我國近30年來的化肥投入的增加支撐了我國糧食產量的持續(xù)增長。2015年我國化肥生產量達7627萬t，施用量約6000萬t，單位面積化肥用量是世界平均水平的3倍。2015年我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物化肥利用率為35.2%，比2013年提高2.2個百分點，但比歐美小麥、玉米主產區(qū)低10~30個百分點，因此化肥減施增效仍有較大空間。
在采用精確施肥、替代施肥和施用高效肥料提高當季化肥利用率的同時，培育和提升耕地地力成為長期穩(wěn)定提高化肥養(yǎng)分利用效率、實現(xiàn)藏肥于土與耕地大面積均衡減肥的根本途徑。耕地地力是指在特定立地條件(氣候、地形、水文)、土壤剖面理化性狀、農田基礎設施建設及水肥投入水平下農田土壤的生產能力。
土壤是化肥養(yǎng)分轉化、遷移和作物吸收的場所，地力因素(障礙和肥力因素)一方面影響土壤蓄納和穩(wěn)定供應養(yǎng)分的能力，另一方面影響微生物活性和根系生長，進而影響?zhàn)B分在土壤–作物系統(tǒng)中的高效循環(huán)利用。我國耕地基礎地力對糧食產量(小麥、玉米、單季稻)的平均貢獻率為45.7%~60.2%，比農業(yè)發(fā)達國家低了20~30個百分點，只有通過高強度集約化管理才能同時實現(xiàn)糧食增產和資源增效。
由于我國耕地土壤類型豐富，不同農區(qū)管理方式多樣、地力水平差異巨大，必須分區(qū)實施地力提升措施，這是實現(xiàn)化肥減施增效的基礎性與關鍵性環(huán)節(jié)。當前迫切需要建立耕地地力提升與化肥養(yǎng)分利用增效之間的定量關系，打破土壤障礙對耕層長效蓄納供應化肥養(yǎng)分能力的制約，培肥地力激發(fā)作物–土壤–微生物互作功能以促進化肥養(yǎng)分高效循環(huán)利用，構建不同區(qū)域化肥減施增效的耕地地力綜合管理模式，為實現(xiàn)農業(yè)增產增效與可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術支撐。
1國外研究現(xiàn)狀及趨勢
20世紀90年代，為應對資源和環(huán)境對糧食生產的約束，國際上提出發(fā)展集約化可持續(xù)農業(yè)，歐盟制定“2020計劃”提出通過提高土壤質量穩(wěn)定提升農業(yè)生產效率。21世紀以來，國外研究主要集中在消減土壤障礙和提升土壤功能兩個層面，其中美國農業(yè)部鹽土實驗室與澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織等在打破土壤障礙對化肥養(yǎng)分利用的制約方面開展了系統(tǒng)研究，美國康奈爾大學、法國國家農業(yè)研究院和瑞士有機農業(yè)研究所等在揭示化肥養(yǎng)分高效利用的土壤生物物理機制方面取得了顯著進展，而荷蘭瓦赫寧根大學和加拿大薩斯喀徹溫大學等建立了有效的地力分區(qū)管理與綜合培肥模式。
1.1建立了打破土壤次生障礙對化肥養(yǎng)分利用制約的原理與技術
耕地不合理的管理導致土壤退化。全球退化土壤中，物理性與化學性退化分別占4.2%和12.2%，尤以酸化、鹽堿化和連作障礙為重。長期大量施用銨態(tài)氮肥加速了土壤酸化、并衍生板結和耕層變薄等次生障礙，進而降低土壤養(yǎng)分庫容、抑制作物根系對養(yǎng)分的吸收。
合理配施有機肥和無機肥，以及采用誘導作物根系釋放堿性物質的措施可以減緩耕地土壤酸化、改善土壤結構。針對鹽堿環(huán)境下導致的作物吸收養(yǎng)分失衡障礙，通過聯(lián)合采用土壤調理與生物調控技術可以有效提升作物對養(yǎng)分的吸收效率，而應用土壤水–鹽–肥運移模型(HYDRUS2D/3D)可以在區(qū)域尺度上指導鹽堿土的改良。長期連作在導病型土壤上導致作物根系對養(yǎng)分的吸收效率下降，定向培育抑病型的土壤肥力性狀和微生物區(qū)系已成為提高化肥養(yǎng)分利用效率的重要策略。
1.2揭示了化肥養(yǎng)分增效的土壤物理性保護與微生物促進機制
土壤良好結構促進了有機氮礦化和腐殖酸結合態(tài)磷的積累，提高了氮磷養(yǎng)分的長效供應能力。
土壤結構體(如團聚體)中的碳循環(huán)可以通過代謝補償機制促進氮磷循環(huán)，而在生態(tài)系統(tǒng)尺度上調控碳氮磷的耦合循環(huán)促進了養(yǎng)分的平衡供應。調控活性有機碳輸入可以增強土壤結構體中有機質的積累，特別是促進微生物熱區(qū)(microbialhotspot，包括有機碎屑區(qū)、根際、生物孔隙、團聚體)結構的形成，從而發(fā)揮土壤的生物功能。
耕層土壤中，特別是微生物熱區(qū)中的微生物群落驅動了土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程，基于熒光顯微成像技術發(fā)現(xiàn)根系、微生物與養(yǎng)分在微觀尺度上存在互作機制；采用13C標記和高通量測序方法發(fā)現(xiàn)間套作與輪作影響了根際微生物組成及其對養(yǎng)分的轉化利用；作物根系的生長促進了細菌網絡的復雜性，而且根系細菌之間存在廣泛的互惠作用，促進了其生物功能。
在百年尺度上，長期施用化肥和有機肥分別提高了貧營養(yǎng)型和富營養(yǎng)型微生物區(qū)系的豐度，增加了氮磷養(yǎng)分礦化的活性。在有機農業(yè)系統(tǒng)中配施有機肥和磷細菌可提高土壤微生物多樣性，減施化肥30%以上。因此，調控土壤熱區(qū)的微生物區(qū)系和施用生物有機肥已成為有效減肥途徑。
1.3建立了提高化肥養(yǎng)分利用效率的地力分區(qū)管理與綜合培肥模式
耕地地力綜合管理是指根據(jù)區(qū)域氣候–作物–土壤條件，運用耕作、輪作、施肥管理結合增加生物多樣性等農藝措施培育耕地地力，實現(xiàn)化肥養(yǎng)分利用率和作物產量協(xié)同提高的目標。
歐美發(fā)達國家耕地資源豐富，可以兼顧糧食生產和環(huán)境保護目標，主要采取保護性耕作措施提高基礎地力，加拿大建立了小麥間歇性免耕模式恢復地力；美國通過豆科輪作增加土壤碳、氮固定，平均提高氮肥利用率達17%。
而在非洲干旱區(qū)，通過建立地力差異化管理措施來提高化肥養(yǎng)分利用率。另一方面，通過生物培肥措施改善土壤生物功能可以提高養(yǎng)分利用效率，在南非氧化土上引種固氮藍藻顯著改善土壤結構和肥力，促進了玉米生長。目前，通過調控作物根際土壤生物功能協(xié)同提高土壤地力和減少養(yǎng)分損失已成為提升土壤綜合服務功能的有效途徑
2國內研究現(xiàn)狀及趨勢
近年來，我國相繼實施了"中低產田改造”、“沃土工程”、“高標準農田建設”、“測土配方施肥”計劃，中國科學院、中國農業(yè)科學院與中國農業(yè)大學、南京農業(yè)大學、浙江大學等依托20世紀80年代建立的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡和土壤肥力與肥料效應監(jiān)測網，開展了農田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和土壤質量長期演變規(guī)律的研究，評價了我國農田化肥養(yǎng)分平衡和養(yǎng)分利用的時空變化特征，揭示了熱量驅動的化肥養(yǎng)分投入和有機養(yǎng)分再循環(huán)對產量的增益作用，發(fā)展了典型類型土壤質量管理的指標體系、培育理論與技術體系。
主要糧食產區(qū)農田土壤有機質演變與提升綜合技術、黃淮地區(qū)農田地力提升與大面積均衡增產技術及其應用、克服土壤連作生物障礙的微生物有機肥及其新工藝等成果先后獲得國家科技獎。
目前，針對我國耕地地力和施肥水平的多樣性和復雜性，亟需在不同時空尺度上系統(tǒng)開展耕地地力提升與化肥養(yǎng)分高效利用之間的關聯(lián)機制研究，重點在化肥減施高潛力區(qū)開展耕地地力和養(yǎng)分資源協(xié)同管理理論、技術和調控模式研究。
2.1深化了長期施肥條件下土壤團聚體和根際碳氮磷儲存和轉化機制的研究
近年來，我國學者利用同步輻射、13C-核磁共振(13C-NMR)等技術深入研究了秸稈還田和保護性耕作等對不同類型土壤團聚體結構和養(yǎng)分庫容的協(xié)同促進作用，發(fā)現(xiàn)不同氣候條件下土壤中秸稈分解的芳香化過程趨同；長期施用有機肥和免耕促進了不同旱地土壤>0.25mm團聚體中碳氮磷的積累，顯著增加了水稻土>1mm團聚體中有機碳氮的積累，但不同粒徑團聚體中養(yǎng)分積累速率隨土壤類型而變化；而微生物控制了有機碳在團聚體中的累積。
基于長期施肥試驗，在長期尺度上闡明了典型耕地土壤類型保持有機質平衡的有機碳投入閾值，揭示了土壤有機質提升總體上增產和促進氮素利用的趨勢]，并針對不同糧食主產區(qū)發(fā)展了農田土壤有機質的綜合提升技術體系。
應用穩(wěn)定性同位素探針、高通量測序和基因芯片等技術顯著推進了土壤–根系–微生物系統(tǒng)中養(yǎng)分轉化機制的研究，發(fā)現(xiàn)在根際尺度上水稻土有機物降解與養(yǎng)分釋放過程存在微生物的種間互營機制；在田塊尺度上長期平衡施肥顯著提高了缺磷紅壤性水稻土中氮轉化功能基因多樣性和氮素轉化酶活性，水稻與綠肥長期輪作改變了氮轉化微生物群落結構，提高了銨態(tài)氮的供應；在區(qū)域尺度上輪作系統(tǒng)顯著改變了水稻土微生物的生態(tài)網絡結構，不同水稻土中共有的網絡關鍵細菌(根瘤菌目Rhizobiales)和真菌(肉座菌目Hypocreales)具有調控氮素轉化的作用。
在旱地系統(tǒng)中，秸稈腐解過程中碳分解與氮素固定和反硝化存在耦合機制，微生物控制了有機碳在團聚體中的積累，氣候條件顯著影響了不同土壤中秸稈腐解微生物群落的演變過程。在砂姜黑土中長期施用有機肥通過改變土壤pH顯著恢復了由于施用化肥而降低的微生物多樣性；在堿性潮土中施用有機肥顯著提高了氨氧化細菌數(shù)量，增加了影響碳素和磷素轉化的關鍵微生物(如菌根真菌和Bacillusasahii)豐度；在酸性紅壤中，長期施用有機肥顯著增加了大團聚體中生物網絡結構的復雜性，大團聚體中食細菌線蟲對細菌的捕食作用降低了土壤呼吸熵，而對氨氧化細菌的捕食作用提高了土壤硝化勢。因此長期施用有機肥的管理措施對于維持和提升土壤微生物轉化養(yǎng)分的功能具有重要作用。
2.2推進了土壤次生障礙發(fā)生機制研究，探索了耕地肥沃耕層構建與化肥養(yǎng)分增效技術,建立了國家測土配方施肥數(shù)據(jù)管理平臺
針對土壤酸化，通過對全國多點數(shù)據(jù)的分析闡明了施用化肥對土壤酸化的驅動機制，通過野外定位試驗研究分析了紅壤酸化對氮磷轉化的制約作用，提出了生物炭改良方法。
針對鹽堿化，基于壟作、硫酸鋁改良和氮肥分次施用效應，提出重度鹽堿土上提高作物產量和養(yǎng)分利用率的技術體系。針對連作障礙，研發(fā)了控制土壤連作障礙的新型微生物有機肥技術。針對不同區(qū)域的耕層土壤退化，在東北平原黑土區(qū)提出“玉米免耕結合秸稈深埋的肥沃耕層構建技術”以應對耕層變薄問題，在華北平原潮土區(qū)建立“激發(fā)式玉米秸稈行間掩埋技術”消減土壤砂性障礙，在關中平原和渭北旱塬塿土和黑壚土區(qū)建立了小麥–玉米的“高茬還田”和“壟溝覆膜栽培”技術減緩干旱脅迫和提升土壤有機質，在長江中游紅壤區(qū)發(fā)展“耕層養(yǎng)分庫和生物功能協(xié)同重建技術”阻控酸化和瘠薄，在四川盆地紫色土區(qū)構建“聚土壟作免耕–坡式梯田模式”破除耕層淺薄問題，這些中低產田改造技術的應用顯著提高了養(yǎng)分利用效率和作物產量。
在國家尺度上，基于測土配方施肥數(shù)據(jù)和模型分析，建立了全國測土配方施肥數(shù)據(jù)管理平臺，研發(fā)了縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)(CLRMIS)并應用于2498個縣，支撐了全國耕地地力評價和施肥決策。
2.3亟需開展耕地地力與化肥養(yǎng)分利用之間的關聯(lián)機制與協(xié)同提升技術研究
耕地地力與化肥養(yǎng)分利用之間的關系受氣候、土壤和作物等諸多因素的綜合影響，必須結合區(qū)域尺度的長期綜合觀測，揭示耕地地力空間分布格局對化肥養(yǎng)分利用的多尺度影響規(guī)律，建立耕地管理模式與耕地質量及化肥養(yǎng)分利用效率之間的關系，闡明耕地地力培肥的區(qū)域減肥潛力和調控對策。
目前需要加強研究耕地酸化過程與養(yǎng)分循環(huán)的耦合作用機制；探索水–鹽–肥耦合促進化肥養(yǎng)分高效利用的機制；厘清連作障礙制約化肥養(yǎng)分利用的效應關系；開展田間原位研究，揭示消減土壤結構障礙過程中土壤團聚體–有機質關鍵組分–氮磷轉化–微生物網絡的協(xié)同機制，集成肥沃耕層構建與土壤生物功能提升的耕地地力綜合管理技術。
國內外研究均證明提高地力是實現(xiàn)化肥減施的長效途徑，但減施策略也因養(yǎng)分類型而異。穩(wěn)定提升地力對提高磷肥長期累積利用率效果明顯；但我國氮肥過量施用問題嚴重，減施氮肥更依賴于提高當季利用率。
地力培育是一個長期過程，特別是中低產田地力培育難以一蹴而就。因此，必須加強理論創(chuàng)新，攻克在中短期內加快提升耕地地力、實現(xiàn)化肥減施增效的技術難題。如果利用國家尺度長期試驗平臺，加強土壤學與生物學和植物營養(yǎng)學的交叉研究，揭示消除土壤障礙制約和培育地力促進養(yǎng)分利用機制，耦合土壤蓄納庫容提升和養(yǎng)分加速循環(huán)利用的增效作用，建立以有機培肥與耕作管理為基礎的綜合調控技術原理和優(yōu)化模式，將能夠為大面積均衡減施化肥、實現(xiàn)
藏肥于土目標提供重大基礎理論和技術支撐。
3面向化肥減施增效的耕地地力綜合管理研究重點和突破方向
我國中低產耕地約占耕地總面積的67.3%，嚴重制約了養(yǎng)分的高效利用；同時在高產耕地中存在養(yǎng)分過量施用和肥力退化的潛在影響。我國中低產田的土壤原生障礙和次生障礙并存，主要為酸化、鹽堿、砂性、黏重板結、土層淺薄、障礙層，疊加瘠薄、干旱、水土流失和重金屬污染等問題，限制了農田生產潛力的發(fā)揮和水肥資源的高效利用。
如東北平原的薄層黑土、白漿土和蘇打鹽堿土，華北平原的薄層褐土、砂姜黑土、潮土和濱海鹽堿土，西北地區(qū)的黑壚土、土、黃綿土和綠洲干旱次生鹽漬土，南方丘陵區(qū)的紅壤和紫色土，長江中下游的冷浸田、黃泥田和白土等。
因此，面向建立耕地大面積均衡減肥技術的國家需求，亟需針對我國農產品主產區(qū)的主要土壤類型和作物類型(小麥、玉米、水稻和蔬菜)，以消除土壤障礙制約和快速培育地力從而穩(wěn)定提升化肥養(yǎng)分利用率為突破口，以提升耕地養(yǎng)分資源利用率為目標，開展農田地力提升與養(yǎng)分利用增效機制和技術的多尺度研究。
首先，需要建立多尺度的綜合研究方法體系，包括分子尺度的宏基因組測序和生物信息學方法，團聚體尺度的13C-核磁共振、同步輻射和計算機體層攝影(CT)，田塊尺度的同位素標記和原位自動觀測技術，區(qū)域尺度的時空序列調查、養(yǎng)分循環(huán)模型技術。
其次，基于多時空尺度的研究方法，開展土壤學與生態(tài)學和植物營養(yǎng)學交叉研究，重點回答提高化肥養(yǎng)分利用效率的4個關鍵科學問題：①地力與養(yǎng)分利用率關系及其時空變化規(guī)律；②土壤障礙(酸化、鹽堿、板結粘閉、耕層變淺、連作障礙)制約養(yǎng)分高效蓄積轉化機制與消減原理；③地力培肥促進根系–土壤–微生物互作提高養(yǎng)分耦合利用機制及調控途徑；④肥沃耕層構建與生物功能提升對養(yǎng)分蓄納供應的協(xié)同驅動增效機制與調控理論。
通過剖析地力與化肥養(yǎng)分利用效率關系及其時空變化規(guī)律與主控因素，揭示障礙對養(yǎng)分高效儲存轉化的制約機理及其消減原理，闡明培肥地力促進根系–土壤–微生物互作功能從而促進養(yǎng)分耦合循環(huán)利用的增效機制，建立穩(wěn)定提升土壤功能–加速養(yǎng)分循環(huán)利用的“雙核驅動”地力綜合管理理論。
最后，基于區(qū)域氣候、土壤、作物條件，建立并應用化肥減施增效的耕地地力管理模式、途徑和對策，實現(xiàn)藏肥于土、大面積均衡減肥的目標。
通過系統(tǒng)研究，需要在理論和技術方面實現(xiàn)3個方面的突破：
1)在區(qū)域尺度和長時間尺度上，建立耕地地力與化肥養(yǎng)分利用率的定量關系，發(fā)展多尺度動態(tài)關系模型。基于國家尺度耕地地力和養(yǎng)分管理研究平臺，主要包括中國科學院的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡和中國農業(yè)科學院的土壤肥力與肥料效應監(jiān)測網，利用長期試驗從長時間尺度建立不同管理措施下地力提升與化肥養(yǎng)分利用率變化的定量關系和預測模式；基于我國農產品主產區(qū)耕地地力與化肥養(yǎng)分利用率調查，從區(qū)域尺度建立不同氣候、土壤和作物系統(tǒng)中地力和障礙因子與化肥養(yǎng)分利用率的定量關系和預測模型。在不同時空尺度上揭示耕地地力演變過程中控制化肥養(yǎng)分利用率的因素，評價不同區(qū)域通過地力提升減施化肥的潛力。
2)揭示集約化管理下地力提升促進化肥養(yǎng)分高效利用的界面過程機制，發(fā)展“雙核驅動”養(yǎng)分增效的地力綜合調控理論，創(chuàng)新化肥減施增效的理論和模式。針對集約化管理下地力提升措施對“養(yǎng)分輸入-保蓄-供應”的促進機制，從根系–土壤–微生物界面，闡明根系分泌物和有機質關鍵組分與不同界面(根表、根際、團聚體)微生物網絡的協(xié)同演變關系，揭示其互反饋機制對氮磷耦合循環(huán)的激發(fā)效應和增效機制?；谕寥勒系K消減和肥沃耕層構建，提高土壤對養(yǎng)分的蓄納供應能力；基于輪作培肥，促進根系–土壤–微生物互作效能，挖掘“擴氮固碳促磷”潛力；創(chuàng)建“穩(wěn)定提升土壤功能-加速養(yǎng)分循環(huán)利用”的“雙核驅動”地力綜合調控理論，建立化肥減施增效的地力綜合管理模式。
3)在國家尺度，建立耕地地力與化肥利用機制關聯(lián)型的協(xié)同管理大數(shù)據(jù)平臺?；诓煌瑫r空尺度耕地地力與化肥養(yǎng)分利用率定量關系和影響因素研究，結合互聯(lián)網地理信息系統(tǒng)(WebGIS)和分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DDBMS)融合多元數(shù)據(jù)，包括耕地質量監(jiān)測、測土配方施肥、長期試驗及相關社會經濟等數(shù)據(jù)，集成傳統(tǒng)的土壤分類型、農業(yè)施肥決策型和社會經濟管理型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，建立互聯(lián)網分布式數(shù)據(jù)平臺和基于多業(yè)務傳送平臺(MSTP專線)的內網系統(tǒng)，構建國家尺度耕地地力和化肥養(yǎng)分高效利用的協(xié)同管理大數(shù)據(jù)平臺。在此基礎上，采用云計算軟件(VMWare系列軟件)開展典型區(qū)域的大數(shù)據(jù)分析，在評價耕地地力水平基礎上，分類提出化肥資源高效配置利用和減施區(qū)劃方案，并為政府部門、企業(yè)、推廣人員和農戶提供咨詢服務。
致謝：感謝李忠佩、田霄鴻、張月平、梁玉婷、胡君利在成文過程中的幫助。
(作者：孫波1,8，陸雅海2，張旭東3，盧升高4，韋革宏5，楊勁松1,8，朱安寧1,8，劉滿強6，段英華7(1土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)；2北京大學城市與環(huán)境學；3中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所；4浙江大學環(huán)境與資源學院；5西北農林科技大學生命科學學院；6南京農業(yè)大學環(huán)境與資源學院；7中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所；8農業(yè)部耕地保育重點實驗室)；內容來源：《土壤》（soils.issas.ac.cn，2017年第2期）)
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網轉自：土壤觀察（微信公眾號）
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