土壤生态学以土壤生态系统为研究对象，探讨土壤生物多样性及其生态功能，以及土壤生物与环境相互作用的科学。

近几十年来，中国的科研投入和产出双双飙升，震动世界。中国科技论文的数量在2016年就超过美国，占世界总量的1/5。现在，无论论文数量还是理工科毕业生的数量都高居世界首位。然而，科学的目标不是论文而是创新，数量上的发展有待转化为质量。因此，当前基础研究面临的任务就是：转型。

本着分门别类、本刊推荐、专家评选、宁缺毋滥、叙述事实的原则，从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体所报道的中国科技成果中，按科学、技术和工程3个类别，由《科技导报》编辑部遴选、推荐候选条目，经《科技导报》编委、审稿人等专家通信评选，推选出2021年中国重大科学、技术、工程进展30项。（1）2021年中国重大科学进展10项：阐明新冠病毒逃逸抗病毒药物的分子机制；揭示鸟类迁徙策略变迁的遗传基础；绘制东亚长时间尺度下古人群动态演化遗传图谱；实现基于吸收型量子存储器的量子中继架构；揭示人体正常组织体细胞突变规律；实现超顺电弛豫铁电体中的超高能量存储；利用FAST捕获迄今最大快速射电暴爆发事件样本；“嫦娥五号”月球样品研究为揭示月球演化提供新依据；研制出系列高性能铂合金催化剂；高压合成毫米级极硬的非晶碳材料。（2）2021年中国重大技术进展10项：自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟；首次实现高性能的纤维聚合物锂离子电池；研发成功-271℃超流氦大型低温制冷装备；研制出应用于哺乳动物成像的自适应扫描光场显微成像仪器；世界最大的小鼠全脑神经元数据集建成；12英寸超精密晶圆减薄机正式进入集成电路大生产线；国产宫颈癌疫苗、四价流脑结合疫苗获重大突破；SWQSIM实现每秒4.4百亿亿次的持续计算性能；开发出搜寻暗物质的超灵敏量子精密测量技术；新冠病毒监测、防治取得系列重要进展。（3）2021年中国重大工程进展10项：中国三代和四代核电工程取得新突破；中国首次火星探测任务取得圆满成功；中国强流高功率质子加速器研制再创世界纪录；“海牛II号”刷新世界深海海底钻机钻探深度；中国空间站开启有人长期驻留时代；全球在建规模最大的白鹤滩水电站首批机组投产发电；世界首套设计时速达600 km的高速磁浮交通系统成功下线；中国首个自营超深水大气田“深海一号”全面投产；“海斗一号”跨入万米科考新阶段；世界最大推力整体式固体火箭发动机试车成功。

土壤生态学以土壤生态系统为研究对象，主要探讨土壤生物多样性及其生态功能，以及土壤生物与环境之间的相互作用。综述了土壤生态学的主要研究方向与研究内容，介绍了当下大尺度土壤微生物地理分布格局研究、土壤生物互作与土壤食物网、土壤生物组与土壤健康和新型土壤污染等研究领域的前沿热点，并对未来研究方向进行了展望。土壤生态学研究有助于客观认识和科学利用土壤生物资源，为应对环境和气候变化、恢复退化生态系统、促进土地资源的可持续利用提供科技支撑。

作为植物-土壤负反馈的典型现象，作物连作障碍严重制约了农业的可持续发展。概述了植物-土壤反馈理论的发展过程和作用原理，以连作障碍为例总结了该理论在农业生产中应用和发展现状，建议参照自然生态系统中的植物-土壤反馈作用理论，进一步解析农田植物多样性提高作物健康和产量的机制。通过构建多样性种植模式、发展强化根际微生物组功能等手段来促进农田中的正反馈作用，缓解或消除作物连作障碍因子，增强土壤-植物系统健康，促进农业可持续发展。

围栏封育是恢复退化草场的主要措施，但随着围栏年限增加，围栏产生的不利影响日益凸显。土壤微生物是评价草地土壤质量的重要参数，通过综述围栏工程对土壤理化性质、细菌、真菌和功能微生物类群的影响，总结了土壤理化指标和土壤微生物对围栏封育的响应，表明可以根据相关指标来综合评价退化草地土壤的恢复效果，提出合理的围栏时间，以进一步改善和恢复退化草地的生态功能。

土壤食物网精准调控是探究和发挥土壤生物生态功能的关键和难点。综述了已有的土壤食物网直接和间接调控方法，讨论了土壤食物网生态功能研究现状及面临的困境，如常用的直接调控措施很难在野外大规模应用；间接调控土壤食物网内在机制复杂，调控效果不易把控；土壤食物网全图模糊不清，关键类群及其权重难确定；土壤食物网的物质循环与能流难量化等。提出探索建立土壤食物网及其相关的生态过程的野外监测技术体系，发展简单易行的野外土壤食物网调控技术，关注土壤食物网的“外延”界面，开展土壤食物网相关的多尺度多因子和多过程的融合研究等4方面的发展建议。

土壤是环境抗生素抗性基因的源与汇，也是抗性基因发生水平转移的重要热区。综述了土壤环境中抗性基因的主要来源及驱动因子，阐述了抗性基因在土壤-植物、土壤-动物及土壤-水体等不同系统中的传播过程，总结了抗性基因在土壤中的传播扩散机制，表明水平基因转移是抗性基因在环境中传播的主要分子机制之一；土壤-植物系统是抗性基因从环境向人类传播扩散的一个重要途经，是环境抗性基因人群暴露的主要来源；不是所有的抗性基因都具有严重的健康威胁，鉴定高风险的抗性基因对维护人类健康具有重要意义；源头控制是控制抗生素和抗性基因污染的重要手段之一。

病毒是地球上数量最多的生物实体，在调控宿主群落组成、推动宿主进化及影响土壤元素的生物地球化学循环等方面起着非常重要的作用。概括了环境病毒的研究历史及发展现状，揭示了病毒生态学的发展历程；分析了土壤病毒生态学常用研究方法（包括表型、基因多样性、宏基因组、生物信息学分析等），阐述了土壤病毒的多样性、病毒在土壤生态系统中的生态功能；展望了环境噬菌体的应用（噬菌体疗法）及发展前景。

丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）真菌能够和大多数农作物形成互利共生体系，有效改善作物矿质营养，减轻环境胁迫对作物生长的不利影响，提高作物产量和品质。由于AM真菌的功能多面性，其在农业生产中具有潜在重要作用和广阔应用前景。结合AM真菌农业应用技术途径和适用情景，讨论了作物种植制度和管理措施对AM真菌功能的影响及可能的调控途径，分析了菌根技术发展趋势及面临的机遇和挑战，提出加强AM真菌功能多面性及其应用途径优化研究，将有助于促进AM真菌菌剂相关产业的发展以及AM真菌在农业生产中的广泛应用。

从宏基因组学的2个主要技术——扩增子测序与宏基因组测序出发，对其在微生物群落检测中的基本分析流程进行了介绍。概述了微生物群落多样性的概念、相关的统计分析原理以及相关分析结果的解析方法等。提出利用正处于蓬勃发展时期的大数据分析技术与手段来克服宏基因组学数据解析，并将分析结果用更易理解的形式展现出来是未来研究的重点和难点，也是从事环境微生物学、生物信息和统计学研究人员共同的挑战。

微生物生物地理学主要研究微生物的分布格局及其驱动机制，经典频率数理统计方法是当前该研究领域中广泛使用的统计方法。近年来，贝叶斯推断作为重要的随机模拟数理统计方法正不断地应用于土壤微生物生物地理学的研究中。介绍了贝叶斯推断与经典频率数理统计的区别；描述了贝叶斯推断在土壤微生物生物地理学研究中的基本分析流程，包括模型构建、模型拟合和模型优化；评价了贝叶斯推断在该研究领域中的自身优势、应用潜力和发展方向；并以岛屿生物地理学理论为研究框架，利用模拟数据，进行了贝叶斯推断流程演示。提出贝叶斯推断未来有望成为研究土壤微生物生物地理学中复杂数据和开展模型模拟的重要工具之一，在土壤微生物生物地理学中具有广阔的应用前景。

在大尺度（中国）范围内，季风和降水等因素可能对土壤中挥发性元素汞和硒的含量具有显著影响，但影响表层土壤中汞和硒差异的关键因子及其贡献率仍未知。分析了干、湿沉降，微生物挥发作用对土壤中汞和硒积累的贡献，结果显示表层土壤汞和硒的积累是一个动态的过程。在全国尺度上，湿沉降对表层土壤中硒的贡献率达到91.5%，对汞的贡献率为49.4%；植被覆盖指数对土壤中汞的贡献为23.4%。由于汞和硒在大气中存在方式不同，汞以不溶于水的元素汞为主，而硒以易溶于水的甲基硒为主，干、湿沉降对二者的贡献有明显差异。

氮肥的不合理施用导致土壤活性氮气体（N_r，包括N₂O、HONO、NO_x、NH₃等）过度排放，严重威胁着生态环境和人类健康。综述了土壤N_r排放的主要途径，探讨了土壤微生物过程、施肥、土壤温度、土壤水分含量、耕作方式及其他调控因素对土壤N_r排放的影响，总结了土壤N_r排放通量估算的研究现状。提出未来的研究还需结合多种手段，例如宏观与微观结合、多学科交叉、GIS技术与机理模型相结合、宏基因组测序技术、遥感观测等技术，深入探究土壤N_r排放的关键机制、驱动因素和空间格局，以及在全球变化和碳中和背景下土壤N_r排放的响应，完善土壤N_r排放估算模型，为有效控制和减少大气N_r污染、提高空气质量、优化氮肥利用提供科学依据和指导。