《基础土壤学入门》第6章 土壤与农业

第六章 土壤与农业

引言

面对一处积水严重、遍布深水洼、农机易陷、作物长势差的地块，你会如何处理？虽然我们此前已经讲解了土壤学的多个核心领域，但尚未探讨土壤管理的实际应用。本章将围绕土壤水分过多、水分不足、土层板结、土壤强酸性以及其他常见的土壤管理问题，讲解对应的解决办法。

土壤学发源于农业。在农耕文明出现之前，游牧部落就学会用火改造生存环境：一方面焚烧林木清理植被，另一方面借助火势狩猎。后来，大概率迫于人口增长的压力，人类开始有意识地培育可食用作物，并抑制其他野生植物生长。约一万年前，中东地区诞生了最早的农耕聚落，这彻底改变了人类看待自然环境的方式。定居生活催生了私有财产与土地所有制，阶级分化、城市兴起，最终推动了工业化进程。

图 6.1 排水不良对作物生长及土壤性状造成的影响

早期农民虽能根据耕作特性区分土壤优劣，却无法解释不同土壤肥力存在差异的根本原因。直到泰奥多尔德索绪尔（1804 年）、尤斯图斯冯李比希（1840 年）相继发表植物生理学相关研究，再加上 J.B. 布森戈（1834 年）在阿尔萨斯、约翰贝内特劳斯（1843 年）在英国开展首批科学化农业试验，土壤因素对植物生长的作用才被人们充分认知。

农民的核心工作，就是通过调控土壤性状，为作物营造适宜的生长环境。根区是植物与土壤接触的主要区域。植物根系不仅能吸收水分、空气和养分，还能固定植株。一旦土壤环境阻碍根系发挥这些功能，作物生长就会受到抑制。本章主要从三个方面展开探讨：

1.如何优化土壤物理性状，助力作物生长 

o水分过多的问题：土壤排水

o常见的排水方式

o水分不足的问题：保水与补水

o提升有效水分储存能力：水土保持

o人工补水：农田灌溉

o灌溉存在的潜在风险

o改变土壤物理状态：土壤耕作

o土壤水分在耕作作业中的重要性

2.如何优化土壤化学性状，助力作物生长 

o为作物营造适宜的化学环境

o施用石灰调节土壤酸度的方法

o石灰类改良物料及施用剂量

o养分补充：肥料施用

o肥料种类与施肥时机

o肥料与生态环境：如何降低污染风险

3.如何优化土壤生物性状，助力作物生长 

o利用自然生物循环维持土壤肥力

o有机肥的优势与潜在问题

一、如何优化土壤物理性状，助力作物生长

水分过多的问题：土壤排水

土壤水分的收支可以类比为银行账户。冬季多雨时节，土壤不断吸纳水分，相当于账户存入资金；夏季土壤水分持续流失，当流失量大于补给量时，就如同账户透支。待到气温转凉的冬季，土壤水分又得以补充。若作物生长季土壤长期积水，其正常生长便会受到干扰。图 6.1 展示了排水不良引发的各类问题。

当降雨、地下水或地表径流带来的水分，超过蒸发与排水带走的水分时，就会形成土壤渍水。土壤长期处于过湿状态，会导致作物根系缺氧，同时根系代谢产生的部分有毒废弃物不断堆积。严寒环境下，根系生理活动微弱，渍水通常不会造成严重危害；但如果气温回升、土壤生物活动变得活跃，渍水问题就会凸显。据统计，英国有半数农田因土壤偏湿，需要配套相应排水设施。

排水不良带来的影响

排水不畅带来的影响显而易见，比如地表出现积水，同时也存在诸多不易察觉的问题：作物叶片色泽暗淡、出现花斑，田间杂草滋生，作物长势参差不齐且普遍缺氮。并非只有英国这类湿润地区需要排水设施，在依靠灌溉种植作物的干旱区域，也必须搭建完善的排水系统，确保灌溉水能够顺利排走。

修建排水设施属于一项资金投入。农户在投入大额资金修建排水工程时，都希望能依靠作物增产收回成本。开展排水工程的成本效益分析，需要综合考量以下因素：

·作物的经济价值

·作物对渍水环境的耐受能力

·作物的采收要求（例如部分作物需要大型采收机械作业，要求土壤坚实、排水通畅）

各类排水方式介绍

假设修建排水设施具备经济价值，那么可选择的排水方案有很多。具体采用哪种方式，需结合积水问题的严重程度以及治理预算来决定。若土壤积水是因水分下渗、流动速度缓慢导致，排水工程需保证土壤在48 小时内达到田间持水量；若积水根源是地下水位偏高，则排水作业要将地下水位降至地表以下 1 至 2 米处（见图 6.2）。

排水措施主要分为地表排水和地下排水两大类。

图 6.2 示意图：针对土壤透水缓慢或地下水位偏高引发的积水问题，排水工作的治理目标

一、地表排水工程（排水沟）

你是否留意过不少农田四周都挖有深沟？这类沟渠大多用于排水。它施工简便，既可单独使用，也可配合其他排水设施联用。排水沟能快速排走多余积水，但缺点是会占用耕地。

排水沟常规开挖深度为 1.0 至 1.5 米，适用于地下水位偏高的地块，在土壤透水性能较好的中、粗质地土壤中排水效果尤为突出。沟渠两侧边坡易发生坍塌，因此需要定期维护加固，保持沟渠深度达标，同时清除杂草与杂物，避免堵塞（见图 6.3）。

二、地下排水工程

对于透水性差的土壤，仅靠排水沟远远不够，还需搭配地下排水设施。地下排水管道必须铺设在地下水位或土壤饱和层以下才能发挥作用。常见的地下排水形式主要有三种：瓦管排水、鼠道排水以及深松整地。

1.瓦管排水

将陶土管首尾相接铺设形成排水管道，土壤中的积水渗入管内，再经由管道汇入农田外围的排水沟。如今也常用带孔塑料管替代陶土管，二者工作原理一致，且塑料管原料成本更低（见图 6.4）。

图 6.3 排水沟在透水性较好土壤中的应用

图 6.4 土壤透水性极差时，需在排水沟基础上增设地下排水设施

1.鼠道排水

鼠道排水属于临时性排水结构，依靠鼠道犁施工完成。作业时，将鼠道犁牵引至地下 40 至 100 厘米深度行进。该农具的底端配有弹头状的犁头，作业时每隔 2 至 3 米开出一条地下暗洞，多余水分便可汇入暗洞排出。

鼠道排水在黏重土壤中效果显著，虽然每隔 5 至 12 年就需要重新施工，但铺设成本低廉（见图 6.5）。

1.深松整地

若积水问题由底层土壤板结导致，可使用深耕犁疏松底土层，击碎紧实板结的土层，这项作业就称为深松整地（见图 6.6）。

施工时的土壤含水量，直接影响鼠道排水和深松整地的效果。开挖鼠道时，土壤需保持适度湿润，保证犁具顺利穿行，避免土体碎裂或出现糊泥现象；而深松整地则要求土壤相对干燥，这样深耕作业才能彻底击碎不透水的板结层。

图 6.5 鼠道犁（改编自 R.E. 怀特《土壤科学原理与实践》，1997 年，牛津布莱克韦尔科学出版社）

图 6.6 深耕犁用于破除板结土层（改编自 R.E. 怀特《土壤科学原理与实践》，1997 年，牛津布莱克韦尔科学出版社）

如果地块排水条件极差，通常需要组合使用排水沟、瓦管，并搭配鼠道排水或深松耕。在主瓦管排水系统之外增设的鼠道排水、深松耕等措施，统称为辅助排水处理（见图 6.7）。

排水管道有多种布设形式，常见的包括鱼骨式、自然式和截水式，图 6.8 展示了这几种典型的排水布局，具体采用哪种形式需结合当地实际条件判断。

修建排水设施也存在一定弊端，最主要的问题是土壤养分会随排水流失，进而造成水体污染。因此在开展土地综合管理时，必须充分考量这一问题。

图 6.7 针对排水条件极差的土壤采用的辅助排水措施

图 6.8 排水管道可选用多种布设形式，具体方案依据现场条件确定

水分不足的应对办法：存蓄现有水分与人工补水

自然环境中，许多植物为适应易发生水分胁迫的生长环境，逐步演化出各类生理适应机制。比如将繁殖周期调整至雨季、长出深根系、形成蜡质表层，或是发育出储水器官。但对于经济作物，我们无法照搬这类生理特性（试想若人类只能以仙人掌为食便可知晓）。不过，我们可以通过两种相辅相成的方式提升水分供给：一是最大限度存蓄土壤中的天然水分，二是人工补充水分，也就是灌溉。下文首先介绍如何提升土壤的储水能力。

提升有效储水量：水分保蓄

我们再来回顾第二章讲到的土壤有效水概念。可供作物生长利用的土壤水分，即土壤有效水，指的是介于田间持水量（土壤含水量达到饱和状态）与萎蔫系数（土壤水分过低，无法为植株供水）之间的水分总量。土壤的有效储水能力取决于土质、土壤结构与土层厚度。通过科学田间管理，降雨有时便能完全满足作物的用水需求。提升土壤储水量主要有三大途径：

1.减少水分蒸发损耗

2.加快雨水下渗速度

3.利用休耕期实现多年水分蓄积

人们通常想当然地认为，大部分降雨都会渗入土壤并被植物吸收利用，但实际并非如此。在植被茂密的区域，多达 40% 的雨水会被植物冠层截留，随后直接蒸发至大气中，始终无法落到地面，这一现象被称作截留损耗。

热带地区的雨水截留与蒸发损耗问题尤为突出。当地多短时强降雨（降雨强度大于 25 毫米 / 小时），这类降水还会破坏土壤结构，造成土壤板结（详见第二章），阻碍雨水下渗。在陡坡地带，水分还会以地表径流的形式流失：当降雨强度超过土壤下渗能力时，雨水无法就地积存，会顺着地表流动，直接汇入溪流与江河，完全无法渗入土层。地表径流不仅造成水资源浪费，还会引发水土流失与土壤养分流失。图 6.9 展示了专门的田间耕作措施，这类措施能够在幼苗周边截留水分。

在地表持续覆盖作物残茬（即覆盖物），可以减少蒸发损耗、缓解土壤板结，同时加快雨水下渗。覆盖物能够保护地表免受雨水冲刷，减少径流产生，抑制水分蒸发。陡坡地块可修整为梯田，进一步降低径流风险。借助休耕制度、严控水分蒸发，也能提升土壤储水量。让土地休耕一季，便可将历年降水持续蓄积在土壤当中。图 6.10 汇总了各类水分保蓄技术。

图 6.9 可通过耕作打造特殊集水结构。图中利用土体挖出连片浅坑汇集雨水，提升土壤湿度，提高幼苗成活率。

人工补水：灌溉

即便采取了各类保水措施，部分地区仍会出现作物关键生长期供水不足的问题。缺水问题并非只出现在气候炎热的区域，成因也多种多样。举例来说，即便在英国多云的夏季，每公顷农田的作物每日蒸腾耗水量也可达 25 至 30 吨。此外，作物超出原生适生区种植、覆盖保水等措施落地条件受限，或是遭遇极端干旱年份，都会导致缺水。面对这些情况，灌溉就成为主要的解决手段。

目前，全球约有 2.7 亿公顷耕地配备了各类灌溉设施。中国、印度、巴基斯坦、俄罗斯等国都建有规模庞大的灌溉工程，诸多小型国家也在大力发展灌溉系统。

图 6.10 休耕与地表覆盖均可增加土壤储水量。覆盖物既能促进雨水下渗，又能减少蒸发，帮助土壤逐年蓄积水分。

埃及、以色列、苏丹和伊拉克等国的农业生产几乎完全依赖灌溉。英国洛桑试验站的土壤物理学家 H.L. 彭曼曾指出：“高效灌溉的价值，在于能在晴好的夏季里，为农田营造出多雨夏季的水分条件。” 农田补水的方式主要有以下几种：

漫灌：从河流、湖泊等地表水源引水灌溉。这种方式仅适用于地势较为平坦的土地，在蒸发量大的地区还会造成水资源浪费。

沟灌：原理与漫灌相近，水流顺着作物行间的沟渠流动，持续补充土壤水分。

喷灌：借助洒水器或喷灌臂向作物洒水。喷灌臂可连接动力装置，在田间移动作业。还有一种旋转式喷灌设备，也就是中心支轴式喷灌系统，作业时会绕中心点旋转，在地面形成大片圆形的绿色作物区，乘坐飞机飞越灌溉农田时，常常能看到这样的景观。喷灌也存在不少弊端：设备购置成本较高；大风天气下水流容易偏离浇灌区域；此外，喷洒在作物叶片上的触杀型农药，也可能被灌溉水冲刷流失。

滴灌：对于土壤结构松散的地块，灌溉作业必须格外谨慎，避免地表板结。顾名思义，滴灌是通过带孔管道将水分直接输送至作物根部。水滴不会直接冲击土粒，能有效防止结构脆弱的土壤因团粒破碎而出现板结问题。

地下灌溉：利用带孔塑料管道在地下为作物供水。这种灌溉方式对管控要求极高，既要保证作物获得充足水分以实现最优生长，又要避免田间出现积涝。在蒸发旺盛的热带地区，地下灌溉系统通常需要搭配地表喷水作业，以此缓解土壤盐分累积问题，本章后续会对此展开详细说明。

灌溉带来的潜在风险

灌溉并非简单地给作物浇水。如果灌水量不当，或是灌溉水质不达标（尤其是水体含盐量超标），农户不仅会浪费水资源，还会对土壤造成损害。部分地区因灌溉管理不善，土壤退化问题十分严重，若不采取修复措施，土地将彻底无法开展农业生产。盐分迁移就是典型的灌溉衍生问题，澳大利亚、美国、加拿大等地均出现过这类情况。该问题的成因主要是灌溉用水过量，再加上原生林地被改造为经济作物田，进而导致地下水位上升。上升的地下水会溶解土壤下层的盐分，最终含盐的地下水浸透作物根系层，致使整片农田减产甚至绝收。目前澳大利亚采用抽取地下水的方式治理该问题：将地下水抽入蓄水池任其蒸发，之后收集析出的盐份进行售卖，所得收入再用于补贴抽水作业的开支。

想要实现科学灌溉，首先要明确以下几个核心问题：

作物何时需要补水？

作物的需水量是多少？

灌溉用水的水质如何？

作物在整个生长周期内都需要充足水分，才能达到最佳生长状态。如今多国农业部门都会发布参考表格，列明当地各类作物易受水分胁迫的生长时段。不少作物在特定生育阶段对缺水尤为敏感。例如豌豆，在开花授粉和豆荚膨大期供水充足，就能实现高产；一旦这一关键时期水分不足，产量便会明显下降。再比如萝卜，肉质根开始膨大的阶段（一般在 4 至 5 月）必须及时灌溉；甜玉米等作物则在整个生长期内，都难以耐受水分不足的状况。灌溉作业需在作物关键生长期补足水分，但切记不可过量，否则既浪费水源，还会造成土壤养分随水下渗流失，反而影响作物生长。

确定合理灌水量，需要综合考量三大因素：作物本身的需水量、降雨与地下水所能提供的天然水量、灌溉前土壤现有的含水量。

作物需水量和蒸腾速率密切相关。业内通常以牧草等植物为参照计算潜在蒸腾量，再结合对应修正系数，换算出目标作物的实际蒸腾速率。结合太阳辐射、风向风速、气温等气象数据，便可得出农田的潜在蒸散量最大值。

土壤水分会通过作物蒸腾、地表蒸发以及地下排水三种途径流失。农业领域常用土壤水分亏缺值（SMD） 来表征土壤墒情，该数值指将土壤恢复至田间持水量所需补充的水量，单位为毫米。图 6.11 展示了两类土壤的土壤水分亏缺情况。

农田灌水量一般以灌水深度来衡量，例如标注灌水量 25 毫米，即代表整片灌溉区域均匀浇灌 25 毫米深的水量。在很多国家，商业农业服务机构或政府农业部门会为农户测算区域土壤水分亏缺数据，并将其纳入农技推广服务范畴。

是否启动灌溉，也取决于种植的作物种类。土豆就对水分胁迫十分敏感，英国相关农技建议提出：在中等质地土壤上，每年 6 至 8 月，当土壤水分亏缺值处于 25 至 40 毫米区间时，需为土豆田补充 25 毫米水量。而在同种质地的土壤上种植谷物，通常则无需额外灌溉。表 6.1 列举了两种作物的灌溉方案。

图 6.11 灌溉用水量可结合土壤水分亏缺量确定。下图直观展示了土壤水分随时间的变化：土壤水分会因排水和蒸散作用不断流失，进而形成土壤水分亏缺。

表 6.1 大田作物灌溉方案

资料来源：英国农业发展咨询局 / 农业、渔业与食品部，1981 年，《灌溉技术》（农业发展咨询局参考丛书第 138 册），伦敦：农业、渔业与食品部出版社。

在气候普遍冷凉、灌溉水质优良的地区，仅补充作物蒸散消耗的水分，通常就能满足灌溉需求。但在气候炎热的区域，土壤水分蒸发流失量大，此时除了供给作物生长所需水分外，还需额外灌水，避免土壤盐分不断累积。可通过两项措施应对盐分危害：第一，选用含盐量处于安全范围的灌溉用水；第二，在作物需水量之外增灌水量，借助排水将土壤中积聚的盐分淋洗出去，这部分额外水量就称为淋洗需水量。

表 6.2 灌溉水质盐分危害分级

表 6.3 作物耐盐性（作物绝收时对应的土壤电导率）

资料来源：R.S. 艾尔斯、D.W. 韦斯特科特，1976 年，《农业用水水质》（灌溉与排水丛书第 29 号），罗马：联合国粮食及农业组织。

自然界中所有水体（未经蒸馏等处理时）都含有溶解性物质，包括有机分子与无机离子，各类离子结合后便会形成盐分。灌溉水中常见的离子主要有钙离子、镁离子、钠离子、氯离子、硝酸根离子、碳酸氢根离子和硫酸根离子。

水体含盐量可通过测定电导率快速判定，溶解盐含量越高，水体电导率数值就越大，常用单位为毫姆欧 / 厘米（也记作分西门子 / 米）。依据电导率数值，可对灌溉水进行等级划分，盐分危害分级标准详见表 6.2。据测算，即便使用电导率为 1.15 分西门子 / 米的水源，作物整个生长季累计灌水 124 厘米时，每公顷土地也会随之带入 9 吨盐分。

表 6.2 中的电导率数值仅作为参考标准，不同作物的耐盐能力存在差异。若作物耐盐性较强，农户也可选用水质稍差的灌溉用水。表 6.3 列举了部分常见作物的耐盐指标。

淋洗需水量由灌溉水质决定，指为抑制土壤盐分累积所需补充的最低额外水量。在炎热地区开展灌溉作业时，控盐工作至关重要，灌溉方式不当会导致土壤盐渍化，彻底丧失农业利用价值。

表 6.4 联合国粮农组织作物耐盐标准

资料来源：R.S. 艾尔斯、D.W. 韦斯特科特，1976 年，《农业用水水质》（灌溉与排水丛书第 29 号），罗马：联合国粮食及农业组织。

假设已完成灌溉水质检测，且水质符合种植作物的要求，正式灌溉前还需计算淋洗需水量。计算公式引自联合国粮农组织 1976 年发布的《灌溉与排水丛书第 29 号》。

作物总灌水量（含淋洗需水量）可通过对应公式计算得出。

多国农业部门都会为农户提供灌溉时机与灌水量的专业指导，联合国粮农组织也制定了通用灌溉规范。下面结合玉米灌溉案例，对上述内容进行说明。

示例：某灌溉水源电导率为 1.7 分西门子 / 米。玉米有 20 天的水分关键期，此阶段作物日蒸腾量为 5 毫米，请制定灌溉方案。

首先，核查该水源水质是否符合联合国粮农组织规定的安全标准。其次，查阅粮农组织发布的作物耐盐数据表（节选玉米相关数据见表 6.4）。数据显示，使用电导率 1.7 分西门子 / 米的水源灌溉，土壤电导率会达到 2.5 分西门子 / 米，玉米产量或将下降 10%，但该盐分水平仍在玉米耐受范围内。

第三步，套用公式计算淋洗需水量。

最后，总灌水量 = 作物蒸散总量 + 淋洗需水量。作物 20 天蒸散总量：5×20=100 毫米，叠加淋洗需水量后， 

整片地块 20 天内需总计灌水 119 毫米，既满足作物用水需求，也能有效控制土壤盐分累积。

改变土壤物理性状：土壤耕作

提起农业劳作，人们脑海中浮现的经典画面，莫过于拖拉机牵引着犁具翻耕土地，这一景象深入人心。但如今在全球诸多地区，农业生产与土壤耕作（也常称整地）早已不再画等号。在介绍各类替代耕作方式前，我们先来了解植物根系的生长特点，并思考一个问题：耕地翻土究竟是为了实现哪些目标？

犁具的作用是扰动土壤，击碎土块、破除板结土层，以此扫清植物根系生长的物理障碍。土壤耕作的主要目的如下：

1.疏松土壤，破除各类硬结层，提升土壤透气性与排水能力；

2.掩埋杂草与作物残茬，避免杂草和作物争夺养分；

3.起垄造畦，为不耐涝作物营造适宜的生长环境；

4.细化土粒、优化土壤耕层结构，让种子与土壤充分接触。

良好的耕层结构能帮助作物更好地吸收水分和养分，助力幼苗根系快速延展、扎根成活。

在英国等地区，耕作也是处理作物残茬的重要方式。例如秸秆若留在地表，分解速度较慢，一旦翻埋入土，腐解效率会大幅提升。土壤耕作的方式有很多种，不同工艺对土壤的扰动形式、作业深度各不相同。根据作业深度，可将耕作分为初级耕作和次级耕作两大类，深耕作业一般会采用初级耕作技术。

图 6.12 铧式犁结构组成

耕作方式的选择，需要结合土壤类型、作物生长需求及燃油成本综合考量。长期以来，铧式犁都是英国应用最广泛的耕作农具。它除了翻松表层土壤外，还能有效掩埋杂草和作物残茬。部分质地黏重的土壤，在经过铧式犁深耕后，还需要配合次级耕作，进一步粉碎残留的大土块。

土壤水分对耕作的影响

土壤耕作是一项讲究时机的技术活，必须在土壤含水量处于适宜区间时开展。若土壤过干或过湿时耕作，都会破坏土壤结构：要么形成坚硬大土块，要么造成土层板结，形成硬结层。

我们可以通过黏土团粒来理解这一特性：取一块质地黏重的干土团，用手指捏压，土团不会发生任何变化。这是因为干燥状态下的土团硬度最大，仅凭手指的力量无法将其碾碎。向土团中加入少量水分后，土团硬度下降，此时手指便可将其捏碎；继续加水，捏压土团就会变成泥糊状；若水分含量过高，无需外力挤压，土团便会自行散开，形成泥浆。

土团硬度随土壤含水量升高而下降，这一规律在工程建设与农业生产中都有着重要意义，相关研究领域被称作土壤力学。该学科主要探究土壤的承载能力，以及含水量变化对土壤承载力的影响。土壤物理性质随含水量的变化规律详见图 6.13。

图 6.13 土壤含水量对物理性状的影响

土壤含水量决定了土壤可呈现固态、半固态、塑态、液态四种状态，这一关系对土壤耕作和岩土工程都具备重要参考价值。

结合土壤力学原理来看耕作作业：略微湿润的土团受外力挤压会碎裂，水分过高则会被碾成泥糊。犁具作业的原理与之相似。在黏土含量高的地块，土壤过干时耕作，会形成坚硬土块，阻碍根系生长；土壤过湿时耕作，泥土易被挤压糊化，进而形成板结层，也就是常说的犁底层。

最适宜的耕作状态，是土壤湿度刚好能碎裂成细小土粒，又不会因水分过高糊化板结，此时的土壤状态称为酥软状态，特点是松散易碾碎。这一适宜含水量介于两个临界值之间：下限为缩限，即土壤继续失水后，整体体积不再发生变化；另一个临界值为塑限，代表土壤从脆硬状态转变为可塑状态的分界点（参考图 6.13）。工程人员可对这两个指标进行精准测定，而农户凭借肉眼观察、搓捻土壤，也能凭借经验判断土壤是否处于适宜耕作的状态。

尽管传统耕作方式具备诸多优势，但如今全球不少区域已不再适合使用铧式犁等深耕农具。这类传统耕作模式被引入部分地区后，曾引发严重的生产问题，美国、澳大利亚等地都出现过相关案例。为此，业内研发出多种新型耕作技术，力求将对土壤的扰动降到最低。其中，少耕仍会采用机械适度松土；而免耕 / 直接播种模式则完全不扰动土层。

减少土壤扰动能带来诸多益处：节约燃油、增强土壤结构稳定性、减轻水土流失、提升土壤保水能力。

免耕模式下，直接在前茬作物残茬或草皮上播种新作物。这类减耕技术的核心优势在于，土壤表层长期被覆盖，大幅降低土壤受侵蚀以及水分蒸发的损耗，同时因耕作深度变浅、机械作业能耗减少，也能节约燃油。举例来说，深耕 20 厘米作业 1 公顷土地，需翻动约 3000 吨土壤；深耕 10 厘米的翻土量则减半。

不过免耕模式也存在短板：由于不再通过翻土掩埋杂草，无法依靠传统方式控草，只能增加除草剂的使用量，一定程度上抵消了燃油节约带来的成本优势。

研究表明，免耕土壤因大孔隙整体数量减少，容重通常更高，但这一情况并不会对水分入渗速率造成影响。究其原因，是免耕模式下的孔隙网络连通性更强。例如，在免耕农田中，蚯蚓孔洞和植物根系通道往往能从表层土壤一直延伸至底土层。不同于传统耕作模式，这些通道不会被犁具破坏，可让水分快速下渗排走。

据统计，目前美国 65% 的农作物种植区都采用了少耕或免耕模式，而英国这一比例仍不足 30%。二者差异主要源于气候条件。英国降雨充沛，加之需要翻埋作物残茬、防控杂草，因此传统主耕方式仍被广泛使用。

核心要点

植物依靠土壤获取水分、养分，同时依托土壤缓冲外界环境、固定植株。

土壤水分过多会引发一系列问题：土壤含氧量不足、有害物质累积、氮肥利用率降低，还会加剧杂草滋生。

农田可通过两类方式排水：一是沟渠等地表排水设施，二是暗管排水、鼠道排水、深松耕等地下排水措施。

排水工程的目标通常是让农田在 48 小时内恢复至田间持水量；若问题源于地下水位过高，则需将地下水位降至地表以下 2 米处。

排水系统可采用多种布设形式，常见的有鱼骨式、自然式和截流式。

若农田缺水，可采取保水措施提升现有水资源利用率，例如减少水分蒸发、增加雨水入渗，或是利用休耕期实现多年储水。

若保水措施效果不佳，则需开展灌溉作业。灌溉方式种类繁多，漫灌等方式操作简单，还有部分方式需要投入大量资金修建储水设施与灌溉设备。

灌溉管理不当会破坏土壤肥力。开展灌溉前，必须检测灌溉用水的含盐量，并据此计算淋洗需水量，以此避免土壤盐分不断累积。

合理耕作能够打造适宜作物根系生长的环境，同时起到除草作用。根据入土深度的不同，耕作机具可分为主耕机具和副耕机具。

耕作作业必须在土壤处于最佳含水率时进行，大多数土壤的适宜含水率区间位于缩限与塑限之间。

部分气候区域不建议使用主耕方式。在土壤易发生高强度侵蚀的地区，普遍推行少耕或免耕模式。

二、如何优化土壤化学环境以适配作物生长

为作物营造适宜的化学环境

除了为作物创造良好的物理生长条件外，还需优化土壤化学环境：一方面防止有害物质富集，另一方面补充作物所需养分。在农业生产中，最主要的手段就是施用石灰调节土壤酸碱度，同时施加化肥补充养分。

如何施用石灰调节土壤酸度

自然状态下的土壤本身就存在酸化趋势，主要诱因包括降雨、微生物呼吸作用以及作物对养分的吸收。即便是在无污染区域，雨水也呈弱酸性，经过长期淋溶作用后，土壤酸碱度会与雨水达到平衡，最终 pH 值稳定在 5.0 至 5.6 之间。此外，微生物呼吸会释放二氧化碳，二氧化碳溶于土壤水分后会形成弱酸，进一步加剧酸化。而农田土壤的酸化速度通常更快，一方面是部分肥料（尤其是铵态肥料）会助推酸化，另一方面作物收获后，土壤中能够中和酸性的盐基阳离子也会随之流失。

图 6.14 英国五年平均农田石灰年施用量

（资料来源：K. 古尔丁、B. 安尼斯，1998 年，《石灰、施用石灰与土壤酸度管控》，第 410 号论文集，约克肥料学会）

土壤 pH 值还会显著影响多种植物养分的有效性。不同养分发挥效用的最佳酸碱度存在差异，一般而言，耕地土壤的适宜 pH 范围为 6.5 至 7.0（见图 3.13）。若土壤酸碱度偏离这一最优区间，就必须采取改良措施，否则作物产量和长势将无法达到预期水平。

人们可通过施用化学药剂调节土壤 pH：土壤碱性过强时，可施加硫酸亚铁或硫磺；土壤酸性过高时，则施用石灰。绝大多数农田都会逐步酸化，据估算，英国三分之二的耕地在种植周期内都需要施用石灰改良。自 20 世纪 60 年代末起，英国农田石灰施用量持续下降，如今该国不少区域（尤其是山地）的土壤已出现酸化问题（见图 6.14）。草地土壤的情况尤为严峻，近期调查显示，实施石灰改良的草地面积与单位面积施用量均减少了 20%。当土壤 pH 值低于 4.0 时，会直接损伤作物根系；即便酸度稍低，过高的酸性物质也会导致作物茎叶出现黄斑、生长迟缓、叶脉发紫等症状。不同作物对土壤酸性的耐受能力各不相同，表 6.5 整理了各类作物的耐酸性分级情况。

表 6.5 按耐酸性划分的作物类别

（资料来源：加利福尼亚肥料协会土壤改良委员会，G.R. 霍克斯等人，1985 年，《西部肥料手册》，伊利诺伊州丹维尔市州际印刷出版公司）

土壤强酸性会引发诸多问题。当土壤 pH 值降至 5.5 以下时，铝离子会占据土壤胶体的主要交换位点。高浓度的三价铝离子会抑制植物细胞分裂与根系伸长，根系短粗、表皮发褐是铝中毒的典型表现。同时，强酸性环境还会使磷等养分变为无效态，也会让部分有害重金属转为可溶状态，危害作物生长。

施用石灰是改良土壤酸度的主要方式。常用石灰改良原料包括碳酸钙（方解石）、氧化钙、碳酸镁（白云石）等。石灰能够中和土壤酸性，其原理是通过简化化学反应降低土壤溶液中的氢离子浓度。

随着土壤溶液中氢离子不断被消耗，氢氧根离子占比随之上升；钙离子会附着在土壤交换位点上，降低土壤交换性酸度。三价铝离子则会与氢氧根结合，生成难溶于水的三水铝石，铝离子带来的毒害也随之解除。简言之，施用石灰可降低氢离子浓度、提升土壤钙离子含量，并将有毒的铝离子转化为稳定的固态物质，消除其危害。

石灰改良物料与施用量

农业用石灰品类繁多，既包括碾碎的贝壳，也涵盖高炉碱性矿渣。目前市面上主流的改良原料，多由石灰石或白垩经粉碎、煅烧制成。石灰石纯度不一，其中方解石与白云石的含量占比在 75% 至 99% 之间。生石灰石粉碎后反应速度偏慢，将其高温煅烧可制得生石灰（氧化钙），能加快中和反应；生石灰加水后则会转化为熟石灰（氢氧化钙）。

表 6.6 20 厘米土层耕地土壤石灰施用量参考标准

（资料来源：K. 古尔丁、B. 安尼斯，1998 年，《石灰、施用石灰与土壤酸度管控》，第 410 号论文集，约克肥料学会）

行业通常以氧化钙为参照，衡量各类石灰物料的中和酸性能力，该指标称为中和值，一般以百分比表示。例如，石灰石粉的中和值为 50，熟石灰的中和值为 70。英国制定石灰施用量时，会综合考量三大因素：土壤质地、现有 pH 值、对应作物所需的目标 pH 值。

黏质土壤的缓冲能力更强，中和同等酸度所需的石灰量要多于砂质土壤（可参照第三章中水罐缓冲作用的类比理解）。石灰需求量，指将 20 厘米深土层的 pH 值调节至作物适宜目标值所需的石灰用量，单位为吨 / 公顷。表 6.6 列出了不同质地土壤种植大田作物对应的石灰需求量。

石灰需求量可通过对应公式计算得出。

举例：种植甜菜前测得土壤 pH 值为 5.0，低于该作物临界 pH 值 5.9，因此需要施用石灰改良。该地块为砂质土壤，结合表 6.6 标准，即可算出具体石灰施用量。

美国则依据六种土壤类型、五个 pH 区间制定石灰施用标准（详见表 6.7）。

养分供给：肥料

自然环境中，植物养分最终来源于岩石风化与大气沉降，养分随后在土壤中不断循环利用（详见第四章）。部分土壤（如砂质土）本身养分储量偏低；还有一些土壤初期养分储量尚可满足作物生长，但连年种植后养分也会逐渐耗竭。当土壤有机质等其他来源的养分无法支撑作物需求时，就需要施用肥料。

表 6.7 调节土壤酸碱度所需石灰石用量

资料来源：改编自加利福尼亚肥料协会土壤改良委员会，G.R. 霍克斯等人 1985 年编著《西部肥料手册》，伊利诺伊州丹维尔市州际印刷出版公司。

多数作物施用肥料后长势显著改善，这也说明施肥在多数情况下是一项收益可观的投入。各类施肥指导方案的核心目标，是通过科学施肥让作物产量达到经济最优值，同时将对环境的污染降至最低。想要实现这一目标，就必须做到适时、适量施肥。

不同作物的养分需求略有差异，微量营养素的需求差别尤为明显，但总体而言，所有植物都需要大量的氮、磷、钾、硫、镁元素。部分作物还需要额外补充微量元素。施肥量不足，作物产量便无法达到预期水平；施肥过量不仅会增加种植成本，还会降低农产品品质，同时诱发各类生理性病害，例如作物茎秆倒伏。

施肥量主要依据以下三项指标确定：

1.结合预期平均产量，核算作物的养分需求量；

2.评估土壤自身的供肥能力；

3.测算土壤的养分流失量。

长期以来，全球各地的农业科研站一直在优化施肥量，帮助农户实现经济效益最大化。肥料试验会设置不施肥组以及不同施肥梯度的组别，以此确定合理的施肥用量与施肥时机。这类试验也常用来探究增施有机质、石灰等其他田间管理措施对作物生长的影响。图 6.15 为典型肥料试验田，从地块间作物色泽差异，可直观看出不同处理方式带来的效果区别。

图 6.15 肥料试验用于确定适宜的施肥时机与用量

图中是位于英国洛桑农业研究所的长期定位肥料试验田，也是全球运行时间最久的田间试验。（图片由英国洛桑农业研究所摄影部提供）

试验结果表明，增施肥料能大幅提升作物长势与品质，但随着施肥量持续增加，产量增幅会不断收窄，直至额外投入的肥料成本超过增产带来的收益，这一规律被称为报酬递减律。若施肥量过高，还会产生肥害，反而抑制作物生长。作物产量随施肥量变化的典型曲线详见图 6.16。

图 6.16 作物长势随施肥量的变化规律

依托大量肥料试验数据，农业部门得以向农户提供通用的田间施肥指导。英国农业、渔业与食品部曾发布施肥准则，指导农户在不同环境条件下，针对各类作物制定最优施肥方案。下文将结合该部门推出的方案，介绍氮、磷、钾肥施用量的计算方法。

氮肥

绝大多数作物对氮素需求量较大，氮元素对作物产量和品质的影响远超其他养分。通过叶片检测以及观察植株特征（叶片发黄、作物早熟等），可以判断作物是否缺氮。反之，氮肥施用过多时，作物枝叶会变得浓绿繁茂，成熟期也会延后。

英国农渔食品部的施肥体系中，氮肥最优施用量主要结合三项条件计算：区域降雨量、土壤类型、前茬作物种类。

区域降雨量决定了养分随雨水淋溶流失的潜在规模；土壤质地则会影响土壤固有养分储量、作物对肥料的吸收利用率，以及前茬作物残体养分还田的效果。举例来说，在砂质土壤中，常规作物对肥料的利用率约为 70%，而粉土、黏土等质地黏重的土壤，肥料利用率仅为 60%。

前茬作物会直接影响土壤中残留有机质的数量与类型。碳氮比低的作物残体更易被微生物分解，在下一茬种植季能释放更多氮素；碳氮比高的残体释氮能力则偏弱。因此，计算当季施肥量时，必须将前茬残体归还的氮素纳入考量。

测算合理氮肥用量的关键，是评估土壤供氮量，也就是土壤自身能够为当季作物提供的氮素总量。土壤供氮能力主要取决于土壤质地和前茬作物残体类型。不过土壤中的氮素并不会全部被作物吸收，一部分会通过淋溶、反硝化作用、氨挥发等途径流失，计算施肥量前需要先扣除这部分损失。土壤供氮量的测算流程如图 6.17 所示。

图 6.17 结合土壤供氮量可计算氮肥施用量，土壤供氮量为土壤氮素输入量减去流失量。作物预估需氮量减去土壤供氮量，所得数值即为所需施用的氮肥量。

英国会依据年降雨量将全国划分为三个区域来估算氮素流失情况：年降雨量不足 600 毫米、600 至 700 毫米、超过 700 毫米的区域。随后结合土壤类型与降雨分区制定施肥建议，并据此计算养分指标值，再依靠该指标确定氮肥施用总量。表 6.8 展示了中等降雨区（年降雨量 600~700 毫米）内，不同土壤类型结合前茬作物计算土壤供氮指标的方法；表 6.9 则举例说明如何利用该指标计算冬小麦的氮肥施用量。

磷元素与钾元素

施用磷、钾肥的原则与氮肥一致，即在适宜时期施用适量肥料。植物可吸收特定形态的磷素，磷的有效性与土壤酸碱度密切相关。作物缺磷通常表现为生长迟缓、长势衰弱、籽粒和种子发育不良，茎叶还会呈现紫蓝色调，且不同作物对磷肥的反应存在一定差异。作物缺钾时，叶尖会干枯、抗旱能力下降、茎秆细弱，叶片也会发黄。土壤质地（尤其是黏土含量与黏土矿物类型）会显著影响钾素的有效性。

土壤磷、钾指标值可通过测定土壤中可提取态磷、钾的含量直接算出，依据检测结果可将土壤划分为九个等级。对于多数大田作物，适宜的土壤磷含量为 16~25 毫克 / 升、钾含量为 120~180 毫克 / 升，对应指标等级为 2 级。增施磷肥以提升土壤磷储备，往往需要数年才能显现效果；而钾元素在土壤中的移动性相对更强。

表 6.8 中等降雨区土壤供氮指标（年降雨量 600~700 毫米，或冬季多余降雨量 150~250 毫米），按前茬作物划分

资料来源：英国农业、渔业和食品部，2000 年《大田与园艺作物施肥指南》（RB 209），第 7 版，伦敦农业、渔业和食品部出版社

表 6.9 秋播及初冬播种小麦：基于土壤供氮指标计算需氮量

资料来源：英国农业、渔业和食品部，2000 年《大田与园艺作物施肥指南》（RB 209），第 7 版，伦敦农业、渔业和食品部出版社

表 6.10 土壤磷、钾目标指标

资料来源：英国农业、渔业和食品部，2000 年《大田与园艺作物施肥指南》（RB 209），第 7 版，伦敦农业、渔业和食品部出版社

表 6.10 列出了大田作物适宜的土壤磷、钾含量标准。当土壤养分达到目标指标后，后续施肥量只需补足当季作物收获所带走的磷、钾即可。相关参考表记录了各类作物收获时平均的磷、钾携出量，可作为施肥依据，表 6.11 列举了多种作物植株内的磷、钾含量。

除上述依托土壤与气候条件制定的预测型施肥方案外，还可在作物整个生长期开展植株营养诊断。表 6.12 标注了西蓝花、甘蓝等多种作物植株的适宜养分含量标准，若植株养分检测值低于标准范围，就需要及时追肥。

表 6.11 作物植株中的磷、钾含量

资料来源：英国农业、渔业和食品部，2000 年《大田与园艺作物施肥指南》（RB 209），第 7 版，伦敦农业、渔业和食品部出版社

表6.12 作物植株养分检测参考标准

资料来源：改编自加利福尼亚肥料协会土壤改良委员会相关文献，霍克斯等人（1985）《西部肥料手册》，伊利诺伊州丹维尔市：州际印刷与出版公司

肥料类型与施用时机

肥料存在多种施用形态。想要合理选择肥料，需明确以下几项关键信息：

1.肥料的养分含量；

2.各类养分的化学形态；

3.肥料物理状态，即液态或固态；

4.按每千克纯养分计算的肥料成本（而非每千克肥料成品）；

5.肥效快慢。

应在作物即将出现必需养分短缺时施用肥料。具体时机因作物种类略有差异，但多数作物在生长前期最为敏感：此时植株生长迅速，根系却尚未发育完全，养分吸收能力较弱。

氮肥可选用尿素、硝酸铵、硫酸铵、硝酸钙铵等多种形态。磷肥分为两类，一类是过磷酸钙、重过磷酸钙等速效水溶性磷肥，另一类是磷矿粉等难溶性磷肥，后者肥效释放周期更长。磷元素极易丧失被作物吸收利用的活性，若作物适宜生长的土壤酸碱度超出磷元素的有效溶解范围，这一问题会更加突出。通常情况下，当季施用的磷肥仅有 10%~20% 能被作物吸收，其余部分会转化为难溶物质，缓慢释放养分。

肥料与生态环境：如何降低污染风险

1991 年，欧盟出台指令，要求各成员国在地表水与地下水硝酸盐浓度超过 50 毫克 / 升时，着手削减硝酸盐污染。为落实该规定，英国于 1998 年在英格兰和威尔士划定 68 个硝酸盐易感区，总面积达 60 万公顷。区域内农户必须遵守管控规范，降低土壤硝酸盐含量，核心要求如下：

1.秋冬季节禁止施用化肥；

2.浅层土、砂质土上，禁止施用粪浆、污泥及其他农家肥；

3.整片农场范围内，草地农家肥施用量上限为每公顷 250 千克纯氮，耕地上限为每公顷 170 千克纯氮；

4.单块农田的农家肥施氮量不得超过每公顷 250 千克；

5.陡坡地、积水田、冻土及覆雪农田，禁止施用化肥与农家肥；

6.农户需参照英国农业、渔业与食品部等机构制定的施肥指导方案开展作业；

7.肥料需施用于距离河道 10 米以外的区域；

8.农场必须配备足够容量的粪污储存设施。

目前欧盟正针对规模化养殖畜禽的氨排放制定同类管控措施，部分生猪、家禽养殖产业现已纳入相关法规监管。

农田磷元素流失同样会造成环境危害。水体因磷含量过高会引发藻类疯长，进而导致水体缺氧，破坏原有生态结构，这一现象即为水体富营养化。可通过以下方式减少磷流失：

·减少水土流失（磷元素大多吸附在土壤颗粒上随水流失）；

·参照土壤养分分级标准管控土壤磷含量，避免土壤磷素过量累积。

核心要点

为营造适宜作物生长的土壤环境，需防止土壤酸化，并按需、按时供给养分。

即便在自然状态下，绝大多数土壤也会逐步酸化，而农业生产会加剧这一趋势：一方面作物收获会带走土壤盐基离子，另一方面部分肥料施用也会促使土壤酸度上升。施用石灰类改良物料可调节土壤酸度，具体用量需结合土壤类型、现有酸碱度以及作物适宜 pH 值确定。

作物每次收获都会带走土壤养分，若不及时补充，农田养分将持续亏缺。

施肥的核心目标，一是保障作物产量达到经济效益最优水平，二是最大限度减少肥料浪费与环境污染。

全球各地农业科研机构均开展肥料田间试验，以此优化施肥时机与施肥量。

在英国，氮肥施用量会结合降雨量、土壤类型及前茬作物情况综合确定；磷、钾肥则先检测土壤中对应养分含量，对照养分分级指标，按照作物携出量进行补充施用。

施肥时机不当、用量超标，不仅会增加种植成本，还会对生态环境造成污染。

3 如何优化土壤的生物环境以促进作物生长

借助自然生物循环维持土壤肥力

化肥大规模应用于农业，其实是近代才出现的事，而人类开展各类农耕活动已有数千年历史。这就引出一个问题：古代农户在没有大量外源肥料投入的情况下，是如何种植农作物的？

答案的一部分，在于对土壤生物要素的管控。轮垦耕作，也就是常说的刀耕火种，便是最早的农耕方式之一，如今世界部分地区仍在沿用。这是最原始的耕作模式，依靠自然生态的自我修复循环来维系土壤肥力。该耕作流程首先会用火清理林地或草原，随后直接在焚烧后的原生植被残灰中播种作物。草木灰烬可作为地表覆盖物，为作物补充部分养分。

耕种一至五年后，杂草滋生、土壤肥力下降，农户便会迁往新的区域，重复上述耕作流程，具体过程见图 6.18。当土地休耕修复期长达 10 至 20 年时，刀耕火种模式能够良好运转。但如果缩短修复周期，在土壤养分平衡尚未恢复、次生植被还未完全长成时就再次清地开垦，这套耕作体系就会失效。人口增长使得土地休耕时间不断压缩，如今许多仍在实行刀耕火种的区域，土壤肥力都在持续衰退。

数百年前，西欧早期农户也遭遇了类似困境。人口压力倒逼人们探索土地利用的新方式，轮作制度就此诞生：在土地休耕的年份里交替种植不同作物、饲养家畜，发展出农牧结合的生产模式。这种方式既实现了土地的连年耕种，又能保住土壤肥力。

对比轮作制度与刀耕火种可以发现，林地休耕恢复期间，植被不断生长，树木根系能够稳固土壤结构。若区域内生长有豆科植物，这类植物可固定空气中的氮元素，待枝叶、根系枯萎后，氮素便回归土壤。经过漫长的修复周期，土壤有机质含量也会逐步提升。此外，随着林地慢慢恢复，原有滋生的作物害虫和杂草会因食物匮乏、物种间竞争加剧而逐渐消亡。

轮作制度的核心，就是通过科学的人为管理，复刻自然修复的部分效果：在播种下一季作物前，补充上一季作物消耗的养分，同时维持良好的土壤结构。一套完善的轮作方案，能让农户在保障收益的同时，长久维持土壤肥力。

图 6.18 刀耕火种的流程：先清理原生林地并开垦种植，数年之后，受土壤肥力衰退、杂草泛滥影响，农户被迫迁移至新地块，循环往复。

英国曾诞生过一套经典的轮作模式 ——诺福克四区轮作制，具体安排见图 6.19。

有机肥：益处与潜在问题

土壤有机质是维系土壤肥力的关键。施用有机肥最主要的作用是补充养分，尤其是氮元素。但有机肥的价值并不只限于供肥，已有研究证实，有机物料还能改善土壤物理性状。可施入农田的有机物料种类繁多，主要包括：

图 6.19 诺福克四区轮作制

农户通过变换种植品类，借助诺福克四区轮作制度实现土壤肥力的调控。

农家肥：由牲畜粪便、秸秆、禽粪混合而成；

粪浆：农家肥溶于尿液形成的悬浊液；

污水污泥：分为原生态污泥与腐熟污泥；

其他有机物料：草木灰、锯末、木屑、海藻等。

合理施用有机肥，既能实现废弃物循环利用，又能为农田补充优质养分。但施用不当，会对环境造成严重破坏。英国农业、渔业与食品部建议，农田有机肥施用量不得超过每公顷 250 千克。若超出该标准，土壤中的硝酸盐、磷酸盐会大量淋溶流失，同时氨素也会因挥发大幅损耗，带来难以接受的环境风险。当有机肥与无机化肥配合使用时，需先核算有机肥本身的养分含量，再确定化肥施用量。相关指导规范中附有常用有机肥氮、磷、钾平均含量参考表（见表 6.13）。

有机肥中的养分必须经过土壤微生物矿化分解后，才能被作物吸收利用，不同种类有机肥的矿化速率存在差异。例如，禽粪中 40%~60% 的氮素属于速效氮，而农家肥的速效氮占比仅为 10%~25%。依据上述数据，可测算出有机肥能够提供的氮、磷、钾总量，并对照作物的养分需求判断盈亏。若养分供给不足，再酌情补施化肥。科学规划用肥方案，可有效避免土壤施肥过量，减少不必要的环境损害。

如今，学界和农业领域重新重视生物因素在维持、提升土壤肥力中的作用。有机农业将土壤视作闭合生态系统，作物收获、养分流失等养分输出环节，必须依靠外部养分输入来平衡。该种植模式提倡施用堆肥、豆科绿肥等天然物料，禁止使用人工合成化肥与农药；田间除草也仅采用机械、热力等物理方式，不使用化学药剂。

不少常规种植农户认为，如今有机农业推崇的部分理念，其实早已是传统农业中长期沿用的优良耕作方式。不过，随着大众对有机农产品的关注度不断提升，针对新型肥料原料的相关研究也逐步开展，利用城乡生活垃圾制肥等方向已进入试验探索阶段。

核心要点

早期农户擅长利用生物循环规律维持农田肥力。刀耕火种曾在全球多地广泛应用，焚烧手段是该耕作方式的核心环节之一。

刀耕火种模式在休耕恢复周期充足的情况下，能够良好运转，土壤养分也可逐步恢复平衡。但受人口增长压力影响，目前仍在使用该方式的地区，普遍大幅缩短了土地休耕时长，最终造成土壤肥力持续下降。

轮作制度可在保障土地持续耕作的同时养护地力，常见模式为粮食作物与豆科作物、饲用作物、块根作物交替种植。

有机肥既是重要的养分来源，也能改善土壤物理性状。但如果施用时机不当、用量超标，会引发严重的土壤与水体污染问题。

表 6.13 常见畜禽粪肥氮、磷、钾典型含量

资料来源：英国农业、渔业与食品部，2000 年《大田与园艺作物施肥指南》（第 7 版，出版物编号 RB 209），伦敦。

章节小结

土壤学家在农业领域的工作核心，是掌握并调控各类影响土壤肥力的要素。植物依靠土壤获取养分、水分，借助土壤缓冲外界环境变化，同时土壤也为植株提供固定支撑。土壤积水过多时，植物根系的氧气供给会不足，厌氧环境还会促使有害物质不断累积。想要降低土壤含水量，可布设排水设施，常见的排水形式包括排水沟、瓦管排水、鼠道排水以及深松整地。若遭遇土壤缺水问题，则可采用地表覆盖、休耕等保水措施，最大限度留存土壤水分。当保水手段效果有限时，就需要配套灌溉系统。灌溉前必须检测水质，主要测定水体盐分含量，据此计算土壤淋洗需水量。

耕作作业能够改变土壤的物理性状，但耕作时机尤为关键，需保证土壤含水率处于缩限与塑限之间。

通过调节土壤酸碱度、补充养分，能够为植物生长营造最佳的化学环境。施用石灰可改良土壤酸性、提升土壤 pH 值，而肥料则是补充养分的主要方式。施肥既要保障农户经济效益最大化，又不能对周边环境造成污染。人们会开展肥料试验，以此确定最佳施肥时间与施肥量。

早期农户主要依靠生物手段恢复土壤肥力，刀耕火种便是人类最早的环境改造方式之一。随着人口不断增长，土地休耕恢复期被迫缩短，土壤肥力也随之下降。为应对这一问题，轮作制度应运而生。轮作模式无需长期休耕，便能维持土壤肥力。有机肥也是优质的土壤改良物料，既能补充养分，又能改善土壤物理结构。和化肥一样，有机肥也需把控施用时机与用量，避免引发环境污染。

纵观发展历程，土壤科学始终与农业发展紧密相连。如今，土壤污染成为全新的严峻挑战。土壤污染、修复以及土壤侵蚀，将是本书最后一章探讨的主要内容。