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万里归来论新说:现代土壤学之父道库恰耶夫的故事 精选

已有 7782 次阅读 2023-3-2 20:59 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

万里归来论新说:现代土壤学之父道库恰耶夫的故事

——纪念道库恰耶夫逝世120周年

杨顺华(中国科学院南京土壤研究所)

本文已在“科学大院”微信公众号发表,2023.3.2

人类自1万年前的农耕社会也许就开始有意识地认识土壤,总结了大量关于土壤的知识和经验,并按照这些客观规律安排生产和生活。然而,早期人们对土壤的认识主要停留在朴素的经验主义层面,并没有将其发展成为一门独立的学科。土壤科学的形成和发展,只是最近不到200年来的事情。那么,土壤学到底是如何发展成为一门独立学科的?是否有一个关键人物在其中起到了转折性的作用?答案是:有!他就是本文的主角——Vasiliy Dokuchaev(道库恰耶夫)。

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国际土壤科学联合会的道库恰耶夫奖章(来自USGS网站)

道库恰耶夫被誉为现代土壤学之父。鉴于他对土壤科学的不朽贡献,国际土壤科学联合会于2006年将其最高奖项命名为道库恰耶夫奖,用来表彰对基础土壤科学研究做出重大贡献的土壤学家。本文概要介绍道库恰耶夫的生平和学术贡献,以期给后人一些启发。

求学连连跳:当一名神父爱上科研···

1846年,道库恰耶夫出生在俄罗斯斯摩棱斯克州的米留科沃村,他的父亲是一名世袭神父。小时候,道库恰耶夫跟随父亲在当地教区学校学习。11岁的时候,被送往距家70公里的神学院学习,进行了长达10年的进修。1867年,由于成绩优秀,道库恰耶夫被选派到离家更远的圣彼得堡神学院学习。如果按照这条路继续走下去,他很有可能在毕业后子承父业,成为一名教区神父。

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神学院学生时期的道库恰耶夫(来自参考文献5)

然而,年轻的道库恰耶夫却在入学后不久毅然决然地放弃了神学院的学籍,做出了一个彻底改变其命运的决定——转读圣彼得堡大学的物理和数学系。表面上来看,同在圣彼得堡谋生的哥哥起了劝说作用。实际上,这背后有着更为深刻的社会背景。当时,像不少欧美国家一样,俄罗斯正经历着深刻的社会经济变革,工业化进程的洪流持续冲击着农业文明的堤坝,人们的生活方式发生了明显的改变。同时,1864年达尔文的《On the Origin of Species》(《物种起源》)传入俄罗斯,不断影响着人们对宗教的态度,激发了全社会对自然科学的极大兴趣。尽管学校豁免了道库恰耶夫的学费,但家庭贫困的他不得不依靠勤工俭学来维持生活开支。经哥哥和老师介绍,年轻的道库恰耶夫还给皇室子女做过家教。半工半读的生活方式压缩了他的学习时间,但却似乎没有影响他的成绩。1871年春,道库恰耶夫凭借一篇主题为河流沉积物的论文顺利毕业,并获得优秀毕业生称号。由于毕业后暂无工作,道库恰耶夫继续分析他在野外采集的沉积物样品,并转向了推崇将今论古思想的第四纪地质科学。

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圣彼得堡大学校园(来自参考文献5)。

1872年,道库恰耶夫成为圣彼得堡大学地质博物馆馆长,负责管理学校的地质标本。同时,圣彼得堡博物学家协会决定资助他继续开展在斯摩棱斯克的研究工作。从此,道库恰耶夫开始了一边读研一边工作的生活。

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圣彼得堡大学地质标本陈列馆(来自参考文献5)

上错花轿嫁对郎:地质青年转投土壤怀抱

读研期间,道库恰耶夫主要研究欧洲俄罗斯(European Russia,即俄罗斯的欧洲部分)河谷起源的问题。为此,他开展了大量的野外工作,研究这些区域的地质结构、河谷形成机制和河流的地质活动。

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欧洲俄罗斯的黑钙土区地图(来自https://agropost.ru/

1875年,发生了一件改变道库恰耶夫学术轨迹的事情。当时,国家财产部统计局正在开展欧洲俄罗斯的土壤图编制工作,主要目的是财产登记和土地征税。项目负责人查斯拉夫斯基想要邀请一位精通第四纪沉积物和现代沉积物的专家参与工作。彼时的道库恰耶夫在学校已经小有名气,加上学术思想活跃、专业背景相符,因此受邀担任技术负责人,主要任务是编绘一幅科学而正规的土壤类型图,并给出详细的解释说明。令人意外的是,查斯拉夫斯基在1878年溘然长逝。年轻的道库恰耶夫不得不统揽剩余的工作。一年后,道库恰耶夫顺利完成任务,发表了欧洲俄罗斯土壤图及其解释说明手册。1880年,这项成果得到了门捷列夫教授(俄罗斯著名化学家,发现并归纳元素周期律)等第三方专家的积极评价。

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欧亚大陆草原土(主要是黑土和黑钙土)分布略图(陈鸿昭 编制)

成功的项目经历不仅让年轻的道库恰耶夫发生了重大的学术兴趣转移,使他从地质学转向了土壤学,也让他获得了更多的学术信任,开始承担更多的土壤考察任务。

少帅出征:把论文写在大地上

欧洲俄罗斯的地形以平原为主,尤其是南部的干草原(steppe),分布着广袤的黑钙土。这片区域土质肥沃,非常适合小麦和大麦等农作物的生长,是名副其实的“欧洲粮仓”。然而,这片草原却有着一个致命的缺陷——每隔一段时间,这里都会发生严重的干旱。1873年和1875年,连续的两次严重干旱无情地打击了俄罗斯的经济,影响了几千万人的生计,引起了包括统治阶级在内的全社会对黑钙土区的普遍关注。

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俄罗斯卡明纳亚草原黑钙土区的景观(来自https://agropost.ru/

1876年,俄罗斯女皇叶卡捷琳娜二世(俄罗斯总统普京的偶像)创立的帝国自由经济学会(Imperial Free Economic SocietyIFES)成立黑钙土专业委员会,发起黑钙土研究项目,试图从科学和农业发展的角度研究和评价黑钙土,提高黑钙土抵御干旱的能力。尽管遭到了科斯梯切夫等部分专业人士的反对,道库恰耶夫仍被委任为项目负责人之一,负责土壤质量评价和土壤图编制等工作。

黑钙土项目的主要科学问题有三个:首先,到底什么是黑钙土?它有哪些变种?它们的形成因素是什么?第二,黑钙土与下伏母岩和其他土壤之间有什么联系?第三,黑钙土是如何起源的?它的肥力本质究竟是什么?从三个问题可以看出,当时人们对黑钙土及其与环境的关系仍然缺乏科学的认识,也非常关心它对农业生产的影响。

对黑钙土认知的缺乏仅是当时普通民众对土壤认识有限的一个缩影。实际上,当时的学术界对于土壤的认识也有不同的看法,形成了两个比较有影响的学派:农业化学派和农业地质学派。1840年,农业化学派的代表德国化学家李比希出版《化学在农业和生理学上的应用》一书,提出植物的矿质营养学说和物质归还学说,把土壤看作是植物生长的养料库。农业地质派的代表德国地质学家法洛、里希特霍芬和拉曼等人则试图从地质学的角度解释土壤,把土壤形成归结为岩石风化。尽管两个学派都丰富了人们对土壤的认识,但都仅是从各自学科的角度出发理解土壤,缺乏对土壤的完整和系统认知。可以说,土壤的概念依然处于一种混乱和模糊不清的状态,还不能真正成为独立学科。为了完成黑钙土项目的考察任务,也为了厘清对土壤的认识,道库恰耶夫在梳理前人成果的基础上,踏上了一条影响深远的万里考察之路。

开宗立派:万里科考成就一门新学科

道库恰耶夫一生开展过多次重要的土壤考察,其中最著名的是18771878年的两次黑钙土考察。当时,欧洲俄罗斯的黑钙土区域范围大致从现在的摩尔多瓦和乌克兰,经过跨伏尔加地区和哈萨克斯坦,到达西伯利亚南部。

1877年夏天,道库恰耶夫人生中第一次看到他心心念念的黑钙土。他花了大约4个月的时间做野外调查和描述,并采集土壤样品。之后,他返回学校,做样品分析并准备硕士毕业论文。18785月,道库恰耶夫完成硕士论文答辩,主题是欧洲俄罗斯河谷的起源。当年夏天,道库恰耶夫又马不停蹄地花了大约4个月的时间继续考察黑钙土区。这两次考察黑钙土考察总历时约8个月,行程超过1万公里,横跨欧洲俄罗斯的东西南北,道库恰耶夫在旅途中搜集土壤、植被、地形、气候、作物产量等各类信息,并采集了大约1000个土壤样品。值得一提的是,大部分的野外考察工作都是道库恰耶夫独自完成的。虽然样品分析测试工作一开始并不太顺利,但后来得到了门捷列夫和学生们的大力支持,最终得以完成。

黑钙土考察结束的日子里,道库恰耶夫也没有闲着。1879年,他获准开设面向高年级本科生的第四纪沉积和土壤课程。他在课程资料中总结了泰伊尔、法洛等德国科学家的土壤分类方案,并讨论了以腐殖质含量差别为基础的分类方案。1881年,他受下诺夫哥罗德州当局的邀请,主持该州的土壤质量评价和土壤图编制工作。尽管这些工作挤占了他的时间,但并没有延误黑钙土项目的进展,部分结果还被他放进了黑钙土项目的报告中。

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道库恰耶夫进行博士论文答辩的学校礼堂和《俄罗斯黑钙土》(来自参考文献5)

18831124日,道库恰耶夫终于向帝国自由经济学会递交了黑钙土研究报告——Русский чернозем(《俄罗斯黑钙土》)。几周后的1219日,他又将其作为博士论文在圣彼得堡大学报告厅进行公开答辩。尽管由门捷列夫等人组成的答辩委员会高度肯定了道库恰耶夫的工作,但几名在场的非正式委员仍提出了公开质疑,其中就包括之前拒绝帮助分析土壤样品的科斯梯切夫。最后,凭借详实的数据、深厚的知识、严密的论证和雄辩的口才,道库恰耶夫顺利通过了答辩。1884年,他被提拔为圣彼得堡大学副教授。

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《俄罗斯黑钙土》和《俄罗斯草原今昔》封面 (来自参考文献2)

《俄罗斯黑钙土》是土壤发生学的经典著作。在这本著作中,他提出了几个非常重要的论断。他认为,土壤不仅仅是岩石风化或者耕作活动的产物,而是像动物和植物一样,有自己发生发展规律的自然历史体。土壤也有自己独特的内在结构和生老病死的过程,这一观点很有可能受到了达尔文演化论的影响。更为著名的是其中的成土因素学说,他提出土壤是母质、气候、生物、地形和时间相互作用的产物。基于他的这些理念,他和他的学生共同创建了土壤发生学派,使得土壤学从此成为一门独立的学科。著名的土壤学家威廉斯曾说:如果说道库恰耶夫之前,土壤学只是单凭经验的学科;由于道库恰耶夫的工作,土壤学就成了自然科学中的一门学科。从这个意义上讲,道库恰耶夫是名副其实的现代土壤科学奠基人。

高峰之后再攀登:把土壤学推向社会大众

道库恰耶夫对土壤学的研究和贡献并没有止步于此。在后续的学术生涯中,道库恰耶夫还在做出了许多重要的贡献。

1886年,他在给下诺夫哥罗德政府的工作报告中更为清晰地阐述了成土因素学说,指出如果两地的成土因素组合一致,那么可以推测这两地的土壤类型将一致。

1891年,黑钙土区域再次发生严重干旱,他在出版的著作《Our steppes: yesterday and today》(《俄罗斯草原今昔》)中,分析黑钙土区的生态危机,提出了相应的恢复措施,包括调控大型河流的径流、在小河上建坝、植树造林、在流域内设池塘控水、建设森林缓冲带、建自流井、建立农业研究机构和试验站等等。这些观点跳出了就土壤论土壤的窠臼,已经具有了宏观的生态系统理念。

1892,他主持建设世界上首个防护林带——卡明纳亚草原防护林,防治水土流失和减轻干旱,证明了人工林也可以发挥积极的生态作用。

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道库恰耶夫在农民交谈(上图);俄罗斯黑钙土平原,远处可看到防护林(下图)。张甘霖摄于俄罗斯土壤研究所卡明纳亚草原试验站陈列馆。

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中国土壤学者龚子同(右1)、张甘霖(右4)和李德成(右5)于2008年考察卡明纳亚草原试验站。(龚子同 供图) 

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中俄土壤学者在卡明纳亚草原开展黑钙土联合考察。(李德成 供图)

1899年,他发表《On a theory of nature zones》(《论自然地带学说》),提出了著名的土壤地带性学说,成为土壤发生分类的依据之一。这本著作论证了自然现象的地理分布规律,即在一定的生物(主要是植被)和气候条件下,土壤常常呈现带状分布,土壤的特征与其所处的生物气候带是相吻合的。

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俄罗斯库尔斯克地区的黑钙土景观及土壤剖面(1997.7,库尔斯克)。(龚子同 供图)

除了学术贡献之外,道库恰耶夫还非常热心土壤科普活动,致力于提升公众对土壤的认识水平。例如,他分别于1889年(巴黎)、1893年(芝加哥)和1900年(巴黎)组织参加了三次世界博览会,展出他和学生以及同事们采集的土壤样本。他还积极参加社会活动,做了大量的土壤科普报告。

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1896年全俄工艺博览会上的土壤展品(来自参考文献5)

思想传播遇障碍:逝后多年美名扬

今天的我们,早已普遍接受了土壤是一个自然历史体,知道它是成土因素的产物,类似的认识已经习以为常。然而,道库恰耶夫思想的全球传播却经历了一段较为漫长的岁月。

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邮票上的道库恰耶夫(来自参考文献2)

1903年,道库恰耶夫在失去挚爱的妻子和罹患重病的双重痛苦中死去,享年57岁。道库恰耶夫并不懂英文,生前时主要依靠妻子安娜的帮助了解英文土壤资料。由于语言的限制,在其逝后的二三十年里,他在俄罗斯之外的学术影响并不大。

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道库恰耶夫与学生和同事们在一起(来自参考文献5)

但是金子总会发光,他的学生格林卡等人在道库恰耶夫学术思想的传播过程中,起到了至关重要的作用。格林卡继承了道库恰耶夫的学术理念,在周游列国的过程中不断传布土壤发生学理念,将其推向了世界。1914年,格林卡的著作《土壤形成类型》德文版出版,此后又被译成英文。1927年,格林卡当选为国际土壤学会主席,更加速了道库恰耶夫学术思想的传播。

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2008年,俄罗斯科学家考察广西桂林具有锅巴层的水稻土,锅巴层是由于长期施用石灰改酸形成的紧实障碍层。(李德成 供图)

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2010年,俄罗斯科学家考察山东临沭的砂姜黑土。(李德成 供图) 

以道库恰耶夫为代表的土壤发生学派深刻地影响了世界土壤学的发展。美国土壤学家詹尼(Jenny)在吸收了道库恰耶夫的思想后,用更为精炼和优美的数学语言表达了成土因素学说【S = fcl, o, r, p, t…),其中S为土壤,cl为气候,o为生物,r为地形,p为母质,t为时间,为其他因素】,进一步推动了该学说的发展。

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中国土壤学者龚子同(右)和张甘霖(左)访问俄罗斯中央黑土区,背景为道库恰耶夫肖像油画(1997.6,卡明纳亚草原)。(龚子同 供图)

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中国土壤学者龚子同(中)、张甘霖(右1)与俄罗斯友人在中央黑土区留影,背景雕像为道库恰耶夫(1997.6, 卡明草原)。(龚子同 供图)

道库恰耶夫对中国的影响也十分深远。1949年以后,中苏土壤学者交流频繁,按照道库恰耶夫土壤研究所的模式建立了中国科学院南京土壤研究所。按照土壤发生学派建立的中国土壤发生分类系统成为当今我国两大主流土壤分类系统之一(另一个是中国土壤系统分类)。

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龚子同先生获赠道库恰耶夫纪念章(俄罗斯,1997)。(龚子同 供图)

2016年,为表彰通过领导能力和活动为促进可持续土壤管理和保护土壤资源做出贡献的个人和组织,联合国粮农组织设立了“Glinka World Soil Prize (格林卡世界土壤奖),定于每年的125世界土壤日颁发。2019年度,该奖授予中国热带农业科学院南亚热带作物研究所徐明岗研究员。

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徐明岗研究员(中)获得联合国粮农组织授予的格林卡世界土壤奖。来自中国热带农业科学院官方网站。

结语

道库恰耶夫是世界公认的现代土壤科学奠基人。他提出的成土因素学说和土壤地带性学说,不仅改变了我们对土壤本质的认识,还提升了土壤学的学科地位,使其成为一门独立的学科。回顾他的一生,他的成功可以大致归结于两个方面:一是当年黑钙土区域连年干旱的社会背景,作为科学家,必须要有迎难而上的勇气和义不容辞的担当;二是他不辞辛劳、努力工作的态度,以及他那坚忍不拔的信念和擅于与人合作的团队精神。

土壤学是一门应用基础性学科,它的发展要融入时代的洪流,服务经济社会的可持续发展。当前,我国也面临着一系列严重的土壤资源退化与生态环境问题。比如,东北黑土有机质含量下降、南方红壤侵蚀与酸化、青藏高原草场沙化、西南喀斯特地区石漠化、长江中下游地区水土资源污染等。这些问题既是挑战,也是土壤学服务社会发展的重大机遇。当下,第三次全国土壤普查也正在中华大地上紧锣密鼓地开展,要回答改革开放以来在我国社会经济取得突飞猛进伟大成就的同时,土壤资源到底发生了什么样的变化这个重要的问题。解决这些问题对于保障国家粮食和生态安全、端牢中国饭碗和建设美丽中国具有重要的现实意义,对于推动我国土壤科学的发展也具有非常重要的作用。

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第三次全国土壤普查剖面土壤调查技术培训班在南京举办。(土壤时空 供图)

伟大的时代命题已经展现在我们面前,作为中国土壤科学工作者,自当继续发扬勤勤恳恳、兢兢业业的优良传统,以道库恰耶夫为榜样,不畏挑战,勇于担当。同时,我们也期待着:出现一位中国自己的道库恰耶夫!

主要参考文献:

1. 龚子同, 陈鸿昭, 杨飞, 张甘霖. 地带性学说的建立及其在中国土壤科学中的实践和发展. 土壤通报, 2020, 51(6): 1267- 1274.

2. 龚子同, 陈鸿昭, 张甘霖. 寂静的土壤, 科学出版社, 2015.

3. 龚子同. BB 道库恰耶夫——土壤科学的奠基者——纪念 BB 道库恰耶夫《 俄罗斯黑钙土》发表 130 周年. 土壤通报, 2013, 44(5): 1266-1269.

4. 龚子同. 黑土生金——从俄罗斯治理黑土的经验教训看我国黑土的利用. 科学新闻, 2003, 4.

5. Rusakova E, Sukhacheva E, Hartemink A E. Vasiliy Dokuchaev–A biographical sketch on the occasion of his 175th birthday. Geoderma, 2022, 412: 115718.

6. Rusakova E.A., Timofeeva Yu.R., Vasily Dokuchaev (to the 175-th anniversary), Dokuchaev Soil Bulletin, 2021, Special Issue, pp. 156-201.

7. Kyuma K. Bibliographic Introduction and Explanatory Notes on “Russian Chernozem” published in 1883 by Vasilii V. Dokuchaev. Pedologist, 2018, 62(1): 3-10.

8. Kyuma K. VV Dokuchaev—on his way to pedology. Pedologist, 2021, 65(1): 3-13.



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