食物系统转型

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Food Systems Transformation

专辑 文 章介绍

·第四篇·

▎论文ID

Large-scale farming benefits soil acidification alleviation through improved field management in banana plantations

规模化种植改善香蕉园的田间管理，助力缓解土壤酸化

发表年份：2023年

第一作者：徐东昊

通讯作者：朱齐超

✉：qichaozhu@126.com

作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院

Cite this article:

Donghao XU, Jiangzhou ZHANG, Yajuan LI, Shiyang LI, Siyang REN, Yuan FENG, Qichao ZHU, Fusuo ZHANG. LARGE-SCALE FARMING BENEFITS SOIL ACIDIFICATION ALLEVIATION THROUGH IMPROVED FIELD MANAGEMENT IN BANANA PLANTATIONS.Front. Agr. Sci. Eng.,2023, 10(1): 48‒60 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022475

·文 章 摘要·

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过量施氮和集约化作物生产造成的土壤酸化是我国农业生产面临的重要难题，其中经济作物体系土壤酸化情况尤为突出。近年来，土地流转加速了我国农业规模化，研究规模化种植对经济作物生产及酸化特征的影响，能为耕地适度规模化及其可持续利用提供数据支撑。本研究以广西南宁市隆安县香蕉产业为例，通过调研小、中、大规模（<10、10~100和>100亩）种植户以确定不同规模下香蕉种植、养分管理等生产特征的差异，并基于养分平衡及电荷守恒方法评估了蕉园土壤酸化速率。结果表明，蕉园单位面积产量随着种植规模的扩大而显著增加，其中大规模蕉园产量最高（亩产约3.3吨）且变异最小。随着种植规模增大，化学肥料的养分投入占比越小则有机肥投入占比越大。尽管不同规模蕉园的氮盈余量没有显著差异，但更多的有机肥施用使大规模蕉园的盐基阳离子（钙、镁、钾等）盈余量显著高于中、小规模蕉园，进而降低了土壤酸化速率。然而，大规模化蕉园更高的磷盈余也增加了潜在土壤酸化风险。总体而言，规模化种植通过增施有机肥并替代部分化肥，促进蕉园高产、稳产，并有效缓解土壤酸化，有助于实现可持续的土壤管理和作物生产。

·文章 亮 点·

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1.大规模蕉园的单位面积产量最高，产量变异最小。

2.大规模蕉园的种植密度更大，养分管理更佳。

3.规模化种植的实际土壤酸化速率较低，但磷流失风险较高。

4.规模化种植有利于可持续土壤管理和香蕉生产。

·Graphical abstract·

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·研 究 内 容·

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▎引言

据估算，若不采取有效措施，未来土壤酸化导致的粮食产量损失可能超过16%。优化养分管理是降低土壤酸化速率的关键措施，例如优化氮肥类型、平衡施肥与有机肥替代等。除技术创新外，农业规模化能够有效提升农业资源利用效率，即在不造成产量损失的情况下，减少了33%和50%的化肥施用量和养分损失，推动农业绿色发展。2016年第三次全国农业普查结果显示，我国规模化耕种面积占全部耕种面积的比重为28.6%，规模经营农户数量呈持续增加态势。随着我国种植业向“二八格局”方向转变，未来农业规模化程度将进一步提升，但目前对农业规模化背景下的经济作物体系养分投入、作物生产及其驱动的土壤酸化特征认识不足，难以为耕地适度规模化及可持续利用提供数据支撑。

▎研究区域与研究方法

研究开展于广西南宁市隆安县，香蕉是该县主要经济作物，不同种植规模并存。2017年，本研究在全县4个香蕉主产乡镇（丁当镇、南圩镇、乔建镇和古潭乡）随机选取5个村，每个村随机选择6名农户进行调研，调研内容包括地块基本特征、香蕉品种、施肥量、肥料养分形态和含量、耕作措施及产量等。农田土壤酸化速率基于农田土壤主要养分输入-输出清单计算，涉及的主要养分包括氮（铵态氮和硝态氮）、磷、硫、氯和盐基离子（包括钾、钙、镁、钠）。养分输入主要包括大气沉降、化肥、有机肥、灌溉以及氮的生物固定；养分输出主要包括作物收获、氨挥发、养分淋洗和径流损失以及反硝化损失。养分盈余量基于总输入和作物收获计算，其他养分输出根据盈余量，结合电荷守恒进行估算。

氮循环和作物收获是农田酸化最主要的两个过程。氮循环产生的酸（H⁺）根据铵态氮向土壤根层的净输入量（总输入减去淋洗量）和硝态氮从根层的净淋洗量（淋洗量减去总输入）计算，综合考虑铵的硝化作用、作物对氮的吸收以及硝态氮淋洗等过程。作物收获产生的H⁺根据作物收获带走的盐基离子减去阴离子（硫、磷和氯）计算。土壤缓冲组分会消耗H⁺，其中土壤吸附的盐基离子与H⁺发生交换反应后进入土壤溶液，从而被淋洗损失的过程（即盐基离子的净损失）被定义为土壤实际酸化；部分阴离子累积在土壤中，再次被淋洗时将导致土壤盐基离子损失，因此被定义为土壤潜在酸化，总酸化速率即为实际酸化速率和潜在酸化速率的总和。

▎不同种植规模蕉园产量与养分盈余

规模化生产通过提升蕉园种植密度和单产，实现了高产、稳产。随着规模化程度增加，蕉园亩产从小到大依次为2.5、3.0和3.3吨，其中大规模蕉园的种植密度最高，每亩平均为124株，显著高于中、小规模蕉园（每亩平均114株），且大规模蕉园的产量变异系数仅为小、中型蕉园的一半（11.5%）。

随着规模化程度提高，蕉园施用更多有机肥替代部分化学氮肥。不同规模蕉园氮盈余没有显著差异，平均为578 kg·ha–1·yr^–1（1 ha等于15亩）；随着规模化程度增加，蕉园磷盈余从189 kg·ha^–1·yr^–1显著增加至229和387 kg·ha^–1·yr^–1。盐基离子盈余量呈现类似趋势，从低到高为296, 474和872 kg·ha–1·yr^–1（以钙当量计算）。结果表明，规模化生产对氮盈余没有显著影响但导致磷和盐基离子盈余显著提高，过量施肥的现状仍未发生根本性改变。

▎不同种植规模蕉园土壤酸化速率

与小规模蕉园相比，中等规模蕉园氮循环的H+产生量无显著差异，而大规模蕉园氮循环显著降低（图1a）；而随着规模化程度提高，作物收获的H⁺产生量显著增加（图1b）。不同规模下蕉园土壤酸化速率差异显著。随着蕉园规模化程度增加，土壤盐基离子累积，实际土壤酸化速率降低；同时土壤磷盈余增加导致潜在土壤酸化速率升高（图1c）。中等规模蕉园与小规模蕉园的总酸化速率没有显著差异，而大规模蕉园的总酸化速率显著低于其他两种规模。

图1不同规模蕉园（a）氮循环，（b）作物收获的H+产生量及（c）土壤酸化速率

化肥投入是土壤酸化最主要的原因，其次是作物收获，而施用有机肥是最主要的酸缓冲过程（图2）。随着规模化程度增加，更多有机肥替代了化学氮肥，氮循环产生的H+占比降低；产量提高导致作物收获产生的H⁺占比升高。总体上，相较于中、小规模，大规模种植明显降低了蕉园土壤酸化速率，有效遏制了土壤酸化。

图2 不同规模蕉园土壤酸化速率及其组成

▎未来方向及建议

规模化耕作（>100亩）使蕉园高产、稳产，同时降低了土壤酸化速率，促进农业可持续发展。结合有机肥替代化肥技术，大规模蕉园通过减少过量化学氮肥施用，实现源头控酸；同时充分发挥有机肥的养分替代及酸中和能力，以降低土壤酸化速率，实现酸性红黄壤区耕地的可持续利用。然而，使用过量有机肥替代化肥也可能增加土壤磷盈余，从而加剧水污染风险。因此，我们建议：（1）通过优化总氮输入来降低土壤酸化速率；（2）考虑磷盈余可能造成的水体富营养化，施用适量有机肥替代化肥，缓解土壤酸化，其施用量应低于磷的环境安全阈值；（3）施用碱性物料（如石灰、土壤调理剂等）中和有机肥未能中和的H⁺。这一土壤酸化改良模式可以兼顾土壤酸化改良和土壤肥力提升，保障粮食安全和保护绿色环境，未来可以广泛应用于水果和蔬菜等高附加值经济作物体系，助力我国农业绿色发展。

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