耕地土壤有機質提升的幾點思考

謝國雄，胡康贏，王 忠，樓 玲，章秀梅

(1.浙江省杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020；2.浙江省杭州市余杭區農業生態與植物保護管理總站，浙江 杭州 311100)

0 引言

我國是一個人多地少的國家，耕地質量建設關系著糧食安全。如何實現耕地數量上的占補平衡，快速提升耕地土壤肥力，一直是土地管理工作者努力的方向。土壤有機質是土壤系統的基礎物質，是耕地質量的核心，也是控制土壤養分供應能力和碳、氮、磷、硫循環的重要因子。土壤的物理、化學、生物學性質以及土壤的生產力都與土壤有機質的含量和性狀密切相關。現階段我國提升耕地土壤有機質水平有2個方面的戰略需要。一是維持和提高我國耕地質量的需要[1-2]。近年來的調查表明，我國大部分耕地土壤有機質嚴重偏低，導致了土壤板結、基礎地力下降[3]。基于我國耕地數量的嚴重不足及因化肥過量施用導致的環境污染的事實，僅靠增加農用化學品和能源投入量來提高我國糧食生產能力的效果是有限的，而提升耕地土壤有機質的水平、提高耕地基礎地力，藏糧于土，將是糧食安全生產的必然選擇。二是全球環境固碳的需要[4-5]。大氣CO2濃度的急劇升高造成了全球氣候變暖，該問題也是人們關注的環境問題之一，政府和社會公眾都在努力尋求各種措施以有效控制溫室氣體濃度增加的趨勢。農業不僅是溫室氣體的主要排放源之一，同時也是溫室氣體的吸收匯。中國作為農業大國，農業土壤對全球大氣CO2濃度有重要的影響，增加耕地土壤碳的固定，不僅可以使退化土壤得以恢復、增加土壤肥力、提高作物生產力，而且可作為有效的、具有中長期利益的CO2減排廉價途徑。

影響土壤有機質積累的因素眾多，提升土壤有機質的過程較為復雜。因此，了解土壤有機質提升過程中的關鍵問題，對做好耕地土壤有機質提升工作具有重要指導意義。為此，筆者從評價土壤有機質質量與數量的方法、土壤有機質提升目標的設定、耕地土壤有機質提升最低有機物質投入量的估算、影響耕地土壤有機質提升的因素及耕地土壤有機質提升的綜合技術等方面對耕地土壤有機質提升中的幾個重要環節進行了探討，以期為浙江省正在進行的耕地質量提升方案的編制和實施提供借鑒和參考。

1 評價土壤有機質質量與數量的方法

對土壤有機質的研究一般可從數量與質量2個方面進行評價。其中土壤有機質總量是衡量土壤有機質積累狀況最為方便的方法，并得到廣泛應用。土壤有機質總量評價一般采用2種方法，一是直接用化學分析或儀器分析(C/N分析儀等)測定土壤有機質的總量，二是采用數學模擬方法模擬氣候、土地利用方式等對土壤有機質的影響，后者多被用于土壤有機質總量的動態研究中。研究表明，土壤中的活性有機質組分具有較高的活性和動態性，與土壤有機質總量比較，活性有機質組分更可能作為土壤質量變化的敏感指標，它們在養分循環和維持生態功能中發揮著更為重要的作用。土壤有機質各組分的轉化過程和存留時間有較大差異，所以根據土壤有機質穩定性和轉化時間的差異，可把土壤有機質分為活性的(易變的)和穩定的組分。一般認為，活性的有機質組分包括植物殘留物、輕組分、微生物生物量碳、動物生物量碳及其排泄物、其他非腐植物質等，其分解速度快，轉化周期通常為幾周到幾個月的時間。穩定有機質組分是指礦化速率很低的土壤腐植質部分，在土壤中能保存幾年、幾十年，甚至更長時間。活性有機質組分比非活性有機質組分在土壤養分循環中的作用更為重要。目前，用于評估土壤中活性有機碳的主要指標有：用0.333 mol/L高錳酸鉀氧化法測定的土壤中易氧化有機碳[6]，采用Cambardell和Elliott的方法分離測定土壤顆粒態有機碳(粒徑大于53 μm土壤顆粒中的有機碳)[7]，利用一定密度的重液(例如密度為1.8 g/cm3的NaI溶液)分離測定土壤中輕組分有機碳(介于新鮮作物殘體和穩固態有機碳之間的一種過渡狀態)[8]，采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定的土壤微生物生物量碳(MBC)[9]，用去離子水浸提的土壤水溶性有機碳。

另外，Lefroy等(1993)綜合了土壤有機碳的總量與活性，首次提出了土壤碳庫管理指數(CPMI)的概念[10]。研究表明：土壤碳庫管理指數可有效反映土壤中有機物質的轉化速率，它比土壤有機碳總量更能代表土壤質量變化的敏感指標，并被廣泛應用于施肥對土壤碳庫影響的研究[11-12]。土壤碳庫管理指數的計算公式為：碳庫管理指數(CPMI)=碳庫指數(CPI)×碳庫活度指數(AI)×100。其中：碳庫指數(CPI)=樣品總碳含量(g/kg)/對照土壤總碳含量(g/kg)；碳庫活度指數(AI)=樣品碳庫活度(A)/對照土壤碳庫活度；碳庫活度(A)=土壤活性有機碳含量(g/kg)/土壤非活性有機碳含量(g/kg)。總碳與活性碳的差值為非活性碳。碳庫管理指數計算中的活性有機碳多指易氧化有機碳。在進行土壤有機質提升效果時，可根據需要選擇土壤有機質總量、活性有機質組分或碳庫管理指數等進行評價。

2 土壤有機質提升目標的設定

現有研究表明，土壤有機質的積累不是無限度增加的，而是存在一個最大的保持容量(也稱為飽和水平)。當初始土壤有機質含量遠離飽和水平時，有機質有較大的增加潛力；當土壤有機質接近飽和水平時，增加外源有機質的投入將不再增加土壤有機質庫。無論是從減排大氣CO2的角度，還是從農業耕地地力提升的角度，人們都非常關心土壤有機質的積累潛力。因此，如何準確地評估土壤有機質的積累潛力已成為許多領域關心的問題。由于土壤性狀、環境條件、土地利用方式的差異，不同地區、不同土壤的有機質積累潛力有很大差異，主要由生物潛力、物理化學潛力和社會經濟潛力等幾個方面構成。生物潛力與進入土壤的有機質源數量有關，主要與氣候條件、外源有機物質投入量有關，它是土壤固碳的主要動力；物理化學潛力與土壤中有機碳的穩定機制有關，主要與粉砂、粘粒結合的化學穩定性、與微團聚體結合的物理穩定性、與有機質本身性質成分有關的生物學穩定性等有關；社會經濟潛力與土壤管理措施等有關。某一特定年份土壤有機質的含量實際上是土壤與環境因素平衡的結果，是在自然和人為因素共同作用下形成的，其有機質含量取決于影響土壤的所有因素，可用函數表示為：土壤有機質=f(土壤性狀，土地利用方式，有機物質投入水平，氣候，施肥水平，其他農業管理措施，……)。目前，在土壤有機質提升工作中，有機物質的投入已引起足夠的重視，但常常忽略了其他環境條件對土壤有機質積累的作用或影響。一般來說，有機質投入越高，土壤有機質積累潛力越大；粘質土壤的有機質積累潛力高于砂質土壤；潮濕/濕潤地區的土壤比干旱地區的土壤更易積累有機質，水田土壤比旱地土壤容易積累有機質；水網平原、河谷平原農田土壤有機質積累潛力高于濱海平原和丘陵山地。

學者們已提出了許多土壤有機質積累潛力的計算方法，代表性的方法包括長期定位試驗結果外推法、歷史觀察數據比較法、土地利用方式對比法和土壤有機碳(SOC)周轉模型法等，其中前3種方法需要經過長期的試驗積累，后一種方法需要較為詳細的基礎數據。但在實際工作中，由于對各類土壤有機質可提升潛力(目標值)認識的模糊，使土壤有機質提升工作帶有一定的盲目性和不可預測性。由于各地、各類土壤所處環境、利用方式和土壤性狀的差異，各類土壤有機質提升目標的設定應該有所不同。在缺乏試驗數據的情況下，以當地同類地貌類型、相同利用模式、相同土壤類型及相似管理水平的肥力較高的土壤有機質水平作為土壤有機質提升的目標。

3 耕地土壤有機質提升最低有機物質投入量的估算

在進行耕地土壤有機質提升時，有機物質的投入是必須的。為了便于理解，本文把為提高耕地地力的有機物質投入量分為2個方面。一是為維持土壤本身有機質所需要的有機物質投入量，二是為提高土壤有機質水平需要投入的土壤有機物質量。

由于土壤本身的有機質存在礦化(分解)現象，即每年都有一定數量的土壤有機質被礦化，只有每年投入的有機物質轉化形成的土壤有機質的數量超過了因礦化損失的土壤有機質的數量，才能使土壤有機質的水平得以維持或提高。因此，確定這一為維持耕地土壤有機質水平所需要的最低有機物質投入量非常重要。

目前關于土壤有機質平衡研究的方法可分為以下幾類：(1)普通方法(平衡法)：根據農田有機質“進去”與“出來”的量，建立適當的模型，進行計算。(2)碳同位素標記法：常用的同位素是13C和14C。同位素標記可以清楚地獲得碳流向和碳通量，為碳循環的深入研究、模型的細化以及參數的確定提供了科學方法，因此得到了廣泛應用。(3)轉化模型與計算機模擬法：Jenny[13](1941)較早提出了有機碳變化模擬模型：dC/dt=A-kC。式中，C為土壤中有機碳含量；t為有機碳變化的時間(年)；A為每年加入土壤中有機物碳質量；k為土壤有機碳的年礦化率(每年的分解比例)。在此基礎上，Hemin等(1945)提出了簡單的土壤有機碳分解模型：dC/dt=fP-kC。式中，P為新鮮有機碳的輸入量；f為腐植化系數；k為土壤有機碳的礦化率；C為土壤有機碳初始含量。從20世紀70年代開始，土壤有機碳模擬模型成為土壤學家研究的重要領域。目前，除了洛桑Roth C和美國CENTURY模型外，在世界上具有一定影響的模型包括：DNDC、CANDY、DAISY、NCSOIL、SOMM、ITE、Q-SOIL、VVV、SCNC、ICBM、ROMUL、ECOSYS等。Roth C模型由英國洛桑試驗站建立，該模型根據土壤有機質的穩定性把土壤有機質分為多個組分，需要詳細的土壤分析數據。CENTURY模型是美國科拉羅多州立大學于20世紀80年代建立的，用于模型研究生態系統中C、N、P、S等元素的長期演變過程，預測量需要土壤質地、土層厚度、土壤容重、pH值、氣象參數(以月為步長)、初始土壤有機質參數和管理參數(包括種植作物種類、耕作方式、施化肥種類數量、收獲作物方式、施用有機肥種類數量、作物開始生長時間、作物結束生長時間)等多方面的數據。

根據當地土壤有機質含量、有機質年礦化率和進入土壤有機物質的腐植化系數可確定維持耕層土壤有機質平衡的有機物質的用量。土壤有機質年變化量=有機質的補充量-有機質分解量，即：dC=A-rC。式中，dC表示土壤有機質的變化量；A表示有機質的補充量；r表示土壤有機質年礦化率；C表示土壤有機質量。當土壤有機質達到平衡時，Ce=A/k(Ce為平衡時土壤有機碳的數量)；而式中A=fP(f為有機物料的腐植化系數，P為每年進入土壤的有機物料中碳的數量)。例如，土壤原有機質含量為20 g/kg，每公頃耕層中有機質數量為45000 kg，若年礦化率為2%，每年消耗的有機質量為900 kg。若有機質的腐植化系數為0.25，則每公頃需加入3600 kg有機肥才能達到土壤耕層有機質平衡。

依照生態平衡和經濟環保的原則，綜合考慮維持耕層土壤有機質平衡、有機肥用量上限和秸稈還田量，采用同效當量法，可確定商品有機肥用量。計算公式為：M=(WkC-f1R)/f2R。式中，M為有機肥施用量(kg/hm2)；W為單位面積耕層土壤質量(kg/hm2)；k為土壤有機碳年礦化率(%)；C為原土壤有機碳含量(g/kg)；f1為根茬的腐植化系數(%)；R為耕層中根茬量(kg/hm2)；f2為施入有機肥的腐植化系數(%)；R有機肥中有機碳的含量(%)。在計算時，一般把有機物質量統一折算為有機碳量。土壤有機質礦化系數和投入土壤有機物質的腐植化系數可通過試驗或引用相關文獻獲得。

4 提升土壤有機質的有機物質投入估算

除以上為保持土壤有機質水平而需要投入的有機物質外，為達到有機質增加的目的，還需要在保持土壤有機質水平投入有機物質水平的基礎上，根據提升目標，增加有機物質的投入。

土壤有機質的增加量(指已有為維持土壤有機質現狀的有機物質投入的前提下)可按下式估算：C增加=A1f1+A2f2+…。式中，A1，A2…是補充的各種有機物投入量，f1，f2…為各種補充有機物料的腐植化系數。可利用上式反推每年設定有機質增量所需要的有機物質投入量。若1 hm2土重225萬kg(土層20 cm，容重1.13g/cm3)；某一研究土壤有機質含量為11.36 g/kg，有機物料的年腐解殘留率(腐植化系數)以0.25計算，欲使該土壤有機質從目前的含量(12.00 g/kg)提高到14.00 g/kg，則每年需向土壤額外(為維持土壤有機質水平而需要施用的有機物質外)投入有機物料(干)18000 kg/hm2[2250000×(14-12)÷0.25÷1000]。折干率按60%計算，則需年投入生料有機質30000 kg/hm2。

農田每年實際有機物質投入量應是以下2個部分之和：即耕地土壤有機質提升最低有機物質投入量和每年有機質設定增量所需要的有機物質投入量。在施用有機物料情況下，土壤有機碳的積累可按下式估算：C=Ce+(C0-Ce)e-rt。式中，C為時間t年時土壤有機碳含量(g/kg)，C0為試驗初期土壤有機碳含量(g/kg)，Ce為平衡時土壤有機碳含量(g/kg)。

5 影響耕地土壤有機質提升的因素

土壤有機質的積累除與當地氣候有關外，農業管理也是影響土壤有機質轉化循環的另一個重要因素，它可以改變土壤有機質的循環過程和強度，最終影響有機質的平衡水平。對于特定地區，氣候條件相對穩定的區域，農業措施是影響土壤有機質積累的主要因素。常見的農業措施主要有施肥、利用方式、耕作制度等。

5.1 施肥

施肥是對耕地質量影響最廣泛的農業措施，農業上使用的肥料包括化肥和有機肥等。施肥對土壤有機質的影響大致與以下3個方面有關：(1)施肥促進了農作物的生長，增加了生物產量，從而增加了以根系及地上部分還田方式進入土壤的有機物質量；(2)施肥改變了土壤養分狀況，特別是氮肥改變了土壤的N/C比，直接影響微生物對土壤有機質的礦化與同化；(3)有機肥的施用直接影響了有機物質的輸入量。

我國的長期定位試驗表明，施用有機肥和化肥對土壤有機質的影響因土壤類型、肥料種類和作物輪作方式等而所差異[14-15]。一般來說，單施有機肥、氮磷鉀化肥配施或有機-無機肥料配合施用均可增加土壤有機質含量[16]，在低有機質土壤上的增加效果尤為明顯；同時施氮磷肥或氮鉀肥，土壤有機質也略有增加[17]；單施氮肥、磷肥、鉀肥或磷鉀配肥，有時會導致土壤有機質的下降，但下降幅度小于無肥區[18]。不施肥料可導致土壤有機質迅速下降，但下降速度經過一段時間后減慢，并趨于平衡。有機肥料種類不同時對土壤有機質積累的影響也不相同，一般是秸稈的效果大于廄肥，廄肥的效果又大于堆肥，綠肥的效果較差。無機化肥提高土壤有機質的原因，主要是化肥使作物繁茂，根茬、枝葉等殘留量增多。長期施肥改變土壤有機質含量的同時，也使有機質在剖面中的分布發生變化，影響深達100 cm，但60 cm以上土層變化明顯。長期施用有機肥料或氮磷鉀肥配合施用，不但增加土壤有機質的數量，同時還能改善和提高土壤有機質的質量，提高腐植質含量，但有機肥對土壤腐植質的積累作用大于氮磷鉀化肥。

5.2 耕作

耕作是在農業生產中為了達到持續高產所采取的技術措施。其對土壤的作用包括以下幾個方面：(1)松土：調節土壤三相比的關系；(2)翻土：掩埋肥料，調整耕層養分垂直分布，消滅雜草和病蟲害；(3)混土：使土肥相融，形成均勻一致的營養環境；(4)平地：形成平整表層，便于播種、出苗和灌溉；(5)壓土：有保墑和引墑的雙重作用。常見的耕作法主要有：(1)平翻耕法：是我國典型的精耕細作模式，包括基本耕作(深度20～25 cm)、表土耕作(耙地、耱地、壓地)及中耕(在作物的生育期間進行的一種表土耕作措施，其作用在于消滅雜草，疏松土壤，促進作物根系生長)；(2)少耕法與免耕法：由20世紀20～30年代興起與發展而來，60～70年代引起人們的普遍重視，目前已在許多國家進行試驗或推廣。其中，少耕法為盡量減少土壤耕作作業的次數，一次完成多種作業，以減輕風蝕和水蝕。免耕法除將種子放入土壤中的措施外，不再進行任何耕作。

一般來說，頻繁的耕作可促進土壤有機質的礦化，而免耕則有利于土壤有機質的積累。免耕土壤的有機質垂直方向上差異明顯，而經常耕作的土壤，有機質在耕作層上分布較為均勻。耕作改變土壤有機質主要與以下幾個方面有關：(1)耕作改變了土壤團聚體的結構，改變了土壤的溫度狀況，影響了土壤有機質的物理穩定性，從而改變了土壤有機質的礦化速率；(2)耕作改變了土壤侵蝕的潛力，影響了土壤有機物質的損失。此外，由于土壤有機質有沿垂直方向下降的特點，土壤深耕可能會引起耕作層內土壤有機質含量的下降。另外，在土地平整時，如果沒有采取必要的措施保護耕作層，其可能會導致土壤耕作層有機質急劇下降。

5.3 土地利用

土地利用是指在一定社會生產方式下，人們為了一定的目的，依據土地自然屬性及其規律，對土地進行的使用、保護和改造活動，是人們對土地經營方式的一種選擇。土地利用方式可影響土壤的功能和性質，能增加或降低土壤碳的數量，并改變微生物多樣性，使土壤成為碳的源或匯，從而影響大氣中CO2的濃度。不同的土地利用方式對施肥、耕作、水分管理等有不同的要求，因此，土地利用方式的變化可對土壤養分平衡、有機質的輸入與輸出、土壤溫度、土壤水分條件產生極大的影響。

從國內外眾多的土地利用方式對土壤碳庫的影響研究中大致可以得出如下結論：與自然林地比較，農業用地的土壤有機質明顯低于林地；雙季稻與水旱輪作農田土壤有機質明顯高于相應的旱地，浙江省第二次土壤普查的調查表明，水田土壤有機質比相應的旱地高30%～100%。

由于不同土地利用方式之間的土壤有機質存在不同的有機質平衡過程，因此當土地利用方式發生改變時，土壤有機質可在短時間內發生明顯的變化。一般是在土地利用方式發生轉變初期(5～7年內)土壤有機質變化最為明顯；15～20年后，土壤有機質變化趨于平緩，并可能在20～50年內達到一個新的平衡水平。例如，水田改旱種植蔬菜等可引起土壤有機質的下降，其中大棚蔬菜地因溫度較高，其有機質下降更為明顯。

5.4 時間

土壤有機質的提升是一個長期、逐漸緩進的過程，因此，在進行區域耕地土壤有機質提升時必須有一個長遠計劃。一方面，在設定年度有機質提升計劃時，提升目標不宜過高，確定一個合適、可行的年度有機質提升量非常重要。另一方面，土壤有機質的提升并不是一勞永逸的，在完成某一有機質提升工程項目后，還需要繼續做好土壤有機質的維持工作，否則提升后的耕地土壤有機質會重新下降。

6 耕地土壤有機質提升的綜合技術

國內外的研究表明，退化土壤中有60%～70%的已經損耗的碳可通過采取合理的農業管理方式和退化土壤棄耕恢復而重新固定。這些方法包括土壤棄耕恢復、免耕、合理選擇作物輪作、冬季用作物秸稈覆蓋、減少夏季耕作、利用生物固氮等。從上述討論可知，影響土壤有機質的因素很多，因此在制定土壤有機質提升方案時除做好有機物質的投入工作外，還應充分考慮其他配套措施，采取綜合措施才能有效地達到提升土壤有機質的目的。

6.1 因地制宜推行各種有機物質投入技術

各種有機物料的投入都可能增加土壤有機質的積累。因此，在保證環境安全的前提下，可因地制宜地選擇當地各種有機物源開展土壤有機質的提升。相關技術包括秸稈還田技術、商品有機肥施用技術、綠肥種植技術等。

6.2 實施測土配方施肥技術

測土配方技術是國際上普遍采用的科學施肥技術之一，是以土壤測試和肥料田間試驗為基礎，根據作物的需肥特性、土壤的供肥能力和肥料效應，在合理施用有機肥的基礎上，確定氮磷鉀以及其他中微量元素的合理施肥量及施用方法，以滿足作物均衡吸收各種營養，維持土壤肥力水平，減少養分流失對環境的污染，達到優質、高效、高產的目的。施用合適的N、P、K配方的肥料，也可優化土壤養分，促進土壤中碳、氮的良性循環，也能達到維護或提高土壤有機質的目的。其中，做好化肥與有機肥的配合施用最為重要。

6.3 推廣土壤改良技術

土壤有機質的積累除了與足夠的有機物質投入有關外，還需要有一個良好的土壤環境。土壤過酸、過堿、鹽分過多、結構不良都會影響土壤中微生物的活動，從而影響土壤有機質的提升。因此，在開展耕地土壤有機質的提升時，也應同時做好土壤改良工作，消除土壤障礙因素，達到土壤有機質良性循環的目的。

6.4 合理輪作和用養結合

近年來，某些地區農作物復種指數越來越高，致使許多土壤有機質含量降低，肥力下降。實行輪作、間作制度，調整種植結構，做到用地與養地相結合，不僅可以保持或提高土壤有機質含量，而且還能改善農產品品質，對促進農業可持續發展，具有重要的意義。此外，冬季增加地表覆蓋度(或種植綠肥)，推行少耕免耕、控制水土流失也可降低土壤有機質的降解、促進土壤有機質的提升。據國內外研究，在旱地上發展灌溉可大大增加土壤中有機質的積累。另外，在培肥地力時必須加強地力監測，長期、定位監測在不同施肥方式下耕地地力的變化態勢，及時調整農田的施肥指導方案，從而實現對耕地質量的動態管理。同時，在進行土壤有機質提升時還需通過加強農田基礎設施建設，增加田塊耕層厚度，達到擴大土壤有機質容量的目的。

總之，在耕地地力提升時，應擴大綠肥種植和農作物秸稈還田面積，增加商品有機肥投入，實施測土施肥技術等多種途徑，提升土壤有機質含量，提高土壤保肥供肥性能，最終達到為土壤“增肥”的目的。