亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地質(zhì)量提升研究進(jìn)展

童文彬，江建鋒*，楊海峻，葛佳穎，祝偉東，方俊，張露華，柴彥君，賁倩麗，鄭雪玉，李子川

(1.衢州市衢江區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州 324022；2.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020；3.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；4.衢州市衢江區(qū)蓮花鎮(zhèn)人民政府，浙江 衢州 324019；5.衢州市衢江區(qū)云溪鄉(xiāng)人民政府，浙江 衢州 324016)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著大量平地良田被用于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，致使糧食生產(chǎn)空間被不斷擠壓[1]。為緩解這一矛盾，將撂荒地和具備開墾潛力的低緩丘陵開發(fā)成耕地被認(rèn)為是保障耕地占補(bǔ)平衡和國內(nèi)糧食安全的重要途徑。我國亞熱帶丘陵區(qū)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程導(dǎo)致大量平地水田被占為非農(nóng)用，耕地占補(bǔ)平衡對象逐漸由將平坦撂荒地開墾為耕地向坡度較大丘陵區(qū)擴(kuò)張的趨勢[2-3]，導(dǎo)致許多丘陵區(qū)新墾耕地存在整地工程量大、墾造成本高、土層砂石含量較高和灌溉水匱乏等難題。以浙江省為例，通過充分挖掘可補(bǔ)充耕地潛力，僅“十三五”期間全省完成以水田為主的占補(bǔ)平衡新墾耕地面積超過3.3萬hm2[4]。丘陵區(qū)新墾耕地在解決長期撂荒耕地生產(chǎn)利用、拓展糧食生產(chǎn)功能區(qū)集中連片以及擴(kuò)增基礎(chǔ)耕地?cái)?shù)量等方面作用顯著。在當(dāng)前全球糧食安全不確定性不斷增大的形勢下，充分發(fā)掘這部分新墾耕地的糧食生產(chǎn)潛力是保障糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

大量采樣調(diào)查和文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地普遍存在土壤有機(jī)質(zhì)含量低、土壤質(zhì)地黏重通透性差、灌溉成本高、漏水漏肥嚴(yán)重和稻田雜草難壓制等耕種問題[5-7]。受上述諸多因素影響，大多數(shù)丘陵區(qū)新墾耕地的生產(chǎn)力僅為被占用農(nóng)田的10%～30%，通常需要7～10 a甚至更長時間的持續(xù)改良培肥，才能達(dá)到被占用農(nóng)田的生產(chǎn)力[8]。雖然新墾耕地地力提升和糧食增產(chǎn)的空間巨大，由于新墾耕地建設(shè)投入的社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境生態(tài)成本巨大，若不能快速和高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ц兀瑢r(nóng)戶耕種積極性造成極大打擊的同時，還會導(dǎo)致大量資源投入上的浪費(fèi)[9]。近年來，圍繞丘陵區(qū)新墾耕地質(zhì)量提升和土壤培肥的研究取得了長足的進(jìn)展，同時也遇到一些新問題。本文基于當(dāng)前亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的特點(diǎn)與問題，綜合分析了當(dāng)前亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地地力提升技術(shù)的重要研究進(jìn)展，同時結(jié)合作者在沼渣液資源化利用和綠肥還田方面的多年工作和研究經(jīng)驗(yàn)，探討新墾耕地質(zhì)量提升技術(shù)的發(fā)展趨勢，為亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地質(zhì)量提升和土壤快速長效培肥模式構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的特點(diǎn)與問題

1.1 新墾耕地的特點(diǎn)

亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的坡度通常較大而需要大型機(jī)械進(jìn)行深度挖填，其表層土壤主要由深層土壤和部分風(fēng)化物質(zhì)組成，部分土壤中還有未風(fēng)化的花崗巖、玄武巖或泥頁巖等石塊[3，6]。這類新墾耕地土質(zhì)砂性或黏重，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量低，非常不利于耕種[3，5，7，10-12]。王道澤等[3]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械平整的新墾耕地有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量較人工平整的低，而容重較高。此外，與被占耕地相比，調(diào)查發(fā)現(xiàn)新墾稻田的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量不到常規(guī)稻田的一半，但速效鉀含量高于常規(guī)稻田(表1)。同時現(xiàn)階段的丘陵區(qū)新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)為主，具有較弱的生物活性和養(yǎng)分釋放能力[6，13]。使得其與常規(guī)農(nóng)田有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循環(huán)差異巨大。整體而言，新墾耕地的土壤理化性質(zhì)，尤其土壤容重、有機(jī)質(zhì)和氮素含量和養(yǎng)分循環(huán)過程相比典型耕地差異巨大。

表1 不同類型新墾耕地與高山稻田和普通稻田土壤的基本理化性質(zhì)特點(diǎn)

1.2 亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的主要問題

以衢州地區(qū)為例，由于新墾耕地漏水漏肥嚴(yán)重，農(nóng)戶通常根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓饕性?月至8月的特點(diǎn)，選擇借以雨水灌溉的早稻作為主要稻作模式，通常在第一年依靠有機(jī)肥補(bǔ)貼的情況下，土壤條件較好的新墾稻田早稻產(chǎn)量能夠超過4 500 kg·hm-2，但第二年若中斷有機(jī)肥補(bǔ)貼和雜草控制失敗，早稻的產(chǎn)量會驟降至2 250 kg·hm-2以下。這說明新墾耕地具有土壤供肥保肥能力差、作物產(chǎn)量波動大、雜草難壓制和外源有機(jī)質(zhì)降解潛勢高等耕種難題。上述案例說明，新墾耕地需要制定新的灌溉制度、稻作制度和施肥習(xí)慣，以適應(yīng)土壤肥力偏低和長期缺少田面水的局面。因此，由于缺少組織開展新墾耕地高產(chǎn)創(chuàng)建競賽等活動，和鼓勵農(nóng)戶在早稻收獲后積極種植玉米或豆類等耐旱作物，加大農(nóng)業(yè)復(fù)種補(bǔ)貼力度等措施，當(dāng)?shù)匦聣ǜ丶Z食生產(chǎn)面臨較大的高成本風(fēng)險(xiǎn)。

此外，亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的土壤肥力和礦物組成均和一般農(nóng)田差異巨大。由于我國南方丘陵區(qū)新墾耕地主要是以平衡水稻田占補(bǔ)而開墾的，因此被核定用于水稻種植的新墾耕地面積占比超過80%。當(dāng)前，亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地?zé)o論是用于水稻栽培還是用于旱地作物栽培，大多采用傳統(tǒng)的水肥管理模式，并通過有機(jī)肥和化肥配施來解決土壤有機(jī)質(zhì)偏低的問題。然而，由于丘陵區(qū)新墾耕地水肥條件波動幅度較大的特點(diǎn)，新墾耕地的作物生長節(jié)律相對傳統(tǒng)的耕種模式的差異也較大，導(dǎo)致作物產(chǎn)量的提升空間受到極大的限制。此外，亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地通常地勢較高且土壤持水能力較差，相比常規(guī)農(nóng)田需要更高的灌溉輸送成本和灌溉用水量。同時，新墾耕地的短中期漏水漏肥情況突出[14]，使得新墾耕地田面水難以維持較長時間，水稻分蘗因土層還原程度不夠而受阻，間接增大了水稻播種量。綜合而言，新墾耕地面臨投入成本大、作物產(chǎn)量低和耕種收益率低等一系列問題，如果不能快速和長效地將這部分耕地轉(zhuǎn)化為有效耕地，極易發(fā)生撂荒或轉(zhuǎn)向非糧化用地[8，15]。

由于亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地植被長勢普遍偏弱而導(dǎo)致表層土壤大面積裸露，結(jié)合其松散的土壤結(jié)構(gòu)容易誘發(fā)水土流失等次生地質(zhì)災(zāi)害[16]。伴隨著新墾耕地作物產(chǎn)量普遍偏低的問題，將傳統(tǒng)耕種模式甚至施用更多化肥到新墾耕地，一方面土壤氮磷等養(yǎng)分會隨著地表徑流和地下淋溶進(jìn)入地表或地下水體中，增加新墾耕地周邊發(fā)生農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)[17-18]；另一方面土壤氮素會經(jīng)由地表氨揮發(fā)增加大氣灰霾形成風(fēng)險(xiǎn)以及較高的氧化環(huán)境引發(fā)地下水中硝酸鹽含量升高，造成巨大的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)[19-21]。除上述生態(tài)環(huán)境成本外，在亞熱帶地區(qū)氣候變化日益劇烈的背景下，丘陵區(qū)新墾耕地作物抵抗干旱等極端氣候變化的能力也遠(yuǎn)差于常規(guī)農(nóng)田作物，極大地增大作物減產(chǎn)甚至絕收風(fēng)險(xiǎn)的同時還會削弱這部分耕地對糧食安全的有效貢獻(xiàn)。

2 新墾耕地質(zhì)量提升研究進(jìn)展

早在21世紀(jì)初，亞熱帶丘陵區(qū)的新墾耕地土壤肥力低的問題就受到了極大的關(guān)注[22-23]，隨后圍繞新墾耕地肥力提升和土壤培肥問題開展了大量的調(diào)查和技術(shù)研究工作[3，5-6，10，24]。由于新墾耕地土壤除養(yǎng)分偏低和不平衡外還存在有機(jī)質(zhì)偏低、容重較大和pH值偏酸性等問題，現(xiàn)有的新墾耕地培肥措施主要是有針對性地通過單獨(dú)或聯(lián)合使用礦物與合成類土壤調(diào)理劑、有機(jī)糞肥與生物質(zhì)及其衍生物和種植綠肥等措施來實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量提升。

2.1 新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升措施

鑒于丘陵區(qū)新墾耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量低以及以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)為主的特點(diǎn)。因此，如何通過促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累來提升土壤肥力是新墾耕地質(zhì)量提升的關(guān)鍵指標(biāo)。嚴(yán)建立等[7]通過對比14種土壤培肥措施發(fā)現(xiàn)，通過向新墾耕地土壤中添加泥炭和生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加效果最大，其次是商品有機(jī)肥、秸稈還田和種植紫云英。Li等[25]研究發(fā)現(xiàn)，添加商品有機(jī)肥、食用菌廢渣和菜粕均能夠大幅增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。王忠等[26]研究發(fā)現(xiàn)，冬綠肥聯(lián)合秸稈還田基礎(chǔ)上加施商品有機(jī)肥和食用菌廢渣對新墾耕地有機(jī)質(zhì)的增加幅度更大。單獨(dú)通過秸稈還田措施對土壤有機(jī)質(zhì)積累的貢獻(xiàn)普遍低于商品有機(jī)肥和食用菌渣[27]。呂曉涵等[28]研究表明，黏土礦物改良劑能夠大幅增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，但也有研究發(fā)現(xiàn)黏土礦物并不顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)[7]。曲成闖等[29]針對紅壤新墾耕地耕作層構(gòu)建技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，木本泥炭或有機(jī)肥聯(lián)合腐熟秸稈配施均能夠大幅增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量。張莉等[13]研究發(fā)現(xiàn)，沼液和沼渣培肥新墾耕地均能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。但也有研究發(fā)現(xiàn)，沼液對新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)積累作用不顯著[25]。研究表明，聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、蛭石、石灰粉等土壤改良劑對土壤有機(jī)質(zhì)積累無顯著貢獻(xiàn)[7]。綜上所述，新墾耕地添加泥炭、生物質(zhì)炭、商品有機(jī)肥、食用菌廢渣、菜粕和沼渣均能大幅增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，秸稈還田和種植綠肥對土壤有機(jī)質(zhì)積累的作用緩慢，添加黏土礦物和沼液對新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)積累的促進(jìn)作用會因?yàn)橥恋乩梅绞健⑼寥滥纲|(zhì)和試驗(yàn)周期不同而存在研究結(jié)果上的不確定性。

2.2 新墾耕地酸性土壤pH值提升措施

亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的土壤類型主要屬紅壤土類，土壤pH值<5.5的新墾耕地面積占比高達(dá)70%[5]。因此，丘陵區(qū)新墾酸性耕地土壤pH是耕地質(zhì)量提升的重要指標(biāo)。新墾耕地添加石灰粉和生物質(zhì)炭均能顯著提升土壤pH值[7]，此外添加沼渣和沼液顯著增加酸性紅壤新墾耕地土壤pH[13]。比較而言，聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸鉀、膨潤土、泥炭、高嶺石、硅藻土、蛭石、沸石等土壤調(diào)理劑對新墾耕地土壤pH值影響較弱[7，30]。秸稈還田、施用商品有機(jī)肥和種植綠肥對土壤pH值無顯著影響[7，26-27]。然而，新墾耕地添加食用菌廢渣、菜粕和羊糞可能會加劇土壤酸化[25，31]，施用時需要配合石灰粉或生物質(zhì)炭，但也有研究發(fā)現(xiàn)，施用商品有機(jī)肥和食用菌廢渣會顯著增加土壤的pH值[25，32]。總體而言，石灰粉、生物質(zhì)炭、沼渣和沼液在提升新墾耕地土壤pH值方面效果顯著，是酸性新墾耕地土壤酸堿度改良的優(yōu)良調(diào)理劑。

2.3 新墾耕地土壤物理性狀的提升措施

鑒于亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地土壤孔隙結(jié)構(gòu)差、容重高等問題是導(dǎo)致土壤水肥運(yùn)移和作物根系生長受阻的主要障礙因子，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，降低土壤容重是新墾耕地肥力提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。丘陵區(qū)新墾耕地中砂土、壤土和黏土的改良試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加聚丙烯酰胺、β-環(huán)糊精、褐腐酸對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、容重、飽和持水量、凋萎含水量和飽和導(dǎo)水率均有顯著的改善作用[7]。新墾耕地添加膨潤土、高嶺石、硅藻土、蛭石、沸石等黏土礦物可顯著增加土壤有機(jī)碳含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時促進(jìn)土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)積累[7，28]。新墾耕地施加泥炭能夠顯著降低土壤容重，提升土壤的有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和持水量。商品有機(jī)肥、沼渣/沼液和秸稈還田均能夠改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，而種植綠肥對土壤有機(jī)質(zhì)的積累和水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加作用緩慢[7]。鑒于不同改良劑在土壤肥力提升與結(jié)構(gòu)改良方面的側(cè)重點(diǎn)存在較大差異，前期需要根據(jù)新墾耕地土壤特征制定地力改良方案。同時，上述這些改良劑通常成本較高，尤其聚丙烯酰胺的使用還可能會引起土壤有機(jī)污染風(fēng)險(xiǎn)[32-33]，需要在方案制定和實(shí)施過程中充分考慮所選用改良劑對土壤健康的潛在不利影響。

2.4 新墾耕地質(zhì)量提升的復(fù)合措施

通常，土壤改良劑的單獨(dú)或配合施用都能夠緩慢提升新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤孔隙度，達(dá)到改良培肥的目的。然而，這些改良培肥措施通常需要20 a甚至50 a的時間才能達(dá)到完全培肥熟化的目標(biāo)[6，34]。此外，這些培肥措施沒有充分考慮新墾耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)是礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)為主的特征，以及有機(jī)物料添加是如何通過土壤顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)—礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)—水穩(wěn)態(tài)團(tuán)聚體—土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成這一復(fù)合過程的主要規(guī)律。因此，相比新墾耕地單一的培肥措施，復(fù)合改良措施的應(yīng)用在系統(tǒng)提升新墾耕地質(zhì)量的同時，還可以加速土壤熟化過程，縮短丘陵區(qū)新墾耕地土壤發(fā)育進(jìn)程。種植夏秋季豆類作物和冬閑綠肥既能夠通過生物固氮過程提升土壤肥力，還可在冬季覆被新墾耕地，通過根系分泌大量有機(jī)酸加速土壤原生礦物風(fēng)化進(jìn)程。然而，根系分泌物的量和分子組成受土壤性質(zhì)和土壤濕度的雙重影響[35]。相比施用有機(jī)物料直接輸入土壤有機(jī)質(zhì)相比，種植綠肥對土壤有機(jī)質(zhì)的積累和水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加作用緩慢[7]。因此，有機(jī)物料施加配合冬閑綠肥種植能夠大幅增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的積累，進(jìn)而培肥新墾耕地土壤[26，36]。研究表明，有機(jī)肥與化肥配施，以及聯(lián)合種植冬閑綠肥在快速提升新墾耕地肥力方面顯著優(yōu)于單獨(dú)施用化肥或化肥與有機(jī)肥配施[26-27，36]。基于此，仍需要探索針對新墾耕地，尤其我國南方丘陵區(qū)占補(bǔ)平衡以水田為主的新墾稻田的新的耕種模式和水肥管理措施，如改傳統(tǒng)漫灌模式為間歇溝灌、沼渣液替代化肥減量增效、有機(jī)無機(jī)肥配施和冬閑種植綠肥等模式維持冬季土壤的生物活性。

2.5 沼渣液和黑麥草協(xié)同培肥丘陵區(qū)新墾耕地土壤的前景分析

與有機(jī)肥相比，沼渣液中的細(xì)顆粒懸浮物可以隨水流擴(kuò)散到表層土壤，與土壤礦物顆粒充分接觸，有利于微生物活動驅(qū)動的土壤礦物風(fēng)化過程的進(jìn)行[13]。沼渣液中還有相當(dāng)含量無機(jī)還原性顆粒物(金屬硫化物)[37]，在氧化條件下經(jīng)微生物介導(dǎo)催化，能夠與土壤礦物反應(yīng)生成疏松的孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[38-39]，進(jìn)而減少新墾耕地耕種阻力。沼渣液的pH值通常在6.2～8.7[13，40]，總體偏弱堿性，長期施用能夠提升酸性新墾耕地的土壤pH值[12-13]。黑麥草(LoliumperenneL.)屬于禾本科黑麥草屬一年生或多年生冷季型草本植物，是我國南方地區(qū)大面積栽培的優(yōu)良牧草和水土保持的先鋒植物[41]，具有根系生物量龐大的特點(diǎn)[42]。黑麥草根系具有分蘗能力強(qiáng)和耐貧瘠的特點(diǎn)，能夠分泌大量膠結(jié)有機(jī)物質(zhì)在根系周圍形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體[43-45]。此外，黑麥草根系分泌的大量低分子量有機(jī)酸、氨基酸等有機(jī)物質(zhì)能夠與土壤原生礦物發(fā)生相互作用，通過促進(jìn)土壤次生礦物形成而極大地縮短土壤發(fā)育進(jìn)程[43]。同時，黑麥草作為綠肥于次年春耕前粉碎還田，地上及根系的腐爛分解可以極大地補(bǔ)充新墾耕地的土壤有機(jī)物質(zhì)和氮磷等元素[46]。此外，通過根系分泌物與土壤礦物作用，促進(jìn)土壤風(fēng)化的同時增加土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)含量，通過翻耕粉碎還田增加土壤顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)含量，繼而改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤保水保肥能力提升[47]。因此，利用冬閑時間在新墾耕地播種黑麥草，能夠提升新墾耕地土壤肥力和作物產(chǎn)量。

研究表明，澆灌沼渣液或沼液對黑麥草產(chǎn)量的影響存在很大的不確定性，既有研究發(fā)現(xiàn)澆灌沼渣液或沼液的黑麥草產(chǎn)量與施化肥相比并無顯著變化[48-49]，同時也有研究表明澆灌沼渣液或沼液能夠顯著增加黑麥草產(chǎn)量和品質(zhì)[50-51]，但會導(dǎo)致黑麥草根系生物量顯著降低[50]。這可能跟黑麥草屬于先鋒植物，更習(xí)慣生長在地力較差和貧瘠的土壤中有關(guān)。新墾耕地作物季施用沼渣液配合冬閑期種植黑麥草的培肥模式，在解決了沼渣液的環(huán)境消納問題的同時還減少了新墾耕地化肥投入量，通過冬閑期種植黑麥草以及連續(xù)的覆被植物強(qiáng)化新墾耕地養(yǎng)分循環(huán)利用和長時間保持土壤生物活性。此外，這一培肥模式的實(shí)施充分考慮了新墾耕地原生礦物占主體的土壤組成特征，通過持續(xù)大幅增加外源和耕地自身有機(jī)物料，尤其根系生物量的輸入促進(jìn)土壤原生礦物風(fēng)化，協(xié)同增加土壤中顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)的含量，因而有別于傳統(tǒng)耕地質(zhì)量提升技術(shù)在新墾耕地上的應(yīng)用(圖1)。這里，沼渣液提供的養(yǎng)分物質(zhì)保證了作物地上和地下部分生長所需的基礎(chǔ)肥力；地上部與根系生物量的大量輸入，能夠快速增加土壤有機(jī)碳庫和有機(jī)氮庫；同時，沼渣液中的有機(jī)顆粒物為耕作層提供了大量的有機(jī)質(zhì)，能夠有效降低新墾耕地土壤容重，繼而提升土壤的通透氣性。黑麥草的耐貧瘠性與冷季型生長特性，能夠有效避免冬季土壤裸露和風(fēng)蝕。綜合而言，沼渣液作物季施用與冬閑期種植黑麥草，能夠全年不間斷地維持新墾耕地土壤-植物系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化與更新，通過促進(jìn)土壤次生礦物的形成和增加有機(jī)碳、氮的積累，極大地縮短新墾耕地向基本農(nóng)田甚至高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田轉(zhuǎn)變的土壤熟化時間。

圖1 作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草協(xié)同快速長效培肥新墾耕地土壤示意圖

3 新墾耕地質(zhì)量提升技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)前，在全球氣候變化形勢日益嚴(yán)峻的背景下，耕地墾造對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有何影響同樣受到極大的重視。有研究通過對比不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲量發(fā)現(xiàn)低緩丘陵的耕地墾造是一個碳損失過程，每公頃新墾耕地約造成8 t的碳損失[52]。但這一研究方法核算的碳損失忽略了表層凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)在墾造過程中被埋藏到耕地深部這一情況[53]。研究表明，隨著有機(jī)碳埋藏深度的增加，有機(jī)碳的穩(wěn)定性越高[54]，說明通過對比不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的方式可能高估了低緩丘陵區(qū)新墾耕地的有機(jī)碳損失量。此外，新墾耕地的土壤碳、氮的平均含量約為普通稻田的一半(表1)，意味著新墾耕地具有極大的增氮固碳空間。因此，相比常見的單一培肥模式，作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草協(xié)同培肥新墾耕地，不僅在快速長效培肥的同時保證新墾耕地作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，還會因土壤有機(jī)碳的持續(xù)增加對墾造耕地造成的碳損失進(jìn)行一定量的補(bǔ)償。

由于傳統(tǒng)的耕種模式極大地延滯耕作層的熟化進(jìn)程。因此，如何縮短新墾耕地地力向標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田甚至高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田轉(zhuǎn)化的時間，直接關(guān)系復(fù)墾耕地工程成本投入能否轉(zhuǎn)化為農(nóng)田生產(chǎn)力和我國下階段糧食安全環(huán)境的穩(wěn)定。同時，對現(xiàn)階段生產(chǎn)力較低的新墾耕地進(jìn)行快速培肥，將會產(chǎn)生數(shù)百萬t甚至千萬t級的糧食增收潛力，這一潛力在中、低產(chǎn)田改造和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)過程中經(jīng)常被忽視。考慮到新墾耕地與中、低產(chǎn)田土壤在發(fā)育階段和礦物組成方面差異極大，用于中、低產(chǎn)田土壤培肥的傳統(tǒng)技術(shù)措施并不完全適用于新墾耕地質(zhì)量與地力提升，需要針對新墾耕地探索新的快熟長效培肥模式。

綜合而言，需要根據(jù)亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地的土壤特點(diǎn)，綜合利用作物季施用沼渣液商品有機(jī)肥等土壤改良劑和冬閑期種植黑麥草的協(xié)同模式培肥新墾耕地，既為種養(yǎng)廢棄物的資源化利用提供了新的應(yīng)用場地，同時利用黑麥草的先鋒植物特性(耐貧瘠性)達(dá)到減少新墾耕地水土流失的目標(biāo)，繼而改善新墾耕地的生態(tài)環(huán)境。這一模式的植物根系-土壤界面過程的可持續(xù)性是土壤生物物理過程的重要保障，在促進(jìn)土壤孔隙結(jié)構(gòu)形成和生態(tài)系統(tǒng)功能完善方面作用顯著，能夠極大地縮短新墾耕地由土壤貧瘠和作物低產(chǎn)向土壤健康和作物高產(chǎn)的轉(zhuǎn)變時間。此外，新墾耕地施加生物質(zhì)炭同樣在改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)的同時增加土壤保肥保墑的能力。因此，生物質(zhì)炭施加與作物季施用沼渣液與冬閑期種植黑麥草模式相結(jié)合將對快速長效提升新墾耕地土壤肥力提供新視角。

4 結(jié)論

總體而言，亞熱帶丘陵區(qū)新墾耕地普遍存在土壤有機(jī)質(zhì)含量低、容重高和偏酸性的問題。許多傳統(tǒng)的單一或復(fù)合培肥模式在單獨(dú)或同時解決上述問題方面存在一些不足。在新墾耕地培肥方面，需要認(rèn)識到新墾耕地現(xiàn)階段以原生礦物和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)、土壤孔隙結(jié)構(gòu)差和水肥運(yùn)移障礙嚴(yán)重等特征，其改良培肥和土壤結(jié)構(gòu)演化路徑需要通過促進(jìn)土壤原生礦物風(fēng)化和次生礦物形成以及顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的積累，進(jìn)而改善土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和孔隙結(jié)構(gòu)，最終才能將其培育成符合一般農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)的耕地。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)分析了新墾耕地土壤有機(jī)質(zhì)和pH值提升，以及降低土壤容重和改善土壤結(jié)構(gòu)方面的主要技術(shù)措施，并對沼渣液與黑麥草協(xié)同應(yīng)用潛力進(jìn)行了分析，為新墾耕地快速長效培肥增產(chǎn)和土壤固碳增匯提供科學(xué)支撐。