推广腐植酸类肥料提高黑土地肥力

刘志宗 卢维宏 张乃明*

1 云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201

2 云南省土壤培肥与污染修复工程实验室 昆明 650201

3 宿州学院环境与测绘工程学院 宿州 234000

黑土地一般指黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古自治区东四盟市（以下简称“四省区”）的相关区域范围内具有黑色或者暗黑色腐殖质表土层，性状较好、肥力较高的耕地。我国东北的黑土地是世界上四大黑土区之一，是名副其实的“第一粮仓”，在保证国家粮食安全中发挥着举足轻重的作用，可见养好用好东北黑土地，对实现“中国人的饭碗牢牢端在自己手中”具有重要意义。然而，由于人为和自然因素的综合作用，近几十年来黑土地质量退化问题开始逐步突显，部分区域面临严重退化，主要表现在黑土地腐殖质表土层变薄、变瘦、变硬。已有研究表明，东北黑土地黑土层的厚度已经减少了30%～50%，一些地区的黑土层厚度不足20 cm，目前仍以每年1 ～2 mm 的速度减少，给国家粮食安全带来挑战。黑土地有“耕地中的大熊猫”之称，保护好黑土地，事关国家粮食安全、生态安全，事关中华民族的永续发展。为了保护黑土地资源，稳步恢复提升黑土地基础地力，促进黑土地资源可持续利用，维护生态平衡，保障国家粮食安全，2022 年6 月24 日第十三届全国人民代表大会常务委员会第三十五次会议通过了《中华人民共和国黑土地保护法》，该法坚持了长远保障国家粮食安全的战略定位，明确了特殊的保护和治理修复制度措施，为保护好、利用好黑土地这一宝贵的土地资源提供了有力的法治保障。腐植酸肥料是一种含有腐植酸类物质的新型肥料，也是一种多功能肥料。天然的腐植酸，是动植物遗骸经过微生物的分解与转化，以及一系列的物理化学过程而形成的一类高分子聚合物，广泛存在于土壤、泥炭、褐煤、风化煤、海洋、湖泊及沼泽中。土壤中腐殖质的含量是衡量土壤肥力质量的关键指标，腐植酸是腐殖质中的主要成分，因此深入探讨在保护黑土地的过程中，科学推广应用腐植酸类肥料具有重要意义。

1 黑土地保护事关国家粮食安全

东北黑土区面积109 万平方公里，典型黑土区耕地面积约2.78 亿亩。如图1 所示，粮食作物播种面积约占全国的16.71%，而粮食作物产量却约占全国的23.88%。同时，东北黑土区商品粮量约占全国的25%，粮食调出量约占全国的33%，是我国最重要的粮食生产基地和商品粮输出基地。以黑土地资源最为丰富的黑龙江省为例，该省粮食产量从2012 年的1152 亿斤增加到2021 年的1573.5 亿斤，商品量和调出量连续多年位居全国第一[1]。

图1 2010—2020 年四省区粮食作物播种面积与产量占全国粮食作物播种面积与产量比例Fig.1 Proportion of sown area and output of grain crops in the four provinces and regions in the sown area and output of grain crops in China from 2010 to 2020

粮食安全事关国运民生，维系经济发展和社会稳定，是国家安全的重要基础。而耕地资源的数量和质量是粮食生产的基本保证，耕地资源安全是中国粮食安全的关键[2]。中央高度重视东北黑土区耕地保护工作，尤其近年来，东北黑土地退化的综合防治工作更加被重视，逐渐将东北黑土地保护利用上升为一项国策[3]。因此，保护好这片黑土地，实现耕地数量和质量的稳定，对于保证东北黑土区真正起到国家粮食安全“稳压器”的作用具有十分重要的意义。2021 年中央一号文件中指出，要实施国家黑土地保护工程，推广保护性耕作模式。保护与合理利用黑土地，提升黑土区粮食产能，已上升至国家战略地位[4]。因此，我们必须做好对黑土地资源的利用与保护。

2 黑土地质量退化地力下降的主要表现

2.1 耕作层土壤有机质含量下降

土壤有机质是耕地地力最重要的性状之一，被认为是土壤质量和功能的核心。在农业生产中，土壤有机质是至关重要的决定因子[5]，它不仅影响植物所需要的大量和中微量养分供给，同时也会影响到土壤结构的形成，贮水保水性能，温度和热量状况等物理性质，而且土壤有机质决定着土壤化学性质，起到调节保持与供给养分性能的土壤代换性，对土壤不利因素的影响起到缓冲作用[6]。

长期定位监测数据显示，开垦初期土壤有机质含量为8%～10%，现已下降到2%～3%，土层厚度由1 m 左右下降到20 ～30 cm[7]。近60 年来，黑土耕作层土壤有机质含量下降了约4.59%，甚至部分地区下降了近7%。进一步的研究发现，退化黑土土壤微生物总数是正常黑土的1/10 倍，细菌少了10 万个，放线菌多了近10 万个，真菌多了700 个，这说明土壤的转化营养能力较前降低[8]。近年加大保护措施后退化速度减缓，并逐步进入一个相对稳定期[9]。2020 年7 月，习近平总书记在吉林省梨树县考察百万绿色玉米生产基地时，就东北黑土地保护做出重要指示：“一定要采取有效措施，遏制黑土地退化问题”[10]。

2.2 土壤物理性状变差

容重作为土壤最重要的物理性状之一，不仅可以较准确地反映土壤物理性能的整体状况，还可有效地指示土壤质量和土壤生产力[11]。土壤容重的变化与土壤孔隙度密切相关，可较好地反映土壤透气性能、入渗性能、持水能力和溶质迁移潜力等。土壤容重不仅是常用于估算土壤持水力和导水性的关键参数，还是估算土壤有机碳贮量的重要参数[12]。

已有研究表明，自然黑土的容重范围为0.80 ～1.00 g/cm3（平均0.90 g/cm3）；全国第二次土壤普查（1982 年）时，黑土耕层的容重为1.00 ～1.10 g/cm3（平均1.05 g/cm3），而目前黑土耕层的容重已增加到1.25 ～1.30 g/cm3（平均1.28 g/cm3），有些地方甚至超过了1.40 g/cm3[13]。王恩姮等[14]研究表明，与收获前相比，大型机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响以疏松作用为主，而中型机械作业则以土壤压实作用为主。因此，大型机械耕作并不是影响四省区黑土地土壤物理性状变差的主要原因。相反大型机械作业会改善黑土地物理性状变差的现状。李婕等[15]指出对于在同一母质上发育的地势平坦的土壤，不同的土地利用方式是影响土壤容重和孔隙度的重要因素之一。邹文秀等[16]研究也发现，土地利用方式显著影响了黑土地土壤表层（0 ～20 cm）的土壤容重、孔隙度和土壤持水量。因此，不合理的土地利用方式是造成四省区黑土地土壤物理性状变差的主要原因之一。

2.3 土壤生产力不稳定

图2为我国2000—2020 年四省区主要粮食作物单位面积产量。从图中可以明显看出，东北黑土区的单位面积产量大致呈现上升的趋势，但是年际之间单位面积产量并不稳定，尤其是辽宁省年际之间的单位面积产量波动尤为明显。

图2 我国2000—2020 年四省区主要粮食作物单位面积产量Fig.2 Output per unit area of major grain crops in the four provinces and regions of China from 2000 to 2020

武红亮等[17]研究发现，在农民习惯施肥管理模式下，近30 年黑土区土壤肥力和生产力水平呈现整体上升的趋势，但持续提升肥力后效不足，同时土壤pH 值降低，存在酸化的风险；黑土肥力提升的主要障碍因子是土壤全氮和有机质含量。刘忠等[18]研究指出，四省区粮食增产主要依靠粮食播种面积的大幅度增加和种植结构向高产的玉米与稻谷调整两个方面。图3 为我国1980—2019 年四省区粮食种植结构变化。从图中可以明显看出，四省区玉米、水稻和大豆的种植面积呈现上升趋势，而小麦、薯类和其他作物的种植面积呈现下降趋势。此外，魏丹等[19]研究指出，黑土区土壤生产力的提升与科学技术水平的提高密切相关。

图3 我国1980—2019 年四省区粮食种植结构变化Fig.3 Changes of grain planting structure in the four provinces and regions of China from 1980 to 2019

3 施用腐植酸类肥料对黑土地肥力的影响

腐植酸是动植物遗骸经过微生物的分解与转化，以及一系列的物理化学过程和积累形成的一类有机物质。腐植酸类肥料不仅能够降低化肥施用量，提高肥料利用率，提高土壤有机碳，改善土壤理化特性，还能有效缓解黑土地土壤质量退化。

3.1 对黑土地土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤肥力的核心，是土壤的重要组成部分。结合我国第一次、第二次土壤普查结果，东北黑土中的有机质含量平均下降了4.59%，以黑龙江黑土有机质下降幅度最大，达6.71%[20]。在黑土上长期施用含腐植酸肥料后（约35 年），黑土中腐殖化的分子结构呈脂肪族、简单型和年轻化的趋势，因此，单独施用含腐植酸有机肥或配合无机肥料施用，是提高作物产量和改善土壤有机质结构的有效途径[21]。进一步结合《腐植酸肥料与土壤有机碳库质量管理》研究报告，该报告中指出，提升土壤有机碳库容量、优化土壤有机碳库构成是提升土壤肥力的基础，其中腐植酸肥料在快速改良培肥土壤等方面具有良好效果[22]。

3.2 对黑土地土壤速效养分的影响

高强度利用导致黑土地质量退化，以土壤肥力下降最为明显。速效养分是土壤化学肥力的重要指标。孙海燕等[23]在东北黑土玉米种植过程中，采用化肥减量15%～30%的情况下配合施用腐植酸生物肥400 ～600 kg/hm2，与对照相比，土壤中碱解氮、速效磷和速效钾指标分别升高了8.2%～18.1%、17.1%～121.0%和9.6%～57.3%，保障了玉米后期生长的土壤养分供应能力，且表现出随着腐植酸生物肥用量的增加，土壤速效磷和钾活化效应更为显著，这可能与施用腐植酸后引起的土壤微生物种群多样性增加及土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性升高有关。姜佰文等[24]分别研究了不同减氮水平与腐植酸配施下对东北草甸黑土肥力退化的影响，结果表明，以氮肥减量20%配施10 t/hm2腐植酸为最佳施肥模式，与常规对照相比，土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别增加了5.69%、10.13%和7.58%，腐植酸的施用对土壤磷的活化效应最为明显，其次是钾、氮。杨小燕[25]的研究结果也表明，随着腐植酸施用量的增加，土壤中氢氧化钠提取态无机磷（NaOH-Pi）、盐酸提取态无机磷（HCl-Pi）、Al-P 和Ca-P 含量均表现出升高趋势，说明腐植酸在一定程度上能够提高磷肥的利用效率，促进土壤中难溶性无机磷向有效性高的无机磷形态转化。Langumuir 方程进一步表征了土壤对磷的最大吸附量随着腐植酸施用量的增加逐渐提高，而吸附强度和最大吸附缓冲容量则表现了先降低后增加的趋势，即当腐植酸施用量为11.2%时，土壤对磷的储存容量较大而吸附强度较低，有利于土壤供给充足的磷养分于作物吸收，表现出较强的供磷能力，是典型的磷素活化剂[26]。此外，陈士更等[27]研究表明，土壤中的钾可在土壤频繁的干湿交替中被固定在矿物晶体内部，不易释放，部分微量元素（如铁）容易被氧化、吸附等方式被土壤固定，影响其有效性。而施用活性腐植酸后，土壤中的磷、钾、铁、锰、锌、铜的有效性均有了明显的提升[28]，其中土壤速效钾含量的增幅可达3.74%～10.57%。

3.3 对黑土地土壤物理性质的影响

Ijaz A 等[29]研究表明，土壤容重与土壤总有机碳表现出显著的负相关关系，腐植酸肥料中含有的腐植酸作为土壤有机碳源，可通过改善土壤团聚体稳定性，减少土壤紧实度，从而降低土壤容重，最终改善土壤水分的入渗性能；进一步的研究结果显示，腐植酸的施用可以使土壤容重下降程度与土壤有机碳含量的增幅表现出显著的线性相关性。邓军波等[30]的研究结果表明，活性腐植酸肥料能有效降低土壤容重0.37%～2.62%，提高田间持水量幅度达到1.22%～16.32%。此外，对于连续2 年施用不同类型土壤调理剂材料，以腐植酸的整体效果相对较好，土壤容重有效降低了2.72%～4.76%，土壤粉粒含量提高了3.12%～5.28%，土壤孔隙度提高了1.74%～3.54%[27]。

4 结语

有“耕地中的大熊猫”之称的黑土地，由于人为和自然原因，近年来出现质量退化、肥力下降等问题，概括为变薄、变瘦、变硬，突出表现为黑土地耕作层土壤有机质含量下降、土壤物理性状变差、土壤生产力不稳定，这给国家粮食安全带来不利影响。已有大量研究表明，使用腐植酸类肥料可提高土壤有机质含量、改善土壤物理性质、增加养分供给、提高土壤肥力，值得在东北地区推广应用。