文献类型： 获奖成果

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获奖名称： 科技进步奖

获奖等级： 二等奖

关键词： 土壤;供应;养分;方法;理论;施肥;理论方法;研究;配比;养分供应;强度;土壤养分

第一完成单位： 山西省农业科学院农业资源与经济研究所

获奖时间： 2013

摘要： “基于土壤养分供应强度和配比的施肥理论方法研究”为山西省农业科学院博士基金研究项目，项目编号：YBSJJ0907。由山西省农业科学院农业资源与经济研究所完成。项目研究人员：褚清河、潘根兴、郭耀东、洪坚平、史海平、李晋凌、杜慧玲、刘珍玉、熊开业。 本项目属于农业-土壤施肥领域。 本研究项目，采用在研究作物最佳施肥期与有效施肥期的基础上，对有关施肥理论的问题进行研究的技术路线，针对土壤养分类型与最佳施肥比例、最大量与最低量条件下的最小因子效应研究、以磷定氮与氮磷最佳施肥比例条件下施肥量与产量的函数关系及最高产量施肥量的差异研究、施肥比例和施肥量对农产品品质的影响、土壤平衡与不平衡施肥对品种选育结果的影响及作物品种产量潜力水平的形成原理，在多种作物上进行田肥料试验，取得了如下成果： 1作物最佳施肥比例与量比线性极点养分平衡理论 土壤种植作物存在平衡与不平衡土壤养分类型，并具有相应的最佳氮磷或氮磷钾施肥比例。在最佳施肥比例条件下，作物产量随施肥量的增加呈线性增加，最大施肥量后这种关系转化为负相关关系。施肥比例的作用是调整作物苗期土壤供肥由不平衡供应转化平衡供应或保持原有土壤养分供应均衡性的同时提高土壤养分供应强度，而施肥量的作用则是提高作物苗期土壤氮磷钾养分的供应强度。 氮磷钾元素具有不同的施肥性质。作物要获得高产，氮磷在任何土壤养分含量水平下均需施用，而钾肥只有在缺乏即为最低量营养物质时才需与氮磷配合施用，否则就会降低产量水平，这是施肥的基本原则。作物的施肥效应在基本施肥原则下，通常表现为土壤养分类型上相应养分元素的组合施肥效应，这种组合效应决定着作物的稳产高产与农产品品质。 2作物品种产量潜力形成原理与苗期植株测定 作物平衡与不平衡营养遗传特性是品种的重要遗传性状，作物品种的平衡营养遗传特性主要表现为耐肥性及养分利用效率特性，即土壤养分平衡供应与较大供应强度条件下高效吸收利用养分的能力，它决定作物品种的产量潜力水平。作物高产品种对土壤养分吸收利用的差异，是品种自交系在土壤养分平衡条件下耐肥性与吸收利用效率较高营养基因型选择组合的结果。因此，平衡吸收土壤养分是品种的基本属性，其差异来自育种材料自交系；作物品种的不平衡营养遗传特性则是作物品种抗土壤养分不平衡供应的能力，它是在不平衡施肥条件下自交系选育及杂交进化的结果。在不平衡土壤养分条件下，品种具有对养分高效吸收的特性，但它对养分的利用效率较低，其抗养分不平衡性的差异在不平衡土壤养分条件下较易形成，但并不表现为品种产量潜力水平的显著提高。因此，品种间产量的显著差异为假性差异。由于作物品种的产量潜力水平主要表现为平衡施肥条件下对土壤养分的高效吸收利用，品种产量潜力水平高者，苗期植株氮含量一般也高，因此，通过盆栽方式，用作物苗期植株氮含量测定值可判断品种产量潜力水平的高低。 3作物施肥比例及施肥量试验方案设计 作物最高产量施肥量和施肥比例均是影响作物产量水平和品质的两个重要因素，也是同等重要的两个试验因子。最佳施肥比例只有和最大施肥量统一在一个施肥处理中时，才能获得作物品种和地力允许的潜在最高产量，因此，作物施肥比例试验必须保证氮元素的施用量为最大施肥量，才可获得最佳施肥比例的科学试验结果。作物施肥比例试验设计要遵循平衡和对等原则，所谓平衡和对等，就是氮高磷低和磷高氮低的养分类型，均以1：1.5的氮磷和磷氮比例在平衡土壤养分类型1：1的氮磷施肥比例的左右对等相应，氮磷比例的极差为0.5。在这里，氮磷施肥比例为1：1就好像温度计的零点，氮高磷低不平衡土壤养分类型上氮磷施肥比例1：1.5应是温度计的左边，而与它相反土壤养分类型（磷高氮低）的磷氮施肥比例1：1.5即在温度计的右边，它们与温度计中点的距离均为0.5，体现了施肥比例设计的对等原则。 施肥量试验则要和施肥比例试验统一在同一试验中进行，并且保证在最佳施肥比例条件下同时按最佳施肥比例增加施肥量，施肥量的极差通常为60 kg hm-2,这样才能保证试验遵从单一差异原则和处理间产量具有显著差异。施肥量试验可用来验证施肥比例试验氮用量是否准确，施肥比例试验可用来验证施肥量试验中施肥比例的准确性，否则试验结果就不能反映试验地块真实的施肥比例和施肥量。由于最佳施肥比例条件下施肥量和产量的函数关系可用两条相交直线表征，因此，最高产量施肥量可通过求解两条相交直线方程组的解获得。上述三个施肥比例涵盖了作物施肥可能出现的施肥比例范围，过去国内外施肥比例试验处理的氮磷施肥比例多数在1：1以下，自然不可能反映土壤种植作物实际要求的施肥比例。同时，过去无论以磷定氮还是以氮定磷的试验方法，均不遵从单一差异原则，因此试验结果科学性较差。 二）主要创新点 1、土壤养分类型与最佳施肥比例规律 土壤种植作物存在钾为最大量，土壤氮磷养分互为相对较高或均较钾为相对较低等的土壤养分类型，作物施肥就氮磷钾元素而言，施肥存在10种养分类型和相应最佳氮磷或氮磷钾施肥比例，而一定的土壤类养分类型种植特定的作物必然为其中一种。土壤种植作物具有特定的最佳施肥比例，是作物吸收利用土壤养分的普遍规律，它是由作物生长发育中按比例吸收与转化利用的内在规律决定的。施肥比例是与施肥量同等重要的施肥要素，它与改善产品品质和提高作物产量具有密切的关系。 2、边际产量并非呈递减规律 在最佳氮磷施肥比例条件和最大施肥量范围内，玉米边际产量基本为一常数，因此，施肥量与产量的函数关系并非抛物线关系，它是由玉米生长发育的内在规律决定的。它有利于我们重新认识我国粮食作物单位面积产量随施肥量增加每公斤肥料增产量呈递减规律的问题。对于通过科学创新解决粮食安全具有重要意义。 3、施肥研究中施肥量与作物产量为抛物线关系是一种误用 米采利希报酬递减律是在计算存在失误与试验没有考虑最佳施肥比例的试验方法下得出的结论。在最佳氮磷施肥比例条件下，玉米秸秆中的氮磷含量与施氮量呈显著线性相关关系，此时施氮量与玉米籽粒中的氮含量也呈线性相关关系，而氮磷施肥比例不合理时，施氮量与玉米籽粒中的氮磷含量并不呈线性相关关系，玉米产量也较氮、磷等比试验显著降低。因此，过去国内外通常认为施肥量与产量的函数关系为抛物线关系实际是一种误用。其误用的原因，一是没有考虑氮磷最佳施肥比例的问题，其次是没有能够通过施肥与养分吸收转化的内在关系对施肥量与产量函数关系进行物理定性研究。此外，试验在统计分析新复极差检验施氮处理间不具有显著性差异的前提下，盲目应用一元二次回归模型进行分析，结果形成函数效应方法的误用。 4、施肥量与产量的关系因存在的比例关系而异 土壤对作物的养分供应存在平衡和不平衡两种形式，不同土壤养分条件下养分的供应强度与其比例的关系决定作物产量的形成，养分供应量与产量的关系因存在的养分比例关系而异。在土壤养分平衡条件下的一定范围，养分供应量与产量存在线性关系，超过临界施肥量，这种关系演化为负直线相关关系，这种认识发展和充实了过去养分与产量的抛物线关系。 5、提出了作物施肥的基本原则 氮磷钾大量元素具有不同的施肥性质。氮、磷、钾是作物生长发育所需的大量营养元素，被认为是同等重要和不可代替的作物生长三要素，但它们具有不同的施肥性质。 土壤种植作物要取得高产，土壤氮磷养分无论是相对较高还是最低的情况下都需施用，而土壤钾素养分只有在缺乏时才需要与氮磷肥料配合施用。这对于生产中避免盲目施用氮磷钾三元素肥料具有重要意义。 6、作物品种高产潜力水平形成原理与苗期植株分析 现代常规育种认为，矮秆、直立、耐密植、抗倒伏、耐遮阴等是作物品种的主要高产性状，作物品种选育就是使具有某一高产性状的不同育种材料的基因重新组合与遗传到新品种中。但育种实践表明，这些性状并非和品种产量潜力水平具有线性相关关系，相反现代育成的高产品种，其高产性状并非一个模式，高秆或低密度品种也不乏具有很大高产潜力。如果影响育种高产潜力的因素和产量水平不具有线性相关关系，也就是说这些因素不是变量，而是一种适量变量，那么，这些因素（如矮秆、耐密植）达到最适量时，作物育种就不可能再提高品种的产量水平，育种学也就走到了终点。因此，作物品种的质量性状并非是影响作物品种产量潜力水平的主要因素，影响作物品种产量潜力水平的因素是品种的耐肥性及养分利用效率。作物品种的耐肥性及养分利用效率是一个变量，它是育种材料适应施肥环境进化与遗传的结果。作物品种耐肥性与养分利用效率每提高一个水平，作物品种的产量潜力水平也就相应提高一个水平，作物品种选育是自交系及杂交组合的耐肥性和利用效率在平衡施肥条件下进化与选择的遗传结果。 7、氮肥利用率与作物产量的关系 氮肥利用率高作物产量水平并不一定就高，只有氮肥利用率高而且作物的生理利用率也很高的情况下，作物的产量水平才可达到最高。目前专家普遍认为氮肥利用率为35%左右，实际这是在上世纪80年代种植品种和低氮肥施用量下的试验结果，在目前栽培品种和高氮肥施用量下，氮肥利用率一般可达到70%以上，但作物产量水平并不一定很高。玉米在目前栽培品种下施肥量达到150 kg hm-2（N150 P120）,由于氮磷比例不合理，虽然氮肥利用率达到70.7%，但由于氮素在作物体内的转化率较低，其生理利用率仅12.8%，因此，玉米产量水平仅为9818 kg mh-2；但在氮磷施肥比例合理的情况下，由于氮肥的吸收利用率均很高，因此，施肥量为60 kg hm-2（N60 P60）, 玉米产量水平达到10000 kg hm-2，氮肥利用率可达到81.5%，生理利用率达到31.4%，而施氮量达到120 kg hm-2（N120 P120），玉米产量达到10497 kg mh-2，显著高于施氮量为150 kg hm-2时的玉米产量水平。 8、马铃薯结球甘蓝最高产量与硝酸盐含量最低的氮磷比例 合理的氮磷施肥比例可有效提高农作物氮肥的利用率和生理利用率，实现作物高产和稳产。但蔬菜在产量和品质方面较农作物更具有特殊的比例规律。研究发现，氮磷配合施用可显著提高马铃薯和结球甘蓝的产量水平，前者的氮磷比例为1：0.667，而后者为1：1；在氮磷施肥比例和施用量合理的情况下，马铃薯和结球甘蓝并不会提高硝酸盐含量，硝酸盐含量最低的氮磷施肥比例均为1：1.5。研究为我国通过合理施用氮磷肥料降低蔬菜硝酸盐含量提供了理论基础。