土壤肥力

土壤肥力（Soil fertility）是土壤各种基本性质的综合表现，是其区别于成土母质和其他自然体的最本质特征。这一特征使得土壤成为重要的自然资源和农业生产资料，同时也是衡量土壤能够提供作物生长所需各种养分的能力的重要指标。土壤肥力反映了土壤为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量的能力，体现了土壤的基本属性和本质特征。土壤肥力的评价方法包括土样分析、全量分析、田间试验、理化测定和仪器分析。

土壤肥力是反映土壤肥沃程度的一个重要指标，但是关于土壤肥力的定义及其指标仍不统一。在欧美等国家土壤肥力是指衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力。中国学者侯光炯认为，肥力是土壤的生理机能的表现，并取决于两方面因素：一是土壤固有，来自于土壤中无机、有机、微生物和酶复合体；二是外源，来自太阳的热能，后者通过调节前者的活性而起作用。土壤肥力水平的高低，表现在“内、外三稳”。“内三稳”是指土层内部腐殖质含量和品质的稳定、表土中有益微生物区系组成和数量的稳定以及土壤微结构的数量和品质的稳定。“外三稳”是指大气层、植被层和土壤内部结构的水平——垂直方向范围内水、热周期性动态变化的稳定。因此，归纳可将土壤肥力定义为：是土壤的基本属性和本质特征，是土壤为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量等因子的能力，也是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应。

土壤综合肥力指标值 ( Integrated Fertility Index, IFI) 是一个反映土壤养分肥力状况的指标值, 其大小表示土壤综合肥力的等级。但由不同国家在土壤分类方面存在着强烈的思想分歧，目前在土壤肥力标准中实现全球土壤分类标准化方面存在较大挑战，从而导致建立了各自独立的土壤分类系统，如美国、FAO和IUSS等都建立了不同的分类系统。对于中国目前土壤肥力的评价指标标准化，裴小龙等通过文献计量方法对CNKI库中相关文献进行统计分析，总结了国内学者对土壤肥力质量评价所选用的主要指标。其评价标准主要包括土壤化学性状、土壤物理性状和土壤生物学性状三个方面。

土壤肥力指标体系

土壤的物理性质是土壤质量最基础的属性,其性状的差异在一定程度上反映着土壤肥力的优劣。土壤肥力评价指标体系选取了土壤含水率、田间持水量、土壤质地、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤厚度、坡度、地下水埋深、土壤温度和水稳性团聚体11个土壤物理指标。

土壤的化学性质是土壤肥力的重要表征。土壤肥力评价指标体系选取了有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效硫、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、有效钼[mù]、酸碱度、电导率和阳离子交换量19个土壤化学指标。

土壤中的生物性质可以敏感地反映土壤质量变化,是土壤肥力评价不可或缺的重要的指标。土壤肥力评价指标体系选取了脲酶、酸性磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、微生物量碳、微生物量氮、真菌、细菌、放线菌、呼吸强度、代谢熵[shāng]和微生物熵12个土壤生物指标。

• 有效肥力

由于受土壤性质、环境条件和管理水平的限制，土壤肥力往往只有部分表现出来，这部分肥力称为“有效肥力”，又称“经济肥力”，即指在当季生产上发挥出来并产生经济效果的那一部分肥力。

• 潜在肥力

是土壤中暂时不能被植物利用，但在一定条件下可以转化为有效养分的部分。这种肥力主要来自土壤矿物质和有机质的缓慢分解或溶解过程，具有长期供给养分的潜力。其中有效肥力和潜在肥力是可以相互转化的，两者之间没有截然的界限。

• 自然肥力

指由自然过程形成的土壤肥力，包括土壤中天然存在的矿物质、有机质和微生物活动等，如森林土壤、草原土壤等。该肥力主要依靠自然界的循环和更新，反映了土壤自身的肥力水平。

• 人为肥力

通过人类活动（如施肥、灌溉、耕作等）增加的土壤肥力。该肥力主要依靠外部投入，如化学肥料、有机肥料和微生物肥料等，以提高土壤养分水平和改良土壤结构。

• 生物肥力

土壤生物肥力是指生活在土壤中的微生物、动物、植物根系等有机体为植物生长发育所需的营养和理化条件做出的贡献。丰富的生物活动能够促进有机质分解，增加土壤养分供应，改善土壤结构。

土壤水分、养分、空气和温度，称为土壤肥力四大因素。土壤肥力的高低，不只是受每个肥力因素数量适当与否的影响，而主要取决于水、肥、气、热之间在一定条件下协调程度的左右。土壤肥力受到多种因素的影响，主要包括物理因素、化学因素和生物因素。其中根据中国学者对CNKI库中相关文献的统计分析，影响土壤肥力的土壤化学性状、土壤物理性状和土壤生物学性状三方面因素也是对土壤肥力质量评价所选用的主要指标。

土壤碳氮组分及理化性状与作物养分及产量的相关关系

• 气候

气候是指一个地区长期存在的天气条件。气温和降雨量是影响土壤肥力的关键气候因素。温度和降雨量对作物产量有直接影响。温室气体对气候有重大影响，从而影响温度和降雨量。温度升高和降雨量减少对土壤有负面影响，会导致干旱。降雨量过多会导致地表径流和洪涝，对作物生产不利，减少土壤肥力。

• 温度

温度影响土壤中有机物的存在及微生物的活动。温度较高的地方有机物含量较低，微生物活动减少，从而降低土壤肥力。

• 空气

土壤中的空气成分如氮（N）、氧（O）和二氧化碳（CO₂）对于作物生长、微生物活动和养分转化至关重要。土壤空气状况影响着作物根系的呼吸作用，微生物活动和养分的转化。氧气供给植物根系和土壤微生物呼吸，缺氧也会使微生物活动减缓，养分转化不足，并产生对作物不利的有毒物质。二氧化碳是光合作用的原料，氮气通过固氮微生物转化为植物可利用的形式。因此，合理调节土壤空气状况对于保持土壤肥力至关重要。

• 土壤质地

土壤质地是指土壤样品中颗粒大小的分布，根据其大小分为砂粒、粉粒和黏粒。土壤质地影响孔隙的存在、有机物的分解速度、土壤坚实度、阳离子交换容量、渗透性、养分和水分的保持能力。因此，土壤质地在考虑土壤肥力时非常重要。

• 土壤结构

土壤结构由稳定的土壤颗粒聚集体组成，这些聚集体通过强力结合在一起，形成更大的块状物。土壤结构受有机物和耕作方式的影响，良好的有机肥料和微生物活动有助于改善土壤结构。土壤结构影响水和空气在土壤中的移动，以及土壤的稳定性。良好的土壤结构使土壤更加稳定，不易被侵蚀，有助于提高土壤肥力。

• 水分保持能力

水分保持能力是指土壤在重力作用下保持水分的能力。土壤肥力中的水分至关重要，作物生长、养分吸收和土壤微生物活动都依赖于水分。它也是土壤肥力的重要指标，影响植物根系的深度和灌溉管理。土壤水分还直接影响土壤的物理性质，如通气性和保水性，同时也参与土壤化学和生物过程。土壤的有机物含量、质地和结构都会影响其水分保持能力。砂质土壤的水分保持能力较低，而黏质土壤的水分保持能力较高。通过合理管理水分，可以协调土壤的肥、气、热关系，为作物提供良好的生长环境。

• 电导率

电导率是土壤中总盐浓度的测量，通常以分米每米（ds/m）为单位。盐碱土壤的电导率高于4 ds/m，而碱性土壤的电导率低于4 ds/m。土壤中盐浓度的高低会影响植被生长，过高的盐浓度会降低土壤肥力。

• 容重

容重是土壤紧实度的衡量标准，通过土壤干重与其体积的比值来计算，单位为克每立方厘米（g/cm³）。砂质土壤的容重大，黏质土壤的容重小。容重较高的土壤通气性差，水分渗透性差，根系穿透性差，影响土壤肥力。

• 土壤pH值

土壤pH值是土壤酸碱度的指标，范围为0-14，pH值为7表示中性，小于7表示酸性，大于7表示碱性。多数植物在pH值为5.5-6.5的土壤中生长良好。酸性土壤中大多数矿物和养分的溶解度较高，而在中性或碱性土壤中较低。强酸性土壤中，钙、镁、钾、磷、氮、硫等大中量元素的有效性降低，而微量元素如铁、锰、锌、铜、钴的有效性增加，所以，土壤酸碱度与土壤肥力关系密切。此外，酸碱度会影响土壤中的微生物群落结构和酶活性，从而影响土壤肥力，土壤的pH值越低，土壤的细菌丰度也会降低。土壤酸碱度还与土壤的物理结构关系密切，一般认为土壤酸化会导致土壤板结，不能形成良好的土壤团粒结构。

• 阳离子交换容量（CEC）

阳离子交换容量是土壤可以吸附的总交换性阳离子的总和，是土壤肥力、养分保持能力和保护地下水免受阳离子污染的指标。CEC由土壤中的粘土和有机质提供，CEC值越高，土壤的肥力越高。

• 植物养分

植物需要水、空气、光、适宜的温度和18种必需养分来生存。氮、磷、钾等宏量元素和锌、铁、铜、锰等微量元素是植物生长必需的，这些养分的含量和有效性直接决定土壤肥力。植物残留物分解增加土壤有机质，改善土壤结构，增强保水保肥能力和微生物活动。植物根系促进土壤颗粒团聚和减少水土流失，防止土壤侵蚀。根系分泌物为微生物提供营养，促进微生物活动，加速有机质分解和养分循环。一些植物与根瘤菌或菌根真菌共生，固定氮或增强养分吸收。此外，根系分泌物改变土壤pH值，影响养分可用性和微生物活性，适宜的pH有助于养分溶解和吸收。通过吸收和释放养分，植物形成养分循环，保持土壤养分平衡和持续供应，维持土壤肥力。

• 大量元素

大量元素分为两类：主要元素（氮、磷、钾）和次要元素（钙、镁、硫）。氮可以促进植物生长和蛋白质合成。磷有助于根系发育和能量转移。钾可以增强植物的抗病能力和水分调节。主要元素在作物施肥过程中需求量较大，而次要元素需求量相对较少。农作物产量的高低和生长状况的好坏，常受这三种主要元素影响，因此要经常用施肥的办法补充给土壤以提升肥力，供给作物吸收利用。

• 微量元素

微量元素需求量较少，但同样重要，包括铁、锰、硼、锌、铜、钼、氯、钠、镍[niè]、硅、钴、硒[xī]等。缺少土壤微量元素会降低土壤肥力，导致土壤贫瘠，不仅能影响植物正常的生长和发育，还能进一步影响作物的品质和产量。

• 有机质

有机质由动植物残体、真菌、昆虫等组成，土壤中约含有5%的有机质。有机质改善土壤质地和表面结构，分解过程中释放出氮、磷、铁等重要元素，提高土壤肥力。其中，有机质又分为有机碳和腐殖质。

• 微生物

土壤中存在大量的微生物，包括细菌、放线菌、真菌、原生动物等。这些微生物参与有机质分解、养分循环和土壤结构改良。固氮微生物可以将大气中的氮转化为植物可利用的氮素。解磷微生物可以将土壤中难溶性的磷转化为植物可吸收的形式。其中，细菌数量最多，参与氮、磷、碳等主要矿物质的循环，增强土壤肥力。真菌与植物形成共生关系，促进养分吸收。地衣作为生物指示物，也有助于土壤质量评估。

• 生物地球化学循环

营养元素如氮、磷、碳等不能直接被植物吸收，需通过微生物和营养循环转化为标准形式。主要的营养循环包括碳循环、氮循环、硫循环和磷循环，这些循环过程有助于土壤养分的更新和肥力的维持。

• 土壤矿物学

土壤中的矿物质含量对土壤肥力有重要影响。土壤矿物质包括原生矿物和次生矿物。原生矿物，如石英、长石、云母等，可以提供植物必需的微量元素。次生矿物，如粘土矿物、高岭土等，具有良好的养分吸附能力和离子交换容量。此外，火山喷发地区土壤肥力较高，黏质矿物土壤有较高的有机质含量，从而提高土壤肥力。不同元素的氧化物也能提高土壤肥力。

土壤肥力的评价与检测主要针对土壤的有机质、矿物质、pH值、养分、肥力、肥料、农药残留、微生物指标、重金属元素、放射性元素、全成分、理化性质等物质进行检测，常用的方法有主成分分析法、模糊数学法、土样分析法、全量分析法、田间试验法、理化测定法和仪器分析法、养分含量的测定、视觉分类法、聚类分析法、因子分析法、指数和法、判别分析法以及因子加权综合法等。

• 主成分分析法

主成分分析法通过提取综合指标，简化了土壤肥力评价，是传统统计方法。主成分分析法是一种统计方法，用于将多个相关指标简化为少数几个综合指标，从而简化土壤肥力的评价。具体步骤包括：提取特征值大于1的主成分，通常提取4个主成分，这些主成分的累积方差贡献率达到81.9%，基本反映土壤肥力质量。再通过分析各主成分的因子负荷，确定权重较大的指标，如主成分1中的pH、有机质、速效钾（K）、有效铁（Fe）和有效锰（Mn）。基于因子负荷和标准化的养分含量数据计算土壤养分水平得分，最终将得分乘以贡献率后累加，得到每个土壤样品的综合肥力评价得分，并根据此得分对土壤肥力状况进行分级评价。

• 模糊数学法

该方法是一种基于模糊数学中的隶属度理论，对多指标制约的土壤肥力进行总体评价的方法。具体步骤如下：首先，根据各养分指标的含量水平计算其隶属度值。再根据各养分指标对土壤肥力的贡献水平确定各养分的权重系数，权重系数的确定可采用相关系数法，即计算各养分指标间相关系数绝对值的平均值，作为该养分指标的权重系数。最后，根据各养分指标的隶属度值和权重系数，计算出反映土壤肥力的土壤养分综合指数。数学模糊法可将定性的土壤肥力评价转化为定量的综合指数，为土壤肥力的客观评价提供了一种有效的方法。

• 土样分析法

通过对土壤的粒度分布、有机质含量和其他特征进行分析和分类。土壤的粒度分布可以根据不同的粒径范围将土壤分类为粘土、壤土、砂土等不同的类型。该方法可提供关于土壤肥力的详细信息，包括土壤的物理、化学和生物性质。

• 全量分析法

该方法对土壤样品进行全面分析，包括粒度分布、有机质含量、可提取的养分含量等多个方面来评估土壤特性的方法。这种方法可以帮助研究人员和农民更全面地了解土壤的养分状况和其他重要特性，从而指导土壤管理和施肥措施。

• 田间试验法

在土壤研究中，田间试验法是一种常用的方法，用于评估土壤的养分含量和其他重要特性。通过在田间设置试验区域，进行施肥试验、作物生长观测等操作，可以更真实地了解土壤对作物生长的影响和土壤养分的变化情况。

• 理化测定法和仪器分析法

理化测定法和仪器分析法在土壤研究中是常用的方法。该方法使用各种仪器和设备来测定土壤的各种属性，如pH值、有机质含量、全氮、无机氮含量、全磷、有效磷、全钾、有效钾以及土壤的其他理化性质。研究人员可以更全面地了解土壤的特性，为作物种植和土壤改良提供科学依据。

• 养分含量的测定

通过使用氨基酸酯[zhǐ]、氯化铵、氢氟酸等提取剂提取土壤中的养分含量，如氮（N）、磷（P）、钾（K）等，并使用原子吸收光谱法、火焰光度法、钼蓝法等分析技术进行测定。

• 视觉分类法

土壤肥力的视觉分类法主要基于土壤的特性是否存在来进行分类。这些分类通常遵循Soil Taxonomy中的标准，并使用FCC（Formative Elements, Classes, and Clans）单位来描述土壤类型和底层类型。

土壤肥力的合理管理和调控原则旨在通过综合运用多种措施，提高养分利用效率和作物生产力，同时减少对环境的负面影响。中国政府一直将提升耕地质量视为保障国家粮食安全的战略任务，并通过实施增加粮食生产能力规划和科技创新工程等措施来加强农田地力培育和土壤质量提升。

• 综合施肥方案

科学施肥需要化学肥料和有机肥料的进行合理配比，基于土壤测试结果和作物需求，精确施用氮、磷、钾等化学肥料，同时补充有机肥料，以提高土壤的养分含量和肥力。

• 改良植物遗传

通过改良植物根系结构、根系分泌物以及植物内的养分代谢，以培育出从土壤中更强获取养分能力的作物品种。例如，利用遗传变异来增强土壤磷的溶解度和动员，提高磷的利用效率。

• 水资源管理

优化灌溉技术，提高水分利用效率，以便减少因淋溶造成的养分流失，确保养分在土壤中的有效利用。

• 微剂量施肥

采用精确施肥技术，如使用先进的施肥模型，如QUEFTS模型，可以帮助量化养分需求，合理施用微量元素肥料避免过量施肥，减少养分流失与环境污染。

• 使用生物固氮豆类

通过种植豆科作物如粮食豆类、绿肥、牧草和树木组成的农林系统，利用其固氮能力减少商业氮肥的使用，提升土壤肥力。豆科植物的根瘤菌可以从空气中固定氮，这对提高土壤中的氮含量至关重要。

• 同位素技术应用

利用同位素技术（如N-15和P-32）追踪标记肥料在土壤和作物中的移动，评估肥料利用效率和残留影响，以制定更科学的施肥策略。

保持土壤肥力在农业生产与环境保护中至关重要，综合土壤肥力管理方案对于提高耕作系统中的粮食安全和环境可持续性具有显著性作用。

• 提高农产品产量和质量

通过合理管理土壤肥力，确保作物获得充足的养分，提升农产品的产量和质量，进而提高农业的经济效益满足不断增长的人口需求。

• 保护生态环境

科学施肥和高效利用养分，减少养分流失和对水体、土壤的污染，保护生态环境。推广使用环保型肥料和改良施肥技术，减少环境负担。

• 促进生态平衡

通过综合管理措施，维持土壤生态系统的平衡，保护土壤生物多样性，促进可持续农业发展。利用生物技术和同位素技术评估和优化土壤管理策略，确保土壤肥力的长期可持续性。

• 碳汇功能与可持续农业

增加土壤有机质含量，提升土壤碳汇功能，减缓气候变化的影响。利用同位素技术识别土壤有机质的来源和不同作物对土壤有机质的贡献，制定有针对性的土壤管理措施。

上溯至19世纪中叶，西方发达国家就已开始开展土壤肥料长期定位试验研究。根据相关文献可知世界上历史最悠久的长期定位试验站当属J.B. Lawes 和J.H. Gilbert于1843年在英国洛桑建立的土壤肥力长期定位试验站（Rothamsted Experimental Station），至今为止已有170 年的历史，该站先后设置了20 个长期定位试验，对土壤肥力保育和合理施肥展开了长期、系统的定位研究，这些“洛桑经典试验”为农学、土壤学、植物营养学、生态学以及环境科学的发展做出了重要贡献。其后，特别是在化肥工业兴起之后，欧美许多国家也都先后布置了包括土壤养分平衡、施肥对土壤肥力动态变化的影响、农作物对肥料投入的响应等在内的长期土壤肥力定位试验，但由于种种原因大多数试验都没能坚持下来。至今仍然保留下来时间在50 年以上的“经典试验”包括美国伊利诺斯州立大学的Morrow 轮作-肥料试验（1875 年）、Morrow 磷矿石粉肥料试验（1900年）；德国哥廷根农业研究所的E-Field轮作下的肥料试验（1873 年）和多年生黑麦草肥料试验（1873 年），林布尔格罗夫农业研究站的化肥对作物产量及产品质量影响试验（1938 年）；法国贵格纳国立农业研究所的Deherain 小麦、甜菜肥料试验（1876年），小麦连作肥料试验（1876 年）以及芬兰、荷兰、丹麦、加拿大和澳大利亚等国家的相似试验等。而亚洲最早开展且持续至今的土壤肥料长期定位试验是日本鸿巢县中央农业试验站的水稻连作肥料试验（1926年）。以中国来说，现存的长期定位试验主要建立于20世纪70 年代后期，而始建于1987年的“国家土壤肥力与肥料效益监测站网”当属目前国内最为完整、覆盖面最大、具有网络试验特征的大型长期土壤肥料试验群。

中国土壤质地等级