农业高质量发展背景下的新型肥料发展

新型肥料因具有肥效更高、使用方便、省时省工、绿色环保等特点,深受市场青睐。农业高质量发展背景下,化肥减量增效的推行促使肥料产品及其配套施肥技术不断创新,新型肥料行业呈现产业规模不断扩大、行业内部竞争激烈、生产集中度持续上升等特点。为详细了解新型肥料产品,促进行业健康发展,总结了缓/控释肥料、水溶性肥料、土壤调理剂、增效肥料、微生物肥料5大类新型肥料及其创制技术,以及测土配方施肥、水肥一体化、智能化精准推荐施肥、轻简化施肥技术4种高效施肥技术及其应用情况;并分析了新型肥料产业存在的问题,如产品种类多、市场混乱,准入门槛低、产品质量参差不齐,关键技术薄弱、创新力度不足等;同时提出了以农业需求为导向,提高产业技术水平;以绿色低碳为目标,提升技术工艺体系;以专业化服务为方向,建立高素质从业人员队伍;以完善肥料监管体系为抓手,促进行业良性发展;以保证产品质量安全为重点,提高市场竞争力等发展建议。

我国主要耕地后备资源时空变化特征及可持续利用战略

【目的】耕地是粮食生产的基石,保证耕地数量的稳定,是守住粮食安全战略底线的必要条件。通过分析我国主要耕地后备资源时空演变规律,为科学统筹耕地资源的保护和管理提供理论依据。【方法】中国科学院资源环境数据中心以Landsat遥感影像数据作为主数据源,通过人工目视解译构建了国家尺度多时期土地利用/土地覆盖专题数据库(CNLUCC)。本研究基于该数据库,将全国分为东北、华北、长江中下游、西北、西南和东南六大区域,运用GIS空间叠加分析方法,分析了我国2000、2010和2020年主要耕地后备资源面积变化和空间分布格局。【结果】2000、2010和2020年我国主要耕地后备资源面积分别为11774.57万hm^(2)、11803.50万hm^(2)和12932.22万hm^(2),以西北和西南地区面积最大,长江中下游地区最小。2000—2010年与2010—2020年间,我国主要耕地后备资源数量全国范围内总体呈增加趋势,其中2010年比2000年增加了28.93万hm^(2),2020年比2010年增加1128.72万hm^(2),但不同区域的变化幅度具有较大差异。2000—2010年间,华北地区和西北地区主要耕地后备资源在减少,西北地区的减少幅度大于华北地区;2010—2020年间,东南、西北、华北和东北地区均在减少,其中以东北地区减少幅度最大。通过耕地的新增和流失平衡分析,草地和未利用地流向耕地的面积高于耕地流向草地和未利用地的面积,流向建设用地是研究期内耕地净流失的主要原因。【结论】我国耕地保护形势依然严峻,耕地后备资源区域分布极不平衡,占补空间越来越小。因此,需严格统筹规划耕地资源,因地制宜地有序开发利用,加强耕地重点区域和用途的监管。

我国耕地质量主控因素及提升策略

我国耕地质量总体偏低,严重威胁国家粮食安全和生态环境安全。目前我国耕地质量的主控因素尚缺乏系统研究,不同类型障碍耕地的质量提升技术策略也不明晰。因此,本文在全面阐述我国耕地质量现状的同时,重点调研揭示了东北黑土地、北方旱地、南方水田、南方旱地、设施农地和盐碱耕地6类典型耕地的突出问题,深入分析了耕地质量问题的主控因素和耕地质量下降的驱动机制。以耕地保护与合理利用为核心,从耕地监测、改良、培肥、利用4个方面,提出维持和提升耕地质量的核心策略,明确耕地科技创新的主要方向。阐明农田工程、保护性耕作、科学施肥、水资源高效利用、耐逆适生作物品种选育等关键耕地质量提升技术途径的适用性。旨在梳理全面综合提升耕地质量的科技需求,为耕地保护相关政策的制定提供重要参考,支撑耕地的农业生产和生态服务功能提升,实现藏粮于地、藏粮于技和农业绿色可持续发展的战略目标。

温度敏感型缓/控释肥料的温度响应特征、养分释放性能与温敏机理研究进展

温度是影响缓/控释肥料养分释放特性的重要因素,开发温度敏感型缓/控释肥料可以使肥料养分释放与作物养分需求更加匹配,从而提高肥料利用效率,促进农业可持续发展。本文综述了聚酰胺类、聚醚类、聚酯类、多糖类以及温敏聚氨酯等常见的温敏聚合物材料的来源、类型和机理,详细阐述了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、聚N-乙烯基己内酰胺(PNVCL)、环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物(EO/PO)、甲基纤维素和温敏聚氨酯等常见温敏聚合物材料用作温敏缓/控释肥料包膜材料的国内外研究进展,并评估了其在温敏缓/控释肥料中应用的可行性与优缺点。根据温敏特性,将温敏缓/控释肥料分为低临界溶解温度(LCST)响应型和结晶转变温度(Tm)/玻璃化转变温度(Tg)响应型两大类,并详细总结了这两种类型的制备方法、特征、养分释放性能以及分子作用机制。最后,指出温敏型缓/控释肥料的研发尚处于初级阶段,未来应深入开展天然高分子温敏材料的基础研究和创新,筛选绿色可生物降解温敏聚氨酯材料,研发作物和区域专用型温敏缓/控释肥料。

添加脲酶/硝化抑制剂条件下基于^(15)N示踪的夏玉米当季肥料氮去向研究

【目的】以华北平原夏玉米为研究对象,利用高丰度15N同位素示踪方法,探究添加脲酶/硝化抑制剂条件下肥料氮的去向。【方法】于2022−06−25至2022−10−09在河北省廊坊市进行试验。设置5个处理:不施氮肥对照(CK)、单施尿素(U)、尿素+脲酶抑制剂(UI)、尿素+硝化抑制剂(NI)、尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂(UI+NI),测定了氮素吸收量,监测了累积NH3挥发和N_(2)O排放量,并计算了肥料氮的气态损失量和土壤氮肥残留量。【结果】与单施尿素处理相比,3个添加抑制剂处理UI、NI和UI+NI的地上部吸氮量分别显著提高了39.7%、33.1%和41.8%,氮肥利用率分别显著提高12.5、6.8和12.3个百分点,UI和UI+NI的提升效果显著高于NI。与U和NI相比,UI处理的土壤中肥料氮残留量分别提高了35.6%和27.9%,UI+NI分别提高了45.7%和37.4%。与U处理相比,NI处理的NH3挥发累积量无显著差异,而UI和UI+NI处理土壤的NH3挥发累积量分别显著减少了14.3%和11.6%;UI、NI和UI+NI处理土壤的N_(2)O累积排放量分别显著降低了17.2%、19.9%和34.5%,UI+NI处理土壤的N_(2)O累积排放量又比UI和NI处理分别显著降低了20.9%和18.2%。【结论】尿素配合脲酶/硝化抑制剂施用显著提高了夏玉米的氮素吸收量,添加脲酶抑制剂显著提高了土壤中肥料氮残留量,减少了累积NH3挥发量和N_(2)O累积排放量,而添加硝化抑制剂增加土壤中肥料氮的残留量和减少NH3挥发的效果不显著,但降低了N_(2)O累积排放量。同时配施脲酶抑制剂和硝化抑制剂处理增加了土壤中肥料氮的残留量,降低NH3挥发量和N_(2)O累积排放量的效果显著优于配施一种抑制剂,肥料氮的损失率降至3.7%。因此,在华北平原典型潮土区,夏玉米生产中推荐尿素同时配施脲酶抑制剂和硝化抑制剂,以减少肥料氮的气态损失,提高氮肥当季利用率。

氮磷养分介导的植物–微生物互作研究进展

氮、磷是植物生长发育所必需的大量营养元素,植物对氮磷养分的高效吸收利用与外界环境密切相关,同时氮磷养分又会影响植物的环境适应性。为此,植物如何整合适应不同的外部环境,特别是生物环境,以实现氮磷养分的高效吸收利用,是植物营养研究领域的前沿新热点。本文对近年来氮磷养分介导的植物-微生物互作研究进展进行综述,主要涉及氮磷养分介导的有益和有害生物互作研究,阐释了氮磷核心转录调控因子NLPs和PHRs在调控植物-微生物互作过程中的重要作用,总结了植物体内磷素感受蛋白SPXs在调控植物-微生物互作过程中的功能多样性。此外,本文还对未来氮磷养分介导的植物-微生物互作研究的关键点进行了展望。

我国新型肥料产业发展战略研究

肥料产业服务于农业生产,尿素、磷铵、氯化钾和复合肥等传统化肥产品的大量投入对保障粮食安全发挥了至关重要的作用。随着我国农业发展方式从资源消耗型向绿色可持续型转变,发展新型高效肥料产业,提升肥料产品对粮食安全与生态环境安全的协同保障作用,是现阶段国家农业绿色发展的一个关键举措。新型肥料类型主要有缓/控释肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有机肥、微生物肥料等,相比于常规施肥,施用新型肥料普遍能够提高作物产量和养分利用效率,增产率范围为4.6%~17.5%,氮肥利用率提高16.8%~52.3%,农田土壤氨挥发损失量可降低7.2%~50.7%,N_(2)O排放降低8.1%~40.8%,氮淋溶损失降低16.5%~43.8%,氮径流损失降低22.1%~45.4%。经过几十年的跟踪和创新,我国新型肥料形成了产业化,新型肥料总产量已位居世界前列。但由于新型肥料产业起步晚,几乎所有类型的新型肥料生产均存在原创核心技术缺乏,产品特性与农业需求匹配性不高,施肥技术和装备发展滞后,以及监管体系薄弱等问题。为推动新阶段新型肥料产业结构绿色高效转型升级,未来我国的新型肥料产业发展战略核心包括以下4个方面:1)以农业需求为导向,提升肥料产品与生产需求的匹配度;2)肥料增效技术由注重养分供给向土壤环境、作物吸收和有效供给综合调控发展,肥料增效材料向高效、环保和价廉方向发展,肥料产品向营养、土壤改良和抗逆等多功能发展;3)注重最大限度地利用资源,降低能耗,通过大型肥料生产设备的优化和改造,力争实现新型肥料由二次加工到一次生产的突破,实现新型肥料生产的绿色低碳转型;4)建立健全肥料生产、销售和使用全链条监管体系,保障新型肥料产业的高质量健康发展。

松嫩平原水稻高产高效氮肥运筹模式研究

【目的】明确控释尿素运筹对松嫩平原水稻产量、氮素利用效率及土壤氮素供应的影响,旨在为该区域水稻制定科学合理的控释尿素高效运筹模式提供依据。【方法】于2021—2022年在吉林省松原市,以水稻品种东稻3为试验材料,在总氮量200 kg/hm2条件下,设置不施氮肥对照(N0)、普通尿素农户施用(FP)和优化施用(OPT),以及4个控释尿素基施与普通尿素分蘖肥配施比例处理(CRU40%、CRU60%、CRU80%和CRU100%)。于水稻主要生育时期调查植株生物量、氮含量和土壤无机氮含量,并于成熟期测定产量及其构成因素,计算作物氮积累量、氮素利用率和土壤−作物系统氮素平衡状况。【结果】与FP处理相比,4个控释尿素处理均显著提高了水稻齐穗期至成熟期植株氮积累量、齐穗后植株氮素积累分配比例和齐穗后氮素积累对籽粒贡献率,以CRU80%处理提升幅度最高;控释尿素各处理在稳定结实率和千粒重的同时,显著提高了水稻有效穗数和每穗粒数,提高了水稻产量和净收益(P<0.05)。4个控释肥处理中,以CRU80%处理产量和净收入最高,2年平均产量比CRU40%、CRU60%和CRU100%处理分别提高8.0%、2.9%、4.8%,净收益分别提高13.7%、4.8%和7.9%。CRU80%处理与OPT处理产量和净收益水平相当,而其他3个控释肥处理产量和净收益显著低于OPT处理。与FP处理相比,其他施肥处理氮素回收率、农学利用率和偏生产力均显著提高,以CRU80%和OPT处理最高。土壤−作物系统氮素平衡状况表明,氮素表观损失量以CRU80%处理最低,较CRU40%、CRU60%和CRU100%处理分别降低了16.6%、8.8%和8.0%,并与OPT处理相近。路径分析结果表明,齐穗前后水稻植株氮积累量均对水稻产量影响显著,主要是通过影响水稻有效穗数、每穗粒数和结实率而影响产量。而齐穗后氮素积累对水稻有效穗数、每穗粒数和结实率的影响均高于齐穗前氮素积累。【结论】在松嫩平原水稻产区,采用80%控释尿素基施+20%普通尿素分蘖肥运筹模式,或者采用优化的普通尿素施肥方案,可以显著提升水稻产量、收益和氮素利用效率,降低氮素损失量。由于氮肥优化模式施肥劳力投入多,应优先考虑80%控释尿素基施配合20%普通尿素一次追施的管理模式。

筛选温敏聚氨酯包膜肥料膜材以提升养分智能控释效果

【目的】温度是影响作物生长和肥料养分释放速率的重要因素之一。未来农业的发展需要能够主动适应作物养分需求的智能肥料。利用温敏材料研制开发温敏型包膜控释肥料,可达到肥料养分释放随土壤温度变化而智能释放的目的,因此温敏材料的筛选至关重要。【方法】使用不同分子量的己二酸-1,4-丁二醇(PBA)、聚四亚甲基醚二醇(PTMG)、聚己内酯二醇(PCL)和聚乙二醇(PEG),共计18种多元醇,将其分别与二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)反应制备聚氨酯包膜尿素。通过对制备的包膜尿素进行水浸泡法测试,评价其控释性能;对制备的聚氨酯膜用差示扫描量热仪(DSC)测试其相转变温度,评价其温敏性能。【结果】不同多元醇制备的聚氨酯包膜尿素控释性能优劣顺序为PTMG>PCL>PBA>PEG,其中PTMG及PCL系列制备的聚氨酯包膜尿素控释效果较好。在同一系列聚氨酯包膜尿素中,随着多元醇分子量的增加肥料控释性能逐渐变差。DSC测试结果表明,低分子量(2000以下)多元醇制备的聚氨酯膜不具有温敏性,同一系列聚氨酯中,随着分子量的增加其温敏温度逐渐升高。其中PTMG2000、PTMG3000、PCL2000、PBA2000和PCL3000共5种温敏聚氨酯材料的敏感温度分别为13℃、22℃、27℃、39℃和43℃,具有进一步用作制备温敏聚氨酯包膜尿素温敏材料的开发潜力。最后,选取PCL2000和PCL3000作为温敏材料,将其分别与聚丙二醇(PPG)以2∶8摩尔比混合改性,成功制备了两种温敏聚氨酯包膜控释肥料(PUCF1、PUCF2)。变温试验结果表明,温度到达35℃时,PUCF1和PUCF2释放速率分别为11.1%/d和7.1%/d,分别为恒温(25℃)条件下的13.2和6.0倍。而温度再降至25℃后,释放速率随之降低,说明二者均具有温敏性,且控释性能均可达到释放期30天。【结论】综合来看,低分子量多元醇制备的聚氨酯控释性能好但不具备温敏性能,高分子量多元醇制备的聚氨酯具有温敏性能但控释性能差。高分子量多元醇通过改性制备的温敏聚氨酯包膜尿素具有温敏特性,且控释期可达到30天。该结果可为温敏聚氨酯包膜控释肥料的制备提供一定的理论依据与应用基础。

禾本科作物联合固氮研究进展

生物固氮是唯一能将空气中“免费”的氮气转化为化合态氮的生物学过程。一般认为豆科作物具有共生固氮能力,间套种豆科作物已成为补充农田氮素的重要方式。越来越多的证据证明禾本科作物也具有较高的联合固氮潜力,大量联合固氮菌不仅定殖在根际、根内,还可以定殖在植株地上部如茎维管束、叶际中,表明禾本科作物固氮微生物可能为避免复杂的土壤环境,开辟了一条“体内高效固氮”的新途径。本文回顾了近年来玉米、小麦、水稻、甘蔗等禾本科作物在联合固氮部位、调控途径、菌群构建等方向取得的创新进展,重点介绍了固氮菌除了与宿主植物存在互作关系外,还与其他功能细菌、真菌和病毒之间存在潜在的相互作用。基于生物固氮多功能合成菌群在植物营养和促生等领域表现出的巨大应用前景和潜力,提出了当前禾本科作物联合固氮研究的前沿热点和难点,即如何综合利用“自上而下”和“自下而上”策略,筛选关键功能类群并结合基因组尺度代谢模型,构建群落稳定、功能多样、效果显著的合成菌剂,为生物固氮在农业生产中广泛应用提供强有力的技术支撑。

洞庭湖区典型稻田玉米水稻轮作下土壤—作物系统对施氮措施的响应

【目的】双季稻田水旱轮作后能够提高作物产能降低土壤有机质含量,但水旱轮作后化肥氮素配施不同有机物料对作物产量、氮素利用效率及有机质含量影响的报道较少。【方法】以玉米水稻轮作为研究对象,于2015—2021年在洞庭湖区紫潮泥和红黄泥两种双季稻田上设置不施氮肥(CK)、单施化肥(NPK)、NPK+秸秆还田(NPKS)、NPK+有机肥(NPKM)、NPK+生物炭(NPKB)5种处理,探讨在两种土壤上不同施肥处理的作物产量、养分利用效率和土壤碳氮含量及平衡的变化。【结果】紫潮泥和红黄泥6年试验的平均玉米产量、水稻产量和年总产量分别为5.7、7.3和12.9 t·hm^(-2),三者在紫潮泥中的产量都略高于红黄泥,但差异都不显著。与NPK处理相比,NPKM处理使两种土壤的玉米和水稻平均产量分别显著(P<0.05)提高10.6%、4.20%。在所有处理中,NPKM处理玉米产量最高,为6.0 t·hm^(-2);NPKB处理水稻产量最高,为7.5 t·hm^(-2)。NPKM和NPKB处理的6年平均年总产量分别显著(P<0.05)高于其他处理,但NPKM和NPKB处理间差异不显著。与其他处理相比,NPKM处理显著(P<0.05)提高了玉米水稻的化肥氮素回收率、农学效率和偏生产力,玉米季6年平均值分别为66.3%、39.5 kg·kg^(-1)、56.0 kg·kg^(-1),水稻季6年平均值分别为53.8%,21.9 kg·kg^(-1)、68.6 kg·kg^(-1)。NPKB处理较NPK、NPKS显著(P<0.05)提高了玉米水稻的化肥氮素农学效率和偏生产力,较NPK处理显著(P<0.05)提高了玉米化肥氮素回收率。两种土壤有机碳、全氮含量从第4年(2019年)开始显著下降。与试验开始前(2015年)相比,2021年紫潮泥和红黄泥施氮处理年平均有机碳含量分别下降了1.8、0.7 g·kg^(-1),全氮含量分别下降0.4、0.1 g·kg^(-1);两种土壤NPKM处理的土壤有机碳平均含量下降幅度最小、NPKB处理次之。NPKM处理的碳、氮投入量最高,平均土壤有机碳、全氮损失量最小,分别为0.48 t C·hm^(-2)·a^(-1)、94.7 kg N·hm^(-2)·a^(-1)。【结论】双季稻田水旱轮作后,化肥与有机肥、生物炭配施能提高作物产量和延缓土壤有机质下降,试验期间化肥配施有机肥处理玉米平均产量最高,化肥配施生物炭处理水稻平均产量最高。

短碳链二元羧酸与磷酸二铵复合提高磷在土壤中的扩散距离和有效性

【目的】有机酸与磷肥结合施用可有效减少土壤中磷固定,但有机酸碳链长度与磷肥有效性的关系尚不明确。将不同碳链长度的二元羧酸与磷酸二铵复合,研究其对磷酸二铵在土壤中的扩散及有效性的影响,以期为高效磷肥产品开发提供理论依据。【方法】试验以草酸(OA)、丁二酸(BA)、己二酸(AA)、辛二酸(SA)为供试材料,分别按0.5%的质量比与粉状磷酸二铵混合均匀后挤压造粒,得到4个含有不同碳链长度的二元羧酸与磷酸二铵复合磷肥试验样品(代号分别为OAP、BAP、AAP、SAP),磷酸二铵样品(DAP)也按照同样方法挤压造粒。磷培养试验以5个肥料样品为处理,以不添加磷肥为对照(CK),每个处理设置18个重复。在培养的第1、3、7、14和28天,进行滤纸可视化显色,测定肥料磷的扩散距离(半径),同时采集土样测定速效磷、Ca2-P和Ca8-P含量,测定pH及碱性磷酸酶活性。【结果】与DAP相比,OAP、BAP、AAP、SAP处理均增加了磷素扩散距离,扩散距离各处理的排序为OAP>BAP>AAP>SAP,OAP处理的磷扩散距离较DAP平均增加了29.5%。培养28天时,4个二元羧酸磷酸二铵复合磷肥处理的土壤平均速效磷、Ca2-P、Ca8-P含量分别较DAP提高了0.48%~12.6%、4.06%~37.1%、1.25%~20.9%,均以OAP的提高幅度最高。在培养3~28天,二元羧酸磷酸二铵复合磷肥处理的土壤碱性磷酸酶活性均高于DAP,以OAP处理的活性最高。与CK处理相比,施磷肥处理土壤pH显著下降,以OAP处理降幅最大。【结论】供试二元羧酸与磷酸二铵复合均可减少磷的固定,提高土壤速效磷含量,增加磷肥在土壤中的扩散距离;其中,以草酸磷酸二铵复合肥效果最好。

控释尿素的作物增产效应及其关键影响因子评价

与常规尿素相比,施用控释尿素被认为是提高作物产量的有效措施之一。然而,影响控释尿素增产的关键因素尚不清楚。基于大量的田间数据(494对作物产量数据),通过Meta分析评估了控释尿素施用对作物产量的影响及其关键影响因素。结果显示,施用控释尿素较常规尿素增产5.0%。亚组分析表明,控释尿素在壤质土壤上较常规尿素增产6.1%,而在砂质(-0.1%)和黏质(1.8%)土壤对作物产量无显著影响。控释尿素在中等季节降水量(7.9%)条件下较低降水量(3.8%)和高降水量(3.1%)表现出更高的增产效应。作物产量响应随土壤pH和季节平均温度的增加而增加,而随土壤全氮和施氮量的增加而逐渐降低。此外,控释尿素与常规尿素配施(11.2%)、雨养农田施用(6.9%)、玉米季施用(10.7%)和控释尿素撒施+耕作(8.1%)较控释尿素单施(3.9%)、灌溉田施用(3.1%)、小麦和水稻季施用(0.6%~4.0%)和其他控释尿素施肥方式(3.3%~4.3%)显著提高了作物产量(P<0.05)。总之,施用控释尿素是农业生产中提高作物产量的有效途径,但在应用中需要充分考虑特定环境条件和管理因素对增产效应的影响。

基于作物产量反应和农学效率的智能化推荐施肥原理与实践

小规模农业生产易于出现不合理施肥导致的肥料利用率低等问题,严重影响到生态环境和农业可持续发展。研究建立适合我国小农户集约化农业生产特点且科学轻简的养分推荐方法尤为重要。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所会同全国39个土壤肥料研究团队,研发了适合我国农业生态条件和种植体系的基于产量反应和农学效率的作物推荐施肥方法。该方法在汇总分析全国各作物主产区开展的肥料田间试验的基础上,建立了包含作物产量反应、农学效率及养分吸收与利用等信息的数据库。采用QUEFTS(quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型模拟作物养分吸收,同时对数据库中土壤基础养分供应、作物农学效率与产量反应进行相关分析,建立基于产量反应和农学效率的作物推荐施肥模型。在此基础上,借助计算机技术和智能云计算,研发了“养分专家系统”(简称NE系统),用户只需提供种植地块的一些基本信息,如往年农民习惯措施下的作物产量、施肥历史、有机无机肥料投入以及秸秆还田情况,NE系统就能给出基于该地块的个性化施肥方案。NE系统在推荐施肥中除了考虑土壤基础地力外,还考虑了上季作物养分残效和秸秆还田带入的养分,以及作物轮作体系和有机肥施用情况等,提出的推荐施肥方案符合4R养分管理策略(最佳肥料品种、最佳用量、最佳施用时间和最佳施用位置),同时兼顾施肥的农学、经济和环境效应。多点田间验证试验证实,NE系统推荐施肥兼顾科学性和实用性,且易于掌握,是一种能够保障作物增产增收、提高肥料利用率和保护环境的科学推荐施肥方法。

基于产量反应和农学效率的小麦智能化推荐施肥方法研究

【目的】为更准确地优化小麦肥料用量,提高肥料利用效率,我们基于产量反应和农学效率,分别建立了适用于长江流域和北方地区的小麦养分专家系统(NE),并采用大量田间试验验证了其可行性。【方法】收集汇总来自于国际植物营养研究所中国项目部、团队研究以及公开发表的多年多点小麦田间试验结果,建立产量和养分吸收数据库,采用QUEFTS模型分析不同种植区域小麦养分吸收特征,分析小麦产量反应、农学效率和相对产量参数及其内在联系,构建施肥模型,开发小麦养分专家系统。于2011—2020年,在小麦主产区11省份开展了467个田间试验对系统进行校正和改进。每个试验包括6个处理:小麦养分专家系统推荐施肥(NE)、农民习惯施肥(FP)、土壤测试施肥(ST)以及基于NE的不施氮、不施磷和不施钾处理。调查了小麦产量、经济效益、养分回收率和肥料农学效率。【结果】1)将数据分为北方地区和长江流域两部分,经QUEFTS模型模拟小麦养分吸收结果显示,每生产1 t小麦籽粒地上部所需氮、磷和钾养分北方地区为25.6、4.6和20.1 kg,长江流域为20.6、3.9和16.1 kg;小麦对氮、磷和钾肥的平均产量反应北方地区为1.69、0.85和0.69 t/hm^(2),长江流域为2.60、0.99和0.72 t/hm^(2);小麦氮、磷和钾肥的平均农学效率北方地区为8.7、8.9和7.0 kg/kg,长江流域为12.6、12.2和8.4 kg/kg;小麦氮、磷和钾养分的平均相对产量北方地区为0.76、0.88和0.90,长江流域为0.59、0.83和0.87。2)田间试验结果显示,与FP处理相比,我国北方地区和长江流域NE处理氮和磷肥用量平均分别减少了37.4%和26.1%,钾肥用量增加了39.2%;与ST处理相比,氮、磷肥用量分别减少了18.2%、14.1%,而钾肥用量相当。NE处理的产量和经济效益较FP处理分别增加了0.22 t/hm^(2)和998元/hm^(2),与ST处理产量相同,但经济效益增加了260元/hm^(2)。NE处理氮肥回收率较FP和ST处理分别增加了12.9和4.6个百分点,农学效率分别增加了4.0和1.5 kg/kg;磷肥回收率分别增加了5.7和1.1个百分点,农学效率分别增加了2.9和0.6 kg/kg;钾肥回收率较FP处理提高了2.0个百分点,与ST处理相当。【结论】我国北方生产1 t小麦所需的氮、钾养分量高于长江流域,两个区域磷养分需求量差异较小。长江流域小麦产量对氮肥的反应以及氮肥农学效率均高于北方,两个区域磷肥和钾肥的产量反应和农学效率差异较小。经多年多点田间试验证实,分区域建立的小麦养分专家系统进行施肥推荐,可保证小麦产量,增加农民经济效益,提高肥料利用率,是解决我国小麦种植区小农户推荐施肥难题的科学方法。

基于产量反应和农学效率的水稻智能化推荐施肥方法研究

【目的】水稻专家推荐系统早期版本没有区分水稻种植类型,有时会降低推荐的精准性。我们优化并建立了基于不同种植类型水稻的产量反应和农学效率的水稻推荐施肥方法,并采用大量田间试验验证了其普遍性和可行性。【方法】收集汇总来自于国际植物营养研究所中国项目部、团队研究以及公开发表的多年多点水稻田间试验,建立产量和养分吸收数据库。采用QUEFTS模型分析不同种植类型水稻养分吸收特征,建立水稻产量反应和农学效率的内在联系,构建施肥模型,开发水稻养分专家系统。于2013—2020年在水稻主产区8个省份开展了452个田间试验对系统进行校正和改进。每个试验包括6个处理:水稻养分专家系统推荐施肥(NE)、农民习惯施肥(FP)、土壤测试施肥(ST)以及基于NE的不施氮、不施磷和不施钾处理。调查了水稻产量、经济效益、养分回收率和肥料农学效率。【结果】QUEFTS模型分析的水稻产量与养分吸收关系结果显示,生产1 t籽粒产量地上部所需氮、磷和钾养分一季稻分别为14.2、3.9和14.3 kg,早、中、晚稻分别为16.9、3.3、20.9 kg。我国水稻主产区施用氮、磷和钾肥的平均产量反应一季稻分别为3.1、1.1和1.0 t/hm^(2),早稻分别为2.3、1.0和1.0 t/hm^(2),中稻分别为2.3、0.9和1.0 t/hm^(2),晚稻分别为1.9、0.8和0.8 t/hm^(2)。氮、磷和钾化肥的平均农学效率一季稻分别为17.6、15.3和9.8 kg/kg,早稻分别为14.6、15.3和10.1 kg/kg,中稻分别为11.4、12.4和9.1 kg/kg,晚稻分别为11.5、14.8和9.2 kg/kg。与FP处理相比,NE处理氮、磷和钾肥施用量分别减少了12.6%、9.6%和21.4%;与ST处理相比,NE处理氮肥用量减少了7.6%,钾肥用量减少了15.6%。与FP和ST处理相比,NE处理产量分别增加了0.5和0.3 t/hm^(2);经济效益分别增加了1627和893元/hm^(2);氮肥回收率分别增加了13.1和9.3个百分点,农学效率分别增加了4.1和2.7 kg/kg;磷肥回收率分别增加了7.8和5.0个百分点,农学效率分别增加了6.6和3.3 kg/kg;钾肥回收率分别增加了14.6和9.5个百分点,农学效率分别增加了5.6和4.9 kg/kg。【结论】以田间试验大数据为支撑,优化并建立的不同种植类型水稻的养分专家推荐施肥系统,提高了系统的可操作性和针对性。连续多年不同种植类型水稻的田间试验结果充分证明,优化后的水稻养分专家系统具有优化肥料种类和用量、提高水稻产量和肥料利用率和增加农民收入的功能,是实现我国小农户推荐施肥行之有效的智能技术系统。

基于产量反应和农学效率的玉米智能化推荐施肥方法研究

【目的】玉米产量高,需肥量大,亟需在保证玉米产量前提下,通过科学施肥实现肥料减施增效。本文基于产量反应和农学效率大数据,建立并开展田间试验校验了玉米智能化推荐施肥方法。【方法】以“玉米”、“玉米+产量”、“玉米+养分吸收”、“玉米+肥料利用率”为关键词及关键词组合,收集了来自于国际植物营养研究所中国项目部、团队研究以及公开发表的多年多点玉米田间肥料试验数据,采用QUEFTS模型分析玉米养分吸收特征,优化施肥下玉米产量反应,农学效率和相对产量等农学参数,构建玉米养分专家系统。于2010—2019年在玉米主产区开展了803个田间校验试验,每个试验包括6个处理:基于玉米养分专家系统推荐施肥(NE)、农民习惯施肥(FP)、土壤测试施肥(ST)以及基于NE处理的不施氮、不施磷和不施钾处理。调查了施肥量、玉米产量、经济效益和肥料利用率。【结果】依据QUEFTS模型分析,生产1 t籽粒,地上部氮、磷和钾养分需求量春玉米分别为15.9、4.1和13.8 kg,夏玉米分别为17.8、4.0和15.8 kg;玉米主产区氮、磷和钾肥的平均产量反应春玉米分别为2.9、1.5和1.4 t/hm^(2),夏玉米分别为1.9、1.1和1.1 t/hm^(2);氮、磷和钾肥平均农学效率春玉米分别为15.0、18.9和16.1 kg/kg,夏玉米分别为10.8、16.8和12.3 kg/kg;土壤氮、磷和钾养分对产量的贡献率春玉米分别为73%、86%和87%,夏玉米分别为79%、87%和88%。田间校验结果显示,与FP和ST处理相比,NE处理分别减施氮肥用量29.3%和14.3%,减施磷肥用量17.3%和7.5%;增加玉米产量0.4和0.1 t/hm^(2),提高经济效益797和354元/hm^(2);提高氮肥利用回收率10.6和3.8个百分点,提高农学效率4.6和2.0 kg/kg;提高磷肥回收利用率8.0和3.1个百分点,提高农学效率6.5和1.5 kg/kg;提高钾肥回收利用率9.6和3.4个百分点,提高农学效率0.8和0.3 kg/kg。【结论】经过验证,利用基于产量反应和农学效率大数据建立的玉米养分专家系统进行施肥推荐,较基于土壤测试的推荐施肥方法节省了肥料用量,提高了玉米产量、经济效益和养分利用率,是适合我国国情的玉米轻简高效推荐施肥方法。

我国马铃薯施肥现状与减肥潜力

【目的】合理施肥是保证马铃薯高产优质的重要措施,厘清我国马铃薯主产区施肥现状,以提高马铃薯科学施肥水平,助力我国化肥减量增效。【方法】依托国家马铃薯产业技术体系,于2019—2021年期间在我国马铃薯主产区调查了1807个具有代表性的马铃薯种植地块,调查内容包括马铃薯产量、肥料种类、氮磷钾施用量和比例、施肥方法等信息。采用马铃薯养分专家推荐施肥系统,对不同区域的肥料减施潜力进行了评价。【结果】全国马铃薯年均氮(N)、磷(P_(2)O_(5))和钾(K_(2)O)肥料养分用量分别为252、219和224 kg/hm^(2),其中化肥投入量分别为187、164和175 kg/hm^(2),有机肥分别为65、56和48 kg/hm^(2),有机来源的N、P_(2)O_(5)和K_(2)O养分分别占总养分投入量的25.8%、25.6%和21.4%。复合肥是马铃薯生产中使用最多的肥料种类,化肥N、P_(2)O_(5)和K_(2)O养分中分别有84.6%、95.7%和92.8%来自复合肥。畜禽粪肥是最主要的有机肥源,占有机肥总量的82.9%。与马铃薯养分专家系统推荐肥料用量相比,全国肥料养分减施潜力为47.0%,其中华北一季作区N、P_(2)O_(5)、K_(2)O减施潜力分别为17.8%、54.8%、55.2%;东北一季作区P_(2)O_(5)、K_(2)O减施潜力分别为64.6%、46.9%;西北一季作区N、P_(2)O_(5)、K_(2)O减施潜力分别为17.3%、47.7%、21.5%;西南一二季混作区N、P_(2)O_(5)、K_(2)O减施潜力分别为7.4%、51.6%、18.3%;南方冬作区N、P_(2)O_(5)、K_(2)O减施潜力分别为31.1%、69.7%、61.2%。【结论】我国马铃薯肥料养分总用量普遍较高且施用比例不合理,有机肥养分所占比例偏低。采用马铃薯养分专家系统推荐施肥措施,可节约47.0%左右的肥料养分用量。

基于产量反应和农学效率的马铃薯智能化推荐施肥

【目的】我国马铃薯种植区存在盲目施肥、过量施肥、养分比例不平衡等现象,进而导致肥料利用率低、养分损失大等。通过开展田间试验,利用基于产量反应和农学效率的马铃薯养分专家系统进行推荐施肥,并以农民习惯施肥和常规测土施肥推荐结果对该系统的有效性进行验证,为不同生产条件下的马铃薯生产提供简便易行、高效的推荐施肥方法。【方法】于2017—2020年,在马铃薯主产区共9省份开展了239个田间试验,每个试验包括6个处理,分别为基于马铃薯养分专家系统推荐施肥(NE)、农民习惯施肥(FP)、土壤测试施肥(ST),以及基于NE的不施氮、不施磷和不施钾处理。调查马铃薯产量、经济效益、养分利用率和表观养分平衡。【结果】我国马铃薯主产区施用氮、磷和钾肥的平均产量反应分别为8.1、4.8和5.2 t/hm^(2),农学效率分别为45.2、51.1和35.1 kg/kg,相对产量分别为0.73、0.83和0.82。与FP和ST处理相比,NE处理的氮肥用量分别降低了24.4%和4.2%,磷肥用量分别降低了32.3%和1.9%,但钾肥用量均增加了4.9%;马铃薯产量分别提高了2.63和0.62 t/hm^(2),净收益分别增加了4283.4和799.0元/hm^(2);氮、磷、钾肥回收利用率分别增加了11.5和1.6个百分点、5.0和2.1个百分点、9.1和1.1个百分点;氮、磷、钾肥农学效率分别提高了18.4和4.3 kg/kg、32.2和7.5 kg/kg、12.3和2.6 kg/kg;氮、磷肥偏生产力分别提高了37.3和8.6 kg/kg、91.2和15.6 kg/kg;与FP相比,NE处理的钾肥偏生产力提高了25.6 kg/kg,但与ST处理相当;与FP和ST相比,NE处理氮素表观盈余量降幅分别达到了50.5%和15.5%,磷素表观盈余量降幅分别达到了49.6%和7.3%。【结论】采用以产量反应和农学效率为基础构建的马铃薯推荐施肥养分专家系统,可针对不同生产条件优化肥料用量,提高马铃薯产量和肥料利用效率。大量田间试验充分证明,该系统推荐结果显著优于测土施肥推荐法,是适应我国小农户马铃薯种植的推荐施肥方法。

赣北地区稻−稻−紫云英轮作体系减施化肥对水稻产量、氮素吸收及土壤供氮能力的影响

【目的】紫云英与水稻轮作是合理利用冬闲稻田,维持和提高稻田生产力的高效手段。研究稻–稻–紫云英模式下,减施化肥对水稻产量、氮肥利用效率、氮素吸收量和土壤供氮能力的影响,为赣北双季稻区减施化肥提供理论依据。【方法】定位试验位于江西省高安市,始于2016年,试验设置不施肥对照(CK)、常规施肥(F100),以及种植翻压紫云英条件下,晚稻季正常施肥,早稻化肥为常规施肥的100%、80%、60%、40%(GF100、GF80、GF60、GF40),共6个处理。在早稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期及晚稻成熟期,采集植株(含籽粒)和土壤样品,测定水稻地上部生物量、产量及氮素含量,计算水稻地上部氮素吸收量及氮肥利用率,测定土壤供氮能力和有效磷钾含量。【结果】与F100处理相比,GF80处理显著增加早稻产量,6年平均增产707.80 kg/hm2,平均增产率为10.12%,对晚稻产量无显著影响;GF60和GF40处理早稻和晚稻均不减产;GF40、GF60和GF80处理早稻成熟期稻谷生物量无显著变化,晚稻稻谷生物量分别增加7.76%、8.62%和9.48%。GF40、GF60和GF80处理的早稻和晚稻氮肥利用率增加了21.37%~57.16%;GF40处理早稻氮肥农学效率(NAE)增加了99.77%,GF40、GF60和GF80处理晚稻氮肥农学效率分别增加了20.61%、22.88%和17.17%;GF40、GF60和GF80处理早稻氮肥偏生产力分别显著增加了140.28%、55.33%和23.09%。与F100处理相比,GF40、GF60处理早稻成熟期稻谷氮吸收量分别降低了21.16%、11.43%,GF80处理稻谷氮吸收量无显著变化;晚稻成熟期GF40、GF60和GF80处理稻谷氮吸收量分别增加18.21%、29.23%和26.19%;GF40、GF60、GF80处理增加早稻季分蘖期、拔节期、抽穗期及晚稻成熟期土壤潜在供氮能力和总供氮能力,增幅分别为21.38%~316.31%和18.50%~250.61%,早稻不同生育期土壤供氮能力与水稻地上部氮素吸收呈极显著正相关。【结论】种植利用紫云英条件下,赣北双季稻区早稻减施化肥20%~60%可增加水稻土壤供氮能力,提高氮肥利用率、农学效率及偏生产力,实现水稻稳产。早稻减施60%化肥提高了晚稻稻谷氮积累量,但降低了早稻稻谷氮积累量。早稻减施化肥20%可增加早稻产量,对早稻稻谷氮素吸收量无明显影响,但增加了晚稻稻谷氮素吸收。