一、土壤肥料長期定位研究及其意義

至今仍然保留下來時間在50年以上的“經(jīng)典試驗”包括美國伊利諾斯州立大學(xué)的Morrow輪作-肥料試驗（1875年）、Morrow磷礦石粉肥料試驗（1900年）；德國哥廷根農(nóng)業(yè)研究所的E-Field輪作下的肥料試驗（1873年）和多年生黑麥草肥料試驗（1873年），林布爾格羅夫農(nóng)業(yè)研究站的化肥對作物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量影響試驗（1938年）；法國貴格納國立農(nóng)業(yè)研究所的Deherain小麥、甜菜肥料試驗（1876年），小麥連作肥料試驗（1876年）以及芬蘭、荷蘭、丹麥、加拿大和澳大利亞等國家的相似試驗等。而亞洲最早開展且持續(xù)至今的土壤肥料長期定位試驗是日本鴻巢縣中央農(nóng)業(yè)試驗站的水稻連作肥料試驗（1926年）。但我們同時還要看到，目前絕大多數(shù)的土壤肥力長期定位點多集中在發(fā)達(dá)國家，而在熱帶地區(qū)以及發(fā)展中國家的定位研究還比較少。以我國來說，現(xiàn)存的長期定位試驗主要建立于20世紀(jì)70年代后期，而始建于1987年的“國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站網(wǎng)”當(dāng)屬目前國內(nèi)最為完整、覆蓋面最大、具有網(wǎng)絡(luò)試驗特征的大型長期土壤肥料試驗群。我國長期土壤肥力監(jiān)測研究目前面臨的最大問題是經(jīng)費不足和隊伍不穩(wěn)定，不少試驗正在被迫關(guān)閉或處于失管狀態(tài)。國家應(yīng)對保護完整的、有代表性的大型長期定位監(jiān)測研究平臺給予重點支持和保護，使之像英國洛桑試驗站和美國的Morrow長期試驗基地一樣，受到國家的高度重視，成為國家科技創(chuàng)新體系重要的基礎(chǔ)條件平臺。就方法論而言，土壤肥料長期定位試驗是一種采用既“長期”又“定位”的方法的試驗。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中很多過程進展緩慢，外部環(huán)境條件也在不斷發(fā)生改變，短期試驗往往不能揭示這種長期的變化趨勢。長期定位試驗具有時間的長期性和氣候的重復(fù)性（即能克服氣候的年際變化對肥效的影響）等特點，信息量豐富，準(zhǔn)確可靠，能系統(tǒng)地揭示土壤肥力的演變過程。不同氣候條件和土壤類型下的土壤肥力長期定位試驗得到了一些共性的結(jié)論：

（1）有機和無機肥料的配合施用能夠最大程度地達(dá)到高產(chǎn)的目的，但單施化肥或有機肥一樣具有持續(xù)增產(chǎn)的效果，連續(xù)合理施用化肥并不影響作物產(chǎn)量；

（2）盡管在相同施肥條件下，作物輪作較連作可獲得較高產(chǎn)量，但這些經(jīng)典試驗告訴我們在合理施肥的情況下，單一種植也一樣能夠維持一定的高產(chǎn)；

（3）從提高土壤有機質(zhì)含量和提高地力的角度而言，有機肥明顯優(yōu)于化肥，但合理施用化肥對提高土壤有機碳、有機氮庫仍有微弱作用。依靠從這些土壤肥料長期定位試驗中獲得的共性結(jié)論，歐洲、美國以及其他發(fā)達(dá)國家在近數(shù)十年內(nèi)迅速形成了依靠單一種植、合理施肥、機械耕作和科學(xué)用藥為四大支柱的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式，其中前2項的實用性和可靠性便來自長期肥料試驗的研究結(jié)果。同時，土壤肥力長期定位試驗以長久固定的土壤管理模式使土壤性質(zhì)按不同的方向不斷地改變，從而形成具有不同肥力性狀和生物活性的各種土壤類型。這些永久保存下來的不同時期的土壤樣品，為后來者研究不同農(nóng)業(yè)耕作模式下土壤的發(fā)展變化過程以及了解人類活動對這些演變過程的影響提供了珍貴的研究對象。此外，土壤肥力試驗長期以來不間斷的試驗結(jié)果存檔也為驗證土壤肥力變化模型的可靠性提供了寶貴的數(shù)據(jù)，將有助于研究和預(yù)測現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作措施對未來土壤質(zhì)量乃至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

二、農(nóng)田土壤肥力培育研究及其進展

張福鎖等研究指出，土壤肥力是土壤質(zhì)量的重要特征，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保證，土壤的基礎(chǔ)地力越高，作物的產(chǎn)量也就越高。而就我國現(xiàn)有耕地而言,中低產(chǎn)田面積比例高達(dá)71.3%，因此如何提升土壤地力已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)科技工作者關(guān)注的焦點。全球諸多不同氣候條件以及土壤類型上的長期土壤肥料定位實驗總結(jié)并闡明了在不同耕作措施下的土壤肥力的長期演變規(guī)律，為土壤地力提升提供了有效的理論依據(jù)及其技術(shù)支撐，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1、優(yōu)化化肥施用

化肥持續(xù)大量施用造成近年來土壤肥力下降很快、生態(tài)環(huán)境惡化。究其原因除了忽視有機肥的投入以外，化肥投入比例不當(dāng)亦是重要的一個方面。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前我國施用化肥比例N∶P2O5∶K2O為1∶0.34∶0.25，磷鉀不足，嚴(yán)重失調(diào)。平衡施肥是目前普遍提倡的科學(xué)施肥方法，傳統(tǒng)的平衡施肥主要目的是提高作物產(chǎn)量，為我國的糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收作出了重大貢獻。推廣平衡施肥，除了作物產(chǎn)量與品質(zhì)之外，還要關(guān)注施肥對土壤生態(tài)系統(tǒng)其他因素產(chǎn)生影響。陳建國等在南方缺磷水稻田上的試驗表明，平衡施肥能夠提高土壤肥力，與不施磷肥和過量施磷處理相比明顯增加土壤有機質(zhì)含量，顯著提高土壤微生物生物量。而王伯仁等和林新堅等的研究也都指出，平衡施肥在提高作物產(chǎn)量及其施肥效益的同時，還有利于保持和提高紅壤旱地的土壤肥力。因此，在增施有機肥的基礎(chǔ)上，科學(xué)施用化學(xué)肥料，可以改善耕地養(yǎng)分失調(diào)，同時有利于優(yōu)化土壤理化性狀。

2、合理增施有機肥

全球不同區(qū)域的土壤肥料長期定位試驗的結(jié)果均指出，長期施用有機肥能夠明顯增加土壤中有機質(zhì)的含量，而土壤有機質(zhì)含量正是反映土壤肥力的重要指標(biāo)之一，對于土壤中養(yǎng)分的積蓄、良好結(jié)構(gòu)的形成以及土壤中有害物質(zhì)毒性的消除等均具有重大的意義。其次，孫福來、勞秀榮等的研究表明有機肥培肥措施還能夠有效明顯增加土壤中有效氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量，而且是對于表層土壤（0~20cm）有效養(yǎng)分的增加尤為顯著。再次，有機肥的施用還能增強土壤的保水性和固氮能力，有利于水肥的耦合；增加土壤有機C、非水穩(wěn)性團聚體、水穩(wěn)性團聚體的含量，有效地提高土壤團聚體的穩(wěn)定性；還有研究認(rèn)為，施用有機肥后土壤容重降低，致使有效水分、導(dǎo)熱率和氣體比例得到改善，促進作物生長發(fā)育。最后，有機肥的施用還有效地提高了土壤酶活性以及微生物碳、氮的含量。但隨著近年來以農(nóng)戶家庭為單元的家畜養(yǎng)殖存欄量的逐漸減少，導(dǎo)致農(nóng)民的有機肥積造量急劇下降。如何充分挖掘和利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的有機肥源，合理循環(huán)使用有機物質(zhì)已成為了實現(xiàn)有機-無機肥配合施用的物質(zhì)基礎(chǔ)和前提。其中農(nóng)作物秸稈還田和綠肥種植重新引起了人們的關(guān)注。農(nóng)作物的秸稈含有相當(dāng)數(shù)量的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，秸稈還田必然增加土壤中相應(yīng)養(yǎng)分的儲量。作物秸稈還田還提高了土壤耕層有機質(zhì)含量，Gra－h(huán)am等認(rèn)為，隨著作物秸稈還田量的增加，0~10cm土層中有機質(zhì)含量也隨之增加。關(guān)連珠等的研究進一步指出，在配施化肥的基礎(chǔ)上,施用有機肥可提高有機質(zhì)含量7%~15%，其中尤以施用未腐熟秸稈處理效果最好，可提高有機質(zhì)含量9%~15%。此外，秸稈還田還能夠提升土壤有機質(zhì)的品質(zhì)，孫星等的研究結(jié)果表明，秸稈與化肥配施能夠改變土壤腐植酸的組分，其中胡敏酸與富里酸的比例比單施化肥土壤明顯提高。我國南方農(nóng)作區(qū)冬閑田面積大、空閑時間長。因此利用冬季空閑茬口種植一季綠肥作物，既能增加當(dāng)季地面覆蓋，保持水土，又能增加生物固氮量，活化富集土壤磷、鉀等養(yǎng)分，翻壓還田后能提高土壤有機質(zhì)含量，為后季作物提供速效養(yǎng)分。李繼明等通過26年的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，紅壤稻田區(qū)綠肥與化肥長期配合施用不僅有利于水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，減少了化學(xué)肥料的使用量，而且土壤中有機質(zhì)、全N和全P均明顯高于單施化肥處理。王勁松等的研究還發(fā)現(xiàn)，綠肥種植不僅增加了土壤中速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量，還能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重。因此，綠肥與化肥長期配合施用可以減少化肥的使用量，提高化肥氮、磷、鉀養(yǎng)分的農(nóng)學(xué)效率，增加土壤有機質(zhì)，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，是作物增產(chǎn)和培肥地力的有效途徑。

3、優(yōu)化耕作制度

近十幾年在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出的保護性耕作法是一個成功范例。大量的研究表明，保護性耕作減少了土壤的翻動，加上秸稈覆蓋作用，可以有效地控制土壤侵蝕，減少水土流失。該技術(shù)的應(yīng)用還對土壤理化性質(zhì)改善，進而提升土壤肥力起到積極的作用。朱文珊等的研究表明，免耕土壤的孔隙分布較合理，有利于土壤上下層的水流運動和氣體交換。免耕還可以顯著改善土壤化學(xué)性狀，土壤有機碳顯著提高，同時可提高土壤表層的N、P和K含量。此外，免耕還可增加土壤生物和微生物數(shù)量和活性。由此可見，實施保護性耕作措施改良了土壤物理結(jié)構(gòu)，提高了土壤養(yǎng)分水平，使得土壤團粒穩(wěn)定，增加了水分入滲量，從而減少了徑流和土壤流失，有效提高了土壤肥力。

三、提升土壤肥力與發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)思考

所謂現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言，是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)提供的生產(chǎn)資料和科學(xué)管理方法進行的社會化農(nóng)業(yè)，是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)技術(shù)手段應(yīng)用的水平、程度和范圍來確定的。凡是大量應(yīng)用現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)，使勞動生產(chǎn)率大幅度提高，并有較發(fā)達(dá)的社會經(jīng)濟環(huán)境和其他高技術(shù)配套產(chǎn)業(yè)的密切配合，這就是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。目前我國正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的過渡階段。農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依賴提高土地產(chǎn)出率為重點的勞動實用型的生物化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新。所通行的仍然是以農(nóng)戶為單位的小規(guī)模生產(chǎn)，也沒有跳出傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式的范疇。由此可見，中國農(nóng)業(yè)出現(xiàn)的增長，從總體上來看，主要還是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式下的增長行為。那么，伴隨農(nóng)業(yè)家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的推行，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過程中，土壤肥力究竟發(fā)生了什么樣的變化？不少學(xué)者認(rèn)為，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平與復(fù)種指數(shù)的提高，耕地質(zhì)量出現(xiàn)了令人擔(dān)憂的征兆，綜合表現(xiàn)為土壤基礎(chǔ)肥力下降、土壤物理性狀變差（如耕層變淺、容重增加）、土壤緩沖能力下降、各種污染加劇等，已明顯地制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。特別是1980年以后高產(chǎn)品種、高產(chǎn)栽培技術(shù)的應(yīng)用以及化學(xué)物質(zhì)（化肥、農(nóng)藥）投入量激增，作物產(chǎn)量水平也隨之迅速提高；但由于小規(guī)模生產(chǎn)的限制，農(nóng)家肥投入不斷降低，綠肥種植幾乎絕跡，農(nóng)民對土壤養(yǎng)分的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤的產(chǎn)出，導(dǎo)致了土壤肥力退化嚴(yán)重。以張炳寧等在揚州的研究為例，20世紀(jì)八九十年代，隨著作物產(chǎn)量的激增，該地農(nóng)田土壤大都出現(xiàn)了耕作層變淺、土壤物理結(jié)構(gòu)變差、耕層養(yǎng)分含量下降等一系列土壤肥力退化癥狀。這一現(xiàn)象在當(dāng)時的中國極具代表性。土壤不僅是人類生存的基本資源，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展是以持續(xù)農(nóng)業(yè)為戰(zhàn)略體系。發(fā)展持續(xù)農(nóng)業(yè)的目的，是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，保持清潔的環(huán)境和生物多樣性，其內(nèi)涵主要是在保持和提高代傳土地質(zhì)量，增強抗風(fēng)險的緩沖能力，使土地在保護環(huán)境的基礎(chǔ)上永續(xù)利用，并不斷提高其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和經(jīng)濟價值。因此，人們通過了解土壤肥力的演化規(guī)律，采用不同的耕作措施調(diào)節(jié)土壤肥力的發(fā)育過程，使其朝著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全和生態(tài)方向發(fā)展，已經(jīng)成為了現(xiàn)代持續(xù)農(nóng)業(yè)的根本措施。在此意義上，根據(jù)現(xiàn)代持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，我國土壤學(xué)中長期發(fā)展優(yōu)先研究內(nèi)容可集中以土壤質(zhì)量提升與調(diào)控為核心，具體有以下5個方面：

（1）交互作用。從研究土壤本身轉(zhuǎn)向研究土壤與人口、資源、生態(tài)、環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)，從單一學(xué)科走向與其他相關(guān)學(xué)科相互綜合、相互滲透和相互交叉，不斷豐富和發(fā)展土壤肥料領(lǐng)域的研究內(nèi)容。包括不同生態(tài)區(qū)域土壤肥力的演變規(guī)律與主要驅(qū)動因子及機制，土壤肥力演變與生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系的研究等。

（2）土壤管理。研究土壤肥力及其影響因素，土壤養(yǎng)分含量與肥力的相互關(guān)系，土壤肥力與土壤生產(chǎn)力、作物產(chǎn)量與品質(zhì)等的相互關(guān)系，施肥與耕作等措施對土壤肥力的影響，探討提高土壤肥力的方法與對策，建立土壤肥力評價指標(biāo)體系，從而為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)中的土壤管理提供理論支持。

（3）過程變化。土壤研究從靜態(tài)走向動態(tài)的監(jiān)測、預(yù)控和長期定位觀測。土壤作為一個獨立的歷史自然體無論在時間上還是空間上都處于變化之中。同時土壤本身的發(fā)生發(fā)展過程是緩慢的，有其自身的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。因此，要研究土壤的形成演變規(guī)律、養(yǎng)分變化動態(tài)等一系列問題，必需從靜態(tài)的研究走向動態(tài)的監(jiān)測、預(yù)控和長期定位觀測。

（4）時空尺度。土壤學(xué)的全球變化研究已從全球、區(qū)域、流域到土鏈、田塊、顆粒，從結(jié)構(gòu)、表面、內(nèi)層到分子、原子、電子，從靜態(tài)到動態(tài)，從短時到長久。人類活動在地球各圈層中發(fā)揮著重要影響，從根本上改變了各環(huán)節(jié)或各圈層的物源、能源和信息流，從而影響生態(tài)環(huán)境與生物健康。

（5）注重應(yīng)用。在土壤資源方面要強化土壤發(fā)生、分布分類、區(qū)劃制圖和利用對策研究。在土壤肥力方面，要關(guān)注水肥耦合，有機質(zhì)、調(diào)理劑研究，在改良技術(shù)方面，要注重信息、根際、指示、修復(fù)、模式的研究，同時要深化物質(zhì)循環(huán)、污染修復(fù)、全球變化、退化恢復(fù)、廢物管理、地理醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的聯(lián)合探索，還要注重配位誘導(dǎo)植物吸收、植物交互作用與轉(zhuǎn)化、植物刺激與根際生物降解的交叉專業(yè)研究，以求加強對新技術(shù)、新手段的開發(fā)與應(yīng)用。

作者：翁伯琦 鄭祥洲 單位：福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所