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破解土壤中的“氮”密码 福建科技成果促肥料减量增效

在玻璃温室内,张玉树(右一)在讲解土壤氮转化过程。 林霞 摄

破解土壤中的“氮”密码 福建科技成果促肥料减量增效

在永春芦柑园,张玉树(左二)指导农户科学施肥。(受访者供图)

破解土壤中的“氮”密码 福建科技成果促肥料减量增效

张玉树(左一)在茶园收集土壤。 (受访者供图)

破解土壤中的“氮”密码 福建科技成果促肥料减量增效

张玉树(左一)带领团队成员在农田安装地下渗漏水采集装置。林霞 摄

破解土壤中的“氮”密码 福建科技成果促肥料减量增效

在霞浦推广基于水田土壤无机氮供应过程调控的水稻氮肥减量增效施肥模式。(受访者供图)

一块看似肥沃的土地,农民却仍要施用大量的肥料,来维持农产品的产量。土壤之中,到底隐藏着怎样的秘密,让土地“似肥实瘦”?

省农科院土肥所研究员张玉树带领团队采用15N同位素示踪技术,发现通过对土壤的调控,可提高土壤无机氮供应能力,实现氮肥形态与作物氮喜好的耦合,可显著增加作物产量、减少氮肥损失。

“好比说有些人喜欢吃面食、有些人喜欢吃米饭,尽管土壤中存在大量氮素,也需要调控成为不同作物‘喜爱’的氮肥形态,才能让它们尽情吸收。”张玉树说。

基于此,他们根据我省果园、茶园、水田和旱地土壤无机氮供应特征和作物氮素形态喜好,分别制订了基于土壤无机氮供应过程调控的柑橘、茶叶、水稻和马铃薯氮肥减量增效施肥模式4套,累计推广至上百万亩田地中。

为何土壤“似肥实瘦”?

人类对化肥的依赖,可追溯至上世纪60年代初。彼时起,随着化肥的大量施用,粮食产量逐年增加。据联合国粮农组织统计,在全球耕地面积仅增加15.5%的条件下,截至2018年末,以小麦、水稻、玉米计的全球粮食年总产量达26.6亿吨,是1961年的3.6倍。

其中的主要推手,便是氮肥。

有研究表明,福建省氮肥利用效率是国外(如日本)先进水平的84%左右,环境影响却高于国外先进水平。

“化肥的过量施用,不仅会造成大量的经济损失,还会对空气、土壤和水体造成污染,给农业可持续发展带来了巨大的环保压力。”张玉树说。如,过量氮肥容易流失,是导致地下水硝酸盐超标的主要原因;过量氮肥还会增加温室气体排放,导致大气中氧化亚氮的浓度不断上升……

2022年5月,《福建省深入打好污染防治攻坚战实施方案》中提出,“十四五”期间,挥发性有机物、氮氧化物重点工程减排量分别达到1.52万吨、1.10万吨。

在“双碳”背景下,如何在氮肥中做文章,实现温室气体减排,是我省面临的重要而又紧迫的任务。“减少氮肥的使用量,又能保证作物该有的营养吸收,即‘喂得少,却吃得饱、长得好’,才是破解此题的关键。”张玉树说。

早在10年前,张玉树就开始关注“氮肥利用效率低”这一问题。

2012年,张玉树赴泉州市永春县桃城镇人民政府挂职副镇长。芦柑,是永春农业发展的支柱产业。挂职伊始他就一心扑在永春县的芦柑园管理调研工作中。

福建土壤以花岗岩发育的红壤为主,有机质含量低,新开垦果园均为很贫瘠的红壤,随着种植年限的延长,土壤颜色会逐渐加深,趋向于黑褐色。在多家芦柑园中,果农却说,老果园与新果园相比,树体相似、产量相近的果树氮肥用量并无二致。“一旦降低施肥量,芦柑的产量与质量就下降了。”

这里产生了一个矛盾。传统的观念认为,颜色越深的土壤,肥力越强。既是如此,为何“肥”土的肥料用量不能减少?

追踪氮素的迁移“足迹”

原来,土壤中的氮95%左右为有机氮,并不能被作物直接吸收利用,要转化为无机氮(铵态氮、硝态氮)才能供作物使用。

张玉树采用15N同位素示踪技术,在微观世界中追踪氮素的流动“足迹”。“从有机氮,到铵态氮,再到硝态氮,只要给土壤中的氮素装上‘追踪器’,就能知道它们跑哪里去了。”

“追踪器”果然给力,清晰地展示了土壤中氮素的轨迹——

有机氮在一定条件下,会转化为无机氮,包括铵态氮、硝态氮,而铵态氮在一定情况下也能变成硝态氮。这些反应又是可逆的,导致这些调皮的“小家伙”根据“心情”变来变去,而它们的“心情”与环境、气候、土壤酸碱度等都有关系。

“这个时候,如果长期过量施氮肥,土壤的酸化程度会增加,有机氮就不‘乐意’转化成无机氮,这下子氮素就没法被植物吸收了。”张玉树说。

如此一来,土壤“似肥实瘦”的原因找到了,竟是因长期过量施氮肥!这会引起果园土壤酸化,降低了土壤有机氮矿化(转化为无机氮)速率。“就是说,土壤中的氮素‘形态转变’,第一步就被卡住了。”这就解释了土壤氮含量很高,却仍需要施用大量氮肥的原因。

必须摸清植物们的喜好,通过一定方法,“引导”土壤中的氮变成作物喜欢的无机氮形态,这样肥沃的土壤就能被利用,里头的氮素就能成为植物的“口粮”,不至于浪费。

为此,张玉树提出了通过增强土壤自身供氮能力来减少氮肥用量的思路,即通过施用酸性土壤调理剂,增强土壤自身供氮能力,从土壤内部挖掘氮肥减量增效空间。“这区别于以往主要通过肥料改性、改进施肥方法和时间等氮肥减量增效技术。”

初步掌握了“氮”密码,但在实践过程中很快又出现了另一个难题。

永春县桃城镇上沙村,双峰山家庭农场坐落于此,这里经营茶果园面积超过200亩。2018年,负责人姚连枝愁上心头,他的果园按照张玉树提供的“方子”治病,但果树长势却仍未好转。

施了调理剂,减施氮肥,为何果树长势还是不行?

张玉树在老姚的果园中安装了不少地下渗漏水采集和气体采集装置。“收集农田渗漏水和气体排放情况,继续使用15N同位素示踪技术,进一步追踪氮素去向。”

结果发现,土壤中的无机氮含量是高了,但在雨季时期,土壤氮素流失量显著增加。“施了调理剂,铵态氮更多转化成硝态氮,而硝态氮极易随水流失。”

因此,他们为雨季中的果园开出“新药方”:施了调理剂,还要配合施硝化抑制剂。

自此起,每年的3—7月,老姚家的芦柑园在施春梢和夏梢肥时,还会配施硝化抑制剂,减少硝态氮流失。同行们发现,老姚家的肥料施少了,但产量比之前的还好!

自此,张玉树团队大力推广基于果园土壤无机氮供应过程调控的柑橘氮肥减量增效施肥模式:在氮肥减量30%的条件下,配施土壤调理剂处理的芦柑和脐橙产量分别增加5.6%和6.3%;而同时配施土壤调理剂与硝化抑制剂的芦柑和脐橙产量分别增加8.0%和13.5%。

双峰山家庭农场也成了远近闻名的“领头雁”:每年辐射带动永春芦柑种植新技术示范点10个以上,已辐射带动近万亩芦柑种植。目前,该施肥模式在泉州、福州南平等地柑橘园累计推广26万亩。

减“肥”增产的捷径

自然界中,有些作物主要吸收铵态氮或硝态氮,也因此被分类为喜铵作物或喜硝作物。

所谓“甲之蜜糖,乙之砒霜”。微观世界里的营养吸收,也需要投其所好。张玉树说,只要提高土壤中氮素供应形态与作物喜好的耦合程度,那无论是哪种作物,都能“对症下药”,从而科学提高土壤氮肥利用效率。

因此,他针对水稻、茶叶、马铃薯等作物的氮素形态喜好特征,分别制订了基于土壤无机氮供应过程调控的氮肥减量增效模式。

得益于此,一笔又一笔“生态账”“经济账”很快从四方传来:

水稻氮肥减量增效技术在泉州、三明、福州等地备受农户欢迎;茶叶氮肥减量增效技术在泉州、宁德、南平等地累计推广60万亩;马铃薯氮肥减量增效技术在宁德、三明、福州等地解决了实际问题……在氮肥减施20%~30%的条件下,茶叶、水稻和马铃薯分别平均增产8.5%、6.0%和7.5%以上,每亩新增经济效益从63元到248元不等。

这几年,张玉树团队深挖土壤中的秘密,在氮素的理论世界里尽情遨游——

他们发现了水田土壤独特保氮机制和影响水稻氮吸收的关键过程,明确了有机物料、农药等对土壤无机氮供应的影响,阐明了有机物料长期投入提高土壤无机氮供应能力,提出了通过调节土壤内部氮转化过程来提高土壤供氮能力、调节供氮形态……

随着土壤中氮素的面纱被揭开,更为科学的施肥蓝图也向农户们徐徐展开:畜禽粪便类有机肥、作物秸秆类有机物料等,也能轻松调控土壤无机氮形态;“秸秆还田,变废为宝”,还能阻止水田土壤中的氮“离家出走”;一些除草剂、杀虫剂还能成为喜铵作物的“好帮手”……

围绕“增强土壤无机氮供应能力,提高氮素供应形态与作物氮形态喜好的耦合程度”这一项目研究,张玉树团队与南京师范大学、英国洛桑试验站、德国吉森大学等高校和科研院所开展长期合作研究,取得显著科研成果:共获授权国家发明专利2件,发表论文48篇。同行专家评审认为,该研究成果整体达到同类研究国际先进水平。

他们仍然在探索土壤中氮素秘密的路上,“目前我们调节土壤氮转化过程的手段还不够多,今后还需进一步创新调控技术,提高氮肥利用效率,同时还需进一步监测调控技术对土壤质量的影响”。

那是一道又一道专业且未知的门槛,但并非不可跨越。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!”

本报记者 林霞

责任编辑:赵睿

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