西南丘陵山地玉米农田土壤障碍研究进展

刘禹池， 杨 勤， 岳丽杰， 陈 岩， 张会玲， 柯国华， 刘永红

(1.四川省农业科学院作物研究所， 成都 610066；2.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室， 成都 610066)

西南丘陵山地是我国第三大玉米种植带，玉米平均产量远低于东北、黄淮海玉米产区。经过多年玉米生产技术体系研究与推广，本地区玉米大面积产量从4 329 kg/hm2持续增长到9 000 kg/hm2。但通过光温理论产量模型推算出实际产量仍只占潜在产量的50%，说明玉米产量还有较大提升空间[1]。随着高产、宜机、耐密品种的大面积应用，相关配套管理技术逐步成熟，进一步增产增效的限制因素也发生变化。据研究，土壤质量是影响高产田产量差的关键决定因素[2]，其贡献率达20%～38%[3]。因此，改善土壤质量并提升土壤水肥供应能力是实现玉米绿色高产高效的关键。

受西南丘陵区气候环境、管理习惯、成土母质、地形地貌、土地利用模式等条件影响，当前该区域耕地已形成土壤酸化、土壤养分低库容、土壤供水能力差等障碍因子[1]，严重影响土壤质量、限制作物高产、降低栽培管理效率及经济效益[4-5]。

因此，从土壤障碍因子角度探讨土壤质量提升对策，具有重要的生产实践意义。本文将针对西南丘陵山地玉米土壤障碍因子发生现状、原因、对玉米生长发育及土壤性质影响、解决技术手段及研究成果进行系统综述，并对未来研究方向进行展望，为西南丘陵山地玉米绿色高产高效种植提供技术支撑。

1 西南丘陵山地玉米农田土壤障碍现状与成因

1.1 土壤酸化

目前，我国西南丘陵山地土壤酸化问题异常严峻。第二次全国土壤普查数据显示，我国西南红壤pH大多在4.5～6.0之间，酸化土壤面积约208 km2，并有扩大的趋势。另有研究显示，成都平原土壤近20年一直处于不断酸化、致酸缓冲力不断减弱的趋势[6-7]。贵州沿河县的调查结果显示，全县主要耕地土壤类型pH平均值逐年下降，耕地土壤酸化程度加深[8]。重庆市约38.54%的农业土壤pH有不同程度酸化，其中约8.2%的土壤pH低于5.5[9]。

土壤酸化受成土母质、养分管理、耕作管理、降雨淋溶等多种因素影响(表1)。而造成西南丘陵山地土壤酸化的主要原因是偏施氮肥、强烈淋溶[10]。据统计，2012年我国氮肥的施用强度高达615 kg/hm2，位居世界第一[11]。此外，建国初期我国农田施肥还以有机肥为基础，化肥使用量偏低，有机肥在肥料投入中占比超90%，到1980年化肥尤其是氮肥施用量迅速提高而有机肥用量下降到47.1%，至2000年下降到31.4%[12]。长期偏施氮肥已成为我国南方土壤酸化的主控因素，而且这一进程仍在进行中[13]。另有研究显示，广西2019年5—9月暴雨与大暴雨频发，日降雨量有时可达 250 mm，强烈的淋溶作用导致土壤中的钾、钙、镁等碱性离子大量流失，且雨水中携带的H+以及雨水与土壤反应产生的H+导致土壤盐基不饱和，加剧了土壤酸化[14]。

表1 土壤酸化成因及机理

1.2 土壤养分库容低

土壤养分库容体现土壤的综合肥力并反映土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力。衡量土壤养分库容的指标既包括土壤养分含量、阳离子交换量、盐基离子饱和度、有机质含量等化学指标[20]，又包括生物量、土壤微生物多样性、土壤酶、土壤动物等生物指标[21]，同时还包括土壤耕层深度、团聚体含量等物理指标[22-23]。而西南丘陵区耕地的低库容特征具体表现为耕层浅、有机质缺乏[24-25]。据调查，四川盆地丘陵坡台耕地普遍面临犁底层上移问题，部分区域耕层深度仅0.2～0.4 m[26]，严重降低了土壤养分库容。川渝地区广泛分布的紫色土有机质含量平均为12.8 g/kg，从土壤肥力分级角度评价属于低肥力耕地[27-28]。据陈正发[25]的研究，云南省坡耕地土壤有机质、速效钾含量偏低已成为重要土壤障碍因子。与全国第二次土壤普查资料比较，重庆市各地土壤pH、有机质、速效钾降低趋势明显，并处于中等偏下水平。造成西南坡耕地耕层浅化、有机质缺乏的原因与机理见表2。

表2 西南坡耕地典型土壤养分低库容指标产生原因及机理

1.3 土壤供水能力差

西南丘陵山地土壤供水能力差，土壤水库容量不足已成为制约当地种植业发展的瓶颈之一。赵義鑫等[37]研究了西南丘陵区内几种主要土壤类型的持水能力，研究发现黄壤和紫色土的有效水贮存量分别仅为3.28%、1.91%。据统计，西南地区农作物种植面积占全国19.2%，但土壤水库总容量仅占全国9.8%。而产生该现象的主要原因在于降雨集中径流大、季节性与区域性干旱问题突出、土壤瘠薄结构不良。西南地区6—9月暴雨集中，当降雨量大于850 mm时，径流系数高达40%以上，仅云贵川渝四省市，土壤侵蚀面积达41 km2，占全国水土流失面积的22.6%[38]。据40余年气象资料分析表明，西南地区春、夏、伏旱出现频率分别达63%、71%、65%。此外，西南丘陵山地耕层浅薄、土壤有机质含量低且部分土类风化严重，因此该地区土壤水库调蓄能力弱。有研究认为，川渝丘陵重要土壤类型紫色土，土壤颗粒大、通气性和透水性强，田间持水量低，不利于土壤水保蓄[39]。红壤由于风化程度高、成土时间长，土壤质地粘重，酸度强，所以供水能力较差，土壤抗旱能力弱[40]。土壤有机质含量、耕层浅化作显著降低土壤中团聚体含量、土壤内部孔隙度，进而影响土壤水贮存[27]。

2 土壤障碍因子对土壤质量及玉米的影响

2.1 土壤酸化特性及对玉米植株生长的影响

土壤酸化会显著降低磷元素的有效性、加速盐基离子的淋失、降低土壤盐基离子饱和度，从而造成土壤肥力降低及生态环境破坏[41]。刘春生等[42]发现，酸雨H+含量与土壤盐基离子的淋失总量呈极显著相关关系；淋失过程源于土壤中成土矿物被酸雨淋洗后所发生的风化过程，最终导致土壤养分库的损耗[43]。土壤酸化会造成一系列植物生长发育进程的负响应并对其养分吸收活动产生抑制作用。研究发现，当pH降低到5.0以下时，玉米种子出芽率显著降低[44]，根系长度和面积也随之减少[45]。李瑞珂[46]研究发现，中性土壤上种植的玉米在株高、干物质积累量、氮磷利用率等指标上均高于在酸性土壤上种植的玉米。

2.2 土壤养分低库容对玉米产量的影响

营养元素在土壤中以水溶态、吸附态、矿物态、有机态、络合态等形式存在。其中能被植物根系迅速吸收的形态与难以吸收的形态在数量上保持着一定的转化平衡。而该平衡状态正是作物能获取充足养分补给实现正常生长发育的保证。但库容小的土壤对速效养分的补充能力较弱，作物因不能及时吸收养分而造成生长抑制进而减产[47]。崔欢虎等[48]的研究表明，在30 cm至150 cm土壤深度范围内，随着土壤库容深度的增大，作物穗粒重由0.2 g增至1.0 g、生物学产量由1 554 kg/hm2提高到14 248.5 kg/hm2。于晓芳等[49]研究表明，提高土壤养分库容可明显增加玉米的有效穗数、穗粒数和千粒重，从而提高了玉米籽粒产量1 878.5～2 544.4 kg/hm2。王玥等[50]研究表明，通过冬季绿肥覆盖在培肥土壤的基础上可显著提升玉米株高、单株叶面积和地上部干物质重。

2.3 土壤供水不足的综合效应

刘海涛[51]研究表明，高肥力和中肥力土壤在0～120 cm土壤剖面中最大有效储水量分别较低肥力农田高22.2%和13.1%。有效储水量高的土壤，其穗粒数、千粒重分别比有效储水量低的土壤高5.7%、5.2%。Borrel等[52]研究表明，在供水能力强的土壤上种植的玉米，其LAI在整个生育期上均显著高于对照。受季节性干旱影响，土壤供水能力对微生物活性和土壤养分运输及有效性有着显著影响。Lou Y等[53]认为，土壤供水能力会通过影响根际土壤微生物活性进而影响根际土壤活性有机碳含量。Schuur EA等[54]认为，土壤水分状况对土壤氮素矿化速率有着重要影响，而且还会影响土壤氮素的矿化过程和有效性[55]。

3 解决土壤障碍的路径

3.1 土壤酸化调优改良

现有土壤酸化改良方法包括施用酸化改良剂、实施生物改良、优化施肥、施用有机肥、秸秆还田等。有研究表明，施用土壤改良剂和引入调酸生物能显著改善土壤酸化环境并提高土壤养分有效性。覃同等[56]研究发现，矿物类改良剂对土壤pH提升效果较为显著，其中石灰的酸化改良效果最佳，其次为钙镁磷肥、硅钙肥。使用无机改良剂时配合施入有机肥和种植绿肥能显著降低单施无机改良剂对土壤结构造成的不良影响，并稳定改善土壤酸化状况[57-58]。浙江在施用石灰进行酸矫治的同时，配合冬绿肥还田、增施商品有机肥、秸秆还田等有机替代培肥措施，显著提高土壤pH值，增强土壤酸碱缓冲能力与保肥性能[59]。研究发现，测土配方施肥、有机无机肥料配合施用、秸秆还田均可显著提升土壤酸性缓冲能力[60-61]。

3.2 土壤养分库容扩增改良

采用深松措施并配合施用有机肥改善土壤肥力状况，同时施用土壤结构改良剂，可实现土壤养分扩库。研究表明，深松在提高打破犁底层解决耕层浅化问题、降低土壤侵蚀、促进主根发育下扎方面效果优于免耕[62-63]。张庆等[64]研究表明，免耕+有机肥措施有利于构建红壤坡耕地耕作层、培肥土壤、提高土地质量。槐圣昌[65]则认为玉米田深松深度为25～30 cm时，对培育优质耕层效果最佳。Persson等[66]研究指出，长期施用厩肥或种植绿肥与单施化肥相比，能显著增加土壤全氮和有机质含量。员学峰[67]研究表明，施用聚丙烯酰胺后土壤水稳性团聚体含量显著增加，而CEC、土壤饱和含水量和田间持水量均有所提高。余晓[68]研究表明，土壤结构改良剂能通过促进土壤团聚体形成并提高阳离子交换量来以达到保肥扩库效果。

3.3 土壤水分扩库增容

解决土壤供水不足问题的方法主要有实施保护性耕作、土壤混合法、保水剂改良、水肥耦合施用等。研究表明，保护性耕作相比于传统耕作，土壤团聚体、有机质含量、含水量显著提升，并显著提高土壤持水能力及土壤水分利用效率[69-70]。庄季屏等[71]将膨润土和黏性土混入沙土中，随着混入比例增加土壤持水能力逐步提升，并且当膨润土和黏性土的掺量比例分别提高到6%、15%时，土壤供水能力达到最高值。与土壤混合法类似，添加保水剂也是通过物料混合方式改善土壤供水能力。保水剂能显著改良土壤结构，提高土壤孔隙度、土壤水容量、水分传导性能力[72]。而水肥耦合研究是近年来节水农业的研究热点。盛钰等[73]研究表明，在非充分灌溉时高肥力有利于增加作物的有效消耗，减少蒸发量；而充分灌溉时低施肥量可减少土壤水分的无效消耗。吴宗钊等[74]研究表明，轻度干湿交替灌溉条件下，施用180 kg/hm2氮肥会达到较好的水肥耦合模式。

4 讨论与结论

4.1 酸化土壤高效治理与利用研究

解决土壤酸化问题需要研究清楚的最核心科学问题是当地土壤致酸原因是什么。围绕这一科学问题，已有大量学者针对当地土壤酸化特征进行调查、研究并形成针对性的治理技术[75-77]。刘颖[78]研究发现，黑龙江农田土壤酸化原因是偏施氮肥、大豆连作，因此研发了平衡施肥、增施有机物料和生理碱性肥、种植耐酸植物三项治理技术。王宁等[79]通过多点位长期监测及土壤大数据库结合定位试验，探明偏施化学氮肥是南方农田土壤酸化的主要因素，贡献占66%以上，同时针对性提出控酸氮用量减施技术、有机肥阻控技术、石灰精准施用降酸关键技术等。而西南地区土壤致酸原因主要是偏施氮肥和强烈淋溶，其主要影响因子是土壤钙与黏粒含量，其中Ca的影响最大, 贡献率达到79%[80]。因此，治理西南丘陵山地土壤酸化问题可按照“增钙调肥”思路，围绕“石灰类酸化改良剂”、“测土配方施肥”、“化肥有机肥混合施肥”、“保护性耕作”等技术措施构建改良技术体系。但石灰类酸化改良剂作为核心改良工具仍有不少问题，亚表层酸度改良不佳、易造成土壤板结、持效性较差、抑制微生物活性、改良机制不清、造成磷钾缺乏[13,81]。因此，建议未来研究重点方向为：1)开展改良剂调酸机制研究；2)研究改良剂对作物生长、土壤质量、环境污染、土壤生物圈的长期影响及技术经济效应；3)研究石灰类酸化改良剂造成磷钾缺乏机制与改良技术；4)全土层土壤酸化改良技术。

现有研究成果多集中在事后调酸，而在调控预防、定量化预测方面仍显薄弱。因此，在未来针对西南丘陵山地酸化治理研究中，应加强玉米酸害阈值测定、土壤酸性缓冲能力评价等方面的研究。此外，酸土改良的最终目的是促进玉米根系对水肥高效吸收利用进而实现高产。但目前针对土壤酸化改良对根系发育、根域环境及根土互作过程、土壤中水肥运移规律的影响方面的研究不足。

4.2 土壤养分库容扩增研究

治理西南丘陵山地土壤养分库容低的关键在于解决耕层浅化问题和提升土壤有机质含量。因为耕层浅化并不会独立发生，而是随着耕作层整体结构破坏而发生，并且构建合理耕层结构过程中就能有效打破坚硬的犁底层，创造疏松深厚的耕作层[82]。此外，构建合理耕层与提升土壤有机质之间并非独立不相关的，两者互为因果。由此可见，解决西南丘陵山地土壤养分库容低的问题关键在于构建合理耕层。

构建合理耕层需对什么是合理耕层、合理耕层的决定因素是什么、怎么构建合理耕层三个科学问题进行系统研究，目前对于前两个科学问题还未形成定论。从土壤学和耕作力学两个角度来看，土壤学学者从土壤内部理化性与土壤结构关系角度出发，认为合理耕层应具有虚实相间、腐殖质含量丰富、储水量大、团聚体含量高的特点[83-84]。评价核心指标为孔隙度、有机质含量、耕层厚度等；耕作力学学者则从人、农机活动与土壤结构演化关系出发，认为合理耕层应具有良好的力稳性及单个团聚体良好的物理状态[85]。评价核心指标为土粒结合能、土壤回弹指数、土壤应力传递系数等[33,86]。两个方向各有优势，前者将土壤与作物作为整体，从宏观尺度构建了合理耕层构建理论，形成了可推广的耕层改造技术体系。后者则侧重于机理研究，从微观尺度构建出适宜土壤耕作分析的应力小波模型，并从机理上解释清楚了人、农机活动造成土壤结构破坏及耕层浅化的根本原因，并提出评价土壤抵抗结构破坏能力的试验调查方法与分析工具[87,99]。

对如何构建合理耕层，土壤学学者根据地形、气候、土壤等条件不同，提出了各地不同的构建技术体系。韩晓增等[88]为解决黑土地耕层浅化建立了“秸秆深混耕层扩容”“熟土心土混层二元补亏增肥”“黑土心土混层三元补亏调盈”技术体系。为解决甘肃盐碱地盐重、贫瘠、耕层浅化等问题，魏野畴等[89]建立了“深翻浅改”耕层构建技术、盐碱地改良培肥增产技术等。而目前还没有专门针对西南丘陵山地耕层构建的研究，当前研究成果主要着眼于解决秸秆焚烧与还田利用率低、土壤侵蚀污染严重、生态功能破坏等现实环境问题，并在此基础上探索相关技术对土壤保肥持水性能的影响。刘骁蒨等[90]建立了秸秆还田水稻、小麦、油菜养分均衡调控与高效均衡施肥技术、稻草还田化感作用对小麦生长的影响及解毒技术等秸秆高效还田利用技术，显著降低了农户秸秆还田成本以及秸秆焚烧事件发生率，并实现节肥培土。杨占彪等[91]针对紫色土水土与养分流失、村落污染突出等问题，开发出“与环境友好的坡地养分管理技术”“村落污水生态净化技术”等技术，实现了化肥用量大幅降低、地表径流和壤中流养分流失显著控制，并优化了土壤耕层结构。

目前，针对耕层构建的研究成果很丰富，但仍无法清晰解释耕层构建技术塑造合理耕层结构的内在机理，也无法回答耕层结构在多大程度上具有稳定性，同时也不能对具有发生耕层浅化趋势的土壤做出精确诊断。因此，在未来的研究中将耕作力学研究方法、理论工具融入土壤学耕层构造技术体系就成为必然发展方向。

4.3 土壤供水不足与季节性干旱胁迫治理研究

西南季节性干旱日益严重、区域集中降雨导致水土流失这两个现象看似矛盾，却是导致玉米土壤质量下降及绿色高效生产的两大制约因素。已有学者为解决这些问题构建起相应技术体系。黄宜祥等[92]建议融合适雨播种、选育耐旱品种、有机肥调控、构建大群体、地膜秸秆覆盖、喷施抗蒸腾剂六大技术，构建起四川省玉米适雨栽培模式。刘永红等[93]在西南开展多年、多点的联合研究，通过膜侧栽培、适雨播种、主导玉米杂交种筛选等具有针对性的区域化研究，形成雨养旱作、水肥耦合、一次性施肥等技术。该技术合计推广应用168万hm2，实现玉米增产128.8万t，节本增收25.08亿元。针对广西玉米高温高湿与季节性干旱并存问题，王兴亚等[94]研发了“激素调控水氮耦合技术”“水分-氮肥-水信号-激素-关键酶干旱预警技术”等技术显著提升了水肥利用效率，实现玉米增产与节水减肥双效益。为解决雷州半岛地区因降雨不均和红壤持水能力差造成的季节性干旱严重的问题，罗锡文等[95]将现代农艺节水、工程节水和管理节水等技术进行有机组装集成，形成了由抗旱作物品种筛选和繁育、作物抗旱栽培技术、深松保墒耕作技术、节水灌溉技术、抗旱专用肥、废水利用和土壤旱情监测预报等组成的综合节水技术体系，该技术体系显著促进了水土资源的有效利用，并在广西、湖南等地推广面积达48万hm2，合计新增直接经济效益11.680 38亿元，节本3.694 2亿元。虽然相关技术对缓解南方季节性干旱危害发挥了积极作用，但目前在“作物绿色高效用水理论”“集雨补灌技术理论”等基础性研究板块仍相对薄弱。因此，建议未来研究重点为季节性缺水与农业水资源配置利用、玉米绿色高效用水、集雨补灌理论与工程技术等方面。