農(nóng)田土壤有機碳管理與有機質(zhì)平衡算法

張維理，KOLBE H，張認連，冀宏杰

農(nóng)田土壤有機碳管理與有機質(zhì)平衡算法

張維理1，KOLBE H2，張認連1，冀宏杰1

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，中國北京 100081；2德國撒克森州立農(nóng)業(yè)科學(xué)院，Waldheimer Stra?e 219, D-01683 Germany）

現(xiàn)代土壤肥料研究推動全球不同國家和地區(qū)建立了主要作物對氮、磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分需求量的推薦指標(biāo)，這些量化指標(biāo)成為科學(xué)施肥的基礎(chǔ)，促進了農(nóng)業(yè)實現(xiàn)增產(chǎn)、增收、增效和環(huán)境安全。土壤培肥是發(fā)展農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。有機肥、綠肥、秸稈還田是培肥土壤的主要措施，盡管已有研究證實，過量施用有機肥料不僅造成人力、物力浪費，還會產(chǎn)生農(nóng)田養(yǎng)分流失和環(huán)境污染。迄今為止，在國際范圍，對農(nóng)田培肥尚無量化推薦指標(biāo)。近年由德國科學(xué)家建立并嘗試采用的農(nóng)田有機質(zhì)平衡算法及推薦指標(biāo)將可能打破這一僵局。本文擇要介紹這一方法原理、應(yīng)用范圍和示例，以期為我國提供可資借鑒的經(jīng)驗。有機質(zhì)平衡算法的科學(xué)基礎(chǔ)是通過多點長期定位試驗，獲得作物和有機肥料的土壤有機質(zhì)碳當(dāng)量值，前者用以度量不同作物在其典型種植方式下，引起土壤有機質(zhì)碳量變化的趨勢，后者用于表征不同有機肥料施入土壤后產(chǎn)生的有機質(zhì)量。通過有機質(zhì)碳當(dāng)量值，可以對作物在典型種植方式下引起土壤有機質(zhì)的虧缺量或盈余量、秸稈還田或施用有機肥引起土壤有機質(zhì)的增加量統(tǒng)一在一個量綱基準上進行分析和計算。該方法作為官方推薦方法，自2004年始在德國多個州和奧地利推廣采用，既適用于綜合農(nóng)業(yè)，也適用于有機農(nóng)業(yè)。在不允許使用礦質(zhì)氮肥的有機農(nóng)業(yè)上，該法兼作農(nóng)田氮素養(yǎng)分管理方法。多點大田校驗試驗顯示，采用此方法，農(nóng)田土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平從“低"提高至"平衡"等級時，產(chǎn)量增加幅度可達到50%—150%。有機質(zhì)平衡算法作為專為農(nóng)民研制的分區(qū)、分類、量化技術(shù)指標(biāo)，延續(xù)德國為農(nóng)民定制的其他技術(shù)指標(biāo)風(fēng)格，采用了五等級評價指標(biāo)體系架構(gòu)。五等級的各分級名、分級釋義充分匯總各地長期試驗和大量農(nóng)戶調(diào)查與驗證結(jié)果，形成了全國統(tǒng)一的等級釋義，保證了指標(biāo)體系架構(gòu)的穩(wěn)定性，既便于各地農(nóng)民記憶和長期推廣，也便于與國家綠色農(nóng)業(yè)補貼政策關(guān)聯(lián)，是有機質(zhì)平衡算法的前臺指標(biāo)。而與5個分級對應(yīng)的農(nóng)田有機質(zhì)碳當(dāng)量值范圍、作物與肥料有機質(zhì)碳當(dāng)量作為支持前臺指標(biāo)的專業(yè)指標(biāo)，允許各地農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)根據(jù)本地條件，在保證前臺指標(biāo)釋義不變前提下進行相應(yīng)調(diào)整，從而保證了整個指標(biāo)體系的可擴展性、科學(xué)性和實用性，促進了其在各地的廣泛推廣，切實提高了農(nóng)民科學(xué)施肥與耕地保育技術(shù)水平，推動了農(nóng)田精準化、標(biāo)準化管理和農(nóng)業(yè)面源污染管控效率，這一做法也值得我國借鑒。在中國應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵是研制適合各主要農(nóng)區(qū)作物和有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值。鑒于目前我國長期定位試驗數(shù)量有限，可借鑒德國相關(guān)研究基礎(chǔ)，采用長期與中、短期定位試驗結(jié)合，大田定位試驗與模擬試驗、校驗試驗及農(nóng)田定位調(diào)查相結(jié)合方式，邊試驗、邊研制、邊校驗改進、邊推廣，逐步完善。

土壤有機碳管理；有機質(zhì)平衡算法；面源污染防治；有機農(nóng)業(yè)；農(nóng)民用技術(shù)指標(biāo)

0 引言

20世紀中后期以來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平大幅度提高，農(nóng)藥、化肥等農(nóng)用化學(xué)品急劇增長，由農(nóng)業(yè)面源引發(fā)的水體、大氣污染、生物多樣性下降等環(huán)境問題日益嚴重，成為社會可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。對農(nóng)業(yè)源污染的防治已被許多國家納入基本國策。與點源污染不同，農(nóng)業(yè)面源污染很難通過管網(wǎng)及水處理設(shè)施等末端工程建設(shè)進行有效控制。治理農(nóng)業(yè)面源污染最有效的方式是進行源頭控制，幫助農(nóng)民在生產(chǎn)過程中科學(xué)使用并大幅度減少農(nóng)用化學(xué)品投入量，促進氮、磷養(yǎng)分在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)[1-2]。

農(nóng)業(yè)是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)關(guān)系到糧食安全、食品安全；還是機械制造業(yè)、加工業(yè)、運輸業(yè)、服務(wù)業(yè)等多類產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。與此同時，即使在農(nóng)業(yè)規(guī)?；C械化高度發(fā)達的歐美發(fā)達國家，至今農(nóng)業(yè)經(jīng)營的主體仍主要是一家一戶的農(nóng)場主，與其他產(chǎn)業(yè)相比，存在經(jīng)營規(guī)模小而分散，受氣象和市場影響大、利潤薄等問題，本身仍需要國家扶助和補貼才能生存。對于農(nóng)業(yè)和農(nóng)村，采用應(yīng)對點源污染的懲罰性措施和行政指令很難奏效。關(guān)鍵還是鼓勵和幫助農(nóng)民掌握并采用環(huán)境友好、量化、標(biāo)準化的科學(xué)施肥、耕作和輪作措施，規(guī)避環(huán)境不友好的種養(yǎng)殖方式和農(nóng)作措施。

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所處地域遼闊，各地土壤、氣候和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差別大。即使在同一地區(qū)的不同地點，土壤、地形條件、輪作類型不同，也難以采用相同的量化指標(biāo)與技術(shù)規(guī)程。當(dāng)農(nóng)作措施要兼具增產(chǎn)可靠性、經(jīng)濟效益、環(huán)境目標(biāo)并具有很廣的地域適應(yīng)性時，需要考量的因素變多，農(nóng)作措施的量化和精準化決策變得更為復(fù)雜。與此同時，所有技術(shù)指標(biāo)和規(guī)程最終需要農(nóng)民在田間實現(xiàn)，指標(biāo)越簡單越便于農(nóng)民掌握和在田間操作。

德國最重要的經(jīng)驗之一是研究和建立適合農(nóng)民掌握的分區(qū)、分類、量化技術(shù)指標(biāo)和規(guī)程。這類指標(biāo)具有兩大特點。第一是通過布置在各地的定位大田定位試驗，建立可覆蓋各地不同自然和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的指標(biāo)體系架構(gòu)。在這一架構(gòu)中，指標(biāo)的科學(xué)基礎(chǔ)、考量因素、評價方法全國一致。全國統(tǒng)一的技術(shù)指標(biāo)體系架構(gòu)不僅提高了各分區(qū)指標(biāo)的穩(wěn)定性，提高了農(nóng)業(yè)的標(biāo)準化和精準化水平，還促進了國家層面綠色農(nóng)業(yè)補貼政策與農(nóng)作措施的直接關(guān)聯(lián)。第二是指標(biāo)分為前臺和后臺兩個層面，以兼顧指標(biāo)對于農(nóng)民的可操作性和指標(biāo)本身的科學(xué)性。前臺指標(biāo)供農(nóng)民使用，主要特點是簡單、易記、易懂，指標(biāo)分級數(shù)和各分級釋義全國統(tǒng)一，且很少變化，具有極高穩(wěn)定性。后臺指標(biāo)則是支持前臺指標(biāo)的相關(guān)專業(yè)技術(shù)指標(biāo)，允許各地農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)根據(jù)本地試驗結(jié)果，在保證前臺指標(biāo)釋義不變的前提下進行相應(yīng)調(diào)整。覆蓋全域的多點定位試驗和前、后臺指標(biāo)結(jié)合模式使得這類指標(biāo)對不同地區(qū)的土壤和氣候條件有良好適用性，農(nóng)民對其接受度很高。由德國農(nóng)業(yè)技術(shù)標(biāo)準權(quán)威機構(gòu)VDLUFA（德國農(nóng)業(yè)試驗與研究聯(lián)合會，Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten）發(fā)布的農(nóng)田磷、鉀養(yǎng)分管理五等級評價、土壤調(diào)酸改土五等級評價、農(nóng)田質(zhì)量百分價等技術(shù)指標(biāo)成為這類指標(biāo)的典范[3-6]。這些指標(biāo)的廣泛推廣，對德國自20世紀80年代以來，化肥養(yǎng)分投入量減少一半，同期糧食單產(chǎn)增加四成[7]，農(nóng)產(chǎn)品自給率穩(wěn)定在100%，發(fā)揮了功不可沒的作用。

土壤有機質(zhì)是最重要的農(nóng)田肥力指標(biāo)。研究顯示：土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平提高1—2個等級，作物平均增產(chǎn)10%—30%，最大增產(chǎn)可達127%[8]。土壤中有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、累積與分解過程周期長，作用機制復(fù)雜，闡明和量化表征各相關(guān)過程，最終研制出供農(nóng)民應(yīng)用的農(nóng)田土壤有機碳管理技術(shù)需要長期定位試驗。本文介紹的農(nóng)田有機質(zhì)平衡算法，始于20世紀初布置于中歐的多點長期定位試驗，至2004年由德國VDLUFA發(fā)布了第一版[9]，并于2014年發(fā)布第二版[10]。目前這一方法已在德國多個州作為標(biāo)準方法推薦使用，在不允許施用礦質(zhì)氮肥的生態(tài)農(nóng)業(yè)中，本法兼作農(nóng)田氮素養(yǎng)分管理方法。近年來，隨著農(nóng)田秸稈綜合利用的發(fā)展，秸稈產(chǎn)品在歐洲市場熱銷，本法還被農(nóng)民用于科學(xué)規(guī)劃秸稈銷售量和還田量比例，在保證農(nóng)田肥力前提下，獲得更多的種植收益。有機質(zhì)平衡算法也是在耕地保育技術(shù)領(lǐng)域面向農(nóng)民的最重要量化技術(shù)指標(biāo)。

德國人均耕地面積約0.15 hm2。與德國相比，我國人均耕地只有約0.09 hm2，耕地資源緊缺問題更突出。由于土水資源緊缺，實現(xiàn)糧食安全主要通過提高單位面積產(chǎn)量，由此導(dǎo)致農(nóng)用化學(xué)品投入量和生產(chǎn)成本高居高不下、耕地質(zhì)量下降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益低下問題日益嚴峻。對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、糧食安全和環(huán)境安全形成重大隱患。與此同時，在耕地保育和施肥技術(shù)領(lǐng)域，我國至今只有適合土壤肥料專業(yè)科研人員應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)，缺少為農(nóng)民定制的、適合農(nóng)民認知和直接應(yīng)用的分區(qū)、分類、量化技術(shù)指標(biāo)和規(guī)程，這也是導(dǎo)致農(nóng)民施肥及耕地保育技術(shù)水平長期落后的重要原因之一。本文目的是對德國VDLUFA頒布的有機質(zhì)平衡算法進行摘要性介紹。盡管這一方法中的技術(shù)指標(biāo)不能照搬，但是本方法的原理與科學(xué)基礎(chǔ)，在科學(xué)施肥和耕地保育技術(shù)領(lǐng)域中，重視大田定位試驗，研究和建立能覆蓋全國各地不同自然和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件特征的指標(biāo)體系架構(gòu)，在全國統(tǒng)一的體系架構(gòu)基礎(chǔ)上通過前、后臺指標(biāo)結(jié)合模式將研究結(jié)果最終轉(zhuǎn)化為各地農(nóng)民易于接受的分區(qū)、分類、量化技術(shù)指標(biāo)的做法值得我們借鑒。通過為農(nóng)民定制技術(shù)指標(biāo)提高農(nóng)民施肥與耕地保育技術(shù)水平，推動農(nóng)田培肥精準化、標(biāo)準化管理，推動農(nóng)業(yè)面源污染管控的經(jīng)驗也值得我們借鑒。

2 農(nóng)田土壤有機碳管理與評價的意義

土壤有機碳對土壤肥力具有多方面作用。通過豐富而持續(xù)的有機物質(zhì)投入（包括有機肥料和秸稈還田），可使農(nóng)田土壤維持較高的土壤生物活動和土壤腐殖質(zhì)前體物質(zhì)含量水平，以此全面提高土壤物理、化學(xué)和生物性狀，實現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[8,11-13]。農(nóng)田土壤有機物質(zhì)投入不足，會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量下降和土壤生產(chǎn)性能大幅度下降。農(nóng)田土壤有機物質(zhì)投入過高，則易于因有機碳礦化導(dǎo)致高量養(yǎng)分的分解和釋放，由此引起礦質(zhì)元素特別是氮素進入水體和大氣中。

要幫助農(nóng)民改進輪作、有機肥施肥與秸稈還田等農(nóng)業(yè)措施，實現(xiàn)農(nóng)田土壤有機碳的最佳管理，需要為農(nóng)民提供一個既科學(xué)，而又便于農(nóng)民操作的簡便方法，利用該方法既能幫助農(nóng)民判斷目前采用措施是否適合，也便于農(nóng)民進行相應(yīng)的調(diào)整與改進。

研究顯示，農(nóng)田土壤有機碳含量具有點位特定特征。在不同點位上，氣候、土壤黏粒含量等自然條件對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響大大超過農(nóng)作措施影響[8,11,14]。因而難以僅通過土壤有機碳含量的高低評價農(nóng)田土壤有機碳管理水平。例如，砂質(zhì)土壤通常有機碳含量低，而黏質(zhì)土壤則具較高有機碳含量。我們不能因此認定黏質(zhì)土的土壤有機碳管理水平優(yōu)于砂質(zhì)土。又如，在水源保護區(qū)，某一地點農(nóng)田土壤含高量有機碳，其組成主要為穩(wěn)定性有機碳，而在另一地點，農(nóng)田土壤含較低有機碳，但該土壤礦化作用強烈，我們也難以僅憑有機碳含量水平導(dǎo)出含高量有機碳的土壤更易于產(chǎn)生農(nóng)田礦質(zhì)氮的流失。

長期試驗研究結(jié)果還顯示，某一點位上，農(nóng)田土壤有機碳含量是該點位特定氣候、土壤、農(nóng)作條件下，土壤有機碳的投入與分解過程在較長年份后（20—30年或更長年限）達成的平衡點。而在短期內(nèi)，施肥、秸稈還田等農(nóng)作措施對土壤有機碳含量只有很小影響。一般情形下，農(nóng)作措施在短期內(nèi)對土壤有機碳含量產(chǎn)生的影響要遠低于農(nóng)田土壤的采樣誤差。因此，通過當(dāng)下農(nóng)田土壤的采樣和化學(xué)測試實際難以準確捕獲和分辨出農(nóng)作措施對土壤有機碳含量引起的微小變化。這也導(dǎo)致，盡管定期的土壤采樣調(diào)查對了解土壤有機碳變化具有一定意義，但是利用土壤采樣和化學(xué)分析獲得的土壤有機碳含量卻很難對農(nóng)田土壤有機碳管理水平進行有效評價，為農(nóng)民提供相關(guān)的農(nóng)作措施建議。

與土壤有機碳化學(xué)測試方法比較，利用長期試驗觀測數(shù)據(jù)建立的土壤有機質(zhì)平衡算法，能夠為農(nóng)民提供一種簡捷方法，對農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)狀況進行評價，并對農(nóng)民現(xiàn)行農(nóng)作措施提出針對性建議，滿足增產(chǎn)、土壤培肥和環(huán)境保護多重目標(biāo)。

3 相關(guān)基本概念釋義

在介紹土壤有機質(zhì)平衡算法之前，需要對本方法中涉及的相關(guān)概念加以介紹。

（1）土壤有機質(zhì) 指土壤中有機物質(zhì)的總和，主要組成為土壤腐殖質(zhì)、半分解的動植物殘體、與土壤黏粒和細粉粒緊密結(jié)合的有機物質(zhì)、土壤微生物體含有機物質(zhì)量以及少量在土壤樣品已盡量去除植物根系及動植物有機殘體后仍能通過0.25 mm篩孔的未分解動植物殘體。土壤有機質(zhì)含量的測定采用濕灰化或干灰化消化法，再進行化學(xué)測試。如在濕灰化后，可采用重鉻酸鉀容量法進行測定。

（2）土壤有機碳 土壤有機碳與土壤有機質(zhì)兩個概念涵義相同，量綱有區(qū)別。土壤有機碳含量以純碳量計，土壤有機質(zhì)含量則以有機物質(zhì)量計。較早的專著和文獻中主要采用有機質(zhì)這一概念，近年來采用有機碳逐步增多。兩者之間的換算公式如下：

土壤有機質(zhì)含量（g·kg-1）=土壤有機碳含量（Corg，g·kg-1）×1.724；

土壤有機碳含量（Corg，g·kg-1）=土壤有機質(zhì)含量（g·kg-1）×0.58。

上式給出的換算系數(shù)1.724為通用換算系數(shù)。土壤有機物質(zhì)化學(xué)組成不同，換算系數(shù)不同。例如，對于泥炭土，土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)換為有機碳的換算系數(shù)為2.0。

（3）土壤腐殖質(zhì) 土壤腐殖質(zhì)指去除土壤中未分解的動、植物殘體后土壤中有機化合物的總稱。腐殖質(zhì)與有機質(zhì)測定方法的主要區(qū)別是前者需要先用堿溶液作為浸提液，再進行消化和化學(xué)測試，而后者不需要浸提，直接進行消化和化學(xué)測試。這也表示，土壤中有機質(zhì)量和腐殖質(zhì)量的區(qū)別實際源于化學(xué)浸提方法。

（4）營養(yǎng)性與穩(wěn)定性土壤有機碳 營養(yǎng)性土壤有機碳指土壤有機碳中活躍的、易于轉(zhuǎn)化的組分，是土壤生物的營養(yǎng)物質(zhì)，也是土壤生物活動的基礎(chǔ)。作物收獲后地表和根系殘留物、通過施用有機肥、秸稈還田進入土壤的有機碳、易被土壤微生物分解的土壤腐殖質(zhì)主要屬于這一類型。在中歐，因土壤類型而異，通常有20%—50%的土壤有機碳屬于營養(yǎng)性有機碳。穩(wěn)定性土壤有機碳主要存在于第四紀冰川期成土過程產(chǎn)生的土壤黏粒和細粉粒中。穩(wěn)定性有機碳與土壤黏粒和細粉粒形成十分緊密的結(jié)合，使其在土壤中很難被微生物分解和礦化，在土壤中可穩(wěn)定保持數(shù)百年以至上萬年。研究表明，在中歐，穩(wěn)定性土壤有機碳在輕質(zhì)土壤上可達到土壤有機碳總量的50%，而在較黏重土壤中可占土壤有機碳總量的80%。營養(yǎng)性與穩(wěn)定性土壤有機碳不能通過土壤采樣和化學(xué)分析測定其含量，而是通過長期試驗研究和觀測，對有機物質(zhì)在土壤中轉(zhuǎn)化速率和轉(zhuǎn)化過程的一種概念化分組，通過這一概念化分組，便于將土壤有機碳與其在土壤中的功能關(guān)聯(lián)[8,11,15]。

（5）土壤團聚體 土壤中腐殖質(zhì)能與土壤礦物顆粒結(jié)合形成比較穩(wěn)定的土壤團聚體。土壤有機-無機團聚體可有效防止土壤侵蝕和分散，提高土壤孔隙度，全面改進土壤物理、化學(xué)和生物性狀，改進土壤水分和養(yǎng)分儲存容量、通氣性狀，提高農(nóng)田土壤高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、防旱、抗?jié)承誀?。受有機物質(zhì)腐殖化和分解過程的影響，土壤有機-無機團聚體持續(xù)發(fā)生著聚合和崩解，而要保持高的土壤肥力，就需要有持續(xù)而豐富的營養(yǎng)性有機碳輸入，以維持較高水平的土壤生物活動，在土壤團聚體中腐殖質(zhì)被分解、礦化的同時，源源不斷形成新的前體物質(zhì)，促進新的有機-無機團聚體生成，維持土壤中總有機-無機團聚體的穩(wěn)定度。

（6）有機質(zhì)生成能力與有機質(zhì)碳當(dāng)量 有機質(zhì)生成能力指營養(yǎng)性有機碳進入土壤后生成土壤有機質(zhì)的能力。在有機質(zhì)平衡計算中，有機質(zhì)生成能力以有機質(zhì)碳當(dāng)量（Heq，humus equivalent）表達。通過有機質(zhì)碳當(dāng)量，對作物在其典型種植方式下引起土壤有機質(zhì)的虧缺量或盈余量、施用有機肥引起的土壤有機質(zhì)增加量統(tǒng)一在一個量綱基準上進行分析和計算。1個有機質(zhì)碳當(dāng)量為1千克有機質(zhì)碳量（kg Corg·hm-2·a-1）。1 t以干物質(zhì)重計的有機質(zhì)，其純碳量約為580 kg。

1個有機質(zhì)碳當(dāng)量 = 1 kg Corg·hm-2·a-1。

（7）農(nóng)田有機碳管理 農(nóng)田有機碳管理的主要目標(biāo)是根據(jù)農(nóng)田點位特征優(yōu)化作物輪作和有機肥施肥，在持續(xù)提高和維持土壤肥力的同時，避免土壤中營養(yǎng)性有機碳的礦化流失產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險。

（8）農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量最佳水平 農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量是對土壤有機物質(zhì)投入與分解礦化兩個過程的綜合表達，過少或過多的農(nóng)田有機物質(zhì)投入，均可打破原有平衡，并對土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面作用。農(nóng)田有機物質(zhì)的投入量應(yīng)當(dāng)使土壤有機質(zhì)維持較高水平，而土壤中有機物質(zhì)的礦化流失不致產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險為宜，此時，土壤有機質(zhì)含量已達最佳水平。農(nóng)田土壤有機質(zhì)在達到最佳水平后，每年農(nóng)田有機物質(zhì)的投入量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蚵愿哂诋?dāng)年農(nóng)田土壤中有機質(zhì)的礦化量，此時農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量應(yīng)基本不變或僅有微小提升，達到正零平衡。

4 土壤有機質(zhì)平衡計算的目標(biāo)、原理與應(yīng)用范圍

土壤有機質(zhì)平衡計算的目標(biāo)是對一個地塊或一個農(nóng)場的施肥和輪作措施對土壤有機質(zhì)的影響進行評估，并根據(jù)評估結(jié)果導(dǎo)出土壤有機質(zhì)存量的變化趨勢和施用有機肥所能產(chǎn)生的功效，最終給農(nóng)民提供有機肥施肥和輪作調(diào)整推薦，以改進農(nóng)田土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平，在保證農(nóng)田持續(xù)獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的同時，避免或盡量減少因土壤有機物質(zhì)礦化導(dǎo)致的土壤礦質(zhì)養(yǎng)分、特別是礦質(zhì)氮的流失。

農(nóng)田土壤中，土壤有機質(zhì)的存量變化主要取決于有機肥施肥和不同作物對土壤有機質(zhì)的需求量，由此可用下式計算土壤有機質(zhì)的收支平衡。

有機質(zhì)收支平衡=施入有機肥料的有機質(zhì)生成量-種植作物對有機質(zhì)的需求量 （1）

式中，土壤有機質(zhì)收支平衡等于農(nóng)田通過施入有機肥料（包括廄肥、流質(zhì)廄肥、堆肥以及秸稈還田）所生成的有機質(zhì)量（收入）與作物在種植條件下對土壤有機質(zhì)的需求量（支出）之間的差值。

良好的農(nóng)田土壤有機碳管理為：農(nóng)田通過施用秸稈、綠肥、廄肥、流質(zhì)廄肥和堆肥等有機肥所生成的有機質(zhì)量應(yīng)能補償作物對土壤有機質(zhì)的需求量。即腐殖質(zhì)的收支平衡應(yīng)實現(xiàn)正零平衡。當(dāng)農(nóng)田投入有機肥產(chǎn)生的有機質(zhì)量低于或高于作物有機質(zhì)需求量時，均會出現(xiàn)問題，前者降低土壤肥力和農(nóng)田生產(chǎn)力，后者引起環(huán)境風(fēng)險。

栽培作物一方面通過收獲后地表和根系殘留物增加土壤有機碳，另一方面通過耕作、免耕覆蓋等農(nóng)作措施影響土壤有機物質(zhì)的礦化。農(nóng)田作物類型不同，生育期、耕作方式不同，作物收獲后遺留在農(nóng)田土壤的地表和根系殘留物數(shù)量及質(zhì)量不同，殘留物在土壤中的分解轉(zhuǎn)化速率不同，最終能生成的土壤有機質(zhì)量也不同。因而，根據(jù)長期試驗可將作物進一步分為有機質(zhì)增加型作物和有機質(zhì)消耗型作物，由此，上式可表達為下式：

有機質(zhì)收支平衡=施入有機肥料的有機質(zhì)生成量+有機質(zhì)增加型作物對土壤有機質(zhì)的累積量-有機質(zhì)消耗型作物對土壤有機質(zhì)的消耗量 （2）

本方法可用于評價一個地塊、一個農(nóng)場、一種種植制度的農(nóng)田有機碳管理狀況，對農(nóng)田有機質(zhì)儲量變化給出定性估計，并為農(nóng)民提供調(diào)整輪作和有機肥施肥的推薦。本方法還可幫助農(nóng)民規(guī)劃農(nóng)田秸稈銷售量和還田量比例，在提高和保持農(nóng)田土壤肥力的同時獲得更多種植收益。本方法既適用于常規(guī)農(nóng)業(yè)農(nóng)場，也適用于生態(tài)農(nóng)業(yè)農(nóng)場。對于不允許施用礦質(zhì)氮肥的生態(tài)農(nóng)業(yè)農(nóng)場，本法可兼作農(nóng)田氮素養(yǎng)分管理方法。

由于農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量與土壤氮含量密切相關(guān)，土壤有機質(zhì)平衡計算結(jié)果實際上間接反映了土壤氮儲量變化趨勢。因而，這一方法也能為了解田塊及農(nóng)場氮素流失風(fēng)險給出定性評價。這里，需要強調(diào)，土壤有機肥施用引起的農(nóng)田土壤礦質(zhì)氮損失主要取決于施入土壤的有機肥是否為易于礦化的富氮有機物料，或土壤中礦質(zhì)氮是否主要源于施用的有機肥料。由于土壤有機質(zhì)平衡不能提供精確的氮素流失量評估，當(dāng)需要了解土壤有機肥施用量與環(huán)境污染的量化關(guān)系，仍然需要進行由德國聯(lián)邦政府在施肥法規(guī)中規(guī)定的農(nóng)田氮素平衡算法[16]。本方法也不適合作為精確計算農(nóng)田有機質(zhì)含量、碳儲量及其變化的方法。此外，本方法與德國聯(lián)邦政府發(fā)布的肥料法規(guī)[17]和土壤保護法規(guī)[18]中關(guān)于有機肥施用方法和用量的規(guī)定相互獨立，內(nèi)涵無重疊，農(nóng)民在應(yīng)用有機質(zhì)平衡算法時仍需要同時檢查對肥料法規(guī)和土壤保護法的落實及執(zhí)行。

本方法為綜合農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)農(nóng)場設(shè)計和使用。為便于農(nóng)民應(yīng)用，利用本法進行土壤有機質(zhì)平衡計算時，在本方法已給出參數(shù)之外，農(nóng)民只需要用到在生產(chǎn)中每個農(nóng)場或地塊都易于獲取的最基本信息。

5 有機質(zhì)平衡算法的科學(xué)基礎(chǔ)

5.1 不同作物的土壤有機質(zhì)需求量

不同作物的有機質(zhì)需求量主要源于長期試驗實測結(jié)果。通過對中歐延續(xù)幾十年甚至上百年的多點長期肥料試驗的分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨試驗?zāi)攴菅永m(xù)，根據(jù)對各施肥處理的產(chǎn)量、氮素利用率和農(nóng)田氮素收支平衡綜合考量，各試驗中最佳施肥處理的土壤有機質(zhì)含量十分穩(wěn)定，類似于常數(shù)。在這些長期試驗中，與最佳施肥處理比較，當(dāng)采用更高有機肥用量時，作物產(chǎn)量不再增加，而肥料氮素利用率下降。而在這些試驗的最佳施肥處理中，每年通過秸稈還田和施用有機肥輸入土壤的有機物料所產(chǎn)生的土壤有機質(zhì)量正好是維持高產(chǎn)的最佳土壤有機質(zhì)需求量（表1）。當(dāng)通過作物本身（如作物收獲后的地表及根系殘留物）和有機肥施肥達到這一需求量時，可實現(xiàn)持續(xù)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，同時使農(nóng)田養(yǎng)分流失降至最低。當(dāng)通過作物本身和施肥產(chǎn)生的土壤有機質(zhì)量低于作物最佳有機質(zhì)需求量時，土壤肥力和產(chǎn)量顯著下降。當(dāng)通過作物本身和施肥產(chǎn)生的土壤有機質(zhì)量高于作物最佳有機質(zhì)需求量時，發(fā)生農(nóng)田氮素流失，引起環(huán)境問題。

表1 長期試驗中通過實測和有機質(zhì)平衡計算獲得的最佳施肥處理的有機質(zhì)需求量

5.2 作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量

表2列出了通過長期試驗實測獲得的各種作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值，用以度量某一類作物在其典型種植方式下，引起土壤有機質(zhì)碳量變化的趨勢。不同栽培作物引起土壤有機質(zhì)的虧缺量或盈余量主要受不同類型作物在其典型種植方式下地表及根系殘留物數(shù)量與質(zhì)量、耕作及收獲方式對土壤有機質(zhì)累積和分解的影響。

有機質(zhì)碳當(dāng)量值為正數(shù)的作物屬于土壤有機質(zhì)增加型作物，這類作物收獲后土壤中留有較高量的地表和根系殘留物，形成有機質(zhì)累積。有機質(zhì)碳當(dāng)量值為負值的作物屬于有機質(zhì)消耗型作物，需要通過施用有機肥或在輪作中引進有機質(zhì)增加型作物才能滿足作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對土壤有機質(zhì)的需求量，維持土壤肥力的穩(wěn)定。

由于土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化受點位特征和農(nóng)業(yè)措施（如耕作、作物產(chǎn)量和收獲后根系及地表殘留物）影響，在表3中，對每種作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值給出一個范圍。

對于有機質(zhì)消耗型作物而言，絕對值小的推薦量適用于土壤栽培措施良好、具優(yōu)化氮肥供應(yīng)的農(nóng)田土壤，而絕對值大的推薦量適用于土壤有機質(zhì)供應(yīng)不足已有較長年份的農(nóng)田，例如，復(fù)墾后農(nóng)田。生態(tài)農(nóng)業(yè)不允許施用礦質(zhì)氮肥，作物需要氮素主要源于豆科作物、土壤有機氮的礦化和有機肥料，也適用較高的推薦量（絕對值大的有機質(zhì)碳當(dāng)量）。

多年生飼草在飼草收獲后，留有高量地表和根系殘留物。高量殘留物和飼草種植期間的土壤休耕使農(nóng)田有機質(zhì)富集。

間作作物也產(chǎn)生較高量地表和根系殘留物，并由此使土壤中有機質(zhì)累積。

休耕地的綠化使有機碳進入土壤中。這里，有機質(zhì)的累積效應(yīng)與作物類型無關(guān)，而主要取決于綠化植物的生長量。因而休耕地有機質(zhì)的累積效應(yīng)與綠化方式和休耕時期相關(guān)聯(lián)（表2）。

表2 栽培作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值

1)甜菜、谷物、籽粒玉米和油料作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值不含甜菜葉、秸稈、谷殼等副產(chǎn)品作用，其他作物的有機質(zhì)當(dāng)量值則包含了該作物副產(chǎn)品作用；2)進入主要收獲期: 每年每公頃產(chǎn)量以干物重計低于10 t（以鮮物重計約50 t）；3)進入主要收獲期: 每年每公頃產(chǎn)量以干物重計高于10 t（以鮮物重計約50 t）；4)作物地上部綠色收獲物若留在農(nóng)田，用表4計算其對腐殖質(zhì)的作用

1)The Heq values of beets, grains, corn and oil crops do not include effects as beet leaves, straw, hull, etc. The Heq values of other crops include effects of leaves straw, hull and other by-products of these crops;2)Main harvest years: annual yield less than 10 t DM·hm-2(about 50 t FM·hm-2);3)Main harvest years: annual yield more than 10 t DM·hm-2(about 50 tons FM·hm-2);4)When crop green harvest aboveground remains in field, its humus effect can be calculated by means of Table 4

表3中列出了蔬菜、香料、調(diào)料和藥用作物按其有機質(zhì)碳當(dāng)量值的分組。表2中給出了各分組的有機質(zhì)碳當(dāng)量值。特殊作物缺少長期試驗實測數(shù)據(jù)，其有機質(zhì)碳當(dāng)量值主要根據(jù)短期田間試驗和模型模擬導(dǎo)出。

表3 對蔬菜、香料、調(diào)料和藥用作物的有機質(zhì)當(dāng)量值分組

5.3 有機肥料和有機物料的有機質(zhì)碳當(dāng)量

各種有機肥料施入土壤后經(jīng)礦化和腐殖化后產(chǎn)生的有機質(zhì)碳量也用有機質(zhì)碳當(dāng)量（Heq）表示（表4）。有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量主要取決于其化學(xué)組成、糞肥腐熟度和水分含量。如表4所示，每噸作物秸稈（干物質(zhì)含量約為86%）的有機質(zhì)碳當(dāng)量約為80—110 kg，表示1 t還田秸稈在當(dāng)年可產(chǎn)生80—110 kg有機質(zhì)碳量。有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值主要源于長期試驗與及實驗室模擬試驗。

5.4 評價指標(biāo)

通過公式（1）或（2），根據(jù)表2和表4中栽培作物和有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量，僅可計算農(nóng)田土壤有機質(zhì)的收支平衡量。評價指標(biāo)則用于對收支平衡量進行評價，確定農(nóng)田有機質(zhì)的供應(yīng)狀況，并給出輪作調(diào)整和有機肥施肥推薦。

表5和表6分別列出了用于綜合農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)業(yè)的農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)狀況五等級評價指標(biāo)。制定評價指標(biāo)主要根據(jù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)農(nóng)田對土壤有機質(zhì)的需求量和土壤有機質(zhì)的氮素礦化潛勢。五等級中的B、C和D三個分級主要用于保證評價結(jié)果有較好準確性和足夠精度，以便為農(nóng)場提供量化的農(nóng)田有機碳管理指導(dǎo)。A和E為兩個特殊分組，當(dāng)有機質(zhì)收支平衡處于這兩個分組時，或土壤有機質(zhì)的虧缺已影響到農(nóng)田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)性能，或高量土壤有機碳礦化已造成較低肥料養(yǎng)分利用率和農(nóng)田養(yǎng)分流失。有機農(nóng)業(yè)的有機質(zhì)供應(yīng)狀況評價指標(biāo)兼作農(nóng)田氮素養(yǎng)分供應(yīng)評價與推薦指標(biāo)，因而表6所列指標(biāo)對于有機農(nóng)業(yè)具有格外重要的意義。

6 樣例計算

本節(jié)介紹利用有機質(zhì)平衡算法和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)導(dǎo)出一個田塊有機肥施肥推薦的實例。

用有機質(zhì)平衡算法進行推薦時，首先應(yīng)當(dāng)采集一個完整輪作的信息。若無完整的輪作記錄，也可計算該田塊過去5—10年的有機質(zhì)收支狀況。

基于一個地塊的輪作信息完成的計算結(jié)果示于表7—9。

表7列出了在一個輪作周期為6年的輪作中，各作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值（表2）和整個輪作的作物有機質(zhì)碳當(dāng)量合計值。表8記錄了在6年中，各年施用的有機肥和還田秸稈量、折合的有機質(zhì)碳當(dāng)量值（表4）和有機肥的有機質(zhì)碳當(dāng)量合計值。表9用公式（1）計算出在這一輪作中的總有機質(zhì)收支平衡值（490）和年均有機質(zhì)收支平衡值（82）。按照評價表（表5）該田塊的土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平屬于C等級（-75—100 Heq·hm-2·a-1)，達到正零平衡。目前的種植制度和有機肥施用量不需要作出改變。在進行某一區(qū)域農(nóng)田土壤有機質(zhì)管理狀況的評估時，采用的計算流程與一個田塊的計算流程相同。

表4 有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量（Heq）[9-10]

1)含難分解結(jié)構(gòu)物質(zhì)Containing materials difficult to be decomposed

表5 供綜合農(nóng)業(yè)用農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)狀況五等級評價分級指標(biāo)[9-10]

表6 供生態(tài)農(nóng)業(yè)用農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)狀況五等級評價分級指標(biāo)[10,27]

7 方法應(yīng)用效果與相關(guān)研究進展

多點田間驗證試驗顯示，農(nóng)田土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平與產(chǎn)量效益有很好的一致性（圖1）。當(dāng)農(nóng)田有機質(zhì)碳當(dāng)量值達到收支平衡時，獲得最佳產(chǎn)量概率較高。當(dāng)有機質(zhì)收支平衡值為負，且絕對值較高時（≤ -200 Heq·hm-2），位于農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)分級中的A等級，產(chǎn)量下降情形顯著增加。而通過施用有機肥料和適宜輪作，改進土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平，產(chǎn)量增加幅度可達種植制度和有機肥施用量不需要作出改變。在進行某一區(qū)域農(nóng)田土壤有機質(zhì)管理狀況的評估時，采用的計算流程與一個田塊的計算流程相同。到50%—150%。當(dāng)有機質(zhì)供應(yīng)達到較高水平（≥ 300 Heq·hm-2），位于農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)分級中的E等級，隨著農(nóng)田有機肥繼續(xù)增加，產(chǎn)量不再增加。

表7 樣例計算——輪作作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量

表8 樣例計算—輪作中施用有機肥生成的有機質(zhì)質(zhì)量

表9 樣例計算—有機質(zhì)收支平衡計算

圖1 土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平對農(nóng)田穩(wěn)產(chǎn)性的影響[28]

目前，有機質(zhì)平衡算法在德國多個州和奧地利已成為官方推薦的綜合農(nóng)業(yè)耕地保育方法和有機農(nóng)業(yè)農(nóng)田氮素管理方法。由于這一方法簡單、實用，受到農(nóng)民歡迎。農(nóng)民既可以自行通過列表，計算農(nóng)田有機質(zhì)收支平衡狀況（表7—9），查驗農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)等級和選擇相應(yīng)的農(nóng)作措施（表5，表6）；也可以調(diào)用農(nóng)業(yè)技術(shù)部門提供的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，借助人機交互界面完成相應(yīng)的計算，調(diào)取推薦結(jié)果。

在有機質(zhì)平衡算法中，列于表5和表6中農(nóng)田有機質(zhì)供應(yīng)狀況的5個分級名、分級釋義、各分級評價和推薦釋義經(jīng)過專家多輪討論，充分匯總了各地長期試驗結(jié)果和大量農(nóng)戶調(diào)查與驗證數(shù)據(jù)，最終形成了全國統(tǒng)一的分級數(shù)、分級名與分級釋義，便于各地農(nóng)民記憶和推廣，用作農(nóng)田有機碳管理指標(biāo)中供農(nóng)民直接掌握和應(yīng)用的前臺指標(biāo)。與5個分級對應(yīng)的有機質(zhì)碳當(dāng)量值范圍（Heq·hm-2·a-1）則允許各地農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生產(chǎn)類型特征進行分區(qū)、分類的調(diào)整。例如，在表5和表6中，雖然采用了相同的分級名和分級釋義，但與5個分級對應(yīng)的有機質(zhì)碳當(dāng)量值范圍（Heq·hm-2·a-1）各不相同，以更好適應(yīng)綜合農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)中對農(nóng)田有機質(zhì)管理的不同需求。同樣：表2和表3雖然給出了一套全國通用的作物和有機肥的有機質(zhì)碳當(dāng)量參數(shù)，也允許各地根據(jù)本地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件特征自行調(diào)整。

如筆者之前所述，農(nóng)田土壤中有機碳轉(zhuǎn)化受點位特征影響。研究顯示，根據(jù)氣候條件、土壤類型、土壤質(zhì)地類型和作物產(chǎn)量水平，給出分區(qū)、分類的作物和有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值，為農(nóng)田有機質(zhì)五等級評價系統(tǒng)編制出差異化的有機質(zhì)碳當(dāng)量范圍，可明顯提高評價的可靠性、準確性和精度[29]。

8 有機質(zhì)平衡算法對中國的借鑒意義

有機質(zhì)平衡算法對于提高農(nóng)田肥力、提高產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)性、落實面源污染防控具有多方面作用。本方法經(jīng)過長期研究，科學(xué)基礎(chǔ)扎實，在中歐已有大量推廣和應(yīng)用，證明了其在生產(chǎn)中的實用性。雖然本方法所需各類參數(shù)需要有嚴謹?shù)目茖W(xué)試驗，一旦建立了這些參數(shù)，農(nóng)民只需要輸入農(nóng)田作物類型和有機肥施肥信息，即可獲得保育耕地、培肥土壤的科學(xué)推薦。因方法簡單，便于農(nóng)民掌握，也適合我國農(nóng)民采用。

在我國應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵是研制出我國主要作物和肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值和評價指標(biāo)。由于我國氣候、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件與德國差別較大，不能直接采用中歐長期定位試驗提取出的參數(shù)，而需要根據(jù)我國各主要農(nóng)區(qū)定位試驗，提取相應(yīng)的參數(shù)。

為了建立供農(nóng)民使用方法所需要的技術(shù)參數(shù)，在過去幾十年中，德國公益性土壤肥料專業(yè)科研院所開展的長期定位田間試驗（10年以上）始終維持在100個左右，短期定位試驗達到數(shù)百個。這些試驗為制定有機質(zhì)平衡算法奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。我國國土廣闊，所覆蓋的生態(tài)類型區(qū)超過德國。目前我國長期定位試驗仍較少，符合要求的試驗更少?？刹扇￠L期定位試驗與模擬試驗和主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田定位調(diào)查相結(jié)合方式，同時借鑒德國研制和提取參數(shù)的方法，邊試驗、邊研制、邊校驗改進、邊推廣，逐步完善。

在構(gòu)建為農(nóng)民使用的農(nóng)田有機碳管理分區(qū)、分類、量化指標(biāo)中，可借鑒德國經(jīng)驗，采取先構(gòu)建可覆蓋全國各地技術(shù)指標(biāo)的體系架構(gòu)，這一體系架構(gòu)應(yīng)適用于我國所有生態(tài)類型區(qū)的各主要作物。同時采用前、后臺指標(biāo)結(jié)合的方式，前臺指標(biāo)要簡單、易懂、重視其分級系統(tǒng)和分級釋義的穩(wěn)定性，以便農(nóng)民掌握。后臺技術(shù)參數(shù)則考慮各分區(qū)技術(shù)指標(biāo)的可擴展性和靈活性，以逐步提高指標(biāo)的科學(xué)性和可靠性。

如前所述，盡管我國農(nóng)民盲目施肥引起的耕地質(zhì)量退化、面源污染問題已十分嚴重，但至今，在耕地保育和施肥技術(shù)領(lǐng)域，我國仍然缺少專門為農(nóng)民定制的、適合農(nóng)民掌握和直接應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)程[30]。這使得農(nóng)田培肥與養(yǎng)分管理精準化、標(biāo)準化管理在廣大農(nóng)區(qū)難以推廣，農(nóng)業(yè)面源污染管控難以落到實處。德國經(jīng)驗顯示，對于科學(xué)施肥和耕地保育而言，在各主要農(nóng)業(yè)類型區(qū)進行多點長期和短期定位試驗，為農(nóng)民構(gòu)建分區(qū)、分類、量化的技術(shù)指標(biāo)是提高農(nóng)民科學(xué)施肥和耕地保育技術(shù)水平最主要的途徑。而定制這些指標(biāo)，需要專業(yè)科研人員的長期研究，如本文所述有機質(zhì)平衡算法的試驗和研制延續(xù)了幾十年，包含了幾代人的心血。我國近年間農(nóng)業(yè)科研投入雖然持續(xù)增加，但在目前科研領(lǐng)域側(cè)重SCI發(fā)文量評估，農(nóng)業(yè)專業(yè)科研機構(gòu)同質(zhì)化、行政化、碎片化日益加深形勢下，如何使這類面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線的、長期的公益性專業(yè)科學(xué)研究能夠進行和延續(xù)，已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新亟待解決的重要命題。

9 小結(jié)

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)。由營養(yǎng)性有機碳輸入所維系的土壤有機碳轉(zhuǎn)化對土壤物理、化學(xué)和生物性狀、對土壤肥力與環(huán)境質(zhì)量具有多方面的作用。土壤有機碳管理的主要目標(biāo)是使得有機肥的輸入足以供養(yǎng)肥沃的土壤，實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，與此同時避免因營養(yǎng)性有機碳的過量輸入和礦化引起礦質(zhì)氮的流失。

近年由德國VDLUFA頒布的有機質(zhì)平衡算法是為農(nóng)民設(shè)計的一種簡便技術(shù)。采用這一方法，農(nóng)民可以方便的進行科學(xué)的土壤培肥與耕地保育。本方法已經(jīng)作為官方推薦方法在德國多個州推廣采用，既適用于綜合農(nóng)業(yè)，也適用于有機農(nóng)業(yè)。在有機農(nóng)業(yè)上，還可兼作農(nóng)田氮素養(yǎng)分管理方法。多點校驗試驗顯示，通過采用此方法，農(nóng)田土壤有機質(zhì)供應(yīng)水平從“低”提高至“平衡”等級時，產(chǎn)量增加幅度可達到50%—150%。

有機質(zhì)平衡算法的科學(xué)基礎(chǔ)是通過多點定位長期試驗，獲得各種作物的有機質(zhì)碳當(dāng)量值和各類有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值，前者用以度量不同作物在其典型種植方式下，引起土壤腐殖質(zhì)碳量變化的趨勢，后者用于表達不同有機肥料施入土壤后產(chǎn)生的有機質(zhì)量。通過有機質(zhì)碳當(dāng)量值，可以對作物在其典型種植方式下引起的有機質(zhì)的虧缺量或盈余量、通過秸稈還田或施用有機肥引起土壤有機質(zhì)增加量統(tǒng)一在一個量綱基準上進行分析和計算。

在中國應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵是研制適合中國自然和生產(chǎn)條件的作物和有機肥料的有機質(zhì)碳當(dāng)量值。鑒于目前我國有效的長期定位試驗較少，這些試驗所能代表的農(nóng)區(qū)和作物類型有限，可借鑒德國相關(guān)研究基礎(chǔ)，采用長期與中、短期定位試驗結(jié)合，大田定位試驗與模擬試驗、校驗試驗及農(nóng)田定位調(diào)查相結(jié)合方式，邊試驗、邊研制、邊校驗改進、邊推廣，逐步完善。

有機質(zhì)平衡算法作為專為農(nóng)民研制的分區(qū)、分類、量化技術(shù)指標(biāo)，延續(xù)了德國專為農(nóng)民定制的其他技術(shù)指標(biāo)的風(fēng)格，采用了五級評價指標(biāo)體系架構(gòu)，五級評價中各分級名、分級釋義充分匯總了各地長期試驗結(jié)果和大量農(nóng)戶調(diào)查與驗證，形成了全國統(tǒng)一的等級釋義，從而保證指標(biāo)的穩(wěn)定性，既便于各地農(nóng)民記憶和推廣，也便于與綠色農(nóng)業(yè)補貼政策的關(guān)聯(lián)，是有機質(zhì)平衡算法的前臺指標(biāo)。而與5個分級對應(yīng)的有機質(zhì)碳當(dāng)量值范圍和作物與肥料有機質(zhì)碳當(dāng)量值作為支持前臺指標(biāo)的專業(yè)技術(shù)指標(biāo)，允許各地農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)根據(jù)本地試驗結(jié)果，在保證前臺指標(biāo)釋義不變的前提下進行相應(yīng)調(diào)整，從而保證了整個指標(biāo)體系的穩(wěn)定性、可擴展性和科學(xué)性，促進了其在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用，這一做法也值得我國借鑒。

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Soil Organic Carbon Management and Farmland Organic Matter Balance Method

ZHANG WeiLi1, KOLBE H2, ZHANG RenLian1, JI HongJie1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2S?chsische Landesanstalt für Landwirtschaft, Waldheimer Stra?e 219, D-01683 Nossen, Germany)

Progress of soil and fertilizer research work has promoted establishment of scientific recommendation for mineral nutrient requirements of major crops in different regions and counties. These quantitative and precise indicators have become the basis of scientific fertilization and ensured yield, income, and fertilizer efficiency increase and environmental safety. While application of organic manure, green manure and straw returning are the main measures to fertilize soil, studies have showed that excessive organic manure application will result in not only energy and resource waste, but also nutrient release and environmental pollution. Up to now, however, there are still no scientific and quantitative indicators for farmland fertilization in international arena. In recent years, a new method tried in Germany might break the deadlock. The purpose of this paper was to introduce the principle, application scope and examples of the method, so as to provide useful experience for China. The scientific basis of the method is the humus equivalent values (Heq) of crops and organic manures, and materials derived from long-term experiments in different regions. The Heq values of different crops is applied to identify the SOC changes caused by different crops under their typical production conditions. The Heq values of different manures and organic materials is applied to characterize the soil humus producing capacity after these materials applied to farmland. Through Heq value, the deficit or surplus of soil humus caused by crops and the increase of soil humus caused by straw returning or organic manure application can be analyzed and calculated on one unified dimension basis. In many states of Germany and in Austria, the method has been used as officially recommended approach. It was suitable for both integrated farming system and organic farming system. For organic farming system, where mineral nitrogen fertilizers were not allowed to apply, the method could also be used as nitrogen nutrient management approach. A large amount of field tests showed that yield increases arrived to 50%-150%, when SOC management level raised from "low" to "balanced" by using the method. Organic matter balance method, specifically designed for farmers, is a region condition identified, group classified and accurately quantified farming’s management approach. A five-grade evaluation, which was consistent with other methods designed for farmers in Germany, was also adopted in the method. In the five grade evaluation system, name, definitions and interpretation of each grade were nation-wide unified. This was achieved by summarizing a large amount of long-term experiments and farmers surveys from all of the major agricultural areas with different climate, soil and crop production conditions. The unified name and definitions were validated in different regions to ensure the stability of the evaluation indexes. This simplified, unified, and stable evaluation system has showed strong advantages both for learning by farmers and for making relationships between farming’s management measures in practice and subsidy policies for environment. Names, definitions and interpretation of the five grades were the front indexes of the method. The ranges of Heq values in corresponding to the five grades, the Heq values of different crops, manures and organic materials were regarded as the professional indexes or parameters to support the front indexes. These professional parameters were allowed to be adjusted in accordance with local conditions by agricultural research institutions without changing of the unified front indexes. By this way, the method stability, expansibility, scientificity and extensibility in farming’s practice were improved greatly. The architecture composed of front and background indexes designed for farmers for farming’s management is also worthy of our reference. For application of the approach in China, main difficulty is to develop Heq values suitable for crops and agricultural condition in China. Since the sum of qualified long-term experiments in China are limited, we can try to develop the Heq values by use of the available long-term experiments in combination with short-term experiments, simulation experiments as well as site-specific farmland survey in different major agricultural regions in China. To speed up the work, parameter development, calibration, improvement and field demonstration might be done simultaneously.

SOC management; organic matter balance; nonpoint-source pollution control; organic farming; technique index designed for farmers

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.008

2019-06-03；

2019-09-02

科技部科技基礎(chǔ)性工作專項（2006FY120200、2012FY112100）

張維理，Tel：010-82106217；E-mail：zhangweili@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）