土壤宏病毒组的研究方法与进展

1. 什么是“宏病毒”有什么危害怎么处理

宏病毒是一种寄存在文档或模板的宏中的计算机病毒。一旦打开这样的文档，其中的宏就会被执行，于是宏病毒就会被激活，转移到计算机上，并驻留在Normal模板上。在文档中宏的作用相当于一个函数，用它来代替一个功能的方法的构成。
一、宏病毒的主要破坏

WORD宏病毒的破坏：

对WORD运行的破坏是：不能正常打印；封闭宏病毒或改变文件存储路径；将文件改名；乱复制文件；封闭有关菜单；文件无法正常编辑。
DOC文件被宏病毒感染后，它的属性必然会被改为模板，而不是文档(尽管形式上其扩展名仍是DOC)。此时可按下述步骤进行处理：
1，将该文件打开。2，选择全部内容，复制到剪贴板。3，关闭此文件。4，新建一个DOC文件(此前应保证Normal模板干净)。5，粘贴剪贴板上的内容。6，另存为原文件名(将原来模板属性的文件覆盖)。
现在，该文档的“另存为”命令可以正常使用了，宏病毒的“后遗症”清除完毕。照此法处理所有曾经染毒的
文档。最后想说一句，清除宏病毒时，若染毒文档太多，手工方法将非常繁琐，杀毒软件又不十分完善(存在杀不干净或误杀的问题)，所以最好采用杀毒软件与手工清除相结合的方式。

2. 宏病毒的起源

宏病毒起源 当病毒的先驱者们醉心于他们高超的汇编语言技术和成果时，可能不会想到后继者能以更加简单的手法制造影响力更大的病毒。Word宏病毒就是其中最具有代表性的范例之一。
其实宏病毒的出现并非出乎人们的意料，早在80年代后期就有专家预言过。那时，有些学生就用某些应用程序的宏语言编写病毒。然而，宏病毒与普通病毒不同，它不感染.EXE或.COM文件，而只感染文档文件。宏病毒就像自然界中令人恐惧的龙卷风，对人们正常使用计算机进行学习和工作带来了不可估量的影响，同时也造成了社会财富的巨大浪费。
1996年12月13日，一种被称为“TaiwanNo.1”的病毒同时在北京和深圳被发现，一例来自于Internet的下载文件，另一例来自某医院的一项合作协议书。在一个专门研究医学病毒的捍卫人体健康的机构发现被计算机病毒侵袭的事件，可真是有些戏剧性的效果。凡是经历过小球病毒发作的人都能体味这样一种恐慌的感觉，恐慌的根源就是您对病毒本身尚一无所知时，感觉命运似乎刹那间就即将被别人掌握了。Internet电子邮件已日益成为病毒的携带者。当您在Internet上用Email收看邮件时，是否想到，您可能会受到计算机病毒的威胁。一般一个纯粹的电子邮件内容没有病毒，但其附加的文件极可能带有病毒。附加文件的病毒扩散首先需要运行它。举个例子来说：您收到了一个附加有用Word编辑的文件，这个Word文件被病毒感染了，当您运行该附加文件时，计算机就会受到病毒的威胁。
所谓宏，就是一些命令组织在一起，作为一个单独命令完成一个特定任务。MicrosoftWord中对宏定义为：“宏就是能组织到一起作为一独立的命令使用的一系列word命令，它能使日常工作变得更容易”。Word使用宏语言Word_Basic将宏作为一系列指令来编写。要想搞清楚宏病毒的来龙去脉，必须了解Word宏的知识及wordBasic编程技术。Wo_rd宏病毒是一些制作病毒的专业人员利用MicrosoftWord的开放性即word中提供的WordBASIC编程接口，专门制作的一个或多个具有病毒特点的宏的集合，这种病毒宏的集合影响到计算机使用，并能通过.DOC文档及.DOT模板进行自我复制及传播。

3. 土地资源评价及土壤质量研究进展

关于土地的研究评价工作，涉及土地资源评价和土壤质量研究两大方面。国外和国内在这方面的研究互有借鉴，也各具特点。

(一)土地资源评价方法研究进展

1.国外土地评价方法

土地评价的目的就是为合理利用土地、发展经济提供科学依据。根据评价过程和指标的不同，土地评价方法分为三大类。第一类是定性方法，第二类是定量方法，第三类是介于前二者之间的半定量土地评价方法。国际上典型的定性化土地评价方法有以美国为代表的土地潜力评价和联合国粮农组织的土地适宜性评价；定量化土地评价方法主要有模型方法和系统动力学方法；半定量土地评价有参数方法和生态带(区)方法。

1)土地潜力评价方法。1961年美国对土地潜力进行了评价分类。该土地潜力分类系统首先按土地的用途区分为野生、林业、牧用和农用四类，再根据土地潜力影响因子的限定性和障碍性程度将土地分为八级(表2-1、图2-1)。

2)土地适宜性评价方法。1976年，联合国粮农组织(FAO)发布了土地适宜性评价(《A Framework for Land Evaluation》)。FAO土地适宜性评价分类系统将土地分为适宜和不适宜两大类，又按适宜程度和限制性因子分为纲、级、亚级、单元四级(表2-2)。由表2-2可以看出，FAO土地适宜性评价分类系统仅仅是一个评价框架，评价结果的详略程度可以根据地区条件和评价要求的不同而定。

表2-1 美国的土地潜力分类系统Table 2-1 Land potential classification system of the USA

图2-1 美国的土地潜力分类示意图

图中Ⅰ—Ⅷ表示土地分级

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

表2-2 联合国FAO土地适宜性评价分类系统Table 2-2 Classification system of the FAO of the UN for estimating land applicability

3)农业生态区方法(AEZ)。1978年，联合国发布的农业生态区方法(AEZ)是把一个土地区域划分为具有相同性质的很小的土地单元，评价土地适宜性、土地潜力和环境影响的方法。农业生态区是依气候、地形、土壤、土地覆被来定义的土地资源单位，每个区内对土地利用来说具有特定的潜力和限制性范围；农业生态单元(AEC)是由地形、土壤、气候特征组成的最小单元，是农业生态区法的基本单元。其基本工作程序是：第一步，确定土地利用方式及其生态要求，即确定土地利用方式和土地利用方式的生态要求；第二步，从土壤和地形、气候、土地利用或土地覆被现状、行政区等方面开展土地资源调查工作，并结合农业生态区根据土地特性和质量划分农业生态单元；第三步，根据自然产量，划分土地等级。

4)持续土地利用管理评价。1993年，联合国FAO发布了《持续土地利用管理评价纲要(An International Framework for Evaluating Sustainable Land Management)》(FESLM)。该评价方法遵循生产性(proctivity)、稳定性(security)、保护性(protection)、经济可行性(viability)和社会接受性(acceptability)等五个评价准则(pillars)。FESLM指标分为自然方面、生物方面、经济方面、社会方面的指标共四大类。各类指标详尽而复杂，例如《无灌溉农业土地评价指南》中自然方面的指标包括太阳辐射、温度、有效给水状况、根层有效给氧状况(排水)、有效给养状况、养分保持能力、扎根条件、影响发芽与成苗的条件、影响生长的空气湿度、成熟条件、洪水风险、气候风险、盐碱化、有毒物质、病虫害、土壤可使用性、机械化潜力、土地预备与清理要求(植被/杂草)、存储与加工条件、影响生产时间安排的条件、生产单元内的可达性、潜在管理单元大小、区位、侵蚀风险、土壤退化风险等等。

5)模型方法。1990年，根据1989年七国首脑会议的要求，经济合作与发展组织(OECD)启动了生态环境指标研究项目，创立了“压力-状态-响应”(PSR)模型的概念框架。有关指标见表2-3和表2-4。

表2-3 压力-状态-响应模型的部分指标Table 2-3 Part of the indexes of the pressure-condition-reaction model

表2-4 环境性状相关指标(EPI)Table 2-4 Relative environmental properties index

续表

2.国内土地评价方法

我国古代对土地分类定级的工作开始较早，如禹贡时代将土地分为9等，战国时代将土地分为3等18类共90种，宋朝、明朝、清朝分别将土地分为5等、13等和4等。我国现代土地分类定级工作主要涉及三个部门或单位，即农业部、国土资源部和中国科学院南京土壤研究所。

(1)耕地地力调查与质量评价

农业部开展全国耕地地力调查与质量评价的目的在于查清我国耕地土壤养分状况、土壤污染问题。该工作以县为单位，图件比例尺1：5万；耕地基础地力构成要素包括立地条件、土壤条件和农田基础设施条件。立地条件又包括地貌类型、地形坡度和坡向等、成土母质(残积物、坡积物、洪积物、冲积物、湖积物、海积物、黄土母质等)；土壤条件包括土壤剖面与土体构型、土层状况(耕层厚度、有效土层厚度、土体厚度、障碍层深度和厚度等)、耕层土壤理化性状(质地、容重、pH值、交换量、有机质、矿质养分、含盐量、盐分构成、地下水矿化度、碱化度和石灰含量等)、直接污染源的背景值、土壤侵蚀程度；农田基础设施条件包括农田水利工程、水土保持工程、田园化与植被生态建设、土壤培肥水平等。不同类型区的耕地基础地力评价因素应反映地区性特点(表2-5)。

通过全国耕地地力调查与质量评价，将全国耕地类型区系统划分为东北黑土型耕地类型区(水稻土)、北方平原潮土-砂姜黑土耕地类型区、北方山地丘陵棕壤-褐土型耕地类型区(含黄棕壤、黄褐土)、黄土高原黄土型耕地类型区、内陆灌漠(淤)土耕地类型区、南方稻田类型区、南方山地丘陵红黄壤(含紫色土、石灰岩土)旱耕地类型区等7个类型。1996年颁布了农业部行业标准《全国耕作类型区、耕地地力等级划分》，2002年全国农业技术推广服务中心会同有关单位又制定了《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》(试行)。由上可知，该评价体系侧重于分类，在土地等级划分上仍然是以粮食产量为标准，没有将自然条件和人为投入体现出来。

表2-5 我国南方耕地基础地力评价因素Table 2-5 Factors for estimating the soil fertility of the farmland in south China

(2)农用地分等定级估价

国土资源部开展的农用地分等定级估价是“新一轮国土资源大调查——土地资源监测调查工程”的重要组成部分，是继土地详查摸清农用地数量和权属后，对农用地质量和价格的大调查，旨在摸清我国农用地质量等级与价格，建立起农用地的等、级、价体系。《农用地分等规程》、《农用地定级规程》、《农用地估价规程》三个行业标准从2003年8月1日起正式颁布实施。

农用地分等技术思路表明，土地等别揭示了生产能力及其分布，包括光温生产潜力(土地质量差异基准面)、自然质量(土地自然条件差异)、开发利用(生产者平均利用水平差异)和综合因素(平均投入产出水平差异)等，等别层次揭示了开发利用潜力。该农用地评价体系具有以下特点：①与土地详查、土壤普查成果相衔接；②综合运用土地自然评价、土地经济评价和土地利用评价的理论与方法；③在全国范围内可比，通过包括光温生产潜力指数、标准耕作制度、产量比系数、指定作物最大产量、最大“产量-成本”指数等国家级参数体系实现；④综合农用地利用现状评价、潜力评价和适宜性评价，将分等和定级结合起来。其不足之处在于没能够开展土壤样品的采样分析，部分数据陈旧。

(3)土壤质量演变规律与持续利用研究

中国科学院南京土壤研究所主持完成的国家重点基础研究计划项目(973项目)“土壤质量演变规律与持续利用”的总体目标是：建立土壤质量指标体系与评价系统，提出土壤质量国家标准的建议方案；评估我国主要类型耕地土壤质量，揭示其演变规律；揭示土壤圈层界面物质交换规律及其对土壤质量的影响机理；创建主要耕地土壤质量的保持与定向培育理论，建立典型耕地土壤质量数据库与咨询系统。主要关注的科学问题包括：①土壤质量的演变机理、分异规律及保持与定向培育理论，着重阐明影响我国土壤质量变化的主要过程、机理和调控理论，以提出均衡土壤养分和提高土壤肥力、调控盐碱和酸化障碍因子，修复污染土壤，减轻土壤侵蚀，有效提高土壤质量的理论依据，为发展土壤资源的持续利用理论奠定基础；②土壤圈层界面物质交换对土壤质量与动植物健康的影响机制，着重阐明土壤圈与水、气、生物及岩石圈层界面的主要物质交换过程、速率、通量及关键因子，揭示土壤圈层界面物质交换的规律，及与土壤质量形成和环境演变的关系，提出土壤质量培育的界面调控理论和途径；③土壤质量指标的表征理论与方法，运用先进的量化表达理论和方法，对遴选获得的表征土壤质量的指标进行赋值、标准化，依据系统研究建立的土壤质量指标体系和评价系统，对土壤质量状况进行评价。

通过重点研究，初步制定了我国主要土壤类型黑土、潮土、红壤、水稻土、菜园土的土壤肥力质量评价指标和土壤健康质量基准。

(二)土壤质量研究进展

1.国外土壤质量评价

土壤质量是土壤在一定的生态系统内，提供生命必须养分和生产生物物质的能力，容纳、降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力，影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能力之综合量度。

土壤质量包括三层内涵和功能：第一，土壤生产力，即土壤提高植物和生物生产力的能力；第二，环境质量，即土壤降低环境污染物和病菌损害的能力；第三，动物健康，即土壤质量影响动植物和人类健康的能力。这三项功能也被称为土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量，有关指标见表2-6、表2-7和表2-8。

表2-6 土壤质量田间描述性指标Table 2-6 Descriptive index of the soil quality in the field

续表

表2-7 常用土壤质量分析性指标Table 2-7 Common analytic index for soil quality

表2-8 土壤质量和健康状况参数及其与土壤质量的联系Table 2-8 Soil quality and health condition parameters and their relationship with soil quality

续表

2.国内土壤质量评价

国内关于土壤质量的研究主要集中在土壤背景值、土壤环境容量和土壤环境质量标准研究等三个方面。

(1)土壤背景值调查和研究

土壤环境背景值是指土壤在发育形成过程中，未受或很少受到人为活动的影响，特别是未受或很少受到污染、破坏的情况下，土壤本身固有的化学组成和含量。它基本反映土壤环境原有的物质组成、性质和结构特征。“七五”期间，由国家环境保护局主持、国家教育委员会和中国科学院参与主持的国家科技攻关项目“全国土壤环境背景值研究”，是迄今为止最为系统的土壤重金属背景值研究成果。与世界土壤相比，我国土壤的砷、锌、铜含量高于世界均值；汞、锰、钴在世界范围值之中；镉、铬、镍低于世界均值；铅的变异超出世界平均范围。历时16年的全国第二次土壤普查工作，重点对土壤中N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等9 种营养元素进行了系统测试分析，建立了土壤肥力分级标准。

(2)土壤环境容量研究

环境容量这一概念，大约于20世纪70年代引入到环境科学领域。目前关于土壤环境容量的概念尚在探索之中。一种观点认为，土壤存在一个可承纳一定污染物而不致污染作物的量。一般将土壤所允许承纳污染物质的最大数量称为土壤环境容量。另一种观点认为，土壤环境容量是在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所承纳污染物的最大数量。后者强调必须明确污染物对土壤生态系统的结构和功能的影响，以及系统结构和功能方面的要求。不少国家，如前联邦德国、日本、前苏联、澳大利亚等国家确定了某些污染物的土壤环境污染标准。我国对土壤环境容量研究已有一些报道。

土壤临界容量可用于表征土壤对各种污染物的容纳能力。在获得土壤对污染物的各种生态效应和环境效应，并获得各种单一体系的临界含量后，就可以采用各种效应的综合临界指标得出整个土壤生态系统的临界含量，并作为国家制定环境标准的依据和确定土壤环境容量的依据。表2-9为我国草甸褐土区各单体系的临界含量。

表2-9 我国草甸褐土区各单体系临界含量Table 2-9 Critical content of each system in meadow brown soil area of China

注：*地表径流、地下渗漏水不超标；**3.5mg/kg时，地表径流、地下渗漏水不超标。(据夏增禄，1986)

用数学模型定量表达土壤环境容量的方法尚在探索之中。目前，常采用的确定土壤环境容量的方法包括土壤静容量和土壤动容量。土壤静容量是根据土壤的环境背景值和环境标准的差值来推算容量的一种简易方法，可由C_s=M(C_i—C_Bi)表示(式中：M为每亩耕层土壤重量(kg)，C_i为i元素的土壤临界含量(mg/kg)，C_Bi为i元素的土壤背景值(mg/kg))。这时，现存容量C_sp=M(C_i—C_Bi—C_P)，C_P是土壤中人为污染而增加的量。另外，土壤环境容量也可用Q=(C_K-B)×150粗略估计(式中：Q为基本的土壤环境容量(g/亩)，C_K为土壤环境标准值(mg/kg)，B为区域土壤背景值(mg/kg))。

土壤是一个开放的物质体系，污染物可进入土壤，也可以输出。土壤动容量是根据污染物的残留来计算土壤的环境容量。假定年输入量为Q，年输出量为Q′，若Q大于Q′，则残留量为Q-Q′。随着时间的推移，残留量也不断地增加，造成积累。累积率(K)为残留量(Q-Q′)与输入量Q之比，则n年内土壤污染物累积总量A_T(含当年输入量)为A_T=Q+QK+QK²+…+QKⁿ，而n年内的污染物残留总量R_T(不含当年输入量)则为R_T=QK+QK²+…+QKⁿ。当年限n足够长时，QKⁿ趋于零，A_T达到最大极限值。因此，污染物在土壤中的年累积量为A_T′=K(B+Q)(式中：A_Tˊ为污染物在土壤中的年累积量(mg/kg)，K 为土壤污染物年残留率(%)，B 为污染物的区域土壤背景值(mg/kg)，Q为土壤污染物的年输入量(mg/kg))。假定每年残留率(K)相同、年输入量相同，则n年内土壤的总累积量为A_T=BKⁿ+QK

。从式中可以看出，年残留率K值的大小，对计算结果影响很大。不同地区的土壤，不同的污染物，其K 值也有差异，需通过试验求得。利用这种计算方法，可预测某污染物累积达到区域的环境标准所需要的年限。

(3)土壤环境质量标准研究

为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，防止土壤污染，保护生态环境，保障农林生产，维护人体健康，我国于1995年制定颁布了土壤环境质量标准(GB15618—1995)(表2-10)。该标准按土壤应用功能、保护目标和土壤主要性质，规定了土壤中污染物的最高允许浓度指标值，用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等的土壤。该标准根据土壤应用功能和保护目标，将土壤划分为三类：Ⅰ类主要适用于国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本保持自然背景水平；Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染；Ⅲ类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

表2-10 土壤环境质量标准值Table 2-10 Environmental quality standard for soils(mg/kg)

注：①重金属(铬主要是三价)和砷均按元素量计，适用于阳离子交换量＞5cmol(+)/kg的土壤，若≤5cmol(+)/kg，其标准值为表内数值的半数；②水旱轮作地的土壤环境质量标准，砷采用水田值，铬采用旱地值。

该标准规定，一级标准为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤环境质量的限制值；二级标准为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值；三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。各类土壤环境质量执行标准的级别规定为：Ⅰ类土壤环境质量执行一级标准；Ⅱ类土壤环境质量执行二级标准；Ⅲ类土壤环境质量执行三级标准。

4. 宏基因组和宏病毒组的区别是什么

①.
宏基因组是研究所有微生物，病毒占比很少，在宏基因组中研究病毒组就像是大海捞针。宏病毒组的方法就像是用吸铁石，把宏基因组中病毒组部分吸出来，只看病毒就能避免宿主、细菌序列的影响。另外，宏病毒组分析流程和宏基因组有很大区别。
②.
病毒宏基因组测序又称宏病毒组，是在宏基因组学理论的基础上，结合现有的病毒分子生物学检测技术而兴起的一个新的学科分支。 宏病毒组直接以环境中所有病毒的遗传物质为研究对象，鉴定环境中的病毒组成， 是一种发现新病毒、 病毒感染预警和控制的手段， 在病毒的起源和进化模式、遗传多样性和地理分布等研究方面也具有重要意义。
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5. 谁了解宏病毒组测序方法和原理

宏病毒组测序的原理：宏病毒组测序分析是对样本中所有病毒的遗传物质为研究对象，主要原理是通过富集病毒核酸，构建高质量的宏病毒组文库并进行高通量测序提取流程如下：
1.样本预处理
2.去除宿主并富集病毒颗粒
3.提取病毒核酸（DNA/RNA/总核酸）
4.核酸质量检测

然后对核酸提取合格的样品采用标准或者微量建库的方法构建200-500bp的小片段文库，并提供文库质检报告，文库质检合格的样品进行双端PE150测序。流程如下：
1.片段化（200-500bp）
2.末端修复、接头链接
3.PCR扩增
4.文库质检
5.上机测序

最后再根据获得的数据结果进行生物信息分析。
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6. 宏病毒组学｜病毒组的应用

噬菌体在自然环境中的意义在于它们能够在宿主体内复制，从而影响细菌群落的多样性，在人体内，噬菌体的作用是保护人体免受致病菌的侵袭；海水中含有4´1030种病毒，这使其成为最大的噬菌体库；土壤噬菌体具有影响其养分循环及植物根系与细菌之间的共生关系的功能。在人工环境中，噬菌体介导细菌生长的能力可以被开发为多种用途，由于其特殊性导致它们可以轻易地被基因改造；在废水处理中，噬菌体可以用来影响现有的细菌群落，从而提高处理效率；在工业上，噬菌体的应用主要为控制食源性病原体和减少石油工业中问题细菌的数量(图1)。

病毒组在农业领域的应用

最初，噬菌体疗法主要应用在医学领域，即对感染人类的相关致病细菌进行治疗。40至50年前，噬菌体疗法作为控制植物病原体的手段，在农业环境中被广泛探索。在这些试验中出现了两个主要问题: (1)病原菌产生的胞外多糖阻止了噬菌体的吸附，(2)菌株之间存在不同程度的敏感性。随着对病毒组学研究的深入，使用噬菌体疗法来控制植物性细菌病原体的生长已经被越来越多地探索。近年来，在土壤-植物(作物/蔬菜/果树)体系中引入“农业噬菌体疗法”(agricultural phage therapy)来灭活致病细菌的研究也得到了发展(图2)。显而易见，噬菌体疗法(也称为噬菌体生物防治)的一个优点便是减少了对病原体使用化学制剂，这避免了与环境污染、生态系统破坏和作物残留化学物质有关的问题。

土壤“病”了，给农作物供应再多养分也没有意义，土壤微生态失衡被视为农业领域亟待解决的重要难题。青枯菌( Ralstonia solanacearum )是世界范围内最具有毁灭性的植物病原菌之一，由于其致死性和持久性强，并且具有广泛的宿主范围以及广阔的地理分布，受该菌侵袭的土壤经常发生作物减产，甚至绝收的情况，由此造成的经济损失不可估量。 Akiko Fujiwara 等研究发现溶解性噬菌体(FRSL1)对青枯菌具有生物防治作用( Akiko Fujiwara , et al, 2011 )(图3)。

当然，为了提高噬菌体在生物防治中的抗菌效果，必须深入了解噬菌体生态学以及各种环境下噬菌体与宿主之间复杂的相互作用。这些噬菌体及其宿主细菌的基因组信息将有助于了解噬菌体的特性、噬菌体与细菌相互作用的历史和分子机制。

病毒组在生态环境领域的应用

从大的方面来讲，环境病毒的生态功能主要有三方面( 王光华， 2017 )(1)调控寄主群落结构。众所周知，自然生态系统中有两种主要现象调控微生物群落结构，即从底向上(Bottom-up)和从上而下(Top-down)的两个生态过程( Lenoir L,et al, 2007 and  Thomas WC, et al, 2013)。噬菌体调控细菌群落结构是一种经典的 Top-down 调控，虽然学术界意识到该调控作用的重要性，但目前对这一调控过程的研究还处于黑箱状态，已有的报道主要是针对特定噬菌体及其寄主的动态变化( Ashelford K E, et al, 2009 )，尚缺乏群落水平的研究结果。Allen( Allen B, et al, 2013 )等人以茶提取物作为噬菌体抑制剂添加到阿拉斯加土壤中，发现添加茶提取物在显着降低土壤中噬菌体数量的同时，也增加了微生物生物量和土壤呼吸速率，但该文对细菌群落结构是否产生影响没有报道。(2)直接或间接参与元素地球化学循环。病毒的这种作用体现在它的感染率、致死率、病毒的周转时间以及其巨大病毒数量上。病毒感染在引起寄主细胞死亡裂解的同时，也促发寄主细胞营养元素释放到环境中去，进而促进了元素的生物化学循环，这种由病毒介导的食物链传递方式叫做 Viral loop。有报道指出，在海洋中由病毒推动的碳环量占该生态系统碳循环总量的6%—26%( Weinbauer MG ， 2004 )。但与此相对应的土壤病毒，特别是土壤噬菌体在多大程度上促进了元素循环还未见报道。(3)作为基因水平移动的媒介。这个功能不难理解，正是病毒与寄主的共进化推动了地球生物群落不断演替，形成了如此多样性的地球生态系统( Thingstad TF, et al, 1997 )。

在调控寄主群落结构方面，通过噬菌体控制细菌宿主，并以此减缓耐抗生素细菌的繁殖，受到越来越多的关注。在与细菌共同进化了数十亿年之后，噬菌体拥有了独特的感染宿主的能力，这使其能够在对微生物群落的其他部分几乎没有影响的前提下，控制有问题的细菌。与抗生素或杀菌剂不同，噬菌体可以继续复制并感染目标细菌，因此，部分学者认为可将基于噬菌体的微生物控制应用领域扩展到生态环境保护，比如在废水处理时减缓废水处理厂(wastewater treatment Plants,WWTPs)中耐抗生素细菌(antibiotic-resistant bacteria, ARB)的扩散。通常分离的窄价(narrow-host-range)噬菌体的感染性在加入到活性污泥后就会迅速下降，而多价(broad-host-range)噬菌体在活性污泥的微观世界中增殖极快，特别是当与它们的其宿主一起加入时。Pedro等利用非致病性生产宿主(Pseudomonas putida)培养多价噬菌体(PER01和PER02)，并测试宿主噬菌体混合物在活性污泥微环境中抑制耐多药(耐内酰胺)大肠杆菌NDM-1的能力，此外，他们对窄价大肠杆菌噬菌体鸡尾酒(MER01和MER02)也进行了测试，以作为对照(图4)。研究发现在抑制耐抗生素细菌模型方面，多价噬菌体鸡尾酒(PER01和PER02)明显比窄价大肠杆菌鸡尾酒(MER01 and MER02)更有效。在实验中， β -耐乳糖大肠杆菌NDM-1的最初浓度为6.2±0.1 log10 CFU(菌落形成单位colony-forming units)/mL，5天后，经多价噬菌体鸡尾酒处理的NDM-1浓度显着降低至3.8±0.2 log10 CFU/mL，而大肠杆菌鸡尾酒处理后浓度为4.7±0.3 log10 CFU/mL。由于存在替代宿主，多价噬菌体能够达到更大的密度，以增加耐抗生素细菌感染的可能性。含有blaNDM-1抗性基因且存活的大肠杆菌的比例(0.57±0.07)显着低于对照组(0.74±0.08)。因此，由非致病性宿主安全生产的多价噬菌体可以提供一种新的方法来控制废水处理厂中的耐抗生素细菌，并减缓相关耐药基因在环境中的繁殖和释放(图4)。

不仅如此，Pedro等的研究结果表明，多价噬菌体可以特异性控制目标细菌，而对活性污泥的活性几乎没有影响(以耗氧量衡量)。重要的是，多价噬菌体可以利用多个宿主，因此可以避免在生产过程中需要利用病原性或难以培养的宿主。传统的窄价噬菌体必须使用细菌靶标来生产，这可能产生重大的安全问题。此外，由于多价噬菌体可以在良性宿主中产生，因此在使用前可能不需要从宿主中提纯它们(图5)，从而大大节省了资金和运营成本。

与任何抗菌剂一样，噬菌体必须达到足够的浓度(即必须达到适当的噬菌体与宿主的比例，也称为感染复数(multiplicity of infection,MOI)，才能确保有效的微生物控制。然而，废水中活性污泥组成非常复杂，在感染宿主之前，噬菌体可能会因吸附污泥絮凝体、悬浮颗粒和共生菌而被去除。此外，环境压力，如太阳辐射和极端温度、盐度和pH值，也可能减少噬菌体数量和阻碍感染。总的来说，噬菌体的效价是两个相反过程的结果：生产性感染后的噬菌体复制和各种应激源引起的噬菌体衰变，表明噬菌体在增殖和抑制废水处理厂(wastewater treatment Plants,WWTPs )耐抗生素细菌(antibiotic-resistant bacteria,ARB)方面的能力仍需增强，这对于减少耐抗生素细菌对环境的排放是极为重要的。

也有研究通过对比宿主特异性性噬菌体、噬菌体鸡尾酒和多价噬菌体三者对土壤中ARPB和ARGs的抑制效果。发现在各种噬菌体处理中，鸡尾酒噬菌体对土壤和胡萝卜组织中ARPB/ARG耗散作用最显着，其次是多价噬菌体和宿主特异性噬菌体处理，但是多价噬菌体在维持土壤和胡萝卜组织中微生物群落的生态功能方面优于鸡尾酒噬菌体处理(图6) ( Ye Mao,  et al, 2017 )。

病毒组在医药领域的应用

噬菌体疗法指的是将噬菌体作为生物制剂来杀灭目标细菌。溶解性噬菌体开始感染宿主时，吸附在细菌宿主表面的特定受体上，这些受体可能位于革兰氏阳性或阴性细胞壁，以及多糖胶囊，甚至附属物如菌毛和鞭毛上。噬菌体和细菌受体之间的锁钥关系通常决定了病毒能够感染的宿主范围，具有特征性的噬菌体受体的数量也在不断增加。吸附后，病毒将其遗传物质释放到宿主体内，大多数与人类病原体相关的裂解噬菌体属于尾状病毒科和微病毒科，具有双链或单链DNA基因组( Lin DM , et al, 2017 )。接下来，病毒接管细菌的复制机制，创造下一代噬菌体，复制持续到噬菌体编码的蛋白质被激活，以裂解细胞，有效地杀死宿主，并允许新合成的病毒逃逸，重新启动周期。尽管噬菌体不是活的有机体，但它们确实是动态的实体，而溶解周期是噬菌体疗法的基石。相比之下，抗生素是一种只能选择性破坏细菌某些生理过程(如蛋白质或细胞壁合成)的化学物质，和噬菌体的作用机制存在很大的差异(表1)。1915年和1917年噬菌体被发现后( O’Flaherty S, et al, 2009 )，即被提议用于治疗人类细菌感染。目前，已经证实了实验性噬菌体治疗由革兰氏阴性菌(包括铜绿假单胞菌，伯克霍尔德氏菌( 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)，动物模型也证明噬菌体可以作为注射剂来治疗全身败血症感染，而应用噬菌体治疗人类局部感染也取得了成功的结果( Rhoads DD , et al, 2009 and Wright A)。随着其在治疗中补充或替代抗生素的潜力的推进，预计未来将有更多的临床试验和多样化的应用。

甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)引起的呼吸道感染可发展为致命的全身感染，噬菌体疗法有望对这些严重感染有效。在利用噬菌体对严重败血症的葡萄球菌呼吸道感染进行治疗时发现，噬菌体S130的使用总体上降低了金黄色葡萄球菌密度，并且在不同组织(例如肝，脾，血和肺)中存在显着的噬菌体复制，实验小鼠感染后6小时腹腔注射噬菌体可减轻其感染的严重程度。在肺中，噬菌体裂解可能在没有生物分子抑制的情况下发生，因为在肺中检测到显着更高的噬菌体浓度。此外，在肺支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)的噬菌体裂解实验中未观察到抑制作用。这些结果可能的解释为：金黄色葡萄球菌在小鼠模型的肺中分布不均匀，并且在肺组织的选择中存在取样偏差。而在一位左胫骨感染了XDR Acinetobacter baumannii 和 MDR Klebsiella pneumoniae的病例中，噬菌体和抗生素进行的联合治疗能有效对其症状进行控制( Ran N P ， et al, 2009 )。

人类刚刚开始扩展噬菌体的用途，尚存在一些技术上的困难( O’Flaherty S, et al, 2009and Lu TK, et al, 2011 )。例如，与将任何药剂配制成半固体剂型(如乳膏或软膏)，将噬菌体掺入转移载体中使得整个最终产品具有均匀性是非常重要的，这确保了药物的一致性。另一方面，与其他药物不同，噬菌体是依赖于其结构完整性的大型生物实体，它们的尾巴也有一定的生物功能。最近在欧洲的PhagoBurn临床试验( Jault P , et al, 2019)中观察到噬菌体结构完整性对于治疗应用是非常重要的，据报道，噬菌体治疗效果不佳，可能是由于在制备治疗敷料期间对病毒的物理损伤造成的(图7)。噬菌体给药导致某些受试者产生噬菌体中和抗体，可能也会使噬菌体治疗无法达到预期的效果。为了促进噬菌体疗法的多功能临床应用，噬菌体和噬菌体疗法的研究应旨在通过开发基于现代科学技术的下一代噬菌体疗法来克服技术障碍，在本书特别篇——噬菌体疗法中会进行详细分析。

传统培养方法只能以已知的病毒为目标，很难发现新病毒，而宏病毒组的方法则结合了新一代测序技术以及随机PCR技术，能够挖掘大量未知病毒， 而且不需要分离培养，这为部分高分散、低丰度的病毒系统分析和鉴定提供了新的途径。我国拥有十分丰富的生物资源，在病毒领域的挖掘潜力极大，这对于我国的宏病毒组学研究是一种得天独厚的优势，研究人员借助宏病毒组学的方法已成功地从不同环境样本（人体、自然及人工环境）中鉴定出了多种病毒，这使人们了解到不同的病毒构成及其中间宿主的病毒携带状况，不仅丰富了病毒库，同时也增加了人们对病毒分布以及多样性的认识，进而更能有效地防治病毒的侵袭。此外，利用宏病毒组实时去监控致病性病毒及潜在致病病毒的变化情况，有助于分析新的或尚不明病原体的疾病，对快速检验突发的病毒性公共卫生事件意义重大。

未来在病毒组学方面，宏病毒基因组学将成为强力工具。目前，环境中病毒功能探索仅仅局限于序列筛选。但随着测序技术等新技术的发展，宏病毒组学足以更广泛和精确地应用在病毒相关领域。总之，宏病毒组学的发展必将突破传统技术瓶颈，在未来展现其的优势。

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7. 宏病毒组技术与宏基因组有什么不同吗

用宏基因组来研究病毒是前几年用的比较多的方法，但是缺点很明显，宏基因组数据95%以上为宿主基因组污染，而细菌基因组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%的数据中，病毒DNA的reads比例也非常低，造成检测到的病毒DNA远低于样品中实际的病毒水平。由此可见，通过宏基因组的数据对病毒进行研究，会造成对病毒组认识的偏差。因而，去除宿主和细菌DNA后，单独对病毒组进行研究非常有必要。

所以利用宏病毒组的方法来研究病毒的优势就非常明显，也越来越受到相关科研团队的关注。宏病毒组的特点是只对样本中的病毒组序列进行研究，这样的话就避免掉了宿主以及细菌序列的影响，能够极大的提高数据的利用率。

然而，病毒组数据分析也面临如下挑战：（1）由于病毒非常小、进化速度快且难于培养，因此对病毒的研究相对困难。此外病毒缺乏类似于细菌16S rRNA基因序列的系统发育标记，对于环境病毒组的研究变得更为复杂。要对环境样本中的所有病毒进行研究，不可避免的会受到样本中其他物种DNA的影响；（2）病毒数据库不够丰富，病毒群落的基本结构和功能性研究还比较难。

由于人体各个部分的微环境不同，因此不同部位的病毒组均存在差异。其次，年龄、饮食习惯以及宏基因组中的其他组分等因素也会影响病毒组的组分构成。利用二代测序技术对病毒组进行研究，不仅可以在健康人群和患病个体中发现新的病毒，也可以研究特定疾病与病毒的关系。病毒组研究最有意思的发现之一是病毒与微生物组中的其他组分相互作用，尤其是细菌。病毒与细菌之间的相互影响可以增强或减弱抗病毒免疫反应从而控制病毒感染。这种影响是相互的，病毒也可以反过来调控细菌感染。对于在宿主特定遗传环境下病毒与其他微生物的相互作用及其对病人健康状态的影响的研究才刚刚起步，有待进一步深入，但目前的研究结果表明病毒及其他微生物对免疫反应的调节会影响感染的结果。
近两年，许多科学家越来越多的开始关注病毒组，在实验技术的改进和数据库的扩充上有重要的进展。但总体来说，目前病毒组研究的报道要么是基于人类基因组计划产出的全基因组测序数据，要么样本量有限，还有许多未知的领域有待探索。
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8. 什么是土壤地理学，土壤地理学发展的国际和现状

土壤地理学是研究土壤与地理环境相互关系的学科。是土壤学和自然地理学之间的边缘学科。它研究土壤的形成、演变、分类和分布，为评价、改良、利用和保护土壤资源，发展农、林、牧业生产，提供科学依据。 土壤是覆盖在地球陆地表面上能够生长植物的疏松层。土壤不仅具有自己发生发展的历史，而且是一个从形态、物质组成、结构和功能上可以剖析的物质实体，它被看作是一个独立的历史自然体。
土壤地理学今后的发展，将注重以下几个方面：
①在方法论方面，将更加重视宏观研究与微观研究的结合，注意用生态学观点研究土壤地理学；
②在研究内容方面，重视土壤学与地理学及其他有关学科的联系和渗透；
③在具体方法方面，将向指标化、数值化发展；
④土壤制图和土壤理化分析方面，将向简便、快速、准确的方向发展。
土壤地理学作为一门独立的学科时间还不长，但它在国民经济和科学发展中，已显示出重要的作用。随着社会和生产的发展，必将对土壤地理学提出更高的要求。今后，要很好掌握研究方向，推动土壤地理学的发展。

（一）围绕国民经济建设的需要发展
土壤是可以再利用的自然资源，在合理开发利用下，保持其良性的生态平衡，是人类世代生存的依托。因此，土壤地理学应该把本身的理论和技术，运用在保护和合理利用土壤资源这一关系到国计民生的主题上，以满足国民经济建设的需要。这里很重要的就是人与土壤资源的关系问题。据测算，到2000年世界人口达61亿时，粮食应净增6亿吨，即需在现有耕地15亿公顷基础上扩垦耕地2亿公顷。对此，联合国粮农组织及教科文组织通过对世界陆地生态图、世界土壤资源图及世界土壤宪章等项研究，规定了土地资源开垦和保持与改善环境等国际政策；国际地圈计划（IGBP）也提出影响生态环境的土壤资源在自然条件及人为条件下的变化。这些情况说明，当前国际上对土壤资源及生态环境的研究给予了充分重视。中国人口增长与粮食生产的矛盾也很突出。到2000年，人口若增至12亿，在耕地总面积不太可能扩大的情况下，人均粮食按500公斤计，则粮食总产要比1984年增加80%。因此，围绕满足21世纪中国人口增长对粮食需求，今后要开展人类活动对中国生态环境影响及其对策的研究。其内容涉及土壤地理学方面的有：在人类活动影响下，中国环境生态良性循环规律与经验总结，包括高低产土壤肥力的培育与提高、热带亚热带地区农业的综合配置、长江流域的多熟制与集约耕作、沙漠的固沙造林、黄淮海平原旱涝盐碱综合治理等；人类活动引起环境生态的恶化趋向，包括土壤退化与不同土壤肥力减退规律、水土流失规律与预测、土壤沼泽化、盐渍化与沙漠化的演替与发展、森林及草原更替与退化趋势等；建立高效能、高生产的环境生态良性循环示范模式。包括的地区有热带亚热带、长江中下游、华北平原、东北平原、东北森林和沼泽及山地丘陵等。通过研究，提出一批中国不同地带与地区的经济效益、生态效益及社会效益的环境生态示范模式，为21世纪提高中国土壤资源生产承载能力，满足人类对生物产品的需求提供科学依据。土壤地理学在解决这些国民经济建设重大问题的过程中，将充分发挥作用，同时自身也必定得到发展。

（二）搞好本学科的基础研究
在土壤地理学的今后研究方向上，应当把土壤提到“土壤圈”的认识高度，着重围绕土壤圈的结构演化和功能开展深入研究。其中研究内容如土壤结构模式，复合农业生态系统和营养元素循环，能量转换规律，土壤圈与大气圈、生物圈、水圈的相互关系，在自然与人为条件下，土壤演化模式与演变规律，土壤水分循环等都与土壤地理学有关。国际土壤学研究现在从静态成土因子的描述，向按热力学研究土壤中物质运动的方向发展。同时通过长期动态观察，研究水能和热能运输与土壤发生的关系，得出各种典型的土壤发生模式，运用数学及“诊断土层和诊断特性”鉴定法，将土壤分类由定性引向定量与指标化的方向，同时不断注意将土壤发生分类研究与实际应用紧密结合。为此，今后中国土壤发生分类的研究，应在不同地区（如西北、华北、华南等）长期定位观测、深入研究土壤动态发生特性和过程的基础上（重点是不同土壤的元素空间分异、迁移特征及土壤-植物间元素交换规律），全面建立以诊断层、诊断特性为依据的土壤分类数量指标，逐步完善中国自己的土壤系统分类制。还要建立完整的土壤制图及土壤资源评价原则和方法。此外，中国土壤侵蚀规律及其防治；土壤盐渍化的发生与防止；土壤水盐运动规律及土壤盐渍化预测预报；土壤生态及环境保护（包括农田、草原、森林生态系统的物质循环及能量传递）；城乡经济发展的复合生态系统结构、功能及演变，都与土壤发生分类研究有紧密联系，也是当今国际上共同关注的研究课题。
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（三）加强综合研究
土壤地理学是一门综合性很强的科学，其应用范围也很广泛。要使土壤地理学发挥更大的作用，必须加强学科的交叉与渗透，运用生态科学和系统科学的方法加强综合研究。如数学向土壤地理学的渗透，使土壤地理学由定性进入定量阶段，并用数理统计方法对土壤进行分类，研究土壤形成过程，建立数学模型，进行系统模拟，进而为人工调控土壤提供最佳方案。土壤信息系统是对土壤及其环境进行综合分析和应用的系统，目的在于实现土壤及其有关信息的输入、存储、检索、分析、加工及图像、报告等输出功能，为加速土壤学研究向数字、定量及模式化方向发展提供新的途径。当前国际土壤信息系统大都以农业生态环境系统研究为主，着重收集包括土壤、土壤肥力、气候等环境因子在内的农业与土壤资源信息，以便对施肥、灌溉等各种农业技术进行监控、建模，进而向具有系统分析和人工智能特色的信息系统方向发展。针对上述情况，中国首先应从农业生态环境信息系统入手，通过对土壤、土壤肥力、气象、作物品种及农业经济等数值信息的采集、输入和加工，从而加速农业生态研究，达到数量化、模式化，为实现农业生产的预报预控创造条件；其次再发展中国的土壤资源信息系统，研究内容包括土壤信息的处理与应用、土壤信息处理中的模式识别和判断、土壤信息的计算机模拟、土壤数据库的管理、土壤信息采集和信息本身的标准化、规范化问题等。

（四）积极应用新技术和新方法
土壤地理学的发展，在很大程度上取决于研究方法的完善和技术、设备的改进。现代技术科学的进步，促进了土壤调查和测试技术的发展。如遥感技术，可以改变我们调查研究的程序，即由局部到整体而变成由整体到局部，从而争取了时间和提高了质量，并能够研究过去无法探索的领域和问题。仪器分析代替了冗长的化学分析，并提高了分析精度。随着光谱、质谱、色谱及电化学分析技术向土壤科学的渗透，使得土壤测试新技术有很大推进，并使土壤基本性质的研究愈加深入。随着偏光显微镜、电子计算机、电子显微镜等分析仪器技术的不断进步，土壤微形态学，土壤生态系统的研究，土壤分类的定量化也随之发展。可以预料，新兴技术将促进土壤地理学取得新的突破。

国内外对比
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（一）国外土壤地理学的发展概况
俄罗斯学者B.B.道库恰耶夫（Докучаев）的是土壤地理学的奠基者，又是地理景观学说的创始人和现代科学的地理学的奠基者。他的土壤地理学的理论长期指导着世界土壤地理学的发展。1883年他发表了着名的《俄国黑钙土》一书，在书中他首先提出土壤是独立的历史自然体，认为土壤有它自己发生和发育的历史。于是，土壤研究不再是农业化学和地质学的分支，而成为一门独立的学科。同时他把土壤形成与环境条件联系起来，提出有名的成土因素学说。他认为，土壤是五大成土因素（母岩、气候、生物、地形和时间）综合作用下的产物，并创立了土壤生成因子公式。这样就把土壤的发生与地理环境联系起来。在这个思想指导下，他进一步发现，土壤与地理环境之间辩证的复杂关系，并从历史发生的观点发现，地球上的土壤有规律的与纬线平行呈带状分布的特点，从而提出土壤地带性学说。同时他又拟定了土壤地理调查和编制土壤图的方法。于是，他创立了以发生学观点来研究和认识土壤的发生学派，为近代土壤地理学的发展奠定了基础。道库恰耶夫的土壤发生学理论不仅成为前苏联土壤学发展的指导思想，而且对国际的土壤学和自然地理学的深刻影响一直延续至今。他的继承者B.P.威廉斯（Вильямс）在他的学说基础上，提出统一的土壤形成过程是生物小循环和地质大循环的对立统一过程，而生物因素和生物小循环起主导作用，同时指出土壤的本质特性是土壤肥力。这种观点被称为土壤生物发生学派。
实际上，在土壤发生学建立之前，在西欧已经出现了以J.F.李比希（Liebig）为代表的农业化学土壤学派和以F.A.法鲁（Fellow）为代表的农业地质土壤学派。前者是把土壤单纯看做一种养料贮存库，认为土壤生产力决定于所贮存养料的多寡，而植物只是从土壤中吸收养分、消耗土壤肥力的有机体。后者认为，土壤是岩石经风化作用而形成的地表疏松层，由此导出随着土壤的发育，风化和淋溶作用趋于增强，必引起土壤养料越来越少，肥力下降的结论。这两个学派的基本观点在土壤发生学派出现以后都被否定。但西欧土壤学者所建立的土壤研究方法如土壤分类体系，微形态学研究等，在西欧和其他一些地区还有一定影响。
美国土壤学发展史上在相当长的时间内是接受土壤发生学派的观点，美国土壤学者C.F.马伯特（Marbut）是美国土壤科学的奠基者，他提出的美国第一个土壤分类系统仍然体现了土壤发生学的基本观点。但他确定的基层分类单元土系是以土壤本身的性态为研究核心。40年代美国学者H.詹尼（Jenny）用函数式定量对土壤和环境因素之间的联系进行了多相相关分析，随后将土壤生成因子公式扩大应用到生态系统上，成为状态因子公式。60年代斯密斯（Smith）等人对土壤形态、属性和分类进行定量研究，1975年出版了《土壤系统分类学》（SoilTaxonomy），提出按土壤诊断层和诊断特性对土壤进行分类。这一分类制在世界上迅速推广，与土壤发生学分类制对峙出现在土壤地理学领域中。

（二）中国土壤地理学的发展概况
中国农业有着悠久的历史，劳动人民在长期的农业生产活动中，随着生产实践经验的积累，对土壤的认识愈来愈深刻。古代有关土壤知识的记载非常丰富。大约在两千多年前的《尚书·禹贡篇》一书中记载了当时有关土壤的生产性质、地理分布和土壤等级的知识，可以说是世界上有关土壤地理的最早文献。稍后的《管子·地员篇》对于土壤种类描写得很详细，该篇中把九州土壤划为上、中、下3等，18个类型，每类又分5种，即所谓“九州之土凡九十物”，并叙述了它们的性状、生产情况等。《管子·地员篇》可说是中国最早的土壤分类文献。中国其他古书如《周礼》、《汜胜之书》、《齐民要术》等，也都有关于土壤地理知识的记载和总结，中国劳动人民在长期的生产活动中积累的这些宝贵经验，为中国和世界的农业科学、土壤科学和地理科学的发展提供了宝贵的资料。但是由于长期封建统治的桎梏，中国古代开创的土壤地理研究未能得到很好的发展。
中国近代土壤地理学的发展约有60余年历史。1930年前后开展了较大规模的有计划的土壤调查研究工作，曾调查中国中、东部的土壤，并纯粹用地质学方法进行命名。1930—1949年期间，中国土壤科学的发展受欧美土壤学派的影响较大，在这段时间里，先后对中国的主要土壤开展了调查研究，编绘了全国性和地方性的土壤图，出版了土壤专报、土壤季刊，编译了《中国之土壤概要》等专着，拟定了中国最早的土壤分类系统（1941），当时受美国土壤分类的影响，建立了2000多个土系。值得指出的是，中国土壤工作者在30年代就把水稻土作为独立的土类划分出来，而且明确地指出了水稻土的形成与灰化过程的本质区别，这在当时来说是一个相当重要的成就。
中华人民共和国成立以后，中国土壤地理学有了长足的进步，土壤地理学的研究一直是围绕国民经济建设和土壤地理学发展的需要开展的。在土壤资源调查和开发利用方面，先后开展了全国性的土壤普查、黄淮海平原盐碱土治理和南方丘陵红壤综合利用等，在工作中广泛采用了遥感航空制图技术。在土壤发生与环境生态方面，重点开展了中国红壤、黑土、盐渍土、水稻土、山地土壤的发生分类研究。近年来还开展定量土壤分类研究。与此同时，不仅开展了生态系统研究，而且还在土壤本底、容量等研究方面，取得明显的进展。随着近代物理学等新兴科学的发展，土壤测试手段和土壤信息系统研究也有了可喜的进展。

9. 土壤化学和环境化学研究进展

(一)土壤营养元素与植物营养

1840年德国李比西(J.F.Liebig)出版了《化学在农业和植物生理学上的应用》一书，提出了土壤是养分的储存库，无机物可以转化为有机物，只需要使用矿质肥料，把植物吸收的矿质养分归还土壤，就能使土壤的耗损与营养物质之间保持平衡，物质的生物循环过程可以免于土壤肥力下降。19世纪后半叶，法鲁(F.A.Fellow)、李希霍芬(F.V.Richthofen)、拉曼(Ramann)等将土壤的形成过程看作是岩石矿物的风化过程和物质的地质循环过程。他们认为岩石风化的碎屑物是植物生长所需矿质养分的来源，土壤是植物养分的储存库；同时，土壤中的矿质养分遭到淋溶，肥力下降，最后变成岩石。

20世纪30～40年代，前苏联维尔拉德斯基(В.И.Вирнадский)和维诺格拉多夫(А.П.Виноградов)证实了土壤形成过程并不是与风化过程和矿物质形成过程完全等同的一种过程，而是一种综合的生物地球化学过程。与此同时，威廉斯(В.Р.Вилbямс)首次提出了土壤统一形成过程的学说，特别强调生物在土壤形成过程中的作用，建立了土壤结构性和土壤肥沃性的新观点。他们系统地研究了植物-土壤系统中所形成的植物有机体和无机灰分的化学组成，阐述了植物在矿质营养元素生物循环中的生物地球化学作用和土壤形成作用。以后的研究也证明，由于有机质的分解和矿化的硅、铝、铁化合物进入生物循环，形成次生粘土矿物，如氧化硅、碳酸钙、水铝英石和蒙脱石类等。

1952年波雷诺夫(Б.Б.Полынов)对风化壳的形成、类型和地球化学过程进行了深刻的论述。1954年费尔斯曼(А.Е.Ферсман)将风化和土壤形成产物的移动、分异和聚集过程的整个土圈及风化壳称为表生作用带。土壤水分状况对土壤中物质的运动和土壤形成过程具有重要的影响。同时，风化和土壤形成物的侧向和横向再分配、分异作用及次生积聚过程在土壤形成过程中也具有很重要的作用。20世纪70年代以来卡瓦古齐(K.Kawaguchi)等重点研究了土壤处于氧化还原交替环境下引起物质移动和累积的情况，特别是水稻土的发生与演变，1978年在菲律宾还专门召开了国际水稻土学术会议。

土壤是营养元素进入有机体的主要环境，土壤中营养元素不足或过剩，必然影响有机体内多种生物化学过程的正常进行，不利于有机体的发育，甚至引起植物病害。如缺锌可引起柑橘叶子出现斑点斑病，停止生长；缺铜可引起果树枯枝。

土壤营养元素除高背景值与低背景值区对农业产品的数量与质量有重要影响外，在土壤营养元素含量属于一般的中等水平地区，由于区域间环境条件的差异和农业产品的多样性，不同自然条件和不同农业结构区域，往往出现某些营养元素的不足，采用增施某些营养元素的方法可获得农作物的显着增产及改善产品品质，因此在我国不少区域开发了硼、钼、锌、铜及稀土等微量元素肥料。为了合理利用微量元素肥料，必须掌握区域土壤环境背景值，以及背景值的活性，这样才能既达到作物增产的目的，又可防止过量施用这些肥料造成土壤污染而危害有机体的后果。

土壤中某元素有效态含量C与全量A的比值，称为该元素的活性B。B是土壤元素全量、有效态、土类、有机质、粘粒、pH值的函数。引入土壤元素背景值的活性就可在农业上使用背景值数据。已知A、B，即可求C，与有效态临界含量相比，就可指导微量元素肥料的经济合理施用。我们可以借助土壤背景值含量粗略计算土壤中有效态含量范围与供给水平，也可借助元素活性反推土壤中元素的丰缺，判断是缺全量或是活性低，从而采取相应的对策，既可使微肥使用合理，作物显着增产，又可防止过量施用造成土壤污染。

(二)元素形态分析与生物有效性研究

由上可知，元素总浓度分析已不能满足科研和生产的需要，如铬、砷、硒是常见的多价元素，不同价态的化合物具有不同的毒性和化学活泼性。如铬(Ⅲ)是人体的必需元素，它在细胞表面有专门受体，并能调节胰岛素正常代谢，但铬(Ⅳ)对人体有高毒性，并能致癌。

Barber(1984)用生物有效性(Bioavailability)的概念将养分区分为“潜在有效”和“实际有效”。研究元素价态工作始于20世纪70年代末，后在国内外逐渐成为重要的研究方向，主要在环境监测、冶金、食品、材料催化剂等领域开展。

元素的价态分析的最终测定方法，与以往的总量测定相同。关键是前处理中采用化学分离法把同一元素的不同价态进行分离。分离方法有有机溶剂萃取法、离子交换树脂分离法和氢氧化物共沉淀法等，然后根据各元素的不同性质可用分光光度法、原子吸收光谱法、电化学分析法、气相色谱法等测定。如俞穆清等提出了用N₂₃₅-MIBK 体系萃取铬(Ⅳ)，TTA-乙醇-MIBK体系萃取铬(Ⅲ)，Na(PO₃)₆-N₂₃₅-MIBK 体系萃取总铬，再用原子吸收光谱法测定的方法。王顺荣探讨了在不同酸度条件下用4-硝基邻苯二胺-甲苯分别萃取硒(Ⅳ)和硒(Ⅵ)，然后用气相色谱法测定的方法。

近年来高精仪器的出现，新的有机试剂的合成，以及计算机在分析化学中的应用，使分析元素价态的方法日趋简单、快速、准确，灵敏度也有了提高。一般不需用化学分离技术，在试样中可直接连续测定同一元素的不同价态，或分别测定具有不同价态的多种元素。例如，孙群等用离子色谱法，在其他大量阴离子存在的情况下，通过把紫外/可见光检测器和电导检测器串联使用可同时分离并测定环境样品中砷(Ⅲ)、砷(Ⅴ)、硒(Ⅳ)和硒(Ⅵ)。迟锡增应用APDC-MIBK-GFAAS法可测定砷(Ⅲ)、砷(Ⅴ)、硒(Ⅳ)、硒(Ⅵ)、锑(Ⅲ)和锑(Ⅴ)。

(三)土壤-植物系统中营养元素的相互作用与有效性

重金属元素(如Cd、Pb、Cu、Zn等)间、营养元素(如N、P、K、Ca、Mg等)间的相互作用研究得已较多，而重金属元素与营养元素间的交互作用研究目前尚处于起步阶段，属于重金属元素污染生态研究的前沿。

1.重金属元素对营养元素在土壤中化学行为的影响

重金属元素对营养元素在土壤中化学行为的影响是土壤重金属污染危害的一个重要方面，它是隐蔽的、长期的，也是导致土壤生产力下降的本质原因，但这方面的研究工作目前在国内外开展得尚不多。

土壤营养元素的吸附解吸过程在某些营养元素的生物有效性方面起着重要作用。K吸附动力学研究发现，添加Cu、Cd明显地降低了土壤对K的吸附，添加量越高，降低程度越大。而且Cu对K吸附的抑制作用大于Cd。K的缓冲容量(PBC)也因Cu、Cd加入量增加而下降，其下降率分别为20%～32%和7%～20%。然而，Bolland报道，Zn处理使针铁矿对P的吸附量明显地高于对照样品。

元素在土壤中的存在形态及其转化与多种因素有关，当其他条件不变时，外加某物质必将对其产生影响。目前，有关重金属污染对土壤营养元素形态转化影响的研究报道很少。Folle等曾报道，加入重金属Cu、Zn、Cd、Ni的硫酸盐，可使土壤中Al-P、Fe-P含量下降，但对其原因未作解释。

营养元素的迁移性既反映其向植物体的转移性(生物有效性)，也表征其在土壤剖面中的垂直移动性，因此，它是生态环境活性的反映。Cu、Cd的加入可引起土壤溶液中K、Mg和Ca的活度增加，且可提取态K、Mg也有增加，Cu的这一影响比Cd大。Robertson报道，重金属污染后引起土壤Ca、Mg、K下移。然而，Folle等和王宏康等的研究认为，土壤受重金属Cu、Ni、Pb、Zn等污染后，P的可提取性明显低于未受污染的土壤。上述结果表明，重金属污染导致土壤对阳离子的保持力减弱、淋溶增加，而使 P 的有效性降低。

2.营养元素对重金属元素在土壤中化学行为的影响

营养元素对重金属吸附解吸作用的影响已有一些研究。Zhu等认为，交换性Ca、Mg离子明显降低土壤对Zn、Cu的吸附，而且Zn吸附降低率大于Cu；K⁺对Zn、Cu吸附的影响甚微。试验表明，土壤对Cu、Cd的吸附作用也因P的施用而减少。Ca²⁺、Mg²⁺不仅使红壤Cd吸持量降低而且解吸量增加。据报道，P 可使富含氧化物的可变电荷土壤对Zn、Cu的吸附增加，而使恒电荷土壤对Zn的吸附降低，说明P对重金属元素行为的影响与土壤性质关系甚大。

营养元素进入土壤后可以引起重金属存在形态的变化。这一工作目前仅在P方面有一些报道。Kaushik等和Shuman的研究表明，施P可明显降低中性及微酸性土壤Zn、Cd、Cu的碳酸盐态、有机态及晶质氧化铁态含量，而增加其交换态及无定形氧化铁态比例，残留态Zn、Cd、Cu则不受影响。P肥的施入也引起了Mn由难溶形态(晶质氧化铁和残留态)向中度可溶形态(无定形氧化铁锰态)转化，这是由于P肥降低了周围土壤pH值及P与氧化物反应速率的缘故。这就意味着P可促进重金属的生态危害性。然而，也有报道指出，酸性土壤中施P使土壤Zn的交换态、有机态比例降低，而残留态和无定形氧化物态Zn比例增加。这是因为P可提高土壤负电荷而增加了Zn的吸附。可见，P对土壤中重金属形态与转化的效应受土壤性质的制约。

土壤重金属迁移性大小决定了它对生物和生态环境的危害大小，可惜这方面的研究甚少。有报道指出，P能有效地促进土壤中As的释放与迁移，这是由于P、As具有相似土壤环境化学行为而产生竞争作用的结果。Brown等报道，施P可增加土壤中可提取态Zn的含量。

3.植物体中元素的交互作用

植物是一个复杂的有机整体，其中某一成分的改变(增加或减少)会影响其他成分功能的发挥，最终反映在植物生长发育和产量上。据报道，在100～200mg/L的Pb浓度下，施P处理可促进植株幼苗根生长。在无N情况下，5mg/kg的Zn就引起小麦籽粒、茎秆和根重下降，而在施N 75mg/kg时，Zn浓度达10mg/kg才开始引起这些指标明显下降。

重金属元素作为一种离子，或者与营养元素竞争植物根系吸收位，或者影响植物生理生化过程，从而引起植物对营养元素吸收性能及转运特征的改变。Cd使玉米植株N、K浓度上升而使其吸收量下降，但使P浓度及其吸收量都下降。水稻添加Cd降低了稻草中Mg、Fe、Zn浓度。有试验表明，施Zn使植物P浓度降低，但Cd在Zn存在时可增加植物P浓度，而无Zn时却又降低P浓度。Zn浓度增加，降低了植物Ca、Mg、K、Na浓度以及Ca/Zn比。Yevdokimova指出，Cu、Ni、Co重金属污染土壤后，生长于其上的燕麦地上部分硝酸盐有明显积累现象。Tyksinski曾报道，莴笋中Cu、B与Ca间，Zn、Mn与P间，Zn、Mn与Mg以及Zn与K间存在拮抗作用。过量重金属元素的含量不仅降低了植物对营养元素的吸收，也干扰了营养元素在植物体内的分配，重金属Cd、Mn、Mo使薯仔中Ca向地上部的转移明显降低。

营养元素是影响植物吸收重金属的重要因素，有些已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。研究表明，植物生长在

-N溶液中，其Cd浓度和吸收量都大于在

-N溶液中生长的植物，N形态对植株Zn浓度的影响也与此类似，但Cd在植株体内的分布则不受N形态的影响。液培中

-N增加单子叶植物对Fe、Al、Cu及Zn的吸收，但

-N则恰恰相反，这可能是植物对

-N吸收引起H⁺分泌造成根系表面环境酸化，而

-N吸收则引起OH^-分泌使根系环境碱化所致。不同种类N肥在促进植物吸收土壤Cd方面的大小顺序为(NH₄)₂SO₄＞NH₄NO₃＞Ca(NO₃)₂，其作用机理一方面可能是盐基阳离子对Cd的置换作用，另一方面可能是肥料降低了周围土壤pH值而增加了Cd的溶解度。土壤施P通常降低旱地植物体内重金属的含量，但也有施P促进Pb对植物有效性的报道。Merry等指出，P施用量需达到一定水平才有明显降低植物体内重金属含量的作用。然而，水稻吸收Cd却随施P而增加。施K可明显降低小麦Zn的浓度及吸收量。土壤Ca、K含量升高使大豆幼苗中Cd浓度显着减低，但大豆幼苗干物质量却没有明显受到影响。

综上所述，土壤-植物系统中营养元素相互作用研究虽取得了一些进展，但绝大多数工作是单向作用的研究，在同一系统中进行双向作用的研究尚少，土壤和植物相互间是分割的，尚未作为一整体参与研究，且有关交互作用机理的认识尚比较肤浅。