在玻璃溫室內(nèi)，張玉樹（右一）在講解土壤氮轉(zhuǎn)化過程。 林霞 攝

在永春蘆柑園，張玉樹（左二）指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)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(lǐng)團隊成員在農(nóng)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(yīng)過程調(diào)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(nóng)民卻仍要施用大量的肥料，來維持農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。土壤之中，到底隱藏著怎樣的秘密，讓土地“似肥實瘦”？

省農(nóng)科院土肥所研究員張玉樹帶領(lǐng)團隊采用15N同位素示蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)通過對土壤的調(diào)控，可提高土壤無機氮供應(yīng)能力，實現(xiàn)氮肥形態(tài)與作物氮喜好的耦合，可顯著增加作物產(chǎn)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(diào)控成為不同作物‘喜愛’的氮肥形態(tài)，才能讓它們盡情吸收。”張玉樹說。

基于此，他們根據(jù)我省果園、茶園、水田和旱地土壤無機氮供應(yīng)特征和作物氮素形態(tài)喜好，分別制訂了基于土壤無機氮供應(yīng)過程調(diào)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(chǎn)量逐年增加。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)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(chǎn)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(huán)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(jīng)濟損失，還會對空氣、土壤和水體造成污染，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的環(huán)保壓力。”張玉樹說。如，過量氮肥容易流失，是導(dǎo)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(dǎo)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(zhàn)實施方案》中提出，“十四五”期間，揮發(fā)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(xiàn)溫室氣體減排，是我省面臨的重要而又緊迫的任務(wù)。“減少氮肥的使用量，又能保證作物該有的營養(yǎng)吸收，即‘喂得少，卻吃得飽、長得好’，才是破解此題的關(guān)鍵。”張玉樹說。

早在10年前，張玉樹就開始關(guān)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(zhèn)人民政府掛職副鎮(zhèn)長。蘆柑，是永春農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。掛職伊始他就一心撲在永春縣的蘆柑園管理調(diào)研工作中。

福建土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤為主，有機質(zhì)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(nóng)卻說，老果園與新果園相比，樹體相似、產(chǎn)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(chǎn)量與質(zhì)量就下降了。”

這里產(chǎn)生了一個矛盾。傳統(tǒng)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(zhuǎn)化為無機氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）才能供作物使用。

張玉樹采用15N同位素示蹤技術(shù)，在微觀世界中追蹤氮素的流動“足跡”。“從有機氮，到銨態(tài)氮，再到硝態(tài)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(zhuǎn)化為無機氮，包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮在一定情況下也能變成硝態(tài)氮。這些反應(yīng)又是可逆的，導(dǎo)致這些調(diào)皮的“小家伙”根據(jù)“心情”變來變?nèi)ィ鼈兊?ldquo;心情”與環(huán)境、氣候、土壤酸堿度等都有關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為無機氮）速率。“就是說，土壤中的氮素‘形態(tài)轉(zhuǎn)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(dǎo)”土壤中的氮變成作物喜歡的無機氮形態(tài)，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(diào)理劑，增強土壤自身供氮能力，從土壤內(nèi)部挖掘氮肥減量增效空間。“這區(qū)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(shù)。”

初步掌握了“氮”密碼，但在實踐過程中很快又出現(xiàn)了另一個難題。

永春縣桃城鎮(zhèn)上沙村，雙峰山家庭農(nóng)場坐落于此，這里經(jīng)營茶果園面積超過200畝。2018年，負責(zé)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(zhuǎn)。

施了調(diào)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(nóng)田滲漏水和氣體排放情況，繼續(xù)使用15N同位素示蹤技術(shù)，進一步追蹤氮素去向。”

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(diào)理劑，銨態(tài)氮更多轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮極易隨水流失。”

因此，他們?yōu)橛昙局械墓麍@開出“新藥方”：施了調(diào)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(tài)氮流失。同行們發(fā)現(xiàn)，老姚家的肥料施少了，但產(chǎn)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(yīng)過程調(diào)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(diào)理劑處理的蘆柑和臍橙產(chǎn)量分別增加5.6%和6.3%；而同時配施土壤調(diào)理劑與硝化抑制劑的蘆柑和臍橙產(chǎn)量分別增加8.0%和13.5%。

雙峰山家庭農(nóng)場也成了遠近聞名的“領(lǐng)頭雁”：每年輻射帶動永春蘆柑種植新技術(shù)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(chǎn)的捷徑

自然界中，有些作物主要吸收銨態(tài)氮或硝態(tài)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(yǎng)吸收，也需要投其所好。張玉樹說，只要提高土壤中氮素供應(yīng)形態(tài)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(xué)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(tài)喜好特征，分別制訂了基于土壤無機氮供應(yīng)過程調(diào)控的氮肥減量增效模式。

得益于此，一筆又一筆“生態(tài)賬”“經(jīng)濟賬”很快從四方傳來：

水稻氮肥減量增效技術(shù)在泉州、三明、福州等地備受農(nóng)戶歡迎；茶葉氮肥減量增效技術(shù)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(shù)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(chǎn)8.5%、6.0%和7.5%以上，每畝新增經(jīng)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(fā)現(xiàn)了水田土壤獨特保氮機制和影響水稻氮吸收的關(guān)鍵過程，明確了有機物料、農(nóng)藥等對土壤無機氮供應(yīng)的影響，闡明了有機物料長期投入提高土壤無機氮供應(yīng)能力，提出了通過調(diào)節(jié)土壤內(nèi)部氮轉(zhuǎn)化過程來提高土壤供氮能力、調(diào)節(jié)供氮形態(tài)……

隨著土壤中氮素的面紗被揭開，更為科學(xué)的施肥藍圖也向農(nóng)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(diào)控土壤無機氮形態(tài)；“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(yīng)能力，提高氮素供應(yīng)形態(tài)與作物氮形態(tài)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(xué)、英國洛桑試驗站、德國吉森大學(xué)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(quán)國家發(fā)明專利2件，發(fā)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?nèi)匀辉谔剿魍寥乐械孛孛艿穆飞希?ldquo;目前我們調(diào)節(jié)土壤氮轉(zhuǎn)化過程的手段還不夠多，今后還需進一步創(chuàng)新調(diào)控技術(shù)，提高氮肥利用效率，同時還需進一步監(jiān)測調(diào)控技術(shù)對土壤質(zhì)量的影響”。

那是一道又一道專業(yè)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(guān)鍵詞： 破解土壤中的氮密碼 福建科技成果促肥料減