第1章绪论
　　1.1我国粮食安全生产面临的耕地资源与土壤质量退化问题
　　1.1.1耕地资源问题
　　我国目前的粮食和其他主要农产品供需关系总体上表现出“总量基本平衡、结构性短缺、长期性偏紧”的格局。由于人口增加伴随城镇化和工业化的发展，膳食结构升级、工业用途拓展，对饲料用粮和工业用粮的需求快速增加，同时现有一些农产品品种缺口可能继续扩大。2016～2019年，我国粮食总产达6.16亿～6.64亿t，基于14.5亿人口数和人均500kg粮食需求量，预计2030年粮食需求量将达7.25亿t(中国科学院农业领域战略研究组，2009)。2016～2019年，我国每年进口粮食维持在1亿t以上（1.06亿～1.31亿t)，2019年进口谷物1785万t、大豆8851万t，相当于进口约7亿亩（1亩666.7m2，后文同）耕地的产能。我国幅员辽阔，农业自然资源及其时空配置复杂多样，但水土资源及其利用存在总量不足、质量不高、配置不协调、利用不合理的问题，需要解决资源硬约束问题以保障农产品安全生产和生态环境的可持续发展，因此实施“藏粮于地、藏粮于技”战略对于保障我国的粮食安全十分重要。
　　1.1.1.1耕地资源总量不足、质量不高
　　我国耕地资源不足，2019年末耕地总面积为20.23亿亩（约合1.3487亿hm2)，人均耕地仅1.44亩（0.096hm2)，不足世界平均水平的40%，而且可耕地己基本利用，后备耕地资源少、条件差、开发利用难度大。我国耕地中高产田（1～3等地）、中产田（4～6等地）和低产田（7～10等地）面积分别占耕地总面积的31.24%、46.81%和21.95%(表1-1)，其中低产田土壤障碍多、改良难度大，而中产田障碍较少、增产潜力较大（农业农村部，2019)。总体上我国耕地基础地力对粮食产量（小麦、玉米、单季稻）的平均贡献率为45.7%～60.2%(汤勇华和黄耀，2009)，比农业发达国家低了20～30个百分点。如果通过地力提升措施将中产田平均提高1个等级，可实现新增粮食综合生产能力800亿kg以上。
　　1.1.1.2水土资源配置不协调、利用不合理
　　我国农业生产中水土资源区域分布不协调，东部气候湿润、水源充足，拥有全国90%的耕地，而西部干旱、半干旱或高寒区耕地只占全国的10%;南方水资源占全国总量的4/5，但耕地不到全国的2/5，北方水资源只占全国总量的1/5，但其耕地却占全国的3/5。近20年来我国粮食生产重心己从南方转移到了北方，东北和黄淮海地区粮食产量目前己占全国的53%，其中商品粮占全国的66%，而水资源仅占15%左右，导致农业生产布局与自然资源分布不匹配。“北粮南运”相当于每年要由北方向南方输送300亿m3的水资源，加剧了北方水资源短缺的问题（夏军等，2008;张桃林，2015)。
　　我国耕地利用强度大，是美国的2.2倍、印度的3.3倍。美国大量耕地每年实行强制休耕，我国则是采用增加复种指数等方式来保证以较少的耕地资源生产出更多的粮食，耕地很少有休养生息的机会，结果往往是土地产出率高，但资源利用率和劳动力生产率低（Zhang et al.，2010)。同时，农业基础设施薄弱的问题仍未得到根本改善，农业抵御灾害的能力还比较弱。农田有效灌溉面积仅占51.8%，农田灌溉水利用系数仅为0.52，平均水分生产力约为1.0kg/m3，明显低于发达国家1.2～1.5kg/m3的水平（张桃林，2015)。
　　1.1.2土壤质量退化问题
　　目前，我国农业资源环境受外源性和内源性污染的双重影响，加剧了土壤和水体污染、农产品质量安全风险。一方面，工矿业和城乡生活污染向农业系统转移排放，导致农产品产地环境质量下降和污染问题凸显；另一方面，农业生产系统中化学品过量使用，以及农业废弃物（畜禽粪污、农作物秸秆和农田残膜等）不合理处置，造成严重的农业面源污染（朱兆良等，2006)。根据联合国粮食及农业组织预测，2050年全球粮食生产的氮肥需求量将从74TgN/年增加到107TgN/年，为了控制全球粮食生产导致的农业面源污染水平，氮盈余量需要从目前的100TgN/年降低到50TgN/年，氮肥利用率（nitrogen use efficiency，NUE)需要从平均40%增加到平均70%，其中欧盟和美国NUE需要增至75%，而中国和亚洲其他国家需要增至60%。然而，1961～2011年我国氮肥利用率己降至全球*低，而氮盈余量升至全球*高（Zhang et al.，2015)。因此，我国亟须提高肥料利用率以解决粮食安全和环境安全的双重压力。
　　1.1.2.1化肥用量偏大，化肥利用率偏低
　　2013年，我国农业化肥用量为5912万t，按农业种植面积（包括果园等）计算化肥用量为321.5kg/hm2，远高出世界平均水平，分别是美国的2.6倍和欧盟的2.5倍。我国2002～2005年水稻、小麦和玉米施肥量分别为294.8kg/hm2、263.6kg/hm2和269.6kg/hm2，氮肥利用率分别为27.3%、38.2%和31.0%，磷肥利用率分别为13.0%、16.9%和15.3%，钾肥利用率分别为28.1%、25.6%和30.5%(闫湘等，2017)。由于近年来实施测土配方施肥措施，目前我国小麦、水稻、玉米的平均氮肥用量分别为210kg/hm2、210kg/hm2、220kg/hm2，己进入水环境安全阈值范围（225kg/hm2)，小麦、玉米、水稻的氮、磷和钾肥的平均当季利用率分别为33%(30%～35%)、24%(15%～25%)和42%(35%～60%)(农业部，2013)。随着实施化肥农药使用量零增长行动，我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物化肥利用率由2015年的35.2%增加到2019年的39.2%，但仍然比世界先进水平低10～20个百分点。
　　我国化肥用量存在突出的区域不平衡问题，山东、江苏等地区化肥用量超过390kg/hm2，内蒙古、贵州等地区施用量低于195kg/hm2，特别是我国果园、设施蔬菜地、茶园的化肥平均用量分别达到555kg/hm2、365kg/hm2、678kg/hm2，而且果菜茶种植总面积仍在增加，加剧了区域化肥过量施用的状况（杨林章和孙波，2008;张福锁，2008;倪康等，2019)。虽然在不同气候、土壤和作物产量目标下，作物化肥养分利用率有较大差异，但我国农业化肥利用率总体上仍有较大的提升空间。
　　1.1.2.2农业废弃物还田利用率和回收率低
　　我国每年产生约38亿t畜禽粪污，排放的氮、磷量已经超过农业化肥氮、磷的排放量，而其化学需氧量（chemical oxygen demand，COD)排放占我国农业生产排放的COD总量的90%以上。2013年，我国饲养生猪约12亿头，年出栏7亿头左右，其中500头以上的规模化养殖场占40%左右。然而，规模化养殖场废弃物处理设施配套比例不足50%，畜禽粪便养分还田率不到50%。2007年，对全国污染源的第一次普查表明，畜禽养殖排泄物氮、磷排放总量分别达到10.24亿t和16.04亿t(环境保护部等，2010)，同时，这些有机废弃物还存在重金属和抗生素超标现象（Jia et al.，2016)。总体上，我国农田径流和淋洗进入水体的氮量分别占施氮量的5%和2%，NH3挥发进入大气的氮占11%～16%，其中水田损失高于旱地（朱兆良等，2006;Chen et al.，2014；Wang et al.，2018)，因此，我国农业中种植业和养殖业导致的面源污染十分严重（Sunetal.，2012)。
　　2015年，我国主要农作物秸秆可收集资源量为9.0亿t，秸秆综合利用率为80.1%，其中秸秆肥料化利用率为43.2%。2015年，我国农膜用量达260多万吨，其中地膜用量为145万t，因广泛使用超薄地膜（<0.008mm)，其回收率一般低于60%，致使每年有约58万t农膜残留在土壤中，影响土壤的结构和通透性，降低了作物对土壤养分和水分的利用。随着秸杆还田和有机肥替代化肥行动的持续推进，2019年我国秸秆综合利用率增加到83.7%，畜禽粪污资源化利用率达70%，但在肥料化利用方面仍有提升潜力。
　　1.1.2.3区域性土壤退化和土壤污染问题突出
　　近30年来，我国耕地肥力状况总体向好（徐明岗等，2015)。据农业部国家*耕地质量监测数据，1985～2006年在常规施肥管理条件下，农田大量养分含量总体表现为上升趋势，土壤全氮、有效磷、速效钾平均含量分别为1.55g/kg、27.4mg/kg、127mg/kg，分别提升了19%、330%、67%(全国农业技术推广服务中心和中国农业科学院农业资源与区划研究所，2008)。根据2005～2014年测土配方施肥项目数据，我国耕层土壤有机质平均含量为24.7g/kg，与全国第二次土壤普查数据对比，提高了4.85g/kg(增加了24.5%)，但西北地区（甘肃和青海）耕层土壤有机质含量下降（杨帆等，2017)。耕层土壤有机质含量增加的主要原因在2000年前是化肥投入增加导致的根茬量增加，在2000年以后是实施了秸秆还田和增施有机肥措施(Zhao et al.，2018)。但是，我国耕地土壤C:N:P仍然不协调，我国表层（0～10cm)富含有机质土壤的C:N:P约为134:9:1(Tian et al.，2010)，低于全球表层土壤C:N:P(186:13:1)，导致土壤供应和作物生长需求之间供需错配，影响土壤生产力。
　　然而，我国耕地仍然存在区域性质量下降问题，退化耕地面积己占耕地总面积的40%以上，在高强度农业利用下红壤加速酸化、土壤次生盐碱化、耕作层变薄和板结黏闭、土壤连作障碍等严重影响耕地生产能力的发挥。目前，我国水土流失耕地面积约3.6亿亩，盐碱耕地面积约1.14亿亩，强酸和极强酸性（pH<5.5)耕地面积约2.61亿亩，沙化耕地面积约3843万亩。我国耕地表层土壤pH在20世纪80年代以来己下降了0.13～0.80(Guo et al.，2010)，每年设施蔬菜和豆科作物遭受连作障碍的面积分别达5000万亩和3000万亩。此外，我国耕地还存在重金属和农药污染问题，影响了土壤健康和农产品质量安全。2014年调查结果表明，耕地土壤点位超标率达19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃（环境保护部和国土资源部，2014)，其中南方地区（特别是西南地区）土壤重金属污染风险*大(Chenet al.，2015)。
　　1.2地力提升与养分高效利用的国际研究进展
　　1.2.1打破土壤次生障碍对化肥养分利用制约的原理与技术
　　20世纪90年代，为应对资源和环境对粮食生产的约束，国际上提出发展集约化可持续农业（Cassman，1999)，欧盟制定的“2020计划”提出通过提高土壤质量稳定提升农业生产效率。21世纪以来，国外研究主要集中在消减土壤障碍和提升土壤功能两个层面，其中美国农业部盐土实验室（Salinity Laboratory，Agricultural Research Service，USDA)与澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific andIndustrial Research Organization，CSIRO)等在打破土壤障碍对化肥养分利用的制约方面开展了系统研究，美国康奈尔大学（Cornell University)、法国国家农业科学研究院（Institut Nationale de la Recherche Agronomigue，INRA)和瑞士有机农业研究所（Research Institute of Organic Agriculture，FiBL)等在揭示化肥养分高效利用的土壤生物物理机制方面取得了显著进展，而荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University &

目录
第1章　绪论　1　
1.1　我国粮食安全生产面临的耕地资源与土壤质量退化问题　1　
1.1.1　耕地资源问题　1　
1.1.2　土壤质量退化问题　2　
1.2　地力提升与养分高效利用的国际研究进展　4　
1.2.1　打破土壤次生障碍对化肥养分利用制约的原理与技术　4　
1.2.2　土壤结构与微生物群落组装促进养分循环和化肥增效的机制　4　
1.2.3　土壤–根系–微生物系统促进氮磷养分协同利用的机制　5　
1.2.4　提高化肥养分利用率的地力综合管理模式　6　
1.3　地力提升与养分高效利用的国内研究进展　7　
1.3.1　土壤质量演变与养分循环调控　7　
1.3.2　培肥促进土壤团聚体形成和微生物演替机制　7　
1.3.3　土壤–根系–微生物系统促进氮磷协同利用和作物抗逆的机制　8　
1.3.4　耕地肥沃耕层构建与化肥养分增效技术　9　
1.4　面向化肥减施增效的耕地地力综合管理研究　10　
1.4.1　耕地地力和养分高效管理的研究方向与内容　10　
1.4.2　耕地地力和养分高效管理的研究突破点　12
第2章　耕地地力水平与化肥养分利用率的关系　13　
2.1　耕地地力分布格局及其对主要作物化肥氮磷利用率的影响　13　
2.1.1　主要作物系统土壤地力的分布特征　13　
2.1.2　土壤地力对主要作物系统产量和氮磷利用率的影响　16　
2.1.3　主要作物系统土壤地力的关键影响因子　26　
2.2　小麦–玉米轮作农田氮肥利用率的时空演变特征及预测　32　
2.2.1　长期不同施肥条件下玉米和小麦氮肥利用率的时空演变特征　32　
2.2.2　氮肥利用率与土壤速效磷的关系　36　
2.2.3　未来气候变化和不同施肥条件下产量与氮肥利用率的变化趋势预测　38　
2.3　典型旱地地力与氮肥利用率的关系　44　
2.3.1　作物氮肥利用率与地力关系的理论进展　44　
2.3.2　推荐施氮量　45　
2.3.3　我国不同区域粮食作物的*佳施氮量　46　
2.3.4　氮肥利用率与基础地力和施氮量的关系　47　　
2.4　水旱轮作农田地力与氮肥利用率的关系　49　
2.4.1　太湖流域典型区地力调查和表征方法　49　
2.4.2　地力与氮肥利用率的关系特征　52　
2.4.3　氮肥利用率的提升潜力　58　
2.4.4　耕地综合地力提升的方法　61
第3章　土壤酸化与化学养分的互动机制及其调控原理　63　
3.1　化肥–土壤酸化–耕地地力的互动机制　63　
3.1.1　施肥与土壤酸化的互动影响　63　
3.1.2　土壤酸化对耕地地力和养分利用的影响　65　
3.1.3　土壤酸化对养分转化微生物群落及其功能的影响　66　
3.1.4　土壤酸化对耕地地力影响的物理学机制　69　
3.2　土壤酸化对作物养分吸收和利用的影响机制　75　
3.2.1　土壤酸化对作物养分吸收和利用的影响　76　
3.2.2　土壤酸化对根际微环境与养分转化微生物的影响　78　
3.2.3　土壤酸化诱导铝毒对作物根系生长与养分吸收的影响　79　
3.3　阻控土壤酸化提高养分利用率的主要措施　83　
3.3.1　阻控土壤酸化提高养分利用率的主要改良剂　83　
3.3.2　生物炭消减土壤酸化及其衍生地力障碍　90　
3.3.3　消减土壤酸化促进养分循环利用的综合调控技术　98
第4章　土壤盐碱障碍降低养分利用率的机制及其增效途径　101　
4.1　盐碱障碍对农田养分形态转化、有效性与吸收利用的影响机制　101　
4.1.1　盐碱障碍对农田氮素关键转化过程的影响　101　
4.1.2　盐碱障碍下根区土壤磷形态与有效性的特征　109　
4.1.3　盐碱化农田氮磷养分吸收利用的障碍机制　112　
4.2　盐碱耕地障碍消减对化肥养分利用的促进机制　118　
4.2.1　障碍消减措施对盐碱耕地土壤物理性质的调控效应　118　
4.2.2　障碍消减措施对氮素转化和磷素形态的促进机制　121　
4.2.3　障碍消减措施对盐碱耕地氮磷养分吸收利用的提升效应　126　
4.3　盐碱耕地氮磷养分增效的调控途径　128　
4.3.1　江苏滨海盐碱化耕地氮磷养分增效的调控途径　129　
4.3.2　山东滨海盐碱化耕地氮磷养分增效的调控途径　131　
4.3.3　东北苏打盐碱化耕地氮磷养分增效的调控途径　134　
4.3.4　西北内陆盐碱化耕地氮磷养分增效的调控途径　136
第5章　土壤结构性障碍制约养分高效利用的机制与突破对策　140　
5.1　土壤结构性障碍特征及其对养分库的影响　140　
5.1.1　黑土结构性障碍特征及其对养分库的影响　140　
5.1.2　典型区潮土结构性障碍及其对养分库的影响　147　
5.2　土壤团聚结构对养分蓄供及利用的制约机制　152　
5.2.1　不同团聚结构土壤中化肥氮转化过程及影响因素　152　
5.2.2　土壤团聚结构对潮土氨基糖组成的影响机制　158　
5.2.3　土壤团聚结构对磷素养分转化的影响机制　162　
5.3　土壤团聚结构形成及其微生物作用机制　164　
5.3.1　不同耕作和秸秆管理措施对潮土团聚结构形成的作用机制　164　
5.3.2　长期施肥对潮土团聚结构形成的微生物作用机制　173　
5.4　土壤结构改良与调控技术模式　180　
5.4.1　黑土玉米秸秆富集深埋还田技术　180　
5.4.2　砂性潮土深免间歇耕作耦合秸秆还田技术　184
第6章　连作障碍抑制作物对养分吸收利用的机制与消减技术　187　
6.1　连作障碍影响耕地地力的机制　187　
6.1.1　连作障碍的土壤物理问题　187　
6.1.2　连作障碍的土壤化学问题　188　
6.1.3　连作障碍的土壤生物学问题　192　
6.2　连作障碍抑制作物生长及养分吸收利用的机制　193　
6.2.1　连作下土壤物理障碍对作物养分吸收利用的影响　194　
6.2.2　连作下土壤酸化对作物养分吸收利用的影响　194　
6.2.3　连作下化感物质对作物养分吸收利用的影响　195　
6.2.4　连作下土壤生物对作物养分吸收利用的影响　196　
6.3　连作障碍消减技术的养分增效措施　197　
6.3.1　土壤养分调控　197　
6.3.2　施用生物有机肥　199　
6.3.3　施用生物炭　202　
6.3.4　施用蚓堆肥　202　
6.3.5　连作障碍综合防控措施　204　
6.4　促进蔬菜健康生长和养分利用的技术模式　205　
6.4.1　促进番茄健康生长和养分利用的营养调控技术　206　
6.4.2　促进黄瓜健康生长和养分利用的生物有机肥调控技术　207
第7章　土壤–作物系统养分循环增效的微生物驱动机制与调控策略　211　
7.1　稻田生态系统与旱作生态系统土壤微生物组特征　211　
7.1.1　农田土壤微生物地理分布格局　211　
7.1.2　农田土壤微生物群落构建机制　213　
7.1.3　水稻和小麦的根际效应　215　
7.1.4　水稻和小麦根际碳淀积与微生物群落的微尺度空间分布　217　
7.2　稻田生态系统有机质分解与养分耦合转化作用　221　
7.2.1　水稻土有机质厌氧降解机制及其调控因子　221　
7.2.2　水稻土磁铁矿与生物炭颗粒对有机质降解的影响　224　
7.2.3　稻田生物膜对磷素的响应　225　
7.3　旱作生态系统养分蓄供与协同增效　230　
7.3.1　土壤孔隙结构及微生物分布在养分蓄供中的作用　230　
7.3.2　土壤水分分布和微生物活动调控氮磷养分蓄供　233　
7.3.3　丛枝菌根真菌的综合促磷效应　235　
7.3.4　免耕与秸秆还田条件下土壤的碳磷互动效应　236
第8章　不同气候带旱地土壤微生物群落演替及功能基因组响应机制　239　
8.1　不同气候带典型旱地土壤微生物群落结构及演替特征　239　
8.1.1　不同气候带土壤微生物群落演替机制的研究方法　239　
8.1.2　不同气候带典型旱地土壤移置对土壤肥力和作物产量的影响　241　
8.1.3　不同气候带典型旱地土壤微生物群落组成与多样性变化　244　
8.1.4　不同气候带典型旱地土壤微生物群落演替特征　246　
8.2　不同气候带典型旱地土壤微生物养分转化功能组　254　
8.2.1　典型土壤微生物碳转化功能组对不同气候条件的响应　254　
8.2.2　典型土壤微生物氮转化功能组对不同气候条件的响应　258　
8.3　典型旱地土壤核心微生物组及其与地上部作物的关系　264　
8.3.1　核心微生物组与地上部作物的关系　264　
8.3.2　气候条件变化下微生物与地上部作物的关系　272
第9章　中东部集约化农田养分高效利用的沃土培育原理与途径　276　
9.1　中东部集约化农田土壤肥力培育原理与调控　276　
9.1.1　东北集约化农田土壤肥力培育原理与调控　277　
9.1.2　华北集约化农田土壤肥力培育原理与调控　286　
9.1.3　长江中下游集约化农田土壤肥力培育原理与调控　290　
9.2　中东部集约化农田土壤养分循环过程与调控　296　
9.2.1　东北集约化农田土壤养分循环过程及调控　296　
9.2.2　华北集约化农田土壤养分循环过程及调控　305　
9.2.3　长江中下游集约化农田土壤养分循环过程及调控　308　
9.3　中东部集约化农田养分高效管理与减肥增效　310　
9.3.1　东北集约化玉米连作农田养分高效管理与减肥增效　311　
9.3.3　长江中下游集约化双季稻农田养分高效管理与减肥增效　325　
9.3.4　中东部集约化农田养分高效利用的区域管理特征　330
第10章　西北旱区主要粮作体系有机培肥的地力提升机制　332　
10.1　小麦单作体系绿肥及有机肥的培肥效应　333　
10.1.1　黄土高原旱塬区有机培肥对小麦产量及土壤有机碳固持的影响　333　
10.1.2　黄土高原平原区秸秆还田和施用有机肥对小麦产量和土壤有机碳固持的影响　336　
10.1.3　添加钙源对秸秆在土壤中腐解和有机碳固持的影响及其作用机制　338　
10.2　小麦–玉米轮作体系下秸秆还田模式对土壤培肥和产量效应的影响　348　
10.2.1　麦玉轮作体系下秸秆还田模式对小麦产量的影响　348　
10.2.2　麦玉轮作体系下秸秆还田模式对土壤细菌群落及酶活性的影响　349　
10.2.3　麦玉轮作体系下秸秆还田模式对土壤碳固存的影响　353　
10.2.4　麦玉轮作体系下小麦秸秆高留茬还田模式促进土壤碳固存和产量效应　357　
10.3　玉米||大豆间作体系对产量和土壤微生物的影响　359　
10.3.1　玉米与大豆间作对作物生长的促进作用　359　
10.3.2　玉米与大豆间作对土壤微生物群落结构和功能的影响　363　
10.4　我国北方小麦和玉米系统秸秆还田的有机碳固持与增产效应　367　
10.4.1　秸秆还田对小麦和玉米产量的影响　367　
10.