引用本文
郑铭洁, 姜铭北, 章明奎, 严建立, 王道泽. 浙江省新垦耕地土壤熟化指标研究[J]. 浙江农业学报, 2020,32(10): 1834-1840.
ZHENG Mingjie, JIANG Mingbei, ZHANG Mingkui, YAN Jianli, WANG Daoze. Study on soil maturity index of newly cultivated land in Zhejiang Province[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2020,32(10): 1834-1840.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2020.10.12
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浙江省新垦耕地土壤熟化指标研究
郑铭洁1, 姜铭北2, 章明奎3,*, 严建立4, 王道泽5
1.建德市农业技术推广中心 土壤肥料站,浙江 建德 311600
2.淳安县农业技术推广中心 植保土肥站,浙江 淳安 311700
3.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058
4.杭州市农业科学研究院,浙江 杭州 310024
5.杭州市植保土肥服务总站,浙江 杭州 310020
*通信作者,章明奎,E-mail:mkzhang@zju.edu.cn

作者简介:郑铭洁(1987—),男,浙江建德人,学士,农艺师,主要从事农技推广方面的研究。E-mail:305484927@qq.com

收稿日期: 2020-04-24
基金资助: 浙江省重点研发计划(2019C02035)
摘要

土壤熟化是新垦耕地培肥的重要过程,是土壤肥力和生产力逐渐提高的表现,但如何设定指标来判断土壤是否熟化至今还存在较大的分歧。为此,在对耕地土壤熟化的本质、土壤熟化与土壤质量的关系、熟土与生土的区别、熟化指标的选择进行分析的基础上,以浙江省为例,探讨了水田与旱地土壤的熟化指标与熟化标准。提出设立初步熟化和高度熟化二级熟化标准,分别对应土壤熟化的“下限”与“上限”的观点。认为熟化指标应针对土地利用中存在的问题而设计,可考虑用耕作层厚度、土壤有机质、pH、容重和盐分作为鉴别指标。土壤熟化的“上限”值可参照当前耕地质量评价中的高等级耕地评价标准作为鉴定依据;土壤熟化的“下限”值的制定应平衡农作物生长需求与区域培肥现实2个方面的关系。最后,基于浙江省典型耕地熟化前后土壤肥力性状的变化,结合国内土壤定量分类中的某些标准,分别提出了浙江省旱地和水田土壤熟化的鉴定指标和标准。

关键词: 新垦耕地; 熟化标准; 有机质; 酸碱度; 容重; 耕作层厚度
中图分类号:S141;S156 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2020)10-1834-07
Study on soil maturity index of newly cultivated land in Zhejiang Province
ZHENG Mingjie1, JIANG Mingbei2, ZHANG Mingkui3,*, YAN Jianli4, WANG Daoze5
1. Jiande Soil-Fertilizer Station, Jiande Agricultural Technology Extension Center, Jiande 311600, China
2. Chun'an Plant Protection and Soil-Fertilizer Station, Chun'an Agricultural Technology Extension Center, Chun'an 311700, China
3. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
4. Hangzhou Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310024, China
5. Hangzhou Plant Protection and Soil-Fertilizer Station, Hangzhou 310020, China
Abstract

Soil ripening is an important process of newly cultivated land fertilization, which is the performance of the gradual improvement of soil fertility and productivity. However, there is no consensus in the judgement of soil ripening. Based on the analysis of the nature of soil ripening of cultivated land, the relationship between soil ripening and soil quality, the difference between mature soil and raw soil, and the selection of ripening indexes, the present study discussed the ripening indexes and standards of paddy field and upland soil with Zhejiang as an example. The viewpoint of establishing two sets of standards was put forward, namely, the primary ripening standard and high ripening standard, which corresponded to the “lower limit” and “upper limit” of soil ripening, respectively. It was considered that the ripening indexes should be designed according to the problems in land use, and the cultivated layer thickness, soil organic matter, pH, bulk density and salt content could be considered as the ripening indexes. The “upper limit” value of soil ripening could be identified by referring to the evaluation standard of high-grade cultivated land in current cultivated land quality evaluation method. Meanwhile, the “lower limit” value of soil ripening should balance the relationship between crop growth demand and regional fertilization reality. Based on the analysis of the changes in the soil fertility before and after the ripenig of typical cultivated land, and combined with some standards of soil quantitative classification in China, the identification indexes and standards of upland and paddy field soil ripening in Zhejiang Province were proposed.

Keyword: newly cultivated land; ripening standard; organic matter; pH value; bulk density; cultivated layer thickness

“ 土壤熟化” 是一个土壤学文献中较早出现的专业用词, 也是我国耕地培肥工作中用得较为频繁的用语, 实际上也是农业土壤管理的重要内容[1, 2, 3]。一般认为, 土壤熟化是指在耕作条件下, 通过耕作、培肥与改良, 促进水肥气热诸因素不断协调, 使土壤向有利于作物高产方面转化的过程。通常, 把种植旱作条件下定向培肥的土壤过程称为旱耕熟化[4]; 而把淹水耕作, 在氧化还原交替条件下培肥的土壤过程称为水耕熟化[4]。自人类社会进入农耕时期以来, 农业土壤就存在熟化的现象, 但从科学角度探讨“ 土壤熟化” 问题主要始于20世纪初期。我国的耕地土壤熟化研究始于20世纪50年代[5, 6], 20世纪60年代以后, 研究人员结合各地的土地开发[7, 8], 进行了大量土壤熟化的田间试验[9, 10], 并取得了明显的效果[11, 12, 13], 积累了丰富的耕地土壤熟化的技术经验[14, 15]。这些试验研究从肥力提升角度对土壤熟化进行了广泛的探讨[16, 17, 18], 并用一般耕地质量评价的方法来进行土壤熟化度评价[19, 20]。尽管“ 土壤熟化” 的概念已得到较为广泛的认同, 但至今还没有形成一套公认、明确的指标来界定生地与熟地, 这在一定程度上影响了新垦耕地质量的有效管理。本文在对耕地土壤熟化的本质、土壤熟化与土壤质量的关系、熟土与生土的区别、土壤熟化指标的选择进行分析的基础上, 以浙江省为例, 探讨了水田与旱地土壤的熟化指标与熟化标准。

1 耕地土壤熟化的本质

要理解耕地土壤熟化的本质, 首先要弄清楚耕地为什么要熟化?众所周知, 耕地土壤都是由自然土壤演变而来的, 自然土壤的性状与自然成土环境有关, 成土环境的差异导致了土壤性状的差异。耕地生产的对象是农作物, 耕地经营的目的是获得农作物的高产与稳产。受复杂的自然环境影响, 刚开垦的耕地或多或少地存在一些土壤限制因素, 不能完全满足农作物的生长需求。为了改变这种状况, 人们常会在耕作过程中采取必要的技术措施来慢慢消除土壤的不良性状, 以满足农作物生长的需要[21]。当不良性状逐渐消除后, 土壤就能基本上满足农作物生长的要求。这个过程就是熟化过程。因此, 土壤熟化的本质可理解为, 通过各种技术措施, 使生土转变为熟土。其中, 消除不利于作物生长的限制因素是土壤熟化的根本。由于农作物在生长过程中需要同时满足水、肥、气、热的要求, 因此熟化土壤应基本具备供水、供肥、供气、供热的能力。

2 土壤熟化与土壤质量的关系

土壤熟化与土壤质量既有联系又有区别。一般来说, 随着土壤质量的提高, 土壤熟化程度也随之提升, 两者的变化呈正相关; 因此, 熟化度高的土壤其质量也较高。学界就此已形成了共识, 许多学者之所以应用土壤质量评价的方法来评估土壤熟化, 皆与此有关[19, 20]。但土壤质量的内涵远高于土壤熟化。国际上, 土壤质量一般是指土壤在生态系统中保持生物的生产力、维持环境质量、促进动植物健康的能力[22, 23, 24]。其内涵综合表征了土壤维持生产力的能力、环境净化的能力, 以及保障动植物健康能力的量度, 包括土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量[25, 26], 并受土地利用、土壤管理、生态环境系统、社会经济、政治状况等因素的影响。而土壤熟化针对的是某类土地利用方向存在的土壤问题, 目的是消除不良的土壤限制因素, 以适应农作物的生长, 比较强调农作物生长的适合性, 因此主要涉及土壤质量中的肥力质量。评价土壤质量常常需要综合考虑土壤的各种性态, 即需要全方位评价; 而对于特定地区的土壤熟化, 重点考虑的应是影响某一农业利用的限制因素, 即重点考虑的是“ 土宜” 。

3 熟土与生土的区别

本文把熟化前后的土壤分别称为生土和熟土, 由生土转变为熟土的过程就是以上所说的熟化过程。众所周知, 土壤性状的变化是渐进的, 因此, 随着利用过程中土壤质量的变化, 生土逐渐演变为熟土, 更加适合农作物的生长。理论上, 生土与熟土之间存在着分界线, 但实际上这个分界是模糊的。这是因为, 不同的人对生土和熟土的认识存在一定的分歧。但在实际土壤经营中, 制定生土与熟土的界限是非常重要的。为寻找生土与熟土之间的转折点, 必须了解由生土转变为高质量耕地的演变过程。从耕地质量的长期变化来看, 耕地土壤的质量演变过程大致可分为3个阶段:(1)土壤改造阶段。这一阶段主要改造土壤前身固有的不利性状, 以满足农业生产的要求。(2)培肥提升阶段。通过积累养分、改变土性、改良土质和改善结构等作用, 改善土壤的营养条件和环境因素。(3)高肥稳产阶段。进一步提高土壤肥力, 使土壤具有完善的质量特点。结合以上土壤熟化的定义, 可以认为生土与熟土的界限大致处于土壤质量演变的第2阶段的初期。

4 土壤熟化指标的选择

文献上, 衡量土壤质量变化的指标很多, 大致可分为3大类[27, 28]。(1)土壤物理指标, 包括通气性、团聚体稳定性、容重、颜色、障碍层深度、导水率、粒径分布、孔径分布、土壤耕性、结构体类型、持水性; (2)土壤化学指标, 包括有机碳、盐基饱和度、阳离子交换量、污染物浓度、碱化度、pH、各类养分[29, 30]; (3)土壤生物指标, 包括微生物(细菌、真菌)生物量、酶活性、微生物群落指纹、脂肪酸分析等。

根据土壤质量评价中指标选择的区域性、稳定性, 以及简单、易获取的原则, 对可考虑作为土壤熟化的指标选择作以下分析。(1)土壤有机质和盐基饱和度(或pH)是耕地熟化评估需要考虑的重要指标。这是因为:一方面, 有机质和盐基饱和度(或pH)对土壤质量影响很大、影响面很广; 另一方面, 有机质和盐基饱和度(或pH)是许多地区新垦耕地较为突出的质量障碍因子, 且采取一般的农业措施不易在短时间内提升其性能。其中, pH比盐基饱和度监测方便, 因此更为实用。(2)土壤生物指标虽然能反映土壤的活性, 对土壤养分的循环也有很大的影响, 但受测定条件的影响, 不易获取, 不宜推广应用。另外, 土壤生物学指标多与土壤有机质含量存在较高的相关性[31, 32], 即有机质含量指标可在某种程度上反映众多生物学指标的变化。(3)土壤有效养分虽可直接影响农作物的生长, 但这些指标易变, 且可通过施肥措施在短时间内校正, 可不作为评估指标。(4)土壤物理指标对土壤肥力有很大的影响, 且对水、气、热有直接的影响, 因此必需考虑。鉴于多数物理指标之间存在良好的相关性, 而容重监测方便、应用较广, 而且多数生土容重偏高影响耕作和通透性; 因此, 容重可作为首选的物理指标, 综合反映土壤物理性状(特别是土壤结构和松紧度)[28, 30]。(5)土壤质地和阳离子交换量虽然对耕地质量有很大的影响, 但两者很难通过耕作和一般的培肥措施得以改善, 不适合作为熟化指标。综上, 土壤有机质、pH、容重是土壤熟化必需考虑的指标, 其他指标可根据实际情况选择。另外, 除土壤性状外, 耕作层的厚度也是影响作物生长的重要限制因素, 也应列为重要的熟化指标。

5 新垦耕地土壤熟化指标的建立
5.1 关于土壤熟化标准确定的设想

土壤熟化指标可随土壤培肥逐渐优化, 当这些指标达到一定值时, 土壤性状可基本满足农作物生长的需要; 小于此值时, 土壤容易产生明显不良的理化性状, 并将明显影响土壤的生产功能和生态功能。因此, 可以把这一值定义为正常农业土壤该指标的下限, 作为提升的基本目标。而对于高产稳产的农业土壤, 除满足农业土壤发挥正常功能外, 还需要为作物创造高产稳产的条件, 需要更高的土壤熟化指标值来发挥这方面的作用, 此时的土壤熟化指标可定义为高产农业土壤熟化指标的上限, 作为提升的高级目标。然而, 土壤熟化指标值随气候条件、土壤类型、土壤矿物组成、土地利用和土地管理而异。受水、热等自然因素的限制, 土壤熟化指标要达到理想状态并非易事。虽然研究者普遍认为肥力指标值是“ 越高越好” , 但对一个具体区域而言, 以区域内土壤肥力指标最大值作为“ 标杆” 来指导耕地土壤熟化缺乏实际的指导意义, 因为这样的“ 标杆” 目标在实际培肥中常常是难以实现的。因此, 制定合理的土壤熟化指标阈值, 既要考虑培肥的实际效果, 体现与生土性状的差异, 也要考虑实施的可行性和可操作性。据此, 为了与当前已建立的耕地质量评估标准接轨, 笔者认为可设立2级熟化标准, 分别为初步熟化标准和高度熟化标准, 对应上文土壤熟化的“ 下限” 与“ 上限” 。土壤熟化的“ 上限” 值可用现行耕地质量评价中的高等级耕地的标准替代, 下文主要涉及土壤熟化“ 下限” 值的探讨。

5.2 旱地与水田土壤熟化指标的建立

5.2.1 典型耕地熟化前后土壤肥力性状的变化

一般来说, 在土地开垦时间较短的情况下, 耕地主要处于生土阶段; 随着耕作时间的延长, 耕地质量逐渐演进。许多地区的实践表明, 在常规的经营条件下, 经过15~20 a的耕作利用后, 多数垦造耕地土壤质量均有明显改善, 一些限制因素逐渐消失, 能适合多数农作物的生长, 并且已具有较高的生产能力。为了理解生土与熟土之间的差异, 指导耕地熟化指标的制定, 以浙江省丘陵山地与滨海平原为对象, 分别采集了新垦旱地、水田和已经过20 a左右培肥后的旱地、水田的0~20 cm土壤, 对其主要理化性状进行分析(表1)。可以看出, 对于丘陵山地, 经过约20 a的培肥后, 耕地在土壤pH值、有机质含量、容重、> 0.25 mm水稳定性团聚体含量等指标上与新造耕地已出现根本差别, 因此可考虑通过这些指标的变化来分析丘陵山地土壤的熟化。其中, 新造水田与熟化水田之间土壤pH值、有机质含量、容重和> 0.25 mm水稳定性团聚体含量的转变点大致可定为5.50、15.00 g· kg-1、1.25 g· cm-3和30%; 新造旱地与熟化旱地之间土壤pH值、有机质含量、容重和> 0.25 mm水稳定性团聚体含量的转变点大致可定为5.30、12.00 g· kg-1、1.25 g· cm-3和30%。对于滨海平原, 熟化耕地在土壤有机质含量、容重、盐分(水溶性盐)和> 0.25 mm水稳定性团聚体含量上与新造耕地存在根本的差异, 因此可通过这些指标的变化来分析滨海平原土壤的熟化。其中, 新造水田与熟化水田土壤有机质含量、容重、盐分和> 0.25 mm水稳定性团聚体含量的转变点大致可定为18.00 g· kg-1、1.25 g· cm-3、0.80 g· kg-1和30%; 新造旱地与熟化旱地土壤有机质含量、容重、盐分和> 0.25 mm水稳定性团聚体含量的转变点大致可定为15.00 g· kg-1、1.25 g· cm-3、1.00 g· kg-1和30%。

表1 典型耕地熟化前后土壤肥力性状变化 Table 1 Changes in soil fertility indexes before and after ripening of typical cultivated land

5.2.2 旱地土壤熟化指标的制定

旱地主要种植蔬菜、旱粮和油料作物, 这些作物多为浅根作物, 因此, 其熟化对象主要考虑耕作层。耕作层易受生产活动的影响, 是旱地作物的容根层。为便于根系的伸展, 一般要求土壤疏松多孔, 通透性良好, 酸碱度适中, 且有一定的有效态养分。在我国新制定的土壤定量分类系统(中国土壤系统分类)中, 为了定量区分土壤肥力的差异, 设立了暗沃表层、暗瘠表层、淡薄表层3个诊断层[33], 其中具有暗沃表层的土壤比较接近本文熟化土壤的耕作层, 系有机碳含量较高, 盐基饱和, 结构良好, 具有较低润态明度和彩度(均< 3.5)的暗色腐殖质表层, 厚度在18~25 cm, 有机质含量≥ 10.34 g· kg-1, 盐基饱和度≥ 50%, 粒状结构。结合以上浙江省典型耕地熟化前后土壤肥力性状的变化结果, 提出如下旱地熟化标准:(1)耕作层厚度≥ 18 cm; (2)耕作层土壤有机质含量≥ 12 g· kg-1, 且土壤颜色与表层以下土壤有较为明显的差异; (3)耕作层土壤容重≤ 1.25 g· cm-3, 土壤结构为小块状或团粒结构, > 0.25 mm水稳定性团聚体含量≥ 30%; (4)pH≥ 5.30; (5)盐分≤ 1.00 g· kg-1。对于园地, 其熟化指标中的耕作层厚度定为≥ 30 cm; 其他可参考以上旱地指标。

5.2.3 水田土壤熟化指标的制定

与旱地土壤不同, 水田需要进行灌溉与排水, 要求土壤具有保水性, 其保水性多与其剖面层次结构有关。水田土壤的熟化层实际上由耕作层和犁底层构成, 保水性主要由犁底层来实现。为了满足水稻的生长, 要求耕作层疏松多孔, 干湿交替频繁, 通透性良好。犁底层位于耕作层之下, 要求紧实, 孔隙度小, 透水性不良。在中国土壤系统分类中, 为了定量区分水稻土与其他土壤的差异, 设立如下诊断条件:在淹水耕作条件下形成的诊断层(包括耕作层和犁底层)厚度> 18 cm; 一年中当土温> 5 ℃时, 至少有3个月具人为滞水状况, 大多数年份当土温> 5 ℃时, 至少有半个月, 其上部亚层(耕作层)土壤因水耕搅拌而成糊泥化, 润态彩度≤ 2, 排水落干状态下, 多锈纹锈斑; 其下部亚层(犁底层)土壤容重对上部亚层(耕作层)土壤容重之比≥ 1.10[33]。结合以上浙江省典型水田熟化前后土壤肥力性状的变化结果, 提出如下水田熟化标准:(1)耕作层和犁底层总厚度≥ 18 cm, 其犁底层对耕作层土壤容重之比≥ 1.10; (2)耕作层土壤有机质含量≥ 15 g· kg-1; (3)耕作层土壤容重≤ 1.25 g· cm-3, 土壤结构为小块状或团粒结构, > 0.25 mm水稳定性团聚体含量≥ 30%, 有少量锈纹锈斑; (4)pH≥ 5.50; (5)盐分≤ 0.80 g· kg-1。

6 结论

在评述耕地土壤熟化的本质、土壤熟化与土壤质量的关系、熟土与生土的区别、熟化指标选择方法的基础上, 分析了浙江省典型地区耕地熟化前后土壤肥力性状的变化特点, 探讨了浙江地区旱地和水田土壤的熟化指标。提出以下建议。

(1)设立初步熟化和高度熟化2级耕地熟化标准, 分别对应耕地土壤熟化的“ 下限” 与“ 上限” 。土壤熟化的“ 上限” 值可用当前耕地质量评价中的高等级耕地标准作为鉴定依据; 土壤熟化的“ 下限” 值的制定应平衡农作物生长需求与区域培肥现实2个方面的关系。

(2)旱地熟化的诊断标准为:①耕作层厚度≥ 18 cm; ②耕作层土壤有机质含量≥ 12 g· kg-1, 表土颜色与心土层有较明显的差异; ③耕作层土壤容重≤ 1.25 g· cm-3, 土壤结构为小块状或团粒结构, > 0.25 mm水稳定性团聚体含量≥ 30%; ④pH≥ 5.30; ⑤盐分≤ 1.00 g· kg-1。

(3)水田熟化的诊断标准为:①耕作层和犁底层总厚度≥ 18 cm, 犁底层对耕作层土壤容重之比≥ 1.10; ②耕作层土壤有机质含量≥ 15 g· kg-1; ③耕作层土壤容重≤ 1.25 g· cm-3, 土壤结构为小块状或团粒结构, > 0.25 mm水稳定性团聚体含量≥ 30%, 有少量锈纹锈斑; ④pH≥ 5.50; ⑤盐分≤ 0.80 g· kg-1。

(责任编辑 高 峻)

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