1、我國農田土壤肥力演變與培肥及糧食安全徐明崗（中國農業科學院農業資源區劃所）安徽農科院土肥所學術報告2013.9合肥土壤生產力（產量）Contribution fromBasic Soil Fertility地力貢獻率！SoilProductivityEffects of Management:Fertilization,irrigation, .資源利用效率！基礎地力水肥效應地力效應Increasing Soil fertilityCrop Productivity: 提高生產力的2條基本途徑Soil fertility interaction with efficiency of Water

2、and fertilizersIncreasing efficiency ofwater and fertilizersCropyield90Tang and Huang, 2009單季稻早稻晚稻小麥玉米90Tang and Huang, 2009單季稻晚稻小麥水肥貢獻力 基貢 礎獻 地貢 水獻 肥基礎地力貢獻品種和技術相同早稻產量玉米美國中國難以擺脫對大量水肥的依賴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%每公斤養分所增加的糧食(kg/kg)玉米產量(t/ha)耕地質量差，水肥用量大，施肥效益低，環境污染風險大！ 肥料利用率：氮肥30%-35，磷肥10-20，鉀肥45%左右，低于發達國家10-20個百分點。01086420605040302010ChinaChina256USAUSA138 每公斤養分所增產的糧食不及世界的1

4、/2，美國的1/32005年玉米施肥量和產量比較提高耕地質量是節本增效、生態、安全農業生產的重要途徑！因此，提高農田土壤肥力，藏糧于土，是確保我國糧食安全（生態安全、環境安全）的重要基礎和戰略選擇！報告內容1.為什么說提高耕地質量是國家糧食安全的戰略選擇？2.耕地質量培育與有機質提升的技術與原理？3.減肥增效-有機肥替代的技術與原理？4.長期試驗數據整理分析的一些技巧？5. 進一步研究的思考！一、提高耕地質量是國家糧食安全的戰略選擇！貢獻率（%）土壤改良與培肥（良田）是提高我國糧食產能的主攻途徑！？大量數據表明：糧食增產中，土壤肥料技術的貢獻率約占1/3（相當于優良品種）中國糧食安全之根本途徑

5、：良種+良田+良法農業技術對糧食單產提高的貢獻率（1985-2005）（來源：農業部）35302520151050土壤改良培肥優良品種植保與栽培玉米產量(噸/公頃)7.619.56.17.98.854.95.230105151120198019952005高產記錄區試產量實際產量(張世煌 徐志剛，2009)新品種產量潛力不斷擴展，但農田實際產量增長緩慢；玉米高產品種潛力在實際生產中不能得到發揮！?1、我國良田問題凸顯，成為糧食增產主要限制因素！單產提高良種？25玉米最高產量(kg/ha)（河北潮土，高菲2008）僅僅良種不能大面積提高我國糧食單產單產提高良種？玉米最高產量(kg/ha)9477

6、102571304812000100008000600040002000014000低肥力中肥力高肥力高產品種高產田單產（公斤/畝）中低產田單產（公斤/畝）降低幅度超級稻750500-60020%-35%小麥60045025%玉米80060025%相同水/肥/植保等管理措施，中低產田單產水平仍較低僅僅良法也不能大面積提高我國糧食單產(農業部國家耕地質量監測點，2006-2010)單產提高良法？我國不同地力耕地的高產品種單產水平2、僅僅良法也不能大面積提高我國糧食單產！增產途徑增產現狀未來增產潛力良種較多、品種潛力受限較小良法水肥等農資投入巨大中等良田數量少、可改良面積大巨大我國糧食安全主要依賴

7、于提高我國糧食單產；限制我國糧食單產水平的一個重要因素？缺少大面積的良田！提高我國糧食單產的途徑與潛力3、缺少大面積的良田限制我國糧食單產提高！42.76%全國耕地高、中、低地力面積（1996年）26.15%高產田中產田低產田我國人多地少，耕地整體質量低肥力低下、難于農林牧利用的土壤，總面積的1/431.09% 耕地土壤有機質含量低于1%的面積達26%中低產耕地面積大，占2/3中產田7.13 (39%)低產田5.85 (32%)高產田5.3 (28.99%)農業部2008注：數據來源于農業部種植業司2008我國中低產田面積和比例大面積12.9億畝，占耕地總面積的70%全國高中低產田面積（億畝）

8、及比例（% ）全國耕地面積18.28億畝糧食總產量，億斤13000120001100010000900080007000130001200011000100009000800070001985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035年份4、提升耕地質量是糧食安全的戰略途徑耕地繼續減少；人口和糧食需求剛性增長！ 如何在有限的耕地上，實現糧食安全？確保糧食自給，提升耕地質量和單產是唯一選擇！高產：中國農業不懈的追求和夢想！我國糧食總產變化和需求預測Wheatgrainyield(t/ha)5、長期試驗和土壤肥力演變是培肥土壤的理論基礎長期

9、試驗是土壤學研究的重要手段土壤肥力演變與培育是相對緩慢的過程，需要長期試驗才能揭示其規律！國內外大量資料：施肥、輪作、耕作能顯著培肥土壤1098765432101850187519001925195019752000英國洛桑試驗站，1843年開始，已經進行了167年我國長期試驗及其發展？紅壤長期試驗，湖南祁陽（1990-黃土長期試驗，陜西楊凌（1990-長期試驗意義、國外概況長期試驗是野外監測、試驗和研究農田生態環境的重要平臺！土壤學研究的重要手段！國際上100年以上長期試驗25個：11個在英國，5個在美國3個在丹麥，2個在法國，2個在德國，2個在烏克蘭10-100年長期試驗600個長期試驗的

10、時間概念：長期試驗：大于20年的定位試驗！至少在10年以上！大于50年的為珍貴的長期試驗！以英國洛桑試驗站最著名：建于1843年，170年歷史The classical experiments at Rothamsted主要處：N, P, K,Manure，及其組合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年前后開始的化肥網）2. The Chinese National Soil and Fertilizer Long-Term Monitoring Net was set up during “the7th five-year plan” and conduced in 1990（1990年開始的肥力網） 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 圖例 雙季稻區試驗點； 水旱兩熟區試驗點； 旱作兩熟區實驗點 旱作一熟區試驗點全國定位試驗點分布示意圖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農田長期試驗基地！70個長期試驗，10個主要土壤類型；10個主要耕作模式；覆蓋主要糧食作物長期肥料試驗：68個長期輪作試驗：21個長期耕作試驗：12個旱作水旱輪作全國長期試驗基地（農業部、教育部、中科院等）單季水稻雙季旱作二、耕地質量培育與有機質提升的技術與原理Organicmatter(g/kg)OC(g/kg)Organicmatter(g/kg)Organicmatte

15、r(g/kg)R = 0.6917作物產量與土壤有機質之間呈正相關關系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)白散土河南潮土糧食主產區，糧食單產水平與耕地土壤有機質水平密切相關。北方旱區， 0.1%的有機質相當于0.5t/hm2的糧食生產地力而南方稻區0.1%的有機質相當于0.6-0.8 t/hm2的糧食生產地力平均，土壤有機質提高0.1%，糧食產量的穩產性提高10%20%。大量統計結果土壤培肥的主要結論：提高土壤有機質（SOM或SOC）是培育土壤肥力的根本，是保障糧

17、食安全（高產穩產）的根本！“藏糧于土”保證糧食安全！培肥土壤的核心是什么？是提高SOM！如何提高SOM（原理？技術？）農田生態系統碳循環流程圖觀測近20年的典型農田土壤肥料長期試驗站（點）有機碳(g/kg)有機碳（g/kg)祁陽紅壤151050252019901992199419962000200220041998年份CKNPKMNPK1.5NPKM哈爾濱黑土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變化t/ha/yrSOC0=9.49R2 = 0.9555*公主嶺哈爾濱烏魯木齊y = 0.2264x - 0.401112 0 3 6 9 12 0 3 6 9SOC0=6.67SOC0=6.5徐州鄭州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土壤有機碳變化（）旱作土壤碳對系統投入的響應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系統碳投入 （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張掖y = 0.3451x - 0.8038R2 = 0.838*0 3 6 9 12SOC0=8.58祁陽y = 0.1056x - 0.0836R2 = 0.9634*t/ha/yrChangeofSOC祁陽y = 0.1056x - 0.0836R2 = 0.9634*0.01.61.20.80.42.0036912有機碳變化量（）-0.4碳投入 C input （t/ha/yr）投入碳的轉化效率Conversioncoefficient維持投入MaintainC input湖南祁陽旱地

21、SOC對有機碳投入的響應關系6000R = 0.8404*土壤固碳效率的影響因素：水熱條件、土壤性質（質地）y = 3.5332e-0.0009x2n=60.200.4(a)0.62000300040005000土壤固碳效率年活動積溫 (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鄭州潮土SOC對有機碳投入的響應關系Carbon試驗點起始有機碳g/kg最低維持投入 t C/ha農田SOC維持投入維持SOC所需增加的有機肥投入 t/ha/yr鮮豬糞秸稈祁陽遂寧武昌南昌望城8.589.2215.9114.8519.720.80.82.22.51.418162326292.32.05.45.83.6農田SOC培肥(提升）投入試驗起始有機 最低維持 SOC提

23、升10%碳 投入 預計有機碳需投入有機肥t/ha/yr點祁陽遂寧武昌南昌望城(g/kg)8.589.2215.9114.8519.72(tC/ha)0.80.82.22.51.4（g/kg）9.410.117.516.721.7鮮豬糞33.536464860秸稈4.23.38.27.49三、減肥增效-有機肥替代的技術與原理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吉林公主嶺的典型長期試驗Main-treatment(Manure)Sub-treatment (Chemical fertilizer)主區：3個有機肥用量；8個副區：不同化肥組合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試驗處理Split-plot design: three main-treatments (manure) andeight sub-treatments (fertilizers)After 29 years in 2009,Still big differencesfor chemicalfertilizers in Mo PlotMo區化肥之間差異顯著 ！After 29 years in2009, However, nosignificantdifferences forchemical fertilizer

26、sin M2 and M4 PlotsWhen and Why?有機肥區化肥之間沒有顯著差異！化肥無效的時間原因？增產率(%)Incrementofyield（%）增產率(%)Incrementofyield（%）增產率(%)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土壤有機碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)土壤有機碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)土壤有機碳（g/kg）Soilorganiccarbon(g/kg)SOC dynamic under different manure rates3025201510351980198519902000200520101995年份 YearCKNPNNKPPK

28、KNPK3025201510351980198519902000200520101995年份 YearCKNPNNKPPKKNPK3025201510351980198519901995200020052010年份 YearCKNPNNKPPKKNPK增產率(%)Incrementofyield(%)Relationship between yield increment due tofertilizer and SOC250200150100500-50101520253035土壤有機碳 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主要結論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. 當土壤肥力足夠高時，有機肥可以100%替代化肥而保持高產！3) This is very important for Organic Agriculture or OrganicFraming and agri

31、cultural sustainable development!不同肥力土壤上高產的有機肥替代率不同！玉米產量（t/ha）2010864198019851990199520002005201030%NPK+M70%NPK+M100%NPKM通過長期試驗的分析，回答這個科學與技術問題！肥力水平高產的替代率%低肥力20%中肥力50%高肥力70%鄭州潮土長期試驗典型照片同一地點相同投入下，產量變化反映了地力變化！從長期試驗獲得不同地力土壤。玉米產量（t/ha）10864201980198519901995200020052010CK30%NPK+M100%NPKM地力與產量關系圖不同地力土壤上有機

32、肥替代率計算與驗證計算的基本理論：土壤養分釋放量+有機肥養分+化肥養分作物養分需求有機肥可能替代率=1-(土壤養分釋放量-土壤基礎養分供應量）/養分需求量潮土：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：*需要田間驗證！四、長期試驗數據整理分析的一些技巧？如何從常規觀測的大量數據中總結出高質量的論文？一個最長碰到的問題？我做到試驗很基礎、很簡單，就是氮、磷、鉀和產量，沒有分子生物學、高級儀器等設備和指標如何能寫出高質量的論文，特別是英文SCI論文？1. 數據變化特征（2個方面）定性：增加，持平（沒有顯著變

33、化），減少定量？如何全面系統的表征？不僅要注意變化的定性，更注意定量表征及其原因分析，以揭示差異的本質！定量，是論文結果更加明確，更加富有新穎性！例如：有機肥的增產、改土作用？有機質(g/kg)土壤有機質演變規律-總量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處理CKNNPNKPKNPKNPKM1.5NPKMM91-95 平573179433752517

34、5943555345349333387增產（%）0.0213.1489.0339.33.66520.4502.6761.0491.196-00 平11373542469625361.54887542469964017增產（%）0.0-68.9117.2-45.0-68.2329.8377.0515.3253.301-04 平1951061086319748.53130635171043826增產（%）0.0-45.4456.963.8283.81505.33156.93543.11862.3長期施肥玉米產量統計（kg/hm ）Yield Of Maize22. 如何量化數據？變化的絕對量？g/

35、kg, mg/kg, kg/ha,變化的相對量？%變化的速率？（快慢）變化的階段性？（分階段分析和描述）有機碳變化(%)-20100806040200120吉林河南CKNPKNPKM1.5NPKM黑龍江北湖南南從北到南，化肥配施有機肥及其增量的圖土壤有機碳提升效應隨溫度的升高和降水的增加而增大。有機質（g/kg）282624222018161412101990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012403836343230祁陽紅壤有機質的時間演變平均年提升（ g/kg）1.5NPKMNPKM(豆)M 0.55NPKM 0.5

36、0NPKS 0.160.580.52紅壤pH值pHvalueofredsoil4.54.07.06.56.05.55.01990199219941996199820002002200420062008MNPKMCKPKNPKSNPNPKNKN年份/year長期施肥下紅壤pH變化不同施肥下土壤酸化過程：10-12年出現轉折點！施用有機肥能維持或改善土壤酸性！3. 深入探求數量之間的關系？有機質-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變化t/ha/yrSOC0=9.49R2 = 0.9555*公主嶺哈爾濱烏魯木齊y = 0.2264x - 0.401112 0 3 6 9 12 0 3 6 9SOC0=6.67SOC0=6.5徐州鄭州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土壤有機碳變化（）旱作土壤碳對系統投入的響應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系統碳投入 （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張掖y = 0.3451x - 0.8038R2 = 0.838*0 3 6 9 12SOC0=8.58祁陽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施用磷肥的處理，隨施磷年限的延長土壤全磷的積累越來越多.施肥13年, 1.5NPKM土壤全磷已超過開始時的3倍以上，NPK，NPKM處理也大于2倍以上沒有施磷的CK、N處理，全磷下降

40、10%左右土壤有效磷（mg/kg）Available P土壤有效磷變化更明顯CK、N、NK從1990年開始時10.8mg/kg下降到2003年的4mg/kg左右，降幅超過50%。施磷處理土壤速效磷明顯上升，增幅達幾倍到幾十倍，1.5NPKM處理，土壤速效磷含量已達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與Olsen-P關系管理策略評價指標極高較高適宜較低控制維持管理手段(施肥量=作物帶走量的 50-70%)投入=產出(施肥量=作物帶走量的 100%)投入產出(施肥量=作物帶走量的 130-170%)提高投入產出 極低(施肥量=作物

43、帶走量的 200%)不施肥(施肥量=0)投入產出3-5年的監測周期 3-5年的監測周期 3-5年的監測周期根層土壤養分調控下限：保障作物持續穩定高產線根層土壤養分調控上限：環境風險線4. 采用模擬或拐點強化科學性？長期試驗-土壤培肥與磷鉀施用技術環境臨界值農學臨界值建議Olsen-P20 mg/kg土壤磷的效應曲線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

44、 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 15010000900080007000600050004000300020001000-101020304050607010000900080007000600050004000300020001000-10204060801001201403000200010007000600050004000CKNPNPKNPKMNPKS010203040506040002000120001000080006000CKNPNPKNPKMHNKPMNPKS-1鄭州玉米CKNPNPKNPKMNPKS-1陜西楊陵玉米CKNPNPKNPKMNPKSChangPing北京昌平玉米Wulumuqi烏魯木齊玉米典型土壤磷的累積過程、施肥響應、臨界值和