亞熱帶丘陵區新墾耕地質量提升研究進展

童文彬，江建鋒*，楊海峻，葛佳穎，祝偉東，方俊，張露華，柴彥君，賁倩麗，鄭雪玉，李子川

(1.衢州市衢江區農業農村局，浙江 衢州 324022；2.浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020；3.浙江科技學院 環境與資源學院 浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室，浙江 杭州 310023；4.衢州市衢江區蓮花鎮人民政府，浙江 衢州 324019；5.衢州市衢江區云溪鄉人民政府，浙江 衢州 324016)

進入21世紀以來，隨著大量平地良田被用于工業化和城鎮化發展，致使糧食生產空間被不斷擠壓[1]。為緩解這一矛盾，將撂荒地和具備開墾潛力的低緩丘陵開發成耕地被認為是保障耕地占補平衡和國內糧食安全的重要途徑。我國亞熱帶丘陵區的城鎮化進程導致大量平地水田被占為非農用，耕地占補平衡對象逐漸由將平坦撂荒地開墾為耕地向坡度較大丘陵區擴張的趨勢[2-3]，導致許多丘陵區新墾耕地存在整地工程量大、墾造成本高、土層砂石含量較高和灌溉水匱乏等難題。以浙江省為例，通過充分挖掘可補充耕地潛力，僅“十三五”期間全省完成以水田為主的占補平衡新墾耕地面積超過3.3萬hm2[4]。丘陵區新墾耕地在解決長期撂荒耕地生產利用、拓展糧食生產功能區集中連片以及擴增基礎耕地數量等方面作用顯著。在當前全球糧食安全不確定性不斷增大的形勢下，充分發掘這部分新墾耕地的糧食生產潛力是保障糧食安全與農業可持續發展的關鍵環節。

大量采樣調查和文獻分析發現，亞熱帶丘陵區新墾耕地普遍存在土壤有機質含量低、土壤質地黏重通透性差、灌溉成本高、漏水漏肥嚴重和稻田雜草難壓制等耕種問題[5-7]。受上述諸多因素影響，大多數丘陵區新墾耕地的生產力僅為被占用農田的10%～30%，通常需要7～10 a甚至更長時間的持續改良培肥，才能達到被占用農田的生產力[8]。雖然新墾耕地地力提升和糧食增產的空間巨大，由于新墾耕地建設投入的社會經濟和環境生態成本巨大，若不能快速和高效地轉變為有效耕地，對農戶耕種積極性造成極大打擊的同時，還會導致大量資源投入上的浪費[9]。近年來，圍繞丘陵區新墾耕地質量提升和土壤培肥的研究取得了長足的進展，同時也遇到一些新問題。本文基于當前亞熱帶丘陵區新墾耕地的特點與問題，綜合分析了當前亞熱帶丘陵區新墾耕地地力提升技術的重要研究進展，同時結合作者在沼渣液資源化利用和綠肥還田方面的多年工作和研究經驗，探討新墾耕地質量提升技術的發展趨勢，為亞熱帶丘陵區新墾耕地質量提升和土壤快速長效培肥模式構建提供科學依據。

1 亞熱帶丘陵區新墾耕地的特點與問題

1.1 新墾耕地的特點

亞熱帶丘陵區新墾耕地的坡度通常較大而需要大型機械進行深度挖填，其表層土壤主要由深層土壤和部分風化物質組成，部分土壤中還有未風化的花崗巖、玄武巖或泥頁巖等石塊[3，6]。這類新墾耕地土質砂性或黏重，土壤有機質和養分含量低，非常不利于耕種[3，5，7，10-12]。王道澤等[3]研究發現，機械平整的新墾耕地有機質和養分含量較人工平整的低，而容重較高。此外，與被占耕地相比，調查發現新墾稻田的土壤有機質、全氮和堿解氮含量不到常規稻田的一半，但速效鉀含量高于常規稻田(表1)。同時現階段的丘陵區新墾耕地土壤有機質以礦物結合態有機質為主，具有較弱的生物活性和養分釋放能力[6，13]。使得其與常規農田有機質周轉和養分循環差異巨大。整體而言，新墾耕地的土壤理化性質，尤其土壤容重、有機質和氮素含量和養分循環過程相比典型耕地差異巨大。

表1 不同類型新墾耕地與高山稻田和普通稻田土壤的基本理化性質特點

1.2 亞熱帶丘陵區新墾耕地的主要問題

以衢州地區為例，由于新墾耕地漏水漏肥嚴重，農戶通常根據當地降水主要集中在6月至8月的特點，選擇借以雨水灌溉的早稻作為主要稻作模式，通常在第一年依靠有機肥補貼的情況下，土壤條件較好的新墾稻田早稻產量能夠超過4 500 kg·hm-2，但第二年若中斷有機肥補貼和雜草控制失敗，早稻的產量會驟降至2 250 kg·hm-2以下。這說明新墾耕地具有土壤供肥保肥能力差、作物產量波動大、雜草難壓制和外源有機質降解潛勢高等耕種難題。上述案例說明，新墾耕地需要制定新的灌溉制度、稻作制度和施肥習慣，以適應土壤肥力偏低和長期缺少田面水的局面。因此，由于缺少組織開展新墾耕地高產創建競賽等活動，和鼓勵農戶在早稻收獲后積極種植玉米或豆類等耐旱作物，加大農業復種補貼力度等措施，當地新墾耕地糧食生產面臨較大的高成本風險。

此外，亞熱帶丘陵區新墾耕地的土壤肥力和礦物組成均和一般農田差異巨大。由于我國南方丘陵區新墾耕地主要是以平衡水稻田占補而開墾的，因此被核定用于水稻種植的新墾耕地面積占比超過80%。當前，亞熱帶丘陵區新墾耕地無論是用于水稻栽培還是用于旱地作物栽培，大多采用傳統的水肥管理模式，并通過有機肥和化肥配施來解決土壤有機質偏低的問題。然而，由于丘陵區新墾耕地水肥條件波動幅度較大的特點，新墾耕地的作物生長節律相對傳統的耕種模式的差異也較大，導致作物產量的提升空間受到極大的限制。此外，亞熱帶丘陵區新墾耕地通常地勢較高且土壤持水能力較差，相比常規農田需要更高的灌溉輸送成本和灌溉用水量。同時，新墾耕地的短中期漏水漏肥情況突出[14]，使得新墾耕地田面水難以維持較長時間，水稻分蘗因土層還原程度不夠而受阻，間接增大了水稻播種量。綜合而言，新墾耕地面臨投入成本大、作物產量低和耕種收益率低等一系列問題，如果不能快速和長效地將這部分耕地轉化為有效耕地，極易發生撂荒或轉向非糧化用地[8，15]。

由于亞熱帶丘陵區新墾耕地植被長勢普遍偏弱而導致表層土壤大面積裸露，結合其松散的土壤結構容易誘發水土流失等次生地質災害[16]。伴隨著新墾耕地作物產量普遍偏低的問題，將傳統耕種模式甚至施用更多化肥到新墾耕地，一方面土壤氮磷等養分會隨著地表徑流和地下淋溶進入地表或地下水體中，增加新墾耕地周邊發生農業面源污染的風險[17-18]；另一方面土壤氮素會經由地表氨揮發增加大氣灰霾形成風險以及較高的氧化環境引發地下水中硝酸鹽含量升高，造成巨大的環境健康風險[19-21]。除上述生態環境成本外，在亞熱帶地區氣候變化日益劇烈的背景下，丘陵區新墾耕地作物抵抗干旱等極端氣候變化的能力也遠差于常規農田作物，極大地增大作物減產甚至絕收風險的同時還會削弱這部分耕地對糧食安全的有效貢獻。

2 新墾耕地質量提升研究進展

早在21世紀初，亞熱帶丘陵區的新墾耕地土壤肥力低的問題就受到了極大的關注[22-23]，隨后圍繞新墾耕地肥力提升和土壤培肥問題開展了大量的調查和技術研究工作[3，5-6，10，24]。由于新墾耕地土壤除養分偏低和不平衡外還存在有機質偏低、容重較大和pH值偏酸性等問題，現有的新墾耕地培肥措施主要是有針對性地通過單獨或聯合使用礦物與合成類土壤調理劑、有機糞肥與生物質及其衍生物和種植綠肥等措施來實現土壤質量提升。

2.1 新墾耕地土壤有機質提升措施

鑒于丘陵區新墾耕地表層土壤有機質含量低以及以礦物結合態有機質為主的特點。因此，如何通過促進土壤有機質積累來提升土壤肥力是新墾耕地質量提升的關鍵指標。嚴建立等[7]通過對比14種土壤培肥措施發現，通過向新墾耕地土壤中添加泥炭和生物質炭對土壤有機質含量的增加效果最大，其次是商品有機肥、秸稈還田和種植紫云英。Li等[25]研究發現，添加商品有機肥、食用菌廢渣和菜粕均能夠大幅增加土壤有機質含量。王忠等[26]研究發現，冬綠肥聯合秸稈還田基礎上加施商品有機肥和食用菌廢渣對新墾耕地有機質的增加幅度更大。單獨通過秸稈還田措施對土壤有機質積累的貢獻普遍低于商品有機肥和食用菌渣[27]。呂曉涵等[28]研究表明，黏土礦物改良劑能夠大幅增加土壤中的有機質含量，但也有研究發現黏土礦物并不顯著增加土壤有機質[7]。曲成闖等[29]針對紅壤新墾耕地耕作層構建技術研究發現，木本泥炭或有機肥聯合腐熟秸稈配施均能夠大幅增加土壤的有機質含量。張莉等[13]研究發現，沼液和沼渣培肥新墾耕地均能顯著增加土壤有機質含量。但也有研究發現，沼液對新墾耕地土壤有機質積累作用不顯著[25]。研究表明，聚丙烯酰胺、β-環糊精、褐腐酸鉀、蛭石、石灰粉等土壤改良劑對土壤有機質積累無顯著貢獻[7]。綜上所述，新墾耕地添加泥炭、生物質炭、商品有機肥、食用菌廢渣、菜粕和沼渣均能大幅增加土壤有機質含量，秸稈還田和種植綠肥對土壤有機質積累的作用緩慢，添加黏土礦物和沼液對新墾耕地土壤有機質積累的促進作用會因為土地利用方式、土壤母質和試驗周期不同而存在研究結果上的不確定性。

2.2 新墾耕地酸性土壤pH值提升措施

亞熱帶丘陵區新墾耕地的土壤類型主要屬紅壤土類，土壤pH值<5.5的新墾耕地面積占比高達70%[5]。因此，丘陵區新墾酸性耕地土壤pH是耕地質量提升的重要指標。新墾耕地添加石灰粉和生物質炭均能顯著提升土壤pH值[7]，此外添加沼渣和沼液顯著增加酸性紅壤新墾耕地土壤pH[13]。比較而言，聚丙烯酰胺、β-環糊精、褐腐酸鉀、膨潤土、泥炭、高嶺石、硅藻土、蛭石、沸石等土壤調理劑對新墾耕地土壤pH值影響較弱[7，30]。秸稈還田、施用商品有機肥和種植綠肥對土壤pH值無顯著影響[7，26-27]。然而，新墾耕地添加食用菌廢渣、菜粕和羊糞可能會加劇土壤酸化[25，31]，施用時需要配合石灰粉或生物質炭，但也有研究發現，施用商品有機肥和食用菌廢渣會顯著增加土壤的pH值[25，32]。總體而言，石灰粉、生物質炭、沼渣和沼液在提升新墾耕地土壤pH值方面效果顯著，是酸性新墾耕地土壤酸堿度改良的優良調理劑。

2.3 新墾耕地土壤物理性狀的提升措施

鑒于亞熱帶丘陵區新墾耕地土壤孔隙結構差、容重高等問題是導致土壤水肥運移和作物根系生長受阻的主要障礙因子，改善土壤孔隙結構，降低土壤容重是新墾耕地肥力提升的關鍵環節。丘陵區新墾耕地中砂土、壤土和黏土的改良試驗研究發現，添加聚丙烯酰胺、β-環糊精、褐腐酸對土壤水穩性團聚體、容重、飽和持水量、凋萎含水量和飽和導水率均有顯著的改善作用[7]。新墾耕地添加膨潤土、高嶺石、硅藻土、蛭石、沸石等黏土礦物可顯著增加土壤有機碳含量和水穩性團聚體質量分數，同時促進土壤礦物結合態有機質積累[7，28]。新墾耕地施加泥炭能夠顯著降低土壤容重，提升土壤的有機質含量、水穩性團聚體質量分數和持水量。商品有機肥、沼渣/沼液和秸稈還田均能夠改善土壤孔隙結構，而種植綠肥對土壤有機質的積累和水穩性團聚體質量分數的增加作用緩慢[7]。鑒于不同改良劑在土壤肥力提升與結構改良方面的側重點存在較大差異，前期需要根據新墾耕地土壤特征制定地力改良方案。同時，上述這些改良劑通常成本較高，尤其聚丙烯酰胺的使用還可能會引起土壤有機污染風險[32-33]，需要在方案制定和實施過程中充分考慮所選用改良劑對土壤健康的潛在不利影響。

2.4 新墾耕地質量提升的復合措施

通常，土壤改良劑的單獨或配合施用都能夠緩慢提升新墾耕地土壤有機質含量和土壤孔隙度，達到改良培肥的目的。然而，這些改良培肥措施通常需要20 a甚至50 a的時間才能達到完全培肥熟化的目標[6，34]。此外，這些培肥措施沒有充分考慮新墾耕地表層土壤有機質是礦物結合態有機質為主的特征，以及有機物料添加是如何通過土壤顆粒態有機質—礦物結合態有機質—水穩態團聚體—土壤孔隙結構形成這一復合過程的主要規律。因此，相比新墾耕地單一的培肥措施，復合改良措施的應用在系統提升新墾耕地質量的同時，還可以加速土壤熟化過程，縮短丘陵區新墾耕地土壤發育進程。種植夏秋季豆類作物和冬閑綠肥既能夠通過生物固氮過程提升土壤肥力，還可在冬季覆被新墾耕地，通過根系分泌大量有機酸加速土壤原生礦物風化進程。然而，根系分泌物的量和分子組成受土壤性質和土壤濕度的雙重影響[35]。相比施用有機物料直接輸入土壤有機質相比，種植綠肥對土壤有機質的積累和水穩性團聚體質量分數的增加作用緩慢[7]。因此，有機物料施加配合冬閑綠肥種植能夠大幅增加土壤有機質和養分的積累，進而培肥新墾耕地土壤[26，36]。研究表明，有機肥與化肥配施，以及聯合種植冬閑綠肥在快速提升新墾耕地肥力方面顯著優于單獨施用化肥或化肥與有機肥配施[26-27，36]。基于此，仍需要探索針對新墾耕地，尤其我國南方丘陵區占補平衡以水田為主的新墾稻田的新的耕種模式和水肥管理措施，如改傳統漫灌模式為間歇溝灌、沼渣液替代化肥減量增效、有機無機肥配施和冬閑種植綠肥等模式維持冬季土壤的生物活性。

2.5 沼渣液和黑麥草協同培肥丘陵區新墾耕地土壤的前景分析

與有機肥相比，沼渣液中的細顆粒懸浮物可以隨水流擴散到表層土壤，與土壤礦物顆粒充分接觸，有利于微生物活動驅動的土壤礦物風化過程的進行[13]。沼渣液中還有相當含量無機還原性顆粒物(金屬硫化物)[37]，在氧化條件下經微生物介導催化，能夠與土壤礦物反應生成疏松的孔隙結構，促進土壤水穩性團聚體的形成[38-39]，進而減少新墾耕地耕種阻力。沼渣液的pH值通常在6.2～8.7[13，40]，總體偏弱堿性，長期施用能夠提升酸性新墾耕地的土壤pH值[12-13]。黑麥草(LoliumperenneL.)屬于禾本科黑麥草屬一年生或多年生冷季型草本植物，是我國南方地區大面積栽培的優良牧草和水土保持的先鋒植物[41]，具有根系生物量龐大的特點[42]。黑麥草根系具有分蘗能力強和耐貧瘠的特點，能夠分泌大量膠結有機物質在根系周圍形成水穩性團聚體[43-45]。此外，黑麥草根系分泌的大量低分子量有機酸、氨基酸等有機物質能夠與土壤原生礦物發生相互作用，通過促進土壤次生礦物形成而極大地縮短土壤發育進程[43]。同時，黑麥草作為綠肥于次年春耕前粉碎還田，地上及根系的腐爛分解可以極大地補充新墾耕地的土壤有機物質和氮磷等元素[46]。此外，通過根系分泌物與土壤礦物作用，促進土壤風化的同時增加土壤礦物結合態有機質含量，通過翻耕粉碎還田增加土壤顆粒態有機質含量，繼而改善土壤孔隙結構，促進土壤保水保肥能力提升[47]。因此，利用冬閑時間在新墾耕地播種黑麥草，能夠提升新墾耕地土壤肥力和作物產量。

研究表明，澆灌沼渣液或沼液對黑麥草產量的影響存在很大的不確定性，既有研究發現澆灌沼渣液或沼液的黑麥草產量與施化肥相比并無顯著變化[48-49]，同時也有研究表明澆灌沼渣液或沼液能夠顯著增加黑麥草產量和品質[50-51]，但會導致黑麥草根系生物量顯著降低[50]。這可能跟黑麥草屬于先鋒植物，更習慣生長在地力較差和貧瘠的土壤中有關。新墾耕地作物季施用沼渣液配合冬閑期種植黑麥草的培肥模式，在解決了沼渣液的環境消納問題的同時還減少了新墾耕地化肥投入量，通過冬閑期種植黑麥草以及連續的覆被植物強化新墾耕地養分循環利用和長時間保持土壤生物活性。此外，這一培肥模式的實施充分考慮了新墾耕地原生礦物占主體的土壤組成特征，通過持續大幅增加外源和耕地自身有機物料，尤其根系生物量的輸入促進土壤原生礦物風化，協同增加土壤中顆粒態有機質和礦物結合態有機質的含量，因而有別于傳統耕地質量提升技術在新墾耕地上的應用(圖1)。這里，沼渣液提供的養分物質保證了作物地上和地下部分生長所需的基礎肥力；地上部與根系生物量的大量輸入，能夠快速增加土壤有機碳庫和有機氮庫；同時，沼渣液中的有機顆粒物為耕作層提供了大量的有機質，能夠有效降低新墾耕地土壤容重，繼而提升土壤的通透氣性。黑麥草的耐貧瘠性與冷季型生長特性，能夠有效避免冬季土壤裸露和風蝕。綜合而言，沼渣液作物季施用與冬閑期種植黑麥草，能夠全年不間斷地維持新墾耕地土壤-植物系統的物質轉化與更新，通過促進土壤次生礦物的形成和增加有機碳、氮的積累，極大地縮短新墾耕地向基本農田甚至高標準農田轉變的土壤熟化時間。

圖1 作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草協同快速長效培肥新墾耕地土壤示意圖

3 新墾耕地質量提升技術發展趨勢

當前，在全球氣候變化形勢日益嚴峻的背景下，耕地墾造對當地生態系統碳循環有何影響同樣受到極大的重視。有研究通過對比不同生態系統碳儲量發現低緩丘陵的耕地墾造是一個碳損失過程，每公頃新墾耕地約造成8 t的碳損失[52]。但這一研究方法核算的碳損失忽略了表層凋落物和土壤有機質在墾造過程中被埋藏到耕地深部這一情況[53]。研究表明，隨著有機碳埋藏深度的增加，有機碳的穩定性越高[54]，說明通過對比不同生態系統碳儲量的方式可能高估了低緩丘陵區新墾耕地的有機碳損失量。此外，新墾耕地的土壤碳、氮的平均含量約為普通稻田的一半(表1)，意味著新墾耕地具有極大的增氮固碳空間。因此，相比常見的單一培肥模式，作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草協同培肥新墾耕地，不僅在快速長效培肥的同時保證新墾耕地作物高產穩產，還會因土壤有機碳的持續增加對墾造耕地造成的碳損失進行一定量的補償。

由于傳統的耕種模式極大地延滯耕作層的熟化進程。因此，如何縮短新墾耕地地力向標準農田甚至高標準農田轉化的時間，直接關系復墾耕地工程成本投入能否轉化為農田生產力和我國下階段糧食安全環境的穩定。同時，對現階段生產力較低的新墾耕地進行快速培肥，將會產生數百萬t甚至千萬t級的糧食增收潛力，這一潛力在中、低產田改造和高標準農田建設過程中經常被忽視。考慮到新墾耕地與中、低產田土壤在發育階段和礦物組成方面差異極大，用于中、低產田土壤培肥的傳統技術措施并不完全適用于新墾耕地質量與地力提升，需要針對新墾耕地探索新的快熟長效培肥模式。

綜合而言，需要根據亞熱帶丘陵區新墾耕地的土壤特點，綜合利用作物季施用沼渣液商品有機肥等土壤改良劑和冬閑期種植黑麥草的協同模式培肥新墾耕地，既為種養廢棄物的資源化利用提供了新的應用場地，同時利用黑麥草的先鋒植物特性(耐貧瘠性)達到減少新墾耕地水土流失的目標，繼而改善新墾耕地的生態環境。這一模式的植物根系-土壤界面過程的可持續性是土壤生物物理過程的重要保障，在促進土壤孔隙結構形成和生態系統功能完善方面作用顯著，能夠極大地縮短新墾耕地由土壤貧瘠和作物低產向土壤健康和作物高產的轉變時間。此外，新墾耕地施加生物質炭同樣在改善土壤孔隙結構的同時增加土壤保肥保墑的能力。因此，生物質炭施加與作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草模式相結合將對快速長效提升新墾耕地土壤肥力提供新視角。

4 結論

總體而言，亞熱帶丘陵區新墾耕地普遍存在土壤有機質含量低、容重高和偏酸性的問題。許多傳統的單一或復合培肥模式在單獨或同時解決上述問題方面存在一些不足。在新墾耕地培肥方面，需要認識到新墾耕地現階段以原生礦物和礦物結合態有機質占主導、土壤孔隙結構差和水肥運移障礙嚴重等特征，其改良培肥和土壤結構演化路徑需要通過促進土壤原生礦物風化和次生礦物形成以及顆粒態有機質的積累，進而改善土壤有機質周轉和孔隙結構，最終才能將其培育成符合一般農田標準的耕地。在此基礎上，本文總結分析了新墾耕地土壤有機質和pH值提升，以及降低土壤容重和改善土壤結構方面的主要技術措施，并對沼渣液與黑麥草協同應用潛力進行了分析，為新墾耕地快速長效培肥增產和土壤固碳增匯提供科學支撐。