增氮固碳循环型高效生态农业模式研发与应用 (连载之二) 增氮固碳循环型高效生态农业

增氮固碳循环型高效生态农业模式研发与应用(重大科研成果连载之二)
蒋高明1 ，刘美珍1 ，吴光磊1 ，李彩虹1 ，郭立月1 ，郑延海1 ，赵建设2 ，王秀娟3 ，谷仙1 ，刘海涛1,4
【增氮固碳循环型高效生态农业模式研发与应用 (连载之二)】1中国科学院植物研究所；2河南中远有机农业研究所有限公司；3山东润竹山农业科技有限公司；4农业农村部国际交流服务中心
主要科技创新
随着我国粮食产量的增加，化肥施用量从1981年开始大幅度增加， 2015年最高达6022.6万吨， 2018年5653.42万吨，由此造成土壤pH值下降了0.13-0.8 。目前，我国农药年使用量177万吨。为追求经济效益，进行集约化种养，将农业农畜分开，元素不能有效循环，生态平衡被打乱，不得不依靠大量化学物质投入，造成耕地退化，农田生物多样性下降。由于连续多年种地不养地，我国各地农田出现了不同程度的退化，耕地出现板结、酸化、化学化，原本的高产田下降到中产田或低产田。针对这一严酷的现实，该项目利用生态学原理，从秸秆、害虫、杂草、堆肥综合开发利用入手，从源头杜绝农药、除草剂、化肥、激素，构建了一整套高效生态农业技术体系，建立了健康、安全、高产的高效生态农业模式。
(1)创新性地提出“畜南下、禽北上”的战略思路，构建了种养有机结合的循环型高效生态农业模式，充分利用农区作物制造光合产物和草原的空间优势，实现了退化草地恢复和农业资源高效利用的双赢。
中国18亿亩农田除生产约6.1亿吨粮食外，还生产了约9亿吨秸秆，目前大部分秸秆在田间地头被焚烧，造成严重的环境污染问题。而中国60亿亩草原仅生产3亿多吨干草，是传统意义上的牧草。由于过度利用，曾经繁茂的草原出现了严重的退化，国家不得不投入大量资金进行治理。该项目提出“畜南下、禽北上”创新性思路，将传统畜牧业向长城以南移，利用农区废弃的秸秆养牛，生产有机肥还田，发展生态农业；将养禽北上草原，即可减少大型牲畜数量，又保证牧民经济收入，同时促进退化草地自然恢复，取得了双赢的效果(图1) 。
通过对农业和草地进行系统研究，该项目研发出一种遮雨分隔式微储鲜秸草青储池，解决了秸秆青储过程中淋雨腐烂率高的问题。该青储池一次可贮存鲜秸秆1500吨，发酵效果好，损失率低，将秸秆微发酵生产出微储鲜秸秆配合花生糠喂牛，通过大型反刍动物转化，产生大量有机肥。该技术解决了秸秆青储的问题以及饲料来源问题，避免了秸秆在田间焚烧，保护了大气环境；有机肥还田替代了化肥，并提高了产量。该项目探明玉米秸秆约占作物总生物量的70% ，将这些秸秆充分利用起来，大约3亩农田的秸秆可以提供一头牛一年的粗饲料；揭示了肉牛养殖的日进食量和最佳精粗饲料组合。年龄为1岁的育肥牛，转化1kg活体重量，约需要6.8kg微储鲜秸草，加上2.6kg花生糠；7个月育肥期的净收益3400元/头牛。同时研发了沙质草地恢复植被发展生产的方法，利用植被状况较好的10%的草地养殖鸡鹅等对草地破坏比较小的禽类，其余90%的草地让其休养生息，植被进行自然恢复。研究阐明每亩沙质草地养殖30只鸡，每年6月初至10月初，将40天的小鸡散养在草地里，即可促进退化草地自然恢复，又保证牧民收入不减少。国际和国内生态农业通常将重点放在种植环节，有机肥从他处购买，尚未注重有机肥的内部生产，该项目提出在较小的循环体系内（一个村庄）建立了农业和牧业的耦合模式，将农作物制造的70%以上的光合产物(秸秆)有效利用起来饲养大型反刍动物。
(2)创建了一整套有机肥生产技术体系，揭示了中国生物质氮资源库及其替代化肥的潜力，探明了农田土壤有机质和氮肥高效利用的关系，解决了土壤肥力提高和种地养地的关键技术， 3~4年将低产田改良为高产田，实现了粮食高产、稳产和农田固碳减排和农业生产面源污染的控制。
国际和国内普遍认为可用的有机肥较少，施入量少不能满足作物对氮肥的需求，主要来源为农作物秸秆、畜禽粪便和城乡生活垃圾等，从而限制了其在大田的应用。该项目研发了将秸秆等光合产物经动物转化产生优质有机肥，配比其他生物质氮资源库材料，如蔬菜废弃物、中草药渣、果园废弃物等，添加适量矿质肥如磷矿石、虾蟹壳粉等以补充P、K肥，添加益生菌起到抗生作用，堆肥三个月即可使用。在动物饲料里添加适量的花生糠等，经动物转化产生的有机肥，即可经过蚯蚓处理产生优质有机肥。项目阐明我国2009-2018年间12种生物质资源量的氮库潜力，这些每年产生的固体生物质资源量(干重)约为15.27亿吨，动物尿液(湿重)约为8.79亿吨，共含有2553万吨纯氮，是全国农业栽培植物实际吸收化学合成氮的4.12倍(图2) 。通过大田试验验证，可将低产田提升为高产稳产的吨粮田(小麦玉米周年产量) ，为解决生态循环农业中有机肥来源不足提供理论依据。利用该技术解决了畜禽牛粪便中养分养分不均衡的问题，同时也解决了粪便中病原菌的问题，改善了粪便中微生物的种类和结构，为改造低产田提供了优质的肥料来源。该技术生产的有机肥，每年每亩农田施入5吨，可使土壤有机质显著提高，在9年内从0.7%提高到4%(图3)；实现了暖温带农田耕地11.5吨/CO2当量/公顷/年的固碳潜力。可提高玉米地上生物量7.7% ，玉米产量18.3%(图4) ，蚯蚓和玉米的收益比单独种植玉米的收益提高304% 。使用该有机肥土壤恢复4年后作物产量稳定升高，解决了农产品产量与质量的矛盾。从源头减少由化肥引起的面源污染问题，使得退化耕地得到修复，作物产量高于单纯施化肥的产量，低产田逆转为高产田。