趙偉霞，栗巖峰，張寶忠，于穎多，羅朋，徐海洋，彭坤海，雷振東

?專家評述?

土壤肥力提升原理與技術研究進展

趙偉霞1，栗巖峰1，張寶忠1，于穎多1，羅朋2*，徐海洋3，彭坤海4，雷振東3

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；3.永定河流域投資有限公司，北京 100091；4.永定河懷來生態(tài)發(fā)展有限公司，河北 懷來 075499）

提升土壤肥力是維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障我國糧食安全的重要保證。為了從根本上實現(xiàn)基礎地力相對較差地塊的土壤肥力提升目標，本研究通過對土壤肥力提升原理與技術研究進展的系統(tǒng)總結，圍繞土壤肥力概念、土壤肥力評價指標與方法、土壤肥力與作物產量的關系、土壤肥力提升的技術措施和研究展望5個方面進行了詳細的闡述。分析表明，有機肥物料，尤其是加工后的生物炭和商品有機肥的施用，是我國現(xiàn)階段提升土壤肥力的關鍵技術措施，而分類建立生物炭和有機肥生產和施用的技術與標準，發(fā)展有機無機配施理論，則是今后較長一段時間內實現(xiàn)土壤肥力提升的重要研究方向。

土壤肥力；生物炭；商品有機肥；無機肥

0 引言

保障糧食安全是關系到我國經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。在2021年12月25—26日召開的中央農村工作會議上，習近平主席強調，保障好初級產品供給是一個重大的戰(zhàn)略性問題，耕地保護要求要非常明確，18億畝耕地必須實至名歸，農田就是農田，而且必須是良田。但據(jù)統(tǒng)計，截至2019年，我國仍有4.44億畝耕地存在基礎地力相對較差，生產障礙因素突出問題，需持續(xù)開展農田基礎設施建設和耕地內在質量建設[1]。充分科學地利用有機和無機養(yǎng)分資源，是保證我國農田生產力不斷提高、作物持續(xù)增產和良好生態(tài)環(huán)境的關鍵[2]，這一措施也與各國普遍推行的加快并鼓勵有機肥投入、減少化肥施用的國家政策相一致[3]。

隨著我國從事農業(yè)種植人口的老齡化和大批青壯年勞力的外出務工，尤其是近年來以無機肥施用為主的農業(yè)種植管理模式的普遍使用，以家庭為單元進行傳統(tǒng)有機肥料制備的工藝和技術已逐漸消失。將有機物料進行商品化加工與生產，是適應時代發(fā)展需求，推動和實現(xiàn)有機肥料大面積推廣應用及土壤肥力提升目標的關鍵措施。本文從土壤肥力概念出發(fā)，闡述了土壤肥力的實質及評價指標與方法，并分析了土壤肥力與作物產量的關系，基于有機物料產品（生物炭和商品有機肥）的土壤肥力提升原理與技術，及其發(fā)展趨勢，為從根本上實現(xiàn)18億畝耕地全部為良田的發(fā)展需求提供了理論基礎。

1 土壤肥力概念

土壤肥力（又稱地力）是土壤的基本屬性和本質特征，是農作物產量形成的物質基礎，但是目前還沒有統(tǒng)一的土壤肥力概念，因為土壤肥力是隨土壤科學的發(fā)展而逐步充實與完善的，是需要用綜合觀點和系統(tǒng)方法來研究的復雜問題[4]，另一方面，土壤肥力的時空變異性也為評判土壤肥力帶來了極大困難[5]。關于土壤肥力概念的發(fā)展歷程，土壤學家熊毅先生曾經有過詳細的描述[4]，“肥力”一詞原先是由Fertility翻譯過來的，原意只局限于營養(yǎng)物質的貯量，后來蘇聯(lián)土壤學家威廉士把水分也放進肥力中去，20世紀50年代國內把肥力擴展為水、肥、氣、熱。從土壤肥力的綜合觀點出發(fā)，土壤肥力是土壤從環(huán)境和營養(yǎng)條件二方面供應和協(xié)調作物生長發(fā)育的能力，是有關農業(yè)生產的土壤理化生物特性的綜合反映，且評價土壤肥力的因素及指標因時、因地、因作物和所要求的產量水平而產生變化。這種綜合觀點，強調了土壤營養(yǎng)條件、環(huán)境條件與植物生長三者的統(tǒng)一，表現(xiàn)了土壤對植物生長所需的水肥氣熱的供應和協(xié)調能力。這一觀點至今仍然獲得國內土壤科學專家的贊同[6]。

2 土壤肥力評價指標與方法

由于土壤肥力概念不統(tǒng)一，且我國綜合的土壤肥力概念難以定量化，土壤肥力評價指標的選取根據(jù)評價目的的不同存在很大差異，至今未形成具有共識的土壤肥力綜合評價方法和指標值[6-7]。由當前階段的土壤肥力概念可以看出，土壤肥力指標包括物理指標、化學指標和生物指標等。常用的物理指標有土壤質地、耕層厚度、土壤緊實度、土壤濕度和土壤溫度等[8]。土壤化學指標主要包括有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤pH值等，因為土壤化學指標與歐美國家關于土壤肥力的概念和評價指標相一致，這些化學指標也是目前土壤肥力研究中指標選擇的主要關注點[6-7, 9]。土壤生物指標主要包括土壤微生物、酶活性及動物等[10]，其中用于土壤肥力評價時使用頻數(shù)最多的有酶活性、細菌數(shù)量和真菌數(shù)量[11]。土壤生物指標被認為是稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤質量評價時最敏感的指標[12]。近年來，除了上述的土壤物理、化學、生物指標外，對土壤肥力有顯著影響的立地條件（成土母質、地貌類型）、剖面構型也逐漸納入土壤肥力評價指標[13]。在國家標準《耕地質量等級》（GB/T 33469—2016）[14]劃分方法中，選擇的與土壤肥力有關的評價指標包括有機質量、耕層質地、土壤體積質量、質地構型、土壤養(yǎng)分狀況、生物多樣性和酸堿度等。

由于表征土壤肥力的指標豐富多樣，且不同指標間存在相互作用關系，評價土壤肥力的指標需要避免多重共線性問題，構建一套能夠保證原有信息丟失最少的土壤肥力綜合評價體系。最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）是反映土壤肥力最少指標參數(shù)的集合，最早由Larson等[15]于1991年提出，目前已成為土壤質量指標選取和評價的常用方法。但與研究對象和全土壤肥力數(shù)據(jù)集參數(shù)選取的主觀性有關，篩選出的最小數(shù)據(jù)集的參數(shù)數(shù)量和指標組成差異較大，例如，陳方正等[13]基于2個立地條件（成土母質、地形部位）、1個剖面性狀（土體構型）、2個土壤物理指標（耕層質地、體積質量）和9個化學指標（pH值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、陽離子交換量、全磷和全鉀）組成的全部土壤肥力指數(shù)數(shù)據(jù)集，通過主成分分析法選取的適合于洞庭湖流域南部耕地的最小數(shù)據(jù)集包括成土母質、剖面土體構型、陽離子交換量、體積質量、有機質、有效磷和全鉀7項指標。王杰等[16]基于選取的6項土壤肥力指標（pH值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀），運用主成分分析法選取的影響廣安區(qū)柑橘土壤綜合肥力的主要因素為有機質、全氮、堿解氮和pH值。

對土壤肥力評價的方法主要包括單因子肥力評價標準和基于多因子的土壤肥力綜合評價法。土壤肥力綜合評價法主要包括模糊綜合評判法、修正的內梅羅指數(shù)法、灰色關聯(lián)度法等。單因子肥力評價標準就是依據(jù)第二次全國土壤普查的土壤養(yǎng)分分級指標和相關文獻來評價單個肥力指標[17]。模糊綜合評判法是根據(jù)隸屬函數(shù)的建立及權重系數(shù)的確定對多指標制約的土壤肥力作出總體評價的方法，基于隸屬度值和權重計算的土壤肥力綜合評價指數(shù)值可用于對土壤肥力進行等級分級[18]。修正的內梅羅指數(shù)法是將評價指標的數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除各參數(shù)間量綱的差別，獲得各評價指標的肥力指數(shù)后再計算土壤綜合肥力指數(shù)[19]。其中的各分肥力指數(shù)不僅表示養(yǎng)分含量的相對高低，也可用于推薦施肥[20]?；疑P聯(lián)分析是根據(jù)事物因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度來衡量因素間關聯(lián)程度的方法，根據(jù)計算出的灰色關聯(lián)度，可實現(xiàn)按照一定的標準進行土壤肥力的分級[21]。灰色關聯(lián)分析的優(yōu)點是它對樣本量的多少沒有過多要求，也不需要樣本典型的分布規(guī)律[22]。

進行土壤肥力評價時，土壤樣品的采集時間需要充分體現(xiàn)土壤基礎肥力狀況，一般要求在上茬作物成熟或收獲以后，下茬作物尚未使用底肥和種植以前。采集深度與研究目的和研究尺度密切相關。例如，在行業(yè)標準《土地質量地球化學評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）中規(guī)定[23]，對果園地進行土壤采樣時，針對1∶250 000～1∶50 000的面積性調查評價，采樣深度為0～20 cm；在1∶10 000～1∶2 000及更大比例尺的面積性評價與重點區(qū)評價工作中，果園地土壤采集部位為毛根區(qū)0～60 cm。

3 土壤肥力與作物產量的關系

作物在不施肥情況下獲得的產量，即基礎地力產量，是農田土壤肥力的直觀表現(xiàn)[24]。衡量土壤肥力對作物產量的貢獻一般用地力貢獻率（不施肥時的作物產量與適宜肥料施用下的產量之比）表示，湯勇華等[25]通過對國內大量有關糧食作物水稻、小麥和玉米地力貢獻率的文獻數(shù)據(jù)調研整理，發(fā)現(xiàn)不同種植區(qū)的地力貢獻率與土壤基本特性及地理位置間存在顯著的相關關系，水稻、小麥和玉米的地力貢獻率均值和標準差分別為60.2%±12.5%、45.7%±15.7%和51.0%±19.7%。

通過對不同土壤基礎地力條件下作物的產量對比研究，不同學者[26-27]的研究均表明，土壤基礎地力與良好的施肥管理條件下作物的產量正相關，基礎地力高的土壤，對作物產量的相對貢獻越大，農作物獲得高產的潛力越大。另外，在水肥一體化技術管理條件下，基礎地力高的田塊存在進一步節(jié)肥增產和減少施肥灌溉次數(shù)的優(yōu)勢[28]。因此，提升土壤基礎地力，是促進作物高產，縮減區(qū)域高產潛力產量差，增強糧食生產穩(wěn)定性和可持續(xù)性，確保糧食安全和“藏糧于地”戰(zhàn)略實施的重要途徑[29]。

4 土壤肥力提升的技術措施

4.1 有機肥施用是土壤肥力提升關鍵

土壤培肥是指通過人工措施對土壤肥力進行調控，以使土壤肥力得以保持和提高的過程。土壤培肥的實質是把調節(jié)和改善土壤肥力的基礎物質，即有機無機復合體及由之形成的不同粒級微團聚體組成，作為土壤培肥的主攻方向[30]。在復合體和微團聚體中，相對于黏粒量，有機質量雖不足5%，但是對復合體和微團聚體及肥力的形成有重要的貢獻，且因有機質容易被人為調控所改變，所以土壤培肥的著眼點是土壤中有機質的積累與更新[4]。通過補充有機質實現(xiàn)土壤肥力提升的觀點，也與近些年提出的“有機-無機礦物質營養(yǎng)學說”相一致，是區(qū)別于自覺利用土壤肥力、有限投入農家肥的“土壤腐殖質營養(yǎng)學說”，重無機養(yǎng)分、輕有機養(yǎng)分的“植物礦物質營養(yǎng)學說”，構建新時期“土肥和諧”理論，實現(xiàn)提質增效與育化土壤雙重作用的關鍵措施[31]。

4.2 我國有機肥資源量及利用現(xiàn)狀

施用有機物料的方式，取決于施用有機物料的目的。在以供給養(yǎng)分為主要目的時，應選用綠肥、人糞尿等短期內易分解、C/N比小的有機物料；在以提高基礎肥力為目的時，應選用秸稈、廄肥等C/N比大、復合系數(shù)和腐殖化系數(shù)高的有機物料，且不宜堆腐[30]。根據(jù)牛新勝等[32]對我國有機肥料資源與利用資料的近30年統(tǒng)計結果，當前我國每年約有57億t的有機肥料基礎資源實物量，其中包括約38億t（鮮）的畜禽糞尿，約8億t（鮮）的人糞尿，約10億t（風干）的秸稈，約1億t（鮮）的綠肥和約0.2億t（風干）的餅肥，折合約3 000萬t的N，約1 300萬t的P2O5，約3 000萬t的K2O。然而，由于社會、政策、技術、經濟、推廣等多方面的原因，我國有機肥料資源回田率不高，利用率較低，氮的回田率尚不足40%。加強有機肥料資源收集、加工和施用各個環(huán)節(jié)的技術開發(fā)和相關設施的標準化建設，例如，將有機物料加工成生物炭和商品有機肥料施入土壤，是解決當前有機肥料資源利用中許多技術難題的選擇。生物炭和商品有機肥的生產和施用，正逐漸成為國內外土壤學、農學和環(huán)境科學等領域的研究熱點。

4.3 基于生物炭的土壤肥力提升技術

生物炭是有機物料如農作物秸稈、木質物、畜禽糞便等在低氧環(huán)境下經過高溫熱解后產生的一種富含碳的材料[33]。根據(jù)袁帥等[34]對生物炭主要類型與理化性質的研究總結，受生物炭來源物質、裂解工藝、裂解設備差異影響，生物炭含碳量在30%～90%之間，平均64%；灰分量主要在0～40%之間變動，平均16%，灰分中主要包括鈉、鎂、鉀、鈣等礦物元素；比表面積的變化范圍絕大多數(shù)在0～520 m2/g之間，平均為124.83 m2/g；pH值在5～12之間，平均值為9.15；陽離子交換量從0到500 cmol/kg都有分布，平均值為71.91 cmol/kg。作為有機肥物料間接還田的一種方式，生物炭由于具有高度穩(wěn)定性、強吸附性、多孔性、低密度性等理化特性，并且含有一定量的礦質養(yǎng)分和鹽基離子，在改良土壤、提高肥力、固碳減排和修復污染等方面具有較大的應用潛力，被認為是維持農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵、易獲得的投入產物[35]。

對大量生物炭應用研究的結果表明[34-36]，施用生物炭后可以顯著降低土壤密實度和土壤體積質量，提高土壤通氣性和持水能力，提高土壤團聚體穩(wěn)定性；增加土壤有機質量和含碳量，促進土壤中有機氮的礦化、固定和轉化，提高土壤速效磷、速效鉀和速效氮量，提高土壤pH值；增加土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量；生物炭添加到被污染的土壤中后，還可以吸收土壤中的有毒有害物質，增加污染物的降解。另外，生物炭復雜穩(wěn)定的結構形態(tài)，可以長期減少碳排放，起到固定碳和減少溫室氣體（CH4、N2O、CO2）排放的作用。

4.4 基于商品有機肥料的土壤肥力提升技術

商品有機肥料是指以畜禽糞便、動植物殘體和以動植物產品為原料加工的下腳料為原料，經發(fā)酵腐熟后制成，作為商品流通的肥料[37]。相比于傳統(tǒng)有機肥料，商品有機肥料具有工業(yè)化生產、發(fā)酵完全腐熟、質量相對穩(wěn)定、符合國家相關標準等特點，屬于有機質量≥45%的精制有機肥[38]。目前，我國共有2 000多家有機肥企業(yè)，有機肥產能大約3 000多萬t，實際產量為1 500萬～2 000萬t，與我國每年農業(yè)上利用的純養(yǎng)分5 500萬～6 000萬t還有較大差距[39]。與無機肥料相比，有機肥料中不僅含有多種有機養(yǎng)分，還含有多種無機元素，以及大量的微生物和酶。施用商品有機肥料后，通過有機肥料與土壤的相融，有機膠體與土壤礦質黏粒的復合，改善了土壤團粒結構的形成，降低了土壤密實度和體積質量，提高了土體的空隙率和蓄水保水能力，調節(jié)了土體的水肥氣熱比例；有機肥中豐富的有機、無機、微量元素量和有機物質的強吸附性能，提高了土壤養(yǎng)分的全面供給能力。同時，有機肥中豐富的有機物質為土壤微生物和酶提供了充足的養(yǎng)分和能源，加速了微生物的生長和繁殖，激活了土壤酶活性[40]。

5 土壤肥力提升關鍵理論與技術研究展望

無論生物炭還是商品有機肥，施入土壤后均是通過調節(jié)土壤物理、化學、生物、環(huán)境等特性實現(xiàn)了土壤肥力的提升，并最終實現(xiàn)了作物高產和品質的改善。但是，二者的有機物料原材料均存在來源廣泛和就地取材，以及制備工藝不同等問題，導致所含養(yǎng)分和其他物質差別較大，難以像化肥那樣有相對穩(wěn)定的物質組成，這給商品有機肥和生物炭的生產和使用以及市場的健康發(fā)展帶來諸多不便，尤其是隨著現(xiàn)代社會管理標準化趨勢的發(fā)展，其矛盾更加突出。目前在生物炭的應用過程中，因缺少針對生物炭使用目的而研發(fā)的專用生物炭產品及其制備工藝，導致了部分生物炭還田后不能達到設定目標的問題[36]，并產生了某些生物炭/作物組合后不利于植物生長的現(xiàn)象[35]。

另一方面，生物炭和商品有機肥中的有機肥養(yǎng)分總量相對不足且分解緩慢，例如，商品有機肥料中N、P2O5、K2O的總養(yǎng)分質量分數(shù)僅≥5.0%[37]，不能及時滿足作物養(yǎng)分需求，需配合無機肥料一起施用。近年來有關有機肥替代部分無機肥技術的相關研究論文發(fā)表數(shù)量快速增長，已經成為當前研究熱點[41]，但是截至目前還沒有明確的有機無機配比概念，預計在很長一段時間內都是需要研究的重要課題[39]。因此，避免使用目的和制備方法的脫節(jié)，通過系統(tǒng)性研究和示范后分類建立生物炭和有機肥生產和施用關鍵技術與標準，是我國基于有機肥物料的收集、加工和施用技術，從本質上實現(xiàn)土壤肥力提升的關鍵措施。

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Technologies and Mechanisms for Improving Soil Fertility: A Review

ZHAO Weixia1, LI Yanfeng1, ZHANG Baozhong1, YU Yingduo1,LUO Peng2*, XU Haiyang3,PENG Kunhai4, LEI Zhendong3

(1. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 3. Yongding River Investment CO., LTD, Beijing 100091, China;4. Yongding River Huailai Ecological Development CO., LTD, Huailai 075499, China)

Intensive agriculture and other anthropogenic activities have led to soil degradation in many regions across China. Improving soil fertility and restoring soil functions is important to maintain sustainable agricultural production and safeguard food supply in China. In this paper, we systematically review the methods and technologies developed over the past decades to improve soil fertility, which includes the concept of soil fertility, index and methods for evaluating soil fertility, the relationship between soil fertility and crop yield, as well as the prospects of soil fertility improvement. In particular, we analyze and discuss the applications of various organic materials including processed biochar and commodity organic fertilizers for improving soil fertility and their efficacy for different soils. We conclude that establishing standards of biochar and organic fertilizers and their application as soil improvers will be an important research area for long-term improvement of soil fertility.

soil fertility; biochar; commercial organic fertilizer; chemicalfertilizer

1672 - 3317（2022）09 - 0001 - 05

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022004

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ZHAO Weixia, LI Yanfeng, ZHANG Baozhong, et al.Technologies and Mechanisms for Improving Soil Fertility: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 1-5.

2022-01-05

河北省科技項目（HBAT02242202010-CG）；山西省水利科學技術研究與推廣項目（2021LS014）

趙偉霞（1980-），女，河南長葛人。正高，博士，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術研究。E-mail: zhaowx@iwhr.com

羅朋（1979-），女，陜西西安人。高級工程師，碩士，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究。E-mail: 15634490@qq.com

責任編輯：白芳芳