高效施肥技術研究的現狀與展望

白由路

（中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

在可預見的未來，糧食-資源-環(huán)境的矛盾將在全球范圍內影響社會的發(fā)展[1]。化學肥料的發(fā)明與應用極大地促進了糧食生產，同時也消耗了大量的能源和資源[2]。隨著社會的發(fā)展和日益增長的人口對糧食的需求，化學肥料的使用仍將不可避免[3]，有機農業(yè)不可能養(yǎng)活全人類[4]。所以，為了生產更多的糧食，同時又需要利用有限的肥料資源，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，最有效的方法就是科學、高效地使用肥料[5]。這種以提高作物產量、提高肥料養(yǎng)分利用效率、保護生態(tài)環(huán)境的施肥技術稱為高效施肥技術。100多年來，科學施肥技術的研究從來就沒有停止過[6]，也可以認為，高效施肥技術的研究從來就沒有停止過。但由于歷史的局限，不同的歷史時期，高效施肥研究的側重點不同，所采用的技術手段也不同。本文回顧了高效施肥技術的發(fā)展歷程，分析了目前所采用的幾種高效施肥技術現狀，展望了高效施肥技術未來的發(fā)展方向，旨在為科學施肥提供借鑒。

1 高效施肥的概念與內涵

國際上對高效施肥沒有統(tǒng)一的定義，縱觀肥料的發(fā)展歷史，可以判定，有了肥料以后，人們就開始探索如何使肥料發(fā)揮更大作用的施肥方法[7]。中國勞動人民很早就提出了“看天、看地、看莊稼”的施肥方法[8]，這可能是高效施肥技術的最早探討與應用。隨著社會的發(fā)展，社會發(fā)展中的各種矛盾也會反映到施肥技術方法上來，同時也促進施肥技術的改進與發(fā)展，盡管不同時期的社會矛盾不同，但對施肥的技術的要求都是相同的，這就是減少施肥投入、提高肥料效率、增加糧食生產、促進肥料環(huán)境友好等幾個方面。

1.1 糧食高效

在人類發(fā)展的歷史長河中，糧食的供應與日益增長的人口對糧食需求的矛盾一刻也沒有緩解過[9]，從肥料誕生開始，就伴隨著測土施肥的開展[7]。測土施肥的主要目的是充分滿足植物對營養(yǎng)元素的需求，平衡供應作物養(yǎng)分，達到高產、優(yōu)質的目的。所以，在人類糧食需求緊迫的今天，高效施肥的重要內涵就是生產更多的糧食，滿足人類對食物的需求[10]。對中國是這樣，對世界也同樣如此[11]。

1.2 生產高效

農業(yè)行業(yè)同其他行業(yè)一樣，需要保證一定的經濟效益。眾所周知，農業(yè)生產的成本分兩大部分，一部分是物資投入，另一部分是勞動力投入。在物資投入中，肥料占整個物資投入的 40%以上[12]，所以，通過技術手段，特別是高效施肥技術手段，減少肥料投入對提高農業(yè)生產效益有十分重要的作用。同時，在農業(yè)生產管理中，即勞動力投入部分，施肥的勞動力投入也是整個農業(yè)生產環(huán)節(jié)中投入較多的一項，采用輕減的高效施肥技術，對減少勞動力投入也十分重要。所以，高效施肥不僅可以減少肥料的投入，也可以減少施肥過程中勞動力的投入。近年來發(fā)展的緩控釋肥料、一次性施肥技術等都是針對節(jié)約施肥勞動力而研發(fā)的產品和技術[12]。

1.3 資源高效

肥料，特別是化學肥料，是高度的資源依賴和能源依賴性產品，如磷肥和鉀肥的生產中必須要磷礦和鉀礦的支持，在氮肥生產中，需要有大量的能源消耗。浪費肥料，就是對自然資源的浪費，因此，高效施肥也蘊含著資源高效利用的含義[13]。

1.4 環(huán)境高效

施肥對環(huán)境的影響已經被人們所明確。LAND等研究發(fā)現，美國切斯比克灣的氮、磷污染大約50%是來源于不合理的農業(yè)施肥[14]。肥料對地下水、大氣環(huán)境都產生一定的影響。以大氣污染為例，農業(yè)源排放的氨會在大氣中形成硫酸銨和硝酸銨，它們是大氣霧霾中的組成部分，也是影響大氣透明度的關鍵物質[15]，因此，減少農業(yè)源，特別是農田氨排放，對提高肥料的利用率、減少肥料對大氣環(huán)境的影響都具有十分重要的意義[16]。

實際上，目前在國際范圍內采用的高效施肥技術是圍繞著糧食高效、生產高效、資源高效和環(huán)境高效來進行的，如最早進行的測土施肥技術就是為了平衡土壤養(yǎng)分、提高作物產量和品質為目的的高效施肥技術措施[17]；20世紀90年代開始的精準施肥技術也是針對全球燃油價格上漲、農業(yè)化學品污染等問題采取的高效施肥措施[18]；灌溉施肥也是在節(jié)約用水的基礎上，大幅度減少施肥勞動力投入的高效施肥技術措施[19]；一次性施肥是為了減少追肥所帶來的施肥勞動力投入；葉面施肥技術是最大限度是利用養(yǎng)分，減少肥料浪費的高效施肥技術措施等。20世紀末，人們提出了施肥的“4R”概念，即正確的肥料（Right source）、正確的用量（Right rate）、正確的時間（Right time）和正確的位置（Right place）。這個概念貫穿了施肥的各個環(huán)節(jié)，是高效施肥的基礎[5]。

所以，針對高效施肥的內涵，可將高效施肥定義為，在作物營養(yǎng)供應的各個環(huán)節(jié)上，采用現代技術手段，最大限度地提高肥料利用效率，以充分保證作物產量和品質的提高，減少資源浪費，保護生態(tài)環(huán)境。

2 高效施肥技術的研究與發(fā)展

隨著現代技術的發(fā)明和應用，以現代技術為手段的施肥技術蓬勃發(fā)展，每一種技術的發(fā)展與進步都是以提高肥料的利用效率為核心的，從這個意義上講，人們對高效施肥的探索從來也沒有停止過。縱觀國內外高效施肥技術的發(fā)展情況，目前可應用于農業(yè)生產，或在農業(yè)生產中發(fā)揮作用的高效施肥技術包括測土施肥技術、精準施肥技術、灌溉施肥技術、輕簡施肥技術、葉面施肥技術等。

2.1 測土施肥技術

測土施肥技術是現代施肥技術的基礎，也是最早研究的技術。有人研究指出，早在公元前50年，人們就開始測定土壤酸度，以判斷土壤肥力的高低[20]。現代植物營養(yǎng)學的奠基人李比希（Justus von Liebig 1803—1873）堅信通過分析和研究植物的元素組成，就可以建立一套肥料推薦系統(tǒng)[7]，足見土壤和植物測試在科學施肥中的重要性。長期以來，通過化學分析的方法，從最開始的土壤養(yǎng)分的快速提取到建立土壤化學組成與植物生長的關系，再構建植物最佳產量模型等，經過100多年的研究，目前可以認為，土壤測試與推薦施肥是現代施肥技術最基礎、最成熟的技術[21]。世界各國也紛紛把測土施肥技術作為國家策略推廣應用。

美國在 20 世紀 60 年代就已經建立了比較完善的測土施肥體系，每個州都有相應的土壤測試化驗室和測土工作委員會，負責土壤養(yǎng)分的測定與作物養(yǎng)分反應的相關研究，以及方法的制定，指導農民施肥。目前，美國配方施肥技術覆蓋80%以上的土地面積[22]。

歐洲許多國家都有相關的測土施肥技術規(guī)范，如英國每隔幾年，都要修訂《肥料手冊》，該手冊既講述作物營養(yǎng)管理與肥料利用的基本原理，也介紹不同肥料的性質與使用方法，同時介紹不同土壤上營養(yǎng)管理的具體數值范圍和不同作物的具體施肥方法等。該手冊在指導當地肥料的施用方面發(fā)揮了重要的作用[23]。

中國的測土施肥工作開展也較早，20世紀 70年代末，農業(yè)部土壤普查辦公室組織了有16個省、市、自治區(qū)參加的“土壤養(yǎng)分豐缺指標研究”，隨后開展了大規(guī)模的配方施肥技術的推廣。1992 年組織了聯合國開發(fā)計劃署（UNDP）平衡施肥項目的實施。1995 年前后，在全國部分地區(qū)進行了土壤養(yǎng)分調查，并在全國組建了不同層次的多種類型土壤肥力監(jiān)測點4 000 多個，分布在16 個省區(qū)的70 多個縣，涵蓋了20 多種土壤類型[24]。2005年以后，中國在全國范圍內開展了大規(guī)模的測土配方施肥行動。政府出資免費為農民測試土壤樣品，以政府為主導，開展測土施肥的技術指導等工作。至2010年，中國測土配方施肥基本覆蓋了全國所有的農區(qū)縣，同時每年農業(yè)部發(fā)布1—2次施肥指導，為全國科學施肥提供了有力的技術支撐[17]。但是，由于中國農業(yè)高度分散，農民雖有高漲的積極性，但以政府為主導的測土配方施肥工作很難滿足全國農民對測土配方施肥的技術需求[25]。

2.2 精準施肥技術

2.2.1 精準施肥的理論與技術體系 精準施肥的理論是基于地塊內的土壤養(yǎng)分變異，其核心技術是變量管理技術。長期以來，農業(yè)的基本操作都是以地塊進行的，包括施肥在內，在同一地塊上，肥料是按統(tǒng)一的用量均勻地施在土壤中。眾所周知，在同一地塊內，土壤養(yǎng)分的分布是不均勻，如果在不同養(yǎng)分含量的土壤上施用同樣數量的肥料，則會出現有的區(qū)域施肥量過多，而有的區(qū)域則施肥量不足，這樣就會增加農業(yè)生產成本，降低農業(yè)經濟效益[26]。這是因為土壤性質，包括土壤養(yǎng)分的空間異質性[27-28]。出現土壤性質變異的原因是多方面的，有土壤形成的地質學和土壤學過程的原因，也是農田管理，特別是肥料施用等方面的原因[26]。20世紀 60年代初法國著名學者MATHERON創(chuàng)立的地統(tǒng)計學方法[29]，為定量描述土壤的空間研究奠定了基礎，人們可以通過數學插值的方法準確地描繪出土壤性狀的空間分布圖[30]。盡管人們了解了土壤空間變異性，也可定量表述土壤空間變異，同時也能繪制土壤養(yǎng)分的空間變異圖，但是，當時沒有機械可以滿足針對空間變異的施肥方法。在美國，一些農場根據土壤養(yǎng)分的變異情況，把一整塊土地分成幾個小的管理單元，在同一管理單元內，施肥是均一的。但不同的管理單元的施肥量是不同的，這就是精準施肥的雛形。然而，在一些地方由于土壤空間變異過于復雜，有時很難以把性質相同的田塊劃分成一個管理單元[26]。

20世紀90年代以后，隨著信息技術的高速發(fā)展，特別是地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（globe position system，GPS）[31]、遙感技術（remote sensing，RS）和計算機在農業(yè)中的應用，使得農業(yè)生產中的田間管理可以實現自動化，首先把該技術應用于農業(yè)生產環(huán)節(jié)的就是變量施肥技術。同時人們根據土壤空間變異的農業(yè)管理方法也擴展到了其他農業(yè)管理環(huán)節(jié)，如農田病蟲草害的防治[32]。這些根據田塊內空間變異所進行的農事操作過程通稱為精準農業(yè)（precision agriculture或precision farming）。精準農業(yè)的含義是按照田間每一操作單元（區(qū)域、部位）的具體條件，精細準確地調整各項土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項農業(yè)投入，以獲取單位面積上的最高產量和最大經濟效益，同時保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護土地等農業(yè)自然資源[33]。精準施肥技術是精準農業(yè)最早應用的領域，經過20多年的發(fā)展，精準施肥技術一直引領著精準農業(yè)技術的進步[34]。

也可以認為，精準施肥技術是在其他相關技術的支持下發(fā)展起來的。20世紀70年代以后，微電子、機電一體化、監(jiān)控技術智能化、農田信息采集智能化等技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，推動了農業(yè)機械裝備的現代化。這都為精準施肥提供了技術支持。20世紀80年代以后，發(fā)達國家的農業(yè)經營管理中出現了資源緊缺和環(huán)境質量下降等一系列的問題，迫使這些國家采取更有效的方法，以充分利用各種投入、節(jié)約成本、提高利潤，以提高農產品的市場競爭力，減少環(huán)境污染，這也是精準施肥技術的社會需求[35]。1991年第一次海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)以后，GPS技術逐漸民用化，這也給施肥精確定位管理提供了可能性[36]。

為了實現施肥的精準變量管理，可將精準施肥分為基于 3S技術和基于傳感器技術的精準施肥體系。基于 3S技術的精準施肥技術體系也稱為基于地圖的精準施肥，該技術體系包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術（RS）和計算機自動控制系統(tǒng)。基于 3S技術的精準施肥技術體系的特點是，應用地理信息系統(tǒng)，將獲取的土壤養(yǎng)分、作物生長等信息進行整理和分析，矢量化地圖數據，制成具有實效性和可操作性的田間土壤養(yǎng)分管理信息系統(tǒng)。然后，農業(yè)機械則按照田間每一操作單元（位點）上的具體特性，通過變量控制等技術的應用，調整肥料的施入量，達到最大限度地滿足作物需求、減少浪費、提高經濟效益、保護農業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境的目的[37]。

基于傳感器的精準施肥技術是利用傳感器實時測定所需的特性數據，如土壤養(yǎng)分、作物生長等，這些數據信息經過計算機快速處理后，直接控制變量管理機具。所以，這種技術既不需要GPS定位系統(tǒng)，也不需要GIS技術的支持[38]。但由于田間實時傳感器價格高、精確度不夠等原因，基于傳感器的精準施肥應用還不十分普遍。另外，利用GIS結合GPS進行土壤采樣、作物產量實時監(jiān)測、土壤圖繪制等都較為方便，加上地統(tǒng)計學和作物模擬等方法的發(fā)展與應用，使得基于3S技術的精準施肥技術應用更為普遍[38]。

2.2.2 精準施肥的經濟效益與應用情況 精準施肥的效益取決于該技術的應用能否有效節(jié)約成本、增加產出。精準施肥的效益應從兩個方面考慮，一是生態(tài)環(huán)境效益，另一個是經濟效益。

在美國，通過把每個農場數百個小區(qū)的土壤測試、播種量、產量、農藥和肥料用量等結合起來分析，精確地預測了最佳經濟投入量，使種子、化肥、農藥都獲得較大效益，減少了成本、節(jié)約了資源，經濟效益是十分明顯的。一項研究結果表明，僅就氮肥施用量就可降低 24%—40%[39]。以往的研究還表明，傳統(tǒng)的均量施肥造成某些區(qū)域施肥過量，某些區(qū)域施肥量不足。過量施肥區(qū)域的多余養(yǎng)分就會進入水體等環(huán)境中。精準施肥就能有效避免或減少此類問題的發(fā)生。

精準施肥的經濟效益還取決于生產經營規(guī)模。精準施肥需要較大的投入，投入項目包括土壤測試、制作養(yǎng)分管理圖、施肥變量機具、田間操作，以及技術維護等等，特別是設備的利用效率，以及機具的維護等。因此，如果經營規(guī)模小，單位土地面積上支付該精準施肥技術體系的費用就會很高。反之，則費用就會降低。所以，為了降低系統(tǒng)使用費，在美國等一些國家，采用社會化服務的方式，推行精準施肥。據美國Purdue大學研究表明，在美國采用精準施肥技術的農民有60%實現贏利，有10%虧損，有30%保本[39]。

北美的美國和加拿大是應用精準施肥技術較早的國家，據估計至1998年美國就有4%的農場使用一項以上的精準農業(yè)技術，其中廣為接受的是網格土壤取樣技術和變量施肥技術（約占美國農場的 2%）、作物產量監(jiān)視和產量圖的實時繪制（約占 1%）、其他技術如變量播種、精準噴藥以及遙感技術的應用不足1%。2000年，在小麥種植中，約有 10%的面積應用了作物產量監(jiān)視器，而玉米和大豆使用作物產量監(jiān)視器的面積達30%和25%，到2001年，美國有33%的玉米應用了產量監(jiān)視器[40]。澳大利亞對精準農業(yè)技術的接受程度不高，其主要是原因是成本、效益、技術推廣等。通過對英國350戶農民的調查，有25%使用了具有GPS的作物產量實時監(jiān)測器。在美國阿肯色州的調查顯示，接受精準農業(yè)技術的人員大部是年青人、受過良好教育的人員、愛好計算機并規(guī)模種植水稻和大豆等作物的人員[27]。目前進行精準農業(yè)研究與應用的國家除美國和加拿大外，還有韓國、印度尼西亞、孟加拉、斯里蘭卡、土耳其、沙特阿拉伯、澳大利亞、巴西、阿根廷、智利、烏拉圭、俄羅斯、意大利、荷蘭、德國、英國、日本等。

2.3 灌溉施肥技術

把肥料直接注入灌溉水中進行施肥的方法稱為灌溉施肥（fertigation）[41]。灌溉施肥在我國稱為水肥一體化。有關灌溉施肥研究始于 1958年[19]。20世紀60年代初開始迅速發(fā)展[42]。40多年來，灌溉施肥技術在全世界范圍內迅速發(fā)展，它作為一項技術，可滿足植物不同生育時期的水分和養(yǎng)分需求以獲得肥料的最大效率。綜合起來，與傳統(tǒng)施肥相比，灌溉施肥有四方面的優(yōu)點：一是水分和養(yǎng)分可直接供給到作物的根系活動區(qū)，使作物更容易吸收；二是水分和養(yǎng)分可均勻供給所有的植株，可獲得更高的產量；三是通過這種方式可減少水分和肥料的用量，提高了肥料的利用率；四是灌溉與施肥同時進行，節(jié)約了時間和勞動力，還可節(jié)約能源投入[43]。由于灌溉施肥的載體是灌溉水，所以，根據灌溉方式不同，灌溉施肥的方式也有差異。目前，可將灌溉施肥大致分為幾種。

2.3.1 表面灌溉施肥（surface fertigation） 表面灌溉施肥是在常規(guī)的無壓灌溉條件下，將肥料溶入灌溉水中，通過灌溉水將肥料帶入田間的方法。表面無壓灌溉（溝灌和畦灌）是最傳統(tǒng)的灌溉方式，但對其研究卻始于20世紀末，主要原因是有的學者認為表面灌溉施肥較有壓灌溉施肥的效率低，且控制過程復雜。也有人認為，農業(yè)化學品的污染與表面灌溉的關系十分密切，在可預見的未來，表面灌溉施肥的研究十分必要，其原因有四個方面，一是在世界很多地方，由于經濟和社會的原因，有壓灌溉還很難達到；二是先進計算機軟硬件的出現有助于表面灌溉施肥技術的設計與實施；三是有研究表明表面灌溉的均勻性與有壓灌溉基本相同；四是在表面灌溉實施中，水和肥的效率是獨立的。所以表面灌溉施肥技術在未來一段時間內還會發(fā)展，但是，在研究中，表面灌溉施肥的模擬模型如表面水流、地下水流、表面溶質運移、地下溶質運移模型都需要進一步研究，特別是彌散效應對地表溶質運移的影響，有人建議彌散效應可以忽略，也有人認為不能忽略。彌散效應似乎與肥料種類、進水流量、灌溉方式、溝畦長度、土壤入滲和土壤粗糙度有關[42]。目前對表面灌溉施肥的模擬模型大部分是針對一次灌溉施肥事件，長期來看，從農業(yè)、環(huán)境和經濟的角度，一個作物生長季節(jié)的表面灌溉施肥研究很有必要，同時，作物模型也應結合施肥模型以評估施肥措施對水分和養(yǎng)分的吸收，作物產量的影響，經濟效益和肥料的淋失等。表面灌溉施肥的最終表現是作物對肥料的利用率，田間試驗和模擬的方法都需要解決這個瓶頸問題[42]。

中國現有耕地1.35億公頃，灌溉面積0.6億公頃[44]。其中一半以上采用的是常規(guī)無壓灌溉，即表面灌溉。農民為了節(jié)省施肥的勞動力投入，常常采用將肥料溶入灌溉水中進行施肥，這些方法雖然在技術上歸為表面灌溉施肥，但是，對其進行的研究和指導還基本上是空白，所以，加強表面灌溉施肥的研究與應用在中國十分必要，也十分迫切。

2.3.2 滴灌施肥（drip fertigation） 滴灌施肥是將肥料注入到滴灌系統(tǒng)中，通過滴灌系統(tǒng)將肥料帶入田間的施肥方法。根據滴灌方式不同，可分為表面滴灌施肥（surface drip fertigation）和地下滴灌施肥（subsurface drip fertigation）。一般認為，滴灌是給水器（滴頭）流量小于7.5 L·h-1，當滴頭處于20 cm土層以下，且不影響表面耕作的情況下，稱為地下滴灌；而滴頭處于20 cm土層以上時，且田間管路每年都需更換的滴灌方式稱為地表滴灌。所以，無論是地表滴灌施肥還是地下滴灌施肥，其不同點在于滴頭所處的深度，而滴灌施肥的其他設備基本相同[45]。

滴灌施肥的研究與應用始于20世紀60年代初的美國鹽土實驗室[46]，同時期的 1964年以色列工程師也報道了滴灌技術的實驗[47]。在滴灌施肥中，滴灌帶、滴頭、注肥器、田間管路分布以及自動控制是該系統(tǒng)的中心內容。在滴灌施肥技術中，諸如針對滴頭由于化學物質沉淀、微生物生長、根系侵入等因素造成的堵塞、田間水肥分布不勻等問題，還需要進行大量的研究；在設備生產方面，塑料材料選擇、生產工藝、滴頭設計等一直是滴灌施肥研究的重點[48]。

目前滴灌及滴灌施肥系統(tǒng)已在全球廣泛應用[49]，地表滴灌施肥是目前應用最多的灌溉施肥方式[50]。但是，對地下滴灌的研究較多為理論研究。目前，滴灌已從園藝作物應用到了大田作物，已從高價值作物應用到了普通作物[51]，該技術可節(jié)水 40%以上，節(jié)肥20%以上，比常規(guī)省工90%，可節(jié)約土地5%—7%，增產幅度達30%—50%，可有效保護生態(tài)環(huán)境[44]。這種技術被認為是最高效的施肥技術[52]。目前該技術正在運用信息技術，實現水分－養(yǎng)分管理的全自動化[53]。

2.3.3 微噴施肥（sprinkler fertigation） 通過微噴灌系統(tǒng)將肥料帶入田間的施肥方式稱為微噴施肥，這種施肥方式也是最早進行研究的灌溉施肥方式[19]，目前這種方式已被滴灌施肥所取代，但是，在溫室等保護地種植、園藝作物等方面還有應用[54]。微噴施肥與滴灌施肥的最大區(qū)別在于肥料通過微噴灌系統(tǒng)可將肥料直接噴施在植物葉面上，特別是對微量元素的應用更加適宜。再則，通過微噴灌系統(tǒng)還可將肥料以外的其他農用化學品如殺蟲劑、殺菌劑等噴灑到作物上，也就是目前應用更方泛的化學灌溉（chemigation）[55]。

2.4 輕簡施肥技術

隨著農業(yè)勞動力成本的提高，減少農業(yè)生產中勞動力的投入以提高農業(yè)生產效益的方法是農業(yè)生產的重要方面。由于施肥的勞動力投入占作物生產管理過程勞動力投入的一半左右，所以，減少施肥次數，節(jié)省勞動力的方法倍受關注。顧名思義, “輕”是機械代替人工，減輕勞動強度；“簡”是減少不必要的作業(yè)環(huán)節(jié)和次數[56]。所以，輕簡施肥也可以理解為用現代化的施肥技術代替人工施肥操作，減輕施肥過程中的勞動強度，簡化施肥方式、減少施肥次數的施肥方法[57]。在實際操作中，用一次性施肥替代多次施肥，種、肥同播[58]替代種、肥分播的施肥方式都屬于輕簡施肥的范疇。與輕簡施肥相伴而生的就是肥料的緩/控釋技術。近年來，由于中國勞動力成本的提高，以及緩/控釋肥料的大力發(fā)展，輕簡施肥也越來越受到人們的重視。

3 高效施肥技術的前景與展望

隨著人口的日益增長，對糧食需求不斷提高。同時，人們對環(huán)境的要求也越來越高。所以，高效施肥技術的重點還必須以提高肥料利用率、減少肥料對環(huán)境的影響為主要施肥目標。高效施肥技術也會隨著全社會科學技術水平的提高而提高，在可預的未來，高效施肥會向著信息化、自動化、智能化、輕簡化方向發(fā)展。

3.1 高效營養(yǎng)診斷技術

植物生長有其自身的規(guī)律。在作物營養(yǎng)管理方面，必須首先確定作物需要什么元素、需要多少量？土壤本身能提供多少？這就是營養(yǎng)診斷。100多年來，人們都孜孜不倦地研究這方面的問題[6]。近年來，高光譜無損探測技術[59]、土壤養(yǎng)分原位監(jiān)測技術、高效土壤養(yǎng)分測試技術[60]等都有一定的進展。

3.2 數字化養(yǎng)分管理系統(tǒng)

隨著數控技術的發(fā)展，作物的養(yǎng)分管理也正向著數字化的方向發(fā)展，目前精準施肥技術的發(fā)展就是在空間尺度上的數字管理，但是在時間尺度上的應用還不盡如人意。這主要是由于目前的作物養(yǎng)分管理大部分都是基于作物生育期尺度上的，以生育期為時間尺度的養(yǎng)分管理雖然能最大限度地吻合作物養(yǎng)分需求。但是，由于作物生育期長短不一，施入土壤中的養(yǎng)分在土壤中滯留時間過長，難免造成肥料養(yǎng)分的損失。因此，縮短養(yǎng)分管理周期，實現數字化“匙喂”式管理，對滿足作物營養(yǎng)需求、提高養(yǎng)分利用率、減少養(yǎng)分損失都具有重大的意義。為了實現這一目標，一個最基本的依據就是精準化、數字化的作物營養(yǎng)需求模型。所以，加強短尺度的作物營養(yǎng)需求模型研究是實現作物數字化養(yǎng)分管理的關鍵。特別將數字化養(yǎng)分管理應用于灌溉施肥技術中，是提高灌溉施肥效率的關鍵技術之一。

3.3 養(yǎng)分高效利用基因篩選

養(yǎng)分的高效利用一方面決定于養(yǎng)分的充足供應，另一方面決定于作物的高效吸收，前者是外因，后者是內因。所以，通過養(yǎng)分高效利用基因的篩選，選擇一些可高效吸收養(yǎng)分的基因，是提高作物養(yǎng)分利用率的有效方法。目前人們對此進行了很多研究，但大部分的作物養(yǎng)分高效利用基因都是在土壤低養(yǎng)分濃度下表現出高效利用[61]，在高養(yǎng)分濃度下，這些基因則不表現出優(yōu)勢。由于近半個世紀的土壤培肥，我國大部分土壤養(yǎng)分處于中等偏上，所以，篩選在中高等養(yǎng)分條件下可發(fā)揮作用的作物養(yǎng)分高效利用基因，對提高養(yǎng)分利用率有重要的現實意義。

3.4 營養(yǎng)鏈一體化管理

植物生產的主要目的是營養(yǎng)人與動物。在食物鏈中，生物所需要的營養(yǎng)元素有些是相同的，有些則不同的。過去的研究與應用都是分開進行的，為了滿足植物對營養(yǎng)元素需要，主要是通過肥料來補充的。而人和動物所需的礦質營養(yǎng)元素主要通過營養(yǎng)鹽等來補充。當植物、動物和人所需要的營養(yǎng)元素相同時，一般很少再通過營養(yǎng)鹽來補充，如K是植物和動物及人共同所需的營養(yǎng)元素，所以，很少出現人和動物的缺K情況，而Na元素不是植物必需的營養(yǎng)元素，但是人和動物的必需營養(yǎng)元素，因此，Na元素不能通過食物鏈進行補充，在生活中，必須通過食用鹽的方法來補充Na。其他元素也基本如此。所以，作者認為，在不影響植物生長發(fā)育的情況下，將食物鏈下端的營養(yǎng)元素通過施肥的形式首先補充到植物中去，然后通過植物對食物鏈后端的生物提供生命所需的營養(yǎng)元素。雖然這些營養(yǎng)元素對植物生長發(fā)育沒有益處，但對食物鏈下端的生物產生有益影響。這種通過植物補充食物鏈下端營養(yǎng)元素的方法稱為食物鏈營養(yǎng)理論。這樣，為了營養(yǎng)食物鏈下端生物而對植物進行施用的元素也應稱為肥料。

國際 ISO7851《肥料和土壤調理劑－分類》中把肥料的定義為“以提供植物養(yǎng)分為其主要功效的物料”，這里所指的植物養(yǎng)分主要是指植物的必需營養(yǎng)元素。總之，不論是對植物營養(yǎng)元素的定義，還是對肥料的定義，都只考慮植物生長發(fā)育本身，沒有考慮到以植物為主要食物的人和動物的健康。世界衛(wèi)生組織（WHO）確認人體需要10種常量元素和14種微量元素，即碳、氫、氧、磷、硫、鈣、鉀、鎂、鈉、氯等10種常量元素，14種微量元素，即鐵、銅、鋅、鉻、鈷、錳、鎳、錫、硅、硒、鉬、碘、氟、釩。在植物所需的營養(yǎng)元素中，除硼外，人和動物都需要。在人和動物必需的營養(yǎng)元素中，鈉、鉻、鈷、錫、硅、硒、碘、氟、釩則不是植物必需的營養(yǎng)元素。根據人和動物的營養(yǎng)特點，人體所需的礦物元素為植物必需的營養(yǎng)元素時，人和動物基本上不必通過礦物質進行補充，當人體必需的礦質元素不是植物必需營養(yǎng)元素時，人和動物必須進行大量的補充，否則影響健康。如鈉、碘、硒等。還有一些元素雖然也是植物、人和動物共需的礦物元素，但人和動物在特殊條件下也需要補充，如鈣、鎂、鋅等。醫(yī)學和生物學方面也研究了很多方法，如利用基因工程的方法增加植物對鋅的吸收以滿足人體對鋅的需求；通過食物鈣片的方法，滿足人體對鈣的需求；通過在飼料中加鎂的方法滿足動物對鎂的需求等，對有些元素，如果通過植物營養(yǎng)以滿足食物鏈下端的營養(yǎng)需求也十分有效，如通過植物補充人體所需要的硒元素。人不僅可以避免直接食用礦物元素所帶來的成本問題，也能避免直接食用礦物質過量而帶來的健康問題。遺憾的是，長期以來，肥料的概念只限于植物本身，如果把肥料的概念擴展到食物鏈下端的人和動物健康，將人和動物所需要的營養(yǎng)元素通過植物進行補充將對人和動物健康帶來事半功倍的效果。

3.5 作物營養(yǎng)調控技術

植物對養(yǎng)分的吸收受多種因素的調控，特別是植物體內物質的調控，如吲哚乙酸可調控植物根系生長，從而影響植物對水肥的吸收。因此，通過影響作物生長和代謝而影響作物養(yǎng)分吸收的方法也是提高植物養(yǎng)分高效利用的有效方法。目前歐洲肥料企業(yè)強力推進的植物生物刺激素就是通過改善植物代謝以提高植物養(yǎng)分利用、增強作物抗性、改善作物品質、提高作物產量。它們或單獨使用、或與肥料共同使用，都有較好的效果。許多植物生長調節(jié)劑也有類似的功能。通過調節(jié)作物的代謝提高養(yǎng)分吸收能力，從而提高肥料養(yǎng)分高效利用的方法也是未來植物營養(yǎng)與肥料學科研究的重要方面。

3.6 生態(tài)環(huán)境保護的施肥技術

20世紀70年代以后，人們開始注意到肥料對環(huán)境的影響，特別是一些污染事件都與肥料密切相關，甚至有人開始抵制化學肥料的施用。目前一些研究表明，肥料的不合理施用，不僅對地表水、地下水等易造成污染，而且對大氣質量也有一定的影響。近年來，人們開始注意到農業(yè)源氨排放與大氣質量的關系。所以，肥料在提高作物產量、保證糧食安全的同時，也必須保證生態(tài)環(huán)境的安全，減少肥料養(yǎng)分向環(huán)境轉移是高效施肥技術的重要研究方向之一。

4 結語

長期以來，施肥的目的是為了提高作物產量，保證人類發(fā)展對糧食的需求，化學肥料的發(fā)明大大緩解了人口增長與糧食需求的矛盾。但是，隨之而來的肥料施用與農產品安全、生態(tài)環(huán)境安全的問題引起人們的廣泛關注。如何在提高肥料效益保證糧食產量與減少肥料施用保證環(huán)境安全問題上找出一個平衡點，成了施肥技術必須面臨的問題，這也是未來高效施肥研究的重要驅動力。高效營養(yǎng)診斷技術、數字化養(yǎng)分管理系統(tǒng)、養(yǎng)分高效利用基因篩選、營養(yǎng)鏈一體化管理、作物營養(yǎng)調控技術和生態(tài)環(huán)境保護的施肥技術等將是未來高效施肥技術研究與應用的主要方向。

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