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中国学科发展战略·土壤生物学

中国学科发展战略·土壤生物学

土壤生物包括细菌、古菌、真菌、原生动物和无脊椎动物等,其多样性极其丰富。土壤生物学是研究土壤中生物种类、多样性与组成结构,土壤生物与生物之间以及土壤生物与环境之间的相互作用,土壤生物在碳、氮和生源要素循环、土壤肥力形成与培育、全球变化与对策以及环境污染修复中作用的科学。
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项目组
组长:傅伯杰
成员:(以姓氏拼音为序)
傅声雷 贺纪正 胡锋 黄巧云
贾仲君 冷疏影 陆雅海 马可
申倚敏 沈菊培 沈仁芳 宋长青
陶澍 吴金水 徐建明 张丽梅
张旭东 周集中 朱永官
学术秘书:贺纪正陆雅海
 
撰写组
组长:傅伯杰
主要成员:(以姓氏拼音为序)
陈保冬 陈小云 褚海燕 邓晔
傅声雷 葛体达 何红波 何艳
贺纪正 胡锋 胡水金 黄巧云
贾仲君 李芳柏 刘芳华 刘满强
刘占锋 陆雅海 沈仁芳 施卫明
王娓韦 革宏 魏文学 吴金水
徐建明 杨云锋 张斌 张丽梅
张旭东 赵方杰 周集中 朱永官 
 

土壤被誉为地球“活的皮肤”,蕴含着极丰富的生物多样性。土壤生物作为元素生物地球化学过程的引擎,驱动着土壤圈与其他各圈层之间活跃的物质交换和循环,在全球变化中扮演着重要的角色。土壤生物也是维系陆地生态系统地上地下相互作用的纽带,支撑着陆地生态系统的过程和功能,是土壤生态系统的核心,深刻影响着土壤质量。不仅如此,土壤生物还可通过影响土壤植物系统中污染物的迁移转化、病原菌及抗生素抗性基因的存活与传播而直接影响人体健康。但长期以来由于土壤生物系统的复杂性和土壤生物学研究技术手段的限制,人类对土壤生物多样性和功能的认识十分有限。近年来,突飞猛进的生物学特别是分子生物学技术的进步,为土壤生物学研究提供了新的契机。20世纪90年代以来国际上土壤生物学研究蓬勃发展,土壤生物学迅速成为土壤学、环境科学、地球表层科学和生命科学等学科最为活跃的交叉发展前沿。土壤生物学研究正在为阐明地球系统的生源要素循环,促进土壤资源的可持续利用,理解全球变化及影响,发展污染环境的生物修复技术提供强有力的科学依据和技术支撑。

鉴于土壤生物在土壤物质循环和生态系统功能维持中的重要作用,以及近年来国际上该研究领域迅猛发展的态势,中国科学院地学部于2012年4月启动了“土壤与土壤生物学发展战略研究”项目,2013年7月该项目进一步提升为中国科学院和国家自然科学基金委员会联合资助的发展战略研究项目。项目组由来自中国科学院、北京大学、清华大学、浙江大学、中国农业大学、南京农业大学、华中农业大学等单位长期从事土壤生物学、环境科学、生态学、地理学和土壤学各分支学科的著名专家和中青年学者组成,先后召开了6次学术研讨会,共邀请了187人次专家学者参加项目的咨询和研讨。项目组系统梳理了我国土壤生物学的发展历程和现状,调研了国际土壤生物学的发展态势和前沿热点,并在此基础上,经过反复咨询研讨提出了我国土壤生物学研究领域未来所面临的重要挑战,凝练了今后5~10年的关键科学问题,明确了发展目标和发展方向。前期调研成果已编辑成《土壤生物学前沿》一书于2015年年初由科学出版社出版。本书主要包括调研成果的第二部分,聚焦未来的发展目标和方向。

土壤生物学是高度交叉的研究领域,尽管本质上属于土壤科学的分支学科范畴,但不同学科如环境科学、地理学、生态学和生命科学皆能在这一研究领域进行广泛的渗透融合。鉴于这一特点,本战略研究未按传统的学科门类划分分支方向,而是以具体的科学问题为导向和框架。本书共包含十一章:第一和第二章,讨论了土壤生物学的学科发展任务和战略地位,总结分析了学科发展历程与态势;第三至第五章,提出了我国土壤生物学发展亟须解决的基础性科学问题,包括:土壤生物网络与生态服务功能、土壤微生物时空演变规律和土壤生物地球化学循环的微生物驱动机制;第六至第八章,针对生态环境和社会可持续发展面临的重大挑战,提出了应用性科学问题,包括:土壤生物与土壤肥力、土壤生物与全球变化和土壤生物与土壤污染;第九和第十章,为促进多学科交叉发展和方法平台建设,提出了土壤生物与土壤物理、土壤化学的交叉发展和土壤生物研究方法与平台建设的建议;第十一章,为实现土壤生物学的发展目标,提出了相应的资助机制和政策建议。另外,本书还在附录部分介绍了若干具有重要影响的国际土壤生物学研究计划。本书由傅伯杰、陆雅海、贺纪正、张丽梅设计和组织,各章撰写人分别为:第一和第二章:陆雅海、傅伯杰、贺纪正、贾仲君、张丽梅;第三章:胡锋、刘满强、陈小云、傅声雷;第四章:贺纪正、杨云锋、褚海燕;第五章:吴金水、葛体达、魏文学、杨云锋;第六章:沈仁芳、张旭东、施卫明、韦革宏、胡水金、陈保冬;第七章:陆雅海、傅声雷、褚海燕、杨云锋、刘占锋、王娓、刘芳华;第八章:朱永官、赵方杰、陈保冬、徐建明、李芳柏、韦革宏;第九章:徐建明、李芳柏、黄巧云、张斌、何艳;第十章:贾仲君、刘占锋、何红波、邓晔、周集中、陆雅海、傅声雷;第十一章:贺纪正、傅伯杰、陆雅海、张丽梅;附录:贾仲君、陆雅海。

值得指出的是,本书从国际土壤生物学发展趋势出发,着眼于国家需求和学科发展前沿,提出了土壤生物学领域的关键科学问题和优先发展方向,但并不能涵盖当今土壤生物学研究的所有方面。特别是,基础研究总是存在不可预见性,科学家的好奇心和自由探索永远是科学发展的重要动力。

本项目在执行期间,得到了中国科学院学部工作局的大力支持。国家自然科学基金委员会地球科学部的宋长青和冷疏影不仅以项目组成员身份直接参与项目的咨询研讨,而且一直以管理科学家的身份跟踪和推进本学科的发展。本书成稿后,得到了项目组邀请专家和学部邀请专家的宝贵修改意见和建议,中国科学院生态环境研究中心、城市环境研究所、南京土壤研究所、亚热带农业生态研究所、水利部水土保持研究所,广东省生态环境与土壤研究所和浙江大学支持了项目的实施和多次研讨会,在此一并表示衷心的感谢。

 

 

 

傅伯杰

2015年6月

 
总序 
前言 
摘要 
Abstract 
第一章学科发展任务和战略地位
第一节土壤生物学的研究任务与意义
第二节土壤生物学的学科战略地位
一、我国土壤科学发展的需要
二、我国土壤生物学发展在国际竞争中的地位
第二章学科发展历程与态势
第一节土壤生物学发展的概要回顾
第二节土壤生物学的发展态势分析
一、土壤生物多样性和时空变异规律
二、土壤生物与元素生物地球化学循环
三、土壤生物与土壤肥力
四、土壤生物与全球变化
五、土壤生物与污染修复
第三节我国土壤生物学的发展与主要成就
一、我国土壤生物学发展的简要回顾
二、我国土壤生物学的主要进展
第四节未来5~10年拟重点发展的研究方向与科学问题
第三章土壤生物网络与生态服务功能
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题
第三节优先发展方向和建议
一、土壤生物网络结构的刻画与关键网络环节的确定
二、土壤生物网络结构与生态进化理论的结合及发展
三、农田土壤生物网络和生态服务的调控
四、兼顾生物网络与功能的时空尺度
五、土壤生物网络和生态服务的稳定性及调控机制
第四章土壤微生物时空演变规律
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题
第三节优先发展方向和建议
一、土壤微生物多样性及其测度指标
二、土壤微生物时空演变驱动机制
三、土壤微生物时空演变的尺度效应
四、我国主要类型土壤微生物的空间分布格局
五、土壤微生物时空演变格局的理论框架和模型
六、土壤微生物与植物的相互作用/共进化演变格局
第五章土壤生物地球化学循环的微生物驱动机制
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题 
第三节优先发展方向和建议
一、土壤生源要素循环过程的微生物驱动机制
二、环境因子影响土壤碳、氮、磷循环的微生物响应与反馈机制
三、土壤生源要素耦合的微生物联作机制
四、土壤关键生物地球化学过程的计量学
第六章土壤生物与土壤肥力
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题 
第三节优先发展方向和建议
一、土壤微生物与土壤养分转化和固持
二、土壤微生物及微生物—根系互作与土壤酸化逆境
三、生物固氮在提高氮素高效利用中的作用机制
四、菌根与磷素高效利用机制
五、土壤益生菌与养分高效利用机理
六、拮抗菌与根系健康及养分利用 
第七章土壤生物与全球变化
第一节科学意义与战略价值
第二节国内外发展趋势分析
第三节关键科学问题
第四节优先发展方向和建议
一、土壤生物群落响应及适应全球变化的中长期定位观测研究
二、温室气体产生和转化的生物学机理及其对全球变化的响应
三、全球变化背景下“地上—地下”生物互作机理及其演替
四、全球变化背景下土壤动物入侵的生态学效应
五、土壤生物对全球变化多因子耦合作用的响应
六、全球变化敏感区域土壤微生物群落和功能的演变与适应
七、土壤生物地球化学过程与全球变化模式的融合 
第八章土壤生物与土壤污染
第一节科学意义与战略价值
第二节国内外发展趋势分析
第三节关键科学问题
第四节优先发展方向和建议
一、土壤污染背景下微生物群落结构和多样性的演变及生态效应
二、土壤污染物的生物转化和清除机制
三、病原菌和抗性基因(及耐药菌)在土壤中的分布规律与传播机制
四、土壤污染的生物监测原理与技术
五、污染土壤生物修复原理与技术 
第九章土壤生物物理化学界面过程
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题
第三节优先发展方向和建议
一、微生物胞外电子传递机制
二、土水界面和根土界面中微生物介导的物理化学反应过程与机理
三、微生物驱动的矿物形成与转化
四、土壤结构中生物和物理过程互作机理及其调控作用
第十章土壤生物研究方法与平台
第一节科学意义与战略价值
第二节关键科学问题
第三节优先发展方向和建议
一、土壤生物多样性的组学研究
二、土壤微生物的单细胞筛选
三、土壤生物功能的原位表征技术
四、土壤生物学野外联网综合研究平台
五、土壤生物信息分析
第十一章资助机制和政策建议
第一节建设土壤生物学多学科交叉卓越研究中心
第二节组织国家/国际层面的大型科学研究计划
第三节在基础研究层面部署重点研究项目
第四节在应用研究层面加强与政府和企业的合作
第五节加强人才培养和国际合作
附录国际土壤生物学重大研究计划介绍
1研究计划一:英国土壤生物多样性研究计划
2研究计划二:土壤生物地球化学的界面过程
3研究计划三:欧洲土壤生态功能与生物多样性指示
物种研究
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