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我国典型红壤区农田酸化特征及防治关键技术构建与应用 发布时间:2019-10-09



成果单位:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、中国科学院南京土壤研究所、农业部耕地质量监测保护中心、湖南省土壤肥料研究所、江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所、福建省农业科学院土壤肥料研究所、成都新朝阳作物科学有限公司

成果简介:我国南方红壤地区高温多雨导致强烈的风化和淋溶作用,引起缓慢的自然酸化和土壤养分贫瘠,土壤以酸瘦为基本特征。近30年来,随着化学氮肥的大量施用,红壤以自然条件下上万倍的速率快速酸化,酸上加酸,土壤肥力下降、微生物多样性降低,强酸区域作物减产20%以上。酸化严重威胁国家粮食安全和生态安全,制约藏粮于地和绿色发展战略的实施,红壤酸化防治刻不容缓。

徐明岗研究员领衔的科研团队经过多点位二十多年田间监测与研究,突破了作物高产与酸化阻控难以同时兼顾的技术瓶颈,探明了典型红壤区农田酸化时空演变特征,阐明了化学氮肥驱动、有机肥阻控土壤酸化的机制,创建了以“石灰类物质精准施用降酸、有机肥阻酸、减氮控酸”为核心的酸化防治关键技术,研发了多个酸性土壤调理剂,集成了区域特色的农田酸化综合防治技术模式,成果得到大面积推广应用,累计新增社会经济效益125亿元。

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长期定位试验揭示出的农业生产问题

1996年,从中国科学院南京土壤研究所博士后出站的徐明岗被任命为中国农业科学院祁阳红壤实验站(祁阳站)站长。祁阳站是刘更另院士等老一辈科学家在上世纪六十年代初建立的野外试验基地,布置了多个长期定位试验。徐明岗刚到祁阳站时就被这些长期定位试验所吸引,特别是红壤旱地肥力和肥料效益的长期定位试验,不同施肥处理间作物长势差异巨大,了解到主要是由于长期施用化学氮肥导致土壤pH越来越低,产生的酸害使作物生长不良,徐明岗敏锐地意识到这是我国从有机农业向无机农业转变过程中出现的一个重大农业生产问题,必将成为今后农业科研的一个热点。在随后他主持的“九五”至“十三五”国家科技项目中,土壤酸化一直是主要研究内容之一。

集约化高产栽培模式下红壤酸化难防控

南方红壤区居住人口占全国的五分之二、耕地面积仅占全国的四分之一,人多地少的矛盾十分突出,高投入、集约化种植模式下化学氮肥大量施用,在保障作物高产的同时也加速了土壤酸化,在高强度利用下既要保持高产稳产又要防止土壤酸化,是酸化防控的技术瓶颈。红壤农田酸化区域与程度不清晰,酸化因素及贡献不明确,针对性的防治技术特别是精准定量防治技术缺乏是红壤农田酸化防治面临的3大科技难题。红壤酸化是一个长期连续的过程,需要长期多点连续定位观测和研究,才能摸清其机理和规律,提出针对性的防治技术措施。

针对以上问题,徐明岗研究员领衔的科研团队在我国南方典型6省区,基于1985年前后开始的110个长期定位试验和肥力监测点,采取点面结合,田间试验与模型分析相结合的方法,经过近二十多年的不懈努力,在红壤酸化特征、驱动因子及综合防治关键技术等方面取得了多项创新性成果。

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长期监测,点面结合,明确红壤酸化特征,探明化学氮肥加速红壤酸化机制

明确了农田酸化时空演变特征。基于大量长期试验和定位监测,突破了红壤酸化缺乏连续观测数据、难以定量的瓶颈,揭示了红壤农田酸化在时间上呈现为“慢-快-稍快”的近S型阶段性变化趋势,在空间上呈现为“普遍性”和“局部严重性”的特征。与第二次土壤普查相比,近30年来湖南、江西、广西等省pH小于5.5的农田面积增加35%左右。基于上述红壤酸化阶段特征,提出了土壤酸度4类分级标准,实现了酸化农田精细分级分类,从而为针对性防治技术模式的构建和应用奠定了基础。

探明了化学氮肥加速红壤酸化的机制,量化了化学氮肥驱动酸化贡献率。红壤区高温多雨的气候条件下,铵态氮肥硝化产生硝酸根和氢离子,大量硝酸根伴随盐基阳离子淋失,导致氢离子富集并与固相铝反应产生交换性铝,造成土壤酸化。基于施氮量与产酸量的大量监测数据,明确了氮肥酸化指数响应方程,构建了氮肥施用、植物带走、酸沉降驱动红壤酸化的效应模型,量化了化学氮肥加速红壤酸化的贡献率,常规施氮量下,其贡献率达66%以上,且随氮肥用量增加而增加,为针对性防控技术研究奠定了基础。

防控结合,治理培肥兼顾,创建”降、阻、控“为核心的酸化防治关键技术

基于大量长期观测数据,克服了作物产量对土壤酸度定量响应关系全程数据缺乏、准确性差的难题,建立了作物产量与pH的双指数曲线方程,确定了主要作物酸害阈值,即酸化防控临界值,结合土壤酸化对作物生长的限制程度,提出了降酸、阻酸、控酸“三段式”定向防治目标和相应的关键技术。

石灰物质精准施用快速降酸技术:攻克了养分对石灰响应的定量关系,研制出多功能酸化土壤调理剂3个,提高土壤pH值0.3-0.6,作物增产21%-27%。综合土壤酸缓冲特征和作物体系酸化效应,精准了石灰用量和施用间隔年限,减少石灰用量30%左右,作物增产11%-23%。

有机肥替代阻酸技术:探明了有机肥阻酸、降酸双重作用机制,表现为以下4个方面,一、有机肥富含碱性物质,可中和土壤酸度;二、能络合铝离子,降低活性铝95%以上;三、能减少硝化产酸70%以上;四、能提高土壤酸碱缓冲能力80%以上。确定了不同作物系统土壤不酸化时有机肥替代化学氮肥的比例及用量,有机肥替代化学氮肥比例为28%至36%。

氮肥减施控酸技术:探明了硝化抑制剂阻控红壤酸化的机制,筛选出专用硝化抑制剂,实现氮肥增效、减施、控酸,可减施化学氮肥11%-18%,减少产酸量13%-21%。

集成创新了不同酸化程度红壤农田防治的综合技术模式。针对红壤农田酸化程度及养分状况,提出分区分类管控,防治结合的策略,集成创建了极强酸性土壤降酸治理、强酸性土壤调酸增产、中度酸性土壤阻酸培肥以及弱酸性土壤控酸稳产等4种综合防治技术模式,经6省多点大面积示范,土壤pH提高0.2-1.0个单位,农作物增产12%-27%,实现了酸化防治和与肥力提升协同发展。

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本成果为《国家耕地质量保护与提升行动》、《有机肥替代化肥行动方案》、《耕地质量调查监测与评价办法》、《酸性土壤改良评价技术规范》等国家级规划实施和标准制定提供了科学依据与技术支撑。2014年5月中央电视台《焦点访谈》栏目以“被化肥喂瘦的耕地”为题报道了该成果,极大地提升了公众对红壤酸化危害及防治技术的认识。成果可在我国红壤地区广泛应用,具有广阔的推广应用前景。

 




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