推廣腐植酸類肥料提高黑土地肥力

劉志宗 盧維宏 張乃明*

1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201

2 云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實驗室 昆明 650201

3 宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院 宿州 234000

黑土地一般指黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟市（以下簡稱“四省區(qū)”）的相關(guān)區(qū)域范圍內(nèi)具有黑色或者暗黑色腐殖質(zhì)表土層，性狀較好、肥力較高的耕地。我國東北的黑土地是世界上四大黑土區(qū)之一，是名副其實的“第一糧倉”，在保證國家糧食安全中發(fā)揮著舉足輕重的作用，可見養(yǎng)好用好東北黑土地，對實現(xiàn)“中國人的飯碗牢牢端在自己手中”具有重要意義。然而，由于人為和自然因素的綜合作用，近幾十年來黑土地質(zhì)量退化問題開始逐步突顯，部分區(qū)域面臨嚴重退化，主要表現(xiàn)在黑土地腐殖質(zhì)表土層變薄、變瘦、變硬。已有研究表明，東北黑土地黑土層的厚度已經(jīng)減少了30%～50%，一些地區(qū)的黑土層厚度不足20 cm，目前仍以每年1 ～2 mm 的速度減少，給國家糧食安全帶來挑戰(zhàn)。黑土地有“耕地中的大熊貓”之稱，保護好黑土地，事關(guān)國家糧食安全、生態(tài)安全，事關(guān)中華民族的永續(xù)發(fā)展。為了保護黑土地資源，穩(wěn)步恢復(fù)提升黑土地基礎(chǔ)地力，促進黑土地資源可持續(xù)利用，維護生態(tài)平衡，保障國家糧食安全，2022 年6 月24 日第十三屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第三十五次會議通過了《中華人民共和國黑土地保護法》，該法堅持了長遠保障國家糧食安全的戰(zhàn)略定位，明確了特殊的保護和治理修復(fù)制度措施，為保護好、利用好黑土地這一寶貴的土地資源提供了有力的法治保障。腐植酸肥料是一種含有腐植酸類物質(zhì)的新型肥料，也是一種多功能肥料。天然的腐植酸，是動植物遺骸經(jīng)過微生物的分解與轉(zhuǎn)化，以及一系列的物理化學(xué)過程而形成的一類高分子聚合物，廣泛存在于土壤、泥炭、褐煤、風(fēng)化煤、海洋、湖泊及沼澤中。土壤中腐殖質(zhì)的含量是衡量土壤肥力質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，腐植酸是腐殖質(zhì)中的主要成分，因此深入探討在保護黑土地的過程中，科學(xué)推廣應(yīng)用腐植酸類肥料具有重要意義。

1 黑土地保護事關(guān)國家糧食安全

東北黑土區(qū)面積109 萬平方公里，典型黑土區(qū)耕地面積約2.78 億畝。如圖1 所示，糧食作物播種面積約占全國的16.71%，而糧食作物產(chǎn)量卻約占全國的23.88%。同時，東北黑土區(qū)商品糧量約占全國的25%，糧食調(diào)出量約占全國的33%，是我國最重要的糧食生產(chǎn)基地和商品糧輸出基地。以黑土地資源最為豐富的黑龍江省為例，該省糧食產(chǎn)量從2012 年的1152 億斤增加到2021 年的1573.5 億斤，商品量和調(diào)出量連續(xù)多年位居全國第一[1]。

圖1 2010—2020 年四省區(qū)糧食作物播種面積與產(chǎn)量占全國糧食作物播種面積與產(chǎn)量比例Fig.1 Proportion of sown area and output of grain crops in the four provinces and regions in the sown area and output of grain crops in China from 2010 to 2020

糧食安全事關(guān)國運民生，維系經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，是國家安全的重要基礎(chǔ)。而耕地資源的數(shù)量和質(zhì)量是糧食生產(chǎn)的基本保證，耕地資源安全是中國糧食安全的關(guān)鍵[2]。中央高度重視東北黑土區(qū)耕地保護工作，尤其近年來，東北黑土地退化的綜合防治工作更加被重視，逐漸將東北黑土地保護利用上升為一項國策[3]。因此，保護好這片黑土地，實現(xiàn)耕地數(shù)量和質(zhì)量的穩(wěn)定，對于保證東北黑土區(qū)真正起到國家糧食安全“穩(wěn)壓器”的作用具有十分重要的意義。2021 年中央一號文件中指出，要實施國家黑土地保護工程，推廣保護性耕作模式。保護與合理利用黑土地，提升黑土區(qū)糧食產(chǎn)能，已上升至國家戰(zhàn)略地位[4]。因此，我們必須做好對黑土地資源的利用與保護。

2 黑土地質(zhì)量退化地力下降的主要表現(xiàn)

2.1 耕作層土壤有機質(zhì)含量下降

土壤有機質(zhì)是耕地地力最重要的性狀之一，被認為是土壤質(zhì)量和功能的核心。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤有機質(zhì)是至關(guān)重要的決定因子[5]，它不僅影響植物所需要的大量和中微量養(yǎng)分供給，同時也會影響到土壤結(jié)構(gòu)的形成，貯水保水性能，溫度和熱量狀況等物理性質(zhì)，而且土壤有機質(zhì)決定著土壤化學(xué)性質(zhì)，起到調(diào)節(jié)保持與供給養(yǎng)分性能的土壤代換性，對土壤不利因素的影響起到緩沖作用[6]。

長期定位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，開墾初期土壤有機質(zhì)含量為8%～10%，現(xiàn)已下降到2%～3%，土層厚度由1 m 左右下降到20 ～30 cm[7]。近60 年來，黑土耕作層土壤有機質(zhì)含量下降了約4.59%，甚至部分地區(qū)下降了近7%。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，退化黑土土壤微生物總數(shù)是正常黑土的1/10 倍，細菌少了10 萬個，放線菌多了近10 萬個，真菌多了700 個，這說明土壤的轉(zhuǎn)化營養(yǎng)能力較前降低[8]。近年加大保護措施后退化速度減緩，并逐步進入一個相對穩(wěn)定期[9]。2020 年7 月，習(xí)近平總書記在吉林省梨樹縣考察百萬綠色玉米生產(chǎn)基地時，就東北黑土地保護做出重要指示：“一定要采取有效措施，遏制黑土地退化問題”[10]。

2.2 土壤物理性狀變差

容重作為土壤最重要的物理性狀之一，不僅可以較準(zhǔn)確地反映土壤物理性能的整體狀況，還可有效地指示土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力[11]。土壤容重的變化與土壤孔隙度密切相關(guān)，可較好地反映土壤透氣性能、入滲性能、持水能力和溶質(zhì)遷移潛力等。土壤容重不僅是常用于估算土壤持水力和導(dǎo)水性的關(guān)鍵參數(shù)，還是估算土壤有機碳貯量的重要參數(shù)[12]。

已有研究表明，自然黑土的容重范圍為0.80 ～1.00 g/cm3（平均0.90 g/cm3）；全國第二次土壤普查（1982 年）時，黑土耕層的容重為1.00 ～1.10 g/cm3（平均1.05 g/cm3），而目前黑土耕層的容重已增加到1.25 ～1.30 g/cm3（平均1.28 g/cm3），有些地方甚至超過了1.40 g/cm3[13]。王恩姮等[14]研究表明，與收獲前相比，大型機械作業(yè)對黑土區(qū)耕地土壤結(jié)構(gòu)性特征的影響以疏松作用為主，而中型機械作業(yè)則以土壤壓實作用為主。因此，大型機械耕作并不是影響四省區(qū)黑土地土壤物理性狀變差的主要原因。相反大型機械作業(yè)會改善黑土地物理性狀變差的現(xiàn)狀。李婕等[15]指出對于在同一母質(zhì)上發(fā)育的地勢平坦的土壤，不同的土地利用方式是影響土壤容重和孔隙度的重要因素之一。鄒文秀等[16]研究也發(fā)現(xiàn)，土地利用方式顯著影響了黑土地土壤表層（0 ～20 cm）的土壤容重、孔隙度和土壤持水量。因此，不合理的土地利用方式是造成四省區(qū)黑土地土壤物理性狀變差的主要原因之一。

2.3 土壤生產(chǎn)力不穩(wěn)定

圖2為我國2000—2020 年四省區(qū)主要糧食作物單位面積產(chǎn)量。從圖中可以明顯看出，東北黑土區(qū)的單位面積產(chǎn)量大致呈現(xiàn)上升的趨勢，但是年際之間單位面積產(chǎn)量并不穩(wěn)定，尤其是遼寧省年際之間的單位面積產(chǎn)量波動尤為明顯。

圖2 我國2000—2020 年四省區(qū)主要糧食作物單位面積產(chǎn)量Fig.2 Output per unit area of major grain crops in the four provinces and regions of China from 2000 to 2020

武紅亮等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)民習(xí)慣施肥管理模式下，近30 年黑土區(qū)土壤肥力和生產(chǎn)力水平呈現(xiàn)整體上升的趨勢，但持續(xù)提升肥力后效不足，同時土壤pH 值降低，存在酸化的風(fēng)險；黑土肥力提升的主要障礙因子是土壤全氮和有機質(zhì)含量。劉忠等[18]研究指出，四省區(qū)糧食增產(chǎn)主要依靠糧食播種面積的大幅度增加和種植結(jié)構(gòu)向高產(chǎn)的玉米與稻谷調(diào)整兩個方面。圖3 為我國1980—2019 年四省區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)變化。從圖中可以明顯看出，四省區(qū)玉米、水稻和大豆的種植面積呈現(xiàn)上升趨勢，而小麥、薯類和其他作物的種植面積呈現(xiàn)下降趨勢。此外，魏丹等[19]研究指出，黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力的提升與科學(xué)技術(shù)水平的提高密切相關(guān)。

圖3 我國1980—2019 年四省區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)變化Fig.3 Changes of grain planting structure in the four provinces and regions of China from 1980 to 2019

3 施用腐植酸類肥料對黑土地肥力的影響

腐植酸是動植物遺骸經(jīng)過微生物的分解與轉(zhuǎn)化，以及一系列的物理化學(xué)過程和積累形成的一類有機物質(zhì)。腐植酸類肥料不僅能夠降低化肥施用量，提高肥料利用率，提高土壤有機碳，改善土壤理化特性，還能有效緩解黑土地土壤質(zhì)量退化。

3.1 對黑土地土壤有機質(zhì)的影響

土壤有機質(zhì)是土壤肥力的核心，是土壤的重要組成部分。結(jié)合我國第一次、第二次土壤普查結(jié)果，東北黑土中的有機質(zhì)含量平均下降了4.59%，以黑龍江黑土有機質(zhì)下降幅度最大，達6.71%[20]。在黑土上長期施用含腐植酸肥料后（約35 年），黑土中腐殖化的分子結(jié)構(gòu)呈脂肪族、簡單型和年輕化的趨勢，因此，單獨施用含腐植酸有機肥或配合無機肥料施用，是提高作物產(chǎn)量和改善土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效途徑[21]。進一步結(jié)合《腐植酸肥料與土壤有機碳庫質(zhì)量管理》研究報告，該報告中指出，提升土壤有機碳庫容量、優(yōu)化土壤有機碳庫構(gòu)成是提升土壤肥力的基礎(chǔ)，其中腐植酸肥料在快速改良培肥土壤等方面具有良好效果[22]。

3.2 對黑土地土壤速效養(yǎng)分的影響

高強度利用導(dǎo)致黑土地質(zhì)量退化，以土壤肥力下降最為明顯。速效養(yǎng)分是土壤化學(xué)肥力的重要指標(biāo)。孫海燕等[23]在東北黑土玉米種植過程中，采用化肥減量15%～30%的情況下配合施用腐植酸生物肥400 ～600 kg/hm2，與對照相比，土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀指標(biāo)分別升高了8.2%～18.1%、17.1%～121.0%和9.6%～57.3%，保障了玉米后期生長的土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，且表現(xiàn)出隨著腐植酸生物肥用量的增加，土壤速效磷和鉀活化效應(yīng)更為顯著，這可能與施用腐植酸后引起的土壤微生物種群多樣性增加及土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性升高有關(guān)。姜佰文等[24]分別研究了不同減氮水平與腐植酸配施下對東北草甸黑土肥力退化的影響，結(jié)果表明，以氮肥減量20%配施10 t/hm2腐植酸為最佳施肥模式，與常規(guī)對照相比，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別增加了5.69%、10.13%和7.58%，腐植酸的施用對土壤磷的活化效應(yīng)最為明顯，其次是鉀、氮。楊小燕[25]的研究結(jié)果也表明，隨著腐植酸施用量的增加，土壤中氫氧化鈉提取態(tài)無機磷（NaOH-Pi）、鹽酸提取態(tài)無機磷（HCl-Pi）、Al-P 和Ca-P 含量均表現(xiàn)出升高趨勢，說明腐植酸在一定程度上能夠提高磷肥的利用效率，促進土壤中難溶性無機磷向有效性高的無機磷形態(tài)轉(zhuǎn)化。Langumuir 方程進一步表征了土壤對磷的最大吸附量隨著腐植酸施用量的增加逐漸提高，而吸附強度和最大吸附緩沖容量則表現(xiàn)了先降低后增加的趨勢，即當(dāng)腐植酸施用量為11.2%時，土壤對磷的儲存容量較大而吸附強度較低，有利于土壤供給充足的磷養(yǎng)分于作物吸收，表現(xiàn)出較強的供磷能力，是典型的磷素活化劑[26]。此外，陳士更等[27]研究表明，土壤中的鉀可在土壤頻繁的干濕交替中被固定在礦物晶體內(nèi)部，不易釋放，部分微量元素（如鐵）容易被氧化、吸附等方式被土壤固定，影響其有效性。而施用活性腐植酸后，土壤中的磷、鉀、鐵、錳、鋅、銅的有效性均有了明顯的提升[28]，其中土壤速效鉀含量的增幅可達3.74%～10.57%。

3.3 對黑土地土壤物理性質(zhì)的影響

Ijaz A 等[29]研究表明，土壤容重與土壤總有機碳表現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系，腐植酸肥料中含有的腐植酸作為土壤有機碳源，可通過改善土壤團聚體穩(wěn)定性，減少土壤緊實度，從而降低土壤容重，最終改善土壤水分的入滲性能；進一步的研究結(jié)果顯示，腐植酸的施用可以使土壤容重下降程度與土壤有機碳含量的增幅表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性。鄧軍波等[30]的研究結(jié)果表明，活性腐植酸肥料能有效降低土壤容重0.37%～2.62%，提高田間持水量幅度達到1.22%～16.32%。此外，對于連續(xù)2 年施用不同類型土壤調(diào)理劑材料，以腐植酸的整體效果相對較好，土壤容重有效降低了2.72%～4.76%，土壤粉粒含量提高了3.12%～5.28%，土壤孔隙度提高了1.74%～3.54%[27]。

4 結(jié)語

有“耕地中的大熊貓”之稱的黑土地，由于人為和自然原因，近年來出現(xiàn)質(zhì)量退化、肥力下降等問題，概括為變薄、變瘦、變硬，突出表現(xiàn)為黑土地耕作層土壤有機質(zhì)含量下降、土壤物理性狀變差、土壤生產(chǎn)力不穩(wěn)定，這給國家糧食安全帶來不利影響。已有大量研究表明，使用腐植酸類肥料可提高土壤有機質(zhì)含量、改善土壤物理性質(zhì)、增加養(yǎng)分供給、提高土壤肥力，值得在東北地區(qū)推廣應(yīng)用。