肥料应用中存在的问题及建议

张 悦

(河北环境工程学院 河北秦皇岛 066102)

1 土壤中的营养元素

大量元素氮、磷、钾为人们所熟知，已成为当今世界化肥工业的支柱。18世纪后，在施用有机肥基础上发展了化学肥料的施用。近100多年来，人们大量使用氮、磷、钾肥料，忽视了对中微量元素的补充；特别是近年来，可用于补给中量元素的硫酸铵、过磷酸钙等肥料，逐渐被尿素、磷酸铵等大量元素含量高的肥料所取代，而高浓度大量元素肥料的大范围推广使用在提高作物产量的同时，也增大了对土壤中中微量元素的消耗。中微量元素肥料施用量不足，导致中微量元素的补充仅依靠残花、落叶等自然物质归还这种原始的、低水平的物质循环体系[1-2]。土壤中大部分中微量元素由于存在形式稳定、溶解度小，不能被农作物直接吸收和利用，仅有少部分溶解在土壤溶液中的才能被作物吸收。随着农作物高产品种的培育及复种指数的提高，轮作困难，土壤无休养生息时间，有效中微量元素的产生量不能满足作物生长的需求。作物不断从土壤中摄取营养，虽然氮、磷、钾肥的施用量剧增，但被作物带走的中微量元素却没有得到系统补给，导致土壤中的中微量元素逐渐耗竭[3]。特别是在我国高温多雨的南方地区，土壤中的中量营养元素多年来不断被高产作物大量带走，加之淋溶损失严重，导致中量营养元素供应不足，在广东、广西、云南、贵州、湖南、湖北、四川等省份表现尤为严重。

土壤中含有多种矿物，其化学组成复杂，主要含有10多种元素，其中以氧、硅、铝、铁等4种元素含量最高，SiO2、Al2O3、Fe2O3的质量分数之和通常超过75%。虽然土壤中一般均含有植物生长所必需的各种营养元素，但是丰缺程度不同。

数据显示，全国土壤中钙、镁、硫、铁、锰、铜、锌、硼、钼等中微量元素含量在临界值以下的耕地面积占比分别达到63%、53%、40%、31%、48%、25%、42%、84%、59%。与第二次全国土壤普查的数据相比，中微量元素缺乏的耕地面积增加近1倍。中国土壤普遍缺硼，其中山东、江苏、河南、安徽、云南、贵州、四川、广东、广西等17个省区的缺硼耕地面积占比约为60%。同时存在的另一情况是，土壤中的中微量元素并不缺乏，但土壤中的微量营养元素多以氧化物、硫化物、碳酸盐、硅酸盐、硼酸盐和钼酸盐等难溶于水的无机矿物形式存在，受土壤中无机矿物的化学性质、土壤溶液的酸碱度、氧化还原电位、根系分泌物、地理位置及气温、降水量等生态环境因素的影响，能被植物吸收利用的有效态含量占全量的比例较低[4]，一般不超过10%。因此，必须通过施肥的方式适当补充中微量元素。

2 中微量元素对提高农产品产量和质量的意义

植物的生长发育需要吸收各种营养，每种必需的营养元素都对植物的生长发育起着其他元素不可替代的作用，但是决定植物产量的是土壤中相对含量最小的营养元素，产量也在一定限度内随着相应元素含量的增减发生变化。因存在这个限制因素，即使继续增加其他营养成分，也难以提高植物的产量和品质[5]，即德国化学家、农业化学的创始人李比希提出的“同等重要律”“不可替代律”和“最小养分律”。因此，中微量元素营养问题将会日益突出，已在一些地区成为作物增产的制约因素，将是今后肥料科学研究的重要内容之一。

中量元素是增强作物抗病性、调节农产品风味的重要因子；微量元素一般多为植物体内酶和辅酶的组成成分，是促进农产品中营养物质合成的重要物质，对作物的干物质积累起着重要作用，同时微量元素对人体有益。作物缺乏中微量元素有3种危害：一是成熟期推迟，产量降低，严重时绝收；二是作物抗逆能力下降，不能抵御细菌、病毒、旱、涝、风寒等外界不利因素的侵袭，易生病或受害；三是产品品质下降，直接影响农产品的外形、色泽、口味、营养成分等，降低产品对人体的营养价值[6-7]。

2.1 硫

近年来，硫被认为是植物需要的4种中量营养元素之一，仅次于氮、磷和钾。硫的作用是通过直接向作物提供硫养分，促进作物的根系发育，提高作物必需养分特别是氮和磷的利用率，促进作物体内养分平衡，从而提高作物产量。随着世界粮食产量的增加，硫肥需求量日益上升，而世界范围内各地区土壤普遍缺硫，其中亚洲是最大的缺硫地区。近年来随着我国化肥工业的发展，过去大量施用的硫酸铵、硫酸钾和过磷酸钙等含硫化肥，逐渐被大量元素含量高但不含硫或含硫量少的尿素、磷酸铵和高浓度复合肥等替代[8-9]，随着化肥施入农田中的硫大幅度减少，硫与氮、磷、钾的投入呈现严重的不平衡，目前在很多地区缺硫已成为制约作物产量和品质、农民收益的重要因素。

2.2 钙

钙对于植物的抗逆性具有重要作用。钙能维持细胞壁的结构和功能，保持并提高细胞膜的稳定性，促进钾的吸收，延缓细胞衰老；促进根系发育；中和植物体内在代谢过程中产生的具有毒性的过量有机酸，调节植物体内的酸碱度[10]。

我国南方土壤多呈酸性，又由于降水量大、风化作用强烈，矿物分解较彻底，导致钙大量流失。除石灰性土壤外，一般土壤含钙质量分数为0.5%～2.0%，在大量施氮肥的条件下，很难满足作物在生长过程中对钙的需求[11]。

2.3 镁

镁是植物叶绿素的组成元素之一，植物缺镁会引起叶绿素含量降低，进而影响光合作用强度[7]。镁在土壤中是一种移动性较大的元素，易淋溶损失，特别是在我国南方高温多雨、酸性土壤地区。随着农业生产的发展，土壤缺镁的地区越来越多，目前我国有54%的土壤需要不同程度地补充镁[12]。

2.4 铁

铁是最早被发现、居首位的植物必需营养元素。铁在种子萌发过程中是不可缺少的，植物种子的子叶或胚中储藏有大量的营养物质，其中包括植物必需的铁元素。铁是叶绿素合成所必需的营养元素之一，直接参与光合电子传递及光合作用。研究表明，铁直接参与蛋白质合成，血红蛋白和铁硫蛋白分别在植物的氮代谢、呼吸的电子传递过程中起着不可替代的重要作用。此外，铁是酶和底物结合的桥接元素，由它催化的许多酶是生物抗性的执行者。当植物缺铁时，植物体内硝酸盐、氨基酸和酰胺出现明显的累积，叶绿体中蛋白质和膜蛋白含量均明显下降，叶绿体形态结构出现异常，叶绿素含量减少，新叶变黄，光合作用速率降低，呼吸强度减弱，植物产量和产品品质下降[13-14]。

植物缺铁失绿症是一个全世界普遍面临的问题，分布范围极广，尤其在干旱和半干旱的石灰性土壤地区更为严重。我国西北、华北地区土壤缺铁情况相当普遍，对果树、蔬菜、豆类及大田作物均有影响。在盐碱性土壤生长的植物也容易出现缺铁现象[15]。

2.5 锌

锌是植物体内多种酶的组成元素，有增强植物抗逆性的作用，并在植物代谢过程中具有重要作用。研究表明，锌可以提高番茄植株的抗逆性和番茄果实品质。锌肥对玉米有明显的效果，玉米产量随着锌肥施用量的增加而增加[16-17]。缺锌会影响叶绿体的合成，使酶活性降低，从而影响光合作用和氮、糖的代谢。目前无论是国外还是国内，有较大范围的土壤缺锌，尽管土壤施用硫酸锌的方法操作简单，但硫酸锌易被土壤固定，特别是我国北方潜在缺锌的石灰性土壤。因此，可采用叶面喷施硫酸锌、土壤施用乙二胺四乙酸锌钠(EDTA-Zn)，或将硫酸锌与有机肥(如玉米秸秆)混合后土壤施用[18-19]等方式提高锌肥的利用率。

2.6 硼

硼是植物生长所必需的微量元素，能促进作物体内糖的合成和代谢，对受精过程有特殊的作用，可提高作物的结实率和果树的坐果率。土壤中有效硼含量的临界值为0.5 mg/kg，缺硼会影响植物花粉的形成，影响授粉和结果，出现结实率下降、落果、果实畸形等情况[20-23]。我国土壤缺硼面积较大，需要补充硼肥。常见的硼肥为硼酸和硼砂，但是其在水中的溶解度较小，溶解速率慢，采用聚合硼酸钾可以解决该问题[24]。

为了促进作物对各种营养元素的全面吸收，有效提高肥料利用率，增加作物产量，改善农产品品质，就必须通过施肥归还和补充作物从土壤中带走的养分，这就是著名的“养分归还(补偿)学说”[6]。因此，补充中微量元素已成为当前促进农作物增产增质的必要手段。我国于20世纪50年代在中微量元素肥料方面开展了一些研究工作，然而与国际相比，我国对微量元素肥料的推广起步较晚[25-26]，直到20世纪80年代随着复混肥的发展，才开始重视微量元素肥料的生产和施用。1996年我国生产的微量元素肥料品种为50多种，作为微量元素肥料施用的仅30多种。尽管目前微量元素肥料的品种数量大幅提高，但很大一部分是无机盐直接施用，无机盐微量元素肥料易被土壤特别是北方地区的碱性土壤固定，或发生元素间拮抗作用，导致植物对微量元素有效利用率不高，并造成肥料的浪费甚至污染土壤。因此，对无机盐微量元素肥料的土壤施用应保持慎重，提倡施用螯合微量元素肥料、玻璃微量元素肥料、液体微量元素肥料。国外早期曾用抗坏血酸作为螯合剂，现在国内外普遍采用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、乙二胺二邻苯基乙酸钠(EDDHMA)、氨基酸、柠檬酸等含羧基的有机物作为螯合剂，与微量元素螯合制备水溶性螯合态微量元素肥料，用于叶面喷施或滴灌施肥[27]。玻璃肥料是以玻璃为基质，含有植物所需的中微量元素的一种控释肥料，施用方式为一次性基施，其养分在植物根系分泌物的作用下缓慢释放，持效期长，可被植物充分吸收利用[28]。

3 有机碳肥

我国粮食产量连续11年保持增长，化肥做出了重要的贡献。然而，过量和不能合理、适时用肥，导致化肥利用率较低，出现土壤板结、次生盐碱化或酸化、肥力下降、环境污染和生态平衡被破坏等一系列问题，目前东北黑土已出现了不同程度的酸化[29]，影响作物生长，严重威胁着我国农产品质量安全和农业生态环境安全。因此，需要加快改变农作物对化肥过分依赖的传统生产方式，在稳产增产的前提下，大力发展化肥替代技术及相关产品的研发，促进化学肥料的高效利用。

有机肥养分较全面，具有缓效性能，能有效增加土壤有机质，改善土壤团粒结构和理化性质，提高土壤酸碱缓冲性能，促进土壤中微生物的繁殖[30-31]，有利于提高农产品品质[32]。另外，有机肥替代硫酸铵、硝酸铵等无机肥料还能提高氮素利用率、降低深层土壤硝酸盐的淋失、减少氧化亚氮等温室气体排放[33]。李超等[34]研究表明，在施氮水平相同的条件下，有机肥替代部分化学氮肥能在一定程度上促进水稻生长发育，提高植株后期氮素累积量、结实率和水稻产量。

植物对碳元素的需求量远大于氮，尽管植物的光合作用能从空气中吸收碳，但仍不能满足植物的需求，所以需要补充有机碳肥。秸秆中含有大量的氮、磷、钾，秸秆还田可以为土壤补充营养元素，有利于减少化学肥料的施用量。秸秆直接还田，可通过秸秆的分解以及微生物的分解作用，使氮、磷、钾形成可溶性物质，增加土壤中全氮、碱解氮、全磷以及缓效钾的含量。秸秆炭化还田可以提高土壤中总碳、总氮、有效态钾、有效态镁的含量，降低有效态铝的含量[35]。另外，畜禽粪便也是有机肥的重要原料，将畜禽粪便堆肥处理后，可用作有机肥。

4 肥料氮和磷的利用率

我国农田氮肥利用率为30%～35%，远低于世界平均水平。氮肥因受到硝化-反硝化、挥发、淋溶、土壤固定以及土壤表面径流等作用的影响，氮素损失高达50%以上，其中氨的挥发是氮素损失的主要途径[36]。氮肥的损失以及低效使用，不仅降低了农作物的生产潜力，还会带来土壤酸化、温室气体氧化亚氮排放、生物多样性减少、土壤和水体富营养化等一系列环境问题。因此，提高氮肥利用率势在必行。可通过以下方法提高氮肥利用率：①施用腐殖酸肥料[37]、包膜尿素、磷酸镁铵、稳定性肥料；②尿素深施；③在作物生长季内少量多次施肥，但施肥总量不变；④采用土壤施肥与叶面施肥相结合的方式或滴灌方式施肥[38]。

磷肥因受淋溶、元素间拮抗、土壤固定以及土壤表面径流等作用的影响，利用率不高，一般为10%～25%。未被作物吸收利用的磷可与土壤中的钙、铁等元素形成难溶于水、不易被作物吸收利用的磷酸盐，成为土壤环境污染物；也可随地表径流进入水体，造成水体富营养化等环境问题。可通过以下方法提高磷肥利用率：①施用磷酸镁铵、聚磷酸铵等[39]具有缓释性质的磷肥；②在作物生长季内少量多次施肥，但施肥总量不变；③采用土壤施肥与叶面施肥相结合的方式或滴灌方式施肥；④土壤施用解磷细菌(生物肥料)，使土壤中的难溶性磷酸盐和有机磷在解磷细菌作用下溶解成可被作物吸收利用的可溶性磷酸盐[40-41]；⑤将磷肥与活化剂(如腐殖酸、生物炭等)混合施用，减少土壤中钙等金属离子对磷的固定[42]。聚磷酸铵不仅具有缓释性质，而且对土壤中的铁、铜等营养元素具有较好的络合能力，可减轻磷与铁、铜等营养元素之间的拮抗作用，提高铁、铜等营养元素的有效性。

今后需要以主要粮食作物、经济作物、蔬菜和果树种植体系为对象，研究氮素损失途径、阻控机理与增效途径，肥料磷素转化与高效利用的机制，钾、硼、锌素与氮和磷的协同增效机理，畜禽有机肥施用下氮和磷的减施机理，秸秆还田下肥料氮和磷高效利用机制；研究肥料与植物养分供需耦合机制、有机-无机-生物肥料协同增效机理，研制系列新型增效复混肥料、缓/控释肥料、稳定性肥料、水溶性肥料和微生物肥料等产品。

5 结语

我国是农业大国，从保证农业生产的角度分析，耕地面积扩大的潜力已十分有限，农业种植面积更是呈现下降趋势。尽管化肥对农业高产的贡献率高达40%，但目前化肥施用量太大，社会、环境和经济所付代价巨大；此外，化肥施用过量也是多年来我国土壤肥力下降、污染加剧的重要原因之一。目前，我国化肥的有效使用率为35%左右，这意味着65%的化肥都留在了环境当中，变成了污染物，最终造成土壤污染，成为制约我国农业可持续发展的重大诱因。我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较严重，农田土壤环境质量堪忧，全国土壤污染点位超标率为19.4%，污染类型以重金属污染为主[43]。因此，未来工作的重点应当是提高肥料的利用率，而非继续大幅度提高施肥量，即实现肥料使用零增长。为维持国内粮食供需平衡，在今后相当长一段时期内，我国农业的增产将主要依赖于合理施用化肥，科学优化施肥结构。

(1)推动氮、磷、钾和中微量元素等养分结构趋于合理。随着农业的发展，制约农作物生长的因素还包括氮、磷、钾以外的钙、镁、硫、锌、锰、铁、硼、钼等中微量元素[44-45]，人们已逐渐认识到施用中微量元素肥料的意义和重要性。未来肥料的发展必须从平衡供给作物养分这一宏观角度出发，大力发展复合(混)肥料和高效肥料，以大量营养元素肥料为载体，并根据各地区农田土壤养分和作物种植对肥料的需求，合理施用中微量元素肥料，提高中、微量营养元素的均匀性和有效性，减少施肥次数，节省人工。

(2)提高肥料中氮和磷的利用率。通过多种途径提高肥料中氮和磷的利用率，这对减少氮肥和磷肥的施用量具有重要作用。

(3)合理利用有机肥资源[46]。目前，我国有机肥资源总养分超过70 000 kt，实际利用率不足40%。其中，畜禽粪便养分还田率为50%左右，农作物秸秆养分还田率为35%左右。加强有机肥资源还田，不仅解决了畜禽粪便和秸秆带来的环境污染问题，还使主要作物化肥利用率稳步提高，化肥使用量增长趋势减缓，并逐步减少到合理施用水平。

(4)改善和改进施肥方式，大力推广作物专用肥和测土配方施肥，根据作物对营养元素的需求，因地制宜地施肥；优化施肥时间，避免盲目施肥和过量施肥；研发推广适用的施肥设备，将传统的人工表施、撒施改为机械深施、水肥一体化、叶面喷施等方式，以减少肥料因挥发、淋溶、土壤固定造成的损失，提高肥料当季利用率，降低化肥用量。