郭永刚，于皓然，梁大鹏，李晓峰，苗彦军，杜帛洋，孙宝学

(1.西藏农牧学院，西藏 林芝860000；2.吉林省长春市十一高中，吉林长春130062；3.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102；4.长春德胜宝农业有限公司，长春农安130200)

西藏地质历史比较年轻，土壤形成年代较晚，土壤粗骨性成为西藏土壤的基本特性，由此导致土壤肥力质量低下，蓄肥供肥能力不足，加之土壤耕作过程中肥力不断消耗，为使作物高产稳产，就需要对土壤进行合理培肥以弥补土壤肥力的不足和养分失调.但随着人们向农业生态系统中大量投入化学肥料，土壤供肥能力得到了暂时的提高，但过剩化肥从耕地向周边环境转移，从而产生了农业面源污染问题，尤其是N、P等营养元素流入河流、湖泊等水体，造成水体富营养化，已成为国内外学者所关注的热点.土壤肥力不足是限制西藏粮食单产提高的重要因素之一[1]，确定合理措施来维持或提高土壤质量，是实现粮食稳产高产的基础.为此，本文针对西藏土壤的肥力特点和培肥状况，总结以往在土壤培肥中取得的经验和教训，提出西藏高原新型土壤培肥策略和途径，以期促进西藏农业生态系统的保护.

1 西藏地区人工培肥方式的发展

1.1 传统培肥方式

西藏人工培肥水平较低，施肥模式也较为单一，主要有以下四种:

(1)放牧积肥:西藏当地群众习惯在收获后农田中放牧牲畜或将牲畜圈养在农田内一段时间，让牲畜粪便遗留在农田中来肥沃农田.

(2)烧秆肥田:当季作物收获后，将作物秸秆回收并在田间焚烧，之后再进行翻耕.

(3)休耕:这是西藏最古老的方法.主要做法有全年或数年休耕灭草，或是半年种植油菜、荞麦等早熟作物，后半年淹水灭草等方式来恢复或培肥地力.

(4)轮茬共作:主要通过禾本科－豆科作物轮茬，或是两种以上作物共作等来维持地力.

1.2 目前人工培肥方式

改革开放后，西藏人工培肥方式发生了巨大的改变.自1963年开始向农田增施化肥，到1972年全区化肥用量为673.17吨，粮食平均亩产达101公斤，2012年全区化肥用量已达49876吨，这也标志着西藏耕地培肥从传统方式开始逐渐向以化肥为主的培肥方式转变.

2 人工培肥方式存在的潜在问题

近些年来西藏农田的培肥方式、施肥水平发生了很大变化，尽管大量的肥料施用会提升作物产量和效益[2－3]，但也暴露出一些潜在的问题.

2.1 有机肥施用

西藏使用有机肥的历史较长，施用的方式也较多，从传统农业时期的卧畜积肥到50年代初期开始推广的高温堆肥、半坑堆肥、沤肥、挖沟泥和牲畜圈垫土积肥等技术，并继续重视豆科作物和休闲作在培肥地力中的作用，从而在缺少化肥的年代下取得一定的增产效果.

但由于有机肥施用效率较低，加之劳动强度较大，目前单纯以农田施用有机肥为主的生产活动已经不多见，较为普遍的是利用放牧的牲畜自由便溺来增加肥力.且在有机肥的施用过程中一般还配合化肥使用，有机肥养分配比不均衡，化肥长期施用会出现土壤板结、酸化等问题.两者同时施用会形成协同作用，达到土壤培肥和生态保护同时进行的目的[2].但是也有研究表明，有机肥和无机肥配施会显著降低土壤中的真菌数量，破坏土壤微生物群落平衡，影响土壤肥力[3－4].这可能是由于有机肥料中重金属元素含量较高，在有机肥料进入农田后重金属元素随之进入农田生态环境中，导致土壤污染，影响微生物生长，使其肥力降低[5].因此，有机肥料和化肥联合使用是目前西藏地区的常见方式，但由于有机肥的运输成本高、肥效慢、施肥技术不完善等特点，制约了西藏地区有机肥料的使用[6].

2.2 无机肥施用

西藏从1963年开始向农田生态系统中投入化肥，在70年代初开始大面积推广应用并取得良好收益，化肥使用量不断增加.目前全区化肥用量已超过5万吨/年，超过理论肥料需要量的50%以上[7]，但是这些肥料却不能在农田系统中充分发挥其效用；Hepperly等[8]的研究也表明尽管化肥能够带来短期的高产，但不能为作物带来持续的高产和健康，也不能确保土壤的可持续利用.尽管如此，过量的施用化肥仍是农民们常用的培肥方式[9].

西藏地区的土质条件不同于内地，过于采用“多氮、少磷、少钾”的方式导致该地区出现了大面积过量施肥，进而硝态氮向土壤更深层淋失对地下水环境产生威胁，同时还会造成作物减产[10].施用N肥后，N在土壤的转化过程中会释放出一些对人体和环境有害的气体，如尿素未被植物根系吸收并以NH3的形式挥发[11]，土壤中的尿素也会通过反硝化作用释放出温室气体N2O，其增温潜势是CO2的23倍[12]，结果可能致使全球变暖的问题更加严峻.化肥的使用不但对环境造成污染，还会导致不同程度的经济问题[13]，国外很早就意识到了这一点，德国、法国等国家已经出台的相关补偿政策和法案[14－16].无机肥的过量施用已经成为了西藏地区农田土壤培肥的主要问题.

2.3 绿肥施用

绿肥可以代替无机氮肥作为作物生长发育所需.因此西藏就种植豆科作物或是豆科作物与其他作物混作等的方式，来进行土壤培肥，如日喀则一带群众利用西藏紫云英在多雨高温季节沤制绿肥；后来在传统的种植绿肥制度上先后推广了绿肥轮作、单作、复种和套作等方式，来加强对土壤的培肥力度，旨在缓解70年代以来由于禾本科作物大面积高强度种植产生的土壤肥力下降等问题.不过，也有研究表明，在降雨量过大的地区，采用种植绿肥的培肥方式存在很高的营养元素淋失的风险[17－18]，Bergström利用同位素15N标记绿肥与化肥时发现，绿肥同样存在较严重的营养元素淋失(表1)[19].

表1 以不同的同位素标记法测定N淋失的百分含量Table 1 The percentage of added N leached estimated by difference and isotope methods

2.4 农业的可持续发展

可持续的理念是基于既满足当代人的需要又不影响后代人的需要，其诠释了社会、环境、经济、产品需求等各个方面[20]，其中土壤保护是提高农业生产可持续进行的基本保证.西藏作为生态脆弱地区，在培肥方式上存在的不足，将降低土壤长期、持续供肥能力，进而产生影响地表植被覆盖、引起土壤侵蚀等一系列负面问题，这必将对西藏的种植业发展和生态环境保护产生安全隐患，从而引起整个生态和社会系统的稳定运行.

3 西藏农区土壤状况与合理培肥

3.1 西藏农区土壤类型

西藏境内成土条件具有特殊性和复杂性，形成多种独特的成土过程，同时各种成土过程又常常交织在一起，从而形成许多种土壤类型.按照土壤形成过程中的有机质积累、矿物分解及化学元素迁移与转化等特点，西藏农区的土壤种类主要是耕种亚高山草原土、耕种山地灌丛草原土、耕种草甸土、耕种棕壤、黄棕壤、黄壤和淋溶褐土(见表2).表中选择了西藏主要农田分布的四个地区进行统计，基本囊括了主要土壤类型，其中山地灌丛草原土比例最大，占33.81%；其次是潮土(草甸土长期耕作后形成的)、亚高山草原土，虽然土壤类型众多，但都有一个共同特点就是物理性粗骨架，由此土壤沙性较强，这直接决定土壤培肥的策略和方向.

表2 西藏不同地区耕地土壤类型与粗骨性特征Table 2 Soil types and coarse－grained characteristics of cultivated land in different regions of Tibet

3.2 土壤养分维持

土壤肥力是指土壤为植物生长提供和协调营养条件和环境条件的能力.营养方面我们可以从表3中看出，西藏耕种土壤养分基本状况为氮素偏低、缺乏磷素、钾素较丰富[21].

表3 西藏土壤养分概况Table 3 The general situation of soil

高原农田是在恶劣自然环境下，经过长时期的人类耕作、灌溉、施肥等措施，逐步演化而成的.由于藏区各地气候、成土母质、成土条件、耕作方式等迥异，导致农田土壤的类型、质量、肥力状况差异很大.充分了解植物和土壤的化学成分可以提升施肥和耕作的效率，进而提升作物的产量.因此在对耕地进行人工培肥前，我们应该充分了解耕地土壤中缺素状况，在该土壤营养条件下的作物生长状况.西藏耕地有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量处于中、低水平的耕地分别占53.62%，46.55%，70.58%和31.24%[22].在田块尺度上，可根据西藏耕地土壤营养元素分布特点，因地制宜，确定合理的栽培制度，采用配方施肥或定向培肥等措施，制定空间尺度下的土壤培肥措施，可以在一定程度上避免土壤侵蚀、营养元素淋失等一系列土壤肥力质量下降的问题.

3.2.1 土壤有机质添加

有机粪肥的施用既可以为植物的生长提供养分，减少植物生长对耕地土壤养分的消耗，同时还能增加土壤有机质的含量.但是，有机粪肥中大量的N、P等营养元素使用不当，也有可能会对水体造成污染.从有机质在土壤中从投入到分解等过程进行分析(图1)，并从这些过程入手有针对性的解决营养元素的流失[23]，如向土壤中添加吸附剂，使土壤对这些营养元素的吸附作用增强，可有效地阻止了营养元素的淋失.

图1 有机质的转变过程Fig.1 The transformation of organic matter

3.2.2 氮肥的添加

除了豆科作物和富含有机质的耕地，土壤中的氮素必须经常补充才能维持作物的生产.有研究表明，在生产过程中，作物尤其是谷物对N的利用效率很低，如Francis等[24]利用同位素标记法(15N)测得，在玉米田内以NH3的形式挥发失去的N素占52%～73%.为此人们大量的向农田投入氮肥，使得大量的N素从农业系统向水体转移，并引起了一系列面源污染等环境问题[25].氮素在土壤中流失的过程主要包括:氨的挥发，反硝化作用以及淋溶(见图2).面对这些问题已有不少学者提出他们的方法[26]，①尽量避免使用无机氮肥，因为有机肥与无机氮肥相比氮的含量较低，且其释放氮的速度也较无机氮肥要缓慢一些，肥料的缓慢释放有助于提高土壤的质量[27]；②把握正确的施肥时机和施肥量，当氮的释放与植物的需要非同步时，会对植物造成负面影响，还会加大N淋失的环境风险，巨晓棠等[28]提出了“合理施氮”的概念，意在通过“4R”理念兼顾经济和生态效益，因地制宜确定施用氮肥量；③使用硝化抑制剂，这样可以减少N的反硝化损失，但有研究也表明，硝化抑制剂的使用可能会抑制了土壤中甲烷的氧化[29－30]，从而增大温室气体甲烷的排放.

图2 氮在土壤中的转化过程Fig.2 The process of nitrogen’s transformation in soil

3.2.3 磷肥的施加

磷是植物体内许多重要有机化合物的组分，是仅次于氮素的第二养分[31]，同时又以多种方式参与植物的各种代谢过程.当我们向土壤中施加磷肥时，最关键的是要根据磷在土壤中的转化动态来确定施肥方法，从而最大限度地避免磷素的流失.Schouman等[32]基于磷的吸附与解吸附动力学、土壤中磷的累积和土壤中非有机磷的含量构建一个磷在土壤中的动态模型，依据这个模型就可以估测P的流失途径；Lemunyon和Gilbert提出的磷指数法(Phosphorus index，PI)作为一种评估磷流失风险的工具[33]，也可以用于减少磷素流失.土壤中磷素的流失会造成水体富营养化[34]，严重地影响生态环境，基于此，控制磷肥的施用并保证其利用率显得极为重要.何园球等[35]人研究发现，土壤水分管理对有效磷含量的提升影响显著；土壤有机质含量也是影响有效磷含量的重要因素，钟国辉等[36]的研究表明，土壤有机质含量与有效磷含量呈正相关，合理的施加有机肥也是提升土壤中磷素利用率，控制磷肥施用的一种方法.此外，还可利用一些特殊功能的复合肥，如选择缓控释肥(slow release)来协调植物不同时期的需要和减缓磷素流失对水体产生的污染.

3.2.4 土壤酸碱度的调控

土壤酸碱度是土壤肥力的重要指标，过酸过碱都不利于作物的生长，并且土壤酸碱度还与土壤的营养成分的有效性密切相关.西藏农田土壤的酸碱度范围是6.5～9.0，而磷的适宜pH范围很窄，一般在6.5～7.0有效性较高，也有学者通过实验得出，pH值在4.9～7.4范围内有利于磷盐的溶解，增加有效磷的含量，但当pH超过这个范围，从磷盐中吸收的磷将会减少[37].植物对氮素的吸收也与pH有明显的相关性[38].在微酸性环境下，作物对硝态氮的吸收较快，微碱性环境下，作物对铵态氮的吸收较快[39].不同的作物生长过程中对两者的需求不同，如田霄鹏等[40]的研究结果显示，菠菜和小白菜对硝态氮的需求更强，莴笋则对铵态氮的需求更强.但从吸收的难易程度来讲，铵态氮更容易转化并作用于植物，硝态氮则需要借助H＋转化吸收[41].目前来说，氮肥中的主要形态还是硝态氮[42].但不能说硝态氮作用一定优于铵态氮，这要视作物本身和土壤酸碱条件等诸多因素综合决定.铵态氮和硝态氮共同施用具有互补效果，更有利于作物生长[43].土壤过酸或过碱都会影响其理化性质、微生物种群分布及酶活，进而抑制作物生长发育[44]，在西藏地区的农业生产中，需要对农田土壤的酸碱性进行控制，过酸的土地可以用草木灰和有机肥混施降低其酸性，过碱的土地可以用腐殖酸肥、硫酸铝稀释水溶液等进行调控，根据不同地区和作物的实际需要调剂pH值最适.此外，土壤的pH值还表现出明显的季节动态[45].

4 西藏农区新型培肥方式展望

西藏传统的土壤培肥方式维持了数千年以来的农业生产，面对时代发展和气候变化，创新培肥的方式和方法，有助于维持西藏农业的可持续发展、生态环境的保护和经济社会的稳定发展.

4.1 西藏合理施肥新方式

基于可持续发展的基本要求，我们可以一种新的生产模式来代替传统模式，新方式可将传统模式中的耕种系统和养殖系统有机的耦合，从而形成一个更高级且具有更多生态－经济功能的新系统，如系统耦合[46]、农牧一体化[47－48].在新系统内，动物主要以耕地系统中的秸秆，或者杂草和作物底部叶片为食，经动物消化后又以排粪的方式将剩余的一部分未利用的物质回归土壤，并被农作物和杂草所利用.新系统中的主要有两个肥源，一个是人为的在作物播种时加入的系统外界肥料，另一个是在新系统内的反馈肥源，即由动物在农田内部排放的粪便.总的来说，新型培肥方式就是除了人工施肥外，还加入了系统内反馈的动物粪便，这样既符合西藏从古至今的放牧培肥习惯，同时还借助现代科技来提高生产效率和生产效益.

此外，分类收集社会生产过程中的无污染生物质废弃物，运用耐低温发酵技术进行废弃物高温发酵堆肥[49]，并还田土壤，把生物质废弃物作为高原土壤培肥的来源补充.这不仅可以实现土壤养分的有益补充，而且通过消纳废弃物，更可以改善和保护高原的生态环境.

4.2 新型施肥模式的可行性

4.2.1 物质的转移和能量的传递

在新的系统中，一方面，作物和杂草从不同的层面捕获光能，提高了系统内对光能的利用效率；另一方面，动物以作物生物质为食，经消化后将一部分未利用的营养物质归还到耕地中，并被作物和杂草所利用.新系统中杂草和作物生长所消耗的养分从动物粪便中得到一定补偿，这样迅速的物质转移和高速的能量传递有利于维持农业生态系统的稳定.

4.2.2 生物多样性

从宏观方面来说，新系统是植物系统和动物系统的耦合，增加了新系统的生物多样性，而生物多样性的保持对于保护害虫天敌、防止土壤侵蚀、促进养分循环有重要的作用；从微观方面来说，动物粪肥的投入可以增加土壤微生物活性和数量，从而增加了土壤有机质含量.近年来，对农田生物多样性的保护越来越被重视.生物多样性的提升对能值转化效率也有影响，沙志鹏等[50]的研究表明，相比于传统的施肥模式，生物多样性较高的农业系统能值投资率(EIR)、系统能值反馈率(FYE)、环境负载率(ELR)、可持续能力(ESI)、产品安全指数(EIPS)各项能值指数均具有较大优势.

4.2.3 低投入，高回报

在土地资源利用方面新模式将两个系统耦合，在不影响两个系统各自的生产力的同时减少了一半的生产用地；在培肥方式上，新系统中只用在前期加入底肥，后期的主要是通过系统的自给自足.从这两个方面来看，新系统较传统生产方式投入了较少的人力和经济并在同一块土地上收获了经济效益较高的家禽，切实做到了低投入，高回报.

4.2.4 环境友好

以往西藏地区在培肥方式会对水体环境埋下安全隐患，在新系统的培肥方式上，前期使用的缓释复合肥一方面不会与植物的需求产生矛盾，另一方面可以减缓营养元素淋失所引起的环境问题.后期施加的粪肥一方面可以补偿作物的生长对土壤养分的消耗，另一方面基于粪肥的量少，均匀等特点，因此粪肥的施加既不会和植物的需要产生矛盾也不会造成大量的营养元素的淋失.

4.3 土壤质量监测技术

除了发展合理培肥的新方式之外，实时监测土壤质量变化在土壤培肥中也有重要决策作用.鉴于西藏地域过于辽阔，运用遥感与地理信息技术，进行大尺度空间的国土质量监测较为可行.通过获取长时间序列的卫星遥感图像数据资料，可以获取不同类型荒漠化土地面积、土壤水分等多角度多层次信息，建立土壤质量分类体系与遥感判读模型，然后利用不同时期或不同时相卫星遥感影像解析结果对比，分析农牧区土壤质量与相关影响要素的动态变化，从而建成基于遥感信息的土壤质量评价图，实时监测西藏土壤质量的变化，并将数据实时传给处理程序，使监测者实时获得农牧区的环境变化，为提出土壤培肥管理科学方案提供科学依据.

5 结语

在经过数千年的传统农业发展历程后，西藏随着经济的迅猛发展，生活水平的提高，人们对健康、生态、环境等问题的关注也日趋上升，但是由施肥不当带来的环境问题、农产品安全问题开始逐渐显现，合理进行土壤培肥是解决问题的根本.西藏高原面对新的农业生产形势和市场需求，需要探索出适应高原地区的培肥策略和发展道路.因此，我们在对农业自然资源进行利用时，应立足高原生产条件，将管理和保护自然资源作为基础，并调整培肥技术和机制变化的方向，以便确保培肥技术持续地满足目前和今后的生存与发展需要.