亚热带丘陵区新垦耕地质量提升研究进展

童文彬，江建锋*，杨海峻，葛佳颖，祝伟东，方俊，张露华，柴彦君，贲倩丽，郑雪玉，李子川

(1.衢州市衢江区农业农村局，浙江 衢州 324022；2.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310020；3.浙江科技学院 环境与资源学院 浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江 杭州 310023；4.衢州市衢江区莲花镇人民政府，浙江 衢州 324019；5.衢州市衢江区云溪乡人民政府，浙江 衢州 324016)

进入21世纪以来，随着大量平地良田被用于工业化和城镇化发展，致使粮食生产空间被不断挤压[1]。为缓解这一矛盾，将撂荒地和具备开垦潜力的低缓丘陵开发成耕地被认为是保障耕地占补平衡和国内粮食安全的重要途径。我国亚热带丘陵区的城镇化进程导致大量平地水田被占为非农用，耕地占补平衡对象逐渐由将平坦撂荒地开垦为耕地向坡度较大丘陵区扩张的趋势[2-3]，导致许多丘陵区新垦耕地存在整地工程量大、垦造成本高、土层砂石含量较高和灌溉水匮乏等难题。以浙江省为例，通过充分挖掘可补充耕地潜力，仅“十三五”期间全省完成以水田为主的占补平衡新垦耕地面积超过3.3万hm2[4]。丘陵区新垦耕地在解决长期撂荒耕地生产利用、拓展粮食生产功能区集中连片以及扩增基础耕地数量等方面作用显著。在当前全球粮食安全不确定性不断增大的形势下，充分发掘这部分新垦耕地的粮食生产潜力是保障粮食安全与农业可持续发展的关键环节。

大量采样调查和文献分析发现，亚热带丘陵区新垦耕地普遍存在土壤有机质含量低、土壤质地黏重通透性差、灌溉成本高、漏水漏肥严重和稻田杂草难压制等耕种问题[5-7]。受上述诸多因素影响，大多数丘陵区新垦耕地的生产力仅为被占用农田的10%～30%，通常需要7～10 a甚至更长时间的持续改良培肥，才能达到被占用农田的生产力[8]。虽然新垦耕地地力提升和粮食增产的空间巨大，由于新垦耕地建设投入的社会经济和环境生态成本巨大，若不能快速和高效地转变为有效耕地，对农户耕种积极性造成极大打击的同时，还会导致大量资源投入上的浪费[9]。近年来，围绕丘陵区新垦耕地质量提升和土壤培肥的研究取得了长足的进展，同时也遇到一些新问题。本文基于当前亚热带丘陵区新垦耕地的特点与问题，综合分析了当前亚热带丘陵区新垦耕地地力提升技术的重要研究进展，同时结合作者在沼渣液资源化利用和绿肥还田方面的多年工作和研究经验，探讨新垦耕地质量提升技术的发展趋势，为亚热带丘陵区新垦耕地质量提升和土壤快速长效培肥模式构建提供科学依据。

1 亚热带丘陵区新垦耕地的特点与问题

1.1 新垦耕地的特点

亚热带丘陵区新垦耕地的坡度通常较大而需要大型机械进行深度挖填，其表层土壤主要由深层土壤和部分风化物质组成，部分土壤中还有未风化的花岗岩、玄武岩或泥页岩等石块[3，6]。这类新垦耕地土质砂性或黏重，土壤有机质和养分含量低，非常不利于耕种[3，5，7，10-12]。王道泽等[3]研究发现，机械平整的新垦耕地有机质和养分含量较人工平整的低，而容重较高。此外，与被占耕地相比，调查发现新垦稻田的土壤有机质、全氮和碱解氮含量不到常规稻田的一半，但速效钾含量高于常规稻田(表1)。同时现阶段的丘陵区新垦耕地土壤有机质以矿物结合态有机质为主，具有较弱的生物活性和养分释放能力[6，13]。使得其与常规农田有机质周转和养分循环差异巨大。整体而言，新垦耕地的土壤理化性质，尤其土壤容重、有机质和氮素含量和养分循环过程相比典型耕地差异巨大。

表1 不同类型新垦耕地与高山稻田和普通稻田土壤的基本理化性质特点

1.2 亚热带丘陵区新垦耕地的主要问题

以衢州地区为例，由于新垦耕地漏水漏肥严重，农户通常根据当地降水主要集中在6月至8月的特点，选择借以雨水灌溉的早稻作为主要稻作模式，通常在第一年依靠有机肥补贴的情况下，土壤条件较好的新垦稻田早稻产量能够超过4 500 kg·hm-2，但第二年若中断有机肥补贴和杂草控制失败，早稻的产量会骤降至2 250 kg·hm-2以下。这说明新垦耕地具有土壤供肥保肥能力差、作物产量波动大、杂草难压制和外源有机质降解潜势高等耕种难题。上述案例说明，新垦耕地需要制定新的灌溉制度、稻作制度和施肥习惯，以适应土壤肥力偏低和长期缺少田面水的局面。因此，由于缺少组织开展新垦耕地高产创建竞赛等活动，和鼓励农户在早稻收获后积极种植玉米或豆类等耐旱作物，加大农业复种补贴力度等措施，当地新垦耕地粮食生产面临较大的高成本风险。

此外，亚热带丘陵区新垦耕地的土壤肥力和矿物组成均和一般农田差异巨大。由于我国南方丘陵区新垦耕地主要是以平衡水稻田占补而开垦的，因此被核定用于水稻种植的新垦耕地面积占比超过80%。当前，亚热带丘陵区新垦耕地无论是用于水稻栽培还是用于旱地作物栽培，大多采用传统的水肥管理模式，并通过有机肥和化肥配施来解决土壤有机质偏低的问题。然而，由于丘陵区新垦耕地水肥条件波动幅度较大的特点，新垦耕地的作物生长节律相对传统的耕种模式的差异也较大，导致作物产量的提升空间受到极大的限制。此外，亚热带丘陵区新垦耕地通常地势较高且土壤持水能力较差，相比常规农田需要更高的灌溉输送成本和灌溉用水量。同时，新垦耕地的短中期漏水漏肥情况突出[14]，使得新垦耕地田面水难以维持较长时间，水稻分蘖因土层还原程度不够而受阻，间接增大了水稻播种量。综合而言，新垦耕地面临投入成本大、作物产量低和耕种收益率低等一系列问题，如果不能快速和长效地将这部分耕地转化为有效耕地，极易发生撂荒或转向非粮化用地[8，15]。

由于亚热带丘陵区新垦耕地植被长势普遍偏弱而导致表层土壤大面积裸露，结合其松散的土壤结构容易诱发水土流失等次生地质灾害[16]。伴随着新垦耕地作物产量普遍偏低的问题，将传统耕种模式甚至施用更多化肥到新垦耕地，一方面土壤氮磷等养分会随着地表径流和地下淋溶进入地表或地下水体中，增加新垦耕地周边发生农业面源污染的风险[17-18]；另一方面土壤氮素会经由地表氨挥发增加大气灰霾形成风险以及较高的氧化环境引发地下水中硝酸盐含量升高，造成巨大的环境健康风险[19-21]。除上述生态环境成本外，在亚热带地区气候变化日益剧烈的背景下，丘陵区新垦耕地作物抵抗干旱等极端气候变化的能力也远差于常规农田作物，极大地增大作物减产甚至绝收风险的同时还会削弱这部分耕地对粮食安全的有效贡献。

2 新垦耕地质量提升研究进展

早在21世纪初，亚热带丘陵区的新垦耕地土壤肥力低的问题就受到了极大的关注[22-23]，随后围绕新垦耕地肥力提升和土壤培肥问题开展了大量的调查和技术研究工作[3，5-6，10，24]。由于新垦耕地土壤除养分偏低和不平衡外还存在有机质偏低、容重较大和pH值偏酸性等问题，现有的新垦耕地培肥措施主要是有针对性地通过单独或联合使用矿物与合成类土壤调理剂、有机粪肥与生物质及其衍生物和种植绿肥等措施来实现土壤质量提升。

2.1 新垦耕地土壤有机质提升措施

鉴于丘陵区新垦耕地表层土壤有机质含量低以及以矿物结合态有机质为主的特点。因此，如何通过促进土壤有机质积累来提升土壤肥力是新垦耕地质量提升的关键指标。严建立等[7]通过对比14种土壤培肥措施发现，通过向新垦耕地土壤中添加泥炭和生物质炭对土壤有机质含量的增加效果最大，其次是商品有机肥、秸秆还田和种植紫云英。Li等[25]研究发现，添加商品有机肥、食用菌废渣和菜粕均能够大幅增加土壤有机质含量。王忠等[26]研究发现，冬绿肥联合秸秆还田基础上加施商品有机肥和食用菌废渣对新垦耕地有机质的增加幅度更大。单独通过秸秆还田措施对土壤有机质积累的贡献普遍低于商品有机肥和食用菌渣[27]。吕晓涵等[28]研究表明，黏土矿物改良剂能够大幅增加土壤中的有机质含量，但也有研究发现黏土矿物并不显著增加土壤有机质[7]。曲成闯等[29]针对红壤新垦耕地耕作层构建技术研究发现，木本泥炭或有机肥联合腐熟秸秆配施均能够大幅增加土壤的有机质含量。张莉等[13]研究发现，沼液和沼渣培肥新垦耕地均能显著增加土壤有机质含量。但也有研究发现，沼液对新垦耕地土壤有机质积累作用不显著[25]。研究表明，聚丙烯酰胺、β-环糊精、褐腐酸钾、蛭石、石灰粉等土壤改良剂对土壤有机质积累无显著贡献[7]。综上所述，新垦耕地添加泥炭、生物质炭、商品有机肥、食用菌废渣、菜粕和沼渣均能大幅增加土壤有机质含量，秸秆还田和种植绿肥对土壤有机质积累的作用缓慢，添加黏土矿物和沼液对新垦耕地土壤有机质积累的促进作用会因为土地利用方式、土壤母质和试验周期不同而存在研究结果上的不确定性。

2.2 新垦耕地酸性土壤pH值提升措施

亚热带丘陵区新垦耕地的土壤类型主要属红壤土类，土壤pH值<5.5的新垦耕地面积占比高达70%[5]。因此，丘陵区新垦酸性耕地土壤pH是耕地质量提升的重要指标。新垦耕地添加石灰粉和生物质炭均能显著提升土壤pH值[7]，此外添加沼渣和沼液显著增加酸性红壤新垦耕地土壤pH[13]。比较而言，聚丙烯酰胺、β-环糊精、褐腐酸钾、膨润土、泥炭、高岭石、硅藻土、蛭石、沸石等土壤调理剂对新垦耕地土壤pH值影响较弱[7，30]。秸秆还田、施用商品有机肥和种植绿肥对土壤pH值无显著影响[7，26-27]。然而，新垦耕地添加食用菌废渣、菜粕和羊粪可能会加剧土壤酸化[25，31]，施用时需要配合石灰粉或生物质炭，但也有研究发现，施用商品有机肥和食用菌废渣会显著增加土壤的pH值[25，32]。总体而言，石灰粉、生物质炭、沼渣和沼液在提升新垦耕地土壤pH值方面效果显著，是酸性新垦耕地土壤酸碱度改良的优良调理剂。

2.3 新垦耕地土壤物理性状的提升措施

鉴于亚热带丘陵区新垦耕地土壤孔隙结构差、容重高等问题是导致土壤水肥运移和作物根系生长受阻的主要障碍因子，改善土壤孔隙结构，降低土壤容重是新垦耕地肥力提升的关键环节。丘陵区新垦耕地中砂土、壤土和黏土的改良试验研究发现，添加聚丙烯酰胺、β-环糊精、褐腐酸对土壤水稳性团聚体、容重、饱和持水量、凋萎含水量和饱和导水率均有显著的改善作用[7]。新垦耕地添加膨润土、高岭石、硅藻土、蛭石、沸石等黏土矿物可显著增加土壤有机碳含量和水稳性团聚体质量分数，同时促进土壤矿物结合态有机质积累[7，28]。新垦耕地施加泥炭能够显著降低土壤容重，提升土壤的有机质含量、水稳性团聚体质量分数和持水量。商品有机肥、沼渣/沼液和秸秆还田均能够改善土壤孔隙结构，而种植绿肥对土壤有机质的积累和水稳性团聚体质量分数的增加作用缓慢[7]。鉴于不同改良剂在土壤肥力提升与结构改良方面的侧重点存在较大差异，前期需要根据新垦耕地土壤特征制定地力改良方案。同时，上述这些改良剂通常成本较高，尤其聚丙烯酰胺的使用还可能会引起土壤有机污染风险[32-33]，需要在方案制定和实施过程中充分考虑所选用改良剂对土壤健康的潜在不利影响。

2.4 新垦耕地质量提升的复合措施

通常，土壤改良剂的单独或配合施用都能够缓慢提升新垦耕地土壤有机质含量和土壤孔隙度，达到改良培肥的目的。然而，这些改良培肥措施通常需要20 a甚至50 a的时间才能达到完全培肥熟化的目标[6，34]。此外，这些培肥措施没有充分考虑新垦耕地表层土壤有机质是矿物结合态有机质为主的特征，以及有机物料添加是如何通过土壤颗粒态有机质—矿物结合态有机质—水稳态团聚体—土壤孔隙结构形成这一复合过程的主要规律。因此，相比新垦耕地单一的培肥措施，复合改良措施的应用在系统提升新垦耕地质量的同时，还可以加速土壤熟化过程，缩短丘陵区新垦耕地土壤发育进程。种植夏秋季豆类作物和冬闲绿肥既能够通过生物固氮过程提升土壤肥力，还可在冬季覆被新垦耕地，通过根系分泌大量有机酸加速土壤原生矿物风化进程。然而，根系分泌物的量和分子组成受土壤性质和土壤湿度的双重影响[35]。相比施用有机物料直接输入土壤有机质相比，种植绿肥对土壤有机质的积累和水稳性团聚体质量分数的增加作用缓慢[7]。因此，有机物料施加配合冬闲绿肥种植能够大幅增加土壤有机质和养分的积累，进而培肥新垦耕地土壤[26，36]。研究表明，有机肥与化肥配施，以及联合种植冬闲绿肥在快速提升新垦耕地肥力方面显著优于单独施用化肥或化肥与有机肥配施[26-27，36]。基于此，仍需要探索针对新垦耕地，尤其我国南方丘陵区占补平衡以水田为主的新垦稻田的新的耕种模式和水肥管理措施，如改传统漫灌模式为间歇沟灌、沼渣液替代化肥减量增效、有机无机肥配施和冬闲种植绿肥等模式维持冬季土壤的生物活性。

2.5 沼渣液和黑麦草协同培肥丘陵区新垦耕地土壤的前景分析

与有机肥相比，沼渣液中的细颗粒悬浮物可以随水流扩散到表层土壤，与土壤矿物颗粒充分接触，有利于微生物活动驱动的土壤矿物风化过程的进行[13]。沼渣液中还有相当含量无机还原性颗粒物(金属硫化物)[37]，在氧化条件下经微生物介导催化，能够与土壤矿物反应生成疏松的孔隙结构，促进土壤水稳性团聚体的形成[38-39]，进而减少新垦耕地耕种阻力。沼渣液的pH值通常在6.2～8.7[13，40]，总体偏弱碱性，长期施用能够提升酸性新垦耕地的土壤pH值[12-13]。黑麦草(LoliumperenneL.)属于禾本科黑麦草属一年生或多年生冷季型草本植物，是我国南方地区大面积栽培的优良牧草和水土保持的先锋植物[41]，具有根系生物量庞大的特点[42]。黑麦草根系具有分蘖能力强和耐贫瘠的特点，能够分泌大量胶结有机物质在根系周围形成水稳性团聚体[43-45]。此外，黑麦草根系分泌的大量低分子量有机酸、氨基酸等有机物质能够与土壤原生矿物发生相互作用，通过促进土壤次生矿物形成而极大地缩短土壤发育进程[43]。同时，黑麦草作为绿肥于次年春耕前粉碎还田，地上及根系的腐烂分解可以极大地补充新垦耕地的土壤有机物质和氮磷等元素[46]。此外，通过根系分泌物与土壤矿物作用，促进土壤风化的同时增加土壤矿物结合态有机质含量，通过翻耕粉碎还田增加土壤颗粒态有机质含量，继而改善土壤孔隙结构，促进土壤保水保肥能力提升[47]。因此，利用冬闲时间在新垦耕地播种黑麦草，能够提升新垦耕地土壤肥力和作物产量。

研究表明，浇灌沼渣液或沼液对黑麦草产量的影响存在很大的不确定性，既有研究发现浇灌沼渣液或沼液的黑麦草产量与施化肥相比并无显著变化[48-49]，同时也有研究表明浇灌沼渣液或沼液能够显著增加黑麦草产量和品质[50-51]，但会导致黑麦草根系生物量显著降低[50]。这可能跟黑麦草属于先锋植物，更习惯生长在地力较差和贫瘠的土壤中有关。新垦耕地作物季施用沼渣液配合冬闲期种植黑麦草的培肥模式，在解决了沼渣液的环境消纳问题的同时还减少了新垦耕地化肥投入量，通过冬闲期种植黑麦草以及连续的覆被植物强化新垦耕地养分循环利用和长时间保持土壤生物活性。此外，这一培肥模式的实施充分考虑了新垦耕地原生矿物占主体的土壤组成特征，通过持续大幅增加外源和耕地自身有机物料，尤其根系生物量的输入促进土壤原生矿物风化，协同增加土壤中颗粒态有机质和矿物结合态有机质的含量，因而有别于传统耕地质量提升技术在新垦耕地上的应用(图1)。这里，沼渣液提供的养分物质保证了作物地上和地下部分生长所需的基础肥力；地上部与根系生物量的大量输入，能够快速增加土壤有机碳库和有机氮库；同时，沼渣液中的有机颗粒物为耕作层提供了大量的有机质，能够有效降低新垦耕地土壤容重，继而提升土壤的通透气性。黑麦草的耐贫瘠性与冷季型生长特性，能够有效避免冬季土壤裸露和风蚀。综合而言，沼渣液作物季施用与冬闲期种植黑麦草，能够全年不间断地维持新垦耕地土壤-植物系统的物质转化与更新，通过促进土壤次生矿物的形成和增加有机碳、氮的积累，极大地缩短新垦耕地向基本农田甚至高标准农田转变的土壤熟化时间。

图1 作物季施用沼渣液与冬闲期种植黑麦草协同快速长效培肥新垦耕地土壤示意图

3 新垦耕地质量提升技术发展趋势

当前，在全球气候变化形势日益严峻的背景下，耕地垦造对当地生态系统碳循环有何影响同样受到极大的重视。有研究通过对比不同生态系统碳储量发现低缓丘陵的耕地垦造是一个碳损失过程，每公顷新垦耕地约造成8 t的碳损失[52]。但这一研究方法核算的碳损失忽略了表层凋落物和土壤有机质在垦造过程中被埋藏到耕地深部这一情况[53]。研究表明，随着有机碳埋藏深度的增加，有机碳的稳定性越高[54]，说明通过对比不同生态系统碳储量的方式可能高估了低缓丘陵区新垦耕地的有机碳损失量。此外，新垦耕地的土壤碳、氮的平均含量约为普通稻田的一半(表1)，意味着新垦耕地具有极大的增氮固碳空间。因此，相比常见的单一培肥模式，作物季施用沼渣液与冬闲期种植黑麦草协同培肥新垦耕地，不仅在快速长效培肥的同时保证新垦耕地作物高产稳产，还会因土壤有机碳的持续增加对垦造耕地造成的碳损失进行一定量的补偿。

由于传统的耕种模式极大地延滞耕作层的熟化进程。因此，如何缩短新垦耕地地力向标准农田甚至高标准农田转化的时间，直接关系复垦耕地工程成本投入能否转化为农田生产力和我国下阶段粮食安全环境的稳定。同时，对现阶段生产力较低的新垦耕地进行快速培肥，将会产生数百万t甚至千万t级的粮食增收潜力，这一潜力在中、低产田改造和高标准农田建设过程中经常被忽视。考虑到新垦耕地与中、低产田土壤在发育阶段和矿物组成方面差异极大，用于中、低产田土壤培肥的传统技术措施并不完全适用于新垦耕地质量与地力提升，需要针对新垦耕地探索新的快熟长效培肥模式。

综合而言，需要根据亚热带丘陵区新垦耕地的土壤特点，综合利用作物季施用沼渣液商品有机肥等土壤改良剂和冬闲期种植黑麦草的协同模式培肥新垦耕地，既为种养废弃物的资源化利用提供了新的应用场地，同时利用黑麦草的先锋植物特性(耐贫瘠性)达到减少新垦耕地水土流失的目标，继而改善新垦耕地的生态环境。这一模式的植物根系-土壤界面过程的可持续性是土壤生物物理过程的重要保障，在促进土壤孔隙结构形成和生态系统功能完善方面作用显著，能够极大地缩短新垦耕地由土壤贫瘠和作物低产向土壤健康和作物高产的转变时间。此外，新垦耕地施加生物质炭同样在改善土壤孔隙结构的同时增加土壤保肥保墒的能力。因此，生物质炭施加与作物季施用沼渣液与冬闲期种植黑麦草模式相结合将对快速长效提升新垦耕地土壤肥力提供新视角。

4 结论

总体而言，亚热带丘陵区新垦耕地普遍存在土壤有机质含量低、容重高和偏酸性的问题。许多传统的单一或复合培肥模式在单独或同时解决上述问题方面存在一些不足。在新垦耕地培肥方面，需要认识到新垦耕地现阶段以原生矿物和矿物结合态有机质占主导、土壤孔隙结构差和水肥运移障碍严重等特征，其改良培肥和土壤结构演化路径需要通过促进土壤原生矿物风化和次生矿物形成以及颗粒态有机质的积累，进而改善土壤有机质周转和孔隙结构，最终才能将其培育成符合一般农田标准的耕地。在此基础上，本文总结分析了新垦耕地土壤有机质和pH值提升，以及降低土壤容重和改善土壤结构方面的主要技术措施，并对沼渣液与黑麦草协同应用潜力进行了分析，为新垦耕地快速长效培肥增产和土壤固碳增汇提供科学支撑。