耕地土壤有机质提升的几点思考

谢国雄，胡康赢，王 忠，楼 玲，章秀梅

(1.浙江省杭州市植保土肥总站，浙江 杭州 310020；2.浙江省杭州市余杭区农业生态与植物保护管理总站，浙江 杭州 311100)

0 引言

我国是一个人多地少的国家，耕地质量建设关系着粮食安全。如何实现耕地数量上的占补平衡，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。土壤有机质是土壤系统的基础物质，是耕地质量的核心，也是控制土壤养分供应能力和碳、氮、磷、硫循环的重要因子。土壤的物理、化学、生物学性质以及土壤的生产力都与土壤有机质的含量和性状密切相关。现阶段我国提升耕地土壤有机质水平有2个方面的战略需要。一是维持和提高我国耕地质量的需要[1-2]。近年来的调查表明，我国大部分耕地土壤有机质严重偏低，导致了土壤板结、基础地力下降[3]。基于我国耕地数量的严重不足及因化肥过量施用导致的环境污染的事实，仅靠增加农用化学品和能源投入量来提高我国粮食生产能力的效果是有限的，而提升耕地土壤有机质的水平、提高耕地基础地力，藏粮于土，将是粮食安全生产的必然选择。二是全球环境固碳的需要[4-5]。大气CO2浓度的急剧升高造成了全球气候变暖，该问题也是人们关注的环境问题之一，政府和社会公众都在努力寻求各种措施以有效控制温室气体浓度增加的趋势。农业不仅是温室气体的主要排放源之一，同时也是温室气体的吸收汇。中国作为农业大国，农业土壤对全球大气CO2浓度有重要的影响，增加耕地土壤碳的固定，不仅可以使退化土壤得以恢复、增加土壤肥力、提高作物生产力，而且可作为有效的、具有中长期利益的CO2减排廉价途径。

影响土壤有机质积累的因素众多，提升土壤有机质的过程较为复杂。因此，了解土壤有机质提升过程中的关键问题，对做好耕地土壤有机质提升工作具有重要指导意义。为此，笔者从评价土壤有机质质量与数量的方法、土壤有机质提升目标的设定、耕地土壤有机质提升最低有机物质投入量的估算、影响耕地土壤有机质提升的因素及耕地土壤有机质提升的综合技术等方面对耕地土壤有机质提升中的几个重要环节进行了探讨，以期为浙江省正在进行的耕地质量提升方案的编制和实施提供借鉴和参考。

1 评价土壤有机质质量与数量的方法

对土壤有机质的研究一般可从数量与质量2个方面进行评价。其中土壤有机质总量是衡量土壤有机质积累状况最为方便的方法，并得到广泛应用。土壤有机质总量评价一般采用2种方法，一是直接用化学分析或仪器分析(C/N分析仪等)测定土壤有机质的总量，二是采用数学模拟方法模拟气候、土地利用方式等对土壤有机质的影响，后者多被用于土壤有机质总量的动态研究中。研究表明，土壤中的活性有机质组分具有较高的活性和动态性，与土壤有机质总量比较，活性有机质组分更可能作为土壤质量变化的敏感指标，它们在养分循环和维持生态功能中发挥着更为重要的作用。土壤有机质各组分的转化过程和存留时间有较大差异，所以根据土壤有机质稳定性和转化时间的差异，可把土壤有机质分为活性的(易变的)和稳定的组分。一般认为，活性的有机质组分包括植物残留物、轻组分、微生物生物量碳、动物生物量碳及其排泄物、其他非腐植物质等，其分解速度快，转化周期通常为几周到几个月的时间。稳定有机质组分是指矿化速率很低的土壤腐植质部分，在土壤中能保存几年、几十年，甚至更长时间。活性有机质组分比非活性有机质组分在土壤养分循环中的作用更为重要。目前，用于评估土壤中活性有机碳的主要指标有：用0.333 mol/L高锰酸钾氧化法测定的土壤中易氧化有机碳[6]，采用Cambardell和Elliott的方法分离测定土壤颗粒态有机碳(粒径大于53 μm土壤颗粒中的有机碳)[7]，利用一定密度的重液(例如密度为1.8 g/cm3的NaI溶液)分离测定土壤中轻组分有机碳(介于新鲜作物残体和稳固态有机碳之间的一种过渡状态)[8]，采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法测定的土壤微生物生物量碳(MBC)[9]，用去离子水浸提的土壤水溶性有机碳。

另外，Lefroy等(1993)综合了土壤有机碳的总量与活性，首次提出了土壤碳库管理指数(CPMI)的概念[10]。研究表明：土壤碳库管理指数可有效反映土壤中有机物质的转化速率，它比土壤有机碳总量更能代表土壤质量变化的敏感指标，并被广泛应用于施肥对土壤碳库影响的研究[11-12]。土壤碳库管理指数的计算公式为：碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100。其中：碳库指数(CPI)=样品总碳含量(g/kg)/对照土壤总碳含量(g/kg)；碳库活度指数(AI)=样品碳库活度(A)/对照土壤碳库活度；碳库活度(A)=土壤活性有机碳含量(g/kg)/土壤非活性有机碳含量(g/kg)。总碳与活性碳的差值为非活性碳。碳库管理指数计算中的活性有机碳多指易氧化有机碳。在进行土壤有机质提升效果时，可根据需要选择土壤有机质总量、活性有机质组分或碳库管理指数等进行评价。

2 土壤有机质提升目标的设定

现有研究表明，土壤有机质的积累不是无限度增加的，而是存在一个最大的保持容量(也称为饱和水平)。当初始土壤有机质含量远离饱和水平时，有机质有较大的增加潜力；当土壤有机质接近饱和水平时，增加外源有机质的投入将不再增加土壤有机质库。无论是从减排大气CO2的角度，还是从农业耕地地力提升的角度，人们都非常关心土壤有机质的积累潜力。因此，如何准确地评估土壤有机质的积累潜力已成为许多领域关心的问题。由于土壤性状、环境条件、土地利用方式的差异，不同地区、不同土壤的有机质积累潜力有很大差异，主要由生物潜力、物理化学潜力和社会经济潜力等几个方面构成。生物潜力与进入土壤的有机质源数量有关，主要与气候条件、外源有机物质投入量有关，它是土壤固碳的主要动力；物理化学潜力与土壤中有机碳的稳定机制有关，主要与粉砂、粘粒结合的化学稳定性、与微团聚体结合的物理稳定性、与有机质本身性质成分有关的生物学稳定性等有关；社会经济潜力与土壤管理措施等有关。某一特定年份土壤有机质的含量实际上是土壤与环境因素平衡的结果，是在自然和人为因素共同作用下形成的，其有机质含量取决于影响土壤的所有因素，可用函数表示为：土壤有机质=f(土壤性状，土地利用方式，有机物质投入水平，气候，施肥水平，其他农业管理措施，……)。目前，在土壤有机质提升工作中，有机物质的投入已引起足够的重视，但常常忽略了其他环境条件对土壤有机质积累的作用或影响。一般来说，有机质投入越高，土壤有机质积累潜力越大；粘质土壤的有机质积累潜力高于砂质土壤；潮湿/湿润地区的土壤比干旱地区的土壤更易积累有机质，水田土壤比旱地土壤容易积累有机质；水网平原、河谷平原农田土壤有机质积累潜力高于滨海平原和丘陵山地。

学者们已提出了许多土壤有机质积累潜力的计算方法，代表性的方法包括长期定位试验结果外推法、历史观察数据比较法、土地利用方式对比法和土壤有机碳(SOC)周转模型法等，其中前3种方法需要经过长期的试验积累，后一种方法需要较为详细的基础数据。但在实际工作中，由于对各类土壤有机质可提升潜力(目标值)认识的模糊，使土壤有机质提升工作带有一定的盲目性和不可预测性。由于各地、各类土壤所处环境、利用方式和土壤性状的差异，各类土壤有机质提升目标的设定应该有所不同。在缺乏试验数据的情况下，以当地同类地貌类型、相同利用模式、相同土壤类型及相似管理水平的肥力较高的土壤有机质水平作为土壤有机质提升的目标。

3 耕地土壤有机质提升最低有机物质投入量的估算

在进行耕地土壤有机质提升时，有机物质的投入是必须的。为了便于理解，本文把为提高耕地地力的有机物质投入量分为2个方面。一是为维持土壤本身有机质所需要的有机物质投入量，二是为提高土壤有机质水平需要投入的土壤有机物质量。

由于土壤本身的有机质存在矿化(分解)现象，即每年都有一定数量的土壤有机质被矿化，只有每年投入的有机物质转化形成的土壤有机质的数量超过了因矿化损失的土壤有机质的数量，才能使土壤有机质的水平得以维持或提高。因此，确定这一为维持耕地土壤有机质水平所需要的最低有机物质投入量非常重要。

目前关于土壤有机质平衡研究的方法可分为以下几类：(1)普通方法(平衡法)：根据农田有机质“进去”与“出来”的量，建立适当的模型，进行计算。(2)碳同位素标记法：常用的同位素是13C和14C。同位素标记可以清楚地获得碳流向和碳通量，为碳循环的深入研究、模型的细化以及参数的确定提供了科学方法，因此得到了广泛应用。(3)转化模型与计算机模拟法：Jenny[13](1941)较早提出了有机碳变化模拟模型：dC/dt=A-kC。式中，C为土壤中有机碳含量；t为有机碳变化的时间(年)；A为每年加入土壤中有机物碳质量；k为土壤有机碳的年矿化率(每年的分解比例)。在此基础上，Hemin等(1945)提出了简单的土壤有机碳分解模型：dC/dt=fP-kC。式中，P为新鲜有机碳的输入量；f为腐植化系数；k为土壤有机碳的矿化率；C为土壤有机碳初始含量。从20世纪70年代开始，土壤有机碳模拟模型成为土壤学家研究的重要领域。目前，除了洛桑Roth C和美国CENTURY模型外，在世界上具有一定影响的模型包括：DNDC、CANDY、DAISY、NCSOIL、SOMM、ITE、Q-SOIL、VVV、SCNC、ICBM、ROMUL、ECOSYS等。Roth C模型由英国洛桑试验站建立，该模型根据土壤有机质的稳定性把土壤有机质分为多个组分，需要详细的土壤分析数据。CENTURY模型是美国科拉罗多州立大学于20世纪80年代建立的，用于模型研究生态系统中C、N、P、S等元素的长期演变过程，预测量需要土壤质地、土层厚度、土壤容重、pH值、气象参数(以月为步长)、初始土壤有机质参数和管理参数(包括种植作物种类、耕作方式、施化肥种类数量、收获作物方式、施用有机肥种类数量、作物开始生长时间、作物结束生长时间)等多方面的数据。

根据当地土壤有机质含量、有机质年矿化率和进入土壤有机物质的腐植化系数可确定维持耕层土壤有机质平衡的有机物质的用量。土壤有机质年变化量=有机质的补充量-有机质分解量，即：dC=A-rC。式中，dC表示土壤有机质的变化量；A表示有机质的补充量；r表示土壤有机质年矿化率；C表示土壤有机质量。当土壤有机质达到平衡时，Ce=A/k(Ce为平衡时土壤有机碳的数量)；而式中A=fP(f为有机物料的腐植化系数，P为每年进入土壤的有机物料中碳的数量)。例如，土壤原有机质含量为20 g/kg，每公顷耕层中有机质数量为45000 kg，若年矿化率为2%，每年消耗的有机质量为900 kg。若有机质的腐植化系数为0.25，则每公顷需加入3600 kg有机肥才能达到土壤耕层有机质平衡。

依照生态平衡和经济环保的原则，综合考虑维持耕层土壤有机质平衡、有机肥用量上限和秸秆还田量，采用同效当量法，可确定商品有机肥用量。计算公式为：M=(WkC-f1R)/f2R。式中，M为有机肥施用量(kg/hm2)；W为单位面积耕层土壤质量(kg/hm2)；k为土壤有机碳年矿化率(%)；C为原土壤有机碳含量(g/kg)；f1为根茬的腐植化系数(%)；R为耕层中根茬量(kg/hm2)；f2为施入有机肥的腐植化系数(%)；R有机肥中有机碳的含量(%)。在计算时，一般把有机物质量统一折算为有机碳量。土壤有机质矿化系数和投入土壤有机物质的腐植化系数可通过试验或引用相关文献获得。

4 提升土壤有机质的有机物质投入估算

除以上为保持土壤有机质水平而需要投入的有机物质外，为达到有机质增加的目的，还需要在保持土壤有机质水平投入有机物质水平的基础上，根据提升目标，增加有机物质的投入。

土壤有机质的增加量(指已有为维持土壤有机质现状的有机物质投入的前提下)可按下式估算：C增加=A1f1+A2f2+…。式中，A1，A2…是补充的各种有机物投入量，f1，f2…为各种补充有机物料的腐植化系数。可利用上式反推每年设定有机质增量所需要的有机物质投入量。若1 hm2土重225万kg(土层20 cm，容重1.13g/cm3)；某一研究土壤有机质含量为11.36 g/kg，有机物料的年腐解残留率(腐植化系数)以0.25计算，欲使该土壤有机质从目前的含量(12.00 g/kg)提高到14.00 g/kg，则每年需向土壤额外(为维持土壤有机质水平而需要施用的有机物质外)投入有机物料(干)18000 kg/hm2[2250000×(14-12)÷0.25÷1000]。折干率按60%计算，则需年投入生料有机质30000 kg/hm2。

农田每年实际有机物质投入量应是以下2个部分之和：即耕地土壤有机质提升最低有机物质投入量和每年有机质设定增量所需要的有机物质投入量。在施用有机物料情况下，土壤有机碳的积累可按下式估算：C=Ce+(C0-Ce)e-rt。式中，C为时间t年时土壤有机碳含量(g/kg)，C0为试验初期土壤有机碳含量(g/kg)，Ce为平衡时土壤有机碳含量(g/kg)。

5 影响耕地土壤有机质提升的因素

土壤有机质的积累除与当地气候有关外，农业管理也是影响土壤有机质转化循环的另一个重要因素，它可以改变土壤有机质的循环过程和强度，最终影响有机质的平衡水平。对于特定地区，气候条件相对稳定的区域，农业措施是影响土壤有机质积累的主要因素。常见的农业措施主要有施肥、利用方式、耕作制度等。

5.1 施肥

施肥是对耕地质量影响最广泛的农业措施，农业上使用的肥料包括化肥和有机肥等。施肥对土壤有机质的影响大致与以下3个方面有关：(1)施肥促进了农作物的生长，增加了生物产量，从而增加了以根系及地上部分还田方式进入土壤的有机物质量；(2)施肥改变了土壤养分状况，特别是氮肥改变了土壤的N/C比，直接影响微生物对土壤有机质的矿化与同化；(3)有机肥的施用直接影响了有机物质的输入量。

我国的长期定位试验表明，施用有机肥和化肥对土壤有机质的影响因土壤类型、肥料种类和作物轮作方式等而所差异[14-15]。一般来说，单施有机肥、氮磷钾化肥配施或有机-无机肥料配合施用均可增加土壤有机质含量[16]，在低有机质土壤上的增加效果尤为明显；同时施氮磷肥或氮钾肥，土壤有机质也略有增加[17]；单施氮肥、磷肥、钾肥或磷钾配肥，有时会导致土壤有机质的下降，但下降幅度小于无肥区[18]。不施肥料可导致土壤有机质迅速下降，但下降速度经过一段时间后减慢，并趋于平衡。有机肥料种类不同时对土壤有机质积累的影响也不相同，一般是秸秆的效果大于厩肥，厩肥的效果又大于堆肥，绿肥的效果较差。无机化肥提高土壤有机质的原因，主要是化肥使作物繁茂，根茬、枝叶等残留量增多。长期施肥改变土壤有机质含量的同时，也使有机质在剖面中的分布发生变化，影响深达100 cm，但60 cm以上土层变化明显。长期施用有机肥料或氮磷钾肥配合施用，不但增加土壤有机质的数量，同时还能改善和提高土壤有机质的质量，提高腐植质含量，但有机肥对土壤腐植质的积累作用大于氮磷钾化肥。

5.2 耕作

耕作是在农业生产中为了达到持续高产所采取的技术措施。其对土壤的作用包括以下几个方面：(1)松土：调节土壤三相比的关系；(2)翻土：掩埋肥料，调整耕层养分垂直分布，消灭杂草和病虫害；(3)混土：使土肥相融，形成均匀一致的营养环境；(4)平地：形成平整表层，便于播种、出苗和灌溉；(5)压土：有保墒和引墒的双重作用。常见的耕作法主要有：(1)平翻耕法：是我国典型的精耕细作模式，包括基本耕作(深度20～25 cm)、表土耕作(耙地、耱地、压地)及中耕(在作物的生育期间进行的一种表土耕作措施，其作用在于消灭杂草，疏松土壤，促进作物根系生长)；(2)少耕法与免耕法：由20世纪20～30年代兴起与发展而来，60～70年代引起人们的普遍重视，目前已在许多国家进行试验或推广。其中，少耕法为尽量减少土壤耕作作业的次数，一次完成多种作业，以减轻风蚀和水蚀。免耕法除将种子放入土壤中的措施外，不再进行任何耕作。

一般来说，频繁的耕作可促进土壤有机质的矿化，而免耕则有利于土壤有机质的积累。免耕土壤的有机质垂直方向上差异明显，而经常耕作的土壤，有机质在耕作层上分布较为均匀。耕作改变土壤有机质主要与以下几个方面有关：(1)耕作改变了土壤团聚体的结构，改变了土壤的温度状况，影响了土壤有机质的物理稳定性，从而改变了土壤有机质的矿化速率；(2)耕作改变了土壤侵蚀的潜力，影响了土壤有机物质的损失。此外，由于土壤有机质有沿垂直方向下降的特点，土壤深耕可能会引起耕作层内土壤有机质含量的下降。另外，在土地平整时，如果没有采取必要的措施保护耕作层，其可能会导致土壤耕作层有机质急剧下降。

5.3 土地利用

土地利用是指在一定社会生产方式下，人们为了一定的目的，依据土地自然属性及其规律，对土地进行的使用、保护和改造活动，是人们对土地经营方式的一种选择。土地利用方式可影响土壤的功能和性质，能增加或降低土壤碳的数量，并改变微生物多样性，使土壤成为碳的源或汇，从而影响大气中CO2的浓度。不同的土地利用方式对施肥、耕作、水分管理等有不同的要求，因此，土地利用方式的变化可对土壤养分平衡、有机质的输入与输出、土壤温度、土壤水分条件产生极大的影响。

从国内外众多的土地利用方式对土壤碳库的影响研究中大致可以得出如下结论：与自然林地比较，农业用地的土壤有机质明显低于林地；双季稻与水旱轮作农田土壤有机质明显高于相应的旱地，浙江省第二次土壤普查的调查表明，水田土壤有机质比相应的旱地高30%～100%。

由于不同土地利用方式之间的土壤有机质存在不同的有机质平衡过程，因此当土地利用方式发生改变时，土壤有机质可在短时间内发生明显的变化。一般是在土地利用方式发生转变初期(5～7年内)土壤有机质变化最为明显；15～20年后，土壤有机质变化趋于平缓，并可能在20～50年内达到一个新的平衡水平。例如，水田改旱种植蔬菜等可引起土壤有机质的下降，其中大棚蔬菜地因温度较高，其有机质下降更为明显。

5.4 时间

土壤有机质的提升是一个长期、逐渐缓进的过程，因此，在进行区域耕地土壤有机质提升时必须有一个长远计划。一方面，在设定年度有机质提升计划时，提升目标不宜过高，确定一个合适、可行的年度有机质提升量非常重要。另一方面，土壤有机质的提升并不是一劳永逸的，在完成某一有机质提升工程项目后，还需要继续做好土壤有机质的维持工作，否则提升后的耕地土壤有机质会重新下降。

6 耕地土壤有机质提升的综合技术

国内外的研究表明，退化土壤中有60%～70%的已经损耗的碳可通过采取合理的农业管理方式和退化土壤弃耕恢复而重新固定。这些方法包括土壤弃耕恢复、免耕、合理选择作物轮作、冬季用作物秸秆覆盖、减少夏季耕作、利用生物固氮等。从上述讨论可知，影响土壤有机质的因素很多，因此在制定土壤有机质提升方案时除做好有机物质的投入工作外，还应充分考虑其他配套措施，采取综合措施才能有效地达到提升土壤有机质的目的。

6.1 因地制宜推行各种有机物质投入技术

各种有机物料的投入都可能增加土壤有机质的积累。因此，在保证环境安全的前提下，可因地制宜地选择当地各种有机物源开展土壤有机质的提升。相关技术包括秸秆还田技术、商品有机肥施用技术、绿肥种植技术等。

6.2 实施测土配方施肥技术

测土配方技术是国际上普遍采用的科学施肥技术之一，是以土壤测试和肥料田间试验为基础，根据作物的需肥特性、土壤的供肥能力和肥料效应，在合理施用有机肥的基础上，确定氮磷钾以及其他中微量元素的合理施肥量及施用方法，以满足作物均衡吸收各种营养，维持土壤肥力水平，减少养分流失对环境的污染，达到优质、高效、高产的目的。施用合适的N、P、K配方的肥料，也可优化土壤养分，促进土壤中碳、氮的良性循环，也能达到维护或提高土壤有机质的目的。其中，做好化肥与有机肥的配合施用最为重要。

6.3 推广土壤改良技术

土壤有机质的积累除了与足够的有机物质投入有关外，还需要有一个良好的土壤环境。土壤过酸、过碱、盐分过多、结构不良都会影响土壤中微生物的活动，从而影响土壤有机质的提升。因此，在开展耕地土壤有机质的提升时，也应同时做好土壤改良工作，消除土壤障碍因素，达到土壤有机质良性循环的目的。

6.4 合理轮作和用养结合

近年来，某些地区农作物复种指数越来越高，致使许多土壤有机质含量降低，肥力下降。实行轮作、间作制度，调整种植结构，做到用地与养地相结合，不仅可以保持或提高土壤有机质含量，而且还能改善农产品品质，对促进农业可持续发展，具有重要的意义。此外，冬季增加地表覆盖度(或种植绿肥)，推行少耕免耕、控制水土流失也可降低土壤有机质的降解、促进土壤有机质的提升。据国内外研究，在旱地上发展灌溉可大大增加土壤中有机质的积累。另外，在培肥地力时必须加强地力监测，长期、定位监测在不同施肥方式下耕地地力的变化态势，及时调整农田的施肥指导方案，从而实现对耕地质量的动态管理。同时，在进行土壤有机质提升时还需通过加强农田基础设施建设，增加田块耕层厚度，达到扩大土壤有机质容量的目的。

总之，在耕地地力提升时，应扩大绿肥种植和农作物秸秆还田面积，增加商品有机肥投入，实施测土施肥技术等多种途径，提升土壤有机质含量，提高土壤保肥供肥性能，最终达到为土壤“增肥”的目的。