基于土壤特点的贵州省粮食生产研究

杜姣姣 周运超 白云星 张薰元

摘  要：土壤是粮食生产的基础，也是粮食安全的核心。贵州省是西南喀斯特集中分布区，土壤表现为肥力差、养分含量差异大、空间异质性强、空间格局分布差异大，成为粮食可持续性发展的重要障碍。本文基于贵州省土壤资源特点，结合近年来贵州省粮食资源现状，阐述了粮食安全面临着耕地资源减少，耕地质量下降，粮食产量及安全性降低等问题，并提出从发展严守耕地红线、应用合理技术改善土壤养分和大力发展林业资源角度出发解决粮食安全问题的途径。

关键词：土壤;耕地资源;粮食安全;林业;贵州省

中图分类号：F762.1

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0600302;2017YFD0600304）;贵州省一流学科建设项目（GNYL[2017]007）;贵州省“百层次”培养计划项目（QKHRC[2015]4022）;贵州省科技计划项目（QKHZC[2018]2305）;贵州省人才团队项目（QKHPTRC20195614，[2018]5261）。

作者简介：杜姣姣，女，硕士，研究方向为水土保持与荒漠化防治。

通信作者：周運超，男，教授，研究方向为森林土壤。

粮食安全问题是涉及我国国民经济与社会稳定的全局性、基础性的重大战略问题，是保障国家安全的重要基石[1]。从全球范围来看，粮食供应主要集中在美国、欧盟、泰国和巴西等生产国，同时越来越多低收入国家粮食依赖进口。根据我国农业部预测，到2020年，我国的粮食缺口将达到1亿t以上，这表明我国正在成为农产品的进口大国[2]。粮食问题归根到底还是土壤的问题，土壤是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是生产粮食的基础。随着土壤肥力下降、荒漠化、盐渍化和重金属污染等现象越来越突出，造成土壤退化和土壤质量降低，影响着粮食产量。

目前学术界关于土壤与粮食之间的探究已做了大量的工作。粮食是关系国计民生和经济安全的重要保障，而粮食的单位面积产量和质量在很大程度上受到土壤肥力的影响[3]。所谓土壤肥力是土壤供应植物生长必需养料的能力，是保障粮食生产的根本[4]。土壤性质具有复杂的时空特性，不同土地利用类型、耕作制度和农业管理措施影响土壤肥力质量。土壤资源的数量和质量与粮食增产息息相关，目前农户生计对耕地的依赖性降低，耕地闲置、撂荒等现象日趋严重，加剧了耕地的不可持续性，耕地数量减少的严峻形势约束着未来粮食的生产[5-7]。高强度的耕地利用模式在提升粮食产量的同时也显著恶化了耕地的质量（土壤板结、土壤酸化和重金属污染），降低了耕地的利用潜力和生产的持续性[8]。土壤中微量元素的有效性受到工农业生产活动的影响，有效含量低，农作物吸收量少[9]，在农业干旱过程中，土壤湿度降低形成土壤板结严重影响粮食产量[10]。另一方面，土壤重金属对土壤的污染威胁着农田生态系统安全和人类健康，重金属污染不仅会引起土壤的组成、结构和功能的变化，还会抑制农作物的根系生长和光合作用，致使作物减产甚至绝收[11-12]，据统计，我国受重金属污染的耕地近2 000×104km2，约占总耕地面积的1/5，其中有1.3×104hm2耕地受到铅等重金属污染，导致粮食减产达1×107t[13-14]。

贵州省地处云贵高原东部山区，平均海拔在1 100m左右，主要以高原、山地、丘陵和盆地四种地貌类型为主，其中山地和丘陵的面积占全省土地面积的92.5%，是全国唯一没有平原的省份。受喀斯特特殊地貌及与人类活动的交互影响，贵州省的生态系统极其脆弱[15]，加之人类的不合理干扰、破坏造成人地矛盾突出，植被破坏，土壤侵蚀，土地生产力下降，土壤退化形成石漠化现象[16-17]，这不仅影响贵州省的粮食综合生产能力，甚至制约着贵州省农业可持续性发展，因此了解贵州省土壤特点与解决粮食安全问题密切相关。

1 贵州省耕地现状

粮食生产是国民经济的基础，耕地是保障国家粮食安全的资源基础。要确保拥有足够的粮食供给，最根本的办法是保护耕地的粮食生产能力[18]。贵州省属于传统农业省份，农业人口和农业产业比重较大[19]，耕地成为农民种植粮食作物的必要资源。根据《耕地质量等级》（GB/T 33469—2016）国家标准，依照不同区域耕地特点、土壤类型分布特征，将全国耕地划分为九大区域，耕地质量划分为10个耕地质量等级，一等地耕地质量最高，十等地耕地质量最低。贵州省没有1～7级的上等、中上等级耕地，8、9等级耕地属于优质耕地，共43.5万hm2。耕地总体呈现出一个“两多两少”的特点，即坡耕地多、坝区耕地少、中低产耕地多、优质耕地少。

1.1 耕地面积

耕地面积的变化是影响粮食产量的基本因素。根据第三次全国农业普查数据显示，贵州省耕地面积为453.18万hm2，相比于2014年减少了0.09%，其中有70.48万hm2耕地（不含梯田）是25°以上陡坡耕地，这部分耕地地形破碎不适宜耕作，需要根据国家退耕还林、还草的安排作逐步调整。但在人为主观因素的作用下，毁林开荒和陡坡耕作的现象仍有发生，进一步加剧了水土流失引起土壤退化，导致贵州省陷入越耕越穷，越穷越耕的死循环。另一方面，由于国民经济的发展和城镇化的推进，大量优质耕地被建设用地、交通运输等基础设施建设侵占，导致耕地面积减少，呈现出高度破碎性[20]。同时，受到国家政策影响，农产品经济发生改变，工业化、城镇化背景下农村外出务工的人数增加，从事农业生产活动的人数减少;农村劳动力不足使得土地荒芜、耕地减少，直接影响了粮食产量，粮食自给率逐渐降低。

1.2 耕地质量

耕地质量的下降导致耕地面积上粮食产量及安全性降低。化肥是粮食的粮食，粮食产量的增长离不开化肥的使用，自新中国成立以来以来，为了改善人们的温饱问题，我国大力发展化肥产业提高粮食产量[21-23]。贵州省化肥施用量从2008年83.09万t到2017年95.65万t，增长率为15.1%（见图1）。其中化肥施用量对粮食产量的影响可分为两个阶段：第一阶段，2008—2011年随着化肥施用量的增加，粮食产量逐渐降低;第二阶段，2011—2017年化肥使用量减缓，粮食产量逐渐提高。2011年贵州省遭遇了自1952年以来的最严重旱灾，干旱导致地下水和土壤水减少、土壤发生板结、盐碱化等土壤退化现象，严重制约了农业的可持续性发展，造成当年粮食产量减少235.4万t。盲目甚至过度使用化肥会破坏土壤结构，削弱耕地基础地力，导致土壤生产力下降，单位面积上的粮食产量降低，粮食安全得不到保障。

随着我国工业化和城市化的快速发展，污水灌溉、金属矿场废弃物、交通运输等引起的土壤重金属污染也日趋严重。土壤污染问题引起人们关注始于20世纪50年代，当时日本出现“水俣病”和“骨痛病，调查结果显示是重金属Hg和Cd污染所致。Pb、Cr、Cd、As、Cu、Co和Ni这7种元素为贵州省典型的重金属元素，有研究对贵州土壤样品进行检测，发现铅是贵州农业非点源重金属主要污染物之一，且从污染程度来看，铅在贵州省农业非点源污染土壤中重金属累积污染程度中排第二位[24]，就贵阳市而言，Cd是主要的生态危害因子。土壤重金属污染影响耕地质量和农产品质量，还会通过食物链途径富集在人体，危害人类身体健康。

2 贵州土壤与粮食

2.1 贵州省粮食资源现状

贵州省人多地少、农业资源稀缺、粮食生产能力脆弱。在近10年的粮食产量变化图（见图1）中，2011年受自然灾害原因粮食产量急剧减少，粮食自给率下降到64.30%。根据国家统计局数据显示，2017年贵州省地区生产总值13 540.83亿元，农业产值为2 076.99亿元，占农林牧渔业总产值的60.8%。2017年粮食播种面积为3 0527.8km2，粮食产量1 178.54万t，占全国比重1.9%，人均粮食占有量348.27kg;2016年粮食播种面积为31 132km2，粮食产量为1 192.38万t，占全国比重的1.9%，人均粮食占有量336.62kg。2017年与2016年比较，贵州省的播种面积、粮食产量和人均粮食占有量均有所下降。由于粮食需求不断增加而粮食增长较为缓慢，粮食的增产是在播种面积不断减少的情况下，通过提高单位面积产量，实现粮食总产量增加。在有限的资源承载力下，面对越来越高的生态环保要求，粮食增产的空间有限。就一个地区的粮食安全而言，一种途径是扩大种植面积和提高单位面积产量，另一种途径是从其他地区购买，这取决于市场上粮食供应和本地区的购买力是否足够。贵州省口粮虽然能够基本自给，但随着贵州省总人口迅速增长，从1987年的2 686.4万人增长到2017年的3 580.0万人，增长了1.33倍，推动了粮食消费的增长，使得人均粮食需求上涨[25]，粮食供需呈现总供给增长速度跟不上总需求的新特点，粮食安全保障将面临严峻挑战。

2.2 贵州省土壤资源特点

伴随着我国农业发展经历的从解决人民群众基本温饱到吃得好、吃得安全、吃得营养健康的过程，我国的土壤学也已经或正在经历从聚焦土壤肥力、追求作物产量，到关注土壤安全和土壤健康、保证农产品质量安全，再到更加突出土壤质量、支撑农业高质量发展的变化历程[26-31]。在农田土壤生态系统中，土壤特性与粮食作物吸收之间的关系复杂多样，粮食作物能否有效地吸收营养元素受土壤性质和土壤质量及其他多种因素影响。

2.2.1 肥力质量低

土壤整体质量差。在海洋性气候和大陆性气候的共同作用下，贵州气候具有湿润亚热带气候特征，如温度高、湿度大、降雨量大、养分运移速度快等。土壤主要以黄壤为主，具有酸、粘和瘦三种特点，此类土壤细粒含量高而粗粒含量极少，常呈紧实黏结的固相骨架，土壤通气性和透水性差，质地粘重不适宜耕作，影响土壤生产力。土壤酸碱性差异大也是致使肥力差的因素之一，贵州pH小于5.5的酸性土和pH大于8.5的碱性土占耕地面积的18.9%，过酸或者过碱都对土壤微生物活动、养分转换存在较大影响。

2.2.2 养分含量差异巨大

贵州由于海拔高度、坡度不同，土壤养分在空间上也存在差异性，以大量元素养分为例，东部、西部、南部、北部以及中部地区的有机质大于40g/kg的比例分别为20.8%、31.5%、35.1%、10.3%和34.9%，全氮大于2g/kg的比例分别为24.9%、34.8%、39.2%、13.0%和36.4%[32]。地形对母质起着重新分配的作用，发育形成的土壤受到地形因素的影响，在山地尤为明显。在地形破碎、海拔高差大，降雨量大，坡度大的地区受到降雨冲刷的过程中，土层变薄养分流失，而坡度小的地区土壤不易受到侵蚀，土层一般较厚，养分含量相对较高适宜耕作。养分含量高低制约着农作物的耕作，在高肥力地区与低肥力地区养分含量差异十分显著，适宜用来耕作的地区也会因此而不同。

2.2.3 土壤空间异质性强

喀斯特地区受地表微形态和微地貌空间变异的影响，土壤分布及其性质在水平方向和垂直方向上表现出明显的空间异质性[33]。贵州省岩石出露种类繁多，碳酸盐岩、第四纪黄色粘土、砂岩和页岩等互相镶嵌，由这些岩石风化形成的土壤物质来源存在巨大差异，土壤肥力和营养供应也随之不同。在贵州碳酸盐岩石组成分中，可溶性组分占绝对多数，所以岩石风化形成的土壤表现出较弱的土壤可更新性特点[34]。由于贵州岩溶土壤形成和发育特点的独特性，发育不连续的浅薄土层受到降雨冲刷，一部分土壤随地表径流流失，另一部分下渗进入地下岩溶系统，造成基岩大面积裸露，土壤分布不连续，呈现出土壤空间异质性。

2.2.4 空间格局分布差异大

贵州省地势西部高，北、东、南低，使得整个贵州省地形分布呈阶梯状，海拔最高处的韭菜坪和最低处黎平县之间的高差达到2 752.8m，整体相对高差大。由于山地海拔不同，地形起伏比较大，导致一些河流被山川所截断，地形呈现破碎化，土壤空间异质性强致使机械化耕作难度增大，加之气候影响，发育而成的土壤组成复杂，即使在某些土层厚的区域其养分含量也相对较低。

2.3 土壤与粮食之间的关系

土壤好坏是影响粮食产量的根本原因。土壤是作物生产的介质，在自然界农作物种植必须以土壤为基地，一个良好的土壤能使作物吃得饱（养料供应充分）、喝得足（水分供应充分）、住得好（空气流通、温度适宜）、站得稳（根系伸展开、机械支撑牢固）。土壤肥力是土壤生产力的基础，要发挥肥力作用的外界条件，也就是气候、地形以及有无污染物入侵等，也包括人为耕作、栽培等土壤管理措施。贵州省虽然具有充沛的降水条件，但由于喀斯特地貌地下孔裂隙发育、地表水渗漏性强，当降雨强度不断增大时，地表不仅会发生土壤侵蚀，还会产生漏失，导致岩石大面积出露，石化面积增大，土壤呈碎片化，植被遭受破坏后地表蓄水能力减弱，严重影响农业生产和发展。据调查，在耕层极为浅薄的耕地上，耕层厚度增厚10cm以上，粮食产量平均提高65.0%和94.0%，而贵州省耕层厚度小于15cm的浅薄型耕地占耕地总面积的39.9%[35]，這在很大程度限制了粮食的播种面积以及粮食产量。

人类活动也是导致土壤与粮食不和谐的因素之一。工业化、城镇化的快速发展造成土地资源极不平衡，很多土地受到生态环境等因素的限制无法用作耕地，然而随着人口的增长和对粮食的需求不断增加，土地资源的可用性面临着极大的挑战，粮食安全成为一大难题。另一方面，贵州省属于山地农业省，大多数耕地都属在山坡上，地理气候环境条件差、水土保持能力弱。人们在耕作时会优先选择度小的地区，但由于耕地资源稀缺，农业需求大，不得不选择那部分坡度较大的区域进行耕作。按规定坡度大于25°的陡坡耕地不适宜耕作，而这类土地被人为开垦后，地表土壤极易受到降水冲刷而流失，土壤从坡度较大的区域被冲刷到坡度较为平缓的地区，造成土地生产力低，影响粮食综合生产力。

综上所述，人类活动、土壤、粮食安全三者之间存在耦合关系（见图2）。在土壤贫瘠，岩石裸露率高的区域，耕地的面积和质量致使土地生产力地下，直接影响了粮食生产和农业发展。城市化和工业化造成农村土地资源短缺，劳动者之间争夺资源导致粮食安全问题陷入多种利益纠纷，除此以外，人们对于鱼肉类食物的高消费与高需求也对粮食安全提出了新的要求。

3 讨论

3.1 贵州粮食发展存在的问题

粮食生产以土壤为基地，所以要发展保障粮食安全，就必须高度重视土壤资源的开发、利用、改良和保护，要在全面规划农林用地的基础上，把土壤资源的改良、利用与保护结合起来。在保证土壤质量不下降，土壤生态环境不受破坏的情况下通过一系列合理措施达到农业的持续、稳定发展。本研究分析了贵州省土壤特点及耕地资源现状，探究了土壤、人类活动与粮食安全三者之间的关系。目前，许多研究提出解决粮食安全的办法为保护耕地、应用合理技术改善土壤等，然而基于贵州特殊的喀斯特地貌背景及土壤背景下，这一系列改良措施实施起来十分艰难。

3.1.1 優质耕地数量少

根据贵州省第二次土地调查中耕地分坡度面积表显示，坡耕地占耕地面积的94.9%，平地仅占5.1%，大于25°的陡坡耕地面积为17.9%，小于15°的耕地占比超过50%，这部分耕地是承担贵州省主要农业生产任务的主体部分，然而绝大部分被用作城镇建设用地，剩下不适宜耕作的陡坡耕地，这部分耕地即便采取了保护耕地措施，也无法进行良好的耕作。

3.1.2 农业机械化困难

贵州土壤肥力贫瘠，养分含量差异大，农业生产以土壤为基础，要实现高产、有效和优质的目标较难，加之土壤空间异质性强及空间格局分布差异大，这种特殊的地理条件和独特的地形地貌，使很多农机具在贵州难以适用，特别是一些在平原地区使用效果良好的各类农机具，在贵州却很难有用武之地。

3.1.3 农村劳动力流失严重

近年来，贵州省由于农业产业收益较低，一年种植666.7m2农田的粮食收入远远低于外出务工一个月的收入，导致大部分年轻农民选择进城务工增加收入，剩下老人进行农业生产活动，造成农村劳动力严重缺乏，耕地闲置和撂荒面积逐渐增大，因此在贵州撂荒现象日益突出的背景下，即使将耕地保护起来也无人耕作。

3.2 解决的贵州粮食安全的有效途径

农业生产以土壤为基地，所以要发展农业生产，就必须十分重视土壤资源的开发、利用、改良和保护，通过合理的耕作制度、科学施肥、科学灌溉和一系列培肥土壤的管理措施，在保证土壤质量不下降，土壤生态环境不受破坏的情况下保证农业生产的持续、稳定发展。

3.2.1 严守耕地红线提高粮食产量

耕地是人类赖以生存和发展的基础，耕地问题的实质就是农业问题，维护耕地数量与质量对农业可持续发展至关重要。贵州省是一个传统的农业省份，面对耕地资源稀缺、耕地质量差的严峻形势，采取措施保护耕地是首要的任务，更是提高粮食综合生产能力的前提。保护耕地可以从以下几个方面入手：第一，加强耕地生态环境保护，一方面是防治耕地污染，另一方面是改善耕地质量，提高单位面积粮食产量;第二，严格执行国家所制定的占用耕地补偿制度和基本农田保护制度;第三，适度退耕还林、合理利用各坡度耕地。贵州坡耕地占耕地面积的65%，大于25°的陡坡耕地有17.9%，由于其坡度大，土壤质量差，坡度大于25°的耕地不适宜耕作;坡度小于15°的耕地占比超过50%，是承担贵州省主要农业生产任务的主体部分。要提高贵州农业发展，保护耕地是一条不可逾越的红线，也是保护、提高粮食综合生产能力的重要前提。

3.2.2 应用合理技术管理土壤养分

贵州土壤肥力贫瘠，要实现农业生产的高产、高效、优质，除培肥土壤、提高土壤基础肥力外，还必须重点强调农田基本建设。具体而言：土壤养分缺乏可以通过施肥矫正以满足作物对养分的需求，而养分过剩则必然导致养分在土壤中的积累或损失污染环境，所以了解土壤养分状况是制定合理的管理技术改良土壤肥力的基础和前提;少耕、休耕和免耕技术也必不可少，喀斯特地区土层浅薄、水土流失严重，这种耕作方法能明显地防止水土流失、降低生产成本和提高经济效益，从而有效降低土壤养分的损失，有利于有机质积累和根系在耕作层的生长扩展，提高作物对养分的吸收利用，从而提高粮食产量;量化施肥技术，施用有机肥等同样重要，随着农田作物种植强度的提高，向土壤中投入的肥料养分越来越多。施肥量的增加，一方面增加了农作物的吸收量、但同时也增加了在土壤中的残留量和因流失、挥发等造成的损失量。此外，施用有机肥形成有机无机复合体和微团聚体，通过改善<0.002mm复合体的腐殖质品质，既能够提高土壤有机质的数量，又能更新和活化老的有机质，改善腐殖质品质，从而全面提高土壤肥力[36]。因此，通过合理的技术改善贵州土壤生态系统的养分供应平衡，对提高贵州省粮食的综合生产能力具有重要意义，最终可以达到贵州省农业可持续发展的目标。

3.2.3 大力发展林业

从林业生态建设入手，充分利用贵州天然林业资源是保障贵州粮食安全的有效途径。首先，森林是人类的粮食之源，它为培育新的农作物和家畜优良品种提供了丰富的原材料[37]，目前贵州省森林覆盖率已经提升至57%，经济林是林业经营的主要树种之一，因富含油脂、淀粉、糖类而能够满足人们粮食之需，多被用来生产木本粮油，贵州油茶、核桃、板栗等经济林树种几乎遍布全省，可为人类提供大量食用和工业用油。其次，森林还是重要的生物质能源，就其能源计量当量而言，是仅次于煤、石油、天然气的第四大能源，是一种绿色、可再生的环保型能源。贵州可用于发展生物质能源的树种十分丰富，如麻风树栽培时间短结果期长，其果实平均含油率40%左右，可生产生物柴油60kg左右[38]。最后，贵州土壤浅薄受到降雨冲刷易发生水土流失，而林木的枝叶可以截留降雨，从而改善土壤水分和改善小气候稳定旱作农业体系同时促进农作物稳产，除此以外，通过在耕作制度中种植林业树种可以控制地表径流和土壤侵蚀，这种有效的栽培制度使粮食安全间接得到保障。

4 结论

粮食安全直接关系到社会稳定和经济发展，贵州作为传统农业省份与粮食密不可分。在特殊的喀斯特地貌背景下，独特的地形、地貌及土壤等特点，与人类不合理活动双重因素共同制约着贵州粮食安全。要从根源保障贵州粮食安全必须牢牢抓紧土壤与粮食之间的关系这根主线，并立足于土壤质量、林业经济和未来经济发展前景等多角度加以考虑，从土壤与粮食生产建设这一关键目标出发，分析贵州省粮食供需平衡的经济基础和持续发展的条件，为制定贵州粮食安全战略提供可靠的解决策略。

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