传统农业施肥的不足及现代农业施肥的发展方向

申向东，赵曦阳*，艾鹏慧，冀保毅

(1.河南省科学技术信息研究院，河南 郑州 450003； 2.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475000； 3.信阳农林学院 农学院，河南 信阳 464000)



传统农业施肥的不足及现代农业施肥的发展方向

申向东1，赵曦阳1*，艾鹏慧2，冀保毅3

(1.河南省科学技术信息研究院，河南 郑州 450003； 2.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475000； 3.信阳农林学院 农学院，河南 信阳 464000)

传统农业生产中随意施肥行为带来的环境和资源问题日趋严重，这将阻碍我国农业可持续发展目标的实现。为了进一步促进我国粮食产业的健康发展，对传统农业生产过程中施肥存在的问题及其造成的后果进行分析，并从精准施肥和提高肥料利用率两方面讨论现代农业生产中肥料和施肥技术的发展方向，以期为农业生产提供理论依据。

传统农业； 施肥； 精准农业

随着社会经济和城镇化进程的发展，我国耕地面积日趋减少，已经逼近国家确定的1.2亿 hm2红线。但是，人口数量的剧增要求粮食产量必须持续提高才能确保粮食安全目标的实现。因此，必须在有限的耕地上提高单位面积产量,这是每位农业生产和科研人员必须面对的问题。我国以占世界8%的耕地养育着21%的人口。据2013年中国国土资源公报显示,2009年全国耕地面积为1.35亿hm2，到2012年全国耕地面积缩减了26.66万hm2，人均耕地面积不足世界平均水平的40%[1]。在这种情况下，为了保证充足的粮食供应，提高作物单位面积产量是唯一的途径，而作物的增产效果主要取决于土壤肥力，因此提高土壤肥力成为增加粮食产量的重中之重。联合国粮农组织(FAO)的数据表明，世界范围内施用肥料对作物增产的贡献为40%～60%，但我国仅为30%～40%[2]，导致这一结果的主要原因是我国传统农业中施肥技术落后。由于土壤肥力研究的核心是土壤为植物供应营养元素的能力，植物营养学家研究的核心问题是施肥。因此，针对传统农业施肥中存在的问题和不足进行了分析讨论,同时针对现代农业施肥的发展提出了几条建议。

1 传统农业施肥存在的问题

1.1 施肥结构不合理

1.1.1 重化肥，轻有机肥 化肥能够迅速补充农田土壤中营养元素的不足，为农作物生长提供必需的养分。但是，化肥不合理施用会带来一系列问题，如：氮肥施用过量会导致作物营养生长期延长，贪青晚熟；氮肥不足会导致作物叶片发黄，生长迟缓；缺锌会导致玉米叶片呈现白色等[3]。若施肥不良习惯不改，将对农田土壤养分结构带来危害。人类的农业生产活动主要在土壤上进行，人类所需的农产品均直接或间接从土壤中生产，因此土壤性质在很大程度上制约着植物的生长发育。20世纪80年代第二次土壤普查的数据表明，我国耕地土壤中有机质、全氮、有效磷和有效钾含量均偏低，绝大部分土壤需要培肥[4]。因各地区土壤性质不同，需补给的肥料品种和数量也不同。另外，各地区所种植的农作物不同，不同农作物的需肥特性不同。因此，这就要求各地区因地制宜，根据各自土壤特性及种植作物来调节施肥量及肥料品种。

改革开放使得之前80%的人口在农村的格局逐渐被打破，大量的农民，特别是青壮年，离开了农村，进入城市。现在用“993861(99—老人、38—妇女、61—儿童)”这几个数字可以很形象地来描述长期居住农村的居民状况。因为家庭的收入不再完全依靠作物种植，并且这些长期居民文化素养及体力相对来说都达不到要求，所以农田管理自然也就跟不上。农户为了减少劳动量，施肥主要采用一次性施入。化肥在施用初期能明显促进作物产量增加，从而使农民误以为传统的农家粪没用或是效果差，农村的有机肥被弃之不用，这在一定程度上加剧了农田土壤的退化进程。实际上，厩肥、粪肥和秸秆堆沤的有机肥中养分含量丰富，施用有机肥能增加土壤有机质含量，缓解农田土壤板结紧实问题，改善土壤微生物群落结构，促进土壤团粒结构的形成，优化农田土壤的水肥气热条件，从而提高农田土壤综合肥力[5]。土壤微生物结构和数量是表征土壤肥力的指标之一，土壤微生物是土壤中养分转化的推动因素，如有机养分的矿化、豆科植物根系固氮过程均有微生物参与。有机肥含有数量丰富的微生物类群，同时有机肥中的有机质也是微生物赖以生存的碳源。因此，施用有机肥能够通过改善农田土壤微生物类群来间接提高土壤肥力。另外，有机肥养分全，有效期长，释放缓慢，有利于作物吸收。中国农业部在15 a前就启动了“沃土工程”项目，该项目以增加农田土壤有机质含量为目标。当前，有机肥料也成为中国政府重点扶持的肥料之一，近些年的“中央1号”文件多次提到鼓励农户施用有机肥[6]。可以看出，化肥和有机肥合理结合施用将是中国农业施肥结构的重要发展方向。

1.1.2 营养元素配方不均衡 施用有机肥是我国农民进行农业生产的优良传统，数千年来得以保持土壤地力进行持续生产。但是仅依靠农业系统内部的物质循环,迅速和大幅度地提高作物产量并非易事。20世纪60年代初期，人们已意识到不能仅仅依靠有机肥保持土壤肥力、增加作物产量。因此，从20世纪60年代至今，我国一直很重视氮、磷肥的进口和生产。现在，我国是世界上最大的氮肥生产、进口和消费国[7]；磷肥的消费、生产居世界第二、三位[8]。在化肥方面的投资使我国在基本食物方面可以自给自足，而且已成为某些粮食的重要出口国。

随着我国化肥工业的发展和氮、磷、钾肥的普及，中国农田土壤中大量元素氮、磷、钾的供应已经基本充足，而中量元素如钙、镁、硫和微量元素铁、锰、铜、锌等在局部地区成为新的农作物养分限制因素。自1984年以来，我国化肥用量增加很快，但是粮食产量却出现了徘徊，增长速度明显变慢，这是值得高度重视的问题。农业的集约化使得耕地利用强度提高，表现在复种指数增加，单位面积产量大幅度提高。同时，随同籽粒、秸秆的产出，从土壤中移走的微量元素、有机质数量增加。秸秆作为燃料或直接在田间焚毁，损失了其中的碳、氮，也损失了大部分的硫，使之不能直接归还于土壤。土壤管理措施不当，如稻田长期淹水会导致某些微量营养元素过剩或缺乏。而农民只知道大量施用氮、磷、钾肥而没有施用相应的中微量营养元素，加之这些中微量元素在土壤中会被淋溶、侵蚀，加剧了中微量元素在土壤中的分布不均衡。化肥施用起来省工、省时、方便有效，而有机肥料体积巨大，生产过程缓慢，施用和运输均需要消耗较多的动力和人力。同时有机养分矿化缓慢、提供养分过程漫长，往往对当季作物的增产效果不明显，土壤肥力的改善程度也难以在较短的时间内被觉察。所以，相当一部分农民放弃了有机肥料的施用，忽视了有机肥料在改良土壤中不可替代的作用，导致中微量营养元素缺乏，作物抗逆性降低，病虫害加重。因此，在农业生产过程中虽然增加化肥的施用量，但作物产量却没有相应增加甚至出现减产的情况。

我国中微量元素肥料发展较快，到2011年已有1 352个中微量肥料产品登记生产[9]，但是如果想说服农民积极使用这些肥料，还需要政府政策引导，相关企业应当积极开展示范推广等工作。也可以在大量元素肥料如复合肥、磷肥或尿素等肥料中添加中量和微量元素，进而使农业肥料施用向养分平衡方向发展。

1.2 施肥技术和观念问题

农田施肥是一项高技术含量的工作，施肥量和施肥配方的确定需要当事人具有作物栽培学、土壤肥料学、植物营养学和农业化学等基础知识，才能做出正确的决策。在农业生产过程中，大多数农民缺乏相应的知识，单凭经验指导施肥过程，不能根据土壤和农作物的实际状况合理施肥。农民在施肥过程中过于随意，撒施肥料机械掩埋是主要施肥手段。农作物追肥主要根据天气变化，在雨前将肥料撒在农田土壤表面。肥料在农田土壤中的位置过浅，容易挥发或者随水流失，肥料距离作物根系太远将不能被农作物根系所吸收。这些施肥方法虽然节约时间，降低劳动强度，但会带来化肥的挥发和淋失等问题。《中国统计年鉴2013》中数据表明，中国施用1 kg肥料能够生产粮食的数量从1960年的70 kg以上下降到2012年的不到20 kg。

随人们生活品质的提高，环境污染和生态破坏的行为被诟病，食品安全成为人们的普遍要求。经过媒体的片面报道，大多数消费者认为化肥会污染环境，降低农产品品质。而科学研究表明，化肥在农业上的使用是必然的，仅使用农家肥而不施用化肥，将面临更为严重的生态压力[10]。因为家畜粪便这些农家肥本身也存在有害残留物的二次污染问题。生产安全的农产品可以施用化肥，但其用量必须限制在不对环境带来危害、维持农产品中有害物质残留不超标的范围内。

2 传统农业不合理施肥的后果

2.1 土壤质量和作物品质下降

众所周知，化肥中不含有机质、腐殖质，大量使用化肥会造成土壤团粒结构破坏、土壤板结，土壤中有益菌、蚯蚓等的大量死亡。由于作物成长不仅仅需要氮、磷、钾，还需要钙、铁、锌、硒、硫等各种中微量元素，而化肥的成分一般比较单一，长期使用化肥会造成土壤中所含养分趋于单一，易使作物营养失调、作物的内部转化合成受阻，导致品质下降,造成“瓜不甜、菜不香”等问题。农作物的产量也不会随着化肥用量的增加而无限制的提高，化肥施用过量会导致环境污染和生产成本增加[11]。长期单施氮肥会导致农田土壤退化，土壤微生物类群发生变化，导致农作物病虫害频发、重发；磷肥过量施用会导致土壤中铁、镁、锌等微量元素含量降低，磷肥中含有一些放射性元素、氟和重金属等，也会对人类健康和作物品质产生一定负面影响；钾肥过量施用容易引起农田土壤板结、pH值下降。大量施用化肥,还易使蔬菜中硝酸盐含量超标，而亚硝酸盐与胺类物质结合形成N-亚硝酸基化合物，此化合物为强致癌物质，从而危害人体健康。同时，过量施用化肥会加剧田间病虫害，进而促使人们使用更多的农药，从而造成农作物及环境污染。

2.2 不可再生资源枯竭

1901年，我国开始使用化肥(从日本引进肥田粉用于甘蔗田)，到了1999年我国化肥生产总量已经跃居世界第一。而世界范围内磷矿濒临枯竭，全球品位较低的磷矿资源将在2050年前后耗尽[12]；我国也仅有27亿t磷矿储量,仅够维持使用70 a左右。在当前，中国的优质磷肥仍然要依赖进口，并且价格比较高，而开发低品位磷矿将导致废弃物大量增加、成本提高。同时，磷肥往往含有高浓度的镉等重金属，会加剧土壤二次污染。另外，我国耕地土壤70%以上为对磷具强烈化学固定作用的酸性与石灰性土壤，当季磷肥利用率仅在10%～20%[13]。而且在2005年我国近0.99亿hm2耕地中，缺磷(速效磷含量在10 mg/kg以下)土壤约0.73亿hm2，占总耕地的74%，其中严重缺磷(速效磷含量在5 mg/kg以下)土壤占总耕地的40%[14]。

我国的钾矿则更为匮乏。据统计，目前我国年需求钾肥(KCl)约800万t，预计至2020年，钾肥年需求量将在1 820万t左右。而至2003年，我国钾肥生产量约260万t，进口钾肥656万t，总计花费外汇7.9×108美元[15]。对于中国这样十几亿人口的农业大国来说，钾资源实在太少，大量开采势必会导致钾矿的枯竭，而同时钾肥价格的过快增长已成为农业生产成本增长的主要原因之一。2008年，我国KCl价格达到700美元/t，比2005年增长470美元/t[16]，进口量和价格的不断上涨已经成为限制农业持续发展的重要因素。

2.3 生态环境退化

虽然肥料对作物增产发挥着重要作用，但过多的、不合理的施用化肥，已经引起一系列的问题。据报道，我国用占全球8%的土地消耗了占世界总量32%的化肥，是世界上化肥消费量最大的国家[17]。然而，我国的肥料当季作物利用率较低，磷肥为10%～25%，钾肥为35%～50%，氮肥为30%～35%[18]。主要原因在于知识层面及农化服务没有跟上，农民不知道如何提高肥料的利用率，为获得增产的效果，只能不断加大肥料的施用量。据统计，我国化肥和农药成本占农业生产成本的20%多，仅次于人工成本[19],这不仅加大了农民的负担，还带来了土壤肥力下降、农作物品质降低、环境污染严重等问题。过量施肥也会导致土壤酸化板结。30 a间，我国耕地pH值下降0.5个单位，而自然土壤pH值下降1个单位要上万年。其中，酸雨仅贡献土壤中总酸性物质输入量的7%～25%，然而施用氮肥对土壤pH值下降的作用则较酸雨大25倍[20-21]。土壤酸化容易导致土壤环境质量和健康质量的降低，例如：土壤酸化后像镉、砷这些重金属离子的活性就会升高，增加重金属污染的风险，同时农田土壤的酸化伴随着土壤中盐基离子的损耗和土壤养分的淋失，最终引起土壤肥力下降及湖泊水体富营养化、水质变劣等问题[22-23]；在华北部分旱作农业区域，氮素的过量施用导致地下水的硝酸盐含量严重超标；中国南方地区，氮、磷肥施用过量常引起水体富营养化和蓝藻滋生，直接影响人们安全用水，可引发土壤酸化板结，肥力结构和肥效破坏，肥料利用率和籽粒品质降低，生产成本增加等[24]。

3 现代农业施肥的发展方向

3.1 完善农化推广服务体系，促使农民科学用肥

面临人口资源矛盾突出的严峻现实，如何最大限度地发挥肥料在粮食生产中的增产作用，持续提高粮食单产，降低化肥用量，是实现中国农业健康可持续发展的重要问题。对于广大农村地区的农民，强化科学施肥舆论和普及施肥知识较为重要，要改变其凭经验施肥的不良习惯。在完善农化服务体系建设中，既要强化国家农技推广服务体系功能，充分发挥其主导作用，更要强调肥料生产流通企业的农化服务与国家农机推广体系的有机结合。对农民进行科学培训，让他们真正掌握测土配方施肥、平衡施肥等最新的农业施肥技术，采取全国农业技术推广系统广泛推广的氮磷配合施用、补钾工程平衡施肥、化肥深施、灌溉施肥、精准施肥等科学施肥技术；另外，可结合当地自然环境，推广秸秆还田、增施有机肥等方法改善土壤条件，将其真正用于生产实践中，为农民带来利益。

3.2 发展精准农业

我国农业即将进入知识农业发展阶段，生物技术、现代信息技术和工程装备技术综合应用于农业生产的精准农业将成为一种新型的现代农业生产模式[25]，该生产模式以信息技术为平台将空间变异定位、定时、定量有机地联系起来，能够根据作物自身的生长特点、农田土壤状况，调节化肥的用量和配方，极大提高肥料利用率，降低肥料用量[26]。信息农业是精准农业的基础，精准农业将是肥料精准施用技术的基础[27]。由于长期农村居民的弱势化，土地逐渐被流转和承包，以合作社的形式存在，2005年我国开启了全国测土施肥项目，统一测量肥力、统一施肥、种植同样的作物，即进入了统一管理时期，因此我国农业也逐渐进入到了精准农业时期。这一时期，提出许多新的施肥技术，如变量施肥技术[28]、滴灌施肥技术[29]、智能灌溉施肥技术[30]等。同时，针对特定的土壤及作物可以制定出专用肥料，推广技术人员的素质也越来越高，能够及时地把知识传送给种植人员，加强对农户的科学技术培训，减少肥料的浪费，在改良土壤的同时又提高了作物产量和品质。

3.3 利用生物工程来创造高效吸收、转运肥料的新品种

精准农业的发展，可以提高肥料的利用率，减少肥料的浪费，但是矿产资源是不可再生的资源，总有枯竭的时候，所以利用生物工程来创造高效吸收、转运肥料的作物种质变得尤为重要。例如，虽然我国土壤中有效磷含量很低，但我国土壤中的全磷含量一般在0.04%～0.25%(P2O5)，高的可达0.4%以上，这是因为我国耕地土壤70%以上为对磷具强烈化学固定作用的酸性与石灰性土壤，其已成为潜在磷库[31]。因此，培育磷素高效利用的高产优质农作物品种，开发土壤磷库，从而大幅度提高磷肥的利用效率具有重大的社会与经济意义。同样，对其他的营养元素也可以通过利用生物工程创造高效吸收、转运的作物种质，提高肥料的利用效率。这种方法可以充分利用土壤中的有限资源，减少肥料的使用量，提高粮食单产，使我国农业能够健康可持续地发展。

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Disadvantages of Fertilization in Traditional Agriculture and Development Direction of Fertilization in Modern Agriculture

SHEN Xiangdong1,ZHAO Xiyang1*,AI Penghui2,JI Baoyi3

(1.Henan Provincial Institute of Scientific and Technical Information,Zhengzhou 450003,China;2.School of Life Science,Henan University,Kaifeng 475000,China;3.Agronomy College,Xinyang Agriculture and Forestry University,Xinyang 464000,China)

The random fertilization in traditional agriculture seriously aggravated the environmental and resource problems,which would hinder the sustainable development of agriculture in China.For the healthy development of Chinese food industry,this paper analyzed the existing problems and their consequences of fertilization in the process of traditional agricultural production,and clarified the development direction of fertilizer and fertilization technology in modern agricultural production through the precise fertilization and increasing the utilization rate of fertilizer,so as to provide a theoretical basis for agricultural production.

traditional agriculture; fertilization; precision agriculture

2016-06-10

河南省科技攻关项目(132102110004)；河南省高等学校重点科研项目(16A210040)

申向东(1966-)，男，河南安阳人，高级工程师，主要从事科技情报学、科技评估研究。E-mail：sxd371@126.com

*通讯作者：赵曦阳(1978- )，男，河南平顶山人，工程师，硕士，主要从事农业资源与环境和科技情报学研究。 E-mail:35332257@qq.com

时间：2016-11-25 14:24:33

S147.2

B

1004-3268(2016)12-0077-05

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1092.S.20161125.1424.006.html