耕地是人类赖以生存与发展的基础，是国家粮食安全的资源基础^[1]。随着我国经济的飞速发展，城市化的进程逐步加快，工业化、城市化等人为活动不断侵占耕地，耕地征占率逐步升高，耕地资源匮乏、后备耕地资源不足等问题日益严重。为了坚守 1.2 亿 hm² 耕地红线，国家提出了占补平衡的重要举措，在一定程度上可以保护耕地资源，保障了国家粮食安全。但由于新增耕地主要来源为未利用地开发、农村拆迁、废弃工矿地等土地，因此，新增耕地存在着有机质含量低且分布不均、结构脆弱、保水性差等众多质量问题^[2]，不能满足耕作需要，种植效果差、作物产量低，甚至部分新增耕地出现弃耕现象，威胁到国家粮食安全。因此，如何提升新增耕地地力使其达到农业生产要求是当前亟需解决的重要问题。

据相关统计，我国牛粪年产量 1.4×10⁹ t、玉米秸秆年产量 2.7×10⁸ t ^[3-4]，这两种农业废弃物经腐熟后可以显著降低土壤容重，改善土壤理化性质^[5]。苜蓿作为优质的豆科绿肥通过还田具有改善土壤结构以及提高土壤肥力的作用^[6-8]，膨润土主要成分为蒙脱石，由于蒙脱石晶胞层状结构存在着 Cu²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺ 等，具有良好的保水性以及阳离子交换性^[9]，土壤中施加膨润土也可以起到提升土壤养分含量的功效^[10-11]。聚丙烯酰胺作为一种人工合成的聚合材料，具有黏着性以及保水性，常作为土壤改良剂进行地力提升的工作^[12-14]。蛭石是一种黏土矿物，在农业生产中用做基质的原材料^[15]，由于其本身具有吸附性以及阳离子交换性，可作为改良剂改善土壤结构、提高土壤持水性以及降低土壤重金属污染^[16-17]。目前，秸秆、牛粪、苜蓿、聚丙烯酰胺、膨润土以及蛭石的施用已有一些研究，这些有机无机材料均可以改良土壤、提升作物产量，是改良土壤的有效措施^[16，18-24]。然而，前人大多研究了单一或部分材料对土壤改良的效果且这些有机无机材料在新增耕地地力提升方面鲜有研究。因此，本研究选用腐熟的农业废弃物联合不同配比的苜蓿粉、聚丙烯酰胺、膨润土以及蛭石来制作土壤调节剂，通过土壤物理指标、化学指标、生物指标、作物光合指标以及产量指标来反映土壤质量情况，对比研究施用不同配方的土壤调节剂对新增耕地重构土壤的改良效果，以期为新增耕地重构土壤的地力提升提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于 2021 年 5 月 16 日至 10 月 9 日在山东农业大学资源与环境学院南校区试验站进行，该试验地属于温带半湿润大陆性季风气候区，年均气温 13℃，年平均无霜期 195 d，年平均降水量 680 mm 左右，供试土壤理化性质见表1。

1.2 供试材料

1.2.1 试验材料

所用农业废弃物原材料牛粪、玉米秸秆来自附近村庄，菌剂由地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、黑曲霉（Aspergillus niger）、干酪乳杆菌 （Lactobacillus casei）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、白浅灰链霉菌（Streptomyces griseolus）、唐德链霉菌（Streptomyces tendae）等 6 类菌组成（有效菌≥ 5 亿个·g^-1），苜蓿粉由紫花苜蓿地上部茎、枝、叶晒干后粉碎制得。聚丙烯酰胺、膨润土、蛭石均购自市场。供试品种为“郑单 958”，商品有机肥选用山东农大肥业科技股份有限公司生产的有机肥（有机质≥ 45%），用量为 15 t·hm^-2，氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 16%），钾肥为硫酸钾（K₂O 50%）。

1.2.2 土壤调节剂的制备

将腐熟 30 d 后的农业废弃物晾晒粉碎后按照表2 配比与苜蓿粉、膨润土、聚丙烯酰胺以及蛭石经过 125 型秸秆造粒机进行挤压造粒，成品为粒径约 5.00～6.00 mm，长度约 12.00～23.00 mm 的棒状颗粒。

1.3 试验设计

池栽试验在 1.0 m（长）×1.0 m（宽）×1.0 m （深）的水泥池中进行，各试验小区填入生土，深度为 80 cm，通过浇水使得各小区土壤自然沉降。模拟土地整治后新增耕地重构土壤的结构。试验共设两个对照：（1）常规施肥（CK1），只施用化肥（氮肥用量为 N 540 kg·hm^-2，磷肥用量为 P₂O₅ 180 kg·hm^-2，钾肥用量为K₂O 360 kg·hm^-2）， （2）商品有机肥（CK2），市售商品有机肥配施化肥（有机质≥ 45%，化肥用量与 CK1 一致）。设 9 个不同土壤调节剂配方处理（表2、表3），3 次重复，即每种配方的土壤调节剂配施化肥作为一个处理（土壤调节剂用量为 15 t·hm^-2，化肥用量与 CK1 一致），处理前一次性施入，均匀撒施地表后，再人工用钉耙翻耕入土 20 cm，来回 2 次，并击碎土块，确保与表层土壤混合均匀。小区面积为 1 m²，栽植 6 棵玉米。播种日期为 2021 年 6 月 15 日，收获日期为 10 月 9 日。期间除草、病虫害防治、灌溉均参照当地习惯管理。

1.4 样品的采集与处理

分别在施肥前和收获期，采集 0～20 cm 土壤样品，取样方法为：在每个池子中随机选取 5 点，除去土壤表面的杂质以及植物根系，将土壤样品混合均匀并用自封袋密封后带回实验室内，自然风干，研磨，过筛（2.00、0.25 mm），进行土壤理化性质的测定，在玉米大喇叭口期进行光合指标的测定，收获期采集玉米籽粒产量实收计产。

土壤调节剂各项指标的测定方法参见农业农村部标准（NY/T525—2021），其中土壤调节剂有机质含量测定：重铬酸钾容量法；总氮含量测定：硫酸过氧化氢消煮；总磷含量测定：分光光度法；总钾含量测定：火焰光度法。

土壤容重、土壤田间持水量、土壤饱和含水量：采用环刀法；土壤理化性质根据鲍士旦^[25] 的《土壤农化分析》方法，土壤有机质：重铬酸钾外加热法；土壤全氮：凯氏定氮法；土壤有效磷：NaHCO₃ 法；土壤速效钾：火焰光度法；土壤脲酶活性：靛酚比色法；土壤蔗糖酶活性：比色法。

净光合速率（Pn）、胞间 CO₂ 浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）：使用 LI-6400 光合作用测定仪（LI-COR，Lincoln，USA）于晴天 9：00—14：00 进行测定。

1.5 数据处理

数据采用 Excel 2020 进行整理、作图，采用 SPSS 26.0 进行方差分析（ANOVA），差异显著性水平设置为 P<0.05。

2 结果与分析

2.1 施用不同土壤调节剂对土壤容重以及持水性的影响

不同配方的土壤调节剂对新增耕地重构土壤的容重以及持水性均有一定的改善（表4），CK1 处理（只施加化肥的处理）土壤容重最高，为 1.66 g·cm^-3，其次，CK2 处理（商品有机肥配施化肥）土壤容重为 1.58 g·cm^-3，较 CK1 处理显著降低了 4.24%，土壤调节剂处理的土壤容重处在 1.46～1.57 g·cm^-3，土壤调节剂对土壤容重具有明显的改良效果，其中，F7、F8、F9 处理的土壤容重改善效果最为显著，较 CK1 处理显著降低了 9.02%～11.52%，较 CK2 处理显著降低了 5.06%～7.59%；各处理的土壤田间持水量处在 16.54%～24.22%，田间持水量最低的处理是 CK1，为 16.54%，土壤田间持水量最高的处理是 F3，为 24.22%，较 CK1 处理显著提高了 46.43%，较 CK2 处理显著提升了 31.63%；CK1 处理的土壤饱和含水量最低，为 25.05%，显著低于其他处理，其次是 CK2 处理，为 27.17%，较 CK1 处理提高了 8.46%，土壤调节剂处理的饱和含水量处在 29.00%～38.67%，其中 F3 处理最高，为 38.67%，较 CK1 处理显著提升了 54.37%，较 CK2 处理显著提升了 46.01%，F8 处理最低，土壤调节剂处理的土壤容重、田间持水量以及饱和含水量较 CK1 处理以及 CK2 处理均有一定的改良效果，其中 F9 处理改良效果最好。

注：表中数据为平均值 ± 标准差，同一列不同小写字母表示不同处理差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 施用不同土壤调节剂对土壤有机质以及养分含量的影响

不同处理对土壤有机质以及养分含量均有不同的影响（表5），F9 处理的土壤有机质含量最高，为 7.31 g·kg^-1，较 CK1 处理显著提升了 45.33%，较 CK2 处理显著提升了 29.61%；土壤全氮含量最低的是 CK1 处理，为 0.50 g·kg^-1，土壤调节剂处理的土壤全氮含量为 0.52～0.58 g·kg^-1，较 CK1 处理增加了 4.00%～16.00%，较 CK2 处理增加了 1.92%～11.53%，较处理前增加了 8.33%～20.83%，F7、F9 处理最高，F1、F2 以及 F3 处理最低；不同处理的土壤碱解氮含量为 31.60～50.27 mg·kg^-1， CK1 处理的土壤碱解氮含量最低，其次是 CK2 处理，为 34.83 mg·kg^-1，最高为 F9 处理，较 CK1 处理显著升高了 59.08%，较 CK2 处理显著增加了 44.33%；土壤有效磷含量最低的是 CK1 处理，为 12.20 mg·kg^-1，其次是 CK2 处理，土壤调节剂处理的土壤有效磷含量为 12.59～13.13 mg·kg^-1，最低的是 F1 处理，最高的是 F4 处理，较 CK1、CK2 处理分别显著提高了 7.62%、6.75%；CK1、CK2 处理的土壤速效钾分别为 62.33、63.00 mg·kg^-1，土壤调节剂处理的土壤速效钾为 64.00～70.33 mg·kg^-1，其中 F2 处理最低，F9 处理最高，较 CK1、CK2 处理分别显著提高了 12.83%、11.63%。

2.3 施用不同土壤调节剂对土壤脲酶以及蔗糖酶活性的影响

不同处理对土壤脲酶以及蔗糖酶活性的影响如表6 所示，不同处理下土壤脲酶活性处在 2.46～3.13 μg·g^-1·d^-1，其中 CK1 处理最低，其次是CK2 处理，为 2.71 μg·g^-1·d^-1，F8 处理的土壤脲酶活性最高，较 CK1、CK2 处理分别显著提高了 0.67、 0.42 μg·g^-1·d^-1，增幅为 27.24%、15.50%；CK1 处理的土壤蔗糖酶活性最低，为 9.16 mg·g^-1·d^-1， CK2 处理为 9.83 mg·g^-1·d^-1，土壤调节剂处理下土壤蔗糖酶活性较 CK1、CK2 处理显著提高了 12.55%～16.48%、4.88%～8.55%，最低为 F1 处理，最高为 F7、F9 处理。

2.4 施用不同土壤调节剂对玉米大喇叭口期光合作用的影响

不同土壤调节剂对玉米大喇叭口期光合作用的影响见图1，土壤调节剂处理的 Pn 处在 28.43～23.47 μmol·m^-2·s^-1，F7 处理最高，分别较 CK1 以及 CK2 处理显著增加了 41.93%、29.83%； 土壤调节剂处理的 Ci 处在 68.67～93.67μmol·mol^-1，较 CK1 处理提高了 7.85%～47.12%； 土壤调节剂处理的 Tr 处在 3.70～4.60 mmol·m^-2·s^-1，分别较 CK1 处理显著提升了 23.08%～29.63%，较 CK2 处理提升了 3.70%～25.00%；土壤调节剂处理的 Gs 处在 162.33～245.33 mol·m^-2·s^-1，较 CK1 处理增加了 24.23%～55.93%，较 CK2 处理增加了 3.18%～51.13%。结果表明，与单施化肥以及有机肥配施化肥相比，施用土壤调节剂可显著提高玉米大喇叭口期的 Pn 且对 Ci、Tr 以及 Gs的提升也有一定的促进作用。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.5 施用不同土壤调节剂对玉米产量的影响

施加土壤调节剂具有明显的增产效果（图2），其中 CK1 处理玉米产量最低，为 5590.40 kg·hm^-2，其次是 CK2 处理，土壤调节剂处理玉米产量为 5897.75～7050.04 kg·hm^-2，F7 处理产量最高，较 CK1、CK2 处理分别提升了 1459.64、1256.79 kg·hm^-2，增幅为2 6.11% 以及 21.69%。土壤调节剂处理中玉米产量存在较大差别，其中 F7 处理玉米产量显著高于 F1、F2、 F3 以及 F4 处理，较 F1 处理增产 1152.29 kg·hm^-2，增幅为 19.54%。

3 讨论

3.1 不同土壤调节剂对耕地质量的影响

使用土壤调节剂的目的是为了快速有效地改良土壤的结构、理化性质以及持水性，从而构建优质耕层，提高产量。从结果可以看出，在新增耕地重构土壤中添加本研究的土壤调节剂可以起到改善土壤的容重、持水性以及提高玉米产量的作用。新增耕地的重构土壤产力低下的主要原因是土壤结构性、持水性差和有机质以及养分含量低，因此，改善土壤结构、提升土壤持水性、提高土壤有机质以及养分含量是改善新增耕地重构土壤的关键。

土壤容重作为土壤重要的物理性质之一，主要由土壤固体以及孔隙的数量决定，可以反映出土壤的透气性、紧实度以及孔隙度，进而表示土壤的质量和生产力水平，且土壤容重也会影响作物根系的延伸以及生长，土壤田间持水量代表了土壤能稳定保持的最大土壤含水量，也是作物最有效含水量的上限，土壤饱和含水量体现土壤的最大容水能力以及土壤孔隙状况，三者均为评价土壤物理性质的重要指标^[26-28]。本研究设计了 9 种不同配方的土壤调节剂进行重构土壤改良试验。研究结果表明，在土壤调节剂处理下，土壤容重较单施化肥（CK1） 以及商品有机肥配施化肥（CK2）处理均有不同程度的降低，其中 F7、F8 以及 F9 处理土壤容重显著低于其他处理，最低可达 1.46 g·cm^-3；与前人研究^[29-30]一致，本试验添加不同配方的土壤调节剂使得土壤饱和含水量以及田间持水量较 CK1 以及 CK2 处理显著增加，土壤持水性得到明显提高，究其原因为腐熟的农业废弃物具有提高土壤孔隙度以及持水性的功能，再辅以聚丙烯酰胺以及膨润土，使得土壤的容重以及持水性得到改善。

新增耕地出现土壤有机质含量少、肥力低甚至弃耕的现象，其主要原因在于土壤重构的过程中，土源大多就近选择，耕作层以及生土层土壤掺混，而耕地大多耕作层富含有机质以及 N、P、K，生土层有机质以及养分含量低，两者混合导致重构土壤综合肥力低^[31-33]。本研究发现，向土壤中施加不同配方的土壤调节剂均能显著提升土壤有机质以及养分含量，促进养分速效化，尤其是 F7、F8 以及 F9 土壤调节剂处理的土壤有机质以及养分含量高，有机质含量处在 7.16～7.31 g·kg^-1，全氮含量处在 0.56～0.58 g·kg^-1，与前人研究结果相似^[34-35]。因此，施加土壤调节剂提升土壤有机质含量，一方面由于本身有机质含量高，即有机质添加量越大，土壤中的有机质含量相对就高；另一方面，土壤调节剂主料为腐熟的农业废弃物，在发酵过程中产生了大量微生物，在土壤中配合土壤微生物进行繁殖生长，产生的有机物质同样进行积累，从而起到提高土壤有机质的作用。通过施加土壤调节剂，一次性提高了土壤的有机质及养分含量，促进作物根系的生长进而增加作物的生物量以及产量，使秸秆还田量变大，从而提高土壤的有机质含量，尤其是腐熟的农业废弃物中的有机质为半分解状态，更有利于土壤有机质的保持^[36]。F7、F8 及 F9 土壤调节剂处理的土壤养分含量差异不显著，这与部分研究结果不同^[37-38]，他们发现随着土壤中膨润土的用量增加，土壤改良效果不断提升，这种结果可能是由于膨润土每公顷用量处在 6000 kg 以上。在本试验中：（1）添加膨润土作用为改良土壤以及促进土壤调节剂成粒，膨润土每公顷用量范围仅为 1050～1350 kg，效果可能被其他材料所掩盖； （2）聚丙烯酰胺对土壤的改良效果并不是用量越高越好^[39-40]，高量聚丙烯酰胺与高量膨润土结合后可能导致效果欠佳；（3）适量蛭石的添加也具有显著的土壤改良效果。

土壤酶活性与土壤肥力特征有着显著的相关性，在一定程度上可以反映出土壤的肥力状况，大量研究表明，土壤酶活性较无机肥更易受有机肥的影响，且土壤酶活性与有机肥的施用量有显著的相关性^[41-42]，与前人研究^[43-45]结果相同。土壤调节剂以及 CK2 处理下土壤蔗糖酶和脲酶活性均显著提高，且 F7、F8、F9 处理下土壤脲酶以及蔗糖酶活性最大，土壤蔗糖酶促进土壤中的蔗糖进行分解从而被植物利用，土壤脲酶水解土壤中的尿素，与土壤中的微生物数量、养分以及有机质含量有关。土壤调节剂中腐熟的农业废弃物本身具有大量有益微生物且有机质含量高，既可以提供微生物又可以提供微生物繁殖生长所需的碳源。并且土壤调节剂中含有聚丙烯酰胺等具有保水功能的材料可以提高土壤的持水性，为微生物的生命活动提供良好的生存条件。

3.2 不同调节剂对玉米光合及产量的影响

增施有机肥可显著提升玉米叶片的净光合速率与气孔导度^[46-47]。本研究发现，施用土壤调节剂以及有机肥处理均可以提升玉米大喇叭口期的净光合速率与气孔导度，这与前人研究一致，其原因可能是：一方面土壤调节剂中的腐熟农业废弃物以及有机肥本身具有有机质以及营养物质，有效氮含量高于单施化肥，玉米叶片中氮素增加，提升了玉米的净光合速率；另一方面，土壤调节剂中的腐熟的农业废弃物、聚丙烯酰胺、膨润土以及蛭石可以提高土壤孔隙度，提升土壤保水性，提升玉米叶片水势，从而提高叶片的气孔导度。大量研究发现，施加有机肥具有提高土壤的养分有效性以及玉米产量的作用，研究结果与前人研究^[48-49]一致，在本试验中，不同配方处理条件下玉米的产量（图1）显示，施加土壤调节剂的处理玉米产量较单施化肥显著提升了 5.50%～24.40%，其中 F7、F8、F9 处理的玉米产量最高。

3.3 不同土壤调节剂改良下新增耕地成本与效益分析

2016 年，国土资源部要求强化耕地数量和质量占补平衡，坚决纠正占优补劣问题。此后，新增耕地指标交易价格开始与耕地等别密切挂钩，而且指标调剂价格随着耕地质量等别的提升呈上升趋势。如大连市 2020 年确定每个等级差别为 5000 元左右^[50]，山东省自然资源厅和山东省财政厅 2022 年 7 月联合发布了《关于公布省级耕地占补平衡指标调剂指导价格的通知》（鲁自然资发〔2022〕7 号），规定了省级耕地占补平衡指标调剂指导价格：一般耕地每公顷 207 万元，以 8 等别为基础，在此基础上，每公顷耕地每提高一个等别增加 16.5 万元，每降低一个等别减少 16.5 万元。因此，指标等别交易价格的差异成为新增耕地地力等别快速提升的强大驱动力。

本研发改良品发酵材料综合单位为 300 元·t^-1 左右，添加材料包括聚丙烯酰胺为 7000 元·t^-1，膨润土 120 元·t^-1，苜蓿粉为 2500 元·t^-1，综合测算直接生产成本和费用价格每吨在 800 元左右。耕地等别的高低与新增耕地有机质含量、实际产量密切相关。笔者根据《农用地质量分等规程》（GB/ T28407—2012）和《山东省耕地质量等级成果补充完善技术细则》，结合典型项目测算，在其他条件不变时，当实际产量提高 20% 时，土地利用等别一定会提高一个等别。因此，在新增耕地上一次性大量投入 1 至数吨具有快速改良效应的专用产品，通过迅速提高有机质含量，增加养分和水分库容，可产生激发式培育的效果，最终有助于快速实现新增耕地等别提高，对于提高土地整治新增耕地指标的收益效果是显著的，而且后期通过正常的秸秆还田以及常规施肥，可保证培肥效果和质量等级的稳定性，在现实中具有充分的可行性和激励性。

4 结论

本研究设计的 9 种土壤调节剂对新增耕地的改良均有一定的促进作用，对土壤容重、持水性的改良效果显著、有机质以及养分含量提升效果明显，显著提升玉米大喇叭口期的净光合速率，有效增加玉米产量。土壤调节剂 F7、F8、F9 对土壤的改良效果优于其他配方，其中，F7 处理下，玉米产量高于其他处理。因此，选择 F7 配方的土壤调节剂（以发酵后的农业废弃物为主料搭配 8% 的苜蓿粉、0.1% 的聚丙烯酰胺、7% 的膨润土以及 8% 的蛭石）为最佳土壤调节剂配比，可在新增耕地上进行土壤改良工作并推广使用。本研究呈现的池栽模拟试验结果，还需进行大田现场验证试验，同时，改良机理还需进一步研究。

参考文献