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作者：吕军

出版社：浙江大学出版社

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土壤改良学试读：

前言

进入21世纪的人类社会，随着科学与技术的飞速发展，拥有了空前的创造和生产物质财富的能力，但同时也大大加快了对地球上各类资源的攫取和消耗的速度，加剧了对自身生存和发展环境的胁迫。一方面，人口的持续增长，势必要求从有限的耕地上生产出更多的粮食和纤维；另一方面，人类活动的加剧和失当，导致全球气候变化和土壤生产功能的退化已赫然若揭。中国人多地少，耕地与人口、粮食之间的矛盾会长期持续，并将日趋尖锐。因此，不断地加强和改良土壤的生产和生态环境功能是全民的共同责任，更是土壤科学工作者所承担的艰巨而神圣的使命。

土壤学是阐述土壤的物质组成和性质、研究土壤本身及其与环境之间的物质和能量运动、揭示土壤功能和质量的演变规律的科学理论；土壤改良学则是阐述土壤肥力的构成实质及其演变规律、分析土壤退化的过程机理和原因，研究排除各种不利因素、防治土壤退化和提高土壤肥力并创造良好土壤环境条件的应用技术体系。因此，土壤改良学涉及的内容十分广泛，它是土壤学、植物营养学、农业生物学、作物栽培学、农田水利学、农业气象学、农业工程学、生态学等现代科学的各种相关理论、方法和技术的综合应用；同时也很显然，土壤改良学更应该注重包括田间试验和经验总结在内的操作和实践。

在我国“农业资源与环境”专业（原“土壤农化专业”）的课程设置中，通常将土壤改良和保护分成几门课程，如区域土壤学、农田水利学、生态学、水土保持学等。经过多年的教学实践和反复讨论，针对本专业和学科的特点，我们将几门课程合并，为“农业资源和环境”专业开设“土壤改良与保护”课程，并于2001年编著出版了《农业土壤改良与保护》教材，初步形成了土壤改良和保护的系统理论和方法，使所包含的相关内容（如《农田水利学》等）更紧密结合本专业的特点；10年的教学实践表明，该课程在协调“加强基础、拓宽知识面”与保证专业知识的系统性关系上起到了预期的良好效果。比如将土壤改良和水土保持放在同一门课程中，更有利于体现土壤改良和保护是同一命题的两个方面这种密切的关系，加深对改善土地生态系统的功能这一共同的高层次目标的理解。

最近10年来，随着我国社会经济的持续高速发展和科学技术的不断进步，土壤学以及土壤改良和保护的研究范畴进一步拓展，研究内容和目标也更加丰富；特别是以对土壤功能和质量的研究和重新认识为标志，现代土壤学已经完成了从传统的单一农业生产需求，向农业生产、生态健康和环境保护等多目标的“多轮驱动”的时代的转变。经过10年的教学实践，我们的《农业土壤改良与保护》教材也有许多需要补充和改进的内容。在国家有关部委的支持下，经相关专家委员会的审定，原教材改为《土壤改良学》，并被列入国家“十一五”规划教材。《土壤改良学》教材试图建立相对集中又比较完整的土壤改良和保护的基本框架及其课程教学体系。作为本科学生的教材，在书中编入了以国内为主的大量国内外的最新成果，特别参考了一些比较成熟和系统的著作，包括《中国土壤》、《土壤资源概论》、《中国土壤质量》、《中国土壤肥力演变》、《Soil Fertility and Fertilizers》（7th Edition）、《The nature and prop-erties of soils》（13th Edition）、《农业水资源利用与管理》、《农田水利学》、《污染生态学》等等。本课程中许多章节的编写，均有专门的著作和文集可查考，为许多问题的进一步研习提供了良好的条件。考虑到土壤改良学的系统性和本专业各课程之间的衔接，我们将本教材的内容分为六个方面共十章，即“土壤改良学概论”，“土壤养分管理与高产土壤培肥”、“水利土壤改良”（3章）、“区域性土壤障碍与改良”（3章）、“土壤侵蚀与水土保持”和“土壤污染与修复”。教学过程中若有部分内容与其他课程重复，则可略过。

限于作者的学识和水平，也由于编写和修订的时间仓促，差错与不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。作者2010年12月

第一章　土壤改良学概论

土壤是地球上能够产生植物收获的疏松表层。不同土壤上所产生植物收获量的不同，不仅与土壤以外的环境条件和人类干涉的方式和程度有着十分密切的关系，同时也向人们披露了土壤本身存在着优劣之别。农业土壤学家把这种土壤内在的优劣性归结为土壤肥力的差异，即土壤向植物不断地供应和协调水、肥、气、热的能力的差异。千百年来，人类祖祖辈辈在利用土壤维系自身的生存和发展的同时，逐渐认识了土壤肥力差异的实质，于是就不断地试图改善土壤肥力，以增加植物收获。

当今，人口与耕地的矛盾已赫然摆在全世界人们的面前，联合国粮农组织在Protect and Produce一书中指出，地球表面只有很少的土2地适合农业生产，仅有11%（约15亿hm）的土地为农用耕地，另有89%为非宜农土地（其中28%太干旱，23%有化学问题，22%土层太浅，10%太湿，还有6%为永久冻土）（表1-1）。另一方面，现有的215亿hm耕地中，低产土壤占有相当可观的比重，并且土地在不断地退化和丧失，“即使设想目前的土地退化率不再增加，在20年里也要2丧失1亿至1.4亿hm的土地。这个数字可与建议在同期内开垦的新耕地面积相比”。

我国用占世界7%的耕地养活了占全球22%的人口，创造了世界奇迹，但同时，人多地少，而且人还在多地还在少（图1-1），始终是2中华民族的一种危机。2007年，全国耕地12173.52万hm，即18.26亿亩（《2007年中国国土资源公报》）。我国耕地资源的基本国情是“一多三少”（中国耕地质量网），即耕地总量多，人均耕地少：人均耕地只有世界平均水平的40%；高质量的耕地少：耕地粮食单产比发达国家或农业发达国家低150～200kg；耕地后备资源少：耕地后备资源严重不足，且由于生态保护的要求，耕地后备资源开发受到严格限制，今后可通过后备资源开发补充的耕地已十分有限。图1-1　近年来我国耕地面积的变化（《2007年中国国土资源公报》）

耕地的现状和人口的不断增长，使得土地保护和土壤改良已不再仅仅是农业土壤工作者的口号，而必将成为每一个明智的人、每一个依赖土壤所生产的植物而活着的地球公民所必须正视的重要问题。

第一节　土壤功能、质量与土壤改良方法

土壤是土壤母质与环境之间长期物质与能量交换和平衡的作用下所形成的自然综合体；土壤学就是研究土壤物质的组成、结构及其运动特征，阐述土壤与环境之间物质与能量交换和平衡过程，探索土壤演化规律的自然科学；土壤改良与保护则是应用土壤学和相关学科的知识，按照人们的意愿和要求保护和改善土壤功能和质量的实际应用技术；而土壤改良学，是分析土壤肥力障碍的发生和发展规律，研究消除和减缓土壤肥力障碍、恢复和提高土壤功能质量的方法和技术，维护和促进土壤的高效和永续利用的应用基础科学。

一、土壤功能

世间任何事物，只要有缺陷或不尽如人意，人们总希望能加以改造，提高质量。土壤改良也正是针对不良的土壤质量而言的。质量总是相对的。这种相对性至少表现在两个方面，一方面，质量是相对于要求而言的，比如化学试剂的质量，对于只要求化学纯试剂的化学分析，用质量更好的分析纯试剂是没有意义的，因为其他方面的分析误差可能远大于使用化学纯试剂所带来的误差，所以这时化学纯试剂就是好的、高质量的试剂；另一方面，质量又一定是针对功能或用途而言的，比如软木头对于做红酒瓶塞来说是优质材料，但对于木轮车的轮轴只有坚硬和耐磨的木头才是优质材料。因此，任何资源的质量都不能离开它的功能而论。

土壤与水和空气一样，是人类生存、繁衍和社会发展不可或缺的基本资源与环境要素。对于人类来说，土壤至少有以下六大功能（图1-2）：（1）生产功能，是农作物生长的基质；（2）负载功能，是人类活动和道路、桥梁以及各类建筑的基地；（3）生态功能，是许多动植物和无数微生物的生衍场所和生态多样性的基因库；（4）原料功能，是许多制造业的原材料和淡水储存库；（5）环境功能，是废弃物的过滤、缓冲和循环的反应器；（6）遗产保存功能，是记录和保存地球发展史和人类遗产的重要介质。土壤的这六大功能都与人类的物质文明和精神文明密不可分，肥沃的尼罗河和美索不达亚平原曾孕育了伟大的中东文明，美丽富饶的南亚次大陆创造了灿烂的印度文明，黄河流域和长江流域的千里沃土缔造了上下近万年的中华文明；而这些古代文明的诞生、延续和兴衰，都受到当地土壤的功能，特别是生产和生态功能的重要影响，有些甚至是决定性的作用。图1-2　土壤的六大功能

土壤的六大功能中，生产、生态和环境功能的好坏在很大程度上都基于生物（植物、微生物和动物）的生活条件，具有很高的趋同性：通常具有很强生态功能的土壤，也具有较高的农作物生产潜力和较强的环境保护功能。其他三个功能则完全不同，它们主要取决于土壤的物理（负载和遗存功能）和物质组成（原料功能）的特性。土壤的负载功能要求土壤有较高的稳定性和坚实性；而作为原材料则以产品的需要为基础，例如陶瓷制品就希望土壤是颗粒均一的黏土；这两种功能都不希望土壤中有太多的有机物质，这一点正好与土壤的生产、生态和环境功能的需求完全相反。

二、土壤质量

按照国际质量管理学大师Joseph M.Juran的定义，质量是对事物满足其功能需要的程度的评价，具有两个方面的含义，即使用的功能要求和满足程度（Juran Quality Control H andbook，1951）。质量首先必须针对功能，土壤质量也应根据土壤功能进行定义。土壤六大功能的指向不同，土壤质量评价的依据和基础也必然不同。因此，泛论土壤质量是困难的。1995年美国A gronomy News提出，土壤质量是“土壤履行功能的能力”，这个定义虽然比较简单和抽象，却是严谨和科学的。

作为自然科学和农业应用科学的一个重要分支，土壤学是从对它的生产功能的认识、总结和研究而发展起来的。传统的土壤学以培育或改造土壤成为能生产高产作物（特别是粮食作物）的肥沃土壤为核心，而现代土壤学已经广泛认识到土壤对于人类的重要作用不仅仅是提供食物和纤维，土壤学的发展也从传统的单一农业生产需求，进入了农业生产和环境保护“双轮驱动”的时代。20世纪90年代，许多土壤学家对土壤质量的概念、定义和表征方法进行了广泛的研究和讨论。美国学者进一步解释土壤质量的内涵是“在自然和人工生态系统内土壤某种特定的可以维持动植物生产力、保持或改善水体和大气的质量，支持人类健康和居住的能力”。加拿大学者在“我们土壤的健康”的草案中，把土壤质量看做是“土壤支持作物生长而不出现退化或其他环境危害的适宜性”，考虑到农业生产功能，草案中提出“土壤质量”和“土壤健康”可相互替代使用（Acton和Gregorich，1995）。1998年11月在美国召开的“土壤健康：土壤质量的生态构建管理”学术大会中，提出在评估农业持续生产能力时必须采用多种指标，而土壤有机质和生物参数（如丰度、多样性、食物链结构、群落稳定性等）可以满足大部分土壤质量的五级标准指标定制的要求。会议认为“土壤健康是土壤作为生态系统及土地利用边界内的生物活性系统的运作功能，其作用是维持动植物的生产力，保持或改善水体和大气的质量，促进动植物的健康”（J.W.Doran和M.R.Zeiss，2000）。我国的曹志洪等在《中国土壤质量》一书中，总结了国内的有关研究，把土壤质量概括为“土壤提供食物、纤维、能源等生物物质的土壤肥力质量，土壤保持周边水体和空气洁净的环境质量，土壤容纳消解无机和有机有毒物质、提供生物必需的养分元素、维护人畜健康和确保生态安全的土壤健康质量的综合量度。”（曹志洪等，2010）。

目前国内外所讨论和研究的土壤质量，几乎全部都是针对土壤的生产、环境和生态这三大人类生活不可或缺和不能替代的重要功能的。尽管土壤质量的研究还在不断地深入和发展，却已经大大丰富了土壤学、特别是土壤改良学的内涵。土壤改良与土壤质量有着直接的因果关系：因为某个或某些土壤功能质量达不到人类的期望，所以要进行土壤改良。一方面，随着人口的持续增长，必须在有限的耕地上提供更多的粮食，要求不断地加强和改良土壤的生产功能；另一方面，现代化的人类活动导致的土壤质量下降已经成为迫在眉睫的生态焦点，从而必然要求进一步加强土壤改良的力度并拓展土壤改良工作的范畴。

三、土壤改良方法论

土壤改良是针对土壤的功能质量而言的，具有明确的功能指向，这就是要维护和增强农业可持续发展能力。所有制约土壤这一功能的内在因素和环境条件都可以列入要改良的范畴；所有现代科学的各种相关理论、技术和方法都可能成为土壤改良的基础；然而，土壤改良学更注重田间试验研究和生产经验总结等实践和操作技术的分析。

1.土壤质量演变与改良的关系

简略地说，土壤改良包括两个方面，即对非宜农土地的改造和低产土壤的改良。土壤的形成及其质量演变，是一定自然条件下的必然结果，是土壤圈与岩石圈、水圈、生物圈和大气圈之间的物质和能量交换的一种运动形式。因此，作为逻辑上的第一步，土壤改良首先应了解土壤肥力等土壤质量的演变规律，因为“一般来说，人的劳动代替自然界的力量是不可能的”，只有在研究自然界规律的基础上，利用自然力量，把自然力量引向我们需要的方向。土壤改良，就是在利用土壤的同时，根据土壤肥力等土壤质量的演变规律，人为地改变某些环境条件，利用自然界的力量，使土壤肥力等土壤质量的演变，向着有利于农业生产方向发展。在丘陵红壤地区，我们不是试图改变有机质在高温湿润条件下的高矿化速率，而是造成淹水条件，调节土壤有机质的腐殖化-矿化平衡，并通过良好的生物循环，增加土壤有机质的积累。在高含盐量、高地下水位的滨海盐土上，我们也不可能改变盐随水走的基本规律，只能更集中地利用淡水并建立良好的排水体系，加速土壤脱盐，从而使土壤更适合农作物的生长。

2.人类活动对土壤质量的影响

自从人类有了农业以后，原始荒地被垦为农田，自然植被为农作物所替代，自然土壤原始的物质与能量循环受到人为的翻耕、种植、收获、灌溉、排水以及化学品使用等深刻而持续作用；显然，不同的土壤管理和经营方式将会产生不同的影响，对农业的可持续发展可能会有正面的促进作用，也可能会有负面的破坏作用。现代工业和汽车交通业的高速发展，则直接或间接地对土壤质量产生了巨大的负面影响，特别是工业“三废”的无序排放导致土壤污染，严重影响着土壤的可持续利用。此外，人类生活和畜禽养殖业的废弃物的不当处理和排放，也会对土壤质量造成不可小视的严重干扰。因此作为土壤改良最基础的工作，首先是约束、改进和规范人类自身的活动和生活方式，任何只顾索取、只贪图眼前利益的短视行为，都将招致大自然的无情报复。

3.根本性改良与非根本性改良的关系

土壤改良措施常被分为根本性的改良措施（工程措施）和非根本性的改良措施（生物的和其他的临时性措施）。所谓根本性的改良，是指对环境条件进行根本的永久性的改良。例如区域水资源的重新调度，土地生态系统中良性生物循环的建立等，这些措施往往需要花费较大的资本和一定的时间周期；而非根本性的改良常指可以暂时改变土壤某些性质的措施，这些措施的效果常常不能持久，因而需要经常地、反复地使用。然而，根本性的改良与非根本性的改良在实际工作中有时是难以区分或可以转化的。非根本性的改良，促进了作物的生长，而作物的生长有利于良性生物循环的建立，则将对土地生态系统具有持久和稳定的作用。另一方面，所谓根本性的改良总是与许多临时性的措施结合使用，才能发挥更大和更迅速的效果。换言之，土壤改良需要“长短结合”——外部条件的改造和内部因素的调节相结合。

有人按土壤改良技术的原理把土壤改良分为物理改良、化学改良和生物学改良等。但实际上，土壤障碍因子的类型常常决定了所采用的改良技术类型，比如干旱和涝渍总是以灌溉和排水最为有效。所以，土壤改良的分类似以土壤障碍因子类型作为分类的基础更为直接和明确，这方面的工作可以参考土壤退化类型的分类和低产田的分类等。

4.土壤改良和保护的关系

土壤作为农业生产不可缺少的资源，它的改良和保护是同一目标的两个方面，即提高和保持土壤肥力，增加作物收获。在不同的地区或不同的条件下，两方面的工作各有侧重。应该着重指出的是，土壤的侵蚀退化，有时并不表现为十分剧烈的行为，而往往是一个土地生态系统受到破坏后经过长时间的缓慢演变的结果。人们看到的许多荒凉的土地，或许过去曾有过繁荣的时代。从这一意义上说，“防重于治”，不失为土地利用的明智之举。在土壤侵蚀严重的地区，水土保持工作是艰难的，大量的工程投资是必要的。但更值得提倡的是土石工程和农业生物措施相结合，以改善土地生态系统的功能为目标，通过工程措施加速良性生态循环系统的建设，从根本上改变土壤侵蚀的环境条件。

5.土壤改良与大农业的相互关系

毫无疑问，土壤改良还需要与其他农业措施的配套实施，土壤作为土地生态系统的重要组成部分，它与建立在这一系统上的农、林、牧、副、渔各业有着不可分割的联系，农业生产方式，林带的屏障和调节农田小气候的作用，其他行业的原料、饲料和废弃物的来源归宿等，都将不断地与土壤进行着能量和物质的交流。而且土壤改良往往还是一项与山、水、田、林、路总体规划相结合的一体化工程，只有实行区域综合治理，才能最大限度地发挥土壤改良的生态效益、经济效益和社会效益。

6.土壤改良和土壤培肥是无止境的事业

所谓低产田改良通常指农作物产量在类似条件下低于当地平均水平的农田土壤的肥力改良。农业生产水平总是随着科技的进步和经济的发展而不断提高，因而对土壤的改良和培肥工作也将不断地提出新要求。无论其他农业技术怎样进步，相对低产的田（地）总是存在的，这就要求对土壤进行进一步的改良和培肥，从这一意义上说，低产田的改良将永无止境；在不同时期，由于社会经济技术条件的不同，低产土壤的主要矛盾将会不断地转变。例如，在高氮条件下，人们认识了磷肥的增产作用，而由于不断增加农田产出量，人们又发现了施用钾肥的重要性。现在，又有许多地区发现粮作缺硅、缺锌，以及缺铜、镁、硼、锰等等。因此，从社会需求和技术进步的意义上说，低产田的改良和高产土壤的培肥是需要不断探索和发展的不尽事业。

第二节　土壤改良利用的发展

一、我国古代的土壤改良利用

我国古代农业文明博大精深。就土壤利用、改良和保护方面，有许多技术和理论至今仍有十分重要的借鉴和指导意义，它们集中表现在以下几个方面。

1.精耕细作

我国早在春秋战国时代就进入了传统农业时期，走上了精耕细作、提高单产的道路，逐步成为优良传统。狭义地说，传统的精耕细作主要包括：（1）以轮作复种和间作套种为主要内容的种植制度；（2）以深耕细作，因地、因时、因物耕作，以及北方旱地保墒防旱，南方稻麦两熟，整的排水技术为主要内容的一整套耕作技术；（3）以中耕除草、追肥灌溉、整枝摘心为主要内容的田间管理技术等。另外，在土壤耕作中充分利用干湿、冻融、曝晒、生物等自然力，省力省时，提高耕作质量的经验，也是精耕细作优良传统的重要组成部分。早期传统农学理论的重要发展，集中表现在《吕氏春秋·任地》一书，以后稷的名义所提出的有关农业生产基本目标和措施的十大问题。这些问题是：“子能以洼为突乎？子能藏其恶而揖之以阴乎？子能使吾土靖而则浴土乎？子能使（吾土）保湿安地而处乎？子能使灌荑毋谣乎？子能使子之野尽为冷风乎？子能使蔓数节而茎坚乎？子能使穗大而坚均乎？子能使粟圆而糠薄乎？子能使米多沃而食之疆乎？”这十大问题，是战国时代的农学家对传统农学理论的高度概括，带有纲领性，它牵涉到传统农学的几个最基本的问题，而前六个问题都是直接的土壤改良技术问题。

2.因土种植，因地制宜的土宜理论

人们从事农业，首先必须选择耕地，并利用不同土地经营不同的生产项目。中国幅员辽阔，地形复杂，除了平原和盆地外，更多的是高原、山地和丘陵，母岩和地形的差别，导致各地土壤的差异，有时在数米之内土壤就有明显的变化，因此，农业生产中的因地制宜显得更为重要。土宜或地宜的概念正是在这样的条件下和这样的过程中孕育生长出来的。传说“神农乃始教民播种五谷，相土地宜：燥湿、肥墝、高下”（《淮南子·脩务训》），这表明人们从事农业伊始，即已进行选择耕地的活动，这是地宜概念产生的前提。地宜的观念在西周时代已经产生（《左传》），到了春秋战国时代，按照“土宜”发展农业生产，已经成为农夫的常识，同时也是政府有关官员的职责（《管子·立政》）。

土宜的第一层含义是按照不同的土壤，安排不同的作物。如《大司徒》把土壤分为12类，要求弄清不同类型的土壤性质和它所适宜的作物种类。据《周礼》记载，有专门负责这一方面事务的职官。如“遂人”的职责之一是“以土宜教甿（农民）稼穑”。土宜的原则是不但要解决“五谷宜其地”（《管子·立政》）的问题，而且贯彻到改土和养土的过程中。《周礼·地宜草人》所主张的“土化之法”，也要“以物（视察）地，相其地而为之种”。对各种土壤所宜种植的作物，《管子·地员》中有具体详细的记载。土宜的第二层含义，是应该按照一个地区的不同土地类型，来安排农牧林渔各项生产。《周礼·大司徒》“以土宜之法，辨十有二土之名物”的所谓“名物”，就是指山林、川泽、丘陵、坟衍、原隰等不同类型的土地，《周礼》中称之为“五地”；它要求人们按照“五地”之所宜来合理安排居民点和农牧各业。

3.充分用地，积极养地，用养结合的“地力常新”理论

国外对我国长期保持土壤肥力经常新壮的业绩，有很高的评价。我国早在战国时期就产生了自然土壤和农业土壤的概念，把“万物自生”的地称作“土”，把“人所耕而树艺”的地称作“壤”。分别“土”和“壤”，不仅把自然成土因素与人为成壤因素，作为形成土壤的综合因素来看待，而且强调了人为因素在成壤方面的主导作用，为人工培肥土壤奠定了理论基础。古人还提出了“地可使肥，又可使棘”的土壤肥力辩证观念。在汉代，强调人工肥力观，认为土壤的肥瘠虽然是土壤的自然特性，但它不是固定不变的，性美的肥沃土壤固然庄稼丰茂，性恶的瘠薄土壤，只要“深耕细锄，厚加粪壤，勉致人功，以助地力”，就会和肥沃的土壤一样长出好庄稼。在此基础上，南宋时期又将战国、秦汉以来的土壤肥力观念，发展为杰出的“地力常新”理论。

宋代著名农学家陈敷在其《农书·粪田之宜》篇中所提出的“地力常新”论，其主要内容可以归纳为三个方面：第一，“土壤气脉，其类不一，肥沃美恶不同，治之各有宜也。且黑壤之地信美矣、然肥沃之过，或苗茂而实不坚、当取生新之土、以解利之、即疏爽得宜也、之土信瘠恶矣、然粪沃滋培、即其苗茂盛而实坚栗也。虽土壤异宜，顾治之如何耳？治之得宜，皆可成就”。第二，“周礼草人掌土化之法，以物地相其宜而为之种、别土之等差而用粪治……皆相视其土之种类，以所宜之粪而粪之，斯得其理矣，俚言谓之‘粪药’以言用粪犹用药也”。第三，“或谓土敝则草木不长、气衰则生物不遂。凡田土种三五年，其力已乏。斯语殆不然也，是未深思也！若能时加新沃之土壤，以粪治之，则益精熟肥美、其力当常新壮矣抑何敝何衰之有！”

在上述土壤肥力观和“地力常新论”的指导之下，我国在土地连种、轮作复种、间作套种、多熟种植和充分用地的同时，采取豆谷轮作、粮肥轮作复种；因地、因时、因物制宜精耕细作；增施有机肥料，合理施肥等生物的、物理的、化学的综合措施积极养地，保持了土壤肥力的经常新壮。我国古人在保持土壤肥力经久不衰方面的业绩是极其辉煌的，完全可以视为当代可持续发展理论在土壤学中的早期思想和杰出贡献。

4.农田水利

我国古代的农业是在“平治水土”的基础上发展起来的。“民之所生，衣与食也；食之所生，水与土也”。可见，以水促土，水土并重，是我国农业的古老传统。水害变水利，治水又治田；有水之处，皆可兴水利，是我国古代在农田水利方面的指导思想。水利和农业紧密结合，把水作为生产工具来发挥作用，大中小型结合，官民并举，因地因水制宜，形式多种多样等，是我国古代在农田水利建设上的传统经验。例数之有：从远古的“大禹治水”，春秋战国时期李冰变岷江水害为水利的无坝引水工程都江堰，隋文帝引渭河自长安到潼关的广通渠，到唐代全国无以数计的大小水利工程的兴建，和划时代的灌溉工具水车的发明，以及稍后太湖的吴越治水规划实施等。因此，水利事业的发展毫无疑问是我国农业文明史中极为浓重的一笔。

5.农牧结合、多种经营的优良传统

我国的传统农业是以种植业为主的小而全的小农生产结构。传统的殷实人家，最好是既有五谷，又有六畜，其他如桑麻、瓜果、蔬菜等也不可或缺。战国时代，孟轲的理想是“五亩之宅，树之以桑，五十者可以衣帛矣；鸡脉狗命之畜，无失其时，七十者可以食肉矣。百亩之田，勿夺其时，数口之家可以无饥矣。”这充分体现了农牧结合、农桑并举的精神。前汉时代，我国的思想家则强调了因地制宜发展农林牧渔生产。所谓“水处者渔，山处者木，谷处者牧，陆处者农”，就是宜农则农、宜林则林、宜牧则牧、宜渔则渔的农业经营思想；延续到清代，则发展为“勤农丰谷，田土不荒芜；桑肥棉茂，麻芝勃郁；山林多材，池沼多鱼，园多果蔬，栏多羊琢”，并以此作为从政者的“善政”，加以倡导。在这些传统的农业经营思想的指导之下，我国早在战国乃至秦汉之际，就逐渐形成了农牧分区和牧农结合的格局。其后，历代由于各种因素的影响，虽然就某一地区、某一时代来说，农牧有消长，各业有增缩，但就其总的趋势来说，并没有太大的变化。这是我国人民长期探索自然奥秘所取得的成果，值得特别珍视。

6.保护自然资源，注重生态平衡的优良传统

自古以来，我们的先人就很重视保护自然资源的再生能力。战国时代的孟轲就曾经提倡过“数罢不入垮池，鱼鳖不可胜食”和“斧斤以时入山林，材木不可胜用”的主张。《吕氏春秋》则反对“竭泽而渔”和“焚树而田”的错误做法：“竭泽而渔，岂不获得，而明年无鱼；焚树而田，岂不获得，而明年无兽”。前汉时代的政治家和思想家，对保护自然资源再生能力的措施又作了进一步的阐述：“豺未祭兽，置军不得布于野；獭未祭鱼，网署不得入于水；鹰未挚，罗网不得张于溪谷；草木未落，斤斧不得入山林；昆虫未蛰，不得以火烧田”，并且提出“孕育不得杀，鸟卵不得探，鱼不长尺不得取，不期年不得食”的要求。这种保护自然资源再生能力，反对“竭泽而渔”、“焚树而田”的思想，也正是可持续发展理论的基本原理。从维持生态平衡的角度来看，我国古代既有乱砍滥伐森林、破坏草原的教训，也有维护互养关系、保持生态平衡的丰富经验。像杭嘉湖地区“农牧桑蚕鱼”结合、珠江三角洲地区“桑基鱼塘”模式，太湖地区放养“三水一萍”的经验，都是应当认真总结、继承和发扬的。

二、国外土壤改良事业的发展

土壤改良是伴随着种植业的进步而发展起来的，既有很强的地域特征，也有很多共性；在改良手段上既与科学技术发展密切相关，也受到社会经济发展水平的强烈制约。因而，国外土壤改良事业的发展也因各国土壤地理环境、科技水平和经济条件的不同，显得十分丰富多彩。

1.灌溉与排水

灌溉事业在世界范围内的第一次大发展是在19世纪。英国的工程师们于19世纪20-30年代，在印度河及尼罗河上修建了第一批拦河枢纽和渠系工程，将洪水漫灌改为常年灌溉。此后，许多国家相继修建了大量的近代灌溉工程。到1900年，全世界灌溉面积达到4800万2hm，比18世纪末增长了5倍。第二次世界大战之后，各国为了尽快恢复和发展农业生产，特别是为了满足人口急剧增加的衣食需求，灌溉事业再次获得大发展。据1985年统计，全世界灌溉面积达到2.2亿2hm，占总耕地面积的16%。灌溉土地上农产品产值已约占农产品总2产值的一半。1987年全世界灌溉面积约2.97亿hm，比50年代初的12亿hm扩大一倍多。灌溉地占世界总耕地的比重为15.4%，能提供的农业产量占世界农业总产量的一半左右；灌溉农业占世界农业增产量的份额为33%。对年降雨量在250mm以下的地区，一般地说，无灌溉即无农业，对年降水250、500、650mm的地区，合理灌溉往往也可使农作物产量成倍增长，其他地区往往也需施行补充灌溉。

在节水灌溉技术方面，随着20世纪60年代时针式自动喷灌机研制成功，喷灌在欧美、大洋洲国家迅速扩展。西欧国家喷灌占90%以上，前苏联占47%，美国占37%。从1960年到1980年，世界喷灌面积22由250万hm扩大为9000多万hm。近年来美国喷灌技术又在喷洒农药、降低能耗和施水方式等多用途利用方面取得了很大突破。另外在平移式喷灌机上对喷头装置和喷洒方式进行了改进，水量损失大大减少，水的利用率可提高到0.9以上。在综合利用机型上，英国、美国等国将平移式喷灌机作为田间的综合作业机械，将所有的作物种植环节以此一机包办，其不仅可完成作物的所有老观念种植环节的耕、耙、播、收等，还可以完成其他许多新作业项目。近年来意大利、美、法等国研制的自控脉冲滴灌、大流量局部灌溉等滴灌系统巳大面积应用，许多干旱沙漠地区被开发成为高产农区，例如以色列和埃及沙漠的开发。为节约能源，20世纪80年代以来地面灌溉又开始受到重视。地面灌溉的节水技术，如美国研究应用的激光平土水平畦灌、间歇灌、波涌灌等。为了获得新水源，咸水灌溉、污水利用、冰山拖拽技术也正在发展之中。20世纪80年代发展起来的微灌技术，近10余年来有了很大的进步，随着设施农业的发展，微灌技术和设备更是如虎添翼，已趋于完善的地步。

世界各国如美国、日本、印度、苏联、巴基斯坦、伊朗、加拿大等，由于渠道渗漏损失的水量很大，均非常重视并积极开展渠道防渗工程研究和建设工作。美国把渠道防渗作为水利工程挖潜措施之一，早在1946年就开始研究，到1990年美国共建防渗渠道9656km。日本也十分重视渠道防渗，现有干、支渠道已经全部防渗，田间渠道也基本防渗，它们大量使用工厂化生产的钢筋混凝土预制构件，现场施工以机械施工为主，渠道防渗工程标准高、质量好。

2.土壤盐碱化的防治与改良

地球陆地总面积的10%为不同类型的盐渍土所覆盖。耕地中约有24000万hm，占灌溉面积20%的土壤含盐分过高。根据联合国粮农组织、教科文组织编制的土壤图和国际土壤学会盐碱土分会编制的各大2洲盐碱土分布图统计，全世界盐渍土的总面积为9.55亿hm。大洋洲2的澳大利亚，是盐渍土最多的国家，约有3.5亿hm，其中80%以上是2原生盐渍土。欧洲大陆的苏联有1.7亿hm的各种盐碱土。南亚的印度22和伊朗有2300万和2700万hm，巴基斯坦有1000多万hm。北美洲的22美国和加拿大各有850万hm和724万hm的盐碱土。南美洲的阿根2廷、巴拉圭各有8500万和2200万hm。非洲的埃塞俄比亚有1900万222hm以上，埃及有736万hm，索马里有560万hm，尼日利亚有650万2hm以上的盐碱土。为防止盐渍化，修筑和完善排水系统、淋洗排盐、种植牧草或水稻施行生物排盐等为世界各国共用的主要措施。地下排水的陶瓷管、混凝土管等近年来已多被塑料管取代。荷兰、苏联、日本等国的暗管排水面积已占55%以上。埃及在世界银行资助下，70年2代以来已将尼罗河三角洲200万hm耕地全部改用暗管排水。垂直并排在苏联、巴基斯坦和印度应用很多，巴基斯坦到1985年已在印度河平原打井19.3万眼。因此，盐碱土改良利用问题是一个全球性的问题。

3.酸性热带土壤的改良利用

世界上，有72个发展中国家有酸性热带土壤存在，其总面积约2为18.75亿hm。这类土壤主要的障碍因素是：土壤呈酸性，养分含量少，缺乏氮、磷、钾、硫、钙、镁和锌，此外还有铝毒和磷素的强烈固定作用。在改良利用技术上，主要有：（1）选择耐酸和耐铝毒的作物；（2）使用石灰改良土壤pH；（3）地面覆盖物的培育和保持；（4）磷肥和其他肥料的使用和管理。在澳大利亚和拉丁美洲，对于耐酸性土壤条件的禾本科和豆科牧草进行了广泛的筛选。

4.水土保持

全世界至少有五分之一以上的耕地存在着较严重的侵蚀问题。美222国的1.72亿hm耕地中有0.72亿hm发生水蚀，有0.32亿hm发生风蚀，每年侵蚀造成的损失达31亿美元。苏联土壤侵蚀面积已达1.5亿～1.62亿hm，占耕地面积的65.3%～69.7%。加拿大全国重度侵蚀面积为2600万hm，占耕地面积的7.4%，超过改良地面积的12%，由于作物减产和投入增高而造成的经济损失，估计每年为2.66亿～4.22亿加元。2欧洲其他国家土壤侵蚀情况也很严重。法国有450万hm、意大利4/522的丘陵地区（约2700万hm）、西班牙有520万hm的土地遭受侵蚀。2捷克斯洛伐克水蚀面积为290万hm，风蚀面积为1802；德国的耕地分别有50%和30%受风蚀和水蚀；罗马尼亚受到强度侵蚀的面积有222300万hm万hm，有80万hm不能利用。在亚洲，中国有150万km的2水蚀地；印度全国土地面积3.28亿hm，遭受严重水蚀和风蚀的有1.522亿hm，其中侵蚀退化到临界阶段的有6800万hm。森林覆盖度达68%的日本，受侵蚀的土壤也占旱田土壤的12.8%，最高的爱媛县已2达69%。非洲南部，因为风蚀和水蚀，每年要损失170万hm的农田。地中海地区，阿拉斯加山脉、伊朗、高加索和阿尔卑斯山地有60.80%的山区牧场被侵蚀。

解决土壤侵蚀的途径，首先是政府的职责化。由于土壤侵蚀对农业生产的严重危害，许多国家都采取立法和行政措施来保护土壤，防止侵蚀。美国于1930年制订了国家水土保持法；1935年成立了水土保持局。政府根据立法，让各州制订州法，承担土壤保护的义务。第三世界的许多国家，为减少土壤侵蚀也采取了行政立法措施。一些国际组织也加入了与土壤侵蚀作斗争的行列。例如，世界银行支持萨赫勒（Sahel）地区的造林计划；联合国粮农组织的水土保持处已帮助一些国家制订了侵蚀控制计划。1983年成立了世界水土保持协会，旨在促进各国政府、国际机构和社会组织之间在水土保持方面的协作。

在防治侵蚀的农业技术中，保护性耕作发展得比较快。据统计，1983年美国38%的耕地采用保护性耕作，而且，应用面积还在不断扩大。到2000年，预计将有一半以上的农田采用保护性耕作。保护性耕作是一种播种后作物残体至少覆盖地面30%的耕作体系。目前最常用的保护性耕作有：少耕法、免耕法、生态休闲法、覆盖耕作法、垄作法等。它们的共同之处为：不用有壁犁耕地；留下部分秸秆在土壤表面，以保持水土；主要依靠除草剂来控制杂草。其他技术包括土壤侵蚀量的预测预报、垦种保土技术、修筑梯田、控制侵蚀等。

5.土壤与环境污染的防治

在国际上，土壤污染治理的发展与整个环境问题的治理同步发展。20世纪60年代，人们只把环境问题作为污染来看待，认为环境问题就是大气污染、水污染、噪声污染、土壤污染。没有认识到生态破坏的问题，对土地荒漠化、水土流失、物种灭绝、热带雨林破坏等并没有从环境问题的角度去认识。对环境的认识也只是为了保护人们的生存健康，没有注意将环境问题和自然生态联系起来，低估了环境问题的危害性和复杂性。1972年联合国在瑞典斯德哥尔摩召开的“人类环境会议”，将环境污染和生态破坏提升到同一高度看待。1987年，由挪威首相布伦特兰夫人组建的联合国世界环境与发展委员会发表了《我们共同的未来》。环境问题是我们共同的问题，需要共同来对待，共同承担起责任，途径是“可持续发展”。1992年，巴西里约热内卢的联合国环境与发展大会，强调和正式确立了可持续发展的思想，并形成了当代的环境保护的主导意识，对待环境污染和生态破坏的态度应是：防止+防治。这就需要研究清楚污染物在环境各个生态圈层中的迁移、转化和归宿过程。土壤污染的控制和治理，也随着对环境问题认识的转变而在世界各国迅速地发展，并随着全球土壤污染问题的日益严重而备受重视。

在污染土壤的修复技术方面，近年来发展十分迅速。以美国为例，制定了系列的土壤修复技术标准和污染场“国家优先名录”，启动了大量场地土壤污染的调查和修复工作，1982—2002年间，美国超级基金共对764个场地进行修复或拟修复，其中已实施或计划实施的修复技术中三分之二是被用于对污染源的控制或处理。原位土壤汽提技术（SVE）是最常用的污染源处理技术（用于25%的污染源控制项目），其次是异位固化/稳定化技术（18%）和集中焚烧技术（12%）。常用的原位修复技术包括SVE、生物修复、稳定化/固定化，常用的异位修复技术是固定化/稳定化、焚烧、热解吸和生物修复。创新技术的应用在所有污染源控制处理技术中占21%，其中生物修复技术是目前最常用的创新技术。1982—2002年间，美国超级基金已3经修复的场地土壤体积达到约1835万m，其中接受原位修复的污染33土壤达到3058万m，接受异位修复污染土壤达到993万m。

第三节　我国土壤和耕地资源概况与区域性差异特征

一、我国土壤和耕地资源概况

20世纪末历时15年（1979—1994）的全国第二次土壤普查是国家重点科学技术发展规划的重要组成内容，由全国土壤普查办公室组织领导和统一部署，在各级政府的领导和多部门多单位的支持配合下，全国8万多农业科技人员参加了土壤普查。在统一土壤工作分类和技术规程的指导下，对我国全境陆地以县为单位从乡级开展土壤普查（含详测制图）、土地利用调查和土壤养分调查（台湾省、香港、澳门除外），由县（市、旗）、地（市、盟）、省（市、区）进行控制路线调查、采样分析化验、逐级汇总土壤普查成果、量算统计土壤资源面积和评价资源质量、分级组织土壤普查成果验收鉴定。全国第二次土壤普查汇总编辑委员会，具体主持和指导全国土壤普查各项成果的汇总和编纂，全面阐述了我国土壤资源情况。因此，本章所列内容除特别说明以外，均以第二次土壤普查汇总结果为依据。

我国土壤共分12个土纲、29个亚纲、61个土类、230个亚类。全2国土壤总面积为87743万hm，占全国土壤总面积的91.39%。这一数字未包括台湾省的土壤资源面积，若连同台湾省的估计面积239.9万22hm，我国的土壤资源总面积应为8.798亿hm。按12个土纲所占土壤面积分述如下（表1-2）。

我国历来对田亩面积十分重视，因而有不少文献记载，历代也曾设官丈量划分耕地资源。由于各地传统上对田亩的计量标准不一致，因而未能获得全国统一的田亩数，如有的山区用播种量估算面积，此外还有不少轮种、轮休土壤。根据此次全国土壤普查资料汇总，我国总耕地面积为206338.2万亩，即我国约有20亿亩耕地（1989年），占全国总面积的15.1%。其中水田面积为47694.5万亩，占耕地面积的23.1%；旱耕地面积为158644.8万亩，占耕地面积的76.9%；旱地中，水浇地面积为34176万亩，占旱耕地的21.5%。

1.水田与水稻土

水稻土是经长期淹水耕作、季节性排干、干湿交替条件下形成的土壤类型，土体中物质迁移累积规律有所改变。有的水稻土可追至几千年前，是经过长期种稻或水旱轮作下定向培育所形成的，是我国宝贵的土壤资源财富。水田包括水稻土，也包括种植水稻较短、尚未形成水稻土特征的土壤。有的地区虽也长期种植水稻，如宁夏平原引黄河淤灌种稻，但由于不断有新淤积层加入，只在表层见大量锈色斑纹，有的为表锈潮土，有的为表锈灌淤土特征，未达水稻土阶段。另外，如在苏北平原，近年大面积旱地改水田，种植水稻，发展了生产，但由于种植时间较短，尚未形成水稻土特征。由于上述原因，水田面积较全国水稻土面积为大。而且，这些面积逐年可有变动，如个别水田回旱数年，在土壤性状上仍属水稻土类型。水稻土可划分多种类型，如望天田（淹育水稻土，水源不能保证，只靠大气降水维持种植）和高度发育的水稻土（瀦育型水稻土）性状上有很大的差别；又如苏南的黄泥田和广东三角洲平原的泥肉田土种、烂泥田等水稻土类型相比，两者在生产潜力上有很大的差异。因此，应按这些水稻土的土种性状差异，采取相应灌耕、水浆管理与施肥措施，均可获得相应增产。

2.灌溉旱耕地土壤

我国灌溉农业历史悠久，河套地区宁夏平原的秦渠、汉渠遗迹历历在目；新疆漠境地区引洪淤灌，发展到坎儿井法引融雪水，灌溉垦殖冲积扇末端的细土平原，也已有一二千年的历史；清代还大规模地兴建坎儿井垦殖绿洲，使“无灌溉即无农业”的漠境地区，断续在大型冲积扇末端的细土平原中建成大片的绿洲，成为丝绸之路的西亚交通通途。在我国季风条件下，季节性水分分配不平衡性已成为影响农业生产的关键，采用补充灌溉与稳定灌溉业早已成为农业稳产的重要措施。当然，灌溉的对象主要是粮食作物，其他如人工牧草场与果园等亦需灌溉。至于种植，更需小水勤灌。许多长期种植蔬菜的菜园，如北京240年连续种植蔬菜的菜园土壤性状也有明显的改善。我国的2灌溉土壤资源是重要的宝贵资源。其中，灌淤土共计有152.7万hm，22而且灌淤土的垦殖率很高，达148.7万hm。灌漠土也有91.6万hm，垦殖率也很高。其他的灌溉土壤，大都是季节性灌溉，由于水土资源分配不均与灌排设施的不同，差别也很大。

3.雨养农业的土壤资源

主要靠大气降水提供作物所需水分的土壤资源，在耕地土壤资源2中占去主要部分，总面为8297.8万hm，占旱耕种土壤资源的278.5%。在雨养农业耕地中，以红壤为例达5690.2万hm，但其中耕2地却很少，仅313.1万hm，仅占6%强。这是由于红壤所据多为割切丘陵阶地，地形破碎，降雨径流量大，加之土壤质地过于黏重，呈强酸性反应，这些性状对作物生长存在着很多限制因素，长期以来，没有大范围垦殖成功。但综合开发利用却大有前途，是我国亟待开发利2用的主要土壤资源。另外如石质土，全国共有石质土达1518.9万hm，2而其中耕地仅1133.3hm，所占总土地面积更小。类似这样土层瘠薄、坡度陡峻的土壤类型，应以造林、种草为主要开发途径。不过，像紫2色土虽也在丘陵坡地，但其垦殖率仍很高，在1889.1万hm中，已有2近550万hm为耕地，地形破碎分割，土层甚薄，无灌溉水源，只能靠降雨供作物生长。又如黄绵土的垦殖指数比紫色土还高，1227.9万22hm总面积中有528.1万hm耕地，这是黄土母质特性所决定的，由于疏松多孔，地形破碎，水分奇缺，土壤表层遇水分散，降低水分下渗，亩产仅20～30kg，一旦遇雨水丰沛的年份，就可获丰收，因此有“三年不收或少收，一年丰收吃三年”之说。垦殖率很低的土壤类型是—系列高山土壤，如黑毡土、草毡土只有很小比例的耕种面积，22前者在约1943万hm中只有不足百万亩耕地，后者在5351万hm中只2有39万hm耕地，在这样的高海拔地区能从事农业生产已属难能可贵。这类土壤上大都生长高山草甸与高山草原被覆，可作为牦牛、藏羊放牧场所。及至更干旱的寒钙土与冷钙土垦殖率更低，至于寒漠土与冷漠土就全无耕地可言，其中有不少地区为无人区。有待改良方可从事耕作的土壤资源类型为各类盐土和碱土。盐化、碱化土壤经综合改良后均可耕作；滨海盐土只需蓄淡淋盐，不出数年即可垦殖。大部分强盐化与碱化土壤垦殖率均很低，有时全无垦殖。山丘坡耕地在耕地中也占较大的比例。凡坡耕地均发生不同程度的水土流失，特别是陡坡耕地（＞25°）上种植的土壤均发生强烈侵蚀。在南方花岗岩区，由于风化层深厚，一旦表层与红土层被蚀光，白砂土层裸露，就会遭强烈侵蚀。

二、我国土壤资源的区域性差异特征

我国是季风气候十分活跃的国家，水热状况与土壤性状区域差异极大。这种环境条件和土壤母质本身的区域性变化（如气候、地貌、地质历史等），使得土壤的分布具有显著的区域性变异。尽管低产土壤往往有多种限制因素的同时存在，但其中常有一两个突出的主要矛盾。因而从全国来看，不仅土壤资源开发利用潜力有很大的差别，并且低产土壤的主要类型也常常呈区域性分布。目前农、林、牧业实际2可利用的土壤只有约7亿hm，占全国总土壤面积的约2/3。其余近1/3仍属沙漠、戈壁、土层瘠薄的山丘土壤所占据，而且在区域分布上极不平衡。农业区集中于东部，青藏高原及西北漠境地区耕地土壤面积所占比例甚少。在区域界线上，可从东北大兴安岭西坡算起，作西北向延伸，直至西藏高原东部，大致沿年降水量400mm等雨线为界。在这条线以东为以乔木为主体的森林线分布范围；越过此线，向西北，绝大部分广阔地区为草原、沙漠、戈壁与高寒原面地区，只有在高大山系背阴处，方见到森林与茂密草场，如阿尔泰、天山、昆仑、祁连山以及喜马拉雅山等山系。在这条线的东南面，为适生林木生长的地区。由于人口密集，生产活动频繁且强烈，过垦毁林，天然林木残存甚少，森林被覆率甚低，仅在边远、交通不便的各自然保护山区才有天然林存在。当然，我国东北林区仍属我国主要林区。

由于我国水热状况与土壤资源类型组合情况的差异，历史上已形成不同土地利用结构类型的三大自然区域（表1-3）。

1.东部湿润半湿润地区

本区季风盛行，雨量充沛，光、热、水资源较好，为湿润、半湿2润区；土地面积占国土的47.22%，而人口却占全国的89.6%，每km密度高达227人。其区域界线大致北起大兴安岭向西经黄河河套、鄂尔多斯高原中部、宁夏盐池、同心一线直到景泰、永登和涅水谷地转向南沿青海高原东南部以东，是我国耕地、林地、沼泽、淡水湖泊、河流及城镇居民等集中分布的区域，也是农、林、渔业等最集中的重要产区。耕地比重大，约占本区土地面积的26.63%，平原多，土地垦殖率和复种指数均较高，一年一熟至一年三熟，开发利用方式多样2（表1-4），但人均耕地只有0.107hm。全国耕地的87%以上集中分布在此区域，其中长江中、下游及华北、东北三大平原所在的14个省（市、区）的耕地，就占全国耕地总面积的60%，特别是黑龙江省的耕地最多，占本区耕地面积的9.56%。

本区土壤利用的南北差异也很大，大致可以秦岭、淮河为界，分为北方以旱地农业为主和南方以水田农业为主的两大土地利用类型区。林地占本区土地面积的26.41%，占全国林地面积的68.5%。其中20%以上的天然林主要分布在东北山地的棕色针叶林土、漂灰土、暗棕壤区，适生落叶松、樟子松、红松等用树林；华北山地的褐土、棕壤区天然林较少，多为次生林、灌木林；江南丘陵山地的红壤、黄壤区适生杉木、马尾松、毛竹、油茶等，宜于发展速生丰产林；华南热带山地丘陵的砖红壤、赤红壤区，水热资源充足，生物资源丰富，适生柏木、石悻、青皮、降香黄檀、桉树、松树等，宜于发展多种经济林木、果林及特产作物。

可利用天然草地占本区土壤面积的20.31%，占全国可利用草地面积的31.65%，主要分布于东北松嫩平原、内蒙古科尔沁平原、呼伦贝尔、锡林郭勒高平原东部的温性草甸草原（土壤为黑土、黑钙土、暗栗钙土、淡栗钙土等），以及包括西辽河平原、乌兰察布高平原范围内的温性典型草原（土壤为栗钙土、暗栗钙土、风沙土等）。覆盖率和产草量较高，亩产鲜草200～400kg，是优良的天然牧场。分布在平原、湖滨、滩地及河谷盆地中的低地草甸、滩涂草地，土壤为草甸土、沼泽草甸土、潜育草甸土、盐化草甸土、黑土等，草层较高，覆盖率达60%～90%，草丛繁密，产草量高，一般亩产鲜草400～600kg，可用于割草放牧。分布在亚热带、热带地区的热性草丛、灌草丛和山地、丘陵的热性稀树草丛（土壤多为红壤、黄壤、黄棕壤、石灰（岩）土等），草群覆盖率较高，产草量也高，亩产鲜草500～1000kg以上。分布在暖温带地区的低丘陵、沟谷的暖性草丛、灌草丛，草群密度大，产草量较高，是牧业饲草地和放牧基地。

2.西南高原高寒地区

本区包括云贵高原和青藏高原。全区高原山脉绵亘，海拔高，地势起伏大，山多，平地少，气候垂直变化幅度大，立体差异明显。土2地面积约占国土的24.4%，而人口只占全国的8.3%，每km人口密度为40人。本区土壤资源特点是耕地资源有限，散布于山丘洪积台地及河谷阶地，占全区土地面积的4.6%，而耕地面积中以坡耕地为2主，占72%，人均耕地0.107hm。农田生态脆弱，山高、土薄、石头多，水土流失严重，山地石化面积大。耕地中旱地占69.7%，水田占30.3%。全区土壤垦殖率较低，农作物复种指数140.3%。

云贵高原以水旱轮作为主，冬种小麦、油菜等，夏种水稻、玉米、薯类等一年一熟或一年两熟。青藏高原以旱作农业为主，70%的耕地有灌溉保证，为青稞、小麦、豌豆与饲草轮作和间套种提供了集约种植条件。林地土壤资源较多，占全区土地面积的17.7%。本区可利用草地占全区土地面积的39.3%，其中西藏占70%以上。广泛分布于西南山区的山地草甸（土壤为山地草甸土、山地灌丛草甸土、黑毡土）及高山带、青藏高原的高寒草甸类（土壤为草毡土、黑毡土）、高寒草原类（土壤为寒钙土、冷钙土），是该区夏季放牧场。分布在河谷低阶地的草甸草地（土壤为草甸土）和湖滨、河漫滩的低地草甸，产草量高，为该区冬春季优良放牧草场。西南高原高寒山区除少数间山盆地、河谷阶地外，多高山峡谷，岩石裸露，冰川积雪，难利用土地占30%以上。

3.西北干旱地区

本区包括新疆、河西走廊、内蒙古包头以西、宁夏河套平原、青海北部，土地面积占国土的28.4%，而人口只占全国的2.17%，人口2密度每km为6人。地广人稀，大陆性气候非常明显，气温变化剧烈，日照充足，光热资源丰富，但区内降水稀少，分布极不平衡，蒸发强烈，干旱缺水。种植业依靠冰川雪融水发展灌溉，以水定耕，充分体现了漠境地区绿洲农业的特点。耕地面积比例小，仅占本区土地面积的2.2%，水浇地占耕地面积的80%以上，人均占有耕地20.247hm。土地垦殖率2.22%，农作物复种指数98.2%，基本上为一年一熟。粮食作物占66.2%，经济作物占24.0%。粮食作物以小麦、玉米为主，人均产量达427kg。经济作物的比重较全国高九个百分点，以油料、棉花、甜菜比重较大，是我国优质长绒棉及哈密瓜、葡萄等特产的主产区。河西走廊和新疆垦区是我国西北地区重要商品粮基地。

本区林地资源稀少，仅占区内面积的4.9%；以放牧业为主，可利用草地面积占39.21%，分布于新疆阿尔泰、伊犁河谷的冲积平原和山前坡地、阿尔泰山山前平原和准噶尔盆地、青海柴达木盆地的冲积平原和昆仑山山前地带的湿性荒漠草地（土壤为灰棕漠土、灰漠土）、温性草原化荒漠草地（土壤为淡栗钙土）。由于气候极端干旱，植被为稀疏的草木、旱生灌木、半灌木组成的草地类型，其利用率仅为60%。牧草种类单一，质量差，草群稀疏，产草量低，覆盖率不足30%，亩产鲜草不到50kg，仅适于放牧骆驼和羊。

广泛分布于新疆伊犁、阿勒泰、青海环湖等地的高寒草原（土壤为寒钙土）、温性荒漠草原（土壤为棕钙土）、温性典型草原（土壤为栗钙土、淡栗钙土）、温性草甸草原（土壤为黑钙土、暗栗钙土）、低地草甸（土壤为草甸土、盐化草甸土、潜育化草甸土）、山地草甸类（土壤为山地草甸土、山地灌丛草甸土）、高寒草甸类（土壤为草毡土）等，草地面积大，资源丰富，便于四季放牧。

本区整体处于荒漠气候的控制下，并随着地形、海拔高度的变化，水热条件分配不同，使草甸类型、草质和产草量有很大差异，载畜量相差悬殊。总体上看，牧草质量较差，产量低，冬季草场和割草场不足，畜牧业发展受到限制。干旱荒漠是本区的主要特征，不利的是沙漠、戈壁、石山等难利用土地占全区土地总面积的50%。

第四节　我国的土壤退化与土壤改良利用分区

不合理的人类活动引起的土壤和土地退化问题，严重威胁着世界2农业发展的可持续性。据统计，全球土壤退化面积大约1965万km，2地处热带亚热带地区的亚洲、非洲土壤退化尤为突出，约300km严22重退化的土壤中有120万km分布在非洲，110万km分布在亚洲。我国属强度资源约束型国家；一方面耕地、草地及林地的人均占有量分别只有全球人均占有量的1/3、1/4和1/5；另一方面，我国土壤退化问题很突出，已成为制约我国农业和国民经济持续发展的主要障碍。

一、我国的土壤退化问题

我国农业历史悠久，劳动人民的长期耕种实践，具有精耕细作的优良传统及用地养地的丰富经验，培育了不少高产稳产农田，加速了土壤的进化过程。但长期以来不少地区人地矛盾突出，耕地负荷过量，灌溉和耕作不合理，忽视了养地和保护性开发，因而耕地质量退化，农田生态失衡。同时，森林的乱砍滥伐，草原盲目开垦，过度放牧超载，陡坡开荒种植，工业“三废”等导致土壤生态环境恶化。由于受自然因素作用和人为经济活动的影响，土壤资源利用与破坏的矛盾日益严重，影响着我国农林牧业生产的发展。

土壤退化（soil degradation）是指在各种自然因素、特别是人为因素影响下所发生的土壤生产力、环境调控潜力和可持续发展能力的下降甚至完全丧失的过程。因此，土壤（地）退化的实质，是土壤数量减少（表土丧失，或整个土体毁坏，或被非农业占用）和质量衰退（土壤生产功能、土壤环境功能和土壤生态功能）甚至完全丧失。

严格地说，土壤退化并不能完全等同于土地退化。土地是土壤和环境的自然综合体，除了土壤属性以外，土地还应包括更多的环境属性，如地貌形态（山地、丘陵等）、植被类型（林地、草地、荒漠等）、水文状况（河流、湖沼等）等。因此，土地退化应该是指人类对土地的不合理开发利用而导致土地质量下降乃至荒芜的过程，其主要内容包括森林的破坏及衰亡、草地退化、水资源恶化和土壤退化。但很显然，土壤退化是土地退化中最集中，也是最基础和最重要的表现，土壤退化必将导致土地退化；特别是对于农业来说，土壤是土地的核心，土壤退化也是土地退化的核心。2

据统计，我国土壤退化总面积达460万km，占全国土地面积的240%，是全球土壤退化总面积的1/4。其中水土流失面积达150万km，几乎占国土总面积1/6，每年流失土壤50万吨，流失的土壤养分相当2于全国化肥总产量1/2。沙漠化、荒漠化总面积达110万km，占国土2总面积的11.4%。全国草地退化面积67.7万km，占全国草地面积的21.4%。土壤污染日趋严重，20世纪90年代初遭工业三废污染的农田2面积就达6万km，相当于50个农业大县的全部耕地面积。我国土壤退化的发生区域广，全国各地都发生类型不同、程度不等的土壤退化现象。就地区来看，华北地区主要发生着盐碱化，西北主要是沙漠化，黄土高原和长江中、上游主要是水土流失，西南发生着石质化，东部地区主要表现为土壤肥力衰退和环境污染。总体来看，土壤退化已影响到我国60%以上的耕地土壤。

土壤（地）退化的科学研究还比较薄弱。联合国粮农组织1971年编写了《土壤退化》一书，将土壤退化分为10大类，即侵蚀、盐碱、有机废料、传染性生物、工业无机废料、农药、放射性、重金属、肥料和洗涤剂；后来又补充了旱涝障碍、土壤养分亏缺和耕地非农业占用三类。我国80年代才开始研究土壤（地）退化分类，中国科学院南京土壤研究所采用二级分类制来描述土壤退化类型。一级将我国土壤退化分为土壤侵蚀、土壤沙化、土壤盐化、土壤污染、土壤性质恶化和耕地的非农业占用等六大类，在这六个一级分类的基础上再进一步进行二级分类（表1-5）。

按土壤退化原因，又可以把土壤退化分为土壤物理退化（侵蚀沙化、石质化、板结硬化等）、土壤化学退化（有毒化学物质污染、盐碱化、酸化、营养元素失衡、砖红壤化等）和土壤生物学退化（土壤有机质下降和土壤动植物区系退化）。自然条件下的土壤退化主要发生在生态比较脆弱的地区，但人类活动不当引起的土壤退化问题更为突出和严重。我国耕地土壤资源开发利用中普遍存在的土壤退化问题有以下几类。

1.土壤侵蚀

我国多山，山丘土壤在失去防护时，易产生水土流失，导致大量泥沙输入河流。以黄河为例，每年平均输出泥沙16亿t；长江测得的多年平均泥沙含量虽仅5.4亿t，但这仅是悬移质泥沙量，还有另一部分为推移质，即大量随急流推移的粗砂与砾石，这样的推移质数量可能会比测得的悬移质大一倍以上。这些泥沙均来自上游肥沃土层及其母质与岩层的侵蚀物。严重的水土流失导致土壤退化与肥力衰竭。另外，我国西北干旱漠土区，土壤遭到风力侵蚀也很严重。小粒尘埃随风扬起，降落于广大的黄土区；粗粒随风流动位移，堆成沙滩、沙丘、甚至沙山，形成大面积风沙土。有关土壤侵蚀及其防治问题，将在本书第九章作专题论述。

2.土壤沙化

人为活动是土壤沙化的主导因素。据统计，人为因素引起的土壤沙化占总沙化面积的94.5%，其中农垦不当占25.4%，过度放牧占28.3%，森林破坏占31.8，水资源利用不合理占8.3%，开发建设占0.7%。土壤沙化对经济建设和生态环境危害极大。首先，土壤沙化使大面积土壤失去农、林、牧生产能力，使有限的土壤资源面临更为严重的挑战。我国从1979年到1989年10年间，草场退化每年约130万222hm，人均草地面积由0.4hm下降到0.36hm。其次，使大气环境恶化。由于土壤大面积沙化，使风挟带大量沙尘在近地面大气中运移，极易形成沙尘暴，甚至黑风暴。20世纪30年代在美国，60年代在前苏联均发生过强烈的黑风暴。70年代以来，我国新疆发生过多次黑风暴。土壤沙化的发展，造成土地贫瘠，环境恶劣，威胁人类的生存。我国汉代以来，西北的不少地区是一些古国的所在地，如宁夏地区是古西夏国的范围，塔里木河流域是楼兰古国的地域，大约在1500年前还是魏晋农垦之地，但现在上述古文明已从地图上消失了。从近代时间看，1961年新疆生产建设兵团32团开垦的土地，至1976年才15年时间，已被高1～1.5m的新月形沙丘所覆盖。

3.土壤盐碱化

我国也是盐渍土分布面积广阔、类型众多的国家。从滨海土壤到干旱、半干旱地区低洼平原中，可见到多种类型的盐土、碱土。在耕地中亦见多种盐化、碱化土壤，当到达西北极端干旱漠土区，土壤中积盐更为普遍，甚至形成盐盘、盐壳等重度积盐土壤。土壤中积盐与碱化，严重危害农作物正常生长，但只要因土制宜进行改良利用，也可获得增产。沿海一带滨海盐土，一经蓄淡洗盐，就可进行垦殖。有关盐碱土的改良利用，亦将在本书作专题论述。

4.土壤污染

土壤污染主要由于工业和城市废物（废水、固体废物、废气）排放、灌溉超标、施用污泥、垃圾、工业废渣堆放以及不合理地施用化学农药、化肥等造成的，其影响范围较广，危害大。（1）污灌引起的土壤污染。不合理地利用工业废水和城市污水进行灌溉，造成土壤污染，污水中含有重金属元素、有机毒物及盐分等，尤其是重金属元素污染土壤后，难以消除。全国污水灌溉农田面积已扩大到3000多万22hm，由于污灌不当而使700万hm农田受到不同程度的污染。（2）“三废”引起的土壤污染。工业废渣对土壤的污染日益增多。全国工业固体废物量为7.2亿t，而综合利用率仅30%。没有处理的工业废渣2和城市垃圾都堆放在城郊，积累堆存量达86亿t，占地面积约600km；大量石化燃料的使用伴随酸雨发生，生态脆弱区将首当其害。（3）农用化学品使用不当引起的土壤污染。化学肥料的施用不当或用量过多，也会造成土壤污染，导致农产品质量下降。在一些经济发达地区，氮肥施用过量，土壤中的硝态氮已有明显积累，硝酸盐在食物中的积累转化对人体健康有严重危害。

目前农田土壤污染日趋严重，受农药和重金属污染的土地面积达21亿hm，农田生态环境继续恶化，对农业生产的影响和危害较大，全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨（曹志洪，2007）。农田污染已构成农业经济发展的限制因素，防治农田污染、保护农业生态环境，已是刻不容缓的艰巨任务。

5.耕地养分亏缺

我国人口多，耕地少，人地矛盾突出。多年来，为缓解人地矛盾，加速发展农业，采取扩大耕地、兴修农田水利、发展灌溉、改革耕作制度、增加复种、提高单产等措施，使农作物产量大幅度增长，缓解了供需矛盾。而另一方面，由于人增地减的矛盾，对耕地采取掠夺式结营，重用轻养，忽视培肥地力，引起土壤养分不平衡，反映出耕地2土壤肥力减退。据第二次全国土壤普查，在13.75亿hm耕地中，高产田仅占21.5%，中产田占37.2%，低产田占41.3%。在这78.5%的中、低产耕地土壤中，有机质含量一般只有10～20g/kg左右，有机质含量不足6g/kg的土壤占10.6%，缺氮、缺磷土壤占59.1%，缺钾土壤占22.9%。各大区耕地土壤出现不同程度的缺素情况（表1-6）。

6.土壤酸化

土壤酸化是一种自然的生物地球化学过程，在热带亚热带湿润地区非常明显。土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的铝化合物。植物长期过量地吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸化会加速土壤矿物质营养元素的流失；改变土壤结构，导致土壤贫瘠化，影响植物正常发育。在自然条件下土壤酸化是一个相对缓慢的过程，土壤pH值每下降一个单位需要数百年甚至上千年，而国内20多年里土壤已经出现显著酸化，高投入集约化的农业生产加速了这一过程。20世纪80年代以来中国主要农田土壤显著酸化，pH值平均下降了约0.5个单位，相当于土壤酸量在原有基础上增加了2.2倍（张福锁等，22009）。我国酸化土壤面积约为20万km，占全国总面积21%左右；大部分酸化土壤pH小于5.5，其中很大一部分小于4.5。经济作物体系土壤酸化比粮食作物体系更为严重，北方的石灰性土壤同样出现了酸化。氮肥过量施用是农田土壤酸化加速的首要原因。北方一些蔬菜大棚由于长期过量施用氮肥，使土壤pH值大幅度下降，病虫害严重发生，蔬菜品质和产量显著下降，一半以上的氮肥养分进入地下水造成饮用水硝酸盐污染。南方部分红壤的pH值下降更多，造成玉米、烟草、茶叶等农作物的减产。北方石灰性土壤由于pH值较高，下降1个单位可能不会给农业生产带来大的影响，但对于南方酸性土壤来说就有可能超过作物的承受能力。

7.土壤潜育化与次生潜育化

土壤潜育化是湿地和水田土壤处于地下水和饱和、过饱和水长期浸润状态下，在1m内的土体中某些层段氧化还原电位（Eh）在200mV以下，并出现因Fe、Mn还原而生成的灰色斑纹层或腐泥层或青泥层或泥炭层的土壤形成过程。土壤次生潜育化是指因耕作或灌溉等人为原因，土壤（主要是水稻土）从非潜育型转变为高位潜育型的过程。常表现为50cm土体内出现青泥层。我国南方有潜育化或次生2潜育化稻田有400多万hm，其中约有一半为冷浸田，是农业发展的又一障碍。这类土壤广泛分布于江、湖、平原，如鄱阳平原、珠江三角州平原、太湖流域、洪泽湖以东的里下河地区，以及江南丘陵地区的山间构造盆地，以及古海湾地区等。

8.非农业占地

新中国成立初期，全国大规模农垦，耕地面积稳定上升。根据统2计资料：1950年至1957年，平均每年增加1700多万hm。1957年全22国耕地面积达11183万hm，人均占有耕地0.18hm。1958年以后由于城镇、工矿、交通、水利等建设，占用了大量耕地，耕地总量和人均占有量开始逐年递减，1958年至1965年耕地数量基本呈下降趋势，个别年份略有增加。以后，我国耕地总面积呈直线下降，1966年至21970年间，平均每年减少2.53万hm；1971年至1975年平均每年减少2235.2万hm；1986年至1989年平均每年减少29.7万hm。40年间我国2人口增加了14倍，而耕地比1957年减少了161万hm，平均每年减少2250万hm。到2007年全国耕地面积降到1.22亿hm（图1-1）。乡镇企业发展，用地规模扩大，占用耕地较多，沿海经济开发区耕地锐减。有的土地利用不合理，盲目征用，实际开发率低。交通用地、基础设施等占地也较突出。而这些区位的耕地是生产水平较高的沃土良田，如不有效控制耕地的被占用问题，有的沿海开发区将会无地可种。

二、土壤改良利用分区和低产田分类

根据我国第二次全国土壤普查的汇总成果，按《中国土壤》（席承藩主编，1998）所列，简要介绍我国土壤改良利用分区（见西安地图出版社出版的1:400万中国土壤改良利用分区图），同时简要介绍1996年农业部发布的《全国中低产田类型划分与改良技术规范》中对我国中低产田（地）所进行的类型划分。（一）分区的原则、依据和命名方式

1.原则

土壤改良利用分区主要依据土壤本身的适宜性能、障碍因素和改良措施划分。划分原则是：（1）依据自然环境不同特点，对主要土壤个体和群体类型适宜性能的相似性进行概括。（2）按不同自然地带土壤类型的组合差异及适宜能力进行归纳。（3）根据不同地貌单元土壤组合类型存在的障碍因素和改良措施进行区分。

2.依据

按照上述分区原则，全国土壤改良利用分区拟划分为区域、土区和亚区三个级别，各级别划分的依据是：（1）区域为全国土壤改良利用分区的一级单元。主要反映我国土壤土纲组合群体生产适宜性能的概括特征，体现全国生物气候条件大范围的不均衡性及其所形成的土壤性状与对农、林、牧业生产适宜性的重大差异。在同一区域内，土壤的利用方向基本一致。据此，在全国划分三个不同的土壤改良利用区域，即：东部铁铝土、淋溶土农业、林业区域，西北钙层土、漠土牧业、灌溉农业区域，西南高寒土壤牧业区域。（2）土区为全国土壤改良利用分区的二级单元。主要反映土壤区域内部，由于生物气候条件不同而引起较大范围土类组合特点及其生产适宜能力的较大差异。同一土区内，具有大体相近的水热条件，土地利用方式基本一致。据此，东部铁铝土、淋溶土农业、林业区域划分热带砖红壤宜胶三熟区等7个土区；西北钙层土、漠土牧业、灌溉农业区域划分温带内蒙古草原钙层土牧、农、林一熟区等3个土区；西南高寒土壤牧业区域划分青藏高原东部黑毡土、草毡土、褐土牧、农一熟区等3个土区，共计13个土区。（3）亚区为全国土壤改良利用分区的三级单元。主要反映土区内部不同地貌类型引起土壤组合类型及其障碍因素和改良措施的差异。同一亚区内，土壤水热条件和利用方式更趋一致。据此，东部铁铝土、淋溶土农业、林业区域共划分海南砖红壤热作防风、水稻土增磷亚区等42个亚区；西北钙层土、漠土牧业、灌溉农业区域共划分内蒙古高原西部棕钙土、风沙土、盐碱土草灌固沙，建立草料基地、合理轮牧亚区等20个亚区；西南高寒土壤牧业区域共划分阿坝、昌都黑毡土、沼泽土、褐土建设草料基地、合理轮牧、轮作亚区等7个亚区，总计69个亚区。

3.分区命名（1）区域命名1984年《中国自然区划概要》根据我国综合自然条件的重大差异，概分全国为东部季风区域、西北干旱区域和青藏高寒区域。1987年《中国农业资源与区划要览》在“我国主要土壤类型、分布规律及利用方向”一节中，按生物气候成因大的群体差异，区分全国为东部湿润、半湿润地区的森林土壤群系，西北半干旱、干旱地区的草原、荒漠土壤群系和青藏高寒地区的高山土壤群系。1990年《中国土壤地理》和《中国农业区划简编》的土壤区划将上述三大土壤群系概括为东部森林土壤区域，西北草原、荒漠土壤区域和青藏高山草甸、草原土壤区域。

本次土壤改良利用分区，重点以全国区域土壤改良利用为议题，又将上述三大土壤区域调整为东部铁铝土、淋溶土农业、林业区域，西北钙层土、漠土牧业、灌溉农业区域和西南高寒土壤牧业区域，即以主要土纲组合及其适宜生产发展的方向为区域命名的依据。（2）土区命名土区名称主要以不同地带的主要土壤和主要利用方式为依据，如热带砖红壤宜胶三熟区，温带内蒙古草原钙层土牧、农、林一熟区等。（3）亚区命名亚区名称采用主要区位、主要土壤类型、主要改良措施、主要利用方式联合命名，如成都平原水稻土、黄壤排渍、防污，合理施肥稻、油、麦高产亚区等。（二）土壤改良利用分区系统概述

1.东部铁铝土、淋溶土农业、林业区域（Ⅰ）

本区域大体位于大兴安岭、燕山、吕梁山、秦岭、岷山、横断山、喜马拉雅山一线以东地区。濒临海洋，季风进退活跃，降水充沛，年降水量在500～1000mm以上，大气湿润程度高，热量充足，以铁铝土、淋溶土为主的土壤资源类型丰富，适宜性能广泛。从南到北既适种多种类的农作物，又能生长多种林木与果木，而且也适宜饲养各类牲畜，因而是我国人口集中、耕种集约、农业生产历史悠久，粮、棉、油、茶、果和其他多种经济作物的重要产区。由于生物气候、土壤类型组合及其生产能力尚存在不同程度的差异，故由南而北续分为7个土区：热带砖红壤宜胶三熟区（Ⅰa）、南亚热带赤红壤果、蔗三熟区（Ⅰb）、中亚热带红、黄壤宜茶、橘两熟区（Ⅰc）、北亚热带黄棕壤、黄褐土稻麦两熟区（Ⅰd）、暖温带棕壤、褐土宜干、鲜果两年三熟区（Ⅰe）、中温带暗棕续、黑土林、粮一熟区（Ⅰf）、北温带漂灰土、棕色针叶林土合理治潜，更新抚育用树林区（Ⅰg）。

2.西北钙层土、漠土牧业、灌溉农业区域（Ⅱ）

本区域大体位于大兴安岭西侧，燕山北麓，吕梁山西麓，铜川、天水、碌曲、格尔木、昆仑山北麓、喀拉湖一线的西北地区。该区域深处内陆，受海洋湿润季风的影响不大，故降水较东部区域稀少，并由东向西递减。年降水量东部大兴安岭西侧为450mm，到内蒙古中部为300～150mm，越过贺兰山大多不超过100mm，吐鲁番盆地仅30～15mm，大气湿润程度很低，热量条件较差。以钙层土、漠土为主的土壤资源类型比较简单，生产适宜性能也较窄，除有水源灌溉条件的部分地区能种植作物和部分山地生产一些林木果木外，广大区域是一望无际的草原和戈壁，是我国少数民族散居和畜牧业为主的地区。由于其生物气候及土壤类型结合的生产能力自东而西尚有一定差异，故仍可划分3个土区：温带内蒙古草原钙层土牧、农、林一熟区（IIa）；暖温带黄土高原黄锦土、栗褐土农、林、牧两年三熟区（Ⅱb）；温带、暖温带蔡新高原漠土牧业、绿洲农业、林业一熟、两年三熟区（Ⅱc）。

3.西南高寒土壤牧业区域（Ⅲ）

本区域位于青藏高原地区，周围为喜马拉雅山、喀喇昆仑山、昆仑山和横断山等诸大山系环绕。这些巨大山系，海拔均在6000～7000m以上，即使其间比较平缓波状起伏的高原面，海拔也高达3000～5000m。由于地势高，气温低，因而从南部印度洋和东南部太平洋吹来的湿润季风则受其阻挡不能顺利进到该区域腹地，而仅从其前缘深切河谷通道微弱向内输送。所以本区域除东部和南部稍显湿润外，广大腹地均较干旱。年降水量由东部500mm往西渐降到100mm以下，土壤形成受耗水量不大的草本植物的影响很大，如黑毡土、草毡土、冷钙土、寒钙土等，类型较东部铁铝土区域更为简单，生产适宜性能很窄，除部分河谷地段可从事一些农业生产外，广大区域均只能以牧业为主，是我国少数民族居住生活的又一重要畜牧业基地。本区域划分为3个土区：青藏高原东部黑毡土、草毡土、褐土牧、农一熟区（Ⅲa）；青藏高原中部冷钙土、寒钙土牧、农一熟区（Ⅲb）；青藏高原西部、北部漠土牧业区（Ⅲc）。（三）全国中低产田类型划分

1996年，农业部发布了《全国中低产田类型划分与改良技术规范》（NY/T310-1996），作为推荐性标准要求全国各地参照执行。该标准将全国耕地的中低产田划分为八个类型，以NY/T309-1996《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》中的七个类型区为地域单元，根据七个类型区中土壤类型的不同特点，确定每个类型区中的主要中低产田类型及土壤障碍程度的等级指标，并提出了中低产田改良的技术指标和要求。其中八个中低产田类型分别是：

1.干旱灌溉型

由于降雨量不足或季节分配不合理，缺少必要的调蓄工程，以及由于地形、土壤原因造成的保水蓄水能力缺陷等原因，在作物生长季节不能满足正常水分需要，同时又具备水资源开发条件，可以通过发展灌溉加以改造的耕地。指北方可以发展为水浇地的旱地，南方可以开发水源，提高水源保证率，增强抗旱能力的稻田和旱地。其主导障碍因素为干旱缺水，以及与其相关的水资源开发潜力、开发工程量及现有田间工程配套情况等。

2.渍涝潜育型

由于季节性洪水泛滥及局部地形低洼，排水不良，以及土质黏重，耕作制度不当引起滞水潜育现象，需加以改造的水害性稻田。其主导障碍因素为土壤潜育化、渍涝程度和积水，以及与其相关的包括中、小地形部位、田间工程配套情况等。

3.盐碱耕地型

由于耕地可溶性盐含量和碱化度超过限量，影响作物正常生长的多种盐碱化耕地。其主导障碍因素为土壤盐渍化，以及与其相关的地形条件、地下水临界深度、含盐量、碱化度、pH等。

4.坡地梯改型

通过修筑梯田、梯埂等田间水保工程加以改良治理的坡耕地。其他不宜或不需修筑梯田、梯埂，只需通过耕作与生物措施治理或退耕还林还牧的缓坡、陡坡耕地，列入瘠薄培肥型与农业结构调整范围。坡地梯改型的主导障碍因素为土壤侵蚀，以及与其相关的地形、地面坡度、土体厚度、土体构型与物质组成、耕作熟化层厚度等。

5.渍涝排水型

河湖水库沿岸、堤坝水渠外侧、天然汇水盆地等，因局部地势低洼，排水不畅，造成常年或季节性渍涝的旱耕地。其主导障碍因素为土壤渍涝，与其相关的地形条件、地面积水、地下水深度、土体构型、质地、排水系统的宣泄能力等。

6.沙化耕地型

西北部内陆沙漠，北方长城沿线干旱、半干旱地区，黄淮海平原黄河故道、老黄泛区沙化耕地（不包括局部小面积质地过沙的耕地）。其主导障碍因素为风蚀沙化，以及与其相关的地形起伏、水资源开发潜力、植被覆盖率、土体构型、引水放淤与引水灌溉条件等。

7.障碍层次型

土壤剖面构型上有严重缺陷的耕地，如土体过薄、剖面1m左右内有沙漏、砾石、黏盘、铁子、铁盘、砂姜等障碍层次。障碍程度包括障碍层物质组成、厚度、出现部位等。

8.瘠薄培肥型

受气候、地形等难以改变的大环境（干旱、无水源、高寒）影响，以及距离居民点远，施肥不足，土壤结构不良，养分含量低，产量低于当地高产农田，当前又无见效快、大幅度提高产量的治本性措施（如发展灌溉），只能通过长期培肥加以逐步改良的耕地。如山地丘陵雨养型梯田、坡耕地和黄土高原，很多中等产量的黄土型旱耕地。

第五节　土壤改良学基本内容

土壤改良与保护涉及的内容十分广泛。它是运用土壤学、植物营养与施肥、农业生物学、作物栽培学、农田水利学、农业工程学、生态学等学科的理论和技术，排除和防治影响农作物生长和引起土壤退化的各种不利因素，提高土壤肥力和创造良好土壤生态环境条件的一门应用技术类课程。本教材试图建立相对集中又比较完整的土壤改良学的基本框架和课程教学体系，因此，作为本科学生的教材，在书中编入了以国内资料为主的大量最新研究成果，特别参考了一些比较成熟和系统的著作，包括《中国土壤》、《土壤资源概论》、《中国土壤质量》、《中国土壤肥力演变》、Soil Fertility and Fertilizers（7th Edition）、《农业水资源利用与管理》等等。本课程中的许多章节均有专门的著作和文集，为许多问题的进一步研习提供了良好的条件。

考虑到土壤改良学的系统性和本专业各课程之间的衔接，我们将本教材的内容分为六个方面共十章，即土壤改良学概论（1章）、土壤养分管理与高产土壤培肥（1章）、水利土壤改良（3章）、区域性土壤障碍与改良（3章）、土壤侵蚀与水土保持（1章）和土壤污染与修复（1章）。

一、土壤改良学概论

作为全书的导论，本部分从土壤的功能质量出发，明确提出了土壤改良学是服务于增强和维护农业可持续发展能力的一门应用性课程。也就是说应用土壤学理论，结合植物营养学、农业生物学、作物栽培学、农田水利学、农业工程学、生态学等课程知识，讨论如何排除和防治影响农作物生长和引起土壤退化的各种不利因素，提高土壤肥力和创造良好土壤生态环境条件的一系列技术和方法。因此在概论中，讨论了土壤改良学的一些普适辩证关系；介绍了土壤改良的发展情况；应用我国第二次土壤普查成果，重点介绍我国土壤和耕地资源的概况、区域分布和差异特征；概述我国的土壤退化的情况，介绍我国的土壤改良利用分区和全国中低产田类型划分情况。

二、高产土壤培肥与缺素土壤改良

通过土壤养分和植物营养平衡分析，构建以施肥为中心的土壤培肥和作物营养元素缺乏症状矫治的技术体系，是土壤培肥和改良实践中最为普遍和常用的技术措施，也是本专业学生最重要的基本技能之一。考虑到本专业整个教学计划的课程体系结构，本书将土壤养分管理和施肥的内容压缩成一章，重点概述了土壤养分的种类、性质和有效性关系、养分的诊断与施肥原理、长期施肥的影响、高产土壤培肥以及土壤养分流失及其对环境的影响等；其中，重点介绍近年来我国土壤肥料的重点工作——测土配方施肥的技术体系。

三、水利土壤改良

水利土壤改良以田间土壤水分调节为中心，讨论农田灌溉与排水。本课程中的水利土壤改良与农田水利学的侧重点不一样，农田水利学包括两个方面的基本内容，即区域水资源的调度和农田水分状况的调节，其中区域水资源不平衡的状况主要通过蓄水、引水、调水等措施调节，这一部分内容更多地偏重水利工程措施；而本课程的水利土壤改良部分主要侧重于农田土壤水分平衡的调节及其与土壤肥力的关系，并把盐碱地的改良利用也放在这一部分中。主要内容为：

1.水资源的合理开发和供需平衡。包括水资源的调查与评价；水资源时空分布规律和可能的用量；农业需水规律、用水预测和供需平衡等。本教材以农业水文学为基础课论，着重讨论了农田土壤水分平衡过程的降水、产汇流、入渗、土壤水分再分配、土壤内排水和土壤蒸发等。

2.农田灌溉原理和农业节水灌溉技术。主要讨论了作物蒸腾、农田需水量的确定、灌溉制度和排灌渠道的设计等；同时以较大篇幅介绍了节水灌溉的主要方法，包括渠道防渗、低压管灌、喷灌、滴灌和其他节水灌溉技术。

3.农田排水和以排水洗盐为核心的盐碱土改良利用技术。重点介绍了农田排水系统的设计和主要的排水方法；讨论了盐碱土的改良利用技术，包括作物的盐害、土壤水盐运动规律、内陆盐土和滨海盐土的改良利用方法，并简要介绍了海涂围垦的基本方法。

四、区域性农业土壤障碍与改良

土壤是一个既开放又相对独立的自然体。也是人类劳动的产物。土壤的形成和演变深受自然条件和社会条件的影响。土壤与外界环境条件各个因素不是独立存在的，而是互相联系、互相作用和互相制约的。因此，环境条件和土壤母质本身的区域性变化（如气候、地貌、地质历史等），使得土壤的分布具有显著的区域性变异。我国地域辽阔，各地自然条件复杂，限制土壤肥力提高的障碍因素很多。主要有盐、碱、酸、黏、毒、涝、冷、烂、板、瘦、薄、沙等等，因而低产土壤的种类也很多。通常低产土壤往往有多种限制因素同时存在，但其中常有一两个突出的主要矛盾，这种影响土壤生产力的主要矛盾是区域自然条件的产物。因此，低产土壤的主要类型常常呈区域性分布。如南方的红黄壤、华北和西北的内陆盐碱地、滨海盐土、西北的黄土高原、西南的紫色土、和全国各地的涝洼地和低产水稻土等。环境条件的区域性变化，造就了土壤的区域性分布。而不同区域的土壤往往存在着不同的环境条件、开发利用历史和肥力矛盾，从而也决定了土壤改良主攻目标的区域适应性和改良利用方法的区域针对性。

本部分着重讨论红黄壤、盐碱土、低产水稻土、风沙土、紫色土、黄土等土壤的改良与利用，偏重于我国土壤改良与利用的经验和方法介绍。

五、水土保持

水土流失是全球共同关注的一个严重的土壤退化问题；由于特定的历史和自然条件，我国土壤侵蚀问题非常突出也相当严重。本部分主要包括三个方面的内容：（1）土壤侵蚀过程及其作用机理，分析水土流失的基本规律和主要影响因素，讨论水土流失的危害，同时也简要介绍近年在土壤侵蚀方面研究的新进展，包括水土流失通用方程的应用以及土壤侵蚀模拟预测模型ANSWERS的基本原理等。（2）水土保持基本方法和措施，主要介绍我国广泛采用的工程措施、生物措施和农艺措施等。（3）概要地介绍我国水土流失特征、现状、分布和分区治理对策。

六、土壤污染与修复

土壤污染已经成为严重的社会问题，不仅因为污染严重破坏了土壤的生产、环境和生态功能，也因为受污染的土壤会将污染物通过食物链的转移和积累，直接而且严重地危害人类的身体健康。保护土壤环境，已成为社会各级政府和科学家特别关注的重要任务。本章从土壤的环境容量出发，概述土壤污染发生与污染源分类，介绍土壤中重金属的迁移转化过程、农药和其他有机污染的发生及其生物效应，重点讨论土壤污染的防止和修复技术，包括控制和消除土壤污染源、增加土壤环境容量提高土壤净化能力和污染土壤的修复；并按污染土壤修复的技术原理出发，系统介绍污染土壤的物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术，最后还对土壤中温室气体的释放、吸收和传输情况进行简单介绍。

第二章　土壤养分管理与高产土壤培肥

协调并充分地供应养分对于农作物生产的重要性，早在几千年以前就为人类在农业生产实践中逐步地认识了。1984年Liebig提出的“养分归还学说”，把土壤对作物养分供给的感性认识提高到了较为系统的理论水平，从而催生并推动了化肥工业长盛不衰的发展；如今，施用化肥已经是最常见的促进农作物生产的技术措施。我国在1950年以前土壤养分的投入还几乎全部来自于有机肥，20世纪50年代以后才有化学氮肥的使用，60年代氮肥用量逐步增加，并在60年代末开始使用磷肥，70年代末开始使用钾肥，到2010年我国化肥年施用总量达到4700万吨（纯养分）。毫无疑问，化肥的使用为我国的粮食生产做出了并将继续做出不可替代的重要贡献。

然而，与发达国家相比，我国的化肥利用率偏低，平均仅为30%～35%；土壤肥力和养分水平尚待进一步提高，在近80%的中低产耕地土壤中，有机质含量一般只有10～20g/kg左右，其中低于10g/kg的土壤面积占25.95%。土壤含氮量在0.75～1.0g/kg之间的土壤面积占了21.34%，＜0.75g/kg的土壤面积占了33.60%；农作物有不同程度的缺素情况。一方面我国化肥施用量全球第一，单位面积使用量是世界平均水平的3.5倍，已经出现了化肥过量施用导致水体富营养化的强烈呼声；另一方面，绝大多数地区的农作物高产稳产还是离不开化肥施用。因此，土壤培肥和高效的土壤养分管理，将在很长的时期内仍然是土壤和植物营养工作者的重要使命。

第一节　土壤养分与作物产量

一、农作物产量限制因素

某种作物的最大生产潜力不仅取决于生长季节的自然环境，也取决于生产者识别、矫正或减缓限制作物生产潜力因素的能力。影响作物生长和产量潜力的因素多达五十多个（表2-1）。尽管生产者无法控制大部分气象因子，但是可以也必须对绝大部分的土壤和作物因子进行管理以使产量最大化。

从农作物的太阳能利用潜力来说，大多数作物都将远远超过目前的产量水平。全球范围内，作物潜在产量主要受作物可利用水量、温度和可利用养分的胁迫而降低（表2-2）。55%和20%的土地面积分别受环境和养分的胁迫。

19世纪，科学家Justus von Leibig等提出了著名的最小养分定律：“每块土地都有一种或几种最大养分和最小养分。最小养分，如氧化钙、碳酸钾、磷酸、氧化镁等，均和产量有直接联系，这些因子控制着产量。如果氧化钙是限制性因子，即使碳酸钾、二氧化硅、磷酸等的施用量再增加产量也不会提高。”因此，为了获得高产，必须相互协调各种可控和不可控因子的相互关系。我们的任务就是要正确地辨别出所有的产量限制因子，并通过管理措施消除或减弱这些因子对产量的负面影响。

假如在最佳时间种植了优良的品种，使用了正确的栽培措施，采用了有效的方法施用最佳的养分，但是由于水分是最大的限制因子，最终的产量仍然不能达到最大潜在产量。因此，只有降低了水分这个限制性因子的影响，对其他限制性因子的调控才会使作物产量提高。

二、作物养分元素

发挥农作物的最大潜在产量需要充足且平衡的各种可利用养分。矿质元素是作物生长发育所必需的，如果缺乏参与植物光合作用的矿质元素会导致植物无法完成生命周期。一般情况下，作物养分亏缺时会表现出明显的症状，通过增施相应的养分可以改善或者阻止缺素现象的发生和发展。

所谓作物缺素症，就是当植物体内某种元素的浓度低到严重影响生长和产量时表现出来的明显可见的不正常症状。极度缺素可导致作物死亡。中轻度缺素其症状不一定明显可见，但是产量会降低。作物发生严重缺素时，增加养分会大幅度提高产量，同时会导致植物体内养分浓度的小幅度下降。这个现象被称为斯滕贝格效应（Steenberg effect，稀释效应），这是由于作物快速生长引起体内养分浓度的稀释。当植株体内养分浓度低于某一水平时，作物产量将随养分吸收量的增加而增加，这个养分的浓度水平可能是一个范围，这就是作物养分的临界范围。临界水平或范围在不同的作物和养分间变化极大，但是都发生在养分亏缺和养分盈余状态相互转换的临界水平上。在一定范围内，作物产量随施肥量的增加而增加；当土壤养分增加继续，仍能促进作物的养分吸收，但不能使作物增产时，称为土壤养分的盈余，在这种情况下作物继续增加土壤养分的吸收称为养分的奢侈消耗，奢侈消耗对作物的产量没有贡献，但通常也不会导致作物的减产。养分盈余发生的浓度范围很广。如果再增加土壤养分，不但没有增加作物的产量，反而妨碍了作物生长使产量降低，这时就是养分的过量或毒害；这种严重的养分过量吸收会因毒害而直接导致减产，或通过影响其他元素在植物体内的平衡而间接导致减产。

作物生长的必须元素有17种（表2-3），碳（C）、氢（H）、氧（O）虽然不是矿质元素但却是植物体内含量最大的元素。绿色叶片的光合作用将CO和HO转化为简单的碳水化合物，再进一步合成氨22基酸、糖、蛋白质、核酸和其他有机质。尽管近来CO有所增加，但2其供应相对稳定。水分很少对光合作用产生直接的限制作用，而是通过水分胁迫引起的其他效应对光合作用产生间接影响。其余的14种元素根据各自在植物体内的浓度可分为大量元素和微量元素，大量元素包括氮（N）、磷（P）、钾（K）、硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg），相比大量元素，8种微量元素在植物体内的浓度极小，它们分别是铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）、硼（B）、氯（Cl）、钼（Mo）和镍（Ni）。此外，钠（Na）、钴（Co）、钒（V）和硅（Si）也是某些作物的必需微量元素。微量元素一般被认为是次要元素，但其对作物的重要性和大量元素等同，微量元素的亏缺或毒害也会如大量元素一样导致作物减产。

铝（Al）不是作物的必需元素，但土壤中的高Al含量会使作物内的Al增加。事实上，植物会吸收很多非必需元素，目前已确定的植物体内的元素多到60多种。因此，植物秸秆焚烧后得到的灰分中包含了除气化的C、H、O、N和S以外的所有必需元素，还包括很多非必需元素。

三、土壤养分与水分及其他因素的关系

当两个影响植物生长的因素相互作用时，每一个因素的作用会受到另一个因素的影响而发生交互作用。交互作用可能是有利的或者是负面的；当植物对多个因素联合作用的响应小于两个因素各自单独作用的响应时，就是负面交互作用的结果；有利的交互作用遵循李比希的最小养分律原理。如果有两个或者更多的限制因素，其中一个因素单独对植物生长影响较小，然而当两个或几个因子一起作用时，影响会变得很大。一个养分因子的改善带来作物生物量的增加，且减少另一养分在作物体内的浓度（稀释作用），应与拮抗作用相区别。

在平产的时候许多交互作用看不到；在高产时，植物增产压力增加，经常可看到导致高产的各因子的交互作用。将来农业生产力的进一步提升很可能与大量的人为投入（水肥投入、管理投入等）和植物生长因素之间交互作用的调控有关。认识和利用这些互作是十分必要的。

1.养分与水的交互作用

在作物的生长季内，即使降水量超过蒸发量的地区，仍然可能因为缺水而限制作物生产；养分缺乏、害虫和其他因素带来的不利影响可能会降低植物的水分利用效率，导致减产和歉收。总体上，促进增产的因素都可能会提高水的利用效率。另一方面，灌溉可以稳定作物生产，但其他因素也可能会成为限制产量的主要因素。灌溉增加了产量，那么作物必须从土壤中获得更多的营养。在最佳的土壤养分条件下，灌溉农田比雨养旱地的水分利用效率高。在雨养旱作条件下，水分的不足可能限制作物产量，也影响了作物对养分的利用。

2.根系对肥料和水的吸收的交互作用

大多数植物首先吸收利用土壤上层的水分，根区的上部1/4土壤中的可利用水分总是最先被消耗的。当表土层可利用的水大大减少时，植物只能从根深的下四分之三部分土层中吸水。在养分缺乏条件下，植物仅能从7～10cm土层以内吸水，而使用肥料后的植物根系可以在15～25cm或更深的土层中吸水。如果可以多利用10～15cm土层中的水，就可以大大提高作物的抗旱能力。在底土干旱的地区，增施肥料不会促使作物根系向土壤深处生长。反之，良好的植物养分状况会促进作物根系向土壤深处生长，利用更深土层中的水。

3.土壤湿度水平对养分吸收的影响

作物根系通过水的质流和扩散，截获和摄取土壤中的养分。与干旱的土壤相比，在湿土中根系可以截获更多的养分，特别是钙、镁离子。土壤水通过蒸腾作用把大多数的硝酸根、硫酸根、钙离子和镁离子输送到根部。养分缓慢地从高浓度区域扩散到低浓度区域，但距离小于5mm。土壤含水量影响离子的扩散速度，水膜越厚或养分浓度越高，养分扩散越容易。作物对养分的吸收直接受土壤水分含量影响，间接受水对离子活性、土壤通气程度和土壤溶解盐浓度的影响。所以，在正常或更高的土壤水分条件下作物产量潜力更大些。

土壤干旱会减少作物对氮的吸收，但对磷、钾吸收的影响更大。在干旱条件下，除了减少溶解态氮的吸收还减少了氮的矿化。降水越少，磷肥的增产效应越明显；钾素养分也存在相同的关系。在正常降水的年份，中等钾素营养的土壤上作物产量不会受到严重的影响；而在干旱的年份就会明显表现出作物的缺钾症状。总的来说，降雨越少，作物的钾肥增产效应越明显。另外，钾素营养能改善作物根系的呼吸作用。

微量元素通过扩散作用运移到植物的根表。像磷的吸收一样，在干旱季节的低土壤含水量会减少微量元素的吸收；与磷相比，唯一的区别是植物需要微量元素的量更少。暂时性缺硼通常是在干旱条件下发生的，由于缺水限制有机质中硼的释放和迁移，导致土壤中硼的有效性降低。土壤干旱还可能导致作物的锰和钼的缺乏症，而铁和锌的缺乏则经常与土壤太湿有关。增加土壤水分能增加作物对钼的吸收量。锰在湿润条件下有效性更高。

4.土壤养分的其他交互作用（1）营养元素间的交互作用。（2）营养元素和种植密度之间的交互作用。（3）种植密度和播种日期的交互作用。（4）养分和播种日期间的交互作用。（5）养分与施肥位置间的交互作用。（6）肥料方法和耕作之间的交互作用。（7）养分与品种间的交互作用。

显而易见，认识作物需要的养分与土壤以及作物之间的各种关系，是优化土壤养分管理、提高化肥利用率的前提条件，也是促进高效和可持续农业生产的重要基础。

第二节　养分诊断与施肥

一、土壤养分和作物营养诊断

当土壤提供的养分不能满足作物最佳生长时必须进行施肥。适宜的施肥量是由作物的养分需求和土壤潜在的养分供应能力决定的。诊断技术，包括缺素症状的鉴别、土壤与植物性状测试，都可以用来判断作物潜在缺乏和达到最佳产量所需的养分量。当植物出现缺素症状时，已经对作物的产量潜力造成了负面影响，因此，在种植之前测定土壤供应养分能力是实现作物最佳生长和产量的基础。对某一地区土壤和植物的养分需求量应通过采样分析并经代表性作物试验校正来确定。提供准确的养分施用建议的基础是掌握养分测试结果和作物产量响应之间的关系。（一）植物缺素症

植物是所有生长因素的综合体，仔细观察植物的生长状况可以帮助确定某种特定的养分胁迫。由于作物正常生长过程被抑制，缺素的植物会表现出特有的症状。肉眼评估养分胁迫是其他更为准确的诊断技术的支持或指导。

作物的每种症状都和养分对植物的作用相关。可见缺素症也可能是养分胁迫之外的其他因子引起的。因此，进行缺素症诊断时需注意以下几方面：（1）可见的症状可能是由多种养分引起的；（2）一种养分的缺乏可能和另一种养分的毒性或不平衡相关。换句话说，一旦一种限制因子被消除，第二个因子就会出现（李比希的最小养分定律）；（3）在田间很难区别缺素症，因为病虫害或除草剂都能引起类似某些微量元素缺乏的症状；（4）可见的症状也可能由多种因素而不仅仅是养分引起的。例如，玉米中糖与黄酮共同形成花青素（粉红素、红素和黄色素），而它们的累积也可能是磷肥供应不足、土壤低温、根系的虫害或氮缺乏等原因引起的。

养分供应不足时作物不能正常生长，因此早在缺素症出现之前就应该进行施肥。如果症状发现得比较早，可通过作物叶面施肥或侧施进行纠正。生长后期缺素症的诊断对来年养分缺乏的纠正仍然很有用。简单易用的叶色图是帮助作物养分诊断的有效办法。对于大多数养分来说，如何鉴别“隐藏的饥饿”，即缺素症还没有表现出来但养分水平已低于最佳产量的需求，往往是保证作物高产的关键所在。

在生长早期出现的缺素症可能会随着生长过程而消失，或者说加入养分也不会有明显的产量收益。为了保证养分不会限制作物生长，必须重视养分有效性，很多情况下养分的有效性比元素的含量更重要。

1.植物分析

植物分析方法包括田间新鲜组织的测试和实验室的组织分析。植物分析的基础是作物养分和土壤养分有效性的相互关系。进行植株分析可以：（1）确诊缺素症，并在缺素症出现以前发现缺素；（2）帮助确定土壤养分供应能力；（3）帮助测定施肥的产量效应；（4）研究养分状态和作物表现之间的关系。

2.组织和细胞液分析

新鲜组织中养分的快速分析对于诊断作物生长过程中的养分需求非常重要。细胞液中的养分浓度是测定即时养分供应的理想指标。组织分析很容易实施并对结果进行解释，且许多测试在几分钟之内就可完成。将植株的叶或茎捣碎，用特定的试剂提取每一种养分，也可以镊子榨取汁液并过滤，再加入显色剂测定。将细胞液与试剂混合物的颜色强度与标准图进行对比，指示极低、低、中和高养分含量。同样，也需要将缺乏养分地区采集的植株样品的测定与从正常养分状态地区采集的植株样品测定结果进行比较。

3.总量分析

实验室的总量分析用于整株植物或作物的特殊部分（如叶柄、茎、叶）。采样后对植株进行干燥、粉碎，再用强酸湿消化或在高温炉中进行灰化处理，从而测定养分浓度。通过全量分析，可以测定出所有必需和非必需元素的浓度。和组织分析中一样，总量分析时对植株部位的选择亦很重要，优先选择刚成熟的叶子。

4.采样时间

生长阶段对植物分析非常重要，因为不同季节作物养分状态和需求不同。植物的养分浓度随植株的成熟而下降。如果采样时间选择不当则易导致对植物分析结果的错误解释，例如与玉米正常4～6叶阶段的氮浓度相比，抽丝期采集的叶片可能会被认为是缺氮。对大多数农业作物而言，两个最好的采样时间分别是干物质积累峰期和植株养分积累峰期，前者出现在植物最大生长期，后者出现在生殖期。

5.分析结果的解释

植物如果“极度缺乏”某种必需元素就会表现出肉眼可见的缺素症状。“中度缺乏”不会表现出肉眼可见的症状，但产量潜力已经受到了影响。养分的增加会使产量潜力最大化并增加植物的养分浓度。“奢侈消费”表示养分吸收超过了最佳生长需要量，此时，增加养分供应只会增加植物养分浓度而不会增加产量。当作物生长和产量随着植物养分浓度的增加而下降时，就是发生了养分中毒。

临界养分浓度（CNC）通常被用来解释植株分析结果，养分水平低于CNC就不能满足作物产量和质量的要求。由于在养分亏缺与养分充足区间的过渡区间存在很多不确定因素，使得很难准确确定CNC值。因此，又引入了临界养分范围（CNR），这个养分范围是指在特定生长阶段，养分浓度低于该范围则会出现养分亏缺，而高于该范围则表示养分充足。很多作物都已经建立了大多数必需养分的CNR，以玉米为例，不同时段的CNR见表2-4。

除了以上作物营养诊断的常规方法以外，还有一些先进的诊断技术，如基于传感器的作物营养诊断，包括遥感技术的应用等，可参考专门的著作。（二）盆栽和大田试验

1.盆栽试验

简单的盆栽试验可以检验土壤中养分的有效性。土样通常采自可能缺乏某一特殊养分的田块。为了校准土壤和植物组织测定，通过采集大范围的具有不同养分有效性的土样，再施用不同的养分量，从而评估作物对养分的敏感性。

2.田间带状试验

选择田间狭窄的带状田块实施养分处理，可以核实管理建议的准确性。通常需要设置重复进行试验，如果没有重复，解释测试结果时必须要谨慎。如果在同一块田地中含有多种土壤类型或条件，则排列时每一种类型土壤的每一种处理都要相同。带状测定和记录每一种处理的产量，这是一种评估管理建议准确性的有用工具。

3.大田试验

盆栽试验还是在控制条件下的试验，与大田条件有很大的差别，为了确诊施肥的有效性，大田试验是必要的。当在特征明显的土壤上实施许多相似的试验后，施肥建议可以外推到其他具有相似特征的土壤上。大田试验通常和盆栽试验相结合，以校准土壤和植株测试。在建立提供施肥建议以达到最佳产量时，必须要进行田间试验。采集不同处理的植物样品进行分析可帮助建立CNR。值得注意的是，将从空间变异性较小的小地块中得到的结果应用到变异性较大的大田中时会产生一定的差异。（三）土壤养分测试

1.土壤测试

土壤测试是对土壤样品进行化学分析来估计养分可利用性。土壤测试的养分只占养分全量的一部分，这部分养分含量与植物可利用养分的数量有关（但不相等）。因此，土壤测试的水平代表的仅是养分有效性指数。与植物分析相比，土壤测试测定的是作物种植前的养分状态。

作为养分有效性指数，从土壤测试中萃取的养分量并不等于作物吸收的养分量，但是它们紧密相关。土壤测试结果可以用在以下几个方面：（1）提供土壤中养分有效性指数。土壤测试或提取剂用于提取与植物吸取的养分来自同一个库的那部分养分（如溶解态、交换性、有机的或矿化的）；（2）预测施肥产生增产效应的可能性；（3）为提出施肥量建议提供依据。这些基本关系可通过严谨细致的实验室研究、盆栽研究和大田研究获得。

2.土壤测定的解释

土壤测定的解释包括土壤测定水平和养分响应之间的经济评估。尽管有确切的数据，很多时候还是根据分析结果将土壤养分丰度分为极低、低、中等、高或极高几个等级。施肥的产量效应会随着土壤养分水平的降低而增加。例如，＞85%的土壤测定为极低水平，增施化肥可能增产；土壤养分为低水平时，可能有60%～85%的概率促使产量增加；而当土壤测定水平极高时，作物对肥料施用的响应概率＜15%。但是，作物产量效应会随着土壤、作物、目标产量、管理水平和天气等因素而异。

3.养分效应方程

最常用的养分模型包括以下几种模型：（1）线性模型：Y=mX+bX（2）指数模型：Y=e（3）二次模型：Y=a+bX-cX2

其中Y是产量，X是养分施用量a、b、c为经验系数。

所有方程均能在一定程度上反映产量与养分总量（易移动养分和难移动养分）的关系。反应方程受到作物类型、潜在产量、土壤调查标准、前茬作物、时间和其他因素的影响。

二、施肥原理和方法

施肥的基本原理，就是根据作物需肥规律和土壤供肥能力来决定施肥量、施肥方法和施肥时间，因此，施肥量、施肥方法和施肥时间是施肥最重要的三个要素。（一）施肥量

1.作物需肥量

这里介绍“施肥推荐曲线”法（Recommendation curve for fertilizer application）。这一方法的基本原理，是首先假设养分供应可以完全根据作物生长的需要而连续地每天供肥，根据作物从苗期通过生长旺期到成熟，作物体内养分的累积曲线是一条S型的logistic曲线，其一般形式可表示为：2

式中：A（t）为氮素施用累积量（kg/hm）；t为时间，即作物栽培后的天数；a、b、c和m为经验系数，由最高产量试验所确定。其中c是logistic曲线在时间t趋向于最大值时的渐近线系数（即最大可能供肥量），为了保证a、b、c和m的取值能达到产量最大，用迭代渐近法（Price，1979）对曲线进行最佳化。

在确定方程（2-1）后，对该方程求时间的偏微分，可得到任何时段内每天所需供肥量：

实际情形中不可能每天施肥。因此，按照施肥次数要求对（2）式进行时段积分，即可得到任何时段内的理论需肥量，最后将理论需肥量与空白肥料试验、高产肥料试验等所获得的参数综合（包括基础肥力参数和氮肥利用率参数等）比较，提出氮肥施用实施方法。

2.氮素推荐施用量模型

在多数土壤中，易移动养分会稳定持续地下渗到根区以外，因此建立和/或维持施肥模型是不可行的。在农作物施用足量的氮素时，-需要准确的氮素推荐施用量来避免NO下渗，污染地下水。计算氮素3推荐施用量需要知道作物的需氮量和土壤的供氮量。

氮素推荐施用量模型：

式中：N—氮素推荐施用量；N—作物目标产量×N系数；RECCROP-N—土壤NO-N；N—有机质矿化氮；N—前豆科作物有效氮；SOIL3OMPCN—肥料中的有效氮。MN

N表示了作物需氮量，包含目标产量的评估和单位产量需氮CROP量（N系数）。低估目标产量会导致施肥不足、产量降低；高估目标产量会导致施肥过量，增加收割后的土壤含氮量，增加氮素渗漏潜力。-土壤中潜在的有效氮可能会导致对N的低估。在调整了土壤NO-CROP3N含量以后，如果需要，可以根据土壤潜在的有效氮（N、N、OMPCN）来调整N。N会随施肥量而改变。MNCROPMN

少数N模型包含N。但是，由于年际间的气候波动，使得土RECOM壤矿化氮量很难准确评估。许多N模型通过降低N系数来解释N；RECOM或者用土壤有机质的百分含量来表示N。N的大致范围是9.1～OMOM36.4kgN/a。

2.基于氮素效应的NREC

田间试验是大部分N系统的基础，可以用于量化作物对大范REC围施氮量变化的产量效应。不同土壤、土壤-作物管理投入和年限下的氮素响应数据应采用改进的平均氮素响应方程（平均目标产量和平均N系数）。在大部分情况下，最佳产量的需氮量年际变化很大。比如旱地，基于每年的最佳需氮量，N系数表现出两倍的变化范围。每年在最佳需氮量条件下，谷物的氮素利用率为36%～63%（Soil Fertility and Fertilizer，7th Edition）。最佳产量增加10%，需氮量增加到72.6kg/a，这样3～5年的N系数和氮素利用率会降低。

通常正确评估给定年份的目标产量十分困难，而采用平均目标产量会导致氮素利用率低估，使得推荐施氮量不准。作物生长季内环境条件的年际变化会导致预测潜在产量时出现误差，同时严重影响土壤提供矿物N的能力。通过采用恰当的土壤或作物测定方法来指示NOM的年际波动，能增加模型的目标产量评估精度，显著提高氮素利用率。

3.不可移动性养分的推荐施用量

潜在作物产量受到土壤-根系接触区域中可移动性养分（有效）总量的影响。不可移动性养分的溶解浓度很低，即使可以通过交换、矿化和矿物质溶液反应补充，土壤-根系接触区域中的溶解浓度依然会被不同程度地消耗，从而限制产量。

考虑土壤性质对土壤磷固持力的影响，提高土壤磷水平1ppm需要施用4.5～13.5kgPO/a。同样，提高土壤钾水平1ppm需要施用2.325～6.9kgKO/a（取决于CEC）。当土壤养分水平高于临界水平，可能2不需要通过继续施肥来进一步增加土壤养分水平；但土壤养分水平还是会迅速变化，因此，需要每年进行土壤养分检测，调整施肥水平。当土壤养分水平等于或略高于临界水平时，可以维持一定的磷、钾的施用量来补偿作物吸收、侵蚀和固定等损耗。这个方法需要每年进行土壤养分水平测定。（二）施肥方法

辨别合适的肥料施用方式和确定合适的用量一样重要。施用方式的确定需要掌握作物和土壤的特性，这两者间的交互作用决定了养分的有效性。目前已经有大量的肥料施用方法，在确定采用何种方法时必须考虑以下因素的影响：（1）植物从发芽到成熟均能有效地利用养分。旺盛的苗期生长（如生长早期不受任何因素的胁迫）是获取高产和最大效益的基础。施肥是一种技术，关键是让更多的肥料能被作物所吸收。（2）防止盐分危害幼苗。盐分的危害性取决于盐分的来源和作物对盐分的敏感性，但是种子附近的N、P、K或其他盐分可能会对作物产生危害。通常，在种子和施肥带之间应留置一定的非施肥区，尤其是对盐分敏感的作物。而脲酶抑制剂可降低种子附近尿素的危害。（3）操作方便。对作物进行及时的管理是实现高产高效益的关键。在很多地区，错过最佳播种时期会导致潜在产量的降低。肥料施用可以增产，但如果施肥方法不方便也不会被采纳。

化肥施用方式一般包括了种植前、种植时和种植后的表施或深施。施用措施取决于作物种类和轮作制度、土壤养分缺乏程度、养分在土壤中的移动性、养分在土壤中的分布和施肥工具。

1.种植前（1）撒施作物种植前把肥料均匀的施于土表并经耕作与土壤混合。免耕种植体系中没有翻耕，因此，撒施的N肥会由于固定、反硝化以及挥发作用增加而降低作物对其的吸收。（2）开沟条施开沟条施能增加作物对养分的吸收。根据作物、养分来源和施用器械的不同，开沟条施的深度一般在2～5cm之间。在全耕或少耕体系中，通常采用刀形开沟器将肥料施到表土以下。在半干旱地区通常用犁地设备作为施肥用具。液体肥料穴施对移动性较差的肥料特别有效。免耕体系中N肥采用穴施同样比撒施更有效。（3）地表条施种植前地表条施肥料有利于作物生长。但是，如果肥料和土壤不能混合，干燥的地表环境会降低作物对养分的吸收，尤其是移动性较差的养分。在某些土壤和种植系统中，N肥地表条施较撒施可以提高其有效性。

2.种植时（1）开沟条施根据肥料施用设备和作物的种植方式，固液肥料可以施用于种子周围的多个区位。一般而言，根据设备的不同，肥料可施于种子下方2.5～5cm处，或种子周边和下方2.5～7.5cm处。在半干旱地区，为了控制水土流失，降低操作费用，一般采用单道或直接播种，即在不对种子产生危害的前提下，尽可能多地施用肥料。（2）肥料拌种将肥料和种子拌和后施于表土下。此类方法一般用于增加湿冷土壤中幼苗早期的活力。也可以将肥料施于种子附近而不是和种子一起。为避免危害萌芽或幼苗生长通常肥料的用量较少，固体肥和液体肥均可施用。（3）地表条施将肥料直接施于作物带上或作物带附近。直接将肥料施用于作物带上的方法对移动差的养分特别有效，因为锄头翻动的泥土会慢慢回落将肥料掩埋到土中，而使地表条施成为浅沟条施。

3.种植后（1）顶施氮肥顶施在草坪、小型谷类和牧草地中十分常见，但由于这些系统的地表覆盖度高，使得氮肥的移动性降低，从而影响作物对顶施氮肥的吸收。P和K顶施追肥的效果低于种植前施肥。固体和液体肥料均可用于顶施。（2）侧施N肥侧施在玉米、高粱、棉花和其他作物中十分常见，借助刀形开沟器或穴施注射器进行，最常用的氮源为无水NH3和液体氮肥。液体氮肥可在种植后于种植行边上进行地表条施。由于侧施不受时间和器械的限制且不会对作物产生伤害，极大地提高了施肥的灵活性。使用刀形开沟器的地下侧施，由于刀具离根系较近，容易造成根系损伤或养分毒害（如无水NH3）。由于大多数作物只在生长初期需要P和K，因此不推荐对移动性差的养分（如P和K）进行侧施。

4.肥料施用需注意的细节（1）带施旺盛的苗期生长是获取高产的基础。通常，种植时幼苗附近的养分较少，一般为在作物根系附近带式方法施用的养分，用于促进根系的生长及健康大叶的形成。（2）盐分指数根系或萌芽种子附近的高浓度盐分会导致质壁分离或毒害而对作物产生危害。此时，细胞膜收缩并和细胞壁分离，细胞被部分压扁。水分从含水量高的一侧（细胞内）移动到含水量低的一侧（细胞外），从而使作物表现出类似水分胁迫的症状。根据盐分指数可以对化肥的潜在盐分危害进行分类，具体方法是将某种化肥施于土壤中再测定土壤溶液的渗透压。盐分指数是化肥引起的溶液渗透压和同等质量NaNO3导致的渗透压的比值，其相对值为100（表2-5）。

同等级盐分指数的化肥混施后的盐分指数会因肥料种类而产生较大变化。在获得等量的养分情况下，养分有效含量高的肥料产生的盐害低于养分有效含量低的肥料。此外，假定肥料使用量一定，行间距增加每行施用肥料量也相应增加。（3）撒施撒施通常包括大量的辅料（氧化钙和养分）以方便施用。养分撒施有以下优点：①大量施用化肥而不会对作物产生危害，②如果对土壤进行翻耕，翻耕层养分的重新分布可促进根系更好地接触水分和养分，③方便、简单。撒施使得化肥施用季节延长，秋季，冬季和早春都可施用。该方法可作为一种持续施肥的措施，尤其适用于草料作物和免耕作物系统。撒施也有缺点：①在少耕系统中，表土附近的养分仍很难利用，②地表覆盖度高的系统中N肥撒施会加大N的截留、挥发和反硝化作用，③在地表覆盖度低时养分撒施会增加水土流失风险。（三）施肥时间

土壤、气候、养分和农作物类型决定了施肥时间。但是，实际上施肥时间可能会受到价格、劳动力以及许多其他因素的影响，因此不一定是农学上最有效的施肥时间。除此以外，还应该考虑提高农作物对养分的累积吸收量和降低养分流失带来的环境压力。

1.氮

施肥时间的选择必须考虑氮素流失机制。最佳的施肥时间是农作物最需要氮素的时候，但同时要综合考虑土壤中的氮素运移和降雨的时空分布。如果农作物的长势不好或者是植被不是很好的免耕农地，土壤氮素淋失会随年降雨的增加而增加。秋季种植的谷物，大部分在夏末或者秋季施肥，在温暖、湿润地区，氮素的渗漏和挥发使肥效略低于晚冬施用。但是，冬天地表太干不利于机器操作，拔节期之前施春肥有利于谷物对氮肥的吸收。

2.磷

总的来说，磷肥不易于利用，应该在农作物移栽前或移栽时施用。根据土壤的磷固持能力决定施用量。如果土壤的磷固持能力低至中等，对于春播作物，秋季施磷能有效提高磷利用率。条施磷肥是最有效的。如果土壤的磷固持能力中至高等，条施或穴施比较有效。

3.钾

在农作播种前或播种时施用钾肥比追施有效性更高，这是由于钾的移动性不强，追施的钾肥几乎不能移动到作物的根区。另外，秋季施用钾肥比施用氮、磷肥更有效。在许多作物系统中，可能会撒施钾肥一到两次。对于钾素肥效较明显的作物，如玉米、豆类等，通常在秋季混合使用钾肥。而饲料稻的护养施钾可以在任何时间进行。秋季施钾比较好，因为钾有足够的时间移动到根区。

4.叶面喷肥和灌溉施肥（1）叶面喷肥

可溶于水的肥料可以直接喷施于作物的地上部分。营养物质必须经过叶片的表皮或气孔才能进入细胞。虽然叶面喷肥肥量少、肥效短，但能提高肥料利用率，相对于土壤施肥更容易快速地矫正缺素问题。不同的环境因素（温度、湿度、光强等）会影响叶面营养物质的吸收和运移。为了提高效率，在识别缺素类型基础上，短时间内喷施2～3次是必要的，特别是缺素引起作物严重营养不良的时候。

叶面施用N、P和K的难点在于施肥适度，谨防因为施用量或者施用次数过多导致叶片灼伤。微肥的叶面喷施是最重要的叶面施肥，因为作物的需要量少。果树和其他农作物的叶面喷施微肥比土壤施用高效速倍，如缺Fe时在高pH的土壤中施用铁肥是无效的，因为碱性条件下会生成Fe（OH）沉淀物。但是单纯利用叶面施肥方法很难解决3缺素问题，这是由于对于许多农作物来说可能缺少不止一种营养物质。（2）滴灌施肥

滴灌施肥主要是指在灌溉水中溶解氮、钾和硫素。滴灌施肥的优点有：纠正当季缺素问题；提供营养物质，特别是氮（与谷物需氮量同步）；减少土壤施肥的田间操作。磷的滴灌施肥并不常见，因为磷在高钙、高镁的水中易生成沉淀。向含有钙、镁和碳酸氢盐的灌溉水中加入无水NH或其他无氨氮源，会产生碳酸钙和碳酸镁沉淀，导致3灌溉器械的堵塞。但是，可以通过添加硫酸或其他酸溶液解决这一问题。

由于可溶的营养物质会在水溶液中转移，营养物质均衡的滴灌施肥需要结合合理的灌溉系统和有效的灌溉管理。营养含量低时，淹灌和沟灌系统会使营养分布不均，大部分营养物质会堆积在沟灌系统的入口。为了避免营养物质渗漏至根区下部或累积在土壤表面，不能在灌溉中期开始滴灌施肥，并且要在灌溉结束前迅速终止滴灌施肥。

三、肥料利用经济学简述

作物产量越高，单位产量的生产成本降低的可能性就越大。农民可以通过改变土地、肥料、劳力、机械和其他等的投入来获得一定的产量。在实际生产中，各种投入的选择取决于相对成本与收益。生产成本每年都在变动，且表现出逐渐上涨的变化趋势。农业生产中许多投入的相对成本已经超过了肥料和化肥的成本。农业生产资料价格的上涨而增加的生产成本经常超过农产品涨价带来的收益。因此，提高农业生产资料的使用效率，以保证农民的增产增收变得更为重要。

1.最大经济产量

最大经济产量随土壤和管理水平而变化，对大多数农民来说，不论哪种土壤，最大经济产量比通常想象的要高得多。为获得最大收益必须实现高产，但是获得最高产量并不一定会使单位投资的收益最大化。

2.产量水平和单位生产成本

由于高产农田用于整地、播种及栽培的花费与低产地上的一样，因此，提高作物单位面积产量一般能降低作物的单位生产成本。为提高产量而增加的投入在生产总成本上升的同时，降低了每单位的成本，而使净利润提高。不论产量高低，土地、建筑、机械、劳力和种子都大致相同。这些固定成本与产量无关。而可变成本随总产量而变动，包括肥料、农药、收获、处理等。

3.单位土地回报率

当生产者拥有足够的现金或贷款时，可以选择能赚取单位面积最大收益的投入水平。一般来说，提高某种养分的施用量，单位成本的收益就会降低。这是因为在给定条件下，作物产量对每一后续投入增加的响应下降的结果，最终使产量对该元素的增加不再表现出正响应，即“报酬递减率”。当一种土壤养分缺乏时，最先加入的养分将大幅度提高产量，其后加入的养分也能增产，但其增幅不如上次投入养分的增幅大，此后追加肥料的效果继续递减，直至最后的产值增量正好等于投入的成本，这一施肥量便能产生最大利润。

在确定推荐氮肥施肥量时作物的目标产量十分重要，但即使作物的目标产量也有较大变化。施肥过量时的经济损失往往没有施肥不足带来的作物损失大。施肥时必须考虑肥料的后效，它可补偿增施肥料的花费。多年的试验结果表明，虽然在一些不利年景中施肥量大于最佳施用量才能获得最高产量，但最佳肥料施用量可获得最佳收益。虽然单位养分成本会上下波动，但其变幅远小于农产品价格波动。

为了计算最大产量和最大效益的养分用量，需要对施肥的产量效应进行数学描述。我国某地水稻氮肥的产量效应模型公式为：2

Y=6490+27X-0.0552X22

其中，Y为水稻谷粒产量（kg/hm），X为施氮量（kg/hm）；则有最大产量施氮量就是求解方程的一阶导数为零时的施氮量X，即

dY/dX=27-0.1104X

0=27-0.1104X2

X=27/0.1104=245kgN/（hm·a）

最大利润施氮量：

设定产量效应方程的一阶导数等于化肥费用（如尿素价格为2元/kg，折合纯氮价格为4.35元/kg）和稻谷物价格（平均现价为2.40元/kg）的比例，求解最大利润施氮量X。

dY/dX=27-0.1104X=4.35/2.4

27-0.1104X=1.812

X=（27-1.81）/0.1104=228kgN/（hm·a）=496kg（尿素）/2（hm·a）

当然，最大利润所需的养分用量取决于肥料成本和农产品价格。当肥料成本增加的比例和农产品价格增加的比例相等，最大收益的养分数量就会下降。当农产品价格增加的比例和肥料成本增加的比例相等时，最大收益的养分数量就会上升。这些数据也表明，虽然有差异性，但农产品价格和肥料成本的改变会对最大收益的养分用量有一定程度的影响。最佳施氮量的最大差异表现在农作物价格低而肥料成本高与农作物价格高和低肥料成本两种情况的比较。由于在施肥时很难预测农产品的价格，因此推荐使用最大产量时的施肥量对农产品价格和肥料成本因素不作考虑。

4.肥料的残效（后效）

低肥力水平土壤不可能使作物高产，土壤养分是个较易控制的植物生长因子。然而，如果仅从一年而不是长期投资来看，将土壤养分从低水平提到高水平的初期花费会使农民望而却步。以往施用的肥料残效应该是施肥经济学的一部分。通常肥料的全部成本都算在当季种植的作物中，然而石灰成本可以分摊成5～7年。施肥量高时残效更显著。如果没有渗漏到根层以下的话，最佳施肥量时约有20%～30%的氮对翌年的作物有残效。磷肥和钾肥的残效变幅在25%～60%之间。当干草和秸秆被收走时，肥料的残效应取低值。移动性差的养分累积可被视为一种可分摊在一定年限内的固定资产投资。

5.肥料价格

农民关心最经济的肥料来源，但他们已习惯于按每吨肥料而不是每吨植物养分的成本购买。不同肥料中植物养分元素的成本各异，其他因子如施用成本、次级元素含量等也应予以考虑。农民常需要决定是否全部选用复合肥料，还是复合肥和单质肥兼用，还是全部选用单质肥。因此，了解计算成本的方法极为重要。

除考虑肥料实际成本外，农民还应考虑运输、贮藏和施肥时劳动力的成本。这些成本可能难以估价，但如果两个来源的养分实际价格相同，那种植者应采用最省劳力的那个。较高养分含量的肥料施用时单位养分所需的劳力和施用成本较低。（1）石灰只有按照土壤和植物的需要撒施石灰才能获得最大的肥料报酬。当需要时施用石灰，即使收益会随着石灰用量、石灰成本、产量对撒施石灰的反应和农产品价格等变化，仍可获得较高的回报。虽然施用石灰的收益很高，但在施肥方案中却常被忽视。这是因为：（1）除非土壤很酸，一般作物对石灰的反应不如对N、P、K等养分的反应那样明显；（2）其效果持续很长时间，而其收益并非全在第一年体现。（2）畜禽粪便施用有机肥的好处除了能增加土壤中的大量元素和微量元素外，还在于有机质能改善土壤结构和水分状况、增加磷钾和微量养分的移动性及微生物活性等。粪肥因贮存和处理不同而存在较大差异。尽管如此，在现行养分、劳力和设备成本等条件下，农民施用畜禽粪肥仍然是有利可图的。由于粪肥主要是一种含N-P-K的肥料，水分含量较高，施在非豆科作物上可以获得最佳报酬。粪肥用在离畜舍较近的地块可减少运输成本，而商品化肥则可施于较远地块。堆肥能显著降低运输成本，便于运输到更远的地方。

6.土壤养分对土地价值的影响

农田土地的价值有高有低。对于农地而言，通常高价值土地的生产力状况和肥力都较好，并有较好的改善设施。低价值的土地如果没有严重侵蚀和其他物理性限制因子，实际上也可能是很有价值的，但这样的土地中的土壤一般较贫瘠，可能需要相当多的养分投入。根据土壤测试结果并结合其他措施，施足肥料，可能很快提高土壤的生产水平。这种培肥地力的投资可视为土地成本的一部分，所以为培肥土壤而投入一定的资金是值得的。良好的管理措施也可提高土地生产力及其价值，而且这些成本可分摊在一定年限中。

7.最大利润产量其他收益（1）提高能效：在农业生产中，高产是提高能效的有效途径。高产需要对单位面积农地投入更多的能量，但是，由于有些成本无论产量高低都一样多，因此，高产情况下每千克或每吨产量的能量成本则相对较低。（2）降低土壤侵蚀：雨滴以惊人的力量冲击土壤，冲走土粒，增加土壤侵蚀。然而，作物根冠和残茬可以缓解雨滴的冲力，增加植物吸水，减少径流和土壤损失。作物及残茬的存在也可以减轻风蚀的破坏作用。高生产力的作物体系由于作物根冠发展比较繁茂，且拥有更多的地上部分和根系残体，有利于保护土壤及其生产力。保护性耕作措施，如免耕和凿耕等，会比犁耕留下更多的作物残茬。然而无论哪种耕作措施，残茬越多土壤侵蚀则越少。（3）提高土壤生产力：土壤有机质只能经过较长时间才会有所提高。然而提高有机质对产量的益处是非常显著的。在高温低湿地区很难提高土壤有机质含量。但有机残体的大量分解可保持良好的土壤物理性状、增加水分入渗并改善植物的水分利用效率，从而减少水分流失和侵蚀。（4）降低粮食含水量：植物养分充足并使作物足够的成熟，可降低收获时的籽粒含水量，这样能够降低干燥成本。（5）改善作物品质：植物养分充足可改善作物品质，无论是粮食还是牧草均是如此。例如施氮可提高小麦籽粒蛋白质含量并提高市场价格。对低钾土壤增施钾肥，不但可提高大豆产量，还可减轻种子的病害及霉变。

第三节　测土配方施肥技术介绍

如上所述，肥料推荐使用量模型（公式2-3），在理论上很好地说明了该如何确定肥料的使用量；但实际上，怎样确定土壤供氮能力（NSOIL）、土壤有机质矿化速率有多大（NOM）、肥料的利用率又到底是多少（NMN），这些问题长期以来困扰着施肥模型的实际应用。

我国经过几代土壤肥料科学工作者的努力，发展了具有我国特色的适合于实际推广应用的测土配方施肥技术。测土配方施肥是以土壤测试和肥料田间试验为基础，依据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，提出氮、磷、钾，及中、微量元素等肥料的施用品种、数量、施用时期和施用方法。2005年首次把“推广测土配方施肥”写入党中央一号文件，此后，每年的中央一号文件都强调要加强测土配方施肥工作，并作为落实科学发展和推进新农村建设的重大举措。

一、术语和定义

根据农业部2006年发布的《测土配方施肥技术规范》（试行），对测土配方工作的一些术语和定义做出了明确的解释。以下是几个最重要的名词：（1）测土配方施肥（Soil testing and formulated fertilization）。测土配方施肥是以肥料田间试验和土壤测试为基础，根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，在合理施用有机肥料的基础上，提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用品种、数量、施肥时期和施用方法。（2）空白对照（Control）。无肥处理，用于确定肥料效应的绝对值，评价土壤自然生产力和计算肥料利用率等。（3）配方肥料（Formula fertilizer）。以土壤测试和肥料田间试验为基础，根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，用各种单质肥料和（或）复混肥料为原料，配制成的适合于特定区域、特定作物的肥料。（4）地力（Soil fertility）。是指在当前管理水平下，由土壤本身特性、自然背景条件和基础设施水平等要素综合构成的耕地生产能力。（5）耕地地力评价（Soil productivity assessment）。耕地地力评价是指根据耕地所在地的气候、地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等要素相互作用表现出来的综合特征，评价耕地潜在生物生产力高低的过程。

二、肥料效应田间试验

1.试验目的

肥料效应田间试验是获得各种作物最佳施肥数量、施肥品种、施肥比例、施肥时期、施肥方法的根本途径，也是筛选、验证土壤养分测试方法、建立施肥指标体系的基本环节。通过田间试验，掌握各个施肥单元不同作物优化施肥数量，基、追肥分配比例，施肥时期和施肥方法；摸清土壤养分校正系数、土壤供肥能力、不同作物养分吸收量和肥料利用率等基本参数；构建作物施肥模型，为施肥分区和肥料配方设计提供依据。

2.试验设计

肥料效应田间试验设计，取决于研究目的。推荐采用“3414”方案设计（表2-6），在具体实施过程中可根据研究目的采用“3414”完全实施方案和部分实施方案。“3414”是指氮、磷、钾3个因素、4个水平、14个处理。4个水平的含义是：0水平指不施肥，2水平指当地推荐施肥量，1水平=2水平×0.5，3水平=2水平×1.5（该水平为过量施肥水平）。为便于汇总，同一作物、同一区域内施肥量要保持一致。如果需要研究有机肥料和中、微量元素肥料效应，可在此基础上增加处理。

该方案除可应用14个处理进行氮、磷、钾三元二次效应方程的拟合以外，还可分别进行氮、磷、钾中任意二元或一元效应方程的拟合。

考虑到不同区域土壤养分特点和不同试验目的要求，满足不同层次的需要，试验氮、磷、钾中某一个或两个养分的效应，或因其他原因无法实施“3414”完全实施方案，可在“3414”方案中选择相关处理，即“3414”的部分实施方案。如有些区域重点要试验氮、磷效果，可在K2做肥底的基础上进行氮、磷二元肥料效应试验，但应设置3次重复。

在肥料试验中，为了取得土壤养分供应量、作物吸收养分量、土壤养分丰缺指标等参数，一般把试验设计为5个处理：空白对照（CK）、无氮区（PK）、无磷区（NK）、无钾区（NP）和氮、磷、钾区（NPK）。这5个处理分别是“3414”完全实施方案中的处理1、2、4、8和6。如要获得有机肥料的效应，可增加有机肥处理区；试验某种中（微）量元素的效应，在NPK基础上，进行加与不加该中（微）量元素处理的比较。试验要求测试土壤养分和植株养分含量，进行考种和计产。试验设计中，氮、磷、钾、有机肥等用量应接近效应肥料函数计算的最高产量施肥量或用其他方法推荐的合理用量。

3.试验实施

试验地应选择平坦、整齐、肥力均匀，具有代表性的不同肥力水平的地块；坡地应选择坡度平缓、肥力差异较小的田块；试验地应避开靠近道路、堆肥场所等特殊地块。田间试验应选择当地主栽作物品种或拟推广品种。为保证试验精度，减少人为因素、土壤肥力和气候因素的影响，田间试验一般设3～4个重复（或区组）。采用随机区组排列，区组内土壤、地形等条件应相对一致，区组间允许有差异。同一生长季、同一作物、同类试验在10个以上时可采用多点无重复设2计。大田作物和露地蔬菜作物小区面积一般为20～50m，密植作物2可小些，中耕作物可大些；设施蔬菜作物一般为20～30m，至少5行以上。小区宽度：密植作物不小于3m，中耕作物不小于4m。多年生果树类选择土壤肥力差异小的地块和树龄相同、株形和产量相对一致的成年果树进行试验，每个处理不少于4株。

三、肥料配方设计

1.基于田块的肥料配方设计

基于田块的肥料配方设计首先确定氮、磷、钾养分的用量，然后确定相应的肥料组合，通过提供配方肥料或发放配肥通知单，指导农民使用。肥料用量的确定方法主要包括土壤与植物测试推荐施肥方法、肥料效应函数法、土壤养分丰缺指标法和养分平衡法。（1）土壤、植物测试推荐施肥

该技术综合了目标产量法、养分丰缺指标法和作物营养诊断法的优点。对于大田作物，在综合考虑有机肥、作物秸秆应用和管理措施的基础上，根据氮、磷、钾和中、微量元素养分的不同特征，采取不同的养分优化调控与管理策略。其中，氮肥推荐根据土壤供氮状况和作物需氮量，进行实时动态监测和精确调控，包括基肥和追肥的调控；磷、钾肥通过土壤测试和养分平衡进行监控；中、微量元素采用因缺补缺的矫正施肥策略。该技术包括氮素实时监控、磷钾养分恒量监控和中、微量元素养分矫正施肥技术。

a.氮素实时监控施肥技术

根据目标产量确定作物需氮量，以需氮量的30%～60%作为基肥用量。具体基施比例根据土壤全氮含量，同时参照当地丰缺指标来确定。一般在全氮含量偏低时，采用需氮量的50%～60%作为基肥；在全氮含量居中时，采用需氮量的40%～50%作为基肥；在全氮含量偏高时，采用需氮量的30%～40%作为基肥。30%～60%基肥比例可根据上述方法确定，并通过“3414”田间试验进行校验，建立当地不同作物的施肥指标体系。有条件的地区可在播种前对0—20cm土壤无机氮（或硝态氮）进行监测，调节基肥用量。2

其中：土壤无机氮（kg/hm）=土壤无机氮测试值（mg/kg）×0.15×校正系数

氮肥追肥用量推荐以作物关键生育期的营养状况诊断或土壤硝态氮的测试为依据，这是实现氮肥准确推荐的关键环节，也是控制过量施氮或施氮不足、提高氮肥利用率和减少损失的重要措施。测试项目主要是土壤全氮含量、土壤硝态氮含量或小麦拔节期茎基部硝酸盐浓度、玉米最新展开叶叶脉中部硝酸盐浓度，水稻采用叶色卡或叶绿素仪进行叶色诊断。

b.磷钾养分恒量监控施肥技术

根据土壤有（速）效磷、钾含量水平，以土壤有（速）效磷、钾养分不成为实现目标产量的限制因子为前提，通过土壤测试和养分平衡监控，使土壤有（速）效磷、钾含量保持在一定范围内。对于磷肥，基本思路是根据土壤有效磷测试结果和养分丰缺指标进行分级，当有效磷水平处在中等偏上时，可以将目标产量需要量（只包括带出田块的收获物）的100%～110%作为当季磷肥用量；随着有效磷含量的增加，需要减少磷肥用量，直至不施；随着有效磷的降低，需要适当增加磷肥用量，在极缺磷的土壤上，可以施到需要量的150%～200%。在2～3年后再次测土时，根据土壤有效磷和产量的变化再对磷肥用量进行调整。钾肥首先需要确定施用钾肥是否有效，再参照上面方法确定钾肥用量，但需要考虑有机肥和秸秆还田带入的钾量。一般大田作物磷、钾肥料全部做基肥。

c.中微量元素养分矫正施肥技术

中、微量元素养分的含量变幅大，作物对其需要量也各不相同。主要与土壤特性（尤其是母质）、作物种类和产量水平等有关。矫正施肥就是通过土壤测试，评价土壤中、微量元素养分的丰缺状况，进行有针对性的因缺补缺的施肥。（2）肥料效应函数法

根据“3414”方案田间试验结果建立当地主要作物的肥料效应函数，直接获得某一区域、某种作物的氮、磷、钾肥料的最佳施用量，为肥料配方和施肥推荐提供依据。（3）土壤养分丰缺指标法

通过土壤养分测试结果和田间肥效试验结果，建立不同作物、不同区域的土壤养分丰缺指标，提供肥料配方。

土壤养分丰缺指标田间试验也可采用“3414”部分实施方案，详见4.2.2。“3414”方案中的处理1为空白对照（CK），处理6为全肥区（NPK），处理2、4、8为缺素区（即PK、NK和NP）。收获后计算产量，用缺素区产量占全肥区产量百分数即相对产量的高低来表达土壤养分的丰缺情况。相对产量低于50%的土壤养分为极低；相对产量50%～75%为低；75%～95%为中，大于95%为高，从而确定适用于某一区域、某种作物的土壤养分丰缺指标及对应的肥料施用数量。对该区域其他田块，通过土壤养分测试，就可以了解土壤养分的丰缺状况，提出相应的推荐施肥量。（4）养分平衡法

有关参数的确定

a.目标产量

c.土壤供肥量

土壤供肥量可以通过测定基础产量、土壤有效养分校正系数两种方法估算：

通过基础产量估算（处理1产量）：不施肥区作物所吸收的养分量作为土壤供肥量。

d.肥料利用率

一般通过差减法来计算：利用施肥区作物吸收的养分量减去不施肥区农作物吸收的养分量，其差值视为肥料供应的养分量，再除以所用肥料养分量就是肥料利用率。

上述公式以计算氮肥利用率为例来进一步说明。2

施肥区（NPK区）农作物吸收养分量（kg/hm）：“3414”方案中处理6的作物总吸氮量；缺氮区（PK区）农作物吸收养分量（kg/2hm）：“3414”方案中处理2的作物总吸氮量；肥料施用量（kg/2hm）：施用的氮肥肥料用量；肥料中养分含量（%）：施用的氮肥肥料所标明的含氮量。

如果同时使用了不同品种的氮肥，应计算所用的不同氮肥品种的总氮量。

e.肥料养分含量

供施肥料包括无机肥料与有机肥料。无机肥料、商品有机肥料含量按其标明量，不明养分含量的有机肥料养分含量可参照当地不同类型有机肥养分平均含量获得。

2.县域施肥分区与肥料配方设计

在GPS定位土壤采样与土壤测试的基础上，综合考虑行政区划、土壤类型、土壤质地、气象资料、种植结构、作物需肥规律等因素，借助信息技术生成区域性土壤养分空间变异图和县域施肥分区，优化设计不同分区的肥料配方。

基于区域土壤养分分级指标，以GIS为操作平台，使用Kriging等方法进行土壤养分空间插值，制作土壤养分分区图。针对土壤养分的空间分布特征，结合作物养分需求规律和施肥决策系统，生成县域施肥分区图和分区肥料配方。在肥料配方区域内针对特定作物，进行肥料配方验证。

四、配方肥料合理施用

在养分需求与供应平衡的基础上，坚持有机肥料与无机肥料相结合；坚持大量元素与中量元素、微量元素相结合；坚持基肥与追肥相结合；坚持施肥与其他措施相结合。在确定肥料用量和肥料配方后，合理施肥的重点是选择肥料种类、确定施肥时期和施肥方法等。（1）配方肥料种类根据土壤性状、肥料特性、作物营养特性、肥料资源等综合因素确定肥料种类，可选用单质或复混肥料自行配制配方肥料，也可直接购买配方肥料。（2）施肥时期根据肥料性质和植物营养特性，适时施肥。植物生长旺盛和吸收养分的关键时期应重点施肥，有灌溉条件的地区应分期施肥。对作物不同时期的氮肥推荐量的确定，有条件区域应建立并采用实时监控技术。（3）施肥方法常用的施肥方式有撒施后耕翻、条施、穴施等。应根据作物种类、栽培方式、肥料性质等选择适宜施肥方法。例如氮肥应深施覆土，施肥后灌水量不能过大，否则造成氮素淋洗损失；水溶性磷肥应集中施用，难溶性磷肥应分层施用或与有机肥料堆沤后施用；有机肥料要经腐熟后施用，并深翻入土。

五、耕地地力评价

要求采用比例尺1:50000地形图、第二次土壤普查成果图（最新的土壤图、土壤养分图等）、土地利用现状图、农田水利分区图、行政区划图及其他相关图件；应用第二次土壤普查成果资料，基本农田保护区划定统计资料，近三年种植面积、粮食单产与总产、肥料使用等统计资料，历年土壤、植物测试资料。

1.确定耕地地力评价因子和评价单元

根据耕地地力评价因子总集（表2-7），选取耕地地力评价因子。选取的因子应对耕地地力有较大的影响，在评价区域内的变异较大，在时间序列上具有相对的稳定性，因子之间独立性较强。用土地利用现状图（比例尺为1:5万）、土壤图（比例尺为1:5万）叠加形成的图斑作为评价单元。评价区域内的耕地面积要与政府发布的耕地面积一致。

2.耕地地力评价（1）评价单元赋值

根据各评价因子的空间分布图或属性数据库，将各评价因子数据赋值给评价单元。对点位分布图，采用插值的方法将其转换为栅格图，再与评价单元图叠加，通过加权统计给评价单元赋值；对矢量分布图（如土壤质地分布图），将其直接与评价单元图叠加，通过加权统计、属性提取，给评价单元赋值；对线形图（如等高线图），使用数字高程模型，形成坡度图、坡向图等，再与评价单元图叠加，通过加权统计给评价单元赋值。（2）确定各评价因子的权重

采用特尔斐法与层次分析法相结合的方法确定各评价因子权重。对定性数据采用特尔斐法直接给出相应的隶属度；对定量数据采用特尔斐法与隶属函数法结合的方法确定各评价因子的隶属函数，将各评价因子的值代入隶属函数，计算相应的隶属度。（3）计算耕地地力综合指数

采用累加法计算每个评价单元的综合地力指数。

式中，IFI为耕地地力综合指数（Integrated Fertility Index）；Fi和Ci为分别为第i个评价因子的隶属度和权重。

根据综合地力指数分布，采用累积曲线法或等距离法确定分级方案，划分地力等级，绘制耕地地力等级图。依据《全国耕地类型区、耕地地力等级划分》（NY/T 309-1996），归纳整理各级耕地地力要素主要指标，形成与粮食生产能力相对应的地力等级，并将各等级耕地归入全国耕地地力等级体系。依据《全国中低产田类型划分与改良技术规范》（NY/T 310-1996），分析评价单元耕地土壤主导障碍因素，划分并确定中低产田类型、面积和主要分布区域。

第四节　长期施肥对土壤养分的影响

合理施肥会显著提高当季农作物的产量和收益，但长期施肥会对土壤肥力的变化有什么影响？不同的施肥方式的影响又会怎样？土壤肥力的演变规律和发展趋势是土壤改良的理论基础，特别是在人类活动强度越来越大，大量化肥的施用等对土壤过程的干涉越来越强烈而导致土壤退化风险也越来越大的今天，更是我们控制和调节土壤肥力发展必不可少的基础知识和指导理论。本节采用徐明岗等（2006）对国内几十个土壤肥料长期定位试验资料的总结为基础，介绍长期施肥条件下土壤有机质和养分的变化规律。

一、农田土壤有机质的演变

1.土壤总有机质含量变化

长期施肥对土壤有机质的影响很大。连续15年以上不施肥，土壤有机质下降；但施用化肥特别是平衡施用NPK化肥，有机质维持平衡或稍有增加；有机肥与无机肥配合施用，土壤有机质增加明显，15年后增加1倍以上。几种典型土壤的变化情况如下：（1）灰漠土有机肥与化肥配合施用加速了耕层土壤有机质的积累，年均增加1.0g/kg；秸秆还田配施化肥的土壤有机质在试验前几年增加不明显，随着试验年限的延长呈现持续提高的趋势；连续耕作15年后，单施化肥的耕层土壤有机质均开始下降；长期不施肥的土壤有机质含量逐年缓慢下降，由15.2g/kg降到12.1g/kg。连续施化肥22年，土壤有机质较初始对照（1982）降低22.5%～37.2%，施用NP和NPK，土壤有机质与对照相比，分别增加28.0%和22.7%。（2）均壤质潮土有机质矿化率在2.2%～4.9%之间，平均为3.1%。不施肥、单施化肥土壤有机质呈下降趋势，0～20cm土层10年内下降了0.09%～0.33%；有机肥与无机肥配合施用的土壤有机质略有上升；单施高量有机肥的土壤有机质含量明显提高，10年后增加了0.59%。（3）轻壤质潮土施有机肥及秸秆还田能明显增加土壤有机质含量，施肥15年后（2005）土壤有机质含量较基础值增加3.9～5.8g/kg；施NP和NPK土壤有机质略有增加；施NK土壤有机质含量比较稳定；不施肥的CK、施N和PK土壤有机质含量变化呈降低趋势。秸秆还田及施用有机肥是提高土壤肥力的重要措施。（4）黑土20年长期不施肥，土壤有机质由26.6g/kg下降到23.3g/kg，下降了3.3g/kg，单施氮磷钾化肥土壤有机质下降到25.3g/kg，单施有机肥土壤有机质没有下降，有机肥与化肥配合施用，土壤有机质略有增加。（5）红壤经15年施肥耕种后，土壤有机质均有所上升。单施化肥土壤有机质增加较少，配合施NPK化肥的土壤有机质比开始增加了87%；施用有机肥（M和NPKM）的土壤有机质从11.5g/kg上升到24.3g/kg，比不施肥对照增加9.4g/kg，比起始值增加了110%。（6）水稻土经过20年的耕种施肥，不施肥、施PK和NK土壤有机质呈明显下降趋势，不施肥的土壤有机质年下降0.27g/kg，施PK和NK年下降0.145g/kg，施用NPK化肥的略有增加，年增加量仅0.02g/kg，有机肥与化肥配合施用，土壤有机质年增加0.32～0.49g/kg，且随着有机肥配施比例的增加而增加。化肥NPK配合施用不会降低土壤有机质含量，有机肥与化肥配合是有效增加土壤有机质的重要措施。（7）塿土长期施肥后土壤有机质均呈现富集趋势。所有施肥的土壤有机质随着种植年限的延长而增加，其中施入有机物质的NPM、NPS和M土壤有机质增加幅度最大，依次为0.284g/kg、0.271g/kg和0.203g/kg。单施化肥NP和N也增加土壤有机质，但增加较少，只有0.076g/kg和0.036g/kg。长期不施任何肥料的土壤有机质并没有下降，而是以0.031g/kg的速率增加。单施化肥和不施肥土壤有机质的增加与每年根茬返还农田有关。

2.土壤活性有机质含量的变化

连续10年不施肥不耕种的红壤有机质含量虽增加7.4%，但土壤活性有机质（能被KMnO4氧化的有机质）有所下降，即在自然休耕情况下，红壤有机质性质并不能得到明显改善。塿土休耕10年土壤有机质和活性有机质均下降；轻质潮土和黑土土壤有机质和活性有机质都有所上升。以下6种典型土壤不施肥时，活性有机质都下降，红壤总有机质和活性有机质分别下降8.0%、39.0%；塿土总有机质增加13.7%、活性有机质下降58.0%；灰漠土有机质和活性有机质分别下降10.8%和40.6%；黑土有机质和活性有机质分别下降9.3%和10.8%；褐潮土有机质有所上升，但活性有机质下降48.8%；轻质潮土有机质下降2.9%，活性有机质下降36.4%。不施肥对黑土活性有机质影响相对较小，对其余5种土壤活性有机质影响较大。

施用化肥（N和NPK）10年后所有土壤的活性有机质均下降，但下降幅度在不同土壤上有所不同。红壤上两种施肥的土壤总有机质下降4.0%，活性有机质下降19.3%；塿土总有机质增加16.0%，但活性有机质下降20.0%；灰漠土有机质仅降低3.5%，但活性有机质降低25.0%；黑土中，有机质和活性有机质均降低5.0%左右；褐潮土中，总有机质增加20.0%，但活性有机质下降了17.0%；轻质潮土总有机质保持不变，但活性有机质下降20.0%。

三、农田土壤氮素养分的演变

1.长期施肥土壤全氮的变化规律

土壤氮素的变化主要决定于生物累积和分解作用的相对强弱，全氮在土壤剖面上的分布表层含量最高，其次是犁底层，60cm以下变化趋于平缓。不同施肥水平下，作物生长不同，土壤全氮的变化也不同；配施有机肥的土壤全氮在40cm以上特别是在耕作层积累明显。

灰漠土长期连续耕作施肥，有机肥与化肥配施土壤全氮提高较快，15年提高了30%；秸秆还田土壤全氮提高次之，为8.7%；均衡施肥土壤全氮有所提高但幅度不大；不均衡施肥耕层土壤全氮均有不同程度的下降，下降速率较慢，在10%以内；不施肥土壤全氮下降较快，比初始值降低了23%。

轻壤质潮土经过15年施肥后，各施肥处理之间土壤全氮的差异增大，土壤全氮和有机质的变化趋势相似。有机无机肥配合施用土壤全氮含量呈现增加的趋势，施肥15年后（2005）土壤全氮含量较起始值增加0.2～0.33g/kg；种植大豆对提高土壤肥力具有非常明显的效果；不施肥土壤全氮含量变化呈降低趋势；施N、NP和NPK土壤全氮略有增加。

20年不施肥黑土全氮由1.47g/kg下降到1.21g/kg，下降幅度为17.7%，单施化肥全氮为1.45g/kg，基本保持平衡，而单施有机肥下降到1.35g/kg，下降幅度为8.2%。有机肥与化肥配合施用，土壤全氮则有所增加，由1.47g/kg增加到1.69g/kg，增加幅度为15.0%，增加明显。

红壤全氮与土壤有机质变化趋势基本一致，试验开始5年，土壤全氮呈下降趋势，随施肥年限的延长，土壤全氮逐年上升。土壤全氮的年度增加量，在不施氮土壤中仅增加0.002g/kg；在施N、NP、NK和NPK土壤中增加0.02～0.03g/kg；在NPKM、1.5NPKM、NPKM2和M中，全氮年上升0.05～0.06g/kg，有机肥氮在土壤中容易积累。褐潮土不施肥、单施化肥以及低量有机肥的土壤全氮含量下降；秸秆过腹还田土壤全氮含量增加。

水稻土经过20年的种植后，不施肥和施PK土壤全N年下降量分别为5.5mg/kg和2.5mg/kg；NP、NPK全N略有增加，年增加分别为4.5mg/kg和6.0mg/kg；化肥与有机肥配施全N增加明显，年增加9.1～19.5mg/kg。

2.长期施肥土壤碱解氮（速效氮）的变化规律

长期施用不同肥料对土壤碱解氮的影响较大，一般施用氮肥和有机肥，土壤碱解氮明显升高，而未施氮肥的土壤碱解氮则有所降低。化肥氮在土壤中难于保存积累，有机肥或有机无机肥配合施用，土壤碱解氮的增加明显优于单施化肥。

灰漠土施氮耕层土壤碱解氮含量平均增加10%以上，不施肥土壤碱解氮下降幅度较大，为26.8%；配施有机肥和秸秆还田土壤碱解氮提高了14.9%～43.0%。

红壤碱解氮的变化在不同施肥之间有极大差异，不施N的CK和PK由试验开始的79mg/kg降低到60mg/kg，11年下降了24%；施化肥氮的土壤碱解氮基本变化不大，维持在75～79mg/kg；而在NPKM和M中，土壤碱解氮分别为118.5mg/kg和103.6mg/kg，比试验开始时上升50%和31%。

水稻土经过20年的耕种后，不施肥、施PK土壤碱解氮变化不大；施NK土壤碱解氮先有所增加，后基本与开始时持平；施NP、NPK的土壤碱解氮明显增加，增加幅度为55.6%～63.0%；化肥与有机肥配施土壤碱解氮增加更明显，增加67.9%～110.8%。

3.长期施肥土壤硝态氮的变化规律

土壤硝态氮的含量与分布，既受施肥的影响，也与降雨和作物生-长等土壤环境有关。灰漠土在0～300cm土层中，施氮土壤NON积累3显著增加，积累的峰值基本上在0～100-cm的土层中，200cm开始积-累逐渐减弱。单施氮肥土壤NON从150cm开始逐层增加，-不施氮肥3-土壤NON总量为7～217mg/kg，其中不施肥的最低（7mg/kg），不3施肥不耕种-的积累量最高（217mg/kg）；配施有机肥明显降低了土-壤NON在剖面上的积累，只在表-层有一定积累，总量平均为64mg/3-kg，秸秆还田土壤NON总量高于配施有机肥，为168-mg/kg，在803～180cm土层积累量有所增加。

不施肥和施低量化肥，褐潮土剖面硝态氮贮量降低；施氮量超过2120kg/hm后，硝态氮在土壤中有明显累积，单施化肥随氮肥施用量的增加，土壤剖面硝态氮贮量增加，以硝态氮形式残留在土壤剖面中的氮量占到总施氮量的23.9%～44.6%；单施高量有机肥也可以导致土壤硝态氮的累积。施不同化肥土壤剖面硝态氮贮量峰值出现在60～140cm土层，随施肥量的增加土壤硝态氮贮量的峰值越高。不同的施肥时期和施肥方式，对土壤硝态氮的贮量和分布规律也有一定影--响。春施肥NON累积总量比秋施肥高，春施肥0～20cm-NON累积33少，主要累积在20～100cm土层；秋施肥0～20cm累积量较多，是春施肥相应累积量的1.32～4.28倍。

红壤耕层，不施氮肥（CK0、CK、PK）的土壤NO-N变化在1.13～2.2mg/kg之间；而单施N肥，土壤NO3-N为26.2mg/kg，是CK的-11.8倍；NP、NK、NPK、NPKM等施肥条件-下，其NON比CK增加3了2～3倍。秸秆还田（NPKS），由于秸秆腐烂要消耗一定的氮-源，-不利于硝化细菌的快速繁殖，硝化作用也较慢，土壤中的NON较低。3--土壤NON的-剖面分布，施化学氮肥（N、NP和NK）的土壤中NON33-逐层增加，而配施有机肥的NPKM或1.5NPKM区NON含量是上层积3-累多，往下减少，由于作物生长良好而降低NON往深层移动，有利3于减少氮素的淋失和地下水体的污染。-

长期施肥对灌漠土NO-N积累和淋溶具有显著的影响。单施N肥3-作物收获后土层中NO-N积累大量增加；种植玉米的土壤中积累的3-NO-显著高于小麦。化肥配施（NP和-NPK）、有机无机配合施用可3-显著提高氮素利用率，对应的土壤剖面中积累的NO-N也显-著降3-低。但连续施用有机肥后，引发NO-N向更深土壤剖面移动，施肥对3土壤环境的潜在-污染不容忽视。

4.长期施肥土壤氮素表观平衡与利用率的变化

根据氮肥施入量和作物吸收量计算氮素盈亏及利用率，不同施肥氮素盈亏状况发生明显变化，施用氮肥显示出有大量盈余，盈余量占施用量的38%～60%，而土壤氮素并没有大量积累。原因是氮肥施用量过大，造成大量盈余损失，损失的具体途径有待继续研究。

在灰漠土上，不施肥作物年收获量很少，平均每年亏缺的氮为242.8kg/hm，这部分氮素主要来自土壤。15年不施氮土壤全氮下降了223%，平均每年亏缺氮达到60.5kg/hm，施氮平均每年盈余氮量为2124kg/hm，氮素表观利用率为11.1%～13.5%；均衡施肥平均每年盈2余氮量为83kg/hm，氮素表观利用率为30.4%～33.2%，是不均衡施氮的2.5倍以上；低量有机肥能提高氮的利用率。2

轻壤质潮土的自然供氮量平均每年为84.4kg/hm，接受外源氮素2224kg/hm。不施氮肥土壤氮素平均每年亏缺59～64kg/hm，导致土壤全氮含量降低。施氮肥土壤氮素盈余，其中1.5NPKM盈余最多，平2均每年为418kg/hm，占氮素收入量的75%，其次为施N平均每年盈22余303kg/hm，NK为291kg/hm，占氮素进入量的78%。施用N、NK的土壤氮素累积利用率为14.1%～20.7%，残留在土壤的氮比率为35.8%和10.9%；施用NP、NPK的土壤氮素累积利用率分别为47.8%和48.8%，残留率为9.7%；施有机肥的氮素利用率最高，NPKM和1.5NPKM的氮利用率分别为44.3%和38.1%，随有机肥增加，氮素利用率下降。

红壤旱地长期施肥，不同施肥的氮素利用率有很大的差异。连续2耕种13年，单施氮肥的作物吸收氮年平均仅为26.4kg/hm，化肥氮素利用率仅为8.0%；在NP、NPK的氮素利用率为25.7%和33.5%，比单施N高出3～4倍，施用磷钾肥极大地促进了氮肥的效益。施NK的氮素利用率仅为12.7%，与单施氮肥的差异不显著。NPKS中，氮素利用率为39.8%，比NPK高出6.4%，在红壤旱地实行秸秆还田，对提高氮素利用率有促进作用。施NPKM、1.5NPKM，氮素利用率44.1%～47.7%，有机无机肥料配合施用可显著提高肥料氮的利用率，减少氮的损失。

对红壤旱地施用化学氮肥（N、NP、NK和NPK）平均每年盈余222氮量分别为253.6kg/hm、202.4kg/hm、241.3kg/hm和178.8kg/2hm。由于大量的氮素盈余，造成土壤严重酸化，同时可能对环境造2成不利的影响。平均每年挥发的氮量达到85～135kg/hm，氮素利用率也逐年降低，施肥耕作13年后，其化肥氮利用率普遍低于30%。施用有机肥及有机肥化肥配合，作物年支出氮量基本维持平衡，其中NPKM氮素利用率达到45%以上。水稻土经过20年的种植后，不施氮肥的CK及PK，水稻年收获量前10年逐渐减少，后10年略有增加，水稻产量趋于平稳，由于长期得不到氮素补充，土壤氮素严重亏损，平2均年亏损氮达到86.6kg/hm。施用不同化肥，作物年支出氮量显著下降，土壤表观氮平衡表现为上升趋势，施用化学氮肥（NP、NK和22NPK）平均每年盈余氮量分别为89.8kg/hm、80.3kg/hm和66.6kg/2hm，有机肥和化肥配施土壤表观氮平衡与NPK基本相当。以上结果表明，有机肥料或化肥配合施用，氮素利用率明显高于氮肥单施，这种施肥方式既能提高作物产量和节约成本又能减少肥料对环境污染，有利于创造一个良好的人类生存环境。

四、农田土壤磷素的演变

1.长期施肥典型农田土壤全磷含量的变化

磷的移动性较差，损失相对较少，土壤全磷的增减主要取决于农田磷素的收支状况。长期不施磷，土壤全磷一般下降，而施用磷肥，土壤全磷表现为增加；NPK化肥与有机肥配合施用，土壤全磷增加较为明显；相同施肥条件下，不同土壤全磷变化程度不同。15年不施肥，黄棕壤和塿土全磷无明显变化，而红壤全磷下降10%左右，灰漠土降低12.5%，紫色土下降14%，黑土下降37.4%。

灰漠土全磷含量较高，化肥配施有机肥15年土壤全磷提高了10%，施用PK肥的土壤全磷提高14%。褐潮土年施用P2O537.5kg/2hm可以维持并提高土壤全磷和有效磷含量。

黑土长期不施磷肥，土壤全磷下降明显，单施氮肥下降29.0%，NK下降26.2%；而施磷肥土壤全磷都有明显的积累，与原始土壤相比增加了53.9%～65.7%。

红壤全磷含量随施磷年限的延长而逐年增加；施肥13年后1.5NPKM土壤全磷已超过起始值的3倍以上，NPK和NPKM的也在2倍以上；而没有施用磷肥的CK、N土壤全磷下降10%左右。

2.长期施肥典型农田土壤速效磷含量的变化

不施磷的土壤，速效磷下降很快；常年施用磷肥，土壤速效磷可维持平衡或明显增加；化肥与有机肥配合施用，土壤速效磷含量明显增加；随施磷年限的延长土壤速效磷含量逐渐增多。15年连续施用NPK、NPKM，红壤速效磷明显上升，增加幅度达几倍到几十倍；紫色土和黄棕壤性水稻土长期施用磷肥，土壤速效磷每年平均增加2.5mg/kg。

灰漠土长期施磷土壤速效磷明显增加，而未施磷土壤速效磷均降低。施PK肥的耕层土壤速效磷增加最明显，增加了68%，平均每年增加1.95mg/kg；配施有机肥，土壤速效磷增加65%，配合秸秆还田增加48%；不施磷土壤速效磷平均降低6%。

黑土24年长期不施肥，土壤速效磷下降了60%，长期仅施有机肥土壤速效磷下降23%，不施磷肥土壤速效磷下降也十分明显。而施磷肥土壤速效磷都有显著的增加，比不施肥的增加6～15倍。

长期施肥红壤速效磷变化更明显，不施磷肥（CK、N、NK）的土壤速效磷从开始时10.8mg/kg下降到2003年的4.9mg/kg、3.8mg/kg和4.1mg/kg，下降幅度超过50%，土壤达到极缺磷的严重程度。而施用有机肥和施磷的土壤速效磷明显上升，增加幅度达几倍到几十倍，1.5NPKM土壤速效磷含量达到155.2mg/kg。有机肥与磷肥的配合施用是提高供磷水平的重要措施。

3.长期施肥典型农田土壤磷形态的变化规律

土壤磷素包括无机态磷和有机态磷两大类，施肥深刻地影响着它们的相对含量与转化。无机磷（Pi）几乎全部为正磷酸盐，包括各种形态的磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝和闭蓄态磷等；有机态磷含量与土壤有机质含量呈正相关。

灰漠土无机磷占全磷的86%，无机磷中又以钙磷为主，其中CaP和CaP占无机磷总量的81.5%，CaP仅占2.3%，O-P、Al-P、10-8-2-Fe-P分别占6.1%、5.9%和4.2%。CaP是灰漠土速效磷的主要来源，2-其次是Al-P和Fe-P,CaP和CaP是灰漠土的磷库。10-8-

在轻壤质潮土上，不施N肥，残留土壤中的磷主要是以CaP和2-CaP的形态存在，比不施肥对照增加了6倍和2.5倍，说明磷肥施入8-土壤后在相当长的时间里主要是向CaP转化。施用有机肥能明显增8-加速效磷CaP的含量。2-

黑垆土施肥15年后，在不施肥的对照和施氮区，CaP、CaP、2-8-和CaP下降，O-P变化不明显；施磷均显著提高了CaP、CaP、10-2-8-Al-P和Fe-P的含量，尤以CaP增加幅度最大，O-P的变化很小；8-CaP在各施肥间差异较大。10-

黑土无机磷以CaP为主，其次为O-P、CaP、CaP含量最低，10-8-2-施用磷肥对有效性较高的CaP、CaP、Al-P影响较大，施用磷肥可2-8-使CaP增加4～15倍，CaP增加3.5-11倍，Al-P增加2.8～10倍，Fe-2-8-P增加1.7～2.9倍，O-P增加1.1～2.2倍，CaP增加1.2～1.6倍，施用10-磷肥使不同形态的无机磷均增加。

红壤连续施肥10年后，无机磷组成中Ca-P占17.1%，Al-P为14.9%，Fe-P为28.1%，O-P为40.5%；长期施用磷肥无机磷的组分向Ca-P、Al-P方面累积（Al-P显著上升，增加5.1～17.1倍，以NPKM升高最多，Fe-P增加1.3～2.9倍），有利于土壤有效磷的提高，特别是CaP、CaP增加显著。2-8-

紫色土中，无机磷的组成以磷酸钙盐和闭蓄态磷为主，分别占48.5%和35.5%，其他形态磷仅占16%；其中磷酸钙盐（CaP、Ca2-8-P、CaP）占无机磷总量的54.6%，磷酸铁铝盐（Al-P、Fe-P、O-P）10-占45.4%。在中性紫色土水旱轮作系统中，Ca-P体系和Al-P、Fe-P体系共同控制着磷素的转化。

在水稻土，不施磷的CK和NK,CaP、Al-P、Fe-P减少幅度较2-大；施用P和NPK,CaP增加幅度最大，其次是Al-P、CaP、Fe-P。10-2-化肥和有机肥配合施用，Al-P＞Ca2-P＞Fe-P＞Ca10-P施有机肥均能显著提高Ca2-P的含量，提高磷素的利用率。

4.长期施肥典型农田土壤磷的平衡与利用率变化

施用化学磷肥和有机肥均可提高作物磷吸收量。磷在土壤中累积明显，具有显著的后效，当季利用率一般较低，但累积利用率较高，且累积利用率逐年提高。磷肥的当季利用率一般为10%～30%，但连续施肥10年，黄棕壤中施NP肥磷的累积表观利用率为89%，NPK为93.6%，有机肥为53%，有机肥配施高量磷肥为32.4%～42.4%；塿土中磷累积利用率，NPK为60%，NP为53%，NK为22%。2

灰漠土长期不施肥作物每年带走5.25kg/hm磷素；单施磷肥磷素2有盈余，平均每年盈余的磷素为40kg/hm，盈余量占磷肥施入量的74%，磷肥的当季表观利用率很低（仅为5.5%）；NPK均衡施用平均2每年盈余磷量为34kg/hm，磷肥表观利用率为15%；化肥配合高量有2机肥磷素盈余量较大为64kg/hm，磷肥利用率为59.0%，低量有机肥的磷肥利用率为78.1%，高量有机肥只能增加土壤磷素积累，对提高磷肥利用率作用不大；化肥配合秸秆还田土壤每年盈余磷量为234.5kg/hm，磷肥利用率为29%。配施有机肥能显著提高磷肥利用率。

轻壤质潮土15年连续施用无机磷肥（NP、PK、NPK），小麦的吸磷量高出玉米10%左右，有机无机配合（NPKM、1.5NPKM和NPKS）小麦玉米吸磷量基本相等。施无机磷肥（NP、NPK）小麦的磷累积利用率明显大于玉米；施用有机肥（NPKM和1.5NPKM）的玉米磷利用率分别为36.1%和26.5%，明显高于小麦。

长期不同施肥红壤中作物吸收磷的数量产生很大的差别，不施肥的CK，13年玉米和小麦平均每年从土壤带走磷（PO）仅为10.8kg/252hm，说明红壤旱地土壤磷供给能力弱，为缺磷的土壤。在施用磷肥的NP、PK、NPK、NPKM、1.5NPKM和NPKS中，磷肥的平均利用率分别为20.9%、9.0%、29.3%、34.2%、27.6%和36.5%。施用有机肥和秸秆还田，对提高磷肥利用率有积极作用。

水稻土经过20年种植施肥后，不施肥的CK，由于长期得不到磷2素补充，土壤磷素严重亏损，平均年亏损磷达到38.2kg/hm，NK土2壤磷素亏损更严重，平均年亏损磷达到90.0kg/hm。施用磷肥（PK、NP和NPK）的土壤磷表现为盈余，平均年盈余磷量分别为62.3kg/222hm、54.6kg/hm和23.6kg/hm；有机肥和化肥配施土壤磷盈余，有机肥配施比例越高，土壤盈余磷量越低。20年40季平均化肥肥效每kgPO增产稻谷5.5kg，化肥与有机肥配合施用肥效每kgPO增产稻2525谷11.6kg。

五、农田土壤钾素的演变

1.长期施肥土壤全钾的变化

不施钾肥，由于作物吸钾量较大，土壤全钾含量略有下降；化肥和有机肥配合，可缓解土壤全钾的下降趋势，尤其是在北方地区；施用高量钾肥则可基本维持全钾平衡。

轻壤质潮土10年连续耕种，不施钾的CK、N、NP土壤全钾明显2下降；而施钾肥（KO82kg/hm），土壤全钾仍呈下降趋势。钾素表2观平衡结果，土壤钾除PK外皆亏缺，说明钾肥施用量偏低，不能维持土壤钾素平衡。

红壤不施钾肥的CK、N、NP、M，耕层土壤全钾从1990年起始值的16g/kg分别降到2003年的15.1g/kg、15.1g/kg、14.7g/kg和15.6g/kg，分别下降了5.9%、5.9%、8.3%和2.6%；在施用钾肥的PK、1.5NPKM、NPKS中，土壤全钾有所上升，分别上升12.2%、7.9%和3.6%。其余施肥（NK和NPK）土壤全钾基本持平，降低或增加都不大。

2.长期施肥土壤速效钾的变化

长期不施钾肥，土壤速效钾含量下降，尤其是在南方地区；施用一定量钾肥，土壤速效钾可维持原有水平；化肥与有机肥配合，土壤速效钾则明显增加。长期施肥不同土壤速效钾含量随时间的变化趋势不同。

灰漠土施钾肥土壤速效钾仍下降，施用NPK15年，土壤速效钾平均下降5%；不施钾肥土壤速效钾则平均下降约16%；只有配施有机肥和秸秆才能维持或提高土壤速效钾平衡或增加，秸秆还田配施化肥土壤速效钾增加了10%。

轻壤质潮土，长期不施钾肥（CK、N和NP）土壤速效钾含量到2005年较起始值下降了16.4～19.5mg/kg，下降幅度为24.7%～26.3%；施NPK土壤的速效钾前期变化较小，但后期（2003年）增加速率明显，2005年速效钾含量为105.1mg/kg。施钾肥及有机无机配施土壤速效钾到2005年增加55.9～156mg/kg，平均每年增加3.72～10.4mg/kg。

黑土钾素含量相对丰富，钾素对产量的贡献率低于氮肥和磷肥，长期不施肥和不施钾肥，土壤速效钾逐年下降，而施钾肥的钾素呈缓慢下降，黑土潜在缺钾。

红壤不施钾肥（CK、N和NP）的土壤缓效钾逐渐下降，由试验开始（1990年）的267mg/kg分别下降到2005年的196mg/kg、196mg/kg和215mg/kg，下降幅度分别为26.6%、26.6%和19.5%。施用有机肥或化肥钾，土壤缓效钾含量逐年上升，缓效钾增加最多的为施用M和1.5NPKM，年递增30mg/kg和46mg/kg。长期不施钾肥，土壤钾亏损；施用有机肥，增加土壤钾以及有机肥分解促使土壤矿物钾释放，使矿物钾向缓效钾和有效钾转化。土壤速效钾具有类似的变化趋势，不施有机肥或化学钾肥的CK、N、NP，土壤速效钾逐年减少，每年分别减少1.0g/kg、2.7g/kg和1.8g/kg；施用有机肥或配施化肥钾，土壤速效钾提高，每年递增10～14mg/kg，而单施化肥钾的NPK区每年仅递增2.7mg/kg，施用有机肥或有机肥配合化肥钾能维持和提高土壤钾的供应能力。

水稻土20年种植后，不施钾肥的土壤缓效钾逐渐下降，年下降分别为0.60mg/kg和1.8mg/kg；土壤速效钾也逐渐下降，年下降分别为0.15mg/kg和0.45mg/kg。施K肥使土壤速效钾均有所增加，PK、NK、NPK年增加分别为2.35mg/kg、1.95mg/kg和1.35mg/kg，单施钾素化肥土壤有效钾增加明显，化肥与有机肥配施土壤有效钾增加不明显。

3.长期施肥土壤钾的平衡与利用率的变化

长期不施钾肥，土壤钾出现亏缺，尤其是在土壤全钾含量低的南方地区；而施用钾肥及配合有机肥，会抑制土壤钾的亏缺甚至使土壤钾素出现盈余。钾在土壤中以离子状态存在，易随水流失，所以钾的损失在南方地区较严重。

轻壤质潮土连续施钾15年后，土壤钾素盈余，其中NPKS盈余最2多，平均每年积累在土壤中222kgK/hm；其次是1.5NPKM，每年平2均积累123kgK/hm。不施钾肥的土壤钾素全部亏缺，平均每年亏缺255.4～100kg/hm。

红壤由于土壤含钾量低、作物对钾的需求量大，一般处于缺钾状态。13年连续种植，不施肥（CK）的土壤年仅供给作物钾30.1kg/2hm（KO），在缺氮（PK）和缺磷（NK）的施肥中，钾肥的利用率2分别为16.9%和24.1%，而养分平衡施用的NPK、NPKM、1.5NPKM和NPKS中，钾肥平均利用率分别为86.7%、73.9%、75.8%和71.2%。

水稻土20年种植后，不施钾肥的CK及NP，由于长期得不到钾素2补充，土壤钾素严重亏损，平均年亏损K分别达到113.2kg/hm和2135.0kg/hm。养分不平衡的PK和NK，土壤钾素盈余，平均每年盈余22量分别为101.2kg/hm和9.0kg/hm，施用NPK由于生物产量较高，带2走的钾量更多，土壤钾素亏缺，平均每年亏缺量为25.5kg/hm。20年40季平均化肥肥效每kgKO增产稻谷6.9kg，化肥与有机肥配合施用2肥效每kgKO增产稻谷9.3kg，化肥与有机肥配合施用有利于提高钾2肥的增产效应和钾素养分利用效率。

长期施肥14年，土壤钾素贡献率均呈现出下降的趋势；对小麦，降低速率顺序为：红壤＞紫色土＞塿土＞轻壤质潮土，紫色土和红壤下降显著；对玉米或水稻，降低速率顺序为：红壤＞塿土、轻壤质潮土和紫色土，红壤土降低极显著。

六、农田土壤pH值的变化

施肥能改变土壤pH值，长期施用氮肥导致土壤明显酸化和pH值降低，单施氮肥时这种变化更明显，施用有机肥或有机无机肥配合施用，能维持良好的土壤pH值。

长期施氮肥24年，黑土施常量氮肥土壤pH值下降0.7个单位左右，施2倍量氮肥土壤pH值下降1.5个单位左右，酸化明显。

红壤连续耕作施肥13年，不施肥的土壤pH值只降低0.2个单位，施用化肥的N、NP、NK、NPK、NPKS的土壤pH值从开始的5.7降到4.5左右，降低了1.2个单位，土壤趋向于强酸性，特别施用N、NK，土壤的pH值降低到4.2，已到玉米和小麦等作物不能生长的程度。在红壤旱地上施用化学氮肥明显加速了土壤酸化。而施用NPKM、M，土壤的pH值则有所增加，因此，施用有机肥料可防止土壤酸化。

水稻土连续耕作施肥20年，所有施肥或不施肥的土壤均明显酸化，pH值均从开始的6.5下降到6，特别是后10年土壤酸化更严重，这可能与南方酸雨等环境变化有关。

第五节　高产土壤培肥

为了保证作物生长有良好的土壤条件，必须不断培肥土壤。已经有大量的试验研究表明，农作物在土培条件下吸收的养分多数来自土壤而不是肥料，产量越高，土壤供应养分的比例也就越高；要获得农作物的高产稳产，首先要培育肥沃的土壤，没有一个肥沃的土壤条件，光靠肥料难以实现高产稳产。因此，重视农田基本建设和建立高产稳产的农田，是获得作物高产的关键性措施。经验表明，虽然不同地区肥沃土壤的特征和标准有一定差异，但也具有许多共同点。肥沃的土壤一般有深厚的、质地适中的、耕性良好的和富含养分的耕作层，具有保水、保肥而又不妨碍作物根系发育的犁底层，通常还应具有水分状况良好的心土层。整个土体的构造既能为作物提供良好的环境条件，又能较全面、适时、适量并协调地提供作物生长所需的水分和养分。它既具有较强的自我调节（缓冲）能力，又易于通过人为措施加以控制。对于作物来说，肥料少些也能生长良好，肥料多时也不疯长，既“饿得”又“饱得”。当遇到旱涝等不良条件时，表现出既耐旱又抗涝，抗逆能力强。总之，在各种不利条件下，都能获得作物较高的收成。为了培育肥沃的土壤，必须创建构造良好的土体，特别是肥沃的耕作层，并根据作物的需要，对土壤肥力进行调节。

一、建设良好的土体构造

生产实践表明，良好的土体构造是肥沃土壤的基本前提。整个土体大致可分为耕作层、犁底层、心土层和底土层。

耕作层是整个土体中最为重要的层次。不但在作物生长前期根系几乎全部分布于这层之中，而且在生长后期，也有60%甚至80%以上的根系密集于这一层。耕作施肥等农业措施主要对这一层发生影响。因此在大多数情况下，这层土壤的量（厚度）和质（肥沃程度）是决定作物产量的基本条件。

紧接耕作层的厚约数厘米至十余厘米的是犁底层。这一土层不但分布有相当数量的根系，而且对于整个土体中水分、养分和空气的迁移起着承上启下的作用。适度发育的犁底层有利于保水保肥，特别对于灌溉土壤更是如此；但是，犁底层过紧可阻碍土壤中的物质迁移并影响根系的伸展。东北的调查材料表明，当将容重达1.4的犁底层破坏后，小麦可大幅度增产。

厚约20～40cm的心土层中仍分布有10%～30%的根系，对于作物后期的供肥起着相当重要的作用。心土层通过犁底层与耕作层相联系，它对于作物所需的水分和养分起着蓄、保、供的作用，因此也是一个重要的土层。

底土层与作物生长的直接关系虽然不如上述土层那样密切，但是它对整个土体的水、肥、气、热状况仍然有一定影响。

在人为措施、自然条件和作物的共同影响下，土壤的各种性质总是处在不断变化之中。但是各土层所受环境条件的影响程度不同，因此变化的情况也不相同。如果以呼吸强度作为土壤微生物活动强度的一个综合性指标，则上层土壤的活动性较强，一年中的变幅也较大，而下层土壤则较弱，变幅也较小。

我国土壤类型繁多，土体构造千差万别。在质地排列上，有上砂下黏、上黏下砂、中间黏两头砂等等；在水分状况方面，有自全层排水良好至全层渍水的各种水分类型；在养分方面，有的肥土层厚达数十厘米，有的耕作层以下即养分含量极低；在毒质方面，有的全层含有大量盐分，有的仅在某层集积；有的土壤甚至在某一土层具有影响根系伸展的铁盘、铁子、砂姜等。为了创建良好的土体构造，重要的是使土体具有适宜的质地层次和水文层次，其中适宜的质地层次是良好的土体构造的基础。例如，华北地区的“蒙金土”的良好的生产性能，就与其上砂下黏的质地层次排列有关。为此，各地可以结合农田基本建设，用砂掺泥、泥掺砂的办法，使各层土壤的质地分别按水田和旱地的不同情况满足作物的要求。除了质地以外，水分往往起着沟通整个土体中各层次之间肥力因素的相互关系的作用。因此，在旱作地区，除盐土需要较深的地下水位外，一般土壤最好在一定深度有潮湿层。在水田地区，不但种植旱作时需要地下水位维持在一定深度以下，而且对水稻来说，“良水型”土壤也是有利的。新中国成立以来，各地通过兴修水利，灌排结合，使大面积土壤的水文状况发生了根本的改变，在保证作物高产稳产方面发挥了极为重要的作用。

二、培育肥沃的耕作层

深厚的耕作层有利于根系的伸展，它能扩大根系吸收养分的吸收范围，并增强抗旱抗涝的能力，为作物生长提供重要的条件。耕作层的厚度一般要有16.7～20.0cm。

丰富的养分是作物高产的物质基础。肥沃的耕作层含有丰富的有机质和矿质养分，养分的供应容量和强度都较大，而且能协调供应，肥劲稳而长。

良好的耕性是肥沃土壤的另一个重要指标。砂粒、粉粒与黏粒比例适当、结构好的土壤疏松多孔，通透性好，便于耕作，保肥供肥性能良好，作物生长期间易于调节。

为了培育深厚、肥沃和耕性良好的耕作层，一般采取以下措施：（1）施肥是培肥土壤的中心环节。大量施用有机肥料是我国培肥土壤的优良传统。有机肥不但养分丰富、全面，而且对改善土壤耕性等也有良好的作用。（2）在进行土壤培肥时，必须考虑物质平衡、土壤有机质的保持与提高是物质平衡中的一个重要问题。对于同一地区的同类型土壤，有机质含量是一个有较大代表性的肥力指标。一般有机质含量高的土壤，氮的储量也高。在提高土壤有机质和氮含量的各种措施中，绿肥特别是豆科绿肥的种植具有重要意义。（3）在土壤的物质平衡中，除了有机质以外，还应考虑各种养分的收支状况。作物每年从土壤中带走大量养分，而且还有些物质从土壤中损失（挥发、渗漏等），因此应采取措施，使参与土壤中物质循环的物质数量不断增加，以达到肥力水平的不断提高.（4）精耕细作是培肥土壤的重要措施。耕翻一般可使土壤容重3降低0.1～0.2g/cm，孔隙率增加3%～8%，持水量增加2%～7%，其中以黏重土壤的改变较大。冻垡和晒垡能使大土块变小，土壤变疏松，还可促进养分的矿化。对质地黏重、耕性差、潜在养分高的土壤，冻晒的效果特别好。此外，耙耱、镇压等措施可保蓄土壤水分和调节土壤松紧度，为作物出苗创造良好的环境。（5）合理的轮作，用养结合。由于作物的生物学特性以及耕作管理措施的不同，各种作物对土壤营养条件和环境条件的影响是各不相同的。例如各类作物吸收养分和水分的深度、利用难溶性养分的能力和遗留的根茬量不同，因而对土壤肥力的影响各异；豆科作物对土壤氮素的积累有良好的作用；种植中耕作物能使土壤疏松，通透性得到改善；水田中绿肥连作虽可积累养分，但对土壤物理性质不利等等。在生产实践中，应利用作物与土壤肥力之间的相互关系，充分用地，积极养地，用养结合，因地制宜地采用各种轮作、套作、间作，合理搭配各种作物，以在提高复种指数、增加产量的同时，不断提高土壤肥力。

三、调节土壤肥力

具有良好的土体构造和肥沃耕作层的土壤是作物高产的基础。但由于作物的不同生长阶段对土壤环境的要求不同，还必须运用调节手段来协调作物需要与土壤供应之间的关系。所谓调节，包括促进与控制两个方面。

耕作可以改变土壤的垒结状况和孔隙性，从而影响土壤环境条件和营养条件。例如水田中采用的“肥土少耕粗耙、瘦土多耕细耙”，就是因为肥土易烂，而瘦土则难碎且养分含量少，须多耕细耙，以使土块破碎并提高早期养分供应水平。耕作还可直接影响根系生长和根系的吸收能力。据试验，小麦返青期中耕后，半个月内根系增重比对照减少44.1%，吸收产量减少63.5%，但由于根系经中耕受伤刺激后发生较多新根，一个月和一个半月后根量反而分别比对照多9.9%和20.2%，吸收P量也增加12.7%，有效地实现了返青期“蹲苗控苗”。又如棉花苗期的多次中耕有利于保蓄水分，提高土温，促进养分的释放，因此群众说“锄头底下有水，锄头底下有火”。

合理施肥可以直接促控作物的生长。一般可根据作物的需肥特点，通过改变有机肥和化肥的配合比例、施肥期、施肥量和施肥部位等来调节养分的供应强度和持续时间，以协调供求关系。如对生育期短的双季早稻，为了早发早熟，在施肥上采取“一轰头”，而对生育期较长的单季晚稻或棉花等，为了养分供应稳长，则要注意各个时期施肥的合理搭配。施肥还可起到动员、活化土壤中原有养分的作用。如紫云英翻入土壤后，由于易分解的组分含量较高，在其分解的同时，加强了土壤有机质的矿化。

当通过耕作等措施造成一定的孔隙状况以后，水分往往是控制其他肥力因素的主导因素。因此，通过灌溉和水浆管理，可以积极地干预土壤温度、通气和养分释放状况，以促控作物的生长。对水稻水浆管理的具体要求虽因熟制和品种而异，但总的要求是以水调节肥、气、热等肥力因素，使之最大限度地适应水稻各生育期的需要。在旱地也可以通过水分管理有效地调节土壤肥力。

我国农民在看天、看土、看庄稼，灵活调节土壤肥力方面积累了极为丰富的经验。例如稻田的“土烂苗旺要烤田”，“肥田重烤，瘦田轻烤或不烤”，以及根据作物叶色的“黄、黑”变化看苗诊断，并采取相应措施等。还注意在作物的关键时期加以调节。例如，小麦倒伏是造成减产的一个重要原因，因此在返青期通过肥水措施进行蹲苗，以控制第二节间的伸长；为了协调棉花的营养生长与生殖生长的关系，在苗期蹲苗和花铃期促进；而水稻则在分蘖末期加以肥水控制。

土壤肥力是不断发展和变化的。在各个地区或各种土壤上，都可以通过适当措施，使土壤肥力不断提高，培育出越来越多的高度肥沃的土壤，为农业发展提供良好的土壤条件。

第六节　农田土壤氮、磷损失及其对环境的影响

农田土壤氮磷养分的损失，即是土壤肥力和农业生产力的损失，更是造成环境污染的重要原因。土壤中损失的氮素和磷素最终都会进入水体。但这里要特别说明的是，我们不能把迁移出田间的氮磷的量就看做是水体面源污染的负荷量，这是一个常见的错误。迁移出田间的氮磷还要经过一系列的迁移转化才能最后进入水体，成为水体污染物的负荷量。本节讨论的主要是农田土壤中氮磷的损失，而不是河流、池塘、湖泊、近海等水体的非点源污染负荷问题。

一、农田氮素损失及其对环境的影响

1.氮素的气态损失

农田氮素气态损失主要是通过氨挥发和硝化-反硝化损失的损失（朱兆良，2000）。氮素气态损失可能造成大气降雨中氮素成分变化，也可能改变大气成分，如增加温室气体（NO）含量，从而对全球气2候变化产生影响（1PCC，2007）。（1）稻田氨挥发。东北下辽河平原和太湖地区的稻田在稻季的3次施肥期（基肥、分蘖肥和孕穗肥）都有明显的氨挥发损失，氨挥发损失随施氮量的增加而增加。太湖地区稻季氨挥发损失量为15～240kgN/hm，占施肥量的2%～18%，平均为10%。下辽河平原氨挥发2损失量为11.5～28kgN/hm，占施肥量的1.5%～12.6%，平均为7.7%。（2）农田土壤氮素硝化、反硝化损失。农田土壤的硝化作用是微生物将铵氧化为硝酸，一般在好氧条件下发生，而反硝化作用则基本上是在通气不良条件下硝化过程的逆向反应，是将硝酸转化为氮气的过程，这两个过程均有气态氮损失，其中NO具有环境敏感效应。22不施肥情况下，NO排放量较低，为1.29～2.39kgN/hm；施肥后排22放量显著地增加，为4.34～7.15kgN/hm，NO排放的气态损失占施2氮量的1.3%～4.0%。不施肥情况下反硝化损失量也较低，为4.11～24.35kgN/hm；施肥后反硝化损失量极显著地增加，为10.02～214.27kgN/hm，反硝化损失量占施氮量的2.4%～6.6%。

2.农田土壤硝酸盐淋溶与累积-

农田土壤中氮素淋溶和NO-N积累，既影响了作物氮素吸收，也3-可能导致地下水NO-N污染，并影响土壤向大气排放NO的数量。我32国南北方主要旱地农田土壤剖面硝态氮累积十分普遍，但南方和北方农田生态系统硝态氮累积的特点并不相同。黑土（黑龙江海伦）硝态氮主要累积在40—60cm土层和180—200cm土层，夏季两个土层中硝态氮含量分别达到2.4和5.9mgN/kg，前者是当季施肥的结果，后者是长期积累的结果。太行山前平原褐土（河北栾城）硝态氮累积主要表现在180cm土层，土壤硝态氮含量高达l0mg/kg，随着施肥量的增加，硝态氮累积深度下移。黄土高原塬地（陕西长武）在麦季土壤硝态氮累积主要表现在0—100cm均匀累积，随着夏季降雨，雨季土壤硝态氮累积到100—140cm。总体上，北方旱季土壤硝态氮有明显累积，而夏季随降雨入渗，硝态氮累积层次下移，达到100cm以下。长武和栾城的研究还发现，土壤硝态氮累积深度可以达到400cm，但地下水硝态氮监测结果并未发现大量的硝态氮超标现象。这是由于北方旱地土层深厚，地下水水位较深，硝态氮可以长期在土壤剖面深层累积，降雨和灌溉水量不足以将其淋失到深层地下水中。

南方紫色土和红壤坡地（四川盐亭和江西余江）硝态氮在小麦季主要累积在0—60cm土层，但雨季土壤剖面硝态氮含量明显下降，硝态氮向下迁移。对地下水硝态氮含量的监测结果表明，紫色土和红壤坡地区域浅层地下水硝态氮含量偏高，40%～50%的测点硝态氮含量超标（汪涛等，2006）。这是因为南方降雨丰富，雨季土壤硝态氮淋溶进入浅层地下水层中，导致地下水硝态氮污染；同时夏季降雨引起的蓄满产流特征十分明显，土壤壤中流发育，土壤剖面中累积的硝态氮通过壤中流携带进入地下水，造成大面积浅层地下水硝酸盐污染。

3.土壤氮素随径流向水体的迁移（1）侵蚀径流引起的悬浮颗粒态氮损失

土壤侵蚀造成土壤氮素随土壤颗粒的搬运而损失，是一个普遍的现象；而土壤侵蚀强度主要取决于坡面径流强度和土壤性质。与侵蚀有关的土壤属性主要指土壤的质地，质地粗、团聚体结构好的土壤渗透性能也好，可减少径流量。土壤板结和有机质含量低会降低土壤的渗透作用，从而会增加径流量。地面起伏的山区丘陵较地势平坦的平原容易发生径流而且量大，坡度大的部位径流引起的破坏作用较坡度小的部位强等。降低流速的措施有合理灌溉、种植绿肥、人工覆盖、平整土地、合理耕作等。土壤颗粒可由农田中大量的人工小沟和排水系统带入地面水中。虽然改良耕作方式（如免耕和表面覆盖）可在一定程度上降低土壤侵蚀，使悬浮态氮素损失减少，但溶解态损失却增加了。（2）径流中可溶性氮的损失

水体中溶解态氮要比悬浮颗粒物态氮对水质量的影响大得多。水体中溶解态氮素的形态包括硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐和一些可溶性有机氮。硝酸盐是移动性最强的土壤氮素形态，也是地表水和地下水中的主要氮素污染物。虽然水稻土对铵态氮有较强的吸附能力，但是在稻田耕翻、灌溉淹水和施肥初期仍然可观测到田面水中有较高的铵态氮，有时达25～100mg/L（Takamura et al，1976；Cao et al，1984）。稻田灌溉淹水和施肥初期土壤表层铵态氮含量较高，可能会引发过量降水或移栽前排水造成的铵态氮随径流流失。

在太湖地区宜兴市侧渗水稻土上的田间小区试验中，田面水中氮的形态以铵态氮为主，硝态氮浓度较低（图2-1）。施基肥和追肥后第1天，田面水中氮浓度很快上升，铵态氮的浓度可达30mg/L左右，但硝态氮浓度的最高值约出现在施肥后第3天；与铵态氮相比，硝态氮浓度始终较低，反映了本区域稻田土壤-田面水系统硝化作用较弱的特点，也表明存在铵态氮随径流流失的风险。图2-1　太湖地区侧渗水稻土（宜兴）田面水中不同形态氮浓度的变化（3）土壤氮素径流流失量的估计

田间灌溉方式与氮素的损失密切相关，常规淹水灌溉条件下，稻2田氮素损失较大，平均氮素损失为17.24kg/hm，而间歇灌溉和湿润2灌溉条件下，稻田氮素损失明显降低，分别为8.48kg/hm和7.41kg/2hm，且比淹水灌溉的水稻产量分别增长了4.1%和7.2%；由于水稻幼苗期降水不集中，田面产流少，施肥后较长时间才产生降水径流，因此径流水样中氮素浓度较低。采用常规施肥、基肥在泡田后无水层混施整田和不施基肥三种施肥方式，氮素的径流和渗漏损失有逐步降低2的趋势，但损失量相差不大，平均氮素损失分别为12.76kg/hm、2211.19kg/hm和9.19kg/hm。如果施肥后遇到较大的产流降水，不合理的施肥方式有可能导致氮素径流损失。

旱坡地农田土壤氮素的径流损失，随坡度、土壤、植被和施肥管理等因素的影响很大，很难给出一个确切的范围。

二、农田磷素损失及其对环境的影响

农田土壤磷素向地表水体迁移的途径有横向的地表径流和纵向的淋洗，还可能由剖面中侧渗水的曲线运动或地下水的运移汇集到达地表水体。一般认为渗漏液和侧向渗漏流所携带的磷素量不大，因为其迁移速度很慢，运移的距离很短（曹志洪等，1987；Lagreid et al，1999），因此土-水之间磷素交换的主渠道应是横向的地表径流。另外，水体底泥（淤泥）中的磷素可自下而上向上覆水体扩散迁移，这是磷素在土-水间迁移的另一种形式，但属于“水下的土壤”自下而上的扩散运动。

1.农田土壤磷素经由地表径流向水体迁移

我国磷肥的施用已有50余年的历史，特别是20世纪60年代“以磷增氮”技术的大力推广，使磷肥施用量、施用面积大幅度上升。到80年代，磷素平衡已出现了较大的盈余。1991年盈余31%，1994年达85%，有部分耕地（如经济发达的东部地区）和经济作物（如蔬菜和烤烟）的土壤磷素累积更是突出。有的土壤全磷达1.7g/kg，速效磷高达80～100mg/kg（鲁如坤，1998；黄锦法等，2003）。从土壤肥力质量的角度看，磷素累积高的土壤，即使若干年内少施或不施磷肥也不会影响生产；但对生态环境而言，有效磷含量高的土壤对附近水域富营养化的威胁会更大。对于旱地、牧场等土壤磷素向水体迁移的研究表明，农田、牧场、放牧地的径流和排水携带的磷已经是周边水体中磷污染的主要贡献者。研究结果表明，每年注入太湖水体的来自农业农村的磷总量为14118.3t，其中畜禽养殖废弃物、人类生活废弃物、水产养殖、水底淤泥扩散、农田径流和排水分别占总输入量的55.1%、29.8%、2.9%、6.2%和6.0%（图2-2）。图2-2　苏南太湖流域水体农村磷素污染的组分的相对贡献率

2.农田径流携带磷素的形态及其生物有效性

随径流流失的磷素即总磷（TP）包括水溶性总磷（DTP）和颗粒磷（PP）两大部分。水溶性总磷是指溶解于径流水中的磷，又可细分为水溶性无机磷（DIP）和水溶性有机磷（DOP）两部分，水溶性磷当然都是生物有效态的。已有研究表明，水溶性有机磷与水溶性无机磷具有相似的营养效应，水生植物、浮游生物、细菌对水溶性有机磷的利用有直接吸收和通过碱性磷酸酶降解后间接吸收两种途径。颗粒磷是指径流中不能通过0.45μm滤膜的泥沙吸附的或沉淀的无机磷以及不能通过滤膜的有机磷。

对太湖地区水稻土径流中各种磷素形态的测定结果表明，颗粒磷占总磷的80%～95%，水溶性磷仅占总磷的5%～20%。其中水溶性有机磷和水溶性无机磷在稻季径流中各占一半左右。溶解无机磷应随磷肥用量的增加而略有增加，因为当一次使用大量速效磷肥时2（TP300g/hm）土壤中水溶性无机磷会大幅度提高。不同季节、不同土壤上溶解有机磷的比例也会有所差异。一般施磷肥量下，径流携带的农田磷中水溶性有机磷也占很大的比例。

三、农业面源污染控制

面源污染源，又称非点源污染，是指溶解的或固体的污染物从非特定地点，随着降水和径流冲刷过程，而汇入受纳水体（如河流、水库、湖泊、海湾等）所引起的水污染。水污染物的种类繁多，最普遍的是耗氧污染物（可生化降解的有机物）和植物营养类物质（主要指氮素和磷素），当这两类物质进入水体的量超过水体的自净能力时，分别会导致水体中低溶氧和富营养化的发生。低溶氧条件将严重影响水生生物的生存和繁殖，最终出现腐臭现象；而富营养化过程也会诱使水生态系统发生一系列的变化，如水生植物包括各种藻类的大量繁殖，水生动物却因缺氧死亡；一些藻类还会产生有毒物质，严重影响水质。当排入水体的污染物是其他有害物质时，更会直接引起水质的恶化。但实际上在自然条件下，各种物质随水迁移和转化的过程，本来就是十分重要的生物地球化学循环过程；农业面源污染的实质，就是在高强度和集约化的农业生产活动的干涉下，正发生在水系中的生物地球化学循环的环境效应恶化。

因此，控制农田氮磷流失，是水体富营养化防治的重要方面。

1.控制肥料过量投入

过量使用氮肥不仅对作物的增产不利，还增加了成本又引起养分供应的不协调，K、Mg、Si和其他中微量元素的缺乏，降低了土壤肥力质量。过量氮肥还导致氮素反硝化和NH3挥发增加，不仅使氮肥流失，增加对水环境污染的影响，而且释放大量NOx等温室气体污染了大气，是酸雨的成因之一。

2.合理利用畜禽废弃物

畜禽废弃物是最主要的磷素来源。畜禽废弃物曾经是宝贵的肥料之一。但随着我国肥料工业的发展，商品无机肥料既便宜又省事，既速效又卫生，新一代农民不愿意去干传统的厩肥积制那种农活了。因此，大量畜禽废弃物便被直接排入河道等水体中，有的还作为养鱼的饵料被大量投放，使得局部水体的严重污染就不可避免。随着畜禽养殖的规模化、集约化，畜禽废弃物的处理必须从法律的角度去规范和制约，与对工业废弃物的处理要求一致起来。

3.生态处理农村生活污水

大中城市生活污水的处理至今仍是大问题，面广量大的城镇乡村的污水处理问题更大，除少数示范点外，基本都未经处理，部分用于蔬菜地，大部分直接进入水体。城市污水处理的技术和工艺早已成熟，问题是处理的费用一直无法解决。不少人目前还只注重将污水处理成符合排放标准的废水，这仅仅是一半工作，对另一半工作即处理污水后产生的污泥处置问题并没有引起重视。常常是简单填埋或在农村随意堆放，有的还放在河道湖岸边上，被雨水淋洗后很快就进入水体。大量的污泥若不开发利用，势必成为二次污染源。

4.稻田是环境友好可持续利用的生态系统

稻田是一种典型的人工湿地生态系统，是世界上第二大的湿地类型。曹志洪（2010）认为水田系统有五大生态优势：第一，稻作农业有利于水土保持；第二，涵养水源，减少地面沉降；第三，调节气候，减少城市的“热岛效应”；第四，有机质的储存库和天然的“生物氮肥厂”。稻田生态系统淹水时间长，使土壤中O2不足，主要呈还原状态。土壤有机质的积累大于分解，其生产力要比本区旱地高3～4倍。第五，稻田生态系统受到水旱轮作、人工灌排等人为活动的强烈影响，兼具湿地和旱地生态系统特点的是该地区环境友好、生态安全的最佳系统。

5.环湖（沿河）水陆交叉区生物缓冲带的建设

农田和陆地系统的氮、磷、农药等有机污染物及大多数无机污染物都是由径流携带进入水体的，而70%以上的这些污染物是被径流携带的颗粒所包裹、吸附、固持的，因此一切减少径流量或能阻截径流中的颗粒物进入水体的措施都将有利于减少对水体的污染，有利于水环境的保护和水质量的提高。国内外应用生物隔离带治理水土流失的经验被成功移植到环河、环湖、环海岸水陆交叉区建立生物缓冲带以减少径流量，阻截径流中携带的污染物。北欧的挪威和瑞典、芬兰、立陶宛、波兰、德国等波罗的海沿岸国家，沿海岸种植5cm宽的草带作为生物缓冲带，有效减少了磷素进入波罗的海。但主要是减低了约45%～80%的土壤颗粒所携带的磷，对溶解磷的阻滞作用不大；而海滩、湖滩、河滨湿地的水生植物则可有效地阻滞溶解磷进一步向水体移动。15cm狭长的湿地可使水体中的总磷下降25%～60%。

第三章　农业水资源与农田灌溉基础

第一节　农业水资源

水资源是人类赖以生存和发展的基础物质之一，是不可替代和不可缺少的自然资源。关于水资源的含义，国内外文献中有多种提法，至今没有形成公认的定义。《中国大百科全书（气海水卷）》中将水资源定义为“地球表层可供人类利用的水，包括水量（水质）、水域和水能资源，一般指每年可更新的水量资源。”从开发和调度水资源的实用角度出发，世界各国普遍将水循环期短、更新快、可以恢复的地表径流和地下水视为水资源。“中华人民共和国水法”第二条规定：“本法所称水资源，是指地表水和地下水”。可见，水资源可以分为广义的和狭义的两种概念（李广贺等，1998），广义的水资源是指人类能够直接或间接利用的各种水，包括生活和生产中具有使用价值和经济价值的所有形态的水；狭义的水资源是指在当时的经济、技术和社会条件下能够直接利用的淡水资源。从农业生产和生态环境角度来看，地表水、地下水和土壤水是水资源不同的存在形态，大气降水是它们的总的补给来源，四水相互转化，构成了水资源的循环系统（见图3-1）。

一、农业水资源的构成

对水资源的认识同对所有事物的认识一样，都有一个逐渐深化的过程。从水资源的用途分类，通常把水资源分为农业用水、工业用水、城市生活用水和区域生态需水；从水资源的赋存形式分类，又可以把淡水资源分为地表水资源、地下水资源和土壤水资源等。早期人们仅把多年平均地表径流量作为流域或区域的水资源量；20世纪70年代以来，我国北方开发利用地下水在工农业生产中所占比重日益加大，开始促使人们把地表径流量和参与水循环的地下水量一起看作区域水资源。20世纪70年代后期，苏联地理学家李沃维奇在《世界水资源及其未来》一书中首次使用了“土壤水资源”一词，指出了土壤水资源是淡水资源的组成部分。1983—1985年，苏联水文学家布达哥夫斯基连续就土壤水资源的概念、评价原则和提高土壤水资源利用效率的途径和措施作了较为全面和科学的论述。他认为，一个区域的降水量在理论上可作为天然水资源，在通常情况下它等于可恢复的地表水资源、土壤水资源与地下水资源之和。在我国，土壤水是农业水资源的观点已日益得到重视，并广泛开展了土壤水分运动规律、能量转换等方面的试验研究，已取得了不少成果。图3-1　自然界水的分布和水循环概念模型

土壤水既具有水资源的基本特征，又与重力水资源有区别，具有不可调度性、不可开采性，只能就地为植物利用和直接耗于蒸发返回大气。土壤水基本是自然利用，不需要耗费昂贵的工程投资。据专家们指出，在我国北方地区，土壤水资源占降水资源的60%～70%。试验表明，在小麦生育期内，土壤水利用量可占全部耗水量的1/3，但是多数地区未能得到充分利用。所以，土壤水将是今后农业水资源开发利用的主要对象。

此外，利用城市废污水灌溉可有效利用污水中的植物所需养分，故经过必要的净化后的污水，也正日益被作为一种重要的农业水资源。大气降水被陆地植物截留的部分也应视作农业水资源，但因其量很小，往往被忽略不计。

二、水资源评价

水资源评价的主要任务是对水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用条件进行分析评价，为水资源合理开发利用、管理和保护提供依据。水资源评价的重点对象是可以更新、恢复和补充的淡水资源，主要包括地表水资源和地下水资源。水资源的开发利用价值，不仅取决于水量，亦取决于水质。因此，在评价水资源数量的同时，还应根据用水要求，对水质进行评价。（一）水资源量计算

1.降水量计算

大气降水是陆地上各种形态水资源总的补给来源，它是一个流域或封闭地区当地水资源量的极限值，降水量的多少基本反映出水资源的丰枯状况。降水量的计算主要依靠气象站、雨量站和水文站的实测降水量资料进行统计分析。

一个站点的降水量比较简单，可以根据实测记录统计月、年或多年平均降水量，亦可直接利用站点的统计数据。若计算区范围较大，区内有多个站点，且分布比较均匀，可采用算术平均法计算月、年和多年平均降水量，即：

式中：￣X为计算区平均降水量；X为第i个站点的降水量；n为i站点个数；f为第i个站点的控制面积。i

若计算区内无雨量站点或计算区范围较大而雨量站点稀少，可利用区域等雨量线图，以相邻两条等雨量线间的面积为权重，推求计算区的平均降水量。

2.地表水资源量计算

地表水资源通常用河川多年平均径流量表示，它包括当地地表产水量和上游径流流入量。一般可通过水文测站观测资料分析计算地表水资源量。

河川径流量的计算，多采用代表站法和径流深等值线法。代表站法在计算区内选择有代表性的水文测站，根据实测资料对径流量进行频率分析，计算不同频率的径流量和多年平均径流量，再按面积加权法计算研究区域的平均径流量，即：

若计算区内的自然条件差异性较大，而代表站数量较少，应在以面积为权重进行计算的基础上，综合考虑降水量和下垫面对产水量的影响，对计算结果进行修正。当计算区没有水文测站时，可利用包括计算区在内的区域径流深等值线图进行计算。

3.地下水资源量计算

地下水资源的计算一般包括补给量和排泄量的计算，有时也需计算地下水的可开采量和可供水量。根据地形地貌特征可分为山丘区水资源的计算和平原区水资源的计算。平原区地下水的总补给量包括：降雨入渗补给量、河道渗漏补给量，山前侧向流入补给量、渠系渗漏补给量、水库（湖泊、闸坝）蓄水渗漏补给量、渠灌田间入渗补给量、越流补给量、人工回灌补给量等。平原区地下水的总排泄量包括潜水蒸发量、人工开采净消耗量、河道排泄量、侧向流出量和越流排泄量等。（1）补给量的计算补给量是指在天然状态或人工开采条件下，单位时间内由大气降水及地表水体渗入、山前侧向径流及人工补给等流入含水层的水量。

①降雨入渗补给量降雨入渗补给量是指降水（包括地表坡面漫流和填洼水）渗入到土壤，并在重力作用下渗透补给含水层的水量。降雨入渗补给量计算公式为：3

式中：Up为降雨入渗补给量（亿m）；F为接受降雨入渗补给的2面积（km）；P为多年平均年降雨量（mm）；为多年平均年降雨入渗补给系数。

②河道渗漏补给量河道渗漏补给量是指当江河水位高于两岸地下水位时，河水渗入补给地下水的水量。它可以通过水文分析法直接确定，也可以用地下水动力学法来计算。

③山前侧向流入补给量山前侧向流入补给量，系指山丘区山前地下径流补给平原区浅层地下水的水量，可以采用地下水稳定流计算法分段进行计算。

④渠系渗漏补给量渠系渗漏补给量，是指灌溉渠道水位高于地下水位时，渠道水补给地下水的水量，渠系渗漏补给量一般只计算到干、支、斗三级渠道。常见的计算方法有地下水稳定流计算法、经验公式法和渠系入渗补给系数法。渠系入渗补给系数法计算公式为：3

式中：U渠渗为渠系渗漏补给量（亿m）；m为渠系入渗补给系3数；W渠首为渠首引水量（亿m）；γ为渠系渗漏补给地下水系数；η渠系为渠系有效利用系数。

⑤水库（湖泊、闸坝）蓄水渗漏补给量水库（湖泊、闸坝）蓄水渗漏补给量系指当水库、湖泊、闸坝蓄水的水位高于岸边地下水位时，水库等水体对地下水的渗漏补给量。计算方法有剖面法和出入库（湖泊、闸坝）水量平衡法。

⑥渠灌田间入渗补给量渠灌田间入渗补给量主要指灌溉水进入田间（包括农排、农渠、毛渠）后，经过包气带渗漏补给地下水的水量。计算公式为：3

式中：U渠灌为渠灌田间入渗补给量（亿m）；β渠为渠灌田间入3渗系数；W渠田为渠灌进入田间的水量（亿m），可由渠首引水量乘以渠系有效利用系数而得。

⑦越流补给量当相邻两含水层之间有足够的水头差时，水头高的含水层通过弱透水层补给水头低的含水层，这种现象称为越流补给。一般情况下，越流补给强度较小，但由于越流补给面积大，因此越流补给总量可能很大。单位时间内通过单位面积的越流补给量q可依据达西定律求得：-1

式中：K为弱透水层的渗透系数（m·d）；ΔH为相邻两含水层的水头差（m）；L为弱透水层的厚度（m）。

人工回灌补给量一般相对较小，且资料不易齐全，故可忽略不计。

一个地区的地下水补给量常常是由多种补给来源组成。根据不同年份、不同时期计算的各项补给量，按对应时段进行统计计算，则可得出各时段的地下水总补给量，由此可以统计出逐年、多年平均的地下水总补给量。该总补给量即为该区域的可用地下水资源量。（2）排泄量的计算按排泄形式可将排泄量分为潜水蒸发、人工开采净消耗、河道排泄、侧向流出和越流排泄量等项。

①潜水蒸发量在土壤毛细管作用的影响下，浅层地下水沿着毛细管不断上升，形成了潜水蒸发量。潜水蒸发量的大小，主要取决于气候条件、潜水埋深、包气带岩性以及有无作物生长等。常用的计算方法有地中渗透仪实测法、经验公式法、潜水蒸发系数法等。

②人工开采净消耗量人工开采净消耗量包括农业灌溉用水开采净消耗量和工业、城市生活用水开采净消耗量。根据农业灌溉用水量和工业、生活用水量及井灌回归系数、工业用水回归系数可算出人工开采净消耗量。（3）可开采量的计算可开采量是指在经济合理、技术可行的条件下，不致造成水质恶化和水位持续下降等不良后果时可开采的浅层地下水量。地下水可开采量计算方法较多，但一般不宜采用单一方法，而应同时采用多种方法将其计算成果进行综合比较，从而合理地确定可开采量。常用的方法有实际开采量调查法、开采系数法、多年调节计算法、平均布井法及传统水文地质学方法等。

为了检验地下水补给量计算结果的准确性，可对计算区排泄量（潜水蒸发、开采量、地下径流流出和地下水溢出）进行计算，对补排进行平衡分析。（二）水资源评价

水资源评价主要是对水资源的水质和可利用量进行评价。

1.水质评价

自然界所有水体中都含有来自自然界和人类活动中产生的各种物质，水中所含的物质种类和数量决定了水的性质。不同用途的用水对水质有不同的要求。水质评价可按用途或水体类型等进行分类。按用途分为生活饮用水、工业用水和农田灌溉用水等；按水体类型可分为地表水、地下水和矿泉水等。应根据国家颁布的水质标准对水质进行评价。国家颁布了两个有关农业用水的水质评价标准，即国家“生活饮用水卫生标准（GB 5749-85）”和“农田灌溉水质标准（GB 5084-92）”，见表3-1和表3-2。

2.水资源可利用量评价（1）地表水资源可利用量评价由于自然和技术经济条件的制约，不可能把地表水全部加以控制和利用，流出研究区和水面蒸发等损失是难以避免的。从地表水资源量中扣除可能的损失量后，才是可以利用的地表水资源量。地表水资源量在时间上的分配与用水要求，特别是农田灌溉用水要求，往往存在矛盾，因此，能否最大限度地拦截调蓄地表水资源是提高地表水可利用量的关键。

对没有调蓄条件的地表水资源，评价其可利用量可采用典型年法，即以丰水年（频率P=25%）、平水年（P=50%）、干旱年（P=75%）的地表水资源量及其在时间上分配与要求的用水量进行对比，确定可利用的地表水资源量。若研究区具备充分调蓄地表水资源的条件，则可利用调蓄设施把水资源在年内和年际进行再分配，枯水季节和枯水年多用，丰水季节和丰水年多蓄少用，以满足用水需求。因此，对具有充分调蓄条件的地区，可以用平水年（P=50%）的地表水资源量评价可利用的地表水资源量，一般按水库可供水量进行评价。（2）地下水资源评价地下水资源评价的主要任务是依据地下水资源计算结果，按当地的水文地质和技术经济条件，确定地下水可开采资源量。受自然和技术经济条件的制约，一般情况下，地下水资源不可能全部被开发利用，例如潜水蒸发、地下水径流流出、地下水溢出等自然消耗往往难以避免。因此，必须根据当地的具体条件，对地下水资源进行评价。

可开采水资源量是指通过经济合理的提水工程，在整个开采期内，水量不减少、水质不恶化、不危害生态环境、水位相对稳定在设计允许范围之内而不持续下降的前提下，单位时间可从含水层中开采出的最大水量。

农业开采地下水的特点是开采区面积大，井点分散，开采期无限长。因此，必须依地下水的补给量来保证农业取水，以地下水的资源量作为可开采量的上限，实行均衡开采。

以水量均衡原理，地下水可开采量表示为：

式中：U为地下水可开采量；U为地下水补给总量；U为地下kbr2水径流流出量；E为潜水蒸发量，对于承压含水层E=0；U为地下水kky溢出量。（三）水资源供需平衡分析

水资源供需平衡分析就是对一个地区现状和未来水平年不同保证率的供水量和需水量平衡关系的分析，目的在于揭示现状水平和预测未来水平年不同保证率的供需盈亏状况和发展趋势，分析现存和可能出现的主要问题，提出解决供需矛盾的途径和措施，使有限的水资源更好地为国民经济建设和人民生活服务。

1.可利用水量

可利用水量系指在一定的技术经济条件下，通过各种水利设施可以获取的地表水量和地下水量，即地表水可利用的资源量与地下水可开采资源量之和。若计算区内有污水或工业废水经过处理回用，也应计入可利用水量中。

2.需水量

需水量指城乡人民生活和工农业生产所必需的用水。可把用水概括为三类：一是城镇生活用水；二是工业用水；三是农业用水。其中农业用水最多，占总用水量的85%以上。农业用水包括农田灌溉用水、农村人畜用水和农副产品加工用水等。

城镇生活用水和工业用水现状调查相对较容易，用水户多安装有水量计量设备，可通过典型调查，统计和确定人均用水量和工业万元产值用水量指标，以此推算城镇生活用水量和工业用水量。农村用水的取水设施分散，点多面广，精确统计十分困难。农村人畜用水量通常采用典型调查的方法，确定日人均、日畜均用水量，进而推算人畜总用水量。灌溉用水量往往占农村用水总量的90%以上，是农村用水量调查的重点。一般按不同灌区不同水源统计灌溉用水量，最常用的方法是用亩均灌溉定额推算灌溉用水总量。统计灌溉用水量的方法较多，应根据计算区的具体条件选定。

现状用水量是预测未来某时期需水量的基础和依据。预测未来某时期需水量的方法有相关分析、趋势线法、比例增长法、灰色系统分析和模糊数学法等。

3.水量余缺分析

对水资源的可利用量和需水量进行平衡分析，若供大于需，则为“正均衡”，反映水资源比较丰富，或该区经济尚不发达，对水的需求量尚小，水资源还有一定潜力；若供需基本平衡，表明该区水资源开发适度，可持续开发利用；若供小于需，即“负均衡”，则反映该区水资源已开发过量，可能导致生态环境恶化。

水资源供需平衡通常采用分区、分阶段（现状和中、长期）分析。根据自然、社会和经济条件，结合行政区划，把研究区分成若干分区，按不同水文年型（频率P=25%、50%、75%），对现状和中、长期的水资源供需平衡进行分析和预测。

三、我国水资源概况和缺水问题简析

1.水资源概况3

地球上总水量为13.6亿km，但是淡水仅占2.59%，而人类可利用资源不到0.1%（图3-2）。据估算，全球人类取水用水总量大约为333800km/a，河流储水量为2000km，农地和牧场蒸腾蒸发量7600和3314400km/a，而全球年陆地水循环总量为45500km。尽管人类取水用水量只占全球水资源总量不到10%（T.Oki和S.Kanae，2006），但全世界都在感受水危机，其根本原因是有效水资源在时间和空间分布上的不均匀性和强烈的变异性，特别是水资源与土地资源分布的不匹配。同时，水资源时间分布不均匀性也十分突出。因此，对农业以及所有的人类活动来说，水资源总量是基础，而水资源时空分布的不均匀性则是水资源有效性的根本限制因素。图3-2　全球水分布（引自关伯仁，环境科学基础教程）33

我国多年平均降水量为6.19万亿m，形成河川径流2.71万亿m，33地下水资源0.83万亿m，两者重复量为0.73万亿m。我国水资源具有几个显著的特点：（1）总量大而人均少。我国的水资源总量虽在世界各国中排名第六，人均占有量却只相当于世界人均占有量的22%，地均占有量是世界地均占有量的76%，总体上属水资源不丰富的国家；（2）空间分布不均。我国长江及以南的地区，面积约为全国的36%（耕地37%），水资源总量占全国的83%；（3）时间变异大。水资源在时间分配上受季风气候的影响，多水年与少水年的水量相差2～8倍；年内汛期4个月的水量约占全年水量60%～80%；在赣东北地区，尽管年降水量高达1675mm/a，但7、8月蒸发量高于降雨量1倍以上，雨养农田极易遭受旱灾而歉收；实际上江南低丘红壤地区湿热不同步、季节性缺水问题相当严重。（4）北方（尤其是西北）资源型缺水，南方水环境问题突出。

目前，缺水是我国普遍存在的问题，不仅在干旱的西北，而且出现在湿润的东南发达地区，解决这一问题的关键在于如何根据水资源的特点，促进资源、环境、人口、经济的协调发展，以及人为有效地调控水资源在时空分布上的不均匀性，以保证经济的持续发展。从现状来看，我国的缺水问题是比较严重的，但只要采取适当而有力的对策，缺水问题定会逐步缓解，以使水资源达到供需的基本平衡，实现我国城乡的持续发展。

2.缺水原因及类型

我国缺水原因主要为：一是水资源的调控能力差。由于我国水资源与其他资源，如土地、矿产等资源，在空间分布上不一致，用水与天然来水在时间上不协调，因此，人为的调节与控制以改变这种不利条件显得十分重要。目前我国水资源的利用程度仅为17.8%（发达国家可达25%～30%），说明大部分水资源，白白地流入海洋或蒸发掉，因此，我国水资源开发的潜力还很大，但调控不足。二是管理水平低，浪费严重。农业用水浪费最为严重，全国平均的毛灌溉定额为3-29975m·km，特别是西北地区，如新疆、甘肃等地，平均更高达近3-215000m·km，比标准定额多0.5～1.5倍；其次为工业用水，全国平均万元产值用水量是发达国家的10～20倍，重复利用率除少数大城市，如青岛、大连、北京、天津等，已达到70%外，一般仅为30%～40%，而发达国家在20世纪80年代就已达到75%～85%；城市居民用水与国外相比，虽然定额不高，但在一些大城市里，生活用水的浪费（包括“跑、冒、滴、漏”）也很严重。

根据各个地区主要的缺水原因，可将全国的缺水划分为四种类型。（1）资源缺水型当地水资源贫乏或不足引起的缺水。此种类型主要分布于我国西北部干旱地区及北方半干旱半湿润地区。（2）浪费缺水型具备一定的水源条件，基本上可满足要求，但由于用水浪费或调配不当而形成缺水，此种类型主要分布于我国华北及东北的半湿润地区。（3）污染缺水型水资源不缺，但由于工业与生活污水排放于河道，使水质恶化，不能使用而形成缺水，主要分布于南方工业较发达的城市周围或其下游地区，如蚌埠、上海、宁波等城市都属于此种类型的缺水。（4）工程设施缺水型水资源丰富，但因无工程或设施不健全、不配套，无法利用而造成缺水，我国南方，如重庆、武汉等城市的缺水都属于此种类型。此外，在一些新兴的城市或地区，由于其发展速度与水资源的开发利用不相适应而产生缺水，也可列入此种类型。

应该说明的是，无论哪种类型的缺水，常常不是单一的原因造成的。缺水问题与人类需求有关，即使在东南沿海的多雨地区，城市需水超过了当地水资源承载力，便会出现缺水问题，反之，在西北干旱沙漠的无人烟地区则无解决缺水问题之急。总体来看，特别是从自然条件来看，我国是个缺水的国家，但目前严重缺水区的面积也仅占国土的1/5～1/6，因此近期内，我们必须把主要的人力与物力放在这些地区，并采取相应的对策，使我国地域缺水问题分期、分步骤地得到解决。

第二节　农田水文学基础

一、降雨及其经验频率

1.经验频率

降雨和其他的自然现象一样，由于形成和影响因素复杂，无论在数量上、时间和空间分配上变化都很大，如降雨强度、降雨时间、降雨历时、径流大小等，在不同地区、不同年份都有很大的不同，它们在时间和数量上，都不可能完全重复，这种现象称为随机现象。随机现象可以用一个变量来表示，这种变量称为随机变量。随机变量虽然有其不确定的一面，但是在多次试验或长期观察的大量现象中，人们还是可以发现其具有规律性的。这种规律与其出现的机会联系着。这种规律称为统计规律。例如某河流今后若干年内通过某断面的年径流量多少，我们现在不能预知，但根据过去大量观测资料的分析，可以发现年径流量的变化是有一定规律性的，即出现数值很大的年径流量和数值很小的年径流量都是比较稀遇的，即出现的机会比较少，而中等数值的年径流量则比较常遇，即出现的机会比较多。

在数理统计中称被研究的随机变量的全体为总体，总体中的一部分（往往是很小的一部分）称为样本。水文现象的总体，是无法取得的，实际应用时是通过实测的样本来推估总体的规律，就要通过频率计算法来求得某水文要素（例如年径流量、年降雨量等）的样本统计规律（又称频率分布规律），以样本分布规律来作为总体统计规律（又称概率分布规律）的估计。由于水文实测资料的局限性，进行水文计算得到的数据只能是相对的近似值。频率计算的基本出发点就是把降雨、径流等各个水文要素视为随机变量，找出这些随机变量的统计规律，并利用它来为水利工程规划、设计、灌溉、排水等服务。

样本的大小是资料代表性高低的一个重要标志，当水文资料年限相当长时，所求得的样本统计规律就比较稳定，反之，如果所用水文资料年限很短，只有几次实测资料，那么所求得的统计规律就很差，误差很大，所以在实际水文计算中，总是希望能取得年限较长的资料。

根据一定年限实测资料，用数理统计的方法算出各个实测资料的频率，都属于经验频率。设某水文要素的系列（样本系列）共有n次，按由大到小的次序排列为X，X，X……X……X，则在系列中等于123mn及大于X的变量出现机会为1/n，等于及大于X的变量出现机会为m/1mn，其余类推。1/n为水文要素等于和大于X的频率，m/n为水文要素1等于和大于X的频率（以百分比表示）。m

根据上述分析，经验频率可用下面公式来计算，

式中：P为等于和大于X的水文要素的经验频率；m为X的序m号，即等于和大于Xm的次数；n为样本系列的总次数。

根据上式来计算经验频率有许多不合理的地方，例如，当m=n时，P=100%，它的意思是将来再也不会出现比实测最小值还要小的数值，这显然是不合理的，如果观测年数增多，很可能会有更小的数值出现。因此，必须对上式予以修正，以符合客观实际规律。目前我国常用的计算经验频率的修正公式为：

2.经验频率曲线

经验频率曲线绘制和使用方法频率计算（表3-3）和作图如下，

1.按年序将相应的年降雨资料写入表中第（1）和第（2）栏内。

2.把年降雨量按大小重新排列，写入表中第（3）和第（4）栏内.

3.按经验频率公式P=m/（n+1）×100%计算系列中各年降雨量相对应的经验频率，写入表中第（5）栏内。

4.以第（4）栏中的年降雨量为坐标，以第（5）栏中的经验频率P为横坐标，将年降雨量及相应的经验频率值点绘于坐标纸或专用频率格纸上，然后通过点连成的曲线，即得某地水文年降雨量经验频率曲线，如图3-3所示。有了经验频率曲线图，便可在曲线上查得指定频率的年降雨量，例如设计频率为5%的年降雨量由图查得为2590mm，意为年降雨量等于或大于2590mm的机会为5%。图3-3　某水文站年降雨量经验频率曲线

水利工程上指定的频率为设计频率。设计频率（即设计标准）的大小根据国家规范按工程规模的重要性及建筑物的级别而定。从图3-3的经验频率曲线可以看出，经验频率愈大，其相对应的降雨量的绝对值愈小，经验频率愈小，其相对应的降雨量的绝对值越大。所以在利用河川流量或水库蓄水量作为灌溉用水的设计计算上以及在制定灌溉制度时又将经验频率换为保证率概念。所谓灌溉保证率，是以灌溉设施供给灌溉用水全部获得满足的年数占总年数的百分率表示的。它综合反映了灌区用水及供水两方面情况，如灌溉设计保证率为80%，是指水源（或水库）在长期供水中，平均100年中有80年的用水得到保证，只有20年供水不足或中断。灌溉设计保证率的高低直接影响到灌溉工程的规模和农业生产，因此设计时，要进行综合比较，从中确定出合理的灌溉保证率。降水是农业用水的重要来源，一般把保证率为25%的降雨年份作为湿润水文年，50%保证率的降雨年份作为中等水文年，75%保证率的降雨年份作为干旱年，而把接近100%保证率的年份作为特别干旱年。

3.重现期

频率是一个抽象的数理统计用语，在水文学的实际应用中常以重现期（T）代替，所谓重现期就是平均多少年出现一次（或多少年一遇）。例如，经验频率为5%的年降雨量为2590mm。表示年降雨量等于或大于2590mm出现的机会为5%，即平均每100年中可出现5次，或者说每出现一次平均间隔20年，故又称为20年一遇。由此可见，频率（P）和重现期（T）之间为倒数关系，即

在上例中P=5%，则T=1/（5/100）=20（年）

在防洪工程、水库的溢洪道的规划设计中，常要推求的是稀遇的洪水或降雨量，而这些径流量或降水量，都位于P＜50%的曲线上；而在以发电、灌溉等为目的的规划设计中所推求的径流量、降雨量，又都位于P＞50%的曲线上。例如当P=95%时，等于和大于此年径流量的几率为95%，而等于和小于此年径流量的几率则为5%，即（1-P），所以在以用水为目的的频率计算上，频率与重现期的关系则为下式：

上例中P=95%，则T=1/（1-95%）=20（年），此即为等于或小于此年径流量或年降雨量的重现期为20年一遇，按此径流量所设计的水电站规模或灌区面积，平均20年中只有一年供水不足，其余19年中有等于或大于设计值的水量供应。

把上面的公式归纳之后则为：

当P≤50%时　T=1/P

当P＞50%时　T=1/（1-P）

其具体意义如表3-4所示。

必须指出，上面所讲的频率是指多年平均出现的机会，重现期也是指多年中平均若干年出现一次的可能性。例如，百年一遇的洪水，不是一百年正好出现一次，而是在无限长的时期内，平均一百年有可能出现一次，对于某一具体一百年也许出现几次或一次也不出现。

二、径流形成过程（产流和汇流）

1.产流过程

降落到流域内的雨水，一部分损失，另一部分形成径流。降雨扣除损失后的雨量称为净雨。显然，净雨和它形成的径流在数量上是相等的，但两者的过程却完全不同。净雨是径流的来源，而径流则是净雨汇流的结果；净雨在降雨结束时就停止了，而径流还要持续很长一段时间。把降雨扣除损失成为净雨的过程称为产流过程，净雨量也称为产流量，对应的计算称为产流计算。降雨不能产生径流的那部分降雨量称为损失量。在前期十分干旱情况下，降雨产流过程使流域包气带含水量达到田间持水量对应的损失量称为最大损失量。

在分析流域径流形成过程中可以将流域下垫面分为三类：一是与河网连通的水面；二是不透水地面，如屋顶、水泥路面等；三是透水地面，如草地、森林等。降雨开始后，降落在与河网连通的水面上的雨水，除少量消耗于蒸发外，直接形成径流。降落在不透水地面上的雨水，一部分消耗于蒸发，还有少部分用于湿润地面，被地面吸收损失掉，剩余雨水形成地表径流。降落在透水地面上的雨水，一部分滞留在植物枝叶上，称为植物截留，截留量最终消耗于蒸发。当植物截留量得到满足后，降落的雨水落到地面后将向土中下渗。当降雨强度小于下渗能力时，雨水将全部渗入土中；当降雨强度大于下渗能力时，雨水按下渗能力下渗，超出下渗的雨水称为超渗雨。超渗雨会形成地面积水，积蓄于地面上大大小小的洼地，称为填洼。填洼水量最终消耗于蒸发和下渗。随着降雨持续进行，满足了填洼的地方开始产生地表径流。形成地表径流的净雨，称为地面净雨。下渗到土中的水分，首先被土壤吸收，使包气带土壤含水量不断增加，当达到田间持水量后，下渗趋于稳定，逐渐过渡到稳定下渗阶段。继续下渗的雨水，沿着土壤孔隙流动，一部分会从坡侧土壤孔隙流出，注入河槽形成径流，称为表层流或壤中流。形成表层流的净雨称为表层流净雨。另一部分会继续向深处下渗，到达地下水面后，以地下水的形式补给河流，称为地下径流。形成地下径流的净雨称为地下净雨，包括浅层地下水（潜水）和深层地下水（承压水）。图3-4　河川径流形成过程示意图

2.汇流过程

汇流过程指净雨沿坡面从地面和地下汇入河网，然后再沿着河网汇集到流域出口断面的整个过程；前者称为坡地汇流，后者称为河网汇流。两部分过程合称为流域汇流过程。（1）坡地汇流过程

坡地汇流分为三种情况：一是超渗雨满足了填洼后产生的地面净雨沿坡面流到附近河网的过程，称为坡面漫流。坡面漫流是由无数时分时合的细小水流组成，通常没有明显的沟槽，雨量很大时可形成片流。坡面漫流的流程较短，一般不超过数百米，历时也较短。地表径流经坡面漫流注入河网，形成地表径流。大雨时地表径流是构成河流流量的主要来源。二是表层流，径流沿坡面侧向表层土壤孔隙流入河网，形成表层径流。表层流流动比地表径流慢，到达河槽也较迟，但对历时较长的暴雨，数量可能很大，成为河流流量的主要部分。表层流与地表径流有时可互相转化。例如，在坡面上部渗入土壤中形成的表层流，可在坡地下部流出，以地表径流形式流人河槽，部分地表径流也可在坡面漫流过程中渗入土壤中成为表层流。三是地下净雨向下渗透到地下潜水面或浅层地下水体后，沿水力坡度最大的方向流入河网，称为坡地地下汇流。深层地下水汇流很慢，所以降雨后，地下水流可以维持很长时间，较大河流可以终年不断，是河川的基本径流，简称基流。

在径流形成过程中，坡地汇流过程是对净雨在时程上进行的第一次再分配。降雨结束后，坡地汇流仍将持续很长一段时间。

一次降雨过程，经植物截留、填洼、下渗、蒸发等损失，形成径流进入河网的水量显然比降雨量少，且经过坡地汇流和河网汇流，使出口断面的径流过程远比降雨过程变化缓慢，历时也长，时间滞后。

必须注意的是，降雨、产流和汇流，在整个的径流形成过程中，在时间上并无明显界限，而是同时交替进行的。（2）河网汇流

各种径流成分经坡地汇流注入河网，从支流到干流，从上游到下游，最后流出流域出口断面，这个过程称为河网汇流或河槽集流过程。坡地水流进入河网后，使河槽水量增加，水位升高，这就是河流洪水的涨水阶段。在涨水段，由于河槽贮蓄一部分水量，所以对任一河段，下断面流量总是小于上断面流量。随降雨和坡地漫流量的逐渐减少直至完全停止，河槽水量减少，水位降低，这就是退水阶段。这种现象称为河槽调蓄作用。河槽调蓄是对净雨在时程上进行的第二次再分配。

经历了流域产流、汇流在时间上的两次再分配作用后，河川径流过程与降雨过程就大不相同了，图3-5绘出了一次降雨径流过程，由于坡面漫流、壤中流和地下径流汇集到出口断面所需时间不同，因而洪水过程线的退水段上，各类径流终止时间不同；直接降落在河槽水面上的雨水所形成的径流最先终止，然后依次是地表径流、壤中流、浅层地下径流，最后是深层地下径流。图3-5　一次降雨过程径流示意图

由图3-5还可以看出降落在流域上的降雨过程与经过流域下垫面的作用后形成的流量过程之间具有明显的差异，具体表现在：①次降水量大于相应的次洪径流深。降落在流域上的雨水必然有部分消耗于植物截留、填洼、下渗以及蒸发等损失，使得最后流出流域出口的水量小于降落在流域内的水量。②两条过程线的形状不同。降水过程变化剧烈而不规则，流量过程则相对较平缓光滑。降落在流域内的雨水受流域下垫面的调蓄，类似于一个没有闸门的水库，使得出流过程较入流过程平缓。③流量过程的起始时刻、洪峰、重心等出现的时间均滞后于降水过程。④流量过程的总历时要比降水历时长很多。

以上四方面的差异在各个流域均存在，只是随着流域面积的大小、流域下垫面条件以及流域所处的气候条件和降水特征等的不同，这种差异的程度有所不同，因而研究时要依据流域的具体情况进行分析。

三、土壤入渗

降雨或灌溉后，一部分水形成径流，另一部分则进入土壤中。入渗就是指水分进入土壤的过程，它通常是（但不是必须的）从土壤表面垂直向下地进入土中。这个过程十分重要，因为在暴雨期间，正是入渗的强度决定了在地面产生的径流量（从而也决定了发生冲刷的危险）。在入渗强度成为限制因素的场合，植物根层的全部水量收支就会受到影响。要把土壤和水管理好，就必须具备关于入渗过程与土壤性质及供水方式的关系的知识。

1.入渗过程

持续在土壤表面加水，迟早将会出现供水强度超过土壤吸水能力，那时就会有余水在地表积成水层，或作为径流，顺坡漫流（图3-6）。流经地面进入土壤剖面的水通量称为入渗速率，而所谓“入渗容量”，则是指地表与处在大气压之下的水体保持接触的条件下，能通过地表吸进土中的通量。只要对地表的供水强度仍小于土壤入渗性能，水就会随供水随即渗完，这时供水强度成为决定入渗速率的因素（就是说，这过程是“受通量控制”的）。然而，一旦供水强度超过土壤的入渗性能，那决定入渗速率的就是土壤的入渗性能，而变为“受土壤剖面控制”的了。图3-6　土壤入渗示意图

对浅水层下的入渗速率进行的许多测定表明，土壤入渗性能是随时间变化的，一般的是随时间而减小的。一般地说，在入渗的早期阶段，土壤入渗性能较高，尤其是土壤原先就相当干燥时更是如此。随后它就逐渐地以单值关系减小了，最后渐近地接近一常数强度，这个常数强度常称为入渗容量终期值。

土壤入渗从开始阶段的高速率迅速下降，首先是渗入过程中必然出现的土壤基质吸力的下降；同时还可能有下述原因：土壤结构逐渐变坏，在地表形成密实的结皮，导致土壤被局部封闭；能堵塞土中孔隙的土粒被剥离，随水移动，使孔隙堵塞；黏粒膨胀；气泡被堵在土中或由水分进入土壤取代空气时空气的进出受阻，以致土壤中空气被压缩等等。一个原先是干燥土壤的地面突然被水饱和时，在表层起作用的基质有吸力梯度，最初是很陡的，湿润层的下移使这一梯度减小；随着剖面湿润层加厚，吸力梯度终会小到接近于零。对水平向的土柱入渗速率最终趋于零，对垂直土柱的向下水流，可以期望渗透速率会近乎稳到一个由重力驱动的稳定速率。这一稳定速率实际上就等于剖面的饱和导水率。如果地表的供水强度小于饱和导水率，或是地表用别的办法维持在小于饱和的某一湿度，那时的稳定入渗速率将等于在该湿度条件下测得的不饱和导水率。

2.土壤剖面的水分分布

均质的土壤在地表有积水情况下进行入渗时，在任一时刻检查其剖面的水分分布就可发现：土壤的表层是饱和的（也许只有几毫米或几厘米的厚度）；在这完全饱和层之下是一个称为传导层的层次，它的厚度不断增加，湿度均一并接近饱和。在其下面是一个“湿润层”，其湿润程度随深度减少，湿度梯度则愈往下愈陡，直到湿润锋；那里湿度梯度非常陡，上面湿土和下面干土之间好像形成一个鲜明的界面，称为湿润锋面。入渗过程中的典型含水量剖面如图3-7所示。在入渗过程中如定期地检查水分剖面，就会发现这几乎饱和着水的传导层会不断地伸长，即向深发展，湿润层与湿润锋也不断下移，后者愈往下，斜率也愈变缓。图3-7　左图为入渗时土壤含水量剖面示意图。右图为入渗时土壤水分含量随深度变化分布曲线

3.入渗强度与累积量

入渗强度i及入渗积累量I与时间的依赖关系可以采用加权平均扩散率D来表示，假定扩散率是定常函数，入渗强度i及入渗积累量I有解析解方程如下

如前所述，当水流渗入相当干燥的土壤时，常可见有显明的湿润锋。锋面实际上只是已经湿润和未湿润的土壤部分的移动边界。从上面的分析可以推论，湿润锋的陡度或清晰度是与已湿润的土壤的扩散率（在水进入面附近）和在湿润锋之前还相对干燥的土壤扩散率二者之间的相差有关的。因此，D值随着θ的减小而会较陡地下降，质地粗的土壤就会比质地细的土壤典型地呈现轮廓更显明的湿润锋。同样，水渗入干土比渗入湿土其湿润锋就更明显些。

四、土壤水再分布

1.土壤水再分布

在降雨或灌溉终止、地表贮水也因蒸发或入渗而消耗尽时，入渗过程即告终止。然而在土壤之内，水的向下移动却没有立即终止，而是仍然持续很长一段时间，在此时间内水在剖面中进行再分布。在入渗过程中，湿润到接近饱和程度的土层并没有保留其全部含水量，因为在重力、可能还在土壤水吸力梯度的影响下，部分的水将流到下层。在地下水位高的场合，这种渗后水分直接进入到地下水中，称为内排水。在无地下水位、或者地下水位太深、影响不到有关土层深度的场合，这种水运动称为再分布。

如图3-8所示，上层湿润的土层不断地排出水分，虽然排水速率愈来愈小；而下面的土层起初是增加湿度的，但是，后来也终究要开始排水了。图示此砂土中上层土壤湿度对时间的变化，这种土壤的不饱和导水率随着土壤水吸力的增加而迅速下降。显然，黏质土的导水率下降比较缓慢，再分布就延续得更久。图3-8　灌溉结束后土壤中水分在再分配过程中的分布变化。时间t3＞t2＞t1＞t0。

2.再分布过程中的滞后现象

再分布过程牵涉到滞后作用。在再分布过程中，由于在剖面上部的土壤是处于释水的过程，而在下部的土壤是处于吸水的过程，因而在不同的深度，土壤湿度与土壤水吸力将有不同的关系，其关系即使是在质地均一的剖面中，也还可能会随时间而发生变化。土壤湿度与土壤水吸力之间的相互关系不是“唯一的”（相互单值）关系，而是有赖于土壤中每一点上发生过的湿润与干燥的历史过程。据这种关系绘成的关系曲线，将显出两条极限曲线，它分别适用于从极度干燥条件或从完全饱和条件开始的湿润（吸水）或干燥（释水）过程。在这两条湿润与干燥曲线之间，有数目无限的、可能的“扫描”曲线，各自描述从各中间湿度值起始的湿润和干燥过程。一般说来，滞后起到了延缓再分布过程的作用。

3.地下水的排水

如前节所述，再分布主要指的是在不饱和土壤中的水分运动。但是，地下水的排水在正常情况下指的是在饱和层中的水分运动，更具体地是指把多余的水分从土中人为地排出去，一般是用降低地下水位（或防止地下水位上升）的办法。

对不饱和土壤中的水分而言，水分是强烈地处于吸力梯度影响之下的；其水分的运动受土壤湿度经常发生变化的影响，导水率也常有极大的差异。可是，对于地下水而言，其静水压总是正值的，这就使土壤成为饱和状态。因而，在地下水位以下，土壤水吸力梯度一般就不出现，土壤湿度和导水率也不变动。导水率达到其最高值，并且保持相当稳定，不随时间而变化（虽然会有位置和方向方面的变化）。

水分渗入地下水或脱离地下水可以经由地表，或以侧流方式经由渠道侧坡和经由多孔的排水管道出入。一般说来，地下水位虽并不是完全平展的，但也很少出现很大的波动（除非是在排水沟、排水管、排水井附近的地下水位降落区）。在地面发生高程变化的地方，以及在入渗水源数量在地区上发生变化的地方，地下水埋深也可能有变化，可能在一些地方、在一些时候，甚至与地表相交叉，在该处成为自由水（表积水）渗出来。

五、土壤蒸发

1.土壤蒸发

在田野中，水分蒸发可以在植被冠层，在土地表面或在自由水面上发生。植物上发生的蒸发，称为蒸腾；当土壤表面多少为裸露状态时，蒸发除在植物上发生之外，也可同时在土壤上进行。这两过程一般难以截然分开，因此常放在一起，作为一个过程来处理，并称为蒸散。蒸腾和蒸散的问题将在下一章论述。

在没有植被的情况下，当土壤表面受太阳辐射和风的作用时，蒸发就直接地并全部地在土壤上进行。如果不加以控制，将使大量的水分损失；一年生大田作物，在整个耕耙、整地、播种、出苗及幼苗生长初期的时段内，土壤表面大部分是裸露的，蒸发可以耗尽表层土壤水分，从而在幼苗最为脆弱的阶段影响苗的生长。在幼龄果园中，地表常常在好几年中都维持在裸露无草状态；因而这问题也是尖锐的。还有，在干旱地区的旱地农业中，田地定期地休闲好几个月，以便在一个季节中汇集雨水，并把雨水保持到下一季节。对于这种情况，问题也可能是很尖锐的。

要使在一给定物体上发生的蒸发持续下去，必须有三个条件。第一，必须有不断的热能补给来满足汽化热的要求（水在15℃蒸发时，汽化热约为590cal/g水）。第二，在蒸发物体上的水汽压必须低于该物体表面的水汽压，通过水汽扩散或通过气体对流运输出去。这两个条件都是蒸发物体的体外因素。它受气象因素气温、大气温度、风速、太阳辐射等的影响。后列几项综合起来决定了大气蒸发力。

第三个条件是要有来自或经过蒸发物体内部的水分不断地补给到蒸发场所。这一条件有赖于蒸发物体内水的含量和水势，还与物体的导水性质有关。它们共同决定了物体能向蒸发场所传导水分的最大速率。因此，实际的蒸发速率如不是决定于外界的蒸发力就是决定于土壤本身能输送水分的能力，看哪一项数量较小（因而成为限制因素）。

2.土壤蒸发三阶段理论

从水分饱和的土壤开始，土壤蒸发使土壤变干的过程可以分为三个阶段：（1）大气蒸发力控制阶段（稳定蒸发阶段）。开始蒸发初期，土壤几乎被水饱和，导水率高，在大气蒸发力作用下，表层源源不断地从土体内部得到水分补给，最大限度地供给表土蒸发。这时土面蒸发率保持不变，主要受大气蒸发力所控制。灌溉或降雨之后表土湿润，这个阶段可持续数日，大量的土壤水因蒸发而损失掉，在质地黏重的土壤上尤其明显，因此灌后（或雨后）及时中耕或覆盖，是减少水分损失的重要措施。（2）土壤导水率控制阶段（蒸发率降低阶段）。在第一阶段之后，土壤水明显减少，表层更是如此。随着土壤含水量的降低，导水率则以指数函数关系降低得更快，因而向地表补给的土壤水通量逐渐变成小于大气蒸发力。这时，由下层向地表传导多少水，就蒸发掉多少，所以土壤蒸发速率为土壤导水率所控制，蒸发率随着导水率降低将逐渐减小。（3）水汽扩散率控制阶段（蒸发率最低阶段）。当蒸发率越来越小时，土面的水汽压逐渐降到与大气的水汽压平衡，表土就接近于风干，出现一干土层。不仅这个干土层的导水率很低，接近于0，而且导热率也很小，到达地表的辐射热难以向下传导，下层的水也不能迅速向土面运行。这时的蒸发机制与前面两个阶段有所不同：水己不是从地表汽化扩散到大气中去，而是在于土层以下的稍湿土层中，逐渐吸热汽化，以气体形式通过于土层的孔隙，慢慢扩散至表层，然后散失到大气中。这一阶段的蒸发已不再是达西流方程起作用，而是属于费克定律气体扩散方程的范畴了，于是蒸发强度变得很低。

从土壤蒸发的三阶段理论可以看出，土壤表面蒸发和水面蒸发有很大的不同，土面蒸发比水面蒸发要低得多，因此，不能根据水面蒸发来简单地计算土面蒸发。

农田水文循环中还有一个很重要的过程，就是植物蒸腾，将在下一节中讨论。

第三节　作物需水

土壤缺水，是作物生产最常见的土壤障碍之一。水分在作物生长发育过程中占有重要的地位，它不仅是作物本身的主要组成部分，也是作物进行一切生命活动所必需的物质，是联系作物有机体与外界环境的重要环节。因此，作物生产与水分的关系是农田灌溉技术的基本依据，而且协调这一关系也是农田合理灌溉的目标。

一、水的作用

水分过多或不足都会导致农作物生育不良，产量降低。水分对农作物的生命及其环境的重要作用主要包括：（1）水是作物体的重要组成部分。一般作物体都含有60%～80%的水。瓜果、蔬菜的含水量可达90%以上。处于休眠状态、生命活动非常微弱的种子，其含水量也达3%～15%。可见，作物的生命活动是以水为基础的。只有当作物细胞在充满水的时候，才能维持其正常的状态，保证各种生命活动正常进行。如果缺水，枝叶发黄，枯萎下垂，生命活动便会受到抑制；持续缺水过久，即使再供给充足的水分，但由于农作物的生命活动机能遭到破坏，也不能恢复正常生长，甚至死亡。（2）水是光合作用的原料。作物依靠叶片吸收水分、养分和空气中的二氧化碳，并在阳光的照射下，进行光合作用，制造出它需要的碳水化合物。水分不足，就会影响光合作用的进行，使有机物的制造受到限制，作物就生育不良。水肥充足，作物枝叶茂盛葱绿，光合作用就强，产量就高。（3）水是作物体内各种生命活动的介质。作物体内的各种营养元素和碳水化合物的输送和运转，不仅都在作物体的细胞质液内进行，许多还依赖于细胞质流完成；各种化学的、生物化学的反应，绝大多数都以作物的细胞质液为介质进行。一些精致的实验已经证明，当细胞质流被完全抑制时，植物的幼嫩部分（新生长的部分），极易发生缺素症状。（3）水有调节作物体温的作用。作物进行各种生命活动，需要太阳供给必要的热量，但作物体温过高也是有害的。茂密的枝叶，在阳光的照射下，从叶面的气孔蒸发掉大量的水分；为补充水分，作物根系又从土壤中源源不断地吸收。在这一过程中，不但将溶解在水中的养料输送给作物细胞、组织或器官应用，而且又带走了部分热量，从而调节了作物体温，使叶面不致因太阳强烈的照射而“烫伤”。（4）水是调节作物生育环境的重要因素。土壤中的水分、养分、空气和热状态等环境条件对农作物的生长发育有着决定性的影响。而这些条件又是互相影响、互相制约的。通过调节土壤水分，可使土壤中的养分、空气和热状况向有利于农作物生长发育的方向发展，保证农作物的高产稳产。土壤中的有机物养料，必须通过土壤微生物的作用，转化为能被作物吸收利用的养料，溶解于水中，才能和水一起被作物吸入体内。土壤微生物的活动，又受着水分、空气和热状况的制约。土壤中水分过少，不仅作物受旱，而且养分也得不到溶解，不能为作物吸收利用。所以，土壤水分又是土壤肥效性的主要因素之一。

二、农作物的蒸腾量

在全球范围内，水是作物生产的一个最主要的限制因素。作物一生需用大量的水分。在干旱条件下，作物每生产1kg干物质大约需要500多kg的水分，其中大部分通过作物体散失到大气之中，而保持在作物体组织内的水分只有其总用水的1%左右。这部分水分虽少，但却很重要，即使其含水量的少量改变，都可造成生长停止或旺盛生长的差别，呈现出易患病虫害的衰弱植株和健壮植株的不同，造成作物的死亡与高产的区别。组织保持的水分取决于作物吸水和蒸腾失水的平衡。

作物需水量是指在作物生长季节，从生长面积上失去的水量，它包括从作物体上蒸腾的水量和组成作物体内的水量，以及从种植面积的土壤上蒸发的水量。它不包括从种植面积上以径流的形式流走的水量，也不包括从作物根系层下面渗漏的水量。在作物需水量的各组成项中，由于组成作物体内的水量很少。多数作物一生用于组成植物体内的水分小于作物需水量的0.2%，所以在计算和测量作物需水量时常常忽略此项。因此，作物需水量是从作物体上蒸腾的水，和株间蒸发的水之和。通常也称蒸腾量。蒸腾量有潜在蒸腾量（ET）、潜在p作物的蒸腾量（ET）和作物的实际蒸腾量（ET）三个名称。1956ca年彭曼解释了潜在蒸腾量的定义，即完全充满覆盖，高度均匀一致，充分供水的短绿草地上的蒸腾水量（典型的短农作物可以看作短草）。潜在蒸腾量主要受气象条件的影响。潜在作物的蒸腾量（ET），是农作物的潜在用水量，它是在充分供水条件下的作物实际c蒸腾量，它主要受气候条件和作物条件的影响。实际蒸腾量是在田间状态下实际蒸腾的水量，它主要受气象条件、作物条件和土壤条件的影响。

作物需水量受着“土壤-作物-大气”综合体系中诸多因素的影响，影响因素较多，而且错综复杂。当然，作物产量是各种因子共同作用的结果，只有当水是限制因子时，增加供水量才能增产；如果是其他因子限制产量的增加，盲目增加供水量，反而会导致减产。因此产量与水量消耗的关系，只有当供水不能满足作物需水是主要限制因子时，所消耗的水量多少才与产量成正相关，即随消耗水量增加，产量相应提高；当水分已满足作物需要时，产量提高则需改善其他起限制作用的因素，如增施肥料，改善土壤结构等而不是增加水量。

上述这种规律已被过去和现在大量资料所证实。同时也证明，随着供水量增加，其增产作用逐渐减少，乃至最后消失。这不仅表现在产量与水量的绝对量上，更明显地表现在每kg籽粒所消耗的水量上。

综上所述，作物需水量受多种因素影响，其关系是相互联系、错综复杂的。所以各种作物在不同地区、不同水分年份、不同栽培措施下，田间需水量是不相同的。然而尽管田间需水量变化很大，但其仍有一定的变化规律和大致的变化范围，表3-6所示为我国几种主要作物的田间需水量的大致范围。

作物在全生育期内的不同时段（或发育阶段）消耗的水量是不同的。如作物生长初期，主要是以株间蒸发为主，田间需水量较少，而作物生长盛期，田面几乎全部被覆盖。这时是以叶面蒸腾为主，田间需水量达最大值；以后随着作物接近成熟，枝叶枯落，田间需水量又逐渐减少。需水量在作物全生育期内不同时段（或发育时期）的变化和分配规律，即为田间需水规律，通常以作物各生育阶段的田间需水量占全生育期田间需水量的百分数表示。田间需水规律一般由田间试验实测得出，使用中亦可采用类似地区资料。

作物任何生育时期（或阶段）缺水，都会对作物的生发育产生不良的影响，但不同生育时期作物对缺水的敏感程度不同。通常把作物在整个生育期中对缺水最敏感，需水最迫切以致对产量影响最大的生育期，称为需水临界期或需水关键期，各种作物需水临界期不完全相同，但大多数出现在从营养生长向生殖生长的过渡阶段。例如小麦在拔节抽穗期，棉花在开花结铃期，玉米在抽雄至乳熟期，水稻为孕穗至扬花期，谷子为拔节至抽穗期等。作物如在需水临界期缺水，必须进行灌溉，以及时满足作物对水分的需要。

三、作物水分生产函数

作物产量与需水量之间的函数关系被称为作物水分生产函数。需水量一般用三种指标代表：灌水量、田间总供水量（灌水量+有效降水量+土壤贮水量）、实际蒸发蒸腾量。由于前两种指标代表的水量不一定都能被作物所利用，因此，目前最常用的是作物实际蒸发蒸腾量。

1.作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系

大量试验观测结果表明，作物产量Y与全生育期总蒸发蒸腾量a（ET）的关系一般多呈二次抛物线关系，在某一产量范围内，随着产量的增加，作物需水量也随之增加，二者之间成正比关系，但当产量增加到某一范围后，随着需水量增加，产量增加幅度开始变小，当达到产量极大值时，需水量再增加，产量不但不增加反而有所减少，呈现出“报酬递减”规律。由于作物生长发育受环境因素的影响相当复杂，在不同年份Y与ET的关系也可能有较大变异。为了反映作物产a量对蒸发蒸腾量变化的敏感程度，可用产量反应系数（K）来描述相y对产量的变化（1-Y/Y）与相对蒸发蒸腾差异（1-ET/ET）之间的amam关系：

式中：Y、ET分别为充分供水时的最高产量和全生育期总的蒸mm发蒸腾量；Y、ET分别为缺水条件下的实际产量与全生育期总的蒸aa发蒸腾量。

式（3-16）反映了作物减产程度与全生育期总的缺水程度之间的关系。一般就整个生长期而言，缺水增多时，像苜蓿、花生、甜菜等作物的减产比例小些（K＜1），而像香蕉、玉米、甘蔗等作物减产y的比例则要大一些（K＞1），表3-7是联合国粮农组织对无实测资料y地区推荐使用的K值。y

上述作物的两种产量与总蒸发蒸腾量的关系，为灌溉水量有限条件下的水量最优调控决策提供了一定的依据。但由于作物在不同生育阶段缺水对产量的影响不同，尽管全生育期的总缺水量相同，但这些缺水量如果发生在不同的生育阶段，对产量的影响程度则不相同。而产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系却掩盖了这样的事实，这是此类模型的不足之处。

2.作物各生育阶段缺水影响产量的反应系数和缺水敏感系数

式（3-16）除可表示全生长期缺水对作物产量的影响外，它也可以表示各生育期缺水对作物产量的影响。假如其他阶段正常供水，作物没有遭受水分胁迫，而只有第i阶段缺水，则（3-16）式可改写为：

式中：Y为作物第i阶段受旱时的产量；ET为作物第i阶段供水不ii充足时的实际蒸发蒸腾量；K为第i阶段缺水的产量反应系数；ETyimi为第i阶段充分供水的最大蒸发蒸腾量。Y为各阶段均正常供水时的m作物产量。

那么，如果在生育期中，有几个时段缺水又该怎样计算呢？实际上这个问题的更理论化的描述是如何把有限的灌溉水量浇到最适宜的阶段才能获得最大的经济效益的问题。在干旱、半干旱地区，这是一个十分有意义的课题，国内外均有很多研究，模型的形式也很多。归纳起来，大致可分为相加模型和相乘模型两类。相加模型，比较典型的形式为：

式中：n为全生育期划分的阶段数；其余符号意义同前。

从上式可以看出，用相加模型考虑了多生育阶段蒸发蒸腾对产量的影响，比产量-全生育期总蒸发蒸腾模型向前进了一步，但它把各生育阶段出现的水分亏缺对产量的影响孤立开来，认为是相互独立的，而事实上作物在不同生育阶段缺水对产量的影响是相互联系的。比如作物在任一阶段因缺水而死亡，不管其他时期如何，最终产量为零，而相加模型得出的结果并非如此。因此，相乘模型就在一些方面显示出它的合理性，即作物在某生育阶段遭受的水分亏缺不仅对本阶段内的作物生长产生影响，同时还对以后阶段产生影响。詹森（Jensen，1968）提出了下列模型：

式中：λi为作物第i生长阶段的缺水敏感指数，其余符号意义同前。

詹森模型不仅可以表示出不同阶段缺水对产量的影响不同，而且能表示出各阶段缺水不是孤立的，而是相互联系地影响最终产量的这一客观现象，尤其是能利用自然降雨条件下获得的灌溉试验资料，用一般的回归分析统计法，求出模型参数。这就在众多推荐的模型中，显示出其求解与应用的独特优点。

作物各阶段缺水敏感指数λi值与不同生育期缺水减产的关系，可以通过作物缺水减产的两个方面的原因得到解释。第一，因缺水产生水分胁迫，减少了作物叶面蒸腾量，从而影响了作物体内的代谢过程，抑制了干物质的转化和积累，最终导致减产；第二，因缺水造成作物生理活动过程紊乱和植物器官功能衰退，影响正常发育，使作物减产。第一种情况往往发生在根叶生长为主的营养器官生长期（苗期），以及生殖器官基本建成后的产品形成期，即灌浆（或吐絮）以后，这两个时期缺水减产程度较轻，所以值一般较小。第二种情况缺水，可抑制幼穗分化，使穗抽不出，棉花则是严重落蕾，特别是开花授粉期（抽穗—灌浆或开花。吐絮）受旱，常使花蕊受损伤，造成授粉不良，或不能授粉，极易形成空穗秕粒，落蕾落铃，减产损失最大，所以这一阶段的值也最大。

研究田间需水量的目的是为了揭示作物的水分生理现象及其需水规律，以便适当的水量及时地供给作物和土壤，满足作物生长发育对水分的需要，也可以说，只有在明确作物需水量、需水规律的基础上，才能科学地制定灌溉制度，才能正确地安排用水计划，适时适量地供给作物以必需的水分。

四、田间需水量的测定

关于田间需水量的确定，在生产实践中，一方面是通过田间试验直接测定；另一方面，也常常采用某些估算方法进行估算，两者互为条件，互相补充。

1.旱作物需水量的测定

测定旱作物的田间需水量有筒测、坑测和田测三种。除为专门细致研究需水变化规律外，一般不用筒测法。坑测法是在农田中埋设一2测坑。坑的面积多为4～1.2m，坑在地面上以下的深度视作物而定，如棉花为1～1.5m，小麦为0.6～1.0m。为了使坑内土壤水分条件与大田情况接近。坑底应铺设一滤水层（一般可用砂碎石铺成），并设置可以开关的底孔。测坑材料可以是混凝土、砖或塑料等。无论用什么材料，最基本要求是不漏水。有条件时坑外应设地面径流池，用以计算坑内有效雨量。坑内种植作物与大田一致。

在地下水埋深较大（2～3m）时，作物耗水不受地下水补给的影响，地下水埋深小于2m时，地下水作物补给量较大，用田测法时要考虑地下水补给量。

无论坑测或田测，均是在其中选择3～5个位置，在每个位置上，在根系吸水层深度范围内，自地表起，每隔10～20cm取一个测点，定期（5或10天一次）观测各位置上测点的土壤含水率，并于灌水前后、降雨前后加测。无灌水及降水时，可用前后两次测定的土壤含水率之差计算出该时段内蒸腾量；若两次测含水率之间有降水，则需加上有效降雨量才是蒸腾量；有效降水量为降水量减去地面径流量和深层渗漏量，观测此两项需要有特定设备，否则较难测准，故一般应根据天气预报或当地天气变化情况，尽量能在降雨前加测土壤含水率，取得降雨前、后的土壤含水量资料。这样，可使计算时段内的蒸腾量不受降雨的影响，从播种时起至收获时止，各阶段蒸腾量总和，即为全生育期蒸腾量。

一般进行旱作物田间需水量的测定常为灌溉制度的试验结合进行，其处理设计可以有以下三种：（1）保持土壤湿度在田间持水量与最低含水量之间（最低含水量为适宜含水率下限）；（2）按照计划的最优灌溉制度与灌水技术来灌水；（3）若为了寻求不同条件（如不同灌溉制度或土壤含水率，不同的农业措施等）下的需水规律，针对这些条件，分别安排不同的处理，对各种处理测定田间需水量。需水量的试验的每一个处理，不宜少于三次重复，否则难以满足成果精度要求。

2.水稻田需水量的测定

水稻田需水量包括蒸腾量与渗漏量两部分。影响蒸腾量与渗漏量的主要因素不同，为便于分析和应用成果。蒸腾量及渗漏量应分别测出。

水稻田耗水量的测定也有筒测、坑测和田测三种方法。筒测法及坑测法系将水稻种植在有底的测筒及测坑内进行试验；田测法则直接在试验田内进行观测。由于测筒内作物生长环境及需水条件与大田实际情况差异较大，所测得的蒸腾量及产量成果往往与实际情况不相符合。水稻田耗水量试验最好以田测为主，在试验田内直接测出耗水量（蒸腾量与渗漏量之和），而辅之以坑测法，从测坑内测出蒸腾量，二者测定值之差即为渗漏量。

五、田间需水量的估算

作物蒸腾的本质是植株体内以及株间农田中的液态水变成气态水进入大气，也就是水气扩散。作物冠层的水汽压力和作物上空的空气水汽压力差决定着扩散通量，也就是蒸腾速度，它是地区水量平衡的组成部分，由于液态水变成气态水的转化需要消耗一定的能量，所以也是土壤表层能量平衡的组成部分，因此计算方法是从水量平衡，水汽扩散和热量平衡方面研究的。

作物需水量的计算方法有三种类型。第一种是经验公式法，它是以试验资料为依据，用统计分析的方法，直接建立起推算作物需水量的经验公式，这类方法是过去分析计算作物需水量的主要方法，至今也是常用的方法。第二种是理论计算法，它是运用分子运动理论、水汽乱流扩散理论及热量平衡理论来计算作物需水量的。第三种是理论分析和经验方法相结合的方法，即半经验公式法。在计算作物实际蒸腾量时，又可分为直接计算法和参考作物法。直接计算法是用经验公式，直接计算出作物的实际蒸腾量。参考作物法也称作物系数法，它是用气象资料先计算出参考作物的潜在蒸腾量（ETp），然后再乘以作物系数Kc，即为作物的实际蒸腾量。

作物蒸腾量计算的三类方法中，计算公式非常之多，几乎举不胜举，这里仅对国际上使用得最多，影响也较大的彭曼公式作一简要的介绍。

20世纪40年代末期，英国人彭曼，把作物蒸腾量和农田的辐射能净通量与田面上空气动力的作用联系起来，推导出计算潜在蒸腾量的方程式，该公式为理论和经验相结合的半经验法。此后，由于联合国粮农组织（FAO）的极力推荐和国际灌排委员会（ICID）等组织的有效工作，修正后的彭曼公式（Penmen-Monteith公式）在全球得到推广应用。1990年，FAO邀请全球最有影响的26名专家在罗马对作物蒸发蒸腾量的计算进行了专题研究，会上推荐的公式为：-1

式中：n和N分别为实际日照时数和最大可能日照时数（h·d）；-2-1Ra为地面上空大气层顶接收的太阳辐射能（MJ·md）；Tmax和Tmin为日（时段）最高和最低气温（℃）；T、T、Tn和T分别为ii-1n-1第i天、第i-1天、第n月和第n-1月的平均气温（℃）；其余同前。

用彭曼法首先求出的是参考作物蒸腾量（也就是潜在蒸腾量，ETp），并不是各种具体作物的田间需水量。欲求得田间需水量还应该根据作物系数与参考作物蒸腾量的关系进行计算。

式中：ETc为某种作物的田间需水量，即作物潜在蒸腾量；ETp为参考作物蒸腾量，即潜在蒸腾量；Kc为作物系数，是作物需水量与参考作物蒸腾量的比值，随作物种类、生育阶段及各主要季节的气候条件等而变化。

确定作物系数（Kc）时，应注意影响作物系数的主要因素，如作物种类、作物种植时期、作物发育阶段、全生育期内主要气象条件、降水及灌水等重要影响因素。

一般根据作物生长状况，常常如下划分，对干旱田作物常划分为四个阶段：①初期：包括出芽期和生长前期，此期地表未被植物覆盖或覆盖很少（＜10%）；②生长期：从初期末到地表开始完全覆盖（覆盖率达70%～80%）；③中期：从地表完全覆盖开始到开始成熟（即已经有枯叶出现）；④后期：从中期未到完全成熟或收割。对于水田常划分为三个阶段：①初期：第一个月及第二个月的时期之内；②中期：从初期末到收获前的四星期；③后期：最后四星期。不同时期有不同的Kc值，下表可参考（表3-8和表3-9）。

ETc是某种作物的最大蒸腾量，也就是作物需水量。如果以计算作物需水量为目的，则无需进一步计算作物的实际蒸腾量，因为人们通常不会以土壤缺水作为确定作物需水量的目标。若出于其他的需要，要进一步计算作物实际蒸腾量时，则必须考虑土壤水分的供应状况。（1）土壤水分充足时，ETa=ETc；（2）土壤水分不足时，ETa＜ETc，此时，一个简单的方法是用土壤含水量修正系数来计算，即：ET=KET。（3）土壤含水量修正系数Ks的取值，往往需要针对具体asc的作物由试验来确定。

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