讲座2-土壤肥力与养分循

土壤肥力与养分循环研究发展战略 1 机遇和挑战 1 1任务和战略地位1 1 1任务 1 研究 地力常新壮 的科学基础 确保土壤资源的可持续利用 2 研究实现作物优质高产的土壤养分之物理 化学和生物学过程及养分高效利用的调控机制 保障国家粮食安全 3 研究土壤养分向环境迁移的过程与驱动因素 保障生态环境安全 1 1 2战略地位 1 提高农田土壤肥力是保障粮食安全的长期需求 由于我国人口基数大 数量的持续增长和人民生活水平的不断提高必然会带来对农产品需求量的增加 据测算 要在稳定解决温饱的基础上 满足城乡居民食品多样化的消费需求 今后30年内粮食年生产能力要增加1 5 2亿t 粮食单产必须以年均1 4 以上的速度递增 因此 提升农业综合生产能力 实现粮食稳定增产和保障国家粮食安全是我国农业当前及今后相当长时期的重大任务 土壤肥力是限制粮食生产潜力的主要因素 因此 不断提高农田土壤肥力是保障国家粮食安全的基础 2 强化对土壤肥力与养分循环的研究是保障国家生态环境安全和可持续发展的需要 过去50多年我国农业发展走的是一条主要依靠大量外部养分 水分等物质投入的资源消耗型道路 我们在短短的20多年时间里成为全球最大的化肥消费国 但化肥施用过程中的浪费及其因此造成的环境问题也是国际上少见的 1 2土壤学 土壤肥力与养分循环方向 发展趋势1 2 2发展趋势 1 植物营养元素的供应能力仍然足土壤肥力研究的核心 而协调 同步 养分供应和植物养分需求将是提高生产力和资源利用效率 减少环境污染的主要手段 张福锁等 2006 2 土壤肥力和养分循环研究的学科综合性和交叉性将更加突出 通过综合的土壤 养分 水分和作物管理研究以提高作物生产力 优化养分循环过程 提高资源利用效率 维持或提高土壤肥力 保护生态环境是土壤肥力和养分循环研究发展的总趋势 3 土壤肥力的演变及其与生态环境之间的相互关系将是土壤肥力与养分循环研究的热点 一方面指土壤肥力的演变 退化或提高 对生态环境 大气和水体 的影响 另一方面指全球变化对土壤肥力演变的影响 Matson等 1997 4 微生物分子生态学技术的发展将为土壤肥力形成和提高的基础理论研究提供手段 土壤生物学与分子生物学技术的融合 已经成为土壤学过程研究的潮流之一 在今后5 10年内 这种融合必将成为土壤生物多样性与植物一土壤系统中有机碳 氮 磷 硫等转化与循环过程及其与土壤生态系统稳定性和土壤生产力可持续性关系研究的国际新热点 并将带来一系列认识上的突破 5 根际生物互作过程对土壤肥力形成及其对生态系统养分循环的影响将更加受到关注 对根际过程的深入研究将进一步揭示土壤养分生物有效化的机制 并将促使根际调控或根际管理真正走向应用 张福锁等 1998 2006 6 对农田生态系统养分循环的研究将更多地集中在养分向大气和水体环境迁移的机制及其阻控途径 其中 田间原位测定新方法及其与模型技术的结合将成为研究的热点 张福锁等 2006 1 2 3我国土壤肥力与养分循环研究进展20世纪七八十年代进行的全国第二次土壤普查工作是我国土壤肥力研究历史上最大规模的一次行动 土壤普查的成果全面揭示了我国土壤肥力的现状 建国以来对土壤氮素的研究工作表明 在我国土壤条件下 作物吸收的氮素有50 70 来源于土壤 15N同位素示踪法在研究土壤氮素的转化 氮素的利用率上得到广泛应用 根据20世纪70年代和80年代全国的试验结果 各种氮肥品种的氮肥利用率均不高 硫铵为30 42 7 尿素为30 35 碳铵为24 31 近年来在部分高产地区的研究结果表明 氮肥利用率往往低于20 而造成氮肥损失的机制主要是氨挥发 淋洗和反硝化 我国磷肥的当季作物利用率只有10 25 20世纪70年代中期是我国农田土壤磷平衡由亏缺变为赢余的转折点 自20世纪80年代土壤磷的分级方法在我国得到应用以来 我国对不同地区土壤土磷肥施用后的转化过程开展了大量的研究工作 结果表明 pH值较低 高岭石和氧化物含量较高的酸性土壤对磷的固定作用较强 石灰性土壤虽然对磷也有较强的固定作用 但这两类土壤的固磷机制却不同 自20世纪70年代初开始 我国部分土壤缺钾问题开始出现 近30年来 我国对土壤钾素方面的研究基本上掌握了不同土壤类型钾素含量状况和分布规律以及钾素的释放与固定机制 研究了钾肥对作物产量 品质和抗逆性的影响 钾肥的施用条件和钾肥配方施肥技术等 此外 对缓效钾的释放 原生矿物钾的释放以及土壤粘土矿物对钾的固定及影响条件等也开展了一些研究 从20世纪50年代开始 对缺乏微量元素的土壤进行了分区 到20世纪80年代兴起了对土壤微量元素研究和微肥施用的热潮 通过对大量的土壤样品的分析 基本弄清了我国土壤的微量元素含量范围 根据我国主要土类的成土母质和土壤微量元素的相互关系编制了有效态微量元素的分布概图 发现我国北方石灰性土壤土许多农作物对锰肥和锌肥有良好的反应 在南方酸性土壤上许多农作物对硼肥有良好的反应 豆科作物一般对钼肥有良好反应 20世纪70年代末开始 我国各地相继建立了一批长期定位试验 在非常困难的条件下 部分试验一直坚持至今 这些长期定位试验尽管年限还不算长 但对揭示我国近三十年来人为措施的改变对土壤肥力的影响等发挥了重要的作用 20世纪90年代以来 施肥造成的环境问题日益突出 我国在土壤肥力与养分循环方面的研究出现了新的变化 主要体现在 1 加强了氮肥去向及其环境效应的研究工作 在施肥领域开始注意到高产与环境保护的协调问题 2 开始重视通过生物学途径提高养分资源利用效率的问题 在根际过程的研究 特别是在磷和微量元素的根际过程与高效利用方面取得了显著的进展 3 随着对全球变化的关注 近年来开始了土壤作为大气C02的汇的定量化研究工作 1 3新形势下土壤学 土壤肥力与养分循环方向 面临的挑战和机遇1 3 1我国社会 经济发展对土壤学 土壤肥力与养分循环方向 的要求 我国在2030年人口将达到高峰 粮食供需矛盾将越来越突出 当前土壤肥力已越来越成为除了水资源之外的关键性粮食安全保障制约因素 这是因为 粮食作物从目前的普遍中产水平向高产 兼稳产 攀升时 土壤肥力必然成为难以逾越的障碍 占总耕地面积约65 的中 低产田中 有近40 是属于所谓的 瘠薄地 大部分粮田实际上是在依靠大量施用化肥维持产量水平 欲全面均衡增产 超高产和稳产 关键之一是大幅度提高土壤肥力 1 3 2我国环境建设对土壤学 土壤肥力与养分循环方向 的要求当前我国农业和农村面源污染日趋严重 与化肥的超量使用和集约化畜牧业的快速发展有着直接的关系 全国七大重点流域尤其是 三湖 水体的严重富营养化 与氮 磷等养分的超量排放有密切的关系 我国今后对耕地使用及畜牧水产业的集约化程度还将继续大幅度的提高 如不采取有力措施 我国在面源污染上可能会重蹈发达国家的覆辙 到目前为止 农业的集约化与生态环境安全的协调仍是国际科技界的难题 Cassman等 2003 沉重的资源环境压力使我国农田生态系统生产力持续提高的难度越来越大 迫使我国必须走出一条国际上未曾有的新路 那就是在农田生态系统生产力持续提高的同时 实现资源高效利用和环境保护目标的协调 1 3 3国际环境对我国土壤学 土壤肥力与养分循环方向 的要求2005年2月 京都议定书 获得占1990年全球温室气体排放量55 以上的100多个国家和地区的批准 具备了国际法效力 它规定在2008年至2012年间 发达国家的二氧化碳等6种温室气体的排放量将在1990年的基础上平均减少5 2 从总量上看 目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二 甲烷 氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列 1990 2001年 我国二氧化碳排放量净增8 23亿t 占世界同期增加量的27 预计到2020年 排放量要在2000年的基础上增加1 32倍 这个增量要比全世界在1990年到2001年的总排放增量还要大 预测表明 到2025年前后 我国的二氧化碳排放总量很可能超过美国 居世界第一位 农业土壤既是温室效应气体重要的源 又可以成为温室效应气体重要的汇 我国土壤肥力提高过程中对大气C02固定的贡献如何 如何定量评价我国农田施肥造成的N20排放 有效的阻控措施是什么 这些 都是要求 土壤肥力与养分循环方向 需要回答的重大科学问题 1 3 4我国土壤学 土壤肥力与养分循环方向 发展与国际先进水平的优势与差距目前 与国际先进水平相比 我国土壤肥力与养分循环研究只在少数几个领域具有优势 而整体上相比有较大的差距 主要的优势表现在 1 通过对根际过程的深入研究 揭示生物主导的土壤养分有效化过程及其机理 为挖掘植物和微生物的生物学潜力 提高养分资源利用效率提供了理论依据和技术突破口 国内数个小组在磷和微量元素的根际过程与高效利用方面取得的进展 已得到国际上的广泛认可 2 在南方稻田和北方旱地氮肥去向及其环境效应方面 中国科学院南京土壤研究所和中国农业大学等单位通过多种先进测定方法的引进和国际合作 已基本明确了我国农田氮素主要损失途径 并提出了一些有效的阻控措施 2004年10月在中国南京进行的第三届国际氮大会对此进行了肯定 3 在旱地作物养分管理方面 提出了根据作物养分需求 对作物根层土壤有效养分进行动态监控 以实现产量目标和环境目标的协调 与国际上同类研究基本同步 主要差距体现在 1 在土壤肥力的形成 维持与提高的基础理论研究方面严重滞后 因此 在过去主要依靠施用农家肥提高土壤肥力的措施由于社会 经济发展的原因难以继续发挥作用以后 没有形成新的理论和技术以指导土壤肥力的维持和提高 2 在土壤 植物 大气碳的循环 特别是受植物和微生物因素驱动的土壤碳转化过程及其对土壤肥力和生态环境的影响方面 国内的研究工作存在明显的不足 3 在农田生态系统氮 磷的循环 转化过程 特别是氮 磷的生物有效化过程及氮 磷向水体和氮向大气迁移的机制方面 研究手段还比较落后 因此影响了提高氮 磷养分资源利用效率 减少环境污染的调控技术创新 4 在协调作物高产 资源高效和环境保护的养分资源综合管理方面 我国存在紧迫的需求 而如何在基础理论研究取得进展的基础上 在不同生态区域 不同种植体系中得以实现 还需要更多的探索 2 土壤学 土壤肥力与养分循环方向 未来5 10年优先资助的重要方向与科学问题 2 1土壤学 土壤肥力与养分循环方向 的研究工作必须集中在以下两个方面 1 如何通过土壤肥力与养分循环的研究 理解和认识土壤肥力与养分循环过程及其机制 通过合理调控 满足高产 优质的作物养分需求 并保持土壤肥力的长期稳定与提高 确保粮食安全目标的实现 2 如何通过土壤肥力与养分循环的研究 理解和认识养分在土壤圈 生物圈 水圈和大气圈的迁移及其驱动机制 通过合理调控 在实现粮食安全目标的前提下 保障生态环境安全 2 2国际前沿 1 土壤有机质既是土壤肥力的重要指标 又是土壤 植物 大气碳循环的重要一环 以往的大多数工作只重视有机肥施用或保护性耕作等外部调控措施对土壤有机质的影响 对内源性有机物 如根分泌物 根脱落物 根茬等 向土壤中输入碳以及与土壤有机碳库形成过程中的作用与机制研究甚少 将国际上最先进的微生物分子生态学技术应用于土壤碳转化过程研究 有可能在土壤有机质的形成机理方面获得突破性进展 Rasmussen等 1998 Cassman等 2003 2 土壤氮素转化既关系到作物的氮素供应 又关系到氮肥的环境效应 深入研究氮素转化的生物学机制 通过合理调控措施使根层土壤氮素供应与作物氮素需求同步 定量化大气氮素沉降向土壤的输入与土壤氮素向水体和大气的迁移及其影响因素 均是国际上氮素研究工作的热点领域 张福锁等 2006 3 对根际过程的深入理解是提高养分资源利用效率的基础 生物技术的迅猛发展为根际过程研究提供了新的手段和途径 在揭示根际过程的基础上 研究通过根际调控提高养分资源利用效率的新途径 即 根际管理 或 根际调控 是国际上目前进展最快的研究领域之一 Zhang等 2004 4 如何通过农田生态系统的综合调控 实现农田生态系统生产力和资源利用效率协同提高 是全球农业可持续发展的重大科学命题 迫于粮食安全和资源环境安全的双重压力 我国必须率先走出一条以资源高效利用和环境保护为基础的作物生产力持续提高的道路 因此 必须进行土壤学 农学 生态学等多学科的结合 张福锁等 2003 2006 2 3重点资助方向与科学问题2 3 1作物生产力提高所驱动的土壤有机质增加的机制研究我国近二十多年来的农业实践表明 随着农田生态系统生产力的不断提高 进入系统中的碳显著增加 但这种增加是否一定会使土壤有机质得到提高 尚缺乏研究 主要研究内容包括 1 农田生态系统内源有机碳转化途径及其关键微生物群落与功能 2 影响有机碳转化的环境因素与调控机制 3 土壤有机质提高对高生产力条件下生态系统稳定性的影响机制 4 作物生产力提高驱动的土壤有机质提高及其对大气C02固持的贡献 2 3 2土壤氮素循环及其调控机制研究鉴于土壤氮素循环对作物生产力和环境安全的重要性 也由于生物参与的土壤氮素循环过程与机制的复杂性 尽管在这一领域国内外已开展了大量的研究工作 但它仍然是未来很长时间内科学研究的热点 主要研究内容包括 1 农田土壤氮素转化的微生物学过程及其机制 2 土壤碳氮共济的关键微生物过程 制约条件及潜力 3 氮素从土壤圈向大气圈和水圈的迁移及其阻控机制 4 大气沉降对土壤氮素输入及作物氮素利用的影响 5 豆科作物轮作或间作对土壤氮循环和氮素供应的作用 6 高产 优质与环境保护多目标协调的农田氮素调控机制与途径 2 3 3根际过程与养分资源高效利用机制研究挖掘