以消耗有限的资源为代价生产足够的粮食,满足日益增长的人口需求,并保证环境安全是人类21世纪面临的重大挑战[1]。我国是世界粮食作物主要产区,小麦、玉米和水稻总产量分别占全球的18%、22%和28%[2]。为支撑粮食生产,消耗了大量养分资源。2014年我国三大粮食作物生产氮磷钾养分消耗分别为1 508、573和374万吨[3]。总体上看,我国养分资源投入过量,华北平原和太湖流域氮素养分的盈余量介于200—256 kg N·hm-2[4]。高氮盈余导致粮食作物氮肥利用效率不高。我国小麦、玉米和水稻的平均氮肥偏生产力为28、34 和47 kg·kg-1,与国际上的氮肥偏生产力（40—70 kg·kg-1）相比,还有较大差距[5]。在我国的农业生产实践中,由于以小农户经营为主,农户间肥料用量变异大也制约着养分资源管理、限制了养分高效利用。以水稻为例,大样本调研发现水稻生产中56%的农户氮肥施用过量,33%的农户氮肥施用不足[6]。不合理的养分管理造成了资源浪费、经济损失以及环境污染。优化养分资源管理、提高养分利用效率是我国粮食生产节本增效、绿色增产与环境保护所面临的巨大挑战。
一直以来,政府部门、科研机构和相关企业为管理好养分资源都开展了大量的工作。2005年,以土壤测试和肥料田间试验为基础的测土配方施肥国家行动启动,为加强养分资源管理提供了契机。2015年,农业部发布《化肥使用量零增长行动方案》,大力推进化肥减量增效。与此同时,科技部、农业部全面启动“十三五”化肥农药双减项目,支持开展养分资源管理的理论研究、技术集成和示范培训与推广应用,为优化养分资源管理提供了新的机遇。2018年中央一号文件“关于实施乡村振兴战略的意见”提出了坚持人与自然和谐共生的原则,牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,落实节约优先,以绿色发展引领乡村振兴,开展农业绿色发展行动,强调实现投入品减量化、生产清洁化、废弃物资源化、产业模式生态化,推进有机肥替代化肥、畜禽粪污处理、农作物秸秆综合利用等具体措施,对养分资源管理提出了更高的要求。近些年来,科研工作者在粮食作物养分管理的理论与技术创新方面开展了大量工作,取得了不少重要进展。本专题在展示粮食作物养分管理研究方面工作进展的同时,希望引起对粮食作物养分管理的进一步重视,推动粮食作物养分管理研究不断进步,更加有力地支撑我国农业减肥增效、绿色发展。
我国粮食作物种植区域分布广且以小农户经营为主,不合理的养分管理现象普遍存在,过量与不足并存[7,8],解决农户施肥问题是实现我国科学施肥的关键。明确农户小麦养分吸收利用和需求规律,对保证我国小麦高产稳产、化肥合理减施有重大意义。氮磷钾是作物必需营养元素,也是肥料三要素。作物氮磷钾需求量一直是科学施肥的热点问题,对小麦的氮磷钾需求量与产量、施肥、品种、区域环境的关系有不少研究,但多是基于一个地点的试验结果,或不同年份、不同地点试验的文献数据汇总分析。试验条件不完全等同于农户实际生产,有关农户小麦养分吸收利用与需求的研究一直缺乏。本专题论文《中国主要麦区农户小麦氮磷钾养分需求与产量的关系》[9]研究了我国春麦、旱作、麦玉和稻麦4个典型区域的农户小麦产量、生物量、产量构成,各器官氮磷钾含量,养分吸收量和需求量,明确了不同区域农户小麦产量形成与养分吸收利用和需求的关系,为解决我国农户过量施肥,实现小麦科学减肥提供了重要依据。
小麦是黄土高原农业区主要粮食作物,水分不足严重制约旱地小麦产量形成及肥料利用。地膜覆盖栽培能增蓄、保水、增温,促进作物根系发育和养分吸收利用,提高粮食产量[10,11]。“垄膜沟播”和“全膜覆土穴播”是黄土高原旱地两种典型的小麦覆膜栽培方式,明确两种覆膜栽培方式下冬小麦产量形成规律、氮肥吸收运移及两者关系,对黄土高原旱地小麦氮肥高效利用有重要意义。《黄土高原旱地小麦覆膜增产与氮肥增效分析》[12]一文,研究了黄土高原旱地小麦“垄膜沟播”和“全膜覆土穴播”中的周年覆盖和监控优化施肥两个因素对小麦产量形成、氮素吸收转运和土壤硝态氮残留的影响,对我国旱地小麦高产高效生产有重要的指导意义。
我国是世界上最大的氮肥生产和消费国[13],氮肥对提高粮食产量,保障粮食安全具有不可替代的作用,但氮肥普遍施用过量,这不仅使增施氮肥的粮食增产效果不再明显,还导致肥料利用率不高与资源浪费,造成生态环境危害[14,15]。河南是农业大省,小麦和玉米的面积、单产和总产、商品粮提供量均在全国占有重要地位,然而河南农户过量施肥现象普遍[16]。明确河南小麦和玉米的氮肥需求和节氮潜力,不仅对河南及黄淮地区化肥减施有重要意义,对其他地区也有重要指导作用。《河南省小麦、玉米氮肥需求及节氮潜力》[17]一文分析了河南小麦和玉米生产和氮肥消费量的历史变化,并基于大量田间试验数据,研究了小麦和玉米的施氮效果、氮肥需求量和区域氮肥推荐用量,提出了河南小麦和玉米的节氮潜力,为河南粮食生产中合理施肥提供了依据,对我国其他地区作物氮肥需求及减氮潜力研究,实现合理施肥和化肥零增长目标也具有重要指导意义。
近年来,国际玉米价格走低[18],我国玉米市场价格随之急剧下降,严重影响农民收入。减肥增效不仅是节本增收、提高玉米市场竞争力,也是保护农业生态环境的根本措施。影响玉米肥料用量和肥效的因素很多,如采用的品种、施肥技术（包括肥料用量、施肥时间、肥料种类与形态、肥料施入土壤的位置）、其他养分资源利用、根层土壤调控技术等。《东北玉米化肥减施增效技术途径探讨》[19]一文以东北玉米为研究对象,从玉米养分需求规律、养分高效品种节肥潜力、化肥高效施用的4R技术、化肥的有机替代技术等多方面论述了减肥增效的途径,对我国东北及全国玉米减肥增效和绿色生产有重要的理论指导意义和实践参考价值。
The authors have declared that no competing interests exist.
