科学施肥原理与新技术研究.ppt

科学施肥原理及技术,人口的指数增长,1、计算世界人口每增加10亿所用时间。,2、分析1830年来世界人口的增长趋势。,3、 “人口的指数增长”的特点？如果继续下去,会带来怎样 的后果？,我国粮食安全状况,我国粮食安全现状是处于低水平、偏紧张的供求阶段。,Double Green Revolution,MEETING CEREAL DEMAND WHILE PROTECTING NATURAL RESOURCES AND IMPROVING ENVIRONMENTAL QUALITY(Cassmanet al. Annu. Rev. Environ. Resour.2003),5,表10-2 几个国家的肥料使用量与谷物产量,（单位：kg/ha）,Fig1.Production and Consumption,Fig2.Chemical Application and Grain Product,Fig3.Fertilizer Ratio of Grains Cost,Fig4.Unit Chemical Fertilizer Cost of Grain Production,8,利用率不高造成资源的浪费 使用方法不当，造成生态环境恶化,我国农业资源的利用水平还很低。灌溉水利用率 为43%，低于国际先进水平30%；降水利用率约 为45%，仅相当于世界先进水平的25%。 每年化肥施用量超过860亿斤（纯养分），是世 界上肥料用量最多的国家，然而氮肥当季利用率 仅30%，每年氮肥损失近400亿元，肥料利用效率 不高。 全国农药年产量超过8亿斤（有效成分），居世界 第二位，但有效利用率只有30%，农药浪费严重 并造成污染。,以化肥为例,化肥、农药和农膜造成的面源污染问题严重。我国化肥年使用量达到4400多万吨，大部分流失造成地表水富营养化和地下水硝酸盐污染；全国农药年使用量近130万吨，污染的农田面积达到1.36亿亩；地膜覆盖正由“白色革命”演变为“白色污染”。 秸秆焚烧造成环境污染、大气污染，土壤生态破坏，甚至危及正常交通安全。,3.生物多样性的减少（高产量品种的普及）。 动植物的数量是一种资源，而其多样性也 是一种资源。 近亲繁殖-生命力的衰退 杂交优势-新品种，种群的诞生 4.大规模单作经营化的倾向 单作经营-一农场大规模栽培单一作物 复合经营-一农场栽培多种作物或饲养 多种家畜 结果：连作障害；地力低下 -有机农业的再认识,涉及到农村生态环境,农村生活垃圾和污水未经处理随意排放，导致农村环境卫生状况恶化。我国农村每天产生的生活垃圾达100多万吨，大部分未经处理，成为蚊蝇孳生地和地表水、地下水的重要污染源。 畜禽粪便造成的污染问题日益突出。我国猪、牛、鸡三大类畜禽粪便年排放化学需氧量（COD）6900多万吨，是全国工业和生活污水COD的5倍以上，成为首要污染源。,Pollution,这就是在西安,就是在这个地方有人花了30多万吃了一顿饭,1616,营养元素过剩的症状,氮叶色浓绿，叶片大而柔软，少花,徒长 磷易引起锌及铜缺乏症状，易引起铁缺乏症状，下部叶出现红斑 钾易造成钙及镁缺乏症状，叶尖焦枯 钙土壤易成中性或碱性，引起微量元素不足(铁,锰,锌)，叶肉颜 色变淡，叶尖红色斑点或条纹斑出现 镁叶尖萎凋，叶片组织色泽叶尖处淡色，叶基部色泽正常 硫盐害，叶缘焦枯 铁易引起缺锰症 硼先叶尖，叶缘黄化后，全叶黄化，并落叶，由成熟叶开始产生 病症 锌叶尖及叶缘色泽较淡随后坏疽，叶尖有水浸状小点 锰异常性落叶 铜叶肉组织色泽较淡呈条纹状,营养元素缺乏的外观特征,氮生长势差，全株黄化，叶片呈淡绿，老叶变黄，干枯及脱落 磷叶片暗绿色，下部叶片后期出现红色斑点或紫色斑点，并坏疽 - 钾老叶生斑点（白色或黄色），斑点后期呈现坏疽 钙新叶叶缘波浪状，新叶叶缘变红黄 镁老叶黄化，初期由叶肉细胞变黄，叶缘仍保持绿色，严重时黄化 部位转坏疽，落叶 硫新叶呈淡黄色，叶型不变 ，全柱变黄 铁幼叶黄化，老叶绿色 ，叶片淡黄，不出现坏疽或坏死 硼新叶枯萎并陆续生长新芽又枯萎 ，节间缩短，叶柄表皮有横裂 纹 ，表皮龟裂呈横纹，维管束曲折或横断裂 锌小叶,嵌纹或脉缘，根生长不良，叶片黄化，坏疽 锰叶片黄化，淡绿或灰白条纹，幼叶黄化，严重时有坏疽现象 铜叶片尖端凋萎，叶片弯曲呈杯状 钼老叶色泽变淡，黄化，全株色泽变黄，落叶,个性: 不同植物以及同一植物的不同生 育期所需养分不同,植物的营养特性,一. 植物营养的共性,如水稻需Si，豆科植物需Co，块茎、块根类植物需K。豆科植物需N少。棉、麻需Na。油菜、糖用甜菜需B等。,共性: 所有植物生长发育必需16种元素,水稻、小麦等禾谷类作含Si多,马铃薯、甘薯含K多,豆科作物含N多,（2）有益元素的种类和功能 元素名称 主要生理功能 主要受益植物 硅 增强植物的硬度 禾本科植物 (如水稻、小麦、大麦) 钴 维生素B12合成 豆科固氮植物 调节酶或激素活性 (必需) 钠 参与C4或CAM光合途径 C4 代替钾参与细胞渗透压 植物(如甜菜等) 调节、部分酶激活 镍 豆科植物脲酶的组成 豆科植物 铝 （尚未明确） 喜酸性植物(如茶树),2. 毒性较大的元素 如：I、Br、F、Al、Cr、Pb、Cd、Hg 3. 植物的超积累吸收及其利用 超积累植物 植物修复 植物开矿 4. 植物营养遗传特性的差异 不同种类或同一种类不同品种的植物： （1）对元素的种类和数量需要不同 （2）对肥料的需要量不同,磷的临界期在幼苗期； 玉米氮素最大效率期在喇叭口到抽穗初期； 小麦氮素最大效率期在拔节到抽穗期； 棉花氮素最大效率期是在开花结铃期。,植物各生育期的营养特性,植物通过根系由土壤中吸收养分的整个时期,就叫植物营养期。,一般作物吸收三要素的规律是: 生长初期吸收的数量和强度都较低,随着生长期的推移,对营养物质的吸收逐渐增加,到成熟阶段,又趋于减少。,植物营养期:,植物营养阶段性:,植物营养临界期:,是指营养元素过多或过少或营养元素间的不平衡,对于植物生长发育起着明显不良的那段时间.,二、植物不同生育期的营养特性,生育期,营养生长期 生殖生长期,作物营养期：植物根系从介质中吸收养分的时期。 作物吸收养分的一般规律：,吸收速率,生长时间,水稻：在营养生长期适于NH4-N到生殖生长期则适于NO3-N 烟草：则以NO3-N 较合适。不仅可提高产量,而且还可改善品质，增强燃烧醒，而NH4-N可增强烟草的芳香化合物，所以NH4NO3是烟草适宜的氮肥品种 花卉：硝酸盐型:一串红.百日草.牵牛. 共存型: 香石竹.秋海棠.百合类20-40%铵态氮 共用型: 唐菖蒲,肥料不同的形态:,养分供应与植物生长的关系,有关科学施肥的几个定律,养分归还学说 德国化学家李比西1840年提出: 植物从土壤中吸收养分 每年收获必带走某些 物质 使土壤贫瘠 如果不正确归还带走的物质 土壤就要衰竭 要维持地力 必须归还养分给土壤,Justus von Liebig 1803-1873,作用： 1、调节土壤和人类之间的物质交换， 不以养分归还为基础的耕作是掠 夺性的耕作制度。 2、对当时的化肥工业的兴起和发展 起到了巨大的推动作用,评价： 1、养分要归还，不是取走的都归还， 不缺的可不归还。 2、归还的数量，不是取多少归还多 少，而是归还多于取走。因为肥 料利用率低，地力要提高。,作物产量的高低受土壤中相对含量最低的养分所制约。也就是说，决定作物产量的是土壤中相对含量最少的养分。,最小养分律示意图,最小养分律（1843年）,最小养分律示意图,最小养分随条件而变化的示意图,限制因子率 1905年英国Black man把最小养分律扩大到养分以外的生态因子，这就是限制因子律。作物的产量受各种生态因子中最低因子的影响，任何一个生态因子不足，都可成为影响作物生长的限制因子。 意义： 帮我们发现生产上限制作物生长的主要矛 盾。,木桶效应,报酬递减律,德国的农业化学家米采利希 （ E.A.Mitscherlich 1909） 等人通过燕麦施用磷肥试验证明：,在其它技术相对稳定的前提下，随着施磷量的渐次增加，燕麦的干物质量也随之增加，但干物质的增产量却随施肥磷量的增加而呈递减趋势，这与报酬递减律相一致。,增加一个单位某一生长因素（其它生长因素恒定时）所引起的作物产量增长率与该因素所能达到的最高产量和现有产量之差成正比。,米采利希学说,英国洛桑试验站,鲁茨(Lawes),一、计量施肥,计量施肥是根据作物的需肥规律，土壤供肥特性与肥料效应，在产前提出氮、磷、钾和微肥的适宜用量和比例及其相应的施肥技术。 我国推行的计量施肥方法很多，有养分平衡法，土壤肥力指标法和肥料效应函数法等。,2004年6月9日，温家宝总理在湖北省枝江市安福寺镇听取了村民曾祥华急需测土施肥的要求。农业部快速反应并提出全面大力推广测土配方施肥的建议，从而拉开了我国新一轮测土配方施肥推广的序幕。,测土配方施肥 （soil testing and formulated fertilization）是以肥料田间试验、土壤测试为基础，根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，在合理施用有机肥料的基础上，提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用品种、数量、施肥时期和施用方法。 实现“增产、增收、环保” 等目标。,基本情况,取得的成效增产增收,免费为近8000万农 户提供了测土配方施 肥服务，减少不合理 施肥240万吨(实物量)， 提高了肥料利用率, 平均每亩增收节支25 元，节本增效120多 亿元。,免费为4000多万农户提供测土配方施肥服务，推广测土配方施肥面积2.6 亿亩，减少不合理用肥50万吨（折纯，下同）左右，亩均节本增效25元以上,免费为1亿以上农户提供测土配方施肥服务，推广测土配方施肥面积6.4亿亩。肥料利用率提高3个百分点以上，亩节本增效25元以上,测土配方施肥实施情况,养分平衡法,养分平衡法是以作物与土壤之间养分供求平衡为目的，根据作物需肥量与土壤供肥之差，求得实现计划产量所需肥料量。计算公式为： 计划产量所需养分量（Kg/亩）土壤供肥量（Kg/亩） 施肥量 （Kg/亩） 肥料养分含量（）肥料利用率（）,（一）农作物需肥量 作物需肥料可通过分析常见成熟农作物植株的养分含量而获得。,常见作物 百公斤经济产量所需养分Kg 作物 收获物 N P2O5 K2O 水稻 籽粒 2.1-2.4 0.9-1.3 2.1-3.3 冬小麦 籽粒 3.0 1.25 2.50 春小麦 籽粒 3.0 1.0 2.50 玉米 籽粒 2.57 0.86 2.14 甘薯 鲜块根 0.35 0.18 0.55 马铃薯 鲜块根 0.50 0.20 1.06 大豆 豆粒 3.09 0.86 2.86,土壤供肥量,1、田间试验法 在有代表性地块上进行缺乏施该元素肥料的田 间小区，如： 施肥 PK NK NP 玉米产量Kg/亩 380 420 450 则该土壤 供氮量为：（380/100）2.759.77Kg/亩 供磷量为：（420/100）0.863.61Kg/亩 供钾量为：（450/100）2.149.63Kg/亩,2、测土法,利用化学法测定，并利用土壤养分利用 系数进行校正。 土壤有效养分校正系数（） 100,缺素区作物吸收养分量（Kg/亩）,土壤养分测定值（mg/Kg）,肥料利用率,可利用田间差减法求得： 肥料利用率（） 100 a：施肥区农作物吸收养分量（Kg/亩） b：不施肥区农作物吸收养分量（Kg/亩） c：肥料施用量（Kg/亩） d：肥料中养分含量（）,cd,ab,肥料中养分含量,肥料中的养分是一个重要参数，各成品化肥在包装袋上一般有注明。 常用化肥可查表，否则需进行化学测定。,计划产量指标,1、以地定产 农作物对土壤肥力的依存率（） 100,无肥区农作物产量,完全肥区农作物产量,x/y(%)18.290.126x (n28) 70 r0.8507 依 60 存 率 50 40 200 300 400 500 无肥区玉米产量 公斤/亩,2、以产定产 以前三年的平均产量15,肥料效应函数法,肥料施用量和作物产量之间的关系式称为肥料效应函数。 设计一元或多元肥料施用量或配比方案机械田间试验。根据试验结果配置在该条件下的施肥量与产量关系的回归方程，并根据这个方程式计算出最高产量的施肥量，经济最佳施肥量，经济合理施肥量等。,一元二次肥料效应函数及一般模式,其数学模型为：b0b1xb2x2 式中，x为自变量表示肥料施用量；y为因变量表示肥料用量为x时的产量； b0为常数项，表示不施肥时的产量；b1为一次项系数；b2为二次项系数。 b20 肥料效应函数呈直线型 b20 肥料效应函数呈递增型 b20 肥料效应函数呈递减型,一元肥料试验方案及效应函数的 简单配量,以四水平试验方案为例： 施用量为： 0 d 2d 3d d代表施肥处理 施肥水平为： 0 6 12 18 d6 产量为： y1 y2 y3 y4,配置回归方程：b0b1xb2x2 b01/20【19 y13（y2y3）y4】 b11/20d（21 y113 y217 y39 y4） b21/4d2（y1 y2 y3 y4）,经济最佳施肥量：,边际产量等于边际成本时，利润最大 yPyxPx y/xPx/Py 微分得： dy/dxPx/ Py,一元方程求导： yb0b1xb2x2 dy/dx= b1+2 b2x 因为dy/dxPx/Py 所以b1+2 b2xPx/Py x,Px/Pyb1,2 b2,求最高产量时的施肥量，即达到最高产量的边际产量等于零的施肥量。 dy/dx0 b1+2 b2x0 b1， b2为已知值，代入可求出x即最高产量的施肥量。,二、信息技术在科学施肥中的应用,1、摄影测量与遥感 RS （Remote Senting）,、全球定位系统 GPS （Global Position System）,3、地理信息系统 GIS (Geographic Information System ),3S技术,我国神舟号飞船,台湾岛的遥感影象： 能清楚的看到全岛的地貌。,洋桔梗種苗 影像選別 分級移植機,影像區 （影像選別分級 - in）,影像區 （影像選別 分級 - out）,影像區 （影像選別分級）,三、无土栽培,无土栽培的特点,1. 产量高，品质优，效益大。 2. 节省肥、水用量。 3. 防止土壤连作病害及土壤盐分积累造成的生理障碍。,4.栽培地点的选择受土壤、地形的局限较小，空闲荒地、河滩地、盐碱地以及城市楼顶、阳台都可以栽培，极大地提高了土地利用率。,5.有利于保护栽培向机械化、自动化、现代化的管理方向发展。,6.产品清洁卫生，无污染。,无土栽培的型式,无土栽培的主要方式 按照固定根系的方法大致可分为和无基质栽培两大类。,基质栽培,无基质栽培,无 基 质 栽 培,水 培,气雾培,浅液流栽培 （NFT）,深液流栽培 （DFT）,漂浮板栽培,喷雾法,超声法,基 质 栽 培,无土栽培的基质,岩棉（stonewood） 以玄武岩、辉绿岩为主要原料，经1500以上高温熔融制成的人造无机纤维，直径0.05mm。,岩棉一般呈碱性，使用时需用弱酸调至pH 5.8，如pH4.0则结构被破坏融解。,珍珠岩（perlite）,惰性稳定，质轻；持水量决定于颗粒大小，颗粒越大，持水量越高，多数情况下气多水少它与草炭混合是较好的育苗基质。,蛭石（vermiculite）,次生云母矿经1000以上高温处理后的产品。质轻，通气性和保湿性强，具有良好的缓冲性。,泥炭（草炭peat）,由半分解的水生、沼泽湿地生的苔藓植被组成，依照其分解的难易程度（稳定性）分为高位泥炭、中位泥炭、低位泥炭。 一般呈酸性pH在3.84.5，使用时需掺入少量石灰。泥炭的吸收量大，通气性取决于颗粒的大小，常用的颗粒大于1mm。,其他基质,砂（sand） 锯木屑（wooddust） 炭化稻壳 椰子壳粉（coirdust） 炉渣 食用菌培养废料,大量元素一般用化肥，如磷酸二铵、KH2PO4、磷酸铵、硝酸铵、硫酸钾、氯化钾、磷酸钙、硫酸钙等。 微量元素则靠化学试剂配制。,无土栽培的营养液,营养液的成分 大量元素：N 、 P 、 K 、 Ca、Mg 、S 微量元素：Fe 、Zn 、Mn 、B 、Mo 、Cl,2. 营养液的酸碱度,大多数植物的根系在pH 5.56.5的弱酸性范围内生长最好，如pH不适则根端发黄坏死，叶片失绿。 在循环营养液系统中每天都要测定和调整pH值。调酸最好用硝酸和磷酸配合使用。,3. 营养液的浓度,营养液的总浓度关系到溶液的渗透压大小，一般用电导度表示。 生产中循环使用的营养液由于作物吸收和蒸发，溶液浓度不断发生变化，应经常掌握使用电导仪进行测量，及时修正。 番茄营养液电导度一般控制在23 ms/cm（毫西门子/厘米）、黄瓜在1.62.0 ms/cm，甜椒2.0 ms/cm，茄子2.5 ms/cm，莴苣1.4 ms/cm。,4. 营养液的消毒,循环使用的营养液必须经常进行消毒，才能避免病菌的传播。 目前主要的方法有：过滤、紫外光灯消毒、超声波处理、臭氧处理和加热纯化处理。,四、土壤清洁生产 一、土壤清洁生产及现状 二、清洁生产的土肥管理,清洁生产：将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以增加生态效率和减少人类及环境的风险。 土壤清洁生产：将整体预防的环境战略持续应用于农业土壤的生产过程、农业产品和服务中，以增加农业生态效率和减少人类及环境的风险。 土壤清洁生产的含义： （1）土壤的性状是优良的，无污染物； （2）农业生产中的大气、水等基本生产环境是清洁的，无污染源； （3）生产过程所用的生产资料是安全、无污染的； （4）产品的质量是安全的、优质的； （5）农业产品在储存、包装、运输、销售、加工等环节是清洁、无污染的。,一、土壤清洁生产的概念及现状,中国于1990年正式开始发展绿色食品，1992年11月“中国绿色食品发展中心”成立，由政府部门主持发展绿色食品在国际是第一家，到现在经历了9年多时间，其间在中国不仅建立和推广了绿色食品生产和管理体系，而且还取得了积极成效，目前仍保持较快的发展势头。 中国绿色食品发展中心现已在全国31个省、市、自治区委托了38个分支管理机构、定点委托绿色食品产地环境监测机构56个、绿色食品产品质量检测机构9个，从而形成了一个覆盖全国的绿色食品认证管理、技术服务和质量监督网络。,清洁生产现状,土壤清洁生产总的施肥要求： 1.不影响环境、作物及人体健康 2.有足够的有机质还回土壤 3.减少污染，保护环境，提高肥力,二、土壤清洁生产的土肥管理,土壤清洁生产施肥原则：以有机肥为主，辅以其它肥料；以多元复合肥为主，单元素肥料为辅；以施基肥为主,追肥为辅；肥料种类符合要求，采用平衡施肥；尽量限制化肥的施用,如确实需要，可以有限度有选择地施用部分化肥。,土壤清洁生产允许使用的肥料种类： 1农家肥（有机肥） 如堆肥、厩肥、人畜粪尿、沼气肥、绿肥、作物秸秆、泥肥、饼肥等。其中，应大力提倡高温堆肥。 2生物菌肥 包括腐殖酸类肥料、根瘤菌肥料、磷细菌