鹽堿地改良與利用實驗室月報：濱海鹽漬土氮磷高效利用研究進展

昵稱37581541 2024-12-15

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濱海鹽漬土氮磷高效利用研究進展

主旨內容

圖形摘要

1.1背景意義

我國鹽堿地總面積達到9913萬公頃，其中具有農業(yè)開發(fā)利用潛力的近1000萬公頃，占到我國耕地總面積的10%以上。濱海鹽堿地約占鹽堿地總面積的7%，主要分布在黃海及環(huán)渤海地區(qū)，具有較大的糧食增產潛力。然而，鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)脆弱、環(huán)境承載力低，其獨特的土壤理化性質不僅導致農業(yè)土地資源的浪費，還影響了生態(tài)系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，進而造成環(huán)境效益和經濟效益的巨大損失。因此，鹽堿地的開發(fā)與利用成為我國農業(yè)發(fā)展面臨的一項重大挑戰(zhàn)。為了推動濱海鹽漬土區(qū)域的農業(yè)發(fā)展，我們需要通過調節(jié)氮磷肥的施用，使其與土壤養(yǎng)分供應和作物養(yǎng)分需求相匹配，從而提供合理的農田管理方案。這不僅能提高作物的生長潛力，還能有效利用鹽堿地資源，為我國糧食安全和可持續(xù)農業(yè)發(fā)展提供保障。

1.2氮磷肥施用技術研究進展

氮肥施用技術研究進展

氮素是植物生長和發(fā)育的關鍵營養(yǎng)元素，對農田的農業(yè)生產起著至關重要的作用。它是植物蛋白質的重要組成部分，構成植物細胞中的氨基酸、酶和激素，進而直接影響植物的生長速度、分枝與葉片數量。氮素還參與葉綠素的合成，是光合作用的核心成分。充足的氮素供應能顯著提高光合作用效率，從而促進植物的養(yǎng)分積累和生長。然而，氮肥的過量施用可能導致土壤和水體污染，如氮的淋溶和揮發(fā)，造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，在氮肥的使用上，需要科學合理地進行管理，確保適量施用，以實現(xiàn)高產和環(huán)境可持續(xù)性的平衡。

我國在土壤氮素供應能力的研究和氮肥管理技術方面不斷取得進展，從1962年朱兆良建立的NaOH擴散法測定土壤硝態(tài)氮開始，逐步發(fā)展出基于土壤剖面無機氮（Nmin）進行的氮肥推薦方法。朱兆良在1990年的總結指出，傳統(tǒng)的堿解氮方法與土壤供氮量的相關性較低，呼吁開發(fā)更有效的施肥方法。歐美國家在20世紀中后期引入了更加科學的氮肥推薦技術，強調土壤中Nmin的測定與作物氮需求量之間的關系。相關研究顯示，土壤中殘留的Nmin與當季施入的氮肥均可為作物提供有效養(yǎng)分，只需明確作物生長期的氮需求并結合土壤無機氮值來合理確定氮肥施用量。然而，早期的Nmin測定方法依然存在如分析復雜、未考慮根系吸收的土壤層次變化等問題，尤其是在旱地條件下，銨態(tài)氮的積累量較小，使得硝態(tài)氮的測定成為更加可靠的土壤氮素供應指示。

在此背景下，中國農業(yè)大學自20世紀90年代初開始研究并建立了以根層養(yǎng)分調控為核心的氮肥實時監(jiān)控技術，形成了一整套完善的農作物氮管理體系。此技術重點關注根層的氮素供應強度，旨在保證土壤和作物養(yǎng)分供應的同時，協(xié)調氮肥施用和作物吸收的時間、空間與數量。多年來的試驗證明，采用此技術能在冬小麥和夏玉米輪作體系中取得顯著的產量，同時減少氮肥使用，從而提升氮肥的利用效率，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

針對我國小農戶集約化糧食生產用肥量大，資源環(huán)境代價高，養(yǎng)分利用率低等一系列問題，中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院于2021年發(fā)布了全國主要糧食作物縣域氮肥施用定額，創(chuàng)新了一種氮素動態(tài)平衡優(yōu)化管理新方法，突破了集約化小農戶氮肥管理的難題；我國小麥、玉米和水稻主產區(qū)進行大面積示范結果表明，應用縣域氮肥定額可減少肥料使用21-28%，實現(xiàn)糧食增產6-7%，增加氮肥利用效率26-33.2%，降低活性氮損失23.2-28.9%。該項研究將為我國可持續(xù)氮管理提供解決方案，助力農業(yè)綠色發(fā)展，對全國乃至全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 根層氮素實時調控技術

磷肥施用技術研究進展

磷（P）是植物生長和繁殖中不可或缺的重要營養(yǎng)素。在現(xiàn)代農業(yè)中，隨著對糧食產量日益增長的需求，農田中的磷素管理變得愈加重要。然而，當前磷肥料應用效率較低，與作物增產的需求之間存在嚴重矛盾。土壤中有效磷的濃度普遍較低，且流動性差，限制了植物的生長和作物的產量。雖然農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中施用了含磷肥料，但許多研究表明，施用后第一年植物僅能吸收施用磷的20-30%。這一狀況不僅導致了土壤磷的流失，還引發(fā)了水體富營養(yǎng)化，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。同時，礦物肥料中的磷來源主要是不可再生的磷礦資源，為了應對這些挑戰(zhàn)，提高作物的磷高效利用能力被視為解決磷資源短缺和環(huán)境問題的重要策略。植物的磷高效利用能力可以通過改善磷獲取效率（PAE）或磷利用效率（PUE）來實現(xiàn)。PAE是指植物從土壤中吸收磷的能力，而PUE則是指植物利用吸收的磷來生產生物量或產量的能力。近年來的研究主要集中在提升PAE的策略上，然而，提升磷獲取能力的同時，植物生物量中磷的總量也會增加，這可能導致土壤磷儲量的枯竭。增加的磷吸收可能導致種子中植酸鹽形式磷的積累，這對環(huán)境會產生負面影響。這是因為植酸鹽對單胃動物不可消化，進入水體后會導致水體的富營養(yǎng)化。因此，除改善PAE外，提升PUE也是減少磷肥使用和環(huán)境影響的重要措施。

我國科學家在農田磷資源管理方面進行了一系列研究，開發(fā)了多種治理與管理方法，包括肥料效應函數法、養(yǎng)分平衡法、土壤植物測試法和磷素恒量監(jiān)控法。其中，前幾種方法未能充分考慮磷肥的累積效應，而磷素恒量監(jiān)控法則旨在確保作物的持久穩(wěn)定高產。該方法設定土壤有效磷的臨界值，將土壤有效磷的調控下限與可能對環(huán)境產生威脅的上限結合，使土壤有效磷維持在合理的范圍內，以此兼顧作物的高產與環(huán)境保護兩大目標。近年來，磷素恒量監(jiān)控技術的發(fā)展為指導主要糧食作物的施肥實踐提供了重要支持。通過田間研究和數據分析，華北平原冬小麥/夏玉米體系的土壤有效磷可分為三個等級：>30 mg/kg（高）、14-30 mg/kg（中）、<14 mg/kg（低）?？紤]到土壤磷素與氮素的不同，容易通過水體流失或氣態(tài)方式損失，因此通常將3-5年設為一個監(jiān)測周期，以此為依據結合土壤磷水平分級確定相應的管理策略與施肥用量。在高或較高的土壤有效磷水平時，可采取控制策略，選擇不施磷肥或僅施作物帶走量的50-70%；當土壤有效磷處于適宜水平時，施肥量可與作物帶走量相等；若土壤有效磷值處于較低或極低水平，則需采取提升策略，施肥量可設為作物帶走量的130-170%或等于吸收帶走量的200%。理解高產作物對土壤磷供應及植株磷濃度的臨界值，是建立磷素恒量監(jiān)控技術的基礎。經過多年的探索，目前在華北平原已建立起磷素恒量監(jiān)控技術的指標參數。研究表明，施磷量為50 kg P/ha時，冬小麥可達最大產量，此時土壤Olsen-P的臨界值為20 mg/kg。而在夏玉米的試驗中，施磷量約為18 kg P/ha時達到最大產量，成熟期土壤Olsen-P為14.3 mg/kg，植株磷濃度為2.18 mg/kg。通過磷肥施用的不斷深入研究，不僅推動了作物生產中磷資源的可持續(xù)利用，也為有效保護環(huán)境提供了有價值的實踐和理論基礎。

中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院于2024年首次將磷肥在土壤中的有效性損失與土壤生物活化過程的定量分析納入磷肥管理體系，提出了一種基于定量土壤磷生物活化周轉量及磷肥有效性損失量的新算法來推薦磷肥用量。該算法的計算公式為：磷肥用量=作物目標產量所需磷素需求量?土壤磷的生物活化周轉量+磷肥有效性損失量。實驗團隊在華北平原的春玉米體系中進行了為期6年的田間試驗（2017?2022）對該算法進行了驗證，研究的核心機制在于，通過施用磷肥將土壤有效磷水平維持在農學閾值附近（10?20 mg/kg），能夠最大化根際菌根的生物活化、周轉和磷的獲取能力。這種管理策略使得土壤磷的生物活化周轉量完全抵消由于土壤對磷元素的固定而造成的磷肥有效性損失，從而實現(xiàn)農田磷肥的100%利用率，達到零盈余的目標。

圖2 根層磷素恒量監(jiān)控技術

1.3鹽漬土氮、磷管理

鹽堿地以其獨特的形狀和特征，在全球范圍內的農業(yè)生產中扮演著重要角色。鹽堿地通常分布于干旱和半干旱地區(qū)，尤其是內陸的低洼地帶和河流附近。這些地方的氣候條件常伴隨著高溫和低降水量，導致土壤的水分迅速蒸發(fā)，從而使地下水位上升，鹽分隨之聚集在土壤表層。鹽堿地的土壤性質使得其可耕作性受到嚴重限制。首先，高含鹽量和高堿性（pH值通常在8.5以上）對大多數農作物的生長相當不利。許多植物在這種環(huán)境中會表現(xiàn)出鹽脅迫的癥狀，如生長緩慢、葉片發(fā)黃、根系發(fā)育不良等，最終影響作物的產量和品質。而且，由于土壤的常年干旱狀態(tài)，水分保持能力差，導致作物根系無法獲得足夠的水分，進一步加劇了農作物的生長困難。此外，鹽堿地還常常形成土壤板結的現(xiàn)象，表層土壤黏性增強，導致根系難以向下生長，進而影響到作物根系的氧氣供應和營養(yǎng)吸收。

在鹽堿地的農業(yè)管理中，農民的施肥習慣扮演著關鍵角色。由于鹽堿地特殊的土壤性質，作物生長面臨多重挑戰(zhàn)。然而，許多農民在施肥過程中往往依賴傳統(tǒng)經驗，缺乏科學的施肥知識，這在一定程度上源于對鹽堿地特征的認識不足及對土壤改良的重視度不高。盡管農民通常能夠識別鹽堿地的基本特征，且意識到鹽堿土壤對作物生長的影響，但在具體施肥方式上，他們往往采取單一的方法，主要集中于氮肥和磷肥的施用。這種施肥方式不僅難以滿足作物全面生長的需求，還可能因養(yǎng)分不均衡而導致作物生長不良。例如，在鹽堿地施用氮肥時，許多農民傾向于采用高劑量施用，通常選擇尿素等堿性氮肥。然而，鹽堿地的特性使得這些氮肥易于揮發(fā)，尤其在高溫和干燥條件下，氮素損失顯著，導致土壤中有效氮素的減少，使得作物根系難以獲得足夠的營養(yǎng)，影響生長健康。在磷肥施用方面，農民常通過盲目增加施用量來優(yōu)化作物對磷的吸收。然而，磷在鹽堿土壤中的利用效率較低，過量施用磷肥不僅無法實現(xiàn)預期的增產效果，反而可能導致磷的進一步固定，造成土壤中有效磷的缺乏。這顯然反映了農民在施肥管理中的不合理，從而削弱了作物生產效率的提升。

1.4實驗室研究結果

課題組采取根層氮素實時調控與氮肥種類耦合技術以及磷素恒量監(jiān)控與磷肥種類耦合技術探索濱海鹽漬土氮磷高效利用的最佳施肥方式，田間試驗結果表明了黃河三角洲鹽漬土區(qū)域基于根層氮素實時調控的優(yōu)化施氮處理，較農戶施氮量降低66.6%，其處理下施用硝酸銨鈣的冬小麥產量較尿素顯著增加4.62%；優(yōu)化施氮處理下，硝酸銨鈣較其他氮肥處理顯著增加土壤鈣含量，增幅為26.32-31.16%，并且硝酸銨鈣能夠顯著降低土壤鈉含量，降幅為5.42-9.86%；優(yōu)化施氮處理下施用硝酸銨鈣獲得穗數最大值，使得硝酸銨鈣在Opt處理下小麥產量收益最大。

基于磷素恒量監(jiān)控技術結合磷肥種類相耦合技術，發(fā)現(xiàn)當施磷量為P2（60 kg P₂O₅/ha）時獲得小麥產量效益最高，與高施磷（90、180 kg P₂O₅/ha）處理下的產量一致；在P2處理中，施用過磷酸鈣，獲得較高的土壤鈣含量（3.67-55.85%）和籽粒鈣含量，降低土壤Na含量（25.84-34.61%%），增加作物體內的Ca/Na，進而獲得最大的千粒重和最高產量，其較聚磷酸銨顯著增加7.4%，較磷酸一銨顯著增加8.1%。

實驗室建設

實驗室參觀

本月24日水發(fā)集團有限公司黨委書記、董事長劉志國帶隊蒞臨鹽堿地改良與利用實驗室指導工作，了解實驗室各個平臺運轉情況與研究成果，實地調研了試驗田分區(qū)和種植模式情況。劉志國書記強調，要做好鹽堿地產品的產業(yè)化和鹽堿地改良技術模式的落地應用。實驗室副主任苗琪全程陪同參觀調研。