水稻土改良現(xiàn)場(chǎng)

不斷增長的糧食需求是人類必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，這就要求土壤肥料學(xué)科在提高養(yǎng)分資源效率、提高土壤肥力和農(nóng)田可持續(xù)性、保護(hù)資源環(huán)境和營養(yǎng)健康等方面深入探索，尋求出路。

“肥料是國家糧食安全的重要保障，養(yǎng)分資源高效利用是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全的永恒主題。”在日前舉行的中國農(nóng)科院“農(nóng)科講壇”上，中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員、植物營養(yǎng)團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家周衛(wèi)說道。

不斷增長的糧食需求是人類必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，這就要求土壤肥料學(xué)科在提高養(yǎng)分資源效率、提高土壤肥力和農(nóng)田可持續(xù)性、保護(hù)資源環(huán)境和營養(yǎng)健康等方面深入探索，尋求出路。一直以來，周衛(wèi)及其科研團(tuán)隊(duì)不斷開拓養(yǎng)分高效利用創(chuàng)新之路。

養(yǎng)分高效重大命題亟待破解

“當(dāng)前，世界范圍內(nèi)施肥的科學(xué)性還不夠。一百多年來，世界范圍內(nèi)養(yǎng)分的投入產(chǎn)出不平衡狀況不斷加劇。我國也存在著化肥大量施用、肥料利用率低的問題。”周衛(wèi)介紹。

我國常年化肥用量占世界化肥消費(fèi)總量的35%，單位耕地面積化肥用量是世界平均水平的3倍、歐美國家的2.5倍，而肥料利用率只有30%~35%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的50%~60%。周衛(wèi)說，肥料養(yǎng)分利用不充分必然加劇面源污染和溫室氣體排放。

就養(yǎng)分資源而言，可以分為化學(xué)肥料和有機(jī)肥料兩大類?；瘜W(xué)肥料分為大量元素、中量元素、微量元素，有機(jī)肥料包括糞肥、秸稈、綠肥等。實(shí)際上，肥料利用率中，人們最關(guān)注的還是氮肥利用率。

“肥料利用率是一個(gè)讓中國土壤肥料領(lǐng)域?qū)＜液娃r(nóng)民都承擔(dān)著重大壓力的問題。”中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員金繼運(yùn)指出?？萍疾炕A(chǔ)研究司研究員彭以祺表示，“化肥減量增效將降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，給農(nóng)民減輕負(fù)擔(dān)。”

“肥料利用率就是施了多少養(yǎng)分到土壤中、被作物吸收利用的比例是多少、多少被吸收利用形成了生產(chǎn)力，這都是非常關(guān)鍵的問題。”金繼運(yùn)表示，導(dǎo)致我國肥料利用率低的主要因素有耕地質(zhì)量差、施肥技術(shù)跟不上等。

他還認(rèn)為，“另外一個(gè)問題就是科學(xué)技術(shù)。如果植物營養(yǎng)與肥料領(lǐng)域沒有基礎(chǔ)和理論上的突破與創(chuàng)新，也是不可能有新的進(jìn)步的，所以要搞研究，形成配套的技術(shù)體系才能在生產(chǎn)上發(fā)揮作用。”

周衛(wèi)帶領(lǐng)植物營養(yǎng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)我國低產(chǎn)田面積大、化肥利用率低的問題開展理論、方法、技術(shù)、產(chǎn)品創(chuàng)新，構(gòu)建養(yǎng)分資源高效利用的方法、理論、技術(shù)體系。先后兩次獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，相關(guān)成果入選國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目優(yōu)秀成果選編。

對(duì)此，周衛(wèi)表示，“聚焦創(chuàng)新，服務(wù)國家。服務(wù)國家不是一個(gè)簡單的口號(hào)，而是服務(wù)于國家的重大需求。”

“養(yǎng)分資源高效利用直接關(guān)系到我國糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全。與發(fā)達(dá)國家環(huán)境優(yōu)先相比，我國高投入、高產(chǎn)出的集約化生產(chǎn)體系要協(xié)同高產(chǎn)、高效、環(huán)境保護(hù)等多重目標(biāo)，因此，這一命題在我國更具特殊性和挑戰(zhàn)性。”他說道。

創(chuàng)新養(yǎng)分高效利用技術(shù)路徑

“當(dāng)前施肥面臨一些挑戰(zhàn)性的問題，如土壤氮素至今缺少滿意的推薦方法，環(huán)境來源養(yǎng)分如沉降、排灌等未能考慮，存在土壤測(cè)試不及時(shí)或條件不具備的問題，還有如何考慮到養(yǎng)分互作、秸稈有機(jī)肥施用等。”周衛(wèi)說。

為此，植物營養(yǎng)團(tuán)隊(duì)建立了基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的養(yǎng)分推薦方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，研制了作物養(yǎng)分專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了4R(肥料用量、品種、施肥時(shí)期、施肥位置)養(yǎng)分管理模式，可實(shí)現(xiàn)小麥和玉米減施氮肥30%以上，提高作物氮素利用率10%以上。

具體做法是在中國小麥、玉米、水稻種植區(qū)進(jìn)行多年多點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和匯總，利用相關(guān)模型來分析產(chǎn)量養(yǎng)分吸收特征，并進(jìn)行產(chǎn)量反應(yīng)以及相關(guān)性分析，構(gòu)建施肥模型，再經(jīng)過多年多點(diǎn)試驗(yàn)的驗(yàn)證，建立基于產(chǎn)量反應(yīng)的農(nóng)學(xué)效應(yīng)推薦施肥方法。

周衛(wèi)介紹，我國以小農(nóng)戶經(jīng)營為主體，依據(jù)土壤測(cè)試指導(dǎo)農(nóng)民施肥存在著推薦不及時(shí)、成本高的問題，而該方法是基于大數(shù)據(jù)挖掘的推薦施肥方法，通過提煉產(chǎn)量反應(yīng)與農(nóng)學(xué)效率之間關(guān)系進(jìn)行肥料推薦，理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)。

通過計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)建立問答式界面，把復(fù)雜的推薦施肥原理簡化成農(nóng)民方便使用的養(yǎng)分管理專家系統(tǒng)，既可以在計(jì)算機(jī)上下載使用，也可以通過微信關(guān)注手機(jī)使用，目前在14個(gè)省區(qū)水稻、小麥和玉米三大作物上得到了廣泛應(yīng)用。

有機(jī)肥料是寶貴的資源，但有機(jī)肥和秸稈在土壤中微生物轉(zhuǎn)化緩慢，養(yǎng)分釋放難以匹配作物需求，秸稈還田中碳氮比過高，成為影響有機(jī)肥利用的瓶頸。團(tuán)隊(duì)揭示有機(jī)肥替代化肥的機(jī)理，明確參與有機(jī)肥和秸稈碳氮轉(zhuǎn)化的微生物類群，闡明主要種植體系有機(jī)肥替代化肥氮素的合理比例。

團(tuán)隊(duì)實(shí)施的有機(jī)肥料替代化肥養(yǎng)分策略，與習(xí)慣施肥比較，氮素有機(jī)替代可增產(chǎn)4.6%～25.0%、減施化學(xué)氮肥32%~44%，氮肥利用率提高11%~26%，為化肥減施增效提供有效技術(shù)途徑。

周衛(wèi)介紹，硫、鈣是植物必需的中量元素，不論在理論上還是技術(shù)上，硫、鈣研究都比較薄弱，尤其是產(chǎn)品較缺乏。為此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了作物、蔬菜和果樹等作物的高效硫肥與高效鈣肥等新型肥料，為遏制土壤缺硫和缺鈣的發(fā)生提供了可行途徑，相關(guān)成果獲2005年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

研發(fā)土壤培肥與化肥減施綜合技術(shù)

“當(dāng)前，我國耕地70%為中低產(chǎn)田，土壤有機(jī)質(zhì)含量平均不足2%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家3%的水平，主要問題包括東北黑土耕層變薄，南方紅黃壤酸化，華北耕層變淺，西北耕地鹽堿化和沙化，水稻土低產(chǎn)障礙，土壤重金屬、農(nóng)藥、殘膜污染，新墾耕地地力低下。”周衛(wèi)說。團(tuán)隊(duì)近年來一項(xiàng)重要工作是培育高產(chǎn)高效土壤，研發(fā)出低產(chǎn)水稻土改良關(guān)鍵技術(shù)。

我國是世界上的水稻生產(chǎn)大國，南方水稻常年植稻面積3.76億畝，占全國水稻總面積的82.7%，但其中約1/3為低產(chǎn)水稻土。

水稻土為什么低產(chǎn)?當(dāng)多數(shù)人還在關(guān)注土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)時(shí)，周衛(wèi)領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)首次建立了涵蓋生物肥力指標(biāo)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，突破長期以來南方水稻土低產(chǎn)障礙不明的關(guān)鍵瓶頸。

團(tuán)隊(duì)建立了5種類型低產(chǎn)水稻土質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集，并針對(duì)障礙因素一一進(jìn)行改良破解。“我們的基本思路是闡明障礙因素—創(chuàng)新改良技術(shù)—研創(chuàng)改良產(chǎn)品—集成改良模式。”周衛(wèi)表示。

改土與施肥是分不開的。在創(chuàng)新低產(chǎn)水稻土改良與地力提升關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也研創(chuàng)了低產(chǎn)水稻土改良與地力提升新產(chǎn)品。應(yīng)用技術(shù)集成模式，南方低產(chǎn)水稻土障礙因素得以消除，如果3年連續(xù)改良，土壤肥力可提高至少1個(gè)等級(jí)(100公斤/畝)。

這項(xiàng)獲得2016年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的成果已在南方11省規(guī)模化應(yīng)用，大幅度提升了低產(chǎn)水稻土的地力水平，產(chǎn)生了良好效益。周衛(wèi)團(tuán)隊(duì)又繼續(xù)投入另一項(xiàng)創(chuàng)新工作——參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)。

“團(tuán)隊(duì)未來將圍繞糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、果樹等四類作物，力爭(zhēng)在建立肥料減控標(biāo)準(zhǔn)、集成減施技術(shù)模式和創(chuàng)新產(chǎn)品裝備等方面實(shí)現(xiàn)新的突破，為我國化肥減施增效行動(dòng)提供科技支撐。”周衛(wèi)表示。

團(tuán)隊(duì)將要開展以下幾個(gè)方面的研究工作，首先建立先進(jìn)養(yǎng)分推薦方法與限量標(biāo)準(zhǔn)，主要研究四類作物的養(yǎng)分吸收特征、產(chǎn)量反應(yīng)與農(nóng)學(xué)效率的關(guān)系、施肥模型的構(gòu)建與驗(yàn)證、建立作物養(yǎng)分推薦施肥方法，并根據(jù)區(qū)域肥力和產(chǎn)品水平制定養(yǎng)分限量標(biāo)準(zhǔn);實(shí)施有機(jī)養(yǎng)分替代化肥養(yǎng)分，創(chuàng)制高效新型肥料，研發(fā)智能精準(zhǔn)施肥裝備，培育高產(chǎn)高效土壤，集成化肥減施增效技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。