中加合作实验室在北方平衡施肥中的作用

中加合作实验室在北方平衡施肥中的作用作者：吴荣贵程明芳杨俐萍金继运---中国农业科学院土壤肥料研究所内容提要：本文描述了土壤养分状况系统测定法在平衡施肥中的应用。该法采用容量称量法，其取样速度数倍于甚至十几倍于重量称量法。容量称量法的另一个长处是不涉及在重量称量法中需要的用容重来换算土壤体积。此法能直接使不同土壤在同一耕层深度中的养分含量有可比性，并且得知单位面积的肥料用量。通过用土壤养分状况系统测定法对中国北方黑龙江、吉林、辽宁、天津、山东、河南、陕西七省市土壤的试验，找出主要限制产量因子，针锋相对地提出适宜的施肥方案，使农民的产量提高、生产成本降低，而且提高农作物品质、防止环境污染。1.引言在加拿大钾磷研究所中国项目部和中国农业科学院土壤肥料研究所共同支持下，我们于1990年在北京成功地建立了中-加合作土壤植物测试实验室。实验室中的全套设备和技术由美国国际农化服务中心（ASI）引进。中-加合作实验室的特点：土壤和植株样品均采用批处理，明显提高了工作效率，分析速度快，用工少（整个实验室只需1~2位操作人员即可），管理系统化。样品的前处理及分析的快速性在国内均属一流。中-加合作实验室的主要宗旨：为科技、教育、推广、生产等部门提供高效、快速、准确的服务。众所周知：植物生长所必需的主要元素除来自大气或水中的碳、氢、氧外，还有来自土壤中的大量元素氮、磷、钾，中量元素钙、镁、硫及微量元素硼、铁、铜、锰、锌、钼等。土壤中这些元素的多寡，直接影响植物的生长发育，中-加合作实验室就是对上述土壤中的诸元素进行快速分析并对其中的某些与肥效密切相关的元素进行吸附研究，在较短的时间内为研究人员提供大量分析数据，并给出施肥建议。为使土壤分析结果与大田试验结果相吻合，首先最重要的一步即被测土壤能真正代表所取样品地块的肥力水平，这就要求取土人员具有一定的技术和知识，尽量避免在取土过程中可能造成的误差，这包括：取土点选择不当，采土方法不合理，样品混合不匀，取土工具、土袋等对某些元素的污染，土壤样品运输过程中造成的污染或样品前处理过程中造成的污染等都可能产生错误的分析结果。另外，所取的土壤样品不但能代表所取的地块而且还应在当地有一定的代表性或能代表一定的土壤面积。这样，室内分析和大田试验才有真正的代表价值，从而能进行更深入的研究。如何在称量土壤样品中体现快速呢？虽然传统的重量称量方法在纯化学研究、土壤某些养分的全量分析（因所用样品少）等研究中是目前不可取代的称样方法，但对土壤有效养分的分析和推荐施肥而言，重量称量方法显得过于谨慎不能满足快速分析的要求，因此中-加合作实验室采用北美流行的容量称量方法，该方法以容量为基础进行土壤养分的测定，其量取速度比重量方法快几倍甚至十几倍。传统的计算土壤耕层中某养分总量是按每亩地15万公斤土壤（容重1.125克/毫升，耕层深度20厘米）进行换算而得出的，其实，土壤容重不同，在同一耕层深度内单位面积的土壤重量是不同的，或单位面积的土壤在不同容重时所代表的耕层深度是不同的，这样单位面积的肥料用量，在不同容重的土壤上其含意是不同的。若改用容量方法测定土壤中有效养分的含量，即以每毫升土壤中某元素的微克数或每升土壤中某元素的毫克数表示，则可消除土壤容重不同的差别，即同一测定值时，单位面积同一耕层深度中所含养分的数量是相同的。2.土壤有效养分的测定方法中-加合作实验室对土壤的测定包括两部分：土壤基本肥力的测定及对某些元素吸附固定能力的研究。土壤基本肥力的测定项目包括：土壤有机质含量（%），土壤pH，土壤活性酸，有效养分氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、硼（B）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）；吸附研究的元素包括：磷（P）、钾（K）、硫（S）、硼（B）、铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）。现分述如下：2.1.土壤基本肥力的测定方法如何选用同一种浸提剂，可同时浸提出多种有效养分，而且浸提量又与植物生长具有很好的相关性呢？美国国际农化服务中心的Hunter博士发现，用0.25MNaHCO3＋0.01MEDTA＋0.01MNH4F可同时浸提土壤中的磷、钾、铜、铁、锰、锌，其浸出量与植物反应具有很好的相关性，该方法适用范围较广，既适用于酸性土壤，又适用于石灰性土壤。而且测定方法简单，浸出的磷用钼蓝比色法测定。在钼蓝显色的同时用原子吸收测定同一显色液中的钾含量，直接用原子吸收测定浸提滤液中的铜、铁、锰、锌含量。土壤中的活性酸，代换性铵态氮、钙、镁或钠可用1MKCl浸提剂同时浸提，浸出的活性酸用NaOH进行中和滴定，浸出的铵态氮用靛酚蓝比色法测定，浸出的钙、镁或钠直接用原子吸收测定即可。用0.08MCaH4(PO4)2·H2O可同时浸提出土壤中的硫和硼，浸出的硫用硫酸钡比浊法测定，而硼用姜黄素比色法测定。土壤有机质用0.2MNaOH＋0.0lMEDTA+2%甲醇浸提，比色法测定。土壤pH用pH计测定，水土比为2.5:1。由于采用联合浸提剂和相应的批量处理，使工作效率明显提高，仅利用现有设备，每位操作人员每天可进行700项次（50个土壤样品）的基本测定。包括取样、浸提、测定和洗涤等。2.2.吸附研究进行吸附研究的目的在于了解施入土壤中的植物营养元素被土壤吸附固定的数量，从而更合理地进行推荐施肥。吸附研究的实施是在室内模拟大田施入不同数量植物养分，使其充分与土壤混合，再经过自然干燥过程，然后测定未被土壤吸附固定的该植物养分的数量，再以该养分的不同加入量对相应的浸提量作吸附曲线，以了解植物养分施入不同土壤后的动态变化。下面以我们分析的三种土壤为例进一步说明。见（图1）三种不同土壤对磷的吸附固定曲线从图1不难看出，河南淮阳的潮土比辽宁辽阳的水稻土对磷的吸附固定能力相对较弱，虽然两种原始土壤中可浸提的有效磷相同，但在加入同样数量的磷后，其浸出量河南的潮土明显高于辽宁的水稻土，随着加入量的增加，两种土的差别越来越明显。天津潮土的变化趋势与河南潮土相似。由图可知这三种土壤施入同样数量的磷后（比如：加入的磷为80毫克P/升时），其在土壤中呈有效态的磷或可被植物吸收的数量截然不同，天津潮土浸出的磷为22毫克P/升，而河南准阳的潮土则高达58毫克P/升土壤。所以正确地了解土壤对植物养分的吸咐固定能力对指导施肥具有实际意义。3.土壤养分的综合测定在平衡施肥中的作用3.1.找出土壤养分中的主要限制因子根据土壤基本肥力的测定和吸附固定研究的结果，再结合不同养分的丰缺指标可制订出盆栽或大田中需施养分的数量及比例（具体制订方法见中国农业科技出版社1992年出版的《土壤养分状况系统研究法》）。通过盆栽苗期试验结果，可初步了解供试土壤中养分供应情况及限制植物生长的主要营养元素。在过去几年中，根据我们的室内分析和推荐，共进行了几百个盆栽试验，已取得了比较满意的结果，并用于指导大田试验或推荐施肥，也有部分盆栽，由于管理、气候条件等因素的影响而不尽人意。现将北方七省市（黑龙江、吉林、辽宁、天津、山东、河南、陕西）共71个盆栽试验结果汇总如下：（表1）表1北方七省市71个盆栽试验结果（1991-1993）处理缺素处理减产的土壤数相对产量范围（%）平均相对产量（%）代表地区-N707.3-9939.10所有供试省市-P669.7-9840.90所有供试省市-K6437-9979.70所有供试省市-Zn5644-9976.30除辽宁外-S5343-9273.00除天津外-Cu3849-9779.80除天津、辽宁-Fe2964-9882.60除河南、山东-B2965-95.883.20除天津、河南-Mo2274-9984.90-Mg1269-9885.70-Mn5155-99.985.80以最佳处理（OPT）的产量为100%计算中的数据表明：在大部分供试土壤中氮和磷仍然是限制植物生长的最主要的因子。将供试作物在最佳处理中的干物重作为100%，而减氮和减磷处理的相对产量分别只有39.1%和40.9%。表中数据还说明在总共调查的71个土壤中有64个土壤表现出不施钾（即-K）有产量降低的趋势。其-K处理的相对产量平均只有最佳处理产量的79.7%，这一结果使我们对过去一直认为北方土壤施钾肥无效的观点，应该有一个新的评价。见表1北方七省市71个盆栽试验结果（1991-1993）根据盆栽试验结果还发现其它限制或可能限制植物生长的元素有锰（天津），硫（吉林），锌（河北），盆栽试验的结果也分别在大田中得到了验证（（表2）表2锰肥对西红柿产量的影响处理CKINNPNKNPKNPKMN平均产量(T/ha)97101111108110117增产（%）一212.119.1011.1018.20兰耀龙等，天津市农业科学院土壤肥料研究所1994，3，4）。表2中的数据表明，天津土肥所在氮磷钾肥基础上增施锰肥，西红柿产量从每公顷110吨增至117吨，增产6.4%。吉林水稻试验（（表3）表3硫肥对水稻产量的影响处理对照硫肥普钙硫磺石膏平均产量（T/ha）5.706.506.205.806.20增产（%）一12.207.500.537.10张宽等，吉林省农业科学院土壤肥料研究所1993），施入不同的有效硫肥后，产量明显增加，增产幅度为7.1~12.2%，而河北玉田玉米试验中（（表4）表4锌肥对冬小麦产量的影响河北省玉田（1992）处理OPT-p-K-Mn-Zn平均产量（T/ha)4.952.684.584.074.20相对产量（%）10054.1092.5082.2084.80OPT：为最佳处理）不施锌肥其玉米产量比施锌的最佳处理（OPT）减产15.2%。所以在制订施肥计划时若在某些地区或某种作物上（天津的西红柿，吉林的水稻，河北的玉米）不补足植物可能缺乏的元素（分别为锰、硫、锌），就不可能达到最高产量，也不可能达到最佳的经济效益。长期不重视对这些元素的补充，随着生产水平的提高，肯定会逐渐成为限制该地区农作物产量的主要因子。通过室内分析和盆栽试验结果还表明，其它元素如铁、铜、硼、钼、镁、钙在北方现行农业生产中可能不会构成限制作物产量的主要因素，当然具体到某一地块或某一作物，也可能会出现缺素症或抑制作物生长。见表2锰肥对西红柿产量的影响见表3硫肥对水稻产量的影响见表4锌肥对冬小麦产量的影响根据河南省农科院上肥所张桂兰等报道，她们采用中-加合作土壤植物测试实验室的分析结果和盆栽中推荐的肥料用量，不仅在盆栽试验中发现植株明显缺钾，而且在大田试验中也得到了证实。小麦每公顷施K2O113公斤，产量从每公顷4.74吨增至5.45吨，增产15%，玉米、萝卜、花生、大豆也分别增产13.6%，16.7%，11.7%和29%。3.2.土壤养分综合测定在平衡施肥中的作用为了将室内分析的结果更好地在平衡施肥中得到应用，我们选择河北省玉田县作为示范地区，1992年和1993年分别选择了40个和107个示范户。根据土壤分析结果，了解到土壤中被测的11种元素的丰缺状况，然后为每户农民制订施肥计划，比如调整氮磷钾比例，增施锌、锰、硫等微量或中量元素，然后与农民的习惯施肥相比较。农民习惯施肥中，氮肥用量一般较高，而磷、钾肥用量相对较低，微量元素肥料农民也很少施用。1993年全县示范结果列于（表5）表5河北省玉田县平衡施肥示范结果（1993）作物示范数增产（千克/公顷）增产（%）纯收入（元/公顷）玉米882624.52244小麦1155018.30256西瓜412171.801062芹菜3-2140-2.23917水稻14896.58203玉米18个减产。2个平产，西瓜2个减产，芹菜2个减产，其他示范增产，表中数据表明，5种作物107个示范，单位面积的纯收入都有不同程度的增加。88个玉米示范中，68个示范田的产量比农民习惯施肥的产量高。而18个减产，2个平产，造成减产的主要原因是农民肥料的用量太高，但做经济学分析后，发现农民的经济效益非常低，增产不增收。尽管这18个示范田的产量低于农民习惯施肥的产量，但是，单位面积的纯收入仍然高于农民习惯施肥。另有一农户（赵红印），种西瓜的氮肥用量高达985公斤N/公顷