淺談“十四五”土壤肥力與土壤養分循環分支學科發展戰略*

蔡祖聰

淺談“十四五”土壤肥力與土壤養分循環分支學科發展戰略*

蔡祖聰1，2

（1. 南京師范大學地理科學學院，南京210023；2. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，南京210023）

土壤肥力與土壤養分循環分支學科是土壤學科中應用性較強的學科，悠久的發展歷史積累了極為豐富的文獻資料，在評價和利用土壤資源，提高作物產量和養分利用率，減少環境污染中發揮著重要作用。“十四五”期間土壤肥力與土壤養分循環分支學科應加強土壤養分轉化過程、速率、產物及其影響因素的基礎性研究。鑒于我國大宗作物種植強度下降，集約化設施種植面積增加的兩極化發展現狀和減肥減藥維持生態環境安全的國家需求，“十四五”期間，土壤肥力與土壤養分循環分支學科應加強以下針對性研究：1）休耕輪作對土壤肥力的影響及通過休耕輪作維持和提高土壤肥力的原理、途徑和方法；2）高度集約化種植條件下快速恢復土壤肥力，保持土壤健康和有效利用土壤養分的科學管理原理、途徑和方法；3）實現土壤-作物-環境相互契合，充分發揮土壤肥力，高效利用土壤養分的基礎科學問題。

土壤肥力；土壤養分；學科發展；科學管理；高效利用

土壤肥力與土壤養分循環是土壤學科中應用性較強的分支學科，主要研究土壤供給作物養分的能力、與土壤養分供應有關的土壤養分循環過程、農田養分以各種形態向環境的擴散過程及其驅動因素等。土壤肥力研究在評價和利用土壤資源中發揮著重要的作用。出于對全球變化和農業面源污染的高度關注，農田土壤固碳和溫室氣體排放，農田氮、磷等營養元素向水體擴散過程及其污染負荷、驅動因素、模型模擬等是過去相當長一段時期土壤養分循環領域的主要研究熱點，在估算農田生態系統固碳潛力、溫室氣體排放、定量農業面源污染等方面積累了大量的數據，取得了豐富的研究成果，在全球變化和生態環境保護領域發揮了重要作用。但是，土壤養分循環服務于作物養分供應及其影響因素的研究則進展比較緩慢。改革開放以來，我國的作物種類、種植方式、種植制度、肥料種類等均發生了顯著的變化，近年來，種植強度的兩極化趨勢極為明顯，這些變化對土壤肥力維持和作物養分供應提出了新的要求。當前土壤肥力和土壤養分循環的研究尚不能清晰地回答這些變化引發的科學問題，因而指導生產實際的能力較弱，難以發揮該分支學科在農業生產中應有的作用。在“十四五”期間，土壤肥力與土壤養分循環分支學科應該回歸本原，圍繞我國經濟發展和種植制變化對土壤肥力和土壤養分循環提出的新要求，加強基礎理論研究，研發適應新的種植模式的土壤肥力維持和提高，促進土壤養分有效利用，減少對土壤質量和生態環境負面影響的新理念、新方法和新技術。

1 歷史發展與現狀

土壤肥力是反映土壤肥沃程度的一個重要指標，但是關于土壤肥力的定義及其指標仍不統一。在歐美等國家土壤肥力是指衡量土壤能夠提供作物生長所需的各種養分的能力。在我國，土壤肥力是指土壤為植物生長供應和協調養分、水分、空氣和熱量的能力，是土壤物理、化學和生物學性質的綜合反應[1]。顯然，歐美國家的土壤肥力概念比較單一，可稱之為狹義的土壤肥力概念，但易于定量和評價；我國的土壤肥力概念涉及土壤物理、化學、生物學性質和營養元素含量等，有些還包括土壤所處的環境等與作物生長有關的各個方面，綜合性強，可稱之為廣義的土壤肥力概念，更接近于土壤生產力概念。由于廣義土壤肥力概念難以定量化，在我國，土壤肥力的綜合評價成為了該分支學科的重要研究內容，發表了大量的研究論文。然而至今未形成具有共識的土壤肥力綜合評價方法和指標值。我國第二次土壤普查時采用了歐美國家的土壤肥力概念，以土壤的養分含量作為劃分依據。這一土壤養分含量等級指標仍然是我國土壤肥力評價的基礎[2]。

土壤養分循環涉及的范圍很廣，例如，土壤碳氮循環是當前全球變化的研究熱點，土壤氮磷向水體的擴散則是水體污染防控的研究熱點。筆者體會，土壤肥力與土壤養分循環分支學科中的土壤養分循環是那些涉及與土壤肥力，即與養分供應能力有關的土壤養分循環問題，它是土壤肥力的基礎和核心。

筆者以中國知網（CNKI）為數據源[3]，對土壤肥力和土壤養分循環分支學科發表的論文數量及其涉及的主題詞進行了搜索。對于特定的研究領域，相同關鍵詞下我國學者發表的論文數量在英文刊物和中文刊物上具有同步性，因此，從CNKI得到的數據可窺我國土壤肥力與土壤養分循環分支學科的發展歷史和現狀之一斑。分別以“土壤肥力”和“土壤養分循環”為關鍵詞，在中國CNKI搜索文獻數量，結果如圖1。截止2019年11月14日，CNKI共收錄了有關土壤肥力的文獻22 039篇，有關土壤養分循環的文獻則僅區區396篇，其中同時涉及土壤肥力和土壤養分循環的文獻更少，僅為66篇。CNKI收錄的關于土壤肥力的最早的文章是Hall于1910年在發表的“The fertility of the soil”[4]。這足以證明土壤肥力是一門歷史悠久的學科。CNKI收錄的我國學者涉及土壤肥力的最早的文章是周昌蕓1936年發表于《地質論評》的“土壤調查及土壤圖之制法”[5]。從圖1a可以看出，我國關于土壤肥力的文章發表數量在20世紀50年代至60年代中出現過一個快速增長的時期。由于眾所周知的原因，1967—1972年是一個停滯期，隨后又開始快速增加，1980年后每年發表的論文數量超過100篇，2008年達到1 025篇，隨后繼續波動式增長。土壤肥力研究涉及的主題詞以土壤肥力為主，占近半數，其次為土壤成分、養分元素氮、磷、鉀和酶活性，每一主題詞下收錄的文獻均在1 000篇以上（表1）。土壤肥力綜合評價的文獻也達347篇，幾乎與土壤養分循環關鍵詞下的文獻數量相當，但絕大部分是關于區域土壤肥力的綜合評價，所用的評價方法各不相同，至今未形成統一、共識的土壤肥力評價方法和指標值。

圖1 CNK收錄的土壤肥力（a）與土壤養分循環（b）分支學科每年發表的文獻數量

CNKI收錄的關于土壤養分循環的文獻遲至1977年才出現（圖1b），是國外學者發表在上關于土壤中草酸鈣及其對營養元素循環的文章[6]。1985年曾天勛發表于《廣東農業科技》的“淺談森林養分循環的規律及有關營林問題”[7]是CNKI收錄的我國學者關于土壤養分循環的最早的文章。這不一定分別是國外和我國學者最早開始研究和發表土壤養分循環文章的時間，但是可以確定的是，相對于土壤肥力研究，土壤養分循環研究領域起步要晚得多。CNKI收錄的土壤養分循環的文獻數量雖也有逐年增加的趨勢（圖1b），但始終未形成熱點研究領域。土壤養分循環涉及的主題詞多，但比較發散（表1）。

涉及土壤肥力22 039篇文章和涉及土壤養分循環的396篇中，同時涉及土壤肥力和土壤養分循環的文獻僅為66篇。這一數據表明從土壤養分循環角度研究土壤肥力未受到重視，土壤肥力與土壤養分循環分支學科的兩部分有機結合程度有待加強。

2 土壤肥力和土壤養分循環的基礎科學問題

討論土壤肥力和土壤養分循環的基礎科學問題有必要明確土壤養分循環與土壤養分轉化的概念。當前，在文獻中經常混用土壤養分循環與土壤養分轉化的概念。筆者以為，土壤養分循環是指以土壤為核心，土壤中的養分元素與生物圈（農田中主要為作物）、水圈、大氣圈和巖石圈的交換途徑、形態和通量；土壤養分轉化則是指土壤中養分元素從一種存在形態或化學價態轉化成為另一種存在形態或價態的過程。由于不同存在形態或價態的元素在土壤中的移動性、與其他圈層的交換性及其生物和環境效應不同，且它們在土壤中的量由土壤轉化過程及其相對速率所決定，所以，土壤養分轉化過程起著土壤養分循環“調配器”的作用，控制土壤養分循環的方向、養分元素化合物種類和交換通量。土壤養分循環途徑中與作物的養分交換過程，即為狹義的土壤肥力。因此，土壤養分轉化過程、產物及其速率是土壤肥力和土壤養分循環分支學科的基礎科學問題。

表1 土壤肥力與土壤養分循環涉及的主題詞及相應的論文數

土壤氮元素循環，即與植物、水體和大氣的交換通量不僅取決于土壤中氮轉化速率，還取決于轉化過程的最終產物、中間產物及其副產物的比例。描述N2O排放的“管道漏氣”模型很好地表達了氮轉化速率和產物比例對N2O排放的重要性[15]。土壤中各種氮轉化過程的速率和產物比例取決于土壤性質及其水、氣、熱環境條件，因此，土壤氮轉化過程的速率和產物是土壤水、氣和熱狀況綜合作用的結果。由于土壤水、氣和熱等因素是可調控的，因而為人類調控土壤氮轉化過程速率及其產物比例提供了可能。

雖然其他元素在土壤中的轉化過程不如氮元素那么豐富多彩，但同樣其形態決定了對作物的有效性和向水體和大氣的擴散通量。例如，礦物中的磷、鉀等營養元素只有通過風化釋放到土壤溶液或成為交換態等才能被植物吸收利用，但風化作用也增加了這些元素隨水分遷移進入水體的可能性。

由此可見，深入認識土壤中元素的轉化過程、速率、產物及其影響因素是土壤養分循環研究深入到定量化和實現針對性調控的基礎。然而，至今仍然缺乏土壤養分轉化過程、產物和速率的定量化測定方法，在土壤養分循環研究中經常作為黑箱處理。當今的科學技術水平和研究手段為定量化土壤養分轉化速率和產物創造了良好的條件，“十四五”應將土壤養分轉化過程、產物和速率的定量化，包括定量化的研究方法和研究手段作為土壤肥力與土壤養分循環分支學科基礎研究的重點。

3 國家需求對土壤肥力和土壤養分循環學科的新要求

隨著我國經濟的高速發展和人們生活狀況的改善，對農產品供應提出了多樣化的要求。與此相適應，在過去40年中，我國的種植制度和管理方式發生了很大的變化，呈現出明顯的兩極化現象。一方面，水稻、小麥和玉米等大宗糧食作物的種植強度下降，一年三熟地區降為二熟，甚至一熟；一年二熟地區降為一熟，甚至休閑拋荒；另一方面，高強度的設施種植面積不斷擴大。由于設施種植的高產值[16]，過去40年中，我國設施種植快速發展，截至2017 年，全國設施種植總面積達到370萬hm2。2016 年我國設施種植的年產值超過 9 800 億元，部分省市農民純收入的 50%以上來自于設施種植[17]。在肥料施用方面也發生了顯著的變化。根據有關報道，過去幾年我國已經提前實現了到2020年化肥使用量零增長的目標，大宗糧食作物的單位面積肥料施用量從2000年以來已經呈現下降趨勢[18]。相反，設施園藝種植的肥料施用量未見實質性地減少。大量統計數據表明，我國設施園藝種植的單位面積平均N、P2O5和K2O 施用總量（有機肥+化肥）分別為850.5、726.0 和793.5 kg·hm–2，遠遠超過作物的推薦施肥量[19]。提高養分利用率，減少施肥導致的養分環境負荷仍然任重道遠。“十四五”時期，土壤肥力與土壤養分循環分支學科在繼續深化過去研究成果，加強土壤養分轉化基礎研究的同時，還應針對我國當前種植制度和肥料管理等方面出現的新情況開展相關的基礎研究，解決生產實際中的基礎理論問題，服務于國家需求。

3.1 發揮在落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略中的作用

“藏糧于地、藏糧于技”是我國“十三五”計劃的國家戰略任務之一。提出這一戰略主要是基于現階段國內外市場糧食供給寬裕，我國已有經濟能力增加糧食進口，因而具備了在部分地區實行耕地輪作休耕的條件。為了確保谷物基本自給、口糧絕對安全，必須保障輪作休耕地土壤的肥力不受破壞，甚至有所提高，一旦國際形勢突變或發生重大自然災荒時，輪作休耕地即可投入到糧食生產中去。為落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略，2016年農業部等十部委發出了《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》的通知。事實上，在全國范圍內，尤其是我國南方地區，農田荒蕪，復種指數下降現象已十分普遍。但是，由于農村勞動力轉移，農民收入對農業生產的依賴程度下降，休耕或休閑期土壤未得到有效管理的現象十分突出，落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略面臨著巨大的挑戰。實現“藏糧于地”的關鍵是通過輪作休耕，維持，甚至提高土壤肥力。由此可見，土壤肥力和土壤養分循環學科在落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略中可以發揮主力軍的作用。

1）休耕時土壤肥力恢復過程及其作用因素。休耕是人類最早利用的農業土壤肥力恢復途徑。在過去相當長的歷史時期，由于長期的糧食供應緊張，不具備通過休耕恢復土壤肥力的空間，因此，有關的研究也幾乎是空白。當前，輪作休耕已經成為客觀現實，而且有可能長期持續。土壤肥力與土壤養分循環分支學科應該加強研究不同休耕方式下土壤結構、通透性、有機質和養分元素含量及其有效性等土壤肥力因子的動態變化過程，驅動土壤肥力因子變化的主要因素，作用機制等。

2）加速休耕土壤肥力恢復的原理、途徑和方法。在自然條件下，休耕恢復土壤肥力是一個緩慢的過程，與“藏糧于地、藏糧于技”戰略要求不相適應。因此，必須加強加速休耕土壤肥力恢復的原理、途徑和方法的研究。其次，由于農村勞動力轉移，農民對維持土壤肥力的熱情下降，快速恢復土壤肥力的途徑、方法和技術還必須省工、高效和易于實施。

3）輪作恢復土壤肥力的機制和輪作作物選擇的基本原則。在農作物生長間隔期，種植覆蓋作物，可以減少養分向環境的擴散；覆蓋作物翻耕入土，可以提高土壤有機質含量和養分供應能力。因此，在二季作物生長的間隔期，種植覆蓋作物已經成為國際研究的熱點之一[20]。我國地域廣闊，氣候和土壤類型和種植制度多種多樣，應該加強研究適應不同氣候和土壤的輪作或覆蓋作物在恢復土壤肥力中的作用及其作用機制，在此基礎上提出適合于不同氣候、土壤類型和種植制的輪作作物搭配的基本原則。

3.2 高度集約化種植的土壤肥力維持和提高

我國設施種植的快速發展為保障我國蔬菜、瓜果供應和提高農民經濟收入發揮了重要作用。由于設施種植的本身特點，缺乏科學指導和偏面追求短期經濟效益等因素的驅動，設施種植土壤退化已成為制約設施種植可持續發展的瓶頸問題[19，21-22]。設施種植的土壤退化主要表現為酸化、次生鹽漬化、養分過量積累、養分失衡和土傳病害頻發。土壤生物和理化性質的快速嚴重退化也常常發生在經濟效益較高的果園土壤中。

土壤生物是土壤養分轉化的主要執行者，由土壤生物合成的酶活性是土壤肥力的重要指標之一，也是高頻出現在土壤肥力中的主題詞（表1）。由于作物單一，種植強度高，設施種植必然導致土壤生物多樣性下降和土傳病原生物豐度增加，不僅導致土壤養分轉化速率和活性下降，而且導致土傳病害頻發[23]。顯然，受土傳病害侵襲的作物是無法有效吸收土壤養分的。健康的土壤微生物區系是維持土壤健康，發揮其生產功能和生態服務功能的重要基礎[24]。所以，維持土壤健康的微生物區系是高強度設施種植下防止土壤肥力退化，恢復退化土壤肥力的關鍵。

以設施種植為代表的高強度的集約化種植不僅對恢復和防止土壤肥力退化提出了新的課題，而且對養分管理也提出了新的要求。筆者曾探討過高度集約化種植的養分管理問題[25]，在此摘其要點如下：

1）合理養分施用量的確定原則。由于以設施種植為代表的集約化種植環境與大田生產有很大的差別，如在設施種植下具有較高的溫度和濕度，土壤水分以從下往上運移為主，設施栽培作物對養分濃度（活度）的要求高于大田作物，所以，確定設施種植的肥料施用量不能簡單地照搬用于大田生產的施肥量確定原則。

2）養分平衡指標。集約化種植對養分平衡的要求更高。從單一養分元素看，由于大量、偏面施用氮磷鉀和添加微量元素的復合肥，設施種植土壤普遍出現了各種養分元素大量積累的現象[26-27]。筆者實驗室測定了云南昆明周邊種植番茄土壤養分元素含量，結果如表2。無論是磷、鉀大量元素，還是鈣、鎂、硫中量元素，或是銅、鋅、硼、鐵、錳等微量元素均遠遠超過第二次土壤普查時制訂的土壤養分最高等級。但是，這并不能保證土壤養分的平衡供應，然而目前尚無具有針對性的養分平衡確定原則和具體指標。

3）大量積累養分的作物有效性及其環境效應。設施種植土壤中普遍積累了大量的氮、磷、鉀、硫和微量元素，但是農戶還是繼續大量施肥化肥，而學術界對因施肥而大量積累的養分元素的作物有效性也缺少充分的研究[27]。明確設施種植土壤大量積累的養分元素的作物有效性及其影響因素是因土施肥或診斷施肥的基礎。由于特殊的環境條件，設施種植土壤的養分轉化循環規律不同于大田，例如因塑料膜的存在從土壤界面揮發的氨并不直接排向大氣；因缺少向下運移的水分，硝態氮難以向下運移而積聚在表層形成鹽斑等，所以，設施種植的土壤養分擴散途徑和機制也不同于大田。應加強集約化種植土壤養分循環規律和養分擴散途徑研究，為客觀評估集約化種植的環境效應提供科學依據。

4）過量積累養分的消除。集約化種植下土壤養分過量積累現象十分普遍，國際上采用種植前淋洗清除過量積累養分的方法[28]。但我國集約化種植地區往往同時也是地面水和地下水養分富集區，淋洗去除過量積累的養分不符合我國的生態環境保護。土壤肥力和土壤養分循環分支學科既需要為設施種植提供養分施用量的確定方法和手段，減少養分在土壤中的積累，也需要提供清除過量土壤養分的有效方法和手段。

表2 云南昆明雞街鎮番茄地土壤有效養分含量

1）第二次土壤普查制訂的土壤養分等級，參見文獻[2]。Grades of soil nutrient supply designed for the Second National Soil Survey，see reference [2].

3.3 實現“雙減”目標的土壤肥力和養分循環問題

目前提高養分利用率以實現減少肥料施用量的目標多從養分管理角度出發，在土壤方面主要通過測土施肥確定合理施用量，較少考慮土壤養分供應種類、強度、時間動態是否與作物需求的養分種類、需求量及其時間相契合和土壤積累的養分保持是否與環境條件相契合等的問題，土壤肥力和土壤養分循環分支學科在提高養分利用方面的作用遠未充分發揮。“十四五”期間應加強土壤-作物-環境相互作用的研究。

1）土壤-作物相互作用與養分高效利用。目前關于合理施肥的研究基本上都是針對確定的土壤-作物系統而進行的，忽視了根據土壤和作物特性選擇適宜作物對養分高效利用的重要性，關于“土宜”的研究只關注一些特色作物，對于一般性作物考慮較少，考慮土壤屬性及土壤養分轉化特性適應性的更少[29-30]。研究表明將喜銨作物種植于銨態氮為主的土壤中，將喜硝作物種植于硝態氮為主的土壤中是實現氮肥高效利用的基礎；反之，則難以提高氮肥利用率[31]。輪作休耕措施的實施和大量特色經濟作物的引種為根據土壤和作物特性選擇適宜的作物創造了空間，土壤-作物相互作用與養分高效利用關系的研究成果已經具備了應用的廣闊空間。

2）作物-土壤微生物相互作用。土壤微生物在土壤養分循環與作物有效性方面發揮著重要的作用，但是，對此的認識非常有限，而且多局限于土壤微生物對單一元素循環及其有效性的影響，對養分平衡供應中的作用認識幾乎還是空白。另外，作物根系通過改造根際環境和分泌物質，改變根際土壤微生物豐度和組成。根際微生物是當前的研究熱點[32]，然而，作物-土壤微生物相互作用對作物健康和養分供應的認識仍然很不充分，可應用的調控手段更加有限。

3）土壤-作物-環境相互作用與養分有效性。作物并不是土壤中有效養分的唯一利用者，土壤生物對有效養分的同化作用，土壤養分向水體和大氣的擴散，以及土壤養分的物理和化學固定等均與作物吸收形成競爭關系，所以，土壤對作物養分的供應能力不僅決定于土壤中養分的量、釋放速率等，還取決于作物對有效養分的吸收競爭能力。認識土壤-作物-環境的相互作用是調控土壤對作物養分供應能力的重要基礎。

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Discussion on the Strategies for Development of the Subdiscipline of Soil Fertility and Soil Nutrient Cycling for the 14th Five-Year Plan

CAI Zucong1, 2

(1. School of Geography Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China)

Soil fertility and soil nutrient cycling is more like an applied discipline in the soil science, with a long history and a huge volume of literature accumulation. It plays an important role in assessing and exploiting the soil resources, enhancing crop production and nutrient use efficiency, and reducing environmental loads of non-point source of pollutants from croplands. During the 14th five-year-plan period, it is essential to strengthen researches on processes, rates, products, and influencing factors of the nutrient transformation in the soil, the basis of soil fertility and soil nutrient cycling. In view of the fact that the agriculture is developing towards a two-pole structure, that is, the cropping of staple crops, such as rice, wheat, and maize, declining in intensity, and the facilitated farming, such as plastic film-sheds and greenhouses, rapidly expanding in area in China, and in response to the calls of the nation for reduction of the environmental loads of non-point source pollutants and maintenance of safety of the eco-environment, it is crucial to intensify researches on the following topics in the sub-discipline of soil fertility and soil nutrient cycling, during the 14th five-year-plan period. i.e. 1）impacts of turning intensive cropping into fallow and crop rotation on soil fertility, and principles, pathways and methods of the practice maintaining and improving soil fertility; 2）principles, pathways and methods of scientific management of rapidly restoration of soil fertility, maintenance of soil health, and effectively utilization of soil nutrients under a highly intensive cropping system; and 3）basic scientific issues, like how to harmonize the relationships between soil, crops and environment, how to bring soil fertility into full play and how to efficiently utilize soil nutrients.

Soil fertility; Plant nutrients; Discipline development; Scientific management; High use efficiency

S158

A

10.11766/trxb201912050657

蔡祖聰. 淺談“十四五”土壤肥力與土壤養分循環分支學科發展戰略[J]. 土壤學報，2020，57（5）：1128–1136.

CAI Zucong. Discussion on the Strategies for Development of the Subdiscipline of Soil Fertility and Soil Nutrient Cycling for the 14th Five-Year Plan[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1128–1136.

* 國家自然科學基金項目（41977032）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41977032）

蔡祖聰（1958—），男，浙江余姚人，教授，主要從事土壤氮素循環和退化土壤修復研究。E-mail：zccai@njnu.edu.cn

2019–12–05；

2020–04–14；

網絡首發日期（www.cnki.net）：2020–05–29

（責任編輯：盧 萍）