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　　有機質是由有機物組成的物質，其最初的來源是植物光合產物，所含的能量來自太陽能，合成所需要的元素均來自自然界。耕地有機質或者土壤中的有機質是存在于土壤中的所有含碳的有機物質，包括各種動植物殘體、微生物及其分解和合成的各種有機質。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質含量只占土壤總量的少部分，但它對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要的作用（熊順貴，2001）。

　　由于用地不養地，我國耕地有機質出現了明顯的下降趨勢，直接影響了耕地質量。如果控制不住，還會進一步影響糧食供應，影響國民的身體健康乃至壽命。養地應當從培育土壤有機質開始。1999～2014 年，由中國地質調查局會同各省人民政府及其國土資源主管部門，協調全國77 家單位10 萬多人對全國耕地質量狀況進行了全面調查。調查土地總面積150.7 萬平方公里，其中調查耕地 13.86 億畝，占全國耕地總面積的 68%。通過對60 多萬件土、水、生物等樣品的 54 種元素指標進行精度測試，獲得了3000多萬個數據，建立了全國和 31 個省（區、市）土地的地球化學動態數據庫，并據此對我國耕地總體狀況形成初步認識和基本判斷。調查顯示，我國東北區、閩粵瓊區、西北區和青藏區部分耕地有機碳含量比 20 世紀 80 年代呈現明顯下降趨勢，其中東北區耕地有機碳含量下降了21.9%，嚴重降低了土壤肥力。調查范圍內，29.3%的耕地土壤堿化趨勢加劇，pH 上升 0.64，主要分布在北方地區；21.6%的耕地酸化嚴重，pH 降低 0.85，主要分布在重金屬污染問題突出的閩粵瓊區和湘鄂皖贛區，在降低耕地質量的同時增加了重金屬污染，加大了耕地生態和地下水質量惡化風險（國土資源部中國地質調查局，2015）。耕地酸度升高，土壤板結，肥力下降，不利于作物吸收養分。同時，長期化學物質投入過大，不利于土壤有機質的形成。

　　盡管我國部分地區采取了秸稈還田措施，耕地有機質下降的趨勢有所減緩，但相對于健康的土壤，有機質含量仍然很低。除了大量使用化肥和農藥，焚燒秸稈、污水灌溉、農膜覆蓋、除草劑除草也會造成有機質下降、土壤動物和微生物多樣性降低。土壤有機質的含量在不同土壤中差異很大，含量高的可達 20%或 30%以上（如泥炭土、某些肥沃的森林土壤等），含量低的不足 1%或 0.5%（如荒漠土和風沙土等）。在土壤學中，一般把耕作層中含有機質 20%以上的土壤稱為有機質土壤，20%以下的土壤稱為礦質土壤。在健康的土壤中，耕作層土壤有機質含量通常在5%以上。

　　2.3.2 土壤有機質的來源

　　土壤有機質來源十分廣泛，原始土壤中，最早出現在母質中的有機體是微生物。下面幾種成分是土壤有機質的重要來源。

　　1．植物殘體

　　植物殘體包括各類植物的凋落物、死亡的植物體及根系。這是自然狀態下土壤有機質的主要來源。森林土壤相對農業土壤而言，具有大量的凋落物和龐大的樹木根系等特點。熱帶雨林凋落物干物質量可達 16700 千克/（公頃·年），而荒漠植物群落凋落物干物質量僅為 530 千克/（公頃·年）。

　　2．動物和微生物殘體

　　動物和微生物殘體包括土壤動物和非土壤動物的殘體，以及各種微生物的殘體。這部分來源相對較少。但對原始土壤來說，微生物是土壤有機質的最早來源。

　　3．動物排泄物和分泌物

　　土壤有機質的動物排泄物和分泌物來源雖然量很少，但對土壤有機質轉化起著非常重要的作用。在傳統農業生產中，農民通過大量收集人和動物的排泄物，來滿足植物營養并保持耕地有機質數量和質量。

　　4．廢水廢渣

　　廢水廢渣包括施入土壤中的各種有機肥料（綠肥、堆肥、漚肥等）、工農業和

　　生活廢水、廢渣等，以及各種微生物制品等。

　　進入土壤中的有機質一般以以下3種類型狀態存在。

　　1）新鮮的有機物

　　新鮮的有機物是指那些進入土壤中尚未被微生物分解的動植物殘體，它們仍保留著原有的形態等特征。

　　2）分解的有機物

　　經微生物分解，進入土壤中的動植物殘體失去了原有的形態等特征。有機質已部分分解，并且相互纏結，呈褐色。分解的有機物包括有機質分解產物和新合成的簡單有機化合物。

　　3）腐殖質

　　腐殖質是指有機質經過微生物分解后再合成的一種褐色或暗褐色的大分子膠體物質，與土壤礦物質土粒緊密結合，是土壤有機質存在的主要形態類型，占土壤有機質總量的85%～90%。進入土壤的有機物質組成相當復雜，土壤有機質組成取決于進入土壤的有機物質組成。各種動植物殘體的化學成分和含量因動植物種類、器官、年齡等不同而有很大的差異。一般情況下，動植物殘體主要的有機化合物有碳水化合物、木質素、蛋白質、樹脂、蠟質等。土壤有機質的主要元素組成是碳、氧、氫、氮，分別占 52%～58%、34%～39%、3.3%～4.8%、3.7%～4.1%。有機質只有進入土壤才能形成自然中的穩定成分，這個過程是通過礦質化過程完成的，必須有微生物的參加。有機質礦質化過程分為化學轉化過程、動物轉化過程和微生物轉化過程。這一過程使土壤有機質轉化為二氧化碳、水、氨和礦質養分（磷、硫、鉀、鈣、鎂等簡單化合物或離子），同時釋放出能量。這一過程為植物和土壤微生物提供了養分和能量，并直接或間接地影響著土壤性質，同時也為合成腐殖質提供了物質基礎。

　　2.3.3 土壤有機質的生態功能

　　耕地是破壞自然生態系統而來的，耕地中的有機質最初來自天然植物群落的土壤封存。我國很早就有用地養地的良好習慣，中原地區很多耕地連續耕作了四五千年，基本不退化，就是用了生態農業的辦法養地。縱觀今天，連續使用化肥、農藥、農膜、除草劑，短短不到 40 年，耕地就出現了嚴重的退化；草原、荒漠綠洲開墾的耕地，起初有機質含量很高（＞5%），但使用不到 10 年就嚴重退化，直到成為荒漠。土壤有機質的含量與土壤肥力水平是密切相關的。雖然有機質僅占土壤總量的很小一部分，但它在土壤肥力上起到的多方面的作用是顯著的。通常在其他條件相同或相近的情況下，有機質的含量與土壤肥力水平呈正相關。

　　1．土壤有機質為植物提供營養

　　土壤有機質中含有大量的植物營養元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵等重要元素，還有一些微量元素。土壤有機質經礦質化過程釋放大量的營養元素為植物生長提供養分；腐殖化過程合成腐殖質，保存了養分，腐殖質又經過礦質化過程再度釋放養分，從而保證植物生長全過程的養分需求。

　　有機質在礦質化過程中分解產生的二氧化碳是植物碳素營養的重要來源，據估計，土壤有機質的分解及微生物和根系呼吸作用產生的二氧化碳每年可達 135億噸，大致相當于陸地植物的需要量。由此可見，土壤有機質的礦質化過程產生的二氧化碳既是大氣中二氧化碳的重要來源，又是植物光合作用的重要碳源。土壤有機質還是土壤氮、磷最重要的營養庫，是植物速效性氮、磷的主要來源。土壤全氮的 92%～98%都是儲藏在土壤中的有機氮中的，植物吸收的氮素有 50%～70%來自土壤。土壤有機質中有機態磷的含量一般占土壤全磷的 20%～50%，隨著有機質的分解而釋放出速效磷，供給植物營養。在大多數非石灰性土壤中，有機質中有機硫占全硫的 75%～95%，隨著有機質的礦質化過程而釋放，被植物吸收利用。

　　2．土壤有機質促進植物對其他營養元素的吸收

　　土壤有機質在分解轉化過程中，產生的有機酸和腐殖酸對土壤礦物部分有一定的溶解能力，可以促進礦物風化，有利于某些養分的有效化。一些與有機酸和富里酸絡合的金屬離子可以保留在土壤溶液中，不致沉淀而影響其有效性。土壤腐殖質與鐵形成的某些化合物，在酸性或堿性土壤中對植物及微生物是有效的。土壤腐殖質是一種膠體，有著巨大的比表面積和表面能，腐殖質膠體以帶負電荷為主，從而可吸附土壤溶液中的交換性陽離子如 K+、NH4 +、Ca2+、Mg2+等，一方面可避免隨水流失，另一方面又能被交換下來供植物吸收利用。土壤腐殖質的保肥性能非常顯著。在水分保持方面，土壤腐殖質和黏土礦物一樣具有較強的吸附能力，單位質量腐殖質保存陽離子養分的能力比黏土礦大幾倍至幾十倍，因此，土壤有機質具有巨大的保肥能力。

　　3．土壤有機質促進植物生長發育

　　土壤有機質，尤以其中胡敏酸，具有芳香族的多元酚官能團，可以加強植物呼吸過程，提高細胞膜的滲透性，促進養分迅速進入植物體。胡敏酸的鈉鹽對植物根系生長具有促進作用，胡敏酸鈉對玉米等禾本科植物及草類的根系生長發育具有極大的促進作用。土壤有機質中含有的維生素 B1、B2、吡醇酸和煙堿酸、激素、異生長素（β-吲哚乙酸）、抗生素（鏈霉素、青霉素）等對植物的生長起促進作用，并能增強植物抗病能力。

　　4．土壤有機質改善土壤物理性質

　　有機質在改善土壤物理性質中的作用是多方面的，其中最主要、最直接的作用是改良土壤結構，促進團粒狀結構的形成，從而增加土壤的疏松性，改善土壤的通氣性和透水性。腐殖質是土壤團聚體的主要膠結劑，土壤中的腐殖質很少以游離態存在，多數和礦質土粒相互結合，通過功能基、氫鍵、范德瓦耳斯力等機制，以膠膜形式包被在礦質土粒外表中，形成有機-無機復合體。所形成的團聚體，大、小孔隙分配合理，且具有較強的水穩性，是較好的結構體。在干旱區，有機質能通過改善黏性，降低土壤的脹縮性，防止土壤干旱時出現的大的裂隙（龜裂）。土壤腐殖質是親水膠體，具有巨大的比表面積和親水基團。據測定，腐殖質的吸水率為500%左右，而黏土礦物的吸水率僅為50%左右，因此，腐殖質能提高土壤的有效持水量，這對砂土有著重要的意義。腐殖質為棕色、褐色或黑色物質，被土粒包圍后使土壤顏色變暗，從而增加了土壤吸熱的能力，提高土壤溫度，這一特性對北方早春時節促進種子萌發特別重要。腐殖質的熱容量比空氣、礦物質大，比水小，導熱性居中，因此，土壤有機質含量高的土壤其土壤溫度相對較高，且變幅小、保溫性好。

　　5．土壤有機質是土壤生物能量的主要來源

　　沒有土壤微生物就不會有土壤中所有的生物化學過程。土壤微生物的種群，數量和活性隨著有機質含量的增加而增加，具有極顯著的正相關。土壤有機質的礦質化率低，不會像新鮮植物殘體那樣對微生物產生迅猛的激發效應，而是持久穩定地向微生物提供能源。因此，富含有機質的土壤，其肥力平穩而持久，不易造成植物的徒長和脫肥現象。土壤中有的動物（如蚯蚓等）也以有機質為食物和能量來源；有機質能改善土壤物理環境，增加疏松程度和提高通透性（對砂土而言則降低通透性），從而為土壤動物的活動提供了良好的條件，而土壤動物本身又加速了有機質的分解（尤其是新鮮有機質的分解），進一步改善了土壤通透性，為土壤微生物和植物生長創造了良好的環境條件。蚯蚓糞就是良好的團粒結構，具有泡水不散的特點（Guo etal.，2015）。自然繁衍的蚯蚓種群大小是健康土壤的重要指標（Guo et al.，2016）。

　　6．土壤有機質具有活化磷、鉀等營養元素的作用

　　土壤庫中的磷一般不以速效態存在，常以遲效態和緩效態存在，因此土壤中磷的有效性低。土壤有機質具有與難溶性的磷反應的特性，可增加磷的溶解度，從而提高土壤中磷的有效性和磷肥的利用率。一些微生物具有解鉀的功能，這些微生物生存條件是必須有大量有機質的存在。

　　2.3.4 健康的源頭在于土壤有機質

　　耕地土壤是由固體、空氣和水分所組成的，固體部分主要來自其發育的巖石母體的原生和次生礦物顆粒，以及來自生物（動植物和微生物）活體和殘體留下的有機質。土壤有機質就是為作物生長發育提供養分的倉庫。有機質在土壤中的數量一定要保持一個相對穩定數。我國的土壤有機質含量一般旱地為 0.5%～4.0%，水田為 1.5%～5.0%。因為有機質的分解和轉化是在不斷進行的。土壤有機質在消長過程中，土壤肥力也相應地不斷改變。

　　在理想的土壤中，固體占 50%，空氣和水分各占 25%。固體中礦物部分占 45%，在余下 5%的有機質中，各種活動的生物有機質占 10%，根系有機質占 10%，已經轉化為穩定的高分子的“死的”有機質占 80%左右（陳能場，2015a）。

　　耕地有機質本身就是養分的儲藏庫，同時深刻地影響著土壤的物理、化學和生物學性質。假設某一土壤表土有機質含量為 4%，有機質氮含量為 5%，一季作物中有機質分解率為 2%，則土壤有機質供應的氮可達 80 千克/公頃，此供應量幾乎可滿足大部分作物的需求量。據估算，1%的土壤有機質相當于含有 18 千克養分/畝。土壤有機質還深刻影響著水分的存儲。1 英畝大（1 英畝＝4 046.86 平方米）、1 英寸厚（1 英寸＝2.54 厘米）、含 2%有機質的土壤儲水量可達 12.1 萬升，含量5%和 8%的土壤分別可儲水 30.3 萬和 48.4 萬升。研究表明，土壤有機質從 1%升到 3%，土壤的保水能力增加 6 倍（陳能場，2015a）。

　　土壤有機質是土壤中各種大大小小生物的碳源和能源。豐富的有機質使土壤中自然形成龐大的食物網，構建健康的生態系統，這個龐大的生態系統是土壤活力的來源，從養分轉化直到病蟲害控制，該生態系統都起著極為重要的作用。在理想的土壤生態系統中，每平方米的土壤含脊椎動物 1 只、蝸牛和蛞蝓共100 只、蚯蚓數百至上千條，線蟲 500 萬只、原生動物 100 億只、細菌和放線菌 10 萬億個。這些動物和微生物組成一個食物網金字塔，這些生物一年中生物量總和達 400～470 千克/畝（陳能場，2015b；劉亞柏等，2017）。

　　對照上述指標不難判斷出，我國耕地質量是嚴重下降的，其中最重要的變化在于以高產為目的的現代農業耕作體系下，土壤狀況已經和理想土壤越來越遠，曾經是“魚米之鄉”的南方紅壤耕地數平方米種不出幾斤蔬菜。人類大量合成化學肥料，提供給作物的是速效的無機物，但沒有考慮到土壤中動物和微生物群落的需求。土壤微生物和動物群落失衡，造成大量病害和蟲害出現。雜草本來是可以提供土壤有機質的，但除草劑殺死了雜草，并殺死了土壤中的其他有益生物，使天敵益蟲、兩棲爬行類和鳥類減少，只有依靠農藥，消除病蟲害。大量使用抗生素、農藥，雖然暫時控制了作物病蟲害，然而食物鏈被抗生素、農藥污染，會引發大量人類疾病。

　　提高耕地有機質的方法有很多，有人提出了以下幾個主要農業技術措施：

　　①增加生物總產量。在增產的前提下增加土壤有機質，由于地上部分產量增加了，地下的根系也隨著增加，同時地下生物也相應興旺發達，致使動植物殘體增多。②秸稈多還田（馬力等，2011；趙偉等，2012）。秸稈還田直接為土壤增加了有機物。要改變在田間焚燒秸稈的習慣，因為焚燒秸稈既浪費有機物，又使有機物變成二氧化碳釋放到空氣中污染環境。③增施有機肥（邱學禮等，2011；姚姍姍等，2015；Guo et al.，2016；Erdem and Mehmet，2017；徐基勝等，2017）。合理施肥，實行有機物和無機肥料的配合，不斷增加有機物在土壤中的數量。④減少土壤有機質消耗。采取少耕、免耕、覆蓋等措施（劉亞柏等，2017），其目的就是減少和控制土壤氧氣的供應，削弱微生物分解活動。覆蓋還可以減少土壤水土流失。

　　然而，上述辦法還存在一些現實困難：增加生物量就需要加大化肥投入；秸稈還田如果影響下茬作物種植，農民多不愿意采用；增加有機肥如果不能帶來經濟效益，推廣起來困難；免耕辦法在理論上成熟，但在實踐中推廣面積不大。耕地不是森林土壤，完全靠自然過程實現有機質增加比較緩慢，需要人工補充。耕地上有作物，免耕容易發生土壤板結，作物根系無法生長影響產量。最好的辦法是發展高效生態農業，只要收入高，農民就愿意增加耕地地力，就愿意多投入勞動。在山東弘毅生態農場，經過 8 年調整，有機質從 0.7%已達到 2.4%（Liu et al.，2016）。

　　耕地有機質下降嚴重影響作物產量，并不能生產優質的食物。當前，農產品價格低迷造成從事農業的一線農民增產不增收，國家補貼農藥、化肥、農膜、除草劑后，農資更便宜，很方便地替代了勞動力。大量優質勞動力進城打工，農村一線農業生產的人員由老人和婦女組成，他們沒有能力也沒有心思為城里人生產安全放心的食品，畢竟為提高有機質，使用有機肥增加了農業生產勞動強度。解決這個矛盾的辦法是，科學宣傳生態農業，讓城市市民覺醒，購買安全放心的生態食品，優質優價，尊重農民的勞動，使耕者有其利。只有這樣，才能從源頭少制造病人，變互害模式為互利模式，促進城鄉真正和諧起來。

　　2.3.5 弘毅生態農場案例

　　1．長期施入有機肥試驗

　　本團隊于 2006 年在弘毅生態農場以冬小麥-夏玉米輪作系統為研究對象進行了有機肥長期施入定位試驗，試驗共有兩種處理，一是有機肥處理，二是化肥處理。在有機肥處理中，有機肥的來源為經過蚯蚓處理過的牛糞（牛糞-蚯蚓糞），施肥量為 75 噸/公頃。在化肥處理中，小麥季每公頃分別施入 225 千克氮、750千克五氧化二磷和 150 千克氧化鉀，玉米季每公頃施入 150 千克氮、600 千克五氧化二磷和 210 千克氧化鉀。

　　牛糞-蚯蚓糞的獲取過程如下：將牛糞堆成寬 1.5 米、高 0.3 米的長方體，蚯蚓接種密度為 0.5 千克/平方米，堆肥期間灑水以保持適宜濕度，3 個月后將蚯蚓與牛糞分離，分離出來的肥料即為試驗用肥料。研究結果發現：2007～2015 年，0～20 厘米的土壤有機質含量，有機肥處理從 0.7%增加到 3.5%，而化肥處理沒有明顯變化（圖 2-1）（劉海濤，2016）。

　　圖 2-1 有機肥處理和化肥處理 2007～2015 年 0～20 厘米土壤有機質含量變化（劉海濤，2016）注：不同大寫字母表示有機肥處理年際間差異顯著（P＜0.05）；不同小寫字母表示化肥處理年際間差異顯著（P＜0.05）。

　　2．有機無機肥配施試驗

　　2009～2012 年，本團隊在弘毅生態農場以冬小麥-夏玉米輪作模式為研究對象設置了 4 個試驗處理，分別為：①對照不施肥（對照，CK）；②全施有機肥（CM）；③化肥減半配施有機肥（HCM）；④全施化肥（NPK）。以上各處理，除 CK 處理外，氮、磷、鉀施入量均分別為 375 千克/公頃、92 千克/公頃、317 千克/公頃。每年施肥前先測定牛糞含氮量，再根據施氮量和牛糞含氮量計算牛糞施用量，最終使各處理施氮總量相等，在等氮水平上研究了有機無機肥配施對土壤 0～20 厘米原狀土和土壤團聚體組分中有機質的影響（李勇，2013）。

　　研究結果發現，各施肥處理均增加了原狀土、大團聚體、微團聚體及黏粒和粉粒的有機碳含量（圖 2-2）。2012 年，與對照相比，CM 分別增加原狀土、大團聚體、微團聚體及黏粒和粉粒的有機碳含量 56%（P＜0.05）、54%（P＜0.05）、52%（P＜0.05）和 81%（P＜0.05），并達到顯著水平。說明施用有機肥可以增加土壤各級團聚體的有機碳含量，尤其是增加了大團聚體有機碳的含量。土壤有機碳儲量主要分布在大團聚體及微團聚體中，CM 和 HCM 也基本上增加各組分土壤有機碳儲量（圖 2-3）。累積碳輸入量與原狀土碳固定量呈顯著正相關關系（R2＝0.78，P＝0.002）（圖 2-4A）。累積碳輸入量與大團聚體碳固定量（R2＝0.87，P＜0.001）及黏粒和粉粒碳固定量（R2＝0.54，P＜0.02）之間存在顯著正相關關系，而與微團聚體碳固定量之間也存在相關關系，但不顯著（R2＝0.17，P＝0.26）（圖 2-4B、C、D）（李勇，2013）