在可预见的未来,粮食-资源-环境的矛盾将在全球范围内影响社会的发展[1]。化学肥料的发明与应用极大地促进了粮食生产,同时也消耗了大量的能源和资源[2]。随着社会的发展和日益增长的人口对粮食的需求,化学肥料的使用仍将不可避免[3],有机农业不可能养活全人类[4]。所以,为了生产更多的粮食,同时又需要利用有限的肥料资源,保护人类赖以生存的生态环境,最有效的方法就是科学、高效地使用肥料[5]。这种以提高作物产量、提高肥料养分利用效率、保护生态环境的施肥技术称为高效施肥技术。100多年来,科学施肥技术的研究从来就没有停止过[6],也可以认为,高效施肥技术的研究从来就没有停止过。但由于历史的局限,不同的历史时期,高效施肥研究的侧重点不同,所采用的技术手段也不同。本文回顾了高效施肥技术的发展历程,分析了目前所采用的几种高效施肥技术现状,展望了高效施肥技术未来的发展方向,旨在为科学施肥提供借鉴。
1 高效施肥的概念与内涵
国际上对高效施肥没有统一的定义,纵观肥料的发展历史,可以判定,有了肥料以后,人们就开始探索如何使肥料发挥更大作用的施肥方法[7]。中国劳动人民很早就提出了“看天、看地、看庄稼”的施肥方法[8],这可能是高效施肥技术的最早探讨与应用。随着社会的发展,社会发展中的各种矛盾也会反映到施肥技术方法上来,同时也促进施肥技术的改进与发展,尽管不同时期的社会矛盾不同,但对施肥的技术的要求都是相同的,这就是减少施肥投入、提高肥料效率、增加粮食生产、促进肥料环境友好等几个方面。1.1 粮食高效
在人类发展的历史长河中,粮食的供应与日益增长的人口对粮食需求的矛盾一刻也没有缓解过[9],从肥料诞生开始,就伴随着测土施肥的开展[7]。测土施肥的主要目的是充分满足植物对营养元素的需求,平衡供应作物养分,达到高产、优质的目的。所以,在人类粮食需求紧迫的今天,高效施肥的重要内涵就是生产更多的粮食,满足人类对食物的需求[10]。对中国是这样,对世界也同样如此[11]。1.2 生产高效
农业行业同其他行业一样,需要保证一定的经济效益。众所周知,农业生产的成本分两大部分,一部分是物资投入,另一部分是劳动力投入。在物资投入中,肥料占整个物资投入的40%以上[12],所以,通过技术手段,特别是高效施肥技术手段,减少肥料投入对提高农业生产效益有十分重要的作用。同时,在农业生产管理中,即劳动力投入部分,施肥的劳动力投入也是整个农业生产环节中投入较多的一项,采用轻减的高效施肥技术,对减少劳动力投入也十分重要。所以,高效施肥不仅可以减少肥料的投入,也可以减少施肥过程中劳动力的投入。近年来发展的缓控释肥料、一次性施肥技术等都是针对节约施肥劳动力而研发的产品和技术[12]。1.3 资源高效
肥料,特别是化学肥料,是高度的资源依赖和能源依赖性产品,如磷肥和钾肥的生产中必须要磷矿和钾矿的支持,在氮肥生产中,需要有大量的能源消耗。浪费肥料,就是对自然资源的浪费,因此,高效施肥也蕴含着资源高效利用的含义[13]。1.4 环境高效
施肥对环境的影响已经被人们所明确。LAND等研究发现,美国切斯比克湾的氮、磷污染大约50%是来源于不合理的农业施肥[14]。肥料对地下水、大气环境都产生一定的影响。以大气污染为例,农业源排放的氨会在大气中形成硫酸铵和硝酸铵,它们是大气雾霾中的组成部分,也是影响大气透明度的关键物质[15],因此,减少农业源,特别是农田氨排放,对提高肥料的利用率、减少肥料对大气环境的影响都具有十分重要的意义[16]。实际上,目前在国际范围内采用的高效施肥技术是围绕着粮食高效、生产高效、资源高效和环境高效来进行的,如最早进行的测土施肥技术就是为了平衡土壤养分、提高作物产量和品质为目的的高效施肥技术措施[17];20世纪90年代开始的精准施肥技术也是针对全球燃油价格上涨、农业化学品污染等问题采取的高效施肥措施[18];灌溉施肥也是在节约用水的基础上,大幅度减少施肥劳动力投入的高效施肥技术措施[19];一次性施肥是为了减少追肥所带来的施肥劳动力投入;叶面施肥技术是最大限度是利用养分,减少肥料浪费的高效施肥技术措施等。20世纪末,人们提出了施肥的“4R”概念,即正确的肥料（Right source）、正确的用量（Right rate）、正确的时间（Right time）和正确的位置（Right place）。这个概念贯穿了施肥的各个环节,是高效施肥的基础[5]。
所以,针对高效施肥的内涵,可将高效施肥定义为,在作物营养供应的各个环节上,采用现代技术手段,最大限度地提高肥料利用效率,以充分保证作物产量和品质的提高,减少资源浪费,保护生态环境。
2 高效施肥技术的研究与发展
随着现代技术的发明和应用,以现代技术为手段的施肥技术蓬勃发展,每一种技术的发展与进步都是以提高肥料的利用效率为核心的,从这个意义上讲,人们对高效施肥的探索从来也没有停止过。纵观国内外高效施肥技术的发展情况,目前可应用于农业生产,或在农业生产中发挥作用的高效施肥技术包括测土施肥技术、精准施肥技术、灌溉施肥技术、轻简施肥技术、叶面施肥技术等。2.1 测土施肥技术
测土施肥技术是现代施肥技术的基础,也是最早研究的技术。有人研究指出,早在公元前50年,人们就开始测定土壤酸度,以判断土壤肥力的高低[20]。现代植物营养学的奠基人李比希（Justus von Liebig 1803—1873）坚信通过分析和研究植物的元素组成,就可以建立一套肥料推荐系统[7],足见土壤和植物测试在科学施肥中的重要性。长期以来,通过化学分析的方法,从最开始的土壤养分的快速提取到建立土壤化学组成与植物生长的关系,再构建植物最佳产量模型等,经过100多年的研究,目前可以认为,土壤测试与推荐施肥是现代施肥技术最基础、最成熟的技术[21]。世界各国也纷纷把测土施肥技术作为国家策略推广应用。美国在20 世纪60 年代就已经建立了比较完善的测土施肥体系,每个州都有相应的土壤测试化验室和测土工作委员会,负责土壤养分的测定与作物养分反应的相关研究,以及方法的制定,指导农民施肥。目前,美国配方施肥技术覆盖80%以上的土地面积[22]。
欧洲许多国家都有相关的测土施肥技术规范,如英国每隔几年,都要修订《肥料手册》,该手册既讲述作物营养管理与肥料利用的基本原理,也介绍不同肥料的性质与使用方法,同时介绍不同土壤上营养管理的具体数值范围和不同作物的具体施肥方法等。该手册在指导当地肥料的施用方面发挥了重要的作用[23]。
中国的测土施肥工作开展也较早,20世纪70 年代末,农业部土壤普查办公室组织了有16个省、市、自治区参加的“土壤养分丰缺指标研究”,随后开展了大规模的配方施肥技术的推广。1992 年组织了联合国开发计划署（UNDP）平衡施肥项目的实施。1995 年前后,在全国部分地区进行了土壤养分调查,并在全国组建了不同层次的多种类型土壤肥力监测点4 000 多个,分布在16 个省区的70 多个县,涵盖了20 多种土壤类型[24]。2005年以后,中国在全国范围内开展了大规模的测土配方施肥行动。政府出资免费为农民测试土壤样品,以政府为主导,开展测土施肥的技术指导等工作。至2010年,中国测土配方施肥基本覆盖了全国所有的农区县,同时每年农业部发布1—2次施肥指导,为全国科学施肥提供了有力的技术支撑[17]。但是,由于中国农业高度分散,农民虽有高涨的积极性,但以政府为主导的测土配方施肥工作很难满足全国农民对测土配方施肥的技术需求[25]。
2.2 精准施肥技术
2.2.1 精准施肥的理论与技术体系 精准施肥的理论是基于地块内的土壤养分变异,其核心技术是变量管理技术。长期以来,农业的基本操作都是以地块进行的,包括施肥在内,在同一地块上,肥料是按统一的用量均匀地施在土壤中。众所周知,在同一地块内,土壤养分的分布是不均匀,如果在不同养分含量的土壤上施用同样数量的肥料,则会出现有的区域施肥量过多,而有的区域则施肥量不足,这样就会增加农业生产成本,降低农业经济效益[26]。这是因为土壤性质,包括土壤养分的空间异质性[27,28]。出现土壤性质变异的原因是多方面的,有土壤形成的地质学和土壤学过程的原因,也是农田管理,特别是肥料施用等方面的原因[26]。20世纪60年代初法国著名**** MATHERON创立的地统计学方法[29],为定量描述土壤的空间研究奠定了基础,人们可以通过数学插值的方法准确地描绘出土壤性状的空间分布图[30]。尽管人们了解了土壤空间变异性,也可定量表述土壤空间变异,同时也能绘制土壤养分的空间变异图,但是,当时没有机械可以满足针对空间变异的施肥方法。在美国,一些农场根据土壤养分的变异情况,把一整块土地分成几个小的管理单元,在同一管理单元内,施肥是均一的。但不同的管理单元的施肥量是不同的,这就是精准施肥的雏形。然而,在一些地方由于土壤空间变异过于复杂,有时很难以把性质相同的田块划分成一个管理单元[26]。20世纪90年代以后,随着信息技术的高速发展,特别是地理信息系统（geographic information system,GIS）、全球卫星定位系统（globe position system,GPS）[31]、遥感技术（remote sensing,RS）和计算机在农业中的应用,使得农业生产中的田间管理可以实现自动化,首先把该技术应用于农业生产环节的就是变量施肥技术。同时人们根据土壤空间变异的农业管理方法也扩展到了其他农业管理环节,如农田病虫草害的防治[32]。这些根据田块内空间变异所进行的农事操作过程通称为精准农业（precision agriculture或precision farming）。精准农业的含义是按照田间每一操作单元（区域、部位）的具体条件,精细准确地调整各项土壤和作物管理措施,最大限度地优化使用各项农业投入,以获取单位面积上的最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源[33]。精准施肥技术是精准农业最早应用的领域,经过20多年的发展,精准施肥技术一直引领着精准农业技术的进步[34]。
也可以认为,精准施肥技术是在其他相关技术的支持下发展起来的。20世纪70年代以后,微电子、机电一体化、监控技术智能化、农田信息采集智能化等技术的迅速发展和广泛应用,推动了农业机械装备的现代化。这都为精准施肥提供了技术支持。20世纪80年代以后,发达国家的农业经营管理中出现了资源紧缺和环境质量下降等一系列的问题,迫使这些国家采取更有效的方法,以充分利用各种投入、节约成本、提高利润,以提高农产品的市场竞争力,减少环境污染,这也是精准施肥技术的社会需求[35]。1991年第一次海湾战争爆发以后,GPS技术逐渐民用化,这也给施肥精确定位管理提供了可能性[36]。
为了实现施肥的精准变量管理,可将精准施肥分为基于3S技术和基于传感器技术的精准施肥体系。基于3S技术的精准施肥技术体系也称为基于地图的精准施肥,该技术体系包括地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS）和计算机自动控制系统。基于3S技术的精准施肥技术体系的特点是,应用地理信息系统,将获取的土壤养分、作物生长等信息进行整理和分析,矢量化地图数据,制成具有实效性和可操作性的田间土壤养分管理信息系统。然后,农业机械则按照田间每一操作单元（位点）上的具体特性,通过变量控制等技术的应用,调整肥料的施入量,达到最大限度地满足作物需求、减少浪费、提高经济效益、保护农业资源和生态环境的目的[37]。
基于传感器的精准施肥技术是利用传感器实时测定所需的特性数据,如土壤养分、作物生长等,这些数据信息经过计算机快速处理后,直接控制变量管理机具。所以,这种技术既不需要GPS定位系统,也不需要GIS技术的支持[38]。但由于田间实时传感器价格高、精确度不够等原因,基于传感器的精准施肥应用还不十分普遍。另外,利用GIS结合GPS进行土壤采样、作物产量实时监测、土壤图绘制等都较为方便,加上地统计学和作物模拟等方法的发展与应用,使得基于3S技术的精准施肥技术应用更为普遍[38]。
2.2.2 精准施肥的经济效益与应用情况 精准施肥的效益取决于该技术的应用能否有效节约成本、增加产出。精准施肥的效益应从两个方面考虑,一是生态环境效益,另一个是经济效益。
在美国,通过把每个农场数百个小区的土壤测试、播种量、产量、农药和肥料用量等结合起来分析,精确地预测了最佳经济投入量,使种子、化肥、农药都获得较大效益,减少了成本、节约了资源,经济效益是十分明显的。一项研究结果表明,仅就氮肥施用量就可降低24%—40%[39]。以往的研究还表明,传统的均量施肥造成某些区域施肥过量,某些区域施肥量不足。过量施肥区域的多余养分就会进入水体等环境中。精准施肥就能有效避免或减少此类问题的发生。
精准施肥的经济效益还取决于生产经营规模。精准施肥需要较大的投入,投入项目包括土壤测试、制作养分管理图、施肥变量机具、田间操作,以及技术维护等等,特别是设备的利用效率,以及机具的维护等。因此,如果经营规模小,单位土地面积上支付该精准施肥技术体系的费用就会很高。反之,则费用就会降低。所以,为了降低系统使用费,在美国等一些国家,采用社会化服务的方式,推行精准施肥。据美国Purdue大学研究表明,在美国采用精准施肥技术的农民有60%实现赢利,有10%亏损,有30%保本[39]。
北美的美国和加拿大是应用精准施肥技术较早的国家,据估计至1998年美国就有4%的农场使用一项以上的精准农业技术,其中广为接受的是网格土壤取样技术和变量施肥技术（约占美国农场的2%）、作物产量监视和产量图的实时绘制（约占1%）、其他技术如变量播种、精准喷药以及遥感技术的应用不足1%。2000年,在小麦种植中,约有10%的面积应用了作物产量监视器,而玉米和大豆使用作物产量监视器的面积达30%和25%,到2001年,美国有33%的玉米应用了产量监视器[40]。澳大利亚对精准农业技术的接受程度不高,其主要是原因是成本、效益、技术推广等。通过对英国350户农民的调查,有25%使用了具有GPS的作物产量实时监测器。在美国阿肯色州的调查显示,接受精准农业技术的人员大部是年青人、受过良好教育的人员、爱好计算机并规模种植水稻和大豆等作物的人员[27]。目前进行精准农业研究与应用的国家除美国和加拿大外,还有韩国、印度尼西亚、孟加拉、斯里兰卡、土耳其、沙特阿拉伯、澳大利亚、巴西、阿根廷、智利、乌拉圭、俄罗斯、意大利、荷兰、德国、英国、日本等。
2.3 灌溉施肥技术
把肥料直接注入灌溉水中进行施肥的方法称为灌溉施肥（fertigation）[41]。灌溉施肥在我国称为水肥一体化。有关灌溉施肥研究始于1958年[19]。20世纪60年代初开始迅速发展[42]。40多年来,灌溉施肥技术在全世界范围内迅速发展,它作为一项技术,可满足植物不同生育时期的水分和养分需求以获得肥料的最大效率。综合起来,与传统施肥相比,灌溉施肥有四方面的优点：一是水分和养分可直接供给到作物的根系活动区,使作物更容易吸收;二是水分和养分可均匀供给所有的植株,可获得更高的产量;三是通过这种方式可减少水分和肥料的用量,提高了肥料的利用率;四是灌溉与施肥同时进行,节约了时间和劳动力,还可节约能源投入[43]。由于灌溉施肥的载体是灌溉水,所以,根据灌溉方式不同,灌溉施肥的方式也有差异。目前,可将灌溉施肥大致分为几种。2.3.1 表面灌溉施肥（surface fertigation） 表面灌溉施肥是在常规的无压灌溉条件下,将肥料溶入灌溉水中,通过灌溉水将肥料带入田间的方法。表面无压灌溉（沟灌和畦灌）是最传统的灌溉方式,但对其研究却始于20世纪末,主要原因是有的****认为表面灌溉施肥较有压灌溉施肥的效率低,且控制过程复杂。也有人认为,农业化学品的污染与表面灌溉的关系十分密切,在可预见的未来,表面灌溉施肥的研究十分必要,其原因有四个方面,一是在世界很多地方,由于经济和社会的原因,有压灌溉还很难达到;二是先进计算机软硬件的出现有助于表面灌溉施肥技术的设计与实施;三是有研究表明表面灌溉的均匀性与有压灌溉基本相同;四是在表面灌溉实施中,水和肥的效率是独立的。所以表面灌溉施肥技术在未来一段时间内还会发展,但是,在研究中,表面灌溉施肥的模拟模型如表面水流、地下水流、表面溶质运移、地下溶质运移模型都需要进一步研究,特别是弥散效应对地表溶质运移的影响,有人建议弥散效应可以忽略,也有人认为不能忽略。弥散效应似乎与肥料种类、进水流量、灌溉方式、沟畦长度、土壤入渗和土壤粗糙度有关[42]。目前对表面灌溉施肥的模拟模型大部分是针对一次灌溉施肥事件,长期来看,从农业、环境和经济的角度,一个作物生长季节的表面灌溉施肥研究很有必要,同时,作物模型也应结合施肥模型以评估施肥措施对水分和养分的吸收,作物产量的影响,经济效益和肥料的淋失等。表面灌溉施肥的最终表现是作物对肥料的利用率,田间试验和模拟的方法都需要解决这个瓶颈问题[42]。
中国现有耕地1.35亿公顷,灌溉面积0.6亿公顷[44]。其中一半以上采用的是常规无压灌溉,即表面灌溉。农民为了节省施肥的劳动力投入,常常采用将肥料溶入灌溉水中进行施肥,这些方法虽然在技术上归为表面灌溉施肥,但是,对其进行的研究和指导还基本上是空白,所以,加强表面灌溉施肥的研究与应用在中国十分必要,也十分迫切。
2.3.2 滴灌施肥（drip fertigation） 滴灌施肥是将肥料注入到滴灌系统中,通过滴灌系统将肥料带入田间的施肥方法。根据滴灌方式不同,可分为表面滴灌施肥（surface drip fertigation）和地下滴灌施肥（subsurface drip fertigation）。一般认为,滴灌是给水器（滴头）流量小于7.5 L·h-1,当滴头处于20 cm土层以下,且不影响表面耕作的情况下,称为地下滴灌;而滴头处于20 cm土层以上时,且田间管路每年都需更换的滴灌方式称为地表滴灌。所以,无论是地表滴灌施肥还是地下滴灌施肥,其不同点在于滴头所处的深度,而滴灌施肥的其他设备基本相同[45]。
滴灌施肥的研究与应用始于20世纪60年代初的美国盐土实验室[46],同时期的1964年以色列工程师也报道了滴灌技术的实验[47]。在滴灌施肥中,滴灌带、滴头、注肥器、田间管路分布以及自动控制是该系统的中心内容。在滴灌施肥技术中,诸如针对滴头由于化学物质沉淀、微生物生长、根系侵入等因素造成的堵塞、田间水肥分布不匀等问题,还需要进行大量的研究;在设备生产方面,塑料材料选择、生产工艺、滴头设计等一直是滴灌施肥研究的重点[48]。
目前滴灌及滴灌施肥系统已在全球广泛应用[49],地表滴灌施肥是目前应用最多的灌溉施肥方式[50]。但是,对地下滴灌的研究较多为理论研究。目前,滴灌已从园艺作物应用到了大田作物,已从高价值作物应用到了普通作物[51],该技术可节水40%以上,节肥20%以上,比常规省工90%,可节约土地5%—7%,增产幅度达30%—50%,可有效保护生态环境[44]。这种技术被认为是最高效的施肥技术[52]。目前该技术正在运用信息技术,实现水分–养分管理的全自动化[53]。
2.3.3 微喷施肥（sprinkler fertigation） 通过微喷灌系统将肥料带入田间的施肥方式称为微喷施肥,这种施肥方式也是最早进行研究的灌溉施肥方式[19],目前这种方式已被滴灌施肥所取代,但是,在温室等保护地种植、园艺作物等方面还有应用[54]。微喷施肥与滴灌施肥的最大区别在于肥料通过微喷灌系统可将肥料直接喷施在植物叶面上,特别是对微量元素的应用更加适宜。再则,通过微喷灌系统还可将肥料以外的其他农用化学品如杀虫剂、杀菌剂等喷洒到作物上,也就是目前应用更方泛的化学灌溉（chemigation）[55]。
2.4 轻简施肥技术
随着农业劳动力成本的提高,减少农业生产中劳动力的投入以提高农业生产效益的方法是农业生产的重要方面。由于施肥的劳动力投入占作物生产管理过程劳动力投入的一半左右,所以,减少施肥次数,节省劳动力的方法倍受关注。顾名思义, “轻”是机械代替人工,减轻劳动强度;“简”是减少不必要的作业环节和次数[56]。所以,轻简施肥也可以理解为用现代化的施肥技术代替人工施肥操作,减轻施肥过程中的劳动强度,简化施肥方式、减少施肥次数的施肥方法[57]。在实际操作中,用一次性施肥替代多次施肥,种、肥同播[58]替代种、肥分播的施肥方式都属于轻简施肥的范畴。与轻简施肥相伴而生的就是肥料的缓/控释技术。近年来,由于中国劳动力成本的提高,以及缓/控释肥料的大力发展,轻简施肥也越来越受到人们的重视。3 高效施肥技术的前景与展望
随着人口的日益增长,对粮食需求不断提高。同时,人们对环境的要求也越来越高。所以,高效施肥技术的重点还必须以提高肥料利用率、减少肥料对环境的影响为主要施肥目标。高效施肥技术也会随着全社会科学技术水平的提高而提高,在可预的未来,高效施肥会向着信息化、自动化、智能化、轻简化方向发展。3.1 高效营养诊断技术
植物生长有其自身的规律。在作物营养管理方面,必须首先确定作物需要什么元素、需要多少量?土壤本身能提供多少?这就是营养诊断。100多年来,人们都孜孜不倦地研究这方面的问题[6]。近年来,高光谱无损探测技术[59]、土壤养分原位监测技术、高效土壤养分测试技术[60]等都有一定的进展。3.2 数字化养分管理系统
随着数控技术的发展,作物的养分管理也正向着数字化的方向发展,目前精准施肥技术的发展就是在空间尺度上的数字管理,但是在时间尺度上的应用还不尽如人意。这主要是由于目前的作物养分管理大部分都是基于作物生育期尺度上的,以生育期为时间尺度的养分管理虽然能最大限度地吻合作物养分需求。但是,由于作物生育期长短不一,施入土壤中的养分在土壤中滞留时间过长,难免造成肥料养分的损失。因此,缩短养分管理周期,实现数字化“匙喂”式管理,对满足作物营养需求、提高养分利用率、减少养分损失都具有重大的意义。为了实现这一目标,一个最基本的依据就是精准化、数字化的作物营养需求模型。所以,加强短尺度的作物营养需求模型研究是实现作物数字化养分管理的关键。特别将数字化养分管理应用于灌溉施肥技术中,是提高灌溉施肥效率的关键技术之一。3.3 养分高效利用基因筛选
养分的高效利用一方面决定于养分的充足供应,另一方面决定于作物的高效吸收,前者是外因,后者是内因。所以,通过养分高效利用基因的筛选,选择一些可高效吸收养分的基因,是提高作物养分利用率的有效方法。目前人们对此进行了很多研究,但大部分的作物养分高效利用基因都是在土壤低养分浓度下表现出高效利用[61],在高养分浓度下,这些基因则不表现出优势。由于近半个世纪的土壤培肥,我国大部分土壤养分处于中等偏上,所以,筛选在中高等养分条件下可发挥作用的作物养分高效利用基因,对提高养分利用率有重要的现实意义。3.4 营养链一体化管理
植物生产的主要目的是营养人与动物。在食物链中,生物所需要的营养元素有些是相同的,有些则不同的。过去的研究与应用都是分开进行的,为了满足植物对营养元素需要,主要是通过肥料来补充的。而人和动物所需的矿质营养元素主要通过营养盐等来补充。当植物、动物和人所需要的营养元素相同时,一般很少再通过营养盐来补充,如K是植物和动物及人共同所需的营养元素,所以,很少出现人和动物的缺K情况,而Na元素不是植物必需的营养元素,但是人和动物的必需营养元素,因此,Na元素不能通过食物链进行补充,在生活中,必须通过食用盐的方法来补充Na。其他元素也基本如此。所以,作者认为,在不影响植物生长发育的情况下,将食物链下端的营养元素通过施肥的形式首先补充到植物中去,然后通过植物对食物链后端的生物提供生命所需的营养元素。虽然这些营养元素对植物生长发育没有益处,但对食物链下端的生物产生有益影响。这种通过植物补充食物链下端营养元素的方法称为食物链营养理论。这样,为了营养食物链下端生物而对植物进行施用的元素也应称为肥料。国际ISO7851《肥料和土壤调理剂–分类》中把肥料的定义为“以提供植物养分为其主要功效的物料”,这里所指的植物养分主要是指植物的必需营养元素。总之,不论是对植物营养元素的定义,还是对肥料的定义,都只考虑植物生长发育本身,没有考虑到以植物为主要食物的人和动物的健康。世界卫生组织（WHO）确认人体需要10种常量元素和14种微量元素,即碳、氢、氧、磷、硫、钙、钾、镁、钠、氯等10种常量元素,14种微量元素,即铁、铜、锌、铬、钴、锰、镍、锡、硅、硒、钼、碘、氟、钒。在植物所需的营养元素中,除硼外,人和动物都需要。在人和动物必需的营养元素中,钠、铬、钴、锡、硅、硒、碘、氟、钒则不是植物必需的营养元素。根据人和动物的营养特点,人体所需的矿物元素为植物必需的营养元素时,人和动物基本上不必通过矿物质进行补充,当人体必需的矿质元素不是植物必需营养元素时,人和动物必须进行大量的补充,否则影响健康。如钠、碘、硒等。还有一些元素虽然也是植物、人和动物共需的矿物元素,但人和动物在特殊条件下也需要补充,如钙、镁、锌等。医学和生物学方面也研究了很多方法,如利用基因工程的方法增加植物对锌的吸收以满足人体对锌的需求;通过食物钙片的方法,满足人体对钙的需求;通过在饲料中加镁的方法满足动物对镁的需求等,对有些元素,如果通过植物营养以满足食物链下端的营养需求也十分有效,如通过植物补充人体所需要的硒元素。人不仅可以避免直接食用矿物元素所带来的成本问题,也能避免直接食用矿物质过量而带来的健康问题。遗憾的是,长期以来,肥料的概念只限于植物本身,如果把肥料的概念扩展到食物链下端的人和动物健康,将人和动物所需要的营养元素通过植物进行补充将对人和动物健康带来事半功倍的效果。
3.5 作物营养调控技术
植物对养分的吸收受多种因素的调控,特别是植物体内物质的调控,如吲哚乙酸可调控植物根系生长,从而影响植物对水肥的吸收。因此,通过影响作物生长和代谢而影响作物养分吸收的方法也是提高植物养分高效利用的有效方法。目前欧洲肥料企业强力推进的植物生物刺激素就是通过改善植物代谢以提高植物养分利用、增强作物抗性、改善作物品质、提高作物产量。它们或单独使用、或与肥料共同使用,都有较好的效果。许多植物生长调节剂也有类似的功能。通过调节作物的代谢提高养分吸收能力,从而提高肥料养分高效利用的方法也是未来植物营养与肥料学科研究的重要方面。3.6 生态环境保护的施肥技术
20世纪70年代以后,人们开始注意到肥料对环境的影响,特别是一些污染事件都与肥料密切相关,甚至有人开始抵制化学肥料的施用。目前一些研究表明,肥料的不合理施用,不仅对地表水、地下水等易造成污染,而且对大气质量也有一定的影响。近年来,人们开始注意到农业源氨排放与大气质量的关系。所以,肥料在提高作物产量、保证粮食安全的同时,也必须保证生态环境的安全,减少肥料养分向环境转移是高效施肥技术的重要研究方向之一。4 结语
长期以来,施肥的目的是为了提高作物产量,保证人类发展对粮食的需求,化学肥料的发明大大缓解了人口增长与粮食需求的矛盾。但是,随之而来的肥料施用与农产品安全、生态环境安全的问题引起人们的广泛关注。如何在提高肥料效益保证粮食产量与减少肥料施用保证环境安全问题上找出一个平衡点,成了施肥技术必须面临的问题,这也是未来高效施肥研究的重要驱动力。高效营养诊断技术、数字化养分管理系统、养分高效利用基因筛选、营养链一体化管理、作物营养调控技术和生态环境保护的施肥技术等将是未来高效施肥技术研究与应用的主要方向。The authors have declared that no competing interests exist.
