耕地质量提升技术及其应用

2022-11-16张天恩马友华

中国农学通报 2022年21期

骆美，郭龙，费坤，张天恩，李陈，马友华

（1农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2阜阳师范大学生物与食品工程学院，安徽阜阳 236037）

0 引言

耕地作为粮食生产不可替代的载体，是国家粮食安全的根本保障，是农业增效、农民增收和农村可持续发展的重要基础。据联合国粮农组织(FAO)统计显示，全球三分之一的耕地发生退化，作物减产高达50%，2019年统计显示，中国中、低等耕地面积占耕地总面积的68.76%，耕地危机突显[1-2]。一方面，耕地数量减少、质量下降，存在占优补劣、大面积耕地撂荒和耕地用养不当现象；另一方面，化肥和农药的大量使用、土壤有机质下降、耕层变浅、土壤酸化和盐渍化等加剧耕地土壤环境恶化，影响农产品质量安全和生物多样性[3]。而农民的政策认知与其保护耕地的意识薄弱、偏重数量而忽视质量和生态环境，人力和工程成本增加，耕地质量建设资金投入不足和监测手段有限等问题仍很突出[4]。因此，提升耕地质量对耕地生产能力和生态效应协调发展具有重要意义。

耕地质量由自然、社会、经济、政策和管理等因素综合影响，国内外不同学者对耕地质量的认知具有差异性。ELSE等[5]认为耕地土壤质量不仅考虑产量，还应考虑环境和风险因素。有学者认为耕地质量包括地力质量、环境质量、工程质量、管理质量、经济质量及美学与文化质量等[6-7]。此外，中国农业部不同时期政策文件对耕地质量的描述也具有差异性。2008年中国农业部发布的《耕地地力调查与质量评价技术规程》指出耕地质量包括耕地地力和耕地环境质量，2016年农业部发布的《耕地质量调查监测与评价办法》说明耕地质量包括耕地地力、土壤健康状况和田间基础设施内容。

综上，耕地质量提升应兼顾参与者政府、农户，以及气候、土壤、耕作制度、基础设施、环境健康状况和社会经济等因素的影响，关注耕地生产能力和耕地健康状况。而现阶段研究还缺少从耕地质量提升影响因素的角度比较分析各技术及其提升效果。如何根据区域的自然环境条件及社会经济发展状况选择耕地质量提升技术，从而最大程度资源化利用耕地是中国亟需解决的问题。鉴于此，本研究分析了耕地质量提升的影响因素，综述耕地质量提升技术及其优缺点，同时总结其应用措施，为因地制宜选择与改进耕地质量提升技术提供参考。

1 耕地质量提升影响因素分析

在20世纪90年代前，国外已开展耕地质量提升相关研究。前苏联通过深耕改良黑钙土[8]；日本探索出适用不同区域条件的改土技术，如混层耕、改良式翻转客土及心土层培肥技术等[9]；SMITH等[10]研究硅、氮和秸秆用量对作物秸秆在土壤中分解的影响；中国辽宁已重视通过中低产田改造来提高耕地持续生产力。自21世纪以来，国内外众多学者对耕地质量分类分级[11]、基于限制因子的耕地质量潜力提升[12]、耕地质量提升的技术模式[13]、卫星遥感和地理信息系统技术等在耕地质量监测与评价中的应用进行了实践研究和理论总结[14-16]。耕地质量提升是一个涉及政府、农户、肥料供应商及农产品经营者等利益相关者的大课题，并受到气候条件、土壤特性、耕作制度、基础设施、环境健康状况和社会经济等客体因素的综合影响。

1.1 影响耕地质量提升的主体因素

1.1.1 政府各级政府通过政策制定和部署安排来影响耕地建设和利用，中央政府制定耕地质量提升计划和总体方案等，优化和严格耕地保护政策。地方政府组织协调和监管耕地建设，严厉监管农村宅基地浪费和过多占用优质耕地现象。耕地抛荒行为间接反映了政府制度和政策的缺陷[17]，XIAO等[18]研究发现耕地保护基金的补偿标准、政府的监管程度对耕地保护政策的可持续发展具有一定指导意义。

1.1.2 农户农户是耕地的直接参与者，是关系耕地质量提升的直接主体。研究发现超过80%农户愿意采用耕地质量提升技术，但由于考虑的因素较多，实际行动的农户所占比例较低[19]。农户的收入水平、农业中间消费和决策行为决定其是否愿意采用耕地质量提升相关高效肥料、耕作方式和机械设备等，进而影响农户生产经营行为。家庭农场、农村合作社等规模种植大户实施耕地质量提升行为的程度高于普通农户，采用新技术的比例高达85.2%，是小农户的5倍以上[20]。

此外，有机肥、土壤调理剂和农耕机械等生产供应商，以及农产品收购与销售商等作为提升耕地质量的利益相关者，其盈利条件是否得到满足，则会间接影响耕地质量提升。

1.2 影响耕地质量提升的客体因素

1.2.1 自然环境条件耕地质量提升受到不同区域的气候条件、土地利用方式、土壤类型、地形以及土壤植被覆盖等自然环境环境条件影响。其中土地利用方式对主要土壤质量参数影响显著，而土壤有机质、养分供给、土壤植被覆盖和土壤压实对土壤退化也至关重要。土壤有机质含量在坡地表层最高，在深层最低，而长期被林地或草地覆盖的地区其被侵蚀的风险较低。另外，耕地质量还受到耕地环境胁迫和有益生态健康状况指标影响，考虑土壤肥力、土壤环境污染和土壤有益元素，包括土壤重金属及土壤蚯蚓等因子[21]。

1.2.2 社会经济发展水平社会经济发展水平影响耕地耕作方式、新型技术、农耕机械及其他基础设施配套使用，区域经济与耕地空间分异具有较强的相关性。施园园等[22]研究发现耕地随着经济发展由高生产-低生态向低生产-高生态方向演变。周晓时等[23]研究发现农业机械的使用显著提高了玉米产量，与收获高产的农民相比，收获低产的农民往往从使用农业机械中获益更多。

2 耕地质量提升技术及优缺点

耕地质量提升综合工程技术和农艺技术等。工程技术包括平整土地、沟渠治理、田间道路、农田生态防护及其他工程。农艺技术主要运用物理、化学、生物学相关技术，如通过秸秆还田[24-25]、绿肥种植[26]、深耕深松[27]、施用土壤调理剂[28]、水肥管理等[29]影响耕地地力和土壤健康过程，进而提升耕地质量。

2.1 工程技术

工程技术主要通过田块修筑和地力保持、灌排保证率、田间道路通达度和农田林网化程度等，优点在于保持地力水土、保障灌排、去土壤盐渍化和改善农田生态小气候。但工程技术在一定程度上受到政府政策、区域自然环境条件和社会经济发展水平等的限制，如中国南方山地丘陵地区不利于农业机械耕作及基础设施建设。

2.2 农艺技术

2.2.1 秸秆还田技术秸秆还田时间、翻耕方式和还田量受到区域地形、土类和作物品种等影响。如平原小麦玉米（大豆）轮作区，边收边耕埋，小麦收割时秸秆粉碎覆盖在玉米（大豆）行间，玉米收割时秸秆粉碎翻压还田。丘陵小麦（油菜）水稻轮作区，插秧前15天左右翻耕，小麦（油菜）收割时秸秆机械粉碎旋耕还田，水稻收割时秸秆机粉碎翻压还田，翻压深度25 cm以上，或水稻秸秆机粉碎抛撒在免耕油菜田行间覆盖还田。季陆鹰等[30]指出半量稻秸秆还田(4500 kg/hm2)小麦产量最高。成臣等[31]发现与常规翻耕和免耕相比，秸秆还田结合长期旋耕处理进一步提高土壤肥力质量和水稻产量。另外，秸秆还田的同时应配合一定量的水肥管理，以加速秸秆快速腐解及保证作物苗期生长旺盛。黄婷苗等[32]指出在陕西关中平原的冬小麦—夏玉米轮作区域氮肥用量控制在150～200 kg/hm2时利于小麦的增产和养分资源的高效利用。

秸秆还田增肥增产的同时减轻大气污染，但秸秆腐解会产生有机酸和消耗土壤中的速效养分，同时秸秆还田受到农户认知、政策和农机农具等影响。如郑纪刚等[33]基于山东省892个农户样本分析了认知冲突对农户秸秆还田技术采用行为产生消极影响，而宣传、补贴政策则产生积极影响。

2.2.2 绿肥种植技术绿肥种植应注重绿肥品种和绿肥种植方式的选择。因地制宜选择绿肥作物，兼顾生态效益、经济效益和社会效益。徐健程等[34]发现冬季种植肥田萝卜是一种土壤培肥和秸秆养分释放较好的绿肥种植模式。李红燕等[35]发现麦后播种绿肥的生物量、养分还田量显著高于套种。另外，注意绿肥播种前后的管理，如种植密度和水肥的管理等。刘金泉等[36]研究发现240 kg/hm2种植密度的高梁绿肥可显著提高黄瓜根系生长相关因子指标。田想等[37]指出在当阳橘园种植绿肥75 kg/hm2可以替代30%氮肥的施用，且不会降低土壤肥力及柑橘的产量和品质。

绿肥可作为饲料和有机肥等原料，具有培肥改土、防止水土流失、修复荒坡废地，以及成本较低、施工操作简单和增产增效等优点。但缺点是有害病菌会进入土壤，可在绿肥翻埋的同时喷洒生物有机肥发酵液以抑制有害病菌。同时绿肥种植受到政策补偿和经济环境条件等影响。李福夺等[38]分析发现生态补偿政策能够显著促进农户绿肥种植行为惯性的产生。李坦等[39]指出家庭农业劳动力数量、人均收入水平、与亲友交流频繁程度、文化程度对小农户绿肥环境属性的支付意愿有积极影响，对耕地质量与肥力提高属性的支付意愿最高。

2.2.3 深耕深松技术耕作方式、耕作时间和耕作深度受到种植作物、土地利用类型、耕层质地和肥料等影响。如夏季玉米种植宜实施免耕深松，禾谷类作物、大豆、棉花和块根块茎类作物宜深耕。水田不宜深松，只需3年一次的深耕，砂质土不宜深耕，黏土、盐碱土宜深耕。深耕时间宜在前茬作物收获后或在当地雨季开始之前进行，深松宜在雨季前实施，土壤含水量在15%～22%左右。耕作深度对不同土层养分和微生物含量影响显著。朱长伟等[40]研究发现小麦季深耕-玉米季深松处理提升了20～40 cm土层土壤有机质和速效养分等含量，而小麦季旋耕-玉米季深松处理则仅提高表层土壤养分。

深耕减少除草剂使用，但深耕后需细碎和平整土壤；深松利于保墒，但后续需施撒除草剂。深耕或深松均可提高作物产量和水分利用效率，而对耕作机械参数和性能有一定要求，不同机械深耕对土壤结构和作物产量影响显著。高中超等[41-42]研究发现采用ES-210深松犁及心土耕作犁深耕改土，相比常规灭茬旋耕，改变了土壤耕层构造，改善了作物根系生长环境，提高了作物产量。

2.2.4 有机肥施用技术有机肥施用应注重有机肥种类、施用量和施用模式的选择，根据区域地力特征和资源现状，因地制宜选用。根据土壤有机质含量、腐殖化系数确定有机肥施用量，加强畜禽粪便资源化利用，应采取发酵腐熟等措施消减抗生素和残留的重金属，以防污染农田。而在有次生盐渍化的设施栽培蔬菜地，施用生物有机肥配施土壤调理剂。弓建泽等[43]指出在添加Cd浓度低于10 mg/kg的土壤，施用鸡粪、牛粪的效果较好，而在添加Cd浓度达到50 mg/kg的土壤则以施用蚯蚓粪的效果更好。李可等[44]研究发现鸡粪有机肥施肥量为60 t/hm2时小白菜地上部生物量值最大。

有机肥施用可以使化肥减量，提高作物产量与质量，但有机肥中残留的重金属和抗生素会造成土壤和水体环境污染。如李可等[44]研究指出土壤重金属Cd、Cr、Cu、Zn和As的全量均随鸡粪有机肥施加量的增加而增大。另外，有机肥施用受到有机肥替代化肥政策影响，如对有机肥替代化肥的试点县实施补助政策显著减少化肥的使用量，提高菜农对有机肥的利用率[45]。

2.2.5 测土配方施肥技术测土配方施肥以区域土壤肥力为依据，针对不同作物采取周期性取土测土，通过田间试验，合理安排施肥时期、施肥方法及有机无机配合、中微量元素等，以获得最佳肥料施用量和最佳养分配比，如江淮丘陵区通过控制氮肥、稳定磷钾肥、补充中微量元素肥料，平衡土壤养分。同时开展土壤测试、肥效试验和叶面营养诊断，逐步建立不同作物施肥指标体系。李飞等[46]以籽棉3750 kg/hm2为目标产量，将土壤养分含量水平按相对产量划分为6个等级，建立了油后直播棉花土壤速效氮磷钾丰缺指标。另外，因地制宜加大化验室建设、肥料配方减量、耕地质量监测以及农户咨询专家系统等技术研发工作。

测土配方施肥技术可以使化肥减量，提高作物产量和肥料利用率。但农户测土配方施肥技术总认知水平整体偏低，农户、家庭农场测土配方施肥技术不同环节认知对其采纳行为具有影响差异[47-48]。应加大财政资金补贴和对测土配方技术原理的宣介。

2.2.6 水稻机械化侧深施肥技术水稻机械化侧深施肥应注重肥料选择和用量，水田耕整及配套机具的选用。肥料种类和施用量根据水稻生长时期而发生改变，如抽穗期适当施用磷肥、钾肥等，利于作物秸秆生长。施肥深度宜在40～50 mm。同时以测土配方施肥量为依据，结合精量施肥机，能够有效减少稻田N肥施入，促进双季稻生产节肥及增产[49]。

测土配方施肥一方面节省人力物力，有效减少肥料损失，肥料的使用量降低20%以上，减少土壤环境的污染；另一方面提高肥料利用效率，平均提升幅度超过59.6%，增加水稻产量[50]。但农户在肥料选择和肥料配比上有一定的知识局限性，应重视农民施肥作业的科学性指导。

2.2.7 施用土壤调理剂技术依据功能用途科学选用土壤调理剂，分析土壤调理剂类型和水肥管理对土壤理化性质、微生物结构和数量以及作物生长和产量的影响，注意选用的土壤调理剂中重金属等有毒有害物质含量必须符合有关限量的要求，防止污染环境。加强工农业废弃物资源化利用，如作物秸秆和绿肥均可作为土壤调理剂原材料[51]，达到节能高效的目的。同时应用测土配方施肥成果，分析土壤酸碱程度，施用一定量的土壤调理剂，如石灰治酸施用的石灰量参照pH所在范围，强酸土壤石灰用量为1000～2142 kg/hm2。

施用土壤调理剂一定程度上可以改良土壤结构、养分和水分状况，降低土壤盐碱危害，调节土壤酸碱度和修复污染土壤等。但长期大量施用可能对土壤结构的稳定性和环境与水的安全性造成一定的潜在风险，如过量的保水剂破坏土壤结构，引起土壤板结，长期施用煤矸石与粉煤灰可能会导致土壤重金属污染等[52]。

2.2.8 水肥一体化技术根据区域不同作物在不同生育期对水肥养分的需求，因地制宜建立模型，制定合理的水肥调控方案。袁洪波等[53]建立营养液制备系统二阶数学模型，精确控制营养液的制备过程。目前滴灌施肥模式是应用最广泛、最节水的灌溉施肥模式，滴灌水肥一体化配施有机肥或覆膜显著提高作物产量和品质以及土壤酶活性等[54-55]。另外，应广泛宣传水肥一体化技术增产增效和节约资源的典型经验，加大作物养分元素快速诊断和土壤养分监测技术装备研发。

水肥一体化技术具有节水节肥节药、增产增收、省工省地和提高水肥利用效率等优点，广泛应用在蔬果、设施栽培以及经济价值高的作物上。但存在配套措施不完善，首期投入成本高，投资回报周期长，缺乏专职管理人员及维护管理等问题。

3 耕地质量提升技术应用措施

耕地质量提升坚持数量、质量和生态三位一体[56]，坚持政府引导、多方参与，统筹当前和长远、生产和生态、工程和工艺、农机与农艺，以新建成的高标准农田、耕地退化污染重点区域和占补平衡补充耕地为重点，根据不同区域耕地质量现状，分析主要障碍因素，科学选择和集成运用耕地质量提升技术，如秸秆还田+有机肥[57]、绿肥种植+减量氮肥[58]、土壤调理剂+微生物菌肥[59]、节水灌溉方式与磷钾肥减施[60]等。而应用耕地质量提升技术主要可从5个方面进行：一是加强耕地质量建设保护规划编制，建立耕地保护补偿制度；二是加强已建成和新建的高标准农田建设；三是加强新增耕地培肥改良；四是加强退化耕地治理与修复；五是加强污染耕地利用与修复。