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我国红壤改良利用技术研究现状与展望

已有 1024 次阅读 2021-4-1 11:18 |系统分类:论文交流

我国红壤改良利用技术研究现状与展望


    红壤是世界上分布最广的土壤类型之一,其主要分布在亚洲、非洲、大洋洲、南美洲和北美洲南部的低纬度地区,大致以南北纬30°为限。国外同纬度的红壤区大多为干旱草原与沙漠,种植利用强度低,红壤区的生态环境保护较好。因此,国外对红壤改良的研究甚少[5,6]。我国的红壤主要分布在北纬25°-31°之间、海拔600以下的丘陵地区,南亚热带与热带的山地垂直带上也有少量分布,包括江西、湖南两省的大部分,广东、福建、广西、云南等省地(区)的北部及湖北、浙江、安徽、江苏、贵州、四川、重庆、海南、西藏、台湾等省的一部分,涉及16个省市区,区域面积占国土面积的22.7%,是重要的经济林果、粮食、渔业、牧业生产基地。该区域光、温、水等气候资源丰富,可以一年两熟或三熟,但由于受降雨集中、高温高湿等自然条件和多熟集约种植、过度开发、施肥不合理、水土保持措施不到位等人为因素的影响,导致红壤区水土流失、酸化加剧、土壤养分贫瘠失调、生态平衡破坏、土壤肥力和生产力下降等障碍因子的影响日趋加重。目前,红壤地区水土流失面积高达1亿km2,养分贫瘠化面积2000多万 km2,酸化面积达到200多万 km2,总的土壤退化面积已占该区域土地总面积的50%左右。针对以上问题,我国大批学者先后持续开展了红壤开发与治理的一系列研究。

1、我国红壤开发治理研究概述

我国是世界上对红壤研究最多的国家,红壤改良与利用技术的研究一直居世界领先地位。从上世纪50年代开始,我国就对红黄壤资源、类型、分布、基本特性和肥力演变等进行了大量而深入的调查研究,并全面开展了红黄壤荒坡地开发利用、中低产田(地、园)改良和山水田综合治理等一系列应用开发研究,取得了一批国际先进水平的重大成果。进入80年代以来,相继开展了南方红黄壤区土壤改良利用区划和南方丘陵山区综合科学考察,取得一大批重大成果,出版了一系列专著,并在主要生态类型区建立了一批农业生态试验站(点),进行长期的定位试验研究。“八五”至“十二五”期间的连续五个五年计划,又陆续开展了红壤区小流域治理、中低产田改良、农业结构调整、土壤培肥与质量提升等方面的研究。同时,红壤的开发利用也进入了一个新阶段,促进了红壤地区由“沟谷型”农业向低丘岗地立体开发、农林牧渔综合农业发展的转变

然而,红壤的可持续利用仍然存在着制约因子,主要包括:酸化加重、水土流失、肥力下降等诸多问题,现将以上三方面的研究现状与发展趋势简述如下:

2、红壤酸化问题的改良技术

2.1酸化现状及危害

土壤酸化本是个自然过程,其速度非常缓慢,但是现代社会的集约化种植、化肥大量不平衡施和酸沉降等原因,南方红壤区农田土壤酸化呈现进一步加剧的趋势。目前,福建、湖南和浙江省pH值在4.55.5之间的强酸性土壤分别占全省土壤总面积的49.4%38.0%16.9%,pH值在5.56.5之间的酸性土壤分别占37.5%40.0%56.4%。红壤酸化导致土壤理化性质恶化、铝离子和重金属离子活度提高,土壤微生物活性降低,土壤养分不断流失,造成物减产,甚至对作物产生毒害作用

2.2 酸化的改良技术及应用效果

酸性土壤的改良技术主要是无机改良剂、有机改良剂的应用和生物修复技术。目前,广泛用于酸性土壤的改良剂又可分为:无机类改良剂、有机类改良剂、有机-无机复合型改良剂三大类[22-26]。分述如下:(1)无机类改良剂,主要包括各种无机肥料和无机矿物,如钙镁磷肥及中微量元素硅、钙肥等。钙镁磷肥对酸性土壤具有改良作用,是一种弱碱性肥料,施用钙镁磷肥供给作物营养同时可以降低土壤酸性,易被农民接受。矿物类改良剂主要包括各种石灰石、磷矿粉等,尤其是石灰类物质,在酸性土壤改良上有应用广泛。(2)有机类改良剂,主要包括作物秸秆、畜禽粪便、生物质炭、培养(酿造)废渣、粉煤灰、秸秆灰、污泥等工农业有机废弃资源等,这些有机改良剂不仅会释放碱性物质,中和土壤酸度,而且降低土壤交换性铝,减弱对植物的伤害。(3)有机-无机复合型酸性土壤改良剂,一般是将不同无机矿物、化肥、营养元素等混合制备而成,添加上述一种或者多种有机物料,利用不同物料成分和性质上的互补性,在改良酸性土壤和提高土壤养分上具有良好的效果。这种有机-无机复合型改良剂在酸性土壤改良应用中比单施无机改良剂或有机改良剂的效果更好。南方红壤区稻草、油菜秸秆、花生秸秆和紫云英绿肥等资源丰富,可将这些有机物料粉碎后与石灰、碱渣等物质配合施用,应用于酸性红壤的改良。

生物修复主要利用土壤动物、植物和微生物对酸化土壤的修复作用,例如,蚯蚓对酸性土壤修复有一定的作用,其排泄物含有较高的交换性钙、 镁、钾,在某些环境下还含有碳酸钙颗粒,排入土壤对土壤酸性改良有一定的效果;当土壤表层施土壤改良剂时,蚯蚓的活动还有利于改良剂在土壤中上下层掺混。土壤中因硝化作用形成的硝态氮被作物吸收利用时,部分植物根系释放氢氧根离子以保持植物体内电荷平衡,可中和土壤中的部分质子。另外,一些耐酸微生物与水生植物的根共生,在根系周围形成保护层,可降低氢和铝对根系的毒害,微生物保护根系分泌氨分子,也可中和根际环境的酸度。因此,利用作物吸收硝态氮和根系释放氢氧根可在一定程度上阻控和修复土壤酸化。施用硝态氮肥配合种植西红柿、玉米和小麦等喜硝植物,可以提高土壤pH值,达到修复酸化土壤的目的

3、水土流失问题的生态治理技术

3.1 水土流失现状及危害

根据水土保持监测的最新结果显示,南方红壤区出现水土流失的面积在土地总面积中占到了15.06%,总面积量达到了13.12km2。在红壤区总水土流失面积中,轻度侵蚀以及中度侵蚀占到了83.54%,其余均为严重的红壤侵蚀,这些水土流失区域主要分布在我国的赣南、闽粤东部、湘西、湘赣等山地丘陵区。由于这些区域降雨量大且集中,高强度的降雨极易导致严重的水土肥流失,长江中下游丘陵平原区每年因水土流失带走氮、磷、钾的总量约为128t,其中氮约80t。该区每年水土流失平均被冲走0.10.5cm的表土,而水蚀严重的坡地每年剥蚀表土23cm。据估计,形成1.0cm厚的表土层,不扰动条件下需100~300年,耕作扰动情况下需要10年。水土流失导致土壤水库功能退化,土壤孔隙结构恶化,土层变薄,土地生产力降低,植被减少。同时,水土流失带来泥沙淤积河道和水库,抬高河床,影响航运,防洪能力相应下降,发生洪涝灾害的可能性增大、频率增高。

3.2 水土流失的治理技术模式

水土流失的治理技术主要有生物技术、工程技术。 生物技术就是通过植树造林,乔、灌、草立体种植,材林、防护林、经济林一林多用的树种组合栽种,增加水土流失区域内的植被覆盖率,可以有效的涵养水源,减少水土流失。根据地形和坡度大小,治理模式主要有以下几种[31-37]:(1)封禁治理模式,封禁即自然封育,亦称封育、封山育林,适宜于交通不便、人口较少、经济发展落后以及不宜人工造林的山区;(2)坡耕地立体农业模式,该模式以小流域为单元进行综合治理,已成为治理大江大河、改善农业生产条件和开展生态建设的主要做法,该模式高度重视因地制宜和协调流域内自然、社会和经济发展,通过猪沼果、种草养畜等生态模式、大封禁,小治理模式等有效降低流域内水土流失,并促进种养殖业的同步发展,有效提高了区域生态安全;(3香根草篱坡耕地水土保持耕作模式,利用香根草适应性广、抗逆性强等特点,发挥其在拦截泥沙、固坡护堤、改善农业生产条件等方面优势,适应缓坡地红壤水土保持治理;(4林下流治理模式,根据远看青山在,近看水土流的实际情况和突出问题,采用林下补种草灌针阔混交分类综合等治理模式,取得了显著的治理效果;(5)废弃矿场处理模式,对于废弃的矿场在处理过程中采用单一的措施效果不明显,除了采用生物措施外还应该采用工程措施,对于废矿的裸岩区、矿床区、冲淤区等均可采用,区域类型不同,采用的植物种类不同,如果是裸岩区,爬藤类植物是最佳选择,对于冲淤区,可以将当地存活率较高的植被直接移植过去;(6)河岸治理模式,主要是在河流两侧种植柳树或者是枫杨树,从而形成较好的植物篱笆,阻拦水土流失;(7)水源区保护模式,包括山江湖库综合治理模式和库区生态修复模式,前者通过整体规划和综合治理,建立层次性植被保护带,改造和利用现有水里工程等措施,实现整体治理的目标;后者针对实际情况,因地制宜开展库区生态修复,提高林草覆盖率,提升区域生态质量。

工程措施主要是采取工程建设的方法对水土流失进行防控,常用的工程措施主要有以下几种:(1)坡面治理工程,对于部分边坡可以通过对侵蚀地面的地形改造将径流进行分散,增加地表径流,减少径流过程中对土壤的影响。在坡面治理工程中可采用坡改梯工程、田间道路工程以及坡面水系工程等进行改造,具体的也就是将原来的坡度改成梯度,同时在坡面上设置蓄水池、沉砂池、排灌沟渠等,此外,还可以在田间开垦水平沟。通过这些坡面整理工程可以缓解水土流失,有学者[40]对长汀县河田镇八十里河低效马尾松林实施了水平沟坡面工程,结果显示在 6a 时间内,土壤的侵蚀模数下降了 94.0%97.0% 植被覆盖率提升了 90.0%95.0%;(2)沟道防护工程,通过在沟道中设置拦沙坝以及谷坊群,同时结合植物措施共同进行水土流失防护,通过工程防护与植物防护相结合,完成土壤流失的拦截,在完成沟道工程后还可以将拦截的土壤进行改造用于农业生产;(3)治理池塘,修筑塘堰,对于池塘中淤泥较多的,可对其中的淤泥进行清理,同时根据农业生产要求修筑新的塘堰。

3.3 水土流失标准颁布

由长江水利科学院主编的《南方红壤丘陵区水土流失综合治理技术标准》(SL657-2014,已于2014619正式实施。其内容详细描述了水土流失治理分区,治理措施配置,林地、经果林地、崩岗的治理措施等,总结了南方红壤区20多年水土流失综合治理的实践经验,具有较强的针对性和可操作性。

4、肥力下降问题的沃土技术

4.1 肥力下降的现状

红壤区人多地少,光、热、水资源丰富,四季种植,是我国复种指数最高的地区,土壤利用强度高,长期忽视用养结合,导致该区土壤质量下降,土壤有机质分解迅速,团粒结构破坏,土壤微生物区系改变,养分供应失衡,肥料效益降低,加重了土壤的贫瘠化。目前,红壤地区养分贫瘠化面积2000多万hm290%的红壤旱地其年平均产量水平低于1500kg/ hm2。种植业平均产量不足气候潜力生产量的30%,综合生产能力和效益均较低。根据红壤区的多个长期定位试验的研究结果[43],桔园种植30年后,表层土壤有机质和全氮含量分别下降了44.7%和39.1%,土壤pH值下降了0.9;茶园种植30年后,表层土壤有机质、全氮和全钾含量分别下降了25.3%、9.6%和36.4%,土壤 p H值变化不大;旱地种植30年后,表层土壤有机质和全氮含量分别下降了56.4%和24.5%。在红壤旱地中,由于投入较低,特别是有机肥很少,土壤肥力的主要演变特征是有机质和全氮降低,养分含量总体上有下降趋势。

4.2 沃土技术模式及应用效果

我国对红壤地力提升进行了长期的研究,上世纪50-70年代就提出了种植绿肥、施用农家肥和施用磷肥改良红壤地力的技术。80年代开始在全国建立了多个红壤施肥长期定位试验,研究不同有机无机配比、氮磷钾配比对红壤肥力变化的影响90年代以后,农业废弃物资源肥料化利用、缓控释肥料、高效复合肥、有机无机复合肥、微生物肥等研究开始在红壤区应用,也取得了很大成效。在科学合理施肥的基础上,又提出了以作物轮套作、林茶复合种植、浅耕秸秆覆盖、绿肥种植、结构改良等为主要技术的红壤耕地水养扩容技术。在实际应用中,因地制宜地提出了各种沃土技术模式,主要包括以下几种:(1)果园间种绿肥。即在果树行间、全园种植一年生或多年生绿肥植物作为覆盖园地的一种果园土壤管理方法,技术措施包括绿肥植物施肥(薄肥),并进行割草覆盖园地和割草填埋相结合,可解决坡地果园土壤有机质短缺的难题,提升土壤有机质含量,提高土壤肥力;涵养水源,减少降雨对园地表层土壤的冲刷,防止水土流失。(2)茶园增施微肥。在茶树有机无机平衡施肥的基础上,增施镁肥和硼肥,茶树行间套种豆科牧草,可以提高茶园土壤pH值、有机质、全氮和碱解氮含量,春秋两季鲜茶青总产量提高。(3)植烟土壤轮间作。即烤烟间作花生或红薯(或红苕、大豆、马铃薯等),次年在种植花生或红薯的土壤上种植烤烟,反复交替种植的就地轮间作模式,用养结合,可显著提高烤烟产量、植烟土壤总产值,有效减轻烤烟青枯病发病率。此模式适用于云南、贵州、重庆的植烟土壤,效果较好。(4)旱作物间轮套种植模式。各地区根据气候特征、农作物种植制度,形成了多种种植模式,比如花生-甘薯轮作、花生-冬菜-大豆-芝麻-冬菜-红薯轮作复种、玉米-红薯间作等技术模式,适用于闽、赣、浙一带。不仅较好克服了连作障碍,而且改良了土壤,提高了作物产量和种植效益。(5)耕作栽培技术。即通过农艺措施配合改良剂来改善土壤耕层结构和理化性状、提高作物产量的一种模式。在合理复种轮作的基础上,浅耕秸秆覆盖并结合冬种绿肥、有机无机肥料配施、施用土壤改良剂,可改善红壤旱地土壤结构板结、通气不良、保水保肥能力差、结构差的难题,在一定程度上提高土壤水养库容,提高土壤保水保肥能力,显著增加土壤氮库、磷库和碳库,同时能显著增加土壤阳离子交换量,并缓解土壤酸化问题。

5、红壤改良利用的发展趋势

5.1 加强水土流失的监测与预警

关于红壤的水土流失,虽然已在防控技术和治理模式上取得了显著成效,但仍然面临着水土流失“新增面积不断增加”和“局部区域加重”的两大难题。今后,水土流失治理任务仍然艰巨,应重点加强小流域水土流失动态监测及技术研发,促进小流域农业可持续发展;土壤侵蚀变化的规律及其影响因素的模型构建;深入研究人工次生林的森林覆盖率、植被覆盖度与水土流失的关系规律;3S技术在在小流域水土流失动态监测中的深层次应用;构建水土流失监测信息动态实时发布系统等。水土流失的治理要与促进区域特色农产品的产业化、绿色化发展紧密结合,要让农民取得良好的经济效益,提高农民参与实施的积极性。

5.2 研发红壤酸化长期阻控新技术

虽然我国对红壤酸化及其调控已开展了广泛的研究,也取得了许多显著成效,但人为活动因素对土壤酸化的加速作用仍然存在,特别是土壤的高强度农业利用,大量铵态氮肥施用等对土壤酸化的加速作用愈加明显。因此应加强对高强度农业利用等因素的长期影响下土壤的酸化加速机制的研究,建立一系列长期定位观测试验站,作为长期持续的研究平台和条件;在土壤酸化调控方面,要特别关注具有潜在酸化趋势土壤的酸化阻控研究,研发新技术、新措施,减缓土壤的酸化进程;将化学方法、物理方法、生物学方法与农艺措施相结合,建立综合调控技术,可实现对红壤加速酸化的长效控制。

5.3 深化红壤耕地有机质提升技术

有机质作为土壤中的重要物质组成部分,能促进土壤良好结构的形成,从而改善土壤通气性、透水性、耕作性和保水性,增强抗侵蚀能力,这对红壤旱作物尤其重要。所以,今后红壤耕地质量提升的核心仍然是提升有机质含量。增施有机肥,配合无机肥是培肥地力、提高肥料养分利用率、提高作物产量的重要手段;对于pH值小于5的土壤应适当施用石灰等碱性物质或者改良剂。另外,结合信息技术,研发适宜不同区域和不同作物的精准平衡施肥模型或施肥系统,提高肥料利用效率和减少养分流失也是必不可少的新途径;还要继续加强新型高效肥料和肥料增效剂产品的研发等。




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