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新垦耕地土壤肥力提升路径探析——以浙江省为例

花匠小妙招
2024-11-04 20:27

0 引言

耕地土壤是人类赖以生存的物质基础和宝贵财富的源泉[1]。中国耕地土壤总面积1.3多亿hm2，人均耕地面积只有全球的1/4[2]。因此，坚守中国耕地红线就是保护我们的生命线。然而，随着中国工业化和城镇化进程的加速，导致被占用耕地数量急速增加，人地关系矛盾日趋紧张。这一矛盾在经济快速发展的浙江省愈加突出。浙江素有“七山一水二分田”之称，人均耕地面积不足350 m2，耕地资源极度紧张，已成为制约浙江省社会经济发展以及建设共同富裕示范区的主要因素。实施占补平衡和加强耕地保护是缓解耕地短缺，守住耕地红线，保障区域经济高效可持续发展的重要举措[3]。为此，浙江省主要从山地丘陵（红黄壤）开发和海涂围垦2个途径，不断挖掘耕地土壤资源。“十一五”以来，浙江新垦耕地面积累计近20万hm2，约占全省耕地面积1/10。其中，新垦红黄壤达1.3万hm2，主要分布在金华、衢州、丽水、温州等地，海涂围垦土壤则主要分布在杭州、绍兴、宁波、台州、温州等地。然而，新垦红黄壤普遍存在酸性强、有机质低、养分含量低、土壤结构差等问题[4]；新围垦海涂土壤则存在碱性强、盐分高、有机质低、养分含量低、土壤结构差等问题[5]。新垦耕地的质量等级普遍较低，难以保障农作物正常生长[6]。根据本研究团队参与完成的2020年浙江省补充耕地质量等级评价试点工作成果显示，浙江省富阳区、临安区、龙泉市、青田县和缙云县等5个县（市、区）2019年度近1300 hm2新垦耕地平均等级仅为7.81等，主要以七至十等的低等级耕地为主，占比69%。综上，浙江省新垦耕地存在土壤肥力差、生产力低等突出问题，导致种植效益差，农民种植意愿不强，对保障粮食安全和区域经济高效可持续发展构成巨大的挑战。因此，系统研究新垦耕地肥力提升技术，稳定、快速、持久的改善土壤物理、化学及生物学性状，消除限制作物生产力的主导障碍因子，切实提高耕地生产能力，不仅对浙江省实现耕地数量、质量、生态“三位一体”的保护目标具有重要意义，而且促进新垦耕地高效利用，保障粮食安全，助力农业增效和农民增收，实现乡村振兴和共同富裕也有重大的现实意义。

1 新垦耕地培肥现状与问题

土壤肥力是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应，是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力，也是影响耕地质量和生产能力最重要的因素[7-8]。实现新垦土壤肥力的快速提升对于中国守住耕地红线、保障粮食安全和促进农业高质量发展至关重要。

1.1 土壤酸化是限制红黄壤生产力的关键障碍因子

传统改良技术主要是施用石灰性肥料，但长期、大量施用会导致土壤板结，土壤镁(Mg)、钾(K)缺乏以及磷(P)有效性下降[9-10]；另一方面，石灰在土壤中的移动性差，仅能中和表层土壤的酸度，对20 cm以下的深层土壤基本无效[11]。近年来，酸化红壤的修复方法取得了一些新进展。如基于农业有机废弃物的有机改良方法、农作物秸秆为原料生物质炭改良剂[12]，一些有机物与无机碱性物质配合制备的土壤调理剂和微生物菌剂均在小试中取得较好的改良效果[13-14]。土壤酸化往往伴随着土壤肥力退化，因此土壤酸化改良与土壤肥力协同提升是提高新垦红黄壤肥力的关键。虽然将石灰等无机改良剂与有机肥等有机改良剂配合施用有望解决这一问题，但是仍存在成本高、稳定性差等技术瓶颈问题，迫切需要改良技术的创新突破。

1.2 土壤盐分是限制海涂土壤生产力的主导障碍因子

针对这一问题，有研究提出了基于垄作、硫酸铝改良和生物肥的重度盐碱土治理技术，研发了滨海盐土加速脱盐、长效培肥、耐盐品种和轻简栽培等集成技术体系[15]。浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所研发的相关技术，可以在3个月内实现新垦砂土类海涂土壤盐分从10‰以上降至3‰，基本保障作物正常生长，但对于粘质的海涂土壤降盐效果较差[16]。因此，研发成本更低、适用性更广的快速同步脱盐-培肥技术，是提高新垦海涂土壤生产力和利用效率的迫切技术需求。

1.3 土壤结构也是影响新垦土壤肥力的重要障碍因子

土壤结构的改善有利于保肥、保水、通气，增加土壤微生物多样性，优化生境系统，有助于提升土壤肥力和土壤健康[17]。除了通过增加土壤有机质积累改善土壤结构外，优化种植模式、耕作方式和施用土壤改良剂也是改善土壤结构的重要途径。目前美国研究出的土壤结构改良技术措施主要有深翻土壤，如深耕犁翻耕40~60 cm，或用三层犁翻耕。国内外常用的改良剂有聚丙烯酰胺[18]、β-环糊精[19]、腐殖酸钾[20]、膨润土[21]、高岭土[22]、蛭石[23]、沸石[24]、硅藻土[25]、生物质炭[26]和泥炭[27]等，可改善耕地土壤物理性状[2]。浙江省新垦耕地普遍存在耕层浅薄和质地复杂等现状，上述材料在浙江省典型新垦耕地改良中的适用性及其效果尚需要进一步研究。

1.4 土壤微生态健康是影响新垦土壤肥力和生态功能的重要因素

强化土壤有益微生物菌群是新垦土壤肥力提升、保障土壤健康和发挥土壤生态功能的重要途径[28]。日本学者比嘉照夫于1993年发明了由光合菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌和丝状菌五大菌群共80多种有益微生物组成的EM (Effective Microorganisms)菌剂，在优化土壤微生态环境、改良土壤方面具有明显效果，已推广应用到90多个国家[29]。ARORA等接种芽孢杆菌和伯克霍尔德氏菌后显著降低了酸性土壤上作物的铝胁迫[30]。美国还专门针对新垦耕地土壤研发了生物土壤改良剂肥料，通过添加活性微生物菌剂进行固氮、解磷、解钾作用，加速土壤养分循环，促进新垦耕地的快速熟化，进而促进植物光合作用、提高生产能力[31-32]。浙江省新垦耕地土壤基础肥力普遍较差，微生物生境恶劣，多样性低，亟需研发适用于浙江省高盐或高酸新垦耕地土壤，促进土壤生态功能发挥和高效绿色施肥相协调的微生物产品。

2 土壤肥力综合评价技术与方法现状与问题

耕地质量评价是耕地数量、质量与生态保护的基础，耕地地力/土壤肥力是耕地质量的重要组成。1961年美国农业部正式颁布了世界上第一个以农业生产为目的、较为全面的土地评价系统，从土壤特征评定土地潜力分级，能够客观反映各级土地利用限制性程度，便于进行土地之间的等级对比。中国比较系统的开展耕地质量和土壤肥力评价工作源于20世纪80年代，因第二次土壤普查的需要，研究提出了常规土壤养分指标的分级体系，为各地开展土壤养分分等定级和评价提供依据。现行的《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)，从农业生产角度出发，通过综合指数法对耕地地力、土壤健康状况和田间基础设施构成的满足农产品持续产出和质量安全的能力进行评价，将耕地质量划分为10个等级，标准主要以县域耕地地力评价、省级耕地质量评价以及区域耕地质量汇总评价丰富实践为基础，主要为在较大尺度上对区域耕地质量进行综合评定服务。近年来，浙江省大量的新垦耕地，普遍单个项目面积不大，而且很多项目由多个分散的区块组成，如2019年度富阳区、临安区、龙泉市、青田县和缙云县等5个县（市、区）257个项目新垦耕地，连片最大面积35.5 hm2，但区块平均面积仅1.6 hm2，最小的不足0.6 hm2，基本上属于中观（田畈级）、微观（地块级）尺度。由于尺度的差异，直接应用现行标准评价新垦耕地在针对性和准确性等方面都存在一定缺陷。此外，新垦耕地普遍是硬件基础设施较好，但土壤肥力通常较差，采用现行综合评价方法划定的等级往往不能反映实际生产能力的差异。在一定的农业生产小区（气候条件、地形条件、基础设施等大的立地环境基本一致），影响农业生产能力的关键就是土壤肥力供应是否满足作物生长所需，而由于地区差异、立地条件限制，不同地域的新垦耕地其目标作物存在显著差异，有些新垦耕地以补充粮食生产功能区为目标，必须种植水稻，有些位于山区只适宜旱粮，有些是要用于蔬菜生产，这种目标作物的差异导致对土壤肥力的需求也不同。因此，迫切需要研究适用于中观（田畈）或微观（地块）尺度，区分立地环境、目标种植作物（利用方式）差异的土壤肥力评价指标体系和评价方法，为新垦耕地实施土壤培肥提供更科学合理的指导。

另一方面，土壤也是个复杂的生态系统，土壤中除了动植物，还有大量的微生物。近年来大量研究表明，土壤肥力水平不仅仅与常规的土壤理化指标相关，与土壤生物学指标也息息相关。例如，土壤微生物通过自身代谢参与元素循环过程，同时在增强根际免疫，提高土壤肥力和作物产量方面扮演关键的角色[33]。但是，以往的土壤肥力评价技术体系中往往未能将生物学指标纳入其中，难以更加全面、客观、科学的评估新垦耕地土壤肥力和健康水平。除传统的微生物碳和氮外，土壤生物多样性、酶学方法、微生物组、代谢组和转录组检测方法快速发展，为建立合理的土壤生物指标提供了可能。目前，欧盟国家已尝试利用细菌Chao指数、微生物量碳、土壤酶活性等来评价土壤肥力。因此，综合考虑浙江省新垦耕地立地条件、土壤性质和作物类型多样以及测定指标间的度量差异，以典型新垦耕地为重点，结合新垦耕地土壤肥力和作物产量目标，探索建立一套指标设置更有针对性、更加完善、更为科学的新垦耕地肥力评价技术体系，对指导新垦耕地土壤肥力提升具有重要指导意义。

3 新垦耕地土壤有机质快速提升技术现状与问题

土壤有机质具有改善土壤结构、生境体系、活化营养元素等作用，提高有机质含量是土壤培肥的基础技术措施[34]。中国耕地土壤有机质水平整体偏低，土壤有机质含量不及欧洲同类土壤的一半，有机质含量低于1%的耕地土壤面积占26%，有机质含量低是限制新垦耕地土壤肥力和生产力的重要因素之一[35]。根据2019年度富阳等5个县（市、区）新垦耕地肥力调查结果，有机质含量平均仅为%。近年来中国加大有机肥、绿肥和秸秆还田技术的应用，在降低化肥施用量的同时，对土壤培肥起到了显著的效果。陈文岳等指出，绿肥+秸秆还田+商品有机肥处理模式对新垦红壤耕地的综合培肥效果最好，其土壤有机质、有效磷、全氮及速效钾含量分别比对照增加90.7%、71.1%、71.0%和28.6%，旱粮产量增加22.6%。在美国的大部分农作区，采用保护性耕作措施，将农作物秸秆进行堆肥处理，施用后可显著增加土壤有机质含量，改善土壤的持水能力。但是，由于上述有机物料绝大多数为微生物易分解的形态，通过增施有机肥、秸秆还田和绿肥等措施来提升新垦耕地稳定性有机碳含量普遍存在见效慢、难持久的问题，导致有机质的提升速度和水平与作物高产稳产所需的耕地质量要求仍有很大差距，严重影响了其农业利用效率。此外，上述培肥措施也存在一些现实难题，例如，轮作绿肥模式受到经济效益低、水稻机械收割影响绿肥种子发芽等因素限制，尤其在新垦耕地条件下限制作用更加突出。秸秆还田则存在配套技术和机械不完善、增加病虫害风险等问题。因此，迫切需要研发新垦耕地土壤有机质快速、稳定、高效提升的综合技术。

4 对策和建议

近年来国内外的土壤肥力提升技术主要关注有机质提升，酸化、养分缺乏及高盐等障碍因子消除，并已逐步向土壤生态服务功能提升拓展，但很少从土壤物理、化学和生物学等肥力属性协同快速提升方面来探索新垦耕地土壤的培肥问题，尚未形成系统地红黄壤、海涂等新垦耕地土壤肥力快速提升技术体系。传统的培肥技术措施从新垦生土到肥沃熟土的培育一般要经过几十年甚至上百年的时间，短时间内难以实现作物高产稳产，严重限制了农业的绿色高质量发展。因此，围绕新垦耕地的生产能力、生产效益和生态服务功能全面提升，在技术的系统性、时效性、稳定性和经济性上不断创新突破，是该领域发展的必然趋势。具体建议和对策如下。

4.1 加强新垦耕地土壤的肥力状况、障碍因子及评价体系研究

以不同地区不同土壤类型为对象，研究当前土壤新垦耕地基础肥力状况及主要障碍因子，结合作物高产需求和耕地生态服务功能提升要求，建立新垦耕地肥力指标体系，为新垦耕地肥力提升效果评价提供依据。

新垦耕地土壤的肥力特征及障碍因子研究。根据新垦耕地的分布情况，选择不同立地条件、不同土壤类型及利用方式的新垦土壤，研究明确当前新垦耕地基础肥力状况及作物生产的主要障碍因子，提出土壤综合改良、肥力快速提升的总体策略。

新垦土壤肥力的关键指标及评价体系构建。综合对比分析现有肥力评价体系和耕地质量等级划分方法，结合浙江省新垦耕地的不同立地环境，以目标农作物（利用方式）为导向，基于中、微观尺度，采用层次分析法和特尔斐法确定典型新垦耕地肥力评价指标和相应权重，并将生物肥力等指标纳入评价体系，构建适合浙江省典型新垦的土壤肥力评价指标体系和评价方法。同时利用信息化、数字化技术，开发新垦耕地培肥技术专家咨询平台。

4.2 加强综合提升新垦土壤生产与生态功能的高效绿色培肥新产品的研发

通过材料和工艺创新，研发快速且稳定提升土壤有机质、促进有益微生物定殖、改善土壤结构、酸碱调理的系列微生物肥料、土壤改良剂，创制专用肥产品，为提升新垦土壤生产力和生态服务功能提供产品保障。

新型材料土壤调理剂系列产品的研发。以新型改良材料（如腐植酸，生物炭等）为载体，配合优选当前主流功能微生物菌种，添加矿物材料，研发生物强化型、酸性土壤调理剂，提升现有调理剂产品对土壤的生态调控、结构改良性能。

新型专用微生物肥料系列产品的研发。借助高通量测序和微反应器平台，针对不同新垦耕地土壤特点，驯化选育多样性高、耐受性强的益生微生物菌群，研制土壤益生微生物肥等系列产品。

主栽作物专用肥系列产品的研发。根据新垦耕地土壤基础肥力特点，结合主栽作物的养分需求规律和特性，以改善土壤肥力、提升作物产量为目标，创新研制满足作物正常生长全面营养需求的专用肥产品。

4.3 加强新垦土壤关键障碍因子消减与肥力协同提升关键技术研究——以浙江省为例

新垦红黄壤耕地土壤快速同步降酸-培肥技术研究。针对红黄壤新垦耕地土壤“酸、粘、瘦”的特点，基于新垦土壤肥力评价体系，优化应用现有改良技术和新产品，以有机质提升为核心，形成土壤酸化治理、土壤快速培肥及配套栽培技术模式；以土壤酸化改良、耕作层结构改善、有机质提升、土壤微生物生态重建等为核心，利用腐植酸、生物炭、有机肥、沼液等有机物料，结合控水保墒技术，提出新垦耕地有机质快速提升技术措施；针对新垦耕地水稻-绿肥、水稻-蔬菜、水稻-油菜、一年生旱作等主要轮作模式，优化耐酸铝、强固氮绿肥作物与有机肥、生物肥料、土壤调理剂、作物专用肥等组合应用，同时结合水分高效利用技术措施，构建土壤物理、化学、生物协同提升土壤肥力的技术体系，提出红黄壤典型区域新垦水田与旱地土壤同步降酸-培肥的技术模式。

新垦海涂土壤快速同步脱盐-培肥技术研究。针对新垦海涂土壤含盐量高、结构性能差、有机质和养分含量低等问题，研究与土壤质地相适应的同步快速脱盐-培肥技术，实现“团聚体-有机质-养分”的综合协同提升。（1）土壤质地相适应的快速脱盐技术。针对不同质地海涂土壤，基于新垦土壤肥力评价体系，应用高精度实时监测技术，优化灌水洗盐、深层暗管排盐、表层滴灌淋盐和水肥一体化等配套工程参数，筛选不同特性海涂土壤适宜种植的绿肥种类，集成物理、生物相融合的新垦海涂土壤分类分区快速降盐技术；（2）“团聚体-有机质-养分”综合协同提升的土壤培肥技术。针对不同质地海涂土壤，基于新垦土壤肥力评价体系，应用高精度实时监测技术，优化灌水洗盐、深层暗管排盐、表层滴灌淋盐和水肥一体化等配套工程参数，筛选不同特性海涂土壤适宜种植的绿肥种类，集成物理、生物相融合的新垦海涂土壤分类分区快速降盐技术。同时优化耕作方式，选择耐盐强固氮绿肥品种，组合应用土壤调理剂、有机肥及微生物菌肥等产品，加速土壤大团聚体形成，扩充耕层土壤养分库，集成“团聚体-有机质-养分”综合协同提升的土壤培肥技术。

5 结论

中国尤其是东部沿海地区耕地资源极度紧张，以浙江省为例，人均不足350 m2，整体耕地质量也不容乐观，全省耕地质量等级(GB/T 33469—2016)在4~10级的中低产耕地面积达50%左右，绝大部分新垦耕地质量在6~10级之间，有效推动土壤肥力和土地生产能力提升，实现作物产量和品质明显提升，切实保障粮食安全刻不容缓。针对近年来不同地区土壤类型及利用方式的新垦耕地土壤，在分析调查基础肥力状况和障碍因子的基础上，立足于新垦耕地高效利用需求，针对新垦耕地土壤存在的问题，以治理土壤障碍因子和加速土壤熟化为切入点，开展典型新垦耕地土壤基础肥力和障碍因子研究，创建适宜的土壤肥力评价技术体系；研究新垦耕地主要障碍因子定向精准消减技术，阐明新垦土壤结构与有机质及生物功能协同提升的理论，开发促进新垦耕地土壤有机碳库扩容和健康质量提升的新产品，构建安全、快速、高效、稳定的新垦耕地肥力提升技术体系。通过上述研究，实现新垦耕地土壤快速熟化，达到高产稳产的生产能力，切实保障粮食安全和生态安全，推进农业绿色高质量发展。

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