土壤宏病毒組的研究方法與進展

1. 什麼是「宏病毒」有什麼危害怎麼處理

宏病毒是一種寄存在文檔或模板的宏中的計算機病毒。一旦打開這樣的文檔，其中的宏就會被執行，於是宏病毒就會被激活，轉移到計算機上，並駐留在Normal模板上。在文檔中宏的作用相當於一個函數，用它來代替一個功能的方法的構成。
一、宏病毒的主要破壞

WORD宏病毒的破壞：

對WORD運行的破壞是：不能正常列印；封閉宏病毒或改變文件存儲路徑；將文件改名；亂復制文件；封閉有關菜單；文件無法正常編輯。
DOC文件被宏病毒感染後，它的屬性必然會被改為模板，而不是文檔(盡管形式上其擴展名仍是DOC)。此時可按下述步驟進行處理：
1，將該文件打開。2，選擇全部內容，復制到剪貼板。3，關閉此文件。4，新建一個DOC文件(此前應保證Normal模板干凈)。5，粘貼剪貼板上的內容。6，另存為原文件名(將原來模板屬性的文件覆蓋)。
現在，該文檔的「另存為」命令可以正常使用了，宏病毒的「後遺症」清除完畢。照此法處理所有曾經染毒的
文檔。最後想說一句，清除宏病毒時，若染毒文檔太多，手工方法將非常繁瑣，殺毒軟體又不十分完善(存在殺不幹凈或誤殺的問題)，所以最好採用殺毒軟體與手工清除相結合的方式。

2. 宏病毒的起源

宏病毒起源 當病毒的先驅者們醉心於他們高超的匯編語言技術和成果時，可能不會想到後繼者能以更加簡單的手法製造影響力更大的病毒。Word宏病毒就是其中最具有代表性的範例之一。
其實宏病毒的出現並非出乎人們的意料，早在80年代後期就有專家預言過。那時，有些學生就用某些應用程序的宏語言編寫病毒。然而，宏病毒與普通病毒不同，它不感染.EXE或.COM文件，而只感染文檔文件。宏病毒就像自然界中令人恐懼的龍卷風，對人們正常使用計算機進行學習和工作帶來了不可估量的影響，同時也造成了社會財富的巨大浪費。
1996年12月13日，一種被稱為「TaiwanNo.1」的病毒同時在北京和深圳被發現，一例來自於Internet的下載文件，另一例來自某醫院的一項合作協議書。在一個專門研究醫學病毒的捍衛人體健康的機構發現被計算機病毒侵襲的事件，可真是有些戲劇性的效果。凡是經歷過小球病毒發作的人都能體味這樣一種恐慌的感覺，恐慌的根源就是您對病毒本身尚一無所知時，感覺命運似乎剎那間就即將被別人掌握了。Internet電子郵件已日益成為病毒的攜帶者。當您在Internet上用Email收看郵件時，是否想到，您可能會受到計算機病毒的威脅。一般一個純粹的電子郵件內容沒有病毒，但其附加的文件極可能帶有病毒。附加文件的病毒擴散首先需要運行它。舉個例子來說：您收到了一個附加有用Word編輯的文件，這個Word文件被病毒感染了，當您運行該附加文件時，計算機就會受到病毒的威脅。
所謂宏，就是一些命令組織在一起，作為一個單獨命令完成一個特定任務。MicrosoftWord中對宏定義為：「宏就是能組織到一起作為一獨立的命令使用的一系列word命令，它能使日常工作變得更容易」。Word使用宏語言Word_Basic將宏作為一系列指令來編寫。要想搞清楚宏病毒的來龍去脈，必須了解Word宏的知識及wordBasic編程技術。Wo_rd宏病毒是一些製作病毒的專業人員利用MicrosoftWord的開放性即word中提供的WordBASIC編程介面，專門製作的一個或多個具有病毒特點的宏的集合，這種病毒宏的集合影響到計算機使用，並能通過.DOC文檔及.DOT模板進行自我復制及傳播。

3. 土地資源評價及土壤質量研究進展

關於土地的研究評價工作，涉及土地資源評價和土壤質量研究兩大方面。國外和國內在這方面的研究互有借鑒，也各具特點。

(一)土地資源評價方法研究進展

1.國外土地評價方法

土地評價的目的就是為合理利用土地、發展經濟提供科學依據。根據評價過程和指標的不同，土地評價方法分為三大類。第一類是定性方法，第二類是定量方法，第三類是介於前二者之間的半定量土地評價方法。國際上典型的定性化土地評價方法有以美國為代表的土地潛力評價和聯合國糧農組織的土地適宜性評價；定量化土地評價方法主要有模型方法和系統動力學方法；半定量土地評價有參數方法和生態帶(區)方法。

1)土地潛力評價方法。1961年美國對土地潛力進行了評價分類。該土地潛力分類系統首先按土地的用途區分為野生、林業、牧用和農用四類，再根據土地潛力影響因子的限定性和障礙性程度將土地分為八級(表2-1、圖2-1)。

2)土地適宜性評價方法。1976年，聯合國糧農組織(FAO)發布了土地適宜性評價(《A Framework for Land Evaluation》)。FAO土地適宜性評價分類系統將土地分為適宜和不適宜兩大類，又按適宜程度和限制性因子分為綱、級、亞級、單元四級(表2-2)。由表2-2可以看出，FAO土地適宜性評價分類系統僅僅是一個評價框架，評價結果的詳略程度可以根據地區條件和評價要求的不同而定。

表2-1 美國的土地潛力分類系統Table 2-1 Land potential classification system of the USA

圖2-1 美國的土地潛力分類示意圖

圖中Ⅰ—Ⅷ表示土地分級

Fig.2-1 Land potential classification sketch map of the USA

表2-2 聯合國FAO土地適宜性評價分類系統Table 2-2 Classification system of the FAO of the UN for estimating land applicability

3)農業生態區方法(AEZ)。1978年，聯合國發布的農業生態區方法(AEZ)是把一個土地區域劃分為具有相同性質的很小的土地單元，評價土地適宜性、土地潛力和環境影響的方法。農業生態區是依氣候、地形、土壤、土地覆被來定義的土地資源單位，每個區內對土地利用來說具有特定的潛力和限制性范圍；農業生態單元(AEC)是由地形、土壤、氣候特徵組成的最小單元，是農業生態區法的基本單元。其基本工作程序是：第一步，確定土地利用方式及其生態要求，即確定土地利用方式和土地利用方式的生態要求；第二步，從土壤和地形、氣候、土地利用或土地覆被現狀、行政區等方面開展土地資源調查工作，並結合農業生態區根據土地特性和質量劃分農業生態單元；第三步，根據自然產量，劃分土地等級。

4)持續土地利用管理評價。1993年，聯合國FAO發布了《持續土地利用管理評價綱要(An International Framework for Evaluating Sustainable Land Management)》(FESLM)。該評價方法遵循生產性(proctivity)、穩定性(security)、保護性(protection)、經濟可行性(viability)和社會接受性(acceptability)等五個評價准則(pillars)。FESLM指標分為自然方面、生物方面、經濟方面、社會方面的指標共四大類。各類指標詳盡而復雜，例如《無灌溉農業土地評價指南》中自然方面的指標包括太陽輻射、溫度、有效給水狀況、根層有效給氧狀況(排水)、有效給養狀況、養分保持能力、紮根條件、影響發芽與成苗的條件、影響生長的空氣濕度、成熟條件、洪水風險、氣候風險、鹽鹼化、有毒物質、病蟲害、土壤可使用性、機械化潛力、土地預備與清理要求(植被/雜草)、存儲與加工條件、影響生產時間安排的條件、生產單元內的可達性、潛在管理單元大小、區位、侵蝕風險、土壤退化風險等等。

5)模型方法。1990年，根據1989年七國首腦會議的要求，經濟合作與發展組織(OECD)啟動了生態環境指標研究項目，創立了「壓力-狀態-響應」(PSR)模型的概念框架。有關指標見表2-3和表2-4。

表2-3 壓力-狀態-響應模型的部分指標Table 2-3 Part of the indexes of the pressure-condition-reaction model

表2-4 環境性狀相關指標(EPI)Table 2-4 Relative environmental properties index

續表

2.國內土地評價方法

我國古代對土地分類定級的工作開始較早，如禹貢時代將土地分為9等，戰國時代將土地分為3等18類共90種，宋朝、明朝、清朝分別將土地分為5等、13等和4等。我國現代土地分類定級工作主要涉及三個部門或單位，即農業部、國土資源部和中國科學院南京土壤研究所。

(1)耕地地力調查與質量評價

農業部開展全國耕地地力調查與質量評價的目的在於查清我國耕地土壤養分狀況、土壤污染問題。該工作以縣為單位，圖件比例尺1：5萬；耕地基礎地力構成要素包括立地條件、土壤條件和農田基礎設施條件。立地條件又包括地貌類型、地形坡度和坡向等、成土母質(殘積物、坡積物、洪積物、沖積物、湖積物、海積物、黃土母質等)；土壤條件包括土壤剖面與土體構型、土層狀況(耕層厚度、有效土層厚度、土體厚度、障礙層深度和厚度等)、耕層土壤理化性狀(質地、容重、pH值、交換量、有機質、礦質養分、含鹽量、鹽分構成、地下水礦化度、鹼化度和石灰含量等)、直接污染源的背景值、土壤侵蝕程度；農田基礎設施條件包括農田水利工程、水土保持工程、田園化與植被生態建設、土壤培肥水平等。不同類型區的耕地基礎地力評價因素應反映地區性特點(表2-5)。

通過全國耕地地力調查與質量評價，將全國耕地類型區系統劃分為東北黑土型耕地類型區(水稻土)、北方平原潮土-砂姜黑土耕地類型區、北方山地丘陵棕壤-褐土型耕地類型區(含黃棕壤、黃褐土)、黃土高原黃土型耕地類型區、內陸灌漠(淤)土耕地類型區、南方稻田類型區、南方山地丘陵紅黃壤(含紫色土、石灰岩土)旱耕地類型區等7個類型。1996年頒布了農業部行業標准《全國耕作類型區、耕地地力等級劃分》，2002年全國農業技術推廣服務中心會同有關單位又制定了《全國耕地地力調查與質量評價技術規程》(試行)。由上可知，該評價體系側重於分類，在土地等級劃分上仍然是以糧食產量為標准，沒有將自然條件和人為投入體現出來。

表2-5 我國南方耕地基礎地力評價因素Table 2-5 Factors for estimating the soil fertility of the farmland in south China

(2)農用地分等定級估價

國土資源部開展的農用地分等定級估價是「新一輪國土資源大調查——土地資源監測調查工程」的重要組成部分，是繼土地詳查摸清農用地數量和權屬後，對農用地質量和價格的大調查，旨在摸清我國農用地質量等級與價格，建立起農用地的等、級、價體系。《農用地分等規程》、《農用地定級規程》、《農用地估價規程》三個行業標准從2003年8月1日起正式頒布實施。

農用地分等技術思路表明，土地等別揭示了生產能力及其分布，包括光溫生產潛力(土地質量差異基準面)、自然質量(土地自然條件差異)、開發利用(生產者平均利用水平差異)和綜合因素(平均投入產出水平差異)等，等別層次揭示了開發利用潛力。該農用地評價體系具有以下特點：①與土地詳查、土壤普查成果相銜接；②綜合運用土地自然評價、土地經濟評價和土地利用評價的理論與方法；③在全國范圍內可比，通過包括光溫生產潛力指數、標准耕作制度、產量比系數、指定作物最大產量、最大「產量-成本」指數等國家級參數體系實現；④綜合農用地利用現狀評價、潛力評價和適宜性評價，將分等和定級結合起來。其不足之處在於沒能夠開展土壤樣品的采樣分析，部分數據陳舊。

(3)土壤質量演變規律與持續利用研究

中國科學院南京土壤研究所主持完成的國家重點基礎研究計劃項目(973項目)「土壤質量演變規律與持續利用」的總體目標是：建立土壤質量指標體系與評價系統，提出土壤質量國家標準的建議方案；評估我國主要類型耕地土壤質量，揭示其演變規律；揭示土壤圈層界面物質交換規律及其對土壤質量的影響機理；創建主要耕地土壤質量的保持與定向培育理論，建立典型耕地土壤質量資料庫與咨詢系統。主要關注的科學問題包括：①土壤質量的演變機理、分異規律及保持與定向培育理論，著重闡明影響我國土壤質量變化的主要過程、機理和調控理論，以提出均衡土壤養分和提高土壤肥力、調控鹽鹼和酸化障礙因子，修復污染土壤，減輕土壤侵蝕，有效提高土壤質量的理論依據，為發展土壤資源的持續利用理論奠定基礎；②土壤圈層界面物質交換對土壤質量與動植物健康的影響機制，著重闡明土壤圈與水、氣、生物及岩石圈層界面的主要物質交換過程、速率、通量及關鍵因子，揭示土壤圈層界面物質交換的規律，及與土壤質量形成和環境演變的關系，提出土壤質量培育的界面調控理論和途徑；③土壤質量指標的表徵理論與方法，運用先進的量化表達理論和方法，對遴選獲得的表徵土壤質量的指標進行賦值、標准化，依據系統研究建立的土壤質量指標體系和評價系統，對土壤質量狀況進行評價。

通過重點研究，初步制定了我國主要土壤類型黑土、潮土、紅壤、水稻土、菜園土的土壤肥力質量評價指標和土壤健康質量基準。

(二)土壤質量研究進展

1.國外土壤質量評價

土壤質量是土壤在一定的生態系統內，提供生命必須養分和生產生物物質的能力，容納、降解、凈化污染物質和維護生態平衡的能力，影響和促進植物、動物和人類生命安全和健康的能力之綜合量度。

土壤質量包括三層內涵和功能：第一，土壤生產力，即土壤提高植物和生物生產力的能力；第二，環境質量，即土壤降低環境污染物和病菌損害的能力；第三，動物健康，即土壤質量影響動植物和人類健康的能力。這三項功能也被稱為土壤肥力質量、土壤環境質量和土壤健康質量，有關指標見表2-6、表2-7和表2-8。

表2-6 土壤質量田間描述性指標Table 2-6 Descriptive index of the soil quality in the field

續表

表2-7 常用土壤質量分析性指標Table 2-7 Common analytic index for soil quality

表2-8 土壤質量和健康狀況參數及其與土壤質量的聯系Table 2-8 Soil quality and health condition parameters and their relationship with soil quality

續表

2.國內土壤質量評價

國內關於土壤質量的研究主要集中在土壤背景值、土壤環境容量和土壤環境質量標准研究等三個方面。

(1)土壤背景值調查和研究

土壤環境背景值是指土壤在發育形成過程中，未受或很少受到人為活動的影響，特別是未受或很少受到污染、破壞的情況下，土壤本身固有的化學組成和含量。它基本反映土壤環境原有的物質組成、性質和結構特徵。「七五」期間，由國家環境保護局主持、國家教育委員會和中國科學院參與主持的國家科技攻關項目「全國土壤環境背景值研究」，是迄今為止最為系統的土壤重金屬背景值研究成果。與世界土壤相比，我國土壤的砷、鋅、銅含量高於世界均值；汞、錳、鈷在世界范圍值之中；鎘、鉻、鎳低於世界均值；鉛的變異超出世界平均范圍。歷時16年的全國第二次土壤普查工作，重點對土壤中N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等9 種營養元素進行了系統測試分析，建立了土壤肥力分級標准。

(2)土壤環境容量研究

環境容量這一概念，大約於20世紀70年代引入到環境科學領域。目前關於土壤環境容量的概念尚在探索之中。一種觀點認為，土壤存在一個可承納一定污染物而不致污染作物的量。一般將土壤所允許承納污染物質的最大數量稱為土壤環境容量。另一種觀點認為，土壤環境容量是在不使土壤生態系統的結構和功能受到損害的條件下，土壤中所承納污染物的最大數量。後者強調必須明確污染物對土壤生態系統的結構和功能的影響，以及系統結構和功能方面的要求。不少國家，如前聯邦德國、日本、前蘇聯、澳大利亞等國家確定了某些污染物的土壤環境污染標准。我國對土壤環境容量研究已有一些報道。

土壤臨界容量可用於表徵土壤對各種污染物的容納能力。在獲得土壤對污染物的各種生態效應和環境效應，並獲得各種單一體系的臨界含量後，就可以採用各種效應的綜合臨界指標得出整個土壤生態系統的臨界含量，並作為國家制定環境標準的依據和確定土壤環境容量的依據。表2-9為我國草甸褐土區各單體系的臨界含量。

表2-9 我國草甸褐土區各單體系臨界含量Table 2-9 Critical content of each system in meadow brown soil area of China

註：*地表徑流、地下滲漏水不超標；**3.5mg/kg時，地表徑流、地下滲漏水不超標。(據夏增祿，1986)

用數學模型定量表達土壤環境容量的方法尚在探索之中。目前，常採用的確定土壤環境容量的方法包括土壤靜容量和土壤動容量。土壤靜容量是根據土壤的環境背景值和環境標準的差值來推算容量的一種簡易方法，可由C_s=M(C_i—C_Bi)表示(式中：M為每畝耕層土壤重量(kg)，C_i為i元素的土壤臨界含量(mg/kg)，C_Bi為i元素的土壤背景值(mg/kg))。這時，現存容量C_sp=M(C_i—C_Bi—C_P)，C_P是土壤中人為污染而增加的量。另外，土壤環境容量也可用Q=(C_K-B)×150粗略估計(式中：Q為基本的土壤環境容量(g/畝)，C_K為土壤環境標准值(mg/kg)，B為區域土壤背景值(mg/kg))。

土壤是一個開放的物質體系，污染物可進入土壤，也可以輸出。土壤動容量是根據污染物的殘留來計算土壤的環境容量。假定年輸入量為Q，年輸出量為Q′，若Q大於Q′，則殘留量為Q-Q′。隨著時間的推移，殘留量也不斷地增加，造成積累。累積率(K)為殘留量(Q-Q′)與輸入量Q之比，則n年內土壤污染物累積總量A_T(含當年輸入量)為A_T=Q+QK+QK²+…+QKⁿ，而n年內的污染物殘留總量R_T(不含當年輸入量)則為R_T=QK+QK²+…+QKⁿ。當年限n足夠長時，QKⁿ趨於零，A_T達到最大極限值。因此，污染物在土壤中的年累積量為A_T′=K(B+Q)(式中：A_Tˊ為污染物在土壤中的年累積量(mg/kg)，K 為土壤污染物年殘留率(%)，B 為污染物的區域土壤背景值(mg/kg)，Q為土壤污染物的年輸入量(mg/kg))。假定每年殘留率(K)相同、年輸入量相同，則n年內土壤的總累積量為A_T=BKⁿ+QK

。從式中可以看出，年殘留率K值的大小，對計算結果影響很大。不同地區的土壤，不同的污染物，其K 值也有差異，需通過試驗求得。利用這種計算方法，可預測某污染物累積達到區域的環境標准所需要的年限。

(3)土壤環境質量標准研究

為貫徹《中華人民共和國環境保護法》，防止土壤污染，保護生態環境，保障農林生產，維護人體健康，我國於1995年制定頒布了土壤環境質量標准(GB15618—1995)(表2-10)。該標准按土壤應用功能、保護目標和土壤主要性質，規定了土壤中污染物的最高允許濃度指標值，用於農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場、林地、自然保護區等的土壤。該標准根據土壤應用功能和保護目標，將土壤劃分為三類：Ⅰ類主要適用於國家規定的自然保護區(原有背景重金屬含量高的除外)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區的土壤，土壤質量基本保持自然背景水平；Ⅱ類主要適用於一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染；Ⅲ類主要適用於林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產附近等地的農田土壤(蔬菜地除外)，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染。

表2-10 土壤環境質量標准值Table 2-10 Environmental quality standard for soils(mg/kg)

註：①重金屬(鉻主要是三價)和砷均按元素量計，適用於陽離子交換量＞5cmol(+)/kg的土壤，若≤5cmol(+)/kg，其標准值為表內數值的半數；②水旱輪作地的土壤環境質量標准，砷採用水田值，鉻採用旱地值。

該標准規定，一級標准為保護區域自然生態、維持自然背景的土壤環境質量的限制值；二級標准為保障農業生產、維護人體健康的土壤限制值；三級標准為保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值。各類土壤環境質量執行標準的級別規定為：Ⅰ類土壤環境質量執行一級標准；Ⅱ類土壤環境質量執行二級標准；Ⅲ類土壤環境質量執行三級標准。

4. 宏基因組和宏病毒組的區別是什麼

①.
宏基因組是研究所有微生物，病毒佔比很少，在宏基因組中研究病毒組就像是大海撈針。宏病毒組的方法就像是用吸鐵石，把宏基因組中病毒組部分吸出來，只看病毒就能避免宿主、細菌序列的影響。另外，宏病毒組分析流程和宏基因組有很大區別。
②.
病毒宏基因組測序又稱宏病毒組，是在宏基因組學理論的基礎上，結合現有的病毒分子生物學檢測技術而興起的一個新的學科分支。 宏病毒組直接以環境中所有病毒的遺傳物質為研究對象，鑒定環境中的病毒組成， 是一種發現新病毒、 病毒感染預警和控制的手段， 在病毒的起源和進化模式、遺傳多樣性和地理分布等研究方面也具有重要意義。
網路或微信搜索「基因幫」，獲取更多文章咨詢、行業進展以及病毒組相關技術。

5. 誰了解宏病毒組測序方法和原理

宏病毒組測序的原理：宏病毒組測序分析是對樣本中所有病毒的遺傳物質為研究對象，主要原理是通過富集病毒核酸，構建高質量的宏病毒組文庫並進行高通量測序提取流程如下：
1.樣本預處理
2.去除宿主並富集病毒顆粒
3.提取病毒核酸（DNA/RNA/總核酸）
4.核酸質量檢測

然後對核酸提取合格的樣品採用標准或者微量建庫的方法構建200-500bp的小片段文庫，並提供文庫質檢報告，文庫質檢合格的樣品進行雙端PE150測序。流程如下：
1.片段化（200-500bp）
2.末端修復、接頭鏈接
3.PCR擴增
4.文庫質檢
5.上機測序

最後再根據獲得的數據結果進行生物信息分析。
想了解更多前沿咨詢、行業進展以及病毒組相關知識，可以微信或網路搜索「基因幫」。

6. 宏病毒組學｜病毒組的應用

噬菌體在自然環境中的意義在於它們能夠在宿主體內復制，從而影響細菌群落的多樣性，在人體內，噬菌體的作用是保護人體免受致病菌的侵襲；海水中含有4´1030種病毒，這使其成為最大的噬菌體庫；土壤噬菌體具有影響其養分循環及植物根系與細菌之間的共生關系的功能。在人工環境中，噬菌體介導細菌生長的能力可以被開發為多種用途，由於其特殊性導致它們可以輕易地被基因改造；在廢水處理中，噬菌體可以用來影響現有的細菌群落，從而提高處理效率；在工業上，噬菌體的應用主要為控制食源性病原體和減少石油工業中問題細菌的數量(圖1)。

病毒組在農業領域的應用

最初，噬菌體療法主要應用在醫學領域，即對感染人類的相關致病細菌進行治療。40至50年前，噬菌體療法作為控制植物病原體的手段，在農業環境中被廣泛探索。在這些試驗中出現了兩個主要問題: (1)病原菌產生的胞外多糖阻止了噬菌體的吸附，(2)菌株之間存在不同程度的敏感性。隨著對病毒組學研究的深入，使用噬菌體療法來控制植物性細菌病原體的生長已經被越來越多地探索。近年來，在土壤-植物(作物/蔬菜/果樹)體系中引入「農業噬菌體療法」(agricultural phage therapy)來滅活致病細菌的研究也得到了發展(圖2)。顯而易見，噬菌體療法(也稱為噬菌體生物防治)的一個優點便是減少了對病原體使用化學制劑，這避免了與環境污染、生態系統破壞和作物殘留化學物質有關的問題。

土壤「病」了，給農作物供應再多養分也沒有意義，土壤微生態失衡被視為農業領域亟待解決的重要難題。青枯菌( Ralstonia solanacearum )是世界范圍內最具有毀滅性的植物病原菌之一，由於其致死性和持久性強，並且具有廣泛的宿主范圍以及廣闊的地理分布，受該菌侵襲的土壤經常發生作物減產，甚至絕收的情況，由此造成的經濟損失不可估量。 Akiko Fujiwara 等研究發現溶解性噬菌體(FRSL1)對青枯菌具有生物防治作用( Akiko Fujiwara , et al, 2011 )(圖3)。

當然，為了提高噬菌體在生物防治中的抗菌效果，必須深入了解噬菌體生態學以及各種環境下噬菌體與宿主之間復雜的相互作用。這些噬菌體及其宿主細菌的基因組信息將有助於了解噬菌體的特性、噬菌體與細菌相互作用的歷史和分子機制。

病毒組在生態環境領域的應用

從大的方面來講，環境病毒的生態功能主要有三方面( 王光華， 2017 )(1)調控寄主群落結構。眾所周知，自然生態系統中有兩種主要現象調控微生物群落結構，即從底向上(Bottom-up)和從上而下(Top-down)的兩個生態過程( Lenoir L,et al, 2007 and  Thomas WC, et al, 2013)。噬菌體調控細菌群落結構是一種經典的 Top-down 調控，雖然學術界意識到該調控作用的重要性，但目前對這一調控過程的研究還處於黑箱狀態，已有的報道主要是針對特定噬菌體及其寄主的動態變化( Ashelford K E, et al, 2009 )，尚缺乏群落水平的研究結果。Allen( Allen B, et al, 2013 )等人以茶提取物作為噬菌體抑制劑添加到阿拉斯加土壤中，發現添加茶提取物在顯著降低土壤中噬菌體數量的同時，也增加了微生物生物量和土壤呼吸速率，但該文對細菌群落結構是否產生影響沒有報道。(2)直接或間接參與元素地球化學循環。病毒的這種作用體現在它的感染率、致死率、病毒的周轉時間以及其巨大病毒數量上。病毒感染在引起寄主細胞死亡裂解的同時，也促發寄主細胞營養元素釋放到環境中去，進而促進了元素的生物化學循環，這種由病毒介導的食物鏈傳遞方式叫做 Viral loop。有報道指出，在海洋中由病毒推動的碳環量占該生態系統碳循環總量的6%—26%( Weinbauer MG ， 2004 )。但與此相對應的土壤病毒，特別是土壤噬菌體在多大程度上促進了元素循環還未見報道。(3)作為基因水平移動的媒介。這個功能不難理解，正是病毒與寄主的共進化推動了地球生物群落不斷演替，形成了如此多樣性的地球生態系統( Thingstad TF, et al, 1997 )。

在調控寄主群落結構方面，通過噬菌體控制細菌宿主，並以此減緩耐抗生素細菌的繁殖，受到越來越多的關注。在與細菌共同進化了數十億年之後，噬菌體擁有了獨特的感染宿主的能力，這使其能夠在對微生物群落的其他部分幾乎沒有影響的前提下，控制有問題的細菌。與抗生素或殺菌劑不同，噬菌體可以繼續復制並感染目標細菌，因此，部分學者認為可將基於噬菌體的微生物控制應用領域擴展到生態環境保護，比如在廢水處理時減緩廢水處理廠(wastewater treatment Plants,WWTPs)中耐抗生素細菌(antibiotic-resistant bacteria, ARB)的擴散。通常分離的窄價(narrow-host-range)噬菌體的感染性在加入到活性污泥後就會迅速下降，而多價(broad-host-range)噬菌體在活性污泥的微觀世界中增殖極快，特別是當與它們的其宿主一起加入時。Pedro等利用非致病性生產宿主(Pseudomonas putida)培養多價噬菌體(PER01和PER02)，並測試宿主噬菌體混合物在活性污泥微環境中抑制耐多葯(耐內醯胺)大腸桿菌NDM-1的能力，此外，他們對窄價大腸桿菌噬菌體雞尾酒(MER01和MER02)也進行了測試，以作為對照(圖4)。研究發現在抑制耐抗生素細菌模型方面，多價噬菌體雞尾酒(PER01和PER02)明顯比窄價大腸桿菌雞尾酒(MER01 and MER02)更有效。在實驗中， β -耐乳糖大腸桿菌NDM-1的最初濃度為6.2±0.1 log10 CFU(菌落形成單位colony-forming units)/mL，5天後，經多價噬菌體雞尾酒處理的NDM-1濃度顯著降低至3.8±0.2 log10 CFU/mL，而大腸桿菌雞尾酒處理後濃度為4.7±0.3 log10 CFU/mL。由於存在替代宿主，多價噬菌體能夠達到更大的密度，以增加耐抗生素細菌感染的可能性。含有blaNDM-1抗性基因且存活的大腸桿菌的比例(0.57±0.07)顯著低於對照組(0.74±0.08)。因此，由非致病性宿主安全生產的多價噬菌體可以提供一種新的方法來控制廢水處理廠中的耐抗生素細菌，並減緩相關耐葯基因在環境中的繁殖和釋放(圖4)。

不僅如此，Pedro等的研究結果表明，多價噬菌體可以特異性控制目標細菌，而對活性污泥的活性幾乎沒有影響(以耗氧量衡量)。重要的是，多價噬菌體可以利用多個宿主，因此可以避免在生產過程中需要利用病原性或難以培養的宿主。傳統的窄價噬菌體必須使用細菌靶標來生產，這可能產生重大的安全問題。此外，由於多價噬菌體可以在良性宿主中產生，因此在使用前可能不需要從宿主中提純它們(圖5)，從而大大節省了資金和運營成本。

與任何抗菌劑一樣，噬菌體必須達到足夠的濃度(即必須達到適當的噬菌體與宿主的比例，也稱為感染復數(multiplicity of infection,MOI)，才能確保有效的微生物控制。然而，廢水中活性污泥組成非常復雜，在感染宿主之前，噬菌體可能會因吸附污泥絮凝體、懸浮顆粒和共生菌而被去除。此外，環境壓力，如太陽輻射和極端溫度、鹽度和pH值，也可能減少噬菌體數量和阻礙感染。總的來說，噬菌體的效價是兩個相反過程的結果：生產性感染後的噬菌體復制和各種應激源引起的噬菌體衰變，表明噬菌體在增殖和抑制廢水處理廠(wastewater treatment Plants,WWTPs )耐抗生素細菌(antibiotic-resistant bacteria,ARB)方面的能力仍需增強，這對於減少耐抗生素細菌對環境的排放是極為重要的。

也有研究通過對比宿主特異性性噬菌體、噬菌體雞尾酒和多價噬菌體三者對土壤中ARPB和ARGs的抑制效果。發現在各種噬菌體處理中，雞尾酒噬菌體對土壤和胡蘿卜組織中ARPB/ARG耗散作用最顯著，其次是多價噬菌體和宿主特異性噬菌體處理，但是多價噬菌體在維持土壤和胡蘿卜組織中微生物群落的生態功能方面優於雞尾酒噬菌體處理(圖6) ( Ye Mao,  et al, 2017 )。

病毒組在醫葯領域的應用

噬菌體療法指的是將噬菌體作為生物制劑來殺滅目標細菌。溶解性噬菌體開始感染宿主時，吸附在細菌宿主表面的特定受體上，這些受體可能位於革蘭氏陽性或陰性細胞壁，以及多糖膠囊，甚至附屬物如菌毛和鞭毛上。噬菌體和細菌受體之間的鎖鑰關系通常決定了病毒能夠感染的宿主范圍，具有特徵性的噬菌體受體的數量也在不斷增加。吸附後，病毒將其遺傳物質釋放到宿主體內，大多數與人類病原體相關的裂解噬菌體屬於尾狀病毒科和微病毒科，具有雙鏈或單鏈DNA基因組( Lin DM , et al, 2017 )。接下來，病毒接管細菌的復制機制，創造下一代噬菌體，復制持續到噬菌體編碼的蛋白質被激活，以裂解細胞，有效地殺死宿主，並允許新合成的病毒逃逸，重新啟動周期。盡管噬菌體不是活的有機體，但它們確實是動態的實體，而溶解周期是噬菌體療法的基石。相比之下，抗生素是一種只能選擇性破壞細菌某些生理過程(如蛋白質或細胞壁合成)的化學物質，和噬菌體的作用機制存在很大的差異(表1)。1915年和1917年噬菌體被發現後( O』Flaherty S, et al, 2009 )，即被提議用於治療人類細菌感染。目前，已經證實了實驗性噬菌體治療由革蘭氏陰性菌(包括銅綠假單胞菌，伯克霍爾德氏菌( Burkholderia cenocepacia )和肺炎克雷伯菌( Klebsiella pneumoniae )所引起肺炎的有效性( O』Flaherty S, et al, 2009)，動物模型也證明噬菌體可以作為注射劑來治療全身敗血症感染，而應用噬菌體治療人類局部感染也取得了成功的結果( Rhoads DD , et al, 2009 and Wright A)。隨著其在治療中補充或替代抗生素的潛力的推進，預計未來將有更多的臨床試驗和多樣化的應用。

甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)引起的呼吸道感染可發展為致命的全身感染，噬菌體療法有望對這些嚴重感染有效。在利用噬菌體對嚴重敗血症的葡萄球菌呼吸道感染進行治療時發現，噬菌體S130的使用總體上降低了金黃色葡萄球菌密度，並且在不同組織(例如肝，脾，血和肺)中存在顯著的噬菌體復制，實驗小鼠感染後6小時腹腔注射噬菌體可減輕其感染的嚴重程度。在肺中，噬菌體裂解可能在沒有生物分子抑制的情況下發生，因為在肺中檢測到顯著更高的噬菌體濃度。此外，在肺支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)的噬菌體裂解實驗中未觀察到抑製作用。這些結果可能的解釋為：金黃色葡萄球菌在小鼠模型的肺中分布不均勻，並且在肺組織的選擇中存在取樣偏差。而在一位左脛骨感染了XDR Acinetobacter baumannii 和 MDR Klebsiella pneumoniae的病例中，噬菌體和抗生素進行的聯合治療能有效對其症狀進行控制( Ran N P ， et al, 2009 )。

人類剛剛開始擴展噬菌體的用途，尚存在一些技術上的困難( O』Flaherty S, et al, 2009and Lu TK, et al, 2011 )。例如，與將任何葯劑配製成半固體劑型(如乳膏或軟膏)，將噬菌體摻入轉移載體中使得整個最終產品具有均勻性是非常重要的，這確保了葯物的一致性。另一方面，與其他葯物不同，噬菌體是依賴於其結構完整性的大型生物實體，它們的尾巴也有一定的生物功能。最近在歐洲的PhagoBurn臨床試驗( Jault P , et al, 2019)中觀察到噬菌體結構完整性對於治療應用是非常重要的，據報道，噬菌體治療效果不佳，可能是由於在制備治療敷料期間對病毒的物理損傷造成的(圖7)。噬菌體給葯導致某些受試者產生噬菌體中和抗體，可能也會使噬菌體治療無法達到預期的效果。為了促進噬菌體療法的多功能臨床應用，噬菌體和噬菌體療法的研究應旨在通過開發基於現代科學技術的下一代噬菌體療法來克服技術障礙，在本書特別篇——噬菌體療法中會進行詳細分析。

傳統培養方法只能以已知的病毒為目標，很難發現新病毒，而宏病毒組的方法則結合了新一代測序技術以及隨機PCR技術，能夠挖掘大量未知病毒， 而且不需要分離培養，這為部分高分散、低豐度的病毒系統分析和鑒定提供了新的途徑。我國擁有十分豐富的生物資源，在病毒領域的挖掘潛力極大，這對於我國的宏病毒組學研究是一種得天獨厚的優勢，研究人員藉助宏病毒組學的方法已成功地從不同環境樣本（人體、自然及人工環境）中鑒定出了多種病毒，這使人們了解到不同的病毒構成及其中間宿主的病毒攜帶狀況，不僅豐富了病毒庫，同時也增加了人們對病毒分布以及多樣性的認識，進而更能有效地防治病毒的侵襲。此外，利用宏病毒組實時去監控致病性病毒及潛在致病病毒的變化情況，有助於分析新的或尚不明病原體的疾病，對快速檢驗突發的病毒性公共衛生事件意義重大。

未來在病毒組學方面，宏病毒基因組學將成為強力工具。目前，環境中病毒功能探索僅僅局限於序列篩選。但隨著測序技術等新技術的發展，宏病毒組學足以更廣泛和精確地應用在病毒相關領域。總之，宏病毒組學的發展必將突破傳統技術瓶頸，在未來展現其的優勢。

參考文獻

Allen B, Willner D, Oechel WC, et al. Top-down control of microbial activity and biomass in an Arctic soilecosystem. Environmental Microbiology, 2009, 12(3): 642-648.

Ashelford KE, Fry J C, BaileyM J, et al. Characterization of six bacteriophages of Serratia liquefaciens CP6isolated from sugar beet phytosphere. Applied and Environmental Microbiology,1999, 65(5): 1959-1965.

BatinovicS, Wassef F, Knowler SA, et al. Bacteriophages inNatural and Artificial Environments[J]. Pathogens. 2019,8(3).

Fujiwara A, Fujisawa M, Hamasaki R, et al. Biocontrol of Ralstoniasolanacearum by treatment with lytic bacteriophages[J]. Appl Environ Microbiol.2011 Jun;77(12):4155-62.

Gordillo Altamirano FL, BarrJJ. Phage Therapy in the Postantibiotic Era. Clin Microbiol Rev. 2019 Apr;32(2)pii: 32/2/e00066-18.

Jault P, Leclerc T, Jennes S,et al. Efficacyand tolerability of a cocktail of bacteriophages to treat burn wounds infectedby Pseudomonas aeruginosa (PhagoBurn): A randomised, controlled, double-blindphase 1/2 trial. Lancet Infect. Dis. 2019, 19, 35–45.

Lenoir L, Persson T, BengtssonJ, et al. Bottom–up or top–down control in forest soil microcosms? Effects ofsoil fauna on fungal biomass and C/N mineralization. Biology and Fertility ofSoils, 2007, 43(3): 281-294.

Lin DM, Koskella B, Lin HC.2017. Phage therapy: an alternative to antibiotics in the age of multi-drugresistance. World J Gastrointest Pharmacol Ther 8:162-173.

Lu TK, Koeris MS. The nextgeneration of bacteriophage therapy. Curr Opin Microbiol 2011; 14: 524e31.

Matsuzaki S, Uchiyama J,Takemura-Uchiyama I, Daibata M. Perspective: The age of the phage. Nature. 2014May 1;509(7498):S9. pii: 509S9a.

O』Flaherty S, Ross RP, CoffeyA. Bacteriophage and their lysins for elimination of infectious bacteria[J].FEMS Microbiol Rev 2009; 33:801e19

Ran NP, Daniel G, Ayman K, etal. Successful Treatment of Antibiotic-resistant, Poly-microbial Bone InfectionWith Bacteriophages and Antibiotics Combination[J]. Clinical InfectiousDiseases, 2019(11):11.

Rhoads DD, Wolcott RD,Kuskowski MA, Wolcott BM, Ward LS, Sulakvelidze A. Bacteriophage therapy ofvenous leg ulcers in humans: results of a phase I safety trial. J Wound Care2009; 18:237e43

Thomas W C, David W G S,Stephen M T, et al. Top-down control of soil fungal community composition by aglobally distributed keystone consumer. Ecology, 2013, 94(11): 2518-2528.

Thingstad TF, Lignell R.Theoretical models for the control of bacterial growth rate, abundance,diversity and carbon demand. Aquatic Microbial Ecology, 1997, 13(1): 19-27.

Ye Mao, Sun Mingming, HuangDan, et al. A review of bacteriophage therapy for pathogenic bacteriainactivation in the soil environment. Environment International, 2019, 129:488-496.

Yu P, Mathieu J, Yang Y,Alvarez PJJ. Suppression of Enteric Bacteria by Bacteriophages: Importance ofPhage Polyvalence in the Presence of Soil Bacteria[J]. Environ Sci Technol.2017 May 2;51(9):5270-5278.

Wright A, Hawkins CH, AnggardEE, Harper DR. A controlled clinical trial of a therapeutic bacteriophagepreparation in chronic otitis e to antibiotic-resistant Pseudomonasaeruginosa; a preliminary report of efficiency. Clin Otolaryngol 2009; 34:349e57.

Weinbauer MG. Ecology ofprokaryotic viruses. FEMS Microbiology Reviews, 2004, 28(2), 127-181.

王光華.掀開土壤生物「暗物質」——土壤病毒的神秘面紗[J].中國科學院院刊,2017,32(06):575-584.

7. 宏病毒組技術與宏基因組有什麼不同嗎

用宏基因組來研究病毒是前幾年用的比較多的方法，但是缺點很明顯，宏基因組數據95%以上為宿主基因組污染，而細菌基因組DNA含量是病毒DNA的15倍左右，因此在剩下的不足5%，甚至通常不到1%的數據中，病毒DNA的reads比例也非常低，造成檢測到的病毒DNA遠低於樣品中實際的病毒水平。由此可見，通過宏基因組的數據對病毒進行研究，會造成對病毒組認識的偏差。因而，去除宿主和細菌DNA後，單獨對病毒組進行研究非常有必要。

所以利用宏病毒組的方法來研究病毒的優勢就非常明顯，也越來越受到相關科研團隊的關注。宏病毒組的特點是只對樣本中的病毒組序列進行研究，這樣的話就避免掉了宿主以及細菌序列的影響，能夠極大的提高數據的利用率。

然而，病毒組數據分析也面臨如下挑戰：（1）由於病毒非常小、進化速度快且難於培養，因此對病毒的研究相對困難。此外病毒缺乏類似於細菌16S rRNA基因序列的系統發育標記，對於環境病毒組的研究變得更為復雜。要對環境樣本中的所有病毒進行研究，不可避免的會受到樣本中其他物種DNA的影響；（2）病毒資料庫不夠豐富，病毒群落的基本結構和功能性研究還比較難。

由於人體各個部分的微環境不同，因此不同部位的病毒組均存在差異。其次，年齡、飲食習慣以及宏基因組中的其他組分等因素也會影響病毒組的組分構成。利用二代測序技術對病毒組進行研究，不僅可以在健康人群和患病個體中發現新的病毒，也可以研究特定疾病與病毒的關系。病毒組研究最有意思的發現之一是病毒與微生物組中的其他組分相互作用，尤其是細菌。病毒與細菌之間的相互影響可以增強或減弱抗病毒免疫反應從而控制病毒感染。這種影響是相互的，病毒也可以反過來調控細菌感染。對於在宿主特定遺傳環境下病毒與其他微生物的相互作用及其對病人健康狀態的影響的研究才剛剛起步，有待進一步深入，但目前的研究結果表明病毒及其他微生物對免疫反應的調節會影響感染的結果。
近兩年，許多科學家越來越多的開始關注病毒組，在實驗技術的改進和資料庫的擴充上有重要的進展。但總體來說，目前病毒組研究的報道要麼是基於人類基因組計劃產出的全基因組測序數據，要麼樣本量有限，還有許多未知的領域有待探索。
想了解更多關於「宏病毒組」的相關信息，網路或微信搜索「基因幫」。

8. 什麼是土壤地理學，土壤地理學發展的國際和現狀

土壤地理學是研究土壤與地理環境相互關系的學科。是土壤學和自然地理學之間的邊緣學科。它研究土壤的形成、演變、分類和分布，為評價、改良、利用和保護土壤資源，發展農、林、牧業生產，提供科學依據。 土壤是覆蓋在地球陸地表面上能夠生長植物的疏鬆層。土壤不僅具有自己發生發展的歷史，而且是一個從形態、物質組成、結構和功能上可以剖析的物質實體，它被看作是一個獨立的歷史自然體。
土壤地理學今後的發展，將注重以下幾個方面：
①在方法論方面，將更加重視宏觀研究與微觀研究的結合，注意用生態學觀點研究土壤地理學；
②在研究內容方面，重視土壤學與地理學及其他有關學科的聯系和滲透；
③在具體方法方面，將向指標化、數值化發展；
④土壤制圖和土壤理化分析方面，將向簡便、快速、准確的方向發展。
土壤地理學作為一門獨立的學科時間還不長，但它在國民經濟和科學發展中，已顯示出重要的作用。隨著社會和生產的發展，必將對土壤地理學提出更高的要求。今後，要很好掌握研究方向，推動土壤地理學的發展。

（一）圍繞國民經濟建設的需要發展
土壤是可以再利用的自然資源，在合理開發利用下，保持其良性的生態平衡，是人類世代生存的依託。因此，土壤地理學應該把本身的理論和技術，運用在保護和合理利用土壤資源這一關繫到國計民生的主題上，以滿足國民經濟建設的需要。這里很重要的就是人與土壤資源的關系問題。據測算，到2000年世界人口達61億時，糧食應凈增6億噸，即需在現有耕地15億公頃基礎上擴墾耕地2億公頃。對此，聯合國糧農組織及教科文組織通過對世界陸地生態圖、世界土壤資源圖及世界土壤憲章等項研究，規定了土地資源開墾和保持與改善環境等國際政策；國際地圈計劃（IGBP）也提出影響生態環境的土壤資源在自然條件及人為條件下的變化。這些情況說明，當前國際上對土壤資源及生態環境的研究給予了充分重視。中國人口增長與糧食生產的矛盾也很突出。到2000年，人口若增至12億，在耕地總面積不太可能擴大的情況下，人均糧食按500公斤計，則糧食總產要比1984年增加80%。因此，圍繞滿足21世紀中國人口增長對糧食需求，今後要開展人類活動對中國生態環境影響及其對策的研究。其內容涉及土壤地理學方面的有：在人類活動影響下，中國環境生態良性循環規律與經驗總結，包括高低產土壤肥力的培育與提高、熱帶亞熱帶地區農業的綜合配置、長江流域的多熟制與集約耕作、沙漠的固沙造林、黃淮海平原旱澇鹽鹼綜合治理等；人類活動引起環境生態的惡化趨向，包括土壤退化與不同土壤肥力減退規律、水土流失規律與預測、土壤沼澤化、鹽漬化與沙漠化的演替與發展、森林及草原更替與退化趨勢等；建立高效能、高生產的環境生態良性循環示範模式。包括的地區有熱帶亞熱帶、長江中下游、華北平原、東北平原、東北森林和沼澤及山地丘陵等。通過研究，提出一批中國不同地帶與地區的經濟效益、生態效益及社會效益的環境生態示範模式，為21世紀提高中國土壤資源生產承載能力，滿足人類對生物產品的需求提供科學依據。土壤地理學在解決這些國民經濟建設重大問題的過程中，將充分發揮作用，同時自身也必定得到發展。

（二）搞好本學科的基礎研究
在土壤地理學的今後研究方向上，應當把土壤提到「土壤圈」的認識高度，著重圍繞土壤圈的結構演化和功能開展深入研究。其中研究內容如土壤結構模式，復合農業生態系統和營養元素循環，能量轉換規律，土壤圈與大氣圈、生物圈、水圈的相互關系，在自然與人為條件下，土壤演化模式與演變規律，土壤水分循環等都與土壤地理學有關。國際土壤學研究現在從靜態成土因子的描述，向按熱力學研究土壤中物質運動的方向發展。同時通過長期動態觀察，研究水能和熱能運輸與土壤發生的關系，得出各種典型的土壤發生模式，運用數學及「診斷土層和診斷特性」鑒定法，將土壤分類由定性引向定量與指標化的方向，同時不斷注意將土壤發生分類研究與實際應用緊密結合。為此，今後中國土壤發生分類的研究，應在不同地區（如西北、華北、華南等）長期定位觀測、深入研究土壤動態發生特性和過程的基礎上（重點是不同土壤的元素空間分異、遷移特徵及土壤-植物間元素交換規律），全面建立以診斷層、診斷特性為依據的土壤分類數量指標，逐步完善中國自己的土壤系統分類制。還要建立完整的土壤制圖及土壤資源評價原則和方法。此外，中國土壤侵蝕規律及其防治；土壤鹽漬化的發生與防止；土壤水鹽運動規律及土壤鹽漬化預測預報；土壤生態及環境保護（包括農田、草原、森林生態系統的物質循環及能量傳遞）；城鄉經濟發展的復合生態系統結構、功能及演變，都與土壤發生分類研究有緊密聯系，也是當今國際上共同關注的研究課題。
相關書籍

（三）加強綜合研究
土壤地理學是一門綜合性很強的科學，其應用范圍也很廣泛。要使土壤地理學發揮更大的作用，必須加強學科的交叉與滲透，運用生態科學和系統科學的方法加強綜合研究。如數學向土壤地理學的滲透，使土壤地理學由定性進入定量階段，並用數理統計方法對土壤進行分類，研究土壤形成過程，建立數學模型，進行系統模擬，進而為人工調控土壤提供最佳方案。土壤信息系統是對土壤及其環境進行綜合分析和應用的系統，目的在於實現土壤及其有關信息的輸入、存儲、檢索、分析、加工及圖像、報告等輸出功能，為加速土壤學研究向數字、定量及模式化方向發展提供新的途徑。當前國際土壤信息系統大都以農業生態環境系統研究為主，著重收集包括土壤、土壤肥力、氣候等環境因子在內的農業與土壤資源信息，以便對施肥、灌溉等各種農業技術進行監控、建模，進而向具有系統分析和人工智慧特色的信息系統方向發展。針對上述情況，中國首先應從農業生態環境信息系統入手，通過對土壤、土壤肥力、氣象、作物品種及農業經濟等數值信息的採集、輸入和加工，從而加速農業生態研究，達到數量化、模式化，為實現農業生產的預報預控創造條件；其次再發展中國的土壤資源信息系統，研究內容包括土壤信息的處理與應用、土壤信息處理中的模式識別和判斷、土壤信息的計算機模擬、土壤資料庫的管理、土壤信息採集和信息本身的標准化、規范化問題等。

（四）積極應用新技術和新方法
土壤地理學的發展，在很大程度上取決於研究方法的完善和技術、設備的改進。現代技術科學的進步，促進了土壤調查和測試技術的發展。如遙感技術，可以改變我們調查研究的程序，即由局部到整體而變成由整體到局部，從而爭取了時間和提高了質量，並能夠研究過去無法探索的領域和問題。儀器分析代替了冗長的化學分析，並提高了分析精度。隨著光譜、質譜、色譜及電化學分析技術向土壤科學的滲透，使得土壤測試新技術有很大推進，並使土壤基本性質的研究愈加深入。隨著偏光顯微鏡、電子計算機、電子顯微鏡等分析儀器技術的不斷進步，土壤微形態學，土壤生態系統的研究，土壤分類的定量化也隨之發展。可以預料，新興技術將促進土壤地理學取得新的突破。

國內外對比
編輯

（一）國外土壤地理學的發展概況
俄羅斯學者B.B.道庫恰耶夫（Докучаев）的是土壤地理學的奠基者，又是地理景觀學說的創始人和現代科學的地理學的奠基者。他的土壤地理學的理論長期指導著世界土壤地理學的發展。1883年他發表了著名的《俄國黑鈣土》一書，在書中他首先提出土壤是獨立的歷史自然體，認為土壤有它自己發生和發育的歷史。於是，土壤研究不再是農業化學和地質學的分支，而成為一門獨立的學科。同時他把土壤形成與環境條件聯系起來，提出有名的成土因素學說。他認為，土壤是五大成土因素（母岩、氣候、生物、地形和時間）綜合作用下的產物，並創立了土壤生成因子公式。這樣就把土壤的發生與地理環境聯系起來。在這個思想指導下，他進一步發現，土壤與地理環境之間辯證的復雜關系，並從歷史發生的觀點發現，地球上的土壤有規律的與緯線平行呈帶狀分布的特點，從而提出土壤地帶性學說。同時他又擬定了土壤地理調查和編制土壤圖的方法。於是，他創立了以發生學觀點來研究和認識土壤的發生學派，為近代土壤地理學的發展奠定了基礎。道庫恰耶夫的土壤發生學理論不僅成為前蘇聯土壤學發展的指導思想，而且對國際的土壤學和自然地理學的深刻影響一直延續至今。他的繼承者B.P.威廉斯（Вильямс）在他的學說基礎上，提出統一的土壤形成過程是生物小循環和地質大循環的對立統一過程，而生物因素和生物小循環起主導作用，同時指出土壤的本質特性是土壤肥力。這種觀點被稱為土壤生物發生學派。
實際上，在土壤發生學建立之前，在西歐已經出現了以J.F.李比希（Liebig）為代表的農業化學土壤學派和以F.A.法魯（Fellow）為代表的農業地質土壤學派。前者是把土壤單純看做一種養料貯存庫，認為土壤生產力決定於所貯存養料的多寡，而植物只是從土壤中吸收養分、消耗土壤肥力的有機體。後者認為，土壤是岩石經風化作用而形成的地表疏鬆層，由此導出隨著土壤的發育，風化和淋溶作用趨於增強，必引起土壤養料越來越少，肥力下降的結論。這兩個學派的基本觀點在土壤發生學派出現以後都被否定。但西歐土壤學者所建立的土壤研究方法如土壤分類體系，微形態學研究等，在西歐和其他一些地區還有一定影響。
美國土壤學發展史上在相當長的時間內是接受土壤發生學派的觀點，美國土壤學者C.F.馬伯特（Marbut）是美國土壤科學的奠基者，他提出的美國第一個土壤分類系統仍然體現了土壤發生學的基本觀點。但他確定的基層分類單元土系是以土壤本身的性態為研究核心。40年代美國學者H.詹尼（Jenny）用函數式定量對土壤和環境因素之間的聯系進行了多相相關分析，隨後將土壤生成因子公式擴大應用到生態系統上，成為狀態因子公式。60年代斯密斯（Smith）等人對土壤形態、屬性和分類進行定量研究，1975年出版了《土壤系統分類學》（SoilTaxonomy），提出按土壤診斷層和診斷特性對土壤進行分類。這一分類制在世界上迅速推廣，與土壤發生學分類制對峙出現在土壤地理學領域中。

（二）中國土壤地理學的發展概況
中國農業有著悠久的歷史，勞動人民在長期的農業生產活動中，隨著生產實踐經驗的積累，對土壤的認識愈來愈深刻。古代有關土壤知識的記載非常豐富。大約在兩千多年前的《尚書·禹貢篇》一書中記載了當時有關土壤的生產性質、地理分布和土壤等級的知識，可以說是世界上有關土壤地理的最早文獻。稍後的《管子·地員篇》對於土壤種類描寫得很詳細，該篇中把九州土壤劃為上、中、下3等，18個類型，每類又分5種，即所謂「九州之土凡九十物」，並敘述了它們的性狀、生產情況等。《管子·地員篇》可說是中國最早的土壤分類文獻。中國其他古書如《周禮》、《汜勝之書》、《齊民要術》等，也都有關於土壤地理知識的記載和總結，中國勞動人民在長期的生產活動中積累的這些寶貴經驗，為中國和世界的農業科學、土壤科學和地理科學的發展提供了寶貴的資料。但是由於長期封建統治的桎梏，中國古代開創的土壤地理研究未能得到很好的發展。
中國近代土壤地理學的發展約有60餘年歷史。1930年前後開展了較大規模的有計劃的土壤調查研究工作，曾調查中國中、東部的土壤，並純粹用地質學方法進行命名。1930—1949年期間，中國土壤科學的發展受歐美土壤學派的影響較大，在這段時間里，先後對中國的主要土壤開展了調查研究，編繪了全國性和地方性的土壤圖，出版了土壤專報、土壤季刊，編譯了《中國之土壤概要》等專著，擬定了中國最早的土壤分類系統（1941），當時受美國土壤分類的影響，建立了2000多個土系。值得指出的是，中國土壤工作者在30年代就把水稻土作為獨立的土類劃分出來，而且明確地指出了水稻土的形成與灰化過程的本質區別，這在當時來說是一個相當重要的成就。
中華人民共和國成立以後，中國土壤地理學有了長足的進步，土壤地理學的研究一直是圍繞國民經濟建設和土壤地理學發展的需要開展的。在土壤資源調查和開發利用方面，先後開展了全國性的土壤普查、黃淮海平原鹽鹼土治理和南方丘陵紅壤綜合利用等，在工作中廣泛採用了遙感航空制圖技術。在土壤發生與環境生態方面，重點開展了中國紅壤、黑土、鹽漬土、水稻土、山地土壤的發生分類研究。近年來還開展定量土壤分類研究。與此同時，不僅開展了生態系統研究，而且還在土壤本底、容量等研究方面，取得明顯的進展。隨著近代物理學等新興科學的發展，土壤測試手段和土壤信息系統研究也有了可喜的進展。

9. 土壤化學和環境化學研究進展

(一)土壤營養元素與植物營養

1840年德國李比西(J.F.Liebig)出版了《化學在農業和植物生理學上的應用》一書，提出了土壤是養分的儲存庫，無機物可以轉化為有機物，只需要使用礦質肥料，把植物吸收的礦質養分歸還土壤，就能使土壤的耗損與營養物質之間保持平衡，物質的生物循環過程可以免於土壤肥力下降。19世紀後半葉，法魯(F.A.Fellow)、李希霍芬(F.V.Richthofen)、拉曼(Ramann)等將土壤的形成過程看作是岩石礦物的風化過程和物質的地質循環過程。他們認為岩石風化的碎屑物是植物生長所需礦質養分的來源，土壤是植物養分的儲存庫；同時，土壤中的礦質養分遭到淋溶，肥力下降，最後變成岩石。

20世紀30～40年代，前蘇聯維爾拉德斯基(В.И.Вирнадский)和維諾格拉多夫(А.П.Виноградов)證實了土壤形成過程並不是與風化過程和礦物質形成過程完全等同的一種過程，而是一種綜合的生物地球化學過程。與此同時，威廉斯(В.Р.Вилbямс)首次提出了土壤統一形成過程的學說，特別強調生物在土壤形成過程中的作用，建立了土壤結構性和土壤肥沃性的新觀點。他們系統地研究了植物-土壤系統中所形成的植物有機體和無機灰分的化學組成，闡述了植物在礦質營養元素生物循環中的生物地球化學作用和土壤形成作用。以後的研究也證明，由於有機質的分解和礦化的硅、鋁、鐵化合物進入生物循環，形成次生粘土礦物，如氧化硅、碳酸鈣、水鋁英石和蒙脫石類等。

1952年波雷諾夫(Б.Б.Полынов)對風化殼的形成、類型和地球化學過程進行了深刻的論述。1954年費爾斯曼(А.Е.Ферсман)將風化和土壤形成產物的移動、分異和聚集過程的整個土圈及風化殼稱為表生作用帶。土壤水分狀況對土壤中物質的運動和土壤形成過程具有重要的影響。同時，風化和土壤形成物的側向和橫向再分配、分異作用及次生積聚過程在土壤形成過程中也具有很重要的作用。20世紀70年代以來卡瓦古齊(K.Kawaguchi)等重點研究了土壤處於氧化還原交替環境下引起物質移動和累積的情況，特別是水稻土的發生與演變，1978年在菲律賓還專門召開了國際水稻土學術會議。

土壤是營養元素進入有機體的主要環境，土壤中營養元素不足或過剩，必然影響有機體內多種生物化學過程的正常進行，不利於有機體的發育，甚至引起植物病害。如缺鋅可引起柑橘葉子出現斑點斑病，停止生長；缺銅可引起果樹枯枝。

土壤營養元素除高背景值與低背景值區對農業產品的數量與質量有重要影響外，在土壤營養元素含量屬於一般的中等水平地區，由於區域間環境條件的差異和農業產品的多樣性，不同自然條件和不同農業結構區域，往往出現某些營養元素的不足，採用增施某些營養元素的方法可獲得農作物的顯著增產及改善產品品質，因此在我國不少區域開發了硼、鉬、鋅、銅及稀土等微量元素肥料。為了合理利用微量元素肥料，必須掌握區域土壤環境背景值，以及背景值的活性，這樣才能既達到作物增產的目的，又可防止過量施用這些肥料造成土壤污染而危害有機體的後果。

土壤中某元素有效態含量C與全量A的比值，稱為該元素的活性B。B是土壤元素全量、有效態、土類、有機質、粘粒、pH值的函數。引入土壤元素背景值的活性就可在農業上使用背景值數據。已知A、B，即可求C，與有效態臨界含量相比，就可指導微量元素肥料的經濟合理施用。我們可以藉助土壤背景值含量粗略計算土壤中有效態含量范圍與供給水平，也可藉助元素活性反推土壤中元素的豐缺，判斷是缺全量或是活性低，從而採取相應的對策，既可使微肥使用合理，作物顯著增產，又可防止過量施用造成土壤污染。

(二)元素形態分析與生物有效性研究

由上可知，元素總濃度分析已不能滿足科研和生產的需要，如鉻、砷、硒是常見的多價元素，不同價態的化合物具有不同的毒性和化學活潑性。如鉻(Ⅲ)是人體的必需元素，它在細胞表面有專門受體，並能調節胰島素正常代謝，但鉻(Ⅳ)對人體有高毒性，並能致癌。

Barber(1984)用生物有效性(Bioavailability)的概念將養分區分為「潛在有效」和「實際有效」。研究元素價態工作始於20世紀70年代末，後在國內外逐漸成為重要的研究方向，主要在環境監測、冶金、食品、材料催化劑等領域開展。

元素的價態分析的最終測定方法，與以往的總量測定相同。關鍵是前處理中採用化學分離法把同一元素的不同價態進行分離。分離方法有有機溶劑萃取法、離子交換樹脂分離法和氫氧化物共沉澱法等，然後根據各元素的不同性質可用分光光度法、原子吸收光譜法、電化學分析法、氣相色譜法等測定。如俞穆清等提出了用N₂₃₅-MIBK 體系萃取鉻(Ⅳ)，TTA-乙醇-MIBK體系萃取鉻(Ⅲ)，Na(PO₃)₆-N₂₃₅-MIBK 體系萃取總鉻，再用原子吸收光譜法測定的方法。王順榮探討了在不同酸度條件下用4-硝基鄰苯二胺-甲苯分別萃取硒(Ⅳ)和硒(Ⅵ)，然後用氣相色譜法測定的方法。

近年來高精儀器的出現，新的有機試劑的合成，以及計算機在分析化學中的應用，使分析元素價態的方法日趨簡單、快速、准確，靈敏度也有了提高。一般不需用化學分離技術，在試樣中可直接連續測定同一元素的不同價態，或分別測定具有不同價態的多種元素。例如，孫群等用離子色譜法，在其他大量陰離子存在的情況下，通過把紫外/可見光檢測器和電導檢測器串聯使用可同時分離並測定環境樣品中砷(Ⅲ)、砷(Ⅴ)、硒(Ⅳ)和硒(Ⅵ)。遲錫增應用APDC-MIBK-GFAAS法可測定砷(Ⅲ)、砷(Ⅴ)、硒(Ⅳ)、硒(Ⅵ)、銻(Ⅲ)和銻(Ⅴ)。

(三)土壤-植物系統中營養元素的相互作用與有效性

重金屬元素(如Cd、Pb、Cu、Zn等)間、營養元素(如N、P、K、Ca、Mg等)間的相互作用研究得已較多，而重金屬元素與營養元素間的交互作用研究目前尚處於起步階段，屬於重金屬元素污染生態研究的前沿。

1.重金屬元素對營養元素在土壤中化學行為的影響

重金屬元素對營養元素在土壤中化學行為的影響是土壤重金屬污染危害的一個重要方面，它是隱蔽的、長期的，也是導致土壤生產力下降的本質原因，但這方面的研究工作目前在國內外開展得尚不多。

土壤營養元素的吸附解吸過程在某些營養元素的生物有效性方面起著重要作用。K吸附動力學研究發現，添加Cu、Cd明顯地降低了土壤對K的吸附，添加量越高，降低程度越大。而且Cu對K吸附的抑製作用大於Cd。K的緩沖容量(PBC)也因Cu、Cd加入量增加而下降，其下降率分別為20%～32%和7%～20%。然而，Bolland報道，Zn處理使針鐵礦對P的吸附量明顯地高於對照樣品。

元素在土壤中的存在形態及其轉化與多種因素有關，當其他條件不變時，外加某物質必將對其產生影響。目前，有關重金屬污染對土壤營養元素形態轉化影響的研究報道很少。Folle等曾報道，加入重金屬Cu、Zn、Cd、Ni的硫酸鹽，可使土壤中Al-P、Fe-P含量下降，但對其原因未作解釋。

營養元素的遷移性既反映其向植物體的轉移性(生物有效性)，也表徵其在土壤剖面中的垂直移動性，因此，它是生態環境活性的反映。Cu、Cd的加入可引起土壤溶液中K、Mg和Ca的活度增加，且可提取態K、Mg也有增加，Cu的這一影響比Cd大。Robertson報道，重金屬污染後引起土壤Ca、Mg、K下移。然而，Folle等和王宏康等的研究認為，土壤受重金屬Cu、Ni、Pb、Zn等污染後，P的可提取性明顯低於未受污染的土壤。上述結果表明，重金屬污染導致土壤對陽離子的保持力減弱、淋溶增加，而使 P 的有效性降低。

2.營養元素對重金屬元素在土壤中化學行為的影響

營養元素對重金屬吸附解吸作用的影響已有一些研究。Zhu等認為，交換性Ca、Mg離子明顯降低土壤對Zn、Cu的吸附，而且Zn吸附降低率大於Cu；K⁺對Zn、Cu吸附的影響甚微。試驗表明，土壤對Cu、Cd的吸附作用也因P的施用而減少。Ca²⁺、Mg²⁺不僅使紅壤Cd吸持量降低而且解吸量增加。據報道，P 可使富含氧化物的可變電荷土壤對Zn、Cu的吸附增加，而使恆電荷土壤對Zn的吸附降低，說明P對重金屬元素行為的影響與土壤性質關系甚大。

營養元素進入土壤後可以引起重金屬存在形態的變化。這一工作目前僅在P方面有一些報道。Kaushik等和Shuman的研究表明，施P可明顯降低中性及微酸性土壤Zn、Cd、Cu的碳酸鹽態、有機態及晶質氧化鐵態含量，而增加其交換態及無定形氧化鐵態比例，殘留態Zn、Cd、Cu則不受影響。P肥的施入也引起了Mn由難溶形態(晶質氧化鐵和殘留態)向中度可溶形態(無定形氧化鐵錳態)轉化，這是由於P肥降低了周圍土壤pH值及P與氧化物反應速率的緣故。這就意味著P可促進重金屬的生態危害性。然而，也有報道指出，酸性土壤中施P使土壤Zn的交換態、有機態比例降低，而殘留態和無定形氧化物態Zn比例增加。這是因為P可提高土壤負電荷而增加了Zn的吸附。可見，P對土壤中重金屬形態與轉化的效應受土壤性質的制約。

土壤重金屬遷移性大小決定了它對生物和生態環境的危害大小，可惜這方面的研究甚少。有報道指出，P能有效地促進土壤中As的釋放與遷移，這是由於P、As具有相似土壤環境化學行為而產生競爭作用的結果。Brown等報道，施P可增加土壤中可提取態Zn的含量。

3.植物體中元素的交互作用

植物是一個復雜的有機整體，其中某一成分的改變(增加或減少)會影響其他成分功能的發揮，最終反映在植物生長發育和產量上。據報道，在100～200mg/L的Pb濃度下，施P處理可促進植株幼苗根生長。在無N情況下，5mg/kg的Zn就引起小麥籽粒、莖稈和根重下降，而在施N 75mg/kg時，Zn濃度達10mg/kg才開始引起這些指標明顯下降。

重金屬元素作為一種離子，或者與營養元素競爭植物根系吸收位，或者影響植物生理生化過程，從而引起植物對營養元素吸收性能及轉運特徵的改變。Cd使玉米植株N、K濃度上升而使其吸收量下降，但使P濃度及其吸收量都下降。水稻添加Cd降低了稻草中Mg、Fe、Zn濃度。有試驗表明，施Zn使植物P濃度降低，但Cd在Zn存在時可增加植物P濃度，而無Zn時卻又降低P濃度。Zn濃度增加，降低了植物Ca、Mg、K、Na濃度以及Ca/Zn比。Yevdokimova指出，Cu、Ni、Co重金屬污染土壤後，生長於其上的燕麥地上部分硝酸鹽有明顯積累現象。Tyksinski曾報道，萵筍中Cu、B與Ca間，Zn、Mn與P間，Zn、Mn與Mg以及Zn與K間存在拮抗作用。過量重金屬元素的含量不僅降低了植物對營養元素的吸收，也干擾了營養元素在植物體內的分配，重金屬Cd、Mn、Mo使土豆中Ca向地上部的轉移明顯降低。

營養元素是影響植物吸收重金屬的重要因素，有些已成為調控重金屬植物毒性的途徑與措施。研究表明，植物生長在

-N溶液中，其Cd濃度和吸收量都大於在

-N溶液中生長的植物，N形態對植株Zn濃度的影響也與此類似，但Cd在植株體內的分布則不受N形態的影響。液培中

-N增加單子葉植物對Fe、Al、Cu及Zn的吸收，但

-N則恰恰相反，這可能是植物對

-N吸收引起H⁺分泌造成根系表面環境酸化，而

-N吸收則引起OH^-分泌使根系環境鹼化所致。不同種類N肥在促進植物吸收土壤Cd方面的大小順序為(NH₄)₂SO₄＞NH₄NO₃＞Ca(NO₃)₂，其作用機理一方面可能是鹽基陽離子對Cd的置換作用，另一方面可能是肥料降低了周圍土壤pH值而增加了Cd的溶解度。土壤施P通常降低旱地植物體內重金屬的含量，但也有施P促進Pb對植物有效性的報道。Merry等指出，P施用量需達到一定水平才有明顯降低植物體內重金屬含量的作用。然而，水稻吸收Cd卻隨施P而增加。施K可明顯降低小麥Zn的濃度及吸收量。土壤Ca、K含量升高使大豆幼苗中Cd濃度顯著減低，但大豆幼苗干物質量卻沒有明顯受到影響。

綜上所述，土壤-植物系統中營養元素相互作用研究雖取得了一些進展，但絕大多數工作是單向作用的研究，在同一系統中進行雙向作用的研究尚少，土壤和植物相互間是分割的，尚未作為一整體參與研究，且有關交互作用機理的認識尚比較膚淺。