硕士论文-长期施用生物有机肥对冬小麦和夏玉米生产效应的研究.pdf

中国农业大学 硕士学位论文 长期施用生物有机肥对冬小麦和夏玉米生产效应的研究 姓名：周莉华 申请学位级别：硕士 专业：生态学 指导教师：倪永珍;李维炯 20040601 摘要 本实验是在十年研究的基础上，在华北地区小麦一玉米典型耕作制度F ，对十壤长期施用 E M 生物有机肥，研究其对冬小麦和夏玉米的生产效果与作用机理。研究结果表明： 连续十年施用E M 生物有机肥明显提高作物产量。每公顷施1 5 0 0 0 k g E M 生物有机肥已连续7 年保持亩产吨粮的水平。每公顷年均单产1 6 7 7 9 7 k g ，效果稳定。每公顷施7 5 0 0 k g E M 生物有机 肥也连续6 年保持了亩产吨稂的水平。每公顷施1 5 0 0 0 k g E M 生物有机肥的历年平均单产比等量 传统堆肥、施肥量减半的E M 生物有机肥、化肥分别增产9 2 、1 5 5 、3 4 8 ：每公顷施7 5 0 0 k g E M 生物有机肥比等量传统堆肥、化肥、E M 浸种处理分别增产7 2 、1 6 7 、7 2 _ 3 。E M 生物有机 肥在提高产量的同时，也改善了作物的品质。作物籽粒粗蛋白含量以E M 生物有机肥的两个处理 最高，每公顷施1 5 0 0 0 k g E M 生物有机肥处理的小麦籽粒粗蛋白含量比等量传统堆肥、施肥量减 半的E M 生物有机肥、化肥、E M 浸种处理分别提高5 5 、4 9 、1 0 4 、1 9 9 每公顷施 1 5 0 0 0 k g E M 生物有机肥处理的夏玉米籽粒粗蛋白含量比等量传统堆肥、施肥量减半的E M 生物有 机肥、化肥、E M 浸种处理分别提高3 7 、2 1 、1 0 4 、2 1 3 。 分析产量提高和品质改善的原因，得到以下结论：E M 的加入促进了有机肥养分的分解和释 放。E M 生物有机肥土壤的有效氮、磷、钾含量显著提高，充足的肥料供给使植株的N 、P 、K 含 量增加，机体的功能得到改善，作物功能叶片的叶绿素含量和光合速率提高。光合作用的增强促 使植株干物质积累量增加，从而为灌浆和籽粒饱满打下坚实的基础。 关键词：E M 生物有机肥，冬小麦，夏玉米，产量。品质 A b s t r a c t T h ep r o d u c t i o ne f f e c t sa n da c t i o nm e c h a n i s mo fa p p l i e dE Mb i o l o g i c a l o r g a n i cf e r t i l i z e rt o w i n t e r - w h e a ta n ds u m m e r - m a i z eu n d e rt h et y p i c a lc r o p p i n gs y s t e m so ft h eH u a b e ia r e ai nc h i n aw e r e a n a l y z e d n l er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： E M c o r n P O s tc o u l do b v i o u s l ya n ds t e a d i l yp r o m o t e d w i n t e r - w h e a ta n ds u m m e r - m a i z ey i e l d T h e a n n u a la v e r a g ey i e l do ft r e a t m e n ta p p l i e dE Mc o m p o s t1 5 0 0 0 k g h m 。w a s1 6 7 7 9 7 k g h m 2a n dh a d b e e nk e e p i n ga t1 0 0 0 k g m uf o rS e v e ny e a r sc o n t i n u o u s l y , w h i c hw a sh i g h e rt h a nt r e a t m e n t sa p p l i e d t h es a m ea m o u n tt r a d i t i o nc o m p o s t ，7 5 0 0 k g h m 2E M c o m p o s t a n dc h e m i c a lf e r t i l i z e rb y9 2 ，1 5 5 a n d3 4 8 r e s p e c t i v e l y ；I to ft r e a t m e n ta p p l i e dE Mc o m p o s t7 5 0 0 k g h m 。h a db e e nk e e p i n ga t 1 0 0 0 k g m uf o rs i xy e a r sc o n t i n u o u s l yt o o w h i c hw a sh i i g h e rt h a nt r e a t m e n t sa p p l i e d t h es a m ea m o u n t t r a d i t i o nc o m p o s t , c h e m i c a lf e r t i l i z e ra n dE M s o a k e ds e e db y7 2 1 6 7 a n d7 2 3 r e s p e c t i v e l y N o t o n l yt h ec r o py i e l dc o u l db er a i s e d b u ta l s ot h ec r o pq u a l i t yc o u l db ei m p r o v e de f f e c t i v e l y a p p l i e dE Mb i o l o g i c a l - o r g a n i cf e r t i l i z e r T h ep r u d ep r o t e i nc o n t e n to f c r o p s e e do f t r e a t m e n t sa p p l i e d E Mc o m p o s tw a sh i g h e rt h a no t h e rt r e a t m e n t s O fw h i c h ，i to fw i n t e r - w h e a ts e e do ft r e a t m e n t s a p p l i e dE Mc o m p o s t1 5 0 0 0 k g h m 2w a sh i g h e rt h a nt r e a t m e n t sa p p l i e dt h es a m ea m o u n tt r a d i t i o n c o m p o s t , 7 5 0 0 k g h m 2E Mc o m p o s t c h e m i c a lf e r t i l i z e ra n dE M s o a k e ds e e db y5 5 ，4 9 ，1 0 4 a n d1 9 9 r e s p e c t i v e l y ；i to fs u m m e r - m a i z es e e do ft r e a t m e n t sa p p l i e dE Mc o m p o s t1 5 0 0 0 k g h m w a sh i g h e rt h a nt r e a t m e n t sa p p l i e dt h es a m ea m o u n tt r a d i t i o nC O l T I p o s t ，7 5 0 0 k g h m E Mc o m p o s t ， c h e m i e a lf e r t i l i z e ra n dE Ms o a k e ds e e db y3 7 ，2 1 ，1 0 4 a n d2 1 _ 3 r e s p e c t i v e l y t o o T h em a i nc a u s e sr e s u l t e di nt h ey i e l da n dq u a l i t yd i f i e r e n c ea m o n gt r e a t m e n t sw e r et h a ti tw a s b e n e f i c i a lt od e c o m p o s i n ga n dr e l e a s i n gn u t r i e n t si nc o m p o s tw h e nm i x e dE Ma n di t w a sr a i s e d s i g n i f i c a n t l yf o l t h er a p i da v a i l a b i l i t y o f N i t r o g e n ，P h o s p h o r u sa n dP o t a s s i u mi ns o i la p p l i e dE M b i o l o g i c a l - o r g a n i cf e r t i l i z e r , w h i c hi n c r e a s e d t h e N i t r o g e n ，P h o s p h o r u sa n d P o t a s s i u mn u t r i e n tc o n t e n t i ns t e m ，l e a f b l a d ea n de a ra n di m p r o v e dt h eo r g a n i s mf u n c t i o n ，a n dt h e nt h ec h l o r o p h y l lc o n t e n ta n d r a t eo fp h o t o s y n t h e s i so f c r o p f u n c t i o n a ll e a fb l o d ew e r er a i s e d ，t h es t r e n g t h e n e dp h o t o s y n t h e s i s i n c r e a s e dt h ep l a n td r ym a t t e rc o n t e n t t h e r e b yl a i daf o u n d a t i o nf o rs e e d - f i l l i n g K e y w o r d s ：E M b i o l o g i c a l o r g a n i s mf e r t i l i z e r ；T r a d i t i o nc o m p o s t ；C h e m i c a l f e r t i l i z e r ；W i n t e r - w h e a t ； S u m m e r - m a i z e ；Y i e l d ；Q u a l i t y 独创性，声明 y 6 59 3 8 O 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：【作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：腩聋 时间：p 年6 月g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：阂勃哔 时间： 瑚够年g 月归 导师签名：时间：加。弘年6 月9 日 跌多 乙 、；7 中周农业大学硕士学位论文第一章前南 1 1 研究意义 第一章前言 自1 8 4 0 年，德国化学家李比西创立了植物营养学说，人类开始重视农业肥料的投入。从历史 上看，世界粮食产量一直很低，而且增产速度较慢。近年来，世界粮食产量增加速度比历史上 任何时期都要快，1 9 8 0 1 9 9 0 年间粮食产量增加了约2 0 。肥料的大量施用与肥效提高在作物 产量增长中起了关键作用。联合国粮农组织( F A O ) 根据国外多年的统计资料表明，在提高单 产中，化肥对增产所起的作用约占4 0 - 6 0 ( 褚天铎，1 9 9 7 ) ，我国农业部门也认为在4 0 左右 ( 曾宪坤，1 9 9 3 ：何绪生等，1 9 9 8 ) 。1 9 7 8 年世界肥料会议认为发展中国家过去2 0 年粮食的增 产约有3 0 是由化肥施用获得，而禾谷类的增产约有5 0 是由化肥的施用获得( 徐谦，1 9 9 6 ) 。 据统计，按物质投入要素对形成农业综合生产能力的贡献率大小排序，其顺序是：灌溉化肥 良种- 农机一役畜- 农药一农膜( 李芳柏等，1 9 9 6 ) 。可见，化肥对农业的增产起着十分重要的作用。 然而，近些年来，化肥施用的弊端逐渐暴露出来，使得肥料与粮食生产成为持续性问题的 焦点。农田养分平衡成为农业能否持续的关键。人们开始寻找新型的、安全有效的肥料来替代 化肥，解决粮食生产对肥料的需求和保护环境及人类健康等问题。 1 1 1 粮食增产的需要 世界人口不断的增长，使得粮食生产的压力不断加大。就农业的发展而言，从本世纪5 0 年代到7 0 年代比较顺利，粮食增产超过人口增长的速度。此后。农业发展缓慢下来，粮食不足 引起广泛的忧虑，特别是一些发展中国家。粮食和人口的矛盾十分突出。发展中国家的人口占 世界人口的8 0 ，虽然，各国都在竭尽全力地发展本国经济，但目前发展中国家的经济增长成 果大部分被新增人口所消耗。就我国而言，2 0 0 0 年人口总量为1 2 8 亿，据专家预测，2 0 1 0 年 我国人口将增至1 4 亿，2 0 3 0 年将达1 6 亿。随着人口的增长，粮食的需求量将不断扩大。 与人口相反，世界耕地面积的增长缓慢。5 0 年代开始世界耕地面积的增长就缓慢下来，平 均每年不足1 ，不及人口增长率的一半。7 0 年代世界耕地增长o 3 ，8 0 年代增长0 2 。按 人均占有粮食耕地面积计算，1 9 5 0 年世界平均每人0 2 4 h m 2 ，到1 9 8 3 年降至人均0 1 5 h m 2 。而 包括中国、法国、意大利在内的占世界人I Z l1 3 的国家，从5 0 年代或6 0 年代开始耕地面积逐 年减少( 沈亨理，1 9 9 3 ) 。我国人均耕地面积从1 9 4 9 年的0 1 8 1 h m 2 减少到现在的0 0 8 h m 2 。大大 低于世界平均水平( 2 7 8h m 2 ) ( 段红平，赵正雄，2 0 0 2 ；龚子同，2 0 0 0 ) 。据测算，到2 0 3 0 年， 人均耕地面积将下降到0 0 5 5 h m 2 ，2 0 5 0 年将下降到o 0 4 h m 2 ，人地矛盾将不断尖锐( 彭珂 珊。1 9 9 8 ) 。 近年来，由于人均耕地的减少，粮价的不景气，收入的多元化，大量的农民已不愿把时闻 花费在土地的精耕细作上造成复种指数一F 降，粮食的播种面积降低。我国经济的快速增长必 中国农业大学硕士学位论空第一章前言 然导致居民食物消费结构的高级化，使动物性生产的粮食消费量增加。我国居民在动物性食品 的消费量方面与发达国家之间的差距将呈不断缩小的趋势，这种缩小的趋势将成为我国粮食生 产的重要动力。到2 1 世纪中叶，我国人均粮食消耗量( 包括饲用和工业用粮) 按4 5 0 k g 计( 远 小于发达国家水平) ，需粮总量约7 2 亿t 。而我国目前粮食的总产水平是4 8 亿t ，综合生产能 力在4 5 5 0 亿t 之间( 李岳云，1 9 9 6 ) ，未来需求与现有生产能力之间的缺口还很大，粮食的增产 需要还很迫切。面对人口的增长和生活水平的提高，土地的压力还将逐步加大，过去我们是靠 扩大耕地面积和提高单产两条途径发展粮食生产，而如今只能依靠提高单产一条途径来解决。 这就要求我们重视培肥地力，开发和应用有效的肥源。 1 1 - 2 农产品品质改善豹要求 近年来大量化肥的过量和不合理使用，影响到农产品的品质( S p a l i n ge t a l ，1 9 9 3 ) 。据有关报 导过量施用氮肥会降低玉米和小麦籽粒蛋白质中赖氨酸、苏氨酸的比例，使蛋白质的营养品 质下降( 沈中泉等，1 9 8 9 ) 。据试验表明，随着氮肥水平的提高，小白菜体内v c 的含量直线下降， 可溶性总糖亦呈下降趋势。番茄果实中V c 和可溶性总糖都显著下降，而可滴定酸却显著地增 加( 胡承孝等，1 9 9 6 ) 。过量施用氮肥，另一方面影响是使植物体内硝酸盐含量增加，有资料表明， 食品中硝酸盐含量与氮素化肥的施用量里显著的正相关相关系数达0 7 7 , - 0 9 9 ( 蔡元定，1 9 9 2 ) 。 目前尤为突出的是叶菜类蔬菜硝酸盐的积累问题，严重威胁人们的健康。美国密苏西州在不施 氮肥的土壤中种植的莴苣，硝酸盐含量为0 1 ；每英亩施一百磅硝态氮肥的莴苣，硝酸盐含量 为O 3 ；化肥用量增大到每英亩施四百磅，莴苣中硝酸盐含量高达O 6 ( 李增凤，1 9 8 6 ) 。过 量施用磷肥会降低蔬菜、水果中的可溶性固形物、果汁浓度、维生素C 等成分的含量，同时对 果实的大小、着色、性状、香味等带来一系列影响，且磷肥中的副产品可能会给农产品带来污 染( 曾希柏，2 0 0 0 ：向杰，2 0 0 2 ；张辉，2 0 0 2 ) 。 我国已经加入了W T O 。农产品的生产直接面向国际市场，而在当今，全球关税壁垒逐步取 消的情况下。与农产品品质直接相关的绿色标志已成为新型的贸易壁垒( 盂凡乔等，2 0 0 2 ) 。要 解决这一问题，也需要安全、有效的新型肥源。 1 1 3 缓解环境污染的途径 半个世纪以来，我国化肥施用量大幅度增长，2 0 世纪6 0 8 0 年代末，氮肥施用量约增加了 1 5 倍，磷肥用量约增加了9 倍。近l O 年来的化肥施用量增加了9 0 ，而粮食总产量增加则不 足6 5 ，每千克化肥增产的粮食不及世界平均水平的1 2 ，大量的化肥未发挥出应有的效果( 樊 小林，1 9 8 4 ：林葆，1 9 9 9 ) 。我国化肥施用量于1 9 9 4 年居世界首位，但当季化肥利用率一直在3 0 左右，而发达国家在5 0 - 6 0 。据有关报道，我国化肥的当季利用率：N 约为3 0 - - - 3 5 ，P 约 为l o 2 5 ，K 约为3 5 - - - 5 0 。其中N 肥的损失特别严重。早地损失约3 5 - - - 4 0 ，水田可达 5 0 。据推算，我国从1 9 8 5 1 9 9 6 年，仅N 的损失就达1 9 8 0 亿元( 吴建富等，2 0 0 3 ；X u X C 。1 9 9 9 ) 。 由于化肥用量大，利用率低，约有4 0 - , 6 0 的化肥进入环境引起生态环境恶化，已经成为全球 问题，受到，“泛的关注( F l i p s eW Je t a l ，1 9 8 4 ) 。据相关研究，施入土壤中的化学氮肥约有l ，3 进 2 中国农业大学硕士学位论文第一荜前言 入空气圈，其中的N 2 0 破坏臭氧层，是产生温室效应的气体之一。B y n e s BH 在1 9 9 0 年报导， 大气中的N 2 0 增加速率比2 5 年前提高了3 倍，这与几十年来氮肥的施用量大体一致( B y n e s B H ，1 9 9 0 ) 。肥料约有l 3 经土壤淋溶进入水圈，导致水体的富营养化( S i l v a n d e re l a l ，1 9 9 1 ) 。农 业上长期施用高量氮肥是造成地下水、饮用水硝酸盐污染的重要原因之一( 张维理等，1 9 9 5 ) 。 大量使用化学氮肥使地下水中的N O - z - N 浓度增加，危害人们的身体的健康( 赵先贵等。2 0 0 2 ) 。 据2 0 0 0 年对全国2 3 个省统计，农业化月B 和农药污染事故达8 9 1 起，污染农田4 万b a n 2 ( 刘玉 凯，2 0 0 2 ) 。 随着生产的发展和生活水平的不断提高，各种废弃物大幅度增加，对环境的污染也产生了 定的影响，这些废弃物中，农业废弃物占有一定的比重。据有关调查1 9 9 3 年，北京市年排放 鲜鸡粪1 3 3 万t 。1 9 9 3 年底年排放鲜猪粪3 7 0 万t 以上( 文化，1 9 9 5 ) 。目前北京现有禽类1 - 5 亿只，年产粪便4 5 0 万t ；猪约有3 0 0 万头，年产粪便5 7 0 万t ；牛3 0 万头年产粪便1 0 0 万 t ，总计年产畜禽粪便1 3 0 0 万t ( 李国学等，1 9 9 9 ) 。这些废弃物由于处理率低，资源化数量少， 大部分未经处理就作为水、肥资源进入农田或直接排入江河，造成了农业环境质量下降，出现 了严重的生态环境问题和自然资源的巨大浪费。作物秸秆在我国有机废弃物中占有很大的比例。 据测算我国每年产出的秸秆中除燃料、过腹还田、造纸等其它用途外大约有近1 6 秸秆被 自白烧掉( 杨文钰，王兰英，1 9 9 9 ) 。这样不仅造成土壤长期缺乏有机质的补偿而地力衰竭，产 量下降，农田生态平衡破坏，而且污染空气。给人们的生活环境造成严重影响( 刘巽浩等，1 9 9 8 ) 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 有机肥 有机肥料是我国农业生产中的重要肥源。长期以来，我国传统农业生产就是通过施用有机 肥料来培肥地力和增加农作物产量的。据有关资料统计，我国从1 9 4 9 - 1 9 8 1 年3 3 年间，有机 肥总量、有机氨磷钾肥与粮、棉、油产量呈极显著的正相关，其相关值大于化肥总量和无机氮 磷钾与粮、棉、油产量的相关值。尽管有机肥的投入量从1 9 4 9 年的9 9 7 下降到1 9 9 0 年的3 7 4 ， 特别是有机氦的比例从9 9 6 下降到2 3 8 。但1 9 9 0 年有机肥提供了磷素的3 1 7 ，钾素7 9 3 ， 以及绝大部分的微量元素。据农业部门的估算：我国农田投入的总养分中，约有3 5 的氮索、 5 0 的磷素、9 0 的钾素及大部分微量元素要靠有机肥料供给，这是许多化学肥料所不能替代 的( 程云波，2 0 0 2 ) 。 表1 1 主要作物秸秆养分含量( 占干重) 。 中圆农业大学硕士学位论文第一章前言 t 引自棘新宇( 1 9 9 I ) 裹1 2 畜禽粪中大量营养元素和傲元素的含量( 干重计算) 有机肥料是我国肥料中磷、钾和微肥的主要来源( 李芳柏等，1 9 9 6 ) 。我国有机肥资源丰富， 种类较多。主要有作物秸秆、畜禽粪便和工业废料等。我国秸秆资源非常丰富，每年约有1 7 7 亿吨，秸秆干物重每年就有5 亿吨以上( 宋秀杰，1 9 9 7 ) 。秸秆中除含有能源物质外，还含有氮、 磷、钾等丰富的矿质养分，据测定( 表1 1 ) ，小麦、水稻和玉米3 种作物秸秆的含氮量分别为 0 5 0 r - 0 6 7 、0 6 3 、0 4 8 - - 4 ) 5 0 ，含磷量分别为0 2 0 、0 11 、0 3 8 加4 0 ，含钾量分 别为0 5 3 - - 0 6 0 、0 ，8 5 、1 6 7 ( 徐新宇，1 9 9 1 ) 。按平均每千克秸秆含氮5 9 ，P 2 0 5 2 舀K 2 0 1 5 9 计算，我国每年仅秸秆一项就可提供2 5 0 万t 氮，1 0 0 万t 磷，7 5 0 万t 钾( 杨林书等，1 9 9 3 ) 。 目前我国秸秆利用率仅为3 3 。大量的秸秆未能还田，造成土壤有机质含量下降，地力逐渐衰 竭。据研究，畜禽粪便中各种无机成分的养分有效性均较高( 表1 2 和表1 3 ) 。新鲜的畜禽粪 中钾有效性可达5 0 - 8 0 ，有效磷达2 5 5 0 。氮以有机态为主，无机态氮含量很少。有机 态氮主要有蛋白质、氨基酸、核酸( R N A 和D N A ) 等，其中氨基酸、核糖核酸植物均能吸收 4 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 利用。此外，还含有钙、镁、硫以及各种微量元素等。全国畜禽年粪便排泄总量达1 7 3 2 亿t 所含养分折合N 1 9 5 7 万t 是现有氮肥施用量的7 89 ；P 2 0 5 3 6 3 万t 是磷肥施甩量的5 7 。4 ： K 2 0 1 3 4 1 万t ，是钾肥用量的2 9 8 。由于多种原因，畜禽粪便在不少地方未能有效利用，造成了 对环境( 大气、水) 的污染。另外，我国每年还有数量可观的饼肥和稻壳( 康天宇等，2 0 0 0 ) 。 表1 3 畜、禽粪及厩肥中核酸含量( m g 1 0 0 9 干重) 目前，我国大部分有机废弃物没有得i 日充分利用。充分利用秸秆和畜禽粪便等有机废弃物作 肥源，不但可以培肥地力。使农业生态系统的物质能多层次循环利用，既节约大量能源。同时 也减少了因过多施用化肥和农业废弃物本身对环境的污染，可谓一举多得( 贾晓葵，1 9 9 1 ) 。若数 罱巨大的有机废弃物加以利用，可以产生巨大的经济效益和环境效益。利用有机肥既是农业自 身物质和能量的循环，又是净化人类生态环境、资源有效再利用，实现高产高效优质农业的重 要措旌( 黄东迈，1 9 9 4 ；杨玉爱，1 9 9 6 ) 。国内外的研究都表明有机肥的长期旖用，对作物产量和 土壤生态系统的养分平衡供应都是有益的，有助于晟终达到良性环境和持续农业发展的目标 ( S u nX ，1 9 8 6 ：M S uZ u k i ，1 9 9 0 ) 。 1 2 1 1 有机肥料的优点 有机肥含有作物生长所需的大量元素、各种微量元素、对作物根际营养起到特殊作用的微 生物群落、大量有机物质及其降解产物如维生素、激素、酶、生长素、泛酸和叶酸等植物生长 活性物质，能促进作物生长和增强抗逆性( 沈其荣，2 0 0 1 ) 。据资料记载：玉米秸秆含有的有机质 达8 0 ，并含有1 6 种植物所需的营养元素。1 0 0 公斤玉米秸秆含氮0 4 8 k g 、磷o 3 6 k g 、钾1 6 4 k g 。 美国玉米带主要产区经8 年实验表明，每年每公顷秸秆还田5 6 6 7 t ，土壤有机质含量就从1 7 9 提高到2 , 0 0 , - 2 2 0 ( 程云波，2 0 0 2 ) 。有机质在分解转化过程中形成腐殖质，能促进土壤团粒结 构形成，改善壤的理化性状，增强土壤的保水、保肥性能，改善土壤耕性和提高土壤保温能力， 从而达到改善土壤耕性的作用( 农业部农业司，1 9 9 5 ) 。因此，有机肥在改良土壤培肥地力方面是 化肥所不能比拟的。 有机肥中含有大量有益微生物，施用有机肥，一方面直接增加了有益微生物，如氮化菌、 硝化菌、固氮菌等；另一方面有机肥料为土壤微生物提供大量的养分，促进有益微生物的繁殖 和活动，如促进土壤自生固氮菌的生长，增加大气氮素的生物固定，促进解磷、解钾细菌的繁 殖生长，增加磷、钾释放，促进土壤拮抗菌的繁殖，减少十传病虫害( 郭俊炜等，1 9 9 7 ) 。 有机肥能全面平衡作物养分，促进内源激素平衡，协调供氮性能与作物碳氮代谢，因而可 以提高蔬菜瓜果中的维生索和糖分的含量，提高粮食作物籽粒中的淀粉和蛋白质含量，提高油料 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 作物中油脂含量，从而提高作物的品质( H s i e he ta l ，1 9 9 4 ；沈中泉，1 9 9 5 ；张辉，2 0 0 2 ) 。 1 2 1 2 有机肥料的不足 有机肥料所含的养分主要处在有机化合物的形态，作物难于直接吸收利用须经过微生物 的分解才能转化为能被作物吸收利用的养分。所以，有机肥的肥效较慢。另外，有机月巴的养分 含量低。所需体积大，制作过程花工多，使用不方便。 1 2 2 微生态制剂 j 2 2 1 微生态学理论的形成和发展 微生态学是研究微生物之间及其与环境和宿主之间相互依存和相互制衡关系的科学( 梅汝 鸿等，1 9 9 8 ) 。西德V o l k c rR u s h 博士于1 9 7 7 年首先明确提出微生态学( m i c r o e c , o l o g y ) 的概念， 并建立起第一个微生态学研究所，主要研究应用活菌制郝治疗疾病，如选用大肠杆菌、双歧杆菌、 乳酸菌等也就是研究生态疗法和生态调控( 康白，1 9 9 6 ) 。1 9 8 5 年，康白提出了一个新的定 义，“微生态学是细胞水平或分子水平的生态学”，因为是研究正常微生物的生态靓律，所以很 自然就形成了一个微观生态的概念。微生态学作为一门新的生命科学分支虽然只有二十多年， 但它的传播已遍及全球，涉及生命科学的各个领域，被广泛应用于农业、畜牧业和人类医学。 近l o 多年来，得到迅速的发展，井取得了许多成就，主要有：实验技术不断完善和进一步发展； 对动物和人正常微生物群的特征和作用有了进步认识：研究成果迅速应用于实践( 王兴龙， 1 9 9 7 ) 。 1 2 2 2 微生态制剂的概念 1 9 9 0 年，全国微生态学会学术研讨会正式提出“微生态制剂”一词，并定义为“根据微生 态学原理而制成的含有大量有益菌的活苗制剂，有的还含有它们的代谢产物或( 和) 添加有益 菌的生长促进因子，具有维持宿主微生态平衡、调整其微生态失调和提高他们健康水平的功能” ( 周德庆等，1 9 9 2 ) 。 1 2 2 3 微生态制剂的研究进展 早在本世纪初0 9 0 7 年) 著名细菌学家梅切尼科夫即提出饮用酸奶。2 0 世纪7 0 年代以后， 随着微生态学的发展，国内外对微生态制剂的研究得到较快的发展，特别是动物微生态制剂和 医用微生态制剂方面。日本是世界上研制开发和利用微生态制剂较早的国家之一其产品主要是 双歧杆菌活菌制剂。美国从7 0 年代开始使用饲用微生物。其他许多国家，例如德国、法国、意 大利、荷兰、英国、俄罗斯和韩国等亦都有不同类型的微生态制剂的产品。国外研制成功的微 生态制剂以复合菌剂为主，我国生产的多为单一菌株，且大多作为防止畜禽下痢的治疗剂。如丽 珠肠乐，调痢生等。据1 9 9 4 年统计，国内仅双歧杆菌微生态制剂就有6 0 多种。另外，国内也 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 有少数复合制剂研制成功，主要用于饲料添加剂和医疗保健( 刘秀梅等，2 0 0 2 ) 。 农业用微生态制剂主要有三类：生物防治用微生态制剂、土壤微生态制剂、植物微生态制 剂。在农业方面，微生态制剂在生物防治上使用较早。大家熟知的苏云金杆菌就是很成功的微 生态制剂，用于害虫防治很有效，且不污染环境，至今仍在不断研究开发。据有关研究报道，枯 草芽孢杆菌用于防治诬红柿青枯病、根腐病、立枯病和黄瓜根腐病等，均有很好的效果，作为农 药开发很有前景。在土壤微生态制剂方面8 0 年代最早出现的是一种土壤活化剂，它含有5 “ 种细菌和霉菌以及腐殖酸和蛋白氮。此后出现了多种土壤微生态制剂，据统计，8 0 年代在日本、 美国等国家申报的土壤微生态制剂发明专利就有2 0 多项( 邵风君等，1 9 9 4 ) 。土壤微生态制剂 可改善土壤化学和生物特性，旋入土壤后形成合理的微生物群落而微生物活动可改善土壤的 物理化学条件，提高土壤供肥保肥能力，可加速土壤有机质的降解，增加土壤总孔隙度和入渗 率，从而更有利于土壤盐分的淋洗。微生态制剂施入土壤后可活化土壤营养成分。使土壤中营 养物质及微量元素转化为可利用状态解除植物生理缺素症状，保证植物在盐碱地上正常出苗， 促进其生长，改良盐碱地( 刘秀梅等。2 0 0 2 ) 。植物微生态制剂典型的例子是我校陈延熙教授等 开发研制的增产菌。增产菌是以芽孢杆菌为主的植物微生态制剂，根据陈延熙教授植物自然生 态系原理和微生态学理论。认为植物体并非独立存在，而是与体表、体内生活的无数微生物共 同组成的共生复合体，它们之间相互依存、相互制约，形成一个自然复合体。其中有些微生物 对作物生长发育、增产、改进品质、提高抗逆性等有促进作用。使用增产菌后，效果明显，粮 食作物一般增产5 - - 1 0 ，瓜果、蔬菜可增产1 0 一1 5 以上，一般经济作物油、棉、麻、糖增 产1 0 左右。近几年来，增产菌已推广到5 0 多种作物，使用面积达l O 亿亩之广，创造了可观 的经济效盏和生态效益( 梅汝鸿等，1 9 9 8 ) 。土壤微生态制剂和植物微生态制剂有很多共同之处， 只是两者的侧重面不同。土壤微生态制剂，主要从土壤环境的改善来作用于植物；植物微生态 制剂主要作用于植物体本身的微生态区系。但近年来，出现了综合性的微生态制剂，它可以兼 具植物微生态制剂、土壤微生态制剂和生物防治用微生态制荆三种功效，有的还具有处理污水净 化环境的功能。 微生态制剂的作用机制目前普遍较为认同的是优势种群理论，即在正常微生物群及其宿主 和环境所构成的微生态系统内，少数优势种群对整个种群起控制作用，一旦失去了优势种群， 则导致微生态失调，使用微生态制剂可补充或恢复优势种群，使失调的微生态达到新的平衡( 熊 德鑫等，1 9 9 6 ) 。 1 2 2 4 微生态制剂E M 的应用研究 现代科学技术极大地促进了农业的发展，但同时也带来了严重的不良后果，农业生态环境 的日益破坏，这使得人们更加关注对农业生态系统的研究。微生物广泛地存在于自然界中，蕴藏 着巨大的潜在资源，许多学者将微生物与农业联系起来，开创了微生物农业工程，积极倡导“白 色农业”，以推动2 1 世纪农业的全面发展( 同小娟。2 0 0 1 ) 。 E M ( E f f e c t i v eM i c r o o r g a n i s m s ) 即有效微生物群，是2 0 世纪8 0 年代初期由日本研制出来 的一种新型的复合微生物菌剂，把经过筛选的好气性微生物和嫌弃性微生物( 5 个科1 0 个属s o 多种微生物) 加以混合，采用适当的比例和独特的发酵工艺，培养出多神多样的微生物群落。各 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 种微生物在其生长过程中产生的有用物质及其分泌物，成为各自或相互生长的基质原料。通过 相互之间的这种共生增殖关系，形成一个复杂而稳定的微生态系统，发挥多种功能。自2 0 世纪 8 0 年代进入市场后，先后在日本、美国、巴西、泰国等9 0 多个国家和地区推广和应用产生 了显著的经济效益、生态效益和社会效益，受到了广泛的关注( S c h u l zDG ，1 9 9 2 ) 。E M 技术 自2 0 世纪9 0 年代初引进我国开始，我国科研工作者一直在致力于对其的研究。十几年的实验 研究，己在种植业、养殖业和环境保护等多个领域取得了显著的作用效果，有着广泛的发展前 景( 李维炯等，1 9 9 5 ) 。 E M 主要特点是；组成复杂、结构稳定、功能广泛( 倪永珍等，1 9 9 8 ) 。在种植业上应用 E M 后作物产量增加，品质得到改善，土壤肥力水平提高。喷施E M 可显著提高功能叶片叶绿 素含量，降低时片气孔阻力，增产效果显著。除增产和改善作物品质外，对作物施用固体E M ， 能促进土壤微生物的活动，改善土壤的养分状况，同时改善植株生理代谢过程，提高叶绿索含 量和蛋白含量，提高光合作用速率和植株氮代谢活性( 张烈等，1 9 9 8 ) 。在化肥和有机肥中加入 E M ，水稻和小麦籽粒与秸秆的产量都比未加之前有所提高E M 加入到化肥和有机肥中可以提 高作物对养分的吸收( 同小娟，2 0 0 1 ) 。 E M 作为一种新型微生物复合制剂，与其它农用微生态制剂一样具有无毒无害、不污染环 境等优点，且肥效高、功能广、可节约能源，利于大面积推广和应用。 t 2 3 生物有机肥 生物有机肥是继化肥之后“肥料工程”的第二次革命，开创了农业肥料的新纪元。它将微生 物和有机肥结合起来，兼具微生态制剂和有机肥料的优点，通过微生物对土壤理化性质和生物 状况的改善，为作物创造良好的环境条件。从而既可保持较高的作物产量，又可改善作物的品 质。能缓解因长期使用农药、化肥等化学制剂对农田生态环境和人体健康所造成的危害，是 发展无毒、无公害绿色食品的理想肥料( 周亚军等，2 0 0 0 ) 。 生物有机肥中微生物与有机质相互作用，互为补益。方面在一定的温度、湿度和P H 值 条件下，通过微生物的生命活动，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖酸的物质，把 土壤中的难溶性养分变为速效营养成分，加速有机肥中养分的释放，克服有机肥肥效慢的缺点。 如解磷、解钾细菌将难溶性磷、钾转化为作物可以吸收利用的速效磷、钾养分。l k r a m 等报道 了P G P R 可以引起土壤中的磷发生很大的变化，D e B r i t o 也发现P G P R 可以溶解难溶性磷( B r i t o D E ，1 9 9 5 ) 。M a r s c h n e r 等的研究结果证实，根际细菌促进植物生长的作用之一是提高了植物对 锰的吸收和促进土壤中锰的还原( M a r s e h n e r ，1 9 9 1 ) 。G r a y s t o n 报道了一些氧化硫功能菌使单质 硫变成S 0 4 5 ，同时降低土壤P H ，从而促进双低油菜C a n o l a 叶面积增大和幼苗对矿质元素F e 、 S 、M n 的吸收( G r a y s t o n 。1 9 9 1 ) 。据不完全统计，已发现包括假单胞菌和芽胞杆菌等2 0 多个属 的根围细菌具有防病促生潜能的报导( O S u l l i v a n ，1 9 9 2 ) 。近2 0 年来的研究，P G P R 可有效地 用于防治小麦全蚀病、马铃薯软腐病、作物青枯病、葫芦科作物苗期猝倒病等顽固性土传病害 ( W e l l e r ，D M 1 9 8 8 ) 。再如固氮苗则可以将大气游离的氮固定下来，转化为作物可直接吸收利 用的氮素。H u s s e i n 报道，在大田试验中，接种固氮菌，玉米产量增加了1 6 ，并把此效果归因 于此细菌产生的植物激素( H u s s e i n 等，1 9 8 7 ) 。另一方面，长期施用化学肥料，造成土壤板结， 8 中国农业大学硕士学位论文第一章前言 破坏了整个微生物链。影响土壤微生物的繁殖和活动。生物有机肥有机质含量高为微生物提供 丰富的能源和良好的生存环境，能促进微生物活动，疏松土壤，培肥地力。而且微生物与植物分 泌物、矿物胶体和有机胶体相结合，可以改善土壤结构，形成良性循环。使用生物有机肥对于 改善土壤的理化生物性状有着十分重要的作用。 生物有机肥能提高农产品质量，主要表现在：一是减少了因化肥施用过量而引起作物对氮的 奢侈吸收，特别是可降低某些蔬菜作物硝酸盐的过量积累对人体和禽畜造成的危害；二是生物 有机肥本身含有的无机、有机养分，同时还补充作物所需要的其它微量元素。土壤微生物含量 增加，土壤过氧化氢酶、转化酶等活性显著提高，由于酶促效应增强，加速了土壤有机质的分解 和矿物质养分的转化，有利于农作物根系对养分的吸收。而且提供的养分是速缓相济。有利于 作物营养均衡吸收，增强作物抗病、抗逆性有利于作物产量品质的提高( 罗风来，2 0 0 0 ) 。 土壤肥力的形成与提高是在一定的光、能、水、气、热条件下，通过土壤中的有机物、无 机物与微生物相互作用的结果，微生物既是土壤中能量交流和物质循环转化的纽带和桥梁，又 是土壤肥力的重要物征和指标。施用生物有机肥对环境不构成危害，连续施用多年可为农作物生 产创造一个良好的土壤理化性状和生态条件( 罗凤来，2 0 0 0 ) 。试验证明，在粮食、油料作物上 施用生物有机肥，可增产1 0 - - 2 0 ，在果树、蔬菜、经济作物上施用可增产2 0 - - 3 0 ，并能 提早3 0 天成熟，农产品质量明显改善。生物有机肥与无机肥配合施用，可提高化肥利用率， 比单施化肥利用率提高1 5 - 2 0 个百分点( 王汝娟，1 9 9 8 ) 。据有关研究，应用E M 菌液处理有机 废弃物，制成的生物有机堆肥，与传统堆肥相比，其稳产幅度为8 2 1 1 5 ，不但改善了作物 品质，使玉米粗蛋白和粗脂肪的含量提高8 7 - 1 3 9 ( 邹金环等，1 9 9 8 ) ，同时增加了土壤有机 质含量和土壤微生物总量、增加了阳离子代换量、氮、磷、钾等元素的有效性，土壤容重下降， 土壤的缓冲能力和供肥能力提高。 1 3 立题目的 此项研究于1 9 9 3 年l O 月开始，是我国“八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目“无污染 农牧业生产技术及效益研究”课题的一部分。在近十年连续定点定位实验中，基本不用化肥、 农药，应用农业生态工程原理，在农业有机废弃物中加入微生态制剂E M ，制成E M 生物有机 堆肥，在小麦- - t 米两季作物上施用，已连续几年达到年均亩产1 0 0 0 k g 以上的产量水平，并且 表现出逐年增产的趋势。本试验是在前人研究的基础上，结合自己的工作，对十年来定点定位 实验研究的阶段性总结，对E M 生物有机肥促进作物生长和增产的机理作进一步探讨和总结，以 期在我国农业可持续发展中达到如下效果： ( 1 ) 在一定范围内，基本不用化肥、农药，保持较高的作物产量。以利于在农业生产中减少因 化肥和农药过度及不合理使用造成的农业内源性污染。 ( 2 ) 充分利用农业有机废弃物，变废为宝，以求农业生态系统的物质能多层次循环利用，减少 养分损耗和能景散失。 ( 3 ) 生产优质、高效、无污染的农产品。为无公害农产品、绿色食品、有机食品的生产提供有 效、安全的肥源。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章研究方案 2 1 研究目标 第二章研究方案 E M 生物有机肥、传统堆肥、化肥的横向效果比较。 连续十年的定位研究结果作纵向的总结分析。 2 2 研究内容 不同施肥处理的植