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▲東北黑土長期試驗及增施有機肥和秸稈覆蓋還田土壤有機質提升技術

 ▲南方紅壤典型長期試驗及改良劑和輪作改良土壤酸性快速提升土壤有機質技術

張文菊供圖

長期以來，我國習慣藏糧于倉、藏糧于民、以豐補歉。然而，耕地占補質量嚴重失衡，耕地總體質量下降已經成為提高糧食生產能力的障礙。對此，社會對藏糧于地、藏糧于技的呼聲越來越高，2016年中央一號文件也聚焦到該戰略。

“過去糧食生產下來要存在糧倉里，現在要求重視土壤肥力的培育。土壤肥力提高了，糧食生產能力才能提高，作物高產才能實現，這就是藏糧于地。”中國農業科學院農業資源與農業區劃所副所長徐明崗研究員向《中國科學報》記者介紹，耕地質量的核心是土壤肥力，而土壤肥力最基礎最主要的指標是土壤有機質。

日前，《中國科學報》記者在采訪中了解到，徐明崗團隊經過30年的聯網研究與實踐驗證，通過探明土壤有機質的演變規律，首次揭示了土壤有機質提升與作物高產穩產的定量耦合關系，創建了具有區域特色的有機質提升的關鍵技術，并大面積示范和推廣應用，經濟和生態環境效益顯著。該成果獲得了2015年國家科技進步獎二等獎。

土壤有機質與化肥超量使用

土壤有機質是土壤中最活躍的部分，是土壤肥力的基礎。而我國農田土壤有機質含量整體水平偏低，嚴重制約我國農業的高產穩產和可持續發展。

“目前僅為歐洲同類土壤的1/3到1/2。” 徐明崗表示，有機質含量低導致作物高產的化肥依賴性強，過量化肥的施用對國家生態安全和環境安全造成了嚴重的威脅。

據國家統計局數據，2013年我國農業化肥施用量為5912萬噸，按農業種植面積（包括果園等在內）計算，化肥用量為每公頃322公斤，遠高于世界平均水平，分別是美國的2.6倍和歐盟的2.5倍。

2015年，國家提出了“一控兩減三基本”，按照求，到2020年化肥農藥的使用量要實現零增長。

“化肥減量不等于肥料減量，化肥減下去，有機肥必須要補上去。”江西紅壤研究所研究員黃慶海向《中國科學報》記者表示，有機質含量的提升與國家化肥減量政策是一致的。

針對以上問題，該項目組在東北、華北、西北、南方旱地和水田5大糧食產區，從20世紀80年代開始，布置40多個長期定位試驗，開展300多個典型農戶長期監測試驗，揭示了我國集約化農田土壤有機質變化具有明顯的階段性和區域性的特點。

在東北地區監測觀察顯示，該地區開墾前有機質處于較高水平，開墾后有機質下降是一個必然的過程，開墾后的前30~40年有機質處于快速下降期，開墾至今有100多年的歷史，目前下降速率處于較低的平衡期。

“西北、華北和南方旱地，有機質處于較低水平，維持投入水平較低，隨著作物單產逐漸提高，作物根茬歸還量也相應增加，有機質水平穩定上升。”徐明崗介紹，由于近30年化肥大量施用，有機肥投入比例低，有機質上升速率較慢。

而南方水田由于特殊的淹水環境，以及近年來高產水稻的大面積推廣應用，作物殘茬歸還量較大，質穩定增加。

有機質提升與有機肥科學實施

徐明崗認為，在我國人口不斷增加的情況下，要實現糧食持續增長，減緩環境壓力，土壤有機質提升的需求十分迫切。

我國農民施用有機肥料有著悠久的歷史，老百姓都知道施用有機肥作物長勢好、產量穩、抗性強。有關土壤有機質提升與作物增產穩產的研究偶只處于定性的研究水平上。究竟如何科學施用有機肥仍是一個懸而未決的問題。

“但由于廣大農民缺乏有機質提升的技術原理和知識，不知道施用多少秸稈或有機肥能維持有機質不下降，不知道施用多少秸稈或有機肥能提升多大幅度。”中國農科院農業資源與區域規劃所副研究員張文菊告訴《中國科學報》記者。

該項目通過大量田間定位試驗的聯網研究，明確了不同區域有機物料的長期利用效率，從而解決了不同區域土壤有機質維持和提升中有機物料究竟還多少的問題。

有機質提升與作物高產穩產

土壤有機質是土壤肥力的核心指標，不僅是土壤養分的重要載體，也是土壤微生物的能量源，直接影響土壤養分的轉化和供應。“土壤有機質與作物高產穩產關系非常密切。”張文菊表示。研究成果表明，有機質含量低的土壤無論如何施肥也難以大幅度增加產量。有機質提升后土壤微生物活性提高，相應促進土壤養分的轉化，提高養分的有效性供應強度，進而促進作物的吸收，實現作物高產和穩產。

徐明崗介紹，該項目成果首次確定了不同區域土壤有機質提升與作物增產穩產的量化關系，即通過長期的聯網研究，獲得不同區域每提升一個單位有機質作物的增產量。這也是該成果的重要創新之一。

該項目組調查研究證明，在當前生產水平下，土壤有機質每提升1個單位有機質，三大糧食作物平均可增產47～66 公斤/畝，穩產性提高5%～8%。

“根據該成果中不同區域土壤有機質的適宜值以及有機質與產量的定量關系，確定不同區域有機質的提升目標，以有機物料的長期利用效率確定有機物料的投入量，從而實現有機質的定量提升，該成果進一步證實有機質提升對全國作物增產的貢獻率將近10%。”徐明崗說。

事實上，影響農田土壤有機質提升的主要可控限制因素為有機物料投入量、土壤水分、溫度和pH值等。

“目前的管理模式下，我國農田土壤有機質提升的第一驅動因素仍然是有機物料的投入量，這也是最根本的。”張文菊表示，土壤的環境條件如土壤濕度、溫度和酸堿性是影響有機物料利用效率的重要的外部因素。

張文菊進一步解釋道，在投入量超過有機質的維持投入后，適宜的土壤水分、溫度和pH值能提高有機物料的利用效率，從而有效地提升土壤有機質水平。

區域性技術模式的創新與推廣

在我國，人多地少，農田集約化強度大，利用度高，得不到休養生息，有機質消耗大；另一方面，在目前現行的農業管理模式下，化肥依賴大，有機物還田與投入不足。

據介紹，該項目針對區域有機質的特點和生產實際中存在的突出問題，集成具有區域特色的有機質提升技術模式，創新集成5類13種具有區域獨特性和適宜性的土壤有機質提升技術模式。其中增施有機肥和秸稈還田最受推崇。

徐明崗舉華北以氮增碳雙還技術模式為例，該模式采用氮肥基肥重施、控磷減鉀，機械化小麥秸稈條帶覆蓋的核心技術，同時采用玉米秸稈粉碎深耕翻壓的配套技術，解決華北區域秸稈量大、碳氮比高、旋耕淺導致的腐解效率低、還田后跑墑及影響作物出苗等問題。

據了解，項目成果不僅通過與農業技術推廣部門的合作，開展相關的技術培訓和媒體宣傳，而且還依托長期施肥試驗基地，建立試驗示范區，通過試驗示范、現場觀摩、技術培訓/專題講座、資料發放等形式帶動農業種植大戶及農戶，采納相關有機質提升關鍵技術及技術模式。

近3年來，技術模式主要在黑龍江、吉林、河南、河北、山東、山西、陜西、四川、湖南、湖北、廣西、安徽、江蘇等13個省區累計示范和推廣面積10672萬畝。

“不僅顯著提升了土壤肥力，促進了作物增產；也產生了顯著的生態環境效益，促進了秸稈等有機廢棄物資源的高效利用，增強了土壤固碳能力，提升了土壤肥力狀況，改善了土壤的緩沖性能和抗逆性。”徐明崗說。