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        淺談“十四五”土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略*

        2020-10-22 08:15:32蔡祖聰
        土壤學(xué)報(bào) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:土壤肥力十四五養(yǎng)分

        蔡祖聰

        淺談“十四五”土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略*

        蔡祖聰1,2

        (1. 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,南京210023;2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210023)

        土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科是土壤學(xué)科中應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科,悠久的發(fā)展歷史積累了極為豐富的文獻(xiàn)資料,在評(píng)價(jià)和利用土壤資源,提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率,減少環(huán)境污染中發(fā)揮著重要作用?!笆奈濉逼陂g土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科應(yīng)加強(qiáng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程、速率、產(chǎn)物及其影響因素的基礎(chǔ)性研究。鑒于我國(guó)大宗作物種植強(qiáng)度下降,集約化設(shè)施種植面積增加的兩極化發(fā)展現(xiàn)狀和減肥減藥維持生態(tài)環(huán)境安全的國(guó)家需求,“十四五”期間,土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科應(yīng)加強(qiáng)以下針對(duì)性研究:1)休耕輪作對(duì)土壤肥力的影響及通過休耕輪作維持和提高土壤肥力的原理、途徑和方法;2)高度集約化種植條件下快速恢復(fù)土壤肥力,保持土壤健康和有效利用土壤養(yǎng)分的科學(xué)管理原理、途徑和方法;3)實(shí)現(xiàn)土壤-作物-環(huán)境相互契合,充分發(fā)揮土壤肥力,高效利用土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

        土壤肥力;土壤養(yǎng)分;學(xué)科發(fā)展;科學(xué)管理;高效利用

        土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)是土壤學(xué)科中應(yīng)用性較強(qiáng)的分支學(xué)科,主要研究土壤供給作物養(yǎng)分的能力、與土壤養(yǎng)分供應(yīng)有關(guān)的土壤養(yǎng)分循環(huán)過程、農(nóng)田養(yǎng)分以各種形態(tài)向環(huán)境的擴(kuò)散過程及其驅(qū)動(dòng)因素等。土壤肥力研究在評(píng)價(jià)和利用土壤資源中發(fā)揮著重要的作用。出于對(duì)全球變化和農(nóng)業(yè)面源污染的高度關(guān)注,農(nóng)田土壤固碳和溫室氣體排放,農(nóng)田氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素向水體擴(kuò)散過程及其污染負(fù)荷、驅(qū)動(dòng)因素、模型模擬等是過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期土壤養(yǎng)分循環(huán)領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn),在估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力、溫室氣體排放、定量農(nóng)業(yè)面源污染等方面積累了大量的數(shù)據(jù),取得了豐富的研究成果,在全球變化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。但是,土壤養(yǎng)分循環(huán)服務(wù)于作物養(yǎng)分供應(yīng)及其影響因素的研究則進(jìn)展比較緩慢。改革開放以來,我國(guó)的作物種類、種植方式、種植制度、肥料種類等均發(fā)生了顯著的變化,近年來,種植強(qiáng)度的兩極化趨勢(shì)極為明顯,這些變化對(duì)土壤肥力維持和作物養(yǎng)分供應(yīng)提出了新的要求。當(dāng)前土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)的研究尚不能清晰地回答這些變化引發(fā)的科學(xué)問題,因而指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際的能力較弱,難以發(fā)揮該分支學(xué)科在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)有的作用。在“十四五”期間,土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科應(yīng)該回歸本原,圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和種植制變化對(duì)土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)提出的新要求,加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究,研發(fā)適應(yīng)新的種植模式的土壤肥力維持和提高,促進(jìn)土壤養(yǎng)分有效利用,減少對(duì)土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響的新理念、新方法和新技術(shù)。

        1 歷史發(fā)展與現(xiàn)狀

        土壤肥力是反映土壤肥沃程度的一個(gè)重要指標(biāo),但是關(guān)于土壤肥力的定義及其指標(biāo)仍不統(tǒng)一。在歐美等國(guó)家土壤肥力是指衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分的能力。在我國(guó),土壤肥力是指土壤為植物生長(zhǎng)供應(yīng)和協(xié)調(diào)養(yǎng)分、水分、空氣和熱量的能力,是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反應(yīng)[1]。顯然,歐美國(guó)家的土壤肥力概念比較單一,可稱之為狹義的土壤肥力概念,但易于定量和評(píng)價(jià);我國(guó)的土壤肥力概念涉及土壤物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量等,有些還包括土壤所處的環(huán)境等與作物生長(zhǎng)有關(guān)的各個(gè)方面,綜合性強(qiáng),可稱之為廣義的土壤肥力概念,更接近于土壤生產(chǎn)力概念。由于廣義土壤肥力概念難以定量化,在我國(guó),土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)成為了該分支學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容,發(fā)表了大量的研究論文。然而至今未形成具有共識(shí)的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)值。我國(guó)第二次土壤普查時(shí)采用了歐美國(guó)家的土壤肥力概念,以土壤的養(yǎng)分含量作為劃分依據(jù)。這一土壤養(yǎng)分含量等級(jí)指標(biāo)仍然是我國(guó)土壤肥力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[2]。

        土壤養(yǎng)分循環(huán)涉及的范圍很廣,例如,土壤碳氮循環(huán)是當(dāng)前全球變化的研究熱點(diǎn),土壤氮磷向水體的擴(kuò)散則是水體污染防控的研究熱點(diǎn)。筆者體會(huì),土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科中的土壤養(yǎng)分循環(huán)是那些涉及與土壤肥力,即與養(yǎng)分供應(yīng)能力有關(guān)的土壤養(yǎng)分循環(huán)問題,它是土壤肥力的基礎(chǔ)和核心。

        筆者以中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)為數(shù)據(jù)源[3],對(duì)土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科發(fā)表的論文數(shù)量及其涉及的主題詞進(jìn)行了搜索。對(duì)于特定的研究領(lǐng)域,相同關(guān)鍵詞下我國(guó)學(xué)者發(fā)表的論文數(shù)量在英文刊物和中文刊物上具有同步性,因此,從CNKI得到的數(shù)據(jù)可窺我國(guó)土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀之一斑。分別以“土壤肥力”和“土壤養(yǎng)分循環(huán)”為關(guān)鍵詞,在中國(guó)CNKI搜索文獻(xiàn)數(shù)量,結(jié)果如圖1。截止2019年11月14日,CNKI共收錄了有關(guān)土壤肥力的文獻(xiàn)22 039篇,有關(guān)土壤養(yǎng)分循環(huán)的文獻(xiàn)則僅區(qū)區(qū)396篇,其中同時(shí)涉及土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)的文獻(xiàn)更少,僅為66篇。CNKI收錄的關(guān)于土壤肥力的最早的文章是Hall于1910年在發(fā)表的“The fertility of the soil”[4]。這足以證明土壤肥力是一門歷史悠久的學(xué)科。CNKI收錄的我國(guó)學(xué)者涉及土壤肥力的最早的文章是周昌蕓1936年發(fā)表于《地質(zhì)論評(píng)》的“土壤調(diào)查及土壤圖之制法”[5]。從圖1a可以看出,我國(guó)關(guān)于土壤肥力的文章發(fā)表數(shù)量在20世紀(jì)50年代至60年代中出現(xiàn)過一個(gè)快速增長(zhǎng)的時(shí)期。由于眾所周知的原因,1967—1972年是一個(gè)停滯期,隨后又開始快速增加,1980年后每年發(fā)表的論文數(shù)量超過100篇,2008年達(dá)到1 025篇,隨后繼續(xù)波動(dòng)式增長(zhǎng)。土壤肥力研究涉及的主題詞以土壤肥力為主,占近半數(shù),其次為土壤成分、養(yǎng)分元素氮、磷、鉀和酶活性,每一主題詞下收錄的文獻(xiàn)均在1 000篇以上(表1)。土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)也達(dá)347篇,幾乎與土壤養(yǎng)分循環(huán)關(guān)鍵詞下的文獻(xiàn)數(shù)量相當(dāng),但絕大部分是關(guān)于區(qū)域土壤肥力的綜合評(píng)價(jià),所用的評(píng)價(jià)方法各不相同,至今未形成統(tǒng)一、共識(shí)的土壤肥力評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)值。

        圖1 CNK收錄的土壤肥力(a)與土壤養(yǎng)分循環(huán)(b)分支學(xué)科每年發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量

        CNKI收錄的關(guān)于土壤養(yǎng)分循環(huán)的文獻(xiàn)遲至1977年才出現(xiàn)(圖1b),是國(guó)外學(xué)者發(fā)表在上關(guān)于土壤中草酸鈣及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)的文章[6]。1985年曾天勛發(fā)表于《廣東農(nóng)業(yè)科技》的“淺談森林養(yǎng)分循環(huán)的規(guī)律及有關(guān)營(yíng)林問題”[7]是CNKI收錄的我國(guó)學(xué)者關(guān)于土壤養(yǎng)分循環(huán)的最早的文章。這不一定分別是國(guó)外和我國(guó)學(xué)者最早開始研究和發(fā)表土壤養(yǎng)分循環(huán)文章的時(shí)間,但是可以確定的是,相對(duì)于土壤肥力研究,土壤養(yǎng)分循環(huán)研究領(lǐng)域起步要晚得多。CNKI收錄的土壤養(yǎng)分循環(huán)的文獻(xiàn)數(shù)量雖也有逐年增加的趨勢(shì)(圖1b),但始終未形成熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。土壤養(yǎng)分循環(huán)涉及的主題詞多,但比較發(fā)散(表1)。

        涉及土壤肥力22 039篇文章和涉及土壤養(yǎng)分循環(huán)的396篇中,同時(shí)涉及土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)的文獻(xiàn)僅為66篇。這一數(shù)據(jù)表明從土壤養(yǎng)分循環(huán)角度研究土壤肥力未受到重視,土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科的兩部分有機(jī)結(jié)合程度有待加強(qiáng)。

        2 土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ)科學(xué)問題

        討論土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ)科學(xué)問題有必要明確土壤養(yǎng)分循環(huán)與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的概念。當(dāng)前,在文獻(xiàn)中經(jīng)?;煊猛寥鲤B(yǎng)分循環(huán)與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的概念。筆者以為,土壤養(yǎng)分循環(huán)是指以土壤為核心,土壤中的養(yǎng)分元素與生物圈(農(nóng)田中主要為作物)、水圈、大氣圈和巖石圈的交換途徑、形態(tài)和通量;土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化則是指土壤中養(yǎng)分元素從一種存在形態(tài)或化學(xué)價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化成為另一種存在形態(tài)或價(jià)態(tài)的過程。由于不同存在形態(tài)或價(jià)態(tài)的元素在土壤中的移動(dòng)性、與其他圈層的交換性及其生物和環(huán)境效應(yīng)不同,且它們?cè)谕寥乐械牧坑赏寥擂D(zhuǎn)化過程及其相對(duì)速率所決定,所以,土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程起著土壤養(yǎng)分循環(huán)“調(diào)配器”的作用,控制土壤養(yǎng)分循環(huán)的方向、養(yǎng)分元素化合物種類和交換通量。土壤養(yǎng)分循環(huán)途徑中與作物的養(yǎng)分交換過程,即為狹義的土壤肥力。因此,土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程、產(chǎn)物及其速率是土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

        表1 土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)涉及的主題詞及相應(yīng)的論文數(shù)

        土壤氮元素循環(huán),即與植物、水體和大氣的交換通量不僅取決于土壤中氮轉(zhuǎn)化速率,還取決于轉(zhuǎn)化過程的最終產(chǎn)物、中間產(chǎn)物及其副產(chǎn)物的比例。描述N2O排放的“管道漏氣”模型很好地表達(dá)了氮轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)物比例對(duì)N2O排放的重要性[15]。土壤中各種氮轉(zhuǎn)化過程的速率和產(chǎn)物比例取決于土壤性質(zhì)及其水、氣、熱環(huán)境條件,因此,土壤氮轉(zhuǎn)化過程的速率和產(chǎn)物是土壤水、氣和熱狀況綜合作用的結(jié)果。由于土壤水、氣和熱等因素是可調(diào)控的,因而為人類調(diào)控土壤氮轉(zhuǎn)化過程速率及其產(chǎn)物比例提供了可能。

        雖然其他元素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程不如氮元素那么豐富多彩,但同樣其形態(tài)決定了對(duì)作物的有效性和向水體和大氣的擴(kuò)散通量。例如,礦物中的磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素只有通過風(fēng)化釋放到土壤溶液或成為交換態(tài)等才能被植物吸收利用,但風(fēng)化作用也增加了這些元素隨水分遷移進(jìn)入水體的可能性。

        由此可見,深入認(rèn)識(shí)土壤中元素的轉(zhuǎn)化過程、速率、產(chǎn)物及其影響因素是土壤養(yǎng)分循環(huán)研究深入到定量化和實(shí)現(xiàn)針對(duì)性調(diào)控的基礎(chǔ)。然而,至今仍然缺乏土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程、產(chǎn)物和速率的定量化測(cè)定方法,在土壤養(yǎng)分循環(huán)研究中經(jīng)常作為黑箱處理。當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)水平和研究手段為定量化土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)物創(chuàng)造了良好的條件,“十四五”應(yīng)將土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程、產(chǎn)物和速率的定量化,包括定量化的研究方法和研究手段作為土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。

        3 國(guó)家需求對(duì)土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)學(xué)科的新要求

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活狀況的改善,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)提出了多樣化的要求。與此相適應(yīng),在過去40年中,我國(guó)的種植制度和管理方式發(fā)生了很大的變化,呈現(xiàn)出明顯的兩極化現(xiàn)象。一方面,水稻、小麥和玉米等大宗糧食作物的種植強(qiáng)度下降,一年三熟地區(qū)降為二熟,甚至一熟;一年二熟地區(qū)降為一熟,甚至休閑拋荒;另一方面,高強(qiáng)度的設(shè)施種植面積不斷擴(kuò)大。由于設(shè)施種植的高產(chǎn)值[16],過去40年中,我國(guó)設(shè)施種植快速發(fā)展,截至2017 年,全國(guó)設(shè)施種植總面積達(dá)到370萬hm2。2016 年我國(guó)設(shè)施種植的年產(chǎn)值超過 9 800 億元,部分省市農(nóng)民純收入的 50%以上來自于設(shè)施種植[17]。在肥料施用方面也發(fā)生了顯著的變化。根據(jù)有關(guān)報(bào)道,過去幾年我國(guó)已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)了到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)的目標(biāo),大宗糧食作物的單位面積肥料施用量從2000年以來已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[18]。相反,設(shè)施園藝種植的肥料施用量未見實(shí)質(zhì)性地減少。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)設(shè)施園藝種植的單位面積平均N、P2O5和K2O 施用總量(有機(jī)肥+化肥)分別為850.5、726.0 和793.5 kg·hm–2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過作物的推薦施肥量[19]。提高養(yǎng)分利用率,減少施肥導(dǎo)致的養(yǎng)分環(huán)境負(fù)荷仍然任重道遠(yuǎn)?!笆奈濉睍r(shí)期,土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科在繼續(xù)深化過去研究成果,加強(qiáng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)研究的同時(shí),還應(yīng)針對(duì)我國(guó)當(dāng)前種植制度和肥料管理等方面出現(xiàn)的新情況開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究,解決生產(chǎn)實(shí)際中的基礎(chǔ)理論問題,服務(wù)于國(guó)家需求。

        3.1 發(fā)揮在落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略中的作用

        “藏糧于地、藏糧于技”是我國(guó)“十三五”計(jì)劃的國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)之一。提出這一戰(zhàn)略主要是基于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)糧食供給寬裕,我國(guó)已有經(jīng)濟(jì)能力增加糧食進(jìn)口,因而具備了在部分地區(qū)實(shí)行耕地輪作休耕的條件。為了確保谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全,必須保障輪作休耕地土壤的肥力不受破壞,甚至有所提高,一旦國(guó)際形勢(shì)突變或發(fā)生重大自然災(zāi)荒時(shí),輪作休耕地即可投入到糧食生產(chǎn)中去。為落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略,2016年農(nóng)業(yè)部等十部委發(fā)出了《探索實(shí)行耕地輪作休耕制度試點(diǎn)方案》的通知。事實(shí)上,在全國(guó)范圍內(nèi),尤其是我國(guó)南方地區(qū),農(nóng)田荒蕪,復(fù)種指數(shù)下降現(xiàn)象已十分普遍。但是,由于農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移,農(nóng)民收入對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的依賴程度下降,休耕或休閑期土壤未得到有效管理的現(xiàn)象十分突出,落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略面臨著巨大的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)“藏糧于地”的關(guān)鍵是通過輪作休耕,維持,甚至提高土壤肥力。由此可見,土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)學(xué)科在落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略中可以發(fā)揮主力軍的作用。

        1)休耕時(shí)土壤肥力恢復(fù)過程及其作用因素。休耕是人類最早利用的農(nóng)業(yè)土壤肥力恢復(fù)途徑。在過去相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期,由于長(zhǎng)期的糧食供應(yīng)緊張,不具備通過休耕恢復(fù)土壤肥力的空間,因此,有關(guān)的研究也幾乎是空白。當(dāng)前,輪作休耕已經(jīng)成為客觀現(xiàn)實(shí),而且有可能長(zhǎng)期持續(xù)。土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科應(yīng)該加強(qiáng)研究不同休耕方式下土壤結(jié)構(gòu)、通透性、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素含量及其有效性等土壤肥力因子的動(dòng)態(tài)變化過程,驅(qū)動(dòng)土壤肥力因子變化的主要因素,作用機(jī)制等。

        2)加速休耕土壤肥力恢復(fù)的原理、途徑和方法。在自然條件下,休耕恢復(fù)土壤肥力是一個(gè)緩慢的過程,與“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略要求不相適應(yīng)。因此,必須加強(qiáng)加速休耕土壤肥力恢復(fù)的原理、途徑和方法的研究。其次,由于農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移,農(nóng)民對(duì)維持土壤肥力的熱情下降,快速恢復(fù)土壤肥力的途徑、方法和技術(shù)還必須省工、高效和易于實(shí)施。

        3)輪作恢復(fù)土壤肥力的機(jī)制和輪作作物選擇的基本原則。在農(nóng)作物生長(zhǎng)間隔期,種植覆蓋作物,可以減少養(yǎng)分向環(huán)境的擴(kuò)散;覆蓋作物翻耕入土,可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分供應(yīng)能力。因此,在二季作物生長(zhǎng)的間隔期,種植覆蓋作物已經(jīng)成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一[20]。我國(guó)地域廣闊,氣候和土壤類型和種植制度多種多樣,應(yīng)該加強(qiáng)研究適應(yīng)不同氣候和土壤的輪作或覆蓋作物在恢復(fù)土壤肥力中的作用及其作用機(jī)制,在此基礎(chǔ)上提出適合于不同氣候、土壤類型和種植制的輪作作物搭配的基本原則。

        3.2 高度集約化種植的土壤肥力維持和提高

        我國(guó)設(shè)施種植的快速發(fā)展為保障我國(guó)蔬菜、瓜果供應(yīng)和提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入發(fā)揮了重要作用。由于設(shè)施種植的本身特點(diǎn),缺乏科學(xué)指導(dǎo)和偏面追求短期經(jīng)濟(jì)效益等因素的驅(qū)動(dòng),設(shè)施種植土壤退化已成為制約設(shè)施種植可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題[19,21-22]。設(shè)施種植的土壤退化主要表現(xiàn)為酸化、次生鹽漬化、養(yǎng)分過量積累、養(yǎng)分失衡和土傳病害頻發(fā)。土壤生物和理化性質(zhì)的快速嚴(yán)重退化也常常發(fā)生在經(jīng)濟(jì)效益較高的果園土壤中。

        土壤生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的主要執(zhí)行者,由土壤生物合成的酶活性是土壤肥力的重要指標(biāo)之一,也是高頻出現(xiàn)在土壤肥力中的主題詞(表1)。由于作物單一,種植強(qiáng)度高,設(shè)施種植必然導(dǎo)致土壤生物多樣性下降和土傳病原生物豐度增加,不僅導(dǎo)致土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率和活性下降,而且導(dǎo)致土傳病害頻發(fā)[23]。顯然,受土傳病害侵襲的作物是無法有效吸收土壤養(yǎng)分的。健康的土壤微生物區(qū)系是維持土壤健康,發(fā)揮其生產(chǎn)功能和生態(tài)服務(wù)功能的重要基礎(chǔ)[24]。所以,維持土壤健康的微生物區(qū)系是高強(qiáng)度設(shè)施種植下防止土壤肥力退化,恢復(fù)退化土壤肥力的關(guān)鍵。

        以設(shè)施種植為代表的高強(qiáng)度的集約化種植不僅對(duì)恢復(fù)和防止土壤肥力退化提出了新的課題,而且對(duì)養(yǎng)分管理也提出了新的要求。筆者曾探討過高度集約化種植的養(yǎng)分管理問題[25],在此摘其要點(diǎn)如下:

        1)合理養(yǎng)分施用量的確定原則。由于以設(shè)施種植為代表的集約化種植環(huán)境與大田生產(chǎn)有很大的差別,如在設(shè)施種植下具有較高的溫度和濕度,土壤水分以從下往上運(yùn)移為主,設(shè)施栽培作物對(duì)養(yǎng)分濃度(活度)的要求高于大田作物,所以,確定設(shè)施種植的肥料施用量不能簡(jiǎn)單地照搬用于大田生產(chǎn)的施肥量確定原則。

        2)養(yǎng)分平衡指標(biāo)。集約化種植對(duì)養(yǎng)分平衡的要求更高。從單一養(yǎng)分元素看,由于大量、偏面施用氮磷鉀和添加微量元素的復(fù)合肥,設(shè)施種植土壤普遍出現(xiàn)了各種養(yǎng)分元素大量積累的現(xiàn)象[26-27]。筆者實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了云南昆明周邊種植番茄土壤養(yǎng)分元素含量,結(jié)果如表2。無論是磷、鉀大量元素,還是鈣、鎂、硫中量元素,或是銅、鋅、硼、鐵、錳等微量元素均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第二次土壤普查時(shí)制訂的土壤養(yǎng)分最高等級(jí)。但是,這并不能保證土壤養(yǎng)分的平衡供應(yīng),然而目前尚無具有針對(duì)性的養(yǎng)分平衡確定原則和具體指標(biāo)。

        3)大量積累養(yǎng)分的作物有效性及其環(huán)境效應(yīng)。設(shè)施種植土壤中普遍積累了大量的氮、磷、鉀、硫和微量元素,但是農(nóng)戶還是繼續(xù)大量施肥化肥,而學(xué)術(shù)界對(duì)因施肥而大量積累的養(yǎng)分元素的作物有效性也缺少充分的研究[27]。明確設(shè)施種植土壤大量積累的養(yǎng)分元素的作物有效性及其影響因素是因土施肥或診斷施肥的基礎(chǔ)。由于特殊的環(huán)境條件,設(shè)施種植土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)規(guī)律不同于大田,例如因塑料膜的存在從土壤界面揮發(fā)的氨并不直接排向大氣;因缺少向下運(yùn)移的水分,硝態(tài)氮難以向下運(yùn)移而積聚在表層形成鹽斑等,所以,設(shè)施種植的土壤養(yǎng)分?jǐn)U散途徑和機(jī)制也不同于大田。應(yīng)加強(qiáng)集約化種植土壤養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律和養(yǎng)分?jǐn)U散途徑研究,為客觀評(píng)估集約化種植的環(huán)境效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

        4)過量積累養(yǎng)分的消除。集約化種植下土壤養(yǎng)分過量積累現(xiàn)象十分普遍,國(guó)際上采用種植前淋洗清除過量積累養(yǎng)分的方法[28]。但我國(guó)集約化種植地區(qū)往往同時(shí)也是地面水和地下水養(yǎng)分富集區(qū),淋洗去除過量積累的養(yǎng)分不符合我國(guó)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科既需要為設(shè)施種植提供養(yǎng)分施用量的確定方法和手段,減少養(yǎng)分在土壤中的積累,也需要提供清除過量土壤養(yǎng)分的有效方法和手段。

        表2 云南昆明雞街鎮(zhèn)番茄地土壤有效養(yǎng)分含量

        1)第二次土壤普查制訂的土壤養(yǎng)分等級(jí),參見文獻(xiàn)[2]。Grades of soil nutrient supply designed for the Second National Soil Survey,see reference [2].

        3.3 實(shí)現(xiàn)“雙減”目標(biāo)的土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)問題

        目前提高養(yǎng)分利用率以實(shí)現(xiàn)減少肥料施用量的目標(biāo)多從養(yǎng)分管理角度出發(fā),在土壤方面主要通過測(cè)土施肥確定合理施用量,較少考慮土壤養(yǎng)分供應(yīng)種類、強(qiáng)度、時(shí)間動(dòng)態(tài)是否與作物需求的養(yǎng)分種類、需求量及其時(shí)間相契合和土壤積累的養(yǎng)分保持是否與環(huán)境條件相契合等的問題,土壤肥力和土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科在提高養(yǎng)分利用方面的作用遠(yuǎn)未充分發(fā)揮?!笆奈濉逼陂g應(yīng)加強(qiáng)土壤-作物-環(huán)境相互作用的研究。

        1)土壤-作物相互作用與養(yǎng)分高效利用。目前關(guān)于合理施肥的研究基本上都是針對(duì)確定的土壤-作物系統(tǒng)而進(jìn)行的,忽視了根據(jù)土壤和作物特性選擇適宜作物對(duì)養(yǎng)分高效利用的重要性,關(guān)于“土宜”的研究只關(guān)注一些特色作物,對(duì)于一般性作物考慮較少,考慮土壤屬性及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化特性適應(yīng)性的更少[29-30]。研究表明將喜銨作物種植于銨態(tài)氮為主的土壤中,將喜硝作物種植于硝態(tài)氮為主的土壤中是實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用的基礎(chǔ);反之,則難以提高氮肥利用率[31]。輪作休耕措施的實(shí)施和大量特色經(jīng)濟(jì)作物的引種為根據(jù)土壤和作物特性選擇適宜的作物創(chuàng)造了空間,土壤-作物相互作用與養(yǎng)分高效利用關(guān)系的研究成果已經(jīng)具備了應(yīng)用的廣闊空間。

        2)作物-土壤微生物相互作用。土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)與作物有效性方面發(fā)揮著重要的作用,但是,對(duì)此的認(rèn)識(shí)非常有限,而且多局限于土壤微生物對(duì)單一元素循環(huán)及其有效性的影響,對(duì)養(yǎng)分平衡供應(yīng)中的作用認(rèn)識(shí)幾乎還是空白。另外,作物根系通過改造根際環(huán)境和分泌物質(zhì),改變根際土壤微生物豐度和組成。根際微生物是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[32],然而,作物-土壤微生物相互作用對(duì)作物健康和養(yǎng)分供應(yīng)的認(rèn)識(shí)仍然很不充分,可應(yīng)用的調(diào)控手段更加有限。

        3)土壤-作物-環(huán)境相互作用與養(yǎng)分有效性。作物并不是土壤中有效養(yǎng)分的唯一利用者,土壤生物對(duì)有效養(yǎng)分的同化作用,土壤養(yǎng)分向水體和大氣的擴(kuò)散,以及土壤養(yǎng)分的物理和化學(xué)固定等均與作物吸收形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,所以,土壤對(duì)作物養(yǎng)分的供應(yīng)能力不僅決定于土壤中養(yǎng)分的量、釋放速率等,還取決于作物對(duì)有效養(yǎng)分的吸收競(jìng)爭(zhēng)能力。認(rèn)識(shí)土壤-作物-環(huán)境的相互作用是調(diào)控土壤對(duì)作物養(yǎng)分供應(yīng)能力的重要基礎(chǔ)。

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        Discussion on the Strategies for Development of the Subdiscipline of Soil Fertility and Soil Nutrient Cycling for the 14th Five-Year Plan

        CAI Zucong1, 2

        (1. School of Geography Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China)

        Soil fertility and soil nutrient cycling is more like an applied discipline in the soil science, with a long history and a huge volume of literature accumulation. It plays an important role in assessing and exploiting the soil resources, enhancing crop production and nutrient use efficiency, and reducing environmental loads of non-point source of pollutants from croplands. During the 14th five-year-plan period, it is essential to strengthen researches on processes, rates, products, and influencing factors of the nutrient transformation in the soil, the basis of soil fertility and soil nutrient cycling. In view of the fact that the agriculture is developing towards a two-pole structure, that is, the cropping of staple crops, such as rice, wheat, and maize, declining in intensity, and the facilitated farming, such as plastic film-sheds and greenhouses, rapidly expanding in area in China, and in response to the calls of the nation for reduction of the environmental loads of non-point source pollutants and maintenance of safety of the eco-environment, it is crucial to intensify researches on the following topics in the sub-discipline of soil fertility and soil nutrient cycling, during the 14th five-year-plan period. i.e. 1)impacts of turning intensive cropping into fallow and crop rotation on soil fertility, and principles, pathways and methods of the practice maintaining and improving soil fertility; 2)principles, pathways and methods of scientific management of rapidly restoration of soil fertility, maintenance of soil health, and effectively utilization of soil nutrients under a highly intensive cropping system; and 3)basic scientific issues, like how to harmonize the relationships between soil, crops and environment, how to bring soil fertility into full play and how to efficiently utilize soil nutrients.

        Soil fertility; Plant nutrients; Discipline development; Scientific management; High use efficiency

        S158

        A

        10.11766/trxb201912050657

        蔡祖聰. 淺談“十四五”土壤肥力與土壤養(yǎng)分循環(huán)分支學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 土壤學(xué)報(bào),2020,57(5):1128–1136.

        CAI Zucong. Discussion on the Strategies for Development of the Subdiscipline of Soil Fertility and Soil Nutrient Cycling for the 14th Five-Year Plan[J]. Acta Pedologica Sinica,2020,57(5):1128–1136.

        * 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41977032)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 41977032)

        蔡祖聰(1958—),男,浙江余姚人,教授,主要從事土壤氮素循環(huán)和退化土壤修復(fù)研究。E-mail:zccai@njnu.edu.cn

        2019–12–05;

        2020–04–14;

        網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期(www.cnki.net):2020–05–29

        (責(zé)任編輯:盧 萍)

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