慎思笃行农业创新 不畏挑战科研报国

刘岩松 舒鹏 王硕

从目前来看，世界化肥施用理論技术创新能力的严重滞后已经开始影响粮食安全。众所周知，土壤中的养分供应比例是决定粮食增产的重要因素，而我国多数土壤磷素养分供应不足，即使含磷较高的土壤种植作物，氮磷施用比例至少也要达到1：0.667，但我国目前的氮磷实际施用比例仅为1：0.33，因此，氮磷施用比例极不合理影响育种技术创新和作物品种潜力的充分发挥，是最终导致每公斤化肥增产粮食严重下滑的重要原因。“调整氮磷施用比例”成为了我国土壤肥料专家的共识。就职于山西省农科院农业资源与经济研究所的褚清河研究员面对着如此紧迫的大形势，提出了调整氮磷（钾）比例是遏制下滑趋势与提高我国粮食单产的有效措施。用最佳比例指导施肥，化肥创新将会重振雄风，我国的粮食产量将会大大提高，农产品品质因化肥的不合理施用而下降的问题将会得到有效解决，化肥施用严重浪费和环境污染的局面也将被扭转。在数十年的科研历程中，褚清河博士慎思笃行，不畏挑战，始终把国家的发展，把人们的安康作为自己的使命，他凭借自己的智慧和汗水研发成功的“数字化施肥技术”真正做到了因土因作物对症施肥，使得土地生产潜力得到充分挖掘和发挥。

大胆质疑，醉心科研

1957年，褚清河出生于娄烦县一个贫困的普通农民家庭，自小勤学好问，善于思考。1973年，他高中毕业后回村务农。在务农的这几年里，他学会了耕、种、锄、犁等各种农活，同时也看到农民尽管付出了辛劳和汗水，可是让粮食增产增收却不是一件容易的事情。这让他陷入深思，怎样帮助农民获得好收成变成他努力的方向和目标。1977年，我国恢复高考制度。褚清河通过自己的努力顺利考取了山西农大土壤农化系，在这里，他开始了对自己梦想的追逐。

褚清河在山西农大求学期间，他对土壤供肥和作物如何吸肥等知识如饥似渴地汲取，但在老师讲授作物营养与施肥时，他却对施肥最小因子理论百思不解并大胆提出了自己的质疑。一百多年来这一理论一直无人提出异议。而褚清河觉得，施肥最小因子理论，老师并没有讲出它经典在什么地方，课本中也没有叙述理论提出的背景和试验依据。他觉得植物是有生命的生物有机体，具有主动吸收和选择吸收土壤养分的功能，植物对土壤养分离子的吸收存在相助作用，即增施某一养分有助于植物对另一养分的吸收。因此，在土壤相对最小养分因子的含量不为零的情况下，增施最小因子以外的其他养分因子不可能不具有增产作用。显然，最小因子理论与植物主动吸收和选择吸收及离子相助作用的理论相悖。此外，他还认为，即使土壤施肥存在最小因子，相对最小的养分因子也不可能仅为一个一种情况，应该还存在一个或几个缺乏程度相同的情况。这些疑问一直萦绕在褚清河脑海里。到了1982年，褚清河大学毕业被分配到山西省农科院农业资源与经济研究所工作，在工作期间，他利用业余时间继续对最小因子理论进行研究。通过学习和思考，褚清河对李比希最小因子理论有了更深刻的理解，更确信他自己的认识是正确的，更坚定了在这方面拓展研究的决心。最终，经过不断的田间试验，褚清河用事实证明了自己的猜想是正确的。

1984年时，褚清河与同事有幸主持和承担了省科技厅三川河小流域治理项目。在不断的实践中，褚清河设计了单施磷肥处理和施磷肥基础上不同氮用量共计6个处理、3次重复的氮肥用量田间试验方案，磷肥施用量为山西省化肥网试验确定的最大施肥量。从播种开始每隔17天取土测定土壤养分含量、谷子植株氮磷钾含量。同时，在不同处理0-2米深度内每20厘米打钻取土测定土壤水分含量。所有肥料均在作物播前一次施用，以后不再追肥。他从试验发现，谷子植株氮含量以苗期最高，苗期以后谷子植株体内氮含量呈逐渐递减规律，苗期植株体内氮含量高者，以后各时期也高，而苗期植株氮含量高者产量必然也高。由此得出，谷子的产量水平是由谷子苗期的氮素吸收水平决定的结论，而谷子苗期吸收氮素水平的高低又受土壤施氮量和氮磷施用比例的影响，这也是作物吸肥的普遍规律。为了验证这一规律，他又在水稻、小麦上分别作了大量的试验。据此，褚清河提出了作物播种前一次施肥新理论，认为土壤肥力水平和养分对比关系决定着作物的最大施肥量和最佳施肥比例。如果基肥施氮量达到土壤最大施肥量，追肥不仅不会增产，相反还会降低产量水平。由此及彼，他发明了依土壤主要肥力指标直接计算作物最大施肥量和最佳施肥比例的“数字化施肥技术”。他又通过多年研究，提出了土壤施肥配比理论，即土壤种植作物存在平衡与不平衡土壤养分类型，并具有相应氮磷和氮磷钾最佳施肥比例。作物要获得高产，氮磷在作物耐肥性允许的任何土壤养分含量水平下均需施用，而钾只有在缺乏即最低量营养物质时才需与氮磷配合施用，否则就会降低作物的产量水平，这是施肥的基本原则。

这之后，他深入研究作物育种理论和方法问题，破译了土壤施肥与育种联系的“密码”，得出了史无前例的结论：即不同作物品种存在一个氮磷单施和配施的营养遗传特性及由营养特性决定的最大施氮量，而土壤也存在一个由土壤肥力水平和养分对比关系决定的施肥量和氮磷配施比例，作物施肥的目的就是要从时间上协调作物品种施肥比例和施肥量。由此得出结论，决定作物产量的，并非是土壤中那个相对含量最小的有效作物生长因素，而是取决于决定施什么肥料效果好以及以什么比例施用和施多少合理的作物品种营养遗传特性。这一结论，较为系统地阐述了作物品种选育与数字化种植的理论方法和技术，成为农业科学研究上的一次重大突破，被国内专家喻之为攻克了土壤施肥研究领域的“哥德巴赫猜想”。

在实践中，褚清河和他的课题组通过测定不同地域不同土壤的肥力水平，并进行大量试验和科学计算，一举确立作物的潜在产量主要由土壤养分供应比例、供应量和供应时间三项要素来决定的观点；发现了土壤种植作物常见的10种土壤养分状况，即氮磷平衡、氮多磷少、氮少磷多、缺钾，以及改变这10种状况的特定的施肥比例规律，从而发明了能标准化生产的10剂型肥料，称之为“调控肥”。它可整合世界上千种复合肥和单质氮磷钾化肥为10种型号的工业化肥，真正实现世界范围复合肥生产标准化和数字化，建立工业化农业生产体系，实现单一化肥向复合肥生产和施用的根本转变。所谓“调”，就是调整苗期土壤养分供应比例；所谓“控”，就是控制作物苗期土壤养分供应强度。农民只要知道自己的土壤属于哪种状况，就可 “对号入座”选用适合的肥料。褚清河说，调控肥的优点是化肥的利用率能提高到80%以上，生理利用率较目前提高14.2%。此外，对农产品不污染，而且将四项土壤肥力指标和种植作物输入发明的“数字化施肥技术”计算机系统就能计算出所需剂型复合肥的型号与用量，真正做到了因土因作物对症施肥。

粮食增产，長远规划

在不断的科研实践中，褚清河博士看到，近年来，我国粮食单产和总产虽然一直在增加，但单位肥料的粮食增产率却在急剧下降，农业生产中的单产水平远低于示范产量。基于此，他提出了一系列实现粮食单产持续增加的近期和长远策略。主要包括：

首先，合理调整作物氮磷肥施用比例，提高不同肥力土壤的增产潜力。不同肥力水平的农田，其农作物单产水平具有很大差异。高肥力土壤的显著特点是作物苗期供肥强度大，中后期能够稳定且均匀地供应作物所需的各种养分，而中低肥力土壤由于土壤有机质含量相对高肥力土壤差距较大，养分的自调能力较弱，因此高肥力土壤不施肥的单产水平多数情况下甚至高于施肥的低肥力土壤。但这并不意味着生产中高产田的单产水平就一定很高，高肥力和中低肥力土壤均存在由于某一养分很低而导致单产不高的情况，高肥力特别是中低肥力土壤作物产量的差异并非完全是肥力水平高低的差异造成的，而是养分最小因子限制的结果，因此并不是中低产田的单产潜力水平一定就很低。因为作物单产水平的高低是由土壤供肥状况和品种特性共同决定的。如土壤磷素养分供应缺乏或不足时，单施氮肥或氮磷肥配合施用中磷肥的比例较低，作物的单产水平一般很低，但氮磷以合理的比例配合施用可大幅度提高单产水平。

其次，实现单产水平持续增加要依赖综合栽培技术。低种植密度下的作物品种更新和增施肥料虽然也可以提高粮食作物单产水平，但这就造成了有效耕地和肥料的浪费，是在较低单产水平下的持续增加，只有提高种植密度才能保证作物高产条件下的持续增加。作物品种的栽培密度既是品种的特性，同时也与施肥量和施肥比例有重要的关系。以小麦和玉米为例，玉米种植密度6万株//hm2，是绝大多数品种的最低种植密度，小麦播种量300kg/hm2也是水地、旱地小麦多数品种的最低播种量，而一些适宜密植的品种的种植密度和播种量还可提高，如农大108玉米品种的种植密度为4.5万株/hm2，而郑单958玉米品种可达到9.3万株/hm2。我国在20世纪80年代，玉米种植密度大约3万株/hm2左右，甚至更低，现在多数地区也只有4.5万株/hm2，显然偏低。但是在施肥量较低和氮磷施肥比例不合理的情况下，通常提高种植密度也很难显著提高作物的单产水平，如磷肥施用比例较低与氮肥多次追施通常造成小麦倒伏，而在施肥量和施肥比例合理的情况下，种植密度过低必然造成肥料浪费，不能充分利用有效耕地面积。

再有，根据土壤肥力育种。作物新品种及其栽培技术是粮食生产的基本要素，在土壤肥力和生产要素不变的情况下，农作物单产通常表现为受气象因素影响的增减波动，年度间并不会显著增加。因为土壤肥力在短时间内不可能发生显著变化，生产要素中除作物施肥量外，其他生产要素年度间发生变化的可能性也较小。作物施肥量虽然每年都有不同程度增加，但研究表明，同一作物品种施肥量增量只有大于30kg/hm2才具有增产效果，且大于品种最高产量施肥量不再具有增产效果，因此，作物品种的周期性更新是我国粮食单产呈阶段性增加的唯一形式。作物品种周期性更新仅是高产潜力水平的提高，而品种的周期性更新和产量潜力的发挥与转化，依赖于相应阶段施肥量的提高。作物品种产量潜力水平的提高，实际就是品种耐肥性和利用效率的提高，土壤最高产量施肥量是品种耐肥性的一种表现形式，只要品种耐肥性不断增强，土壤肥力和土壤磷素养分在不断增加，我国粮食作物单产水平就会随单位面积施肥量的增加而增加。

历经三十多年的风风雨雨，褚清河博士在施肥技术科研道路上不畏挑战，书写了一曲曲丰收之歌。他的数字化施肥相关研究成果已在山西75个县（市、区）推广应用，累计推广面积达283万公顷，其中粮食作物增产幅度达23%～48%，同时在山东、江苏等省示范应用，取得显着增产效果。在丰硕的科研成果面前，褚清河依然是淡定如初，并且在以后的道路上，他会一如既往，在自己钟爱的事业上开拓进取，向着更远大的目标进发。