中国可持续养分管理的长期试验发展研究外文翻译资料

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中国可持续养分管理的长期试验发展研究

苗玉欣1， Bobby A. Stewart 2, 张福锁1

1北京，中国农业大学，国际农业信息学和可持续发展中心, 资源和环境科学学院，100193

2美国，旱地农业研究所，西部德克萨斯Aamp;M大学, TX 70016

摘要：中国正面临本世纪最大的挑战之一, 即在2030年之前继续将每年谷物产量提高到约600吨, 以确保粮食安全, 减少耕地和保持有限资源, 同时保持或改善土壤肥力, 并保护环境。中国农民正在放弃利用丰富的经验, 综合和有效地不同的作物轮作战略, 间作和所有可能的养分资源积累等传统轮作制度，转向过度依赖合成肥料。中国现在是世界上最大的化肥生产国、消费国和进口商。过度施用氮 (N)的现象在集约化农业地区普遍存在, 目前水稻、小麦、玉米的氮素吸收效率分别为28.3、28.2 和 26.1%, 在集约化农业地区和水果中, 低于 20%;树木或蔬菜作物。除地表水和地下水污染和温室气体排放外, 氮肥的过度施用在中国主要农田中造成了显著的土壤酸化, 使土壤 pH 值降低了0.13 到2.20。高产作为头等大事, 小规模耕作, 缺乏营养供给和作物需求的时间同步, 缺乏有效的推广体系, 农民手工施用化肥是导致过度应用的可能原因。毫无疑问, 目前的营养管理做法是不可持续的, 需要制定更有效的管理制度。对世界各地长期试验的回顾表明, 单单化肥不足以提高或维持土壤肥力水平, 而合成氮肥过度施用引起的土壤酸化问题, 可如果更多的肥料 N 被应用为 NO-3 相对于铵或尿素基氮肥料。有机肥可以提高土壤肥力和品质, 但长期施用高速率也会导致硝酸盐的大量浸出, 而磷的积累, 如果管理不好的话。经管理的化学和有机肥结合, 可以克服施用单一肥料的弊端, 可持续地获得较高的作物产量, 改善土壤肥力, 缓解土壤酸化问题, 增加养分使用效率与仅使用化肥相比。利用作物轮作策略, 与连续种植和豆科作物种植系统相比, 可通过时间多样性增加农作物产量, 从而减少碳氮损失。由于气候条件和本地氮供应的变化, 作物产量对N施肥的反应每年都有很大差异, 因此, 通常采用的对N素管理的规范性方法需要用一个反应季节来代替。基于诊断作物生长、氮素状况和需求的管理方法。基于作物传感器的季节特定的 N 管理战略能够提高表层效率368% 以上的农民在华北平原的做法。必须将这些经过良好检验的营养管理原则和做法与现代作物管理技术结合起来, 才能在中国建立可持续的营养管理系统, 精确地匹配场到场和每年单一作物和作物轮作对养分供应和作物需求的变异性, 不仅提高养分使用效率, 而且提高作物产量和保护环境。此外, 创新和有效的推广和提供服务的系统, 以协助农民采用和应用新的管理系统和技术, 对于中国应对粮食安全、养分使用的巨大挑战也是至关重要的。

关键词：养分管理的可持续性;长期实验;化肥 ;有机肥;精准农业;小规模农场;精耕细作;集约农业;精耕细作;精准农业

目录
1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . hellip;hellip;.. . hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; . . . . . . . . . .... . . . . . .. 3

2 发展史. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip; . . . . . ...hellip;hellip;hellip;hellip;... 4
3过度施肥 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;. . . . . . .... . . . . . hellip;.. 5
3.1 化学肥料的过度施用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip; . 5
3.2 营养不平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . hellip;hellip;... . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;. . . . . . ... . . . . . . . . 6
3.3 中国过度施肥原因的探究. . . . . hellip;hellip;..hellip;...hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;...hellip;.. . . . . 7
3.3.1高产为第一要务. . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;. .. . ... .. . . . 7
3.3.2 小规模农场 . . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.... ... . . . . . 7
3.3.3时间不一致性 . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;...hellip; . . . . 7
3.3.4 缺乏有效的推广系统. . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;... . .... . . . . . 8
3.3.5 手工施肥 . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip;..... . . . . 8
4 我们能从长期实验中获得什么经验？. . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip; . ... . . . . . . . 8
4.1长期过度施用合成氮素化肥可能会损坏土壤的肥力和农业的可持续性. hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;.. . 9

4.1.1土壤碳、氮 . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;.. . . 9
4.1.2 土壤酸化 . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. . . . .. . . 10
4.2长期单施有机肥也可能造成损害. . . . . . hellip;hellip;hellip;. . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. .. . . .. . . .. . . 11
4.3 有机无机配施能增加土壤养分的可持续性 . . . hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...hellip;hellip;hellip;hellip;.. . . . . . . 11
4.4提高时间多样性以提高产量和可持续性hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip; . 14
4.5为了提高氮肥的肥效，作物对氮肥的反应时间的长短需要考虑在内. . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . 15
5结论和展望 . . . . . . . . . . . . . hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. . hellip;hellip;hellip;...hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. . . . . 16

1. 引言

中国能从长期实验中学习到什么？这听起来可能是个奇怪的问题，当考虑中国拥有几千年的农业农耕历史，但世界上时间最长的农业实验站却是1843年建立在英国的洛桑实验站，这个听起来十分的讽刺。这个问题和过去几十年间发生在我国农业领域里迅速而激烈的观念变化有很大关系。

虽然中国一直在努力去满足庞大的不断增长着的人口的食物需求，但是仍然有很长一段时间里，中国处于食物短缺状态。根据官方统计数据，1958年到1961年三年的自然灾害造成我国1500多万人饿死。这次大规模的饥荒促使我国政府将实现粮食的增产和保障粮食安全作为最近几十年我国农业政策最重要的目标。

上次大饥荒之后，我国在粮食和棉花增产方面取得了巨大成就，再也没有出现过粮食和棉花的大量缺乏。如图1中的数据显示，自1961年后，我国人口增加了1倍，粮食产量增加4倍。1998年，中国粮食产量达到了45842万吨高产的记录，是1961年的10966万吨的418%，平均每人365kg粮食，这已经远远超出了世界人均水平。就算是最近的造成30多个国家政治动乱的粮食危机也没能影响到中国，在此期间中国依然以相对较稳定的价格提供着足够的粮食。如图2所示，粮食的增产不但提供了充足的口粮，而且带动了畜牧业产品的快速增长。由图1中可以看出，肉类产品是最先开始增长的，但并非粮食一增加就迅速增加，而是到了后来的1970年它才开始增加，鸡蛋快速增加一直到1990年才开始，牛奶的增长时间比鸡蛋还晚一点，到了2000年才开始增长（图2）。

1961年的大饥荒结束之后，有很多的因素造成了的农产品产量的巨增，除了灌溉的改进、品种的改良、农机具的使用、地膜的覆盖、种植制度的优化之外，化学肥料的施用也是一个相当重要的因素，施用化学肥料提高了32–50%的作物产量(Xie et al., 1998; Jin, 1998; Ma et al., 2002).中国现在是世界上最大的化肥生产、消费和进口国，消费的化肥量超过世界总量的1/3，1981年以后快速增长，占世界化肥增长量的90%，1981年以后，中国化肥的消费速度快速增长，占世界增长速度的90%，现在已经成为世界上最大的化肥生产、消费和进口国家，肥料使用量超过世界总量的1/3。然后，过去的四十年间，中国的化肥和营养物质的施用效果持续下降。早期的报道称，1990年中国主要粮食作物的氮肥吸收效率是28–41%，平均35%(Zhu, 1992).根据最近2001年到2005年，我国进行的田间实验估计，目前，我国水稻、小麦和玉米的氮肥吸收效率分别是28.3%、28.2%和26.1%，平均27.5%(Zhang et al., 2007).

在中国北方平原等农业密集区，农民使用的氮肥其吸收效率更低。冬小麦和夏玉米的吸收率平均值只有18%和15%。2005年，周等人的报道指出，辣椒地上部分生物量中的氮素只有施用氮肥的10%，其中52%的氮素损失在植物和土壤中，也就是说，单次损失氮素超过620kg每亩。

氮素肥料的施用和管理不善会导致氮素以氨挥发的形式，或者反硝化作用形成氮气、氧化亚氮和一氧化氮等途径损失。大量的氮素损失已经造成了一系列的环境问题。(Jin, 1995; Zhang et al., 1996; Duan et al., 2000;Chen et al., 2000; Zhu and Chen, 2002; Li and Daler, 2004; Ju et al., 2009).氨的挥发是氮素气态损失的主要途径。2000年时，杏和朱等人的研究证明，施用的化学氮肥的11%左右以氨气的形式损失。1999杏和妍等人的研究证明，每年中国农田中施用的化学氮肥大约有0.34吨以氧化亚氮的形式损失。有1.24吨氮素，占所施氮肥总量的5%通过径流损失；有0.5吨氮素，占施氮素肥料总量的2%被淋洗而损失。1996年，张等人调查我国北方地下水质，发现有一半以上的样本中硝酸的浓度值超过50mg L^-1，其中最大值达到300mg L^-1 。(Chen et al., 2005) 在另一项Chen等人进行的研究中，春季从我国华北平原采集的295个水样中，有28个水样中硝酸的浓度超过了45mg L^-1。根据世界卫生组织标准，水中硝酸根浓度超过50 mg L^-1就不能饮用，则有9.5%的井水不适合饮用。众所周知由于华北平原降水量很低，同时由于地下水的过度开采，其地下水位一直在快速下降，累积在土壤层中的NO3不会溶解到地下水中。但是，2005年chen等人发现，华北平原补给区的50米深处的硝酸和北京80米深处的硝酸很接近。

未来不是很乐观，这可能是中国本世纪最大的挑战之一，在耕地和资源减少，保持或促进土壤本身的肥料，保护环境的前提下，为了保证粮食安全，粮食产量以每年600吨的速度持续增加到2030年。预计2050年中国的人口数为16亿，为了满足人们对食物和能源的需求，到2020年，中国的粮食产量需要比2007年的产量水平提高32%，这要求以每年2%的速率增加。然而，过去10年间的粮食总产量一直停滞不前（(Fan et al., 2010).）由于工业化发展，城市化进程基础设施的建设、农业结构的调整、退耕还林计划和自然灾害的影响，我国耕地面积已经从1997年的13000万公顷缩减到2007年的12180万公顷(Wang et al., 2009).

土地退化更加严重，同时它是农业可持续发展的一个威胁，气候变化造成我国粮食产量下降5%到10% (Zeng et al., 2008).对生物能源的需求有可能对我国的农业和环境造成巨大的影响(Yang et al., 2009).我国肥料的过度施用一直被批评的，施肥效率也有待进一步提高。(Nosengo, 2003; Zhu et al., 2005; Ju et al., 2009; Guo et al.,2010),传统的提高营养物质效率的方法，只能保持或者，仅仅保持现有产量或者稍微有所下降，是不足以应对我国的粮食安全问题的，我们需要去寻找新的方法来提高粮食的产量，同时这种新的方法不能危机到环境安全，高效的营养管理方法，传统的提高肥料等营养物质施用效率的管理方法只能维持或稍微降低现有粮食产量，这已经无法应对中国现在面临的粮食安全问题。因此，我们需要寻找新的营养管理方法，在不危机环境的前提下去提高粮食的产量。为了寻找适合我国21世纪发展的可持续的营养管理方法，需要吸收来自全世界的常用方法，对其进行辩证的评估、学习、实验。

长期实验对于理解土壤、营养、作物体系的管理与天气过程之间的相互作用是至关重要的。同时长期实验可以用来评估农业可持续管理系统的效能以更好的预测未来。土壤过程的一些动态趋势无法通过短期的研究看出，只能通过长期实验才能观察到。因此，一份关于全世界长期田间实

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