东北黑土长期试验及增施有机肥和秸秆覆盖还田土壤有机质提升技术
长期以来，我国习惯藏粮于仓、藏粮于民、以丰补歉。然而，耕地占补质量严重失衡，耕地总体质量下降已经成为提高粮食生产能力的障碍。对此，社会对藏粮于地、藏粮于技的呼声越来越高，2016年中央一号文件也聚焦到该战略。
“过去粮食生产下来要存在粮仓里，现在要求重视土壤肥力的培育。土壤肥力提高了，粮食生产能力才能提高，作物高产才能实现，这就是藏粮于地。”中国农业科学院农业资源与农业区划所副所长徐明岗研究员向《中国科学报》记者介绍，耕地质量的核心是土壤肥力，而土壤肥力最基础最主要的指标是土壤有机质。
日前，《中国科学报》记者在采访中了解到，徐明岗团队经过30年的联网研究与实践验证，通过探明土壤有机质的演变规律，首次揭示了土壤有机质提升与作物高产稳产的定量耦合关系，创建了具有区域特色的有机质提升的关键技术，并大面积示范和推广应用，经济和生态环境效益显著。该成果获得了2015年国家科技进步奖二等奖。
土壤有机质与化肥超量使用
土壤有机质是土壤中最活跃的部分，是土壤肥力的基础。而我国农田土壤有机质含量整体水平偏低，严重制约我国农业的高产稳产和可持续发展。
“目前仅为欧洲同类土壤的1/3到1/2。” 徐明岗表示，有机质含量低导致作物高产的化肥依赖性强，过量化肥的施用对国家生态安全和环境安全造成了严重的威胁。
据国家统计局数据，2013年我国农业化肥施用量为5912万吨，按农业种植面积(包括果园等在内)计算，化肥用量为每公顷322公斤，远高于世界平均水平，分别是美国的2.6倍和欧盟的2.5倍。
2015年，国家提出了“一控两减三基本”，按照求，到2020年化肥农药的使用量要实现零增长。
“化肥减量不等于肥料减量，化肥减下去，有机肥必须要补上去。”江西红壤研究所研究员黄庆海向《中国科学报》记者表示，有机质含量的提升与国家化肥减量政策是一致的。
针对以上问题，该项目组在东北、华北、西北、南方旱地和水田5大粮食产区，从20世纪80年代开始，布置40多个长期定位试验，开展300多个典型农户长期监测试验，揭示了我国集约化农田土壤有机质变化具有明显的阶段性和区域性的特点。
在东北地区监测观察显示，该地区开垦前有机质处于较高水平，开垦后有机质下降是一个必然的过程，开垦后的前30~40年有机质处于快速下降期，开垦至今有100多年的历史，目前下降速率处于较低的平衡期。
“西北、华北和南方旱地，有机质处于较低水平，维持投入水平较低，随着作物单产逐渐提高，作物根茬归还量也相应增加，有机质水平稳定上升。”徐明岗介绍，由于近30年化肥大量施用，有机肥投入比例低，有机质上升速率较慢。
而南方水田由于特殊的淹水环境，以及近年来高产水稻的大面积推广应用，作物残茬归还量较大，质稳定增加。
南方红壤典型长期试验及改良剂和轮作改良土壤酸性快速提升土壤有机质技术
有机质提升与有机肥科学实施
徐明岗认为，在我国人口不断增加的情况下，要实现粮食持续增长，减缓环境压力，土壤有机质提升的需求十分迫切。
我国农民施用有机肥料有着悠久的历史，老百姓都知道施用有机肥作物长势好、产量稳、抗性强。有关土壤有机质提升与作物增产稳产的研究偶只处于定性的研究水平上。究竟如何科学施用有机肥仍是一个悬而未决的问题。
“但由于广大农民缺乏有机质提升的技术原理和知识，不知道施用多少秸秆或有机肥能维持有机质不下降，不知道施用多少秸秆或有机肥能提升多大幅度。”中国农科院农业资源与区域规划所副研究员张文菊告诉《中国科学报》记者。
该项目通过大量田间定位试验的联网研究，明确了不同区域有机物料的长期利用效率，从而解决了不同区域土壤有机质维持和提升中有机物料究竟还多少的问题。
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有机质提升与作物高产稳产
土壤有机质是土壤肥力的核心指标，不仅是土壤养分的重要载体，也是土壤微生物的能量源，直接影响土壤养分的转化和供应。“土壤有机质与作物高产稳产关系非常密切。”张文菊表示。研究成果表明，有机质含量低的土壤无论如何施肥也难以大幅度增加产量。有机质提升后土壤微生物活性提高，相应促进土壤养分的转化，提高养分的有效性供应强度，进而促进作物的吸收，实现作物高产和稳产。
徐明岗介绍，该项目成果首次确定了不同区域土壤有机质提升与作物增产稳产的量化关系，即通过长期的联网研究，获得不同区域每提升一个单位有机质作物的增产量。这也是该成果的重要创新之一。
该项目组调查研究证明，在当前生产水平下，土壤有机质每提升1个单位有机质，三大粮食作物平均可增产47～66 公斤/亩，稳产性提高5%～8%。
“根据该成果中不同区域土壤有机质的适宜值以及有机质与产量的定量关系，确定不同区域有机质的提升目标，以有机物料的长期利用效率确定有机物料的投入量，从而实现有机质的定量提升，该成果进一步证实有机质提升对全国作物增产的贡献率将近10%。”徐明岗说。
事实上，影响农田土壤有机质提升的主要可控限制因素为有机物料投入量、土壤水分、温度和pH值等。
“目前的管理模式下，我国农田土壤有机质提升的第一驱动因素仍然是有机物料的投入量，这也是最根本的。”张文菊表示，土壤的环境条件如土壤湿度、温度和酸碱性是影响有机物料利用效率的重要的外部因素。
张文菊进一步解释道，在投入量超过有机质的维持投入后，适宜的土壤水分、温度和pH值能提高有机物料的利用效率，从而有效地提升土壤有机质水平。
区域性技术模式的创新与推广
在我国，人多地少，农田集约化强度大，利用度高，得不到休养生息，有机质消耗大;另一方面，在目前现行的农业管理模式下，化肥依赖大，有机物还田与投入不足。
据介绍，该项目针对区域有机质的特点和生产实际中存在的突出问题，集成具有区域特色的有机质提升技术模式，创新集成5类13种具有区域独特性和适宜性的土壤有机质提升技术模式。其中增施有机肥和秸秆还田最受推崇。
徐明岗举华北以氮增碳双还技术模式为例，该模式采用氮肥基肥重施、控磷减钾，机械化小麦秸秆条带覆盖的核心技术，同时采用玉米秸秆粉碎深耕翻压的配套技术，解决华北区域秸秆量大、碳氮比高、旋耕浅导致的腐解效率低、还田后跑墒及影响作物出苗等问题。
据了解，项目成果不仅通过与农业技术推广部门的合作，开展相关的技术培训和媒体宣传，而且还依托长期施肥试验基地，建立试验示范区，通过试验示范、现场观摩、技术培训/专题讲座、资料发放等形式带动农业种植大户及农户，采纳相关有机质提升关键技术及技术模式。
近3年来，技术模式主要在黑龙江、吉林、河南、河北、山东、山西、陕西、四川、湖南、湖北、广西、安徽、江苏等13个省区累计示范和推广面积10672万亩。
“不仅显著提升了土壤肥力，促进了作物增产；也产生了显著的生态环境效益，促进了秸秆等有机废弃物资源的高效利用，增强了土壤固碳能力，提升了土壤肥力状况，改善了土壤的缓冲性能和抗逆性。”徐明岗说。
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