耕地质量对耕地生产力的影响

姜玉琴，谢先进，黄 达

（1浚县土壤肥料工作站，河南 鹤壁 458000；2河南省土壤肥料站，郑州 450000）

0 引言

耕地作为植物生长的载体，是宝贵的农业资源和重要的生产资料。然而随着社会经济的发展，人口快速增长与土地资源迅速萎缩之间的差距越来越大[1-2]，尤其中国工业化和城镇化进程的快速推进，建设用地需求急剧增大，从而导致大量耕地被占用。“人多地少”的国情使得中国面临着巨大的粮食生产压力[3]。基于此，为保障农业生产用地，国家划定了十八亿亩耕地红线，并实施耕地占补平衡制度。然而在实际落实过程中，补充耕地多为质量较低的新开垦土地，加之农业生产中耕地的高强度利用以及不合理的农田管理措施使得中国耕地总体质量下降[4]。因此，耕地红线的概念已从耕地面积红线扩展为耕地面积与耕地质量的双重红线[5]。提高耕地质量、增强耕地粮食生产能力将是中国缓解耕地不足，保障粮食安全的关键途径[6-7]。耕地质量不仅关系到国家粮食安全，而且关系到农产品安全和生态安全，是保障社会经济可持续发展的必要基础[8]。本文对耕地质量的概念以及耕地质量对耕地生产力的影响作用进行了探讨。

1 耕地质量的概念

“耕地”的英文表述为“arable land”、“farmland”或“cultivated land”，前二者比较接近中国国内的耕地概念，即耕地通常指用于种植农作物并经常耕耘的土地[9]。国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)规定耕地是种植农作物的土地，分为水田、水浇地和旱地三类。关于耕地质量的概念研究中没有统一的界定。狭义的耕地质量一般指耕地肥力，即耕地提供和协调农作物生长发育所需要的水分、养分、空气和热量的能力[10]。而在农业生产实际中，倾向于采用耕地产出能力来衡量耕地质量高低，所以耕地质量是一个外延十分宽泛的概念，需反映出某一区域的耕地综合生产力。奉婷等[11]认为耕地质量是耕地自然质量、耕地利用条件、耕地空间形态和耕地生态安全4 个方面的综合表现，其中耕地自然质量指由地形部位、土壤条件、灌排设施等因素影响下的耕地质量；耕地利用条件指道路通达度、耕作距离、耕作便利度等区位条件和耕作环境；耕地空间形态指田块规整度和连片度；耕地生态安全指耕地周边生态系统稳定性和生态风险性。赵春雨和朱永恒[12]从人类发展需求的角度定义耕地质量，认为“耕地质量是满足人们生态和生产需求的耕地状况和条件”。刘友兆等[13]指出耕地质量是构成耕地的各种自然因素和环境条件状况的总和，包括耕地生产能力、耕地环境状况和耕地产品质量3 个方面。李丹等[14]将耕地质量划分为3部分：本底质量、健康质量和经济质量，其中本底质量为构成耕地质量的自然属性；健康质量为耕地的环境属性，即衡量耕地质量系统能否满足可持续发展、人类健康发展和生态发展的需要；经济质量为耕地质量的区位属性，即衡量经济发展对耕地所产生的影响。国家标准《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)中规定，耕地质量包括耕地地力和土壤健康状况2部分，其中耕地地力为“在当前管理水平下，由土壤立地条件、自然属性等相关要素构成的耕地生产能力”；土壤健康状况指“土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力，用清洁程度、生物多样性表示”。还有研究指出耕地质量是耕地环境条件（地形地貌、气候等）、耕地肥力、耕地健康状况（土壤有害物质对人或其他生物所产生的影响程度）和农田基础设施水平（灌溉、排水、防护等设施建设情况）等综合构成的耕地生产能力[4,6]。显然，关于耕地质量的概念，不同研究之间存在很多共同点，涵盖的内容基本一致，只是定义的角度和侧重点有所差异，即不同的研究视角所选择的耕地质量指标不同[15]。

综合以上研究成果，可以认为，耕地质量是耕地在众多影响因素共同作用下所呈现出来的耕地生产水平，其内涵涉及广泛，本研究将其归纳为三个方面。一是耕地环境，即耕地所处的外部自然条件如气候、地形等；二是耕地土壤属性，即耕地土壤本身所具有的属性特点，如土壤类型、土壤质地、耕层结构、土壤肥力、土壤健康等；三是耕地管理水平，即人为活动使得耕地所表现出来的质量水平。而人为因素又可大致分为两个方向：一是灌溉、施肥、耕作、栽培等农田管理措施；二是政策制定、资金投入、产业发展等政府行为。当然，一个地区的经济社会发展程度也间接影响着耕地质量。

研究耕地质量的目的和意义在于增强耕地生产力。耕地生产力是指耕地粮食产出能力，可界定为一定地域、一定时期内，由自然因素、技术水平和社会经济条件所决定的最大粮食产量产出能力，而粮食产量是耕地的实际粮食生产能力，其高低反映了耕地生产力大小[16-17]。虽然耕地质量的内涵得到了丰富，表征耕地质量的指标有多种，但是研究中的重点仍然在于耕地土壤属性，可能在于耕地本身的土壤属性处于稳定状态，易于定量化。本文从土壤类型和土壤质地、土壤肥力和耕层结构几个方面归纳概括耕地质量对耕地生产力的影响作用。

2 土壤类型和土壤质地对耕地生产力的影响

土类是土壤分类学高级分类的基本单元。不同土类的成土过程不同，相应的土层结构、理化性质等不同，对外界影响因素的反映程度不同，本身存在明显的空间变异性，所以在不同土壤类型条件下，作物的生长发育具有差异性。王群等[18]采用微区桶栽试验研究了不同土壤类型条件下玉米生长对紧实胁迫的响应，结果表明，不同土壤类型之间玉米根系生长、养分吸收及籽粒产量均存在较大差异。王浩等[19]指出不同土壤类型之间小麦穗数、千粒重和产量变异较大，变化趋势为砂姜黑土＞潮土＞褐土＞棕壤。冯国忠等[20]研究发现在吉林省春玉米连作体系，黑土玉米平均产量8623 kg/hm2，年际间产量变异系数13.4%；风砂土玉米平均产量5911 kg/hm2，年际间产量变异系数59.1%，产量和稳定性均明显低于黑土。孔宇等[21]比较了白浆土和草甸黑土条件下水稻的氮素利用状况，结果显示，白浆土水稻氮吸收总量和氮利用率高于草甸黑土，但是籽粒含氮量、氮偏生产率低于草甸黑土。董鲁浩等[22]通过研究长期定位试验（19 年）发现，在褐潮土上，施用化肥对小麦的增产潜力明显高于红壤。黄晓婷等[23]研究表明，冬小麦、夏玉米植株氮、磷、钾积累量在不施肥条件下变化趋势为中壤潮土＞砂姜黑土＞黄褐土＞砂壤潮土，然而肥料利用效率则呈完全相反趋势，即不同土壤类型的基础生产力有所差异，且基础生产力愈高，土壤养分供应能力愈强，但肥料利用效率愈低。还有研究指出，中国黑土对产量的耕地地力贡献率为63%，水稻土为54%，红壤为41.7%[24-27]。

土壤质地分为砂土、壤土、黏土三大类。研究中关于土壤质地的影响效应较为明确统一，总体以壤土为最优。砂土质地较粗，透气透水性强但保水保肥性能弱；黏土则相反；壤土界于砂土和黏土之间，水肥气热条件相对协调。研究指出土壤质地能够影响小麦氮素的吸收、积累、转运和利用，其氮吸收量、氮积累量、氮利用效率、产量表现为壤土＞黏土＞砂土[28-30]。张泽等[31-32]指出土壤质地影响了棉花氮素分配和根系分布，不同器官氮含量变化有所不同，如蕾、叶全氮含量表现为砂土＞壤土＞黏土，茎、铃全氮含量表现为壤土＞砂土＞黏土；0～20 cm 土层棉花根长密度在花期前砂土＞黏土＞壤土，在花期后砂土＞壤土＞黏土；20～40 cm土层根长密度则均为壤土＞黏土＞砂土。贾立华等[33]研究发现，与黏土相比，砂土和壤土条件下，花生各生育期根系干物质和深层土壤根系量显著增加；此外，花生有效果数、荚果数和籽仁产量均表现为壤土＞砂土＞黏土。不同作物产量对不同质地的响应不同，可能取决于作物根系对不同质地的响应不同。

3 土壤肥力对耕地生产力的影响

传统的土壤肥力主要指土壤向植物供应养分的性能，随着土壤学的不断发展，土壤肥力概念的外延不断扩大；评价土壤肥力的指标也从最初的土壤养分指标逐渐发展为土壤物理、化学、生物、环境等综合性指标[34]。其中土壤养分含量和土壤容重是两项典型的表征土壤肥力的指标，研究最多应用最广。

3.1 土壤养分含量

很多研究指出，土壤有机质和速效养分含量与产量呈极显著正相关关系[35-38]。Qiu等[39]通过建立模型指出，在中国土壤有机碳含量每增加1 g/kg，则东北区玉米产量增加176 kg/hm2，北部小麦-玉米轮作区产量增加454 kg/hm2，西北区玉米增产328 kg/hm2，中南区单季稻增加185 kg/hm2，东部双季稻增加266 kg/hm2，西南部小麦-水稻轮作区产量增加229 kg/hm2。有研究指出，作物产量与土壤有机质含量之间不是简单的线性关系，即作物产量随着土壤有机质含量增加呈现正态分布[40]。土壤有机质含量存在低阈值和高阈值，低于低阈值说明土壤生产力非常低，而高于高阈值，则不利于产量增加[41]。赵克静等[42]研究发现黑龙江春小麦产量在土壤有机质含量为80～90 g/kg时达到最高，低于或者高于这个范围，产量下降。陈渊[43]指出，东北农田黑土土壤有机质含量与小麦产量之间的阈值受到氮肥使用量的影响，最佳范围约在72.4～76.0 g/kg，低于或者高于这个范围，小麦产量降低。段英华等[44]的研究表明在西北灌淤土，土壤全氮含量处于0.4～1.0 g/kg 范围时，全氮含量每增加0.1 g/kg，小麦增产率提高41.3%、玉米增产率提高48.5%；而当土壤全氮含量处于1.1～1.5 g/kg范围时，全氮含量每增加0.1 g/kg，水稻增产率提高34.2%。

土壤养分含量决定了土壤地力高低，而土壤地力对作物产量的形成具有较大贡献。黄少辉等[45]应用边界线法分析了冀中南麦区基础地力贡献率，研究指出土壤有机质、pH、碱解氮、速效钾、有效磷对基础地力的贡献率分别为16.6%、10.9%、10.5%、4.1%、2.9%，而基础地力对冬小麦产量的贡献率平均为71.1%。汤勇华和黄耀[46]指出中国小麦产量的地力贡献率为43.06%，玉米为51.06%，水稻为61.93%。梁涛等[47]依托四川盆地474 个水稻田长期定位试验，分析了水稻产量对基础地力和肥料的响应，结果显示：基础地力对水稻产量的贡献率为67.4%～75.9%，肥料对产量的贡献率为24.1%～32.6%，土壤氮、磷、钾养分对产量的平均贡献率分别为78.2%、88.8%、90.8%。马常宝等[48]指出潮土区土壤地力对小麦产量的平均贡献率为51.4%，对玉米产量的贡献率为54.0%。唐旭等[49]通过研究水稻-大麦轮作体系18 年定位试验指出，土壤地力对大麦和水稻产量的贡献率分别为69%和75%。英国洛桑和美国奥科哈马州立大学试验站的长期定位试验显示，在不施肥条件下，作物产量可以维持在稳定状态[48,50]。类似地，Kunzova 和Hejcman[51-52]指出，土壤为高肥力时，不施肥50 年后，作物产量仍可保持增加。在施用化肥的背景下，土壤基础肥力和肥料投入共同决定了土壤养分供应能力[53]，其中土壤肥力对作物产量的贡献率虽然会因为不同区域、不同作物、不同种植方式等因素呈现出较大差异，但是整体维持在较高水平，说明土壤肥力对产量的影响作用无法替代。

3.2 土壤容重

土壤容重作为表征土壤肥力的一项重要物理性指标，其大小与土壤孔隙状况、保水特性、有机质含量、土壤养分含量和迁移等密切相关[54-56]，对作物根系生长和产量变化有着重要影响作用。土壤容重过大或者过小均不利于作物的正常生长发育[57-58]，其存在一个最佳适宜范围。邹晓霞等[59]研究指出，土壤容重在1.2～1.3 g/cm3范围最有利于花生根系生长和维持较好的根系形态。张亚如等[60-61]研究发现，0～20 cm土壤容重为1.2～1.3 g/cm3、20～40 cm土壤容重为1.3 g/cm3时最有利于花生对氮、磷、钾、钙等矿质营养元素的吸收以及光合作用提高和干物质积累。刘战东等[62]通过分析不同容重条件下冬小麦-夏玉米生长指标和产量变化指出，冬小麦最适土壤容重1.4 g/cm3，夏玉米最适土壤容重1.2 g/cm3。才晓玲和李志洪[63]指出土壤容重为1.2 g/cm3时，玉米根系吸收总表面积最大，可作为作物生长的适宜容重范围。郑存德等[64]的研究结果与之类似，即玉米根系生长的适宜土壤容重在1.2～1.3 g/cm3。曹立为[65]通过研究不同土壤容重梯度下大豆生长状况发现，随着土壤容重增加，大豆干物质重、氮磷钾含量和积累量呈现出先增加后下降的趋势，且在土壤容重为1.3 g/cm3时，大豆各产量构成因素指标最高。朱德峰等[66]认为水稻根系生长的适宜土壤容重为1.2 g/cm3。宋家祥和庄恒扬[67]指出棉花最适宜土壤容重为1.2～1.3 g/cm3。黄细田[68]研究认为当土壤容重＞1.4 g/cm3时，开始阻碍根系生长；土壤容重＞1.5 g/cm3时，严重阻碍根系生长。总结以上研究成果，可以认为耕地土壤容重最为适宜的范围在1.2～1.3 g/cm3，低于或者高于这个范围均不利于作物生长。

4 耕层结构对耕地生产力的影响

合理的耕层结构能够最大程度地蓄积水分养分，减少土壤水分养分流失并提高其利用效率，有效协调土壤水、肥、气、热状况，增强微生物活动和酶活性，促进根系生长，为植物生长发育营造良好的土壤环境，从而提升作物产量[69-74]。表征耕层结构合理性的指标有多种，耕层深度是其中一项非常重要的物理性指标[75]。耕层深度决定了土壤水、肥、气、热容量的大小[76]，对维持土壤质量和生产力至关重要[77-78]。以往的研究一致表明，较厚的表土具有较好的土壤理化和生物特性。厚耕层较浅耕层具有较高的饱和导水率、吸水率、稳定的渗透速率和田间饱和导水率[79-80]。据王维忠和李明金[81]测定，耕层每加深1 cm，1 hm2耕地可多容纳60 t 水，土壤含水量在土层15 cm 处增加3%，20 cm处增加6%。Guzman 和Al-Kaisi[80]发现在草原系统黄土，较厚的表层土壤水分入渗率明显高于中、薄表层土壤。Syaharudin等[82-83]研究表明，与薄耕层相比(＜27 cm)，厚耕层(＞27 cm)土壤容重减小、饱和导水率升高、土壤含水量和土壤有机质含量增加。Yu 等[84]发现较厚耕层能够增强微生物活性及增加微生物丰度。韩上等[85]指出，在原始耕层基础上，人为削减5 cm耕层土壤，玉米-小麦轮作体系作物产量降低5.61%，N、P2O5、K2O积累量分别下降了8.31%、5.65%、18.38%；而人为增加5 cm耕层土壤对作物产量和养分积累未产生显著影响，但明显增加了土壤养分含量。总之，加厚耕层能够有效提升土壤养分容纳能力，不仅满足了作物生长发育对养分的需求，而且减少了养分流失，节约了资源。还有研究指出耕层厚度对作物产量的贡献率要大于土壤有机质和某些土壤养分含量[86-87]。

5 结论与展望

耕地土壤属性为耕地质量的核心内容，其变化直接关系着耕地生产力，通过提升耕地质量来增强耕地生产力有其重要性和必须性。然而，目前关于耕地质量的研究整体处于初步探讨阶段，缺乏系统性和综合性，应根据不同区域特点，因地制宜筛选出合理的表征指标，建立相应的评价体系，进一步判定耕地质量水平，尤其需要确定影响耕地生产力的最大限制性指标，并以此为基础提出科学的、有针对性的耕地质量提升措施，进而增强耕地生产力。