综述与评论 | 环境土壤学——回顾与展望

作者：吴同亮，刘 存，周东美，陈怀满，王玉军

单位：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）；污染控制与资源化国家重点实验室（南京大学环境学院）；中国科学院大学

卷期：《土壤学报》2023年第60卷第5期

土壤是地球生命之本，中国有句古话 “民以食为天，食以土为本”，体现了人类依存于土壤的朴素认知。环境土壤学是土壤环境问题产生后发展出来的一门综合性交叉学科，其以土壤为研究主体，是土壤学和环境科学的重要组成部分，研究自然因素和人为条件下土壤环境质量变化、影响及其调控的一门学科。

中国是当前世界环境土壤学研究的重要区域之一。于1976年成立的中国科学院南京土壤研究所土壤环境保护研究室是我国最早的专门从事土壤环境保护的研究机构，并在随后确立环境土壤学为其学科内容，有力地促进了我国土壤环境保护事业的发展。

伴随土壤科学、环境科学、生态学、微生物学和生物地球化学等多学科与环境土壤学交叉日益频繁，尖端科学技术的挖掘应用也极大地丰富了环境土壤学的研究方法。同时土壤质量、土壤健康和土壤安全是环境土壤学始终面临的重大课题，在“绿水青山就是金山银山”这一价值观的大背景下，环境土壤学的研究如何为国家完成生态和环境保护的相关目标，并将研究成果转化为政府决策部门和公众的需要，是我们纪念中国科学院南京土壤研究所成立70周年的深层思考和愿望表达。

环境土壤学研究范畴 

环境土壤学是现代土壤科学发展的产物和重要组成部分，它的研究主体是土壤，在学科上归属于土壤学，同时其又为环境科学的重要组成部分，对于提升土壤学的科学地位、维系土壤学生存发展，完善环境科学研究体系具有重要意义。    

环境土壤学的核心内容是土壤环境质量与可持续发展，着眼于土壤环境质量的保护、利用和改善，研究土壤和环境的协调关系及土壤的可持续利用，重点关注土壤环境中外源物质的侵袭、累积或污染程度及其预防与修复，以及土壤质量演变过程中土壤环境质量的变化。

其研究内容包含土壤环境的现状及其演变，外源物质在土壤环境系统中的反应行为，土壤环境与生态和人体健康，人为活动对土壤环境的冲击和土壤环境工程等（图 1）。

图1 环境土壤学学科基础与研究框架

Fig. 1 Disciplinary foundations and research framework of environmental soil science

外源物质侵袭与土壤环境质量 

• 土壤环境现状及其容量

1962年由美国科普作家蕾切尔·卡逊出版的《寂静的春天》，唤起了公众对环境污染的极大关注，同样也引发了环境土壤学界对土壤中有机化合物、重金属等外源物质的研究热潮。

土壤元素背景值和土壤环境容量研究是环境土壤学早期发展的研究重点，可进一步掌握外源物质在土壤中侵袭、累积或污染现状，量化土壤所能容纳污染物的最大负荷量。我国自20世纪70年代起，在“七五”国家重点科技项目（攻关）计划支持下，在全国29个省、市、自治区开展了土壤元素背景值和土壤环境容量的研究。中国科学院南京土壤研究所是最早开展土壤背景值研究单位之一，与其他科研单位一起共同完成涵盖41个土类、30余种元素的调查研究，取得了初步的、但却具开创性的一些成果，攻关任务组出版了《环境背景值和环境容量研究》、《土壤环境容量研究》等著作。   

• 外源物质在土壤中形态含量分析  

外源污染物在土壤中的形态决定了其生物毒性，因此精准识别其土壤形态是研究土壤环境过程和效应的基础。在土壤总量研究的基础上发展出基于操作定义的单一（EDTA、HCl、CaCl₂，NH₄OAc，NaNO₃）和连续形态提取方法（Tessier、Wenzel、BCR以及相应修正法），对于揭示重金属在土壤中有效态和组分结合态具有积极意义。对于多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药等有机化合物的有效性提取，开发出了甲醇、乙醇、丙酮、正丁醇等溶剂萃取法和相关固相萃取技术。然而，操作定义提取法存在费时、费试剂、方法间可比性差、提取过程中重金属形态再分配等局限。现代分析技术的飞速发展为（准）原位分析重金属在土壤中的“真实”化学形态提供了有效的方法，也进一步促进了环境土壤学的纵深发展。

人工纳米颗粒、抗生素、抗性基因（ARGs）和微/纳塑料等新型土壤环境污染物的不断涌现，给环境土壤学的发展带来新的机遇和持久驱动力，相关的分析检测技术也在不断发展。

• 外源物质的土壤环境行为  

外源物质在土壤中往往经历吸附-解吸、氧化-还原、溶解-沉淀、自然降解等环境过程，并影响其在土壤中的行为和归趋。环境土壤学学科在发展过程中已从污染物在土壤中的单一过程研究发展至多介质-多界面-多过程耦合的机理性反应过程研究，极大地促进了土壤黑箱过程向灰箱、白箱过程的过渡。   

• 外源物质在土壤中的环境效应、评价与调控

研究土壤污染物的土壤环境效应是本学科持续关注的主题之一，其中植物、动物、微生物是土壤污染物效应的直接受体。科学的土壤污染评价方法是掌握土壤污染程度，评估污染效应以及评判土壤修复必要性的基础，是土壤环境质量保护的一个重要内容。理解土壤中污染物形态、环境行为、归趋规律将有助于土壤环境修复研究的开展。

现阶段土壤修复理论与技术不断发展成熟，出版了《土壤污染与修复理论和实践系列丛书》、《重金属污染土壤修复理论与实践》等著作，形成土壤修复分支学科，并在保障土壤的农业生产与生态环境服务功能基础上，取得了良好修复效果。

土壤质量演变与环境土壤学  

土壤碳、氮、硫、磷元素的循环与环境质量、土壤退化与环境质量等是环境土壤学研究中不可或缺的组成部分。

• 土壤碳、氮、硫、磷元素循环 

人们对土壤功能的早期认知以服务农业生产为主，碳、氮、硫、磷作为土壤中重要的营养元素，其在土壤中形态及其转化将深刻影响土壤肥力及土壤环境质量。

• 全球气候变化与碳氮循环

土壤碳库是陆地生态系统中最大碳库，因此，土壤碳氮循环及对土壤环境质量的影响逐渐成为研究重点。土壤中碳的相关研究逐渐受到重点关注，土壤中碳储量变动将通过温室效应等深刻影响全球气候变化；与此同时，由全球气候变化造成的土壤水热梯度变化也将影响土壤呼吸过程从而进一步影响CO₂和CH₄等温室气体排放。    

围绕土壤固碳减排措施开展了大量工作，生物炭对土壤环境的综合影响成为研究热点之一，围绕生物炭固碳减排、提升土壤肥力、对土壤污染物吸附固定、形态转化等开展了大量且较为深入的研究工作，包括通过适宜的土地恢复利用和保护性耕作等土壤科学管理实践，以进一步减少土壤有机碳库损失及向大气排放的CO₂；探究不同耕作方式、水肥管理等农艺措施对土壤有机质稳定性的影响进而影响土壤温室气体排放等。

• 土壤退化

农业生产潜力与调节环境容量是土壤的重要功能。在土壤的自然和人为（农业、城市化和工业化）影响演变中产生土壤污染、侵蚀、荒漠化、酸化、盐渍化和压实等土壤退化现象，造成土壤生产力或功能的丧失，或者生产经济产品和环境调节的内涵功能下降，严重影响农业发展的可持续性及土壤的生态功能，故土壤退化研究持续受到关注。

近年来，在全球气候变化背景下的温度、降水时空格局变化对土壤退化过程和相关土壤环境效应的影响受到关注，借助同位素、“3S”技术、人工智能和机器学习等新技术，从区域大尺度层面阐明土壤退化对土壤性质，土壤生态环境效应以及大气、水体的综合影响。发展出以生态功能提升为主的土壤退化阻控措施，评估了生物炭和其他新型土壤调理剂的改良效果。  

学科展望 

• 加强多学科交叉融合促进学科发展

• 全球气候变化背景下土壤元素循环的新认知

• 完善土壤健康评价框架中的土壤环境评价指标

• 学科发展服务国家重大需求   

作者简介

王玉军

博士，研究员，博士生导师  

全国优秀博士学位论文获得者，国家杰出/优秀青年科学基金获得者，国家重点研发首席科学家，土壤与农业可持续发展国家重点实验室主任，中国土壤学会土壤环境专业委员会主任，江苏省土壤学会常务理事兼副秘书长。

主要从事土壤中污染物微界面过程及其阻控原理、污染物土壤环境容量与阈值、污染评价与修复等研究。采用批平衡实验方法与XAS、XRD、FTIR、FTRM、NMR、电镜技术和分子模拟等技术手段相结合，研究了重金属和有机污染物在土壤或矿物/水界面上化学过程的影响机制，并在土壤微界面上污染物的迁移转化过程原理进行深入研究的基础上，发展了土壤有机-无机污染控制的新技术；基于生物毒性试验数据构建物种敏感性模型，获得了土壤中Cu、Zn、Cd、As和Sb等重金属毒性阈值，创建了土壤和农产品综合质量指数法，形成了从基础研究到污染控制技术较为完整的研究体系。目前已在Environ. Sci. Technol.、Soil Sci. Soc. Am. J.等优秀杂志上发表论文230余篇，其中SCI论文160余篇，获得国家发明专利6项，软件著作权1项。