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

今年6月，2023年度國家科學技術(shù)獎揭曉。中國科學院南京土壤研究所研究員張甘霖帶領(lǐng)研究團隊完成的“中國土系志與高精度土壤信息網(wǎng)格構(gòu)建及應(yīng)用”成果，獲國家科學技術(shù)進步獎二等獎。

過去40多年，為了發(fā)現(xiàn)土壤的奧秘，張甘霖堅守在求學時選定的研究道路上，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，是心中樸素的興趣

“華中農(nóng)學院，土壤與農(nóng)業(yè)化學專業(yè)。”

1983年夏天，17歲的張甘霖在高考志愿表上填寫下這個志愿。

土壤學是個什么專業(yè)？

上初中時，張甘霖在供銷社的書架上第一次看到這個名詞。那本名叫《我們愛科學》的雜志里，講了一個“糖果換泥巴”的故事：土壤學家侯光炯有一次從國外出差回國，給孩子帶回一袋進口糖果。他在云南昆明轉(zhuǎn)機時，看到一片樹中有一棵長勢特別好，便將袋里的糖果悉數(shù)倒出，裝滿泥巴帶回實驗室分析。

“真是怪人！”合上書，這個故事在張甘霖的腦海中久久不散。他覺得不可思議——糖果多好吃啊，泥巴這么重要嗎？當時的他不知道，自己有一天，也會成為這樣的“怪人”。

高中時，張甘霖尤其愛好化學課，自學課本后面附錄的土壤化學基本知識，“原來土壤里還發(fā)生著這么復(fù)雜的化學過程”。填報志愿時，不少同學都選擇了當時相對熱門的專業(yè)，張甘霖卻從心中樸素的興趣出發(fā)，選擇了土壤學專業(yè)。

但他真正熱愛上土壤學這個專業(yè)，還是在深入理解土壤學的內(nèi)涵、意義之后。

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

“了解到土壤科學服務(wù)于糧食安全，與水安全、生態(tài)環(huán)境安全等息息相關(guān)，我更堅定了自己的選擇。”張甘霖說。本科畢業(yè)后，他又考取中國科學院南京土壤研究所（以下簡稱“土壤所”），繼續(xù)攻讀土壤學，先后獲得碩士、博士學位，然后留所工作。

張甘霖說，我國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型。因此，為土壤“畫像”，對理解我們腳下的土壤來說尤為重要。

“上世紀50年代起，我國科研工作者就開始了為土壤制圖的工作；80年代，完成了1∶400萬土壤地圖，也就是地圖上的1厘米相當于實際的40公里；90年代，進一步完成1∶100萬土壤地圖。”張甘霖讀研期間，就曾跟隨導(dǎo)師進行土壤分類及制圖工作。

為每一類土壤制定“身份檔案”

然而，對于精細化管理及利用土壤，這還遠遠不夠。

更細致的工作怎樣開展？

“對土壤進行精準化管理，首先要建立完整分類體系。植物有‘界門綱目科屬種’等分類，土壤也有土綱、土類、土族等不同等級，土系是最基層的分類級別。”張甘霖介紹，2001年，我國土壤系統(tǒng)分類高級單元框架已梳理形成，但基層分類研究仍是空白，要讓科研成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際，分類還要“深耕”。

2008年，科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”項目正式啟動。此后近20年間，張甘霖牽頭組織我國26家科研院校400多人的科研隊伍，開展土壤基層分類調(diào)查研究。

土系調(diào)查，就是從最基本的分類單元著手，給土壤建立詳細的“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、風餐露宿、嚴寒酷暑……

“像很多野外工作一樣，土系調(diào)查研究也要面對各種困難，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，每一個區(qū)域都會給土壤調(diào)查帶來不同體驗。”張甘霖這樣形容調(diào)查的場景：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“跑個樣”，根據(jù)土壤形態(tài)特征，初步分出幾種類型，然后對每種類型分別挖土、采樣。

“一般是開挖一個兩三米長、一米多寬、一米半深的土坑，通過測量、照相，用文字詳細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、用于實驗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，團隊累計行程達到300多萬公里。

相比野外工作，土系研究最大的難點是建立適合我國土壤分布和利用特點的劃分標準。“早在上世紀末，我們就開始了代表性區(qū)域的‘樣區(qū)研究’，測試土系劃分的原則與標準。”2001年，張甘霖出版了《土系研究與制圖表達》，為后來的土系調(diào)查研究奠定基礎(chǔ)。為建立和完善相關(guān)標準，作為項目負責人的他，又組織專家反復(fù)研討，并在多個省份進行實地驗證，于2013年正式形成我國首個土族和土系鑒別原則與標準，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，而剖面點的采樣始終是有限的，即便最密的采樣，也不可能實現(xiàn)1∶1的覆蓋，因此要對土壤的空間分布規(guī)律建立模型、實現(xiàn)空間預(yù)測——這也是國際土壤學界公認的前沿課題和挑戰(zhàn)。

張甘霖團隊發(fā)明了土壤三維空間變異刻畫與環(huán)境協(xié)變量優(yōu)選新算法，以及高精度數(shù)字土壤制圖模型。“這是用實際調(diào)研點位的土壤信息，建立大數(shù)據(jù)模型，通過分析土壤分布規(guī)律、理解土壤變化成因，來‘補’出未知的、難以抵達的點位上表層及下層的土壤信息。”張甘霖說，這也是我國首次構(gòu)建的90米分辨率“3D高清”國家土壤信息網(wǎng)格。

最終，團隊調(diào)查了5696個典型土壤剖面，首次建立我國土壤系統(tǒng)分類基層分類單元土系及土系數(shù)據(jù)庫。團隊出版的1760萬字的《中國土系志》，更新了我國土壤資源清單，成為國際上信息記錄最全面的國家級土壤基層分類檔案。

調(diào)研成果有了越來越多“用武之地”

作為土系調(diào)查成果的《中國土系志》，長什么模樣？

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

這本“工具書”怎樣應(yīng)用？

“首先，可廣泛用于支撐各部門的管理決策。”張甘霖介紹，例如，自然資源部門借助這些指標評估耕地生產(chǎn)力，生態(tài)環(huán)境部門評價污染物行為時可供參考，水利部門使用相關(guān)內(nèi)容分析土壤侵蝕速率。

不僅如此。這一土壤系統(tǒng)分類專著，可以配合3D高清土壤信息圖，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基層單位進行指導(dǎo)。

在土壤所的一臺電腦上，張甘霖打開信息圖，依次選定有機質(zhì)、酸堿度、營養(yǎng)成分等指標，就能看到不同顏色分布的地圖，顏色越深，代表有機質(zhì)或營養(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)場要進行精細化管理，可以將這張圖放大，了解土壤肥瘦、潛在問題、哪里要施肥、施多少肥等。”張甘霖介紹。

眼下，第三次全國土壤普查（以下簡稱“土壤三普”）正在進行。作為技術(shù)專家組副組長，張甘霖更忙碌了。“土壤三普重點對耕地、園地、林地、草地等農(nóng)用地開展調(diào)查。”他帶領(lǐng)團隊運用土系調(diào)查經(jīng)驗，為制定土壤三普的外業(yè)調(diào)查、采樣技術(shù)、土壤樣品庫建設(shè)等技術(shù)規(guī)范與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供支撐。同時編寫教材、開辦講座，培養(yǎng)一批參與土壤三普的技術(shù)人才。

繁忙的工作之余，張甘霖還擠出時間進行科普。他與同事們撰寫的科普讀物《寂靜的土壤：理念·文化·夢想》，從“土壤的前世今生”“土壤學的歷史文化”“我們的土壤夢”3個視角，講述生動的土壤故事，讓公眾對土壤有了更多認識。

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