生产的实际。

　　冬季农闲，最近，河北省农林科学院农业资源环境研究所副研究员黄少辉没怎么下地，而是坐在办公的地方里盯着电脑忙活，他计划把“施肥专家”微信小程序的功能进一步完善。

　　“施肥专家”小程序由河北省农林科学院农业资源环境研究所和河北省农业技术推广总站、河北省耕地质量监测保护中心等单位共同开发，可免费为农户提供农田养分管理技术方案。

　　选择种植作物、输入目标产量、定位农田位置，农户便可获得一份科学施肥的推荐方案——地块的土壤有机质、有效磷、速效钾等含量有数据，该怎么样做养分管理有分析，施什么肥、哪个时期施多少有方案。

　　“小程序开发以全省耕地的土壤肥力现状和作物的养分需求规律为基础，可助力技术大规模应用落地。”黄少辉说。

　　“搞土壤研究要到田间地头去，也要把成果应用到田间地头。说到底，保护、利用土壤，实现藏粮于地，还是为了端牢中国人的饭碗，确保国家粮食安全。”贾良良说。

　　“很多人可能想象不到，用普通的汤勺，在地上挖一勺土，里面土壤微生物的数量就能超过地球上全体人类的数量。”1月3日，河北省土壤展览室，河北省农林科学院农业资源环境研究所副所长贾良良在一块专门介绍土壤生物的展板前对记者说。

　　土壤微生物是土壤的重要组成部分，也是决定土壤健康情况的重要的条件。但由于缺乏对土壤微生物的充分认识与了解，在以往传统的土壤研究和农业生产中，土壤微生物的关键作用并未受到足够重视。

　　“土壤微生物不仅数量多，种类也丰富。在每克土壤中数以亿万计的微生物中，高达99%的物种及其功能目前尚属未知。”河北农业大学资源与环境科学学院教授刘文菊介绍，近年来，慢慢的变多的国家开始将研究目光投向了土壤微生物领域。

　　“十四五”期间，我国也在中低产田产能提升等方面，部署了相关研究与应用。正在进行的第三次全国土壤普查，还开展了对包括土壤微生物在内的全面性土壤生物调查，这在新中国成立后属于首次，旨在评估重要土种的土壤健康情况，提出土壤耕地质量提升的生物学管理对策。

　　“种子和耕地质量，是目前影响粮食产量的两个‘关键变量’。在保障国家粮食安全的领域突破‘卡脖子’难题，开展土壤微生物研究具备极其重大意义。”刘文菊说。

　　目前，科研工作者对土壤微生物的研究成果，慢慢的开始应用到农业生产中。利用不一样种类的土壤微生物的生物特性，开发生产出的芽孢杆菌、木霉菌、链霉菌等微生物菌剂，不仅可用来增加土壤的生物肥力，提高产量，对改善果实品质、减少病虫害发生等也能起到重要作用。

　　“目前农业生产中常用的微生物菌剂中的活性菌，多为单菌种或者人为简单合成的菌群，为了更精准地构建对作物促生抗病的合成菌群，研究界又开始了对植物根际微生物组的探索。”刘文菊介绍，根际微生物组被称为植物的第二基因组，是土壤—微生物—植物互作的纽带，与根系相互作用、相互促进，认识并利用好根际微生物组，会将土壤微生物的研究与应用再推上一个台阶。

　　“微生物菌剂是一种绿色农业投入品，可推动化肥和化学农药减量增效，科学施用微生物菌剂替代部分化肥农药，符合农业绿色发展的要求。”刘文菊说。（河北日报记者 常方圆 朱艳冰）