耕地質(zhì)量對耕地生產(chǎn)力的影響

姜玉琴，謝先進(jìn)，黃 達(dá)

（1浚縣土壤肥料工作站，河南 鶴壁 458000；2河南省土壤肥料站，鄭州 450000）

0 引言

耕地作為植物生長的載體，是寶貴的農(nóng)業(yè)資源和重要的生產(chǎn)資料。然而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人口快速增長與土地資源迅速萎縮之間的差距越來越大[1-2]，尤其中國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，建設(shè)用地需求急劇增大，從而導(dǎo)致大量耕地被占用?！叭硕嗟厣佟钡膰槭沟弥袊媾R著巨大的糧食生產(chǎn)壓力[3]?；诖?，為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，國家劃定了十八億畝耕地紅線，并實施耕地占補平衡制度。然而在實際落實過程中，補充耕地多為質(zhì)量較低的新開墾土地，加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕地的高強度利用以及不合理的農(nóng)田管理措施使得中國耕地總體質(zhì)量下降[4]。因此，耕地紅線的概念已從耕地面積紅線擴展為耕地面積與耕地質(zhì)量的雙重紅線[5]。提高耕地質(zhì)量、增強耕地糧食生產(chǎn)能力將是中國緩解耕地不足，保障糧食安全的關(guān)鍵途徑[6-7]。耕地質(zhì)量不僅關(guān)系到國家糧食安全，而且關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全和生態(tài)安全，是保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必要基礎(chǔ)[8]。本文對耕地質(zhì)量的概念以及耕地質(zhì)量對耕地生產(chǎn)力的影響作用進(jìn)行了探討。

1 耕地質(zhì)量的概念

“耕地”的英文表述為“arable land”、“farmland”或“cultivated land”，前二者比較接近中國國內(nèi)的耕地概念，即耕地通常指用于種植農(nóng)作物并經(jīng)常耕耘的土地[9]。國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)規(guī)定耕地是種植農(nóng)作物的土地，分為水田、水澆地和旱地三類。關(guān)于耕地質(zhì)量的概念研究中沒有統(tǒng)一的界定。狹義的耕地質(zhì)量一般指耕地肥力，即耕地提供和協(xié)調(diào)農(nóng)作物生長發(fā)育所需要的水分、養(yǎng)分、空氣和熱量的能力[10]。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中，傾向于采用耕地產(chǎn)出能力來衡量耕地質(zhì)量高低，所以耕地質(zhì)量是一個外延十分寬泛的概念，需反映出某一區(qū)域的耕地綜合生產(chǎn)力。奉婷等[11]認(rèn)為耕地質(zhì)量是耕地自然質(zhì)量、耕地利用條件、耕地空間形態(tài)和耕地生態(tài)安全4 個方面的綜合表現(xiàn)，其中耕地自然質(zhì)量指由地形部位、土壤條件、灌排設(shè)施等因素影響下的耕地質(zhì)量；耕地利用條件指道路通達(dá)度、耕作距離、耕作便利度等區(qū)位條件和耕作環(huán)境；耕地空間形態(tài)指田塊規(guī)整度和連片度；耕地生態(tài)安全指耕地周邊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)風(fēng)險性。趙春雨和朱永恒[12]從人類發(fā)展需求的角度定義耕地質(zhì)量，認(rèn)為“耕地質(zhì)量是滿足人們生態(tài)和生產(chǎn)需求的耕地狀況和條件”。劉友兆等[13]指出耕地質(zhì)量是構(gòu)成耕地的各種自然因素和環(huán)境條件狀況的總和，包括耕地生產(chǎn)能力、耕地環(huán)境狀況和耕地產(chǎn)品質(zhì)量3 個方面。李丹等[14]將耕地質(zhì)量劃分為3部分：本底質(zhì)量、健康質(zhì)量和經(jīng)濟質(zhì)量，其中本底質(zhì)量為構(gòu)成耕地質(zhì)量的自然屬性；健康質(zhì)量為耕地的環(huán)境屬性，即衡量耕地質(zhì)量系統(tǒng)能否滿足可持續(xù)發(fā)展、人類健康發(fā)展和生態(tài)發(fā)展的需要；經(jīng)濟質(zhì)量為耕地質(zhì)量的區(qū)位屬性，即衡量經(jīng)濟發(fā)展對耕地所產(chǎn)生的影響。國家標(biāo)準(zhǔn)《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469—2016)中規(guī)定，耕地質(zhì)量包括耕地地力和土壤健康狀況2部分，其中耕地地力為“在當(dāng)前管理水平下，由土壤立地條件、自然屬性等相關(guān)要素構(gòu)成的耕地生產(chǎn)能力”；土壤健康狀況指“土壤作為一個動態(tài)生命系統(tǒng)具有的維持其功能的持續(xù)能力，用清潔程度、生物多樣性表示”。還有研究指出耕地質(zhì)量是耕地環(huán)境條件（地形地貌、氣候等）、耕地肥力、耕地健康狀況（土壤有害物質(zhì)對人或其他生物所產(chǎn)生的影響程度）和農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施水平（灌溉、排水、防護等設(shè)施建設(shè)情況）等綜合構(gòu)成的耕地生產(chǎn)能力[4,6]。顯然，關(guān)于耕地質(zhì)量的概念，不同研究之間存在很多共同點，涵蓋的內(nèi)容基本一致，只是定義的角度和側(cè)重點有所差異，即不同的研究視角所選擇的耕地質(zhì)量指標(biāo)不同[15]。

綜合以上研究成果，可以認(rèn)為，耕地質(zhì)量是耕地在眾多影響因素共同作用下所呈現(xiàn)出來的耕地生產(chǎn)水平，其內(nèi)涵涉及廣泛，本研究將其歸納為三個方面。一是耕地環(huán)境，即耕地所處的外部自然條件如氣候、地形等；二是耕地土壤屬性，即耕地土壤本身所具有的屬性特點，如土壤類型、土壤質(zhì)地、耕層結(jié)構(gòu)、土壤肥力、土壤健康等；三是耕地管理水平，即人為活動使得耕地所表現(xiàn)出來的質(zhì)量水平。而人為因素又可大致分為兩個方向：一是灌溉、施肥、耕作、栽培等農(nóng)田管理措施；二是政策制定、資金投入、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等政府行為。當(dāng)然，一個地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展程度也間接影響著耕地質(zhì)量。

研究耕地質(zhì)量的目的和意義在于增強耕地生產(chǎn)力。耕地生產(chǎn)力是指耕地糧食產(chǎn)出能力，可界定為一定地域、一定時期內(nèi)，由自然因素、技術(shù)水平和社會經(jīng)濟條件所決定的最大糧食產(chǎn)量產(chǎn)出能力，而糧食產(chǎn)量是耕地的實際糧食生產(chǎn)能力，其高低反映了耕地生產(chǎn)力大小[16-17]。雖然耕地質(zhì)量的內(nèi)涵得到了豐富，表征耕地質(zhì)量的指標(biāo)有多種，但是研究中的重點仍然在于耕地土壤屬性，可能在于耕地本身的土壤屬性處于穩(wěn)定狀態(tài)，易于定量化。本文從土壤類型和土壤質(zhì)地、土壤肥力和耕層結(jié)構(gòu)幾個方面歸納概括耕地質(zhì)量對耕地生產(chǎn)力的影響作用。

2 土壤類型和土壤質(zhì)地對耕地生產(chǎn)力的影響

土類是土壤分類學(xué)高級分類的基本單元。不同土類的成土過程不同，相應(yīng)的土層結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等不同，對外界影響因素的反映程度不同，本身存在明顯的空間變異性，所以在不同土壤類型條件下，作物的生長發(fā)育具有差異性。王群等[18]采用微區(qū)桶栽試驗研究了不同土壤類型條件下玉米生長對緊實脅迫的響應(yīng)，結(jié)果表明，不同土壤類型之間玉米根系生長、養(yǎng)分吸收及籽粒產(chǎn)量均存在較大差異。王浩等[19]指出不同土壤類型之間小麥穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量變異較大，變化趨勢為砂姜黑土＞潮土＞褐土＞棕壤。馮國忠等[20]研究發(fā)現(xiàn)在吉林省春玉米連作體系，黑土玉米平均產(chǎn)量8623 kg/hm2，年際間產(chǎn)量變異系數(shù)13.4%；風(fēng)砂土玉米平均產(chǎn)量5911 kg/hm2，年際間產(chǎn)量變異系數(shù)59.1%，產(chǎn)量和穩(wěn)定性均明顯低于黑土。孔宇等[21]比較了白漿土和草甸黑土條件下水稻的氮素利用狀況，結(jié)果顯示，白漿土水稻氮吸收總量和氮利用率高于草甸黑土，但是籽粒含氮量、氮偏生產(chǎn)率低于草甸黑土。董魯浩等[22]通過研究長期定位試驗（19 年）發(fā)現(xiàn)，在褐潮土上，施用化肥對小麥的增產(chǎn)潛力明顯高于紅壤。黃曉婷等[23]研究表明，冬小麥、夏玉米植株氮、磷、鉀積累量在不施肥條件下變化趨勢為中壤潮土＞砂姜黑土＞黃褐土＞砂壤潮土，然而肥料利用效率則呈完全相反趨勢，即不同土壤類型的基礎(chǔ)生產(chǎn)力有所差異，且基礎(chǔ)生產(chǎn)力愈高，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力愈強，但肥料利用效率愈低。還有研究指出，中國黑土對產(chǎn)量的耕地地力貢獻(xiàn)率為63%，水稻土為54%，紅壤為41.7%[24-27]。

土壤質(zhì)地分為砂土、壤土、黏土三大類。研究中關(guān)于土壤質(zhì)地的影響效應(yīng)較為明確統(tǒng)一，總體以壤土為最優(yōu)。砂土質(zhì)地較粗，透氣透水性強但保水保肥性能弱；黏土則相反；壤土界于砂土和黏土之間，水肥氣熱條件相對協(xié)調(diào)。研究指出土壤質(zhì)地能夠影響小麥氮素的吸收、積累、轉(zhuǎn)運和利用，其氮吸收量、氮積累量、氮利用效率、產(chǎn)量表現(xiàn)為壤土＞黏土＞砂土[28-30]。張澤等[31-32]指出土壤質(zhì)地影響了棉花氮素分配和根系分布，不同器官氮含量變化有所不同，如蕾、葉全氮含量表現(xiàn)為砂土＞壤土＞黏土，莖、鈴全氮含量表現(xiàn)為壤土＞砂土＞黏土；0～20 cm 土層棉花根長密度在花期前砂土＞黏土＞壤土，在花期后砂土＞壤土＞黏土；20～40 cm土層根長密度則均為壤土＞黏土＞砂土。賈立華等[33]研究發(fā)現(xiàn)，與黏土相比，砂土和壤土條件下，花生各生育期根系干物質(zhì)和深層土壤根系量顯著增加；此外，花生有效果數(shù)、莢果數(shù)和籽仁產(chǎn)量均表現(xiàn)為壤土＞砂土＞黏土。不同作物產(chǎn)量對不同質(zhì)地的響應(yīng)不同，可能取決于作物根系對不同質(zhì)地的響應(yīng)不同。

3 土壤肥力對耕地生產(chǎn)力的影響

傳統(tǒng)的土壤肥力主要指土壤向植物供應(yīng)養(yǎng)分的性能，隨著土壤學(xué)的不斷發(fā)展，土壤肥力概念的外延不斷擴大；評價土壤肥力的指標(biāo)也從最初的土壤養(yǎng)分指標(biāo)逐漸發(fā)展為土壤物理、化學(xué)、生物、環(huán)境等綜合性指標(biāo)[34]。其中土壤養(yǎng)分含量和土壤容重是兩項典型的表征土壤肥力的指標(biāo)，研究最多應(yīng)用最廣。

3.1 土壤養(yǎng)分含量

很多研究指出，土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[35-38]。Qiu等[39]通過建立模型指出，在中國土壤有機碳含量每增加1 g/kg，則東北區(qū)玉米產(chǎn)量增加176 kg/hm2，北部小麥-玉米輪作區(qū)產(chǎn)量增加454 kg/hm2，西北區(qū)玉米增產(chǎn)328 kg/hm2，中南區(qū)單季稻增加185 kg/hm2，東部雙季稻增加266 kg/hm2，西南部小麥-水稻輪作區(qū)產(chǎn)量增加229 kg/hm2。有研究指出，作物產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)含量之間不是簡單的線性關(guān)系，即作物產(chǎn)量隨著土壤有機質(zhì)含量增加呈現(xiàn)正態(tài)分布[40]。土壤有機質(zhì)含量存在低閾值和高閾值，低于低閾值說明土壤生產(chǎn)力非常低，而高于高閾值，則不利于產(chǎn)量增加[41]。趙克靜等[42]研究發(fā)現(xiàn)黑龍江春小麥產(chǎn)量在土壤有機質(zhì)含量為80～90 g/kg時達(dá)到最高，低于或者高于這個范圍，產(chǎn)量下降。陳淵[43]指出，東北農(nóng)田黑土土壤有機質(zhì)含量與小麥產(chǎn)量之間的閾值受到氮肥使用量的影響，最佳范圍約在72.4～76.0 g/kg，低于或者高于這個范圍，小麥產(chǎn)量降低。段英華等[44]的研究表明在西北灌淤土，土壤全氮含量處于0.4～1.0 g/kg 范圍時，全氮含量每增加0.1 g/kg，小麥增產(chǎn)率提高41.3%、玉米增產(chǎn)率提高48.5%；而當(dāng)土壤全氮含量處于1.1～1.5 g/kg范圍時，全氮含量每增加0.1 g/kg，水稻增產(chǎn)率提高34.2%。

土壤養(yǎng)分含量決定了土壤地力高低，而土壤地力對作物產(chǎn)量的形成具有較大貢獻(xiàn)。黃少輝等[45]應(yīng)用邊界線法分析了冀中南麥區(qū)基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率，研究指出土壤有機質(zhì)、pH、堿解氮、速效鉀、有效磷對基礎(chǔ)地力的貢獻(xiàn)率分別為16.6%、10.9%、10.5%、4.1%、2.9%，而基礎(chǔ)地力對冬小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率平均為71.1%。湯勇華和黃耀[46]指出中國小麥產(chǎn)量的地力貢獻(xiàn)率為43.06%，玉米為51.06%，水稻為61.93%。梁濤等[47]依托四川盆地474 個水稻田長期定位試驗，分析了水稻產(chǎn)量對基礎(chǔ)地力和肥料的響應(yīng)，結(jié)果顯示：基礎(chǔ)地力對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為67.4%～75.9%，肥料對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為24.1%～32.6%，土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分對產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率分別為78.2%、88.8%、90.8%。馬常寶等[48]指出潮土區(qū)土壤地力對小麥產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率為51.4%，對玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為54.0%。唐旭等[49]通過研究水稻-大麥輪作體系18 年定位試驗指出，土壤地力對大麥和水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為69%和75%。英國洛桑和美國奧科哈馬州立大學(xué)試驗站的長期定位試驗顯示，在不施肥條件下，作物產(chǎn)量可以維持在穩(wěn)定狀態(tài)[48,50]。類似地，Kunzova 和Hejcman[51-52]指出，土壤為高肥力時，不施肥50 年后，作物產(chǎn)量仍可保持增加。在施用化肥的背景下，土壤基礎(chǔ)肥力和肥料投入共同決定了土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[53]，其中土壤肥力對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率雖然會因為不同區(qū)域、不同作物、不同種植方式等因素呈現(xiàn)出較大差異，但是整體維持在較高水平，說明土壤肥力對產(chǎn)量的影響作用無法替代。

3.2 土壤容重

土壤容重作為表征土壤肥力的一項重要物理性指標(biāo)，其大小與土壤孔隙狀況、保水特性、有機質(zhì)含量、土壤養(yǎng)分含量和遷移等密切相關(guān)[54-56]，對作物根系生長和產(chǎn)量變化有著重要影響作用。土壤容重過大或者過小均不利于作物的正常生長發(fā)育[57-58]，其存在一個最佳適宜范圍。鄒曉霞等[59]研究指出，土壤容重在1.2～1.3 g/cm3范圍最有利于花生根系生長和維持較好的根系形態(tài)。張亞如等[60-61]研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土壤容重為1.2～1.3 g/cm3、20～40 cm土壤容重為1.3 g/cm3時最有利于花生對氮、磷、鉀、鈣等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收以及光合作用提高和干物質(zhì)積累。劉戰(zhàn)東等[62]通過分析不同容重條件下冬小麥-夏玉米生長指標(biāo)和產(chǎn)量變化指出，冬小麥最適土壤容重1.4 g/cm3，夏玉米最適土壤容重1.2 g/cm3。才曉玲和李志洪[63]指出土壤容重為1.2 g/cm3時，玉米根系吸收總表面積最大，可作為作物生長的適宜容重范圍。鄭存德等[64]的研究結(jié)果與之類似，即玉米根系生長的適宜土壤容重在1.2～1.3 g/cm3。曹立為[65]通過研究不同土壤容重梯度下大豆生長狀況發(fā)現(xiàn)，隨著土壤容重增加，大豆干物質(zhì)重、氮磷鉀含量和積累量呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，且在土壤容重為1.3 g/cm3時，大豆各產(chǎn)量構(gòu)成因素指標(biāo)最高。朱德峰等[66]認(rèn)為水稻根系生長的適宜土壤容重為1.2 g/cm3。宋家祥和莊恒揚[67]指出棉花最適宜土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。黃細(xì)田[68]研究認(rèn)為當(dāng)土壤容重＞1.4 g/cm3時，開始阻礙根系生長；土壤容重＞1.5 g/cm3時，嚴(yán)重阻礙根系生長。總結(jié)以上研究成果，可以認(rèn)為耕地土壤容重最為適宜的范圍在1.2～1.3 g/cm3，低于或者高于這個范圍均不利于作物生長。

4 耕層結(jié)構(gòu)對耕地生產(chǎn)力的影響

合理的耕層結(jié)構(gòu)能夠最大程度地蓄積水分養(yǎng)分，減少土壤水分養(yǎng)分流失并提高其利用效率，有效協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱狀況，增強微生物活動和酶活性，促進(jìn)根系生長，為植物生長發(fā)育營造良好的土壤環(huán)境，從而提升作物產(chǎn)量[69-74]。表征耕層結(jié)構(gòu)合理性的指標(biāo)有多種，耕層深度是其中一項非常重要的物理性指標(biāo)[75]。耕層深度決定了土壤水、肥、氣、熱容量的大小[76]，對維持土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力至關(guān)重要[77-78]。以往的研究一致表明，較厚的表土具有較好的土壤理化和生物特性。厚耕層較淺耕層具有較高的飽和導(dǎo)水率、吸水率、穩(wěn)定的滲透速率和田間飽和導(dǎo)水率[79-80]。據(jù)王維忠和李明金[81]測定，耕層每加深1 cm，1 hm2耕地可多容納60 t 水，土壤含水量在土層15 cm 處增加3%，20 cm處增加6%。Guzman 和Al-Kaisi[80]發(fā)現(xiàn)在草原系統(tǒng)黃土，較厚的表層土壤水分入滲率明顯高于中、薄表層土壤。Syaharudin等[82-83]研究表明，與薄耕層相比(＜27 cm)，厚耕層(＞27 cm)土壤容重減小、飽和導(dǎo)水率升高、土壤含水量和土壤有機質(zhì)含量增加。Yu 等[84]發(fā)現(xiàn)較厚耕層能夠增強微生物活性及增加微生物豐度。韓上等[85]指出，在原始耕層基礎(chǔ)上，人為削減5 cm耕層土壤，玉米-小麥輪作體系作物產(chǎn)量降低5.61%，N、P2O5、K2O積累量分別下降了8.31%、5.65%、18.38%；而人為增加5 cm耕層土壤對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分積累未產(chǎn)生顯著影響，但明顯增加了土壤養(yǎng)分含量。總之，加厚耕層能夠有效提升土壤養(yǎng)分容納能力，不僅滿足了作物生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求，而且減少了養(yǎng)分流失，節(jié)約了資源。還有研究指出耕層厚度對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率要大于土壤有機質(zhì)和某些土壤養(yǎng)分含量[86-87]。

5 結(jié)論與展望

耕地土壤屬性為耕地質(zhì)量的核心內(nèi)容，其變化直接關(guān)系著耕地生產(chǎn)力，通過提升耕地質(zhì)量來增強耕地生產(chǎn)力有其重要性和必須性。然而，目前關(guān)于耕地質(zhì)量的研究整體處于初步探討階段，缺乏系統(tǒng)性和綜合性，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域特點，因地制宜篩選出合理的表征指標(biāo)，建立相應(yīng)的評價體系，進(jìn)一步判定耕地質(zhì)量水平，尤其需要確定影響耕地生產(chǎn)力的最大限制性指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)提出科學(xué)的、有針對性的耕地質(zhì)量提升措施，進(jìn)而增強耕地生產(chǎn)力。