2021-4-10 | 农业发展论文
一、土壤肥料长期定位研究及其意义
至今仍然保留下来时间在50年以上的“经典试验”包括美国伊利诺斯州立大学的Morrow轮作-肥料试验（1875年）、Morrow磷矿石粉肥料试验（1900年）；德国哥廷根农业研究所的E-Field轮作下的肥料试验（1873年）和多年生黑麦草肥料试验（1873年），林布尔格罗夫农业研究站的化肥对作物产量及产品质量影响试验（1938年）；法国贵格纳国立农业研究所的Deherain小麦、甜菜肥料试验（1876年），小麦连作肥料试验（1876年）以及芬兰、荷兰、丹麦、加拿大和澳大利亚等国家的相似试验等。而亚洲最早开展且持续至今的土壤肥料长期定位试验是日本鸿巢县中央农业试验站的水稻连作肥料试验（1926年）。但我们同时还要看到，目前绝大多数的土壤肥力长期定位点多集中在发达国家，而在热带地区以及发展中国家的定位研究还比较少。以我国来说，现存的长期定位试验主要建立于20世纪70年代后期，而始建于1987年的“国家土壤肥力与肥料效益监测站网”当属目前国内最为完整、覆盖面最大、具有网络试验特征的大型长期土壤肥料试验群。我国长期土壤肥力监测研究目前面临的最大问题是经费不足和队伍不稳定，不少试验正在被迫关闭或处于失管状态。国家应对保护完整的、有代表性的大型长期定位监测研究平台给予重点支持和保护，使之像英国洛桑试验站和美国的Morrow长期试验基地一样，受到国家的高度重视，成为国家科技创新体系重要的基础条件平台。就方法论而言，土壤肥料长期定位试验是一种采用既“长期”又“定位”的方法的试验。农业生态系统中很多过程进展缓慢，外部环境条件也在不断发生改变，短期试验往往不能揭示这种长期的变化趋势。长期定位试验具有时间的长期性和气候的重复性（即能克服气候的年际变化对肥效的影响）等特点，信息量丰富，准确可靠，能系统地揭示土壤肥力的演变过程。不同气候条件和土壤类型下的土壤肥力长期定位试验得到了一些共性的结论：
（1）有机和无机肥料的配合施用能够最大程度地达到高产的目的，但单施化肥或有机肥一样具有持续增产的效果，连续合理施用化肥并不影响作物产量；
（2）尽管在相同施肥条件下，作物轮作较连作可获得较高产量，但这些经典试验告诉我们在合理施肥的情况下，单一种植也一样能够维持一定的高产；
（3）从提高土壤有机质含量和提高地力的角度而言，有机肥明显优于化肥，但合理施用化肥对提高土壤有机碳、有机氮库仍有微弱作用。依靠从这些土壤肥料长期定位试验中获得的共性结论，欧洲、美国以及其他发达国家在近数十年内迅速形成了依靠单一种植、合理施肥、机械耕作和科学用药为四大支柱的现代农业方式，其中前2项的实用性和可靠性便来自长期肥料试验的研究结果。同时，土壤肥力长期定位试验以长久固定的土壤管理模式使土壤性质按不同的方向不断地改变，从而形成具有不同肥力性状和生物活性的各种土壤类型。这些永久保存下来的不同时期的土壤样品，为后来者研究不同农业耕作模式下土壤的发展变化过程以及了解人类活动对这些演变过程的影响提供了珍贵的研究对象。此外，土壤肥力试验长期以来不间断的试验结果存档也为验证土壤肥力变化模型的可靠性提供了宝贵的数据，将有助于研究和预测现代农业耕作措施对未来土壤质量乃至农业生产的影响。
二、农田土壤肥力培育研究及其进展
张福锁等研究指出，土壤肥力是土壤质量的重要特征，是作物高产稳产的保证，土壤的基础地力越高，作物的产量也就越高。而就我国现有耕地而言,中低产田面积比例高达71.3%，因此如何提升土壤地力已经成为我国农业科技工作者关注的焦点。全球诸多不同气候条件以及土壤类型上的长期土壤肥料定位实验总结并阐明了在不同耕作措施下的土壤肥力的长期演变规律，为土壤地力提升提供了有效的理论依据及其技术支撑，为农业的可持续发展提供决策依据。
1、优化化肥施用
化肥持续大量施用造成近年来土壤肥力下降很快、生态环境恶化。究其原因除了忽视有机肥的投入以外，化肥投入比例不当亦是重要的一个方面。据有关资料统计，目前我国施用化肥比例N∶P2O5∶K2O为1∶0.34∶0.25，磷钾不足，严重失调。平衡施肥是目前普遍提倡的科学施肥方法，传统的平衡施肥主要目的是提高作物产量，为我国的粮食增产、农民增收作出了重大贡献。推广平衡施肥，除了作物产量与品质之外，还要关注施肥对土壤生态系统其他因素产生影响。陈建国等在南方缺磷水稻田上的试验表明，平衡施肥能够提高土壤肥力，与不施磷肥和过量施磷处理相比明显增加土壤有机质含量，显著提高土壤微生物生物量。而王伯仁等和林新坚等的研究也都指出，平衡施肥在提高作物产量及其施肥效益的同时，还有利于保持和提高红壤旱地的土壤肥力。因此，在增施有机肥的基础上，科学施用化学肥料，可以改善耕地养分失调，同时有利于优化土壤理化性状。
2、合理增施有机肥
全球不同区域的土壤肥料长期定位试验的结果均指出，长期施用有机肥能够明显增加土壤中有机质的含量，而土壤有机质含量正是反映土壤肥力的重要指标之一，对于土壤中养分的积蓄、良好结构的形成以及土壤中有害物质毒性的消除等均具有重大的意义。其次，孙福来、劳秀荣等的研究表明有机肥培肥措施还能够有效明显增加土壤中有效氮、磷、钾养分的含量，而且是对于表层土壤（0~20cm）有效养分的增加尤为显著。再次，有机肥的施用还能增强土壤的保水性和固氮能力，有利于水肥的耦合；增加土壤有机C、非水稳性团聚体、水稳性团聚体的含量，有效地提高土壤团聚体的稳定性；还有研究认为，施用有机肥后土壤容重降低，致使有效水分、导热率和气体比例得到改善，促进作物生长发育。最后，有机肥的施用还有效地提高了土壤酶活性以及微生物碳、氮的含量。但随着近年来以农户家庭为单元的家畜养殖存栏量的逐渐减少，导致农民的有机肥积造量急剧下降。如何充分挖掘和利用农业生态系统中的有机肥源，合理循环使用有机物质已成为了实现有机-无机肥配合施用的物质基础和前提。其中农作物秸秆还田和绿肥种植重新引起了人们的关注。农作物的秸秆含有相当数量的碳、氮、磷、钾等营养元素，秸秆还田必然增加土壤中相应养分的储量。作物秸秆还田还提高了土壤耕层有机质含量，Gra－ham等认为，随着作物秸秆还田量的增加，0~10cm土层中有机质含量也随之增加。关连珠等的研究进一步指出，在配施化肥的基础上,施用有机肥可提高有机质含量7%~15%，其中尤以施用未腐熟秸秆处理效果最好，可提高有机质含量9%~15%。此外，秸秆还田还能够提升土壤有机质的品质，孙星等的研究结果表明，秸秆与化肥配施能够改变土壤腐植酸的组分，其中胡敏酸与富里酸的比例比单施化肥土壤明显提高。我国南方农作区冬闲田面积大、空闲时间长。因此利用冬季空闲茬口种植一季绿肥作物，既能增加当季地面覆盖，保持水土，又能增加生物固氮量，活化富集土壤磷、钾等养分，翻压还田后能提高土壤有机质含量，为后季作物提供速效养分。李继明等通过26年的长期定位试验发现，红壤稻田区绿肥与化肥长期配合施用不仅有利于水稻稳产增产，减少了化学肥料的使用量，而且土壤中有机质、全N和全P均明显高于单施化肥处理。王劲松等的研究还发现，绿肥种植不仅增加了土壤中速效养分和有机质含量，还能够改良土壤结构，降低土壤容重。因此，绿肥与化肥长期配合施用可以减少化肥的使用量，提高化肥氮、磷、钾养分的农学效率，增加土壤有机质，改善土壤物理结构，提高土壤肥力，是作物增产和培肥地力的有效途径。
3、优化耕作制度
近十几年在生产实践中总结出的保护性耕作法是一个成功范例。大量的研究表明，保护性耕作减少了土壤的翻动，加上秸秆覆盖作用，可以有效地控制土壤侵蚀，减少水土流失。该技术的应用还对土壤理化性质改善，进而提升土壤肥力起到积极的作用。朱文珊等的研究表明，免耕土壤的孔隙分布较合理，有利于土壤上下层的水流运动和气体交换。免耕还可以显著改善土壤化学性状，土壤有机碳显著提高，同时可提高土壤表层的N、P和K含量。此外，免耕还可增加土壤生物和微生物数量和活性。由此可见，实施保护性耕作措施改良了土壤物理结构，提高了土壤养分水平，使得土壤团粒稳定，增加了水分入渗量，从而减少了径流和土壤流失，有效提高了土壤肥力。
三、提升土壤肥力与发展现代农业思考
所谓现代农业，相对于传统农业而言，是广泛应用现代科学技术、现代工业提供的生产资料和科学管理方法进行的社会化农业，是以农业生产过程中生产技术手段应用的水平、程度和范围来确定的。凡是大量应用现代先进的科学技术，使劳动生产率大幅度提高，并有较发达的社会经济环境和其他高技术配套产业的密切配合，这就是现代农业。目前我国正处于传统农业向现代农业的过渡阶段。农业发展主要依赖提高土地产出率为重点的劳动实用型的生物化学技术创新。所通行的仍然是以农户为单位的小规模生产，也没有跳出传统农业方式的范畴。由此可见，中国农业出现的增长，从总体上来看，主要还是传统农业方式下的增长行为。那么，伴随农业家庭联产承包责任制的推行，在传统农业向现代农业转变的过程中，土壤肥力究竟发生了什么样的变化？不少学者认为，由于农业生产水平与复种指数的提高，耕地质量出现了令人担忧的征兆，综合表现为土壤基础肥力下降、土壤物理性状变差（如耕层变浅、容重增加）、土壤缓冲能力下降、各种污染加剧等，已明显地制约着农业可持续发展。特别是1980年以后高产品种、高产栽培技术的应用以及化学物质（化肥、农药）投入量激增，作物产量水平也随之迅速提高；但由于小规模生产的限制，农家肥投入不断降低，绿肥种植几乎绝迹，农民对土壤养分的投入远远低于土壤的产出，导致了土壤肥力退化严重。以张炳宁等在扬州的研究为例，20世纪八九十年代，随着作物产量的激增，该地农田土壤大都出现了耕作层变浅、土壤物理结构变差、耕层养分含量下降等一系列土壤肥力退化症状。这一现象在当时的中国极具代表性。土壤不仅是人类生存的基本资源，也是农业可持续发展的重要基础。现代农业的发展是以持续农业为战略体系。发展持续农业的目的，是获得高产优质的农业产量，保持清洁的环境和生物多样性，其内涵主要是在保持和提高代传土地质量，增强抗风险的缓冲能力，使土地在保护环境的基础上永续利用，并不断提高其农业生产力和经济价值。因此，人们通过了解土壤肥力的演化规律，采用不同的耕作措施调节土壤肥力的发育过程，使其朝着高产、优质、高效、安全和生态方向发展，已经成为了现代持续农业的根本措施。在此意义上，根据现代持续农业发展的需求，我国土壤学中长期发展优先研究内容可集中以土壤质量提升与调控为核心，具体有以下5个方面：
（1）交互作用。从研究土壤本身转向研究土壤与人口、资源、生态、环境、社会经济发展相协调，从单一学科走向与其他相关学科相互综合、相互渗透和相互交叉，不断丰富和发展土壤肥料领域的研究内容。包括不同生态区域土壤肥力的演变规律与主要驱动因子及机制，土壤肥力演变与生态环境之间相互关系的研究等。
（2）土壤管理。研究土壤肥力及其影响因素，土壤养分含量与肥力的相互关系，土壤肥力与土壤生产力、作物产量与品质等的相互关系，施肥与耕作等措施对土壤肥力的影响，探讨提高土壤肥力的方法与对策，建立土壤肥力评价指标体系，从而为现代化农业大生产中的土壤管理提供理论支持。
（3）过程变化。土壤研究从静态走向动态的监测、预控和长期定位观测。土壤作为一个独立的历史自然体无论在时间上还是空间上都处于变化之中。同时土壤本身的发生发展过程是缓慢的，有其自身的发生发展规律。因此，要研究土壤的形成演变规律、养分变化动态等一系列问题，必需从静态的研究走向动态的监测、预控和长期定位观测。
（4）时空尺度。土壤学的全球变化研究已从全球、区域、流域到土链、田块、颗粒，从结构、表面、内层到分子、原子、电子，从静态到动态，从短时到长久。人类活动在地球各圈层中发挥着重要影响，从根本上改变了各环节或各圈层的物源、能源和信息流，从而影响生态环境与生物健康。
（5）注重应用。在土壤资源方面要强化土壤发生、分布分类、区划制图和利用对策研究。在土壤肥力方面，要关注水肥耦合，有机质、调理剂研究，在改良技术方面，要注重信息、根际、指示、修复、模式的研究，同时要深化物质循环、污染修复、全球变化、退化恢复、废物管理、地理医学等多学科的联合探索，还要注重配位诱导植物吸收、植物交互作用与转化、植物刺激与根际生物降解的交叉专业研究，以求加强对新技术、新手段的开发与应用。
作者：翁伯琦 郑祥洲 单位：福建省农业科学院农业生态研究所 福建省农业科学院土壤肥料研究所