2022, Vol. 59
表1(Table 1)
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 内蒙古锡林郭勒草原生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院植物研究所), 北京 100093;
4. 陕西安塞农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院水利部水土保持研究所), 陕西杨凌 712100;
5. 辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院沈阳应用生态研究所), 沈阳 110016;
6. 河南封丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院南京土壤研究所), 南京 210008;
7. 山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院地理科学与资源研究所), 北京 100101;
8. 中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室(中国科学院华南植物园), 广州 510650;
9. 广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院华南植物园), 广州 510650;
10. 黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院东北地理与农业生态研究所), 哈尔滨 150081;
11. 山地表生过程与生态调控重点实验室(中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所), 成都 610041;
12. 青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院西北高原生物研究所), 西宁 810001;
13. 江西鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院南京土壤研究所), 南京 210008;
14. 栾城农业生态系统试验站(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心), 石家庄 050022
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China;
4. Ansai National Field Research Station of Farmland Ecosystem, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China;
5. Shenyang Farmland Ecosystem National Observation and Research Station, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
6. National Observation and Research Station of Fengqiu Agro-Ecosystem, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
7. Yucheng National Field Research Station of Agro-ecosystem, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
8. Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystems, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China;
9. Heshan National Field Research Station of Forest Ecosystem, South China Botanical Garden, Guangzhou 510650, China;
10. National Field Research Station of Agro-ecosystem in Hailun, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China;
11. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Chengdu 610041, China;
12. Qinghai Haibei National Field Research Station of Alpine Grassland Ecosystem, Northwest Plateau Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Xining 810001, China;
13. Yingtan National Field Research Station of Agro-ecosystem, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
14. Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station, Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China
土壤样品规范化保存对长期生态学研究具有重要意义。历史土样作为特定时空场景下的土壤快照，保存了土壤圈长期演变不同时间断面的信息，起到土壤环境“时间胶囊”的作用，为生态环境长期变化研究提供了参考基准。Torn等[1]借助归档土样，揭示了土壤惰性碳库在20世纪前后的百年变化。Knapp等[2]在归档土样中发现了自1940年以来抗生素使用强度增加的基因证据。Navratil等[3]使用保存10年~17年的土样评估了历史土壤汞污染状况。Lilly等[4]通过对比馆藏土样与同位置复采的土样，揭示了耕作土壤碳浓度、土壤厚度变化对土壤碳库的影响。
由于土壤分析技术总是处于不断迭代更新当中，通过应用新技术对长期保存土样进行重新分析，还可获得初次分析无法得到的信息。应用孢粉分析、同位素分馏等新技术对洛桑实验站的历史土样进行重新分析，实现了沉降物来源识别、作物肥料管理优化、碳循环模型校准等[5]。同样地，应用磁学分析、14C方法重新分析保存数十年的土样，实现土壤磁化率制图[6]和定量植物细根碳周转时间[7]。除了用于回溯历史生态环境的物理、化学特征，保存的历史土样在揭示微生物生态信息方面也有巨大潜力[8]。Liu等[9-12]通过对中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）保存土样进行高通量测序，显示历史土样仍然能够指示大尺度下的细菌群落空间分布格局，并发现多样性与宏观生态因子之间的关联模式。
此外，开放的土壤样品馆藏有助于扩大科学数据共享。洛桑实验站保存的土样已经开放提供给洛桑实验站和世界各地的研究者使用[13-14]。美国国家生态系统观测站网络（National Ecological Observatory Network，NEON）土壤档案馆就归档样品的重量、采样地点、采样深度等方面总结了经验，为保存土样的开放共享提供了便利[8]。
鉴于历史土样具有以上不可替代的宝贵价值，国内外部分土壤专业机构已经保存了一定数量的土样（表 1）。最近几年，土样保存技术不断提升，尤其是物联网、射频识别等技术的引入提升了土样存取操作的自动化程度[15-21]。然而，相对于我国多样的生态系统和丰富的土壤类型，我国现存历史土样无论是总数量还是代表性均远远不够，特别是随着城市化快速发展，某些土壤类型处于消失的边缘[22]，对于这些濒危类型土壤的样品保存还未引起足够重视。
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表 1 国内外土壤保存库举例 Table 1 Examples of soil archives repositories at home and abroad |
总结起来，我国土样长期保存面临的问题归纳为以下几个方面：
（1）土样保存普遍缺乏标准规范。由于早期缺乏相应的土样保存标准规范，耗费巨资采集的土样往往用过即扔，不能长期系统地保存下来；少数土样虽然能被长期保存，但是其保存方法可能并不规范。
（2）过分强调土样的集中保存，而忽视分散保存的客观需求。大型项目的土样通常由多家单位协作采集，具有分散保存的客观需求。另一方面，土样统一保存要求充裕的仓储资源和条件，一家单位往往难以独立承担，因此，土样分散保存是一种必然趋势。
（3）土样信息统一管理被忽视。目前国内土样保存主要注重土样实物保存，忽视了土样信息的管理。在分散保存下，不同机构之间土样信息缺乏统一联网管理，阻碍信息联通和共享使用，限制了土样价值，造成资源浪费。
因此，需要探索我国大规模土样保存的策略和保存规范，系统地指导我国大型土壤调查项目，包括第三次全国土壤普查（以下简称“土壤三普”）等，以及日常土壤科研项目中的土样保存，从而为历史保存土样在生态环境研究中发挥作用提供基础保障。
1 CERN土样保存策略及分布式保存系统针对CERN台站土样长期保存面临的保存分散、缺乏统一管理等主要问题，我们提出了“分布式保存、一体化管理”的保存策略（图 1），即通过土样实物的分布式规范化保存和土样信息的一体化管理，实现CERN土样的统一管理及开放共享。该策略确保了土样长期保存的质量，解决了有限库容与新增保存量之间的矛盾，实现了土样存储数量的规模提升，促进了土样信息的开放共享，同时节约了土样保存成本。
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图 1 “分布式保存、一体化管理”示意图 Fig. 1 Schematic diagram of distributed storage and unified management |
规范化和标准化是分布式土样保存的质量保证的主要手段，也是分布式保存与分散式保存的根本区别。分布式规范化土样保存要求各个保存库均按照统一的标准化程序和规范化措施完成样品保存工作，即参照规定的保存条件建造库房，按照规范化的方法采集和制备样品，使用规范化的保存设施保存土样。
实施土样信息一体化管理为各保存库的规范化土样长期保存工作建立了良好的基础，是土样信息开放共享的重要保障。一体化信息管理涵盖了土样保存的四个主要业务模块，包括：土样编码、土样信息数据库、土样动态管理与发布、库房实时视频监管系统。
在该策略指导下，CERN在2005年引入手动密集柜保存台站样品，在2006年将土样保存作为台站监测任务列入长期观测规范[2]，在2010年左右制订了CERN土壤样品库建设规范（1），到2016年CERN土壤分中心主导起草的土样保存相关的国家标准发布实施[31]。在这些长期工作基础上，于2017年建成了CERN分布式土壤样品长期保存系统，为国内土样长期保存库建设提供了样板。
（1）中国生态系统研究网络（CERN）土壤样品库建设规范（试行）
1.2 分布式土壤样品长期保存系统CERN分布式土壤样品长期保存系统由1个中心库和11个区域库组成，依托统一的土壤样品库管理平台，规范化地保存了各区域典型土样，实现了土样信息的更新、统一管理和共享（图 2）。
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图 2 CERN分布式土壤样品长期保存系统概览 Fig. 2 Overview of CERN distributed long-term storage system of soil samples |
该系统保存了CERN台站土样、多个重大科研项目土样、区域代表性土样，并对时间较长的历史土样（可追溯到1934年）进行收集，目前已达到近10万件规模，覆盖了我国大多数土壤类型，初步形成了不同专题的特色馆藏样品系列[29-30]。截至2022年6月，中心库样品量近4.3万件，区域保存库（海伦站、内蒙古草原站、沈阳站、栾城站、禹城站、封丘站、安塞站、海北站、盐亭站、鹰潭站、鹤山站等）近5.4万件。
该系统保存的历史土样在土壤长期监测质控、土壤光谱遥感近感、土壤微生物生态等研究领域发挥了重要作用。该保存系统自建成以来，已经陆续接受了来自农业、环保、自然资源等行业部门，国内相关高校和科研院所，以及部分国外高校科研机构学者的参观和访问交流数千人次。该系统的顺利运转，推动了我国土壤样品长期保存领域的标准规范建设，促进了土壤科学传播和共享。
2 土样保存设施和条件的要求《土壤质量土壤样品长期和短期保存指南》（GB/T32722-2016）指出土样保存方案的确立应综合考虑保存目的、保存过程中可引起样品变化的因素、保存成本等多个方面，为土样保存以及在保存之后如何准备土样供分析使用提供了操作规范指导[31]。参照该标准，CERN土壤分中心根据实际情况，提出了土样保存条件、设施规范以及库房管理等规范，并组织各台站实施了CERN长期监测土样的规范化保存（图 3）。
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注：左图是土样保存库的整体示意图，右图是以第1架第1柜为例的细化图。土样保存库是按照本文2和3的要求部署相关设备和实行管理。 Note：the left figure is a schematic overview of the soil archive repository，and the right one is a detailed diagram taking cabinet 1 of rack 1 as an example. Facility deployment and management of the soil archive repository is according to the requirements in Section 2 and 3 of this paper. 图 3 CERN土样保存库示意图 Fig. 3 A sketch of soil archive repository in CERN |
主要有以下三类土样需要长期保存：（1）作为检测项目或测试降解性研究用的土样，需要长期保存以用于变化检验；（2）供科研、展示及教育用的土壤剖面标本，一般是指在代表性土壤上采的原状剖面，经过一系列处理后长期保存；（3）土壤标准样品。
CERN保存的土样主要包括：长期观测的初始背景土样、长期试验土样、5年频次的剖面土样、每年采测的表层土样、台站典型土壤整段剖面、台站自行保存的历史土样，以及其他土样。除每年采测的表土样是短时间保存外，其他样品均适宜于长期保存。
土样保存量的确定需综合考虑土样的潜在使用场景和保存成本，推荐风干保存原状土约1.0 kg。对于冷冻保存，考虑到土样冻结后分样困难，推荐冷冻多个份量较少的分样，并且分样时应确保均匀性。
2.2 保存设施土样保存馆的选址应选在工程地质和水文地质条件较好、不受返潮影响、无淹水风险、远离污染物源、无人为破坏的安全生态环境中。土样保存馆建设规模宜根据未来50~100年保存量以及保存方式来确定。土样保存馆建议独立建造，并符合抗震、防火、防盗、防尘、远离污染、远离易燃易爆场所、单位面积承重等方面的要求。其中，单位面积承重应远大于所有保存设施和土样的最大总重量，如中心库目前按6层密集柜的放置需求设计，建筑承重为1.2 t/m2。
土样保存馆装修应构造简洁，选用环保材料。地面应平整、耐磨；窗应设置遮阳窗帘，外窗应设纱窗。馆内可安装通风设备，以防止挥发性物质浓度过大造成污染；也可根据当地气候状况安装空调，调整馆内温湿度。
样品柜应稳固、结实、防锈、长期使用不变形。推荐采用密集样品柜存放瓶装土样，以提高空间利用率。对于整段剖面标本的存放，要选择带有合适尺寸抽屉的样品柜（抽屉柜），确保可完整放置整段剖面标本。纸盒标本也可使用相应的抽屉柜。在空间和成本允许时，也可使用普通样品架，但要保证土样取用方便。
样品柜陈列时应成行垂直于有窗的墙面，并对所有存放单元要进行统一编码。编码方法是：首先对所有样品柜编号，然后给每个样品柜的每一层进行编号，再对每一层每个存放位置进行下一级编号。通过编码，每个存放单元均对应了唯一编号（图 3）。
保存容器的选择应综合考虑容器材质和容量、密封类型等因素。宜对容器的性能进行确认，例如能保护土样免遭污染、避免土样遭受光线和空气的影响。同时容器使用前应遵循适当的清洁和消毒程序。塑料容器一般在5~10年后会变脆，所以首选玻璃容器。但是如果样品含水量很高，冷冻时玻璃会崩裂，因此，应避免玻璃瓶装满，以减少冷冻崩裂的风险。
2.3 保存条件土样保存条件的确立应考虑到可能影响土样属性的各个因素，主要包括光照、温度和湿度。（1）光照会影响土样中一些物质的含量尤其是有机成分，因此，保存过程必须控制光照条件，比如使用棕色玻璃瓶或在完全黑暗条件下保存土样。（2）温度会影响土样中生物的活性。因此，温度是设置保存设施时考虑的重要因素。例如，风干土样一般在室温条件下保存；如果关注土样的生物学指标，需冷藏或冷冻以减弱生物活性；特殊情况下，需要达到液氮温度。（3）湿度会影响土样的微生物活性或化学性质。若土样未保存在密闭容器中，则保存环境应常年维持低湿度；若土样保存在密闭容器中，应确保土样的原始湿度足够低。（4）安全性也是土样长期保存条件的一个重要方面，需做到防火、防尘、防潮、防水、防污染、防盗、无人为损坏等。
3 土壤样品管理系统统一的土壤样品管理系统是实施分布式土样保存的保障。通过该系统，各保存单位可完成土样保存的全链条操作，包括土样统一编号生成、行政代码生成、二维码生成及标签打印、样品入库出库、信息查询等基本操作；也可以实现用户管理、数据校验、可视化样品管理、智能密集柜控制、视频监控等高级操作。
3.1 样品编码系统样品编码系统的主要功能是为每个保存土样建立唯一编号，该编号是根据土壤的时空特性、采样过程和存放地点等信息确定的，具体编码规则如下：
统一编号：行政编码（6位）+采样日期（8位）+采样批次代码（4位）+样点编号（3位）+层次序号（1位）+重复号（1位）+存放地编号（3位）。其中，
● 行政编码：土样采集地行政编码，应填到县一级。
● 采样日期：年+月+日，如20080910。
● 采样批次代码：可以是数字和/或字母，表示样品来源。
● 样点编号：各采样批次对样点的自定义编号，可以是数字和/或字母，同一采样批次下样点号不能重复（对于CERN土样，根据观测场代码编写样点编号）。
● 层次序号：最上层为1，向下依次递增，若超过9层，则使用字母表示，a表示10，b表示11，依次递增。
● 重复号：该土样是否重复保存。重复号为0表示唯一；重复号为1表示该土样保存数大于1，且该瓶为第1瓶。
● 存放地代码：土样保存库的编号。
例如：53290120150501SQ0201012SSC，该样品相关信息如下：采自于云南大理，2015年5月1日采集，由土壤质量项目中02采样批次提供，样点号为010，层次为第一层，重复号2表示有多瓶，该瓶为第2瓶，SSC表示存放于CERN土壤分中心样品库。
3.2 土壤样品数据库土壤样品数据库是土样管理系统最重要的部分，主要用于保存和管理土样采集信息、属性信息以及出入库信息等。该数据库首要确保土样信息的科学性和专业性，同时满足土样保存管理工作的业务需求。
土壤样品数据库包含6个关键表：采样批次表、样点信息表、剖面层次表、样品信息表、理化性质表和样品出库表（图 4）。
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图 4 土样信息数据库结构 Fig. 4 Structure of soil sample information database |
● 采样批次表：包含采样批次基本信息。
● 样点信息表：包含样点基本信息、生境信息，一个采样批次对应多条样点信息记录。
● 剖面层次表：包含一个样点的剖面层次信息，一个样点对应多条剖面层次记录。
● 样品信息表：包含一瓶样品的存放位置、重量等入库信息，每条记录对应唯一一瓶样品，即对应唯一一个统一编号。
● 理化性质表：包含土样的理化属性等信息。
● 样品出库表：包含样品编号、申请人、申请重量、审核人、出库人、出库时间、出库地点等信息。
3.3 土壤样品动态管理与发布平台土壤样品动态管理与发布平台的功能覆盖土样保存管理全过程，包括出入库管理、土样信息管理、库房资源动态管理等。该平台提供统一的浏览和查询界面，实现了全部土样信息的发布和共享以及长期保存土样的协议共享。根据不同的使用场景，该平台同时开发了PC端、Web端和移动端。
为确保土样信息数据质量，该平台设置了多重规则对土样数据进行校验。校验规则包括重要字段是否缺失（如经纬度、采样时间等）、各关联表样品记录的关键字段是否一致（如样品信息表中的样点号和层次号必须分别在样点信息表及剖面层次表中存在）、省市县名称是否准确、存放单元是否被占用等。当数据不满足校验规则时，系统会提示用户进行修改，直至满足全部校验规则数据才能入库。
3.4 库房管理平台库房管理平台集成了土样保存库的各常用设备接口，包括智能密集柜、监控设备、扫码枪、打印机等。其中智能密集柜和监控设备需要进行简单设置，扫码枪、打印机等设备可实现即插即用，全面满足样品入库、数据管理、扫码查询、视频监控、密集柜控制等日常需求。
4 土壤三普样品库建设的思考土壤三普是对我国土壤的“全面体检”，不论对于国情国力调查还是科学研究均具有划时代意义。构建土壤三普样品库是创建新时代我国土壤的代表性时空快照，以及系统地填补我国历史土样不足的良好契机。土壤三普工作方案[32]明确指出，样品库是土壤三普的主要成果之一，要求形成标准化、智能化的国家级和省级土壤样品库、典型土壤剖面标本库。基于CERN在土样长期保存方面的成果和经验，针对土壤三普样品库构建提出以下思考。
分布式保存和一体化管理的土样保存策略，契合土壤三普在组织实施方式和调查规模等方面的特点，是高效解决国家样品库建设的科学合理方案。土壤三普样品库建设可参考CERN土壤样品长期保存系统，在国家、区域、省、市等不同层面按照土样保存的实际需求建立分布式的土样长期保存库，用于保存具有不同代表性水平的土样。在国家层面，建立统一的土样信息联网管理平台，对空间上分散保存的土样实施统一管理，包括土样出入库管理、保存土样的信息发布、库房实况管理等。着重强化土样实物与土壤属性数据的关联统一管理，确保每件保存土样具有唯一编码，并能确切对应到样品库中的保存单元，同时在数据库中有该土样的完整、准确、精细的采样位置、时空信息和土壤属性。
详细明确的标准规范是土壤三普工作方案有效落实的前提。尽管土壤三普工作方案规定的技术路线与方法已经覆盖了土壤普查工作的主要部分，但是其中土样保存环节仍需加强和细化。土壤三普样品库建设可参考国家标准[31]，针对不同区域的气候和土壤特点，从代表性土样的筛选、土样制备、保存设施、保存条件等方面，优化并制订详细的土样保存操作规范。在保存土样类型方面，除了本文2.1中提及的，对于部分珍贵土样有必要进行拓展，例如新鲜原状土样、土壤DNA/RNA、其他类型的土壤提取物。
长期保存的历史土样，作为揭示长期生态变化的不可替代的科技资料，只有通过开发利用才能实现其宝贵价值。为促进土壤三普样品库的潜在开发和应用，有必要针对当前我国在农业和生态环境领域面临的典型重大科技问题，借助分子生物学、光谱学等新兴的化验分析手段对已有历史土样进行补充分析和再分析，通过土、水、气、生等不同要素数据的融合以及不同时相数据的综合比对，建立我国历史保存土样的应用方法体系，形成有价值的科学数据产品，拓展保存土样的应用范围。
科学合理的管理机制是确保土壤三普样品库顺利运行的必备条件。可参考科学数据管理办法[33]，系统建立、健全土壤三普样品库的管理机制体系，包括分布式土样保存库的扩展、土样保存应用成果的验收、保存土样及其信息的共享、保存土样的开放使用、土样保存的安全保障、土样及信息的生产者管理者和使用者的权责等多个方面。
致谢 CERN野外台站（海伦站、内蒙古草原站、沈阳站、栾城站、禹城站、封丘站、安塞站、海北站、盐亭站、鹰潭站、鹤山站）、中国科学院南京土壤研究所所级数据中心（https://soildata.issas.ac.cn/）、国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心-土壤分中心（http://soil.geodata.cn）、中国土壤数据库（http://vdb3.soil.csdb.cn/）。
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