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2017.06.13
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肥料在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用，同时化肥养分利用率低又产生了对环境的不良影响。因此用好肥料资源、提高肥料利用效率是关系到国家粮食安全和环境质量的重大科技问题。本文实事求是地分析了我国人多、地少、耕地质量差、农田生态环境脆弱的基本国情和肥料领域面临的严重挑战；对国家种植业发展对肥料的需求，有机养分和化肥利用现状和问题、农田中化学氮肥的损失及其对环境的影响等问题进行了较为全面地综述；提出了“区域用量控制与田块微调相结合”的推荐施肥的理念和技术路线；形成和发展了适合分散经营和规模经营的分区养分管理和精准施肥技术体系;同时对新型肥料和有机养分资源在我国研究应用的现状和存在的问题进行了分析评述。在此基础上，提出了提高耕地综合生产能力、依靠科技进步高效利用肥料资源、按照增产潜力做好施肥区域布局等技术政策，建议针对肥料科学技术的发展形成稳定的政策支持和保障。
保障粮食安全是关系到我国经济和社会可持续发展的重要基础。我国人多地少，到2006年10月，耕地减少到1.22×108hm2，已经接近1.2×108hm2的警戒红线，人均耕地0.093hm2，仅为世界平均水平的42%，印度的62%，美国的15.7%。我国必须通过提高单产以保证粮食和农产品的供应，而提高单产的重要措施是通过施肥为作物提供足够的养分供应。我们既不能像地多人少的国家那样通过牺牲作物产量来保证生态环境，又不能不顾环境质量片面追求高产。我国必须走出一条既能保证作物持续增产、农田生产力不断提高，又能保持良好生态环境的可持续发展之路。而实现这一目标的关键是充分科学地利用有机和无机养分资源，提高肥料的利用效率。
对照不施肥处理平均增产48%。近年来，随着化肥用量的增加和耕地肥力的逐渐提高，施肥的增产作用有所降低，但是，依然是作物增产增收最基本的物质保障。
正是由于化肥在作物增产中的重要作用，自建国以来，我国化肥用量不断增加。自1993年以后，我国一直是世界第一化肥消费大国。2005年，我国化肥消费量达4766×104t（养分量，下同），占世界化肥消费总量的32%。2010年，我国化肥消费量达到5561.7×104t，为世界化肥总消费量的34%（世界化肥消费量按照IFA公布2009/2010年度1.629×108t计算），其中氮肥约为3200×104t，磷肥约为1400×104t，钾肥约为950×104t。
然而，我国人口增长的压力以及生活改善和经济发展对粮食和农产品的需求持续增加。2008年国务院通过的《国家粮食安全中长期规划纲要》提出，至2020年粮食综合生产能力将达到5.4×108t以上，并使粮食自给率稳定在95%以上。与此同时，我国为了实现高产目标，已经在很大程度上依赖化肥的施用，化肥用量已经较高，加上使用不合理等问题，肥料的不科学管理已经对环境产生了不良影响。
问题的严重性和紧迫性还在于，在可以预见的未来，我国的人口将继续增多而耕地将进一步减少，在这种情况下，为了保证国家的粮食和农产品安全，仍然必须继续依靠化肥的使用以进一步提高单位面积产量和总产，这必然增大了农业生产对环境的压力。因此，为了协调农业发展与环境保护的关系，迫切需要建立起可持续发展的集约化农业养分管理体系和科学施肥技术体系，这是摆在我们面前的一项具有挑战性的紧迫任务。对我国来说，要完成这一任务，其难度显然要大于某些人少地多的发达国家，但却是影响我国农业发展、农村繁荣和农民致富的重大技术关键。
1充分发挥化肥的增产效用，努力降低其对环境的负面影响
1.1化肥在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用
但是，随着人口的增加和生活水平的提高，粮食的需求持续增加。国务院办公厅发布的《中国食物与营养发展纲要（2001-2010年）》指出，未来人口的人均粮食需求2020年在420～435kg、2030～2040年的人口高峰时期应在450～470kg水平。另据预测，到2030～2040年我国人口可达到16×108的高峰期。如按人均470kg标准计算，全国粮食消费需求要达到7.5×108t，是现在我国粮食生产能力的近1.5倍，即存在近2×108t的缺口，这就是未来10～30年我国粮食安全的隐患。消除这一隐患的根本途径是千方百计地提高粮食综合生产能力，而其中化肥起着举足轻重的作用。
2003年是我国实现粮食生产“八连增”的起始年，国产粮食4.3×108t，粮食进出口基本持平，人均粮食消费量为334kg，超过了国际平均水平。到了2011年，国产粮食达到历史最高峰的5.7×108t，人均粮食占有量为426kg，但是当年却净进口粮食6390.3×104t。同时，我国肉类总产量由2003年的6932.9×104t增长到2011年的8100×104t左右，据报道，每公斤猪肉约需消耗2.4kg粮食，每公斤禽肉或禽蛋约需消耗1.3kg粮食。畜牧业的快速发展把大约40%的粮食用于饲料，这个趋势随着人民生活水平的提高还将继续，因此粮食安全的压力一直伴随着我们。
1.2农田中化学氮肥的损失对环境的影响
这里需要强调的是，目前我国农田中化学氮肥的当季作物回收率相当低，在图2中虽然估计为35%，实际上在高产高肥地区可能低于25%，土壤中残留率约为13%，如果将残留率也计为农业可利用部分，则当季作物回收率与土壤中残留率两项合计为48%，而通过各种途径所损失的总氮量约占52%。因此，改进施用技术，通过降低施入农田的氮肥损失率以提高当季作物的吸收利用率具有相当大的潜力。这是协调农业发展与环境保护工作的着力点，因而成为国内外有关学者长期研究的热点。
1.3为保障粮食安全，我国必须进一步增加化肥的使用量以提高单产，协调高产与环保的难度将越来越大
2我国粮食生产中化肥的农学效应分析
从养分循环的角度来看，化肥对农业生产的贡献不仅反映在当季作物上，而且还因其在土壤中的部分残留和因增产而增加的有机肥料数量，而提高了在后续农业生产中养分循环再利用的总量和农田土壤的养分供应能力。例如，总体来看，近年来我国农田的基础产量比上世纪80年代有所提高。因此，在评价化肥对农业生产的贡献时不能忽视其后续效用，这是一个需要深入探讨的问题。下面主要讨论当季粮食作物上化肥的农学效应问题。
当季作物对化肥的利用效率有几种不同的表达方式，其中最为常用的有:1）“农学效率”，指施用的单位（kg）化肥养分增产的农产品的量（kg）；2）“养分回收率”，也称利用率，指施用的化肥养分被当季作物吸收的百分比。
国际上对一些国家和地区的化肥利用效率很少有系统的研究，只能根据现有的综述资料归纳整理。Dobermann等人2002、2005和2007年对欧洲、美洲、亚洲(不含中国)和非洲850个田间试验结果进行了较全面的分析，结果表明，在田间试验条件下，施用的每公斤化肥氮素（N）在三大作物（水稻、小麦和玉米）上平均增产的粮食（农学效率）在欧洲为21kg，美洲20kg，亚洲22kg，非洲14kg。三大粮食作物分别统计，当水稻、小麦和玉米的平均施氮量分别为113、117和102kg/hm2的情况下，每公斤化肥氮素（N）平均增产水稻22kg，小麦18kg，玉米24kg。水稻、小麦和玉米的化肥氮素（N）当季作物回收率分别为44%、54%和63%，平均为51%。同时，研究表明化肥氮素的后效不大，施肥后第2年到第6年5年氮素作物回收率仅有6.5%，算上后效，总的肥料氮素的作物回收率为50%～57%，残留在土壤中的占15%，以气态损失和流失的肥料氮素占施肥总量的30%～35%。
1981～1983年，在农业部的统一部署下，全国化肥试验网进行了全国性的肥料试验（表1），在29个省（市、自治区）18种（类）作物上完成了5334个田间试验。结果发现，每公斤氮素增产水稻9.1kg（平均施N126kg/hm2），小麦10kg（平均施N117kg/hm2），玉米13.4kg（平均施N124kg/hm2）；每公斤P2O5平均增产水稻4.7kg（平均施P2O558kg/hm2），小麦8.1kg（平均施P2O581kg/hm2），玉米9.7kg（平均施P2O584kg/hm2）；钾肥效果在南方已趋于明显，在北方局部地区开始显效，每公斤K2O平均增产水稻4.9kg（平均施K2O87kg/hm2），小麦2.1kg（平均施K2O86kg/hm2），玉米1.6kg（平均施K2O98kg/hm2）。
自上世纪80年代初开始，在农业部的统一协调和组织下，国际植物营养研究所（IPNI）与中国农业科学院和全国有关科研教育单位合作，在全国范围内开展了大量的平衡施肥研究和示范工作。结果显示，在水稻、小麦和玉米三大粮食作物上，每公斤N平均增产10.8～12.2kg，每公斤P2O5平均增产9.2～11.5kg，每公斤K2O平均增产6.8～10.4kg（表2）。
应用2002～2005年在全国范围内进行的水稻、小麦和玉米的氮肥试验，计算了氮素当季作物回收率（表3）。化肥氮素的当季作物回收率在水稻、小麦和玉米上分别为27.2%、43.8%和32.4%，与前面总结的国内氮肥当季作物回收率基本一致，与国际上平均51%的氮素当季回收率比较大致差了10～20个百分点。磷肥的当季回收率为11.5%～14.9%，钾肥的当季回收率为28.4%～31.6%。
3立足国情，创新理念，研究符合我国国情的推荐施肥技术体系
根据我国国情，在养分的管理和施肥的指导思想方面相应需要从田块尺度提升和扩展到区域尺度，提出了“区域用量控制与田块微调相结合”的推荐施肥的理念。
农田土壤普遍缺氮，发展农业生产必须施用氮肥，问题的关键是如何确定氮肥的适宜施用量，以达到高产与环境保护相协调的目的。20世纪80年代在太湖地区进行了双季早稻、双季晚稻、单季晚稻和小麦的氮肥施用量的田间试验共62个，根据所得结果提出了在当时的生产条件下氮肥的区域平均适宜施用量。并指出即使是每种作物的各田块都采用区域平均适宜施氮量，各作物的全部田块（每块以1hm2计）所得产量之和仅比各块田都按各自的适宜施氮量施用时的产量之和低0.2%～1.4%。以单季晚稻为例，27块田如果都按区域平均适宜施氮量施用时，各田块所得产量之和为178.2t。即使是各个田块都按各自适宜施氮量施用氮肥，各田块所得产量之和也仅为178.6t，只比前者高0.4t，仅差0.2%。
2003～2004年，在苏南太湖地区的常熟市进行了2年12个单季晚稻田间试验。在这次研究中，将产量、氮肥净收入和氮肥损失三者同时作为确定适宜施氮量的依据，以达到社会效益、经济效益和环境效益的统一。两年的试验结果显示，随着氮肥使用量的增加，水稻产量渐增，但增势减缓，至最高产量后继续增加氮肥施用量，则产量反而下降而肥料成本却增加、净收入减少，而且通过各种损失途径自农田进入环境的氮量则迅速增加，对环境的压力增大。依此计得的12块试验田各自的适宜施氮量变动于N182～273kg/hm2之间，平均为N218kg/hm2，此平均值即作为本区单季晚稻的区域平均适宜施氮量。
试验结果表明，如果各块田都采用各自的田块适宜施氮量，则12块试验田的总施氮量为2617kg，水稻的产量总和为96504kg。而各田块统一按区域平均适宜施氮量施用氮肥（N218kg/hm2），则12块试验田的施氮总量为2616kg，而水稻产量总和为96233kg，仅比各田块按各自的适宜施氮量施用时的总产低271kg，减产0.3%。这清楚地证明，在本区内即使各田块统一采用区域平均适宜施氮量，对水稻的总产也几乎没有影响。当然，对不同田块来说情况会有所不同。当统一采用区域平均适宜施氮量时，有的田块的水稻产量略高于采用田块适宜施氮量时的产量，而有的田块则相反，但是差异都很小，在-2.3%到+1.2%之间。
上述研究例证表明，由于产量-施氮量曲线在适宜施氮量附近已相当平缓，少量增加或减少氮肥的施用量对产量的影响很小。这就是区域平均适宜施氮量可以广泛应用的理论基础。
区域平均适宜施氮量法可以作为推荐氮肥适宜施用量的基础。为了使推荐的施用量更准确一些，在此法的基础上，再根据田块的具体情况（如肥瘦、前茬、品种和种植迟早等）和/或必要的测试（如旱作土壤中的硝态氮）进行适度的调整，以尽量避免个别田块上产量和经济效益的损失。这就是宏观控制与微观调整相结合的推荐路线。这一技术路线符合当前农村田块小而多、茬口紧、缺乏测试设备和测试人员等实际情况，省工省钱、不误农时，农技人员也易于掌握，因而便于推广。在其它类似地区，也值得对此进行进一步的研究，以期在更大的范围内降低氮肥的面源污染。
在上世纪九十年代引进精准农业和3S技术的同时，结合我国国情，研究提出了土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术的理念。研究发现，成土母质、地形、人类活动等对土壤养分空间变异均有较大影响，在特定区域内，由于成土条件相对比较一致，经过长期比较一致的种植和管理后，土壤属性的空间变异呈明显的地带性（区域性）分布规律，土壤肥力和生产力特征以及对肥料的需求也存在大致一致的区域。从基础上支持了在我国目前高度分散经营的状况下，在一定范围内对土壤养分进行分区管理和分区平衡施肥是可行的。在此基础上，可以根据具体田块的土壤肥力和生产力情况进行更为精准的土壤养分管理和精准施肥，发展形成了适合我国分散经营和规模经营的分区养分管理和精准施肥技术体系。这将有利于在一定区域内的特定作物上确定适用性较广的区域化的肥料配方，以利于配方肥料的规模化生产，从而保证其质量并降低其生产成本。
在河北省玉田县，应用GPS和GIS技术，对全县470hm2的粮田进行GPS指导下的网格取样，对耕层土壤养分进行了空间变异特征研究。结果表明，土壤氮、磷、钾、锰和锌普遍缺乏，不同土壤养分的变异情况各不相同，但是基本趋于以大块状变异为主，土壤速效养分含量呈现较明显的空间分布格局。根据土壤养分分布规律，研究形成了县级和乡镇级的土壤养分分区管理和分区平衡施肥技术体系。与常规施肥技术比较，分区平衡施肥技术在小麦和玉米上分别增产10.9%～13.1%和14.3%～21.7%，氮肥当季回收率分别平均提高12.7和14.2个百分点。
4新型肥料
新型肥料泛指应用常规肥料再加工使之具有某些新的特性和功能，或者利用新材料生产出新的肥料品种。目前国内外发展较快的有缓/控释肥料、功能性肥料、全水溶性肥料、有机无机复合肥料、微生物肥料（菌剂）等。
我国新型肥料的研究主要围绕提高肥料利用效率这个核心目标进行，近年来进展较大应用较广的是缓/控释肥料。缓/控释肥料最大的特点是可根据作物吸收养分的规律调整养分供应，做到养分供应与作物吸收同步，同时基本实现一次性施肥满足作物整个生长期的需要，节时省工，损失少，作物回收率高，环境友好。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将研发新型环保型肥料、缓/控释肥料等列为优先发展主题。研发出当季作物的回收率高、损失少、环境友好的缓/控释肥料，无论在节约资源、实现农业生产与生态协调发展、节本增效和节能减排等方面，均具有十分重要的意义。
国外缓/控释肥料主要产品类型包括树脂包衣控释肥料、硫包衣控释肥料、合成型微溶态脲醛类缓释肥料和添加生化抑制剂的稳定性肥料等。影响缓/控释肥料发展的最主要问题是价格问题，由于售价高，除日本外，美国、西欧的缓/控释肥料主要用于草坪、苗圃等特种作物。
研究表明，缓/控释肥料的氮素当季回收率和残留率高、损失少，具有节氮、环保和保产/增产的潜力。林葆和李家康在黑龙江省庆安县水稻上施用控释肥，每公顷施纯氮N150kg，控释尿素处理的稻谷产量为7960kg/hm2，同样施氮量的普通尿素处理的稻谷产量为7320kg/hm2，增产8.8%。每公顷施用105kg纯氮的控释肥处理的产量为7178kg/hm2，与普通尿素施氮量150kg/hm2的产量无显著差异。表明在当地水稻上施用控释尿素，可比施用普通尿素省肥20%～30%。在黑龙江和湖北水稻上的研究还表明，控释尿素的平均回收率比普通尿素分别平均高出16.1和17.5个百分点。卢艳丽等人在玉米上使用控释肥，在施氮量比常规施肥减少20%情况下，控释肥处理产量比常规施肥处理增产18.3%，显著提高了肥料氮素的利用效率。
在减少肥料氮素的损失方面，李燕婷等研究了4种缓释复混肥料对玉米产量和土壤中硝态氮累积的影响。结果表明，缓释复混肥料较普通化肥的常规施肥方式增产10%左右，土壤剖面硝态氮累积量降低20%～70%，从而降低了地下水硝态氮污染的生态风险。
我国在控释肥料薄膜材料研究方面也有新的进步。据最近的报道，已研究合成出不同结构的非树脂有机膜材料，应用该有机包膜材料生产控释肥的能耗低、成本低、所需设备简单，膜材料在土壤中能够降解，不会造成对土壤环境结构的破坏和污染。在等氮量下，该有机质包膜尿素可显著提高冬小麦产量和氮肥回收率。
5有机肥料的农业利用具有重大的社会效益和环境效益
按照2008年畜牧业生产和作物生产状况估算，全国有机肥料资源量约为49.5×108t（表4），其中人畜禽粪尿（含禽粪，下同）40.2×108t，占81.2%;秸秆8.1×108t，占16.4%;饼肥2628×104t，占0.5%;绿肥9339×104t，占1.9%。全国有机肥资源每年可提供氮、磷、钾（N+P2O5+K2O，下同）养分7405.7×104t，其中N3050.8×104t、P2O51403.5×104t、K2O2951.1×104t（表4）。人畜粪尿可提供氮、磷、钾养分共4898.7×104t，占66.1%;农作物秸秆可提供2164×104t，占29.2%;饼肥提供238×104t，占3.2%;绿肥提供105.6×104t，占1.4%。有机资源养分约为当年化肥消费量的1.4倍。因此，有机肥资源的充分利用，尤其是人畜粪尿与农作物秸秆的利用对节约化肥和能源，实现养分循环和环境保护具有十分重要的意义。
按照不同区域不同种类的有机肥有效返还农田的比例计算氮、磷、钾养分的输入量（表5）表明，2008年通过有机肥返还农田的氮、磷、钾养分分别达到1195×104t、607×104t和1235×104t，共3037×104t，仅占有机肥养分资源总量的41%，以人畜粪尿和秸秆为主，分别占有机肥养分总输入的71.7%和24.3%，占农田养分总输入的23.6%和8.0%。2008年全年通过化肥和有机肥输入到农田的氮、磷、钾养分总量达8274×104t，其中N4056×104t，P2O52120×104t，K2O2099×104t。通过有机肥投入的氮、磷、钾分别占化肥和有机肥投入总量的29.5%、28.6%和58.9%，氮、磷、钾养分总量占化肥和有机肥投入总量的36.7%。这一结果与2000年有机肥的所占比例相比有所增加，2000年施用的化肥与有机肥养分中有机肥氮、磷、钾的比例分别为20.9%、23.7%、57.4%。这个变化估计与2000年到2008年期间规模化畜禽养殖的发展、重视有机肥的施用和作物秸秆还田比例的增加有关。
6.1提高耕地综合生产能力是保障国家粮食安全的基础
万物土中生，有土斯有粮。土壤是一切作物生产的基础。但是与世界上许多国家比较，我国的土壤这个基础十分脆弱。我国几千年的农耕历史创造了举世瞩目的中华文明，但是几千年掠夺式的耕作也严重消耗了土地资源。我国耕地土壤有机质含量，棕壤多为1%～1.5%，欧洲棕壤多在3%以上；我国的褐土多在1%左右，欧洲的褐土多在2%以上；我国的黑钙土多在3%左右，欧洲的黑钙土多在8%左右。我国耕地土壤的有机质含量总体上不及欧洲同类土壤的一半。根据第二次土壤普查结果综合评判，我国三分之二的耕地属于中低产田。
在这样相对生产性能低下的耕地上创造高产，只能依靠科技进步，并加大物资投入。改革开放以来，由于政策的正确引导和科技的进步，肥料尤其是化肥的投入在增加作物产量的同时，也起到了提高地力的作用。根据《粮食丰产工程》“粮食主产区农田肥水资源可持续高效利用技术研究”课题组在“十一·五”期间的研究结果，和中国农业科学院国家测土施肥中心实验室对50000多个随机采取的土壤样品的分析结果表明，当前我国土壤有机质含量在除东北以外的主要农区均有不同程度的增加，但是，仍然有62%的土壤样品有机质含量属于极低水平;土壤样品的速效磷含量为极低、低和中等水平的分别占20%、28%和22%;土壤样品的速效钾含量为极低、低和中等水平的分别占9%、23%和23%。此外，土壤中量和微量元素的缺乏依然十分普遍。因此，尽管由于近年来我国不同地区出现了肥料投入过量或不均衡投入的现象，造成了部分农田氮、磷等养分富集和非均匀化，但是总体上我国耕地中低产田依然占较大比例。
6.2依靠科技进步高效利用肥料资源
6.3保障粮食安全的施肥区域布局问题
6.4保障粮食安全的施肥体系需要多学科联合攻关
6.5保障粮食安全的施肥体系需要政策的保障
肥料在保障国家粮食安全中发挥着不可替代的支撑作用，但是用好和管好肥料，都需要有相应的政策的支持和保障。肥料有关科学技术的发展需要稳定的政策支持和经济上的投入，畜禽粪便的管理使用和作物秸秆的有效还田需要有相应的激励政策和经济上的补贴，国家有关部门要制定一系列法律和法规，规范有机和无机肥料的生产、标准化管理和科学应用。