陳 欣 張旭東 宇萬太 梁文舉 何紅波 郭書海 沈善敏

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站 沈陽 110016

遼河平原是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，是我國溫帶農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。遼河平原具有較強(qiáng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，在國家糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。但是，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，耕地資源數(shù)量不斷減少。并且，在現(xiàn)有耕地資源中，長期集約化的高強(qiáng)度利用，造成了土壤退化嚴(yán)重，土壤板結(jié)、鹽堿化加劇，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，營養(yǎng)元素不平衡等多種問題，農(nóng)田土壤的“變旱、變瘦、變薄”已嚴(yán)重影響遼河平原農(nóng)業(yè)的綜合生產(chǎn)能力。因此，圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心問題，在沈善敏研究員等老一輩農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家和土壤學(xué)家的不斷努力下，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所于 1987 年在遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)建立了中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（以下簡稱“沈陽站”）。沈陽站秉承英國洛桑研究站的土壤肥力演變長期定位研究理念[1]，開展了長期的多組、多類型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)定位實(shí)驗(yàn)研究，以探明遼河平原與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的養(yǎng)分循環(huán)、收支、轉(zhuǎn)化和遷移的關(guān)鍵過程和農(nóng)田土壤肥力演變規(guī)律[2]。同時(shí)不斷結(jié)合新型肥料研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，堅(jiān)持土肥高效管理，通過理論創(chuàng)新、技術(shù)模式的創(chuàng)建和示范推廣，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

1 揭示了不同養(yǎng)分管理模式下農(nóng)田潮棕壤綜合肥力的演變規(guī)律，為遼河平原旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥制度的優(yōu)化和管理模式的改善提供了理論依據(jù)

建站伊始，沈陽站即布設(shè)了一系列養(yǎng)分管理定位實(shí)驗(yàn)（圖1），通過明確不同養(yǎng)分循環(huán)和管理模式對關(guān)鍵肥力指標(biāo)（包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和土壤 pH 值等）的影響，探討了土壤綜合肥力的長期演變規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制。經(jīng)過 20 余年的不同養(yǎng)分管理后（圖2），農(nóng)田土壤綜合肥力指標(biāo)在化肥施用后均有所降低，其中降低最為明顯的是無養(yǎng)分輸入處理和單施氮肥處理。氮磷鉀均衡施用和有機(jī)肥有利于緩解土壤綜合肥力指標(biāo)的降低，但僅在化肥氮磷或氮磷鉀均衡施用并配以循環(huán)有機(jī)肥的條件下才能使綜合肥力得以維持或略為升高。因此，傳統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)再利用（廄肥、循環(huán)有機(jī)肥）對旱作農(nóng)田土壤培肥作用顯著，但 20 余年的研究結(jié)果也表明，單施循環(huán)有機(jī)肥無法達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。隨著化學(xué)氮肥的施用以及磷、鉀肥配合施用，作物產(chǎn)量明顯提高，證明化肥的速效性對維持作物產(chǎn)量具有重要作用，但不均衡的化學(xué)養(yǎng)分輸入模式也無法達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)，形成“短板”效應(yīng)，限制農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高。養(yǎng)分循環(huán)再利用對無機(jī)養(yǎng)分具有重要的補(bǔ)充作用，可在一定程度上彌補(bǔ)土壤養(yǎng)分虧缺，因而有機(jī)肥與無機(jī)肥配施更利于作物產(chǎn)量的穩(wěn)定?？梢姡词乖诂F(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理模式下，化肥和有機(jī)肥也具有不可替代性。在施用化肥基礎(chǔ)上配以循環(huán)有機(jī)肥，以有機(jī)肥形式補(bǔ)充農(nóng)田氮磷鉀及微量養(yǎng)分，在提高農(nóng)業(yè)廢棄物利用效率的同時(shí)，對于維持土壤養(yǎng)分收支平衡、穩(wěn)定作物產(chǎn)量、提高肥料利用效率具有明顯作用。遼河平原潮棕壤不缺磷且相對富鉀，氮是限制作物產(chǎn)量的主要因子。因此磷、鉀用量應(yīng)以滿足作物需求為標(biāo)準(zhǔn)，再配合循環(huán)有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)氮磷鉀收支略有盈余的施肥模式，構(gòu)建適宜的土壤養(yǎng)分庫，從而維持長期的養(yǎng)分元素供需平衡[3]。

2 建立了肥料氮素微生物同化過程的評價(jià)方法，明確了肥料氮素保持和轉(zhuǎn)化的驅(qū)動機(jī)制，為構(gòu)建農(nóng)田土壤氮素高效利用的管理模式奠定了理論基礎(chǔ)

圖1 養(yǎng)分循環(huán)與管理長期定位實(shí)驗(yàn)

圖2 不同養(yǎng)分管理對農(nóng)田潮棕壤綜合肥力的影響

長期以來，氮素高效利用都是農(nóng)田潮棕壤土壤肥力管理的核心問題。由于外源無機(jī)氮素向土壤有機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化是由微生物驅(qū)動的生物化學(xué)過程，只有加強(qiáng)肥料氮的微生物同化，才能減少無機(jī)氮在土壤中的積累，降低肥料氮素的損失風(fēng)險(xiǎn)。為突破評價(jià)外源氮素微生物的持續(xù)轉(zhuǎn)化特性的方法學(xué)瓶頸，依托于沈陽站的15N 同位素示蹤長期定位試驗(yàn)，利用穩(wěn)定微生物標(biāo)識物（氨基糖）的“記憶效應(yīng)”，建立了肥料氮素微生物同化過程的評價(jià)方法，從而定量指示肥料氮素的長期微生物轉(zhuǎn)化過程和積累能力[4]。當(dāng)平衡有效的能源、碳源和營養(yǎng)物質(zhì)加入到土壤中后，微生物數(shù)量及其代謝活性迅速增加，同時(shí)伴隨大量的微生物代謝物（如氨基酸）和殘留物（如氨基糖）在土壤中積累，并可通過解聚礦化過程為作物和微生物持續(xù)提供可利用氮素，具有可高度循環(huán)性的氮素是土壤“有效氮過渡庫”的重要組成部分[5]。土壤微生物通過體內(nèi)周轉(zhuǎn)途徑中的“碳泵”增強(qiáng)“續(xù)埋效應(yīng)”，從而實(shí)現(xiàn)對土壤養(yǎng)分同化的貢獻(xiàn)[6]?！斑^渡態(tài)”氮素的解聚、礦化過程受土壤氮素水平的反饋調(diào)節(jié)。作物利用導(dǎo)致的土壤有效氮素含量下降是啟動過渡態(tài)有機(jī)氮解聚過程的必要條件，因而其礦化過程與作物需要相吻合，可滿足當(dāng)季作物生長及后茬作物的氮素需求。因此，通過微生物能源和碳源調(diào)控手段，提高土壤中有機(jī)質(zhì)的積累以及改善有機(jī)質(zhì)活性，可提高無機(jī)氮素向“過渡態(tài)”氮素的轉(zhuǎn)化速率，增加“過渡態(tài)”有效氮素的容量，通過“以碳控氮，碳氮平衡”的過程控制，最終降低土壤氮素的損失（圖3）。經(jīng)過 10 年的覆蓋秸稈 -15N 肥料示蹤實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了土壤“有效氮過渡庫”對肥料氮素轉(zhuǎn)化和作物利用的調(diào)控作用。覆蓋秸稈通過促進(jìn)微生物同化作用顯著增加了肥料氮素在土壤中的殘留，肥料氮素在耕層殘留的顯著增加促進(jìn)了肥料氮素的再利用，降低了肥料氮素的淋失風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 土壤有機(jī)有效氮素過渡庫的核心理論

3 建立了雨養(yǎng)旱地農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作綜合配套栽培技術(shù)體系，為區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了科技支撐

針對東北平原資源、環(huán)境約束不斷加劇的問題，以沈陽站的農(nóng)田廢棄物高效利用技術(shù)為核心，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所和梨樹縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站于 2007 年在梨樹縣高家村建立了東北地區(qū)第一塊玉米秸稈覆蓋栽培技術(shù)試驗(yàn)示范基地，面積為 15 公頃，在東北地區(qū)開展玉米秸稈全覆蓋保護(hù)性耕作技術(shù)研究成果在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用（圖4）。經(jīng)過 10 年的探索，通過立桿分解、秸稈歸行和適時(shí)深松等技術(shù)模式的完善，建立了適合當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件的免耕秸稈覆蓋技術(shù)，在東北旱作農(nóng)區(qū)已形成“梨樹模式”和免耕機(jī)械發(fā)展相互促進(jìn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。秸稈覆蓋免耕技術(shù)體系不僅可以遏制土壤退化，同時(shí)可以抗旱保墑、增加土壤蓄水保水能力、減少土壤風(fēng)蝕水蝕，具有顯著的綜合生態(tài)環(huán)境效益，也是東北地區(qū)現(xiàn)代化和規(guī)?；r(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。為加快科研成果的轉(zhuǎn)化與推廣應(yīng)用，沈陽站和梨樹縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站、東北黑土地保護(hù)與利用科技創(chuàng)新聯(lián)盟等單位和組織密切配合，建立并完善了“五位一體”的研究推廣機(jī)制，即科研單位、大專院校、技術(shù)推廣部門、農(nóng)機(jī)制造企業(yè)、農(nóng)機(jī)作業(yè)組織（如農(nóng)機(jī)合作社、農(nóng)機(jī)作業(yè)隊(duì)等）五類機(jī)構(gòu)整合，在吉林、遼寧、黑龍江三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行了秸稈覆蓋免耕技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)了新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)在東北地區(qū)的全面發(fā)展，為東北地區(qū)耕作制度改革奠定了良好的基礎(chǔ)（圖5）。至 2017 年，推廣面積已達(dá) 150 萬畝，每年可為農(nóng)民增加經(jīng)濟(jì)效益 2 億元。尤其在 2018 年春旱嚴(yán)重的東北地區(qū)，和常規(guī)坐水播種相比，玉米秸稈覆蓋免耕成為干旱和風(fēng)沙地區(qū)春播生產(chǎn)的一個(gè)突出亮點(diǎn)，成為綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的排頭兵。

圖4 中國科學(xué)院保護(hù)性耕作研發(fā)基地（吉林省梨樹縣）

圖5 秸稈覆蓋播種出苗情況和機(jī)械播種

沈陽站所開展的示范推廣工作，不僅取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也產(chǎn)生了極大的社會影響。中央電視臺英文頻道于2015年巴黎氣候變化大會前夕播出了沈陽站在吉林省梨樹縣保護(hù)性耕作研發(fā)基地進(jìn)行的“機(jī)械化秸稈覆蓋免耕技術(shù)”的研究成果①http://english.cntv.cn/2015/12/04/VIDE1449204843910183.shtml.。該報(bào)道認(rèn)為，該項(xiàng)研究成果為秸稈利用提供了新思路和新方法，不僅解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)高效問題，同時(shí)為我國進(jìn)行農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)和霧霾防控提供了思路。2015年12月19日，中央電視臺《焦點(diǎn)訪談》欄目再次報(bào)道了沈陽站“機(jī)械化秸稈覆蓋免耕技術(shù)”研究成果的應(yīng)用情況②http://tv.cntv.cn/video/C10326/e9ce1cef9b284a2b9b0667a16010f6.，報(bào)道認(rèn)為該研究成果“接地氣”，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，加速了農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程，應(yīng)加大研究力度及示范推廣面積。2016 年農(nóng)業(yè)部官方網(wǎng)站也撰文指出“梨樹率先解決黑土地土壤退化世界性難題”。按照中國科學(xué)院對特色研究所的要求，以服務(wù)地方為指導(dǎo)思想，沈陽站將繼續(xù)推進(jìn)免耕秸稈覆蓋技術(shù)，為東北地區(qū)耕作制度改革及黑土可持續(xù)利用提供理論和技術(shù)支持。

4 研發(fā)推廣環(huán)境友好型穩(wěn)定性肥料，為實(shí)現(xiàn)肥料減施增效、降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)作出了重要貢獻(xiàn)

土肥一體化管理不僅通過土壤培肥措施提高土壤保肥供肥能力，同時(shí)通過生物化學(xué)抑制劑的使用，使肥料養(yǎng)分釋放特征更加適應(yīng)作物對養(yǎng)分的需求規(guī)律。早在 1998 年，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所張志明團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新性工作“新型肥料——長效碳酸氫銨的研制與應(yīng)用”獲得了國家科技進(jìn)步獎二等獎，2008 年“長效緩釋肥料研制與應(yīng)用”再次獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎，彰顯了沈陽站在以抑制劑為核心的新型肥料的研發(fā)工作中一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平；并且近年來已有多項(xiàng)專利轉(zhuǎn)讓，經(jīng)費(fèi) 500 余萬元（圖6）。由沈陽站與施可豐化工股份有限公司、國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海）等牽頭制定的《中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性肥料》（GB/T35113-2017）通過國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)，并于 2018 年 7 月1日正式實(shí)施。

隨著生物化學(xué)抑制劑引入農(nóng)業(yè)，肥料氮在土壤-作物系統(tǒng)中的留存形態(tài)與時(shí)間均隨之改變，從而顯著影響肥料氮在土壤中的保存及后續(xù)供應(yīng)過程，養(yǎng)分損失減少，利用率提高[7,8]。硝化抑制劑和脲酶抑制劑有利于提高銨態(tài)氮肥的固定和肥料氮素向有機(jī)氮庫的轉(zhuǎn)化[9]，對氨揮發(fā)、硝化反硝化引起的 N2O 排放、NO3?的淋溶以及綜合溫室氣體排放指數(shù)產(chǎn)生了顯著的影響[10]，顯著降低農(nóng)田面源污染風(fēng)險(xiǎn)[11-13]。作為穩(wěn)定性肥料產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟的發(fā)起單位，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所及沈陽中科新型肥料有限公司以沈陽站為窗口，加強(qiáng)農(nóng)化服務(wù)，將科研成果通過網(wǎng)絡(luò)化示范，快速轉(zhuǎn)化為廣大農(nóng)民的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。新型穩(wěn)定性肥料、新型生物有機(jī)肥、作物專用肥料和生物碳基肥料等增效肥料在沈陽站的長期實(shí)驗(yàn)表明，在遼河平原地區(qū)開發(fā)和使用的改性肥料對肥料利用率的提高及增產(chǎn)增效貢獻(xiàn)顯著。和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平（200—240 kg ha?1）相比，在肥料減施 20%—25% 條件下可獲得相當(dāng)產(chǎn)量，平均每畝增加收益 100—200 元（圖7）。在全國 20 個(gè)省、直轄市和自治區(qū)推廣面積 3.7 億畝，平均增產(chǎn) 11.3%，減少肥料施用 10%—20%，創(chuàng)造效益 150.1 億元。

5 深入解析農(nóng)田土壤鎘污染來源，為實(shí)現(xiàn)重金屬污染源頭防控和污染土地安全利用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

圖6 沈陽站專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓和企業(yè)合作

沈陽作為我國傳統(tǒng)的工業(yè)基地，“三廢”排放中重金屬濃度較高，污灌區(qū)土壤污染嚴(yán)重。重金屬在土壤中長期滯留，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)巨大。同時(shí)，由于城鎮(zhèn)化的快速進(jìn)行，資源、環(huán)境約束加劇，污染土地安全利用已成為遼寧省“凈土工程”的核心問題。沈陽站的郭書海研究員建立了遼寧省土壤鎘（Cd）污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并制定了數(shù)字化區(qū)域防控方案。同時(shí)在典型的城市工業(yè)與農(nóng)業(yè)污染的疊加區(qū)（沈陽站新民屯站區(qū)），通過建設(shè)地塊化、信息化、污染物物流過程精準(zhǔn)控制的現(xiàn)代化科研樣地，為城郊重金屬污染農(nóng)用地安全利用與農(nóng)產(chǎn)品安全保證提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與科技支撐。利用土壤重金屬通量估算模型，通過均值分析比較輸入、輸出途徑中各要素的貢獻(xiàn)，可以看出農(nóng)田土壤鎘污染的主要來源為灌溉水，這是造成農(nóng)田污染的首要原因（圖8）。隨著采取相應(yīng)措施對灌溉水進(jìn)行治理，其對灌區(qū)污染的貢獻(xiàn)幅度將開始降低。其次是大氣干濕沉降，二者所占比例為 42.6%。由于灌區(qū)附近化工冶煉、燃煤取暖等活動頻繁，霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，大氣干濕沉降將會成為農(nóng)田鎘污染來源的主要途徑。農(nóng)田系統(tǒng)中鎘元素的輸出，作物收割占有絕對主要地位，通過水稻植株地上部分帶出農(nóng)田系統(tǒng)的鎘量占整個(gè)輸出途徑的 89.8%。

圖7 常規(guī)施肥和長效肥、專用肥的施用效果對比

圖8 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中鎘的輸入、輸出途徑及貢獻(xiàn)率

針對我國因環(huán)境污染引起的農(nóng)產(chǎn)品中重金屬超標(biāo)、進(jìn)而造成農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)等問題，郭書海提出了協(xié)同管控農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的建議，從統(tǒng)籌考慮土壤和農(nóng)作物兩個(gè)因素、建立農(nóng)作物吸收/積累重金屬的指標(biāo)體系、協(xié)同管控農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等角度，提出了建議和措施。在農(nóng)田生態(tài)管理上，應(yīng)開展針對不同土壤理化性質(zhì)、不同土壤環(huán)境質(zhì)量的農(nóng)作物種植適宜性評估與等級劃分，優(yōu)選可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的種植品種，制定分類、分區(qū)的種植規(guī)劃，開展典型區(qū)的協(xié)同管控技術(shù)示范，完善農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全保障體系，切實(shí)推進(jìn)遼寧省“凈土工程”的有效實(shí)施。

6 結(jié)語

沈陽站自 1987 年建站以來，圍繞東北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境中的核心問題，開展了長期而卓有成效的科學(xué)研究、技術(shù)研發(fā)和示范推廣，為保障國家糧食安全，提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作出了重要貢獻(xiàn)。針對東北地區(qū)土壤退化和生態(tài)環(huán)境惡化的關(guān)鍵問題，利用長期定位實(shí)驗(yàn)，揭示了不同養(yǎng)分管理模式下農(nóng)田潮棕壤綜合肥力的演變規(guī)律；通過在理論上構(gòu)建農(nóng)田土壤“以碳控氮，碳氮平衡”的管理模式，建立了雨養(yǎng)旱地農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作綜合配套栽培技術(shù)體系，促進(jìn)了農(nóng)村耕作制度和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，為區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了科技支撐。沈陽站多年來堅(jiān)持土肥一體管理，研發(fā)和推廣穩(wěn)定性肥料，遏制土壤退化，為實(shí)現(xiàn)肥料減施增效、降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)作出了重要貢獻(xiàn)。未來，沈陽站要全面貫徹綠色發(fā)展理念，兼顧農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，在中國科學(xué)院“率先行動”計(jì)劃指導(dǎo)下，為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。