土壤肥力提升原理与技术研究进展

赵伟霞，栗岩峰，张宝忠，于颖多，罗朋，徐海洋，彭坤海，雷振东

▪专家评述▪

土壤肥力提升原理与技术研究进展

赵伟霞1，栗岩峰1，张宝忠1，于颖多1，罗朋2*，徐海洋3，彭坤海4，雷振东3

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；3.永定河流域投资有限公司，北京 100091；4.永定河怀来生态发展有限公司，河北 怀来 075499）

提升土壤肥力是维持农业可持续发展和保障我国粮食安全的重要保证。为了从根本上实现基础地力相对较差地块的土壤肥力提升目标，本研究通过对土壤肥力提升原理与技术研究进展的系统总结，围绕土壤肥力概念、土壤肥力评价指标与方法、土壤肥力与作物产量的关系、土壤肥力提升的技术措施和研究展望5个方面进行了详细的阐述。分析表明，有机肥物料，尤其是加工后的生物炭和商品有机肥的施用，是我国现阶段提升土壤肥力的关键技术措施，而分类建立生物炭和有机肥生产和施用的技术与标准，发展有机无机配施理论，则是今后较长一段时间内实现土壤肥力提升的重要研究方向。

土壤肥力；生物炭；商品有机肥；无机肥

0 引言

保障粮食安全是关系到我国经济和社会可持续发展的重要基础。在2021年12月25—26日召开的中央农村工作会议上，习近平主席强调，保障好初级产品供给是一个重大的战略性问题，耕地保护要求要非常明确，18亿亩耕地必须实至名归，农田就是农田，而且必须是良田。但据统计，截至2019年，我国仍有4.44亿亩耕地存在基础地力相对较差，生产障碍因素突出问题，需持续开展农田基础设施建设和耕地内在质量建设[1]。充分科学地利用有机和无机养分资源，是保证我国农田生产力不断提高、作物持续增产和良好生态环境的关键[2]，这一措施也与各国普遍推行的加快并鼓励有机肥投入、减少化肥施用的国家政策相一致[3]。

随着我国从事农业种植人口的老龄化和大批青壮年劳力的外出务工，尤其是近年来以无机肥施用为主的农业种植管理模式的普遍使用，以家庭为单元进行传统有机肥料制备的工艺和技术已逐渐消失。将有机物料进行商品化加工与生产，是适应时代发展需求，推动和实现有机肥料大面积推广应用及土壤肥力提升目标的关键措施。本文从土壤肥力概念出发，阐述了土壤肥力的实质及评价指标与方法，并分析了土壤肥力与作物产量的关系，基于有机物料产品（生物炭和商品有机肥）的土壤肥力提升原理与技术，及其发展趋势，为从根本上实现18亿亩耕地全部为良田的发展需求提供了理论基础。

1 土壤肥力概念

土壤肥力（又称地力）是土壤的基本属性和本质特征，是农作物产量形成的物质基础，但是目前还没有统一的土壤肥力概念，因为土壤肥力是随土壤科学的发展而逐步充实与完善的，是需要用综合观点和系统方法来研究的复杂问题[4]，另一方面，土壤肥力的时空变异性也为评判土壤肥力带来了极大困难[5]。关于土壤肥力概念的发展历程，土壤学家熊毅先生曾经有过详细的描述[4]，“肥力”一词原先是由Fertility翻译过来的，原意只局限于营养物质的贮量，后来苏联土壤学家威廉士把水分也放进肥力中去，20世纪50年代国内把肥力扩展为水、肥、气、热。从土壤肥力的综合观点出发，土壤肥力是土壤从环境和营养条件二方面供应和协调作物生长发育的能力，是有关农业生产的土壤理化生物特性的综合反映，且评价土壤肥力的因素及指标因时、因地、因作物和所要求的产量水平而产生变化。这种综合观点，强调了土壤营养条件、环境条件与植物生长三者的统一，表现了土壤对植物生长所需的水肥气热的供应和协调能力。这一观点至今仍然获得国内土壤科学专家的赞同[6]。

2 土壤肥力评价指标与方法

由于土壤肥力概念不统一，且我国综合的土壤肥力概念难以定量化，土壤肥力评价指标的选取根据评价目的的不同存在很大差异，至今未形成具有共识的土壤肥力综合评价方法和指标值[6-7]。由当前阶段的土壤肥力概念可以看出，土壤肥力指标包括物理指标、化学指标和生物指标等。常用的物理指标有土壤质地、耕层厚度、土壤紧实度、土壤湿度和土壤温度等[8]。土壤化学指标主要包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤pH值等，因为土壤化学指标与欧美国家关于土壤肥力的概念和评价指标相一致，这些化学指标也是目前土壤肥力研究中指标选择的主要关注点[6-7, 9]。土壤生物指标主要包括土壤微生物、酶活性及动物等[10]，其中用于土壤肥力评价时使用频数最多的有酶活性、细菌数量和真菌数量[11]。土壤生物指标被认为是稻田生态系统中土壤质量评价时最敏感的指标[12]。近年来，除了上述的土壤物理、化学、生物指标外，对土壤肥力有显著影响的立地条件（成土母质、地貌类型）、剖面构型也逐渐纳入土壤肥力评价指标[13]。在国家标准《耕地质量等级》（GB/T 33469—2016）[14]划分方法中，选择的与土壤肥力有关的评价指标包括有机质量、耕层质地、土壤体积质量、质地构型、土壤养分状况、生物多样性和酸碱度等。

由于表征土壤肥力的指标丰富多样，且不同指标间存在相互作用关系，评价土壤肥力的指标需要避免多重共线性问题，构建一套能够保证原有信息丢失最少的土壤肥力综合评价体系。最小数据集（Minimum Data Set，MDS）是反映土壤肥力最少指标参数的集合，最早由Larson等[15]于1991年提出，目前已成为土壤质量指标选取和评价的常用方法。但与研究对象和全土壤肥力数据集参数选取的主观性有关，筛选出的最小数据集的参数数量和指标组成差异较大，例如，陈方正等[13]基于2个立地条件（成土母质、地形部位）、1个剖面性状（土体构型）、2个土壤物理指标（耕层质地、体积质量）和9个化学指标（pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量、全磷和全钾）组成的全部土壤肥力指数数据集，通过主成分分析法选取的适合于洞庭湖流域南部耕地的最小数据集包括成土母质、剖面土体构型、阳离子交换量、体积质量、有机质、有效磷和全钾7项指标。王杰等[16]基于选取的6项土壤肥力指标（pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾），运用主成分分析法选取的影响广安区柑橘土壤综合肥力的主要因素为有机质、全氮、碱解氮和pH值。

对土壤肥力评价的方法主要包括单因子肥力评价标准和基于多因子的土壤肥力综合评价法。土壤肥力综合评价法主要包括模糊综合评判法、修正的内梅罗指数法、灰色关联度法等。单因子肥力评价标准就是依据第二次全国土壤普查的土壤养分分级指标和相关文献来评价单个肥力指标[17]。模糊综合评判法是根据隶属函数的建立及权重系数的确定对多指标制约的土壤肥力作出总体评价的方法，基于隶属度值和权重计算的土壤肥力综合评价指数值可用于对土壤肥力进行等级分级[18]。修正的内梅罗指数法是将评价指标的数据进行标准化处理，以消除各参数间量纲的差别，获得各评价指标的肥力指数后再计算土壤综合肥力指数[19]。其中的各分肥力指数不仅表示养分含量的相对高低，也可用于推荐施肥[20]。灰色关联分析是根据事物因素之间发展趋势的相似或相异程度来衡量因素间关联程度的方法，根据计算出的灰色关联度，可实现按照一定的标准进行土壤肥力的分级[21]。灰色关联分析的优点是它对样本量的多少没有过多要求，也不需要样本典型的分布规律[22]。

进行土壤肥力评价时，土壤样品的采集时间需要充分体现土壤基础肥力状况，一般要求在上茬作物成熟或收获以后，下茬作物尚未使用底肥和种植以前。采集深度与研究目的和研究尺度密切相关。例如，在行业标准《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）中规定[23]，对果园地进行土壤采样时，针对1∶250 000～1∶50 000的面积性调查评价，采样深度为0～20 cm；在1∶10 000～1∶2 000及更大比例尺的面积性评价与重点区评价工作中，果园地土壤采集部位为毛根区0～60 cm。

3 土壤肥力与作物产量的关系

作物在不施肥情况下获得的产量，即基础地力产量，是农田土壤肥力的直观表现[24]。衡量土壤肥力对作物产量的贡献一般用地力贡献率（不施肥时的作物产量与适宜肥料施用下的产量之比）表示，汤勇华等[25]通过对国内大量有关粮食作物水稻、小麦和玉米地力贡献率的文献数据调研整理，发现不同种植区的地力贡献率与土壤基本特性及地理位置间存在显著的相关关系，水稻、小麦和玉米的地力贡献率均值和标准差分别为60.2%±12.5%、45.7%±15.7%和51.0%±19.7%。

通过对不同土壤基础地力条件下作物的产量对比研究，不同学者[26-27]的研究均表明，土壤基础地力与良好的施肥管理条件下作物的产量正相关，基础地力高的土壤，对作物产量的相对贡献越大，农作物获得高产的潜力越大。另外，在水肥一体化技术管理条件下，基础地力高的田块存在进一步节肥增产和减少施肥灌溉次数的优势[28]。因此，提升土壤基础地力，是促进作物高产，缩减区域高产潜力产量差，增强粮食生产稳定性和可持续性，确保粮食安全和“藏粮于地”战略实施的重要途径[29]。

4 土壤肥力提升的技术措施

4.1 有机肥施用是土壤肥力提升关键

土壤培肥是指通过人工措施对土壤肥力进行调控，以使土壤肥力得以保持和提高的过程。土壤培肥的实质是把调节和改善土壤肥力的基础物质，即有机无机复合体及由之形成的不同粒级微团聚体组成，作为土壤培肥的主攻方向[30]。在复合体和微团聚体中，相对于黏粒量，有机质量虽不足5%，但是对复合体和微团聚体及肥力的形成有重要的贡献，且因有机质容易被人为调控所改变，所以土壤培肥的着眼点是土壤中有机质的积累与更新[4]。通过补充有机质实现土壤肥力提升的观点，也与近些年提出的“有机-无机矿物质营养学说”相一致，是区别于自觉利用土壤肥力、有限投入农家肥的“土壤腐殖质营养学说”，重无机养分、轻有机养分的“植物矿物质营养学说”，构建新时期“土肥和谐”理论，实现提质增效与育化土壤双重作用的关键措施[31]。

4.2 我国有机肥资源量及利用现状

施用有机物料的方式，取决于施用有机物料的目的。在以供给养分为主要目的时，应选用绿肥、人粪尿等短期内易分解、C/N比小的有机物料；在以提高基础肥力为目的时，应选用秸秆、厩肥等C/N比大、复合系数和腐殖化系数高的有机物料，且不宜堆腐[30]。根据牛新胜等[32]对我国有机肥料资源与利用资料的近30年统计结果，当前我国每年约有57亿t的有机肥料基础资源实物量，其中包括约38亿t（鲜）的畜禽粪尿，约8亿t（鲜）的人粪尿，约10亿t（风干）的秸秆，约1亿t（鲜）的绿肥和约0.2亿t（风干）的饼肥，折合约3 000万t的N，约1 300万t的P2O5，约3 000万t的K2O。然而，由于社会、政策、技术、经济、推广等多方面的原因，我国有机肥料资源回田率不高，利用率较低，氮的回田率尚不足40%。加强有机肥料资源收集、加工和施用各个环节的技术开发和相关设施的标准化建设，例如，将有机物料加工成生物炭和商品有机肥料施入土壤，是解决当前有机肥料资源利用中许多技术难题的选择。生物炭和商品有机肥的生产和施用，正逐渐成为国内外土壤学、农学和环境科学等领域的研究热点。

4.3 基于生物炭的土壤肥力提升技术

生物炭是有机物料如农作物秸秆、木质物、畜禽粪便等在低氧环境下经过高温热解后产生的一种富含碳的材料[33]。根据袁帅等[34]对生物炭主要类型与理化性质的研究总结，受生物炭来源物质、裂解工艺、裂解设备差异影响，生物炭含碳量在30%～90%之间，平均64%；灰分量主要在0～40%之间变动，平均16%，灰分中主要包括钠、镁、钾、钙等矿物元素；比表面积的变化范围绝大多数在0～520 m2/g之间，平均为124.83 m2/g；pH值在5～12之间，平均值为9.15；阳离子交换量从0到500 cmol/kg都有分布，平均值为71.91 cmol/kg。作为有机肥物料间接还田的一种方式，生物炭由于具有高度稳定性、强吸附性、多孔性、低密度性等理化特性，并且含有一定量的矿质养分和盐基离子，在改良土壤、提高肥力、固碳减排和修复污染等方面具有较大的应用潜力，被认为是维持农业可持续发展的关键、易获得的投入产物[35]。

对大量生物炭应用研究的结果表明[34-36]，施用生物炭后可以显著降低土壤密实度和土壤体积质量，提高土壤通气性和持水能力，提高土壤团聚体稳定性；增加土壤有机质量和含碳量，促进土壤中有机氮的矿化、固定和转化，提高土壤速效磷、速效钾和速效氮量，提高土壤pH值；增加土壤过氧化氢酶、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，还可以吸收土壤中的有毒有害物质，增加污染物的降解。另外，生物炭复杂稳定的结构形态，可以长期减少碳排放，起到固定碳和减少温室气体（CH4、N2O、CO2）排放的作用。

4.4 基于商品有机肥料的土壤肥力提升技术

商品有机肥料是指以畜禽粪便、动植物残体和以动植物产品为原料加工的下脚料为原料，经发酵腐熟后制成，作为商品流通的肥料[37]。相比于传统有机肥料，商品有机肥料具有工业化生产、发酵完全腐熟、质量相对稳定、符合国家相关标准等特点，属于有机质量≥45%的精制有机肥[38]。目前，我国共有2 000多家有机肥企业，有机肥产能大约3 000多万t，实际产量为1 500万～2 000万t，与我国每年农业上利用的纯养分5 500万～6 000万t还有较大差距[39]。与无机肥料相比，有机肥料中不仅含有多种有机养分，还含有多种无机元素，以及大量的微生物和酶。施用商品有机肥料后，通过有机肥料与土壤的相融，有机胶体与土壤矿质黏粒的复合，改善了土壤团粒结构的形成，降低了土壤密实度和体积质量，提高了土体的空隙率和蓄水保水能力，调节了土体的水肥气热比例；有机肥中丰富的有机、无机、微量元素量和有机物质的强吸附性能，提高了土壤养分的全面供给能力。同时，有机肥中丰富的有机物质为土壤微生物和酶提供了充足的养分和能源，加速了微生物的生长和繁殖，激活了土壤酶活性[40]。

5 土壤肥力提升关键理论与技术研究展望

无论生物炭还是商品有机肥，施入土壤后均是通过调节土壤物理、化学、生物、环境等特性实现了土壤肥力的提升，并最终实现了作物高产和品质的改善。但是，二者的有机物料原材料均存在来源广泛和就地取材，以及制备工艺不同等问题，导致所含养分和其他物质差别较大，难以像化肥那样有相对稳定的物质组成，这给商品有机肥和生物炭的生产和使用以及市场的健康发展带来诸多不便，尤其是随着现代社会管理标准化趋势的发展，其矛盾更加突出。目前在生物炭的应用过程中，因缺少针对生物炭使用目的而研发的专用生物炭产品及其制备工艺，导致了部分生物炭还田后不能达到设定目标的问题[36]，并产生了某些生物炭/作物组合后不利于植物生长的现象[35]。

另一方面，生物炭和商品有机肥中的有机肥养分总量相对不足且分解缓慢，例如，商品有机肥料中N、P2O5、K2O的总养分质量分数仅≥5.0%[37]，不能及时满足作物养分需求，需配合无机肥料一起施用。近年来有关有机肥替代部分无机肥技术的相关研究论文发表数量快速增长，已经成为当前研究热点[41]，但是截至目前还没有明确的有机无机配比概念，预计在很长一段时间内都是需要研究的重要课题[39]。因此，避免使用目的和制备方法的脱节，通过系统性研究和示范后分类建立生物炭和有机肥生产和施用关键技术与标准，是我国基于有机肥物料的收集、加工和施用技术，从本质上实现土壤肥力提升的关键措施。

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WAN Lianjie, LI Junjie, ZHANG Ji, et al. Research progress on the technology of organic fertilizer partial substituted for chemical fertilizer[J]. Northern Horticulture, 2021(11): 133-142.

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

赵伟霞, 栗岩峰, 张宝忠, 等. 土壤肥力提升原理与技术研究进展[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(9): 1-5.

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

河北省科技项目（HBAT02242202010-CG）；山西省水利科学技术研究与推广项目（2021LS014）

赵伟霞（1980-），女，河南长葛人。正高，博士，主要从事节水灌溉理论与新技术研究。E-mail: zhaowx@iwhr.com

罗朋（1979-），女，陕西西安人。高级工程师，硕士，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 15634490@qq.com

责任编辑：白芳芳