作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/12 14:53:57
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减氮40%,这种植物不得了

 

在乡野田陌里,总能看到一种红红紫紫的小花,连成片,犹如飘落的云霞,随风摇曳,煞是美丽。它们被称为紫云英,又名红花草籽。在许多人儿时的记忆里,它和水稻一样重要,作为水稻相伴的肥田利器。

在绿色可持续发展理念的引领下,人们更加看重农产品质量安全,农田生态环境水平急需大幅度提升,以紫云英为代表的绿肥再度“翻红”。我国南方稻区越来越多的土地种上了绿肥作物,耕地质量连年提升,农田生态环境逐步优化。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所(以下简称中国农科院资划所)历时15年的研究力证了绿肥是培肥地力的宝藏资源。近日,相关研究成果发表在《资源,节约和循环利用》(Resources, Conservation & Recycling)上。

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紫云英田间示范场景   曹卫东摄

让丢失的农耕文明重返舞台

近些年,由于化肥投入不合理,农田养育不够,导致面源污染、耕地质量下降、土壤板结等。

那么,如何解决耕地可持续健康利用的问题?中国农科院资划所研究员曹卫东把目光聚焦在绿肥这种传统农业智慧上。

“绿肥是我国农耕文明的一个典型,在80年代之前,主要是用绿肥、农家肥来种地养地。我国利用绿肥的历史甚至可以追溯到3000多年前,而且民间一直有‘绿肥种一年,三年田不瘦’‘花草种三年,瘦田变肥田’的说法。”曹卫东在接受《中国科学报》采访时介绍。

何为绿肥?绿肥指的是以豆科作物为代表的固氮养地植物,例如紫云英、苕子等,这些植物富含养分和有机物,在适当时期翻压归还土壤,它们分解后可以增加土壤有机质,为作物供应生长所需的养分。同时,由于绿肥的生长,能很好地改善土壤性状及土壤生态。

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把绿肥作物翻压还田   受访者供图

但是,由于绿肥需要播种、翻压和管理,很多农民都嫌麻烦。到80年代以后,简单又高效的化肥一登场就迅速抢占市场,给传统绿肥带来了很大冲击,致其逐步跌到历史低谷。

在我们淡忘这种有益于生态的绿肥时,日本、韩国每年都会从我国进口大量的紫云英、苕子等绿肥种子,用来调节土壤、美化农田,为农作物提供养分。

“是时候恢复过去的农耕文明了!”在曹卫东看来,要想恢复养地,还得靠绿肥这种天然的肥料“加工厂”,而且要把绿肥与新时代人们的生产生活方式合理嫁接,成为行之有效的手段。

“在我国南方稻区,可以用于发展绿肥的冬闲田面积约1.5亿亩,绿肥-水稻轮作系统能够合理利用冬春季节的光温水热资源,实现节肥增产和提升耕地质量。”曹卫东说。

除了冬闲田外,我国还有大量的季节性休闲农田,有可用来间套作养地作物的中低产田和大面积果茶园等资源,总量大约7亿亩,另有大量有潜在利用价值、难以有效利用的边际土地。它们都是绿肥能发挥用武之地的“舞台”。

随着生态意识的觉醒,加之愈演愈烈的土壤退化危机,一度被遗忘的绿肥重新进入公众视野。在绿肥行业专项和绿肥产业技术体系的支持下,南方稻区陆续设立了一批绿肥-水稻定位试验点,同时开展了大量田间示范,让部分有远见的农户对绿肥的接受程度不断提高,绿肥种植逐渐回温。

历经15年的科学验证

土壤肥不肥、好不好,需要研究数据说话。绿肥在增产、节肥、培肥土壤、减轻环境负担方面的贡献及其机制急需大区域尺度上的研究与量化。

但土壤肥力、土壤环境质量变化是一个动态且缓慢的过程,只有通过多年的长期定位试验才能得出有说服力的结论。而且时间越长,研究的科学价值和对决策的支撑度就越高。

所以,曹卫东带领团队从2008年开始便对绿肥进行研究。15年里,他们在南方8个省、14个点,开展40个定位试验,即在固定的地点连续观测种植翻压绿肥的土壤培肥效果,并从多年、多点、长期角度量化稻田绿肥的节肥增效潜力。

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长期定位试验田间场景   受访者供图

他们通过分析数千个研究数据发现,相比冬闲稻田单施化肥,冬种绿肥不减氮和减氮20%,稻谷产量分别增加5.7%和3.8%,相应的氮肥利用率提高7.8%和12.6%。当减氮40%时稻谷稳产,氮肥利用率提高15.8%。在完全不施氮肥的情况下,稻谷产量可达到常规施肥时产量的81.1%。

“我们综合分析得出,稻区绿肥潜力面积为约1.5亿亩,在稳产前提下,每年节氮潜力为约49.8万吨纯氮。”曹卫东说。

这可是了不得的数据,因为我国是世界上最大的氮肥生产国和消费国,每年我国氮肥用量约2600~2800万吨(纯氮)。长期大量特别是不合理施用氮肥,造成环境负担、农田土壤退化等问题,绿肥的节氮以及耕地养育能力或将是力挽狂澜的“特效”手段。

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绿肥减肥增效田间定位试验   曹卫东摄

不仅节氮,绿肥被证实了还能有效提升稻米营养品质。相比冬闲稻田单施化肥,绿肥与化肥配施节氮40%的前提下,稻米总氨基酸和人体必需氨基酸含量分别提高62.6%和30.7%,其中异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸分别提高290.6%、37.5%、54.0%和128.0%。

大量定位试验及研究数据的积累,为从区域层面上量化绿肥效应提供了条件,这项研究系统明确了稻田绿肥的“藏粮于地”效应,为绿肥在农业高质量发展中的重要作用提供了理论支撑。

“在绿肥的滋养下,我国稻田完全可以用更少的氮肥生产出更多更高品质的稻米。”曹卫东表示。

助力农业减排固碳

“十四五”时期,我国生态文明建设步入以降碳为重点的新阶段,为支撑新时期绿色高质量发展,农业不仅可以也应该主动为国家的“双碳”战略做贡献。

绿肥不只是化作春泥更护田,保障国家粮食安全和农业绿色发展,还能助力农业减排固碳。温室气体减排和养分减损是发挥绿肥生态功能的重要部分。

为了量化绿肥对碳、氮足迹以及氮素损失的影响,研究团队应用过程模型和生命周期评价方法,分析了各省的碳、氮足迹以及活性氮损失。发现冬种绿肥配施减量40%和60%的化肥,碳足迹分别降低30.81%和36.09%,氮足迹分别降低9.65%和23.28%。

研究表明,氨挥发和氮素淋失是稻田活性氮损失的主要途径,分别占活性氮损失的57.53%和36.31%。通过冬种绿肥配施减量40%和60%的化肥,活性氮损失分别降低19.18%和32.86%,氨挥发分别降低18.28%和38.00%,氮淋失分别降低21.29%和26.85%。

新时代对农田质量提出了新要求,也为绿肥发挥大作用提供了新机遇。

“未来,绿肥将在耕地质量提升、农田生态改善等方面发挥内源驱动作用,高效保障‘农田必须是良田’,为中国人端牢中国饭碗贡献绿肥力量。”曹卫东说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107025

 
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