紅壤退化與修復(fù)長期研究促進(jìn)東南丘陵區(qū)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展

孫 波 梁 音 徐仁扣 彭新華 王興祥 周 靜 李忠佩 趙學(xué)強(qiáng)

中國科學(xué)院南京土壤研究所 鷹潭紅壤生態(tài)實驗站 南京 210008

我國東南紅壤丘陵區(qū)（云貴川以東、長江以南）包括湘、贛、浙、閩、桂、粵、瓊及鄂、蘇、皖南部，土壤面積約 113 萬平方公里，占全國土地總面積的 11.8%。這一地區(qū)廣泛分布著鐵鋁土綱，主要包括紅壤（55.8%）、赤紅壤（17.5%）、磚紅壤（3.9%）和黃壤（22.8%）。紅壤地區(qū)跨越中亞熱帶、南亞熱帶及熱帶，水熱資源豐富（15℃—28℃，≥ l0℃ 積溫5 000℃—9 500℃，年均降雨1 200—1 500 mm，高溫多雨，濕熱同季），農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿艽?，是我國水稻、油料、?jīng)濟(jì)林果（柑橘等）和經(jīng)濟(jì)作物（茶葉等）重要產(chǎn)區(qū)。由于自然因素和人類不合理的利用，紅壤生態(tài)系統(tǒng)面臨水土流失、季節(jié)性干旱、土壤酸化、土壤肥力和生態(tài)功能衰減、土壤重金屬污染等退化過程，造成生態(tài)系統(tǒng)退化和土地生產(chǎn)力下降，這制約了紅壤地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

從 20 世紀(jì) 50 年代起，中國科學(xué)院南京土壤研究所李慶逵院士率領(lǐng)中國科學(xué)院南方綜合科考隊進(jìn)行了紅黃壤區(qū)土壤資源調(diào)查和橡膠宜林地考察，并開展了紅壤改良利用試驗，在江西新建縣建立了甘家山紅壤試驗場，創(chuàng)建了低產(chǎn)紅壤旱地“以磷增氮”的磷礦粉直接施用技術(shù)；60—70 年代，基于碳銨造粒方法建立有機(jī)肥-銨態(tài)氮配施方法，提出紅壤性水稻土次生潛育化改良技術(shù)；80 年代，提出紅壤“脫硅富鋁化”發(fā)生機(jī)制，建立了侵蝕紅壤的植被恢復(fù)技術(shù)和酸性土壤改良技術(shù)[1]。1985 年在江西省鷹潭市余江縣建立紅壤生態(tài)實驗站（以下簡稱“鷹潭站”），系統(tǒng)開展了紅壤生態(tài)系統(tǒng)演變與調(diào)控、紅壤質(zhì)量退化和重建、紅壤區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對策和模式的研究，在紅壤退化機(jī)制與防治方面獲得一系列國家級和省部級科技進(jìn)步獎[2]。

在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，近10 年來鷹潭站主持實施了“973”項目“東南丘陵區(qū)紅壤酸化過程與調(diào)控原理”、“863”項目“南方季節(jié)性缺水灌區(qū)（江西省鷹潭）節(jié)水農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)體系集成與示范”，重點(diǎn)基金項目“廣西紅壤肥力與生態(tài)功能協(xié)同演變機(jī)制與調(diào)控”；目前主持執(zhí)行國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“耕地地力影響化肥養(yǎng)分利用的機(jī)制與調(diào)控”、國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項目“農(nóng)田土壤微生物多樣性形成規(guī)律的熱能理論研究”和“可變電荷土壤中根-土相互作用與根/土界面的電化學(xué)特征”、國家自然科學(xué)基金國際合作項目“紅壤關(guān)鍵帶多尺度水文過程及其驅(qū)動下的物質(zhì)遷移與模型模擬”以及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項項目“地上-地下生物協(xié)同調(diào)控與氮磷高效利用機(jī)理”。在技術(shù)研發(fā)和示范方面，鷹潭站主持實施了“十一五”國家科技支撐計劃“紅壤退化的阻控和定向修復(fù)與高效優(yōu)質(zhì)生態(tài)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗示范”、中科院-江西省合作項目“耕地保育與持續(xù)高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試點(diǎn)工程——江西試區(qū)”、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃項目“糧食主產(chǎn)區(qū)中低產(chǎn)土壤地力提升減施化肥的關(guān)鍵技術(shù)體系集成示范”和“江西貴溪鎘銅污染土壤修復(fù)技術(shù)示范”。通過長期研究，鷹潭站為紅壤生態(tài)系統(tǒng)退化和治理提供了重要理論和技術(shù)支撐，推動了江西省耕地保育與持續(xù)高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，促進(jìn)了區(qū)域水土流失治理和耕地地力提升，保障了區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和特色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 在紅壤發(fā)生方面，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代氣候條件下紅色風(fēng)化殼的脫硅富鋁化過程仍在繼續(xù)，但小流域土壤自然酸化速率只有傳統(tǒng)估計量的一半

南方紅壤是在第三紀(jì)末期以來多次間冰期濕熱條件下形成的，通過對南方紅色風(fēng)化殼（紅壤層）的生物地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)紅壤的主要成土過程是脫硅富鋁化過程和生物富集過程。根據(jù)原生礦物的風(fēng)化程度（＜1 mm 黏粒的 SiO2: Al2O3率），富鋁化過程可以分為準(zhǔn)鐵鋁（2.2—2.5）、鐵鋁（2.0 左右）和富鋁（＜ 1.7）的3 個階段，黏粒部分礦物從以高嶺石和水云母為主，變?yōu)橐愿邘X石和三水鋁礦為主。對安徽宣城深厚紅土剖面（圖 1）的研究表明，中更新世以來溫濕—干涼交替的氣候旋回以及植被的變化影響了成土過程及其有機(jī)質(zhì)含量。由于南方第四紀(jì)末次冰期以來氣候變得干冷，紅土的脫硅富鋁化過程減弱，但這一過程仍在繼續(xù)，在現(xiàn)代氣候條件下，林地土壤磚紅壤和紅壤中硅和鹽基的遷移較高（135 cm 處滲漏水 SiO2含量為 3.0—13.2 mg L?1，CaO 含量為 1.63—8.38 mg L?1），鐵、鋁淋失較少（Fe2O3和 Al2O3含量分別為 0.18—0.47 和 0.02—0.57 mg L?1），同時生物富集作用強(qiáng)烈，凋落物對鹽基的歸還量較高（CaO、MgO、K2O 分別達(dá) 55.3—156.1、21.5—74.0、33.4—55.2 kg hm?2a?1）[3]。

脫硅富鋁化過程中鹽基淋失導(dǎo)致的酸化過程十分緩慢，很難在短期直接觀測自然酸化速率?；诘湫蛠啛釒×饔蜷L期觀測，通過風(fēng)化和酸化過程中巖石、半風(fēng)化體、土壤、徑流水中硅與鹽基離子的化學(xué)計量學(xué)關(guān)系，準(zhǔn)確區(qū)分出土壤礦物風(fēng)化和膠體陽離子交換過程消耗輸入質(zhì)子（H+）的比例為 46 : 54，其中基于陽離子交換過程土壤自然酸化速率只有傳統(tǒng)估計量的一半[4]。伴隨紅壤發(fā)育中的土壤礦物風(fēng)化，導(dǎo)致帶正電荷的鐵鋁氧化物與帶負(fù)電荷的鋁硅酸鹽礦物表面發(fā)生“擴(kuò)散層重疊作用”，減少了土壤表面有效負(fù)電荷數(shù)量，從而抑制了土壤自然酸化過程[5]。對于紅壤發(fā)生中自然酸化的研究支撐了對林地土壤酸化的預(yù)測和管理（圖 2）。

2 在紅壤加速酸化阻控方面，研發(fā)了抑制質(zhì)子產(chǎn)生和提升土壤抗酸化能力的新方法，挖掘了紅壤區(qū)新的耐鋁植物資源，揭示了植物耐鋁的分子生物學(xué)機(jī)制

基于紅壤區(qū)域調(diào)查和長期試驗，發(fā)現(xiàn)近 30 年來，由于酸沉降和銨態(tài)氮肥施用量增加，導(dǎo)致森林草地和農(nóng)田系統(tǒng)中紅壤酸化加速。在亞熱帶紅黃壤區(qū)（301 個采樣點(diǎn)），土壤 pH 均值由 5.37（4.40—6.60）下降至 5.14（糧食作物，4.17—6.52）和 5.07（經(jīng)濟(jì)作物，3.93—6.44）。在抑制質(zhì)子產(chǎn)生方面，紅壤旱地中配合施用尿素、銨態(tài)氮肥和硝化抑制劑抑制氮肥硝化產(chǎn)酸；設(shè)施蔬菜地中利用硝態(tài)氮肥替代銨態(tài)氮、配合根際堿化作用可以控制質(zhì)子源。在提升土壤的抗酸化能力方面，短期尺度上施用秸稈生物炭可有效提升紅壤酸緩沖容量，長期尺度上通過施用有機(jī)肥提高土壤有機(jī)質(zhì)增強(qiáng)紅壤抗酸化能力。秸稈生物炭、特別是豆科作物秸稈含豐富的碳酸鹽和有機(jī)陰離子，其消耗質(zhì)子過程以羧基質(zhì)子化過程為主，在 pH 值 ＞ 6.2 時貢獻(xiàn)率達(dá) 68%—94%，pH 值 ＜6 時 Si 沉淀消耗質(zhì)子作用增強(qiáng)[6]（圖 3）。施用生物炭中和紅壤酸度，可以解決長期施用石灰導(dǎo)致的土壤板結(jié)問題，特別是配合施用石灰物質(zhì)（如無重金屬污染的堿渣等工業(yè)副產(chǎn)品）與農(nóng)作物秸稈（生物炭），可以同步改良紅壤表層（0—20 cm）和表下層（20—40 cm）酸度，提高紅壤肥力[7]。通過建立不同區(qū)域紅壤旱地主要作物的酸害閾值（如安徽和湖南紅壤中油菜的 pH 閾值分別為 4.9 和 5.6），構(gòu)建了紅壤旱地石灰類物質(zhì)降酸、有機(jī)肥阻酸與減氮控酸技術(shù)，在江西、安徽等省示范應(yīng)用成效顯著，土壤 pH 值可以提高 0.4—1.0 個單位，油菜產(chǎn)量提高 50% 以上[8,9]。

圖1 第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的深厚紅土層（張甘霖提供照片）

圖2 典型紅壤小流域質(zhì)子輸入和輸出通量（單位：mol ha-1 y-1）

針對酸性土壤中鋁毒引起問題，挖掘了紅壤區(qū)耐鋁植物和微生物資源，發(fā)現(xiàn)了一種新的鋁超積累植物——油茶（老葉鋁含量可達(dá) 13.5 g/kg）[10]和耐鋁植物——胡枝子[11]（圖4），從酸性土壤中分離到一株高耐鋁（100 mmol/L Al）微生物——紅酵母（Rhodotorula taiwanensis RS1）[12]。在生物耐鋁機(jī)制方面，闡明油茶地上部鋁通過韌皮部運(yùn)輸，二色胡枝子通過根系分泌蘋果酸和檸檬酸耐鋁[11]，高耐鋁紅酵母依靠較低的細(xì)胞壁負(fù)電性耐鋁[13]；系統(tǒng)闡明了“銨態(tài)氮減輕、硝態(tài)氮加重植物鋁毒”的機(jī)制，首次揭示了“耐鋁植物偏好銨態(tài)氮、不耐鋁植物偏好硝態(tài)氮”的規(guī)律，建立了土壤-植物系統(tǒng)氮鋁偶聯(lián)模式圖[14]，發(fā)現(xiàn)只有在耐鋁植物中磷才能減緩植物鋁毒[15]，研究結(jié)果為提高紅壤生產(chǎn)力提供了理論基礎(chǔ)。

圖3 紅壤中施用生物炭消耗質(zhì)子的機(jī)制

圖4 胡枝子耐鋁機(jī)制-根尖ALMT1基因促進(jìn)蘋果酸外排螯合鋁

3 建立了紅壤區(qū)土壤侵蝕多尺度監(jiān)測方法，編制了土壤可蝕性因子分布圖，揭示了紅壤侵蝕演變和崩崗發(fā)育機(jī)制，建立了侵蝕紅壤的開發(fā)性治理模式

在土壤侵蝕監(jiān)測方法方面，研發(fā)了降雨侵蝕力觀測儀，基于降雨量、降雨強(qiáng)度與降雨動能關(guān)系建立了適合小尺度（田塊）的降雨侵蝕力模型[16]；在中尺度（流域），針對遙感與模型（CSLE、SWAT等）集成方法，確定了最佳遙感影像分辨率和 DEM 精度，建立了高精度的土壤侵蝕監(jiān)測方法；厘定了小流域治理度概念和計算方法，為小流域水土流失治理效果提供了評價方法[8]。優(yōu)化了土壤可蝕性 K 值計算模型，編制了全國1 : 50 萬的土壤可蝕性 K 值分布圖（圖 5），查明了東南紅壤區(qū)土壤 K 值分布（發(fā)現(xiàn)紫色濕潤雛形土和淡色潮濕雛形土 K 值最高），為國務(wù)院第一次水利普查暨第四次水土保持普查提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[17]。通過區(qū)域調(diào)查查明了東南紅壤丘陵區(qū)近 50 年來水土流失演變狀況，發(fā)現(xiàn)水土流失面積從 20 世紀(jì) 50 年代初的 10.5 萬平方公里增加到 2002 年的 19.6 萬平方公里，現(xiàn)有水土流失面積為 16.0 萬平方公里（占比 12.5%），其中崩崗 26 萬個（崩崗區(qū)年均土壤侵蝕模數(shù)高達(dá) 5.9×104t km?2a?1），治理率低于 1%，局部水土流失嚴(yán)重[18]。

在土壤侵蝕發(fā)生和環(huán)境效應(yīng)方面，揭示了馬尾松林地水土流失規(guī)律，發(fā)現(xiàn)植被林冠層對水土流失影響的閾值，其中馬尾松純林覆蓋度小于 24%，影響權(quán)重很?。徊槊髁粟M南稀土尾礦區(qū)泥沙和浸礦物遷移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著徑流泥沙遷移，隨徑流水遷移；在流域尺度上（江西瀲水河流域 579 平方公里）揭示了長期營造水保林（1971—2009 年）通過增加流域蒸騰減少流域的產(chǎn)水量和產(chǎn)沙量，近 20 年來（1991—2009 年）造林對降低流域產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)率從 41% 增加到 68%，由于流域水文循環(huán)和水土流失的耦合變化最終降低了流域氮磷輸出（年輸出量僅為 3.38 kg N /ha 和 1.16 kg P/ ha）。

基于紅壤坡面產(chǎn)沙和徑流形成機(jī)制，建立了以保護(hù)團(tuán)聚體和減緩徑流為核心的侵蝕阻控理論，針對不同坡度的紅壤旱坡地，建立了減緩徑流的工程和生物配套的“集流聚肥”水保耕作體系[19]，包括等高草籬、土埂、梯田和覆蓋措施，治理8 年后植被恢復(fù)區(qū)產(chǎn)沙得到完全控制，平均固碳速率為 4.63 t hm?2a?1，生態(tài)效益顯著[20]。針對花崗巖紅壤的侵蝕類型，基于群落構(gòu)建理論確定了侵蝕紅壤劣地馬尾松林植被恢復(fù)重建的群落指標(biāo)，構(gòu)建了立體植被快速恢復(fù)模式，包括劇烈侵蝕的水保草覆蓋模式、喬灌草混交模式、補(bǔ)植鄉(xiāng)土植物模式、經(jīng)濟(jì)林生草覆蓋模式。揭示了紅壤區(qū)崩崗發(fā)育過程和形成機(jī)制，研發(fā)了基于新型水保材料固土控蝕的大型崩崗快速治理技術(shù)，以“山水林田湖草”生態(tài)修復(fù)理念為核心，建立了“治坡、降坡、穩(wěn)坡”與農(nóng)林果牧經(jīng)濟(jì)開發(fā)融合的崩崗治理模式（圖 6），并在江西和福建進(jìn)行了示范推廣[8]。

4 查明了紅壤區(qū)季節(jié)性干旱發(fā)生規(guī)律，揭示了紅壤孔隙形成機(jī)制以及不同尺度的水文通量，研發(fā)了農(nóng)田水分高精度遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，建立了低丘紅壤區(qū)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系

通過長期觀測和調(diào)查，明確了紅壤丘陵區(qū)土壤-作物干旱和氣候性干旱的時空發(fā)生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其年發(fā)生概率分別為 86% 和 60%，以夏秋伏旱（7—9月）危害最大。從區(qū)域分布看，江南丘陵北部多發(fā)伏、夏旱；紅壤區(qū)東部多發(fā)秋旱，10月份贛、閩多發(fā)，11月桂、粵、閩多發(fā)[21]。

紅壤有效水庫容較低是季節(jié)性干旱的內(nèi)在原因。針對長期施肥對土壤孔隙的影響機(jī)制，利用 CT 技術(shù)和土壤水分特征曲線（SWRC）揭示了紅壤大孔隙和孔隙分布特征，建立了擬合水分特征曲線的雙峰模型（bimodal lognormal model, BLN；double-exponential model, DE model），發(fā)現(xiàn)施肥主要改變土壤的結(jié)構(gòu)性孔隙，對質(zhì)地性孔隙影響較小[22]。針對土壤生物的影響，利用 CT 與圖像分析技術(shù)研究了兩種生態(tài)位的蚯蚓對紅壤和砂姜黑土蚯蚓洞孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)了蚯蚓類型顯著影響了蚯蚓洞結(jié)構(gòu)，其中以腐質(zhì)物為食的遠(yuǎn)環(huán)蚓屬蚯蚓（Amynthas carnosus）比以土壤為食的杜拉屬蚯蚓（Drawida sinica）形成更粗大的洞，上下連接性好，垂直方向更加明顯，從而顯著提高了飽和導(dǎo)水率（圖 7）[23]?；陂L期試驗，研究了土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）中水流阻力的變化特征，揭示了氣候、母質(zhì)、利用方式和施肥對土壤剖面水分庫容季節(jié)性變化的影響，發(fā)現(xiàn)長期施肥對紅壤深層（100 cm）水分動態(tài)的影響顯著增加。基于淺層土壤含水量變化和土壤水分的時間穩(wěn)定性特征，預(yù)測土壤深層含水量動態(tài)變化和區(qū)域平均含水量，實現(xiàn)點(diǎn)位觀測的時空尺度擴(kuò)展[24,25]。在小流域尺度（孫家小流域），應(yīng)用端元混合模型明確了徑流來源，發(fā)現(xiàn)灌溉水、雨水和地下水分別貢獻(xiàn)了 46%、26% 和 28%[26]。

圖5 東南紅壤丘陵區(qū)土壤可蝕性 K 值分布

圖6 經(jīng)濟(jì)開發(fā)型崩崗治理模式框架

圖7 不同生態(tài)位的蚯蚓對紅壤大孔隙（蚯蚓洞）的影響

鷹潭站發(fā)展了紅壤區(qū)以農(nóng)藝措施為主的水、肥、土綜合管理的抗旱節(jié)水技術(shù)體系。從選用抗旱作物入手，發(fā)展冬季農(nóng)業(yè)優(yōu)化種植模式；從保持土壤水分、促進(jìn)根系生長、提高植株抗旱性入手，優(yōu)化了以花生為主的高效節(jié)水旱地種植模式；闡明了水稻節(jié)水種植模式的水肥耦合機(jī)制，提出了節(jié)灌條件下水稻水肥高效利用的綜合調(diào)控模式[21]。研發(fā)了稻田水位-地表灌溉深度-滲漏三聯(lián)測量裝置和高精度土壤水分傳感器，實現(xiàn)了灌區(qū)田間水層深度、墑情、作物長勢等生態(tài)因子的精確自動監(jiān)測，支撐了水稻節(jié)水技術(shù)研發(fā)?；谔飰K、小流域和灌區(qū)的水量平衡，提出了灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案，配套淺層地下水打井灌溉技術(shù)和小流域水文監(jiān)測評價技術(shù)，支撐了紅壤灌區(qū)節(jié)水改造工程建設(shè)，在江西建設(shè)示范區(qū)1 萬畝；灌水利用率由 30% 提高到 70% 以上，作物水分利用率由 1.3 kg/m3提高到 1.7 kg/m3，增產(chǎn) 18%—32%。

5 建立了土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬和稀土元素遷移預(yù)測模型，提出了紅壤和水稻土安全閾值，集成了紅壤重金屬污染治理技術(shù)模式

在系統(tǒng)開展紅壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染機(jī)理研究的基礎(chǔ)上[27]，基于土壤基礎(chǔ)性質(zhì)（pH 值和有機(jī)質(zhì)）建立了土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬遷移預(yù)測模型[28]，初步明確了蔬菜、水稻、臍橙土壤重金屬安全閾值[28-30]，制定了水稻和根莖類蔬菜生產(chǎn)的土壤砷、汞、鎘、鉛、鉻安全閾值國家標(biāo)準(zhǔn)（報批稿），報批標(biāo)準(zhǔn)各項閾值普遍高于 GB 15618-1995 一級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水平（圖 8），并修正了 GB 15618-1995 二級標(biāo)準(zhǔn)中對汞的規(guī)定過于嚴(yán)格而對鉛的規(guī)定過于寬松的問題，報批標(biāo)準(zhǔn)基于土壤 pH 值和有機(jī)質(zhì)范圍細(xì)化了水稻和根莖類蔬菜的重金屬安全閾值，提高了在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的適用性?；谡{(diào)查和定位試驗，澄清了贛南臍橙重金屬和稀土超標(biāo)問題，發(fā)現(xiàn)即使在稀土尾礦地果園中稀土元素含量高達(dá)1 038 mg/kg，臍橙果品稀土元素含量也不超標(biāo)。

針對鎘污染農(nóng)田，篩選了區(qū)域適宜的低積累品種、明確水稻莖節(jié)在鎘向籽粒傳輸中的限制作用[31]，研制了納米羥基磷灰石等新型復(fù)配鈍化材料（圖 9），提出了鈍化材料酸穩(wěn)定性的簡易方法[32]；研發(fā)堿性材料鈍化、分蘗期施用微肥（鐵、鋅、硒等）等關(guān)鍵技術(shù)，降低糙米鎘含量 75%[33]，集成低積累水稻品種 + 鈍化材料降低活性+分蘗期微肥根控+孕穗期淹水生理阻控的水稻安全生產(chǎn)技術(shù)體系，以及鈍化+改土+發(fā)展果樹/纖維/能源作物等種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)和模式。針對稀土尾礦污染區(qū)研發(fā)了 T 溝蓄水保土的植被快速恢復(fù)技術(shù)，水土流失減少 80%、植被成活率達(dá)到 90%，集成了 T 溝蓄水保土 、周年生物覆蓋、土壤培肥，發(fā)展臍橙的復(fù)墾與安全生產(chǎn)技術(shù)模式。技術(shù)模式在鷹潭、贛州等地得到大面積推廣應(yīng)用，部分成果參加集成的“重金屬超標(biāo)農(nóng)田和稀土尾礦污染區(qū)安全利用關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”申報了江西省科技進(jìn)步獎。

圖8 根莖類蔬菜生產(chǎn)土壤中鎘安全閾值

圖9 制備土壤重金屬污染修復(fù)材料納米羥基磷灰石

6 查明了紅壤地力和養(yǎng)分平衡的演變狀況，揭示了紅壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的微生物機(jī)制，闡明了水熱條件對土壤碳氮轉(zhuǎn)化核心菌群演替的驅(qū)動作用，提出紅壤大團(tuán)聚體生物培肥技術(shù)

引入“土壤圈-水圈-大氣圈-巖石圈-生物圈”交互作用理論模型，從紅壤圈與水、氣、巖石、生物圈之間的物質(zhì)循環(huán)角度，從田塊到流域尺度系統(tǒng)開展紅壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能研究[3]；引入“土壤質(zhì)量”概念，建立了紅壤肥力、環(huán)境和健康質(zhì)量研究框架，系統(tǒng)開展了紅壤質(zhì)量演變機(jī)制與調(diào)控理論研究[34]。

在系統(tǒng)研究紅壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化機(jī)制的基礎(chǔ)上，評估了不同施肥措施的固碳潛力；明確了東部紅壤區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分布狀況，發(fā)現(xiàn) 20 世紀(jì) 80 年代以來的 20 年間紅壤旱地有機(jī)質(zhì)含量下降，而水稻土有機(jī)質(zhì)含量提升[34]；由于大面積實施秸稈還田技術(shù)，東部和中南部土壤有機(jī)碳儲量在 1980—2011 年間分別增加了 8.33 和 6.67 Mg/ha[35]。通過長期試驗揭示了不同氣候帶下秸稈腐解機(jī)制及其替代氮肥的適宜比例，發(fā)現(xiàn)微生物群落組成與秸稈化學(xué)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變化機(jī)制，真菌/細(xì)菌比例驅(qū)動了秸稈芳化度的增加[36,37]；針對中亞熱帶中低產(chǎn)水稻田，長期培肥后秸稈全量還田可以顯著提高土壤有機(jī)碳（平衡值達(dá) 19 g/kg），改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和微生物活性，在替代 20%—30% 化肥氮的水平下保持水稻高產(chǎn)[38]。

探明了東南紅壤區(qū)土壤養(yǎng)分的貧瘠狀況，揭示了農(nóng)田養(yǎng)分平衡的演變特征及其對紅壤養(yǎng)分庫的影響，發(fā)現(xiàn)東部紅壤旱地全氮中度貧瘠（約 63 %）、速效磷嚴(yán)重貧瘠（約 78 %）；隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)田氮磷盈余量及其環(huán)境風(fēng)險不斷增加，從氮盈余量看，中東部（蘇、浙、閩、粵 ＞ 170 kg/ha）＞中部（皖、贛、鄂 64—170 kg/ha）＞西部（桂 ＜ 64 kg/ha）。在揭示農(nóng)田養(yǎng)分盈余對土壤養(yǎng)分庫容促進(jìn)作用的基礎(chǔ)上，揭示了長期培肥過程中土壤生物網(wǎng)絡(luò)形成對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的促進(jìn)機(jī)制，闡明了大團(tuán)聚體中線蟲捕食微生物促進(jìn)紅壤“固碳供氮釋磷”機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，旱地紅壤有機(jī)培肥后促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成，大團(tuán)聚體中線蟲對活躍微生物的捕食作用抑制了土壤碳代謝（“負(fù)反饋”），提高了有機(jī)質(zhì)積累能力；而食細(xì)菌線蟲優(yōu)勢屬——原桿屬（Protorhabditis）捕食生物網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵微生物硝化螺菌屬（Nitrosospira cluster 3a, 9, 10）和中慢生型根瘤菌屬（Mesorhizobium），促進(jìn)了微生物的氮代謝和磷代謝（“正反饋”），從而提高了土壤氮磷的供應(yīng)能力?；谶@些結(jié)果提出了紅壤“大團(tuán)聚體生物培肥理論”框架（圖 10）[39,40]。在區(qū)域尺度上揭示了氣候條件對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化功能微生物演替的驅(qū)動作用，發(fā)現(xiàn)氣候變暖促進(jìn)微生物的演替速率，增加碳、氮循環(huán)核心菌群豐度，促進(jìn)土壤呼吸和硝化功能[41]。上述成果為提出適應(yīng)氣候-土壤類型的微生物功能調(diào)控措施提供了理論依據(jù)。

圖10 紅壤“大團(tuán)聚體生物培肥理論”框架

7 長期持續(xù)提升紅壤退化的治理水平，創(chuàng)建了江西省耕地保育與持續(xù)高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，發(fā)展了紅壤小流域“山水林田湖草”生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式

從 20 世紀(jì) 80 年代起，鷹潭站在紅壤退化機(jī)理和治理方面開展了集成研究和技術(shù)示范，從防酸控蝕、保水增肥、建立高效農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)方面不斷推進(jìn)紅壤退化的綜合治理水平。闡明了南方紅壤區(qū)水土流失規(guī)律、允許侵蝕量和生態(tài)整治技術(shù)，提出了發(fā)揮工程水庫-土壤水庫作用的防御旱澇災(zāi)害對策以及基于坡地集水-節(jié)水灌溉-避旱栽培抵御季節(jié)性干旱的原理，揭示了低產(chǎn)水稻田和貧瘠旱地障礙因素與土壤因侵蝕、酸化和肥力衰減的退化機(jī)理。明確了紅壤旱地酸化、鹽基流失和養(yǎng)分貧瘠與非均衡化特征，提出紅壤退化綜合防治技術(shù)體系，包括侵蝕紅壤快速綠化與水土保持技術(shù)、退化土壤肥力恢復(fù)與優(yōu)化施肥技術(shù)、酸性土壤長效改良技術(shù)、蓄-保-灌結(jié)合防御季節(jié)性干旱技術(shù)。提出了以多元多熟間套種技術(shù)為代表的高產(chǎn)高效種養(yǎng)技術(shù)，建立了基于優(yōu)質(zhì)糧經(jīng)飼產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)高效開發(fā)模式，基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)提出南方紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，帶動了地方農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展[42]。

21 世紀(jì)起，全面提升了土壤退化治理和耕地質(zhì)量培育技術(shù)，建立了紅壤酸化和花生連作障礙修復(fù)模式，集成了稻稈快腐還田和肥力培育技術(shù)，研發(fā)了基于水稻光譜診斷和緩控釋肥的氮肥運(yùn)籌技術(shù)，解決了雙季稻機(jī)械化與輕型化生產(chǎn)的銜接技術(shù)，開發(fā)了雙季稻高產(chǎn)設(shè)計栽培模式，創(chuàng)建了江西省耕地保育與持續(xù)高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，建立了復(fù)合型持續(xù)增產(chǎn)模式、平原高產(chǎn)型超高產(chǎn)、山區(qū)低產(chǎn)型耕地定向培育模式和丘陵盆地中產(chǎn)型輕型生產(chǎn)模式。在江西省 14 個縣市示范推廣1 565 萬畝，增產(chǎn)糧食近10 億公斤，節(jié)本增效近 18 億元，為實現(xiàn)江西省新增 100 億斤糧食規(guī)劃提供了技術(shù)支撐[34]。

鷹潭站不斷完善“頂林、腰果、谷農(nóng)、塘魚”立體種養(yǎng)模式，丘頂部種植馬尾松、濕地松等用材林和水保林；丘崗中部種植經(jīng)果和作物（柑橘、甜柿、葡萄、油茶、花生、油菜等）；塘麓種植糧作和飼料（水稻、玉米、牧草等），發(fā)展家畜家禽養(yǎng)殖和沼氣；池塘養(yǎng)魚，配合建立人工小濕地處理和循環(huán)利用養(yǎng)殖廢棄物。基于線性規(guī)劃模型建立了小流域立體循環(huán)模式中養(yǎng)分循環(huán)利用的合理配比，針對中小型養(yǎng)殖場（年出欄1 200 頭豬，年產(chǎn)生 48 噸豬糞和 360 噸沖欄水），沼氣池處理有機(jī)糞尿后在果園、旱地、水田系統(tǒng)中循環(huán)利用養(yǎng)分的適宜比例為1 :6 : 1，年產(chǎn)生有機(jī)肥資源可以滿足 100 畝旱地、50 畝水田和10 畝柑橘園的養(yǎng)分需求，這一技術(shù)為解決東南區(qū)集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的有機(jī)廢棄物資源提供解決方案。近年來，提出建立東南紅壤區(qū)小流域尺度的“山水林田湖草”生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式（圖 11），融合治水、改土、造林措施，建立特色種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，提高紅壤坡地生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)規(guī)模，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的雙贏。

圖11 紅壤小流域“山水林田湖草”生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式

8 結(jié)語

我國東部紅壤丘陵區(qū)兼有生態(tài)脆弱區(qū)和農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)（水稻、油菜、柑橘等）特色，面臨巨大的資源-環(huán)境-人口壓力，中低產(chǎn)田比例大，耕地質(zhì)量退化嚴(yán)重，制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。鷹潭站自 1985 年建站以來，通過對紅壤退化機(jī)制和改良技術(shù)的長期研究和試驗示范，為提高紅壤生產(chǎn)力和紅壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，保障我國的食物安全作出了重要貢獻(xiàn)；通過承擔(dān)國家和省部級重大項目，推動和引領(lǐng)了我國紅壤生態(tài)學(xué)的發(fā)展。目前，鷹潭站通過完善野外長期試驗平臺，提升多尺度觀測裝備的現(xiàn)代化水平，吸收新材料、新裝備、新信息技術(shù)和新生物技術(shù)的發(fā)展成果，建設(shè)紅壤關(guān)鍵帶等小流域尺度的綜合觀測系統(tǒng)，凝練研究團(tuán)隊的國家需求和學(xué)科發(fā)展目標(biāo)，培養(yǎng)和引進(jìn)優(yōu)秀人才，提升學(xué)術(shù)研究水平和技術(shù)研發(fā)能力，為發(fā)展紅壤區(qū)適度規(guī)模的新一代生態(tài)高效農(nóng)業(yè)模式作出新的貢獻(xiàn)。