基于科學施肥視角的土壤質量提升與糧食安全*

高璐陽, 賈 偉, 馬志明, 陳宏坤

(1.新洋豐農業科技股份有限公司 湖北荊門 448000;2.農業農村部耕地質量監測保護中心 北京 100125)

肥料是糧食的“糧食”,施用化肥是糧食增產的主要措施,化肥在改善土壤肥力水平、提高作物經濟產量、保障我國糧食安全、促進我國農業可持續化發展等方面起著不可替代的重要作用[1-2]。當前我國耕地質量較差,人均耕地面積較少,農田生態系統脆弱,同時伴隨化肥施用量偏高、施肥結構不合理、肥料利用率較低和水體富營養化等問題[3-4],在農業生產過程中存在重施肥、輕養地以及施肥方式落后等現象,嚴重影響農業的可持續發展[5-6]。科學施肥是確保農業可持續發展的重要舉措,開展科學施肥研究,推廣科學施肥技術,對提升土壤質量,保障糧食安全,轉變農業發展方式,推動實現農業供給側結構性改革具有重要的意義。

近年來,為貫徹中央一號文件和全國農業工作會議精神,中央和地方政府相繼出臺了多項政策,逐步建立科學施肥技術體系,力求促進農業可持續發展[7-8]。本文綜述了當前我國實施科學施肥的主要方式,分析了科學施肥技術對提升土壤質量和保障糧食安全的重要作用,并針對在推廣和應用科學施肥技術過程中存在的問題提出合理化建議,以期為科學施肥技術的推廣提供參考。

1 科學施肥的主要方式

1.1 測土配方施肥

測土配方施肥是以土壤測試和田間試驗為基礎,根據土壤供肥特性、作物需肥規律和肥料養分效應,制備適合于特定區域和特定作物的“專用”肥料,并明確施肥時期和肥料施用方法的技術[9]。該方法能夠有效協調土壤供肥與農作物需肥之間的關系,保障作物養分吸收,提高農業生產經濟效益。我國的測土配方施肥技術主要圍繞“測、配、產、供、施”5個核心環節展開,應用方法主要包括土壤-植物測試推薦施肥法、肥料效應函數法、土壤養分豐缺指標法和養分平衡法等[10],重點研究土壤、肥料與農作物之間的關系,促進肥料被更好地吸收利用。目前,全國各地逐步建立了主要區域糧食作物肥料配方和高效施用技術規程,積極探索測土配方施肥的有效模式和工作機制,開展農企對接應用測土配方施肥技術活動,推廣測土配方施肥技術。

1.2 水肥一體化

水肥一體化是以水為載體,在灌溉的同時進行施肥,將水肥以小流量、均勻、準確地輸送到作物根區,使根部土壤保持適宜水分和養分,供給作物吸收利用的高效施肥技術[11]。根據灌溉方式,水肥一體化可分為噴灌、微灌(滴灌、微噴灌、涌泉灌、低壓軟管灌等)和滲灌等[12],其在節水節肥、提高肥料利用效率、減少資源浪費等方面具有明顯優勢。我國水資源短缺,時空分布不均,污染及浪費現象嚴重,當前國家十分重視水肥一體化技術的集成創新,開展了一系列針對不同地區、灌水量、施肥量和灌溉方式的試驗研究,構建針對不同種植區域農作物的水肥一體化技術規程,實施精準水肥調控,發展高產、高效農業。

1.3 機械化施肥

機械化施肥是指通過施肥機械將固態或液態肥料施入土壤特定位置,供給作物吸收利用的技術[13]。與傳統的條施、撒播等施肥方式相比,機械化施肥能夠有效控制肥料施用量和施肥位置,減少勞動力投入,降低生產成本。近年來,我國越來越重視和支持實施精準農業,在引進、消化和吸收國外先進技術的同時,積極探索適合我國實施的精準農業技術體系。圍繞主要的三大糧食作物,形成了水稻側深施肥技術、玉米機械化施肥技術和小麥機械化技術等廣泛應用的關鍵技術規程[14-16]。目前,我國正加快推動農業機械化建設,大力發展智慧農業,機械化施肥將成為未來農作物種植過程中的必要環節。

1.4 有機無機養分配施

有機肥在農業生產中占據重要位置,其本身含有多種有機化學物質,對調節作物生長發育具有良好的作用。研究表明,施用有機肥能夠提高土壤微生物總量,改善土壤理化性狀,促進作物對養分的吸收利用[17-18]。我國有機肥種類及數量豐富,但資源化利用不合理,浪費現象十分嚴重,開展有機無機養分配施可合理利用有機物料資源,對提升土壤有機質含量、改善土壤品質、減少有機物料損失、減輕環境污染具有重要意義[19-21]。當前,國家十分重視有機肥資源合理化利用,積極推動發展有機物料資源化、肥料化,有機無機養分配施技術是推動科學施肥的有效途徑之一。

1.5 其他方式

除測土配方施肥、水肥一體化、機械化施肥和有機無機養分配施之外,施用緩控釋肥等新型肥料產品、實施精準變量施肥也是科學施肥的主要方式。新型肥料產品可有效保證作物養分需求,提高肥料利用效率,降低勞動力投入。精準變量施肥是依據農田土壤網格單元內的農作物產量和土壤理化性狀等綜合信息,因地制宜進行全面平衡施肥的技術[22],作為精準農業的重要組成部分,能夠有效解決土壤-作物-養分之間的相互關系,提升經濟效益。

2 科學施肥在土壤質量提升中的作用

土壤是人類賴以生存的基礎,科學施肥在提升土壤質量、減少養分流失、提高土壤肥力水平等方面具有重要作用。

2.1 提升土壤質量

在以往的農業種植過程中,農民對于土壤情況的了解不深入,未明確土壤養分的供給量及農作物對養分的需求量,導致不合理施肥現象時常出現,影響土壤物理性狀,造成一系列生態環境問題。測土配方施肥是科學施肥的主要方式之一,能夠有效改善土壤理化性狀,提升土壤質量。王連林等[23]通過連續10年在河北省玉田縣開展測土配方施肥發現,應用測土配方施肥技術能夠使單位化肥增產效能平均提高36.65%,土壤容重年均遞減0.80%～1.05%,田間持水量年均增加8.87%～10.37%,可優化土壤物理性狀。科學施肥提倡的有機無機養分配施等方法,能夠為土壤中的微生物提供穩定的碳源,促進肥料在土壤中的轉化,優化土壤結構,改善土壤品質。張然等[24]通過連續5年有機無機養分配施定位試驗研究發現,與不施用有機肥相比,有機無機養分配施能夠使西北旱區麥田0～10、10～20 cm土層土壤容重分別降低4%、2%,水穩定性團聚體分別增加224%、105%。王憲玲等[25]基于渭北旱塬蘋果園的長期定位試驗研究發現,與不施用有機肥相比,有機無機養分配施能夠顯著提升蘋果園0～40 cm土層的土壤孔隙度、飽和導水率和田間持水量,降低土壤容重,進而改善渭北旱塬蘋果園的土壤物理性狀。

2.2 減少養分流失

在傳統施肥模式中,由于施肥方式的單一性、盲目性,很容易造成肥料養分快速釋放并淋溶損失,致使水體富營養化,發生土壤酸化、板結等問題。科學施肥提倡施用的緩控釋肥料力求做到養分釋放與作物吸收同步,簡化施肥技術,一次性施肥即可滿足作物整個生育期對養分的需求,減少肥料養分流失,避免肥料在環境中長時間停留,造成對生態環境的不良影響。侯紅乾等[26]的研究表明,施用緩控釋肥料能夠提高雙季稻的氮肥表觀利用率、氮肥表觀殘留率,降低雙季稻區土壤氮素損失率。安文博等[27]的研究表明,與常規施肥相比,施用包膜尿素、緩控釋摻混尿素等肥料,能夠減少土壤硝態氮含量,降低氨揮發和氮素淋溶風險。水肥一體化作為科學施肥的一種方式,能夠使肥料以水為載體,在灌溉的同時供給作物有效吸收利用,降低肥料在土壤中的淋溶損失,減少養分流失。楊啟航等[28]通過研究南方煙區土壤水肥一體化減量施肥管理模式發現,應用水肥一體化技術能夠增加烤煙對肥料養分的攜出量,降低植煙區土壤中氮磷鉀養分的盈余,提高肥料的利用效率。

2.3 提高土壤肥力

土壤肥力是土壤的本質屬性,是各種理化性狀的綜合表現。土壤肥力水平受多種因素共同影響,長期人為耕作、施肥、灌溉和其他農事活動是影響土壤肥力的重要因素,有機肥質量差、有機無機養分投入失衡、肥料養分配比不科學等是降低肥力水平的主要問題。通過科學施肥技術,開展有機無機養分配施,重視施用有機肥,合理施用土壤調理劑,推廣應用新型肥料,是提升土壤有機質含量、培肥改土、改善土壤肥力的重要舉措。丁維婷等[29]依據41年長期定位施肥研究有機無機養分配施對暗棕壤土壤肥力的影響,發現單施有機肥、有機肥配施部分化肥,較單施化肥均能夠提高土壤中酶的活性,提高率為21.04%～95.74%。于菲等[30]通過研究有機肥不同施用年限對土壤肥力的影響發現,土壤肥力水平隨著有機肥施用年限的增加逐漸提升,施用有機肥顯著提高了0～20、20～40 cm土層的土壤有機質、全氮和速效養分含量。應用科學施肥技術、優化耕作施肥方式是保護和提升土壤質量的核心內容,是實現“產出高效、產品安全、資源節約、環境友好”的現代農業發展目標的根本方法。

3 科學施肥在保障糧食安全中的作用

糧食安全是經濟和社會可持續發展的基礎,科學施肥在保障我國糧食數量、質量和生態安全中起著不可替代的支撐作用,關系到“三農”工作和鄉村振興戰略的順利實施。

3.1 保障糧食數量安全

糧食數量安全是維護社會穩定的基礎。隨著人口數量增加、人均耕地面積逐漸減少,保障糧食數量安全是糧食安全問題的重中之重。化肥是糧食的“糧食”,肥料的施用狀況直接影響糧食產量的提升,研究表明,我國糧食產量的提升有40%～50%來源于化肥的使用[31]。汪珺等[32]的研究表明,鹽城市自2010年推廣測土配方施肥技術以來,7年間實現節本增效達17億元,2017年小麥和水稻的單位面積產量較2009年的分別增加10.86%和6.36%。袁月星等[33]的研究發現,應用測土配方施肥技術能夠提升江陰市水稻產量水平,與常規施肥相比,5年間水稻產量平均增產4.16%。劉彩彩等[34]通過探究節水減氮管理模式對晉南地區夏玉米產量的影響發現,應用微噴水肥一體化技術可使夏玉米籽粒產量提升12.05%～45.4%。聯合國糧農組織預測,2050年世界人口將突破至90億,對糧食的需求量應在現有的基礎上提升70%才能滿足正常需求,因此需應用科學施肥技術,提高糧食產量,保障糧食數量安全。

3.2 保障糧食質量安全

糧食質量安全受多種因素的影響,化肥是重要的影響因素之一。肥料的不科學施用容易導致土壤養分失衡,降低糧食生產安全性,影響糧食質量安全。相關研究表明,過量施用氮肥會加重病蟲害的發生概率;有機肥施用不合理,可能造成重金屬富集、硝酸鹽累積等問題[35-36]。采用科學施肥模式能夠提升農作物的抗逆性、抗病性,減少病蟲害發生,改善糧食品質。周江明[37]的研究表明,有機無機養分配施可顯著增加水稻產量,提高水稻精米率,影響稻米堊白值,合理的有機無機養分配施可提高稻米食味品質。羅蘭芳等[38]的研究發現,與常規施肥相比,一次性全量施用緩控釋肥料能顯著提高水稻糙米蛋白質和總氨基酸含量,提升稻米品質。應用科學施肥技術,能夠明確不同農作物所需養分的種類和數量,實現作物需肥與土壤供肥之間的相互協調,促進糧食品質的提升,保障糧食質量安全。

3.3 保障糧食生態安全

近年來,隨著我國糧食消費需求剛性增長,以及耕地面積減少、水資源短缺、氣候變化和土壤污染等因素對糧食安全生產的約束日益嚴重,糧食供需長期處于緊平衡狀態。糧食生產過程中化肥、灌溉水等現代農業生產要素的不正當使用,不僅造成環境污染、資源浪費,而且進一步威脅到糧食生態安全和生產的可持續化,引發糧食安全和生態環境保護之間的矛盾。張宏威等[39]的研究表明,長期大量施肥可增大設施土壤可溶性有機氮淋溶風險,造成土壤及水資源污染。紀夢夢等[40]的研究表明,過量施肥可顯著提高土壤中硝酸鹽的含量,增大溫室氣體N2O的產生量和產生速率,影響氣候變化。應用科學施肥技術,采用測土配方施肥、水肥一體化等方式,根據作物生長需求合理施用化肥,科學減少化肥投入量,提高水肥利用效率,能夠避免資源浪費,減輕農業面源污染,保護生態環境,保障糧食生態安全。

4 科學施肥在推廣和應用過程中存在的問題

近年來,我國土壤肥料科技工作者為提高肥料利用效率做了大量工作,如開展測土配方施肥、有機無機養分配施、水肥一體化、機械化施肥等,推動了科學施肥的進步,但仍存在一些不足之處。

4.1 應加強科學施肥的理念

科學施肥技術的核心是調節和解決作物需肥、土壤供肥和人為施肥間的矛盾。自科學施肥理念提出以來,傳統“大水大肥”的施肥觀念基本得以改善,但仍存在對科學施肥技術理念認識不足的現象。部分農業種植戶簡單地認為科學施肥只是追求糧食高產,未綜合考慮減肥、環保、提升土壤質量等目標,做不到真正的“科學施肥”。同時,部分農業技術人員在推廣科學施肥關鍵技術過程中,采用單一的推廣方式,忽略了農業技術推廣的后期工作,對農民自主使用農業技術遇到的困難缺乏具體指導。因此,需加強對科學施肥理念的深入學習。

4.2 應重視科學施肥的基礎性研究工作

科學施肥是應用現代科學知識,以土壤測試和肥料效應驗證為基礎,與現代作物栽培技術相結合,采用現代機械,以提高肥效、謀求肥料最大經濟效益、減少資源浪費和環境污染的綜合性技術集成。針對科學施肥的基礎性研究,需要綜合考慮土壤、肥料、作物與環境之間的關系。然而,在實際生產過程中,由于不同區域地力水平、氣候條件和作物品種等存在差異,制定的肥料配方和技術方法可能達不到預期的農業生產需求,又缺乏可靠性高、操作性強的指導手冊可供參考。因此,應重視科學施肥的基礎性研究工作。

4.3 應完善科學施肥的技術推廣服務體系

科學施肥技術的應用和推廣需要專業、高效的服務團隊作為支撐。當前,專業技術服務人員缺乏,基層農技推廣人員數量不足,人員技術服務水平嚴重滯后于農業產業的需求,致使開展科學施肥推廣服務難度較大。同時,肥料生產企業、科研院校之間大多各自為戰,缺乏產學研用緊密結合。部分科學施肥技術標準未完善,相關財政補貼標準和補貼機制不健全,技術推廣經費不足等問題進一步限制了科學施肥技術的推廣和應用。

5 推廣科學施肥的對策建議

5.1 完善技術體系,夯實基礎性工作

完善科學施肥技術體系,夯實基礎性工作是推廣科學施肥技術的首要任務,必須樹立正確的科學施肥發展理念,明確發展方向,將其視作保護生態環境、促進農業健康發展的基礎。在我國主要農作物生產區域應加強土壤肥力監測基站建設,構建全國肥料效益試驗網,形成全國性的土壤肥料信息管理系統和交流中心,建立科學施肥長效機制,完善科學施肥技術體系。同時應加強土壤養分循環和肥料養分高效利用等基礎性研究,明確不同肥料在不同土壤環境中的轉化循環規律,加強土壤肥力監測,推動科學施肥技術的發展。

5.2 強化政策保障,加大推廣力度

堅持以政府為主導,構建完善的監管與扶持政策體系,強化科學施肥政策保障。科學施肥技術的推廣需要穩定的政策支撐和經濟投入,國家相關部門應制定一系列法律法規,引導和保障科學施肥技術的有效推廣。地方政府應嚴格實施國家出臺的各項相關政策,強化監督與管控,積極引導農民、企業和社會共同參與,構建科學施肥的長效機制。同時,政府應完善相關財政補貼機制,加大對農民增施有機肥、施用緩控釋肥料、合理使用新型肥料和購買配套農業機具等的補貼力度,積極探索科學施肥相關技術,制定完備的農作物科學施肥技術規程,創新科學施肥推廣模式,加大推廣力度。

5.3 發揮涉農企業的服務力量

積極引導相關肥料生產企業,尤其是比較有實力的大中型企業參與到科學施肥技術的應用和推廣過程中。鼓勵企業通過現代化經營、管理、服務模式,構建基層服務鏈,為農戶提供合理的肥料配方,開展技術推廣服務。肥料生產企業應加強土壤肥料研究的基礎性工作,穩定研究和技術推廣隊伍,建立有效的技術推廣服務體系,并積極探索與政府、高校和其他經營主體之間的多元合作,共同開展難題聯合攻關和技術創新,建立健全科學施肥技術服務模式,發揮示范帶頭作用。如新洋豐農業科技股份有限公司組建了500人的農化服務隊伍,通過與科研院校合作,聯手打造全國測土配方施肥示范網絡;協同產業上下游和國內外科研資源,聯合成立創新研究院,引領產品、模式、服務創新;積極構建“技術+銷售”小組作戰模式,為農戶量身打造,開展技術推廣服務,發揮企業的服務力量。

6 結語

科學施肥對轉變農業發展方式,推進農業供給側結構性改革進程,促進農業可持續發展具有重要意義。面對農業供給側結構性改革的新任務、新要求,科學施肥工作已進入攻堅時期,必須以綠色生態為導向,著力轉變農業發展方式,推廣科學施肥技術,全面提升我國農業科學施肥水平。