低丘紅壤墾造耕地土壤肥力演變及其熟化標(biāo)準(zhǔn)探討

姜銘北 章明奎 嚴(yán)建立 王道澤

摘要：為了解低丘紅壤墾造地土壤肥力的演變規(guī)律，采用以空間代時間的方法探討了低丘紅壤耕地在墾造和培肥熟化過程中土壤質(zhì)量的演變歷程。結(jié)果表明，荒地紅壤開墾為耕地初期，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及有效磷和速效鉀含量因表土與心土混合而顯著下降；但隨著培肥熟化時間的增長，土壤酸度逐漸下降，鹽基飽和度增加，有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例逐漸上升，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、全磷、有效磷和微生物生物量碳逐漸增加，而土壤質(zhì)地逐漸變輕，C/N比逐漸趨向穩(wěn)定。通過多地點不同時間墾造耕地地力和生產(chǎn)力的對比研究，提出了以下紅壤墾造耕地土壤熟化的建議指標(biāo)：耕作層厚度> 15 cm；結(jié)構(gòu)以小塊狀或團(tuán)塊狀為主，>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體>30%；pH>5.5，鹽基飽和度大于60%；有機(jī)質(zhì)含量15～20 g/kg，C/N比12～17，H/F大于0.40，腐殖酸/有機(jī)質(zhì)比例為>0.30；有效磷7.5～30 mg/kg，有效鉀大于75 mg/kg；微生物生物量碳>75 mg/kg。

關(guān)鍵詞：墾造耕地；肥力演變；熟化指標(biāo)；酸度；有機(jī)質(zhì)；C/N

中圖分類號：S141，S156文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號：cjas20190600075

Soil Fertility of Red Soil Reclamation Land in Low Hilly Area： Evolution and Maturity Criteria

Jiang Mingbei1， Zhang Mingkui2， Yan Jianli3， Wang Daoze4

（1Chun’an Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Chun’an 311700， Zhejiang， China； 2College of Environment and Resources， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China； 3Hangzhou Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310024， Zhejiang， China； 4Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Hangzhou 310020， Zhejiang， China）

Abstract： To understand the evolution law of soil fertility of red soil reclamation land in low hilly area， we studied the soil quality evolution in the process of reclamation， fertilization and maturation from red soil farmland by the method of replacing time with space. The results showed that： the contents of soil organic matter， total nitrogen， water- stable aggregates， available phosphorus and available potassium decreased significantly at the initial stage of reclamation of wasteland red soil because of the mixing of topsoil and subsoil， but with the increase of fertilization and maturation time， the soil acidity decreased gradually， the base saturation， the organic matter and the ratio of humus to organic matter increased； meanwhile， the contents of water- stable aggregates， total phosphorus， available phosphorus and microbial biomass carbon gradually increased， the soil texture gradually became lighter， and the C/N ratio gradually tended to be stable. Based on the comparative study of the soil fertility and productivity of reclamation cultivated land in different places and at different reclamation times， the following indicators are put forward for soil maturation of reclamation cultivated land in red soil hilly area： the thickness of tillage layer is >15 cm； the structure mainly dominated by small block and cluster； the percentage of >0.25 mm water stable aggregates is >30%； the soil pH value is >5.5 the base saturation is >60%； the soil organic matter content ranges from 15 to 20 g/kg with C/N ratio of 12-17， H/F is >0.40， and the ratio of humic acid and organic matter is >0.30； the soil available phosphorus， available potassium， and microbial biomass carbon are 7.5-30 mg/kg， >75 mg/kg， >75 mg/kg， respectively.

Keywords： Reclamation Cultivated Land； Fertility Evolution； Maturation Index； Acidity； Organic Matter； C/N

0引言

耕地是農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于某一國家和地區(qū)，確保耕地的數(shù)量和質(zhì)量不僅是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，同時也是社會安定和糧食安全的重要保障[1-3]。中國南方地區(qū)人多地少，耕地資源十分緊缺，耕地需求與建設(shè)占用的矛盾日益尖銳[4-5]。因此，這一地區(qū)十分重視后備土地資源的開發(fā)利用，其中開墾低丘紅壤是這一地區(qū)耕地的重要來源[6-9]。

紅壤是熱帶、亞熱帶地區(qū)各類巖石長期風(fēng)化淋溶和成土作用的產(chǎn)物，其具有酸、瘠、粘等缺點[10-14]，新開墾的紅壤在正常農(nóng)業(yè)利用前必須經(jīng)過長期的改良與培肥，如何培肥熟化是紅壤開墾成敗的關(guān)鍵[15-18]。耕地熟化是在耕作條件下通過合理耕作、科學(xué)培肥與改良，使土壤水、肥、氣、熱諸因素不斷諧調(diào)，以達(dá)到作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的過程[19-20]。一般來說，耕地熟化過程可分為改造熟化、培肥熟化和高肥穩(wěn)產(chǎn)等3個階段。改造熟化階段主要是改造土壤固有的不利性狀，對于紅壤來說主要是治酸；培肥熟化階段是指通過科學(xué)施肥改善土壤營養(yǎng)條件和土壤結(jié)構(gòu)；高肥穩(wěn)產(chǎn)階段是指進(jìn)一步提升土壤肥力水平，使農(nóng)作物達(dá)到高產(chǎn)的目的。中國對紅壤資源的開墾及改良利用已有近百年的歷史，對耕地紅壤的性狀已有廣泛的調(diào)查[21-26]，孫波等[21]提出了紅壤退化中的土壤質(zhì)量變化；楊建峰等[23]評述了中國南方紅壤地區(qū)土壤質(zhì)量綜合評價的方法；解開治等[25]探討了不同土壤改良劑對紅壤性狀的影響；張璐等[26]分析了湘南紅壤丘陵區(qū)不同植被類型下土壤肥力特征。

但是，至今對如何評價墾造紅壤耕地的熟化度及用什么指標(biāo)來衡量還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。理論上，耕地土壤熟化度與土壤地力評價相似，都是綜合評價土壤質(zhì)量[27-30]，但至今，對于某一地區(qū)的新墾耕地來說達(dá)到怎么樣的土壤質(zhì)量才算是熟化還缺乏深入的研究。為此，本研究以浙江省為例，在對典型低丘紅壤墾造和培肥熟化過程中土壤質(zhì)量性狀演變研究的基礎(chǔ)上，通過不同時間墾造紅壤耕地地力和生產(chǎn)力的對比研究，探討了墾造紅壤耕地的熟化標(biāo)準(zhǔn)，以期為評估墾造紅壤的熟化程度提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1土壤樣品的采集

采樣于2017年11—12月在浙江省金衢盆地進(jìn)行。研究土壤樣品分為二類：（1）低丘紅壤墾造和培肥熟化過程中土壤性狀的變化歷程研究：選擇金衢盆地第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤，采用以空間代時間的方法分析低丘紅壤墾造和培肥熟化過程中土壤性狀的變化。采集的樣品包括墾造前荒地、墾造后（指剛完成墾造但未經(jīng)培肥）、改良培肥5～10年、改良培肥20～30年和改良培肥50年以上，各類耕地各采集表土樣10個，剖面3個。（2）墾造紅壤耕地熟化指標(biāo)研究：包括改良培肥5～10年、改良培肥20～30年和改良培肥50年以上，相應(yīng)的觀察點分別為28、32、39個。各觀察點土壤均為紅壤，成土母質(zhì)包括第四紀(jì)紅土、花崗巖、凝灰?guī)r、變質(zhì)巖、泥頁巖等，樣點分布于浙江省金衢盆地、杭州、湖州及紹興等地。每一組耕地根據(jù)采樣地農(nóng)戶對其上作物生長狀況把地力分為低、中、高3個級別。

1.2分析方法

分析內(nèi)容包括：土壤pH、交換性酸、交換性鋁、交換性鹽基、有機(jī)質(zhì)及組分、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、全磷、有效磷、全氮、微生物生物量碳、質(zhì)地和土壤剖面形態(tài)特征。采用常規(guī)方法測定[31]。

2結(jié)果與分析

2.1墾造和培肥熟化過程中耕層土壤性狀的變化

表1為典型樣區(qū)耕地墾造前后及培肥過程中土壤性狀變化的統(tǒng)計結(jié)果。與墾造前荒地比較，開墾后表層土壤酸度（交換性酸）略有增加，土壤pH值和鹽基飽和度呈現(xiàn)下降趨勢，土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例、有效磷和有效鉀均有下降的趨勢，原因可能與土地平整過程中原表土因深翻與心土混合有關(guān)。但除土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀之外，變化均沒有達(dá)到顯著水平。

通過改良培肥后，表層土壤性狀隨培肥種植時間增加發(fā)生了明顯的變化，pH值和鹽基飽和度明顯提高，土壤交換性酸顯著降低，同時，土壤CEC、有機(jī)質(zhì)含量、腐殖質(zhì)/有機(jī)質(zhì)比值、H/F、全磷、有效磷、速效鉀、微生物生物量碳和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體均有顯著的提高，而C/N比逐漸下降，表土粘粒含量也因耕作而逐漸下降。從變化趨勢來看，多數(shù)性狀在改良培肥20年后逐漸趨向穩(wěn)定，接近動力學(xué)平衡。

2.2墾造和培肥熟化過程中剖面土壤性狀的變化

與墾造前比較，墾造后土壤剖面各土層肥力指標(biāo)的差異變小，這對于有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、速效鉀及微生物生物量碳尤為明顯（見表2）；但隨著改良培肥時間的增加，土壤性狀的變化逐漸由表土向下延伸，其中在改良初期，肥力指標(biāo)的變化主要發(fā)生在表層；20年后，特別是50年后，心土（20～40 cm）和底土（40～80 cm）的變化逐漸明顯。這一結(jié)果表明，隨培肥時間的增加，土壤肥力性狀改善可向深層發(fā)展。

2.3不同墾造時間耕地的肥力水平

表3為基于墾造改良培肥時間分組的基礎(chǔ)上，根據(jù)采樣地農(nóng)戶對耕地上作物生長狀況把耕地地力分為低、中、高3個級別的土壤肥力特性統(tǒng)計結(jié)果。由表3可知，隨著改良培肥時間的增加，地力水平呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。改良培肥5～10年后，土壤地力基本上由低至中構(gòu)成，無高級別地力等級；地力等級以低地力水平為主，占79%，中級別的占21%。改良培肥20～30年后，土壤地力基本上由低、中和高三級組成，并以中地力水平為主，占50%，低和高分別占19%和31%。改良培肥50年后，土壤地力也由低、中和高三級組成，但以中和高地力水平為主，分別占43%和49%，低的只占8%。表3結(jié)果也表明，根據(jù)采樣地農(nóng)戶對耕地上作物生長狀況把地力分為低、中、高3個級別的土壤肥力特性統(tǒng)計結(jié)果也能很好地體現(xiàn)其肥力的高低，各肥力指標(biāo)平均值基本上與農(nóng)戶評估的等級一致。

另外，地力中、高級別的耕地耕作層顏色與心土層間的差異逐漸明顯，厚度一般在15 cm以上，其結(jié)構(gòu)主要由小塊狀或團(tuán)塊狀為主，而地力較低的耕地耕作層含有較多的大塊狀結(jié)構(gòu)。

3討論

以上結(jié)果表明，低丘紅壤開墾后通過培肥種植土壤性狀可以逐漸改善，但其改善程度隨培肥時間的增加而增加，這表明墾造紅壤的培肥是與時俱進(jìn)的。耕地熟化過程可分為改造熟化、培肥熟化和高肥穩(wěn)產(chǎn)等 3個階段。紅壤的改造熟化主要是治酸，一般在墾造耕地同時通過施用石灰在短時間內(nèi)完成，但此一階段養(yǎng)分還沒有得以明顯的改善；培肥熟化階段需花費較長的時間，通過這一階段的培肥，土壤養(yǎng)分有明顯的改善，并獲得較高的產(chǎn)量；高肥穩(wěn)產(chǎn)階段是指進(jìn)一步提升土壤肥力水平，這一階段農(nóng)作物可基本實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。以上3個培肥階段大致相當(dāng)于本研究中低、中、高3個地力等級。從以上調(diào)查可知，在常規(guī)的培肥條件下10年內(nèi)，墾造紅壤的地力很難達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的情況；至改良培肥20～30年后，也只有一部分墾造耕地的地力達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的情況。中國至今對如何評價墾造紅壤耕地的熟化度及用什么指標(biāo)來衡量還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，雖然研究者普遍認(rèn)為土壤質(zhì)量是“越高越好”[32-34]，但有關(guān)土壤質(zhì)量到達(dá)什么水平時才能認(rèn)為是“熟化”實際上是模糊不清的[35-37]。在實際應(yīng)用時，若以區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量最大值作為“標(biāo)桿”來指導(dǎo)耕地土壤改良培肥缺乏實際指導(dǎo)意義，因為這樣的“標(biāo)桿”目標(biāo)在實際培肥中常常是難以實現(xiàn)的。然而，確定一個合適的熟化標(biāo)準(zhǔn)對指導(dǎo)新墾耕地改良培肥非常重要的，熟化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定過低則達(dá)不到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的建設(shè)目標(biāo)，熟化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定過高則會引起不合理的投資。筆者認(rèn)為，耕地熟化標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)因地而異，其不僅與起源土壤類型有關(guān)，也與耕地所在地的地理環(huán)境及社會生產(chǎn)力發(fā)展水平存在聯(lián)系。一個地區(qū)的設(shè)定的耕地熟化標(biāo)準(zhǔn)必須是現(xiàn)實的，即是通過實施這一地區(qū)已掌握的較為先進(jìn)的土壤改良技術(shù)在一定時間內(nèi)能夠做到了，相應(yīng)的耕地質(zhì)量狀況也是多數(shù)生產(chǎn)者普遍認(rèn)可的。基于這一觀點，我們認(rèn)為紅壤地區(qū)耕地熟化標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以耕地地力達(dá)到中等水平為宜，這樣既能保障正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，獲得一定的收益，也能在相對較短的時間內(nèi)實現(xiàn)提升目標(biāo)。據(jù)此，以表3中所有中等地力調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得了如表4所示的墾造紅壤耕地熟化指標(biāo)。

4結(jié)論

研究表明，紅壤荒地開墾為耕地初期土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及有效磷和速效鉀因表土與心土混合存在短期的下降過程，但隨著培肥熟化時間的增長，土壤酸度逐漸下降，鹽基飽和度增加，有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例逐漸上升，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、全磷、有效磷和微生物生物量逐漸增加，C/N比逐漸趨向穩(wěn)定。紅壤地區(qū)墾造耕地地力隨時間逐漸提升，但要達(dá)到高度熟化需要較長的培肥時間，認(rèn)為紅壤地區(qū)耕地熟化標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以耕地地力達(dá)到中等水平為宜，熟化建議指標(biāo)如下：耕作層厚度大于15 cm；結(jié)構(gòu)以小塊狀或團(tuán)塊狀為主，>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體>30%；pH>5.5，鹽基飽和度大于60%；有機(jī)質(zhì)含量15～20g/kg，C/ N比12～17，H/F大于0.40，腐殖酸/有機(jī)質(zhì)比例為> 0.30；有效磷7.5～30 mg/kg，有效鉀大于75 mg/kg；微生物生物量碳>75 mg/kg。

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