孫 波，陸雅海，張旭東，盧升高，韋革宏，楊勁松，朱安寧，劉滿強，段英華

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871；3 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；4 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；5 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100；6南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 210095；7 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；8 農(nóng)業(yè)部耕地保育重點實驗室，南京 210008)

耕地地力對化肥養(yǎng)分利用的影響機制及其調(diào)控研究進展①

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(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871；3 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016；4 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；5 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100；6南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 210095；7 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；8 農(nóng)業(yè)部耕地保育重點實驗室，南京 210008)

耕地地力影響了化肥養(yǎng)分的利用效率，是調(diào)控養(yǎng)分利用率的基礎(chǔ)途徑。本文概述了耕地土壤障礙對養(yǎng)分利用的制約機制、耕地地力培育對養(yǎng)分利用的促進機制、提高養(yǎng)分資源利用效率的耕地培肥模式3個方面的研究進展。針對我國主要的耕地土壤–作物系統(tǒng)，提高化肥養(yǎng)分利用率需要解決 4個地力調(diào)控方面的關(guān)鍵問題：地力與養(yǎng)分利用率關(guān)系及其時空變化規(guī)律、土壤障礙制約養(yǎng)分高效蓄積轉(zhuǎn)化機制與消減原理、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(diào)控途徑、肥沃耕層構(gòu)建與生物功能提升對養(yǎng)分蓄納供應(yīng)的協(xié)同驅(qū)動增效機制與調(diào)控理論。本文提出基于多時空尺度綜合研究，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(qū)動”地力綜合管理理論，在不同區(qū)域構(gòu)建并應(yīng)用化肥減施增效的耕地地力綜合管理模式，實現(xiàn)耕地大面積均衡減施化肥的目標。

耕地地力；土壤障礙；肥沃耕層；養(yǎng)分蓄納供應(yīng)；養(yǎng)分利用率；調(diào)控模式

我國近 30年來的化肥投入的增加支撐了我國糧食產(chǎn)量的持續(xù)增長。2015 年我國化肥生產(chǎn)量達7 627萬t，施用量約6 000萬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(chǎn)區(qū)低10 ～30個百分點，因此化肥減施增效仍有較大空間[1]。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(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及水肥投入水平下農(nóng)田土壤的生產(chǎn)能力。土壤是化肥養(yǎng)分轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǔ)地力對糧食產(chǎn)量(小麥、玉米、單季稻)的平均貢獻率為45.7% ～ 60.2%[2]，比農(nóng)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(chǎn)和資源增效。由于我國耕地土壤類型豐富，不同農(nóng)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(chǔ)性與關(guān)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(guān)系，打破土壤障礙對耕層長效蓄納供應(yīng)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(gòu)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(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效與可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

1 國外研究現(xiàn)狀及趨勢

20世紀90年代，為應(yīng)對資源和環(huán)境對糧食生產(chǎn)的約束，國際上提出發(fā)展集約化可持續(xù)農(nóng)業(yè)[3]，歐盟制定“2020計劃”提出通過提高土壤質(zhì)量穩(wěn)定提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)部鹽土實驗室與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)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(xué)、法國國家農(nóng)業(yè)研究院和瑞士有機農(nóng)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(xué)和加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)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(shù)

耕地不合理的管理導(dǎo)致土壤退化。全球退化土壤中，物理性與化學(xué)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(jié)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[4]。合理配施有機肥和無機肥，以及采用誘導(dǎo)作物根系釋放堿性物質(zhì)的措施可以減緩耕地土壤酸化、改善土壤結(jié)構(gòu)[5–6]。針對鹽堿環(huán)境下導(dǎo)致的作物吸收養(yǎng)分失衡障礙[7]，通過聯(lián)合采用土壤調(diào)理與生物調(diào)控技術(shù)可以有效提升作物對養(yǎng)分的吸收效率[8]，而應(yīng)用土壤水–鹽–肥運移模型(HYDRUS 2D/3D)可以在區(qū)域尺度上指導(dǎo)鹽堿土的改良[9]。長期連作在導(dǎo)病型土壤上導(dǎo)致作物根系對養(yǎng)分的吸收效率下降[10]，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[11]。

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(jié)構(gòu)促進了有機氮礦化和腐殖酸結(jié)合態(tài)磷的積累，提高了氮磷養(yǎng)分的長效供應(yīng)能力[12–13]。土壤結(jié)構(gòu)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)[14]，而在生態(tài)系統(tǒng)尺度上調(diào)控碳氮磷的耦合循環(huán)促進了養(yǎng)分的平衡供應(yīng)[15]。調(diào)控活性有機碳輸入可以增強土壤結(jié)構(gòu)體中有機質(zhì)的積累[16–17]，特別是促進微生物熱區(qū)(microbial hotspot，包括有機碎屑區(qū)、根際、生物孔隙、團聚體)結(jié)構(gòu)的形成[18]，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(qū)動了土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程，基于熒光顯微成像技術(shù)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[19]；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(zhuǎn)化利用[20]；作物根系的生長促進了細菌網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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[21]。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[22]。在有機農(nóng)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[23]。因此，調(diào)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(jié)合增加生物多樣性等農(nóng)藝措施培育耕地地力，實現(xiàn)化肥養(yǎng)分利用率和作物產(chǎn)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(chǎn)和環(huán)境保護目標，主要采取保護性耕作措施提高基礎(chǔ)地力[24]，加拿大建立了小麥間歇性免耕模式恢復(fù)地力[25]；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%[26]。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[27]。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(jié)構(gòu)和肥力，促進了玉米生長[28]。目前，通過調(diào)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(wù)功能的有效途徑[29]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及趨勢

近年來，我國相繼實施了“中低產(chǎn)田改造”、“沃土工程”、“高標準農(nóng)田建設(shè)”、“測土配方施肥”計劃，中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等依托20世紀80年代建立的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和土壤肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測網(wǎng)，開展了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量長期演變規(guī)律的研究，評價了我國農(nóng)田化肥養(yǎng)分平衡和養(yǎng)分利用的時空變化特征[30–32]，揭示了熱量驅(qū)動的化肥養(yǎng)分投入和有機養(yǎng)分再循環(huán)對產(chǎn)量的增益作用[33]，發(fā)展了典型類型土壤質(zhì)量管理的指標體系、培育理論與技術(shù)體系[34–35]。主要糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)演變與提升綜合技術(shù)、黃淮地區(qū)農(nóng)田地力提升與大面積均衡增產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)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(fù)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(guān)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(shù)和調(diào)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(zhuǎn)化機制的研究

近年來，我國學(xué)者利用同步輻射、13C-核磁共振(13C-NMR)等技術(shù)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(jié)構(gòu)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[36]；長期施用有機肥和免耕促進了不同旱地土壤＞0.25 mm團聚體中碳氮磷的積累[37–41]，顯著增加了水稻土＞1 mm團聚體中有機碳氮的積累[42–44]，但不同粒徑團聚體中養(yǎng)分積累速率隨土壤類型而變化[45]；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(zhì)平衡的有機碳投入閾值，揭示了土壤有機質(zhì)提升總體上增產(chǎn)和促進氮素利用的趨勢[46–47]，并針對不同糧食主產(chǎn)區(qū)發(fā)展了農(nóng)田土壤有機質(zhì)的綜合提升技術(shù)體系[34,48]。

應(yīng)用穩(wěn)定性同位素探針、高通量測序和基因芯片等技術(shù)顯著推進了土壤–根系–微生物系統(tǒng)中養(yǎng)分轉(zhuǎn)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[49]；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(zhuǎn)化功能基因多樣性和氮素轉(zhuǎn)化酶活性[50]，水稻與綠肥長期輪作改變了氮轉(zhuǎn)化微生物群落結(jié)構(gòu)，提高了銨態(tài)氮的供應(yīng)[51]；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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同水稻土中共有的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵細菌(根瘤菌目Rhizobiales)和真菌(肉座菌目Hypocreales)具有調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化的作用[52]。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[53]，微生物控制了有機碳在團聚體中的積累[54]，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[55]。在砂姜黑土中長期施用有機肥通過改變土壤pH顯著恢復(fù)了由于施用化肥而降低的微生物多樣性[56]；在堿性潮土中施用有機肥顯著提高了氨氧化細菌數(shù)量[57]，增加了影響碳素和磷素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物(如菌根真菌和Bacillus asahii)豐度[58–59]；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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)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[60]，而對氨氧化細菌的捕食作用提高了土壤硝化勢[61]。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(zhuǎn)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(gòu)建與化肥養(yǎng)分增效技術(shù), 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(qū)動機制[62]，通過野外定位試驗研究分析了紅壤酸化對氮磷轉(zhuǎn)化的制約作用，提出了生物炭改良方法[63]。針對鹽堿化，基于壟作、硫酸鋁改良和氮肥分次施用效應(yīng)，提出重度鹽堿土上提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率的技術(shù)體系[64]。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(shù)[65]。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(jié)合秸稈深埋的肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)”以應(yīng)對耕層變薄問題[66]，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(shù)”消減土壤砂性障礙[67]，在關(guān)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(shù)減緩干旱脅迫和提升土壤有機質(zhì)[68–69]，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(shù)”阻控酸化和瘠薄[70]，在四川盆地紫色土區(qū)構(gòu)建“聚土壟作免耕–坡式梯田模式”破除耕層淺薄問題[71]，這些中低產(chǎn)田改造技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了養(yǎng)分利用效率和作物產(chǎn)量[72]。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(yīng)用于2 498個縣，支撐了全國耕地地力評價和施肥決策[73]。

2.3 亟需開展耕地地力與化肥養(yǎng)分利用之間的關(guān)聯(lián)機制與協(xié)同提升技術(shù)研究

耕地地力與化肥養(yǎng)分利用之間的關(guān)系受氣候、土壤和作物等諸多因素的綜合影響，必須結(jié)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(zhì)量及化肥養(yǎng)分利用效率之間的關(guān)系，闡明耕地地力培肥的區(qū)域減肥潛力和調(diào)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(yīng)關(guān)系；開展田間原位研究，揭示消減土壤結(jié)構(gòu)障礙過程中土壤團聚體–有機質(zhì)關(guān)鍵組分–氮磷轉(zhuǎn)化–微生物網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同機制，集成肥沃耕層構(gòu)建與土壤生物功能提升的耕地地力綜合管理技術(shù)。

國內(nèi)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(chǎn)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(nèi)加快提升耕地地力、實現(xiàn)化肥減施增效的技術(shù)難題。如果利用國家尺度長期試驗平臺，加強土壤學(xué)與生物學(xué)和植物營養(yǎng)學(xué)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(chǔ)的綜合調(diào)控技術(shù)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(chǔ)理論和技術(shù)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(chǎn)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[47]；同時在高產(chǎn)耕地中存在養(yǎng)分過量施用和肥力退化的潛在影響[28]。我國中低產(chǎn)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(jié)、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(nóng)田生產(chǎn)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(shù)的國家需求，亟需針對我國農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)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(nóng)田地力提升與養(yǎng)分利用增效機制和技術(shù)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(xué)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(shù)，區(qū)域尺度的時空序列調(diào)查、養(yǎng)分循環(huán)模型技術(shù)。其次，基于多時空尺度的研究方法，開展土壤學(xué)與生態(tài)學(xué)和植物營養(yǎng)學(xué)交叉研究，重點回答提高化肥養(yǎng)分利用效率的4個關(guān)鍵科學(xué)問題：①地力與養(yǎng)分利用率關(guān)系及其時空變化規(guī)律；②土壤障礙(酸化、鹽堿、板結(jié)粘閉、耕層變淺、連作障礙)制約養(yǎng)分高效蓄積轉(zhuǎn)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(diào)控途徑；④肥沃耕層構(gòu)建與生物功能提升對養(yǎng)分蓄納供應(yīng)的協(xié)同驅(qū)動增效機制與調(diào)控理論。通過剖析地力與化肥養(yǎng)分利用效率關(guān)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(zhuǎn)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(qū)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(yīng)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(shù)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(guān)系，發(fā)展多尺度動態(tài)關(guān)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(xué)院的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的土壤肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測網(wǎng)，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(guān)系和預(yù)測模式；基于我國農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)耕地地力與化肥養(yǎng)分利用率調(diào)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(guān)系和預(yù)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(qū)動”養(yǎng)分增效的地力綜合調(diào)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(yīng)”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(zhì)關(guān)鍵組分與不同界面(根表、根際、團聚體)微生物網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同演變關(guān)系，揭示其互反饋機制對氮磷耦合循環(huán)的激發(fā)效應(yīng)和增效機制?；谕寥勒系K消減和肥沃耕層構(gòu)建，提高土壤對養(yǎng)分的蓄納供應(yīng)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(qū)動”地力綜合調(diào)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(guān)聯(lián)型的協(xié)同管理大數(shù)據(jù)平臺。基于不同時空尺度耕地地力與化肥養(yǎng)分利用率定量關(guān)系和影響因素研究，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)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(zhì)量監(jiān)測、測土配方施肥、長期試驗及相關(guān)社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，集成傳統(tǒng)的土壤分類型、農(nóng)業(yè)施肥決策型和社會經(jīng)濟管理型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，建立互聯(lián)網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)平臺和基于多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSTP專線)的內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)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(chǔ)上，采用云計算軟件(VM Ware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(chǔ)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(nóng)戶提供咨詢服務(wù)。

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。

[1] 郝銳敏. 農(nóng)業(yè)部首度發(fā)布化肥農(nóng)藥利用率數(shù)據(jù)[N]. 農(nóng)資導(dǎo)報, 2015-12-11. http://www.nzdb.com.cn/bencandy.php? fid =26&id=201445

[2] 湯勇華, 黃耀. 中國大陸主要糧食作物地力貢獻率和基礎(chǔ)產(chǎn)量的空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2009, 28(5): 1070–1078

[3] Cassman K G. Ecological intensification of cereal production systems: Yield potential, soil quality, and precision agriculture[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1999, 96(11): 5952–5959

[4] Ahmad N, Hassan F U, Belford R K. Effect of soil compaction in the sub-humid cropping environment in Pakistan on uptake of NPK and grain yield in wheat (Triticum aestivum): I. Compaction[J]. Field Crops Research, 2009, 110(1): 54–60

[5] Hulugalle N R, Weaver T B, Finlay L A, et al. Soil properties and crop yields in a dryland Vertisol sown with cotton-based crop rotations[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 93(2): 356–369

[6] Schroder J L, Zhang H, Girma K, et al. Soil acidification from long-term use of nitrogen fertilizers on winter wheat[J]. Soil Science Society of America Journal, 2011, 75(3): 957–964

[7] Paul D, Lade H. Plant-growth-promoting rhizobacteria to improve crop growth in saline soils: A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2014, 34(4): 737–752

[8] Sakadevan K, Nguyen M L. Extent, impact, and response to soil and water salinity in arid and semiarid regions[J]. Advances in Agronomy, 2010, 109(109): 55–74

[9] ?im?nek J, Jacques D, ?ejna M, et al. The HP2 Program for HYDRUS (2D/3D). A Coupled Code for Simulating Two-Dimensional Variably-Saturated Water Flow, Head Transport, Solute Transport and Biogeochemistry in Porous Media (HYDRUS+PHREEQC+2D)[CP]. Version 1.0. PC Progress, Prague, Czech Republic, 2011: 1–78

[10] Lakshmanan V, Selvaraj G, Bais H P. Functional soil microbiome: belowground solutions to an aboveground problem[J]. Plant Physiology, 2014, 166(2): 689–700

[11] Mendes R, Kruijt M, De Bruijn I, et al. Deciphering the rhizosphere microbiome for disease-suppressive bacteria[J] Science, 2011, 332(6033): 1097–1100

[12] Wright A L. Phosphorus sequestration in soil aggregates after long-term tillage and cropping[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 103(2): 406–411

[13] Krause U, Koch H J, Maerlaender B. Soil properties affecting yield formation in sugar beet under ridge and flat cultivation[J]. European Journal of Agronomy, 2009, 31(1): 20–28

[14] Vogel C, Mueller C W, H?schen C, et al. Submicron structures provide preferential spots for carbon and nitrogen sequestration in soils[J]. Nature Communications, 2014, 5(1): 149–168

[15] Schmidt M W I, Torn M S, Abiven S, et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property[J]. Nature, 2011, 478(7367): 49–56

[16] Six J, Paustian K. Aggregate-associated soil organic matter as an ecosystem property and a measurement tool[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 68(1): A4–A9

[17] Lehmann J, Kleber M. The contentious nature of soil organic matter[J]. Nature, 2015, 528(7580): 60–68

[18] Kuzyakov Y, Blagodatskaya E. Microbial hotspots and hot moments in soil: Concept & review[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 83: 184–199

[19] Philippot L, Raaijmakers J M, Lemanceau P, et al. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere [J]. Nature Reviews Microbiology, 2013, 11(11): 789–799

[20] Lopes A R, Manaia C M, Nunes O C. Bacterial community variations in an alfalfa-rice rotation system revealed by 16S rRNA gene 454-pyrosequencing[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2014, 87(3): 650–663

[21] Shi S J, Nuccio E E, Shi Z J, et al. The interconnected rhizosphere: High network complexity dominates rhizosphere assemblages[J]. Ecology Letters, 2016, 19(8): 926–936

[22] Francioli D, Schulz E, Lentendu G, et al. Mineral vs. organic amendments: Microbial community structure, activity and abundance of agriculturally relevant microbes are driven by long-term fertilization strategies[J]. Frontiers in Microbiology, 2016, 7: 1446

[23] M?der P, Fliessbach A, Dubois D, et al. Soil fertility and biodiversity in organic farming[J]. Science, 2002, 296: 1694–1697

[24] Pittelkow C M, Liang X, Linquist B A, et al. Productivity limits and potentials of the principles of conservation agriculture[J]. Nature, 2015, 517: 365–368

[25] Daraghmeh O A, Jensen J R, Petersen C T. Near-saturated hydraulic properties in the surface layer of a sandy loam soil under conventional and reduced tillage[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(6): 1728–1737[26] Gardner J B, Drinkwater L E. The fate of nitrogen in grain cropping systems: A meta-analysis of 15N field experiments[J]. Ecological Applications, 2009, 19(8): 2167–2184

[27] Tittonell P, Giller K E. When yield gaps are poverty traps: The paradigm of ecological intensification in African smallholder agriculture[J]. Field Crops Research, 2013, 143(1): 76–90

[28] Maqubela M P, Mnkeni P N S, Issa O M, et al. Nostoc cyanobacterial inoculation in South African agricultural soils enhances soil structure, fertility, and maize growth[J]. Plant and Soil, 2009, 315(1/2): 79–92

[29] Wagg C, Bender S F, Widmer F, et al. Soil biodiversity and soil community composition determine ecosystem multifunctionality[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(14): 5266–5270

[30] Shen R P, Sun B, Zhao Q G. Spatial and temporal variability of N, P and K balances for agroecosystems in China[J]. Pedosphere, 2005, 15(3): 347–355

[31] 李書田, 金繼運. 中國不同區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分輸入、輸出與平衡[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(20): 4207–4229

[32] 張福鎖, 王激清, 張衛(wèi)峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J]. 土壤學(xué)報, 2008, 45(5): 915–924

[33] 楊林章, 孫波. 中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和平衡及其管理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 1–310

[34] 段武德, 陳印軍, 翟勇, 等. 中國耕地質(zhì)量調(diào)控技術(shù)集成研究[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2011: 1–337

[35] 曹志洪, 周健民. 中國土壤質(zhì)量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 1–709

[36] Wang X, Sun B, Mao J, et al. Structural convergence of maize and wheat straw during two-year decomposition under different climate conditions[J]. Environmental Science and Technology, 2012, 46: 7159–7165

[37] Shu X, Zhu A N, Zhang J B, et al. Changes in soil organic carbon and aggregate stability after conversion to conservation tillage for seven years in the Huang-Huai-Hai Plain of China [J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(6): 1202–1211

[38] Yu H, Ding W, Chen Z, et al. Accumulation of organic C components in soil and aggregates[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 13804

[39] 宋春, 韓曉增, 王鳳菊, 等. 長期不同施肥條件下黑土水穩(wěn)性團聚體中磷的分布及其有效性[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010, 18(2): 272–276.

[40] 王仁杰, 強久次仁, 薛彥飛, 等. 長期有機無機肥配施

塿改變了 土團聚體及其有機和無機碳分布[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4678–4689

[41] 邢旭明, 王紅梅, 安婷婷, 等. 長期施肥對棕壤團聚體組成及其主要養(yǎng)分賦存的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2015, (2): 67–273

[42] 郭菊花, 陳小云, 劉滿強, 等. 不同施肥處理對紅壤性水稻土團聚體的分布及有機碳、氮含量的影響[J]. 土壤, 2007, 39(5): 787–793

[43] 陳曉芬, 李忠佩, 劉明, 等. 不同施肥處理對紅壤水稻土團聚體有機碳、氮分布和微生物生物量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(5): 950–960

[44] 李文軍, 楊基峰, 彭保發(fā), 等. 施肥對洞庭湖平原水稻土團聚體特征及其有機碳分布的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(20): 4007–4015

[45] 劉震, 徐明崗, 段英華, 等. 長期不同施肥下黑土和紅壤團聚體氮庫分布特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(6): 1386–1392

[46] 徐明崗, 張文菊, 黃少敏. 中國土壤肥力演變(第二版)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2015: 1–1124

[47] Duan Y, Xu M, Gao S, et al. Nitrogen use efficiency in a wheat–corn cropping system from 15 years of manure and fertilizer applications[J]. Field Crops Research, 2014, 157(2): 47–56

[48] 全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心, 中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃所. 耕地質(zhì)量演變趨勢研究——國家級耕地土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)整編[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版, 2008: 1–409

[49] Li H, Chang J, Liu P, et al. Direct interspecies electron transfer accelerates syntrophic oxidation of butyrate in paddy soil enrichments[J]. Environmental Microbiology, 2014, 17(5): 1533–1547

[50] Su J Q, Ding L J, Xue K, et al. Long-term balanced fertilization increases the soil microbial functional diversity in a phosphorus-limited paddy soil[J]. Molecular Ecolog, 2015, 24(1): 136–150

[51] Gao S J, Zhang R G, Cao W D, et al. Long-term rice-rice-green manure rotation changing the microbial communities in typical red paddy soil in South China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(12): 2512–2520

[52] Jiang Y, Liang Y, Li C, et al. Crop rotations alter bacterial and fungal diversity in paddy soils across East Asia[J]. Soil Biology and Biochemsitry, 2016, 95: 250–261

[53] Fan F, Yin C, Tang Y, et al. Probing potential microbial coupling of carbon and nitrogen cycling during decomposition of maize residue by13C-DNA-SIP[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 70: 12–21

[54] Zhang S, Li Q, Lü Y, et al. Contributions of soil biota to C sequestration varied with aggregate fractions under different tillage systems[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 62: 147–156.

[55] Sun B, Wan X, Wang F, et al. Assessing the relative effects of geographic location and soil type on microbial communities associated with straw decomposition[J]. Applied Environmental Microbiology, 2013, 79(11): 3327–3335

[56] Sun R, Zhang X X, Guo X, et al. Bacterial diversity in soils subjected to long-term chemical fertilization can be more stably maintained with the addition of livestock manure than wheat straw[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 88: 9–18

[57] Shen J P, Zhang L M, Zhu Y G, et al. Abundance andcomposition of ammonia-oxidizing bacteria and ammoniaoxidizing archaea communities of an alkaline sandy loam[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(6): 1601–1611

[58] Lin X, Feng Y, Zhang H, et al. Long-term balanced fertilization decreases arbuscular mycorrhizal fungal diversity in an arable soil in North China revealed by 454 pyrosequencing[J]. Environmental Science and Technology, 2012, 46(11): 5764–5771

[59] Feng Y, Chen R, Hu J, et al. Bacillus asahii comes to the fore in organic manure fertilized alkaline soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015,81: 186–194

[60] Jiang Y, Sun B, Jin C, et al. Soil aggregate stratification of nematodes and microbial communities affects metabolic quotient in an acid soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 1–9

[61] Jiang Y, Jin C, Sun B. Soil aggregate stratification of nematodes and ammonia oxidizers affects nitrification in an acid soil[J]. Environmental Microbiology, 2014, 16(10): 3083–3094

[62] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010, 327(5968): 1008–1010

[63] 徐仁扣. 酸化紅壤的修復(fù)原理與技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 1–274

[64] 楊勁松, 姚榮江. 我國鹽堿地治理與農(nóng)業(yè)高效利用[J].中國科學(xué)院院刊, 2015, 30(增刊): 162–170

[65] 沈其榮, 楊興明, 黃啟為, 等. 一種能防除連作作物枯萎病的拮抗菌及其微生物有機肥料[P]. 中國: ZL200510122898.0, 2007

[66] 韓曉增, 鄒文秀, 王鳳仙, 等. 黑土肥沃耕層構(gòu)建效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2009, 20(12): 2996–3002

[67] 趙金花, 張叢志, 張佳寶. 激發(fā)式秸稈深還對土壤養(yǎng)分和冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2016, 53(2): 438–449

[68] 南雄雄, 游東海, 田霄鴻, 等. 關(guān)中平原農(nóng)田作物秸稈還田對土壤有機碳和作物產(chǎn)量的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2011, 26(5): 222–229

[69] 陳輝林, 田霄鴻, 王曉峰, 等. 不同栽培模式對渭北旱塬區(qū)冬小麥生長期間土壤水分、溫度及產(chǎn)量的影響[J].生態(tài)學(xué)報, 2010, 30(9): 2424–2433

[70] 孫波. 紅壤退化阻控與生態(tài)修復(fù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011: 1–466

[71] 朱波, 陳實, 游祥, 等. 紫色土退化旱地的肥力恢復(fù)與重建[J]. 土壤學(xué)報, 2002, 39(5): 743–749

[72] 曾希柏, 張佳寶, 魏朝富, 等. 中國低產(chǎn)田狀況及改良策略[J]. 土壤學(xué)報, 2014(4): 675–682

[73] 張月平, 張炳寧, 田有國, 等. 縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]. 土壤通報, 2013(6): 1308–1313

Research Progress on Impact Mechanisms of Cultivated Land Fertility on Nutrient Use of Chemical Fertilizers and Their Regulation

SUN Bo1,8, LU Yahai2, ZHANG Xudong3, LU Shenggao4, WEI Gehong5, YANG Jinsong1,8, ZHU Anning1,8, LIU Manqiang6, DUAN Yinghua7
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 3 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shengyang 110016, China; 4 College of Resources and Environmental Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 5 College of Life Sciences, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 6 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 7 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 8 Key Laboratory of Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture of the People's Republic of China, Nanjing 210008, China)

The cultivated land fertility affects the nutrient utilization of chemical fertilizers, which is the basic pathway to regulate the nutrient use efficiency (NUE). The research progresses in this field were reviewed from three aspects: the restriction mechanism of soil constraint factors on nutrient utilization, the promotion mechanism of soil fertility incubation on nutrient utilization, and the models for enhancing NUE by improving cultivated land fertility. For the main types of soil-crop systems, four scientific problems need to be clarified in terms of regulating NUE by fostering cultivated land fertility: temporal and spatial variation of correlation between soil fertility and NUE, the mechanisms for soil obstacles to restrict nutrient accumulation and transformation and its removing principle, the mechanisms and regulatory pathways for fertility incubation to promote root - soil -microbe interaction and the synergetic utilization of nutrients, the mechanisms and theories for coupling fertile cultivated layer construction and soil biological function improvement to enhance nutrient storage and supplies. Based on the comprehensive research at multi-temporal and spatial scales, the “dual core driven” soil fertility improvement theory should be developed, which combines the improvement of soil storage-release function and acceleration of nutrient recycling use. Finally the integrated cultivated land fertility management models should be established and applied to enhance NUE of chemical fertilizers in different regions, which could promote the fulfillment of the goal to reduce chemical fertilizer application in cultivated land at the regional scale.

Cultivated land fertility; Soil obstacle; Fertile soil cultivated layer; Nutrient storage and supply; Nutrient use efficiency; Regulatory model

S15; S14

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.001

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200300)資助。

孫波(1968—)，男，江蘇南京人，博士，研究員，研究方向為土壤質(zhì)量演變與農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)，重點研究農(nóng)田土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化微生物過程及其調(diào)控。E-mail: bsun@issas.ac.cn