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        1. 科學傳播

          土壤―地球活的皮膚

          2012-11-09 分享到:

                           譯自“國際地球年重要主題宣傳冊”

                              黃標、孫序磊

          土壤的確非常美妙。她們是維持人類生活的主要支撐系統,為根系提供固定場所,長期容納植物生長所需的水分,提供維系生命的營養物質??梢赃@樣說,如果沒有土壤,地球的景觀就像火星一樣荒蕪。土壤是大量微生物的家園,在這里,微生物通過自身的代謝,完成土壤中一系列生物化學轉化過程,如固定大氣中的氮、分解土壤中的有機質等;同時,土壤也是我們熟悉的蚯蚓、螞蟻和白蟻等動物的聚集場所。大部分土壤生物都生活在土壤內部,而不在地面上。

          無論觀察土壤表面還是土壤內部,或者利用土壤,我們會發現,土壤是如此豐富多彩。地球表面多樣的物種以及為人類提供的各種生存環境也反映出地球表面這層皮膚的豐富多樣?!              ?nbsp;

                               絢麗多彩的土壤

          俄羅斯的土壤學先驅瓦西里?道庫恰耶夫(1846-1903)在125年前就首次確認,不同類型的土壤并不是隨機的散布在各種景觀內,而是以可預測的型式有規律的分布在不同的景觀之中。她們是母質、氣候、地形和生物等自然因素隨著時間的推移共同作用的產物,即道庫恰耶夫所說的“景觀序列”。

          人類也是土壤形成的一個驅動力;像一些景觀一樣,土壤也常常受人類活動的影響。如果農民們利用土壤能夠維持其農業系統可持續,那么長期的利用就培育出了適合耕作的農業土壤;然而土壤管理措施必須適合土壤條件,否則的話,土壤就有可能退化而無法形成農業土壤。土壤除了農業利用外,今天,我們在城市發展過程中,對土壤還有著不同甚至非常特殊的需求;隨著城市化過程中土地利用的變化,土壤滲透和排水功能、氣候變化緩沖功能等將起著主要作用。

          各種土壤景觀會隨著管理方式的不同發生各種各樣的變化。正是因為這個原因,一些獨特的農業生產或建設措施在一些地方受到青睞,而在其他地方卻不受歡迎。土壤調查確定和描繪出各種土壤景觀的分布及特征;土壤科學的其他分支學科則研究如何最大限度地發揮土壤的自然優勢,消除土壤利用的障礙因素,例如:在干旱土壤上實施灌溉、將濕地的積水排干、給貧瘠的土壤施肥、在松軟的土壤上加固地基。

          生物、土壤、大氣、水和地貌共同演化,彼此相互作用。土壤會隨地形、大氣及其氣候、地表水和地下水資源以及生態系統的不同而不同。

          土壤可能是不連續地或連片地分布在地球表面,作為地球行星至關重要的皮膚,地球上所有的生命都依賴于她的存在。然而我們常常想當然地把她看成是一種無限的資源,毫無節制地開發利用,無視土壤質量的降低。

          以往人們都是將土壤、水、燃料和礦產資源作為簡單的資源來對待。當然,社會和經濟的發展需要利用土壤這一資源,這一點與土壤科學其他地球科學工作一樣,大家都在努力研究如何有效利用各種自然資源來保證我們的經濟發展。然而,與其他資源不同的是,對土壤科學而言,土壤需要支撐更多的人類活動來實現這一有限而稀缺資源的可持續利用,這些活動包括農業生產、土木工程、水供應、保障空氣和水質量、清潔環境、廢棄物處置等。

                              土壤科學與社會

          當土地利用和管理與土壤功能很好地匹配時,土壤功能的發揮與人們預期的景象相符。莊稼和花草茂盛、家畜興旺、泉井水源豐富、道路和建筑規范、投資環境安全,以至于人們感覺不到土壤功能的作用。但是,當土壤利用不能與土壤性質相匹配時,問題就顯現出來了。作物欠收,牲畜患病,在脹縮強烈或鹽分較多的土壤上,道路、建筑、管道、電纜會斷裂;在地基不穩定的地方,建筑物結構會發生災難性的坍塌。在大片的城區,被混凝土或瀝青密封的土壤表面會造成更多、更快的徑流。

          隨著土壤利用和管理發生明顯的變化,有可能使景觀固有的一些功能喪失,這些功能包括景觀的生產、水文、生態功能。雖然在土壤利用和管理方面,我們已經享受了很大的成功,例如通過施肥,灌排水等措施強化了土壤的生產功能,但是,究竟如何很好地發揮土壤功能?需要發揮多大功能?兩者之間的度目前還很難把握。

          目前土壤科學面臨的挑戰是如何發揮我們的聰明才智,避免不合理的利用方式或采取適當措施防止景觀功能的喪失,使得各種重要的土壤基本功能都能有效發揮作用。

          現在新技術可以揭示我們這個行星各種各樣的面貌,可以向我們顯示地球的演變,也可以在任何尺度上顯示地球系統的運行狀況。擺脫物理尺度和感官的限制,在空間尺度上,我們可以觀測到從分子到全球尺度的物體,在時間尺度上,可以觀測到從毫微秒到千年時間跨度的變化。這些觀測結果已被構建成地球演變過程的模型,用以預測地球演變的趨勢和選擇未來管理的措施?,F在我們可以用預測模型來作出決策和制定政策,取代我們曾經依賴的重復試驗方法,做到既提高土壤質量,又為子孫后代保護地球的皮膚。

          掌握了礦物、土壤結構及顯微鏡下生物組織等方面的知識,了解了土壤物理、化學和生物過程的機制,使我們認識到,人類深入觀察和解剖土壤的許多新手段有力地推動了目前科學的發展或新的發現,這一點著實令人激動。老一輩科學家使用的顯微鏡或曲頸瓶已變成了如今科學家們所使用的電子顯微鏡和等離子體光譜儀。盡管這樣,地球系統比我們短短幾千年文明認識的世界還是要大得多,演變時間也要長的多,可見,地球系統還有更多的未知需要進一步去認識。

                               水之源

          所有淡水的根本來源是雨水。雨水可被攔截和蒸發、滲透進土壤,或者隨著破壞性的地表徑流損失掉,這些都取決于土地覆蓋和土壤條件??焖購搅鲿l洪災、流失肥沃的土壤、侵蝕河岸,以致破壞水生生態系統,并堵塞水庫和河道。滲透的水可以保持在土壤中,并被植物利用或補給地下水和地表溪流,這些過程則取決于土壤的厚度、滲透性和含水能力。

          水是“有害”還是“有利”取決于其在土壤表面和土壤剖面中的分布情況。更確切地說,它取決于土壤類型和人們對土壤的利用管理方式。水資源可以被浪費,但如果管理的當,同樣的水可提高三倍的使用效率。然而,流域水源地的農民和牧民在實施水資源管理時,真正受益的是生活在下游城市里的居民。

          所以,要管理好水資源、降低其危害性,人們必須做到:

          1、對每一個獨特的水傳輸系統(包括氣候、土壤、地形、地表水和地下水以及土地利用方式)都要有深刻的理解。

          2、管理措施需應用到整個流域范圍內,而不只是在特定點或特定農場區域內實施。

          3、下游受益群體應給予上游管理者補償,應使得他們實施水土資源綜合管理后能獲得更多的利益。

                               土壤與地球的其他系統

          土壤也是構成地球上各種系統的重要組成部分:

          1、氣候:土壤可通過水的循環,碳儲存和溫室氣體排放(水蒸汽、二氧化碳、氮氧化物和甲烷)調節氣候;

          2、水循環:土壤是世界上水文循環過程中的關鍵環節和重要緩沖系統。約60%的淡水(“綠色”的水)被貯存在土壤中可供植物利用。土壤也可調節河流和地下水、濕地、灌溉、家庭和工業用水的水供應,有時甚至可調節數千英里以外下游地區的用水。

          3、廢物和養分循環:風化釋放或從空氣中固定的養分都在土壤中循環;毒素可在土壤中被降解。如果這個循環受到干擾的話,可能帶來水體富營養化或水土資源的污染,亦有可能造成養分枯竭,威脅到世界各地的無數生靈。

          4、侵蝕:覆蓋地表的土壤如果喪失,可能導致地球這一活的皮膚被剝離,從而喪失其擁有的不可替代的功能。侵蝕的土壤使水體變得渾濁,或者覆蓋在肥沃的土壤上,或者沉積在河流、水庫和港口內,這些都不是人們所希望的。但侵蝕也不全是壞事,三角洲、沖積平原及黃土平原上許多最肥沃的土壤就是過去侵蝕的產物,海洋中的營養也大都來自土壤侵蝕。然而,當管理不善導致風和水的侵蝕加快,那么,侵蝕會導致明顯的土壤退化、空氣和水質量降低。

                              土壤和水污染

          土壤通常被用來傾倒生活垃圾和工業廢料。在許多強烈利用的農業耕作區,從有機或無機肥料、家畜或處理作物秸稈排出的廢水中淋失的養分可導致地下水含有高量的硝酸鹽和其他化學物質。土壤一方面可過濾、吸收和循環利用大量的這些廢棄物;另一方面,有毒物質過量又會淋濾到溪流和地下水中。這些過程也取決于土壤性質,沙性的土壤易于淋溶,而厚重的粘土則不易滲漏。

          在世界范圍內,由于城市、工業、集約化農業發展造成的土壤和水污染是主要的研究課題。對于大多數土壤而言,要減輕嚴重的污染就意味著挖掘和昂貴的處理。在歐盟、北美和澳洲,如果要利用土壤,則必須預防土壤污染,一旦土壤遭到污染則要求采取措施進行修復,這些規定已經通過法律形式被確定下來。

                              問題土壤

          在自然狀態下,有些土壤干燥時非常硬,潮濕時又很粘,排水狀況較差,礫石參雜其中;一些土壤養分含量很低,或者含有大量的鋁或鹽。由于土壤存在這樣那樣的問題,所以,自從有穩定的農業活動以來,人類就在不斷改造這些問題土壤。

          酸性硫酸鹽土是世界上最具有危害性的土壤。在不受外界干擾的情況下,他們不會惹麻煩。但如果將水排掉,土壤會生成硫酸,10立方米的酸性硫酸鹽土可產生1.5噸硫酸,并且釋放出鋁、重金屬和砷等的混合物進入排水和洪水中。這些酸腐蝕鋼鐵和混凝土,污染河流和河口地區,造成魚類大量死亡,產生疾病等。食品鏈中鋁、重金屬和砷的積累對健康影響的機理尚不清楚,但可以肯定它們是不受歡迎的。

          這些土壤主要分布在沿海沼澤地,盡管這類土壤肥力并不高,但一直以來,人們總是在不斷開墾,得到他們想得到的,近年來,人們更是開墾這片土地,用于城市和娛樂業的發展。一直依賴這片土壤生存的祖祖輩輩幾代人已經越來越貧窮,他們的飲用水也受到了污染。這些工程的實施及產生的環境后果通常是災難性的。

          盡管人們在實踐中根據自己的經驗逐漸地找到了一些解決問題的方法,但是,從科學上闡明其機理則要來的晚些。在經歷了1852年荷蘭Haarlemmermeer湖那次最大的土地開墾計劃失敗后,才由J.M. van Bemmelen在19世紀80年代闡述清楚,即固定在淹水土壤中的硫化物,排水后被氧化的過程。之后,花了一個多世紀才建立一套完整的科學體系,用于解決實際問題,并預測了世界各地這些土壤的現狀及危害程度。

                            區域和全球系統快速準確的調查

          航空航天傳感器正源源不斷提高我們對于區域和全球系統的認識。超強能力計算機處理的數據揭示了這些系統的規模、復雜程度和時間尺度,并指出它們有怎樣的關聯性。詳實而可靠的信息對合理決策至關重要??茖W家們會將這些資料運用到決策和政策制定中。

          雖然我們有著豐富的土壤資料,但大多是陳舊的、不準確的,在某些情況下是無法使用的。新的航空航天傳感器前所未有地提供了詳細的、精確的、快速獲取的區域或全球地表覆蓋資料,獲得的磁學和電磁學資料還能提供地表深處的信息。更為特殊地,衛星數據的運用使得低成本監測成為可能。然而,如何進行準確的野外校驗和熟練的室內解譯相當關鍵。

          這些新信息正在被應用到氣候模型、農業和森林估產、土地退化和改良評價、水資源管理、侵蝕與沉積估算等方面。良好的資料信息有助于抑制鹽分、確定地下水資源、預測水貯藏量和其他工程量,以及評價土地特定用途的適宜性。

                            土壤-系統內的系統

          英國科學家James Lovelock指出,地球看起來像一個自動調節的系統,他將其稱之為大地女神。如果這個說法正確,那么其含義對于地球科學和社會的決策方式都將產生深刻的影響。

          1、了解全球系統需要跨學科、跨機構、跨國界的合作。

          2、全球系統超越私人財產,地區、國家的權限和能力。

          3、這個系統運行數十年甚至幾個世紀。那些不利的變化難以改變,同樣,也難以阻止或逆轉。

          4、全球系統支撐著所有的經濟和社會活動,而這些活動的獲利既可以是私有財產也可以是免費的公共資源。

          因此,土壤科學要立足于全球和區域系統開展工作。國際地球年的科學及其延伸項目也主要是關注全球和區域系統,因為這些系統支撐著我們日常生活,支撐著我們作為地球一個物種的未來,決定著我們星球演變的軌跡。

                           與土壤科學相關的四個關鍵問題

          1. 為了獲得最大社會和環境效益,土壤科學未來的研究方向在哪里?

          土壤科學對農業生產的指數增長作出了較大貢獻,使得全世界的人們有飯吃、有房住、有衣穿。研究土壤與農業生產的關系仍然是土壤科學的一個重要研究熱點,但在現代,土壤科學領域不但包括精準農業、有機農業、森林和農業系統的碳固定等的研究,也包括了退化土地的恢復以及可持續發展等方面的研究。

          70年代以來,土壤科學已經與環境方面的研究課題緊密地聯系在一起,例如土壤污染、氣候變遷、水文循環的有效保持、城區土壤的作用和生物多樣性的維持等。土壤科學也面臨著有很大的挑戰,這些挑戰來自人口的不斷增長以及對土地和水資源需求不斷增加的壓力。土壤時空特征以及在生態系統內功能的認識,對于我們了解地球系統至關重要。要合理的利用自然資源就必須不斷擴大我們知識面,以適應這個快速動態變化的世界;這樣,確定土壤科學未來的研究方向就顯得非常關鍵。

          2. 我們如何將土壤科學與地球科學其他學科的知識聯系起來?

          在過去,環境數據已通過地質學、地貌學、土壤學、水文學和生態學等學科的工作積累起來??鐚W科的團隊也越來越多的利用這些專家數據,例如在全球模型研究中,利用這些數據揭示了地球環境的變化,預測了地球未來的發展情形。將這些數據庫進一步整合,通過傳統領域之間的交叉研究,例如土壤學和固體地質學之間有關風化層的研究,通過所有空間尺度范圍內土地利用和管理對土壤特性影響的研究等,可以期望獲得更大的成果。土壤圈是連接大氣圈和地表其他圈層之間的紐帶,我們需要加強不同的研究群體之間的互通和交流,讓大家認識到土壤學在各自研究中的重要性。要彌補這些缺口還需要付出大量的工作。關鍵是如何可以最有效地做到這一點。

          3. 我們怎樣才能更好地與社會溝通?

          大部分研究者通常認為Wǒmen zěnyàng cáinéng gèng hǎo de yǔ shèhuì gōutōng?

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          ·Guardian.co.uk-英國

          ·Zamalek Fans-阿拉伯語

          ·Xinhua Net-中國

          ·BBC News-英國

          ·Spiegel Online-德國

          ·Louvre-法國

          ·Marmiton.org-法國

          ·Sueddeutsche.de-德國

          ·Onet.pl-波蘭語

          ·G1 Globo-巴西

          ·Komika Magasin-瑞典語

          ·Los Angeles Times-美國

          : “如果研究成果不發表,就等于白做?!钡l表在同行評議期刊上的研究成果很少影響到與研究內容相關的人員或社會大眾,也不會直接影響到政策制定和實際應用。資助者和資助機構越來越多的要求研究者改善溝通渠道,更多地為社會服務。為了做出可靠的決策,需要可靠的、以科學為基礎的資料。這意味著科學家要更為有效地與決策者互動,但這是一個雙向的互動過程,雙方都有很多東西需要學習。我們也在尋找廣播和電視節目、游戲、圖片、新聞和互聯網等方式最大程度地讓人了解這些研究成果。更好的互通也應該吸引學生們參與,他們可是土壤科學未來的希望。

          4. 如何最大限度地利用民間的土壤學知識?

          土地使用者和社會也蘊含著豐富的土壤學知識。這些知識是從幾代人的經驗和觀察中提煉出的精華;他們是很實用的,以增產為導向,對局部土壤有針對性。他們本應該是一個巨大的資源,但到目前為止,這些民間的土壤學知識只是偶爾應用于正式的科學調查研究中。然而,開發和整合這些知識成為可用的信息并不那么容易。

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