【论文故事】新型农田管理技术:更高产,更环保

  农学, 前沿

到2050年时,全世界的粮食产量需要提高一倍才可以满足全球日益增长的人口的粮食保障需求。但是自20世纪80年代以来,粮食增长的速度明显放缓,另外,粮食增产所需要支付的资源环境代价越来越大——大量施用氮肥会导致土壤酸化,产生NH3、N2O等温室气体。基于这种现状,来自中国农业大学等全国17个科研院校以及海外科研机构的研究者共同在《自然》期刊上发表论文[1],公布了一种新的田间管理技术,在提高粮食产量的同时可降低环境代价。研究论文已于9月4日发表。

研究者基于作物生态生理学、植物营养学和土壤生物地球化学原理,建立了土壤-作物系统综合管理(integrated soil-crop system management,ISSM)理论和技术。这种技术可以依据当地的环境,确定最适合种植的作物、耕种周期、种植密度以及更先进的水肥管理方案。在这一理论体系建立后,研究者在中国的水稻、小麦和玉米三大粮食主产区实施了共计153个点/年的田间试验。试验中,研究者对每种作物采用了4种种植管理方式,包括现有的种植方式(current practice)、改良的种植方式(improved practice)、高产种植方式(high-yielding system)和ISSM。并将4种种植方式的产量、氮肥效率等指标与走访当地农民得出的调查结果进行了对比。

研究者在吉林省进行的田间试验结果,右边为ISSM种植的玉米,与左边的现有种植方式相比,在不增加化肥施用量的前提下,可增产40%。图片来源:研究论文 

结果发现,ISSM可以使水稻、小麦和玉米的平均单产分别达到8.5、8.9和14.2吨/公顷,可达到高产种植方式的97%-99%,这一产量与国际上目前粮食作物生产水平最高的地区相当。这一数据也超过了此前国外学者所建立的模型所预测的中国粮食作物的极限产量。除了增加产量外,ISSM还大幅降低了氮肥施用率,提高了氮肥偏生产力(PFPN,指施用1千克氮肥可产出多少千克粮食)。之后,研究者又通过模型分析了4种种植方式对环境的影响,结果发现ISSM可以大幅降低活性氮损失和温室气体排放。

关于将ISSM推广到农民中是否存在很大难度、是否对农民的田间管理水平提出了很高的要求,中国农业大学资源与环境学院教授张福锁表示:“土壤-作物系统综合管理”虽然听起来很复杂,其实就是强调农民在种植作物时应该同时考虑土壤和作物因素,提高土壤质量。具体到实践中,操作流程并不复杂。其重点在于将农业机械化,以及好的种子、肥料和农药引入到现有的体系中。另外,该院的陈新平教授也指出,在特定种植区域建立因地制宜的ISSM也不复杂,此前国内很多粮食主产区已经积累了大量现成的数据资源。不过,他同时提到,此前的数据收集工作主要是集中在特定的地区,接下来还需要进一步的数据积累和农业科技投入。

研究者预测,到2030年,中国农业只要实现ISSM产量水平的80%,那么在保持2012年的种植面积的前提下,就可以不仅保证全国人民的口粮消费,而且可以满足不断增长的饲料粮需求。更重要的是,同时可以减少30%的活性氮损失,以及11%的温室气体排放。(编辑:Calo)

参考资料:

  1. Xinping Chen et al. Producing more grain with lower environmental costs Nature (2014) doi:10.1038/nature13609

​文章题图:scenicreflections.com

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