农业科学奖

  朱兆良 土壤农业化学家、土壤氮素专家。1932年8月21日生于山东青岛,原籍浙江奉化。 1953 年山东大学化学系毕业后,到中国科学院南京土壤研究所工作至今。现任该所研究员、博士生导师、学术委员会委员。先后任中国土壤学会土壤农业化学专业委员会副主任,土壤-植物营养专业委员会副主任;国际土壤学会水稻土肥力组主席;国际科联环境问题科学委员会“氮素迁移和转化”课题顾问委员会委员。1993年当选为中国科学院院士。

  自1960年以来,对土壤氮素转化与氮肥的合理施用问题进行了长期系统的研究,开拓了中国土壤氮素研究领域,为中国农业生产中氮肥的有效施用作出了重要贡献。科研成果先后获国家、中国科学院和江苏省科技进步奖等8项。主编专著两本,发表论文96 篇。

  一、对稻田土壤氮素的矿化、供应与氮肥施用量推荐方法的研究成果,为中国农业生产中确定作物的氮肥适宜施用量的理论和实践作出了重要贡献

  ( 一 ) 水稻吸氮量中自生固氮作用的贡献
 
  在盆栽试验中建立了以 15N 标记土壤矿化铵的15N 丰度作参比值测定水稻自生固氮量的方法。该法克服了用 15N 标记氮肥法测定水稻生长期间的自生固氮量时缺乏参比植物的困难,以及 15N 标记空气法只能作短期测定的缺点。用此法测得,在三种供试的水稻土上不施氮时水稻所吸收的氮量中有19.6%-23.0%( 平均 21.7%)系来自生长期间进行的自生固氮作用。它属非土壤来源氮,不应计入土壤供氮量中。因此,通常以无氮区水稻成熟时的吸氮量( 扣除了秧苗带入的氮)作为土壤供氮量的量度是偏高的。
 
  ( 二 ) 氮肥施用量的推荐方法
  
  在国内许多高产地区,普遍存在着盲目地过量施用氮肥的问题。确定氮肥的适宜施用量是发挥氮肥增产效用的关键。为了确定氮肥的适宜施用量,国内外已对土壤供氮量的预测方法进行了大量研究。他在总结国内外关于这一方面的研究结果后指出,虽然在盆栽试验中,土壤氮素有效性指标大多与不施氮时水稻的累积氮量呈高度正相关,但在田间试验中,这一相关性都很低,r 低 于 0.3,因而只能达到半定量的预测水平。在研究了可能的影响因素后,他指出:
  1. 无氮区水稻成熟时累积氮量中,在扣除来自自生固氮作用和秧苗带入的氮量后,只有 58%-72% 是真正来自土壤的。而且,在土壤来源氮中,又有 16%-49% 系来自犁底层,因此真正来自耕层的氮量只占无氮区水稻累积氮量的约30%-60%,特别是双季晚稻。因此,即使对后者能作出准确的估计,也难以准确地预测土壤的供氮量。
  2. 影响因素:(1) 虽然水稻吸氮量中有约 1/5 系来自自生固氮作用,但不同土壤之间这一比例差异不大,因而它不至于明显地影响到预测的准确性。(2)在研究太湖地区稻田土壤的供氮能力中发现,耕层以下土层的供氮量占土壤供氮总量的比例,不仅不同土壤类型之间、而且同一类型土壤的不同田块之间的变幅都较大。而现行的土壤测试法由于只采取耕层土样,忽略了犁底层土壤的贡献,这可能是影响预测准确性的一个重要原因。研究发现,这一比值与〔 15-30cm 土壤全氮 /0-30 cm 土壤全氮 ] 的比值的相关性很高,r= 0.847 。这表明,通过加测犁底层的土壤氮素有效性指标,有可能提高稻田土壤供氮量的预测准确性。 (3) 研究还发现,太湖地区不同水稻土,在淹水培养中矿化形成的铵可不同程度地被土壤粘土矿物重新固定,其量相当于培养后交换性铵增量的 -4% 至 57%,平均 28%。这一大的变幅表明,在用淹水培养法进行土壤供氮量的预测时,矿化形成的铵被土壤粘土矿物的再固定可能会影响到预测的准确性。(4) 此外,耕耙碎土和干燥程度的不同等对土壤氮素的矿化也有很大的影响,因此,对这些影响应作出定量估计。
  据此得出结论,目前通用的土壤测试法只能半定量地预测稻田土壤的供氮量,因而,以此为基础计得的氮肥推荐施用量也只能达到半定量水平。有鉴于此,并考虑到我国农村缺乏测试条件、难以广泛采用土壤测试法等情况,经论证提出了以“平均适宜施氮量”为基础,在大面积上推荐氮肥施用量的建议。对太湖地区不同季别的水稻和小麦的研究表明,如果各田块上统一按平均适宜施氮量施用氮肥,其所得总产只比各田块按各自的适宜施氮量施用时所得产量之和低 1% 左右。这证明了该法在大面积生产中的可行性。他指出,该法的依据是,在适宜施氮量附近,产量-施氮量的反应曲线较为平缓,施氮量的少量变化所引起的产量波动并不大。该法符合中国国情,易于采用,已在太湖地区推广,取得了很大的经济效益,也为某些高度集约化地区所采用。
 
  ( 三 ) 氮肥和水稻生长对土壤氮素矿化促进作用的评价
 
  这既是理论问题,也关系到用平衡法计算氮肥施用量时有关参数的选定。关于氮肥对土壤氮素矿化的促进作用已提出了很多解释。他在总结已有的水稻和小麦的试验结果后发现,氮肥所增加的土壤矿化氮量( 激发量 ),大多与施入的氮肥在土壤中的残留量相近,二者相抵后的净激发量大多不足施用氮量的10%。据此他提出,这种促进作用大多只是一种表观现象。它主要是土壤氮与 15N 标记肥料氮之间进行生物交换作用的结果。据此指出,示踪法的氮肥利用率低估了施氮肥后作物氮素营养水平的提高程度,而应以差值法的氮肥利用率作为平衡法计算氮肥用量和评价氮肥效用时的参数。
  
  他的研究表明,水稻生长对土壤氮素矿化的促进作用也是一种表观现象。这是由于:(1) 在不种水稻的淹水培养中,由于土壤氮矿化形成的铵,部分地被土壤粘土矿物所重新固定,从而低估了土壤氮素的矿化量;(2) 在种稻试验中,不施氮时水稻累积氮中有相当一部分是来自自生固氮作用,因此,以水稻吸收氮量作为土壤氮素矿化量时,又高估了种稻情况下土壤氮素的矿化量。在对这两方面进行校正后,水稻生长对土壤氮素的矿化即大多无明显的促进作用。据此认为,在相同有效积温的条件下,淹水密闭培养中土壤氮素的矿化量 ( 加上起始铵态氮量 ) 可以作为土壤提供给水稻吸收利用的氮量的量度。该项成果于 1989 年获中国科学院科技进步奖二等奖和 1990 年国家科技进步奖二等奖。
 
  二、明确了三熟制下水稻高产所要求的土壤养分( 特别是氮) 供应特点,为太湖地区调整双三制及合理施肥提供了理论依据
 
  太湖地区农民反映,由单季晚稻改为双季稻后,氮肥的需求量显著增高,而水稻的反应却不明显。他的研究证明,由单季晚稻改为双季稻后,由于每季水稻的生长期明显缩短、有效积温显著减少,土壤的供氮量即大大降低,因而水稻的高产必然要求增加氮肥的施用量。同时,由于双季稻各季的生长期较短,而高产时的吸氮量却并不低,因而水稻的氮素吸收速率显著增高 ( 特别是生长的早期 ),要求土壤具有较高的氮素矿化速率和铵的较高生物有效性,即要求土壤具有较好的供氮早发特性。研究表明,土壤的这一特性主要决定于: (1) 土壤氮素矿化进程的特点;(2) 水稻生长早期的根系伸展速率。二者都受到土壤结构性的影响。结构性好的水稻土,不仅氮素矿化速率高,而且水稻根系的伸展也比较快,从而有利于对土壤中铵的吸收和水稻的早期生长。因此,土壤结构性是熟制改革中应予考虑的一个重要因素。同时,还提出了控制氮肥用量和重视其他肥料配合施用的建议。
 
  该项研究先后获得中国科学院和江苏省的奖励,并于 1986 年归入“太湖地区高产水稻土的培育和合理施肥的研究”大项,获中国科学院科技进步奖二等奖,1987 年获国家科技进步奖二等奖。
 
  三、开拓了中国农田中氮肥损失的研究领域,为农业生产中改进氮肥的施用技术提供了理论依据
 
  自 1974 年起采用 15N 标记氮肥的田间微区试验技术,对农田土壤(主要是稻田)中氮肥的去向进行了系统的研究。明确了中国农田( 主要是稻田 )中氮肥损失的严重程度( 稻田约为 30%-70%,旱地略低 ) 。
 
  ( 一 ) 稻田中氮肥的损失及其对策
  1. 损失程度
      明确了中国稻田中铵态氮肥和尿素的损失一般为 30%-70% 。其中:(1)石灰性土壤上损失大于非石灰性土壤;(2) 在非石灰性土壤上表施或混施时的损失是:碳酸氢铵 > 尿素 > 硫酸铵; 在石灰性土壤上这种差异相对较小;(3) 作基肥时,以表施的损失为最高,“有水层混施”的与之相近,粒肥深施的最低;(4) 作基肥或分蘖肥表施或混施的损失远高于生长盛期表施。
  2. 损失途径
      研究证明,稻田中氮肥在施用当季的淋洗损失很低,主要的损失途径是氨挥发和硝化-反硝化。氮肥施用后其损失迅速达到最大值。
      在国内一些稻区,采用微气象学质量平衡法,在田间原位观测了氮肥的氨挥发与硝化-反硝化的相对重要性。对不同氮肥的氨挥发的研究表明,在“有水层混施”作基肥时, 碳酸氢铵的氨挥发在施用后迅即发生并达到高峰,这是由于施肥后,田面水中的[ 氨和铵 ]态氮浓度立即达到最高值所致,此后氨挥发速率急剧降低,至施后约第 5 天即基本停止;尿素需经水解成铵后才可能发生氨挥发,因此,在施肥后初期氨挥发速率很低,此后逐渐增高,至达高峰后再下降而趋于停止,整个过程持续的时间较长,峰值和累计的氨挥发损失都低于碳酸氢铵,并成为其氮素总损失低于碳酸氢铵的主要原因。
      对氮肥损失途径的研究表明,氨挥发的相对重要性取决于土壤和灌溉水的pH 、田面水中存留的氮量( 特别是[ 氨+铵 ] 态氮 ) 的浓度和光照等;对尿素来说,还有土壤的脲酶活性。在北方的石灰性土壤上,碳酸氢铵和尿素的氨挥发损失的重要性都与硝化--反硝化损失相近。而在南方的非石灰性水稻土上,氮肥作单季晚稻面肥施用时,因光照弱,氨挥发的重要性较低,主要的损失途径是硝化--反硝化;在栽秧后 12 天表施者,氨挥发又略低一点。但是,在旱季 ( 后季稻 )上施用的面肥,因光照强烈,加之尿素水解迅速,其氨挥发损失高达施氮量的40%,占尿素氮总损失的71%,成为其氮素损失的主要途径。
  3. 减少氮肥损失的对策
      研究了改进施用技术、大粒深施、田面水表面成膜物质、硝化抑制剂、脲酶抑制剂等,其中以粒肥深施的效果最好。
      在研究中发现,习惯上采用的“有水层混施法飞不能将氮肥充分混入土中,特别是尿素。存留于田面水中的氮量可达 114-239mgN/L, 相当于施入氮量的 51%-106% 。考虑到田面水中的氮极易发生大量的氨挥发损失这一事实,提出了稻田氮肥合理施用的一项原则,即“力求减少施肥后存留于田面水中的氮量”实际上,这一施肥原则还有利于减少氮肥的径流损失。根据这一原则研究提出了“ 无水层混施法”。此法比习惯施用法的氮素损失低 11%- 20%;在国内从黑龙江到江西6个点的试验中,除一个高肥土壤外,增产稻谷 5%-16%。
  ( 二 ) 黄淮海平原区潮土上氮肥的损失及其对策
 
  采用田间 15N 微区技术和微气象学技术研究的结果表明:
  1. 在采用当前习惯施用技术下,本区主要作物上氮肥的损失以水稻为最高 (70% 左右 ), 其次是小麦(40% 左右),而以玉米为最低 (30% 左右 )。这种差异主要是由于施用方法 ( 或深施程度 ) 的不同所致。
  2. 在施用的当季,氮肥的淋洗损失一般不大。其中,玉米地中氮肥的淋失可能性与冬小麦相近或略大一些,二者都明显大于水稻田。
  3. 在玉米地上尿素表施时的氨挥发达30%,在水稻上碳酸氢铵和尿素有水层混施时氨挥发也达 30%-39%,而成为氮肥损失的重要或主要途径。因此,降低氨挥发损失应是本区氮肥合理施用的重点。深施能显著减少氨挥发。
  上述研究中的“稻田中化肥氮的损失”一项于 1988 年获中国科学院科技进步奖二等奖;“黄淮海平原区潮土上化肥氮的损失及其对策”一项,纳入“黄淮海平原区域综合治理技术和农业发展战略研究”大项,于 1991 年获中国科学院科技进步奖一等奖。
 
朱兆良教授的主要学术论文、著作目录
  1. 苏州地区双三制下土壤养分状况和水稻对肥料的反应 .土壤学报 ,1978,15:2.( 合作者 : 廖先苓、蔡贵信、俞金州 )
  2. 苏州地区平田黄泥土氮素供应过程的特点及其与氮肥施用方法的关系 .土壤学报 ,1979,16:3.( 合作者 : 陈荣业、徐永福、徐银华、张绍林 )
  3. 耕作制对土壤肥力的影响 .土壤学报 ,1980,17:2.( 合作者 : 熊毅、徐琪、姚贤良 )
  4. 我国关于土壤供氮和化肥氮去向研究的进展 .土壤 ,1985,17:1.
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  6. 土壤氮素的矿化和供应 .见 : 我国土壤氮素研究工作的现状与展望 .科学出版社 ,1986.14-27.
  7. 稻田非共生固氮对当季水稻吸收氮的贡献 .土壤 ,1986,18:5.( 合作者 : 陈德立、张绍林、徐银华 )
  8. 我国土壤氮素研究工作的现状与展望 .科学出版社 ,1986.( 合作者 : 文启孝 )
  9. 15N balance studies of fertilizer nitrogen applied to rice fields in China. In: Efficiency of Nitrogen Fertilizers for Rice ,IRRI Manila.1987,163-167.
  10. 关于稻田土壤供氮量的预测和平均适宜施氮量的应用 .土壤 ,1988,20:2.
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  24. 农田生态系统中化肥氮的去向和氮素管理 .见 : 中国土壤氮素 .江苏科技出版社 ,1992,213-249.
  25. 我国农业生态系统中氮素的循环和平衡 .见 : 中国土壤氮素 .江苏科技出版社 ,1992,288-303.
  26. 中国土壤氮素.江苏科技出版社 ,1992( 合作者 : 文启孝 )
  27. 潮土中氮肥的去向和经济施用.见 : 豫北平原旱涝盐碱综合治理.科学出版社 ,1993,27-35