農業科學獎

  朱兆良 土壤農業化學家、土壤氮素專家。1932年8月21日生于山東青島,原籍浙江奉化。 1953 年山東大學化學系畢業后,到中國科學院南京土壤研究所工作至今?,F任該所研究員、博士生導師、學術委員會委員。先后任中國土壤學會土壤農業化學專業委員會副主任,土壤-植物營養專業委員會副主任;國際土壤學會水稻土肥力組主席;國際科聯環境問題科學委員會“氮素遷移和轉化”課題顧問委員會委員。1993年當選為中國科學院院士。

  自1960年以來,對土壤氮素轉化與氮肥的合理施用問題進行了長期系統的研究,開拓了中國土壤氮素研究領域,為中國農業生產中氮肥的有效施用作出了重要貢獻??蒲谐晒群螳@國家、中國科學院和江蘇省科技進步獎等8項。主編專著兩本,發表論文96 篇。

  一、對稻田土壤氮素的礦化、供應與氮肥施用量推薦方法的研究成果,為中國農業生產中確定作物的氮肥適宜施用量的理論和實踐作出了重要貢獻

  ( 一 ) 水稻吸氮量中自生固氮作用的貢獻
 
  在盆栽試驗中建立了以 15N 標記土壤礦化銨的15N 豐度作參比值測定水稻自生固氮量的方法。該法克服了用 15N 標記氮肥法測定水稻生長期間的自生固氮量時缺乏參比植物的困難,以及 15N 標記空氣法只能作短期測定的缺點。用此法測得,在三種供試的水稻土上不施氮時水稻所吸收的氮量中有19.6%-23.0%( 平均 21.7%)系來自生長期間進行的自生固氮作用。它屬非土壤來源氮,不應計入土壤供氮量中。因此,通常以無氮區水稻成熟時的吸氮量( 扣除了秧苗帶入的氮)作為土壤供氮量的量度是偏高的。
 
  ( 二 ) 氮肥施用量的推薦方法
  
  在國內許多高產地區,普遍存在著盲目地過量施用氮肥的問題。確定氮肥的適宜施用量是發揮氮肥增產效用的關鍵。為了確定氮肥的適宜施用量,國內外已對土壤供氮量的預測方法進行了大量研究。他在總結國內外關于這一方面的研究結果后指出,雖然在盆栽試驗中,土壤氮素有效性指標大多與不施氮時水稻的累積氮量呈高度正相關,但在田間試驗中,這一相關性都很低,r 低 于 0.3,因而只能達到半定量的預測水平。在研究了可能的影響因素后,他指出:
  1. 無氮區水稻成熟時累積氮量中,在扣除來自自生固氮作用和秧苗帶入的氮量后,只有 58%-72% 是真正來自土壤的。而且,在土壤來源氮中,又有 16%-49% 系來自犁底層,因此真正來自耕層的氮量只占無氮區水稻累積氮量的約30%-60%,特別是雙季晚稻。因此,即使對后者能作出準確的估計,也難以準確地預測土壤的供氮量。
  2. 影響因素:(1) 雖然水稻吸氮量中有約 1/5 系來自自生固氮作用,但不同土壤之間這一比例差異不大,因而它不至于明顯地影響到預測的準確性。(2)在研究太湖地區稻田土壤的供氮能力中發現,耕層以下土層的供氮量占土壤供氮總量的比例,不僅不同土壤類型之間、而且同一類型土壤的不同田塊之間的變幅都較大。而現行的土壤測試法由于只采取耕層土樣,忽略了犁底層土壤的貢獻,這可能是影響預測準確性的一個重要原因。研究發現,這一比值與〔 15-30cm 土壤全氮 /0-30 cm 土壤全氮 ] 的比值的相關性很高,r= 0.847 。這表明,通過加測犁底層的土壤氮素有效性指標,有可能提高稻田土壤供氮量的預測準確性。 (3) 研究還發現,太湖地區不同水稻土,在淹水培養中礦化形成的銨可不同程度地被土壤粘土礦物重新固定,其量相當于培養后交換性銨增量的 -4% 至 57%,平均 28%。這一大的變幅表明,在用淹水培養法進行土壤供氮量的預測時,礦化形成的銨被土壤粘土礦物的再固定可能會影響到預測的準確性。(4) 此外,耕耙碎土和干燥程度的不同等對土壤氮素的礦化也有很大的影響,因此,對這些影響應作出定量估計。
  據此得出結論,目前通用的土壤測試法只能半定量地預測稻田土壤的供氮量,因而,以此為基礎計得的氮肥推薦施用量也只能達到半定量水平。有鑒于此,并考慮到我國農村缺乏測試條件、難以廣泛采用土壤測試法等情況,經論證提出了以“平均適宜施氮量”為基礎,在大面積上推薦氮肥施用量的建議。對太湖地區不同季別的水稻和小麥的研究表明,如果各田塊上統一按平均適宜施氮量施用氮肥,其所得總產只比各田塊按各自的適宜施氮量施用時所得產量之和低 1% 左右。這證明了該法在大面積生產中的可行性。他指出,該法的依據是,在適宜施氮量附近,產量-施氮量的反應曲線較為平緩,施氮量的少量變化所引起的產量波動并不大。該法符合中國國情,易于采用,已在太湖地區推廣,取得了很大的經濟效益,也為某些高度集約化地區所采用。
 
  ( 三 ) 氮肥和水稻生長對土壤氮素礦化促進作用的評價
 
  這既是理論問題,也關系到用平衡法計算氮肥施用量時有關參數的選定。關于氮肥對土壤氮素礦化的促進作用已提出了很多解釋。他在總結已有的水稻和小麥的試驗結果后發現,氮肥所增加的土壤礦化氮量( 激發量 ),大多與施入的氮肥在土壤中的殘留量相近,二者相抵后的凈激發量大多不足施用氮量的10%。據此他提出,這種促進作用大多只是一種表觀現象。它主要是土壤氮與 15N 標記肥料氮之間進行生物交換作用的結果。據此指出,示蹤法的氮肥利用率低估了施氮肥后作物氮素營養水平的提高程度,而應以差值法的氮肥利用率作為平衡法計算氮肥用量和評價氮肥效用時的參數。
  
  他的研究表明,水稻生長對土壤氮素礦化的促進作用也是一種表觀現象。這是由于:(1) 在不種水稻的淹水培養中,由于土壤氮礦化形成的銨,部分地被土壤粘土礦物所重新固定,從而低估了土壤氮素的礦化量;(2) 在種稻試驗中,不施氮時水稻累積氮中有相當一部分是來自自生固氮作用,因此,以水稻吸收氮量作為土壤氮素礦化量時,又高估了種稻情況下土壤氮素的礦化量。在對這兩方面進行校正后,水稻生長對土壤氮素的礦化即大多無明顯的促進作用。據此認為,在相同有效積溫的條件下,淹水密閉培養中土壤氮素的礦化量 ( 加上起始銨態氮量 ) 可以作為土壤提供給水稻吸收利用的氮量的量度。該項成果于 1989 年獲中國科學院科技進步獎二等獎和 1990 年國家科技進步獎二等獎。
 
  二、明確了三熟制下水稻高產所要求的土壤養分( 特別是氮) 供應特點,為太湖地區調整雙三制及合理施肥提供了理論依據
 
  太湖地區農民反映,由單季晚稻改為雙季稻后,氮肥的需求量顯著增高,而水稻的反應卻不明顯。他的研究證明,由單季晚稻改為雙季稻后,由于每季水稻的生長期明顯縮短、有效積溫顯著減少,土壤的供氮量即大大降低,因而水稻的高產必然要求增加氮肥的施用量。同時,由于雙季稻各季的生長期較短,而高產時的吸氮量卻并不低,因而水稻的氮素吸收速率顯著增高 ( 特別是生長的早期 ),要求土壤具有較高的氮素礦化速率和銨的較高生物有效性,即要求土壤具有較好的供氮早發特性。研究表明,土壤的這一特性主要決定于: (1) 土壤氮素礦化進程的特點;(2) 水稻生長早期的根系伸展速率。二者都受到土壤結構性的影響。結構性好的水稻土,不僅氮素礦化速率高,而且水稻根系的伸展也比較快,從而有利于對土壤中銨的吸收和水稻的早期生長。因此,土壤結構性是熟制改革中應予考慮的一個重要因素。同時,還提出了控制氮肥用量和重視其他肥料配合施用的建議。
 
  該項研究先后獲得中國科學院和江蘇省的獎勵,并于 1986 年歸入“太湖地區高產水稻土的培育和合理施肥的研究”大項,獲中國科學院科技進步獎二等獎,1987 年獲國家科技進步獎二等獎。
 
  三、開拓了中國農田中氮肥損失的研究領域,為農業生產中改進氮肥的施用技術提供了理論依據
 
  自 1974 年起采用 15N 標記氮肥的田間微區試驗技術,對農田土壤(主要是稻田)中氮肥的去向進行了系統的研究。明確了中國農田( 主要是稻田 )中氮肥損失的嚴重程度( 稻田約為 30%-70%,旱地略低 ) 。
 
  ( 一 ) 稻田中氮肥的損失及其對策
  1. 損失程度
    明確了中國稻田中銨態氮肥和尿素的損失一般為 30%-70% 。其中:(1)石灰性土壤上損失大于非石灰性土壤;(2) 在非石灰性土壤上表施或混施時的損失是:碳酸氫銨 > 尿素 > 硫酸銨; 在石灰性土壤上這種差異相對較??;(3) 作基肥時,以表施的損失為最高,“有水層混施”的與之相近,粒肥深施的最低;(4) 作基肥或分蘗肥表施或混施的損失遠高于生長盛期表施。
  2. 損失途徑
    研究證明,稻田中氮肥在施用當季的淋洗損失很低,主要的損失途徑是氨揮發和硝化-反硝化。氮肥施用后其損失迅速達到最大值。
    在國內一些稻區,采用微氣象學質量平衡法,在田間原位觀測了氮肥的氨揮發與硝化-反硝化的相對重要性。對不同氮肥的氨揮發的研究表明,在“有水層混施”作基肥時, 碳酸氫銨的氨揮發在施用后迅即發生并達到高峰,這是由于施肥后,田面水中的[ 氨和銨 ]態氮濃度立即達到最高值所致,此后氨揮發速率急劇降低,至施后約第 5 天即基本停止;尿素需經水解成銨后才可能發生氨揮發,因此,在施肥后初期氨揮發速率很低,此后逐漸增高,至達高峰后再下降而趨于停止,整個過程持續的時間較長,峰值和累計的氨揮發損失都低于碳酸氫銨,并成為其氮素總損失低于碳酸氫銨的主要原因。
    對氮肥損失途徑的研究表明,氨揮發的相對重要性取決于土壤和灌溉水的pH 、田面水中存留的氮量( 特別是[ 氨+銨 ] 態氮 ) 的濃度和光照等;對尿素來說,還有土壤的脲酶活性。在北方的石灰性土壤上,碳酸氫銨和尿素的氨揮發損失的重要性都與硝化--反硝化損失相近。而在南方的非石灰性水稻土上,氮肥作單季晚稻面肥施用時,因光照弱,氨揮發的重要性較低,主要的損失途徑是硝化--反硝化;在栽秧后 12 天表施者,氨揮發又略低一點。但是,在旱季 ( 后季稻 )上施用的面肥,因光照強烈,加之尿素水解迅速,其氨揮發損失高達施氮量的40%,占尿素氮總損失的71%,成為其氮素損失的主要途徑。
  3. 減少氮肥損失的對策
    研究了改進施用技術、大粒深施、田面水表面成膜物質、硝化抑制劑、脲酶抑制劑等,其中以粒肥深施的效果最好。
    在研究中發現,習慣上采用的“有水層混施法飛不能將氮肥充分混入土中,特別是尿素。存留于田面水中的氮量可達 114-239mgN/L, 相當于施入氮量的 51%-106% ??紤]到田面水中的氮極易發生大量的氨揮發損失這一事實,提出了稻田氮肥合理施用的一項原則,即“力求減少施肥后存留于田面水中的氮量”實際上,這一施肥原則還有利于減少氮肥的徑流損失。根據這一原則研究提出了“ 無水層混施法”。此法比習慣施用法的氮素損失低 11%- 20%;在國內從黑龍江到江西6個點的試驗中,除一個高肥土壤外,增產稻谷 5%-16%。
  ( 二 ) 黃淮海平原區潮土上氮肥的損失及其對策
 
  采用田間 15N 微區技術和微氣象學技術研究的結果表明:
  1. 在采用當前習慣施用技術下,本區主要作物上氮肥的損失以水稻為最高 (70% 左右 ), 其次是小麥(40% 左右),而以玉米為最低 (30% 左右 )。這種差異主要是由于施用方法 ( 或深施程度 ) 的不同所致。
  2. 在施用的當季,氮肥的淋洗損失一般不大。其中,玉米地中氮肥的淋失可能性與冬小麥相近或略大一些,二者都明顯大于水稻田。
  3. 在玉米地上尿素表施時的氨揮發達30%,在水稻上碳酸氫銨和尿素有水層混施時氨揮發也達 30%-39%,而成為氮肥損失的重要或主要途徑。因此,降低氨揮發損失應是本區氮肥合理施用的重點。深施能顯著減少氨揮發。
  上述研究中的“稻田中化肥氮的損失”一項于 1988 年獲中國科學院科技進步獎二等獎;“黃淮海平原區潮土上化肥氮的損失及其對策”一項,納入“黃淮海平原區域綜合治理技術和農業發展戰略研究”大項,于 1991 年獲中國科學院科技進步獎一等獎。
 
朱兆良教授的主要學術論文、著作目錄
  1. 蘇州地區雙三制下土壤養分狀況和水稻對肥料的反應 .土壤學報 ,1978,15:2.( 合作者 : 廖先苓、蔡貴信、俞金州 )
  2. 蘇州地區平田黃泥土氮素供應過程的特點及其與氮肥施用方法的關系 .土壤學報 ,1979,16:3.( 合作者 : 陳榮業、徐永福、徐銀華、張紹林 )
  3. 耕作制對土壤肥力的影響 .土壤學報 ,1980,17:2.( 合作者 : 熊毅、徐琪、姚賢良 )
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  6. 土壤氮素的礦化和供應 .見 : 我國土壤氮素研究工作的現狀與展望 .科學出版社 ,1986.14-27.
  7. 稻田非共生固氮對當季水稻吸收氮的貢獻 .土壤 ,1986,18:5.( 合作者 : 陳德立、張紹林、徐銀華 )
  8. 我國土壤氮素研究工作的現狀與展望 .科學出版社 ,1986.( 合作者 : 文啟孝 )
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  10. 關于稻田土壤供氮量的預測和平均適宜施氮量的應用 .土壤 ,1988,20:2.
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  27. 潮土中氮肥的去向和經濟施用.見 : 豫北平原旱澇鹽堿綜合治理.科學出版社 ,1993,27-35
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