保证粮食增产的同时协同提高养分利用效率和减少环境污染,是21世纪世界农业发展面临的巨大挑战~([1-2]),也是当前国际农业科学界高度关注的重大科学问题~([3])。作为世界上最大的发展中国家,我国用占世界9%的耕地养活了世界上21%的人口~([4]),保证粮食安全决定了农业在我国国民经济中的首要地位。玉米、小麦和水稻三大粮食作物常年的总播种面积和总产量占全部粮食作物的80%和90%以上~([5]),在保障我国粮食安全中具有重要的地位和作用。未来农业的可持续

当前我国粮食生产面临过量施肥、氮肥利用率低和农业劳动力短缺等问题,探讨主要粮食作物一次性施肥技术及其对作物产量、肥料利用效率以及环境效应的影响,为我国粮食生产的简化施肥提供技术支撑。本论文系统分析了一次性施肥技术的发展现状及其在三大粮食作物上的应用效果,针对一次性施肥技术存在的不足,提出其在我国三大粮食作物主产区的推广应用前景和发展方向。一次性施肥是一种生产轻便、节本增效和保护环境的技术模式。当前农业生产中,通过一次性基施缓控释肥、氮肥减量施用技术以及化学调控技术均可以实现三大粮食作物的一次性施肥。与农民传统施肥方式相比,一次性基施缓控释肥可以显著提高玉米、小麦和水稻三大粮食作物的产量和氮肥利用率,产量、氮肥利用率分别提高3.1%—31.7%、6.2%—86.6%;显著减少农田氨挥发、氧化亚氮排放、氮素淋溶和径流损失,分别减少18.1%—81.3%、22.4%—73.4%、0—53.0%和0—43.2%。氮肥减量施用技术可在减少20%—37%氮肥施用量的条件下,维持玉米、小麦和水稻的产量不降低,提高三大粮食作物氮肥利用率2.3%—20.4%,以及降低氮素的损失。添加硝化抑制剂可使三大粮食作物产量、氮肥利用率分别提高6.5%—20.1%、5.0%—78.3%,使氧化亚氮排放显著降低22.1%—51.0%;添加脲酶抑制剂显著提高三大粮食作物产量5.8%—22.8%,显著提高玉米、小麦氮肥利用率25.4%—40.7%,同时显著降低三大作物氨挥发、氧化亚氮排放46.1%—51.2%、11.9%—45.2%。在全国主要粮食主产区的应用结果表明,一次性施肥技术既实现了作物稳产高产、氮肥高效和氮损失减少,又节省了农业劳动力和降低了农业生产成本。因而,一次性施肥技术协同实现了作物高产、养分高效和环境友好的农业可持续发展道路,同时解决了我国当前农业生产劳动力不足的难题,是适宜在全国粮食主产区全面推广和应用的新技术。

【目的】阐明长期不同施肥下中国主要粮食作物产量变化态势及其差异,为评价和建立长期施肥模式、促进粮食持续生产提供依据。【方法】对中国主要长期试验不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施有机肥(NPKM)3个处理的玉米、小麦、水稻等粮食作物产量700多组数据进行整理和统计分析。【结果】长期不施肥的玉米和小麦产量总体上表现为极显著(P<0.05)下降趋势,年下降量分别为110.9和33.4kg·hm-2,而水稻产量基本保持稳定。施用化肥,玉米、小麦和水稻的产量均呈极显著(P<0.01)下降趋势,年平均下降量分别为90.9、48.5和25.3kg·hm-2。化肥配施有机肥,3种作物的产量随时间没有显...

基于2002—2015年全国农产品成本收益数据,采用C-D生产函数从经济学角度测算水稻、小麦和玉米3种主要粮食作物的过量施肥程度,并探索过量施肥程度的时空差异特征。研究结果表明:(1)中国粮食作物的过量施肥程度较高,水稻、小麦和玉米的过量施肥程度分别为43.48%、34.58%和32.76%,三者平均过量施肥程度达到36.94%。(2)从时序变化来看,三种粮食作物过量施肥程度的变动态势均经历了先持续下降(2002—2004年)再波动上升(2005—2015年)两个阶段。(3)从空间差异来看,粮食作物过量施肥程度由高到低的区域排序依次为:华南地区>长江中下游地区>黄淮海地区>北部高原地区>西南地区>西北地区>东北地区。(4)三类粮食作物化肥减量潜力较大的省份分别为:水稻集中在海南、广东、广西、河北、山东和江苏,可减少化肥使用总量为137.48万t;小麦集中在山西、安徽、山东、宁夏、陕西、内蒙古、河北和江苏,可减少化肥使用总量为208.78万t;玉米集中在吉林、广西、湖北和云南,可减少化肥使用总量为102.75万t。

【目的】研究一次性施肥技术对黄淮海夏玉米产量、肥料利用效率和经济效益的影响,为黄淮海夏玉米区实现减肥增效、节本增收及轻简化生产技术的筛选提供理论依据。【方法】2015年和2016年在河北、河南、山东三省选择8个试验地点进行控释氮肥随夏玉米播种一次性施用大田试验。与普通氮肥分次施用(习惯施肥(FP)和优化施肥(OPT))对比,通过设置控释氮肥等量投入(CRFA)、减量20%控释氮肥投入(CRFA80%N、CRFB80%N和CRFC80%N),研究一次性施肥技术对黄淮海夏玉米经济效益的影响,并验证一次性施肥技术的减量施氮可行性。【结果】(1)与农民习惯施肥(FP)相比,一次性施肥处理对黄淮海区夏玉米株高、穗部性状和两年的平均产量均无显著影响,氮肥农学效率和表观利用率虽有所提高,但未达显著性差异;但一次性减氮施肥处理较FP处理,氮肥偏生产力显著提高了33.85%以上(P<0.05)。【结论】一次性施肥技术实现了黄淮海夏玉米的轻简化施肥,提高了氮肥的利用效率,能够在保证稳产增产的前提下,实现氮肥的减量施用;推荐减少20%氮用量的CRFA施肥模式在黄淮海夏玉米生产上一次性施用。

【目的】针对不同的土壤类型,筛选适宜的控释氮肥类型,为控释氮肥的高效施用以及冬小麦一次性施肥提供科学依据与技术支撑。【方法】基于2013—2016年多点的大田试验,设置对照(CON)、优化施肥处理(OPT)和6种不同类型的控释氮肥(A1、A2、B、C、D和E)处理,研究控释氮肥在不同地区(泰安、驻马店、德州、菏泽和石家庄)的应用效果,从作物养分吸收与土壤养分供应两方面研究和分析不同控释氮肥对小麦的增产效应。【结果】泰安砂姜黑土试验点A2、C、E的氮素释放规律与小麦生长需求较为吻合,且与OPT处理相比,3年平均冬前分蘖、最大分蘖和有效分蘖分别增加5.7%—14.7%、10.9%—22.2%和4.5%—6.0%,产量增加2.6%—4.6%。驻马店砂姜黑土3年平均结果表明,A2、C和E较OPT处理提高了氮肥表观回收率和氮素吸收,分别提高7.7%—11%和4.3%—5.3%。石家庄褐土上的结果发现,控释氮肥A2、D可以实现养分释放与小麦生长需求相同步,相比OPT处理,3年平均氮肥表观回收率、氮素吸收分别提高6.4%—26%、2.8%—12%,产量增加1.7%—5.6%。潮土(德州、菏泽)上的结果表明,与OPT处理相比,A2连续3年均能维持小麦高产;其他控释氮肥处理的应用效果年际间差异较大,随着试验的进行逐年稳定,2015—2016年,A2、C处理使德州和菏泽的小麦分别增产1.4%—8.3%和1.5%—4.8%;综合3年的结果,与OPT处理相比,A2、C具有比较稳定的增产趋势。【结论】控释氮肥的应用效果因土壤类型不同而不同,控释氮肥田间氮素释放与小麦氮素需求相匹配是促进小麦产量增加的关键。

【目的】采用控释氮肥掺混磷钾等养分在冬小麦上一次性施用,揭示减肥、增效、节本增收方面的效应,为冬小麦轻简化生产提供技术支撑。【方法】于2011—2012、2012—2013、2013—2014年,选择在黄淮海东部不同冬小麦生态区进行控释氮肥随小麦播种一次性施用试验。与普通氮肥分次施用(农民习惯施肥(FP)和优化施肥(OPT))对比,通过设置控释氮肥a等量氮素投入(CRFa)、控释氮肥a和控释氮肥b分别减量20%氮素投入(80%CRFa与80%CRFb)处理,经过3年31个试验对产量、养分效率、节本增收等进行研究。【结果】控释氮肥在冬小麦上一次性施用总体表现稳产或小幅增产趋势,相比普通氮肥分次施用(OPT)3年平均增产2.6%,增产点位数占全部试验点数量的83.9%。减少20%氮素投入的控释氮肥处理稳产增产点比例显著降低,两种控释氮肥中生物可降解型控释氮肥a的产量效应优于有机树脂包膜控释氮肥b;4种施肥模式随土壤质地由轻到重平均施氮增产分别为10.7%、17.4%增长到19.7%,控释氮肥应用在砂质或壤质土壤的相对增产效应(较OPT)优于黏质土壤;在中低产量水平下控释氮肥一次性施用相对产量效应(较OPT)优于高产水平地块。CRFa、80%CRFa和80%CRFb处理相比农民习惯施肥(FP)分别节约氮素投入14.7、59.3、59.3 kg N·hm~(-2),CRFa、80%CRFa和80%CRFb处理相比OPT氮肥偏生产力(PFPN)分别提高0.4、7.32、6.93 kg·kg~(-1),氮肥表观利用率分别提高1.5、8.6、6.2个百分点。CRFa和80%CRFa处理相比OPT节本增收分别达到543.8、150.3元/hm~2。【结论】冬小麦上控释氮肥配合其他养分底肥一次性施用、后期不再追肥的方式相比习惯施肥及普通肥料优化施用在产量稳定性、提高氮效率、节约劳动力及节本增收等方面优势明显。本试验条件下CRFa和80%CRFa处理效果较好。推荐减少20%氮用量CRFa施肥模式在黄淮东部冬小麦生产应用。

基于中国三大粮食作物化肥施用强度及配方肥用量核算数据,运用化肥施用环境风险评价模型定量分析了2016年中国三大粮食作物化肥施用特征及其环境风险。结果表明:(1)2016年中国三大粮食作物普遍存在化肥施用过量现象,且不同区域之间单质肥料施用过量程度差异显著,其中,小麦和玉米种植单质肥料存在施用过量的空间范围及过量程度整体上要高于水稻。(2)中国三大粮食作物化肥施用环境风险具有显著的空间差异性,且处于相同风险等级的区域呈现出一定的空间邻近性。(3)中国三大粮食作物总化肥环境风险水平整体较低,但内蒙古、新疆和江苏的小麦种植以及内蒙古、甘肃和湖北等地的玉米种植化肥施用环境风险仍达到了中度或重度风险等级,应成为重点关注的区域。针对当前三大粮食作物化肥施用过量现象严重的问题,政府应当加快三大粮食作物配方肥的推广应用,出台政策措施鼓励企业按大配方生产配方肥,并引导企业在适宜地区进行销售,制定补贴政策以提高农民选用配方肥的积极性,开展科学指导和技术服务以提高农户科学施肥能力和认知水平。

以消耗有限的资源为代价生产足够的粮食,满足日益增长的人口需求,并保证环境安全是人类21世纪面临的重大挑战~([1])。我国是世界粮食作物主要产区,小麦、玉米和水稻总产量分别占全球的18%、22%和28%~([2])。为支撑粮食生产,消耗了大量养分资源。2014年我国三大粮食作物生产氮磷钾养分消耗分别为1 508、573和374万吨~([3])。总体上看,我国养分资源

阐明主要粮食作物生产优势的空间特征,可以为我国粮食安全战略决策提供重要的参考依据。本研究以我国2006年县(市)作物播种面积和单产为基本单元,系统分析了水稻、小麦和玉米三大粮食作物的效率比较优势、规模比较优势和综合比较优势的空间特征。结果显示,我国三大粮食作物生产优势的空间特征明显,效率优势和规模优势在空间布局上存在明显差异。但综合分析发现,水稻生产的综合比较优势指数较高的地区为华南、华东和华中地区,其指数分别达到了1.45、1.30和1.14;小麦生产的综合比较优势指数较高的地区为西北和华北地区,优势指数分别为1.33和1.02;玉米生产的综合比较优势指数较高地区为华北和东北地区,优势指数分...

为使全国范围内化肥减量工作的开展更具有针对性,本研究采用C-D生产函数测算2002—2015年水稻、小麦、玉米3种粮食作物主产区的过量施肥程度,并运用空间自相关理论和冷热点分析方法,对中国主要粮食作物过量施肥程度的空间关联格局进行分析。结果显示:1)水稻主产区过量施肥程度的高值区域在黄淮海地区、华南地区呈团块状分布,小麦主产区过量施肥程度的高值区域在北部高原地区、黄淮海地区和长江中下游地区连片分布,玉米主产区过量施肥程度的高值区域在华南地区、长江中下游地区和东北地区呈团块状分布,集聚特征显著。2)水稻、小麦和玉米过量施肥程度均呈现出较强的空间自相关性,小麦集聚程度最强,水稻居中,玉米最弱。3)水稻过量施肥程度的热点区域主要分布在黄淮海地区、长江中下游地区和华南地区,冷点区域主要分布在北部高原地区和东北地区;小麦过量施肥程度的冷热点空间分布特征表现为"中间热周围冷",热点区域集中在黄淮海地区和长江中下游地区,冷点区域集中在西北地区;玉米过量施肥程度的冷热点格局由"南热北冷"转变为"东热西冷",热点区域集中在西南地区、华南地区和长江中下游地区,冷点区域集中在西北地区。

【目的】筛选能保证黄淮海夏玉米实现高产、稳产、可持续性的一次性施用缓(控)释肥产品。【方法】选取山东、河南、河北3个玉米种植大省的4个试验点作为玉米一次性施肥定位试验点,选取CRFA、CRFB、CRFC、CRFD、CRFE、CRFF、CRFG、CRFH、CRFI和CRFJ(控释肥代码)10种的缓(控)释肥作为供试肥料,研究不同缓(控)释肥产品的一次性施用对玉米产量的影响。【结果】不同试验点、不同年度间玉米产量差异均达到了5%的显著水平(F=40.67、F=2.95),但不同施肥处理间差异不显著,同年度、同区域不同缓(控)释肥一次性施用和优化施肥没有显著性差异,可以实现一次性施肥;不同缓(控)释肥处理产量可持续性均高于优化施肥(OPT处理),可持续性指数(SYI)范围在0.65—0.70;除了CRFE处理,不同处理产量稳定性均高于OPT处理,变异系数(CV)范围在3.19%—7.32%。山东德州试验点不同处理玉米年均产量与OPT处理相比均无显著差异,CRFC处理玉米年均产量最高,为10 734.06 kg·hm~(-2);不同缓(控)释肥处理产量可持续性均高于OPT处理,其中CRFI、CRFD和CRFB处理的SYI值大于0.70;不同缓(控)释肥处理产量稳定性均高于OPT处理,CV值范围在14.00%—21.77%。本研究中玉米产量可持续性与产量高低没有明显的相关关系;德州试验点各处理玉米产量SYI值与CV值呈极显著的负相关关系,产量越稳定,产量可持续性越好。【结论】本研究选用的缓(控)释肥在玉米上一次性施用均起到了增产的效果,从提高产量的角度考虑,黄淮海区域可实现夏玉米一次性施肥的缓(控)释肥料产品为CRFC、CRFA和CRFB,德州试验区域为CRFC、CRFJ、CRFB和CRFI。从产量可持续性方面考虑,黄淮海区域首选产品为CRFG、CRFD、CRFH;德州试验区域首选产品为CRFI、CRFD、CRFB。从产量变异性较小方面考虑,黄淮海区域首选产品为CRFH、CRFB、CRFG;德州试验区域首选产品为CRFI、CRFD、CRFB。

【目的】研究不同类型缓释氮肥一次性施肥的单季稻氮肥减施和稳产效应,筛选适宜于单季稻一次性施肥的缓释氮肥类型。【方法】2013—2016年在浙江省长兴县林城镇、太湖新城和金华市蒋堂镇分别布置11个缓释氮肥一次性施肥田间小区试验,比较树脂包膜尿素(RCU)、聚氨酯包膜尿素(PCU)和稳定性肥料(NIU)等缓释氮肥一次性施肥处理(氮肥用量225 kg·hm~(-2))与常规分次施肥处理(尿素Urea,种植大户常规施肥,270 kg·hm~(-2))在单季稻产量、土壤氮素供应特征和水稻氮素吸收特征、氮肥利用率等方面的差异。【结果】(1)多点试验汇总结果表明不施氮肥处理(N0)的水稻产量为Urea处理的83.9%,3个试验点Urea处理的平均氮肥利用率为19.2%—20.1%。3种缓释氮肥一次性施肥处理单季稻平均产量与Urea处理间没有显著差异。(2)RCU和PCU处理在林城和太湖新城试验中地上部氮含量、氮素吸收量与Urea处理间没有显著差异,NIU处理在太湖新城试验中地上部氮含量著低于Urea处理。金华试验点籼粳杂交稻品种试验中3种缓释氮肥处理稻谷中氮含量都明显下降。(3)RCU处理单季稻平均产量显著高于PCU和NIU处理,多点试验中产量变异系数较小,水稻生长后期土壤铵态氮含量和植株氮素吸收强度都高于Urea处理,氮肥利用率比Urea处理提高了2.8—9.0个百分点。【结论】基于现阶段土壤基础肥力和常规施肥量,采用RCU、PCU或NIU一次性基施,氮肥用量比现阶段常规施肥量减少16.7%时,可以满足单季稻一次性施肥要求。

【目的】探究一次性施肥技术对油菜-水稻复种系统CH_4和N_2O排放及其特征的影响并分析其影响因素,综合计算全球增温潜势,以期了解一次性施肥技术对温室气体排放的贡献大小,从而为温室气体减排提供科学依据和技术参考。【方法】针对长江中下游地区典型的油菜-水稻复种模式,在荆州太湖港农场(30.36N,112.08E)油菜-水稻复种试验田设置了5个处理:对照处理(CK)、农民习惯施肥处理(FP)、优化施肥处理(OPT)、一次性尿素基施处理(UA)和一次性控释肥基施处理(CRF),重复3次。采用静态暗箱-气相色谱法对整个油菜-水稻季的CH_4和N_2O排放通量进行监测,并测定土壤种植前后的理化性质与作物产量。【结果】(1)N_2O和CH_4的排放均具有明显的水稻季排放高、油菜季排放低的季节动态变化规律。各处理N_2O排放通量在油菜季的变化范围为-4.08—35.51μg N·m~(-2)·h~(-1),水稻季则为-16.52—193.30μg N·m~(-2)·h~(-1),年平均排放通量3.66—23.70μg N·m~(-2)·h~(-1);各处理CH_4的通量变化在油菜季的排放量为-0.08—0.05 mg C·m~(-2)·h~(-1),水稻季则为-0.54—4.81 mg C·m~(-2)·h~(-1),年平均排放通量0.42—0.66 mg C·m~(-2)·h~(-1);(2)N_2O年排放总量从高到低依次是FP、CRF、OPT、UA、CK,分别为1.31、1.19、1.04、0.82、0.37 kg N·hm~(-2),排放系数介于0.14%—0.25%,均低于IPCC的推荐值1%。两个一次性施肥处理的UA和CRF相比同等施氮量的OPT处理,均能有效减少CH_4年排放量29.0%和29.9%, UA处理同时能减少21.2%的N_2O年排放总量,而CRF处理却增加了14.8%的N_2O年排放总量;(3)在同等施氮量的条件下,一次性施肥CRF比OPT显著增加油菜产量10.6%,而对水稻产量的影响不显著。温室气体排放强度呈现油菜季低,而水稻季高的特征,油菜和水稻季中各处理差异均不显著,油菜季中CRF和UA的排放强度最低为0.038 kgCO_(2-eq)·kg~(-1),OPT最高为0.057kgCO_(2-eq)·kg~(-1),水稻季UA最小为0.07 kgCO_(2-eq)·kg~(-1),FP最高达到了0.13 kgCO_(2-eq)·kg~(-1);(4)综合两种气体的全球增温潜势(100 a),用GWP表示,在相同施氮量下,两个一次性施肥处理UA和CRF的GWP均较OPT处理减少了28.0%和18.2%(P<0.05),一次性基施尿素对降低温室效应更有效。【结论】对于长江中下游典型农田而言,一次性基施普通尿素或一次性基施控释尿素的措施,可以在保持作物产量的同时,降低了农田温室气体排放,可作为水稻-油菜复种系统的一种环境友好型施肥推荐技术。

保障粮食和重要农产品稳定安全供给始终是建设农业强国的头等大事。在新一轮千亿斤粮食产能提升背景下，聚焦稻谷、小麦、玉米三大主要粮食作物，利用增长核算分析框架揭示中国三大主要粮食作物产能提升的源泉。研究发现：对于稻谷和小麦而言，全要素生产率提升是这两类作物产能提升的主要源泉，其对稻谷、小麦产能提升的贡献率分别达到85.39%、100.93%,拉动稻谷、小麦产能分别提升0.91%、2.39%。就玉米而言，党的十八大之前，土地是玉米产能提升的主要源泉，其贡献率达到64.13%,拉动玉米产能提升4.11%;党的十八大以来，全要素生产率成为玉米产能提升的主要源泉，其贡献率达到64.38%,拉动玉米产能提升1.27%。研究结果为粮食品种结构优化及粮食产量可持续增长提供重要参考。