土壤有機(jī)質(zhì)概述、主要作用及提升措施

孟遠(yuǎn)奪　李　榮　楊　帆　崔　勇　董　燕　孫　釗

（全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心　北京　100125）

摘　要：土壤有機(jī)質(zhì)是土壤可持續(xù)利用的核心物質(zhì)，與土壤肥力提升、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等關(guān)系密切。本文搜集前人研究成果，概述了土壤有機(jī)質(zhì)的定義、來(lái)源、組成和轉(zhuǎn)化過(guò)程。從全球碳平衡、對(duì)污染物的消解角度論述了土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)，從提供植物所需養(yǎng)分、改良土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、增強(qiáng)土壤緩沖性、促進(jìn)微生物活動(dòng)、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面總結(jié)了土壤有機(jī)質(zhì)的多種作用。提出了增施有機(jī)肥、種植綠肥、秸稈還田、合理耕作等可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)的方法和措施。并針對(duì)我國(guó)土壤現(xiàn)狀，提出了在增加土壤有機(jī)質(zhì)方面存在的問(wèn)題和建議。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)質(zhì)　土壤改良　有機(jī)質(zhì)提升　綜述

The Summary, Main Functions and Improving Measures of Soil Organic Matter

Meng Yuanduo, Li Rong, Yang Fan, Cui Yong, Dong Yan, Sun Zhao

(National Agro-Tech Extension and Service Center, Beijing, 100125)

Abstract: Soil organic matter was the core of the soil sustainable utilization, which had close relationship with soil fertility improvement, agricultural sustainable development and the protection of the ecological environment.This paper collected the research production, summarized the definition, source, constitution and the conversion process of soil organic matter(SOM).In this paper, we discussed the environmental effect of SOM by the global carbon balance and dispelling contaminants.In addition, we summarized the multiple functions of SOM.For example: providing nutrients for plants, improving soil physical and chemical properties, regulating plant growth, heightening soil buffering, promoting microbial activity, improving the quality of agricultural products, and so on.According to the practical application, we listed some feasible methods and measures to increase SOM, for example: increasing organic fertilizer application, planting green manure crops, returning straw, performing rational tillage, and so on.According to soil present situation in our country, we proposed some problems and suggestions in increasing SOM.

Key words: soil organic matter; soil amendment; improving measures of SOM; review

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，連接著大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈，是五大圈層相互作用的紐帶和物質(zhì)循環(huán)的“中轉(zhuǎn)站”。土壤有機(jī)質(zhì)(Soil Organic Mater，COM)是土壤固相的重要組成部分，盡管它的含量只占土壤總量的很小一部分(通常0～5%)，但它對(duì)土壤肥力、農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)等方面都有著極其重要的意義。土壤有機(jī)質(zhì)在養(yǎng)分供給、土壤理化性質(zhì)的改善以及防止土壤侵蝕等方面的作用巨大[1]，直接決定著土壤肥力水平，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量的優(yōu)劣和作物產(chǎn)量的高低[2]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤可持續(xù)利用的核心，有機(jī)質(zhì)數(shù)量的耗竭和質(zhì)量的惡化可直接導(dǎo)致土壤生態(tài)功能的衰退。土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)不僅關(guān)系到全球氣候變化，而且對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響也日益深入[3]。土壤有機(jī)質(zhì)組成和各種反饋機(jī)制復(fù)雜，受人類活動(dòng)影響大，所以土壤有機(jī)質(zhì)總量的微量變化就可以導(dǎo)致大氣CO2濃度的急劇變化[4]，以溫室效應(yīng)的形式影響全球氣候，進(jìn)而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)，尤其是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

1　土壤有機(jī)質(zhì)概述

1.1　土壤有機(jī)質(zhì)的概念

從18世紀(jì)80年代開(kāi)始，土壤中的一類黑色物質(zhì)引起了人們的廣泛關(guān)注，隨著對(duì)其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)研究的深入，最后被定名為土壤腐殖質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)是動(dòng)、植物殘?bào)w在微生物作用下經(jīng)分解、合成的一類深色、難分解、大分子有機(jī)物質(zhì)。到20世紀(jì)60年代，國(guó)際上對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的研究主要集中在對(duì)腐殖質(zhì)元素組成、功能團(tuán)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等方面的研究，由于腐殖質(zhì)化的時(shí)間尺度在百年以上，另外腐殖質(zhì)的組成復(fù)雜，功能團(tuán)結(jié)構(gòu)和種類眾多，因此并沒(méi)有找到具體的物質(zhì)可以指示土壤的肥力狀況。近30年來(lái)，土壤有機(jī)質(zhì)的研究得到重視，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家共同認(rèn)識(shí)到土壤有機(jī)質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中的重要性，對(duì)有機(jī)質(zhì)的概念有了進(jìn)一步的發(fā)展。從衡量土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量和廣義的角度來(lái)看，土壤有機(jī)質(zhì)是指以各種形態(tài)存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，包括土壤中各種動(dòng)、植物殘?bào)w，微生物體及其分解和合成的各種有機(jī)物質(zhì)。狹義地說(shuō)，土壤有機(jī)質(zhì)是指有機(jī)殘?bào)w經(jīng)微生物作用形成的一類特殊的、復(fù)雜的、性質(zhì)比較穩(wěn)定的高分子有機(jī)化合物的總稱。

1.2 有機(jī)質(zhì)的來(lái)源和組成

土壤類型不同，土壤有機(jī)質(zhì)含量差別較大。典型的草原土壤表層有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)5%～6%，砂土則少于1%，熱帶土壤則以有機(jī)質(zhì)含量低著稱。根據(jù)第二次土壤普查的結(jié)果，我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量平均為1.98%。從地區(qū)來(lái)看，華北地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量大都在1%左右，西北地區(qū)則大多低于1%，南方水田土壤的有機(jī)質(zhì)含量變動(dòng)于1.5%～3.5%之間，東北的黑土有機(jī)質(zhì)含量可高達(dá)8%～10%。一般把有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)20%的土壤稱為有機(jī)土壤，而小于20%者稱為礦質(zhì)土壤。

土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要包括微生物、植物、動(dòng)物和人類活動(dòng)。微生物是土壤有機(jī)質(zhì)最原始的來(lái)源，在土壤形成的最初階段為土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源。植物來(lái)源是現(xiàn)代土壤有機(jī)質(zhì)的最終來(lái)源，植物枯枝落葉、死亡根系和根系分泌物維持了土壤源源不斷新鮮有機(jī)質(zhì)的輸入。生長(zhǎng)良好的草原植被每年可以向土壤提供約375 t/hm2的有機(jī)殘?bào)w，闊葉林也可以提供幾噸的有機(jī)物。土壤動(dòng)物(如昆蟲(chóng)、土鼠、蚯蚓等)殘?bào)w及排泄物質(zhì)也是土壤有機(jī)物質(zhì)的重要來(lái)源。在農(nóng)業(yè)土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源是作物凋落物和根茬、還田的秸稈、人為施入的有機(jī)肥和綠肥等。

土壤有機(jī)質(zhì)的組成十分復(fù)雜，性質(zhì)各異，大致可分為腐殖質(zhì)部分和非腐殖質(zhì)部分。其中腐殖物質(zhì)約占土壤有機(jī)質(zhì)的60%～80%，非腐殖質(zhì)是指土壤中的一般有機(jī)化合物，包括可溶性糖、多糖類、木質(zhì)素、脂肪、樹(shù)脂、蠟質(zhì)等(表1)。

表1　土壤有機(jī)質(zhì)的構(gòu)成(以C計(jì))

注：摘自Stevenson，1982。

根據(jù)腐殖質(zhì)在酸或堿中的溶解性將其分為富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素。富里酸可溶于水、酸、堿，顏色最淺，呈淡黃色，分子量最低，主要由碳、氫、氧和氮等元素構(gòu)成，碳?xì)浔戎递^低，芳香核的聚合度較小，官能團(tuán)中酚羥基和甲氧基的數(shù)目比較多。胡敏酸是土壤中溶于稀堿而不溶于稀酸的棕褐色的天然有機(jī)高分子(分子量400～100000之間)化合物，主要由碳、氫、氧、氮等元素組成，碳?xì)浔戎蹈?，其分子結(jié)構(gòu)中的芳香環(huán)、雜環(huán)等化合物通過(guò)碳鏈或鍵橋連接成疏松的網(wǎng)狀，芳化度高而解離度小，穩(wěn)定性強(qiáng)。胡敏酸分子邊緣的羧基、酚羥基、甲氧基、酰胺基等官能團(tuán)決定了其酸度、吸收量以及與無(wú)機(jī)物形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合物的能力，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成起著重要作用。胡敏素是與土壤礦物質(zhì)結(jié)合最緊密、分子量最高的腐殖質(zhì)組分，水、酸、堿都不溶，顏色最深，呈黑色，性質(zhì)不活潑，是一種惰性的腐殖質(zhì)，可以在土壤中存在千年以上。通常用胡敏酸與富里酸含量的比值(HA/FA值)來(lái)表示土壤腐殖質(zhì)成份變異的指標(biāo)。一般我國(guó)北方的土壤，特別干旱區(qū)與半干旱區(qū)的土壤腐殖質(zhì)以胡敏酸為主，HA/FA值比大于1.0，而在溫暖潮濕的南方酸性土壤中，以富里酸為主，HA/FA值比一般小于1；在同一地區(qū)，水稻土腐殖質(zhì)的HA/FA值比大于旱地，熟化程度高的土壤HA/FA值比較高。土壤有機(jī)質(zhì)的組成決定于進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)的組成。進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)的組成相當(dāng)復(fù)雜，各種動(dòng)、植物殘?bào)w的化學(xué)成分和含量因動(dòng)、植物種類、器官、年齡等不同而有很大的差異。一般情況下，動(dòng)植物殘?bào)w主要由有機(jī)化合物、碳水化合物、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、樹(shù)脂、蠟質(zhì)等組成。在土壤中，有機(jī)質(zhì)以新鮮的動(dòng)、植物殘?bào)w，半分解的動(dòng)、植物殘?bào)w和腐殖質(zhì)等形式存在，其中腐殖質(zhì)是除未分解的動(dòng)、植物組織和土壤生命體等以外的土壤中有機(jī)化合物的總稱，是在微生物作用下，有機(jī)物質(zhì)經(jīng)分解、合成等一系列過(guò)程形成的一種褐色或暗褐色的高分子膠體物質(zhì)，是有機(jī)質(zhì)存在的穩(wěn)定形態(tài)。從元素組成來(lái)看，土壤有機(jī)質(zhì)主要由C、H、O、N等基本的元素組成，其中C和N分別占52%～58%、3.7%～4.1%，碳氮比(C/N)介于10～12之間，另外還有少量的P和S等元素。

1.3　土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化

1.3.1　土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用(Mineralization)

有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤后，在微生物的作用下分解成水和CO2，并釋放出其中的礦質(zhì)養(yǎng)分和能量的過(guò)程稱為有機(jī)質(zhì)的礦化。實(shí)際上就是微生物將復(fù)雜有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)化合物(CO2、H2O及礦質(zhì)養(yǎng)分)和能量的過(guò)程。有機(jī)物料經(jīng)一年的腐解后殘留的腐殖質(zhì)數(shù)量，與一年前施入土壤的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量的比值，稱為該種有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)(humification coefficient)。進(jìn)入土壤中的有機(jī)殘?bào)w經(jīng)過(guò)一年降解后，2/3以上的有機(jī)質(zhì)以CO2的形式損失掉，殘留在土壤中的部分不到1/3，植物根系在土壤中的年殘留量比其地上部分稍高一些。不同有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)差異很大，麥稈、玉米稈在不同地區(qū)測(cè)得的腐殖化系數(shù)平均為0.30，其地下部分測(cè)得的相應(yīng)數(shù)值為0.45(表2)。每年土壤中新加入的新鮮有機(jī)殘?bào)w會(huì)促進(jìn)原有有機(jī)質(zhì)的降解，這種礦化作用稱之為新鮮有機(jī)物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解的激發(fā)作用(priming effect)，激發(fā)效應(yīng)可以加速土壤微生物量碳(微生物體內(nèi)的碳)的周轉(zhuǎn)和土壤原有有機(jī)質(zhì)的分解。通常情況下，微生物生物量的增加超過(guò)分解的腐殖質(zhì)量，因此凈效應(yīng)表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)增加。

表2　農(nóng)田土壤中主要有機(jī)物料的腐殖化系數(shù)

注：摘自沈善敏著，《中國(guó)土壤肥力》(1998)。

微生物是土壤有機(jī)質(zhì)礦化和周轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動(dòng)力，因此，凡是能影響微生物活動(dòng)及其生理作用的因素都會(huì)影響有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化。這些因素主要包括：土壤生物組成及活性，有機(jī)殘?bào)w的組成及狀態(tài)，有機(jī)殘?bào)w的C/N和C/P，有機(jī)殘?bào)w的理化性狀，土壤水、熱、氣、pH等條件。

1.3.2　土壤腐殖化過(guò)程(Soil humification)

土壤腐殖質(zhì)的形成過(guò)程稱為腐殖化作用，腐殖化作用是一系列極端復(fù)雜過(guò)程的總稱，其中主要是微生物為主導(dǎo)的生物和生物化學(xué)過(guò)程，還有一些純化學(xué)反應(yīng)。土壤腐質(zhì)化過(guò)程一般可以分為三個(gè)階段，第一階段是動(dòng)植物殘?bào)w分解產(chǎn)生簡(jiǎn)單的有機(jī)碳化合物；第二階段是通過(guò)微生物對(duì)這些有機(jī)化合物的代謝作用及反復(fù)的循環(huán)，增殖微生物細(xì)胞；第三階段是通過(guò)微生物合成的多酚和醌或者來(lái)自植物的類木質(zhì)素，聚合形成高分子多聚化合物，即腐殖質(zhì)。腐殖化過(guò)程就是將有機(jī)物質(zhì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)被長(zhǎng)期穩(wěn)定地儲(chǔ)存到土壤中。

2　土壤有機(jī)質(zhì)的作用

2.1　土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)

2.1.1　土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)全球碳平衡的影響

土壤有機(jī)質(zhì)中的碳是全球碳循環(huán)(carbon cycle)過(guò)程中重要的一部分，在維持全球碳平衡過(guò)程中的作用巨大[5]。如圖1所示，綠色植物和自養(yǎng)微生物利用太陽(yáng)能及其他形式的化學(xué)能，吸收大氣中的CO2，將其轉(zhuǎn)化為貯存能量的有機(jī)化合物，人類及動(dòng)物從植物中獲取物質(zhì)和能量，并將死亡組織和排泄物返回土壤，微生物分解這些物質(zhì)，釋放其中的養(yǎng)分后，將一部分碳轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的土壤腐殖質(zhì)，一部分以CO2形式釋放到大氣中，再次供植物吸收，這個(gè)過(guò)程就是碳循環(huán)。

圖1　碳循環(huán)流程圖

Fig.1 The flow chart of carbon cycle

土壤有機(jī)質(zhì)是全球碳平衡過(guò)程中非常重要的碳庫(kù)。據(jù)估計(jì)，全球土壤有機(jī)質(zhì)的總碳量約為1.5×1012 噸[6]，超過(guò)植物碳庫(kù)(5.5～8.0×1011噸)和大氣碳庫(kù)(7.5×1011噸)[7]之和，其中農(nóng)田土壤貯存的碳占土壤總碳貯量的8%～10%[8]。土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解和植物光合作用吸收之間平衡關(guān)系的微小差異，就會(huì)導(dǎo)致大氣中CO2濃度的積累或虧欠[9]。每年因土壤有機(jī)物質(zhì)生物分解釋放到大氣的總碳量為6.8×1010噸[10]，是每年化石燃料燃燒釋放到大氣中碳的11.3倍?？梢?jiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)的損失可導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)的加劇，相反，土壤有機(jī)質(zhì)的固定，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅可以維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，而且能有效緩解全球溫室效應(yīng)。

2.1.2　土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬污染、有機(jī)污染的影響

重金屬在土壤中的積累不僅影響著植物、動(dòng)物的生長(zhǎng)和發(fā)育，而且通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人類的健康和生存構(gòu)成威脅。我國(guó)現(xiàn)今已有1/5左右的耕地受到不同程度的重金屬污染，造成糧食減產(chǎn)，更嚴(yán)重的是大約18.5%的農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超過(guò)我國(guó)食物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[11]。有機(jī)質(zhì)可與土壤中的重金屬元素形成絡(luò)合物、螯合物來(lái)影響土壤中重金屬的移動(dòng)性及其生物有效性。首先，有機(jī)質(zhì)加入土壤中能改變土壤對(duì)重金屬元素的吸附作用。天然有機(jī)質(zhì)是一種有效的吸附劑，能極大地降低重金屬離子的活度[12]。施用有機(jī)肥后，土壤有效態(tài)鎘(Cd)含量顯著降低，降幅約為40%[13]。McBride等[14]的研究表明，天然有機(jī)質(zhì)是一種有效的吸附劑，能極大地降低離子的活度。土壤有機(jī)質(zhì)是復(fù)雜的有機(jī)化合物，含有大量的絡(luò)合、螯合等活性官能團(tuán)，能通過(guò)絡(luò)合、螯合作用以及有機(jī)質(zhì)大分子的吸附作用，形成有機(jī)質(zhì)-金屬配合物[15]。除此之外，部分有機(jī)質(zhì)在土壤環(huán)境中以可溶性的絡(luò)合劑形式存在，他們通過(guò)與土壤中的重金屬離子之間的交換、吸附、絡(luò)合、螯合、絮凝、氧化還原等一系列反應(yīng)，改變重金屬的生物毒性和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[16]。其次，土壤中有機(jī)質(zhì)的氧化還原作用，改變土壤中重金屬元素的化學(xué)形態(tài)，降低毒性。胡敏酸可作為還原劑將劇毒的Cr6+還原為低毒的Cr3+，Cr3+可與胡敏酸上的羧基形成穩(wěn)定的復(fù)合體，從而限制動(dòng)植物對(duì)其的吸收。Kalbitz等[17]對(duì)土壤有效態(tài)重金屬含量與土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)分析，表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與有效態(tài)Hg、Cr、Cu、As的濃度成負(fù)相關(guān)，說(shuō)明增加有機(jī)質(zhì)可以降低重金屬的生物有效性，降低重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)每年的農(nóng)藥使用量達(dá)幾十萬(wàn)噸，約80%的農(nóng)藥直接進(jìn)入我們周圍的環(huán)境中，這其中絕大多數(shù)可以在土壤中形成結(jié)合殘留，其結(jié)合殘留量一般占使用量的20%～70%[18]，另一部分進(jìn)入大氣、農(nóng)田水系和生活食用水系，帶來(lái)更多的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題[19]。土壤有機(jī)質(zhì)是固定農(nóng)藥的最重要的土壤組成成分，其對(duì)農(nóng)藥的固定與腐殖質(zhì)功能基的數(shù)量、類型和空間排列密切相關(guān)，也與農(nóng)藥本身的性質(zhì)有關(guān)。一般認(rèn)為極性有機(jī)農(nóng)藥可以通過(guò)離子交換和質(zhì)子化、氫鍵、范德華力、配位體交換、陽(yáng)離子和水橋等與土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合。對(duì)于非極性有機(jī)農(nóng)藥可以通過(guò)分隔機(jī)制與之結(jié)合，因?yàn)楦迟|(zhì)分子中既有極性親水基團(tuán)，又有非極性的疏水基團(tuán)。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)藥有強(qiáng)烈的親和力，對(duì)農(nóng)藥在土壤中的生物活性、殘留、生物降解、遷移和蒸發(fā)等過(guò)程有重要的影響?？扇苄愿迟|(zhì)能增加農(nóng)藥從土壤向地下水的遷移，富里酸有較低的分子質(zhì)量和較高的酸度，比胡敏素溶解度大，能更有效地遷移農(nóng)藥和其他有機(jī)物質(zhì)。腐殖質(zhì)還能作為還原劑而改變農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)，這種改變因腐殖質(zhì)中羧基、酚羥基、醇羥基、雜環(huán)、半醌等的存在而加強(qiáng)。一些有機(jī)有毒化合物與腐殖質(zhì)結(jié)合后，其毒性降低或損失。在土壤中施入水溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)能增加溶解度較小的農(nóng)藥在土壤中的吸附量，其原因可能是土壤從DOM溶液中吸附了一些有機(jī)質(zhì)，增加了土壤有機(jī)質(zhì)濃度，從而增加土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附量[20]。

2.2　有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力的作用

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)土壤肥力的影響是多方面的，它對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)、理化性狀、生態(tài)功能等都有重要影響，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤培肥的重要內(nèi)容。目前，我國(guó)部分地區(qū)有機(jī)肥施用不足，各種增加土壤有機(jī)質(zhì)的措施沒(méi)有得到廣泛推廣，在長(zhǎng)期的高強(qiáng)度利用下，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降較大，造成土壤肥力下降和土壤退化。因此，合理地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)于維持和提高耕地地力，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

2.2.1　提供作物需要的各種養(yǎng)分，提高肥料利用率

土壤有機(jī)質(zhì)幾乎包括作物所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、硫、微量元素等)，大量資料表明，我國(guó)主要土壤表土中大約80%以上的氮、20%～76%的磷以有機(jī)態(tài)結(jié)合態(tài)存在，在大多數(shù)非石灰性土壤中，有機(jī)態(tài)硫占全硫的75%～95%。這些都是有機(jī)態(tài)的養(yǎng)分，作物不能直接吸收利用，隨著土壤有機(jī)質(zhì)的逐步礦化，這些養(yǎng)分都可以轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)態(tài)形式被作物和微生物吸收利用。據(jù)估計(jì)，土壤有機(jī)質(zhì)的分解、微生物和根系呼吸作用所產(chǎn)生的CO2每年可達(dá)1.35×1011噸，和陸地植物的需求量相當(dāng)，因此，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解產(chǎn)生的CO2是大氣中CO2的主要來(lái)源，也是植物碳素營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。此外，有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的多種有機(jī)酸和腐殖酸對(duì)土壤礦物質(zhì)有一定的溶解能力，可以促使礦物風(fēng)化，有利于某些養(yǎng)料的有效化。例如，可以增加礦物質(zhì)磷、鉀的溶解度，從而提高土壤磷、鉀的活性，還可以絡(luò)合或螯合土壤中的Cu、Zn等金屬元素，防止生成沉淀，從而提高其有效性。

土壤有機(jī)質(zhì)不僅可以提供作物所需的各種養(yǎng)分，還可以提高氮磷鉀等養(yǎng)分的利用率。土壤中的氮和磷元素以有機(jī)形態(tài)存在于土壤有機(jī)質(zhì)中，只有經(jīng)過(guò)礦化作用才能釋放而被作物吸收利用，當(dāng)人工施入速效態(tài)氮肥和磷肥后，有機(jī)質(zhì)可以防止氮肥的流失和磷肥的固定，作物和微生物能有較長(zhǎng)的時(shí)間利用這些速效態(tài)的養(yǎng)分，因此可以提高氮肥和磷肥的利用率。有研究表明，施用有機(jī)肥可以顯著提高作物對(duì)土壤磷素和鉀素的吸收率[有效磷(鉀)/全磷(鉀)]，進(jìn)而提高磷、鉀肥的利用率[21]。蘇紅[22]等對(duì)新民市菜園土的研究指出，土壤有機(jī)質(zhì)與各速效養(yǎng)分含量變化均表現(xiàn)為正相關(guān)性，土壤有機(jī)質(zhì)含量是制約土壤養(yǎng)分有效性的關(guān)鍵因素。土壤腐殖質(zhì)可以促進(jìn)膠體表面吸附態(tài)鉀離子的解離，所帶的正電荷也可以交換結(jié)合態(tài)的鉀，另外腐殖酸可以活化礦物結(jié)合態(tài)的鉀，以利于作物對(duì)鉀的吸收利用。對(duì)海南典型胡椒園0～40 cm土層養(yǎng)分的相關(guān)性的研究結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮、速效鉀、有效銅、有效硫呈極顯著正相關(guān)，與交換性鈣呈顯著正相關(guān)[23]。

2.2.2　促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改良土壤物理狀況

土壤腐殖質(zhì)是一種膠體，其黏結(jié)力和黏著力都大于砂粒，施于砂粒土壤后能增加砂土的粘性，可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。另一方面，由于它松軟、絮狀、多孔，而黏結(jié)力又不如黏粒強(qiáng)，所以黏粒被它包被后，易形成散碎的團(tuán)粒，使土壤變得比較松軟而不再結(jié)成硬塊。因此，土壤有機(jī)質(zhì)能改變砂土的分散無(wú)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和黏土的堅(jiān)韌大塊結(jié)構(gòu)，使土壤的透水性、蓄水性、通氣性以及根系的生長(zhǎng)環(huán)境有所改善。

土壤有機(jī)質(zhì)作為膠結(jié)物質(zhì)可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)質(zhì)的物理、化學(xué)保護(hù)作用又可以穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)，防止有機(jī)質(zhì)快速礦化分解[24]。Tisdall和Oades[25]提出的團(tuán)聚體層次性概念模型是理解團(tuán)聚體-有機(jī)質(zhì)相互作用最重要的模型之一。該模型認(rèn)為微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體過(guò)程中，腐殖化的有機(jī)質(zhì)等持久性膠結(jié)劑將自由的原生顆粒和粉粒級(jí)團(tuán)聚體(＜20 μm)膠結(jié)成微團(tuán)聚體(20～250 μm)，大團(tuán)聚體(＞250 μm)則是由微團(tuán)聚體在臨時(shí)的(如：真菌絲、植物根系)和短暫的(如：微生物和植物分泌的多糖)有機(jī)膠結(jié)劑結(jié)合而成。團(tuán)聚體具有保證和協(xié)調(diào)土壤的水肥氣熱、影響土壤酶的種類和活性、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層的作用[26]。

腐殖質(zhì)能明顯加深土壤顏色，使土壤升溫快。同時(shí)，腐殖質(zhì)的熱容量比空氣、礦物質(zhì)大，比水小，導(dǎo)熱率居中。因此，在同樣日照條件下，有機(jī)質(zhì)含量較多，其土溫相對(duì)較高，利于保溫和春播作物的早發(fā)速長(zhǎng)。

2.2.3　調(diào)節(jié)植物生理活性，促進(jìn)作物生長(zhǎng)

腐植酸被證明是一類植物生理活性物質(zhì)，在一定濃度下，它能提高細(xì)胞滲透壓，從而增強(qiáng)作物的抗旱能力，腐植酸鈉是某些抗旱劑的主要成分。腐殖質(zhì)能提高過(guò)氧化酶的活性，從而加速種子發(fā)芽，增強(qiáng)根系活力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。低濃度的腐植酸溶液還可以加強(qiáng)植物的呼吸作用，增加細(xì)胞膜的透性，提高其對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，并加速細(xì)胞分裂，增強(qiáng)根系發(fā)育。同時(shí)有機(jī)質(zhì)中的維生素和一些激素能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2.4　增強(qiáng)土壤的保水保肥能力和緩沖性

腐殖質(zhì)疏松多孔，又是親水膠體，有很強(qiáng)的吸水能力，單位質(zhì)量腐殖質(zhì)的持水量是黏粒礦物的4～5倍，最大吸水量可超過(guò)本身質(zhì)量的500%，所以腐殖質(zhì)含量高的土壤保水能力較強(qiáng)。單位質(zhì)量腐殖質(zhì)保存陽(yáng)離子養(yǎng)分的能力比礦物質(zhì)膠體大2～30倍。在礦質(zhì)土壤中腐殖質(zhì)對(duì)陽(yáng)離子吸附量的貢獻(xiàn)占20%～30%，在保肥力很弱的砂性土壤中腐殖質(zhì)的這一作用顯得尤為突出。因此在砂性土壤上增施有機(jī)肥以提高其腐殖質(zhì)含量后不僅增多了土壤中養(yǎng)料含量，改善了砂土的物理性質(zhì)，還能提高其保水保肥能力。

腐殖酸是一種含有許多酸性功能團(tuán)的弱酸，腐殖酸和其鹽類可組成緩沖體系，此外，土壤中還存在多種低分子有機(jī)酸，在土壤溶液中構(gòu)成一個(gè)良好的緩沖體系，可以緩沖土壤溶液中外來(lái)的H+、OH-和其他酸堿物質(zhì)，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好的酸堿環(huán)境。所以，在提高土壤腐殖質(zhì)的同時(shí)，還提高了土壤對(duì)酸堿度變化的緩沖性能。

2.2.5　促進(jìn)土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng)

所謂土壤動(dòng)物，是指一段時(shí)間內(nèi)定期在土壤中度過(guò)，而對(duì)土壤具有一定影響的動(dòng)物[27]。主要分為土壤原生動(dòng)物和土壤后生動(dòng)物，原生動(dòng)物是一類單細(xì)胞動(dòng)物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)量多、分布廣，常見(jiàn)的原生動(dòng)物有變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)等：后生動(dòng)物個(gè)體較大，主要有蚯蚓、線蟲(chóng)、螨蟲(chóng)等。土壤動(dòng)物以土壤有機(jī)質(zhì)(包括腐殖物質(zhì)和非腐殖物質(zhì))或其他生物為食[28]，因此，許多研究表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤動(dòng)物的數(shù)量成正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)能促進(jìn)土壤動(dòng)物自身的代謝、生殖等活動(dòng)，土壤動(dòng)物也可通過(guò)直接和間接途徑影響有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程。

土壤微生物主要指在土壤生態(tài)系統(tǒng)中體積小于5×10-6 m3的生物體的總稱，包括細(xì)菌、真菌、放線菌、病毒和小型藻類。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤微生物生命活動(dòng)所需養(yǎng)分和能量的主要來(lái)源，土壤微生物生物量隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，兩者具有極顯著的正相關(guān)[29]。有機(jī)質(zhì)的C/N影響著不同微生物類群的活性，有研究表明，C/N較高的木質(zhì)素和纖維素可以刺激真菌的繁殖，加速此類物質(zhì)的分解礦化，C/N較低的腐殖質(zhì)等可以促進(jìn)細(xì)菌的活性，加速腐殖質(zhì)化過(guò)程。

2.2.6　補(bǔ)充植物碳素營(yíng)養(yǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)

碳素是組成植物體的主要物質(zhì)，但植物只能從土壤中吸收很少一部分的簡(jiǎn)單有機(jī)物，如：氨基酸、單糖等，植物體絕大部分的碳通過(guò)植物光合作用從環(huán)境中吸收。土壤呼吸(未受擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用，包括土壤有機(jī)質(zhì)的分解、土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸、土壤動(dòng)物的呼吸和含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等[30])釋放的CO2可以補(bǔ)充植物的碳素營(yíng)養(yǎng)，美國(guó)的研究證實(shí)，在全球變暖和大氣CO2濃度增加的條件下，植被的生長(zhǎng)速度加快，使土壤有機(jī)質(zhì)增加，從而增加碳匯[31]。各種植被類型的土壤呼吸都有明顯的日動(dòng)態(tài)、季節(jié)動(dòng)態(tài)和年動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，土壤呼吸的最大值多出現(xiàn)在每天的13:00～15:00，與土壤溫度最大值同步，滯后于大氣溫度最大值，特定條件下，土壤呼吸隨土壤溫度的升高而升高[32]。土壤呼吸春夏季大于秋冬季，土壤呼吸最高值出現(xiàn)在每年的6～8月份[33]，較高的溫度條件下，植物生理活動(dòng)加速，土壤微生物活性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)礦化加劇，排放的CO2增加，這部分CO2可以直接被植物吸收利用。總的來(lái)說(shuō)，植物碳營(yíng)養(yǎng)與光合作用同步，與較高的水熱條件同步。

目前，在土壤有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目的大力推動(dòng)下，增施有機(jī)肥、秸稈還田和種植綠肥等增加土壤有機(jī)質(zhì)的措施得到推廣，較多有機(jī)物質(zhì)的輸入可引起土壤呼吸加速，排放CO2的量增加。據(jù)有關(guān)部門測(cè)定，畝施5000 kg有機(jī)肥，可使溫室內(nèi)部空間的CO2濃度比未施有機(jī)肥的溫室增加50%～150%。這樣農(nóng)作物處在一個(gè)CO2濃度相對(duì)高的環(huán)境中，在其他條件適宜的情況下，較高的CO2濃度可以促進(jìn)作物光合作用[34]，提高作物產(chǎn)量，因此，土壤有機(jī)質(zhì)間接為作物提供了碳素營(yíng)養(yǎng)。溫室、大棚作物施用二氧化碳?xì)夥适且陨侠碚摰木唧w應(yīng)用，它人為提高了作物生長(zhǎng)環(huán)境中CO2濃度，是作物高效利用碳素，提高產(chǎn)量和品質(zhì)的有效措施。對(duì)溫室、大棚的農(nóng)作物和蔬菜的研究均證明，施用二氧化碳?xì)夥誓苎a(bǔ)充室內(nèi)CO2濃度的虧缺，提高作物光合作用利用率，增加有效積累，提高品質(zhì)，增加產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益[35，36]。

施用有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量是提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)主要途徑之一。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著人口膨脹，對(duì)糧食需求的迅速增加，我國(guó)農(nóng)田有機(jī)肥施用量逐漸減少，化肥施用量快速增加，導(dǎo)致土壤板結(jié)，肥力下降，而且污染了環(huán)境，降低了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[37]。近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及安全性要求也逐步提高，施用有機(jī)肥可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)的相互協(xié)調(diào)。首先，有機(jī)肥可以提供穩(wěn)定、持續(xù)的養(yǎng)分，協(xié)調(diào)的養(yǎng)分供應(yīng)可提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。過(guò)量的施用化肥會(huì)使土壤中氮素急劇波動(dòng)，過(guò)剩的速效氮導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品，尤其是蔬菜硝酸鹽積累[38]，造成植物的營(yíng)養(yǎng)失衡，甚至產(chǎn)生直接毒害作用[39]，硝酸鹽進(jìn)入人體后被還原為亞硝酸鹽，進(jìn)一步形成強(qiáng)致癌物亞硝胺，影響人體健康。氮過(guò)量還導(dǎo)致可溶性糖、維生素減少，氨基酸、木質(zhì)素、纖維素和多酚類物質(zhì)增多，結(jié)晶度提高，果實(shí)的口感差[40]。而氮素缺乏同樣影響植物正常的生長(zhǎng)，在以化肥為主的栽培制度下，在作物生育期內(nèi)可能出現(xiàn)多次氮素過(guò)剩和缺乏的現(xiàn)象。有機(jī)肥穩(wěn)定和持續(xù)的養(yǎng)分釋放，可以和作物的生理需求和諧同步，確保了作物營(yíng)養(yǎng)代謝協(xié)調(diào)平衡，提高了作物的自身免疫能力，減少了作物的應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)物和有害物質(zhì)的積累，促進(jìn)了作物繁殖器官及其儲(chǔ)藏性產(chǎn)物的富集，從而實(shí)現(xiàn)抗逆、增產(chǎn)、增質(zhì)的目標(biāo)。其次，施用有機(jī)肥可以克服連作障礙，抑制有害病原菌，減少作物病害。有機(jī)肥施入土壤后，其中的無(wú)機(jī)鹽類可直接抑制病原菌，微生物有機(jī)肥還可以拮抗土壤中的有害菌群，增加有益微生物的種群數(shù)量，克服由于連作作物分泌的特定物質(zhì)導(dǎo)致土壤微生物區(qū)系失衡和對(duì)植物的毒害作用[41]。大量研究表明，微生物有機(jī)肥對(duì)黃瓜枯萎病[42]、香蕉枯萎病[43]、番茄根結(jié)線蟲(chóng)[44]、棉花黃萎病[45]等病害防治效果顯著，可以減少作物發(fā)病率，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。再次，有機(jī)肥含有大量的生物活性物質(zhì)和微量元素，可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)、代謝等生理活動(dòng)。施用有機(jī)肥可提高土壤中轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、淀粉酶、蔗糖酶、磷酸酶、脫氫酶、ATP酶等多種酶的活性，還可以促進(jìn)微生物合成維生素B1、B6、B12、生物素和生長(zhǎng)素，有利于作物生長(zhǎng)[46]。

3　提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的措施

自然土壤開(kāi)墾為耕地后，有機(jī)物質(zhì)輸入與分解之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，耕作等農(nóng)業(yè)措施常使表層土壤充分混合，干濕交替的頻率和強(qiáng)度增加，土壤通氣性狀況良好，適宜的水分條件和養(yǎng)分供應(yīng)也促使微生物更為活躍，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度加快。資料表明：開(kāi)墾20年后東北黑土的土壤有機(jī)質(zhì)含量下降1/3，在開(kāi)墾40年后土壤有機(jī)質(zhì)減少到原來(lái)的1/2左右，開(kāi)墾70～80年的黑土有機(jī)質(zhì)下降2/3左右[47]。土壤有機(jī)質(zhì)含量降低導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降已成為世界各國(guó)關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)人多地少，復(fù)種指數(shù)高，土壤有機(jī)質(zhì)下降尤為明顯，維持較高土壤有機(jī)質(zhì)含量是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要保障。

增加土壤有機(jī)質(zhì)需遵循生態(tài)平衡原則和經(jīng)濟(jì)原則。土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤礦化作用與腐殖化作用等綜合作用的結(jié)果，取決于土壤腐殖化系數(shù)和礦化系數(shù)的高低，要增加土壤中的有機(jī)質(zhì)就必須使土壤有機(jī)質(zhì)積累量大于有機(jī)質(zhì)降解量，使有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的平衡過(guò)程向有機(jī)質(zhì)含量提高的方向移動(dòng)。但土壤有機(jī)質(zhì)含量提高是個(gè)十分緩慢的過(guò)程，而且加入土壤中的有機(jī)物質(zhì)越多，礦化作用就越強(qiáng)。土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高是有上限的，超量增施有機(jī)肥等增加土壤有機(jī)質(zhì)的方法是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的。在一定條件下，隨加入有機(jī)質(zhì)的增多，土壤微生物的數(shù)量也增加，分解的有機(jī)質(zhì)相應(yīng)也多，造成養(yǎng)分的浪費(fèi)，地下水硝酸鹽超標(biāo)等問(wèn)題。二十世紀(jì)九十年代，《歐共體硝酸鹽控制法令》的頒布使得西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家致力于消減耕地中施用的糞便量(表3)，該法令規(guī)定今后土地施用糞便的含氮量不超過(guò)170 kg/hm2(每畝為11.3 kg)。隨后，荷蘭等國(guó)家提出了標(biāo)準(zhǔn)牛當(dāng)量的概念，即：1頭標(biāo)準(zhǔn)成年牛一年排放的糞尿所供給農(nóng)作物吸收的氮量[48]。因此，根據(jù)《法令》的要求，結(jié)合糞便中氮(或磷)的養(yǎng)分含量和標(biāo)準(zhǔn)牛當(dāng)量折算成牛(或豬)的數(shù)量，也就是每年單位面積耕地土壤可容納牛(或豬)的數(shù)量[49]。這些量都有不斷減少的趨勢(shì)，目的在于既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保地施用畜禽糞尿等有機(jī)廢棄物。楊自立[50]等提出了我國(guó)全年耕地畜禽糞尿肥分適宜量控制在氮素150～225 kg/ hm2(每畝10～15 kg)，磷素75～120 kg/hm2(每畝5～8 kg)。

表3　歐洲國(guó)家農(nóng)田施用畜禽糞便的規(guī)定

注：摘自楊自立等，《耕地的畜禽糞尿肥分負(fù)荷量及其折算方法》。

3.1　增施有機(jī)肥

增施有機(jī)肥是增加土壤有機(jī)質(zhì)最有效、最直接的方法。據(jù)2006年對(duì)26個(gè)省有機(jī)肥料資源調(diào)查，我國(guó)每年各種有機(jī)肥料總產(chǎn)量達(dá)33億噸左右，折合成純養(yǎng)分3600多萬(wàn)噸，是投入化肥養(yǎng)分的80%[51]。隨著農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，有機(jī)肥的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)有很大的提高，有機(jī)肥資源是提高土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保障。目前，商品有機(jī)肥在我國(guó)處于主導(dǎo)地位，它主要是指將動(dòng)物廢棄物、植物殘?bào)w等經(jīng)過(guò)堆肥(添加菌劑)、攪拌發(fā)酵、加工造粒、包裝等工藝加工而成的新型肥料，它與化肥配合使用，可以達(dá)到相互補(bǔ)充，平衡施肥的目的，具有養(yǎng)分均衡，肥效持久，安全無(wú)污染等特點(diǎn)。有機(jī)肥在提高肥料利用率，增加作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提高微生物活性，抑制土傳病害、增強(qiáng)作物抗逆性、促進(jìn)作物早熟等方面的作用顯著，是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要內(nèi)容。

有機(jī)肥料施入土壤后，首先改善了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤容重減小，通透性增強(qiáng)，團(tuán)聚體形成加速，提高了土壤保水、保肥和通透性，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境：其次，良好的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了土壤微生物和酶活性增強(qiáng)，有利于提高土壤緩沖性和抗逆性，為作物生長(zhǎng)提供了良好的根際微環(huán)境。相關(guān)研究表明，9年單施有機(jī)肥52.5～105噸/公頃，土壤有機(jī)質(zhì)提高1.24～1.86 g/kg，容重降低0.04～0.06 g/cm2，總孔隙度提高1.5%～2.3%，毛管孔隙度提高3.45%～4.05%，田間持水量提高1.13%～1.31%。土壤理化性質(zhì)的改善和生物活性的增強(qiáng)，使土壤水、肥、氣、熱得以協(xié)調(diào)，更好地滿足作物生長(zhǎng)的需要。

3.2　種植綠肥

綠肥是指所有能翻耕到土壤中作為肥料用的綠色植物，它是利用大量存在的閑置土地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料的一種方式，對(duì)改良和培肥土壤，提高耕地質(zhì)量，減少化肥投入，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等方面作用顯著，是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[52]，也是低碳種植業(yè)乃至低碳農(nóng)業(yè)的核心環(huán)節(jié)。綠肥按植物學(xué)科可分為豆科綠肥和非豆科綠肥，豆科綠肥根部有根瘤，能固定空氣中的氮素，如紫云英、苕子、豌豆、豇豆等：非豆科綠肥指一切沒(méi)有根瘤的，本身不能固定空氣中氮素的植物，如油菜、茹菜、金光菊等。綠肥是我國(guó)傳統(tǒng)的重要有機(jī)肥料之一，綠肥來(lái)源廣，數(shù)量大，肥效好，成本低，效益大，綜合利用可以改良土壤，保護(hù)環(huán)境。

綠肥施入土壤后的作用全面、持久，可以為土壤提供豐富的養(yǎng)分。綠肥的養(yǎng)分含量以占干物重的百分率計(jì)，氮(N)為2%～4%，磷(P2O5)為0.2%～0.6%，鉀(K2O)為1%～4%，豆科綠肥作物還能把不能直接利用的氮?dú)夤潭ㄞD(zhuǎn)化為可被作物吸收利用的氮素養(yǎng)分。綠肥翻壓入土壤后，在微生物的作用下進(jìn)行復(fù)雜的分解礦化作用，將自身的氮、磷、鉀等元素歸還到土壤中，為作物提供充足的礦質(zhì)元素。綠肥還可以改善土壤的物理化學(xué)性狀[53，54]。綠肥翻入土壤后，在微生物的作用下分解轉(zhuǎn)化，形成的腐殖質(zhì)能促進(jìn)土壤膠結(jié)成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤疏松、透氣，保水保肥力強(qiáng)，調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的性能好，有利于作物生長(zhǎng)。綠肥還可以促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)。綠肥施入土壤后，增加了新鮮有機(jī)能源物質(zhì)，使微生物迅速繁殖，活動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)腐殖化過(guò)程。

綠肥施入可以提高和改善土壤有機(jī)質(zhì)，提高有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合量，尤以綠肥配施無(wú)機(jī)肥最為顯著。綠肥還田后，土壤有機(jī)質(zhì)有一個(gè)總體上升的趨勢(shì)，綠肥還田后一個(gè)月內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)有一個(gè)快速增加的過(guò)程，隨后開(kāi)始下降，約1個(gè)月后下降到一個(gè)低點(diǎn)，然后又出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定增加并逐漸趨向穩(wěn)定過(guò)程[55]。有研究表明，長(zhǎng)期施用綠肥等有機(jī)肥能提高土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)以及緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量，富里酸和胡敏酸的含量均相應(yīng)增加，其中，富里酸在腐殖質(zhì)中的比例降低，胡敏酸在腐殖質(zhì)中的比例提高[56，57]。

3.3　秸稈還田

秸稈因含有一定的氮、磷、鉀等多種元素，同時(shí)富含大量的纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)而一直受到農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者的高度關(guān)注，人們?cè)诮斩掃€田的技術(shù)、作用以及產(chǎn)生的問(wèn)題等方面進(jìn)行了大量研究。早期研究表明[58]，秸稈還田對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機(jī)質(zhì)等具有重要作用，因此許多國(guó)家已將秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤改良培肥的一項(xiàng)有效措施。我國(guó)秸稈資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2009年我國(guó)秸稈年產(chǎn)量約7.89億噸，約占全世界的40%，但目前這些秸稈除小部分用作燃料、造紙、畜牧飼料外，大部分秸稈被就地焚燒，還田率較低，僅占總產(chǎn)量的1/4，因此在我國(guó)推廣秸稈還田技術(shù)潛力巨大。秸稈還田可以有效遏制秸稈就地焚燒，對(duì)保護(hù)環(huán)境、建設(shè)低碳農(nóng)業(yè)意義重大。

目前，我國(guó)秸稈還田的主要方式包括：直接還田、堆漚還田、過(guò)腹還田、快速腐熟還田和秸稈免耕還田等。直接還田是將作物秸稈通過(guò)機(jī)械粉碎、翻壓、覆蓋等方式歸還農(nóng)田，秸稈直接還田可分為翻壓還田和覆蓋還田兩種方式。在華北地區(qū)秸稈主要是通過(guò)機(jī)械粉碎還田，長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要通過(guò)地表鋪蓋或隴間覆蓋還田，華南地區(qū)一部分地區(qū)通過(guò)殘茬覆蓋還田。隨著秸稈還田技術(shù)的不斷發(fā)展，秸稈快速腐熟技術(shù)和免耕秸稈還田技術(shù)發(fā)展迅速，示范效果良好，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景?？焖俑爝€田是在堆漚還田的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入秸稈快速腐熟劑，加速秸稈的腐熟速度和腐熟質(zhì)量，可以縮短秸稈腐熟還田時(shí)間5～10天，有效解決了在農(nóng)時(shí)茬口短的地區(qū)秸稈焚燒問(wèn)題。免耕秸稈還田技術(shù)不翻耕土壤，直接在上茬作物的土壤上播種，上茬作物的秸稈通過(guò)自然條件分解腐熟，具有提高耕地有機(jī)質(zhì)、保護(hù)土壤墑情、提高地溫、降低雜草等功能。

秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)。秸稈還田具有良好的改土培肥、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加0.05～0.25 mm粗粒級(jí)團(tuán)聚體含量的作用[59]，土壤結(jié)構(gòu)是調(diào)控土壤物理、生物過(guò)程和土壤有機(jī)質(zhì)分布的重要因素之一，李小剛等[60]在土壤中添加玉米、小麥秸稈后進(jìn)行室內(nèi)恒溫培養(yǎng)，3個(gè)月后測(cè)定土壤粘粒分散率，結(jié)果表明粘粒分散性減小，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。李新舉等[61，62]對(duì)秸稈覆蓋和秸稈翻壓還田進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明無(wú)論是秸稈覆蓋還是秸稈翻壓還田都能增加土壤孔隙度、減少土壤容重?？紫抖鹊脑黾涌梢蕴岣咄寥辣Ｋ?，秸稈施入降低土溫，破壞毛管水連續(xù)性，減少水分散失。

秸稈還田可以有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。對(duì)小麥秸稈還田的研究表明，秸稈還田各處理的有機(jī)碳含量都高于無(wú)秸稈還田處理，麥稈還田和根茬還田均可提高土壤中有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)量[63，64]。秸稈還田增加有機(jī)質(zhì)的效果在南方水田更為顯著，陳尚洪等[65]的試驗(yàn)表明，在一年兩熟水旱輪作條件下連續(xù)的秸稈還田提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，且秸稈還田旋耕比免耕的效果更為明顯。段華平等[66]的研究同樣表明，秸稈還田處理比無(wú)秸稈還田處理稻田土壤有機(jī)碳含量平均提高了14.01%，耕作層(0～20 cm)土壤碳密度平均提高了9.18%，并指出適當(dāng)?shù)母骺商岣咄寥烙袡C(jī)碳含量和耕作層有機(jī)碳密度。

秸稈還田可以為作物提供鉀素，緩解我國(guó)鉀肥資源緊張的局面。中國(guó)鉀資源貧乏，土壤缺鉀和施鉀增產(chǎn)的報(bào)道逐漸增多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中鉀肥的施用也逐漸增多[67]。土壤鉀的存在形態(tài)、含量分布及其植物有效性是決定土壤供鉀能力的重要因素[68]，面對(duì)日益嚴(yán)重的土壤缺鉀問(wèn)題，秸稈還田被認(rèn)為是除鉀肥以外的對(duì)土壤鉀的有效補(bǔ)充手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國(guó)秸稈還田總量48949萬(wàn)噸，其中直接還田23847萬(wàn)噸[69]。另?yè)?jù)全國(guó)11個(gè)省(自治區(qū))提供的大樣本養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果，水稻、小麥、玉米和大豆秸稈(烘干基)中平均含鉀(純鉀)分別為1.89%、1.05%、1.18%和1.17%[70，71]，全國(guó)秸稈中含純鉀超過(guò)400萬(wàn)噸，按照中國(guó)農(nóng)科院推薦計(jì)算方法，僅2009年有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目實(shí)施田塊因秸稈還田平均每畝可減少鉀肥用量0.182 kg(純量)，共減少鉀肥用量2184噸(純量)。譚德水等[72]研究了13年秸稈還田對(duì)土壤鉀素的影響，秸稈還田比NP處理可不同程度提高河北潮土和山西褐土耕層土水溶性鉀、非特殊吸附鉀、非交換性鉀、礦物鉀及全鉀含量，且降低礦物鉀比例的同時(shí)提高其余幾種形態(tài)鉀的比例。在我國(guó)北方13個(gè)省(市、自治區(qū))的25個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行5年的秸稈還田試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田對(duì)作物吸鉀量有提高作用，秸稈還田配施鉀肥可以緩解土壤速效鉀、緩效鉀含量逐漸下降的趨勢(shì)[73]。玉米秸稈還田促進(jìn)了秸稈后期養(yǎng)分釋放，加速有機(jī)態(tài)鉀礦化分解，土壤速效鉀含量提高12.62%～28.19%[74]。對(duì)南方烏柵土和紅壤性水稻土秸稈還田的研究表明，長(zhǎng)期秸稈還田可以增加土壤剖面全鉀和速效鉀的含量，以秸稈配施化肥處理的含量最高[75]。

提高秸稈還田的效果要注意秸稈還田量要適宜，并補(bǔ)充水分，增施速效氮肥。秸稈直接還田量一般以每畝100～150千克的干秸稈或350～500千克的濕秸稈為宜，過(guò)多的秸稈還田導(dǎo)致分解不完全而影響耕作。土壤墑情好，水分充足，才能保證微生物對(duì)秸稈的快速分解，秸稈還田后因土壤更加疏松，需水量更大，因此要早澆水、澆足水，為微生物活動(dòng)創(chuàng)造一個(gè)合適的生態(tài)環(huán)境，以利于秸稈充分腐熟分解。水稻、小麥、玉米等禾本科作物秸稈的碳氮比為80～100∶1，而土壤微生物分解有機(jī)物適宜的碳氮比為25～30∶1，所以秸稈直接還田后需要補(bǔ)充適量的氮肥，以避免微生物分解秸稈的過(guò)程中與作物爭(zhēng)奪土壤中的氮素與，影響作物正常生長(zhǎng)。

3.4　保護(hù)性耕作

土壤保護(hù)性耕作(Conservation tillage)由美國(guó)CTIC定義為：指那種地表保持作物殘茬覆蓋30%以上，使土壤侵蝕減少50%的耕作-種植體系[76]。一般指那種與傳統(tǒng)耕作相比能夠減少土壤或水分損失的耕作體系[77]，包括少耕、免耕、覆蓋耕作等。FAO又稱這種保護(hù)性農(nóng)業(yè)體系為“保護(hù)農(nóng)業(yè)”，它是指由保持土壤覆蓋，減少土壤翻動(dòng)和壓實(shí)，實(shí)行作物輪作等基本內(nèi)容組成，采取土壤、水分和農(nóng)業(yè)資源保護(hù)性管理措施，以增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益為目標(biāo)，保障糧食安全及環(huán)境和資源保護(hù)的綜合的可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系[78]。

土壤耕作引起的土壤有機(jī)質(zhì)的大量損失已是不爭(zhēng)的事實(shí)，土壤保護(hù)性耕作被特別強(qiáng)調(diào)作為一項(xiàng)有效的增加土壤有機(jī)質(zhì)和減少農(nóng)田CO2排放的措施而受到全球更廣泛的關(guān)注[79]。經(jīng)過(guò)二十多年的探索和試驗(yàn)，我國(guó)學(xué)者先后研究提出了陜北丘陵溝壑區(qū)坡地水土保護(hù)性耕作技術(shù)、山西旱地玉米整秸稈全程覆蓋耕作技術(shù)、華北夏玉米免耕覆蓋耕作技術(shù)以及機(jī)械化免耕覆蓋技術(shù)、南方稻區(qū)稻田自然免耕技術(shù)等研究成果，并研發(fā)了適合我國(guó)國(guó)情的免耕播種機(jī)、深松機(jī)等不同系列的中小型保護(hù)性耕作機(jī)具，并在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，取得明顯的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[80～82]。

由于保護(hù)性耕作減少了對(duì)土壤的翻動(dòng)，深層土壤接觸空氣的機(jī)會(huì)減少，土壤原有有機(jī)質(zhì)的礦化分解減弱，土壤水分蒸發(fā)也相應(yīng)減少，而且，殘留于田間或另外覆蓋于土壤之上的秸稈等有機(jī)物料的降解也使歸還到土壤的有機(jī)質(zhì)數(shù)量增多[83]。因此，保護(hù)性耕作可不同程度增加土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量。保護(hù)性耕作影響土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。少免耕使土壤不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)輸入增加，流失減少，意味著土壤匯集碳增加，而損失到大氣中的CO2減少。同時(shí)，免耕少耕使風(fēng)雨對(duì)土壤的侵蝕作用降低，起到減少土壤有機(jī)質(zhì)流失的作用。保護(hù)性耕作降低土壤表層溫度，減少土壤水分蒸發(fā)，使水分和熱量交換降低，提高土壤含水量，降低土壤透氣性。在干熱氣候條件下，這些作用會(huì)增加土壤微生物活性，顯著提高土壤微生物量及微生物種類，土壤微生物碳也相應(yīng)提高，使更多的不穩(wěn)定碳得以固定積累，減少由于礦化引起的損失[83，84]，從而使作物殘茬更多的轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物碳和可礦化碳。在0～5 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物碳和可礦化碳比傳統(tǒng)耕作下的土壤高33%～125%，免耕與提高復(fù)種指數(shù)相結(jié)合，可更加有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。采用保護(hù)性耕作后最顯著的變化就是土壤結(jié)構(gòu)的改變引起土壤團(tuán)聚體數(shù)量的變化[85]。常規(guī)耕作下，土壤結(jié)構(gòu)的破壞以及頻繁的干濕循環(huán)[86]，使本來(lái)受到團(tuán)聚體保護(hù)的土壤有機(jī)碳得以暴露，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)礦化速率提高，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解釋放。耕作強(qiáng)度的增加導(dǎo)致土壤中富含碳的大團(tuán)聚體破壞加劇，形成大量有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低的小團(tuán)聚體和游離有機(jī)質(zhì)顆粒，而游離的有機(jī)質(zhì)顆粒穩(wěn)定性差，極易降解，從而引起土壤有機(jī)碳的損失。采用保護(hù)性耕作后，土壤各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加，團(tuán)聚體中的碳得到了保護(hù)，長(zhǎng)期穩(wěn)定的保存在土壤中。

4　問(wèn)題與建議

近二十年來(lái)，隨著耕地的減少，所需糧食的增加，對(duì)土壤的掠奪性索取加劇，加之化學(xué)肥料的大量使用導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤退化嚴(yán)重。在這樣的情況下，我國(guó)不斷探索增加土壤有機(jī)質(zhì)的技術(shù)措施，秸稈還田，種植綠肥，增施有機(jī)肥等項(xiàng)目得到了廣泛的推廣應(yīng)用，土壤有機(jī)質(zhì)提升效果明顯，但是還存在一些問(wèn)題。

4.1　農(nóng)民認(rèn)識(shí)不到位，積極性不高

土壤有機(jī)質(zhì)提升是一項(xiàng)較長(zhǎng)期的工作，項(xiàng)目實(shí)施較費(fèi)工費(fèi)時(shí)，短期內(nèi)沒(méi)有施用化肥的增產(chǎn)效果明顯，農(nóng)民還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到提高土壤有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，另外農(nóng)村勞動(dòng)力相對(duì)短缺和我國(guó)耕地使用權(quán)屬的更迭等問(wèn)題凸顯，導(dǎo)致農(nóng)民積極性不高，影響了項(xiàng)目實(shí)施。因此，各地要從提高耕地質(zhì)量的重要性、科學(xué)性上加強(qiáng)宣傳，樹(shù)立典型，做好示范，加大對(duì)有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目的補(bǔ)貼力度，使農(nóng)民真正地得到實(shí)惠，更要讓農(nóng)民真正感受到土壤有機(jī)質(zhì)提升工作在改善農(nóng)村環(huán)境、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約農(nóng)業(yè)成本、增加農(nóng)民收入和建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村中的重要作用，引導(dǎo)和鼓勵(lì)農(nóng)民積極參與。另外，要以家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制為基礎(chǔ)，加強(qiáng)農(nóng)村土地的合法流轉(zhuǎn)，形成規(guī)?；?、集約化、現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式，有利于土壤有機(jī)質(zhì)提升工作的機(jī)械化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2　技術(shù)、設(shè)備不配套，實(shí)施效果不理想

相對(duì)成熟的技術(shù)模式在推廣過(guò)程中往往遇到設(shè)備不齊全而無(wú)法有效實(shí)施，現(xiàn)階段農(nóng)村生產(chǎn)力水平發(fā)展不均衡，一些地方相對(duì)比較落后，普遍缺乏收割、粉碎、旋耕、深翻、播種等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，影響了實(shí)施效果。另外，一些新技術(shù)的推廣應(yīng)用受當(dāng)?shù)貤l件的限制而無(wú)法有效實(shí)施，例如秸稈腐熟還田技術(shù)依賴溫度和水分，灌排設(shè)施不齊全的水田和旱地應(yīng)用該技術(shù)可能引起腐熟時(shí)間長(zhǎng)，腐熟不徹底等問(wèn)題。因此，要加大科技投入，改革傳統(tǒng)的有機(jī)肥施用方法，創(chuàng)新有機(jī)肥施用新技術(shù)，堅(jiān)持走省工省力、效益明顯、環(huán)境友好的新路子，抓緊完善秸稈還田實(shí)用技術(shù)和配套設(shè)備，加快研發(fā)高效的有機(jī)肥處理新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備。

4.3　政策扶持力度不夠，經(jīng)費(fèi)和補(bǔ)貼資金不到位

土壤有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目工作量大，涉及面廣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且需要相應(yīng)的配套技術(shù)和設(shè)備，項(xiàng)目推廣費(fèi)用高。另外，技術(shù)的推廣需要大量的補(bǔ)貼資金才能保證推廣的面積和效果。因此，各級(jí)政府要高度重視，在政策上給予鼓勵(lì)，在經(jīng)濟(jì)上給予支持，提高對(duì)農(nóng)民實(shí)施秸稈還田、增施農(nóng)家肥和種植綠肥等的補(bǔ)貼額度。

4.4　有機(jī)肥料資源浪費(fèi)嚴(yán)重，還田比例和利用率不高

目前，秸稈焚燒現(xiàn)象依然普遍，規(guī)?；B(yǎng)殖的畜禽糞便得不到及時(shí)處理，不僅造成了環(huán)境污染，而且浪費(fèi)了寶貴的有機(jī)肥資源。即使秸稈和畜禽糞便等有機(jī)肥資源得到了進(jìn)一步的加工處理，也存在著技術(shù)落后，成本較高，產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，還田比例和利用率和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距。因此，對(duì)于作物秸稈，一方面要依靠科技，研發(fā)秸稈快速腐熟微生物菌劑，加快秸稈快速腐熟還田技術(shù)的推廣應(yīng)用，另一方面要推廣直接還田、堆漚還田等技術(shù)，提高還田比例，杜絕秸稈就地焚燒。對(duì)于畜禽糞便要因地制宜，加快建設(shè)有機(jī)肥、微生物有機(jī)肥等企業(yè)，變廢為寶，充分利用。

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