基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤健康研究與展望

摘要： 土壤健康是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根基，是保障國(guó)家糧食安全和落實(shí)“藏糧于地”戰(zhàn)略的重大需求。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)時(shí)空覆蓋面廣、數(shù)據(jù)豐富、施肥管理措施多樣，對(duì)于土壤健康的研究和健康土壤的培育是難得的寶貴平臺(tái)。本文在總結(jié)土壤健康的內(nèi)涵及指標(biāo)體系與我國(guó)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)布局情況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的作物產(chǎn)量演變及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性、土壤有機(jī)質(zhì)演變及其與產(chǎn)量的關(guān)系、土壤pH 演變及生物多樣性演變等耕地質(zhì)量和土壤健康方面的研究進(jìn)展，并提出了基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤健康研究展望，包括建立因地制宜的土壤健康指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系，深入解析土壤健康演變的規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制與發(fā)展健康土壤培育技術(shù)，以期高質(zhì)量推進(jìn)土壤健康研究，從而促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 土壤健康； 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)； 作物產(chǎn)量； 土壤有機(jī)質(zhì)； 土壤生物多樣性

耕地是糧食生產(chǎn)的命根子，對(duì)于糧食安全至關(guān)重要。健康土壤是保障耕地產(chǎn)能、糧食安全、生態(tài)環(huán)境及人類健康的基礎(chǔ)，是國(guó)家穩(wěn)定發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。我國(guó)當(dāng)前耕地土壤健康狀況不容樂觀，主要表現(xiàn)在耕作層土壤變淺、庫(kù)容量變小、肥力下降、土壤養(yǎng)分不均衡、土壤酸化與板結(jié)、土壤功能下降等方面[1?2]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)土壤的認(rèn)識(shí)不斷深化，逐漸意識(shí)到以糧食安全為主要內(nèi)容的生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品供給的根本在于土壤健康，其出路在于對(duì)土壤的科學(xué)管理。

土壤健康是近年來土壤學(xué)研究的焦點(diǎn)，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO） 將2015 年定為“國(guó)際土壤年”，主題為“健康土壤帶來健康生活”。在2020 年9 月召開的中國(guó)土壤學(xué)會(huì)第十四次全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)上也將“守護(hù)土壤健康，助力高質(zhì)發(fā)展”確定為大會(huì)主題。可見，土壤健康問題已經(jīng)受到政府和學(xué)界的高度重視。我國(guó)《耕地質(zhì)量等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 33469—2016）將土壤健康[3]定義為：作為一個(gè)動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力，強(qiáng)調(diào)了土壤健康研究在實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。土壤健康培育的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)多功能性的協(xié)同和可持續(xù)發(fā)展[4]。

土壤質(zhì)量的演變及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制和提升技術(shù)是土壤健康研究的前沿課題。農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是土壤健康研究的基礎(chǔ)平臺(tái)和重要手段，對(duì)于研究土壤健康演變及其環(huán)境行為等發(fā)揮著重要作用。自1980 年以來，我國(guó)陸續(xù)建立了多個(gè)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，在揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境演變規(guī)律和作用機(jī)制、協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與自然和諧發(fā)展方面具有重要的功能[5]，為耕地質(zhì)量、土壤肥力和土壤健康研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)和平臺(tái)支撐。

本文總結(jié)歸納了土壤健康的內(nèi)涵及其指標(biāo)體系，解析了我國(guó)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地的布局和施肥處理情況等特征，梳理了土壤有機(jī)質(zhì)、土壤生物多樣性等土壤健康核心要素的研究進(jìn)展，并提出了基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤健康研究展望，為推進(jìn)我國(guó)土壤健康管理與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 土壤健康的內(nèi)涵及其面臨的挑戰(zhàn)

1.1 土壤健康的內(nèi)涵

早在1910 年，學(xué)術(shù)界就提出了土壤健康這一概念，當(dāng)時(shí)只關(guān)注與土壤肥力相關(guān)的物理和化學(xué)特征。隨著研究的深入，土壤健康的內(nèi)容不斷豐富、內(nèi)涵不斷提升，逐漸與食物健康和人類健康緊密聯(lián)系起來。由于研究視角不同，對(duì)土壤健康概念的界定難以形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。1996 年，Doran 等[6]認(rèn)為土壤健康是指在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用邊界內(nèi)，土壤作為關(guān)鍵的生命系統(tǒng)所具有的支撐動(dòng)植物生產(chǎn)、維持或改善水體和大氣環(huán)境、促進(jìn)動(dòng)植物和人類健康的能力。2014 年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保育署將土壤健康定義為：土壤能夠支撐植物、動(dòng)物和人類生存，持續(xù)發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)功能的能力。2020 年，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO） 土壤跨政府技術(shù)小組（ITPS） 將土壤健康定義為：土壤持續(xù)保持陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生物多樣性和環(huán)境服務(wù)的能力[7]。基于生態(tài)學(xué)視角，于法穩(wěn)和代明慧[8]認(rèn)為土壤健康是指土壤生態(tài)系統(tǒng)在維持自身生命活力的前提下，為動(dòng)植物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)、維持較高產(chǎn)能水平的能力，同時(shí)，通過系統(tǒng)韌性和功能發(fā)揮抵御外界擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的能力。當(dāng)前，被廣泛接受的土壤健康定義為：土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)發(fā)揮作用以維持生物生產(chǎn)力，維持環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[9]。

土壤健康內(nèi)涵豐富，主要體現(xiàn)在自身特性及其生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能上，且其內(nèi)涵隨時(shí)間變化而不斷更新。由最初的生產(chǎn)作物能力逐漸演變?yōu)椤皠?dòng)態(tài)的”和“潛在的”內(nèi)在屬性、“涵養(yǎng)水源、吸收過濾廢棄物”的環(huán)境服務(wù)屬性和“促進(jìn)動(dòng)植物健康”的健康屬性[10?11]。總的來說，土壤多功能性是土壤健康的核心，是土壤健康狀況的綜合體現(xiàn)。健康土壤應(yīng)具有較強(qiáng)的彈性和恢復(fù)力，在受到人類活動(dòng)干擾、極端氣候影響下仍能保持或快速恢復(fù)土壤功能[12]。

1.2 土壤健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)土壤健康的評(píng)估需要一個(gè)綜合評(píng)價(jià)體系，以表征土壤生態(tài)系統(tǒng)中各項(xiàng)健康指標(biāo)。土壤健康指標(biāo)是指可以反映土壤某種健康屬性的指標(biāo)，一般包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)[12]。這些指標(biāo)參數(shù)應(yīng)滿足多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括科學(xué)性和真實(shí)性；敏感性高；可管理、可使用、準(zhǔn)確且成本較低；能夠反映土壤功能和管理目標(biāo)之間的聯(lián)系[13]。

1.2.1 物理指標(biāo)

最常見的土壤健康評(píng)價(jià)物理指標(biāo)包括：1） 容重，其可反映土壤緊實(shí)度和孔隙度，易受環(huán)境因素影響，是土壤健康評(píng)估的主要物理指標(biāo)之一。2） 含水量，因?yàn)橥寥浪植粌H可作為養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，也調(diào)控水分相關(guān)循環(huán)過程，對(duì)土壤微生物組成及活動(dòng)產(chǎn)生重要影響。3） 土壤團(tuán)聚體，因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到土壤的抗侵蝕能力、透水性和通氣性；并且良好的土壤結(jié)構(gòu)有助于根系生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)，調(diào)控許多關(guān)鍵農(nóng)藝和生物過程，是評(píng)價(jià)土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)之一。現(xiàn)代研究中，土壤緊實(shí)度能夠綜合反映土壤的疏松情況，也是重要的土壤物理指標(biāo)。

1.2.2 化學(xué)指標(biāo)

化學(xué)指標(biāo)是土壤健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的重要部分，占40% 左右[14]，主要包括土壤有機(jī)質(zhì)及其活性組分、土壤pH、氮磷養(yǎng)分含量等。其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量影響土壤的團(tuán)聚性、穩(wěn)定性、生物多樣性及其功能，是衡量土壤肥力和健康的第一重要指標(biāo)。土壤碳的活性組分含量，影響土壤的微生物功能及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化乃至作物生產(chǎn)力，對(duì)管理措施響應(yīng)敏感，是土壤有機(jī)質(zhì)含量甚至是土壤肥力變化的早期預(yù)測(cè)指標(biāo)[15]。土壤pH 決定了養(yǎng)分有效性，控制著微生物多樣性，影響著土壤緩沖能力；土壤氮磷養(yǎng)分含量，影響土壤的養(yǎng)分供應(yīng)和作物生產(chǎn)力，因此是衡量土壤肥力和健康的重要指標(biāo)。

1.2.3 生物學(xué)指標(biāo)

生物學(xué)指標(biāo)較物理和化學(xué)指標(biāo)更敏感，能更好地反映土壤健康狀況。土壤生物包括細(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物和線蟲等，它們之間相互影響，在評(píng)價(jià)土壤健康方面發(fā)揮重要作用。其中，微生物活性水平可用來反映土壤的生物健康狀態(tài)；微生物種類、數(shù)量及其多樣性可用來表征土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)性；酶是土壤中進(jìn)行生化反應(yīng)的重要催化劑，不同酶活性可評(píng)估土壤的生物功能和養(yǎng)分循環(huán)效率，且土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)狀況和微生物活動(dòng)密切相關(guān)，可作為土壤生產(chǎn)力和污染程度的量度[16]；微生物食源碳，指土壤中被微生物利用的碳源，反映了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率和微生物的代謝活動(dòng)，是土壤健康的重要生物指標(biāo)。

1.2.4 土壤健康評(píng)估體系

目前，已有部分國(guó)家/地區(qū)建立了土壤健康評(píng)估體系，大多可適用于耕地土壤健康評(píng)估。最早由加拿大在20 世紀(jì)90 年代提出了評(píng)估和監(jiān)測(cè)土壤（健康） 計(jì)劃[17]。美國(guó)在土壤健康評(píng)估體系構(gòu)建方面的研究已累積了較多的成果，其中具有代表性的包括：美國(guó)農(nóng)業(yè)部于1995 年開發(fā)的土壤管理評(píng)估框架（soil management assessment framework，SMAF）[18?20]和康奈爾大學(xué)土壤健康團(tuán)隊(duì)于2007 年建立的康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)（comprehensive assessmentof soil health，CASH）[21]。目前我國(guó)還未在國(guó)家層面建立統(tǒng)一的土壤健康評(píng)價(jià)體系，但一直致力于提高和保護(hù)土壤質(zhì)量并形成了一定的理論框架[22]。2018 年中國(guó)土壤學(xué)會(huì)成立土壤健康工作組，提出實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)多功能性的協(xié)同和可持續(xù)是健康土壤培育的目標(biāo)。并且將我國(guó)土壤健康培育分為3 個(gè)階段：1） 消除土壤障礙因子，對(duì)于影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的限制因子（如土壤板結(jié)、土壤酸化、重金屬污染等） 有針對(duì)性消除；2） 強(qiáng)化土壤生物過程，提高土壤免疫力、抵抗力和生物多樣性；3） 提升土壤生態(tài)系統(tǒng)的多功能性（持續(xù)生產(chǎn)力、優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、增加土壤碳庫(kù)和養(yǎng)分循環(huán)、減少溫室氣體）[4]。

1.3 土壤健康評(píng)價(jià)面臨的挑戰(zhàn)

定量評(píng)價(jià)土壤健康是基礎(chǔ)創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)與政策法規(guī)制定等各項(xiàng)工作的前提。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。然而我國(guó)氣候條件差異大，作物種類、土地利用方式、土壤類型和質(zhì)地多樣，土壤健康評(píng)價(jià)體系的建立還面臨著一些挑戰(zhàn)。

1.3.1 土壤健康評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)收集和分析較為困難

土壤健康評(píng)價(jià)包含的指標(biāo)較復(fù)雜，而獲得這些指標(biāo)值，首先需獲取土壤等樣品。而土壤樣品的采集需要精確的方法和技術(shù)，以確保樣品的代表性和一致性。由于土壤樣品在過去某一時(shí)間段內(nèi)無法獲取，評(píng)價(jià)土壤健康狀況在這一時(shí)間段內(nèi)的變化特征尤為困難。

1.3.2 土壤健康狀況的時(shí)空變異性不明確

當(dāng)前對(duì)于土壤健康的研究工作主要集中于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇以及評(píng)估框架的構(gòu)建等。而土壤是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，它包含無數(shù)微生物、植物根系、動(dòng)物等，它們不僅可相互影響，而且這些土壤屬性在時(shí)間（如季節(jié)性變化） 和空間上的異質(zhì)性導(dǎo)致土壤健康狀況在時(shí)間和空間上存在演變特征。目前對(duì)我國(guó)土壤健康在時(shí)間尺度和空間上的變化特征尚無研究案例，亟需彌補(bǔ)這一研究空白。

2 基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤健康核心指標(biāo)的演變規(guī)律及研究進(jìn)展

2.1 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在土壤健康評(píng)價(jià)中的作用和意義

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是指在同一塊地上長(zhǎng)期進(jìn)行固定施肥、輪作、耕作等田間管理措施的試驗(yàn)。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)一般是指試驗(yàn)時(shí)間20 年以上，至少在10 年以上。由于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)維持的難度大，時(shí)間越長(zhǎng)給出的信息越豐富，價(jià)值也越大，因此國(guó)際上把大于50 年的試驗(yàn)稱為珍貴的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。目前，國(guó)際上有100 年以上的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)20 多個(gè)，主要分布在英國(guó)、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家。由于土壤肥力演變是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)可以觀察和統(tǒng)計(jì)土壤各項(xiàng)指標(biāo)在時(shí)間和不同施肥、輪作等管理措施下的演變特征，進(jìn)而為科學(xué)合理施肥、輪作以及培肥土壤技術(shù)選擇提供理論依據(jù)。因此，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)對(duì)于研究土壤養(yǎng)分狀況、生態(tài)功能和環(huán)境效應(yīng)等具有十分重要的意義。

事實(shí)上，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)展成為農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科研究的重要手段。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在不同時(shí)期采集并保存了大量的土壤、植株和肥料等樣品，這些樣品蘊(yùn)含了豐富的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)信息，極為珍貴。它們可用來研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化特征、驅(qū)動(dòng)因素及其對(duì)環(huán)境因素響應(yīng)機(jī)制，如土壤肥力的演變、土壤質(zhì)量的變化、作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等。通過這些信息，可以更精確地評(píng)估作物生長(zhǎng)情況、土壤質(zhì)量變化及其環(huán)境影響，提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)和見解，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和環(huán)境保護(hù)。

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)可以揭示土壤?作物關(guān)系及其響應(yīng)規(guī)律。土壤與作物之間的關(guān)系是一個(gè)復(fù)雜且變化相對(duì)緩慢的過程，需要通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)對(duì)土壤和作物進(jìn)行系統(tǒng)的觀察和監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的地點(diǎn)在地理位置和環(huán)境條件方面能夠代表更廣泛的土壤和氣候特征，試驗(yàn)結(jié)果具有普適性。因此，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)一般在地域上具有代表性，時(shí)間上具有連續(xù)性，數(shù)據(jù)積累上具備長(zhǎng)期性和一致性，且觀測(cè)的穩(wěn)定性保證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，成為研究土壤特性和農(nóng)作物產(chǎn)量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的強(qiáng)有力的支撐。總之，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)十分豐富，涵蓋了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)以及作物產(chǎn)量等多個(gè)方面，能夠系統(tǒng)地揭示土壤肥力和農(nóng)作物生產(chǎn)力的演變特征，反映土壤質(zhì)量的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素，為實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用提供不可或缺的技術(shù)支持。而這些研究?jī)?nèi)容，正是表征土壤健康的不同方面。因此，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)可以和正在被廣泛應(yīng)用于健康土壤評(píng)價(jià)和培育中。

2.2 我國(guó)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的特征

我國(guó)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)包括施肥、輪作與耕作等試驗(yàn)，以施肥試驗(yàn)最為悠久和完整。國(guó)家化肥試驗(yàn)網(wǎng)開始于“六五”期間，在1980 年前后，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和以農(nóng)業(yè)為主的大專院校陸續(xù)在不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域內(nèi)建立了一批農(nóng)田土壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。這些試驗(yàn)分布于我國(guó)22 個(gè)省（市、自治區(qū)） 的10 個(gè)土壤類型上，包含大約80 個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，主要開展氮、磷、鉀化肥肥效、用量和比例的試驗(yàn)。且主要的試驗(yàn)處理為化肥單施或與有機(jī)肥配合施用，旨在研究不同種植制度下化肥、化肥與有機(jī)肥用量及其配合比例對(duì)作物產(chǎn)量、肥料效益和土壤肥力的影響。

1987 年，由原國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)立項(xiàng)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所主持，連同吉林、陜西、河南、廣東、浙江和新疆6 省（自治區(qū)） 農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽(yáng)紅壤實(shí)驗(yàn)站和西南農(nóng)業(yè)大學(xué)，在全國(guó)范圍內(nèi)9 個(gè)主要類型土壤上建立了“國(guó)家土壤肥力與肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)基地網(wǎng)”，涉及的土壤類型有：黑土、灰漠土、褐潮土、褐土、潮土、水稻土、紫色土、紅壤和赤紅壤，覆蓋了我國(guó)主要土壤類型和農(nóng)作制度。

“十一五”期間，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合省級(jí)農(nóng)科院、中國(guó)科學(xué)院及部分高校等相關(guān)單位，組建形成了農(nóng)田土壤肥力長(zhǎng)期定位試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。目前在全國(guó)范圍內(nèi)主要有52 個(gè)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，涵蓋10 個(gè)主要土壤類型（棕壤、水稻土、灰漠土、潮土、紫色土、紅壤、草甸土、褐土、黑土、黑壚土） 和10 個(gè)主要耕作模式。這些試驗(yàn)的特點(diǎn)是：試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)（均在30～40 年以上）、點(diǎn)位多、數(shù)據(jù)量大，基本覆蓋了我國(guó)主要農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和土壤類型。試驗(yàn)主要處理有：1） 不施肥（CK）；2） 單施化肥氮（N）；3） 施用氮鉀化肥（NK）；4） 施用磷鉀化肥（PK）；5） 施用氮磷化肥（NP）；6） 施用氮磷鉀化肥（NPK）；7） 施用有機(jī)肥（M）；8） 施用氮磷鉀化肥和有機(jī)肥（NPKM）；9） 施用氮磷鉀化肥和秸稈還田（NPKS）。

2.3 長(zhǎng)期施肥下作物產(chǎn)量演變及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性（生產(chǎn)可持續(xù)性）

作物產(chǎn)量是衡量土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)，作物產(chǎn)量及其穩(wěn)產(chǎn)性，是土壤健康的綜合體現(xiàn)。基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，對(duì)我國(guó)3 大糧食作物玉米、小麥和水稻的產(chǎn)量狀況（表1） 和區(qū)域差異進(jìn)行分析[23]，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥化肥配施均能顯著提高作物產(chǎn)量。總體表現(xiàn)為：施用氮磷鉀化肥及有機(jī)肥（ N P K M ） gt;施用氮磷鉀化肥（NPK）gt;施用氮鉀化肥（NK）、施用磷鉀化肥（PK）gt;不施肥（CK）。不同作物的產(chǎn)量存在區(qū)域差異。從南至北，玉米和小麥產(chǎn)量逐漸增加，而不同區(qū)域的水稻產(chǎn)量間差異相對(duì)較小，變化不明顯。

長(zhǎng)期施肥下作物產(chǎn)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)為：玉米和小麥產(chǎn)量在NPKM 處理下呈增產(chǎn)趨勢(shì)，NPK處理保持穩(wěn)產(chǎn)，其他處理減產(chǎn)，CK 低產(chǎn)，即產(chǎn)量呈緩慢下降趨勢(shì)[24]；南方雙季稻產(chǎn)量在NPK 和NPKM處理下較穩(wěn)定或呈上升趨勢(shì)，尤其是晚稻，而NK 處理下呈下降或極顯著下降趨勢(shì)，其他施肥處理晚稻產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定[25]。

作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性是農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的重要指標(biāo)，可用產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)（SYI） 來衡量，SYI 越大作物產(chǎn)量的可持續(xù)性越好[26]。不同處理的SYI 總體表現(xiàn)為：NPKMgt;NPKgt;NK≈PKgt;CK。在這3 種作物之間，水稻的SYI 值高于小麥和玉米[26]。SYI 值在3 種作物中與產(chǎn)量變異系數(shù)（CV） 值呈顯著負(fù)相關(guān)，與年均產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，可以通過降低產(chǎn)量的變異性和提高產(chǎn)量來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的可持續(xù)性[27]。總體上，化肥配施有機(jī)肥，長(zhǎng)期來看可以顯著提高作物產(chǎn)量，維持較高的產(chǎn)量穩(wěn)定性，是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的可持續(xù)性施肥模式。

2.4 長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)質(zhì)演變及其與產(chǎn)量的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的載體和來源，決定著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，是土壤健康的核心指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)糧食安全的基礎(chǔ)。土壤有機(jī)質(zhì)積累與分解等轉(zhuǎn)化過程和特性直接或間接決定著土壤健康，并與作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)密切相關(guān)，是土壤健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中重要的組成部分。土壤有機(jī)質(zhì)演變是一個(gè)緩慢而復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是揭示其變化規(guī)律最有效的途徑。基于不同施肥的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)演變總體趨勢(shì)：NPKM （增加）gt;NPKgt;NK≈PK （持平）gt;CK （下降）[28?29]。由于有機(jī)肥養(yǎng)分釋放緩慢，多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)在施肥前期土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不大，在連續(xù)施肥10 年左右土壤有機(jī)質(zhì)開始呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，土壤健康指數(shù)明顯提高。

有機(jī)物料投入是影響土壤有機(jī)質(zhì)平衡的主要因素。基于全國(guó)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，徐明崗等[30]提出了有機(jī)物料的轉(zhuǎn)化利用效率，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)提升的量化表征。研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳變化量隨著有機(jī)碳投入量的增加呈線性增加，有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化量和碳投入的關(guān)系可通過線性方程來描述，斜率即投入碳轉(zhuǎn)化利用效率（有機(jī)碳的固存效率），線性關(guān)系與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即是土壤的固碳量為零時(shí)所需的維持碳投入量。該發(fā)現(xiàn)闡明了有機(jī)物投入量與有機(jī)質(zhì)提升量之間的響應(yīng)關(guān)系，一方面確定了維持土壤有機(jī)質(zhì)不下降的維持投入量，另一方面量化了提升一定幅度的有機(jī)質(zhì)每年需要投入的有機(jī)物的量，為土壤有機(jī)質(zhì)的定量提升提供了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。研究表明，農(nóng)田土壤有機(jī)碳的利用效率具有空間規(guī)律性，平均利用效率呈現(xiàn)為西北地區(qū)（25.7%）gt;東北地區(qū)（22.0%）gt;華北地區(qū)（13.3%） 和南方旱地（9.9%） 及南方水田（10.8%）；全國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)物料的碳利用效率平均為16.3% （表2）。土壤有機(jī)碳利用效率受到氣候（水熱條件） 和土壤性質(zhì)（質(zhì)地） 的影響，有機(jī)物料的長(zhǎng)期轉(zhuǎn)化利用效率隨年有效積溫和年降水量的升高而降低，隨土壤粘粒含量的增加而升高。土壤粘粒含量越高，越有利于土壤固碳[28?29]。

土壤有機(jī)碳（SOC） 含量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系為，隨著土壤有機(jī)碳含量的增加，作物產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后持平的特征。土壤有機(jī)碳對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)存在明顯的閾值[31?32]。我國(guó)農(nóng)田現(xiàn)有地力水平下，有機(jī)碳提升1 t/hm2，可以提高產(chǎn)量2.7～7.3 kg/hm2。此外，在西北、華北和南方地區(qū)，作物的產(chǎn)量變異性與土壤有機(jī)碳庫(kù)之間存在明顯的相關(guān)性，隨著土壤有機(jī)碳庫(kù)的增加，作物的產(chǎn)量變異性呈顯著的指數(shù)下降，有機(jī)碳提升1 t/hm2，產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)性可以提高3%～5%。可見，如何合理進(jìn)行耕地質(zhì)量提升與健康土壤的培育，以合理的有機(jī)物料投入達(dá)到有機(jī)碳乃至土壤健康的適宜值，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)可提供關(guān)鍵參數(shù)。

2.5 南方土壤pH 演變特征

土壤酸化是我國(guó)南方農(nóng)田退化的主要形式，是我國(guó)南方農(nóng)田土壤健康的主要問題，通常用pH 變化來表征。土壤pH 的變化直接影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素的有效性，進(jìn)而影響土壤肥力和土壤健康狀況。近年來，我國(guó)農(nóng)田快速酸化，1980—2000 年20 年間紅壤農(nóng)田pH 平均下降0.5 個(gè)單位，下降速率是自然條件下上萬(wàn)倍[33]。基于湖南祁陽(yáng)紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果表明，不合理施肥尤其是氮肥會(huì)加速土壤酸化，每季作物施用N 150 kg/hm2，12 年后，土壤pH 從5.7降低到4.2，成為不毛之地[34?35]。

土壤pH 的降低與作物產(chǎn)量的降低有顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤pH 降低導(dǎo)致鋁等對(duì)作物有害元素活性增加，鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)元素含量和活性降低，從而引起作物產(chǎn)量的降低[36]。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥可以有效阻控酸化。有機(jī)肥中含有的堿性物質(zhì)釋放，有機(jī)氮替代化肥氮降低硝化作用，進(jìn)而減少硝態(tài)氮和氫離子產(chǎn)生量，以及增加C/N 值降低土壤硝態(tài)氮含量和增加氫離子消耗，是有機(jī)物料阻控土壤酸化的基本機(jī)理[37?38]。化肥配施有機(jī)肥可以獲得持續(xù)高產(chǎn)，是酸性紅壤健康狀態(tài)改善和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)措施。

2.6 土壤生物多樣性演變與耕地質(zhì)量

土壤生物多樣性是土壤健康的重要指標(biāo)，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能方面起著至關(guān)重要的作用[39]。以湖南祁陽(yáng)紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為例，不同施肥下的農(nóng)田雜草差異顯著。長(zhǎng)期施肥引起土壤酸化，嚴(yán)重降低雜草的物種數(shù)，改變優(yōu)勢(shì)種類，適應(yīng)酸化的雜草種類為馬唐草，酸化敏感的雜草種類為金色狗尾草和酢漿草，酸化顯著改變了雜草物種數(shù)和優(yōu)勢(shì)種類型。在酸化土壤中加入石灰，改良土壤酸度，顯著提高雜草豐富度和多樣性。

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，可加速有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，改變養(yǎng)分循環(huán)及作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用，是土壤健康的重要指標(biāo)。長(zhǎng)期施肥改變微生物所生活的土壤環(huán)境，從而改變微生物群落的多樣性，進(jìn)而影響其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性及其介導(dǎo)的有機(jī)質(zhì)礦化和養(yǎng)分循環(huán)。對(duì)長(zhǎng)期施肥下黑土、潮土和紅壤中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)化肥配施有機(jī)肥可顯著增加土壤中細(xì)菌的數(shù)量，提高土壤細(xì)菌多樣性（表3）。與不施肥和單施化肥相比，施有機(jī)肥土壤細(xì)菌拷貝數(shù)在黑土、潮土和紅壤上分別提高了1～4 倍、9 倍和5.6%～15.9%。與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施后在黑土和紅壤中細(xì)菌拷貝數(shù)分別提高了8% 和26%，在潮土中沒有顯著變化。進(jìn)一步對(duì)細(xì)菌群落組分的研究發(fā)現(xiàn)，Acidobacteria-Gp6 和 Planctomycete 在3 種土壤上均對(duì)有機(jī)肥響應(yīng)顯著，且在共線性網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用。細(xì)菌的關(guān)鍵類群可通過調(diào)控土壤中有機(jī)質(zhì)及硝態(tài)氮的含量，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[40]。長(zhǎng)期施肥下土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的協(xié)同演變特征分析表明，土壤pH 是決定微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)的重要因子，土壤硝化微生物豐富度與土壤pH 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，深入挖掘土壤硝化作用機(jī)制有助于理解土壤酸化過程，也可為調(diào)控土壤酸化、培育健康土壤提供幫助[41]。

3 基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的土壤健康研究展望

3.1 基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)建立因地適宜的土壤健康指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系

土壤健康指標(biāo)是各項(xiàng)復(fù)雜因素的綜合結(jié)果，很難建立一套適用于所有土壤類型、氣候條件和作物類型等的土壤健康指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系。因此，可基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)累積的氣候數(shù)據(jù)、作物信息和土壤屬性等資料，構(gòu)建土壤健康評(píng)價(jià)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立基于氣候類型、土壤類型、作物類型、管理方式等的評(píng)價(jià)層級(jí)指標(biāo)體系，并因地確立土壤健康指標(biāo)及其閾值。這些工作有助于進(jìn)一步完善我國(guó)土壤健康指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系，便于針對(duì)性地進(jìn)行土壤健康評(píng)價(jià)及因地制宜地提出健康培育技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)全球土壤“大健康”和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 深入解析基于長(zhǎng)期不同管理措施下土壤健康演變的規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制

研究長(zhǎng)期施肥下土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性指標(biāo)的變化情況，分析土壤各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性及其與作物產(chǎn)量的相關(guān)性，可以全面了解土壤健康演變特征，以制定適宜的培肥技術(shù)和培育健康土壤。基于新興原位監(jiān)測(cè)技術(shù)和先進(jìn)的評(píng)價(jià)方法，采用高通量測(cè)序、宏基因組學(xué)等技術(shù)，深入分析長(zhǎng)期定位試驗(yàn)下土壤生物網(wǎng)絡(luò)對(duì)土壤肥力與土壤健康的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制。這些研究有助于深刻理解管理措施、土壤過程等驅(qū)動(dòng)土壤健康變化的機(jī)制，為土壤健康培育提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

3.3 建立長(zhǎng)期定位試驗(yàn)?健康土壤培育技術(shù)研發(fā)核心平臺(tái)

我國(guó)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)為土壤健康研究和構(gòu)建提供了寶貴的平臺(tái)。因?yàn)檫@些長(zhǎng)期定位試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)可以：1） 全方位支持土壤健康時(shí)空變化研究，我國(guó)農(nóng)田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)具有土壤類型和種植制度多樣、時(shí)間跨度大、空間分布廣的特點(diǎn)，可以提供多點(diǎn)位不同健康程度的土壤（不同障礙、不同肥力水平的土壤），為土壤健康研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2） 基于大量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持健康指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，52 個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)30 年以上系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，提供了不同健康土壤的多種物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)，以及相應(yīng)的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以良好用于構(gòu)建土壤健康指標(biāo)及其評(píng)價(jià)體系。3） 進(jìn)行典型案例研究，每個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)都是一個(gè)完整的案例，具有時(shí)間和空間上完整的數(shù)據(jù)和土壤健康狀態(tài)，通過對(duì)每個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的深入分析，可以揭示不同管理措施和土壤條件下的健康土壤狀態(tài)及其培育最佳實(shí)踐方案。4） 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)因素分析及培育技術(shù)集成應(yīng)用，基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的系列數(shù)據(jù)，深入探究土壤健康及其指標(biāo)的演變規(guī)律，解析健康土壤變化的驅(qū)動(dòng)因素，從而提出健康土壤培育的技術(shù)模式。總之，構(gòu)建長(zhǎng)期定位試驗(yàn)?健康土壤研發(fā)的平臺(tái)，推動(dòng)土壤健康構(gòu)建和耕地質(zhì)量的提升，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，貢獻(xiàn)國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全。

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作者簡(jiǎn)介：

徐明崗，中國(guó)工程院院士，土壤學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量建設(shè)專家組組長(zhǎng)。現(xiàn)任山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、山西省領(lǐng)軍創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專家。長(zhǎng)期從事耕地質(zhì)量提升科學(xué)研究，引領(lǐng)我國(guó)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期試驗(yàn)網(wǎng)。針對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量低、酸化加劇等土壤退化重大科技難題，提出了土壤有機(jī)質(zhì)定量提升和紅壤酸化分類防控的理論與關(guān)鍵技術(shù)。先后獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4 項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)5 項(xiàng)；以第一或通訊作者發(fā)表論文368 篇，其中SCI 論文119 篇，出版專著8 部。獲周光召基金會(huì)首屆“農(nóng)業(yè)科學(xué)獎(jiǎng)”、全國(guó)創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO） 格林卡世界土壤獎(jiǎng)等。

基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202102140601010）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177341，42077098）。