破解土壤中的“氮”密碼 福建省科技成果促肥料減量增效

一塊看似肥沃的土地，農(nóng)民卻仍要施用大量的肥料，來維持農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。土壤之中，到底隱藏著怎樣的秘密，讓土地“似肥實(shí)瘦”？

省農(nóng)科院土肥所研究員張玉樹帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用15N同位素示蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)土壤的調(diào)控，可提高土壤無機(jī)氮供應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)氮肥形態(tài)與作物氮喜好的耦合，可顯著增加作物產(chǎn)量、減少氮肥損失。

在玻璃溫室內(nèi)，張玉樹（右一）在講解土壤氮轉(zhuǎn)化過程。 林霞 攝

“好比說有些人喜歡吃面食、有些人喜歡吃米飯，盡管土壤中存在大量氮素，也需要調(diào)控成為不同作物‘喜愛’的氮肥形態(tài)，才能讓它們盡情吸收?！睆堄駱湔f。

基于此，他們根據(jù)我省果園、茶園、水田和旱地土壤無機(jī)氮供應(yīng)特征和作物氮素形態(tài)喜好，分別制訂了基于土壤無機(jī)氮供應(yīng)過程調(diào)控的柑橘、茶葉、水稻和馬鈴薯氮肥減量增效施肥模式4套，累計(jì)推廣至上百萬畝田地中。

為何土壤“似肥實(shí)瘦”？

人類對(duì)化肥的依賴，可追溯至上世紀(jì)60年代初。彼時(shí)起，隨著化肥的大量施用，糧食產(chǎn)量逐年增加。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，在全球耕地面積僅增加15.5%的條件下，截至2018年末，以小麥、水稻、玉米計(jì)的全球糧食年總產(chǎn)量達(dá)26.6億噸，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國(guó)外（如日本）先進(jìn)水平的84%左右，環(huán)境影響卻高于國(guó)外先進(jìn)水平。

“化肥的過量施用，不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)空氣、土壤和水體造成污染，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的環(huán)保壓力。”張玉樹說。如，過量氮肥容易流失，是導(dǎo)致地下水硝酸鹽超標(biāo)的主要原因；過量氮肥還會(huì)增加溫室氣體排放，導(dǎo)致大氣中氧化亞氮的濃度不斷上升……

2022年5月，《福建省深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》中提出，“十四五”期間，揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物重點(diǎn)工程減排量分別達(dá)到1.52萬噸、1.10萬噸。

在“雙碳”背景下，如何在氮肥中做文章，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排，是我省面臨的重要而又緊迫的任務(wù)?！皽p少氮肥的使用量，又能保證作物該有的營(yíng)養(yǎng)吸收，即‘喂得少，卻吃得飽、長(zhǎng)得好’，才是破解此題的關(guān)鍵?！睆堄駱湔f。

早在10年前，張玉樹就開始關(guān)注“氮肥利用效率低”這一問題。

2012年，張玉樹赴 泉州市 永春縣 桃城鎮(zhèn)人民政府掛職副鎮(zhèn)長(zhǎng)。蘆柑，是永春農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。掛職伊始他就一心撲在永春縣的蘆柑園管理調(diào)研工作中。

福建土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤為主，有機(jī)質(zhì)含量低，新開墾果園均為很貧瘠的紅壤，隨著種植年限的延長(zhǎng)，土壤顏色會(huì)逐漸加深，趨向于黑褐色。在多家蘆柑園中，果農(nóng)卻說，老果園與新果園相比，樹體相似、產(chǎn)量相近的果樹氮肥用量并無二致?！耙坏┙档褪┓柿?，蘆柑的產(chǎn)量與質(zhì)量就下降了?！?/p>

這里產(chǎn)生了一個(gè)矛盾。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，顏色越深的土壤，肥力越強(qiáng)。既是如此，為何“肥”土的肥料用量不能減少？

追蹤氮素的遷移“足跡”

原來，土壤中的氮95%左右為有機(jī)氮，并不能被作物直接吸收利用，要轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）才能供作物使用。

張玉樹采用15N同位素示蹤技術(shù)，在微觀世界中追蹤氮素的流動(dòng)“足跡”?！皬挠袡C(jī)氮，到銨態(tài)氮，再到硝態(tài)氮，只要給土壤中的氮素裝上‘追蹤器’，就能知道它們跑哪里去了?！?/p>

“追蹤器”果然給力，清晰地展示了土壤中氮素的軌跡——

有機(jī)氮在一定條件下，會(huì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮在一定情況下也能變成硝態(tài)氮。這些反應(yīng)又是可逆的，導(dǎo)致這些調(diào)皮的“小家伙”根據(jù)“心情”變來變?nèi)?，而它們的“心情”與環(huán)境、氣候、土壤酸堿度等都有關(guān)系。

“這個(gè)時(shí)候，如果長(zhǎng)期過量施氮肥，土壤的酸化程度會(huì)增加，有機(jī)氮就不‘樂意’轉(zhuǎn)化成無機(jī)氮，這下子氮素就沒法被植物吸收了?！睆堄駱湔f。

如此一來，土壤“似肥實(shí)瘦”的原因找到了，竟是因長(zhǎng)期過量施氮肥！這會(huì)引起果園土壤酸化，降低了土壤有機(jī)氮礦化（轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮）速率?！熬褪钦f，土壤中的氮素‘形態(tài)轉(zhuǎn)變’，第一步就被卡住了?！边@就解釋了土壤氮含量很高，卻仍需要施用大量氮肥的原因。

必須摸清植物們的喜好，通過一定方法，“引導(dǎo)”土壤中的氮變成作物喜歡的無機(jī)氮形態(tài)，這樣肥沃的土壤就能被利用，里頭的氮素就能成為植物的“口糧”，不至于浪費(fèi)。

為此，張玉樹提出了通過增強(qiáng)土壤自身供氮能力來減少氮肥用量的思路，即通過施用酸性土壤調(diào)理劑，增強(qiáng)土壤自身供氮能力，從土壤內(nèi)部挖掘氮肥減量增效空間?！斑@區(qū)別于以往主要通過肥料改性、改進(jìn)施肥方法和時(shí)間等氮肥減量增效技術(shù)?！?/p>

初步掌握了“氮”密碼，但在實(shí)踐過程中很快又出現(xiàn)了另一個(gè)難題。

永春縣桃城鎮(zhèn)上沙村，雙峰山家庭農(nóng)場(chǎng)坐落于此，這里經(jīng)營(yíng)茶果園面積超過200畝。2018年，負(fù)責(zé)人姚連枝愁上心頭，他的果園按照張玉樹提供的“方子”治病，但果樹長(zhǎng)勢(shì)卻仍未好轉(zhuǎn)。

施了調(diào)理劑，減施氮肥，為何果樹長(zhǎng)勢(shì)還是不行？

張玉樹在老姚的果園中安裝了不少地下滲漏水采集和氣體采集裝置。“收集農(nóng)田滲漏水和氣體排放情況，繼續(xù)使用15N同位素示蹤技術(shù)，進(jìn)一步追蹤氮素去向?！?/p>

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中的無機(jī)氮含量是高了，但在雨季時(shí)期，土壤氮素流失量顯著增加。“施了調(diào)理劑，銨態(tài)氮更多轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮極易隨水流失?！?/p>

因此，他們?yōu)橛昙局械墓麍@開出“新藥方”：施了調(diào)理劑，還要配合施硝化抑制劑。

自此起，每年的3—7月，老姚家的蘆柑園在施春梢和夏梢肥時(shí)，還會(huì)配施硝化抑制劑，減少硝態(tài)氮流失。同行們發(fā)現(xiàn)，老姚家的肥料施少了，但產(chǎn)量比之前的還好！

自此，張玉樹團(tuán)隊(duì)大力推廣基于果園土壤無機(jī)氮供應(yīng)過程調(diào)控的柑橘氮肥減量增效施肥模式：在氮肥減量30%的條件下，配施土壤調(diào)理劑處理的蘆柑和臍橙產(chǎn)量分別增加5.6%和6.3%；而同時(shí)配施土壤調(diào)理劑與硝化抑制劑的蘆柑和臍橙產(chǎn)量分別增加8.0%和13.5%。

雙峰山家庭農(nóng)場(chǎng)也成了遠(yuǎn)近聞名的“領(lǐng)頭雁”：每年輻射帶動(dòng) 永春蘆柑 種植新技術(shù)示范點(diǎn)10個(gè)以上，已輻射帶動(dòng)近萬畝蘆柑種植。目前，該施肥模式在泉州、福州、南平等地柑橘園累計(jì)推廣26萬畝。

減“肥”增產(chǎn)的捷徑

自然界中，有些作物主要吸收銨態(tài)氮或硝態(tài)氮，也因此被分類為喜銨作物或喜硝作物。

所謂“甲之蜜糖，乙之砒霜”。微觀世界里的營(yíng)養(yǎng)吸收，也需要投其所好。張玉樹說，只要提高土壤中氮素供應(yīng)形態(tài)與作物喜好的耦合程度，那無論是哪種作物，都能“對(duì)癥下藥”，從而科學(xué)提高土壤氮肥利用效率。

因此，他針對(duì)水稻、茶葉、馬鈴薯等作物的氮素形態(tài)喜好特征，分別制訂了基于土壤無機(jī)氮供應(yīng)過程調(diào)控的氮肥減量增效模式。

得益于此，一筆又一筆“生態(tài)賬”“經(jīng)濟(jì)賬”很快從四方傳來：

水稻氮肥減量增效技術(shù)在泉州、三明、福州等地備受農(nóng)戶歡迎；茶葉氮肥減量增效技術(shù)在泉州、寧德、南平等地累計(jì)推廣60萬畝；馬鈴薯氮肥減量增效技術(shù)在寧德、三明、福州等地解決了實(shí)際問題……在氮肥減施20%~30%的條件下，茶葉、水稻和馬鈴薯分別平均增產(chǎn)8.5%、6.0%和7.5%以上，每畝新增經(jīng)濟(jì)效益從63元到248元不等。

這幾年，張玉樹團(tuán)隊(duì)深挖土壤中的秘密，在氮素的理論世界里盡情遨游——

他們發(fā)現(xiàn)了水田土壤獨(dú)特保氮機(jī)制和影響水稻氮吸收的關(guān)鍵過程，明確了有機(jī)物料、農(nóng)藥等對(duì)土壤無機(jī)氮供應(yīng)的影響，闡明了有機(jī)物料長(zhǎng)期投入提高土壤無機(jī)氮供應(yīng)能力，提出了通過調(diào)節(jié)土壤內(nèi)部氮轉(zhuǎn)化過程來提高土壤供氮能力、調(diào)節(jié)供氮形態(tài)……

隨著土壤中氮素的面紗被揭開，更為科學(xué)的施肥藍(lán)圖也向農(nóng)戶們徐徐展開：畜禽糞便類有機(jī)肥、作物秸稈類有機(jī)物料等，也能輕松調(diào)控土壤無機(jī)氮形態(tài)；“秸稈還田，變廢為寶”，還能阻止水田土壤中的氮“離家出走”；一些除草劑、殺蟲劑還能成為喜銨作物的“好幫手”……

圍繞“增強(qiáng)土壤無機(jī)氮供應(yīng)能力，提高氮素供應(yīng)形態(tài)與作物氮形態(tài)喜好的耦合程度”這一項(xiàng)目研究，張玉樹團(tuán)隊(duì)與南京師范大學(xué)、英國(guó)洛桑試驗(yàn)站、德國(guó)吉森大學(xué)等高校和科研院所開展長(zhǎng)期合作研究，取得顯著科研成果：共獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2件，發(fā)表論文48篇。同行專家評(píng)審認(rèn)為，該研究成果整體達(dá)到同類研究國(guó)際先進(jìn)水平。

他們?nèi)匀辉谔剿魍寥乐械孛孛艿穆飞希澳壳拔覀冋{(diào)節(jié)土壤氮轉(zhuǎn)化過程的手段還不夠多，今后還需進(jìn)一步創(chuàng)新調(diào)控技術(shù)，提高氮肥利用效率，同時(shí)還需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤質(zhì)量的影響”。

那是一道又一道專業(yè)且未知的門檻，但并非不可跨越。“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索！”（記者 林霞）

化學(xué)化肥減量后是否會(huì)造成成本增加

不會(huì)?；瘜W(xué)化肥減量后不會(huì)造成成本增加，化肥使用過量、不合理、不科學(xué)，又造成養(yǎng)分流失、利用率下降、成本提高、面源污染加劇，適當(dāng)?shù)厥褂没瘜W(xué)肥料，減少化學(xué)肥料的用量，也可以使作物達(dá)到增產(chǎn)的目的，而且對(duì)土壤更友好，生產(chǎn)出來的農(nóng)作物是更健康的。

種植農(nóng)作物肥料使用是越多越好嗎？真相是怎樣的？

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)進(jìn)入化學(xué)農(nóng)業(yè)已有數(shù)十年的歷史了。農(nóng)業(yè)化學(xué)是指以土壤為基礎(chǔ)，以植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)為核心，以化學(xué)肥料為手段，經(jīng)過研究這三者的關(guān)系，通過人工補(bǔ)充化學(xué)肥料達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)的目的。

碳銨

早在五六十年代，最早的化學(xué)肥料就是碳銨和尿素。碳銨因?yàn)橛写瘫堑臍馕?，被農(nóng)民朋友稱呼為臭肥。

據(jù)農(nóng)村老一輩介紹，碳銨當(dāng)時(shí)是國(guó)家免費(fèi)發(fā)放下來，然后讓農(nóng)民朋友使用。很多人用習(xí)慣了農(nóng)家肥，對(duì)于這種散發(fā)著濃烈味道的白色物質(zhì)抱著懷疑的態(tài)度。大多數(shù)的人趁著夜色，把發(fā)下來的碳銨往溝渠一倒了之。

后來，人們發(fā)現(xiàn)，倒了碳銨的地方，那些草長(zhǎng)的非常的茂盛，于是抱著試試看的態(tài)度往農(nóng)田里面撒施，效果非常顯著。一畝地用上7、8斤碳銨，小麥從畝產(chǎn)200多斤提高到四五百斤。從此以后，化肥正式登上我國(guó)農(nóng)業(yè)的舞臺(tái)。

僅僅用上幾斤的碳銨，小麥一畝地就能增產(chǎn)二三百斤，在當(dāng)時(shí)來說這是一件非常不可思議的事情。為何化肥能夠讓農(nóng)作物增產(chǎn)？這要從植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)說起。

老祖宗總結(jié)了這么一句話：萬物生長(zhǎng)靠太陽。確實(shí)，太陽是農(nóng)作物生長(zhǎng)的功臣，它為作物提供了光合作用的基礎(chǔ)。

各元素對(duì)作物作用

作物生長(zhǎng)一共需要17種必須的營(yíng)養(yǎng)元素，分別為大量元素碳(C)、氫(H)、氧（O）、氮（N）、磷（P）、鉀(K)，中量元素鎂(Mg)、鈣(Ca)、硫(S)，微量元素氯(Cl)、鐵(Fe)、錳(Mn)、硼(B)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鎳(Ni)。

木桶原理

作物的產(chǎn)量取決于這17種營(yíng)養(yǎng)元素，它們均衡互補(bǔ)且相互制約。由于作物吸收各種養(yǎng)分是按比例進(jìn)行的，根據(jù)著名的木桶原理，某一種元素的缺乏，會(huì)直接導(dǎo)致其它元素?zé)o效化。

這17種作物必須的營(yíng)養(yǎng)元素，碳?xì)溲鮼碜钥諝?，無需人為補(bǔ)充。作物必須的大量元素氮磷鉀和中微量元素，則成了制約作物產(chǎn)量的瓶頸。

在農(nóng)家肥當(dāng)家的年代，作物之所以產(chǎn)量不高，關(guān)鍵在于農(nóng)家肥的養(yǎng)分組成。農(nóng)家肥源自于動(dòng)植物糞便，由于氮元素的揮發(fā)性，導(dǎo)致農(nóng)家肥里面氮元素含量極低。如果氮元素缺乏，有機(jī)肥里面即使含有大量的磷鉀及中微量元素，作物產(chǎn)量也不盡人意。

而碳銨的使用，彌補(bǔ)了氮元素的這一短板，讓農(nóng)作物的產(chǎn)量有了飛躍式的增加。然而用了幾年碳銨之后，人們發(fā)現(xiàn)，碳銨用量再大，產(chǎn)量依然保持著以前的樣子，很難再有提高。

在這種情況下，復(fù)合肥取代了碳銨、尿素成為了種地的首選。復(fù)合肥主要成分為氮磷鉀，把整個(gè)大量元素的短板全部彌補(bǔ)，因此農(nóng)作物產(chǎn)量越來越高。

我們上面已經(jīng)說過了，作物的產(chǎn)量取決于17種營(yíng)養(yǎng)元素，而氮磷鉀尤為重要。很多農(nóng)民朋友發(fā)現(xiàn)，復(fù)合肥用的越多，作物產(chǎn)量越高。于是，今年一畝地用100斤復(fù)合肥，明年用150斤復(fù)合肥。特別是一些經(jīng)濟(jì)作物，為了經(jīng)濟(jì)效益一畝地甚至能用4到5包復(fù)合肥。

那么復(fù)合肥用量真的是越多越好嗎？那是不可能的，在老王看來，這種做法猶如殺雞取卵，無疑在讓土地吸大煙！

我們知道，吸大煙具有成癮性，且對(duì)人體危害極大。而給土壤里面使用大量的化肥，只會(huì)讓土地越來越饞，同時(shí)導(dǎo)致土壤環(huán)境和結(jié)構(gòu)遭到破壞。

也許有人不明白，我舉個(gè)例子吧。很多農(nóng)民朋友困惑：前幾年我一畝地用60斤復(fù)合肥，小麥一畝地產(chǎn)量能達(dá)到千把斤，現(xiàn)在一畝地用了100斤，還是千把斤。并且化肥用量還要逐年增加一些，不然產(chǎn)量就會(huì)下降。

這種現(xiàn)象就是土地越來越饞的表現(xiàn)，吃的越來越多，產(chǎn)出卻越來越差。其中的原因在于土壤環(huán)境遭到化肥破壞，化肥的利用率下降了。

以前用60斤，利用率可以達(dá)到80%，現(xiàn)在用一百斤復(fù)合肥，利用率卻下降到只有40%?？雌饋砘视昧吭黾恿?，起到的作用卻和以前60斤的時(shí)候差不多。

而殘留在土壤中的化肥，進(jìn)一步加劇了土壤環(huán)境的破壞，土壤環(huán)境繼續(xù)惡化，肥料利用率跟著下降，想要保持現(xiàn)狀的產(chǎn)量，只有使用更多的化肥?？傊?，這是一個(gè)死循環(huán)！

從植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)理論上來講，只要各種營(yíng)養(yǎng)元素都能按比例增加，不斷滿足農(nóng)作物的需求，那么作物產(chǎn)量就會(huì)一直提高。然而，這只是理想的情況下，在實(shí)際的應(yīng)用中，每種作物的產(chǎn)量都有一個(gè)極限值。如何讓肥料的最小用量和作物的最大產(chǎn)量達(dá)到一個(gè)平衡，這才是我們研究的目的。

想要解決目前這種問題，我們要從土壤環(huán)境下手，讓土壤恢復(fù)應(yīng)有的自我修復(fù)調(diào)控能力，從而達(dá)到化肥減量作物豐產(chǎn)的目的。

首先，要給土壤補(bǔ)充充足的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的重要組成部分，能夠大大提高土壤的保水保肥抗旱抗?jié)衬芰?。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)是土壤微生物及蚯蚓的食物和能量來源，大量的土壤微生物和蚯蚓能夠分解轉(zhuǎn)化土壤中的有害物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為作物提供一個(gè)最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。建議每年每畝使用農(nóng)家肥3-5噸，這樣可以有效的解決這種問題。

其次，針對(duì)目前化肥利用率低的問題，要針對(duì)性調(diào)理土壤及補(bǔ)充中微量元素?；世寐实椭饕谟谕寥浪峄腿狈χ形⒘吭兀慨€地使用100斤富含中微量元素的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品。

最后，在條件允許的情況下，可以使用生物肥產(chǎn)品，為土壤補(bǔ)充大量的有益微生物，加快土壤的自我修復(fù)能力。但是，使用生物肥，一定要配合有機(jī)肥使用。如果土壤缺乏有機(jī)質(zhì)，生物菌種由于缺乏充足的能量來源，起到的效果不甚理想。

總之，想要農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，讓土地的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出更大，我們必須要科學(xué)的使用化肥肥料，而不是盲目的加大化肥用量，那無疑是飲鴆止渴、殺雞取卵，最后傷害到的還是我們自己。