《生态农田实践与展望》连载之十一：土壤有机质培育技术 -

　　有机质是由有机物组成的物质，其最初的来源是植物光合产物，所含的能量来自太阳能，合成所需要的元素均来自自然界。耕地有机质或者土壤中的有机质是存在于土壤中的所有含碳的有机物质，包括各种动植物残体、微生物及其分解和合成的各种有机质。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机质含量只占土壤总量的少部分，但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要的作用（熊顺贵，2001）。

　　由于用地不养地，我国耕地有机质出现了明显的下降趋势，直接影响了耕地质量。如果控制不住，还会进一步影响粮食供应，影响国民的身体健康乃至寿命。养地应当从培育土壤有机质开始。1999～2014 年，由中国地质调查局会同各省人民政府及其国土资源主管部门，协调全国77 家单位10 万多人对全国耕地质量状况进行了全面调查。调查土地总面积150.7 万平方公里，其中调查耕地 13.86 亿亩，占全国耕地总面积的 68%。通过对60 多万件土、水、生物等样品的 54 种元素指标进行精度测试，获得了3000多万个数据，建立了全国和 31 个省（区、市）土地的地球化学动态数据库，并据此对我国耕地总体状况形成初步认识和基本判断。调查显示，我国东北区、闽粤琼区、西北区和青藏区部分耕地有机碳含量比 20 世纪 80 年代呈现明显下降趋势，其中东北区耕地有机碳含量下降了21.9%，严重降低了土壤肥力。调查范围内，29.3%的耕地土壤碱化趋势加剧，pH 上升 0.64，主要分布在北方地区；21.6%的耕地酸化严重，pH 降低 0.85，主要分布在重金属污染问题突出的闽粤琼区和湘鄂皖赣区，在降低耕地质量的同时增加了重金属污染，加大了耕地生态和地下水质量恶化风险（国土资源部中国地质调查局，2015）。耕地酸度升高，土壤板结，肥力下降，不利于作物吸收养分。同时，长期化学物质投入过大，不利于土壤有机质的形成。

　　尽管我国部分地区采取了秸秆还田措施，耕地有机质下降的趋势有所减缓，但相对于健康的土壤，有机质含量仍然很低。除了大量使用化肥和农药，焚烧秸秆、污水灌溉、农膜覆盖、除草剂除草也会造成有机质下降、土壤动物和微生物多样性降低。土壤有机质的含量在不同土壤中差异很大，含量高的可达 20%或 30%以上（如泥炭土、某些肥沃的森林土壤等），含量低的不足 1%或 0.5%（如荒漠土和风沙土等）。在土壤学中，一般把耕作层中含有机质 20%以上的土壤称为有机质土壤，20%以下的土壤称为矿质土壤。在健康的土壤中，耕作层土壤有机质含量通常在5%以上。

　　2.3.2 土壤有机质的来源

　　土壤有机质来源十分广泛，原始土壤中，最早出现在母质中的有机体是微生物。下面几种成分是土壤有机质的重要来源。

　　1．植物残体

　　植物残体包括各类植物的凋落物、死亡的植物体及根系。这是自然状态下土壤有机质的主要来源。森林土壤相对农业土壤而言，具有大量的凋落物和庞大的树木根系等特点。热带雨林凋落物干物质量可达 16700 千克/（公顷·年），而荒漠植物群落凋落物干物质量仅为 530 千克/（公顷·年）。

　　2．动物和微生物残体

　　动物和微生物残体包括土壤动物和非土壤动物的残体，以及各种微生物的残体。这部分来源相对较少。但对原始土壤来说，微生物是土壤有机质的最早来源。

　　3．动物排泄物和分泌物

　　土壤有机质的动物排泄物和分泌物来源虽然量很少，但对土壤有机质转化起着非常重要的作用。在传统农业生产中，农民通过大量收集人和动物的排泄物，来满足植物营养并保持耕地有机质数量和质量。

　　4．废水废渣

　　废水废渣包括施入土壤中的各种有机肥料（绿肥、堆肥、沤肥等）、工农业和

　　生活废水、废渣等，以及各种微生物制品等。

　　进入土壤中的有机质一般以以下3种类型状态存在。

　　1）新鲜的有机物

　　新鲜的有机物是指那些进入土壤中尚未被微生物分解的动植物残体，它们仍保留着原有的形态等特征。

　　2）分解的有机物

　　经微生物分解，进入土壤中的动植物残体失去了原有的形态等特征。有机质已部分分解，并且相互缠结，呈褐色。分解的有机物包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物。

　　3）腐殖质

　　腐殖质是指有机质经过微生物分解后再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质，与土壤矿物质土粒紧密结合，是土壤有机质存在的主要形态类型，占土壤有机质总量的85%～90%。进入土壤的有机物质组成相当复杂，土壤有机质组成取决于进入土壤的有机物质组成。各种动植物残体的化学成分和含量因动植物种类、器官、年龄等不同而有很大的差异。一般情况下，动植物残体主要的有机化合物有碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等。土壤有机质的主要元素组成是碳、氧、氢、氮，分别占 52%～58%、34%～39%、3.3%～4.8%、3.7%～4.1%。有机质只有进入土壤才能形成自然中的稳定成分，这个过程是通过矿质化过程完成的，必须有微生物的参加。有机质矿质化过程分为化学转化过程、动物转化过程和微生物转化过程。这一过程使土壤有机质转化为二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子），同时释放出能量。这一过程为植物和土壤微生物提供了养分和能量，并直接或间接地影响着土壤性质，同时也为合成腐殖质提供了物质基础。

　　2.3.3 土壤有机质的生态功能

　　耕地是破坏自然生态系统而来的，耕地中的有机质最初来自天然植物群落的土壤封存。我国很早就有用地养地的良好习惯，中原地区很多耕地连续耕作了四五千年，基本不退化，就是用了生态农业的办法养地。纵观今天，连续使用化肥、农药、农膜、除草剂，短短不到 40 年，耕地就出现了严重的退化；草原、荒漠绿洲开垦的耕地，起初有机质含量很高（＞5%），但使用不到 10 年就严重退化，直到成为荒漠。土壤有机质的含量与土壤肥力水平是密切相关的。虽然有机质仅占土壤总量的很小一部分，但它在土壤肥力上起到的多方面的作用是显著的。通常在其他条件相同或相近的情况下，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关。

　　1．土壤有机质为植物提供营养

　　土壤有机质中含有大量的植物营养元素，如氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁等重要元素，还有一些微量元素。土壤有机质经矿质化过程释放大量的营养元素为植物生长提供养分；腐殖化过程合成腐殖质，保存了养分，腐殖质又经过矿质化过程再度释放养分，从而保证植物生长全过程的养分需求。

　　有机质在矿质化过程中分解产生的二氧化碳是植物碳素营养的重要来源，据估计，土壤有机质的分解及微生物和根系呼吸作用产生的二氧化碳每年可达 135亿吨，大致相当于陆地植物的需要量。由此可见，土壤有机质的矿质化过程产生的二氧化碳既是大气中二氧化碳的重要来源，又是植物光合作用的重要碳源。土壤有机质还是土壤氮、磷最重要的营养库，是植物速效性氮、磷的主要来源。土壤全氮的 92%～98%都是储藏在土壤中的有机氮中的，植物吸收的氮素有 50%～70%来自土壤。土壤有机质中有机态磷的含量一般占土壤全磷的 20%～50%，随着有机质的分解而释放出速效磷，供给植物营养。在大多数非石灰性土壤中，有机质中有机硫占全硫的 75%～95%，随着有机质的矿质化过程而释放，被植物吸收利用。

　　2．土壤有机质促进植物对其他营养元素的吸收

　　土壤有机质在分解转化过程中，产生的有机酸和腐殖酸对土壤矿物部分有一定的溶解能力，可以促进矿物风化，有利于某些养分的有效化。一些与有机酸和富里酸络合的金属离子可以保留在土壤溶液中，不致沉淀而影响其有效性。土壤腐殖质与铁形成的某些化合物，在酸性或碱性土壤中对植物及微生物是有效的。土壤腐殖质是一种胶体，有着巨大的比表面积和表面能，腐殖质胶体以带负电荷为主，从而可吸附土壤溶液中的交换性阳离子如 K+、NH4 +、Ca2+、Mg2+等，一方面可避免随水流失，另一方面又能被交换下来供植物吸收利用。土壤腐殖质的保肥性能非常显著。在水分保持方面，土壤腐殖质和黏土矿物一样具有较强的吸附能力，单位质量腐殖质保存阳离子养分的能力比黏土矿大几倍至几十倍，因此，土壤有机质具有巨大的保肥能力。

　　3．土壤有机质促进植物生长发育

　　土壤有机质，尤以其中胡敏酸，具有芳香族的多元酚官能团，可以加强植物呼吸过程，提高细胞膜的渗透性，促进养分迅速进入植物体。胡敏酸的钠盐对植物根系生长具有促进作用，胡敏酸钠对玉米等禾本科植物及草类的根系生长发育具有极大的促进作用。土壤有机质中含有的维生素 B1、B2、吡醇酸和烟碱酸、激素、异生长素（β-吲哚乙酸）、抗生素（链霉素、青霉素）等对植物的生长起促进作用，并能增强植物抗病能力。

　　4．土壤有机质改善土壤物理性质

　　有机质在改善土壤物理性质中的作用是多方面的，其中最主要、最直接的作用是改良土壤结构，促进团粒状结构的形成，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性。腐殖质是土壤团聚体的主要胶结剂，土壤中的腐殖质很少以游离态存在，多数和矿质土粒相互结合，通过功能基、氢键、范德瓦耳斯力等机制，以胶膜形式包被在矿质土粒外表中，形成有机-无机复合体。所形成的团聚体，大、小孔隙分配合理，且具有较强的水稳性，是较好的结构体。在干旱区，有机质能通过改善黏性，降低土壤的胀缩性，防止土壤干旱时出现的大的裂隙（龟裂）。土壤腐殖质是亲水胶体，具有巨大的比表面积和亲水基团。据测定，腐殖质的吸水率为500%左右，而黏土矿物的吸水率仅为50%左右，因此，腐殖质能提高土壤的有效持水量，这对砂土有着重要的意义。腐殖质为棕色、褐色或黑色物质，被土粒包围后使土壤颜色变暗，从而增加了土壤吸热的能力，提高土壤温度，这一特性对北方早春时节促进种子萌发特别重要。腐殖质的热容量比空气、矿物质大，比水小，导热性居中，因此，土壤有机质含量高的土壤其土壤温度相对较高，且变幅小、保温性好。

　　5．土壤有机质是土壤生物能量的主要来源

　　没有土壤微生物就不会有土壤中所有的生物化学过程。土壤微生物的种群，数量和活性随着有机质含量的增加而增加，具有极显著的正相关。土壤有机质的矿质化率低，不会像新鲜植物残体那样对微生物产生迅猛的激发效应，而是持久稳定地向微生物提供能源。因此，富含有机质的土壤，其肥力平稳而持久，不易造成植物的徒长和脱肥现象。土壤中有的动物（如蚯蚓等）也以有机质为食物和能量来源；有机质能改善土壤物理环境，增加疏松程度和提高通透性（对砂土而言则降低通透性），从而为土壤动物的活动提供了良好的条件，而土壤动物本身又加速了有机质的分解（尤其是新鲜有机质的分解），进一步改善了土壤通透性，为土壤微生物和植物生长创造了良好的环境条件。蚯蚓粪就是良好的团粒结构，具有泡水不散的特点（Guo etal.，2015）。自然繁衍的蚯蚓种群大小是健康土壤的重要指标（Guo et al.，2016）。

　　6．土壤有机质具有活化磷、钾等营养元素的作用

　　土壤库中的磷一般不以速效态存在，常以迟效态和缓效态存在，因此土壤中磷的有效性低。土壤有机质具有与难溶性的磷反应的特性，可增加磷的溶解度，从而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。一些微生物具有解钾的功能，这些微生物生存条件是必须有大量有机质的存在。

　　2.3.4 健康的源头在于土壤有机质

　　耕地土壤是由固体、空气和水分所组成的，固体部分主要来自其发育的岩石母体的原生和次生矿物颗粒，以及来自生物（动植物和微生物）活体和残体留下的有机质。土壤有机质就是为作物生长发育提供养分的仓库。有机质在土壤中的数量一定要保持一个相对稳定数。我国的土壤有机质含量一般旱地为 0.5%～4.0%，水田为 1.5%～5.0%。因为有机质的分解和转化是在不断进行的。土壤有机质在消长过程中，土壤肥力也相应地不断改变。

　　在理想的土壤中，固体占 50%，空气和水分各占 25%。固体中矿物部分占 45%，在余下 5%的有机质中，各种活动的生物有机质占 10%，根系有机质占 10%，已经转化为稳定的高分子的“死的”有机质占 80%左右（陈能场，2015a）。

　　耕地有机质本身就是养分的储藏库，同时深刻地影响着土壤的物理、化学和生物学性质。假设某一土壤表土有机质含量为 4%，有机质氮含量为 5%，一季作物中有机质分解率为 2%，则土壤有机质供应的氮可达 80 千克/公顷，此供应量几乎可满足大部分作物的需求量。据估算，1%的土壤有机质相当于含有 18 千克养分/亩。土壤有机质还深刻影响着水分的存储。1 英亩大（1 英亩＝4 046.86 平方米）、1 英寸厚（1 英寸＝2.54 厘米）、含 2%有机质的土壤储水量可达 12.1 万升，含量5%和 8%的土壤分别可储水 30.3 万和 48.4 万升。研究表明，土壤有机质从 1%升到 3%，土壤的保水能力增加 6 倍（陈能场，2015a）。

　　土壤有机质是土壤中各种大大小小生物的碳源和能源。丰富的有机质使土壤中自然形成庞大的食物网，构建健康的生态系统，这个庞大的生态系统是土壤活力的来源，从养分转化直到病虫害控制，该生态系统都起着极为重要的作用。在理想的土壤生态系统中，每平方米的土壤含脊椎动物 1 只、蜗牛和蛞蝓共100 只、蚯蚓数百至上千条，线虫 500 万只、原生动物 100 亿只、细菌和放线菌 10 万亿个。这些动物和微生物组成一个食物网金字塔，这些生物一年中生物量总和达 400～470 千克/亩（陈能场，2015b；刘亚柏等，2017）。

　　对照上述指标不难判断出，我国耕地质量是严重下降的，其中最重要的变化在于以高产为目的的现代农业耕作体系下，土壤状况已经和理想土壤越来越远，曾经是“鱼米之乡”的南方红壤耕地数平方米种不出几斤蔬菜。人类大量合成化学肥料，提供给作物的是速效的无机物，但没有考虑到土壤中动物和微生物群落的需求。土壤微生物和动物群落失衡，造成大量病害和虫害出现。杂草本来是可以提供土壤有机质的，但除草剂杀死了杂草，并杀死了土壤中的其他有益生物，使天敌益虫、两栖爬行类和鸟类减少，只有依靠农药，消除病虫害。大量使用抗生素、农药，虽然暂时控制了作物病虫害，然而食物链被抗生素、农药污染，会引发大量人类疾病。

　　提高耕地有机质的方法有很多，有人提出了以下几个主要农业技术措施：

　　①增加生物总产量。在增产的前提下增加土壤有机质，由于地上部分产量增加了，地下的根系也随着增加，同时地下生物也相应兴旺发达，致使动植物残体增多。②秸秆多还田（马力等，2011；赵伟等，2012）。秸秆还田直接为土壤增加了有机物。要改变在田间焚烧秸秆的习惯，因为焚烧秸秆既浪费有机物，又使有机物变成二氧化碳释放到空气中污染环境。③增施有机肥（邱学礼等，2011；姚姗姗等，2015；Guo et al.，2016；Erdem and Mehmet，2017；徐基胜等，2017）。合理施肥，实行有机物和无机肥料的配合，不断增加有机物在土壤中的数量。④减少土壤有机质消耗。采取少耕、免耕、覆盖等措施（刘亚柏等，2017），其目的就是减少和控制土壤氧气的供应，削弱微生物分解活动。覆盖还可以减少土壤水土流失。

　　然而，上述办法还存在一些现实困难：增加生物量就需要加大化肥投入；秸秆还田如果影响下茬作物种植，农民多不愿意采用；增加有机肥如果不能带来经济效益，推广起来困难；免耕办法在理论上成熟，但在实践中推广面积不大。耕地不是森林土壤，完全靠自然过程实现有机质增加比较缓慢，需要人工补充。耕地上有作物，免耕容易发生土壤板结，作物根系无法生长影响产量。最好的办法是发展高效生态农业，只要收入高，农民就愿意增加耕地地力，就愿意多投入劳动。在山东弘毅生态农场，经过 8 年调整，有机质从 0.7%已达到 2.4%（Liu et al.，2016）。

　　耕地有机质下降严重影响作物产量，并不能生产优质的食物。当前，农产品价格低迷造成从事农业的一线农民增产不增收，国家补贴农药、化肥、农膜、除草剂后，农资更便宜，很方便地替代了劳动力。大量优质劳动力进城打工，农村一线农业生产的人员由老人和妇女组成，他们没有能力也没有心思为城里人生产安全放心的食品，毕竟为提高有机质，使用有机肥增加了农业生产劳动强度。解决这个矛盾的办法是，科学宣传生态农业，让城市市民觉醒，购买安全放心的生态食品，优质优价，尊重农民的劳动，使耕者有其利。只有这样，才能从源头少制造病人，变互害模式为互利模式，促进城乡真正和谐起来。

　　2.3.5 弘毅生态农场案例

　　1．长期施入有机肥试验

　　本团队于 2006 年在弘毅生态农场以冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象进行了有机肥长期施入定位试验，试验共有两种处理，一是有机肥处理，二是化肥处理。在有机肥处理中，有机肥的来源为经过蚯蚓处理过的牛粪（牛粪-蚯蚓粪），施肥量为 75 吨/公顷。在化肥处理中，小麦季每公顷分别施入 225 千克氮、750千克五氧化二磷和 150 千克氧化钾，玉米季每公顷施入 150 千克氮、600 千克五氧化二磷和 210 千克氧化钾。

　　牛粪-蚯蚓粪的获取过程如下：将牛粪堆成宽 1.5 米、高 0.3 米的长方体，蚯蚓接种密度为 0.5 千克/平方米，堆肥期间洒水以保持适宜湿度，3 个月后将蚯蚓与牛粪分离，分离出来的肥料即为试验用肥料。研究结果发现：2007～2015 年，0～20 厘米的土壤有机质含量，有机肥处理从 0.7%增加到 3.5%，而化肥处理没有明显变化（图 2-1）（刘海涛，2016）。

　　图 2-1 有机肥处理和化肥处理 2007～2015 年 0～20 厘米土壤有机质含量变化（刘海涛，2016）注：不同大写字母表示有机肥处理年际间差异显著（P＜0.05）；不同小写字母表示化肥处理年际间差异显著（P＜0.05）。

　　2．有机无机肥配施试验

　　2009～2012 年，本团队在弘毅生态农场以冬小麦-夏玉米轮作模式为研究对象设置了 4 个试验处理，分别为：①对照不施肥（对照，CK）；②全施有机肥（CM）；③化肥减半配施有机肥（HCM）；④全施化肥（NPK）。以上各处理，除 CK 处理外，氮、磷、钾施入量均分别为 375 千克/公顷、92 千克/公顷、317 千克/公顷。每年施肥前先测定牛粪含氮量，再根据施氮量和牛粪含氮量计算牛粪施用量，最终使各处理施氮总量相等，在等氮水平上研究了有机无机肥配施对土壤 0～20 厘米原状土和土壤团聚体组分中有机质的影响（李勇，2013）。

　　研究结果发现，各施肥处理均增加了原状土、大团聚体、微团聚体及黏粒和粉粒的有机碳含量（图 2-2）。2012 年，与对照相比，CM 分别增加原状土、大团聚体、微团聚体及黏粒和粉粒的有机碳含量 56%（P＜0.05）、54%（P＜0.05）、52%（P＜0.05）和 81%（P＜0.05），并达到显著水平。说明施用有机肥可以增加土壤各级团聚体的有机碳含量，尤其是增加了大团聚体有机碳的含量。土壤有机碳储量主要分布在大团聚体及微团聚体中，CM 和 HCM 也基本上增加各组分土壤有机碳储量（图 2-3）。累积碳输入量与原状土碳固定量呈显著正相关关系（R2＝0.78，P＝0.002）（图 2-4A）。累积碳输入量与大团聚体碳固定量（R2＝0.87，P＜0.001）及黏粒和粉粒碳固定量（R2＝0.54，P＜0.02）之间存在显著正相关关系，而与微团聚体碳固定量之间也存在相关关系，但不显著（R2＝0.17，P＝0.26）（图 2-4B、C、D）（李勇，2013）