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史继东的博客

苹果、果业、果农,技术、信息、服务,栽培、植保、土肥水,生产、流通、销售

 
 
 

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史继东,男,生于1973年9月,陕西长武人,大学本科学历。现供职于宝鸡华圣果业公司,担任副总经理,技术总负责人。

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被业界称为“理论重大突破”的施肥新技术  

2011-11-09 23:27:21|  分类: 果业——土肥水管 |  标签: |举报 |字号 订阅

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题记:在乾县9月26日上午召开的全省有机全营养配方施肥技术现场观摩会上,一种新的施肥技术被与会专家一致认可,被认为是施肥技术理论的重大突破。

 

"有机全营养施肥"技术研究

刘存寿

摘要:1840年,德国化学家李比西英国有机化学杂志举办科学年会上,发表了"化学在植物生理与农业"论文,文中论述了植物生长发育与矿物质营养的关系,确立了"植物营养的矿物质营养"经典理论,并为化肥工业提供了理论依据,促进了化肥工业的发展。

化肥工业发展是农业生产的一场革命,化肥的施用大幅度提高了粮食产量。1800 年,无化肥NPK投入,1 公顷土地只生产0.73吨粮食(亩产48.7kg),1.25公顷土地生产的粮食才能供一人之需;而1978 年,每公顷投入的化肥NPK 为155.8 公斤,生产4.63 吨谷物,(亩产309kg)可 养活4.5 人;中国以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口,创造了世界农业奇迹,而这个奇迹的背后,靠着化学肥料投入的不断加大,使中国成为世界化肥第一生产大国和施用大国。据联合国粮农组织估计,化肥在农业生产中的贡献率为55%,可见化肥对农业发展和人类社会进步影响之大。

然而,任何事物都具有两面性,任何技术都是一把双刃剑,化肥也不例外。化肥的持续施用和使用量的不断加大,出现了各方面的问题,化肥效益递减、土壤环境恶化、作物抗性降低、农产品品质下降、环境污染等越来越严重,特别是农产品品质下降和环境污染已得到世界各国的高度重视。

为解决随化肥使用量加大而出现的问题,先后推行了推荐施肥、平衡施肥、配方施肥和测土配方施肥等科学施肥技术,这些施肥技术对提高养分利用率、改善农产品品质方面发挥了一定作用,直至目前,没有一种施肥技术能够全面而显著地解决这些问题。我们研究表明:由天然有机物降解而来的小分子活性有机物在其中起着至关重要的作用,具有增强作物代谢、促进作物生长、提高作物抗性、改善土壤理化和生物学性质、提高矿物质养分利用效率多重功能,并把这些小分子活性有机物定义为植物有机营养,并发现植物营养经典理论存在不完善之处。

为解决自然条件下植物有机营养供应强度弱的缺点,使作物迅速获取足够有机营养,充分发挥有机营养的生物效应,我们完成了天然有机物人工快速降解—植物有机营养加工技术,在此基础上,经过三年基础研究、肥效试验和示范应用,逐步形成了一种新的施肥技术—有机全营养施肥。试验示范证明,有机全营养施肥在培肥土壤、提高作物产量、改善作物品质、增强作物抗性、防止连作障碍作用显著,水稻产量提高25-32%;连茬马铃薯增产52-114%;根治苹果小叶病、黄叶病和早期落叶病。

关键词:施肥问题 植物营养理论 植物有机营养 有机全营养施肥

化肥工业发展是农业生产的一场革命,化肥的施用大幅度提高了粮食产量。1800 年,无化肥NPK投入,1 公顷土地只生产0.73吨粮食(亩产48.7kg),1.25公顷土地生产的粮食才能供一人之需;而1978 年,每公顷投入的化肥NPK 为155.8 公斤,生产4.63 吨谷物,(亩产309kg)可 养活4.5 人;中国以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口,创造了世界农业奇迹,而这个奇迹的背后,靠着化学肥料投入的不断加大,使中国成为世界化肥第一生产大国和施用大国。据联合国粮农组织估计,化肥在农业生产中的贡献率为55%,可见化肥对农业发展和人类社会进步影响之大。

我国是一个人多地少的国家,人均耕地0.086公顷,约为世界人均耕地0.32公顷的四分之一,世界排名第126位。增加投入,努力提高单位面积产量是中国农业必由之路。因此,农业生产资料投入不断增加,其中化肥增加量最快,化肥投入占农业生产资料总投入的50-60%,是开支最大项目,也是引起争议最大项目。

  1. 从化肥发展历程看化肥问题

任何事物都具有两面性,任何技术都是一把双刃剑,化肥也不例外。化肥的持续施用和使用量的不断加大,出现了各方面的问题,化肥效益递减、土壤环境恶化、作物抗性降低、农产品品质下降、环境污染等越来越严重,特别是农产品品质下降和环境污染已得到世界各国的高度重视。现在主流观点将这些问题全部归罪于化学肥料,对此,我同意李胜秀先生在植物营养学会年会上讲话稿"植物营养与肥料科学现状与展望"中的观点:(在清晰掌握现代农业存在问题之前)"不可盲目夸大化肥的副作用"。

为寻求现代农业大量施用化肥以来出现的诸多问题,我们采用对照发达国家和发展中国家化肥工业发展、化肥施用历程,结合我国相关历史数据,以期找到问题的答案。

发达国家工业化进程早,化肥工业起步早、发展历程长,我们发展中国家现在出现的问题他们曾经经历过,科学施肥理念的提出和科学施肥技术推广也是西方发达国家早于发展中国家,说明这些问题的出现是化肥施用过程中的必然;事物的发展都存在量变到质变的过程,我国化肥发展过程的历史数据反映了"量变",诸多问题是"质变", "量"和"质"必然存在内部联系。

我国代表年份相关农业生产资料统计图:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 我国代表年份化肥施用总量(万吨)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2中代表年份农药使用总量

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3 中国代表年份化肥与有机肥比例(%)

 

从三个图表看出:农药使用总量随化肥使用量或化肥比例提高增加而增加,随有机肥料比例下降而增加。农药使用量增加,说明作物抗性减低,作物抗性降低是现代农业出现的诸多问题之一。图表给我们提示:(1)是化肥使用量增加或化肥比例提高导致了作物抗性降低,从而不得不使用大量农药以维持作物正常生长?还是(2)有机肥料比例下降导致作物抗性降低,从而使农药使用量不断增加?

自从1840年德国化学家李比西在英国有机化学杂志举办的科学年会上发表了他的研究论文"化学在植物生理和农业上的应用"后,创立了"植物矿物质营养"理论,结合他后来的研究成果,"同等重要、不可替代和最小养分率"的提出,建立了植物营养理论体系,被称为植物营养"三大定律"。该理论不仅为化肥工业的发展奠定了理论基础,促进了化肥工业发展,而且为植物营养研究提供理论依据,160年来,植物营养研究和施肥技术的产生都是以"植物矿物质营养"理论和植物营养"三大定律"为依据。

然而,现实情况是,伴随着化肥施用量增加出现了诸多问题,为解决这些问题先后研究推出了各种施肥技术,从配合施肥、推荐施肥、配方施肥和测土配方施肥,没有一种施肥技术能够全面而显著地解决出现的问题,原因何在?

对此,在我们进行了大量实验研究的基础上,参考国内外相关研究文学,证明有机肥料(准确地说,是有机营养)不足是造成现代农业诸多问题的根本原因,并发现经典植物营养 理论存在不完善之处。

 

二植物能够而且需要吸收有机营养

 

关于植物能否,有没有必要吸收有机物一直存在争议,因为经典植物营养理论认为,有机物只有矿化成离子态或单质才能被植物吸收。随着实验手段进步和实验结果的不断证明,越来越多的学者倾向于作物能够吸收小分子有机物。浙江农业大学陶勤楠、吴良欢;中国农业科学院土壤肥料研究所张夫道研究员已经实验证明水稻能够吸收氨基酸、酰胺等小分子有机态氮;E.H.拉特涅尔在分析水稻秧苗中的总氨基酸含量时发现,凡用氨基酸作氮源的,植株体内总氨基酸量都比硫酸氨作氮源的要高,说明外源氨基酸在植株体内可转化成其它氨基酸而参与氮素代谢作用。 作物不仅能吸收氨基酸和酞胺,而且还能使它们在体内迅速转运和转化。给水稻秧苗施以C14甘氨酸,5分钟后就能在自显影照片上观察到水稻根吸收了少量甘氨酸5小时后甘氨酸已转运到叶部;48小时后吸收量达最大值。 我们用水培法试验,玉米72小时对低浓度葡萄糖、蔗糖、维生素C、维生素B、赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸吸收证明:吸收率在37%-75%之间。

实际上,早在李比西之前,德国学者Von Thaer 提出了植物营养"腐殖质"理论,认为腐殖质是植物营养的源泉;A.弗泰内(Virtonen)等20世纪40年代就指出,三叶草豌豆能较好地吸收天门冬氨酸与谷氨酸;我国著名植物营养学家孙羲在其《植物营养原理》一书中提出植物"矿物质—有机营养"学说,明确有机营养概念,但没有有机营养来源、种类、作用详细论述。

但直至目前,对有机营养研究可参考文献可谓凤毛麟角。

《天然植物生物化学》详述了天然有机物合成、化学分类;《植物生物活性物质》将植物中包含的生物活性物质分为碳水化合物类、含氮化合物类、生物碱类、黄酮类等11大类数百种化合物,面对如此浩繁的物质种类、各自独特的生物化学性质,显得无从下手。但仔细分析,发现其中80%为碳水化合物,其他物质可以看成碳水化合物的衍生物,而碳水化合物基本组成是葡萄糖单元或葡萄糖衍生物。葡萄糖是植物光和作用第一种稳态有机物,因此,植物生物合成过程可以看成葡萄糖聚合或衍生物聚合(纤维素、半纤维素、淀粉、木质素)和转化衍生物(生物碱、维生素、黄酮类等)。

植物为完成生命过程和繁衍后代合成多种有机物,形成组织构成物(纤维素、半纤维素、木质素);储藏物(淀粉、蛋白质、脂肪);生命活动能源(葡萄糖、磷脂、激素、维生素);抵御环境胁迫(生物碱、黄酮)。植物因为需要而合成多种有机物,那么,外源供应能被植物直接吸收的同类有机物必然具有同样的生物效应。生物碱等可增强植物抵御病虫危害能力;激素可促进物质代谢和生长,人工合成农药和植物激素正式利用这一原理,如果说有机物只有矿化后才能被植物吸收,那么杀虫剂、杀菌剂、生长素、细胞分裂素就不可能具有其生物效应。

同矿物质营养"同等重要、不可替代"定律一样,各种小分子有机活性物对植物生长发育的生物学作用也"同等重要、不可替代"。植物能够而且必须吸收有机营养。

 

三、有机配位化合物有利于植物吸收

 

有机营养提高矿物质养分有效性是有机营养重要功能之一,其主要原理将矿物质养分转化成有机配位化合物。

卡尔布辛配位化合物在《土壤发生、植物营养及环境中的功能与作用》(核农学通报 1994,15(5):221-225)中指出,有机配位化合物有利于作物吸收利用;

张光先等《树干注射含钙化合物提高柑桔叶片和果实钙含量及果实贮藏品质研究》 (《中国柑桔》1995年 第2期), 每株分别注射氯化钙6.5克,柠檬酸钙11.5克 ,乙二胺四乙酸钙16.5克 ,均含有2.0克钙 。15天后, 叶片钙含量乙二胺四乙酸钙处理是氯化钙处理的3.6倍,柠檬酸钙3.4倍。实践中观察到,长期施用有机肥的土壤,作物不易出现缺素症,说明低价离子容易被植物直接吸收,高价离子难以被植物直接吸收,同小分子有机物生成有机配位化合物,降低了电性,提高了同细胞膜的亲和力,容易被吸收,这些小分子有机物充当了"载体"角色,另外,有机配位化合物稳定性高,不易和土壤中其他物质反应而化学沉淀,且弱化了离子间竞争吸收。

关于有机配位化合物植物吸收机理是我们下一步重点研究课题。

 

四、植物有机营养生物效应的多重性

 

能够被植物吸收利用,直接或间接影响植物生长发育的物质称为植物营养。同矿物质营养一样,我们把对植物生长发育直接或间接产生正效应的小分子活性有机物称为植物有机营养。同矿物质营养相比,有机营养种类更多、物质更复杂,而且天然有机物几乎全是不饱和烃,这种不饱和性使之具有很强的它们生物活性和化学活性,生物活性表现在枝接、聚合、转化和衍生等;化学活性表现在聚合、反应(有机酸类和醇类反应生成脂)、取代等。因此,有机营养研究的难度比无机营养大得多,我们只能从纯物质入手,分析研究植物有机营养。

有机营养的生物效应表现在以下四个方面:(1)促进植物代谢和生长发育。葡萄糖、寡糖、氨基酸、维生素、生长素及其衍生物能够被植物直接吸收利用,参与植物代谢,促进植物生长;(2)增强植物抗性。生物碱、黄酮类、生物多肽、生物多糖类和多胺类能够增强植物抗寒、抗旱、抗病虫能力。这方面已有部分研究证据和应用产品;(3)改善土壤理化性状、激活土壤微生物。有机物同土壤中的矿物质结合形成有机-无机胶体对土壤微团聚体形成具有决定性影响,微团聚体决定着土壤空隙和水、气、热性质;土壤腐殖质含量与天然肥力指标—阳离子交换量(CEC)关系密切,据测定,腐殖质土CEC 500;粘土50;壤土20;沙土5;(4)有机物为土壤微生物提供碳源,促进微生物增殖,微生物代谢从物具有抑制有害菌和刺激作物生长的功效。

 

五、植物有机营养在植物营养中的中心位置

 

上面简要介绍了植物有机营养促进植物代谢和生长发育、增强植物抗性、改善土壤理化性状、激活土壤微生物和提高矿物质养分有效性四个方面的生物效应,很显然,有机营养是植物营养的中心。

吸收利用,促进代谢




增强作物抗性 有机营养 形成有机配位物
提高矿物质养分

有效性
改善土壤理化性状
激活土壤微生物

 

六、 现代农业诸多问题形成的原因

 

李比西的"植物矿物质营养"理论为化学肥料工业奠定了理论基础,化肥工业发展和化肥的大量投入大幅度提高粮食产量,为人类社会快速发展提供了物质保障。人的认识随事物的发展而提高,科学随事物的变化而发展。也许,在李比西提出"植物矿物质营养"的时代,土壤不缺乏有机质,作物不缺乏有机营养,植物营养的限制因子矿物质养分,特别是氮磷钾大量营养元素,施入无机化学肥料后,能够被土壤中的有机营养转化,化肥的生物效应充分显示出来,直至今天,北欧和北美的大面积土壤仍处于处女状态,农田土壤有机质含量6-8%;反观我国耕地现状,几千年的农业历史,高度复种指数,长期大量单一使用化肥,土壤有机质耗竭严重,我国北方大部分农田土壤有机质含量低于1%。继续使用化肥,一方面使化肥养分加速物理化学固定,如磷酸根和土壤中的铁、钙、镁等形成难溶的正磷酸盐,不但使宝贵的磷素损失,而且使土壤中有效态矿物质养分失活;土壤板结,使钾离子物理固定几率增大。另一方面使作物养分严重失衡,作物生长不良,抗性降低,缺素症、连作障碍越来越严重。

所有的施肥技术都是在调整化肥比例和施肥方法上做文章,即使近年出现的有机-无机混配肥料,使用所谓的有机肥主要是有机物,不具备有机营养的功效,加之使用量有限,不能将有机营养的作用充分展示出来。

处于植物营养中心位置的植物有机营养已成为现代农业的限制因子,加强植物有机营养供应,是解决现代农业诸多问题的出路所在。

 

七、腐殖酸活化技术—天然有机物人工快速降解

 

天然有机物被土壤微生物降解的速度和降解产物受到土壤湿度、温度、通气条件及无机元素含量(氮、磷等)的影响,自然条件下,最适宜的综合条件几乎不存在,有机营养源于天然有机物,但天然有机物不是有机营养,作为有机肥施入土壤的有机物只有被土壤微生物降解,形成小分子活性有机物才是植物有机营养。土壤微生物降解天然有机物各组分的能力不同,相对分子量小(100万以下)、单元键能低的大分子有机物比较容易降解,如蛋白质、淀粉、半纤维素等,分子量大、微晶致密的大分子有机物微生物很难降解,如纤维素和木质素。在,故土壤有机质自然降解过程缓慢。据前苏联土壤研究资料,纤维素在土壤中可存在1500年,木质素达2500-3000年。条件不同,降解产物也不同,据美国Actagro测定,通气良好、昼夜温差大时,土壤表层25cm中60%的有机物,被好气微生物降解产物是二氧化碳和水,不是小分子有机物。

既然有机营养对植物营养影响全面、深刻,自然条件下土壤为植物提供有机营养能力有限,充分利用天然有机废弃物, 用人工方法使之快速降解,转化成宝贵的植物有机营养技术显得尤为迫切。

根据天然有机物生物合成过程、主要高分子有机物分子组成、成键原理,我们把天然有机物人工降解定义为生物合成过程的逆反应,利用有机反应最重要的反应原理—Fenton反应(自由基反应),创造羟自由基生成条件,从而引起链式反应,使天然高分子聚合物快速崩解,无损失地形成小分子活性有机混合物—植物有机营养。

通过反复试验,找到了人工快速降解天然有机物条件组合,下面是以风化煤为研究对象的降解效果。

 

风化煤原料 讲解后

图4 风化煤降解前后水溶性对比

表1 风化煤活化前后各成分含量变化%

物 质

C

H

O

风化煤

32.0

9.30

29.10

活 性

     

腐殖酸

12.3

9.10

59.40

 

风化煤 降解后

图5 风化煤降解前后电镜微观图

 

图4、5是风化煤人工降解前后物理性质的变化,水溶性从不溶到全溶;干物质微观性状由无定形松散态到细密凝胶状。表1数据表明,降解前后物质的元素组成发生改变,碳含量降低、氧含量增加一倍,说明降解后含氧官能团数目增加,含氧官能团种类和数量是衡量腐殖酸生物活性的主要性标志。

 

八、有机全营养施肥技术

植物生长受到土壤、植物遗传和生长外界环境三个生态系统的共同作用。植物有机营养连接土壤、植物和植物矿物质营养,是植物营养中心。有机营养缺乏导致土壤生境恶化、矿物质养分不足或不平衡,植物体生长不良,抗性降低,对环境胁迫反应敏感,表现为农业生产出现诸多问题—化肥效益递减、土壤恶化、作物抗性降低、农产品品质下降及化肥污染环境。

基于以上研究结果,我们提出了"有机全营养施肥"技术,有机全营养施肥技术就是人工降解天然有机物,使之转化成植物能够直接吸收的小分子活性物质,增强作物抗性、促进作物代谢;用小分子活性有机物将氮、磷、钾大量元素和铁、锌、钙、镁等中微量元素转化为在土壤中稳定,植物根系易吸收的有机配位态营养,提高养分利用率,避免养分流失造成对环境污染。有机全营养施肥将培肥土壤、提高养分利用率、满足植物对有机、无机养分的全面需求有机结合,搞到提高作物产量,改善农产品品质的目的。

有机全营养施肥施用的肥料品种:腐殖酸有机肥(固体)、腐殖酸冲施肥(液体)、腐殖酸有机氮、腐殖酸有机磷酸、腐殖酸钾、腐殖酸复合螯合微肥。

九、有机全营养施肥效果

1.有机食品生产

宁夏塞外香大米公司2008年示范500亩,水稻产量比化肥增产25%,36项检测全部达到有机大米标准;2009年扩大至5000亩,产量提高28-32%,有机检验合格。

在有机大米生产上应用成功说明有机全营养施肥可以提高农产品品质。

2.防治作物连作障碍

200年同宁夏马铃薯研究所合作研究项目"马铃薯连作障碍机理与防治措施研究"和2009年同榆林马铃薯中心合作研究项目"马铃薯高产优质施肥技术研究"及2007-2008年在山西芦笋上应用取得极显著效果,马铃薯产量比纯化肥配方施肥增产48-52%,比习惯施肥增产96-114%,氮磷钾减半处理比纯化肥氮磷钾全量处理增产8-12%;芦笋增产82-116%,和第一年产量相当,显著抑制重茬病。蔬菜施肥也证明了有机全营养施肥防治连作障碍的作用。

3.防治果树生理性病害,强壮树势

乾县、富县、咸阳等多点示范结果,第一年按有机全营养施肥,树体缺素症生理性病害明显减轻,第二年果树不在表现小叶病、黄叶病、水心病和早期落叶病,苹果产量增加,品质改善。

4.培肥地力

不同施肥对土壤常量元素影响

处理

有机质

碱解氮

速效磷

速效钾

PH

A

7.60 a

15.2 d

14.8 d

182.0 c

8.2 a

B

7.58 a

46.4 c

36.1 c

177.0 c

8.2 a

C

7.61 a

86.3 a

56.4 b

247.7 a

7.8 b

D

7.61 a

86.3 a

56.4 ab

247.7 a

7.8 b

E

7.61 a

87.4 a

55.5 ab

246.3 a

7.8 b

F

7.61 a

87.0 a

57.4 a

245.3 a

7.8 b

注:A 空白对照;B 纯化肥;C-F有机全营养施肥处理

从收获后各试验处理土壤肥料测定结果看出:土壤有机质含量没有明显变化;pH有所降低;氮磷钾速效量大幅度提高。

5.增强作物抗病力

马铃薯连作障碍机理试验田间植株性状调查表

 

性状

1

2

3

4

5

6

水地

株高(cm)

22.3

34.7

44.3

48.4

57.3

58.6

分枝(枝)

1.1

1.3

1.5

1.7

1.8

1.8

叶色

黄绿

浅绿

绿

深绿

深绿

深绿

茎粗(mm)

8

10

11.8

12.5

12.8

13

长势

高低不一、长势弱

长短较均匀、长势弱

长短均匀、长势较好

长短均匀、长势良好

长短均匀、长势良好

长短均匀、长势良好

晚疫病(级)

6

5

4

2

2

1

从调查表看出:同样防病措施下,有机全营养施肥马铃薯生长良好、晚疫病感病级数低。

6.2 效果分析

结果表明:有机全营养施肥提供了养分利用率,满足作物生长发育对营养的全面需求,防止连作障碍和果树生理性病害发生,从而在培肥土壤、提高作物产量、改善农产品品质、增强作物抗性方面具有全面影响。 有机全营养施肥是将培肥地力、增强作物抗性、提高作物产量和改善农产品品质有机结合的施肥技术。

附件:

全省有机全营养配方施肥技术现场观摩会在我县召开(摘自乾县政府网)

9月26日上午,全省有机全营养配方施肥技术现场观摩会在我县召开。省果业局总农艺师陈陵江、省果业局生产处处长黄长科、中国农科院徐明岗研究员、梁永超研究员、国家新型肥料专业委员会副主任廖宗文教授、国家苹果产业体系首席科学家韩明玉教授、西北农林科技大学经管学院院长霍学喜、王晓峰教授等出席了会议。会议由市农业局局长季志林主持。乾县县长任杰到会并致词。

    会上,西北农林科技大学副教授刘存寿介绍了有机营养理论和配方施肥技术,国家新型肥料专业委员会副主任廖宗文教授、中国农科院农业资源与区划所副所长徐明岗、西北农林科技大学土壤肥料研究所所长同延安教授、国家新型肥料专业委员会副主任梁永超研究员分别针对有机全营养配方施肥技术在施肥中的应用作了发言。

    县长任杰在致辞中讲到,有机全营养配方施肥技术是一项新型农业生产实用技术,是推广绿色、有机果品,提高果品质量,增加农民收入的重要途径。近年来我县把发展现代果业作为调整优化产业结构、促进农民增收重要举措,积极推广苹果生产四项关键技术和现代果业集成生产技术,不断加大财政支持力度,果业生产迅猛发展,成为农民增收,促进农村经济发展的支柱产业。

    最后,市农业局局长季志林做了总结讲话,他强调了有机全营养配方施肥技术在施肥中的重要作用,并要求与会人员要深刻领会此次会议的精神实质,高度重视有机全营养配方施肥技术推广工作,大力宣传有机营养配方施肥技术;依靠科学支撑,改变旧观念,接受新事物,利用新技术,实行标准化生产,为实现农业增效、农民增收可持续发展做出新的贡献。 

全省有机全营养配方施肥技术现场观摩会在我县召开

省果业局总农艺师陈陵江讲话

市农业局局长季志林主持会议

县长任杰到会并致辞

   

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