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当期目录

    2015年 第48卷 第23期 刊出日期:2015-12-01
      
    土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境
    土壤管理与可持续利用——献给2015国际土壤年及《中国农业科学》创刊55周年
    武雪萍,徐明岗,潘根兴
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4603-4606.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.001
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    土壤是地球自然体,是地球上所有生态系统的自然支撑和生物屏障,调节着地球表层系统过程,并为全人类提供生态系统服务。人类首先利用土壤于农业生产,“民以食为天,食以土为本”,自古以来认定土壤是农业生产的基石,是粮食安全的保障。土壤管理是保障农业可持续发展的重要基础措施[1],而可持续土壤管理是通过良好土地利用方式和培育管理措施定向提升土壤质量,进而保障和提高土壤的生产能力——作物产量和质量,并改善生态系统服务,促进环境和生态安全。
    我国耕地质量整体偏低[2-5],根据农业部2014年发布的《全国耕地质量等级情况公报》 和2013年发布的第二次全国土地调查数据,耕地基础地力对粮食产量的贡献率为50%左右,低于欧美等国20—30个百分点。中低产田占2/3,坡耕地约占40%,土壤养分失衡比较普遍。从复种指数看,我国耕地利用强度是美国的2.2倍、印度的3.3倍。长期过度开发和不合理的土壤管理方式导致严重的土壤退化,如西北地区水土流失及次生盐渍化,东北地区黑土层变薄、土壤有机质下降,南方红壤酸化,设施菜地土壤盐渍化和连作障碍等退化问题日益突出;部分耕地已经受到重金属中、重度污染不宜种粮食作物[2],严重影响到农田可持续利用,威胁国家粮食安全、食品安全、水安全和生态环境安全[6]。因此,农业土壤的可持续管理不但是我国重大的现实需求,也是我国社会可持续发展的长远任务。
    2004年以来的历次中央一号文件中,有9次将耕地质量提到国家治理的首要任务高度。特别是2015年中央一号文件头条提出了“加强耕地质量保护与提升”。国务院总理在相关会议报告中强调“通过实施深松耕地、秸秆还田、施用有机肥等措施,恢复并提升地力”;2015年7月11日在“土壤与生态环境安全”高层论坛上,农业部领导明确提出,将“稳产量、强产能、可持续”和实现“三个安全”,即粮食及主要农产品有效供给安全、农产品质量安全、农产品产地资源环境安全作为我国农业的核心目标任务,强调提高综合生产能力和可持续发展能力,做到“藏粮于土”[2]。中国科学院南京土壤研究所赵其国院士建议[3],应以“人地和谐,地力常新,安全健康,永续利用”为土壤保护的出发点,构建具有我国特色的“土-水-气-生-人”一体化的土壤圈研究体系,全面实施土壤保护战略。因此,采取合理的土壤管理措施,培育农田地力,实现农田可持续利用意义重大。
    长期以来,我国政府始终把提升耕地质量作为保证国家粮食安全的战略任务,高度重视农田地力培育和土壤质量提升。近年来国家持续加大投入,实施新增千亿斤粮食生产能力规划和科技创新工程,加强高标准农田建设,为粮食十一年连增发挥了重要作用。土壤研究领域针对区域土壤有机质下降快,有机肥与无机肥施用比例失调,耕层土壤物理性状变劣,养分非均衡化等问题,开展了大量的土壤肥力培育技术研究,为提升土壤质量和粮食高产稳产发挥了重要的科技支撑作用。当前,“十八届五中全会”将生态文明思想进一步提高到绿色发展的高度,我国土壤的可持续管理不但事关农业生产的可持续发展,而且事关“绿水青山就是金山银山”的生态和环境可持续发展。我国的土壤管理在已取得成效的基础上,在提升耕地质量、在治理污染保障环境安全上以及在防治退化、促进生态安全等方面任重道远。
    土壤管理与农田地力培育:主要致力于土壤地力培肥、土壤改良、平衡施肥、精准施肥等基础研究与应用技术研发,围绕施肥措施(有机肥、秸秆还田、平衡施肥)、耕作栽培措施(少免耕覆盖、轮作、间作套种等)、生物改良措施(种植耐旱植物、牧草、绿肥等)以及化学改良措施(保水剂、水肥调理剂等),开展了有机质和养分快速提升技术[7-9]、旱地耕层快速熟化技术、保护性耕作及覆盖保水技术[10-11]等研究。在土壤地力演变、土壤培育培肥、中低产田改良、土壤肥料信息系统与养分精确管理、保护性耕作与水肥资源高效利用等方面积累了大量的基础理论和科研成果,形成了一大批成熟技术。
    土壤管理与退化防治:针对我国生态脆弱区存在的土壤旱薄化、沙化、盐渍化与酸化、结构与生物功能退化等问题,开展了土壤水肥调节[12-13]、土壤结构改善[14]、土壤酸化防治、土体构建与培肥、盐碱改良[15]等研究,研发了表土控蚀的覆盖固土制剂与技术;土壤旱薄化阻控制剂与水肥等功能调控技术;土壤酸化阻控制剂与生物-化学调节技术;新土体构建组配技术等,形成了一批规范化土壤退化阻控关键技术体系,达到构建新土体、增加土壤生物活性、保水保肥,调节土壤水、肥、气、热状况的目的,综合提升了我国生态脆弱地区土体稳定性,增强了土壤生态服务功能与土地生产能力。
    土壤管理与环境质量保护:以区域土壤污染物减量化、资源化、无害化为原则,从资源高效利用与土壤环境质量保护的角度出发,重点针对土壤残留农药、有机农膜、重金属与化肥污染等问题,开展了农田土壤污染元素迁移、转化与修复等研究[16-18]土壤修复剂与调理剂等环保生物和化学新材料技术等研究[19-20]通过采用生物、水、肥、耕作等管理调控技术进行污染阻断,强化了土壤环境系统自身抗污净化功能,提高了系统自然修复机制,促进了农业生态系统水-土-生物-大气圈层营养物良性循环。
    随着全球人口不断增长,水土资源日益短缺和全球环境变化日益严峻,服务于农业和生态环境可持续发展的土壤科学也面临新挑战[21-23]。我国粮食安全基础不牢,靠天吃饭的局面没有根本改变,土壤退化问题直接威胁粮食安全。土壤有机质是土壤结构的关键物质,是土壤的最关键属性,是土壤质量的核心[24]。我国土壤肥料长期定位试验结果表明,有机肥和无机肥配合施用,土壤有机质增加明显,15年后增加1倍以上[25]。因此,采取合理的措施,实现可持续土壤固碳和农田有机质提升。改良和培肥土壤、稳定土体结构、加厚土壤耕作层、保持土壤地力、提高土壤质量是土壤持续利用和农业可持续发展的战略性重要工作[26-27],今后应重点加强耕地质量提升、土壤退化防治和现代土壤管理技术等研究,全面提升我国农业生产综合能力,确保国家粮食安全。
    2015年是第68届联合国大会确定的“国际土壤年(International Year of Soils)”,目的是呼吁全球社会关注世界土壤退化和保障土壤安全。国际土壤年的口号是“健康土壤带来健康生活”,期望全社会充分认识到土壤对粮食安全与营养、气候变化适应和减缓、生态系统服务、减贫和可持续发展等方面所发挥的突出作用,并推动可持续土壤资源管理和保护方面的有效政策和行动。2015年也是《中国农业科学》创刊55周年。土、肥、水是农业的重要资源,其研究一直是农业科学的重要基础性内容。《中国农业科学》一直将土壤及其养分和水的相关研究列为一个重要的栏目,每年发表的文章占到期刊1/6左右版面,为中国农业发展起到了显著的科学支撑和信息传播作用。
    为了让全社会了解和深刻认识土壤管理在我国农业生产及粮食安全与社会可持续发展中的重大作用,由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所和南京农业大学等单位牵头策划,组织全国科研院所和大专院校,出版了“土壤管理与可持续利用”专刊,以此献给联合国2015国际土壤年和《中国农业科学》创刊55周年。
    本专刊介绍了土壤可持续管理的科学认知和国际动态,提出了土壤管理与社会可持续发展关系的重要认识;通过长期施肥与土壤质量及生产力变化、土壤地力演变与土壤生物、化学和物理质量变化与土壤环境质量变化等相关主题的一系列论文,分别讨论了土壤管理及其与农业和环境可持续性的关系,并分析了合理施肥和养分等管理技术改善土壤质量和环境安全的效应等,提出了分析评价土壤可持续管理的科学方法。这些论文代表了我国土壤学界特别是农业资源与环境科学领域对于土壤质量及其演变的研究,期望这些论文能为我国土壤管理及可持续利用起到积极的指导和推动作用。同时,也希望能引起我国科学界、社会和管理部门对土壤资源及质量的关注,支持和推进我国土壤可持续利用与管理研究和技术发展,共同构筑我国社会发展的绿色文明基石。
    可持续土壤管理:土壤学服务社会发展的挑战
    潘根兴,程琨,陆海飞,李恋卿,刘晓雨,卞荣军,张旭辉,郑聚峰,郑金伟
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4607-4620.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.002
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    国际土壤年唤醒了全社会对土壤变化的关注。地球环境与生命发育历史赋予了土壤自然资源资产价值,提供了生命和生态系统发育的多种服务,从而惠及全人类,支撑了社会的可持续性发展。全球土壤的这种支撑能力建立在“体-质-量”统一的土壤属性基础上。然而,在人类快速发展的驱动下,全球土壤已经或正在发生十分普遍和严重的土壤退化,土壤连续体遭到破坏,土壤功能严重削弱,且地表土壤覆盖被大面积固封。因此,必须充分认识土壤变化对于人类长远发展的潜在风险,着力构建可持续土壤管理体系,致力于保持土壤自然资产价值、平衡和最大化土壤的生态系统服务、优化兼顾农业安全(粮食安全-环境安全-生态安全)的土壤利用与保护。保持土壤自然资产、保持土壤的生态系统服务和保持土壤对全人类的惠利应该纳入生态文明的土壤观。而管控土壤变化势必成为可持续土壤管理的核心任务。这需要在政策上,推行生态补偿机制来处理利用者与受益者的利益关系;在行动上,实施区域土壤可持续管理工程,应对土壤变化;而在技术上,创新兼效多赢的管理实践措施,特别是有利于自然养育或恢复的土壤保护和培育技术。推进土壤可持续管理研究,探索可持续土壤管理途径,对于中国社会经济的可持续发展具有至关重要的意义。
    土壤生态系统服务功能表征与计量
    程琨,岳骞,徐向瑞,闫明,潘根兴
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4621-4629.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.003
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    2015年是世界土壤年,健康的土壤是地球可持续发展的基石。然而,由于人类直接或间接的干扰,如土地利用变化、土壤管理和土地退化,使得土壤在全球变化压力下变得愈加脆弱。土壤在生态系统服务供应中发挥着至关重要的作用,土壤所提供的各种生态系统服务之间的相互协同或抵消作用是土壤生态系统服务功能研究的主要内容。土壤的碳、氮、水三大生物地球化学循环以及土壤的生物多样性与供给、调节、支持和文化四个生态系统服务紧密相关。为探索土壤可持续管理途径,提升土壤的生态系统服务能力,从碳、氮、水循环与生物多样性出发进行土壤生态系统服务功能表征与计量方法学研究亟待进行。开发用于评价土地利用和土壤管理可持续性的生态系统服务指标体系,采用多尺度、多目标、多因素集成分析探讨各生态系统服务之间的协同或抵消效应是研究的难点,而模型模拟可以在土壤生态系统服务功能计量研究中扮演重要的角色。
    旱作地膜覆盖农田土壤有机碳平衡及氮循环特征
    李小刚,李凤民
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4630-4638.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.004
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    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    近10余年来随着应用面积的迅速增加,地膜覆盖对中国北方旱作农田生产力可持续性的影响受到越来越多的关注。文章对地膜覆盖栽培技术增产效果作了简要评述,重点综述了近年来关于地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环过程影响的研究进展。地膜覆盖沟垄栽培技术有效减轻了旱作农业区水热条件不足对粮食生产造成的限制,从而对提高耕地生产力发挥了重要作用。对大量文献分析发现,地膜覆盖沟垄栽培技术的增产效果具有明显的地域性,在中国北方半干旱区范围内,水热限制越强烈的地区增产效应越明显。地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环影响的研究还比较薄弱。目前的研究结果表明,地膜覆盖促进土壤有机碳矿化但同时增加作物根系有机碳输入,初步显示地膜覆盖对土壤有机碳含量的影响可能是中性的。地膜覆盖促进土壤有机氮矿化,提高氮素的有效性,增加作物对氮素的吸收,影响化肥氮的作物利用效率、淋溶和挥发损失,但并不明确是否增加反硝化作用。基于目前研究现状,文章提出了旱作地膜覆盖农田需要加强研究的主要领域:(1)土壤有机质稳定性及其增强机制研究;(2)农田养分管理的系统性研究;(3)在水热条件相对较好的旱作农业区,建议结合秸秆覆盖开展更多研究。
    耕作管理对潮土团聚体形成及有机碳累积的长期效应
    张先凤,朱安宁,张佳宝,杨文亮,闫惊涛
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4639-4648.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.005
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    【目的】研究黄淮海平原潮土区耕作管理对土壤水稳性团聚体形成及有机碳累积的长期效应,为提升潮土地力、推动农业可持续发展提供理论基础与技术支持。【方法】采集河南省封丘县中国科学院封丘农业生态实验站连续8年保护性耕作的不同处理原状土壤样品,分析测定土壤团聚体的数量、稳定性以及土壤和各粒径团聚体中的有机碳含量。【结果】与常规翻耕处理相比,长期免耕和间歇性翻耕使0—10 cm土层粗大团聚体和10—20 cm土层细大团聚体的质量比例分别提高了63.4%和28.1%。秸秆还田主要提高了0—20 cm土层大团聚体的质量比例,平均提高率为3.0%。降低翻耕频率或秸秆还田处理,使不同土层团聚体的稳定性有所提升,前者使0—10 cm平均重量直径(mean weight diameter,MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)值分别增加了11.9%—31.6%和4.1%—13.7%;后者使0—20 cm MWD和GMD值分别增加了3.5%和4.5%,翻耕频率对团聚体稳定性的影响程度显著高于秸秆还田处理。在0—10 cm土层,各粒径团聚体的有机碳含量随翻耕频率的降低而提高,而秸秆还田对团聚体有机碳的影响可以深入0—20 cm土层。耕作方式耦合秸秆还田处理对团聚体特征的影响显著大于降低翻耕频率或秸秆还田处理。潮土有机碳积累的主要贡献来源于粗大团聚体和细大团聚体,通过降低翻耕频率,可以提高0—10 cm土层粗大团聚体和10—20 cm土层细大团聚体对潮土有机碳积累的相对贡献,提高率分别达49.2%和29.1%。【结论】长期免耕和间歇性翻耕结合秸秆还田能显著提高潮土大团聚体的数量及其稳定性,通过提高大团聚体对土壤有机碳积累的相对贡献,可以增加潮土碳累积量。
    长期有机无机配施黑土土壤有机碳对农田基础地力提升的影响
    查燕,武雪萍,张会民,蔡典雄,朱平,高洪军
    中国农业科学. 2015, 48(23):  4649-4659.  doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.23.006
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    参考文献 |