现代农业发展中作物养分管理与调控

翁伯琦，赵雅静，郑祥洲，王义祥，叶 菁

(1．福建省农业科学院农业生态研究所，福州350000;2．福建省农业科学院水稻研究所，福州350018;3．福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州350003)

0 引言

土地是人类生存的基础，是农业安全、社会安定和人民生活的基础资源。土地对生产、生活、生态的重要性是不言而喻的，土地资源的实质就是生命所需的物质基础，保障生命的延续与发展。 “水、土、气、生”是一个综合的整体，它们有序的运作与健康管理，不仅维系农业生产体系，而且事关生命系统之安全［1］。保育耕地质量与合理施用肥料是一个相互联系的整体，肥料在保障粮食安全中起着重要支撑作用，同时化肥养分利用率低又产生了对环境的不良影响。当前，全球面临的资源紧张、能源短缺、环境污染和气候变化等重大挑战［2］，合理用好肥料资源、提高肥料利用效率是关系到粮食安全和环境质量的重大科技问题，是现代农业为人类可持续发展做贡献的重要任务。毫无疑问，及时总结和深入研究最佳养分管理技术，对促进现代农业的可持续发展和保证粮食安全具有重要意义。

1 耕地资源保护与土壤质量提升

土地资源指可供农、林、牧业或其他可利用的土地，是人类生存的基本资料和劳动对象。据统计资料显示，中国耕地面积12 339.22万hm2，林地面积23 396.76万hm2，草地面积26 311.18万hm2，园地面积1 108.16万hm2，其他农用地2 550.83万hm2，难以利用的土地及废弃地占土地总面积的18%［3］。而耕地资源作为整个土地资源的核心，一方面，中国的耕地污染问题仍在不断恶化，另一方面，中国农产品需求的增长和经济的高速发展，将对土壤资源保护工作提出严峻的挑战［4］。因此，高度重视保护耕地土壤与种田养地有机结合，保护土壤质量对现代农业发展有着至关重要的作用。

中国人多地少，中国人均耕地面积由10多年前的1 053.4 m2减少到920.0 m2，仅为世界平均水平的40%［5］。为保障中国的粮食安全问题，必须通过各种手段不断提高单位面积产量以保证粮食和其他农产品的充足供应。据联合国粮农组织估计，发展中国家粮食增产55%来自化肥的作用，化肥对中国粮食单产增长的贡献率高达40%～50%，因此很有必要通过合理增施肥料为作物提供足够的养分。然而近年来因肥料滥施造成的环境污染问题又屡屡见诸于报端，2011年中国化肥施用量达到6 027.0万t，化肥的平均施用量是发达国家化肥安全施用量上限的2倍，化肥的施用过量给环境带来很大压力［6］。因此，中国必须走出一条既能保证作物持续增产、农田地力不断提升，又能保持良好生态环境的可持续发展之路。要实现这一目标，必须切实把握好以下3个环节:一是有效节约资源。关键是明确供需规律，突出优化搭配，合理利用有机和无机养分资源;二是提高利用效率。面对人多地少、耕地质量差和农田生态环境脆弱的基本实际，中国土壤肥料科学领域面临着开辟新肥料来源与提高利用效率的双重挑战。这就要求人们因地制宜地建立科学合理施肥技术模式，广泛深入开展施肥技术研究，为求实现培肥地力与提升质量的目标，为粮食安全与食品安全提供土肥科技支撑;三是种田养地结合。要摒弃片面追求施大肥保增产的传统落后方式，将合理施肥与养地措施以及秸秆还田等内容统筹协调，综合纳入农田耕作体系之中，实施优化组合，发挥各自优势，有效保障增产提质。

人们必须充分认识到，粮食是“稳民心，安天下”的基础产业，是关系国计民生的重要战略物资，具有作为特殊产品和特殊商品的双重属性，粮食安全始终是关系中国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题［7］。粮食是人类赖以生存但又难以长期贮存的必需品，无论粮价如何变动人们都必须去买购买，农民都必须去生产。粮食生产的意义就在于不仅事关居民生活，而且维系国家稳定与安全。农民从事粮食生产的积极性一方面要靠政策予以保护，另一方面要以经济杠杆作用来调动。改革开放以来，政府出台了一系列农业政策，推广农业科学技术，使中国在耕地资源没有增加甚至有所减少、农业灾率较高的情况下，作物单产呈缓慢上升趋势，这充分呈现优良品种与包括合理施肥在内的农艺措施配套到位的综合作用。

高质量的耕地资源是所有影响粮食安全因子中最重要、最基础的因素，对确保粮食有效供给能力具有最根本的保障和制约作用［8］。对农业生产与持续发展而言，土地资源的有效性取决于数量与质量的内在统一，对数量有限的中国耕地而言，要提高土地资源的数量是十分困难的，当务之急是要着力改善与提升现有耕地的质量，而耕地质量是土壤肥力的整体反映，耕地质量的优劣直接关系到农业生产的发展和农产品质量的好坏［9］。耕地资源的保护必然涉及到土壤质量保育与动态变化，不合理的施肥技术制约了无机肥或有机肥的增产效应。目前，中国的肥料利用率数据表明，20世纪80年代、90年代、21世纪投入1 kg化肥 (纯养分)生产的粮食分别为100 kg、34 kg、19 kg［10］，呈逐年下降的趋势。

施肥技术主要包括肥料产品，施肥用量，施肥时期，施肥位置和综合管理等［11］。调查表明仅有17.5%农户的考虑施肥中氮磷钾养分配比，69.3%的农户采用撒施，过分看重苗期长势，施氮重心前移，导致作物前期徒长和后期脱肥的现象时有发生，农民盲目选择肥料品种现象普遍［12］。

同时，面对人多地少的现状，为保障粮食安全，长期以来人们一直采用高复种指数的耕作方式，以提高耕地利用效率［13］。在高复种指数下，为维持土壤地力不下降，在农田中可以适当补充化肥养分，但不宜过量。数据显示，1977年至2005年期间，中国粮食的年产量已经从2.83亿t，增加到4.84亿t，增长了71%，农作物的单位面积产量也从2 348 kg/hm2增长到4 642 kg/hm2，增长了98%，同时氮肥的用量则从707万t增加到2 621万t，增长了271%，远远超过前两者的增幅［14］。伴随化肥的过量施用，环境污染问题日趋突出。

大量的研究结果表明，粮食作物施氮量不应超过250 kg/hm2，而中国农户约1/3超过这一上限［15］。目前中国已成为世界氮肥生产和消费的第一大国，在占世界7%的耕地上消耗了全球35%的氮肥［16］。Kummar和Goh总结大量氮素示踪试验结果表明［17］，氮素的当季回收率为20% ～87%，土壤残留率为10%～35%，通过淋溶、反硝化和氨挥发损失的比例为1%～35%。氨挥发进入大气中后会以干湿沉降返回地表，成为N2O和NO的二次源。此外，大量的硝酸盐经由淋洗和径流损失进入环境，造成了严重的面源污染和地下水硝酸盐污染问题。张维理等对中国北方14个县69个地点的地下水硝酸盐含量调查结果显示，50%以上地点的饮用水硝酸盐含量超过最大允许量 (50 mg/L)，其中最高达300 mg/L［18］。

2 养分优化管理与合理调控技术

养分是土壤肥力的重要来源，而土壤肥力的高低在一定程度上取决于土壤肥料的施用。数十年来，中国在人口剧增和食物供求多样化的双重压力下，一直以满足食物需求为目标进行养分管理，全力依赖化肥规模化的增产效应和集约化的动物生产，而农田农牧废弃物质返田与养分循环的利用则常常被忽视，直接造成肥料资源的严重浪费和生态环境的污染问题［19］。要全面实现农业的又好又快发展，科学施肥与防控污染是重要环节所在。如何做到农业高产优质，怎么样避免生态环境污染，实现农业资源的循环利用，这是新时代赋予土肥科技工作者一个重要命题。

孙丽敏［20］等分析了长期施钾肥和秸秆还田对作物产量、土壤含钾量以及钾素平衡的影响，结果表明:在施氮磷肥时，配施钾肥或者秸秆还田不仅能够持续提高小麦、玉米的高产稳产能力，而且对保持农田土壤钾素平衡、有效改善耕层土壤钾素状况、提高土壤肥力有重要的作用。佀国涵［21］等利用3年定位测定磷脂脂肪酸 (PLFAs)的含量，研究发现:施肥和翻压绿肥明显提高了土壤中 PLFAs的种类和总量，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和土壤微生物生物碳的含量均呈增加趋势，且不同绿肥与化肥配施比例对土壤微生物群落结构变化有明显影响。马世军［22］等采用田间试验，研究了功能性肥料对制种玉米田物理性质、微生物数量的影响及最佳施肥量，结果表明:功能性肥料最佳因素配比为:抗重茬剂30 kg/hm2，CO(NH2)2600 kg/hm2，(NH4)2HPO4350 kg/hm2，聚乙烯醇30 kg/hm2，该组合比例为0.03∶0.60∶0.34∶0.03。功能性肥料经济效益最佳施肥量为1 350.01 kg/hm2，玉米理论产量为6 700.99 kg/hm2。杨滨娟［23］等在研究秸秆还田配施不同比例化肥对土壤温度、土壤根标微生物和酶活性的影响时发现，秸秆还田配施化肥能够合理调节土壤温度，显著提高土壤微生物的数量与活性，有助于土壤生态环境的改善。孙宁科［24］等通过连续24年田间定位试验和养分差减法研究了河西农田磷钾养分投入产出平衡及肥料利用率，结果表明:磷素养分投入始终大于产出，化学磷肥连施平均盈余率为43.3%～97.0%，有机肥与化学磷肥配施平均盈余率为211.3%～277.9%，在有机肥基础上增施化学钾肥是现代农作物生产的必需措施。黄红英［25］等通过连续2年不同沼液替代化肥比例及沼液基追比的等氮田间试验，结果表明:麦配施50%～75% 的沼液且分3次施用，可获得与纯化肥处理相当的产量，且在一定程度上提高稻麦氮素利用率。余喜初［26］等在研究不同施肥措施下土壤有机碳的演变规律及其作物产量与土壤养分的相关性时发现，有机无机肥配施可以持续快速提高红壤性水稻土的有机碳含量，同时在有机无机肥配施过程中应适当增施钾肥，从而促进土壤肥力平衡和维持作物高产稳产，实现农业可持续性。谭炳昌［27］等研究化肥对土壤有机碳的影响结果表明:长期施用化肥处理的表层水稻土土壤有机碳含量较不施肥处理显著提高1.00±0.23 g·kg－1，是不施肥处理的±1.01倍。这就说明，较高的根系生物量导致较高的碳输入水平，另外相对充足的养分供应提高土壤固碳效率，这是施肥处理下土壤具有较高有机碳含量的原因。

新近研究提出的食物链养分管理无疑是一项有效的措施［28-34］。食物链养分管理是一种系统的综合策略，它包含肥料生产、农田、畜牧、农户等多因素环节的农田生产养分统筹管理的措施。食物链养分管理技术措施不但涉及到土地资源、工商管理业、环境保护、农林复合业、营养调控等众多的专业与学科，而且在空间上还涉及到区域甚至国家层次的政策及统筹。这些措施的执行效果会直接影响到社会、经济、生产、资源和生态环境等一系列可持续发展目标的实现。食物链养分管理并非只需要强调技术的创新，更要重视政策的改进与引导。食物链的养分行为密切关系着社会的发展目标，为此，政府部门应该适时积极地制订相关的政策便于管理。目的是改变例如化肥企业从业者、广大农民以及城乡居民等相关人员的养分管理决策行为，广泛普及并发扬正确的思路与理想的方式。就养分管理政策来说，食物链养分管理包括约束性的法规和刺激性的经济手段或技术措施。就技术而论，食物链养分管理总体上可分为3类:一是直接调控，人们可因地制宜，对养分物质的输入和生产数量进行直接调控，这类技术直接作用于养分物质，效果比较明显，而且广大农民也相对容易接受。二是间接调控，是对养分流动过程采取间接调节。这类技术通常不直接作用于养分物质，而且常常属于相应的专业领域。三是综合调控，养分资源综合管理就是通过直接与间接的技术的优化组合与合理搭配来养分流动，使之满足供求并有的放矢的管好养分。

培育与提高土地质量，必须要通过培育土壤的综合地力、有效肥力以及生产力水平来实现，按惯例多采用“水、肥、气、热”相平衡相协调的综合方法来实施［35］，即运用合理投入外源养分与优化培育土壤生态的方法进行。具体来说，就是要因地制宜的针对不同区域的具体特点进行全面治理，利用现代化的高新技术与社会化的多元投入来共同维持并推动。中国是幅员辽阔、气候复杂、地理差异明显、生产状况不同、水资源紧缺。显而易见，优化养分管理，不仅仅在于合理施用单一性，而且其还受多因素制约，包括灌溉设施、品种特性、土地改良，机械应用与耕作制度等多方面。要充分发挥施肥效应，除了现有肥料类型之外，还要讲求有机与无机肥料交互，以及种田养地的有机统一。因此，要立足国情，创新理念，研究符合中国国情的推荐施肥技术体系。

3 土肥科技创新与集成推广应用

一直以来，中国土壤肥料科技工作者致力于提高肥料利用效率并开展了深入的研究，取得了一系列的科研成果并加以推广应用。但近些年来中国化肥的总施用量仍然呈现着有增无减的大趋势。究其缘由，主要有以下5个方面的原因。首先是作物产量短期增产需求。从2005到2010年5年时间，中国粮食产量增加0.8亿t，蔬菜产量增加1亿t，这些主要作物的大幅度增产需要相应的氮、磷、钾纯养分就达580万t;而短期增产绝大部分靠增施用化肥来实现，其化肥需求量估算达1 940万t［36］。其次是中国农地的基础地力偏低。以目前生产格局来看，农业以土而生，但中国耕地土壤的有机质含量普遍不高，而且还存在着酸化严重的现象，有数据显示从上世纪80年代早期至今，几乎在中国发现的所有土壤类型的pH值都下降了0.13到0.80个单位［37］。还有城镇化过程中出现的耕地占优补劣现象也导致地力下降。其三是农田有机肥投入严重不足。中国粮食生产中，化肥养分的投入占总肥料投入的90%左右，有机肥养分投入只占10%左右，低于欧美国家。中国有机肥资源约为7 700万t，而实际还田循环利用的不足2 000万t，其中粪便养分还田率为50%左右，秸秆养分直接还田率为35%左右。大量研究表明长期合理使用有机肥料能够增加土壤松结态、稳结态、紧结态腐殖质的总量，提高松紧比值［38］，提高土壤肥力。很多学者的研究都指出有机培肥措施还能够有效增加土壤氮、磷、钾养分有效性［39-40］，特别是对于表层土壤 (0～20 cm)有效养分的增加尤为显著［41］。其四是绿肥作物种植减少。从2002到2010年，全国豆类作物减少了约152.3万hm2，豆科作物提供的氮素比例不足5%，远低于欧美国家［42］。南方农作区绿肥与化肥长期配合施用可以减少化肥的使用量，提高化肥氮、磷、钾养分的农学效率，增加土壤有机质，改善土壤物理结构，提高土壤肥力，是增产和培肥地力的有效途径［43-45］。其五则是施肥方式落后，导致养分损失严重。目前，中国施用化肥仍以人工为主。调研结果表明，2009年小麦、玉米、水稻等大田作物基肥的手工撒施比例达80%，导致了肥料用量的不准不匀，施用深度不够，降低肥料利用率，增大损失。大量的研究结果和生产实践都证实，适当减少基肥用量、将氮肥追肥重心后移、肥料深施以及适宜的施肥位置等手段都能够提高作物的产量、品质和肥料利用率，减少肥料的固定和损失［36-48］。此外，通过改变肥料性质，制造缓 (控)释肥料以适应作物的营养特性，来提高化肥利用率，减少因施用化肥而造成的环境污染，也已经成为了解决这一难题的重要技术手段［49］。

纵观发展，不难发现土地资源尤其是耕地资源的保护与建设是一项特别复杂的系统工程，除对当前出现的上述各类问题进行实际解决以外，还需围绕中国土地资源的特点开展基础与应用方面的战略性深入研究。重点要关注8个主要方向:一是关注土地承载力，研究生态退化区域土地生产力与承载力，为农业区划与经济发展提供科学依据;二是关注时空变化，研究耕地资源的时空变化及其对耕地数量和质量变化的具体影响，为政府科学决策提供依据;三是关注交互作用，研究土地资源与环境的交互作用及其对土地可持续利用的影响，阐明科学规律;四是关注生态过程，科学评价城市和城乡结合区土壤资源的功能性演变趋势及其生态环境效应，指导城乡一体化建设;五是关注技术模式，研究土地资源利用与不同区域土地可持续利用发展模式，服务产业提升;六是关注有效监测，开展以数量和质量为主的数字化土地调查与监测;七是关注利用方式，开展土地利用与覆被变化过程及效应评价的综合性集成研究;八是关注气候变化，开展土地资源利用对减缓气候变化的潜力预估。

中国农业科研的质量、规模和布局，以及对解决粮食安全问题与环境保护问题挑战的强烈意愿和需求。通过实施覆盖全国所有农业主产县的测土配方施肥项目，为农民提供测土服务和配方施肥技术指导。农业科技创新与集成应用的目标就是应对气候变化、持续提高产量，同时节约资源和减少对环境的破坏。与此同时，科技工作者确立了农业科技“三步走”战略支撑高产高效现代农业发展的思路:第一步，在高度集约化、过量肥料等资源投入地区，如华北平原“小麦－玉米轮作体系”和太湖流域水稻生产中，通过养分管理技术创新与应用首先实现节肥增效的目标;第二步，在现有农业生产条件下，通过作物栽培学、植物营养学、土壤学等多学科合作，采取综合管理技术实现作物产量和资源效率同时增长10%～20%的目标，满足中国农业发展当前技术需求;第三步，通过对土壤－作物系统的综合创新研究，实现作物产量和资源效率同时增长30%～50%的目标，满足中国农业和资源环境未来发展需求。不可否认，全世界农业发展都面临着粮食安全、资源环境安全双重挑战。中国土地资源有限、水资源短缺、肥料施用不合理、环境污染问题日趋严重，农业面临的挑战尤其突出。只有持续增产并同时降低农业的环境效应，走高产高效的现代农业发展道路才能真正转变农业发展方式，才能实现作物高产与环境保护的协调。

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