導(dǎo)讀
我國目前集約化種植下，農(nóng)田有機(jī)物料的投入仍是影響土壤有機(jī)質(zhì)平衡的第一要素。我國土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量仍有增加的空間，還需加強(qiáng)有機(jī)物料的投入。
土壤質(zhì)量研究今后還應(yīng)加強(qiáng)土壤生物指標(biāo)和土壤生態(tài)和健康功能研究，加強(qiáng)土壤質(zhì)量演變趨勢研究，采用模型模擬、預(yù)測與預(yù)警土壤質(zhì)量，并通過模型的選擇和參數(shù)的確定促進(jìn)模型在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用。
我國用占世界9%的耕地養(yǎng)活了世界21%的人口，糧食增產(chǎn)中肥料的貢獻(xiàn)占了40%左右。我國從20世紀(jì)70年代以來，逐漸施用化肥，其用量逐年增加，目前成為化肥總量和單位面積用量最高的國家。
在這30多年的進(jìn)程中，糧食產(chǎn)量也在不斷增加，特別是21世紀(jì)以來，黨中央國務(wù)院制定了一系列政策，通過科技進(jìn)步和增加農(nóng)業(yè)投入，實(shí)現(xiàn)了糧食產(chǎn)量十一年連續(xù)增長。
但與此同時，我國有些地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤酸化和土壤板結(jié)等問題凸顯，例如，東北地區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量明顯下降，與第二次土壤普查比，有機(jī)質(zhì)含量下降了35%左右；華南、華東區(qū)土壤酸化日益加重；PH小于5.5的耕地面積由20%擴(kuò)大到10%。
面對這些復(fù)雜的土壤質(zhì)量問題，我國糧食產(chǎn)量“十一連增”后是否還要增還能增？農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如何發(fā)展？耕地質(zhì)量是否具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的可持續(xù)性，成為全社會關(guān)注的重要問題。
英國洛桑試驗(yàn)站170多年的肥料長期試驗(yàn)表明，化肥合理施用不會導(dǎo)致土壤退化和減產(chǎn)；而在我國，化肥施用僅僅30多年，有些地方就產(chǎn)生了嚴(yán)重的土壤質(zhì)量退化。那么，施肥是否會引起土壤質(zhì)量退化和趨勢是什么？如何施肥才能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)和土壤質(zhì)量提升的協(xié)調(diào)發(fā)展？因?yàn)橥寥蕾|(zhì)量的變化是一個相對緩慢的過程，要回答這些問題，只有通過20年以上的長期定位試驗(yàn)才能夠得出較為可靠的結(jié)論。
我國在20世紀(jì)70年代末80年代初布置了一批肥料長期試驗(yàn)，1987年國家計委和農(nóng)業(yè)部又在全國重點(diǎn)農(nóng)區(qū)和主要土壤類型上建立了9個土壤肥力和肥料效益長期定位監(jiān)測基地，20世紀(jì)80年代以來，中國科學(xué)院也在全國不同生態(tài)區(qū)布置了“土壤養(yǎng)分循環(huán)和平衡長期定位試驗(yàn)”。
到目前為止，全國持續(xù)進(jìn)行的長期肥料試驗(yàn)估計有50個左右。這些長期試驗(yàn)積累了大量的數(shù)據(jù)資料，為闡明不同施肥的土壤質(zhì)量變化提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。2015年是國際土壤年，本文以本期刊出的論文為主，對我國長期肥料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。
1 長期施肥對土壤質(zhì)量影響的研究呈增長態(tài)勢
以長期施肥（long－termfertilization）為檢索詞，
通過WebofScience檢索1980-2014年的論文，共6801篇，其中中文1423篇（圖1）。研究方向涉及土壤化學(xué)、土壤物理、土壤生物、農(nóng)學(xué)和環(huán)境指標(biāo)等。
可以明顯看出，長期施肥研究論文隨年代呈顯著增加趨勢，大致可以分為3個階段：上世紀(jì)80-90年代的開始階段；到90年代后期發(fā)展較快，進(jìn)入快速增長期；21世紀(jì)以來呈迅猛發(fā)展態(tài)勢并且持續(xù)增長，特別是2006年以來，這方面的研究一直處于活躍期，成為研究熱點(diǎn)，呈居高不下的趨勢。
21世紀(jì)以來中文論文數(shù)量也在不斷的增加，特別是2008年以來中文論文的數(shù)量占到該方面論文總數(shù)的約25%，呈現(xiàn)與國際同步發(fā)展的態(tài)勢。依據(jù)本專集論文內(nèi)容，我國典型農(nóng)田長期施肥研究60%以上集中在土壤有機(jī)質(zhì)和磷素的演變方面。因此，本文以土壤有機(jī)質(zhì)和磷素演變特征為例論述其研究進(jìn)展。
2 長期施肥土壤有機(jī)質(zhì)演變與驅(qū)動力研究成為熱點(diǎn)
合理施肥對土壤有機(jī)碳庫功能及其演變過程均具有重要影響。徐明崗等研究我國41個長期定位施肥試驗(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，近30年不施肥，土壤有機(jī)質(zhì)平均下降10%左右，平衡施用氮磷鉀化肥，土壤有機(jī)質(zhì)能基本維持平衡甚至略有增加。
我國地域遼闊，不同區(qū)域氣候、種植制度及輪作方式差異大，土壤有機(jī)質(zhì)對長期施肥的響應(yīng)差異也較大。近30年來單施化肥條件下，東北黑土有機(jī)質(zhì)呈緩慢下降趨勢，每10年下降1g/kg左右，其他區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)處于穩(wěn)定上升階段，每10年上升1.4-2.5g/kg。長期有機(jī)無機(jī)肥配合施用及秸稈還田土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著上升趨勢，30年平均上升幅度西北和華北高達(dá)51%和68%，南方旱地和長江流域水田平均為24%。
我國目前集約化種植下，農(nóng)田有機(jī)物料的投入仍是影響土壤有機(jī)質(zhì)平衡的第一要素。大量長期試驗(yàn)分析，在我國五大區(qū)域均發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)增加與有機(jī)物料投入量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，由此獲得有機(jī)物料碳的轉(zhuǎn)化利用效率。我國農(nóng)田有機(jī)物料碳的利用效率平均為16.3%，各區(qū)域之間差異較大，呈現(xiàn)為隨水熱梯度增加而降低的趨勢；其中，西北和東北地區(qū)平均為22%-26%，明顯高于華北的13%和南方旱地或水田的10%。
全球范圍內(nèi)，有機(jī)物料長期利用效率為14%，秸稈還田下秸稈的利用效率為12%。有機(jī)物料利用效率不僅受到氣候、土壤類型與性質(zhì)、微環(huán)境和管理措施的影響，而且與有機(jī)肥輸入水平及土壤有機(jī)碳離其飽和點(diǎn)的遠(yuǎn)近程度密切相關(guān)。土壤粘粒含量越高，越有利于土壤有機(jī)碳的固持和截獲，這與土壤類型及其屬性所決定的土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)穩(wěn)定機(jī)制有關(guān)。
活性有機(jī)碳組分，例如大團(tuán)聚體或粗自由態(tài)顆粒，能較敏感地反映長期施肥下土壤有機(jī)碳庫的變化，長期不同培肥模式下有機(jī)物料在不同土壤有機(jī)碳組分中的利用效率也開始受到關(guān)注。
大量研究表明，長期施用有機(jī)肥顯著促進(jìn)土壤團(tuán)聚體中碳的固存與積累。例如，Tong等認(rèn)為，大團(tuán)聚體碳積累對于碳輸入的響應(yīng)比微團(tuán)聚體及礦物結(jié)合有機(jī)碳更敏感；但周萍等發(fā)現(xiàn)在有機(jī)碳水平高的水稻土，長期施肥后有機(jī)碳積累量與200-2000μm粗團(tuán)聚體中有機(jī)碳積累量之間的關(guān)系符合拋物線方程，表明不同土壤類型及有機(jī)碳水平，團(tuán)聚體對長期施肥的響應(yīng)存在較大差異。
另外，土壤微生物是有機(jī)碳動態(tài)和養(yǎng)分有效性的主要調(diào)節(jié)者，隨著分子生物學(xué)技術(shù)與手段的快速發(fā)展，有關(guān)長期施肥對土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性影響方面，也常常通過對土壤微生物的區(qū)系、種群及功能方面的研究來實(shí)現(xiàn)。
3 長期施肥土壤磷素演變及其對有效磷的影響備受關(guān)注
土壤有效磷是衡量土壤供磷能力、指導(dǎo)磷肥合理施用和評估磷損失風(fēng)險的重要指標(biāo)。確保土壤有效磷水平控制在農(nóng)學(xué)閾值與環(huán)境閾值之間，既可保證較高的磷肥利用率、提高作物產(chǎn)量還能降低水環(huán)境污染風(fēng)險。實(shí)現(xiàn)糧食安全和環(huán)境友好雙贏的磷肥合理施用必須以土壤有效磷的合理水平為前提。
300多個國家級耕地土壤監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)表明，我國土壤有效磷從1985年到2006年平均增加了約1mg/kg。不施用磷肥，土壤磷素連續(xù)耗竭，土壤全磷和有效磷明顯下降，全磷年下降速率一般在0.01g/kg左右，有效磷年下降速率為0.25-1.69mg/kg，且土壤初始磷含量與全磷、有效磷的下降速率成正比。
施用磷肥，土壤全磷和有效磷水平維持平衡或明顯上升。每季作物施磷（P）20-33kg/hm2，土壤全磷和有效磷可維持平衡或表現(xiàn)出明顯增加，年平均上升速率因土壤類型和磷肥施用量而不同，最大每年可提高2.1mg/kg；化肥配施有機(jī)肥有助于活化土壤磷，擴(kuò)大有效磷的提升空間，最高可達(dá)9.3mg/kg。
土壤有效磷的變化與土壤磷盈虧（磷肥輸入量減去作物吸收磷）呈顯著直線正相關(guān)關(guān)系。不同類型土壤有效磷對磷平衡的響應(yīng)不同。每100kg/hm2磷盈余使得各土壤有效磷含量提高16mg/kg。每盈余磷100kg/hm2，不同類型土壤有效磷的增加量因氣象因素、種植制度與土壤性質(zhì)差異而不同。南方土壤PH值較低，可促進(jìn)難溶性磷的溶解，這也可能是土壤累積磷向有效磷轉(zhuǎn)化在重慶（4.44mg/kg）、浙江（3.28mg/kg）、湖南（2.75mg/kg）較河南（2.60mg/kg）、北京（1.60mg/kg）和新疆（1.44mg/kg）高的原因之一。
土壤有效磷的變化與其在土壤中的存在形態(tài)有很大的關(guān)系。施用化肥，土壤主要增加了無機(jī)磷的含量，施用有機(jī)肥則以增加有機(jī)磷為主。長期不施磷，土壤磷素以難利用Ca10－P、閉蓄態(tài)磷、高穩(wěn)性有機(jī)磷為主［16］；施用化肥，土壤磷素會以有效性較高的Ca2－P、Ca8－P、Al－P、Fe－P累積；化肥配施有機(jī)肥則顯著增加活性較高的有機(jī)磷組分（活性有機(jī)磷、中活性有機(jī)磷），利于土壤有效磷的提高。
4 長期施肥與土壤質(zhì)量研究展望
4.1重視土壤生物指標(biāo)和土壤健康功能研究
廣義土壤質(zhì)量包括土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量。土壤肥力質(zhì)量指土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物質(zhì)的能力，是保證糧食生產(chǎn)的根本；土壤環(huán)境質(zhì)量指土壤容納、吸收和降解各種環(huán)境污染物的能力；土壤健康質(zhì)量指土壤生產(chǎn)安全和營養(yǎng)成分完全優(yōu)質(zhì)的食品，從而影響和促進(jìn)人類和動物生存的能力。
目前我國對土壤肥力質(zhì)量研究的最多，對土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)注逐漸增加，而對土壤健康質(zhì)量研究甚少。2015是國際土壤年，其口號是“健康土壤帶來健康生活”。土壤生物與土壤健康功能密切相關(guān)，是健康功能的良好指示，因此，今后應(yīng)該加強(qiáng)土壤健康功能及其生物指標(biāo)的研究。
土壤生物指標(biāo)的研究越來越受到重視，隨著分子生物學(xué)u術(shù)的發(fā)展，PCR－DGGEu術(shù)和基于16SrRNA基因的高通量測序u術(shù)，較傳統(tǒng)微生物分析u術(shù)更能真實(shí)地反映土壤中微生物群落的復(fù)雜性和多樣性，特別是土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)多樣性以及與碳氮循環(huán)的相互關(guān)系，是今后的重要研究方向之一。
4.2重視模擬模型及土壤質(zhì)量演變趨勢研究
土壤質(zhì)量及其指標(biāo)的變化是復(fù)雜的地球生物化學(xué)過程，受氣候、植物生長、土壤性質(zhì)以及人類活動等眾多因素的影響。目前關(guān)于長期施肥與土壤質(zhì)量關(guān)系多采用單一因素分析，對多因素及其相互作用研究較少。
現(xiàn)代統(tǒng)計分析u術(shù)和模擬模型如整合分析、R分析可揭示不同區(qū)域多因素對土壤質(zhì)量的作用及其貢獻(xiàn)大小，逐漸成為新的研究方向?；陂L期試驗(yàn)的系列數(shù)據(jù)，采用模型模擬分析土壤質(zhì)量的演變趨勢受到青睞。在土壤有機(jī)碳演變趨勢預(yù)測方面，起源于英國洛桑試驗(yàn)站的Rothc模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易獲得，可較好地模擬耕層土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。
Century模型基于土壤結(jié)構(gòu)，兼顧模擬環(huán)境因子、農(nóng)業(yè)管理措施等多重影響因素，常應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳原始積累和人為因素影響下土壤有機(jī)碳的演變過程研究。開發(fā)和構(gòu)建適用于我國復(fù)雜氣候類型和多樣化種植條件下的土壤有機(jī)碳預(yù)測模型，通過參數(shù)調(diào)整促進(jìn)模型在生產(chǎn)實(shí)踐中的作用，是今后的重要研究方向之一。
作者：張淑香1，2，張文菊1，2，沈仁芳3，4，徐明崗1，2，4*（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培肥技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會，北京100081；3中國科學(xué)院南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008；4中國土壤學(xué)會，江蘇南京210008）
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報（2015年第6期）
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