全球消息！破解土壤中的“氮”密碼 福建科技成果促肥料減量增效

在玻璃溫室內，張玉樹（右一）在講解土壤氮轉化過程。 林霞 攝

在永春蘆柑園，張玉樹（左二）指導農戶科學施肥。（受訪者供圖）

【資料圖】

張玉樹（左一）在茶園收集土壤。 (受訪者供圖)

張玉樹（左一）帶領團隊成員在農田安裝地下滲漏水采集裝置。林霞 攝

在霞浦推廣基于水田土壤無機氮供應過程調控的水稻氮肥減量增效施肥模式。（受訪者供圖)

一塊看似肥沃的土地，農民卻仍要施用大量的肥料，來維持農產品的產量。土壤之中，到底隱藏著怎樣的秘密，讓土地“似肥實瘦”？

省農科院土肥所研究員張玉樹帶領團隊采用15N同位素示蹤技術，發現通過對土壤的調控，可提高土壤無機氮供應能力，實現氮肥形態與作物氮喜好的耦合，可顯著增加作物產量、減少氮肥損失。

“好比說有些人喜歡吃面食、有些人喜歡吃米飯，盡管土壤中存在大量氮素，也需要調控成為不同作物‘喜愛’的氮肥形態，才能讓它們盡情吸收。”張玉樹說。

基于此，他們根據我省果園、茶園、水田和旱地土壤無機氮供應特征和作物氮素形態喜好，分別制訂了基于土壤無機氮供應過程調控的柑橘、茶葉、水稻和馬鈴薯氮肥減量增效施肥模式4套，累計推廣至上百萬畝田地中。

為何土壤“似肥實瘦”？

人類對化肥的依賴，可追溯至上世紀60年代初。彼時起，隨著化肥的大量施用，糧食產量逐年增加。據聯合國糧農組織統計，在全球耕地面積僅增加15.5%的條件下，截至2018年末，以小麥、水稻、玉米計的全球糧食年總產量達26.6億噸，是1961年的3.6倍。

其中的主要推手，便是氮肥。

有研究表明，福建省氮肥利用效率是國外（如日本）先進水平的84%左右，環境影響卻高于國外先進水平。

“化肥的過量施用，不僅會造成大量的經濟損失，還會對空氣、土壤和水體造成污染，給農業可持續發展帶來了巨大的環保壓力。”張玉樹說。如，過量氮肥容易流失，是導致地下水硝酸鹽超標的主要原因；過量氮肥還會增加溫室氣體排放，導致大氣中氧化亞氮的濃度不斷上升……

2022年5月，《福建省深入打好污染防治攻堅戰實施方案》中提出，“十四五”期間，揮發性有機物、氮氧化物重點工程減排量分別達到1.52萬噸、1.10萬噸。

在“雙碳”背景下，如何在氮肥中做文章，實現溫室氣體減排，是我省面臨的重要而又緊迫的任務。“減少氮肥的使用量，又能保證作物該有的營養吸收，即‘喂得少，卻吃得飽、長得好’，才是破解此題的關鍵。”張玉樹說。

早在10年前，張玉樹就開始關注“氮肥利用效率低”這一問題。

2012年，張玉樹赴泉州市永春縣桃城鎮人民政府掛職副鎮長。蘆柑，是永春農業發展的支柱產業。掛職伊始他就一心撲在永春縣的蘆柑園管理調研工作中。

福建土壤以花崗巖發育的紅壤為主，有機質含量低，新開墾果園均為很貧瘠的紅壤，隨著種植年限的延長，土壤顏色會逐漸加深，趨向于黑褐色。在多家蘆柑園中，果農卻說，老果園與新果園相比，樹體相似、產量相近的果樹氮肥用量并無二致。“一旦降低施肥量，蘆柑的產量與質量就下降了。”

這里產生了一個矛盾。傳統的觀念認為，顏色越深的土壤，肥力越強。既是如此，為何“肥”土的肥料用量不能減少？

追蹤氮素的遷移“足跡”

原來，土壤中的氮95%左右為有機氮，并不能被作物直接吸收利用，要轉化為無機氮（銨態氮、硝態氮）才能供作物使用。

張玉樹采用15N同位素示蹤技術，在微觀世界中追蹤氮素的流動“足跡”。“從有機氮，到銨態氮，再到硝態氮，只要給土壤中的氮素裝上‘追蹤器’，就能知道它們跑哪里去了。”

“追蹤器”果然給力，清晰地展示了土壤中氮素的軌跡——

有機氮在一定條件下，會轉化為無機氮，包括銨態氮、硝態氮，而銨態氮在一定情況下也能變成硝態氮。這些反應又是可逆的，導致這些調皮的“小家伙”根據“心情”變來變去，而它們的“心情”與環境、氣候、土壤酸堿度等都有關系。

“這個時候，如果長期過量施氮肥，土壤的酸化程度會增加，有機氮就不‘樂意’轉化成無機氮，這下子氮素就沒法被植物吸收了。”張玉樹說。

如此一來，土壤“似肥實瘦”的原因找到了，竟是因長期過量施氮肥！這會引起果園土壤酸化，降低了土壤有機氮礦化（轉化為無機氮）速率。“就是說，土壤中的氮素‘形態轉變’，第一步就被卡住了。”這就解釋了土壤氮含量很高，卻仍需要施用大量氮肥的原因。

必須摸清植物們的喜好，通過一定方法，“引導”土壤中的氮變成作物喜歡的無機氮形態，這樣肥沃的土壤就能被利用，里頭的氮素就能成為植物的“口糧”，不至于浪費。

為此，張玉樹提出了通過增強土壤自身供氮能力來減少氮肥用量的思路，即通過施用酸性土壤調理劑，增強土壤自身供氮能力，從土壤內部挖掘氮肥減量增效空間。“這區別于以往主要通過肥料改性、改進施肥方法和時間等氮肥減量增效技術。”

初步掌握了“氮”密碼，但在實踐過程中很快又出現了另一個難題。

永春縣桃城鎮上沙村，雙峰山家庭農場坐落于此，這里經營茶果園面積超過200畝。2018年，負責人姚連枝愁上心頭，他的果園按照張玉樹提供的“方子”治病，但果樹長勢卻仍未好轉。

施了調理劑，減施氮肥，為何果樹長勢還是不行？

張玉樹在老姚的果園中安裝了不少地下滲漏水采集和氣體采集裝置。“收集農田滲漏水和氣體排放情況，繼續使用15N同位素示蹤技術，進一步追蹤氮素去向。”

結果發現，土壤中的無機氮含量是高了，但在雨季時期，土壤氮素流失量顯著增加。“施了調理劑，銨態氮更多轉化成硝態氮，而硝態氮極易隨水流失。”

因此，他們為雨季中的果園開出“新藥方”：施了調理劑，還要配合施硝化抑制劑。

自此起，每年的3—7月，老姚家的蘆柑園在施春梢和夏梢肥時，還會配施硝化抑制劑，減少硝態氮流失。同行們發現，老姚家的肥料施少了，但產量比之前的還好！

自此，張玉樹團隊大力推廣基于果園土壤無機氮供應過程調控的柑橘氮肥減量增效施肥模式：在氮肥減量30%的條件下，配施土壤調理劑處理的蘆柑和臍橙產量分別增加5.6%和6.3%；而同時配施土壤調理劑與硝化抑制劑的蘆柑和臍橙產量分別增加8.0%和13.5%。

雙峰山家庭農場也成了遠近聞名的“領頭雁”：每年輻射帶動永春蘆柑種植新技術示范點10個以上，已輻射帶動近萬畝蘆柑種植。目前，該施肥模式在泉州、福州、南平等地柑橘園累計推廣26萬畝。

減“肥”增產的捷徑

自然界中，有些作物主要吸收銨態氮或硝態氮，也因此被分類為喜銨作物或喜硝作物。

所謂“甲之蜜糖，乙之砒霜”。微觀世界里的營養吸收，也需要投其所好。張玉樹說，只要提高土壤中氮素供應形態與作物喜好的耦合程度，那無論是哪種作物，都能“對癥下藥”，從而科學提高土壤氮肥利用效率。

因此，他針對水稻、茶葉、馬鈴薯等作物的氮素形態喜好特征，分別制訂了基于土壤無機氮供應過程調控的氮肥減量增效模式。

得益于此，一筆又一筆“生態賬”“經濟賬”很快從四方傳來：

水稻氮肥減量增效技術在泉州、三明、福州等地備受農戶歡迎；茶葉氮肥減量增效技術在泉州、寧德、南平等地累計推廣60萬畝；馬鈴薯氮肥減量增效技術在寧德、三明、福州等地解決了實際問題……在氮肥減施20%~30%的條件下，茶葉、水稻和馬鈴薯分別平均增產8.5%、6.0%和7.5%以上，每畝新增經濟效益從63元到248元不等。

這幾年，張玉樹團隊深挖土壤中的秘密，在氮素的理論世界里盡情遨游——

他們發現了水田土壤獨特保氮機制和影響水稻氮吸收的關鍵過程，明確了有機物料、農藥等對土壤無機氮供應的影響，闡明了有機物料長期投入提高土壤無機氮供應能力，提出了通過調節土壤內部氮轉化過程來提高土壤供氮能力、調節供氮形態……

隨著土壤中氮素的面紗被揭開，更為科學的施肥藍圖也向農戶們徐徐展開：畜禽糞便類有機肥、作物秸稈類有機物料等，也能輕松調控土壤無機氮形態；“秸稈還田，變廢為寶”，還能阻止水田土壤中的氮“離家出走”；一些除草劑、殺蟲劑還能成為喜銨作物的“好幫手”……

圍繞“增強土壤無機氮供應能力，提高氮素供應形態與作物氮形態喜好的耦合程度”這一項目研究，張玉樹團隊與南京師范大學、英國洛桑試驗站、德國吉森大學等高校和科研院所開展長期合作研究，取得顯著科研成果：共獲授權國家發明專利2件，發表論文48篇。同行專家評審認為，該研究成果整體達到同類研究國際先進水平。

他們仍然在探索土壤中氮素秘密的路上，“目前我們調節土壤氮轉化過程的手段還不夠多，今后還需進一步創新調控技術，提高氮肥利用效率，同時還需進一步監測調控技術對土壤質量的影響”。

那是一道又一道專業且未知的門檻，但并非不可跨越。“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索！”

本報記者 林霞

關鍵詞： 破解土壤中的氮密碼 福建科技成果促肥料減