徐明岗-农田土壤肥力演变与培肥

1、我国农田土壤肥力演变与培肥及粮食安全徐明岗（中国农业科学院农业资源区划所）安徽农科院土肥所学术报告2013.9合肥土壤生产力（产量）Contribution fromBasic Soil Fertility地力贡献率！SoilProductivityEffects of Management:Fertilization,irrigation, .资源利用效率！基础地力水肥效应地力效应Increasing Soil fertilityCrop Productivity: 提高生产力的2条基本途径Soil fertility interaction with efficiency of Water

2、and fertilizersIncreasing efficiency ofwater and fertilizersCropyield90Tang and Huang, 2009单季稻早稻晚稻小麦玉米90Tang and Huang, 2009单季稻晚稻小麦水肥贡献力 基贡 础献 地贡 水献 肥基础地力贡献品种和技术相同早稻产量玉米美国中国难以摆脱对大量水肥的依赖Lower Soil Fertility in China土壤肥力低Low SOMIn China, SOM in 26% of arable soil is less than 1% ,which is only 30-50%

3、of European Soils.Requirement:Techniques to increase soil fertility, SOCRegionChinaEuropeBrown earths11.53%Cinnamonsoils1%2%Chernozems3%8%每公斤养分所增加的粮食(kg/kg)玉米产量(t/ha)耕地质量差，水肥用量大，施肥效益低，环境污染风险大！ 肥料利用率：氮肥30%-35，磷肥10-20，钾肥45%左右，低于发达国家10-20个百分点。01086420605040302010ChinaChina256USAUSA138 每公斤养分所增产的粮食不及世界的1

4、/2，美国的1/32005年玉米施肥量和产量比较提高耕地质量是节本增效、生态、安全农业生产的重要途径！因此，提高农田土壤肥力，藏粮于土，是确保我国粮食安全（生态安全、环境安全）的重要基础和战略选择！报告内容1.为什么说提高耕地质量是国家粮食安全的战略选择？2.耕地质量培育与有机质提升的技术与原理？3.减肥增效-有机肥替代的技术与原理？4.长期试验数据整理分析的一些技巧？5. 进一步研究的思考！一、提高耕地质量是国家粮食安全的战略选择！贡献率（%）土壤改良与培肥（良田）是提高我国粮食产能的主攻途径！？大量数据表明：粮食增产中，土壤肥料技术的贡献率约占1/3（相当于优良品种）中国粮食安全之根本途径

5、：良种+良田+良法农业技术对粮食单产提高的贡献率（1985-2005）（来源：农业部）35302520151050土壤改良培肥优良品种植保与栽培玉米产量(吨/公顷)7.619.56.17.98.854.95.230105151120198019952005高产记录区试产量实际产量(张世煌 徐志刚，2009)新品种产量潜力不断扩展，但农田实际产量增长缓慢；玉米高产品种潜力在实际生产中不能得到发挥！?1、我国良田问题凸显，成为粮食增产主要限制因素！单产提高良种？25玉米最高产量(kg/ha)（河北潮土，高菲2008）仅仅良种不能大面积提高我国粮食单产单产提高良种？玉米最高产量(kg/ha)9477

6、102571304812000100008000600040002000014000低肥力中肥力高肥力高产品种高产田单产（公斤/亩）中低产田单产（公斤/亩）降低幅度超级稻750500-60020%-35%小麦60045025%玉米80060025%相同水/肥/植保等管理措施，中低产田单产水平仍较低仅仅良法也不能大面积提高我国粮食单产(农业部国家耕地质量监测点，2006-2010)单产提高良法？我国不同地力耕地的高产品种单产水平2、仅仅良法也不能大面积提高我国粮食单产！增产途径增产现状未来增产潜力良种较多、品种潜力受限较小良法水肥等农资投入巨大中等良田数量少、可改良面积大巨大我国粮食安全主要依赖

7、于提高我国粮食单产；限制我国粮食单产水平的一个重要因素？缺少大面积的良田！提高我国粮食单产的途径与潜力3、缺少大面积的良田限制我国粮食单产提高！42.76%全国耕地高、中、低地力面积（1996年）26.15%高产田中产田低产田我国人多地少，耕地整体质量低肥力低下、难于农林牧利用的土壤，总面积的1/431.09% 耕地土壤有机质含量低于1%的面积达26%中低产耕地面积大，占2/3中产田7.13 (39%)低产田5.85 (32%)高产田5.3 (28.99%)农业部2008注：数据来源于农业部种植业司2008我国中低产田面积和比例大面积12.9亿亩，占耕地总面积的70%全国高中低产田面积（亿亩）

8、及比例（% ）全国耕地面积18.28亿亩粮食总产量，亿斤13000120001100010000900080007000130001200011000100009000800070001985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035年份4、提升耕地质量是粮食安全的战略途径耕地继续减少；人口和粮食需求刚性增长！ 如何在有限的耕地上，实现粮食安全？确保粮食自给，提升耕地质量和单产是唯一选择！高产：中国农业不懈的追求和梦想！我国粮食总产变化和需求预测Wheatgrainyield(t/ha)5、长期试验和土壤肥力演变是培肥土壤的理论基础长期

9、试验是土壤学研究的重要手段土壤肥力演变与培育是相对缓慢的过程，需要长期试验才能揭示其规律！国内外大量资料：施肥、轮作、耕作能显著培肥土壤1098765432101850187519001925195019752000英国洛桑试验站，1843年开始，已经进行了167年我国长期试验及其发展？红壤长期试验，湖南祁阳（1990-黄土长期试验，陕西杨凌（1990-长期试验意义、国外概况长期试验是野外监测、试验和研究农田生态环境的重要平台！土壤学研究的重要手段！国际上100年以上长期试验25个：11个在英国，5个在美国3个在丹麦，2个在法国，2个在德国，2个在乌克兰10-100年长期试验600个长期试验的

10、时间概念：长期试验：大于20年的定位试验！至少在10年以上！大于50年的为珍贵的长期试验！以英国洛桑试验站最著名：建于1843年，170年历史The classical experiments at Rothamsted主要处：N, P, K,Manure，及其组合BroadbalkContinuousWheatExperimentFirst sown 18432013年9月11日Wednesday2013年9月11日WednesdayLTEs In the World 世界第2The 2nd Longest One: Morrow Plots,located in University of

11、 Illinois atChamigan-Urbana, established in1876137-year history, Foundation ofUSA Agri.2013年9月11日WednesdayEffects of Rotation and Fertilization on Crop Productivity andSoil Quality, National Historical LandmarkIn China1. Chemical fertilizer experiment net beganduring “the 6th five-year plan” and con

12、ducedabout in 1980 （1980年前后开始的化肥网）2. The Chinese National Soil and Fertilizer Long-Term Monitoring Net was set up during “the7th five-year plan” and conduced in 1990（1990年开始的肥力网） National long-term fertilizer experiments netFrom 1980, about 80 long-term fertilizer experiments through 22provinces and

13、 10 soil types in China, conducted to investigate theeffect, rate and ratio of N, P and K fertilizers 图例 双季稻区试验点； 水旱两熟区试验点； 旱作两熟区实验点 旱作一熟区试验点全国定位试验点分布示意图Paddy soilNetwork (CSFEN) CSFEN was established in 1990 There are 9 experimental sitesin the network all over ChinaBlack soilGray dessert soilDrab

14、fluvo-aquic soilFluvo-aquic soilPaddy soilLoess soilPurple soilRed soilChina Long-termSoil Fertility Experiment农田长期试验基地！70个长期试验，10个主要土壤类型；10个主要耕作模式；覆盖主要粮食作物长期肥料试验：68个长期轮作试验：21个长期耕作试验：12个旱作水旱轮作全国长期试验基地（农业部、教育部、中科院等）单季水稻双季旱作二、耕地质量培育与有机质提升的技术与原理Organicmatter(g/kg)OC(g/kg)Organicmatter(g/kg)Organicmatte

15、r(g/kg)R = 0.6917作物产量与土壤有机质之间呈正相关关系y = 8E-05x + 8.1621R2 = 0.5658.58.010.07000110001500019000Crop yield (wheat+corn) (kg/ha)灰潮土y = 0.8909Ln(x) + 1.4013R2 = 0.99687615141312111090100020003000400050006000Wheat yield (kg/ha)1/2OMOMCFy = 3.5361Ln(x) - 16.08721514191817167000110001500019000C rop yield (w

16、heat+corn) (kg/ha)砂姜黑土y = 1.4992Ln(x) - 4.3345R2 = 0.7167989.5109.0117000110001500019000Crop yield (wheat+corn) (kg/ha)白散土河南潮土粮食主产区，粮食单产水平与耕地土壤有机质水平密切相关。北方旱区， 0.1%的有机质相当于0.5t/hm2的粮食生产地力而南方稻区0.1%的有机质相当于0.6-0.8 t/hm2的粮食生产地力平均，土壤有机质提高0.1%，粮食产量的稳产性提高10%20%。大量统计结果土壤培肥的主要结论：提高土壤有机质（SOM或SOC）是培育土壤肥力的根本，是保障粮

17、食安全（高产稳产）的根本！“藏粮于土”保证粮食安全！培肥土壤的核心是什么？是提高SOM！如何提高SOM（原理？技术？）农田生态系统碳循环流程图观测近20年的典型农田土壤肥料长期试验站（点）有机碳(g/kg)有机碳（g/kg)祁阳红壤151050252019901992199419962000200220041998年份CKNPKMNPK1.5NPKM哈尔滨黑土50201510197919841989199419992004年份CKNPKNPKMSOCcontentg/kg202010614(b) Xinjiang2622185101586(c) Gansu1412105101520251061

18、4(a) Jinlin26221851015CKNPKMNPKNPKSFertilization time (yr)（ 107）40(d) Beijing130510152010740(e) Henan13051015107420 0(f) Jiangsu130510152025SOC change in upland旱地土壤SOC变化t/ha/yrSOC0=9.49R2 = 0.9555*公主岭哈尔滨乌鲁木齐y = 0.2264x - 0.401112 0 3 6 9 12 0 3 6 9SOC0=6.67SOC0=6.5徐州郑州1.61.20.80.0036912y = 0.1921x -

19、 0.53191.2 R2 = 0.961* 1.22.0 2.00.8 0.80.4 0.40.0 0.0-0.4 -0.4土壤有机碳变化（）旱作土壤碳对系统投入的响应2.01.61.20.80.40.0-0.402.41.81.20.60.0-0.60.0-0.40.4036R2 = 0.9837* R2 = 0.9743*0.42.01.6y = 0.1x - 0.2149 1.2 y = 0.0811x - 0.1710.80.4122.01.61.20.80.009 12 -0.4-0.4系统碳投入 （t/ha/yr）36912SOC0=15.43 1.6 SOC0=13.051.6

20、 y = 0.2142x - 0.4188R2 = 0.9348*3 6 92.0SOC0=11.54张掖y = 0.3451x - 0.8038R2 = 0.838*0 3 6 9 12SOC0=8.58祁阳y = 0.1056x - 0.0836R2 = 0.9634*t/ha/yrChangeofSOC祁阳y = 0.1056x - 0.0836R2 = 0.9634*0.01.61.20.80.42.0036912有机碳变化量（）-0.4碳投入 C input （t/ha/yr）投入碳的转化效率Conversioncoefficient维持投入MaintainC input湖南祁阳旱地

21、SOC对有机碳投入的响应关系6000R = 0.8404*土壤固碳效率的影响因素：水热条件、土壤性质（质地）y = 3.5332e-0.0009x2n=60.200.4(a)0.62000300040005000土壤固碳效率年活动积温 (C)y = 0.4599e-0.0025xR2 = 0.8401*n=60.200.4(b)0.60200400600800年降雨量 (mm)(c)y = 0.0559e0.0413xR2 = 0.50560.200.40.61000010203040土壤粘粒含量(%)ChangeofSOC(t/ha/yr)Henany = 0.0685x - 0.143R2

22、 = 0.9638*n=7p0.010.80.40.0-0.41.22.01.6036912C input （t/ha/yr）ConversioncoefficientMaintainingC input1.86t/ha/y郑州潮土SOC对有机碳投入的响应关系Carbon试验点起始有机碳g/kg最低维持投入 t C/ha农田SOC维持投入维持SOC所需增加的有机肥投入 t/ha/yr鲜猪粪秸秆祁阳遂宁武昌南昌望城8.589.2215.9114.8519.720.80.82.22.51.418162326292.32.05.45.83.6农田SOC培肥(提升）投入试验起始有机 最低维持 SOC提

23、升10%碳 投入 预计有机碳需投入有机肥t/ha/yr点祁阳遂宁武昌南昌望城(g/kg)8.589.2215.9114.8519.72(tC/ha)0.80.82.22.51.4（g/kg）9.410.117.516.721.7鲜猪粪33.536464860秸秆4.23.38.27.49三、减肥增效-有机肥替代的技术与原理Long-term experiment siteThe selected long-term field experiment：located in Gongzhuling city, Jilin province,started in 1980 Cropping syst

24、em：rainfed continuous corn Soil type：black soil吉林公主岭的典型长期试验Main-treatment(Manure)Sub-treatment (Chemical fertilizer)主区：3个有机肥用量；8个副区：不同化肥组合M0M2M4CKCKCKNNNPPPKKKNPNPNPNKNKNKPKPKPKNPKNPKNPKApplication rateManureM0 0 m3/ha (no manure)M2 -30 m3/haM4 -60 m3/haChemical fertilizerPure N - 150 kg/haP2O5 - 75

25、 kg/haK2O - 75 kg/haExperimental design试验处理Split-plot design: three main-treatments (manure) andeight sub-treatments (fertilizers)After 29 years in 2009,Still big differencesfor chemicalfertilizers in Mo PlotMo区化肥之间差异显著 ！After 29 years in2009, However, nosignificantdifferences forchemical fertilizer

26、sin M2 and M4 PlotsWhen and Why?有机肥区化肥之间没有显著差异！化肥无效的时间原因？增产率(%)Incrementofyield（%）增产率(%)Incrementofyield（%）增产率(%)Incrementofyield（%）Dynamic of yield increment due to fertilizerunder different manure rates150100500-502502001980198519902000200520101995年份 YearNPNNKPPKKNPK50250-25-5010075198019851990200

27、0200520101995年份 YearNPNNKPPKKNPK7550250-25-501001980198519902000200520101995年份 YearNPNNKPPKKNPKM0M2M4土壤有机碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)土壤有机碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)土壤有机碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)SOC dynamic under different manure rates3025201510351980198519902000200520101995年份 YearCKNPNNKPPK

28、KNPK3025201510351980198519902000200520101995年份 YearCKNPNNKPPKKNPK3025201510351980198519901995200020052010年份 YearCKNPNNKPPKKNPK增产率(%)Incrementofyield(%)Relationship between yield increment due tofertilizer and SOC250200150100500-50101520253035土壤有机碳 Soil organic carbon (g/kg)y1 = -30.14x + 543.64R2 =

29、0.3745*SOC=17.6g/kgSOM=30.3g/kgy2 = -1.6295x + 43.034R2 = 0.1596*Major Conclusions主要结论1) When the SOM content reached to 30 g/kg，the chemicalfertilizer can be completely replaced with the manure forachieving the expected high yield!2) The results obtained from 160-yr Roth experimental stationshow th

30、at proper chemical fertilizer application can maintainhigh yield. However, our results indicate that manure alone canalso produce the equivalent high yield when the soil fertility ishigh enough. 当土壤肥力足够高时，有机肥可以100%替代化肥而保持高产！3) This is very important for Organic Agriculture or OrganicFraming and agri

31、cultural sustainable development!不同肥力土壤上高产的有机肥替代率不同！玉米产量（t/ha）2010864198019851990199520002005201030%NPK+M70%NPK+M100%NPKM通过长期试验的分析，回答这个科学与技术问题！肥力水平高产的替代率%低肥力20%中肥力50%高肥力70%郑州潮土长期试验典型照片同一地点相同投入下，产量变化反映了地力变化！从长期试验获得不同地力土壤。玉米产量（t/ha）10864201980198519901995200020052010CK30%NPK+M100%NPKM地力与产量关系图不同地力土壤上有机

32、肥替代率计算与验证计算的基本理论：土壤养分释放量+有机肥养分+化肥养分作物养分需求有机肥可能替代率=1-(土壤养分释放量-土壤基础养分供应量）/养分需求量潮土：低肥力：SOM 10 g/kg；替代率：*中肥力： SOM 11-15 g/kg；替代率：*高肥力： SOM 16 g/kg；替代率：*需要田间验证！四、长期试验数据整理分析的一些技巧？如何从常规观测的大量数据中总结出高质量的论文？一个最长碰到的问题？我做到试验很基础、很简单，就是氮、磷、钾和产量，没有分子生物学、高级仪器等设备和指标如何能写出高质量的论文，特别是英文SCI论文？1. 数据变化特征（2个方面）定性：增加，持平（没有显著变

33、化），减少定量？如何全面系统的表征？不仅要注意变化的定性，更注意定量表征及其原因分析，以揭示差异的本质！定量，是论文结果更加明确，更加富有新颖性！例如：有机肥的增产、改土作用？有机质(g/kg)土壤有机质演变规律-总量53001991 1992 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003年份CKNNPNPKNPKMM增加幅度：CK 23%; NPK 78%, NPKS 95%;NPKM/M, 110%; 1.5NPKM 160%25201510处理CKNNPNKPKNPKNPKM1.5NPKMM91-95 平573179433752517

34、5943555345349333387增产（%）0.0213.1489.0339.33.66520.4502.6761.0491.196-00 平11373542469625361.54887542469964017增产（%）0.0-68.9117.2-45.0-68.2329.8377.0515.3253.301-04 平1951061086319748.53130635171043826增产（%）0.0-45.4456.963.8283.81505.33156.93543.11862.3长期施肥玉米产量统计（kg/hm ）Yield Of Maize22. 如何量化数据？变化的绝对量？g/

35、kg, mg/kg, kg/ha,变化的相对量？%变化的速率？（快慢）变化的阶段性？（分阶段分析和描述）有机碳变化(%)-20100806040200120吉林河南CKNPKNPKM1.5NPKM黑龙江北湖南南从北到南，化肥配施有机肥及其增量的图土壤有机碳提升效应随温度的升高和降水的增加而增大。有机质（g/kg）282624222018161412101990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012403836343230祁阳红壤有机质的时间演变平均年提升（ g/kg）1.5NPKMNPKM(豆)M 0.55NPKM 0.5

36、0NPKS 0.160.580.52红壤pH值pHvalueofredsoil4.54.07.06.56.05.55.01990199219941996199820002002200420062008MNPKMCKPKNPKSNPNPKNKN年份/year长期施肥下红壤pH变化不同施肥下土壤酸化过程：10-12年出现转折点！施用有机肥能维持或改善土壤酸性！3. 深入探求数量之间的关系？有机质-碳投入全磷-有效磷SOCcontentg/kg202010614(b) Xinjiang2622185101586(c) Gansu14121051015202510614(a) Jinlin262218

37、51015CKNPKMNPKNPKSFertilization time (yr)（ 107）40(d) Beijing130510152010740(e) Henan13051015107420 0(f) Jiangsu130510152025SOC change in upland旱地土壤SOC变化t/ha/yrSOC0=9.49R2 = 0.9555*公主岭哈尔滨乌鲁木齐y = 0.2264x - 0.401112 0 3 6 9 12 0 3 6 9SOC0=6.67SOC0=6.5徐州郑州1.61.20.80.0036912y = 0.1921x - 0.53191.2 R2 = 0

38、.961* 1.22.0 2.00.8 0.80.4 0.40.0 0.0-0.4 -0.4土壤有机碳变化（）旱作土壤碳对系统投入的响应2.01.61.20.80.40.0-0.402.41.81.20.60.0-0.60.0-0.40.4036R2 = 0.9837* R2 = 0.9743*0.42.01.6y = 0.1x - 0.2149 1.2 y = 0.0811x - 0.1710.80.4122.01.61.20.80.009 12 -0.4-0.4系统碳投入 （t/ha/yr）36912SOC0=15.43 1.6 SOC0=13.051.6 y = 0.2142x - 0.

39、4188R2 = 0.9348*3 6 92.0SOC0=11.54张掖y = 0.3451x - 0.8038R2 = 0.838*0 3 6 9 12SOC0=8.58祁阳y = 0.1056x - 0.0836R2 = 0.9634*土壤全磷（P2O5,g/kg）Total P3.503.002.502.001.501.004.00199019931996199920022005年份CKNNPNPKMNPKM施用磷肥的处理，随施磷年限的延长土壤全磷的积累越来越多.施肥13年, 1.5NPKM土壤全磷已超过开始时的3倍以上，NPK，NPKM处理也大于2倍以上没有施磷的CK、N处理，全磷下降

40、10%左右土壤有效磷（mg/kg）Available P土壤有效磷变化更明显CK、N、NK从1990年开始时10.8mg/kg下降到2003年的4mg/kg左右，降幅超过50%。施磷处理土壤速效磷明显上升，增幅达几倍到几十倍，1.5NPKM处理，土壤速效磷含量已达155.2 mg/kg12080400160198919921995199820012004年份CKNNPNPKNPKMMOlsen-P(mgkg-1)Olsen-P(mgkg-1)Olsen-P(mgkg-1)Olsen-P(mgkg-1)Olsen-P(mgkg-1)Olsen-P(mgkg-1)NPy = 0.067x - 5.

41、3037R2 = 0.550*200-204010080600200400600800P surplus (kg ha-1 )cPKy = 0.059x - 7.54R2 = 0.599*200-2040100806005001000P surplus (kg ha-1 )NPKy = 0.062x + 0.609R2 = 0.436*200-204010080600200400600800P surplus (kg ha-1 )NPKS806040200-201000800y = 0.050 x + 5.13R2 = 0.375*200 400 600P surplus (kg ha-1 )

42、M250200150100500-503000800y = 0.306x - 40.6R2 = 0.870*200 400 600P surplus (kg ha-1 )NPKM250200150100500-503000y = 0.220 x - 23.9R2 = 0.744*500 1000 1500P surplus (kg ha-1 ) 不同施肥下土壤磷盈余与Olsen-P关系管理策略评价指标极高较高适宜较低控制维持管理手段(施肥量=作物带走量的 50-70%)投入=产出(施肥量=作物带走量的 100%)投入产出(施肥量=作物带走量的 130-170%)提高投入产出 极低(施肥量=作物

43、带走量的 200%)不施肥(施肥量=0)投入产出3-5年的监测周期 3-5年的监测周期 3-5年的监测周期根层土壤养分调控下限：保障作物持续稳定高产线根层土壤养分调控上限：环境风险线4. 采用模拟或拐点强化科学性？长期试验-土壤培肥与磷钾施用技术环境临界值农学临界值建议Olsen-P20 mg/kg土壤磷的效应曲线Grainyield(kgha)Grainyield(kgha)-1-1Grainyield(kgha)-1Grainyield(kgha)-1Olsen-P (mg kg )Olsen-P (mg ha )Olsen-P (mg kg )Olsen-P (mg kg )010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 15010000900080007000600050004000300020001000-101020304050607010000900080007000600050004000300020001000-10204060801001201403000200010007000600050004000CKNPNPKNPKMNPKS010