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施肥與復合生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)調控

1“生態(tài)平衡施肥”的提出1.1糧食的消費量食物安全一直是社會穩(wěn)定和經(jīng)濟繁榮的基礎。我國進入21世紀中期,人口將達到16億。目前我國總糧食產量約5000億kg,按人均糧食400~500kg需求計算,屆時需要糧食6400~7200億kg,而國際市場只有2000億kg左右糧食可供購買,即使不考慮這部分糧食的絕對保證程度,如果按目前價格每年從國外購買1000億kg糧食,至少需要支付500億元人民幣。可見,中國只能依靠自己的土地養(yǎng)活自己。1.2國內農產品領域處于增收水平的20%,在世界具有逐漸優(yōu)勢為保證我國21世紀食物安全,糧食單產必須提高30%~50%。在糧食增產貢獻率中肥料約占32%,我國目前每公斤純養(yǎng)分平均僅增產糧食6.6kg,處于世界平均增產水平的下限。我國現(xiàn)階段小麥和玉米價格分別是國外的1.2~1.3倍,而且品質劣于國外產品。在本來農產品相對過剩的今天,我國農產品銷售又將受到加入WTO后的沖擊。調整農業(yè)生產結構、降低生產成本和改善農產品品質已經(jīng)成為我國農業(yè)今后發(fā)展的主要方向。在我國,農民生產性投資中化肥約占50%,當前化肥投入,尤其是磷肥投入普遍偏多,造成養(yǎng)分投入比例失調,增加了肥料投入成本。1.3肥料利用率低,環(huán)境污染嚴重我國肥料平均利用率較發(fā)達國家低10%以上,氮肥為30%~35%,磷肥為10%~25%,鉀肥為40%~50%。肥料利用率低不僅使生產成本偏高,而且是環(huán)境污染特別是水體富營養(yǎng)化的直接原因之一。據(jù)報道,在不到20a時間里,云南滇池水質惡化達到V級,湖面從800km2萎縮到300km2,其中來自肥料等面源污染負荷高達1/3~1/2;滇池污染治理已經(jīng)投資幾十億元,但仍未收到明顯治理效果。1.4肥料及施肥模型亟待優(yōu)化肥料利用率低是我國現(xiàn)行施肥方法弊端的主要表現(xiàn)形式,究其原因是多方面的。①肥料原因,可控緩釋肥料用量小;與發(fā)達國家復混肥使用占80%相比,我國復混肥使用僅占10%左右;有機肥投入逐漸減少。②技術原因,對施肥的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益重視不夠,施肥模型有待優(yōu)化;作物需肥規(guī)律和肥料配方支持系統(tǒng)研究落后;土壤施肥類型區(qū)分不合理,使研究資料和參數(shù)沒有足夠的代表性;缺少對多年連作作物和整個輪作周期長期推薦施肥動態(tài)研究和觀測;缺少區(qū)域不同土壤和作物的施肥標準;土壤有效養(yǎng)分速測方法成本偏高。③體制原因,配方施肥在中國雖然可增產8%~15%,但推廣面積僅為10%~30%,主要原因是沒有形成以配方施肥為核心,以經(jīng)濟利益為驅動力的區(qū)域性生產-服務-施用產業(yè)化網(wǎng)絡,即農化服務體系。1.5中國:生態(tài)平衡施肥的理論基礎如上所述,施肥問題與作物產量、品質、生產成本、土壤培肥等農業(yè)問題和面源污染等環(huán)境問題密切相關,以多目標為目的建立新的施肥理論、方法和技術體系是可持續(xù)發(fā)展的需要和必然。將3S技術[遙感(Remotesensing)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)]與農業(yè)機械化結合在一起的精確施肥技術代表了未來施肥技術的發(fā)展方向,但對于發(fā)展中的中國而言,需要相當長的時間才能實際應用。中國應該研究、試驗、推廣符合國情的新的“平衡施肥”機制、系統(tǒng)技術和模式,走逐漸與國際施肥技術和方式接軌的道路。為此,本文提出“生態(tài)平衡施肥”的理論基礎,以豐富、發(fā)展和完善“平衡施肥”的理論和方法,結合國情提出在我國實現(xiàn)“生態(tài)平衡施肥”的技術體系、實現(xiàn)條件和具體模式。本文提出的“生態(tài)平衡施肥(Ecologicalbalancedfertilization,EBF)”方法建立在施肥系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)原理——“通用施肥模型(Generalfertilizationmodel,GFM)”基礎之上,理論性嚴密,所制定的技術體系符合中國國情和未來施肥技術的發(fā)展趨勢,便于與國際接軌;建立以經(jīng)濟利益為驅動力的“生態(tài)平衡施肥”網(wǎng)絡是農化服務體系在市場經(jīng)濟條件下的必然產物和“生態(tài)平衡施肥”的實現(xiàn)條件;多元化模式是中國國情情況下實現(xiàn)“生態(tài)平衡施肥”的有效途徑。2“生態(tài)平衡和施肥”理論基礎2.1有效養(yǎng)分來源及tntn+m時期通過對施肥系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析后,根據(jù)質量守恒定律和有效養(yǎng)分轉化關系初步建立了“通用施肥模型”,對初步建立的“通用施肥模型”重新進行了理論推導,過程如下。將耕層作為施肥系統(tǒng),設:tn時刻(季節(jié)前)某有效養(yǎng)分(如有效氮)含量為W1(kg/hm2,下同)在(tn~tn+m)時間,施肥系統(tǒng)非有效養(yǎng)分轉化為有效養(yǎng)分數(shù)量為W2、從耕下層吸收的參與作物體內養(yǎng)分循環(huán)有效養(yǎng)分數(shù)量和其它未被考慮的有效養(yǎng)分來源數(shù)量總和為W3、施肥總量為W4、降水和灌溉攜帶的有效養(yǎng)分數(shù)量為W5、生物從空氣中固定養(yǎng)分(N)數(shù)量為W6、種子攜帶的養(yǎng)分數(shù)量為W7。tn+m時刻(季節(jié)后)有效養(yǎng)分含量為W8。在(tn~tn+m)時間,有效養(yǎng)分無效化數(shù)量為W9(固定)、有效養(yǎng)分交換到耕下層的數(shù)量和其它未被考慮的離開耕層的有效養(yǎng)分數(shù)量總和為W10、作物產量養(yǎng)分總含量為W11、有效養(yǎng)分揮發(fā)數(shù)量為W12。根據(jù)有效養(yǎng)分轉化關系,可以列出表1有效養(yǎng)分來源與去向轉移矩陣,再根據(jù)質量守恒定律獲得方程,即“通用施肥模型”:W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7=W8+W9+W10+W11+W12(1)W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7=W8+W9+W10+W11+W12(1)2.2有效養(yǎng)分平衡“通用施肥模型”將有效養(yǎng)分來源與去向諸多變量在質量守恒定律基礎上聯(lián)系起來,為施肥系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究提供了系統(tǒng)研究方法。設:△W1~8=(W1-W8),△W2-9=(W2-W9),W3~10=(W3-W10),△W4-11=(W4-W11)W=△W2~9+△W3~10+W5+W6+W7-W12,W’=△W+△W1~8,△W’’=△W+△W4~11則式轉化為:W4=W11-△W1-8-△W2-9-W3~10-W5-W6-W7+W12(2)設:W4=Winput,W11=Woutput,W1=Wn,W8=Wn+m則,Winput=Woutput-(Wn-Wn+m)-△W(3)∑Winput=∑Woutput-(Wn-Wn+m)-∑△W(4)Winput=Woutput-△W’(5)Wn+m=Wn+△W’’(6)Winput/Woutput+(△W’)/Woutput=1(7)一般情況下,上述35個變量同時獲得較為困難,然而,在面對具體問題時,常常只需要使用其中的一些變量或一些變量組合就能圓滿地解決問題。在式(2)~(7)中,Wn、Wn+m是施肥系統(tǒng)有效養(yǎng)分的狀態(tài)變量,Wn、Wn+m、Winput和Woutput容量獲得?!鱓中各分項意義明確,但各分項參數(shù)獲得比較困難。然而△W是可以獲得具體數(shù)值的信息量豐富的綜合參數(shù)。根據(jù)式(2)~(7),將△W和Wn+m定義為施肥系統(tǒng)的“特征參數(shù)(Diagnosticparameters,DP)”,分別稱為“有效養(yǎng)分季節(jié)性平衡特征參數(shù)”和“有效養(yǎng)分季后狀態(tài)特征參數(shù)”,它對研究施肥系統(tǒng)有效養(yǎng)分平衡問題非常有用。根據(jù)需要,“特征參數(shù)”可以靈活設定,如△W’和△W’’。2.3化肥的穩(wěn)定性“特征參數(shù)”的穩(wěn)定性是模型應用的關鍵。引用國內長期定位試驗結果,對“特征參數(shù)”△W和Wn+m與Winput關系進行分析,以此評價“特征參數(shù)”的時空穩(wěn)定性。研究結果表明,施肥量與△W和Wn+m間具有極顯著相關關系,說明在試驗條件下,N、P、K施肥“特征參數(shù)”在時間上具有穩(wěn)定性;施用磷肥的試驗結果表明,磷肥“特征參數(shù)”較“土壤養(yǎng)分換算系數(shù)”和“表觀肥料利用率”參數(shù)穩(wěn)定;不同氣候和土壤條件下的冬小麥-夏玉米輪作長期定位試驗的磷肥“特征參數(shù)”△W、Wn+m與Winput均呈極顯著相關關系,進一步表明不同空間單元的“特征參數(shù)”均具有時間穩(wěn)定性特征,從而表明“特征參數(shù)”與施肥量相關關系并非特定條件下存在,在任何特定施肥系統(tǒng)里,這種關系都會以特定的方式表現(xiàn),即“特征參數(shù)”具有空間穩(wěn)定性特征,證明了“通用施肥模型”參數(shù)是穩(wěn)定的。2.4wss評分法的引入與完善“通用施肥模型”從理論上可以描述任何施肥系統(tǒng)在任何條件下的養(yǎng)分變化規(guī)律,而實踐中最具普遍意義和價值的是以實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和土壤培肥等多目標相統(tǒng)一為目的的“生態(tài)平衡施肥模型”,它是“通用施肥模型”的特例和實際應用的主要形式。“通用施肥模型”在最佳施肥量或“生態(tài)施肥量”條件下可以獲得一組參數(shù),由這組參數(shù)構成的“通用施肥模型”即為“生態(tài)平衡施肥模型(Ecologicalbalancedfertilizationmodel,EBFM)”。根據(jù)式,將“生態(tài)平衡施肥模型”參數(shù)定義如下。Winput為某一土壤分類單元(如土屬)在不引起環(huán)境特別是地下水污染(如N污染)前提下的施肥量,通過肥料田間試驗和肥料(如N)滲漏觀測試驗可以獲得,其數(shù)量小于等于最佳施肥量,將其稱為“生態(tài)施肥量(Ecologicalfertilizerdosage,EFD)”,相當于環(huán)境經(jīng)濟施肥量。在最佳施N量不能引起地下水等污染情況下,“生態(tài)施肥量”等于最佳施肥量。如果設置某養(yǎng)分的若干個不同施肥量試驗,就可以求出Winput,代替肥料效應函數(shù)法的繁雜試驗過程。Woutput為作物生物產量中養(yǎng)分含量或根據(jù)地力狀況而預測產量的養(yǎng)分需要量,可以實測或估算?!鱓n-(n+m)為土壤耕層季前和季后有效養(yǎng)分含量之差,可以測定得到。Wn+m和△W為一定時期特定氣候、特定土壤分類單元、特定栽培、水分管理模式和“生態(tài)施肥量”等條件下多因素相互作用的施肥系統(tǒng)的“特征參數(shù)”。當施肥量為Winput時,作物收獲期耕層Wn+m和△W是反映“生態(tài)施肥量”條件下施肥系統(tǒng)的最佳平衡值。Wn+m-Wn為土壤基礎肥力養(yǎng)分指標提高的潛力或保持的理想水平,通過施肥和土壤培肥使土壤有效養(yǎng)分濃度達到Wn+m水平,是實現(xiàn)目標產量的養(yǎng)分基礎。但通過施肥季后使土壤有效養(yǎng)分濃度大于Wn+m時,肥料使用不夠經(jīng)濟,利用率降低,易于損失,給肥料面源污染加重提供了物質條件。隨著基礎肥力的提高,Wn+m值的標準也將增大。式(5)是最簡施肥模型,它可以避開使用土測值和選擇土壤有效養(yǎng)分含量的衡量標準所帶來的施肥量預測誤差,△W’成為系統(tǒng)有效養(yǎng)分平衡的“綜合特征參數(shù)”。△W包含的信息十分豐富,生產實踐中只求出△W即可。為研究/監(jiān)測肥料施入土壤后的動態(tài)變化規(guī)律和研究土壤供肥特性,可以通過專項肥料田間試驗、室內模擬實驗和元素示蹤試驗求得△W中的各分項參數(shù)。施肥模型是施肥技術的核心內容之一,目前的施肥模型,無論是統(tǒng)計模型(米式方程)還是平衡模型(目標產量法),從方法提出至今沒有大的改進,所使用的“土壤養(yǎng)分換算系數(shù)”和“表觀肥料利用率”兩個參數(shù)均具有不穩(wěn)定性,以至在預測施肥量時耕下層養(yǎng)分供應量和耕層一季養(yǎng)分礦化或釋放量被折算在耕層有效養(yǎng)分含量之中考慮,其理論上的缺陷和操作上的不便限制了科學施肥的推廣普及和精度的提高?!吧鷳B(tài)平衡施肥模型”克服了“函數(shù)法”和“目標產量法”的理論缺陷,主要參數(shù)都是可以直接測定的絕對數(shù)值,可以實現(xiàn)加和預報施肥量。模型不使用“土壤養(yǎng)分換算系數(shù)”和“表觀肥料利用率”這兩個不易測定和易變的參數(shù),土壤養(yǎng)分供應量明確包括耕層非有效態(tài)養(yǎng)分礦化或釋放量和來自耕下層的有效養(yǎng)分,而不涉及耕下層控制土層的厚度。模型既可以以土壤分類單元為基本施肥單元預報施肥量,又可以具體服務到每一地塊。模型具有功能齊全、信息量豐富、參數(shù)變異小、計量更為準確、參數(shù)容易獲得,模型易于應用等優(yōu)點,為精確施肥的推廣普及和防止肥料面源污染提供了新的計算方法,其理論意義深刻,可望被廣泛應用。2.5施肥模式的確定在利用“生態(tài)平衡施肥模型”及其“特征參數(shù)”確定“生態(tài)施肥量”之后,選擇什么樣的肥料才能實現(xiàn)“生態(tài)平衡施肥”的目的,或者說不同的肥料投入組合或施肥模式,其“特征參數(shù)”不同,如使用氮肥緩釋劑和不使用氮肥緩釋劑、化肥在施用有機肥和不施用有機肥等情況下的“特征參數(shù)”都將存在差異。國內外理論研究與生產實踐表明,最好的施肥模式是化肥與有機肥配合施用,在沒有有機肥投入的情況下,化肥中氮、肥、鉀等元素比例合適也是比較好的施肥模式,同樣可以實現(xiàn)施肥多目標的目的。本文將以實現(xiàn)施肥多目標為目的的,因地制宜利用區(qū)域廢棄物生產的有機肥(包括秸桿還田)或具有肥料特征的天然物質、經(jīng)過測土和田間試驗配制的化肥專用復混肥(含大量元素N、P、K和中微量元素)、為減少化肥投入而使用的微生物肥和為提高肥料利用率而加入的緩釋/可控劑等配合或復混施用的肥料投入組合,稱為“生態(tài)型肥料(Ecologicalfertilizer,EF)”,也包括葉面肥、浸種劑、沾根劑和包衣劑等具有肥料特性的產品。2.6重復使用“多途徑”優(yōu)化復合生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)特征,并將其與現(xiàn)有技術的復合“生態(tài)平衡施肥”是以“生態(tài)平衡施肥”理論為基礎,以“生態(tài)平衡施肥”技術為手段,以“生態(tài)型肥料”為載體的施肥方式;它將農田、農業(yè)、農村、城鎮(zhèn)和化工業(yè)連接在一起,通過對復合生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)特征的綜合分析和診斷,將現(xiàn)有成熟技術因地制宜進行優(yōu)化組裝,通過3R途徑[相對減少肥料投入量(Reduce),提高投入質量;重復使用土壤中無效化養(yǎng)分(Reuse)和使系統(tǒng)外養(yǎng)分加入到系統(tǒng)內實現(xiàn)養(yǎng)分再循環(huán)(Recycle)]益的綜合效益最佳的方法。調整地質學大循環(huán)和生物學小循環(huán)的養(yǎng)分循環(huán)過程,而實現(xiàn)施肥系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的綜合效益最佳的方法。2.7減少化工污染和不可再生資源“生態(tài)平衡施肥”能夠提高作物單產、改善品質、相對降低肥料投入成本,增加收入、減少肥料面源污染、培肥土壤、間接減少化工污染和不可再生資源的快速消耗。作者在中國東北黑土上所做的玉米肥料試驗結果表明,生態(tài)平衡施肥模型與目標產量法相比節(jié)約用氮10%以上。3“生態(tài)平衡施肥”技術體系3.1建立“生態(tài)平衡施肥”服務流通網(wǎng)絡肥料田間試驗是“生態(tài)平衡施肥”的基礎,然而田間試驗周期長、耗資、數(shù)量有限。測土是利用肥料田間試驗結果與土壤肥力關系而實現(xiàn)“生態(tài)平衡施肥”的橋梁,它可以大幅度減少肥料田間試驗的工作量,使田間試驗結果得以在一定范圍內推廣。用常規(guī)分析方法測定一個土樣的有效氮、磷、鉀含量,不包括采樣、運輸?shù)荣M用,實驗室商業(yè)性分析費用需要幾十元,即使是用速測方法測定,如果包括服務費用在內,農民也無法接受。就大范圍而言,土壤測定也受到經(jīng)費和工作量限制。3S技術可以大幅度減少測定土樣的數(shù)量,并能實現(xiàn)對一定范圍(如縣)內的所有地塊的計算機信息管理,使得每個村甚至每一戶都能在計算機的幫助下及時了解自己地塊的肥力情況和確定下一年的施肥計劃。目前來講,建立以村和組干部和農民骨干為主要成員的“生態(tài)平衡施肥”自我服務流通網(wǎng)絡是十分必要的。在科研單位和大專院校的組織下,建立以肥料企業(yè)為核心的“生態(tài)平衡施肥”服務機構已經(jīng)成為現(xiàn)實和可能,這個機構能將在投入上農民能夠接受的所有與施肥技術有關的高新技術、先進技術和傳統(tǒng)技術潛移默化地通過專用肥產品和施肥方法傳授給農民,即所謂的“傻瓜技術”。農民沒有必要必須懂得配方與氣候條件、作物需肥規(guī)律、土壤條件、所使用肥料的特性和調理劑的關系等等?!吧鷳B(tài)平衡施肥”技術體系包括以下部分:改善目前常規(guī)肥料的一些特性使之更符合“生態(tài)平衡施肥”的目的,如長效碳銨和長效尿素;改善根域或肥域土壤條件,提高肥效和土壤養(yǎng)分利用率,如使用微生物肥料等;秸桿還田技術和堆肥技術;“特征參數(shù)”田間試驗方法;專用肥配方田間試驗方法;土壤有效養(yǎng)分速測方法;利用3S等高新技術和常規(guī)技術所建立的縣級配方施肥預報系統(tǒng)及計算機信息管理系統(tǒng),包括施肥基本單元的劃分、建立空間和屬性數(shù)據(jù)庫、參數(shù)尺度轉換方法、“生態(tài)平衡施肥”參數(shù)空間格局圖和基肥、追肥預報模型等。由企業(yè)運作的以科研單位為橋梁、以農民為用戶、以政府為后盾的區(qū)域性服務-生產-施用產業(yè)化網(wǎng)絡是“生態(tài)平衡施肥”實現(xiàn)的組織保證,包括以村為基本行政單元的以農民為用戶的自我服務流通網(wǎng)絡、以村和鄉(xiāng)為基本單元的示范和測土網(wǎng)絡、以縣和鄉(xiāng)媒體為主的宣傳和培訓網(wǎng)絡、以企業(yè)和科研單位為核心的服務體系、調節(jié)專用復混肥時空需求的企業(yè)網(wǎng)絡等。3.2對“生態(tài)平衡施肥”服務機構的經(jīng)濟效益進行考察“生態(tài)平衡施肥”服務機構運作費用主要來源于肥料零售與批發(fā)差價和科學配方節(jié)省的肥料費用。我國農民人均耕地面積少,使以家庭為單元的農戶只能從肥料門市部按最高價格購買肥料。對尿素而言,

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