我們腳下這層土壤，是地球的“皮膚”，也是農(nóng)作物扎根生長(zhǎng)、動(dòng)植物賴以生存的基礎(chǔ)。

今年6月，2023年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉。中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研究員張甘霖帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)完成的“中國(guó)土系志與高精度土壤信息網(wǎng)格構(gòu)建及應(yīng)用”成果，獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

過(guò)去40多年，為了發(fā)現(xiàn)土壤的奧秘，張甘霖堅(jiān)守在求學(xué)時(shí)選定的研究道路上，穿梭在崇山峻嶺、奔走于田間地頭，執(zhí)著于自己的研究領(lǐng)域。

科研道路的起點(diǎn)，是心中樸素的興趣

“華中農(nóng)學(xué)院，土壤與農(nóng)業(yè)化學(xué)專(zhuān)業(yè)?！?/p>

1983年夏天，17歲的張甘霖在高考志愿表上填寫(xiě)下這個(gè)志愿。

土壤學(xué)是個(gè)什么專(zhuān)業(yè)？

上初中時(shí)，張甘霖在供銷(xiāo)社的書(shū)架上第一次看到這個(gè)名詞。那本名叫《我們愛(ài)科學(xué)》的雜志里，講了一個(gè)“糖果換泥巴”的故事：土壤學(xué)家侯光炯有一次從國(guó)外出差回國(guó)，給孩子帶回一袋進(jìn)口糖果。他在云南昆明轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)，看到一片樹(shù)中有一棵長(zhǎng)勢(shì)特別好，便將袋里的糖果悉數(shù)倒出，裝滿泥巴帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

“真是怪人！”合上書(shū)，這個(gè)故事在張甘霖的腦海中久久不散。他覺(jué)得不可思議——糖果多好吃啊，泥巴這么重要嗎？當(dāng)時(shí)的他不知道，自己有一天，也會(huì)成為這樣的“怪人”。

高中時(shí)，張甘霖尤其愛(ài)好化學(xué)課，自學(xué)課本后面附錄的土壤化學(xué)基本知識(shí)，“原來(lái)土壤里還發(fā)生著這么復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程”。填報(bào)志愿時(shí)，不少同學(xué)都選擇了當(dāng)時(shí)相對(duì)熱門(mén)的專(zhuān)業(yè)，張甘霖卻從心中樸素的興趣出發(fā)，選擇了土壤學(xué)專(zhuān)業(yè)。

但他真正熱愛(ài)上土壤學(xué)這個(gè)專(zhuān)業(yè)，還是在深入理解土壤學(xué)的內(nèi)涵、意義之后。

“土壤是地表圈層交互作用的產(chǎn)物，土壤學(xué)也是一門(mén)交叉學(xué)科，除了土壤學(xué)各分支學(xué)科本身，還要具備很好的化學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)。”張甘霖回憶，在一次次實(shí)驗(yàn)分析中，他了解到看起來(lái)黑乎乎的土壤，其實(shí)包含地殼上幾乎所有的元素，生活著無(wú)數(shù)的微生物。土壤中的顆粒大小，從微米級(jí)到厘米級(jí)都有，通過(guò)離子交換來(lái)維持養(yǎng)分……

“了解到土壤科學(xué)服務(wù)于糧食安全，與水安全、生態(tài)環(huán)境安全等息息相關(guān)，我更堅(jiān)定了自己的選擇?！睆埜柿卣f(shuō)。本科畢業(yè)后，他又考取中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“土壤所”），繼續(xù)攻讀土壤學(xué)，先后獲得碩士、博士學(xué)位，然后留所工作。

張甘霖說(shuō)，我國(guó)土壤具有高度多樣性和復(fù)雜性：既有從溫帶到亞熱帶的緯度地帶性、從盆地到高原的垂直地帶性，又有西北大面積干旱區(qū)和青藏高原隆升區(qū)……多種多樣的地形地貌孕育了豐富多樣的土壤類(lèi)型。因此，為土壤“畫(huà)像”，對(duì)理解我們腳下的土壤來(lái)說(shuō)尤為重要。

“上世紀(jì)50年代起，我國(guó)科研工作者就開(kāi)始了為土壤制圖的工作；80年代，完成了1∶400萬(wàn)土壤地圖，也就是地圖上的1厘米相當(dāng)于實(shí)際的40公里；90年代，進(jìn)一步完成1∶100萬(wàn)土壤地圖?！睆埜柿刈x研期間，就曾跟隨導(dǎo)師進(jìn)行土壤分類(lèi)及制圖工作。

為每一類(lèi)土壤制定“身份檔案”

然而，對(duì)于精細(xì)化管理及利用土壤，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

更細(xì)致的工作怎樣開(kāi)展？

“對(duì)土壤進(jìn)行精準(zhǔn)化管理，首先要建立完整分類(lèi)體系。植物有‘界門(mén)綱目科屬種’等分類(lèi)，土壤也有土綱、土類(lèi)、土族等不同等級(jí)，土系是最基層的分類(lèi)級(jí)別?！睆埜柿亟榻B，2001年，我國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)高級(jí)單元框架已梳理形成，但基層分類(lèi)研究仍是空白，要讓科研成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，分類(lèi)還要“深耕”。

2008年，科技部科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)“我國(guó)土系調(diào)查與《中國(guó)土系志》編制”項(xiàng)目正式啟動(dòng)。此后近20年間，張甘霖牽頭組織我國(guó)26家科研院校400多人的科研隊(duì)伍，開(kāi)展土壤基層分類(lèi)調(diào)查研究。

土系調(diào)查，就是從最基本的分類(lèi)單元著手，給土壤建立詳細(xì)的“身份檔案”。土壤調(diào)查需要大量野外采樣工作，起早貪黑、跋山涉水、風(fēng)餐露宿、嚴(yán)寒酷暑……

“像很多野外工作一樣，土系調(diào)查研究也要面對(duì)各種困難，東部的河網(wǎng)區(qū)、南方的茂密叢林、北方的荒漠戈壁、西南的高原，每一個(gè)區(qū)域都會(huì)給土壤調(diào)查帶來(lái)不同體驗(yàn)。”張甘霖這樣形容調(diào)查的場(chǎng)景：科研人員帶著沉甸甸的設(shè)備、工具，沿著蜿蜒的山路、隱蔽的小路，先從山上到山下“跑個(gè)樣”，根據(jù)土壤形態(tài)特征，初步分出幾種類(lèi)型，然后對(duì)每種類(lèi)型分別挖土、采樣。

“一般是開(kāi)挖一個(gè)兩三米長(zhǎng)、一米多寬、一米半深的土坑，通過(guò)測(cè)量、照相，用文字詳細(xì)記錄下剖面的分層和每層的土壤信息，再采集三種樣品：重現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)的紙盒樣品、用于實(shí)驗(yàn)室物化分析的袋裝樣品、呈現(xiàn)密度和容重信息的原狀樣品。”張甘霖介紹，10多年來(lái)，團(tuán)隊(duì)累計(jì)行程達(dá)到300多萬(wàn)公里。

相比野外工作，土系研究最大的難點(diǎn)是建立適合我國(guó)土壤分布和利用特點(diǎn)的劃分標(biāo)準(zhǔn)?！霸缭谏鲜兰o(jì)末，我們就開(kāi)始了代表性區(qū)域的‘樣區(qū)研究’，測(cè)試土系劃分的原則與標(biāo)準(zhǔn)?！?001年，張甘霖出版了《土系研究與制圖表達(dá)》，為后來(lái)的土系調(diào)查研究奠定基礎(chǔ)。為建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的他，又組織專(zhuān)家反復(fù)研討，并在多個(gè)省份進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，于2013年正式形成我國(guó)首個(gè)土族和土系鑒別原則與標(biāo)準(zhǔn)，為指導(dǎo)土系鑒別和調(diào)查提供依據(jù)。

土壤是連續(xù)分布的，而剖面點(diǎn)的采樣始終是有限的，即便最密的采樣，也不可能實(shí)現(xiàn)1∶1的覆蓋，因此要對(duì)土壤的空間分布規(guī)律建立模型、實(shí)現(xiàn)空間預(yù)測(cè)——這也是國(guó)際土壤學(xué)界公認(rèn)的前沿課題和挑戰(zhàn)。

張甘霖團(tuán)隊(duì)發(fā)明了土壤三維空間變異刻畫(huà)與環(huán)境協(xié)變量?jī)?yōu)選新算法，以及高精度數(shù)字土壤制圖模型?！斑@是用實(shí)際調(diào)研點(diǎn)位的土壤信息，建立大數(shù)據(jù)模型，通過(guò)分析土壤分布規(guī)律、理解土壤變化成因，來(lái)‘補(bǔ)’出未知的、難以抵達(dá)的點(diǎn)位上表層及下層的土壤信息?！睆埜柿卣f(shuō)，這也是我國(guó)首次構(gòu)建的90米分辨率“3D高清”國(guó)家土壤信息網(wǎng)格。

最終，團(tuán)隊(duì)調(diào)查了5696個(gè)典型土壤剖面，首次建立我國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)基層分類(lèi)單元土系及土系數(shù)據(jù)庫(kù)。團(tuán)隊(duì)出版的1760萬(wàn)字的《中國(guó)土系志》，更新了我國(guó)土壤資源清單，成為國(guó)際上信息記錄最全面的國(guó)家級(jí)土壤基層分類(lèi)檔案。

調(diào)研成果有了越來(lái)越多“用武之地”

作為土系調(diào)查成果的《中國(guó)土系志》，長(zhǎng)什么模樣？

這套叢書(shū)按省份分卷，實(shí)用性之強(qiáng)就像土壤版《新華字典》。以江蘇卷為例，每一頁(yè)都如同一張小檔案，圖文并茂地記載了分布全省的134種典型土壤類(lèi)型，有名稱(chēng)、分布區(qū)域、重要的土壤物理化學(xué)性質(zhì)，以及包括降雨量、氣候、太陽(yáng)輻射等在內(nèi)的環(huán)境信息。

這本“工具書(shū)”怎樣應(yīng)用？

“首先，可廣泛用于支撐各部門(mén)的管理決策?！睆埜柿亟榻B，例如，自然資源部門(mén)借助這些指標(biāo)評(píng)估耕地生產(chǎn)力，生態(tài)環(huán)境部門(mén)評(píng)價(jià)污染物行為時(shí)可供參考，水利部門(mén)使用相關(guān)內(nèi)容分析土壤侵蝕速率。

不僅如此。這一土壤系統(tǒng)分類(lèi)專(zhuān)著，可以配合3D高清土壤信息圖，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基層單位進(jìn)行指導(dǎo)。

在土壤所的一臺(tái)電腦上，張甘霖打開(kāi)信息圖，依次選定有機(jī)質(zhì)、酸堿度、營(yíng)養(yǎng)成分等指標(biāo)，就能看到不同顏色分布的地圖，顏色越深，代表有機(jī)質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)成分含量越高。

“目前，土壤信息分辨率在90米×90米的尺度。如某農(nóng)場(chǎng)要進(jìn)行精細(xì)化管理，可以將這張圖放大，了解土壤肥瘦、潛在問(wèn)題、哪里要施肥、施多少肥等?！睆埜柿亟榻B。

眼下，第三次全國(guó)土壤普查（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“土壤三普”）正在進(jìn)行。作為技術(shù)專(zhuān)家組副組長(zhǎng)，張甘霖更忙碌了。“土壤三普重點(diǎn)對(duì)耕地、園地、林地、草地等農(nóng)用地開(kāi)展調(diào)查?！彼麕ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用土系調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，為制定土壤三普的外業(yè)調(diào)查、采樣技術(shù)、土壤樣品庫(kù)建設(shè)等技術(shù)規(guī)范與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供支撐。同時(shí)編寫(xiě)教材、開(kāi)辦講座，培養(yǎng)一批參與土壤三普的技術(shù)人才。

繁忙的工作之余，張甘霖還擠出時(shí)間進(jìn)行科普。他與同事們撰寫(xiě)的科普讀物《寂靜的土壤：理念·文化·夢(mèng)想》，從“土壤的前世今生”“土壤學(xué)的歷史文化”“我們的土壤夢(mèng)”3個(gè)視角，講述生動(dòng)的土壤故事，讓公眾對(duì)土壤有了更多認(rèn)識(shí)。

“在土壤分類(lèi)、數(shù)字制圖這樣既枯燥又耗時(shí)長(zhǎng)，還不容易出成果的領(lǐng)域，張老師找到學(xué)術(shù)興趣與國(guó)家需求的結(jié)合點(diǎn)，一鉆就是40多年。”張甘霖的學(xué)生、土壤所助理研究員楊順華說(shuō)，這種執(zhí)著的精神，深深影響著年輕一代的科研人員。