在長(zhǎng)達(dá)8000多年的有機(jī)肥使用歷史中,人們經(jīng)常忽略有機(jī)肥也應(yīng)分門別類,并根據(jù)作物需要和土壤條件進(jìn)行精準(zhǔn)施用。
近日,《自然-食品》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展學(xué)院教授張衛(wèi)峰團(tuán)隊(duì)的研究成果。他們呼吁有機(jī)肥及技術(shù)應(yīng)當(dāng)場(chǎng)景化精準(zhǔn)施用,揭示了這種精準(zhǔn)施用對(duì)于協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、土壤固碳和環(huán)境減排的重要作用,并制定了一套可供全球參考的有機(jī)肥精準(zhǔn)施用策略。
有機(jī)肥是個(gè)“多面手”
人類使用有機(jī)肥的歷史悠久,有機(jī)肥的種類更是多種多樣。論文通訊作者張衛(wèi)峰介紹,傳統(tǒng)有機(jī)肥主要采用堆漚方式,把廢棄物(如豆粕、塘泥、畜禽糞便等)堆砌起來(lái)使之腐熟和無(wú)害化。“至于不同原料腐熟后形成的有機(jī)肥到底有什么不同、應(yīng)該用在什么地方,人們似乎都不太關(guān)注。”張衛(wèi)峰在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。
然而近代以來(lái),有機(jī)肥的原料構(gòu)成和加工技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。例如,以豬糞為原料的有機(jī)肥,由于豬飼料從剩飯、豬草變成了精細(xì)化的加工飼料,豬糞成分發(fā)生了變化,用其制作的有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)成分含量上升。
論文第一作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生趙帥翔告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,由于全球養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展、飼料添加劑的使用、攝入鹽分的變化,動(dòng)物糞尿性質(zhì)發(fā)生了顯著變化,最終也會(huì)在有機(jī)肥產(chǎn)品特性上有所呈現(xiàn)。
“如果對(duì)原料特性沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí),就無(wú)法科學(xué)施用,可能會(huì)給土壤、作物和環(huán)境帶來(lái)一系列影響。”趙帥翔說(shuō)。
此外,農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的迫切需求,對(duì)有機(jī)肥施用提出了更多挑戰(zhàn)。張衛(wèi)峰說(shuō),除了為作物提供養(yǎng)分外,有機(jī)肥還承載著增產(chǎn)增效、培肥減排等功能。
張衛(wèi)峰解釋說(shuō),有機(jī)肥中大約30%是有機(jī)質(zhì),而有機(jī)質(zhì)是土壤培肥的重要物質(zhì)來(lái)源;有機(jī)肥施用后能提高土壤保水保肥能力,從而減少化肥投入。“在所有培肥地力的措施里,正確施用有機(jī)肥的效果是最好的。”張衛(wèi)峰說(shuō)。
與此同時(shí),有機(jī)質(zhì)的還田也是碳的固定過(guò)程。它不僅直接將有機(jī)質(zhì)中的碳儲(chǔ)存在土壤中,而且通過(guò)促進(jìn)作物生長(zhǎng)、壯大根系帶入更多碳,或者通過(guò)豐富的微生物群體,為固碳提供更多機(jī)會(huì)。由于施用有機(jī)肥減少了化肥的投入,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境減排。
盡管有機(jī)肥是一個(gè)多元多功能的綜合體,新時(shí)代的有機(jī)肥需要發(fā)揮多種功能,“但面對(duì)不斷變化的全球作物生產(chǎn)體系,有機(jī)肥在實(shí)際應(yīng)用中常被看作一種通用性產(chǎn)品,沒(méi)有根據(jù)特定的土壤作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)、甄選和區(qū)別施用,制約了肥效潛力的發(fā)揮”。張衛(wèi)峰說(shuō),人們至今尚未建立因地制宜的施用方法體系。
因地制宜施用有機(jī)肥
古老的有機(jī)肥如何滿足新時(shí)代的需求?這是值得研究的問(wèn)題。
“首先要有數(shù)據(jù)支撐。”趙帥翔說(shuō),他們花了3年時(shí)間構(gòu)建了目前全球最新、最大的堆肥產(chǎn)品效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。該團(tuán)隊(duì)從全球范圍內(nèi)發(fā)表的257篇論文中提取了大約2000多個(gè)數(shù)據(jù),涉及3個(gè)方面11個(gè)關(guān)鍵因子:堆肥特性(碳氮比、碳磷比、pH值、可溶性鹽的濃度)、氮素管理(用量)和作物生長(zhǎng)環(huán)境(作物類型、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)碳、pH值、溫度、降雨量)。
“通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,我們量化評(píng)價(jià)了有機(jī)肥施用的增產(chǎn)、固碳和減排綜合效益,并利用梯度提升回歸模型(GBRT)定量挖掘了相關(guān)影響因子的貢獻(xiàn)大小。”趙帥翔解釋說(shuō),結(jié)果發(fā)現(xiàn),11個(gè)關(guān)鍵因素決定了80%的有機(jī)肥效應(yīng)。
在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)建立了有機(jī)肥因地制宜的選用機(jī)制。例如,有機(jī)肥在酸性土壤、偏沙質(zhì)地、干燥氣候、偏高氣溫等條件下能夠發(fā)揮比較好的效應(yīng);低碳水平的土壤適宜匹配碳氮比和碳磷比較低的有機(jī)肥,而高碳水平土壤適宜匹配碳氮比和碳磷比較高的有機(jī)肥。
基于這些最新認(rèn)識(shí),該研究提出了將堆肥產(chǎn)品和技術(shù)與作物生長(zhǎng)環(huán)境相匹配的精確施用策略(PCS),并概述了該策略的關(guān)鍵步驟:診斷當(dāng)?shù)厣锃h(huán)境條件障礙因子,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)滿足當(dāng)?shù)刈魑?土壤-氣候條件需求的專用產(chǎn)品,配合碳素和多種養(yǎng)分元素(N、P以及其他必要和有益營(yíng)養(yǎng)成分)的最佳綜合管理技術(shù)。
“有機(jī)肥不精準(zhǔn)施用導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)提升效果差的問(wèn)題,在全球都被忽略了。即使歐美國(guó)家常年普遍施用有機(jī)肥,全球土壤有機(jī)質(zhì)多年來(lái)也幾乎沒(méi)有大范圍增長(zhǎng)。”張衛(wèi)峰說(shuō),他們利用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法(RF)首次預(yù)測(cè)并刻畫了有機(jī)肥精確施用策略在主要糧食增產(chǎn)和農(nóng)田耕層固碳方面的全球模式及潛力。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果采用有機(jī)肥精確施用策略,全球主要糧食作物(水稻、玉米、小麥和大麥)的產(chǎn)量可提高4%(9630萬(wàn)噸),同時(shí)可讓土壤固碳量提高約26%(195億噸碳當(dāng)量)。“未來(lái)20~30年如果全球有機(jī)肥能夠精準(zhǔn)施用,是完全有可能實(shí)現(xiàn)上述增量的。”趙帥翔強(qiáng)調(diào)。
論文審稿人指出,這是一項(xiàng)非常出色的工作,是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)非常好的總結(jié)。此外,該研究很好地證明了應(yīng)用場(chǎng)景、產(chǎn)品和技術(shù)的密切配合對(duì)有機(jī)肥的施用效果至關(guān)重要。
另一位審稿人認(rèn)為,就主題而言,這項(xiàng)工作與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān),因?yàn)樗峁┝藢?duì)當(dāng)前有機(jī)肥使用知識(shí)的系統(tǒng)評(píng)估,以及如何在全球范圍內(nèi)優(yōu)化有機(jī)肥使用以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的多目標(biāo)協(xié)同。
社會(huì)體系如何推動(dòng)有機(jī)肥精準(zhǔn)施用
張衛(wèi)峰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,為了驗(yàn)證這一策略,該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)多地開展了實(shí)踐。
在上海市崇明島,當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的柑橘“紅美人”。但由于崇明島位于長(zhǎng)江入???,水中的鹽分較高,用河水或地下水澆灌影響了柑橘品質(zhì)。“我們建議他們施用鹽分含量較低的蚯蚓糞有機(jī)肥,同時(shí)收集雨水灌溉,從而取代河水和地下水。”經(jīng)過(guò)有機(jī)肥降鹽處理,柑橘品質(zhì)大大提高。
在廣西南寧金穗香蕉園,土壤酸化對(duì)香蕉生長(zhǎng)不利,施用堿性的有機(jī)肥成為改良土壤最好的辦法;而在河西走廊的鹽堿地上,為了降低土壤pH值,施用酸性有機(jī)肥取得了非常好的成效。
上述實(shí)踐取得了明顯的效益。“過(guò)去有些地方施用了有機(jī)肥卻沒(méi)有增加土壤固碳量,這是因?yàn)橛袡C(jī)肥沒(méi)選對(duì)。”張衛(wèi)峰說(shuō),有了這套精確施用策略,施用有機(jī)肥就可以做到因地制宜。
但要想大面積推廣這一策略,利用有機(jī)肥實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、固碳和減排的綜合目標(biāo),在張衛(wèi)峰看來(lái),這既是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題,也是一個(gè)社會(huì)體系推動(dòng)的問(wèn)題。
當(dāng)張衛(wèi)峰把他們對(duì)有機(jī)肥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)拿給一些企業(yè)看時(shí),企業(yè)家的回答是,“我就從來(lái)沒(méi)有按照你說(shuō)的要求生產(chǎn)過(guò)這種有機(jī)肥。”這讓張衛(wèi)峰感到制定和推行相關(guān)政策十分重要。
“我們中國(guó)尤其需要這套精確施用策略,因?yàn)槲覈?guó)正在大力推動(dòng)有機(jī)肥還田,從原料種類到工藝過(guò)程,再到產(chǎn)品設(shè)計(jì),都要往更精準(zhǔn)的方向走。”張衛(wèi)峰說(shuō),如果不精確,或?qū)е禄ㄙM(fèi)了很大的成本把廢棄物轉(zhuǎn)變成有機(jī)肥,卻沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有作用。
張衛(wèi)峰建議,應(yīng)該改變對(duì)有機(jī)肥“一刀切”的管理局面,轉(zhuǎn)而根據(jù)有機(jī)肥的性質(zhì)和效應(yīng)實(shí)行分類管理,引導(dǎo)企業(yè)創(chuàng)制不同功能的有機(jī)肥,這是保障有機(jī)肥支撐農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的重要舉措。
標(biāo)簽: 有機(jī)肥及技術(shù)應(yīng)當(dāng)場(chǎng)景化精準(zhǔn)施用 因地制宜施用有機(jī)肥 有機(jī)肥精準(zhǔn)施用 有機(jī)肥支撐農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)