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作物營養從有機肥到化肥的變化與反思

浏覽次數:次信息來源:吉林快三下期和值预测發布時間:2018/1/15

智能水肥一體化廠家講解作物營養從有機肥到化肥的變化與反思:
改革開放以來,我國化肥用量顯著增加,在提高作物産量、改善作物品質等方面做出了突出的貢獻,與此同時,我國也消費了世界約三分之一的化肥。長期大量施用化肥也帶來了諸多問題,因此,近年來出現了懷疑或否定農業生産中施用化肥的思潮。為此,有必要回顧植物營養學科的發展曆史,反思出現問題的根源,找出保證我國農業可持續發展的養分資源利用的科學途徑。

1 植物營養發展曆史回顧
1.1 有機肥的施用曆史
人類從事農業生産并知道施用肥料,最早可以追溯到尼羅河及兩河流域的古埃及和古巴比倫時期,人們靠富含養分的河流沖積物補充地力。主動使用有機肥為作物供應養分最早的記錄,始于古希臘時期,之後,這一營養作物的方式持續了數千年,被稱之為“有機營養”階段。
我國是世界上施用有機肥較早的國家之一。具體何時開始施用有機肥,已難以考證,大約始于春秋時代,到戰國時期,肥料已經很受重視。在長期的農業生産實踐中,我國勞動人民積累了豐富的施用有機肥的經驗與知識,提出的地力常新論等對今天的農業生産也具有重要的指導意義。
長期施用有機肥雖然培肥了地力,但作物産量水平低。先秦時北方地區麥類産量為824 kg/hm2,明清時為1465 kg/hm2,近兩千年間作物單産僅增加了77.9%,相當于每經曆一個世紀,麥類單産僅增加幾十公斤,凸顯了有機農業的局限性。近代化學理論的飛速發展,為文藝複興後期探索植物營養的機理提供了理論基礎,歐洲學者先後創立了不同學說或理論解釋植物營養的機理。

1.2 植物礦質營養理論的提出
十八世紀末至十九世紀初,腐殖質營養學說占據植物營養理論的主導地位,這一理論認為,腐殖質是土壤中唯一的植物營養物質,而礦物質僅起間接作用,即加速腐殖質的轉化與溶解,使其變成易被植物吸收的物質。腐殖質營養理論由瑞典學者Wallerius (1709~1785) 最先提出,德國學者泰伊爾(Thaer,1752~1828) 為這一理論堅定的支持者。

随後植物礦質營養理論的提出,否定了腐殖質營養理論,标志着植物營養學科的創立。長期以來人們一直認為,德國學者李比希 (Justus von Liebig)(1803~1873) 是植物礦質營養理論的創立人,他在1840 年出版的《化學在農業及生理學上的應用》一書,否定了腐殖質營養理論,提出了植物礦質營養理論。實際上早在1826,李比希的同胞斯普林格爾(Carl Sprengel)(1787~1859) 就提出,土壤中的可溶性鹽是植物必需的營養物質,腐殖質的作用主要是培肥地力。1828 年,他提到:“當植物生長需要12 種營養物質,缺乏其中的任何一種養分,植物将不能生長;其中的任何一種養分供應不足,将會影響植物的正常生長”,這就是我們今天熟知的“最小養分律”,較李比希也早了10 多年。
二十世紀四十年代,一些學者開始注意到斯普林格爾在植物營養理論創立過程中的貢獻,1950 年Wendt 通過較為詳實的資料證明了斯普林格爾對植物礦質營養理論及最小養分律的貢獻。因此,自二十世紀五十年代起,德國一些學者呼籲,應肯定斯普林格爾對植物營養理論建立做出的貢獻,德國“農業試驗與研究協會”最早付諸行動,設立的一個獎項就以斯普林格爾與李比希的名字共同命名(Sprengel-Liebig Medal)。遺憾的是,不少文獻至今仍将植物礦質營養理論的創立歸功于李比希一個人的貢獻,而忽視了斯普林格爾的作用。

為何後人将植物礦質營養理論的創立歸為李比希,而忽視了斯普林格爾的工作?一些學者認為,相對于當時人們的認知水平,斯普林格爾的理論當時過于超前,而李比希《化學在農業及生理學上的應用》一書出版時,歐美農業生産中土壤肥力退化問題引起人們的普遍關注。斯普林格爾提出這一理論時,礦質肥料的資源有限,難以大規模進行肥料試驗。還有,李比希當時是國際知名的化學家,但對農業化學知識的了解有限,書中存在一些有争論或錯誤的提法或觀點,更易引起人們的關注。回顧這段曆史,并不是否定李比希對植物營養學發展的貢獻,隻是作為後人,我們應該知道斯普林格爾對植物營養理論創立的貢獻,以尊重曆史。

植物礦質營養理論的提出,是植物生理學及現代農業創立的标志之一,顯著促進了農業生産的發展。1842 年,英國的勞倫斯 (John B. Lawes) 獲得了用硫酸處理磷礦石加工磷肥 (普通過磷酸鈣) 方法的專利,1843 年開始生産這種肥料,從此拉開了化學肥料工業的序幕。

2 化學肥料的施用及帶來的問題
雖然早在1830 年左右,一些國家或地區開始施用以硝酸鹽礦物為代表的無機肥料 (智利硝石),但關于世界上化肥的生産與施用,一般以1843 年英國勞倫斯生産的過磷酸鈣算起。同一年勞倫斯在自己位于倫敦北部約40 公裡的莊園進行了有機肥及化肥施用的田間試驗,旨在比較施用化肥與有機肥的效果,發現施用化肥可以達到與有機肥相同的産量,這一試驗目前還在進行,這就是著名的洛桑試驗站。
1861 年德國建立了世界上第一座生産氯化鉀的工廠;1903 年發明了采用電弧法生産硝酸,生産出了硝酸鈣肥料。而化肥生産與施用真正改變世界農業面貌的當屬1909 年德國化學家Harber 發明的合成氨工藝,1913 年巴斯夫公司的Bosch 實現了這一工藝的工業化生産過程,當年合成氨産量就達800 噸。當初合成氨工藝主要用于炸藥的生産,第二次世界大戰結束後,合成氨的工廠開始轉向氮肥的生産。因此,二十世紀中期後發達國家化肥施用量不斷增加,顯著地提高了作物産量。化肥施用是二十世紀六、七十年代世界綠色革命的重要物質保障之一。
化學肥料的施用雖僅有170 多年的曆史,但其對農業生産的發展起到了不可忽視的作用。諾貝爾獎獲得者著名作物育種學家Borlaug 等 (1994) 在第十五屆國際土壤學大會上曾提到“二十世紀全世界所增加的作物産量中的一半是來自化肥的施用”。若立即停止施用化肥,全球農作物将會減産40%~50%。美國及英格蘭農産品約有一半是由于化肥的貢獻,熱帶地區化肥的貢獻更大。化肥也是我國農業取得舉世公認成就的主要貢獻者。合成氨養活了世界上近一半的人口,因此,該工藝被認為是二十世紀人類最重要的發明。

化肥的大量生産與施用不僅消耗了大量的資源,由于被作物利用的養分僅占施用肥料養分比例的一小部分,相當比例的養分進入了環境。以氮肥為例,僅有約17% 的氮肥養分通過農産品 (包括糧食、奶制品及肉類) 被人們最終消費,大部分殘留在土壤中,或進入水體及大氣,給生态環境帶來巨大的危機,如水體富營養化、溫室效應及臭氧層破壞、生物多樣性降低等。
我國化肥的施用從氮肥開始,之後是磷肥及鉀肥。我國1949 年前,農業生産中投入的養分一直以有機肥為主,之後化肥用量逐漸增加,有機肥提供的養分比例則逐漸降低。在上世紀八十年代,化肥供應的養分超過了有機肥,進入本世紀後,化肥養分的供應比例超過70%,不少地區農田完全依靠化肥養分,我國農業生産進入以化肥養分供應為主的“無機營養”階段。目前,我國化肥總施用量和單位面積施用量已經處于世界高水平,其中蔬菜、果樹施肥量更高。過量施用化肥帶來了諸多問題,包括土壤養分失衡,土壤酸化、鹽漬化,環境污染等。
從全球尺度看,大量施用化肥顯著改變了全球養分的生物地球化學循環過程。到上個世紀七十年代,全球合成氨工藝生産的氮素已超過自然生态系統下生物固氮的數量,成為氮氣轉化為活性氧的主要來源。2010 年,全球合成氨固定的氮素(N)達120 Tg,為全球陸地生态系統自然固氮量的兩倍之多。全球活性氮的增加,不僅影響了陸地生态系統,而且影響海洋生态系統,如進入大氣的活性氮沉降進入海洋後會導緻海水酸化。有專家用氮素階梯流動 (nitrogen cascade) 來描述人類活動對全球氮素循環影響所帶來的一系列問題。目前,全球通過施用磷肥及畜禽糞便等方式進入生物圈的磷素也顯著改變了全球磷素循環,磷素進入水體引起了嚴重的富營養化問題。因此,施用化肥以及人類其他生産及生活活動對全球養分循環影響帶來的問題無容置疑。

3 有機農業的興起及存在的問題
大量施用化肥帶來的問題使得農業生産中産生了限制甚至停止施用化肥的呼聲及做法,其中以有機農業 (organic farming) 的做法最具代表性。雖然各個國家及地區對有機農業的定義存在一定的差異,但從養分投入看,都強調不施用化學合成的養分,可以施用一些天然的礦物類肥料,主要依靠輪作、稭稈還田、施用有機肥、種植豆科作物及綠肥等方式為農田提供養分。

現代有機農業的概念于上個世紀四十年代起源于英國,從1946 年起英國土壤學會就開始了有機農業生産的認證工作,當時主要關注的是化肥施用對土壤性質的不良影響。到上個世紀六七十年代,随着人們對化肥及農藥大量施用帶來生态環境問題的擔憂,有機農業在西方一些發達國家引起了人們的關注。我國于上個世紀八十年代開始了有機農業的研究與實踐,近年來的發展也較為迅速。
自有機農業理論提出後,其與施用化肥的常規農業間孰優孰劣的争論就未曾中斷過。争論主要集中在兩種生産方式對作物産量、環境的影響等方面。
有研究表明,有機農業可以達到與常規農業相同的産量水平。但多數研究發現,有機農業條件下作物産量較常規農業低,降低的幅度與作物類型有關,農作物一般減産20%~40%,蔬菜及果樹減産20%~50%。

在瑞士進行的21 年的試驗結果表明,有機農業處理的作物産量較常規農業平均低20%。美國加州大學戴維斯分校9 年的定位試驗發現,與常規農業相比,有機農業栽培下玉米、小麥産量顯著降低,而番茄産量二者無差異。
Seufert 等采用整合分析的方法比較了全球不同地區有機及常規農業兩種系統下作物産量的差異發現,有機農業平均比常規農業作物産量降低25%,産量降低的幅度随作物種類、地點等存在較大的變化,減産幅度在5%~34% 之間;雨養地區的豆科作物及弱酸或弱堿土壤的多年生牧草減産幅度較小,禾谷類作物及蔬菜産量降低幅度大。
有機農業生産條件下僅采用種植綠肥、輪作等方式,難以維持土壤養分的平衡,這是其導緻作物産量降低的主要原因。從養分循環角度看,由于收獲農産品從系統中攜出了大量的養分,投入外源養分是增加系統生産力的有效手段。如撒哈拉以南的非洲地區,化肥用量比較低,僅為8 kg/hm2。施用化肥,增加外源養分的投入,是這一類地區增産的有效手段。
倡導有機農業的主要原因之一是,這一生産方式的可持續性及其對生态環境的良好效應。但關于有機農業對生态環境等的影響,答案遠比想象的要複雜得多。如生物多樣性方面,有機農業無疑具有明顯的優勢;但在養分徑流損失以及向大氣排放溫室效應氣體等方面,很難說出有機農業與常規農業二者的差異。

“有機農業是否是未來農業的方向”,若按純有機農業的定義看,可能不是如此。因為就全球情況看,預計到2050 年,全球對食物的需要量将翻番,因此,對化肥的需要量還會增加。在貧困人口衆多的非洲地區,化肥施用量還很低,農業生産還在消耗土壤養分,增施化肥是解決這些國家及地區糧食供應不足的主要手段。但有機農業的一些理念,如資源循環利用、環境保護等正在被人們接受。将有機農業與常規農業相結合的有機–無機複合農業 (Integrated agriculture) 被認為是未來世界農業發展的方向。
我國人口衆多,人均耕地少,保證充足農産品的供應是我國農業生産的頭等大事。雖然我國農業過量施用化肥帶來的問題日益突出,農業可持續發展面臨重大挑戰,近幾年對我國農業的發展要擺脫對化肥、農藥的過度依賴的呼聲不斷高漲,但我們應該清醒地看到,不施用化肥,僅靠施用有機肥、種植豆科作物等傳統的方法難以滿足作物對養分的需求,因此,我們應特别審慎地對待有機農業問題。
将有機農業與常規農業二者有機地結合,協調土壤有機、無機養分平衡,以較小的環境代價生産更多的農産品是我國農業發展的方向。我國近來的一些研究表明,采用土壤–作物系統綜合管理技術,可以在大幅度增産的同時,大幅提高氮肥效率,減少活性氮損失30%、減少溫室氣體排放11%。

4 養分資源高效利用的途徑
世界人口還在不斷增加,預計到2050 年将超過90 億,對農産品的需要量将是2005 年的2 倍。同時,随着人們生活水平的提高,農産品的人均需要量也會增加。因此,采取有效措施增加農産品的供應仍是世界各國特别是人口衆多的發展中國家面臨的巨大挑戰。由于全球可利用的耕地資源有限,所以增加單位面積産量是增加糧食總産的重要手段,化肥的施用無疑将繼續發揮重要的作用。同時,我們應該正視化肥過量及不合理施用帶來的問題。
我國農業生産中過量施肥問題較為普遍,尤其以果樹、蔬菜等經濟作物更為突出。雖然對我國農業生産中如何控制或減少化肥用量的認識尚存在差異,但我國肥料施用量高,養分利用率普遍偏低是一個共識。為此,我國提出了到2020 年“化肥零增長”的目标,對控制農業生産中化肥過量施用問題提出了明确的要求。“十三五”期間科技部正在實施的“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”重點研發計劃,将對改變我國目前農業生産中過量施肥問題提供有力的支持。

但同時應看到,我國幅員遼闊,解決不合理施肥帶來的問題不能簡單地采取“減肥”的措施,應通過多種措施,除挖掘作物對養分吸收利用潛力、采用“4R”技術、繼續開展測土配方施肥等技術研究與推廣外,筆者認為尚需注意以下問題。

4.1 不能将作物營養僅僅看作是氮、磷、鉀等礦質養分的供應,應考慮礦質養分與有機碳間的平衡協調
植物礦質營養理論提出後,長期以來,以化學為主導的思想在植物營養研究與應用中占有重要的主導地位;植物營養學科相當一段時間被稱為“農業化學”。以化學為主導思想導緻生産實踐中不少人将作物養分供應問題僅僅看作是氮、磷、鉀等礦質養分的供應問題。生産中大量施用化肥,導緻農田生态系統碳、氮、磷等養分的時空平衡失調,損失量增加。
國内外大量研究表明,有機與無機配合不僅提高了作物産量,還培肥了地力,其理論基礎已有不少論述。長期定位試驗結果表明,有機肥與化肥配施處理,氮肥用量減少了70%,獲得了與僅施化肥處理相近的産量,但提高了土壤有機質含量,改善了土壤肥力。我們的研究表明,與施用相同量的氮肥相比,長期有機肥與化肥配施處理氮肥利用率高、損失量低,這不僅與有機肥配施化肥處理改善了土壤理化性質有關;也與氮肥與有機肥或有機物料配合,增加土壤微生物對養分的固持有關;還與作物生長後期微生物固持養分的釋放和協調氮素供應有關。從宏觀尺度對全球不同國家氮素利用效率的分析發現,農業生态系統生物固氮比例高的國家或地區,其氮素利用效率也高。因此,應該改變施肥實踐中僅考慮氮、磷及鉀化肥養分的供應問題,同時重視農田生态系統碳、氮、磷、鉀等元素間的時空平衡。
20 世紀中期後歐美發達國家植物營養的研究重點轉向無機營養及化肥方面,也在一定程度上忽視了有機物質的營養作用。不論土壤還是有機肥,均含有一定的有機态養分或生理活性或刺激類物質,其對作物生長也具有一定的營養及調控作用。以有機态養分為例,早在1881 年英國洛桑實驗站的測定就發現,土壤及其滲漏液、雨水中含有一定數量的有機态氮;但對其營養作用的研究由于受研究手段限制證據有限。上個世紀五十年代起,同位素技術的應用,為植物吸收有機養分提供了直接的證據。因此,有必要進一步挖掘有機養分的調控及營養作用。

4.2 重視土壤、微生物、作物間的關系在協調作物生長及養分供應中的作用
施用的化肥養分被作物吸收利用取決于其與作物、土壤、微生物及其環境條件相互作用的結果。以氮素為例,化肥氮被作物吸收與土壤有效氮的供應有密切關系,土壤有效氮含量高,作物吸收肥料氮比例相對就低。土壤微生物是有機質轉化與養分元素循環的引擎,土壤中各種來源和形态的有機質最終都必須經過微生物的分解礦化過程才能重新參與土壤生物地球化學循環。化學氮肥施入土壤後會發生作物根系與微生物競争氮素現象,短期内微生物獲勝,導緻氮素固定;而微生物生命周期短,其死亡後分解釋放氮素,可為植物利用,所以植物是最終的勝利者。因此,微生物對養分的固持與釋放在植物養分供應方面也具有重要作用。過量和不合理施肥,會影響土壤微生物區系,進而抑制菌根侵染及固氮菌等有益微生物的活性,導緻作物病害加劇,影響作物養分吸收與利用。
可以采用不同方法調控、培育土壤微生物區系,包括直接接種有益微生物、使用殺菌劑、作物輪作、耕作等方法有針對性地幹擾土壤原著微生物的生長,以有利于接種微生物的生長。施用有機肥、稭稈還田以及作物根系分泌物,可以為土壤微生物提供有效的碳源,是調控土壤微生物區系的有效手段。以根系分泌物為例,有人粗略估計,一年生植物生長期間通過根系分泌物或脫落物進入土壤有機物的數量約為其成熟時根系有機物量的兩倍多。采用14C 标記試驗研究發現,根系分泌物的數量可占其淨固碳量的5%~19%,這些根系分泌物或脫落物在調節土壤生物活性方面具有重要作用。
二十世紀90 年代後期,随着分子生物學和組學技術的發展,為揭示農田生态系統土壤、作物、肥料及微生物間的關系提供了有效手段,使得土壤微生物的研究由“黑箱”變成“灰箱”,甚至“白箱”。
在微生物調控方面,近年來圍繞調控根際微生物促進植物生長和保持植物健康,增強有益菌根際定殖、調控根際微生物群落結構、培育高生物肥力及抑病型土壤微生物區系等基礎科學問題方面開展了一些研究。國外提出了根際工程法 (rhizosphere engineering),通過育種的方法,調控根系分泌物特性,進而調控根際有益微生物種群的構建,改善植物生長環境。
近年來,以南京農業大學沈其榮教授為首的團隊結合我國特有的集約化管理模式,開展了構建和調控高生物肥力及抑病型根際土壤微生物區系工作,利用外源有益微生物與有機肥通過二次固體發酵制成的生物有機肥,在調控根際微生物區系、促進植物生長和健康的研究方面取得了突出成果,展示了這一領域巨大的潛力。

4.3 最大限度地實現養分資源的循環利用
與農藥等化學品不同,化肥養分和有機肥養分均可以循環利用。我國傳統農業屬自給自足的小農經濟生産方式,在很大程度上實現了養分資源的循環利用,保證了我國農業幾千年來的持續發展。而随着社會的發展,農産品的流通範圍不斷擴大,使得從農田帶出的養分難以還田。特别是現代農業生産方式下,種植業與養殖業分離問題突出,有機肥養分難以實現就地還田。
有機肥特别是畜禽糞便是重要的養分資源,全球畜禽糞便的全氮量與化肥氮的總用量相當,但由于養分損失及還田比例低,實際施用到農田的數量僅為化肥氮的30%。我國畜禽養殖每年産生糞污38 億噸,折合氮1423 萬噸、磷246 萬噸,而目前綜合利用率不足60%,不僅造成資源浪費,還成為重要的污染源。養殖業糞污的處理與利用已成為限制畜牧業發展的重要障礙,為此,國務院辦公廳新近印發了《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》,以推動我國畜禽養殖廢棄物資源化利用、破解畜禽養殖廢棄物環境污染治理難題。除合理利用畜禽糞便外,也應同時重視稭稈及其他工農業有機廢棄物養分的利用。
植物營養學通常關注的是肥料養分在田塊尺度的吸收利用及損失,對養分離開田塊後的去向及利用關注不夠。實際上離開一個田塊的養分,可以進入另一田塊而被其他作物吸收利用。因此,養分資源管理應以養分流向及循環利用理論為指導,從生物地球化學循環的角度看待養分的流向,實現從田塊向流域尺度的拓展,最大限度地實現養分在農業生态系統的循環利用。

4.4 綜合利用技術、經濟與政策等措施進行養分管理
施肥實踐是一項人類生産活動,不僅受研究及技術推廣的影響,也與經濟、社會等因素有關。僅采用其中的一項措施,難以有效引導生産者科學合理地利用養分。
西方發達國家解決化肥施用帶來的負面影響的實踐充分證明了這一點。西方發達國家特别是西歐地區工業化進程早,化肥施用曆史長,農業的集約化程度高,養分過量投入帶來的生态環境也較早出現。
為此,1971 年西歐施肥量最高的荷蘭率先制定了控制過量施肥、保護土壤環境的法案。自上個世紀七十年代起,荷蘭氮肥用量不斷降低,目前已降至六十年代的水平,但作物産量卻翻了一番,氮肥利用率顯著增加。丹麥是西歐地區農産品的主要出口國,農業生産中由于過量施用氮肥導緻的污染問題相當嚴重。
而在過去的30 年間,由于采用多種措施控制農田氮素投入量,氮素盈餘量顯著降低,而農、畜産品産量不斷增加,氮素利用效率 (農業 + 畜牧業) 增加了近一半,氮素淋溶損失、氨揮發、氮素沉降及氧化亞氮排放顯著降低,其中的一個有效措施是采用有機肥代替化肥,并且設定氮素投入的上限等。歐盟提出的控制養分過量投入污染水體等的政策與法規包括1991 實施的“硝酸鹽指令” (nitrates directive)、2000 年實施的“水框架指令” (water framework directive) 及2008 年實施的“海洋戰略框架指令”(marine strategy framework directive),規定了向水體排放有關養分的限度及肥料施用的時期等,對超标排放的生産者采取經濟處罰。
由于采取了這些綜合措施,使得歐盟國家自上個世紀九十年代以來化肥用量逐漸降低。有機肥施用面積不斷增加,目前,歐盟施用有機肥的面積占農田面積的55%;歐美國家有機肥氮循環利用到農田的比例在75%~90% 之間。
我國當前農業生産中果樹、蔬菜等經濟作物過量施肥問題較為普遍,種養分離導緻的農業面源污染問題突出。雖然我國國情與歐美發達國家存在一定的差異,但其采取的綜合利用技術、經濟與政策等措施控制養分過量投入,促進養分循環利用的做法值得我們借鑒。

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