管理肥料，增进土壤健康（二）

导  读

导言：如何管理肥料，提高土壤健康？Bijay Singh博士和 John Ryan博士撰写的《Managing Fertilizers to Enhance Soil Health》可谓一本佳作。特翻译出来供大家参考。全文目录如下，将分四次推送，今天推送第二部分。翻译水平有限，敬请指正。

编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员、中国科协环境生态领域首席传播专家）

原题：Managing Fertilizers to Enhance Soil Health

作者：Bijay Singh and John Ryan

First edition， IFA， Paris， France， May 2015

Copyright 2015 IFA. All rights reserved

Part 2 刊载的部分目录

土壤健康和肥料使用

过量施肥：潜在的土壤健康恶化

肥料管理：土壤健康效应

氮肥：对土壤酸度的潜在贡献者

土壤健康和肥料使用

土壤的主要功能是提供足够的食物并保证人类健康。人们越来越意识到土壤与人类健康之间的直接联系，包括增强健康的元素，如氮(N)、磷（P）和锌（Zn），以及镉(Cd)和砷(As)等对人类健康有害的元素（Brevik和Burgess，2013年）。 “健康”的概念也适用于土壤，而这正是我们人类能够影响的东西。土壤以动态生态系统的形式支持着巨大的生命多样性。因此，当从整体上看，土壤健康的概念，就像人类健康的概念一样，并不难理解。

土壤质量(健康)被定义为土壤在生态系统和土地使用边界内发挥作用的能力，以维持生物生产力，维持环境质量，促进植物和动物健康（Doran和Parkin，1994）。从本质上讲，土壤健康和土壤质量是同义词。虽然基本的想法是以这样一种方式管理土壤，使其继续发挥不同的必要功能，而不使土壤本身退化或对环境产生不利影响，但有一些明显的复杂性使土壤健康的想法难以理解。根据Kibblewhite等人（2008年）的说法，健康的农业土壤能够支持食品和纤维的生产达到一定水平，质量足以满足人类的需求，并继续维持这些保持人类生活质量和保护生物多样性至关重要的功能。土壤健康是一种综合属性，反映了土壤对农业干预的反应能力。这一概念的内在特征是维持土壤质量，避免侵蚀和养分开采等过程，从而降低土壤质量。

在种植农作物的过程中，人类的干预措施已经改变了所有农业土壤的自然状态（Lal，2007）。最早的栽培方法基本上是用手在土壤表面刮来刮去，以便形成苗床。随着动物的牵引作用，扰动进一步增加，在现代重型机械的牵引作用下，扰动更加剧烈。在干旱地区，灌溉是对土壤的另一个主要外部影响。每一次人类的干预都不可避免地代表着原始土壤的性质和性质的重大变化，有时甚至是不可逆转的。在从原生土地到耕地的过渡期间，如何最大限度地减少这种变化的负面影响是关键。实际上，农业的历史上充满了文明因为未能最大限度地减少人类对土壤资源的影响而减弱或消失的例子。

在寻求提高食品和纤维的产量和质量的过程中，耕作和施肥等农业管理过程是影响农业土壤及其性质的主要因素。这些做法和投入补充或替代了生物功能，认为这些功能不足或效率低下，无法达到所需的生产水平。它扰乱了自然功能，可能影响其他生态系统服务的产出。例如，土壤 - 植物系统的营养物质泄漏可能导致地表水和地下水的退化以及污染饮用水供应。同样，精细的种床制备可能会增加土壤侵蚀和沉积物向溪流转移的风险，或导致地表水快速径流和洪水风险增加。因此，可持续农业的一个基本组成部分，正如土壤健康的定义所包含的，是平衡生态系统的功能，使农业生产的目标得以实现，而不损害目前和未来需要的其他生态系统功能。

无机肥料对土壤健康系统和生态系统功能的主要影响与其对初级生产力的影响有关。即使肥料施用量过多，其影响在于过程速率，而不是任何直接的毒性效应。尽管从体积上看，土壤有机质是土壤中相对较小的组分，但与土壤健康有关的最重要的土壤性质是土壤有机质，因为它对土壤的化学、物理和生物特性产生了深远的影响。施用肥料之后，肥料对作物产量的有效性立即显现出来。最初，使用无机肥料最重要的间接后果是相应减少了有机肥的使用量。阻碍动物粪肥的因素包括与在种植系统中粪肥相关供应量有限和能源成本例如运输和施用，以及质量参差不齐和养分含量低下。后来，由于供应增加以及它们在土壤健康和养分循环利用方面的作用，人们对肥料的兴趣增加。然而，在一些发展中国家，特别是在亚洲，由于动物粪便和作物残留物的供应有限，作物生产更多地依赖肥料。放牧做法，通常在在集体放牧中，从田间清除作物残茬；在某些情况下，这些残留物会被燃烧，以便为下一季作物腾出空间。在南亚，全球大约六分之一的化肥生产被消耗，相当大一部分动物粪便被用作家庭燃料，而不是用作农作物的肥料。

当肥料施用于土壤时，土壤健康也受到“低质量”或高C：N比率的有机投入和有机质分解速率增加的影响（Recous等，1995）。虽然一开始受到有机物质中低营养物浓度的限制，肥料的添加导致微生物分解活性增强，尽管在一些研究中添加无机氮对低氮植物的分解不起作用或甚至起抑制作用 (Hobbie， 2005)。然而，在作物生产中长期使用化肥会导致土壤有机质的积累（Ladha等，2011； Geiseller和Scow，2014）以及通过增加土壤凋落物和根系生物量来改善土壤健康。研究表明， 施用氮肥对土壤中的碳转化具有复杂的交互作用。

过量施肥：潜在的土壤健康恶化

通过结合生态系统过程和适当使用化肥，可以实现可持续的土壤健康管理系统，该系统能够在减少外部投入的同时产生更高的产量。图2显示了三个地点养分投入和产出的差异，这些地区代表了肥料的使用不足、过度使用和充分利用。肯尼亚西部的特点是氮磷的投入量低，与中国和美国的情况形成鲜明对比。肯尼亚基地的N输出量远远大于投入，导致大量养分枯竭或"土壤开采"，从而导致土壤健康长期退化。另一方面，中国高肥料养分投入大大超过养分产量，对环境造成巨大的养分损失风险。由于N和P的输入和输出几乎相似，美国中西部的土壤健康状况优于肯尼亚或中国的土壤健康状况。土壤质量受养分供应以及养分恶化环境的潜在影响。由于土壤代表了活性营养元素的主要储存库，因此它们的妥善管理对于解决全球粮食安全挑战以及最大限度地减少可能影响空气和水质的环境养分损失至关重要。对土壤健康的其他威胁是多种多样的（Velthof等，2011）：土壤压实、侵蚀、酸化、盐渍化、污染和有机物质下降，其中大部分可以导致氮和磷损失到水和空气中。

图2. 肯尼亚西部、中国华北和美国中西部农业土壤中N和P的农业投入和产出总额(数据来源: Vitousek等人,2009年)。

土壤含有植物、动物和人类所需的不同数量的营养物质。植物中几乎所有的营养成分都来自对根系土壤的养分的吸收，许多自然环境和农业生态系统中的初级生产受到养分供应的严重限制。在非洲、拉丁美洲和澳大利亚的大片地区，这种情况在高度风化和淋滤的土壤中尤其明显。土壤养分短缺导致作物产量低，收获作物的营养成分含量低；作物生产中营养浓度不理想可能导致动物和人类营养不良（Sanchez和Swaminathan，2005）。氮和磷元素通常是农业土壤中作物限产最多的养分。尽管许多低有机质含量的灌溉土壤可能在剖面中具有大部分无机形式的氮，但大多数氮不能直接被利用，因为它有机氮的形式存在。大多数磷以有机形态存在或以与铁和铝化合物，例如氧化物和氢氧化物。

土壤需要一定水平的植物可利用的氮和磷以及其他必需养分，以满足食物，饲料和纤维生产的土壤功能。然而，活性氮和磷的过量供应会威胁土壤质量，导致氨和氮氧化物排放到空气中，硝酸盐和磷会流失到水体中（Velthof等，2011）。活性氮和磷的过度投入对森林和自然植被下土壤和自然植被质量的影响远远大于农业土壤，因为收获的生物量中N和P的提取比从农业中减少得多（Velthof等， 2011）。因此，相对较小的活性氮和磷投入会导致森林和自然植被的过剩。此外，与森林和自然植被下的土壤不同，农业土壤是受管理的土壤，过度施用也会得到纠正。因此即使纠正并不总是具有成本效益。肥料磷过量投入导致土壤磷的积累，最终使土壤的吸附能力达到“饱和”的程度。土壤磷的积累会通过地表径流、侵蚀、地下浸出和排水等方式增加磷对地表水的损失。

在撒哈拉以南非洲地区以及其他一些发展中国家，土壤健康问题与土壤中的营养供应不足有关。这一问题有两个主要因素。首先，农业用地人口压力的增加导致传统做法的崩溃，导致养分外流大大增加。其次，一般而言，政策环境没有给予小农足够的支持，无法实施土壤和耕作做法，从而有可能扭转这种枯竭。土壤健康不良的一个后果是，由于农业生产减少、牛饲料减少、做饭用的燃料木材减少、作物残茬和牛粪肥回收到土壤中的营养物质减少，粮食和营养不安全现象普遍存在。土壤养分枯竭和森林砍伐导致土壤和植物的碳库减少，对大气的二氧化碳排放量增加。此外，在一些土壤中，土壤有机质水平甚至下降到一个阈值，低于该阈值，作物对其他投入的反应非常差。

 肥料管理：土壤健康效应

如果土壤中的营养供应充足，作物更有可能生长良好并产生大量的生物量。在缺乏土壤养分且不能生产健康作物和足够生物量的情况下，需要施肥。任何实际农场层级的运作都有四个管理目标，包括肥料管理。这些因素包括生产力、盈利能力、种植制度的可持续性以及有利的生物物理和社会环境。可持续性是指肥料管理方案的中期和长期影响，以维持或提高种植系统的生产力和盈利能力。指标包括产量、投入使用效率、土壤参数(如 N 供应能力、有机物的存在和盈利能力)随时间变化的趋势。肥料的最佳管理实践支持在种植和环境健康方面实现这些目标（Bruulsema等，2009）。在长期的农艺和土壤肥力研究中，形成了一套强有力的科学原则，指导肥料最佳管理方法的开发和实施。如果被视为全球框架的一部分，则只有在了解每项做法的全部背景的地方层面才能确定最适当的肥料最佳管理做法。

营养管理是通过农民和其他利益相关者的参与，高效和有效地利用植物养分来实现经济、社会和环境效益。这个概念基本上描述了选择正确的营养来源，以适当的施用量，在正确的时间和正确的地点施用(译者注 即所谓的4R原则）（Roberts，2007）。适用于这四个管理领域的具体和普遍的科学原则也适用于农场这一级。然而，这些科学原则的应用可能因具体的种植制度、特定的地区和正在考虑的作物组合而有很大的不同。作为一种实践，营养管理是动态的，随着科学和技术扩展我们的理解和机会而发展；实践经验告诉精明的观察者，在特定的当地条件下做法在起作用或无效（Fixen，2007）。指导采用化肥最佳管理实践的决策支持系统需要一个动态的局部改进过程。因此，了解科学原理和当地条件的个人参与这一过程非常重要。由于土壤是人类面临的几个可持续性问题的核心，因此根据养分管理原则对种植系统中的肥料进行管理是确保由于施肥对作物生产而改善土壤健康的最佳方法（图3）。

图3 基于养分管理原则的肥料最佳管理做法支持走向土壤健康改善的四个管理目标

在一些发展中国家，作物对施用肥料或肥料施用效率的反应下降或降低有几个原因。造成这种下降的一个主要原因是土壤的持续养分被植物吸收带走（nutrient mining）（特别是P，K，硫（S）和微量营养素），这是由不均衡的施肥做法造成的，最终导致不健康的土壤和植物。因此，化肥的施用量应足够，比例均衡。土壤中有机质含量高，肥料的使用效率可能也很高。在不健康或枯竭的土壤中，作物使用肥料提供养分的效率很低。在土壤高度退化的地方，如撒哈拉以南非洲的部分地区，作物对肥料的应用几乎没有反应。当土壤有机质水平恢复时，肥料可以通过提高作物产量，从而帮助维持土壤中养分的周转性的资本，从而增加土壤中残留的量。在长期实验中，在氮、磷和钾以比例平衡施用的地块中观察到土壤中有机质含量最高(Kumar和Yadav，2001年)。在只施氮或磷、钾量不足的处理中，土壤健康状况下降。

特定地点的养分管理，无论是基于特定田块土壤或植物的营养状况，都能确保通过肥料施用的养分根据土壤 - 植物系统的需要进行管理。因此，与在几个发展中国家仍然普遍存在的不同作物的一揽子肥料建议相比，特定地点的养分管理确保了长期保持土壤健康。

氮肥：对土壤酸度的潜在贡献者

尽管氮肥对作物有积极影响，但土壤中氮的自然转化可能会对土壤健康产生间接的负面影响。这种自然现象的严重程度取决于氮肥的性质、用量和土壤性质。由氮转化引起的土壤对pH变化的恢复力的关键因素是土壤的缓冲能力，而缓冲能力又取决于固相碳酸钙的存在。在世界干旱和半干旱地区，土壤通常是钙质的，因此具有高度的缓冲能力；在温带地区，土壤往往是中性或微酸；而热带土壤通常是高度风化的，通常是酸性的，缓冲能力很小或根本没有。持续过量施用氮肥，特别是减少氮（NH3，NH4+）对土壤健康的影响取决于其对土壤酸化的影响程度。

在酸化过程中，土壤释放碱性阳离子，例如钙（Ca）和镁（Mg）。随着时间的推移，并且随着N的持续添加，碱性阳离子可以被耗尽并且铝（Al3+）从土壤矿物中释放出来，通常达到诱导植物营养失调的毒性水平。施用氮肥导致的土壤酸化取决于添加的氮的形式、产生质子和消耗过程之间的净平衡以及土壤的缓冲能力。最近，Guo等人（2010）报告了在大量施用氮肥后，中国土壤酸化严重。在20世纪80年代到2000年之间，大型作物生产区的土壤pH显着降低。肥料N施用每公顷每年释放20至221千克氢离子（H+），并且碱性阳离子的作物吸收又为土壤酸化贡献了15至20公斤H+/公顷。中国现有施肥实践持续下去的话可能对土壤健康不利。可使用硝酸盐肥料和施用石灰可以帮助减轻土壤酸度。

土壤酸化间接导致微生物氮固定减少（Venterea等，2004）。土壤酸化也可能影响土壤有机质的分解和矿化，从而影响有机质质量。施用氮肥超过作物生长需要会导致硝酸盐和阳离子（Ca，Mg）向地下水、湖泊和河流的淋溶增加，这会对这些水体的质量产生负面影响。在底土中，浸出的硝酸盐可能有助于黄铁矿的氧化，黄铁矿释放出硫酸盐和各种微量元素，包括镍（Ni）、砷（As）、钴（Co）、铜（Cu）、铅（Pb）、锰（ Mn）和锌（Zn）。自由生活的真菌和固氮细菌对高活性氮水平敏感，微生物群落的变化反过来影响土壤过程，如有机物矿化和养分循环（Velthof等，2011）。低土壤pH值通过硝化和反硝化作用促进一氧化氮（N2O）的产生，这是一种强效的温室气体。

在过去的一个世纪中，观察到氮氧化物（NOx）、氧化亚氮（N2O）和氨（NH3）的人为排放增加了三到五倍，这归因于化石燃料的燃烧以及在集约农业中使用氮肥（Denman等，2007）。由于全球人口的增长，导致对食物，特别是动物蛋白的需求增加，预计许多地区的NOx，N2O和NH3排放量将进一步增加。到2100年，陆地上的氮沉积可能增加2.5倍（Lamarque等，2005）。随着化石燃料燃烧产生的氮氧化物的排放，来自农业土壤的态氮可能通过土壤酸化和相应的植物生物多样性减少对陆地生态系统产生不利影响（Galloway等，2003）。在森林和自然植被下的土壤中，由于大气沉积反应性N的过量输入而引起的土壤酸化的影响已经被报道。然而，以大气氮沉降形式的森林生态系统的意外施肥也可以刺激森林生长，并影响土壤微生物活动以及土壤中C和养分的循环（Janssens等，2010）。 N从农业到森林的溢出效应说明了陆地系统所有组成部分的相互依赖性。

本节参考文献

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