糖料蔗生產(chǎn)中土壤劣變原因、機(jī)制與治理對策綜述

王小明， 覃逸明， 廖政達(dá)， 韋增林， 韋秀敏， 黃鴻錦， 韋 喜

(1.廣西科技師范學(xué)院食品與生化工程學(xué)院，廣西來賓 546199； 2.廣西科技師范學(xué)院科學(xué)技術(shù)與信息化處，廣西來賓 546199； 3.廣西壯族自治區(qū)來賓市興賓區(qū)甘蔗技術(shù)推廣站，廣西來賓 546138； 4.廣西壯族自治區(qū)來賓市興賓區(qū)糖業(yè)發(fā)展辦公室，廣西來賓 546138； 5.廣西壯族自治區(qū)來賓市高標(biāo)準(zhǔn)蔗糖雙高示范基地創(chuàng)建項目領(lǐng)導(dǎo)小組，廣西來賓 546199； 6.廣西來賓東糖遷江有限公司，廣西來賓 546119)

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)調(diào)查統(tǒng)計，2017—2018年榨季全國糖料蔗種植總面積116.8萬hm2，較上年增加3.7萬hm2，增幅3.3%，預(yù)計2017—2018年榨季全國甘蔗糖產(chǎn)量900萬t[1]。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，糖料蔗的四大主產(chǎn)省(區(qū))分別是位于西南地區(qū)的廣西壯族自治區(qū)和云南省，糖料蔗種植面積分別占總面積的62.28%和18.48%；以及位于華南地區(qū)的廣東省和海南省，糖料蔗種植面積分別占到總面積的10.60%和2.12%[2]。廣西糖料蔗土壤酸化嚴(yán)重，pH值為5.0以下種植土培達(dá)34.6%，且有機(jī)質(zhì)和總氮等土壤養(yǎng)分含量偏低[3]；云南糖料蔗土壤以酸性和弱酸性為主[4]，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量處在中等偏低水平[5]。糖料蔗是廣西和云南2省的重要經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)區(qū)主要集中在老少邊窮地區(qū)和丘陵山地等土壤貧瘠地區(qū)，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)受自然條件和經(jīng)濟(jì)狀況等綜合因素的制約。土壤與生態(tài)環(huán)境作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是影響糖料蔗產(chǎn)量和品質(zhì)提升的關(guān)鍵基礎(chǔ)因素之一。

土壤狀況以自然稟賦為基礎(chǔ)，又受到人為生產(chǎn)方式和自然條件變化等的影響。近年來，我國土壤質(zhì)量惡化現(xiàn)象逐漸突出，農(nóng)田可耕性變差，耕地越種越硬，地力越種越薄，農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升越來越難，生產(chǎn)效益有下降趨勢。其主要原因之一是土壤劣變，表現(xiàn)為土壤透氣性變差，土壤中水分和營養(yǎng)物質(zhì)儲蓄供應(yīng)減少，微生物含量及酶活性降低，土壤肥力下降等。福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心張華研究員認(rèn)為，以機(jī)械化促進(jìn)糖料蔗種植增產(chǎn)增收的同時，糖料蔗農(nóng)業(yè)機(jī)械化導(dǎo)致的普遍問題是土壤結(jié)構(gòu)過于緊實，呼吁社會各界共同努力，攜手攻克難題[6]。日本琉球大學(xué)農(nóng)業(yè)生物系統(tǒng)工程學(xué)院教授上野正実博士也認(rèn)為，糖料蔗生產(chǎn)中應(yīng)注重解決因機(jī)械化而導(dǎo)致的土地出現(xiàn)板結(jié)的技術(shù)難題[6]。張躍彬等研究發(fā)現(xiàn)，糖料蔗長期連作導(dǎo)致土壤中某些營養(yǎng)元素過度消耗[7]。綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流方向，施肥不當(dāng)會對耕地質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響，過量施用化肥易造成土壤酸化、板結(jié)化、次生鹽漬化、有害生物滋生等，同時偏施化肥還會使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的耐貯性降低等。通過對糖料蔗生產(chǎn)中土壤劣變的原因進(jìn)行分析，探討引起土壤劣變的機(jī)制，并提出治理土壤劣變的對策建議，對推動綠色高產(chǎn)高效糖料蔗持續(xù)健康快速發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

1 土壤劣變原因分析

1.1 機(jī)械化現(xiàn)狀與土壤劣變原因分析

全程機(jī)械化是糖料蔗生產(chǎn)發(fā)展的趨勢。隨著城鎮(zhèn)化飛速發(fā)展，農(nóng)村勞動力快速轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及應(yīng)用率越來越高，農(nóng)業(yè)機(jī)械在糖料蔗生產(chǎn)上發(fā)揮巨大作用的同時也帶來一些副作用——土壤機(jī)械壓實[8]。土壤壓實所導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)退化是“內(nèi)傷”，與土壤侵蝕和鹽堿化相比表象不明顯，導(dǎo)致土壤壓實危害未引起人們足夠重視，并常把土壤壓實引發(fā)的作物減產(chǎn)降質(zhì)等問題歸結(jié)為其他原因。以糖料蔗生產(chǎn)最大產(chǎn)區(qū)廣西為例，廣西農(nóng)機(jī)局副局長江垣德認(rèn)為，廣西糖料蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化正處于突破性發(fā)展階段，“雙高”糖料蔗基地建設(shè)已完成17.1萬hm2，土地由380萬塊合并成32萬塊，機(jī)械化運(yùn)營模式不斷成熟，政策性扶持力度持續(xù)加大，購置甘蔗收獲機(jī)補(bǔ)貼25～40萬元，發(fā)布糖料蔗主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃(2015—2020)等，這些措施都將有力推進(jìn)廣西糖料蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化[6]。孫忠英等研究表明，傳統(tǒng)機(jī)械作業(yè)方式下，從土地耕作、糖料蔗種植、日常田間管理到糖料蔗收獲，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間行走的次數(shù)可以多達(dá)十幾次，農(nóng)機(jī)輪胎對土壤的壓痕總面積比土地總面積還大1倍以上，10%～12%的土壤面積承受了6～20次碾壓、65%～80%的土壤面積承受了1～6次碾壓，對土壤的壓實深度達(dá)30～60 cm，只有10%～15%的土壤面積沒有受到碾壓[9]。農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用在提高生產(chǎn)效率、降低勞動強(qiáng)度的同時，農(nóng)機(jī)具在田間行走作業(yè)時輪胎及器械也會對土壤造成碾壓作用，會導(dǎo)致土壤的機(jī)械壓實[10]。土壤機(jī)械壓實造成的土壤劣變面積隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度和生產(chǎn)力水平的提高而增加[11]。

糖料蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化包括機(jī)械化耕地、機(jī)械化種植、機(jī)械化中耕培土施肥、機(jī)械化噴藥除草防蟲、機(jī)械化收獲和機(jī)械化田間運(yùn)輸?shù)?。在糖料蔗生產(chǎn)活動中，翻耕機(jī)、旋耕機(jī)、種植機(jī)、收獲機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械的質(zhì)量、車輪與土壤接觸面積、車輪的材質(zhì)和形狀以及充氣狀況等都會對土壤壓實形成不同程度的影響。例如機(jī)械質(zhì)量越大，接觸面積越小，土壤緊實度就越大。以糖料蔗的機(jī)械化收獲為例，目前常用的性能較好的收獲機(jī)有凱斯8000、約翰迪爾570，這2臺農(nóng)機(jī)均為4輪和后輪驅(qū)動，質(zhì)量分別是14.8、14.0 t，驅(qū)動輪寬度分別為 58.7、59.7 cm，與收獲機(jī)配套作業(yè)的還有田間拖卡，拖卡為4～8輪，負(fù)載前后質(zhì)量在10～30 t。因此，糖料蔗僅僅機(jī)械化收獲過程農(nóng)機(jī)輪胎對土壤的壓痕就可達(dá)到土地總面積的1倍以上。此外，土壤機(jī)械壓實造成土壤板結(jié)退化的同時，也會使土壤微生物、酶活性及糖料蔗生長受到影響。

1.2 機(jī)耕方式現(xiàn)狀與土壤劣變原因分析

糖料蔗在耕整地、種植和田間管理等環(huán)節(jié)中，已能全部實現(xiàn)機(jī)械化。在連片平緩地塊多采用農(nóng)機(jī)牽引犁、耙、旋耕機(jī)具進(jìn)行作業(yè)，狹小的陡坡地塊多采用小型農(nóng)機(jī)具進(jìn)行作業(yè)。糖料蔗是多年生、深根型作物，機(jī)耕方式對營造土壤顆粒疏松、理化結(jié)構(gòu)特性良好、水肥供蓄能力強(qiáng)的植壤尤為重要。

由于糖料蔗種植區(qū)主要分布在西南和華南地區(qū)的丘陵山地，且這些地區(qū)自然條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械裝備條件均較薄弱，大馬力拖拉機(jī)、深耕、深松機(jī)具較少，農(nóng)機(jī)具的改造和創(chuàng)新跟不上，適用性較差。導(dǎo)致糖蔗種植區(qū)長期耕整地作業(yè)深度多不足 30 cm，另有相當(dāng)比例仍依靠微型旋耕機(jī)具，耕深不足 25 cm[12]。隨著各類旋耕機(jī)具的普及，旋耕作業(yè)可一次性完成耕耙，且地表平整，表層土壤細(xì)碎，省時省工且費用低，受到蔗農(nóng)歡迎。但旋耕深度較淺，實際工作中旋耕作業(yè)深度通常只有12～15 cm，加之蔗農(nóng)常常采取連續(xù)多年多季旋耕作業(yè)，且相應(yīng)的農(nóng)技農(nóng)藝措施不配套，使耕地土壤形成堅硬的犁底層，導(dǎo)致耕作層越來越淺。機(jī)耕方式不科學(xué)是引起土壤板結(jié)劣變的另一個主要原因，土壤耕層淺薄，土壤中水肥儲蓄能力變差，且甘蔗根系難以深扎，對肥水的利用能力降低，導(dǎo)致糖料蔗出現(xiàn)早衰、減產(chǎn)、易倒伏、宿根蔗表現(xiàn)差等狀況。

1.3 長年連作現(xiàn)狀與土壤劣變原因分析

蔗糖產(chǎn)業(yè)是工農(nóng)結(jié)合度最為緊密的產(chǎn)業(yè)之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出來的糖料蔗全部用于工業(yè)加工制糖。糖料蔗的產(chǎn)量影響糖廠加工能力，糖料蔗的種植規(guī)模年年都有所波動，但糖廠加工能力一旦擴(kuò)大，比如增加設(shè)備、生產(chǎn)線和工作人員，就需要有與之相應(yīng)的糖料蔗供應(yīng)，若作為加工原料的糖料蔗供應(yīng)不足，不能滿足糖廠的設(shè)計加工量，糖廠的生產(chǎn)效益就會有損失。因此，為保障糖廠加工能力與糖料蔗生產(chǎn)供應(yīng)相適應(yīng)，現(xiàn)行的做法是給每一家糖廠劃定固定的糖料蔗生產(chǎn)供應(yīng)區(qū)域，稱之為蔗區(qū)。蔗糖產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；谝欢ǔ潭壬弦筇橇险嵘a(chǎn)必須長期、連續(xù)和穩(wěn)定地進(jìn)行，多年以來，隨著糖廠數(shù)量和加工能力的雙重增加，以及作為傳統(tǒng)糖料蔗生產(chǎn)區(qū)域改種其他經(jīng)濟(jì)效益更高的作物，傳統(tǒng)糖料蔗生產(chǎn)區(qū)域面積不斷萎縮，導(dǎo)致作為原料的糖料蔗生產(chǎn)供應(yīng)長期呈現(xiàn)不足，有的糖廠甚至出現(xiàn)年實際加工量不足年設(shè)計加工能力一半的窘境。糖廠大多是工農(nóng)一體化的龍頭企業(yè)，為保證糖廠的生產(chǎn)加工效益，一方面糖廠會在其所屬的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地(私營企業(yè)為租賃，國有企業(yè)為國有農(nóng)場土地)長年連續(xù)種植糖料蔗，另一方面也會把糖料蔗的生產(chǎn)計劃指標(biāo)下達(dá)到蔗農(nóng)和大包戶，最終通過制度、政策和經(jīng)濟(jì)手段等導(dǎo)致糖料蔗生產(chǎn)呈現(xiàn)出長年連作(一般指連續(xù)種植4年以上)的客觀現(xiàn)實。

以湛江農(nóng)墾華海蔗區(qū)為例，該蔗區(qū)糖廠年設(shè)計加工能力為65萬t，每年須要種植0.8萬hm2糖料蔗才能滿足糖廠的加工需求，但該蔗區(qū)能種植糖料蔗的土地面積僅有 0.86萬hm2，也就是說每年只能拿出約0.06萬hm2土地進(jìn)行輪作，0.86萬hm2土地全部輪作一遍就需要十余年。因此，該蔗區(qū)有相當(dāng)一部分土地已連續(xù)種植糖料蔗達(dá)5～10年。長年連作極易導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化、土壤生物學(xué)環(huán)境惡化及化感自毒作用。例如糖料蔗連年消耗同類土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，連作時間越長，堿解氮、速效鉀及有效微量元素等含量降低，糖料蔗根際土壤的脲酶和過氧化氫酶活性降低，土壤有機(jī)酸及酚酸一定程度積累，對糖料蔗的生長產(chǎn)生一定程度的不良影響[13]。

1.4 施用化肥現(xiàn)狀與土壤劣變原因分析

化肥的使用大大提高了作物產(chǎn)量，據(jù)統(tǒng)計施用化肥對我國糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為40.8%[14]。一方面，蔗農(nóng)受“收多收少在于肥”的錯誤觀念影響，加之化肥在一定范圍內(nèi)確實具有短期見效快、增產(chǎn)明顯且施用簡單等特點；另一方面，大部分蔗農(nóng)又往往只重眼前利益，蔗糖業(yè)屬弱勢產(chǎn)業(yè)，常規(guī)種植效益比較低，蔗農(nóng)既缺乏能力又不愿為養(yǎng)地加大投入，雖然知道過多施用化學(xué)肥料會降低農(nóng)田和糖料蔗質(zhì)量，但為追求產(chǎn)量，仍然大量、過量施用化肥；特別是過量施用氮、鉀肥，引起土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，養(yǎng)分失衡，形成土壤板結(jié)，導(dǎo)致土壤劣變問題日益凸顯。

我國是世界第一大化肥消費國和進(jìn)口國，據(jù)統(tǒng)計，化肥的投入約占農(nóng)業(yè)全部生產(chǎn)性支出的50%[15]。目前，我國糖料蔗在施肥方面存在著十分突出的問題。表現(xiàn)為肥料投入品種結(jié)構(gòu)不合理，重氮肥，輕磷肥、鉀肥，重?zé)o機(jī)肥，輕有機(jī)肥。蔗農(nóng)長期沿用習(xí)慣施肥模式，盲目施肥且施肥種類單一，造成肥效降低，導(dǎo)致我國目前化肥的有效利用率整體不高。例如，云南蔗區(qū)大部分蔗農(nóng)在糖料蔗施肥上就長期憑借生產(chǎn)經(jīng)驗，施肥上施多施少的隨意性和盲目性較大，特別是近年來，蔗農(nóng)為片面追求高產(chǎn)目標(biāo)，普遍存在偏施氮肥的現(xiàn)象，即使部分蔗區(qū)應(yīng)用1～2個配方肥進(jìn)行施肥，也因缺乏對蔗區(qū)各地塊土壤基礎(chǔ)供肥能力分析，造成氮、磷、鉀配方施肥仍缺乏科學(xué)性和針對性，測土配方和平衡施肥問題仍未得到有效落實。2005—2014年云南省化肥施用量從3.72萬t增加至41.48萬t，施用量在總體上呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，其中，2011年的增長速率最快，達(dá)到8.6%[16]。但是化肥的大量、過量施用會引發(fā)一系列農(nóng)業(yè)環(huán)境問題，特別是土壤酸化、土壤板結(jié)、土壤有機(jī)化工原料和重金屬污染、土壤硝酸鹽污染和土壤次生鹽漬化等與土壤劣變有關(guān)的問題日益突出。

2 土壤劣變機(jī)制分析

2.1 土壤機(jī)械壓實劣變機(jī)制

機(jī)械作業(yè)對耕作土壤的壓實稱為土壤壓，土壤機(jī)械壓實是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)所面臨的主要問題之一，被認(rèn)為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)所引起的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[17]。Hughes研究表明，作物生長的土壤含有水、空氣、土壤顆粒的最佳比例應(yīng)為 1 ∶1 ∶2[18]。土壤壓實是土壤顆粒之間空氣和水被擠出，相互密聚而緊實的過程，土壤顆粒重新組合，彼此擠緊，孔隙氣、水排出，土壤容重增大，形成密聚且緊實的整體[19]。土壤機(jī)械壓實使土壤孔隙度降低、理化結(jié)構(gòu)改變、土壤中養(yǎng)分降低等，導(dǎo)致土壤退化。Soane等研究表明，拖拉機(jī)組作業(yè)是最常見的土壤壓實現(xiàn)象，機(jī)組作業(yè)3次以上，可能會使全部土壤面積被碾壓，機(jī)組作業(yè)2～3次，可能會使60%土壤面積被碾壓[20]。Tullberg研究表明，免耕方式下也可能會有30%土壤因機(jī)械播種而被機(jī)組碾壓[21]。機(jī)械作業(yè)對土壤的壓實程度受土壤機(jī)械強(qiáng)度、土壤耕層結(jié)構(gòu)、含水量、農(nóng)機(jī)軸載荷、輪胎類型以及作業(yè)速度等影響[22]。機(jī)械可壓實土壤深度達(dá)10～60 cm[23]，其中壓實現(xiàn)象最明顯的深度是0～10 cm的表層土[24]。

當(dāng)土壤顆粒被嚴(yán)重壓實，孔隙率在3～10%時，土壤顆粒間大孔隙明顯減少，土壤內(nèi)外空氣交換被阻，土壤孔隙中氧氣含量降低，土壤中氮硝化作用降低，反硝化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力降低[25]。飽和導(dǎo)水率常被用來表征土壤壓實度對土壤含水量的影響，當(dāng)土壤顆粒嚴(yán)重壓實后，土壤中的大孔隙減少，土壤飽和導(dǎo)水率下降，土壤含水量明顯減少[26]。同時土壤顆粒排列更加緊密，阻礙了水分滲透，糖料蔗獲得水分和養(yǎng)分更加困難，根系生長速率降低[27]，導(dǎo)致糖料蔗產(chǎn)量和品質(zhì)下降。

2.2 機(jī)耕方式導(dǎo)致土壤劣變機(jī)制

機(jī)耕方式導(dǎo)致土壤劣變的機(jī)制主要表現(xiàn)在[28]：一是當(dāng)機(jī)耕深度不足30 cm時，土壤儲蓄和供應(yīng)水肥能力變差，糖料蔗根系不能深扎，極易導(dǎo)致糖料蔗抗自然災(zāi)害能力弱，并造成糖料蔗生長后勁不足而減產(chǎn)。二是傳統(tǒng)的淺旋耕易造成土壤耕作層變淺，連續(xù)2年以上淺旋耕且土壤耕作層深度25 cm以下，土壤的儲蓄和供應(yīng)水肥能力僅為深松耕的30%左右。三是蔗田土層一般可分為表土層、穩(wěn)定層、犁底層和心土層，每層的理化性質(zhì)、生物學(xué)特性及其對糖料蔗的生長影響也不同。比如犁底層(30～40 cm)具有保水保肥和防滲漏的作用，心土層(40 cm以下)土壤結(jié)構(gòu)緊密，有大量毛管孔隙，具有重要的蓄水保肥作用。因此不合理的深翻耕(40～50 cm)方式會打亂土壤的耕層結(jié)構(gòu)性狀，從而導(dǎo)致土壤劣變。

2.3 長年連作導(dǎo)致土壤劣變機(jī)制

一是土壤理化性質(zhì)惡化。每種作物對土壤中養(yǎng)分和礦質(zhì)元素的需求類型及數(shù)量有其各自特性，同種作物長年連作后，導(dǎo)致土壤中某些養(yǎng)分和礦質(zhì)元素偏向消耗而缺乏或造成比例失衡，而其他元素卻可能出現(xiàn)富集，因此改變了土壤養(yǎng)分的均衡性[29]。若欠缺的養(yǎng)分和礦質(zhì)元素得不到及時的補(bǔ)充，就會導(dǎo)致下薦作物的抗逆性降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。同種作物長年連作后，作物大量吸收同類型陽離子元素，釋放H+，引起土壤酸化，土壤中酶活性降低，并影響土壤中養(yǎng)分的形成。李鑫等研究結(jié)果表明，10～20 cm土層內(nèi)，烤煙連作5年和1年的土壤轉(zhuǎn)化酶活性分別比正茬降低52%和30%[30]。

二是土壤微生物環(huán)境惡化。土壤中微生物種類繁多，主要包括真菌和細(xì)菌，真菌多為作物病菌，不利于作物生長，細(xì)菌則大多有利于作物生長，土壤微生物種群多樣性直接影響土壤養(yǎng)分形成及生物化學(xué)活性，并影響作物生長。若同種作物長期連作，由于作物與微生物相互選擇造成某些微生物種群在根際土壤中占明顯優(yōu)勢，易導(dǎo)致病原細(xì)菌、真菌或線蟲等因拮抗菌數(shù)量減少而迅速繁殖，造成微生物多樣性及原有根際微生態(tài)平衡被打破，作物與微生物共生關(guān)系被破壞，不利于作物正常生長[31]。高亞娟等研究表明，草莓連作后，土壤酸度發(fā)生明顯酸化，土壤中真菌數(shù)量比對照田塊高7～8倍，土壤中微生物環(huán)境己經(jīng)惡化[32]。

三是作物化感自毒作用。植物分泌某些化學(xué)物質(zhì)對自身或其他植物的生長產(chǎn)生的抑制或促進(jìn)作用稱為植物化感作用，自毒作用是指發(fā)生在同種植物間的生長抑制作用，主要是因為植物生長時根系分泌釋放的或根、莖、葉腐爛后分解累積的有毒物質(zhì)進(jìn)入土壤，而對同茬或下茬植物生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用。劉蘋等研究結(jié)果表明，花生結(jié)莢期根系分泌物對固氮菌生長、花生種子胚根長和根莖葉鮮質(zhì)量等具有抑制作用，連作年限越長，抑制程度越強(qiáng)[33]。

2.4 大量過量施用化肥導(dǎo)致土壤劣變機(jī)制

一是在土壤理化性質(zhì)方面，長期偏施化肥，會破壞土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，容重增加，孔隙度降低，耕層發(fā)僵，改變土壤中水、氣、熱環(huán)境，還可導(dǎo)致酸化，破壞肥料-土壤-作物養(yǎng)分系統(tǒng)平衡。二是在土壤營養(yǎng)元素方面，長期偏施氮、磷肥，易導(dǎo)致土壤酸化，造成土壤全鉀含量降低，以及微量元素因消耗過快而缺乏。三是在土壤有機(jī)質(zhì)方面，李新愛等研究表明，長期單施常量化肥，土壤有機(jī)質(zhì)有所消耗，造成有機(jī)質(zhì)總量下降[34]。四是在土壤生物學(xué)活性方面，主要指土壤酶和微生物活性。土壤酶能使有機(jī)養(yǎng)分有效化，提高作物吸取利用率，土壤酶活性能反映土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過程的動向和強(qiáng)度。土壤微生物既是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力，而且本身又是土壤養(yǎng)分存儲庫，對土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)起著重要的促進(jìn)作用，是土壤肥力水平的活指標(biāo)。研究表明，長期施用氮肥可造成土壤微生物性狀發(fā)生負(fù)面變化，降低微生物活性[35]，單施過量化肥會顯著降低磷酸酶、蛋白酶和土壤脲酶活性[36-37]。

長期施用化肥極易導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變差、土壤營養(yǎng)元素供應(yīng)失衡、土壤有機(jī)質(zhì)總量下降、土壤生物學(xué)活性降低等，造成糖料蔗因土壤肥力不濟(jì)而減產(chǎn)，而蔗農(nóng)為增產(chǎn)又會不斷增大化肥施用量，從而形成惡性循環(huán)。

3 治理土壤劣變的對策建議

3.1 改進(jìn)農(nóng)機(jī)具及作業(yè)技術(shù)

一是土壤壓實的主要原因來自農(nóng)機(jī)軸載和車輪與土壤接觸的壓力，可改2輪驅(qū)動為4輪驅(qū)動，作業(yè)時軸載分布較均勻，可減輕對土壤的碾壓；增加輪胎數(shù)量，改一機(jī)4輪為6輪或8輪，增加輪胎寬度和接地面積，亦可將輪胎內(nèi)壓降低，從而降低農(nóng)機(jī)對地表的壓力；可將農(nóng)機(jī)由輪式改為履帶式，履帶農(nóng)機(jī)比輪式接地面積大很多，對土壤壓實作用會小很多[18]。

二是可通過設(shè)置固定的農(nóng)機(jī)田間作業(yè)道，將農(nóng)機(jī)行駛區(qū)和糖料蔗生長區(qū)分離，以減少土壤壓實，并將固定作業(yè)道與保護(hù)性耕作方式相結(jié)合以提高水資源利用率，減少水土流失，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[38]。

三是避免在土壤高濕時機(jī)耕作業(yè)，當(dāng)耕層土壤含水量接近田間持水量時，農(nóng)機(jī)作業(yè)對土壤造成的壓實最為嚴(yán)重。另外當(dāng)土壤含水量過低時，雖然農(nóng)機(jī)作業(yè)對土壤壓實較輕，但此時土壤較堅硬，機(jī)械作業(yè)的阻力增大，油耗上升，經(jīng)濟(jì)性變差[39]。因此農(nóng)機(jī)作業(yè)要選擇土壤含水量適宜時進(jìn)行，盡可能避免在土壤含水量較高或含水量過低時作業(yè)，以減輕土壤壓實和提高作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

四是推廣農(nóng)機(jī)具聯(lián)合作業(yè)，土壤壓實程度與農(nóng)機(jī)在田間通過次數(shù)的對數(shù)成正比，輕型農(nóng)機(jī)壓實2次比壓實1次應(yīng)力增加70.69%，重型農(nóng)機(jī)則增加6.7%，推廣農(nóng)機(jī)聯(lián)合作業(yè)可顯著減少農(nóng)機(jī)作業(yè)次數(shù)，有效減輕農(nóng)機(jī)對土壤的壓實[40]。

3.2 改革和創(chuàng)新機(jī)耕方式

一是科學(xué)耕整土地，當(dāng)土壤耕層淺、結(jié)構(gòu)緊實而限制糖料蔗根系生長導(dǎo)致減產(chǎn)時，采用深耕作業(yè)，其改善效果非常顯著。可根據(jù)緊實區(qū)在土層中的位置，選擇適宜的耕作深度。比如，若穩(wěn)定層壓實，可選擇深翻耕作；若心土層壓實，可選擇心土鏟或鑿形犁進(jìn)行深松作業(yè)，且深耕作業(yè)宜選在土壤含水量適宜的秋季進(jìn)行。羅俊等研究表明，與對照(不深松+旋耕25 cm)相比，通過增加土壤耕作深度，深松35 cm+旋耕 25 cm 和深松50 cm+旋耕25 cm處理可顯著改善耕層土壤緊實度、容重和整體疏松程度，糖料蔗有效莖數(shù)增加顯著；深松作業(yè)可提高耕層土壤總孔隙度，尤其是增加30～40 cm土層的毛管孔隙度，使深層土壤的保水能力顯著增強(qiáng)，對糖料蔗中后期莖高和莖徑產(chǎn)生顯著促進(jìn)效應(yīng)[12]。深松35 cm+旋耕 25 cm 與深松50 cm+旋耕25 cm均能顯著降低耕層土壤貫入阻力，兩者均對土壤物理結(jié)構(gòu)有積極改善作用，能顯著提高糖料蔗產(chǎn)量；且前者的固相容積率最小，氣相容積率最大；而不深松+旋耕25 cm的耕作措施固相容積率最大，氣相容積率最小。建議在有條件的蔗區(qū)均應(yīng)采用深松35 cm+旋耕 25 cm 的耕作方式，在不具備條件的蔗區(qū)，可采用鏵式犁深松50 cm+旋耕25 cm的耕作方式，以達(dá)到深松和增厚耕層的目的[12]。

二是推行蔗地粉壟栽培技術(shù)，韋本輝研究表明，糖料蔗粉壟比傳統(tǒng)栽培可增產(chǎn)10%以上，原因與良好的土壤理化結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境促使作物根系發(fā)達(dá)，促進(jìn)水肥等得到均衡供給有密切關(guān)系[41]。李軼冰等研究表明，與旋耕和深松相比，粉壟耕作后的耕層層次可基本保持原態(tài)，耕層性狀被優(yōu)化，表現(xiàn)為土壤疏松層深厚和調(diào)蓄水分肥料能力增強(qiáng)等，且粉壟作業(yè)深度越深對降雨入滲和土壤水分調(diào)蓄越有利，粉壟后覆蓋地膜也可克服表土跑墑的缺點[42]。糖料蔗粉壟栽培技術(shù)是一項可突破犁底層、保持耕層深度、提高水肥利用效率的新的有效方法。

3.3 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)規(guī)模實行科學(xué)輪作

一是根據(jù)蔗區(qū)規(guī)模，在保證糖料蔗種植基地至少5年輪作1遍的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化糖廠的加工能力，確保工農(nóng)業(yè)均實現(xiàn)最大效益。比如，一方面蔗區(qū)的糖料蔗供應(yīng)減少后，可適時縮小糖廠的加工能力，通過技術(shù)創(chuàng)新和改造，提高加工技術(shù)水平來獲取加工效益。另一方面，針對糖料蔗供應(yīng)嚴(yán)重不足的蔗區(qū)，可通過對一些老舊且技術(shù)落后的糖廠實行關(guān)停并轉(zhuǎn)，對所在蔗區(qū)進(jìn)行重新整合劃分，為糖料蔗科學(xué)輪作創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

二是提高認(rèn)識，轉(zhuǎn)變觀念，大力宣傳和推廣科學(xué)輪作。通過糖料蔗與其他作物的合理輪作，可以有效減輕土壤心土層壓實[43]。實行作物輪作，包括蔗草輪作等，其他作物根系腐爛后，會留下大量孔道，比如種植三葉草、紫花苜蓿等根系粗大且碎土能力強(qiáng)的作物，可在一定程度上疏松土壤，培肥土壤。例如，在廣西來賓糖料蔗生產(chǎn)基地就采取糖料蔗與蠶桑、水稻等輪作；在廣東雷州半島糖料蔗生產(chǎn)基地就采取糖料蔗與菠蘿、香蕉等輪作。何樹林總結(jié)出蔗稻合理輪作有改善土壤理化性狀、提高土壤肥力、減少病蟲及雜草危害和減少有毒物質(zhì)積累等四大效果[44]。鄭超等研究表明，甘蔗菠蘿輪作地比甘蔗連作地土壤中的堿解氮、速效磷和速效鉀等速效養(yǎng)分含量分別提高33%、27%和53%，土壤中淀粉酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶的酶活性分別提高3.2、1.3、2.4 和1.9倍，甘蔗、菠蘿輪作比甘蔗連作的平均單產(chǎn)和蔗糖分分別高出8.9%和6.6%[45]。

三是加大政策引導(dǎo)和支持，比如制定和出臺輪作補(bǔ)貼或獎勵政策，對定期實行糖料蔗輪作的蔗田給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼或獎勵，鼓勵和引導(dǎo)蔗戶自覺形成蔗田定期輪作的生產(chǎn)習(xí)慣。

3.4 科學(xué)施肥并注重培肥土壤

一是減少化肥施用量，重視施用有機(jī)肥，增加土壤有機(jī)質(zhì)。有機(jī)物質(zhì)比土壤容重低、孔隙度高，大量施用作物殘茬、有機(jī)肥、泥碳和綠肥等農(nóng)肥可以降低土壤緊實度，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效降低土壤容重和提高土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤水肥積蓄能力，并促進(jìn)土壤團(tuán)聚化而形成良好的結(jié)構(gòu)等[46-47]。

二是掌握正確的施肥方法。在糖料蔗栽培中不合理施肥是導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和糖分低的重要原因[48]。糖料蔗在苗期、分蘗期、伸長期和工藝成熟期等不同階段對營養(yǎng)元素的需求不同。應(yīng)根據(jù)糖料蔗生長期在測土配方的基礎(chǔ)上指導(dǎo)蔗農(nóng)科學(xué)、合理、精準(zhǔn)施肥。比如廣西來賓市一些蔗農(nóng)使用甘蔗專用肥增產(chǎn)增效作用明顯，試驗調(diào)查顯示，使用甘蔗專用肥比常規(guī)施肥平均增產(chǎn)約8%，增加產(chǎn)值約3 000元/hm2[49]。

三是推廣實行蔗葉粉碎還田措施。甘蔗葉中除了含有豐富的作物生長必需的營養(yǎng)元素外，蔗葉粉碎還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保水、保肥、保溫、通氣等性能[50]。

四是推行乙醇發(fā)酵廢液定量還田技術(shù)。通過噴淋錘度為6～9的乙醇發(fā)酵廢液75～105 t/hm2，并結(jié)合地膜覆蓋，可使新植蔗和宿根蔗在不施任何化肥的情況下增產(chǎn)10%～30%，蔗糖分提高0.2%～1.0%[51]。

五是引導(dǎo)蔗農(nóng)實行智能化施肥技術(shù)，提高種蔗經(jīng)濟(jì)效益。廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所通過智能化精準(zhǔn)施肥使甘蔗平均增產(chǎn)16.5 t/hm2，糖分提高1.38%，肥料利用率提高4.5%～8.2%[52]。

六是探索推行“化肥+”施肥模式，如“化肥+腐殖酸”“化肥+土壤調(diào)理劑(石灰)”“化肥+新型肥料”和“化肥+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”等，以改善土壤理化和生物學(xué)性狀，提高化肥利用率和作物抗逆性等[53-55]。

4 結(jié)束語

土壤是農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民最為寶貴的財富之一，中華民族在傳統(tǒng)上就對鄉(xiāng)土懷有深深的眷戀。土壤是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不可替代的基礎(chǔ)性因素[56-59]，土壤的可持續(xù)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)的前提，因此培肥土壤是建設(shè)和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必須著手解決的重大問題，也是首要問題。有效解決土壤劣變問題，不僅須要提高農(nóng)民思想認(rèn)識和科學(xué)文化素質(zhì)，改進(jìn)生產(chǎn)方式和農(nóng)機(jī)裝備，創(chuàng)新農(nóng)技推廣水平等，而且也須要農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)不斷試驗研究開發(fā)切合我國產(chǎn)業(yè)實際的土壤培肥新方法、新技術(shù)和新設(shè)備等，同時也須要農(nóng)業(yè)主管部門進(jìn)一步加強(qiáng)對土壤資源的檢測和監(jiān)管水平，加大政策引導(dǎo)和扶持，大力開展科技宣傳培訓(xùn)和農(nóng)技推廣等。比如國家農(nóng)業(yè)部實施的國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項目，通過對中低產(chǎn)田進(jìn)行改造，培育土壤，將中低產(chǎn)田改造成高產(chǎn)田。

習(xí)近平總書記指出，在思想、態(tài)度、政策和行動上必須自始至終堅持綠色發(fā)展，推進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展觀向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)變，這是走出中國特色社會主義鄉(xiāng)村振興道路的關(guān)鍵。土壤劣變就是農(nóng)業(yè)生態(tài)污染的重要表現(xiàn)形式之一，深入推進(jìn)耕地質(zhì)量保護(hù)和提升行動，實施土壤劣變、重金屬和化工污染等耕地綜合整治工程，開展耕地改造、輪作和精耕、休耕等研究試點，調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改革農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，改進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)藝措施，加強(qiáng)投入品管控和廢棄物自動降解、回收及無害化處理等，推廣“化肥+”“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”“配方施肥”“精準(zhǔn)施肥”等新方法新技術(shù)，推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量增效，改良和培肥土壤，保障耕地數(shù)量和質(zhì)量，保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式調(diào)整優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)變革，也是思維理念、行為方式和發(fā)展模式的綠色革命。實施土壤培肥是農(nóng)業(yè)生態(tài)文明發(fā)展的重要著力點，新時代中國特色農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展之路離不開對土壤質(zhì)量的重視和保護(hù)，可以作為我國為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)的一項中國智慧和中國方案[60]。