“万物土中生, 土中育万物”, 土壤是农业生产最基本的生产资料, 是人类和一切动植物赖以健康生存和繁育的物质基础。而土壤肥力是土壤区别于成土母质和其他自然体的最本质的特征, 是土壤各种基本性质的综合表现, 也是土壤作为自然资源和农业生产资料的物质基础。土壤肥力包括自然肥力和人为肥力, 而长期在人为的耕作、施肥、灌溉和其他各种农事活动影响下表现出的人为肥力则是决定农业生产中耕作土壤的主要肥力因素, 而土壤的总体肥力状况又是制约农业生产力水平的关键所在。因此, 通过合理施肥、耕作等农艺技术培肥改良土壤是保护和提升耕地质量的核心内容, 是实现“产出高效、产品安全、资源节约、环境友好”的现代农业发展目标的根本所在。
土壤肥力质量一般用土壤质地、容重、孔隙度等土壤物理性状, 有机质、p H、阳离子交换量、营养元素含量等土壤化学性状, 微生物量碳氮、土壤酶活性等土壤生物学性状等综合衡量。维持高水平的土壤肥力是作物优质、丰产、稳产的基础, 也是培育壮苗, 进而增强植物抗逆性、减少农药用量的关键。但近年来, 随着农业生产中不合理施肥、用药以及其他栽培耕作措施的影响, 土壤总体肥力水平明显下降, 主要表现在过量施肥导致的土壤板结、次生盐渍化、酸化、土壤养分及微生物区系失衡等现象日趋普遍而严重, 没有经过无害化和充分腐熟的有机肥导致的土壤污染问题也日益凸显。杜新民等的研究表明, 温室大棚内由于肥料的大量投入和较少的雨水淋溶作用, 土壤可溶性盐分含量和EC值均表现出随种植年限的增加而显著增加的趋势, 种植7~8年的日光温室土壤可溶性盐分含量已接近了黄瓜的生育障碍临界点。华南、华东、胶东半岛等区域土壤酸化严重, p H在5.5以下的耕地面积由原来的20%增加到了40%, 山东寿光一个种植13年的设施大棚土壤p H降到了4.31;2012年底农业部组织完成的全国耕地地力调查与质量评价结果表明, 在被调查的18.26亿亩耕地中, 耕地基础地力相对较差, 生产障碍因素突出, 短时间内较难得到根本改善的7~10等级耕地面积达到了5.1亿亩, 占到了耕地总面积的27.9%。近1/5的耕地土壤被污染。而以有机质含量高为典型特征的东北黑土地土壤有机质含量, 与第二次土壤普查相比, 20年来有机质含量下降了35%左右。土壤肥力质量的高低决定着土壤提供植物养分和生产生物质的能力, 土壤总体肥力水平下降的现象已经成为制约我国总体生产力水平的关键因素。
我国农业较高的单产水平以及粮食生产十二连增的丰硕成果与化学肥料的施用固然密不可分, 但“化肥越喂越多, 耕地越种越瘦, 粮食安全形式越来越严峻, 生态环境越来越差”的恶性循环已成事实。研究表明, 由于化肥和工业用氮量的增加, 1980-2010年间, 中国人为活性氮产生量增加了近3倍 (从1689万t增加到4820万t) ;临汾市设施菜田土壤的施肥量达到了大田土壤的2~5倍。我国设施蔬菜主产区, 拥有“中国蔬菜之乡”美誉的山东省寿光市设施大棚近年来化学养分的投入量尽管已经表现出下降趋势, 但周年养分投入量仍分别高达N1047~6357kg/hm2 (平均3338kg/hm2) 、P2O5762~3191kg/hm2 (平均1710kg/hm2) 、K2O1118~6930kg/hm2 (平均3446kg/hm2) , 施肥量是当地小麦/玉米轮作种植模式的6~14倍, 其中化肥投入的氮磷钾量分别占到了总量的35%、49%和42%, 且化肥投入的氮磷钾量没有表现出对蔬菜产量的显著影响。对有“中国山药之乡”美誉的冀中平原麻山药原产地的施肥现状调研结果表明, 化学肥料氮、磷 (P2O5) 、钾 (K2O) 养分投入量分别达到了209~1071kg/hm2, 225~1626kg/hm2和188~1341kg/hm2, 农户投入过量比例分别高达90.0%, 98.3%和96.7%。朱兆良院士早在2000年就提出, 大面积化肥年施氮量应控制在150~180kg/hm2, 超过这一水平就会引起环境污染。
化学肥料的盲目超量施用已经成为当今农业生产中的普遍现象, 特别是在蔬菜、果树等经济价值较高的作物上, 由此造成的土壤肥力质量劣化问题日益凸显。
生产中盲目施肥的另一个表现就是氮磷钾养分投入失衡现象突出。王兆辉、刘苹等对不同年份寿光设施蔬菜养分投入情况的调研结果表明, 1997年寿光蔬菜氮磷钾养分的投入比例为1︰1.32-1.42︰0.40-0.47, 至2004年, 氮磷钾养分的投入比例变化为1︰0.83-1.08︰0.84-0.85;而至2010年, 氮磷钾养分的投入比例则变化为1︰0.51-0.72︰1.03-1.2。由此可见, 2010年之前, 菜农对氮磷钾的投肥比例与蔬菜需氮钾较多、需磷较少的特性明显不吻合, 而随着科学施肥技术的普及推广, 氮磷钾投入比例明显趋于合理, 但总量过量问题还是严重存在。对麻山药产区的施肥情况调研结果表明, 通过化学肥料投入的氮磷钾比例 (N:P2O5:K2O) 平均为1:1.13:1.26, 生产中重施磷肥现象突出, 与山药需氮钾较多, 需磷较少的养分需求特性也明显不吻合。而磷肥的过量投入, 不仅造成磷肥资源的大量浪费, 还会影响土壤中钙、镁、铁、锌等中微量元素的有效性。同时长期大量磷肥的投入还会造成土壤重金属或其他放射性元素累积的生态安全隐患, 进而影响土壤的健康质量安全。
当前我国有机肥原料种类繁多, 农作物秸秆、畜禽粪便、城市生活垃圾、工业有机废弃物等的农业应用越来越多。废弃物的资源化利用是践行生态循环农业的重要举措, 但由于原料来源的多样性、生产工艺的复杂性以及利用方式的差异性等多方面因素影响, 有机肥的不科学施用给农业造成的负面影响也越来越大。以畜禽粪便为例, 随着我国畜禽养殖业的迅猛发展, 畜禽粪便的产生量迅速增加, 甚至已经远远超过工业固体废弃物的产生量, 成为环境污染的主要来源。因此, 畜禽粪便的资源化利用不仅成了实现养殖业可持续发展的迫切要求, 也是生态循环农业建设和环境保护的重要内容。已有研究表明, 由于畜禽粪便中养分资源的不充分和不当利用, 已经对部分地区的环境安全造成了威胁。欧盟农业政策明确规定, 通过畜禽粪便等有机肥投入的年施氮量限量标准为170kg N/ha, 超过这一水平则易造成硝酸盐的淋洗, 土壤的粪便年施磷量 (P2O5) 一般不宜超过80kg/hm2 (约35kg P/hm2) , 过量则会引起环境磷的污染。而王方浩等研究表明, 2003年全国耕地负荷的畜禽粪便纯磷养分平均值就达到了29kg/ha, 北京则以70kg/ha位居全国首位, 8个省区的单位耕地面积负荷的粪便纯磷养分量均超过了极限值。
畜禽粪便的不当施用除了表现为养分的负载量加大, 影响土壤、大气和水体环境质量外, 饲料中含重金属的饲料添加剂、激素和抗生素等的大量使用也使得集约化养殖场产生的粪便质量发生了很大的变化, 不经过无害化处理的畜禽粪便长期大量施用也会给造成土壤重金属、抗生素和激素的污染, 甚至是复合污染, 不仅影响土壤肥力质量和健康, 也给人类赖以生存的环境造成了潜在的生态安全风险。畜禽粪便已成为农田土壤中Cu、Zn、Cd、As等重金属的重要来源, Cu和Zn积累的年贡献率可分别达到37%~40%和8%~17%。潘霞等的研究表明, 不同土地利用方式下, 长期施用有机肥均使得重金属在土壤剖面呈现出明显的表聚现象, 以设施菜地最为突出, Zn和Cd的积累最为明显;14种抗生素的含量和组成在土壤剖面上存在明显分异, 尽管随土层深度增加含量迅速下降, 但80~100cm土层以上均能检出。在长期施用畜禽粪便的表层土壤中, 土霉素和氯四环素的最大残留量分别高达32.3和26.4mg/kg, 土壤中四环素类抗生素的残留量比未施用畜禽粪便的土壤中提高了十几至几十倍。但土壤有机质含量并没有表现出随有机肥施用年限的增加而明显增加的趋势, 与露地大田土壤有机质含量差异也不明显。杜新民等的研究结果则表明[1], 尽管温室土壤有机质含量高于大田土壤, 且随种植年限的增加表现出了一定的增加趋势, 但种植7-8年的温室有机质含量也只有2.2%左右, 总体增加幅度不大, 距离肥沃菜田土壤有机质4%~5%的标准差距还很大。有机肥的大量施用没有明显提高土壤有机质含量的原因主要在于生产中有机肥以鸡粪、猪粪为主, 这类粪肥纤维素含量少、分解速度快, 对土壤腐殖质形成贡献不大, 也不利于土壤有机质的积累。
“用粪犹用药”, “是药三分毒”, 有机肥料是培肥土壤, 改善地力的好肥料, 但有机肥的无害化处理和科学施用才是充分发挥有机肥优势的关键所在。
农业生产中化肥利用率低是不可回避的事实, 造成化肥利用率低的原因除了跟人们不科学的施肥 (包括施肥量大、施肥方法不合理、施肥时期不科学、养分搭配不均衡等) 有关外, 肥料本身在土壤中的转化特性 (如传统氮肥的迅速转化造成挥发损失和淋溶损失;磷肥在土壤中容易被固定, 导致作物有效性下降等) 也是不容忽视的一个重要方面。因此, 在“化肥零增长”、“化肥工业转型”的新的历史时期, 化肥的提质增效也是大势所趋, 有别于传统、常规肥料的采用新材料或新技术使肥料具备了某些特殊新功能的新型肥料也迎来了难得的发展机遇。各种新型肥料如水溶肥料、生物肥料、缓控释肥料、多功能肥料、腐植酸肥料等等如雨后春笋, 使得当今肥料市场变得异常琳琅满目, 市场需求也迅速增加, 新型肥料的施用在现代农业生产中也发挥了重要作用。这一方面体现了我国化肥工业的发展速度和水平, 体现了我国科学施肥技术的发展;但另一方面, 作为企业为了开拓市场、吸引老百姓眼球的不科学炒作, 甚至有其名无其实的产品推介也不容忽视。为了追求“新”和“效” (效果和效益) 而忽视肥料原料质量, 甚至违规添加禁用材料的做法也应该引起关注。
农药也是重要的农业生产资料, 在促进农民增收、农业增效和稳产高产中发挥了重要作用。统计表明, 2012~2014年间, 我国农药年均使用量31.1万吨 (折百) , 比2009~2011年增长9.2%, 单位面积化学农药的施用量比发达国家高2.5~5倍, 但利用率仅为35%。直接或间接进入土壤的农药通过对土壤微生物区系的破坏而影响土壤的生物学性状, 并进而对土壤的肥力质量产生影响。
此外, 农业生产中农膜的大量使用以及常年连做重茬、不合理耕种等也是影响土壤肥力质量的重要方面。
尽管造成目前土壤肥力质量下降的原因是多方面的, 但有机肥的质量不佳、有机无机肥料投入失衡、养分投入配比不科学等突出存在的施肥问题已成为目前生产中影响土壤肥力质量的重要问题。土壤有机质含量是指示土壤肥力质量的重要指标, 徐明岗等对我国40余个长期定位施肥试验的土壤有机质变化研究表明, 30年来, 不施肥土壤的有机质含量平均下降10%左右, 长期有机无机肥配合施用及秸秆还田土壤的有机质含量则呈明显的上升趋势, 30年来西北和华北平均上升幅度分别高达51%和68%, 南方旱地和长江流域水田平均提高24%;而平衡施用氮磷钾化肥的土壤有机质也能基本保持平衡甚至增加。英国洛桑试验站170多年的肥料长期定位试验结果同样表明, 化肥的合理施用可以获得与有机肥处理同样的产量, 且不会造成土壤的退化和减产。由此可见, 有机无机配合前提下的科学施用是培肥改土, 提高土壤肥力质量的最有效措施。而单纯长期施用化肥的情况下, 由于植物生物量的增加导致的根系和地上部残体自然归还量的增加, 以及对土壤微生态环境的影响等, 也可以使土壤肥力得以保持甚至略有改善, 但这个结果同样必须以化肥的长期科学施用、养分的均衡投入为前提。
因此, 无论是有机肥料还是无机肥料, 无论是传统肥料还是新型肥料, 以质量保证为前提的科学施用才是培肥改土, 提升耕地肥力质量的重要举措。
我国是人口大国, 解决13亿人口的温饱, 保证老百姓“舌尖上的安全”永远是国家头等大事。而健康优质农产品的产出则必须以健康的土壤为前提。凡是外源物质向土壤的投放, 都是对土壤的攻击。因此, 生产中向土壤投放的任何物质都必须保证“质”和“量”的安全。优质的肥料安全的施用既是培肥改土、提升土壤肥力质量, 实现农业可持续发展的迫切要求, 也是实现“提质增效、节本降耗、产品安全、生态友好”的农业生产的核心内容, 同时也是在实现“化肥零增长”前提下确保农业丰产稳产的必然选择。
[1] 杜新民, 吴忠红, 张永清, 等.不同种植年限日光温室土壤盐分和养分变化研究[J].水土保持学报, 2007, 21 (2) :78-80.
[2] 徐明岗, 张文菊, 黄邵敏, 等.中国土壤肥力演变 (第二版) [M].北京:中国农业科技出版社, 2015.
[3] 李俊良, 张福锁, 李晓林, 等.寿光蔬菜生产与施肥现状的研究[C].见:李生秀编.土壤-植物营养研究文集.西安:陕西科学技术出版社, 1999, 641~646.
[4] 中华人民共和国农业部, 全国耕地质量等级情况公报[Z].
[5] 中华人民共和国环境保护部和国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[Z].
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