新技术在土壤学中的应用

导  读

土壤与人们的生产和生活密切相关，是人类赖以生存和发展的基石，是保障人类食物与生态环境安全的重要物质基础。粮食安全、环境污染和全球气候变化是我们面临的新“三座大山”，而土壤是解决这些问题的关键要素。近年来，计算科学、信息科学、生命科学、物理学、化学和地球科学等基础学科的先进技术快速发展，基础学科的新思维和新技术在土壤学中的应用拓宽了现代土壤学的研究内容，极大地提升了土壤学的认知水平和社会服务能力，为保障我们的“米袋子”和“菜篮子”安全，让老百姓吃得放心，住得安心，坚决打赢“蓝天、碧水、净土”保卫战等国家重大需求提供了重要的理论和技术支撑。

文/孙瑞娟 王保战 周虎 王玉军

来源：转载自科学杂志1915公号（2019年12月5日）

土壤是人们司空见惯的物质，人们的生产和生活几乎每天都要接触土壤。土壤是能生产植物收获物的地球陆地表层松散的物质，是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈进行物质循环和能量交换的产物，也是生物、气候、母质、地形、时间等自然因素和人类活动综合作用下形成的自然体。土壤是人类赖以生存和发展的基石，是保障人类食物与生态环境安全的重要物质基础。土壤的这一本质特性，决定了土壤学是服务人类社会发展的应用基础学科。

每一次技术的革新都能推动土壤学的快速发展。从17 世纪中叶开始，农业科学探索与试验得到初步发展，以李比希（J. Liebig）的矿质营养学说（1840年）、汤普森（Thompson）和韦（Way）的土壤吸附与交换学说（1840—1850年）、法卢（Fallou）的农业地质学说（1865年）、多库恰耶夫（Vasili Vasilievich Dokuchaev）的土壤发生学说（1883年）、希尔格德（Hilgard）的土壤形成理论（1893年）为代表的经典理论奠定了近代土壤科学的发展基础 [1]。工业革命以来，人类活动对土壤的干扰日益加剧，农业生产、环境污染、全球变化和生态环境可持续发展成为当前国际社会亟须应对的重大共性问题，得到了世界各国政府的持续关注。社会与公众需求也已经成为现代土壤科学发展的重要推动力。

多学科交叉是土壤学最重要的特征。近30年来，计算科学、信息科学、生命科学、物理学、化学和地球科学等基础学科的先进技术快速发展，多学科的理论突破为现代土壤学研究提供了新思维，形成了以物质形态、化学属性和生物功能为中心的独特理论和研究方法，催生了一系列的土壤交叉学科，极大地提升了土壤学的认知水平和社会服务能力 [2]。土壤资源保护和肥力提升是现代土壤学的主要研究内容，土壤生态环境安全与农业可持续发展是现代土壤学的根本任务 [1]。随着人们对土壤学整体认识水平的不断提升，多学科交叉研究不仅为土壤学带来了新的机遇，也为应对国家重大需求提供了重要的理论和技术支撑。

基于文献计量学分析现代土壤学研究热点

为了探究新技术对现代土壤学发展的推动作用，笔者以土壤各分支学科独特的先进技术手段等相关关键词形成如下检索式：(“Soil*”) and [(“functional genomics” or “T-RFLP” or “metagenomics” or “metatranscriptomics” or “pyrosequencing” or “high-throughput sequencing” or “NanoSIMS” or “stable isotope probing” or “microbial biogeography”) or (“soil molecular ecology” or “functional gene*” or “soil etagenomics*”) or (“soil sensing” or “remote sensing” or “GIS” or “digital elevation model”) or (“biophysics” or “hydropedology” or “isotope hydrology” or “XTM”) or (“molecular mechanism” or “metal speciation” or “XAS” or “Synchrotron” or “quantum calculation” or “EPR” or “MS”) or (“in-situ remediation” or “ex-situ remediation”)]。检索式凸显了土壤学内部分支学科，如土壤地理学、土壤化学、土壤物理学与土壤生物学之间的融合交叉，以及土壤学与其他基础学科，如分子生物学、化学、物理学、数学等的相互渗透 [2]。

利用Web of Science数据库，共检索到1986—2019年（截至2019年10月20日）发表的45124篇SCI论文。利用Citespace软件分析检索文献中频次较高的关键词，绘制了近30多年来有关新技术在土壤学中应用的关键词共现关系图，通过分析关键词之间的共现关系，明确了土壤学的研究热点，并结合典型案例分析一些先进技术在土壤学中的应用。结果显示，在45 124篇论文中，词频最高的20个关键词依次是：gis（GIS）（地理信息系统）、water（水）、remote sensing（遥感）、model（模型）、diversity（多样性）、mass spectrometry（质谱）、sediment（沉积物）、heavy metal（重金属）、degradation（降解）、organic matter（有机质）、carbon（碳）、vegetation（植被）、soil moisture（土壤水分）、bacteria（细菌）、plant（植物）、identification（识别）、microbial community（微生物种群）、nitrogen（氮）、biodegradation（生物降解）、polycyclic aromatic hydrocarbon（多环芳烃）等。以这些高频关键词为核心形成了相对独立的研究主题聚类图，反映出土壤学各分支学科的研究重点和热点。

土壤地理学

土壤地理学主要研究土壤与地理环境间的关系，传统的土壤地理学研究涵盖了土壤发生与演变、土壤分类、土壤调查、土壤分布、土壤区划和土壤资源评价等方向 [3]。然而，遥感、全球定位系统、地理信息系统等先进技术的突破，为土壤地理学的发展提供了新的技术手段，注入了新的活力。土壤科学在研究范围、内容、性质和方法学等多方面有了新的飞跃，使得多尺度的空间模拟成为可能，让我们能站在不同尺度的生态系统的角度认识土壤发生过程中的物质循环过程 [2]。在词频最高的20个关键词中有关土壤地理学的关键词包括：GIS（地理信息系统）、remote sensing（遥感）、soil moisture（土壤水分）、vegetation（植被）和water（水）。土壤地理学的研究呈现新的发展态势，从回答“土壤是什么？为什么如此？如何演变？”，发展到可回答“如何对土壤进行定量化描述、分类和预测？”等问题 [3]。

利用遥感技术开展土壤环境资源的调查是当前土壤地理研究的热点。与传统土壤学相比，土壤遥感与信息学在研究土壤对象时，更加关注空间位置和地理背景对土壤发生发育、土壤性状、土壤质量和过程变化的重要性。这些新技术的发展极大地拓展了土壤服务农业生产的科学内涵，产生了精准农业研究领域。精准农业就是将土壤遥感与信息学、生态学、土壤肥力、作物模拟模型等基础学科有机结合起来，实现在农业生产全过程中对农作物、土壤和水分从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物耕作、施肥、植保、水分管理、收获等的精细管理 [2]。

随着质谱技术的发展，稳定同位素分析技术取得重大突破，一些非传统稳定同位素，如Mg、Si、Fe、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Tl等在土壤发生发育过程、土壤中营养元素的循环以及土壤重金属污染等研究领域得到广泛应用。研究人员发现，钙质海相沉积物起源的千年尺度时间序列水稻土中δ56Fe与总铁浓度的对数呈明显负相关，这说明在还原环境为主的水稻土长期演化过程中，优先损失的是轻铁同位素，铁同位素发生了质量依赖分馏。此外，通过对全球土壤铁同位素组成的荟萃分析可深入揭示铁的迁移机制 [4]。还有研究人员发现，在皖南花岗岩发育土壤中，黏粒显著富集轻硅同位素，这个结果证实了一个重要成土过程的存在，即次生黏土矿物的再合成过程。一般认为，土壤中的黏土矿物主要有3个形成途径：岩屑物理风化、化学风化和再合成。化学风化使得矿物逐渐脱盐基和脱硅，硅同位素在这个过程中不分馏，在岩屑物理破碎过程亦不产生分馏。因此，黏粒富集轻硅同位素的现象证实了土壤黏粒的再生机制，而且这个过程很可能是亚热带地区次生黏土矿物形成的主要机制 [5]。

虽然稳定同位素分析技术已在土壤学中得到广泛应用，但目前尚处于初步发展阶段，主要体现为：在分析测试方面，国际上缺乏统一的土壤标样；不同类型土壤的同位素组成数据仍十分稀缺；少数研究揭示了特定条件下稳定同位素分馏的机制，但在复杂的土壤体系中，元素的分馏受到无机与有机过程、生物作用以及与其他各圈层的交互作用等多方面因素的协同影响，分馏机制尚不明确。因此，稳定同位素分析技术在土壤学中的应用研究仍有待开展大量工作，未来需要结合真实土壤环境展开深入研究。

土壤物理学

土壤物理学的研究从单一的小尺度向大尺度和多尺度演变，而water（水）是其连接的纽带，是土壤作为陆地生物与环境间进行物质循环和能量交换的载体，并成为土壤学研究的核心内容之一 [2]。与水分转移有关的关键词，如evaporation（蒸发）、transpiration（蒸腾）、runoff（径流）和erosion 或soil erosion（侵蚀）均出现在土壤物理学的聚类图中。此外，土壤结构，特别是微团聚体结构的研究也是土壤物理学研究的核心内容之一，但由于土壤是不透明的，我们很难对土壤内部进行直接观测。传统的研究方法是把土壤采集回实验室，磨碎过筛后分析其各种性质，或者是把土壤当作一个“黑箱”，测定一些表观的性质。这些方法都破坏或者忽略了土壤的内部结构，与认识自然界土壤中发生的真实过程还有一些距离。

奥地利土壤学家库比纳（W. L. Kubiëna）在19世纪30年代首先提出应用显微镜直接研究原始的土壤，观察其结构并分析其中发生的各种过程。这种研究方法逐渐发展成土壤学的一门分支学科：土壤微形态学。微形态学研究首先要求采集土壤样品时不破坏土壤结构，然后把土壤样品固定（主要采用树脂），再加工制作成土壤薄片。可以在光学或者电子显微镜下观察土壤薄片，并结合图像处理和分析工具对土壤孔隙结构进行测定分析。此外，还可以结合含有化学成分的探测技术（例如电子探针、能谱等）检测土壤的化学成分，或利用微生物研究领域的标记方法（例如荧光原位杂交等），检测微生物等在土壤中的空间分布。

基于土壤薄片的研究主要在二维空间展开，而X射线断层扫描技术（computed tomography，CT）将土壤结构的研究拓展到了三维空间。通过X射线CT扫描，可以得到土壤内部不同位置物质对X射线的吸收程度，进而判断该位置物质的组成（例如空气、水、有机物、矿物等）。不同类型的X射线CT的分辨能力不同，也就决定了其能观察到的细节程度。医院里给人体做扫描的CT一般分辨率较低，仅能用于土壤大孔隙的观察。而工业显微CT的分辨率可以达到微米级，可以用于团聚体微结构的分析。基于同步辐射技术的显微CT更是可以达到纳米级的分辨率，能够分析微团聚体的内部结构。除了分析孔隙结构外，X射线CT还能用于探测土壤中植物根系的三维结构、根系的分解过程、土壤动物的活动轨迹、土壤有机质的空间分布以及土壤水分的分布等。不过，由于土壤组成的复杂性，从X射线CT图像中提取物质组成信息并不容易，例如有关有机物的信息提取还存在很大的困难。为了解决这些难题，一方面需要选择适当的仪器并调整好参数，以获取高质量的图像；另一方面，需要不断开发新的图像处理方法。此外，有研究尝试添加研究对象容易吸附或吸收的“造影剂”，方便将其从图像中提取出来。例如，加入碘溶液可帮助区分土壤水分，加入氧化锇有助于从图像中提取有机质。

除X射线CT扫描技术外，γ射线CT扫描、磁共振成像和中子成像等技术也被用于土壤物理学的相关研究中。这些技术各有特点，但是它们共同的目标是希望能对土壤的内部结构进行非破坏性探测，揭示土壤中各种过程的真实面目。

土壤化学与环境土壤学

土壤化学是土壤学中最古老的基础分支学科之一，发展至今已经近2个世纪。主要研究土壤中的物质组分、组分之间和固液相之间的化学反应过程，以及离子或者分子在固液相界面上所发生的化学现象。近年来，土壤污染问题越来越受到人们的重视，在20个关键词中出现了heavy metal（重金属）、degradation（降解）、biodegradation（生物降解）和polycyclic aromatic hydrocarbon（多环芳烃）等词。而关键词共现图则更直观地表明，重金属的生物地球化学过程以及有机污染物的降解与归趋是当前环境土壤化学研究的热点方向。

环境土壤学是土壤学、环境科学、生态学、生物地球化学、化学、生物学等多学科交叉的科学，它从环境科学和土壤圈物质循环的角度出发，着眼于土壤质量的保护、利用和改善，研究土壤和环境的协调关系和土壤的可持续利用 [2]。近30年来，基于同步辐射的X射线吸收光谱、量子化学计算和高分辨电镜等分子环境研究方法被广泛用于土壤学和土壤化学的分支学科，为在分子水平上探讨污染物的土壤界面过程及其作用机制提供了技术支撑。

同步辐射X射线吸收光谱（X-ray absorption spectroscopy，XAS）具有宽波段、高亮度、高稳定和窄脉冲等独特而优异的特性，且XAS对样品的适用范围很广，可以在室温和常压条件下对含水固体表面、溶液、甚至生物样品等实现原位测定。基于同步辐射的外延X射线吸收光谱精细结构技术（extended X-ray absorption fine structure，EXAFS）为原位、无损地分析土壤中重金属的形态提供了新的研究手段，在微观尺度上得到的信息可以为重金属（类金属）在土壤界面反应的分子机制研究提供更充足的证据。如何准确区分物理吸附和化学吸附，以及化学吸附与表面沉淀一直是土壤化学研究领域的难点。EXAFS技术通过分析目标原子周围的配位原子等信息区，可区分外圈吸附与内圈吸附，以及表面吸附与表面沉淀。研究人员利用EXAFS技术准确区分了Se(Ⅲ)和Se(Ⅴ)在氧化铁表面的吸附类型，Se(Ⅴ)在氧化铁表面主要为外圈吸附，而Se(Ⅲ）则为内圈吸附 [6]。还有研究者利用EXAFS技术研究了钴在氧化铝表面的沉淀过程，发现钴在氧化铝表面形成了多核金属离子配合物，并可以看到明显的Co-Co第二壳层，证实了钴在矿物表面形成沉淀 [7]。

微区X射线荧光技术（micro-focus X-ray fluorescence，μ-XRF）和微区X射线吸收近边结构技术（micro-focus X-ray absorption near-edge structure，μ-XANES）目前已经发展成为一种较为完善的多元素同时、无损、原位、微区及痕量分析技术，甚至可以提供低原子序数元素、微米尺度的二维和三维的元素分布，直观地揭示目标元素在复杂体系中的分布。笔者利用该技术对湖南冷水江锡矿山周边土壤和稻米中的铜、锌、砷等重金属的分布进行了原位分析，发现土壤中的砷主要以无机物形式存在，且与铁、锰的空间分布相关性较好，表明砷主要与土壤中的铁锰氧化物相结合；而重金属主要分布在水稻的米糠和胚中，μ-XANES结果显示，米糠和胚中的砷主要以无机物形式存在，且有机形式的砷在胚中的含量显著高于其在米糠中的含量 [8]。

X射线扫描透射显微术（scanning transmission X-ray microscopy, STXM）是一种利用波带片（zone plate）将软X射线进行聚焦，然后针对目标元素在吸收边附近的吸收差异来获取图像和图谱信息的光谱显微分析技术。同步辐射STXM技术可在纳米尺度上表征土壤重金属（铜、锌、铬、砷等）以及样品中碳、氮、钙、铁、锰、铝、硅等典型矿质元素的分布特征，获得样品二维和三维图像以及目标元素的微观化学形态及结构信息。美国特拉华大学Sparks团队利用STXM技术揭示不同土壤中有机碳结构差异和在微尺度上的分布特征及其与土壤典型矿物间的交互作用机制 [9]。

随着原位微区显微技术的发展和学科的交叉融合，电子显微镜（electron microscope，EM）、原子力显微镜（atom force microscope， AFM）等先进技术被广泛应用到土壤环境领域，极大地促进分子土壤环境科学的发展。扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）及相应的配套功能可以从微米、纳米至原子水平揭示土壤界面物质的结构、组成及相互作用。笔者利用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM），并结合选区电子衍射（selected area electron diffraction，SAED）功能，可在晶相分析基础上证明镉在氧化铝表面能够形成镉—铝层状双金属羟基化合物沉淀，为研究土壤环境中镉的归趋提供了新思路 [10]。利用TEM的X射线能量色散谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy，EDX）及电子能量损失谱（electron energy loss spectroscopy，EELS），可以对土壤中重、轻元素进行定性和定量分析，还能提供元素的价态以及临近原子配位结构信息等。此外，球差校正器（Cs-corrector）的使用，可以在纳米甚至亚纳米尺度上观测到有机质的存在对铁氧化物固定砷的影响 [11]。AFM属于扫描探针显微镜中的一种，有3种工作模式：接触模式、非接触模式和轻敲模式。其具有极高的空间分辨率，可敏感地反馈样品表面的高低起伏等情况，在配备有原位流动反应槽的条件下，可以提供土壤界面上动态变化过程，如土壤有机质在矿物表面的原位固定现象、矿物的原位溶解以及诱导次生矿物生成过程等。

土壤组分的结构差异很大，传统的实验方法只能解释土壤环境中的宏观反应过程，这限制了人们对土壤微观尺度的各种复杂反应过程的研究。近年来，随着超级计算机的迅速发展，新的方法和经验参数被开发，使得理论计算模拟的速度更快、精度更高，为从原子或分子尺度揭示土壤环境过程提供了新的技术手段。基于量子力学和经典力场参数，理论计算模拟作为一种新的研究方法，在土壤科学研究中也得到广泛应用。

面对不同的体系和反应过程，理论计算方法有所不同。电子结构计算通常被用于含有少量原子（<300个原子）的体系，如土壤矿物活性部位。其中，密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算是目前在有关多原子体系电子结构的研究中使用最为广泛的量子力学方法。针对土壤有机质或矿物及其表面吸附离子或分子的几何构型研究，包括键长、键角、稳定构型等是最为常见的DFT计算。离子或分子在土壤固体表面反应过程中的热力学相关参数，如吸附能、分解能、热力学吉布斯自由能等的土壤固/液系统DFT计算是研究重点。土壤固/液体系中的分子光谱模拟和同位素分馏现象是研究的难点和热点。目前，Gaussian、VASP、CASTEP、Dmol3等程序已实现对土壤固/液系统的量子化学计算，为我们从原子尺度了解土壤环境过程提供了新的手段。

经典分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟通过在热力学平衡状态下对模拟系统进行采样，与DFT计算相比，其可以模拟含上万个原子的动态反应过程。MD模拟不明确考虑电子，而采用简单的函数形式描述原子之间的相互作用，即采用经验力场参数描述相互作用力，以计算每一帧结构下体系的势能和各个原子的受力，因此力场是MD模拟中最重要的部分。目前，COMPASS、CLAYFF、INTERFACE等力场被广泛应用在土壤科学研究中，如溶质或气体在土壤矿物表面的吸附能，离子在土壤溶液或孔隙以及矿物层间的扩散行为，土壤矿物表面双电层的厚度。土壤固/液体系的经典MD模拟可以在VASP、LAMMPS、GROMACS等软件中实现，从分子尺度揭示土壤环境的动态反应过程。

经典MD模拟严重依赖经验力场参数，且其仅考虑原子间的非键作用力，即库仑和氢键的相互作用，并不考虑化学键形成或断裂的过程，然而这些化学成键过程十分重要且不可轻易被忽略。与经典MD模拟相比较，第一性原理分子动力学（first-priciple molecular dynamics，FPMD）模拟考虑化学成键过程，且其精度更高，结果更可靠，适用体系更广泛，但计算量也相对繁重。FPMD模拟已成功用于土壤科学的研究中，如土壤固/液的稳定构型、土壤矿物边缘活性位点的电子结构及其化学性质、离子或分子在土壤固相表面的成键反应过程。目前，开源免费的CP2K是实现FPMD模拟的主流软件，它可对类似土壤固/液体系的大体系进行从头计算分子动力学模拟，在原子尺度实现土壤环境动态反应过程并获得理论参数。

土壤生物学

微生物是土壤中最活跃的组成部分，其数量巨大、种类繁多。土壤微生物在驱动土壤养分元素循环、污染物降解转化以及维持土壤生态系统的稳定中都发挥着不可替代的作用。了解土壤微生物的功能并为人类生存发展服务是永恒的主题。近10年来，信息科学、系统科学、计算机科学和现代分子生物学技术等多学科和交叉学科的先进技术和研究理论在土壤生物学中得到广泛引用，从广度和深度等方面极大地推动了土壤生物学的研究。在前20个关键词中出现了“diversity”（多样性）、“bacteria”（细菌）、“identification”（识别）、“microbial community”（微生物种群）等；关键词共现图中更直观说明，有关微生物多样性的研究一直是土壤微生物学研究的核心和热点方向。

很长一段时间，人们对土壤微生物的研究主要基于纯菌株分离培养。随着1990年代PCR技术的发明，以及随后变性梯度凝胶电泳和磷脂脂肪酸检测等技术的出现，人们开始利用靶标分子对土壤微生物进行群落水平的分析，并发现土壤微生物蕴藏着巨大的多样性，其间也涌现了一系列重要的研究结果。21世纪以来，3个重要技术的逐渐成熟更让土壤微生物理论和应用研究迎来了新的快速发展时期。这3个技术分别是：高通量测序技术、单细胞拉曼光谱成像和纳米二次离子质谱（NanoSIMS）。这3个技术把土壤微生物的研究前所未有地推入了整体群落水平的研究以及更精细的单细胞水平的功能研究范畴。

高通量测序技术在土壤微生物学研究中具有跨时代的意义。以最初454公司的Pyrosequencing测序平台和Illumina公司的HiSeq/MiSeq测序平台为代表的第二代测序技术，以及PacBio公司的Smart测序平台为代表的第三代单分子测序技术，促进了微生物生态学的飞速发展。这些测序技术可以以极低的价格获取土壤微生物复杂的群落信息以及基因组信息，为微生物群落组成和地理分布格局研究提供了核心基础数据。此外，高通量测序技术还可以与核酸稳定性同位素探针技术结合，揭示土壤中具有特定功能的微生物的物种信息以及基因组遗传信息。比如，可以用13CO2喂养土壤中的活性化能自养硝化微生物，然后提取活性硝化微生物基因组的13C-DNA，并进行高通量测序和生物信息学分析，即可得到活性硝化微生物的物种分类信息和基因组遗传进化信息 [12]。

单细胞拉曼光谱成像是在单细胞水平研究生物大分子结构、分子动力学和功能的一种有效方法。其原理是入射激光和细胞内大分子作用后，部分散射光会发生频率改变，通过分析散射光频率改变的情况得出该细胞的拉曼指纹图谱。由于不同的元素和化合物化学键对应的拉曼波峰不同，进而可以推测样品的元素或化合物信息。拉曼光谱是一种非破坏性且快速的检测方法，样品制备简单甚至无需前处理即可直接用于检测。单细胞拉曼光谱成像与稳定同位素分析技术可以用于发掘土壤特定功能的微生物类群。当微生物细胞同化了具有更高质量的同位素（13C）后，细胞内大分子的分子质量随之增加。由于拉曼光谱与物质分子质量成反比，进而细胞的拉曼光谱会发生偏移，被称为红移，由此可鉴定出功能微生物或比较同一菌群不同细胞的代谢活性。特别值得关注的是，拉曼光谱与流式细胞仪或者单细胞光钳分选平台结合，可以从高度复杂的土壤微生物群落中分选获得具有特定功能类群的微生物单细胞，并可进一步研究其生理代谢特征和基因组等。目前，单细胞拉曼光谱成像技术在土壤功能微生物研究中的应用正逐渐趋向高潮。

纳米二次离子质谱技术是在二次离子质谱技术（secondary ion mass spectroscopy，SIMS）基础上发展起来的检测纳米级界面上不同元素的分布，尤其是不同同位素分布的一种先进的分析技术，具有极高的空间分辨率（＜50 纳米）和质量分辨率（可有效区分13C- 和12C1H-）。其基本原理是采用初级粒子（如Cs＋或O－等初级离子束）轰击固体表面，再将溅射出的初级离子引入到磁场质量分析器。由于不同离子具有不同的质荷比，因此在静电场被分离开，经质谱检测器检测记录并成像，得到样品表面的元素组成和丰度分布。2000年后，作为目前最为先进的界面分析技术，NanoSIMS在微生物学研究领域已显示出强大的功能。它可以通过在细胞以及亚细胞结构水平分析其元素组成，从而确定土壤微生物参与的关键元素循环过程。目前，NanoSIMS在研究碳、氮、硫等关键元素的微生物循环机制中都取得了非常好的应用效果。比如，研究者通过向含有氨氧化古菌（N. viennensis EN76）的培养基中加入13C 标记的丙酮酸，发现约10%的C元素来自被标记的丙酮酸，证明其具有混合营养生长的潜能 [13]。

基础学科的理论突破和新方法的应用为现代土壤学研究提供了新思维，形成了以物质形态、化学属性和生物功能为中心的独特理论和研究方法，催生了一系列的土壤交叉学科如土壤遥感信息学、分子环境土壤化学、土壤水文学、土壤修复学、微生物分子生态学等。有关土壤过程、功能与服务的研究已经由传统的农田土壤学转向地球关键带研究，研究关键带中土壤与大气、水、生物、岩石之间交互作用过程，借助于系统科学新思维和物质科学新方法探究关键带土壤中的物质循环与能量转化，拓宽了现代土壤学研究范围。其研究尺度在宏观上更“宏”，在微观上更“微”，宏观过程与微观机制研究相结合，多尺度、多过程、多要素相耦合的研究揭示了土壤中的物质循环过程，并将土壤过程研究逐渐从“黑箱”向“灰箱”或者“白箱”转变。现代土壤学研究技术及理论的发展极大地提升了土壤学的认知水平和社会服务能力，使得土壤的生产功能、生态支撑功能和环境保护功能协调发展，为粮食安全与生态安全提供理论与技术支撑。

孙瑞娟，高级工程师；王保站，副研究员；周虎，副研究员：中国科学院南京土壤研究所，南京，210008。

王玉军，研究员：中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验，南京，210008。[e-mail]

Sun Ruijuan, Senior Engineer; Wang Baozhan, Associate Research Professor; Zhou Hu, Associate Research Professor: Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008.

Wang Yujun, Research Professor: Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008.

1.沈仁芳. 土壤学发展历程、研究现状与展望. 农学学报, 2018, 8(1): 44-49.

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13.Tourna M, Stieglmeier M, Spang A, et al. Nitrososphaera viennensis, an ammonia oxidizing archaeon from soil. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108: 8420-8425.

关键词：土壤   土壤污染   技术革新   学科交叉  

本文刊载于2019年第71卷第6期《科学》杂志  

《科学》杂志于1915年1月在上海问世， 早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，是我国历史最长的综合性科学刊物。

杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。杂志现任主编为中国科学院院长白春礼院士，主办单位为上海科学技术出版社。

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