主要作用及提升措施

主要作用及提升措施_2014年论文集

土壤有机质概述、主要作用及提升措施

孟远夺　李　荣　杨　帆　崔　勇　董　燕　孙　钊

（全国农业技术推广服务中心　北京　100125）

摘　要：土壤有机质是土壤可持续利用的核心物质，与土壤肥力提升、农业可持续发展、生态环境保护等关系密切。本文搜集前人研究成果，概述了土壤有机质的定义、来源、组成和转化过程。从全球碳平衡、对污染物的消解角度论述了土壤有机质的环境效应，从提供植物所需养分、改良土壤理化性质、调节植物生长、增强土壤缓冲性、促进微生物活动、提高农产品品质等方面总结了土壤有机质的多种作用。提出了增施有机肥、种植绿肥、秸秆还田、合理耕作等可有效增加土壤有机质的方法和措施。并针对我国土壤现状，提出了在增加土壤有机质方面存在的问题和建议。

关键词：土壤有机质　土壤改良　有机质提升　综述

The Summary, Main Functions and Improving Measures of Soil Organic Matter

Meng Yuanduo, Li Rong, Yang Fan, Cui Yong, Dong Yan, Sun Zhao

(National Agro-Tech Extension and Service Center, Beijing, 100125)

Abstract: Soil organic matter was the core of the soil sustainable utilization, which had close relationship with soil fertility improvement, agricultural sustainable development and the protection of the ecological environment.This paper collected the research production, summarized the definition, source, constitution and the conversion process of soil organic matter(SOM).In this paper, we discussed the environmental effect of SOM by the global carbon balance and dispelling contaminants.In addition, we summarized the multiple functions of SOM.For example: providing nutrients for plants, improving soil physical and chemical properties, regulating plant growth, heightening soil buffering, promoting microbial activity, improving the quality of agricultural products, and so on.According to the practical application, we listed some feasible methods and measures to increase SOM, for example: increasing organic fertilizer application, planting green manure crops, returning straw, performing rational tillage, and so on.According to soil present situation in our country, we proposed some problems and suggestions in increasing SOM.

Key words: soil organic matter; soil amendment; improving measures of SOM; review

土壤是陆地生态系统的核心，连接着大气圈、水圈、生物圈和岩石圈，是五大圈层相互作用的纽带和物质循环的“中转站”。土壤有机质(Soil Organic Mater，COM)是土壤固相的重要组成部分，尽管它的含量只占土壤总量的很小一部分(通常0～5%)，但它对土壤肥力、农林业可持续发展以及环境保护等方面都有着极其重要的意义。土壤有机质在养分供给、土壤理化性质的改善以及防止土壤侵蚀等方面的作用巨大[1]，直接决定着土壤肥力水平，进而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低[2]。

土壤有机质是土壤可持续利用的核心，有机质数量的耗竭和质量的恶化可直接导致土壤生态功能的衰退。土壤有机质的动态不仅关系到全球气候变化，而且对农业可持续发展的影响也日益深入[3]。土壤有机质组成和各种反馈机制复杂，受人类活动影响大，所以土壤有机质总量的微量变化就可以导致大气CO2浓度的急剧变化[4]，以温室效应的形式影响全球气候，进而影响陆地生态系统，尤其是农田生态系统的结构和功能。

1　土壤有机质概述

1.1　土壤有机质的概念

从18世纪80年代开始，土壤中的一类黑色物质引起了人们的广泛关注，随着对其化学组成和结构研究的深入，最后被定名为土壤腐殖质。土壤腐殖质是动、植物残体在微生物作用下经分解、合成的一类深色、难分解、大分子有机物质。到20世纪60年代，国际上对土壤有机质的研究主要集中在对腐殖质元素组成、功能团结构和性质等方面的研究，由于腐殖质化的时间尺度在百年以上，另外腐殖质的组成复杂，功能团结构和种类众多，因此并没有找到具体的物质可以指示土壤的肥力状况。近30年来，土壤有机质的研究得到重视，国内外科学家共同认识到土壤有机质在农业生产和环境保护中的重要性，对有机质的概念有了进一步的发展。从衡量土壤有机质储量和广义的角度来看，土壤有机质是指以各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质，包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。狭义地说，土壤有机质是指有机残体经微生物作用形成的一类特殊的、复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物的总称。

1.2 有机质的来源和组成

土壤类型不同，土壤有机质含量差别较大。典型的草原土壤表层有机质含量可达5%～6%，砂土则少于1%，热带土壤则以有机质含量低著称。根据第二次土壤普查的结果，我国农业土壤耕层有机质含量平均为1.98%。从地区来看，华北地区农田土壤有机质含量大都在1%左右，西北地区则大多低于1%，南方水田土壤的有机质含量变动于1.5%～3.5%之间，东北的黑土有机质含量可高达8%～10%。一般把有机质含量超过20%的土壤称为有机土壤，而小于20%者称为矿质土壤。

土壤有机质的来源主要包括微生物、植物、动物和人类活动。微生物是土壤有机质最原始的来源，在土壤形成的最初阶段为土壤有机质的主要来源。植物来源是现代土壤有机质的最终来源，植物枯枝落叶、死亡根系和根系分泌物维持了土壤源源不断新鲜有机质的输入。生长良好的草原植被每年可以向土壤提供约375 t/hm2的有机残体，阔叶林也可以提供几吨的有机物。土壤动物(如昆虫、土鼠、蚯蚓等)残体及排泄物质也是土壤有机物质的重要来源。在农业土壤中，土壤有机质的主要来源是作物凋落物和根茬、还田的秸秆、人为施入的有机肥和绿肥等。

土壤有机质的组成十分复杂，性质各异，大致可分为腐殖质部分和非腐殖质部分。其中腐殖物质约占土壤有机质的60%～80%，非腐殖质是指土壤中的一般有机化合物，包括可溶性糖、多糖类、木质素、脂肪、树脂、蜡质等(表1)。

表1　土壤有机质的构成(以C计)

注：摘自Stevenson，1982。

根据腐殖质在酸或碱中的溶解性将其分为富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素。富里酸可溶于水、酸、碱，颜色最浅，呈淡黄色，分子量最低，主要由碳、氢、氧和氮等元素构成，碳氢比值较低，芳香核的聚合度较小，官能团中酚羟基和甲氧基的数目比较多。胡敏酸是土壤中溶于稀碱而不溶于稀酸的棕褐色的天然有机高分子(分子量400～100000之间)化合物，主要由碳、氢、氧、氮等元素组成，碳氢比值高，其分子结构中的芳香环、杂环等化合物通过碳链或键桥连接成疏松的网状，芳化度高而解离度小，稳定性强。胡敏酸分子边缘的羧基、酚羟基、甲氧基、酰胺基等官能团决定了其酸度、吸收量以及与无机物形成有机-无机复合物的能力，对土壤结构的形成起着重要作用。胡敏素是与土壤矿物质结合最紧密、分子量最高的腐殖质组分，水、酸、碱都不溶，颜色最深，呈黑色，性质不活泼，是一种惰性的腐殖质，可以在土壤中存在千年以上。通常用胡敏酸与富里酸含量的比值(HA/FA值)来表示土壤腐殖质成份变异的指标。一般我国北方的土壤，特别干旱区与半干旱区的土壤腐殖质以胡敏酸为主，HA/FA值比大于1.0，而在温暖潮湿的南方酸性土壤中，以富里酸为主，HA/FA值比一般小于1；在同一地区，水稻土腐殖质的HA/FA值比大于旱地，熟化程度高的土壤HA/FA值比较高。土壤有机质的组成决定于进入土壤的有机物质的组成。进入土壤的有机物质的组成相当复杂，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，动植物残体主要由有机化合物、碳水化合物、木质素、蛋白质、树脂、蜡质等组成。在土壤中，有机质以新鲜的动、植物残体，半分解的动、植物残体和腐殖质等形式存在，其中腐殖质是除未分解的动、植物组织和土壤生命体等以外的土壤中有机化合物的总称，是在微生物作用下，有机物质经分解、合成等一系列过程形成的一种褐色或暗褐色的高分子胶体物质，是有机质存在的稳定形态。从元素组成来看，土壤有机质主要由C、H、O、N等基本的元素组成，其中C和N分别占52%～58%、3.7%～4.1%，碳氮比(C/N)介于10～12之间，另外还有少量的P和S等元素。

1.3　土壤有机质的转化

1.3.1　土壤有机质的矿化作用(Mineralization)

有机物质进入土壤后，在微生物的作用下分解成水和CO2，并释放出其中的矿质养分和能量的过程称为有机质的矿化。实际上就是微生物将复杂有机物分解为简单无机化合物(CO2、H2O及矿质养分)和能量的过程。有机物料经一年的腐解后残留的腐殖质数量，与一年前施入土壤的有机物质数量的比值，称为该种有机物料的腐殖化系数(humification coefficient)。进入土壤中的有机残体经过一年降解后，2/3以上的有机质以CO2的形式损失掉，残留在土壤中的部分不到1/3，植物根系在土壤中的年残留量比其地上部分稍高一些。不同有机物料的腐殖化系数差异很大，麦秆、玉米秆在不同地区测得的腐殖化系数平均为0.30，其地下部分测得的相应数值为0.45(表2)。每年土壤中新加入的新鲜有机残体会促进原有有机质的降解，这种矿化作用称之为新鲜有机物对土壤有机质分解的激发作用(priming effect)，激发效应可以加速土壤微生物量碳(微生物体内的碳)的周转和土壤原有有机质的分解。通常情况下，微生物生物量的增加超过分解的腐殖质量，因此净效应表现为土壤有机质增加。

表2　农田土壤中主要有机物料的腐殖化系数

注：摘自沈善敏著，《中国土壤肥力》(1998)。

微生物是土壤有机质矿化和周转的主要驱动力，因此，凡是能影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机物质的分解和转化。这些因素主要包括：土壤生物组成及活性，有机残体的组成及状态，有机残体的C/N和C/P，有机残体的理化性状，土壤水、热、气、pH等条件。

1.3.2　土壤腐殖化过程(Soil humification)

土壤腐殖质的形成过程称为腐殖化作用，腐殖化作用是一系列极端复杂过程的总称，其中主要是微生物为主导的生物和生物化学过程，还有一些纯化学反应。土壤腐质化过程一般可以分为三个阶段，第一阶段是动植物残体分解产生简单的有机碳化合物；第二阶段是通过微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞；第三阶段是通过微生物合成的多酚和醌或者来自植物的类木质素，聚合形成高分子多聚化合物，即腐殖质。腐殖化过程就是将有机物质从简单到复杂，从不稳定到稳定的物质转化过程，在这个过程中，有机质被长期稳定地储存到土壤中。

2　土壤有机质的作用

2.1　土壤有机质的环境效应

2.1.1　土壤有机质对全球碳平衡的影响

土壤有机质中的碳是全球碳循环(carbon cycle)过程中重要的一部分，在维持全球碳平衡过程中的作用巨大[5]。如图1所示，绿色植物和自养微生物利用太阳能及其他形式的化学能，吸收大气中的CO2，将其转化为贮存能量的有机化合物，人类及动物从植物中获取物质和能量，并将死亡组织和排泄物返回土壤，微生物分解这些物质，释放其中的养分后，将一部分碳转化为稳定的土壤腐殖质，一部分以CO2形式释放到大气中，再次供植物吸收，这个过程就是碳循环。

图1　碳循环流程图

Fig.1 The flow chart of carbon cycle

土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库。据估计，全球土壤有机质的总碳量约为1.5×1012 吨[6]，超过植物碳库(5.5～8.0×1011吨)和大气碳库(7.5×1011吨)[7]之和，其中农田土壤贮存的碳占土壤总碳贮量的8%～10%[8]。土壤有机质矿化分解和植物光合作用吸收之间平衡关系的微小差异，就会导致大气中CO2浓度的积累或亏欠[9]。每年因土壤有机物质生物分解释放到大气的总碳量为6.8×1010吨[10]，是每年化石燃料燃烧释放到大气中碳的11.3倍。可见，土壤有机质的损失可导致全球温室效应的加剧，相反，土壤有机质的固定，增加土壤有机质含量不仅可以维持农业可持续发展，而且能有效缓解全球温室效应。

2.1.2　土壤有机质对重金属污染、有机污染的影响

重金属在土壤中的积累不仅影响着植物、动物的生长和发育，而且通过食物链进入人体，对人类的健康和生存构成威胁。我国现今已有1/5左右的耕地受到不同程度的重金属污染，造成粮食减产，更严重的是大约18.5%的农产品重金属含量超过我国食物卫生标准[11]。有机质可与土壤中的重金属元素形成络合物、螯合物来影响土壤中重金属的移动性及其生物有效性。首先，有机质加入土壤中能改变土壤对重金属元素的吸附作用。天然有机质是一种有效的吸附剂，能极大地降低重金属离子的活度[12]。施用有机肥后，土壤有效态镉(Cd)含量显著降低，降幅约为40%[13]。McBride等[14]的研究表明，天然有机质是一种有效的吸附剂，能极大地降低离子的活度。土壤有机质是复杂的有机化合物，含有大量的络合、螯合等活性官能团，能通过络合、螯合作用以及有机质大分子的吸附作用，形成有机质-金属配合物[15]。除此之外，部分有机质在土壤环境中以可溶性的络合剂形式存在，他们通过与土壤中的重金属离子之间的交换、吸附、络合、螯合、絮凝、氧化还原等一系列反应，改变重金属的生物毒性和迁移转化规律[16]。其次，土壤中有机质的氧化还原作用，改变土壤中重金属元素的化学形态，降低毒性。胡敏酸可作为还原剂将剧毒的Cr6+还原为低毒的Cr3+，Cr3+可与胡敏酸上的羧基形成稳定的复合体，从而限制动植物对其的吸收。Kalbitz等[17]对土壤有效态重金属含量与土壤有机质进行了相关分析，表明土壤有机质含量与有效态Hg、Cr、Cu、As的浓度成负相关，说明增加有机质可以降低重金属的生物有效性，降低重金属的环境风险。

我国每年的农药使用量达几十万吨，约80%的农药直接进入我们周围的环境中，这其中绝大多数可以在土壤中形成结合残留，其结合残留量一般占使用量的20%～70%[18]，另一部分进入大气、农田水系和生活食用水系，带来更多的环境生态问题[19]。土壤有机质是固定农药的最重要的土壤组成成分，其对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。一般认为极性有机农药可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子和水桥等与土壤有机质结合。对于非极性有机农药可以通过分隔机制与之结合，因为腐殖质分子中既有极性亲水基团，又有非极性的疏水基团。土壤有机质对农药有强烈的亲和力，对农药在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要的影响。可溶性腐殖质能增加农药从土壤向地下水的迁移，富里酸有较低的分子质量和较高的酸度，比胡敏素溶解度大，能更有效地迁移农药和其他有机物质。腐殖质还能作为还原剂而改变农药的结构，这种改变因腐殖质中羧基、酚羟基、醇羟基、杂环、半醌等的存在而加强。一些有机有毒化合物与腐殖质结合后，其毒性降低或损失。在土壤中施入水溶性有机质(DOM)能增加溶解度较小的农药在土壤中的吸附量，其原因可能是土壤从DOM溶液中吸附了一些有机质，增加了土壤有机质浓度，从而增加土壤对农药的吸附量[20]。

2.2　有机质对土壤肥力的作用

土壤有机质含量是土壤肥力水平的一项重要指标，对土壤肥力的影响是多方面的，它对土壤养分供应、理化性状、生态功能等都有重要影响，提高土壤有机质含量是土壤培肥的重要内容。目前，我国部分地区有机肥施用不足，各种增加土壤有机质的措施没有得到广泛推广，在长期的高强度利用下，土壤有机质含量下降较大，造成土壤肥力下降和土壤退化。因此，合理地提高土壤有机质含量对于维持和提高耕地地力，保持农业可持续发展有重要意义。

2.2.1　提供作物需要的各种养分，提高肥料利用率

土壤有机质几乎包括作物所需的各种营养元素(氮、磷、硫、微量元素等)，大量资料表明，我国主要土壤表土中大约80%以上的氮、20%～76%的磷以有机态结合态存在，在大多数非石灰性土壤中，有机态硫占全硫的75%～95%。这些都是有机态的养分，作物不能直接吸收利用，随着土壤有机质的逐步矿化，这些养分都可以转化为简单的无机态形式被作物和微生物吸收利用。据估计，土壤有机质的分解、微生物和根系呼吸作用所产生的CO2每年可达1.35×1011吨，和陆地植物的需求量相当，因此，土壤有机质的矿化分解产生的CO2是大气中CO2的主要来源，也是植物碳素营养的主要来源。此外，有机质在转化过程中产生的多种有机酸和腐殖酸对土壤矿物质有一定的溶解能力，可以促使矿物风化，有利于某些养料的有效化。例如，可以增加矿物质磷、钾的溶解度，从而提高土壤磷、钾的活性，还可以络合或螯合土壤中的Cu、Zn等金属元素，防止生成沉淀，从而提高其有效性。

土壤有机质不仅可以提供作物所需的各种养分，还可以提高氮磷钾等养分的利用率。土壤中的氮和磷元素以有机形态存在于土壤有机质中，只有经过矿化作用才能释放而被作物吸收利用，当人工施入速效态氮肥和磷肥后，有机质可以防止氮肥的流失和磷肥的固定，作物和微生物能有较长的时间利用这些速效态的养分，因此可以提高氮肥和磷肥的利用率。有研究表明，施用有机肥可以显著提高作物对土壤磷素和钾素的吸收率[有效磷(钾)/全磷(钾)]，进而提高磷、钾肥的利用率[21]。苏红[22]等对新民市菜园土的研究指出，土壤有机质与各速效养分含量变化均表现为正相关性，土壤有机质含量是制约土壤养分有效性的关键因素。土壤腐殖质可以促进胶体表面吸附态钾离子的解离，所带的正电荷也可以交换结合态的钾，另外腐殖酸可以活化矿物结合态的钾，以利于作物对钾的吸收利用。对海南典型胡椒园0～40 cm土层养分的相关性的研究结果表明：土壤有机质与碱解氮、速效钾、有效铜、有效硫呈极显著正相关，与交换性钙呈显著正相关[23]。

2.2.2　促进团粒结构形成，改良土壤物理状况

土壤腐殖质是一种胶体，其黏结力和黏着力都大于砂粒，施于砂粒土壤后能增加砂土的粘性，可促进团粒结构的形成。另一方面，由于它松软、絮状、多孔，而黏结力又不如黏粒强，所以黏粒被它包被后，易形成散碎的团粒，使土壤变得比较松软而不再结成硬块。因此，土壤有机质能改变砂土的分散无结构状态和黏土的坚韧大块结构，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境有所改善。

土壤有机质作为胶结物质可以促进土壤团聚体的形成，团聚体对有机质的物理、化学保护作用又可以稳定土壤有机质，防止有机质快速矿化分解[24]。Tisdall和Oades[25]提出的团聚体层次性概念模型是理解团聚体-有机质相互作用最重要的模型之一。该模型认为微团聚体形成大团聚体过程中，腐殖化的有机质等持久性胶结剂将自由的原生颗粒和粉粒级团聚体(＜20 μm)胶结成微团聚体(20～250 μm)，大团聚体(＞250 μm)则是由微团聚体在临时的(如：真菌丝、植物根系)和短暂的(如：微生物和植物分泌的多糖)有机胶结剂结合而成。团聚体具有保证和协调土壤的水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、维持和稳定土壤疏松熟化层的作用[26]。

腐殖质能明显加深土壤颜色，使土壤升温快。同时，腐殖质的热容量比空气、矿物质大，比水小，导热率居中。因此，在同样日照条件下，有机质含量较多，其土温相对较高，利于保温和春播作物的早发速长。

2.2.3　调节植物生理活性，促进作物生长

腐植酸被证明是一类植物生理活性物质，在一定浓度下，它能提高细胞渗透压，从而增强作物的抗旱能力，腐植酸钠是某些抗旱剂的主要成分。腐殖质能提高过氧化酶的活性，从而加速种子发芽，增强根系活力，促进作物生长。低浓度的腐植酸溶液还可以加强植物的呼吸作用，增加细胞膜的透性，提高其对养分的吸收能力，并加速细胞分裂，增强根系发育。同时有机质中的维生素和一些激素能促进植物的生长发育。

2.2.4　增强土壤的保水保肥能力和缓冲性

腐殖质疏松多孔，又是亲水胶体，有很强的吸水能力，单位质量腐殖质的持水量是黏粒矿物的4～5倍，最大吸水量可超过本身质量的500%，所以腐殖质含量高的土壤保水能力较强。单位质量腐殖质保存阳离子养分的能力比矿物质胶体大2～30倍。在矿质土壤中腐殖质对阳离子吸附量的贡献占20%～30%，在保肥力很弱的砂性土壤中腐殖质的这一作用显得尤为突出。因此在砂性土壤上增施有机肥以提高其腐殖质含量后不仅增多了土壤中养料含量，改善了砂土的物理性质，还能提高其保水保肥能力。

腐殖酸是一种含有许多酸性功能团的弱酸，腐殖酸和其盐类可组成缓冲体系，此外，土壤中还存在多种低分子有机酸，在土壤溶液中构成一个良好的缓冲体系，可以缓冲土壤溶液中外来的H+、OH-和其他酸碱物质，为作物生长创造一个良好的酸碱环境。所以，在提高土壤腐殖质的同时，还提高了土壤对酸碱度变化的缓冲性能。

2.2.5　促进土壤动物和微生物的活动

所谓土壤动物，是指一段时间内定期在土壤中度过，而对土壤具有一定影响的动物[27]。主要分为土壤原生动物和土壤后生动物，原生动物是一类单细胞动物，结构简单、数量多、分布广，常见的原生动物有变形虫、纤毛虫等：后生动物个体较大，主要有蚯蚓、线虫、螨虫等。土壤动物以土壤有机质(包括腐殖物质和非腐殖物质)或其他生物为食[28]，因此，许多研究表明土壤有机质含量与土壤动物的数量成正相关关系。有机质能促进土壤动物自身的代谢、生殖等活动，土壤动物也可通过直接和间接途径影响有机质的分解过程。

土壤微生物主要指在土壤生态系统中体积小于5×10-6 m3的生物体的总称，包括细菌、真菌、放线菌、病毒和小型藻类。土壤有机质是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源，土壤微生物生物量随着有机质含量的增加而增加，两者具有极显著的正相关[29]。有机质的C/N影响着不同微生物类群的活性，有研究表明，C/N较高的木质素和纤维素可以刺激真菌的繁殖，加速此类物质的分解矿化，C/N较低的腐殖质等可以促进细菌的活性，加速腐殖质化过程。

2.2.6　补充植物碳素营养，提高农产品品质

碳素是组成植物体的主要物质，但植物只能从土壤中吸收很少一部分的简单有机物，如：氨基酸、单糖等，植物体绝大部分的碳通过植物光合作用从环境中吸收。土壤呼吸(未受扰动土壤中产生CO2的所有代谢作用，包括土壤有机质的分解、土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸、土壤动物的呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用等[30])释放的CO2可以补充植物的碳素营养，美国的研究证实，在全球变暖和大气CO2浓度增加的条件下，植被的生长速度加快，使土壤有机质增加，从而增加碳汇[31]。各种植被类型的土壤呼吸都有明显的日动态、季节动态和年动态变化规律，土壤呼吸的最大值多出现在每天的13:00～15:00，与土壤温度最大值同步，滞后于大气温度最大值，特定条件下，土壤呼吸随土壤温度的升高而升高[32]。土壤呼吸春夏季大于秋冬季，土壤呼吸最高值出现在每年的6～8月份[33]，较高的温度条件下，植物生理活动加速，土壤微生物活性增强，有机质矿化加剧，排放的CO2增加，这部分CO2可以直接被植物吸收利用。总的来说，植物碳营养与光合作用同步，与较高的水热条件同步。

目前，在土壤有机质提升项目的大力推动下，增施有机肥、秸秆还田和种植绿肥等增加土壤有机质的措施得到推广，较多有机物质的输入可引起土壤呼吸加速，排放CO2的量增加。据有关部门测定，亩施5000 kg有机肥，可使温室内部空间的CO2浓度比未施有机肥的温室增加50%～150%。这样农作物处在一个CO2浓度相对高的环境中，在其他条件适宜的情况下，较高的CO2浓度可以促进作物光合作用[34]，提高作物产量，因此，土壤有机质间接为作物提供了碳素营养。温室、大棚作物施用二氧化碳气肥是以上理论的具体应用，它人为提高了作物生长环境中CO2浓度，是作物高效利用碳素，提高产量和品质的有效措施。对温室、大棚的农作物和蔬菜的研究均证明，施用二氧化碳气肥能补充室内CO2浓度的亏缺，提高作物光合作用利用率，增加有效积累，提高品质，增加产量，提高经济效益[35，36]。

施用有机肥，增加土壤有机质含量是提高农产品品质主要途径之一。20世纪60年代以来，随着人口膨胀，对粮食需求的迅速增加，我国农田有机肥施用量逐渐减少，化肥施用量快速增加，导致土壤板结，肥力下降，而且污染了环境，降低了农产品品质[37]。近年来，随着人们生活水平的提高，对农产品质量及安全性要求也逐步提高，施用有机肥可以实现农产品优质与高产的相互协调。首先，有机肥可以提供稳定、持续的养分，协调的养分供应可提高农产品品质。过量的施用化肥会使土壤中氮素急剧波动，过剩的速效氮导致农产品，尤其是蔬菜硝酸盐积累[38]，造成植物的营养失衡，甚至产生直接毒害作用[39]，硝酸盐进入人体后被还原为亚硝酸盐，进一步形成强致癌物亚硝胺，影响人体健康。氮过量还导致可溶性糖、维生素减少，氨基酸、木质素、纤维素和多酚类物质增多，结晶度提高，果实的口感差[40]。而氮素缺乏同样影响植物正常的生长，在以化肥为主的栽培制度下，在作物生育期内可能出现多次氮素过剩和缺乏的现象。有机肥稳定和持续的养分释放，可以和作物的生理需求和谐同步，确保了作物营养代谢协调平衡，提高了作物的自身免疫能力，减少了作物的应激反应产物和有害物质的积累，促进了作物繁殖器官及其储藏性产物的富集，从而实现抗逆、增产、增质的目标。其次，施用有机肥可以克服连作障碍，抑制有害病原菌，减少作物病害。有机肥施入土壤后，其中的无机盐类可直接抑制病原菌，微生物有机肥还可以拮抗土壤中的有害菌群，增加有益微生物的种群数量，克服由于连作作物分泌的特定物质导致土壤微生物区系失衡和对植物的毒害作用[41]。大量研究表明，微生物有机肥对黄瓜枯萎病[42]、香蕉枯萎病[43]、番茄根结线虫[44]、棉花黄萎病[45]等病害防治效果显著，可以减少作物发病率，提高农产品品质。再次，有机肥含有大量的生物活性物质和微量元素，可以促进作物生长、代谢等生理活动。施用有机肥可提高土壤中转化酶、蛋白酶、淀粉酶、蔗糖酶、磷酸酶、脱氢酶、ATP酶等多种酶的活性，还可以促进微生物合成维生素B1、B6、B12、生物素和生长素，有利于作物生长[46]。

3　提高土壤有机质含量的措施

自然土壤开垦为耕地后，有机物质输入与分解之间的动态平衡被打破，耕作等农业措施常使表层土壤充分混合，干湿交替的频率和强度增加，土壤通气性状况良好，适宜的水分条件和养分供应也促使微生物更为活跃，导致土壤有机质的分解速度加快。资料表明：开垦20年后东北黑土的土壤有机质含量下降1/3，在开垦40年后土壤有机质减少到原来的1/2左右，开垦70～80年的黑土有机质下降2/3左右[47]。土壤有机质含量降低导致土壤生产力下降已成为世界各国关注的问题。我国人多地少，复种指数高，土壤有机质下降尤为明显，维持较高土壤有机质含量是我国农业可持续发展的一个重要保障。

增加土壤有机质需遵循生态平衡原则和经济原则。土壤有机质含量是土壤矿化作用与腐殖化作用等综合作用的结果，取决于土壤腐殖化系数和矿化系数的高低，要增加土壤中的有机质就必须使土壤有机质积累量大于有机质降解量，使有机质转化的平衡过程向有机质含量提高的方向移动。但土壤有机质含量提高是个十分缓慢的过程，而且加入土壤中的有机物质越多，矿化作用就越强。土壤有机质含量的提高是有上限的，超量增施有机肥等增加土壤有机质的方法是不现实也是不经济的。在一定条件下，随加入有机质的增多，土壤微生物的数量也增加，分解的有机质相应也多，造成养分的浪费，地下水硝酸盐超标等问题。二十世纪九十年代，《欧共体硝酸盐控制法令》的颁布使得西欧等发达国家致力于消减耕地中施用的粪便量(表3)，该法令规定今后土地施用粪便的含氮量不超过170 kg/hm2(每亩为11.3 kg)。随后，荷兰等国家提出了标准牛当量的概念，即：1头标准成年牛一年排放的粪尿所供给农作物吸收的氮量[48]。因此，根据《法令》的要求，结合粪便中氮(或磷)的养分含量和标准牛当量折算成牛(或猪)的数量，也就是每年单位面积耕地土壤可容纳牛(或猪)的数量[49]。这些量都有不断减少的趋势，目的在于既经济又环保地施用畜禽粪尿等有机废弃物。杨自立[50]等提出了我国全年耕地畜禽粪尿肥分适宜量控制在氮素150～225 kg/ hm2(每亩10～15 kg)，磷素75～120 kg/hm2(每亩5～8 kg)。

表3　欧洲国家农田施用畜禽粪便的规定

注：摘自杨自立等，《耕地的畜禽粪尿肥分负荷量及其折算方法》。

3.1　增施有机肥

增施有机肥是增加土壤有机质最有效、最直接的方法。据2006年对26个省有机肥料资源调查，我国每年各种有机肥料总产量达33亿吨左右，折合成纯养分3600多万吨，是投入化肥养分的80%[51]。随着农业和畜牧业的发展，有机肥的数量和质量会有很大的提高，有机肥资源是提高土壤有机质，促进农业可持续发展的物质保障。目前，商品有机肥在我国处于主导地位，它主要是指将动物废弃物、植物残体等经过堆肥(添加菌剂)、搅拌发酵、加工造粒、包装等工艺加工而成的新型肥料，它与化肥配合使用，可以达到相互补充，平衡施肥的目的，具有养分均衡，肥效持久，安全无污染等特点。有机肥在提高肥料利用率，增加作物产量、改善农产品品质、提高微生物活性，抑制土传病害、增强作物抗逆性、促进作物早熟等方面的作用显著，是发展生态农业的一个重要内容。

有机肥料施入土壤后，首先改善了土壤的结构，使土壤容重减小，通透性增强，团聚体形成加速，提高了土壤保水、保肥和通透性，为植物生长创造良好的土壤环境：其次，良好的结构促进了土壤微生物和酶活性增强，有利于提高土壤缓冲性和抗逆性，为作物生长提供了良好的根际微环境。相关研究表明，9年单施有机肥52.5～105吨/公顷，土壤有机质提高1.24～1.86 g/kg，容重降低0.04～0.06 g/cm2，总孔隙度提高1.5%～2.3%，毛管孔隙度提高3.45%～4.05%，田间持水量提高1.13%～1.31%。土壤理化性质的改善和生物活性的增强，使土壤水、肥、气、热得以协调，更好地满足作物生长的需要。

3.2　种植绿肥

绿肥是指所有能翻耕到土壤中作为肥料用的绿色植物，它是利用大量存在的闲置土地生产优质有机肥料的一种方式，对改良和培肥土壤，提高耕地质量，减少化肥投入，改善农产品品质等方面作用显著，是作物高产优质的坚实基础[52]，也是低碳种植业乃至低碳农业的核心环节。绿肥按植物学科可分为豆科绿肥和非豆科绿肥，豆科绿肥根部有根瘤，能固定空气中的氮素，如紫云英、苕子、豌豆、豇豆等：非豆科绿肥指一切没有根瘤的，本身不能固定空气中氮素的植物，如油菜、茹菜、金光菊等。绿肥是我国传统的重要有机肥料之一，绿肥来源广，数量大，肥效好，成本低，效益大，综合利用可以改良土壤，保护环境。

绿肥施入土壤后的作用全面、持久，可以为土壤提供丰富的养分。绿肥的养分含量以占干物重的百分率计，氮(N)为2%～4%，磷(P2O5)为0.2%～0.6%，钾(K2O)为1%～4%，豆科绿肥作物还能把不能直接利用的氮气固定转化为可被作物吸收利用的氮素养分。绿肥翻压入土壤后，在微生物的作用下进行复杂的分解矿化作用，将自身的氮、磷、钾等元素归还到土壤中，为作物提供充足的矿质元素。绿肥还可以改善土壤的物理化学性状[53，54]。绿肥翻入土壤后，在微生物的作用下分解转化，形成的腐殖质能促进土壤胶结成团粒结构，有团粒结构的土壤疏松、透气，保水保肥力强，调节水、肥、气、热的性能好，有利于作物生长。绿肥还可以促进土壤微生物的活动。绿肥施入土壤后，增加了新鲜有机能源物质，使微生物迅速繁殖，活动增强，促进腐殖化过程。

绿肥施入可以提高和改善土壤有机质，提高有机无机复合量，尤以绿肥配施无机肥最为显著。绿肥还田后，土壤有机质有一个总体上升的趋势，绿肥还田后一个月内土壤有机质有一个快速增加的过程，随后开始下降，约1个月后下降到一个低点，然后又出现一个稳定增加并逐渐趋向稳定过程[55]。有研究表明，长期施用绿肥等有机肥能提高土壤松结态腐殖质、稳结态腐殖质以及紧结态腐殖质含量，富里酸和胡敏酸的含量均相应增加，其中，富里酸在腐殖质中的比例降低，胡敏酸在腐殖质中的比例提高[56，57]。

3.3　秸秆还田

秸秆因含有一定的氮、磷、钾等多种元素，同时富含大量的纤维素、木质素和蛋白质等有机物质而一直受到农业科学工作者的高度关注，人们在秸秆还田的技术、作用以及产生的问题等方面进行了大量研究。早期研究表明[58]，秸秆还田对于改善土壤结构、提高土壤有机质等具有重要作用，因此许多国家已将秸秆还田作为农业生产中土壤改良培肥的一项有效措施。我国秸秆资源丰富，据不完全统计，2009年我国秸秆年产量约7.89亿吨，约占全世界的40%，但目前这些秸秆除小部分用作燃料、造纸、畜牧饲料外，大部分秸秆被就地焚烧，还田率较低，仅占总产量的1/4，因此在我国推广秸秆还田技术潜力巨大。秸秆还田可以有效遏制秸秆就地焚烧，对保护环境、建设低碳农业意义重大。

目前，我国秸秆还田的主要方式包括：直接还田、堆沤还田、过腹还田、快速腐熟还田和秸秆免耕还田等。直接还田是将作物秸秆通过机械粉碎、翻压、覆盖等方式归还农田，秸秆直接还田可分为翻压还田和覆盖还田两种方式。在华北地区秸秆主要是通过机械粉碎还田，长江中下游地区主要通过地表铺盖或陇间覆盖还田，华南地区一部分地区通过残茬覆盖还田。随着秸秆还田技术的不断发展，秸秆快速腐熟技术和免耕秸秆还田技术发展迅速，示范效果良好，具有广阔的推广应用前景。快速腐熟还田是在堆沤还田的基础上，通过加入秸秆快速腐熟剂，加速秸秆的腐熟速度和腐熟质量，可以缩短秸秆腐熟还田时间5～10天，有效解决了在农时茬口短的地区秸秆焚烧问题。免耕秸秆还田技术不翻耕土壤，直接在上茬作物的土壤上播种，上茬作物的秸秆通过自然条件分解腐熟，具有提高耕地有机质、保护土壤墒情、提高地温、降低杂草等功能。

秸秆还田可以改善土壤结构。秸秆还田具有良好的改土培肥、改善土壤结构、增加0.05～0.25 mm粗粒级团聚体含量的作用[59]，土壤结构是调控土壤物理、生物过程和土壤有机质分布的重要因素之一，李小刚等[60]在土壤中添加玉米、小麦秸秆后进行室内恒温培养，3个月后测定土壤粘粒分散率，结果表明粘粒分散性减小，土壤结构趋于稳定。李新举等[61，62]对秸秆覆盖和秸秆翻压还田进行了比较研究，结果表明无论是秸秆覆盖还是秸秆翻压还田都能增加土壤孔隙度、减少土壤容重。孔隙度的增加可以提高土壤保水性，秸秆施入降低土温，破坏毛管水连续性，减少水分散失。

秸秆还田可以有效增加土壤有机质含量。对小麦秸秆还田的研究表明，秸秆还田各处理的有机碳含量都高于无秸秆还田处理，麦秆还田和根茬还田均可提高土壤中有机质的储量[63，64]。秸秆还田增加有机质的效果在南方水田更为显著，陈尚洪等[65]的试验表明，在一年两熟水旱轮作条件下连续的秸秆还田提高了土壤有机质含量，且秸秆还田旋耕比免耕的效果更为明显。段华平等[66]的研究同样表明，秸秆还田处理比无秸秆还田处理稻田土壤有机碳含量平均提高了14.01%，耕作层(0～20 cm)土壤碳密度平均提高了9.18%，并指出适当的耕作可提高土壤有机碳含量和耕作层有机碳密度。

秸秆还田可以为作物提供钾素，缓解我国钾肥资源紧张的局面。中国钾资源贫乏，土壤缺钾和施钾增产的报道逐渐增多，农业生产实践中钾肥的施用也逐渐增多[67]。土壤钾的存在形态、含量分布及其植物有效性是决定土壤供钾能力的重要因素[68]，面对日益严重的土壤缺钾问题，秸秆还田被认为是除钾肥以外的对土壤钾的有效补充手段。据统计，2008年我国秸秆还田总量48949万吨，其中直接还田23847万吨[69]。另据全国11个省(自治区)提供的大样本养分测定结果，水稻、小麦、玉米和大豆秸秆(烘干基)中平均含钾(纯钾)分别为1.89%、1.05%、1.18%和1.17%[70，71]，全国秸秆中含纯钾超过400万吨，按照中国农科院推荐计算方法，仅2009年有机质提升项目实施田块因秸秆还田平均每亩可减少钾肥用量0.182 kg(纯量)，共减少钾肥用量2184吨(纯量)。谭德水等[72]研究了13年秸秆还田对土壤钾素的影响，秸秆还田比NP处理可不同程度提高河北潮土和山西褐土耕层土水溶性钾、非特殊吸附钾、非交换性钾、矿物钾及全钾含量，且降低矿物钾比例的同时提高其余几种形态钾的比例。在我国北方13个省(市、自治区)的25个点上进行5年的秸秆还田试验结果表明，秸秆还田对作物吸钾量有提高作用，秸秆还田配施钾肥可以缓解土壤速效钾、缓效钾含量逐渐下降的趋势[73]。玉米秸秆还田促进了秸秆后期养分释放，加速有机态钾矿化分解，土壤速效钾含量提高12.62%～28.19%[74]。对南方乌栅土和红壤性水稻土秸秆还田的研究表明，长期秸秆还田可以增加土壤剖面全钾和速效钾的含量，以秸秆配施化肥处理的含量最高[75]。

提高秸秆还田的效果要注意秸秆还田量要适宜，并补充水分，增施速效氮肥。秸秆直接还田量一般以每亩100～150千克的干秸秆或350～500千克的湿秸秆为宜，过多的秸秆还田导致分解不完全而影响耕作。土壤墒情好，水分充足，才能保证微生物对秸秆的快速分解，秸秆还田后因土壤更加疏松，需水量更大，因此要早浇水、浇足水，为微生物活动创造一个合适的生态环境，以利于秸秆充分腐熟分解。水稻、小麦、玉米等禾本科作物秸秆的碳氮比为80～100∶1，而土壤微生物分解有机物适宜的碳氮比为25～30∶1，所以秸秆直接还田后需要补充适量的氮肥，以避免微生物分解秸秆的过程中与作物争夺土壤中的氮素与，影响作物正常生长。

3.4　保护性耕作

土壤保护性耕作(Conservation tillage)由美国CTIC定义为：指那种地表保持作物残茬覆盖30%以上，使土壤侵蚀减少50%的耕作-种植体系[76]。一般指那种与传统耕作相比能够减少土壤或水分损失的耕作体系[77]，包括少耕、免耕、覆盖耕作等。FAO又称这种保护性农业体系为“保护农业”，它是指由保持土壤覆盖，减少土壤翻动和压实，实行作物轮作等基本内容组成，采取土壤、水分和农业资源保护性管理措施，以增加农业生产的经济、生态和社会效益为目标，保障粮食安全及环境和资源保护的综合的可持续农业生产体系[78]。

土壤耕作引起的土壤有机质的大量损失已是不争的事实，土壤保护性耕作被特别强调作为一项有效的增加土壤有机质和减少农田CO2排放的措施而受到全球更广泛的关注[79]。经过二十多年的探索和试验，我国学者先后研究提出了陕北丘陵沟壑区坡地水土保护性耕作技术、山西旱地玉米整秸秆全程覆盖耕作技术、华北夏玉米免耕覆盖耕作技术以及机械化免耕覆盖技术、南方稻区稻田自然免耕技术等研究成果，并研发了适合我国国情的免耕播种机、深松机等不同系列的中小型保护性耕作机具，并在生产上推广应用，取得明显的生态、经济和社会效益[80～82]。

由于保护性耕作减少了对土壤的翻动，深层土壤接触空气的机会减少，土壤原有有机质的矿化分解减弱，土壤水分蒸发也相应减少，而且，残留于田间或另外覆盖于土壤之上的秸秆等有机物料的降解也使归还到土壤的有机质数量增多[83]。因此，保护性耕作可不同程度增加土壤有机质储量。保护性耕作影响土壤有机质的动态变化。少免耕使土壤不稳定有机质输入增加，流失减少，意味着土壤汇集碳增加，而损失到大气中的CO2减少。同时，免耕少耕使风雨对土壤的侵蚀作用降低，起到减少土壤有机质流失的作用。保护性耕作降低土壤表层温度，减少土壤水分蒸发，使水分和热量交换降低，提高土壤含水量，降低土壤透气性。在干热气候条件下，这些作用会增加土壤微生物活性，显著提高土壤微生物量及微生物种类，土壤微生物碳也相应提高，使更多的不稳定碳得以固定积累，减少由于矿化引起的损失[83，84]，从而使作物残茬更多的转化为土壤有机质、土壤微生物碳和可矿化碳。在0～5 cm土层，土壤有机质、土壤微生物碳和可矿化碳比传统耕作下的土壤高33%～125%，免耕与提高复种指数相结合，可更加有效地提高土壤有机质含量。采用保护性耕作后最显著的变化就是土壤结构的改变引起土壤团聚体数量的变化[85]。常规耕作下，土壤结构的破坏以及频繁的干湿循环[86]，使本来受到团聚体保护的土壤有机碳得以暴露，导致土壤中有机质矿化速率提高，加速了土壤有机质的分解释放。耕作强度的增加导致土壤中富含碳的大团聚体破坏加剧，形成大量有机质含量相对较低的小团聚体和游离有机质颗粒，而游离的有机质颗粒稳定性差，极易降解，从而引起土壤有机碳的损失。采用保护性耕作后，土壤各级水稳性团聚体增加，团聚体中的碳得到了保护，长期稳定的保存在土壤中。

4　问题与建议

近二十年来，随着耕地的减少，所需粮食的增加，对土壤的掠夺性索取加剧，加之化学肥料的大量使用导致土壤有机质含量下降，土壤退化严重。在这样的情况下，我国不断探索增加土壤有机质的技术措施，秸秆还田，种植绿肥，增施有机肥等项目得到了广泛的推广应用，土壤有机质提升效果明显，但是还存在一些问题。

4.1　农民认识不到位，积极性不高

土壤有机质提升是一项较长期的工作，项目实施较费工费时，短期内没有施用化肥的增产效果明显，农民还没有认识到提高土壤有机质长期的经济效益和环境效益，另外农村劳动力相对短缺和我国耕地使用权属的更迭等问题凸显，导致农民积极性不高，影响了项目实施。因此，各地要从提高耕地质量的重要性、科学性上加强宣传，树立典型，做好示范，加大对有机质提升项目的补贴力度，使农民真正地得到实惠，更要让农民真正感受到土壤有机质提升工作在改善农村环境、农业可持续发展、节约农业成本、增加农民收入和建设社会主义新农村中的重要作用，引导和鼓励农民积极参与。另外，要以家庭联产承包责任制为基础，加强农村土地的合法流转，形成规模化、集约化、现代化的农业经营模式，有利于土壤有机质提升工作的机械化、专业化、标准化。

4.2　技术、设备不配套，实施效果不理想

相对成熟的技术模式在推广过程中往往遇到设备不齐全而无法有效实施，现阶段农村生产力水平发展不均衡，一些地方相对比较落后，普遍缺乏收割、粉碎、旋耕、深翻、播种等大型农业机械，影响了实施效果。另外，一些新技术的推广应用受当地条件的限制而无法有效实施，例如秸秆腐熟还田技术依赖温度和水分，灌排设施不齐全的水田和旱地应用该技术可能引起腐熟时间长，腐熟不彻底等问题。因此，要加大科技投入，改革传统的有机肥施用方法，创新有机肥施用新技术，坚持走省工省力、效益明显、环境友好的新路子，抓紧完善秸秆还田实用技术和配套设备，加快研发高效的有机肥处理新技术、新工艺、新设备。

4.3　政策扶持力度不够，经费和补贴资金不到位

土壤有机质提升项目工作量大，涉及面广，费时费力，并且需要相应的配套技术和设备，项目推广费用高。另外，技术的推广需要大量的补贴资金才能保证推广的面积和效果。因此，各级政府要高度重视，在政策上给予鼓励，在经济上给予支持，提高对农民实施秸秆还田、增施农家肥和种植绿肥等的补贴额度。

4.4　有机肥料资源浪费严重，还田比例和利用率不高

目前，秸秆焚烧现象依然普遍，规模化养殖的畜禽粪便得不到及时处理，不仅造成了环境污染，而且浪费了宝贵的有机肥资源。即使秸秆和畜禽粪便等有机肥资源得到了进一步的加工处理，也存在着技术落后，成本较高，产品不达标等问题，还田比例和利用率和发达国家相比还有较大差距。因此，对于作物秸秆，一方面要依靠科技，研发秸秆快速腐熟微生物菌剂，加快秸秆快速腐熟还田技术的推广应用，另一方面要推广直接还田、堆沤还田等技术，提高还田比例，杜绝秸秆就地焚烧。对于畜禽粪便要因地制宜，加快建设有机肥、微生物有机肥等企业，变废为宝，充分利用。

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