中国土壤养分与植物营养状况的历史演变与研究进展

中国土壤养分与植物营养状况的历史演变与研究进展

近50年来，中国的农业生产取得了显著成就，特别是占世界7%的耕地得到了恢复，占世界22%的人口翻了一番。粮食产量和产量效应显著提高。人均粮食产量和肉类产量超过了世界平均水平，其中化肥养分的投资起着重要作用。目前,我国化肥产量已突破5000万吨(纯养分),氮肥总产占全球的35%,磷肥总产占全球的27%,成为名副其实的世界化肥第一生产和消费大国。然而,当前我国农业生产面临着增肥不增产、土壤养分过量累积、化肥施用过量和养分利用效率下降等重大问题。中国植物营养科学研究必须在跟踪国际科学前沿的同时,紧密结合中国农业生产实际,探索理论与实践相结合的中国植物营养学发展道路。本文综述了中国土壤与植物营养状况的历史演变和研究进展,着重讨论了中国植物营养科学研究如何才能针对国情通过大幅度提高养分效率和作物产量为农业可持续发展做出应有的贡献。1立地条件对土壤养分的影响20世纪80年代,我国耕地主要土壤养分表现为大面积缺乏,部分土壤养分表现为全面缺乏,其中占我国总耕地面积78%的耕地为中低产田(席承藩,1998)。依据第二次土壤普查结果,我国40%的旱地土壤全氮含量低于0.75g.kg-1;30%的耕地土壤有机质含量低于1%;50%的耕地土壤速效磷含量低于5mg.kg-1,除黑龙江省以外,几乎所有省市都有50%耕地面积的土壤速效磷含量低于10mg.kg-1。在砖红壤、赤红壤,红、黄壤以及水稻土和灰潮土等地区,土壤则表现为缺钾或严重缺钾,而北方的棕壤、褐土区、暗棕壤、黑土和黑钙土等地区的土壤供钾能力较强。经过20多年的化肥施用和土壤培肥,特别是部分地区的高量施肥,我国耕地土壤全量养分稳步上升,速效养分明显增加,部分速效养分含量已表现为过量累积。与第二次土壤普查结果相比,当前我国华北、华东、华中和西北地区耕地土壤有机质和全氮含量稳中有升,西南地区有升有降,而东北地区有所下降。如近20年来占中国大陆农田面积53%-59%的土壤有机碳含量呈增长趋势,30%-31%呈下降趋势,4%-6%基本持平(黄耀和孙文娟,2006)。1998-2004年间河北省全省土壤有机质含量平均增加21%,全氮含量平均增加4%(刘克桐,2005)。甘肃省5064个耕层监测土样化验分析表明,1998年全省土壤全氮平均含量为0.92g.kg-1,较1983年时的0.80g.kg-1增加了0.12g.kg-1,增幅15%(张树清和孙小凤,2006)。福建省主要耕地土壤的养分动态变化趋势也表现为有机质、全氮含量略有上升(周琼华,2006)。而东北黑土区近20年来土壤有机质含量平均下降了1.43%-4.12%,年下降率为0.06%-1.48%(赵军等,2006)。辽宁省20年间土壤有机质含量年递减率约为0.06%(陈洪斌等,2003)。徐艳(1)结合第二次土壤普查资料研究了当前我国潮土区和黑土区的土壤有机质时空变化特征,结果表明潮土区土壤有机质含量呈现提高的趋势,而黑土区土壤有机质含量则呈现降低的趋势,这与耕作制度,尤其是施肥管理水平等人为因素有密切的关系。20多年来,我国各区耕地土壤速效磷含量呈显著的增加趋势,部分经济作物耕层土壤速效磷含量表现为过量累积。谢如林和谭宏伟(2001)根据我国1365个耕地土壤和168个菜园土壤的速效磷含量分析发现,我国农田土壤速效磷含量一直呈上升趋势,有效磷含量低于5mg.kg-1的土壤面积大幅度减少;5-10mg.kg-1和大于40mg.kg-1的土壤面积略有增加;面积增加最多的土壤有效磷含量范围集中在10-40mg.kg-1之间,即中低肥力土壤仍占很大比例,但高磷土壤已开始出现,且有逐渐增加的趋势。一些调查结果也表明,经济作物耕层土壤速效磷含量已表现出明显累积趋势,如北方蔬菜田平均土壤速效磷含量是一般耕地土壤的2-14倍,高达171mg.kg-1(刘建玲等,2000);西北温室表层土壤(0-20cm)有效磷的平均含量高达223mg.kg-1(唐莉莉等,2006);福建蔬菜地0-20cm土壤有效磷含量变化范围为16-162mg.kg-1,平均为82mg.kg-1,其中有效磷含量>60mg.kg-1的土壤样品占70%(杨锋等,2006)。曹宁(2)对我国几个主要农区的长期定位试验结果分析表明,土壤磷盈余是我国土壤有效磷含量变化的主要驱动力,根据土壤收支平衡和有效磷消长关系预测,从1980到2003年间我国农田土壤有效磷含量增长约为19mg.kg-1。我国部分耕地土壤有效钾水平有所下降,其中以东北地区下降最为明显,如辽宁省20年间土壤有效钾含量年递减率约为1.27%,平均下降20.6mg.kg-1(陈洪斌等,2003)。韩秉进等(2007)的调查结果表明东北地区土壤有效钾水平明显下降,但其平均含量仍保持在100mg.kg-1以上;吉林梨树(于晓丽等,2006)和辽宁铁岭(郭淑鲜等,2006)等地区也呈现同样的调查结果。西北和华北地区土壤有效钾含量基本持平,局部地区下降明显。河北全省监测点土壤有效钾平均含量由1998年的97mg.kg-1上升到2004年的107mg.kg-1(刘克桐,2005)。河南全省的土壤有效钾含量也略有上升(慕兰等,2004)。甘肃省土壤有效钾含量20年来平均提高5.62mg.kg-1,但局部地区下降明显(张树清和孙小凤,2006);新疆各地区土壤有效钾水平下降明显,但含量仍保持在100mg.kg-1左右(张炎等,2006)。在南方,福建省水田土壤有效钾水平下降,旱地则微升(周琼华,2006);广东省土壤有效钾水平先降低后增加(张育灿,2002)。鲁如坤等(2000)对我国南方6省农田钾素平衡现状和近10年来的发展趋势进行分析,发现其中3个省钾素盈余,3个省钾素亏缺,但10年来亏缺程度有所减缓。以上结果说明,尽管我国各地区土壤有效钾含量出现不同程度的下降,但由于我国北方各区土壤钾素含量较为丰富,并没有出现大面积土壤缺钾现象,增施钾肥还应该针对特定地区和敏感作物,日益扩大的秸秆还田也在很大程度上缓解了我国土壤缺钾问题。受经济发达地区常年过量施氮的影响,我国很多地区土壤剖面中出现过量的无机氮(硝态氮和铵态氮)累积,这部分氮素就像土壤中的“定时炸弹”,随时都有向环境中迁移的危险。受我国旱地土壤强氧化能力的影响,施入土壤中的氮肥能在短时间内迅速硝化为土壤硝态氮(同延安等,1994;巨晓棠等,2003)。因此,我国旱地土壤无机氮累积主要以土壤硝态氮为主。大量研究表明,一旦氮肥用量超过作物经济最佳施氮量,土壤硝态氮则表现出明显的累积趋势(HalvorsonandCurtis,1994;Andraskietal.,2000)。对华北平原小麦/玉米轮作体系(n>500)多年多点的调查表明,作物生育期内0-90cm土壤剖面硝态氮平均含量高于200kgN.hm-2(崔振岭等,未发表),远高于欧盟国家规定的大田作物收获后0-90cm土层硝态氮最高残留量(90-100kgN.hm-2)(Isfan,1995)。山东惠民县大棚蔬菜0-90cm和90-180cm土层硝态氮累积量分别高达1165和1028kgN.hm-2,果园0-90cm和90-180cm土层硝态氮累积量也高达613和976kgN.hm-2,粮食作物收获后0-90cm土层硝态氮累积量最低,但也超过200kgN.hm-2(3)。北京市保护地蔬菜田0-400cm土壤剖面硝态氮累积量平均达到1230kgN.hm-2,果园平均为1148kgN.hm-2,粮田平均为459kgN.hm-2(刘宏斌等,2004)。河北省定州市蔬菜地0-100cm土层硝态氮累积量达到807kgN.hm-2(张国印等,2004)。对土壤硝态氮含量、农民习惯施肥量、作物产量、氮肥利用效率和氮素损失量进行综合分析发现,土壤高量硝态氮残留是造成当前作物基础产量过高,施氮增产效应不明显的主要原因;而农民施肥没有考虑到土壤剖面高量硝态氮积累这一因素,是造成其习惯施肥条件下氮素损失量大和氮肥利用效率降低的重要原因。2主体地区间肥料投入量极不平衡,导致肥料利用率低下,一无所不高。我国粮食一受“施肥越多,产量越高”等观念的影响,我国农民为了获取作物高产量,不合理和盲目过量施肥现象相当普遍,尤其在经济发达地区极为突出。2002年的联合国粮农组织(FAO)统计数据显示,当年中国水稻的化学氮肥消费量已经超过180kg.hm-2,远远高于世界平均氮肥用量100kg.hm-2的水平。调查结果还表明,山东省的小麦平均化肥用量为447kg.hm-2,其中氮肥的用量就达到280kg.hm-2,玉米的化肥用量为248kg.hm-2(4)。崔振岭(5)在山东惠民的调查表明,小麦/玉米轮作体系(n=370)氮磷钾投入量分别为673kgN.hm-2、244kgP2O5.hm-2和98kgK2O.hm-2。张玲敏等(2003)的调查结果表明在河北省的小麦/玉米轮作周期内化肥平均用量达到711kg.hm-2,其中氮肥用量为440kg.hm-2,磷肥用量为178kg.hm-2。单于华等(2000)和崔玉亭等(2000)的调查结果则显示太湖地区水稻的氮肥施用量达到270-300kg.hm-2,有的地区甚至高达350kg.hm-2。2000年和2002年对全国26个地区2万多个农户的调查数据分析结果表明,水稻的氮肥投入量平均为215kg.hm-2,小麦的氮肥平均投入量为187kg.hm-2,而玉米的氮肥平均投入量为209kg.hm-2,这3种粮食作物的平均氮肥用量为205kg.hm-2,大大高于全国推荐的150-180kg.hm-2的水平(朱兆良,1998)o。尽管我国肥料过量投入现象普遍存在,但在不同地区,同一地区的不同农户以及不同养分元素之间仍表现出很大差异。图1为根据农户调查数据总结得出的我国不同地区主要粮食作物的化肥施用量。从图中可以看出,我国水稻、小麦和玉米这三大粮食作物地区间肥料投入极不平衡。统计数据显示水稻氮肥的平均投入量处于153-341kg.hm-2之间,其中施用量最高的是山东省(图1A);小麦氮肥的平均投入量为94.3-233kg.hm-2,其中施用量最低的是贵州省(图1A),而小麦主产区华北地区的氮肥投入量明显高于其它地区(数据未显示);各省(市、区)的玉米氮肥投入量在161-301kg.hm-2之间,变幅比水稻和小麦小,但地区间差异仍非常显著(图1A),其中最高的是江苏省,最低的是内蒙古自治区(数据未显示)。和氮肥施用情况相似,水稻、小麦和玉米的磷肥投入在地区间也有很大的差异(图1B);而钾肥的地区间差异则更大,有的地区投入量超过100kg.hm-2,有的地区甚至不足1kg.hm-2(图1C)。将不同农户间氮肥投入量分成3级,150-250kg.hm-2为适中,小于150kg.hm-2为不足,大于250kg.hm-2则为超量。根据农户调查数据进行总结,水稻施氮量超过250kg.hm-2的农户比例为30.1%,小麦为30.7%,玉米为30.6%,均接近调查农户的1/3;水稻施氮量低于150kg.hm-2的农户比例为37.2%,小麦为36.1%,玉米为33.7%,略超过调查农户的1/3;施氮量在合理范围内的农户也各占到了约1/3。由此可以看出,农户地块间的肥料投入量也是极不平衡的。总的来看,水稻、小麦和玉米的施肥量出现总体过量,其中氮肥用量已远远超过当前产量水平的氮肥需求量和专家的推荐量;而不同地区和同一地区的不同农户间肥料投入的不平衡也是目前农户不合理施肥的主要问题,所有这些问题都会导致肥料利用率下降,养分向环境中的损失量增加。建国初期,我国粮食单产从1t.hm-2提高到2t.hm-2,经过了21年;从2t.hm-2提高到3t.hm-2,经过了12年;从3t.hm-2提高到4t.hm-2,经过了11年,这期间化肥投入和粮食单产呈现同步增长。相比之下,从90年代到现在,经过了15年的时间,粮食单产仅从4t.hm-2变化到了4.6t.hm-2,而化肥施用量从2600万吨增加到4600万吨,出现了化肥用量大幅度增加,而粮食作物单产却徘徊不前的局面,表明粮食作物施肥增产效应在逐渐下降(图2)。马骥p分析了不同阶段化肥对粮食产量增长的贡献率,指出在1978-1984年间,化肥对粮食单产增加的贡献率为30.8%,在1985-1993年间为42.7%,在1994-1998年间为10.3%,在1999-2003年间则为10.4%,表明化肥的增产效应正在逐渐降低。朱兆良(1992)总结我国大量田间试验后,提出我国主要粮食作物的氮肥利用率在28%-41%之间,平均为35%。然而,90年代中期以来的研究结果表明,我国粮食作物的氮肥利用率普遍下降,如李新惠(1999)在北京的试验结果表明,北京地区平原粮区的冬小麦氮肥利用率仅为16-22%;赵荣芳q在华北地区小麦/玉米轮作体系中的氮素管理研究中证明,目前华北地区农民习惯的冬小麦和夏玉米氮肥施用量都在300kg.hm-2左右,在这种条件下,冬小麦氮肥利用率只有20%,而夏玉米只有11%。为了系统分析目前我国氮肥利用率的状况,通过收集全国不同地区2001-2005年间的试验数据,以主要粮食作物成熟期地上部分累积氮量为基础,利用差减法计算得出我国水稻、小麦和玉米氮肥回收利用率,结果列于表1。从表中数据可以看出,氮肥利用率变化幅度很大,可达到0.29%-88.9%;就地区平均值而言,目前中国水稻、小麦和玉米氮肥利用率的地区间变异范围为10.8%-40.5%;按照各地区的样本加权平均(水稻、小麦和玉米的氮肥施用量分别为150、169和162kg.hm-2),目前中国水稻、小麦和玉米的氮肥利用率分别为28.3%、28.2%和26.1%,平均为27.5%。3作物产量潜力大,不能充分实现高效栽培建国以来直至90年代初,化肥在我国粮食增产中发挥了巨大作用,我国历年粮食总产和单产与化肥施用量呈同步增长的趋势。然而,90年代中期以来,尽管我国化肥用量仍然持续增长,但粮食总产和单产却止步不前(图2)。粮食安全问题在过去和将来都将一直是我国农业必须解决的首要问题。Brown(1995)在上世纪末曾撰文“谁来养活中国?”,引起了国家领导人和农业科技界的高度重视。在过去10多年中,我国土壤和植物营养科学工作者在提高养分资源利用效率方面进行了极大的努力,但肥料进一步增产的效应似乎很小。例如,在由中国农业大学资源与环境学院主持的“十五”养分资源综合管理“948”项目中,在88个小麦、189个玉米和55个水稻试验中,虽然可以将氮肥利用率提高7-16个百分点,但是养分优化管理对作物进一步增产的作用很小(表2)。另一方面,“十五”以来,我国开展了高产超高产的攻关研究,涌现了一批高产作物典型。但是,在总结高产超高产的研究中也发现,高产不高效是我国作物高产超高产栽培中普遍存在的主要问题(表3)。目前国内农业科研往往可以在特定地区小面积的耕地上不断地刷新作物单产记录,但却难以在区域上大面积实现,因此我国优良作物品种产量潜力的发挥往往低于60%,而发达国家可达到85%。其主要原因是对土壤生产力的主控过程认识不清,缺乏既能保水保肥,又能充分发挥高产作物生物学潜力,同时实现作物高产和水肥高效的土壤。因此,开展持续提高土壤生产力的基础研究,在大幅度提高作物产量的同时提高养分利用效率,是国家粮食安全和可持续发展的重大需求。4植物营养的基础与应用研究的关系长期以来,植物营养学科的基础理论研究,如植物营养生理、植物营养遗传分子生物学和植物根际营养等,均在不同程度上与应用研究(如养分管理)相脱节。这一做法造成了德国植物营养学科目前的困境,使作为该学科发源地并且上百年来一直处于领先地位的德国植物营养科学研究处于萎缩状态。在我国,直到上个世纪90年代初,植物营养学科受俄罗斯的影响只重视应用,不重视基础理论研究,因此一直未能形成完整的学科框架,在科学和国民经济建设中也一直处于附属地位,限制了学科的发展。上世纪90年代以后,随着一批留学人员回国和国内大批人才的培养,植物营养学科出现了两条腿走路的新局面。近10多年来,学科发展迅猛,成果累累,人才辈出,呈现一派大好的形势。尤其是随着生物技术和信息技术的迅速发展,植物营养学科也在基础和应用研究方面有了长足的进展。然而,我们还应清楚地认识到,要解决好基础与应用研究紧密结合的问题并非易事。基础研究追求创新,常以科学家的兴趣为动力。而应用研究则是需求导向,以解决问题为目标。中国营养学科应该以国家社会经济发展为己任,站在国际植物营养生物学研究的前沿,以我国农业生产和生态环境建设重大需求为动力,通过对植物营养机理的深入理解,进而创新和改进养分管理技术,大幅度提高养分资源利用效率,实现生产与生态双赢。立足国际前沿,开创植物营养理论