農業生(shēng)态環境

高效施肥技術研究的現狀與展望

　　國際上對高效施肥沒有統一(yī)的定義，縱觀肥料的發展曆史，可以判定，有了肥料以後，人們就開(kāi)始探索如何使肥料發揮更大(dà)作用的施肥方法。中(zhōng)國勞動人民很早就提出了“看天、看地、看莊稼”的施肥方法，這可能是高效施肥技術的最早探讨與應用。随着社會的發展，社會發展中(zhōng)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(shēng)産、促進肥料環境友好等幾個方面。

　　在人類發展的曆史長河中(zhōng)，糧食的供應與日益增長的人口對糧食需求的矛盾一(yī)刻也沒有緩解過，從肥料誕生(shēng)開(kāi)始，就伴随着測土施肥的開(kāi)展。測土施肥的主要目的是充分(fēn)滿足植物(wù)對營養元素的需求，平衡供應作物(wù)養分(fēn)，達到高産、優質的目的。所以，在人類糧食需求緊迫的今天，高效施肥的重要内涵就是生(shēng)産更多的糧食，滿足人類對食物(wù)的需求。對中(zhōng)國是這樣，對世界也同樣如此。

　　農業行業同其他行業一(yī)樣，需要保證一(yī)定的經濟效益。衆所周知(zhī)，農業生(shēng)産的成本分(fēn)兩大(dà)部分(fēn)，一(yī)部分(fēn)是物(wù)資(zī)投入，另一(yī)部分(fēn)是勞動力投入。在物(wù)資(zī)投入中(zhōng)，肥料占整個物(wù)資(zī)投入的40%以上，所以，通過技術手段，特别是高效施肥技術手段，減少肥料投入對提高農業生(shēng)産效益有十分(fēn)重要的作用。同時，在農業生(shēng)産管理中(zhōng)，即勞動力投入部分(fēn)，施肥的勞動力投入也是整個農業生(shēng)産環節中(zhōng)投入較多的一(yī)項，采用輕減的高效施肥技術，對減少勞動力投入也十分(fēn)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(zhōng)勞動力的投入。近年來發展的緩控釋肥料、一(yī)次性施肥技術等都是針對節約施肥勞動力而研發的産品和技術。

　　肥料，特别是化學肥料，是高度的資(zī)源依賴和能源依賴性産品，如磷肥和鉀肥的生(shēng)産中(zhōng)必須要磷礦和鉀礦的支持，在氮肥生(shēng)産中(zhōng)，需要有大(dà)量的能源消耗。浪費(fèi)肥料，就是對自然資(zī)源的浪費(fèi)，因此，高效施肥也蘊含着資(zī)源高效利用的含義。

　　施肥對環境的影響已經被人們所明确。LAND 等研究發現，美國切斯比克灣的氮、磷污染大(dà)約50%是來源于不合理的農業施肥。肥料對地下(xià)水、大(dà)氣環境都産生(shēng)一(yī)定的影響。以大(dà)氣污染爲例，農業源排放(fàng)的氨會在大(dà)氣中(zhōng)形成硫酸铵和硝酸铵，它們是大(dà)氣霧霾中(zhōng)的組成部分(fēn)，也是影響大(dà)氣透明度的關鍵物(wù)質，因此，減少農業源，特别是農田氨排放(fàng)，對提高肥料的利用率、減少肥料對大(dà)氣環境的影響都具有十分(fēn)重要的意義。

　　實際上，目前在國際範圍内采用的高效施肥技術是圍繞着糧食高效、生(shēng)産高效、資(zī)源高效和環境高效來進行的，如最早進行的測土施肥技術就是爲了平衡土壤養分(fēn)、提高作物(wù)産量和品質爲目的的高效施肥技術措施；20 世紀90 年代開(kāi)始的精準施肥技術也是針對全球燃油價格上漲、農業化學品污染等問題采取的高效施肥措施；灌溉施肥也是在節約用水的基礎上，大(dà)幅度減少施肥勞動力投入的高效施肥技術措施；一(yī)次性施肥是爲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(dà)限度地利用養分(fēn)，減少肥料浪費(fèi)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，即正确的肥料（Right source）、正确的用量（Right rate）、正确的時間（Right time）和正确的位置（Right place）。這個概念貫穿了施肥的各個環節，是高效施肥的基礎。

　　所以，針對高效施肥的内涵，可将高效施肥定義爲，在作物(wù)營養供應的各個環節上，采用現代技術手段，最大(dà)限度地提高肥料利用效率，以充分(fēn)保證作物(wù)産量和品質的提高，減少資(zī)源浪費(fèi)，保護生(shēng)态環境。

　　随着現代技術的發明和應用，以現代技術爲手段的施肥技術蓬勃發展，每一(yī)種技術的發展與進步都是以提高肥料的利用效率爲核心的，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。縱觀國内外(wài)高效施肥技術的發展情況，目前可應用于農業生(shēng)産，或在農業生(shēng)産中(zhōng)發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。

　　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(kāi)始測定土壤酸度，以判斷土壤肥力的高低。現代植物(wù)營養學的奠基人李比希（Justus von Liebig 1803—1873）堅信通過分(fēn)析和研究植物(wù)的元素組成，就可以建立一(yī)套肥料推薦系統，足見土壤和植物(wù)測試在科學施肥中(zhōng)的重要性。長期以來，通過化學分(fēn)析的方法，從最開(kāi)始的土壤養分(fēn)的快速提取到建立土壤化學組成與植物(wù)生(shēng)長的關系，再構建植物(wù)最佳産量模型等，經過100 多年的研究，目前可以認爲，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。世界各國也紛紛把測土施肥技術作爲國家策略推廣應用。

　　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(tǐ)系，每個州都有相應的土壤測試化驗室和測土工(gōng)作委員(yuán)會，負責土壤養分(fēn)的測定與作物(wù)養分(fēn)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。

　　歐洲許多國家都有相關的測土施肥技術規範，如英國每隔幾年，都要修訂《肥料手冊》，該手冊既講述作物(wù)營養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管理的具體(tǐ)數值範圍和不同作物(wù)的具體(tǐ)施肥方法等。該手冊在指導當地肥料的施用方面發揮了重要的作用。

　　中(zhōng)國的測土施肥工(gōng)作開(kāi)展也較早，20 世紀70 年代末，農業部土壤普查辦公室組織了有16 個省、市、自治區參加的“土壤養分(fēn)豐缺指标研究”，随後開(kāi)展了大(dà)規模的配方施肥技術的推廣。1992 年組織了聯合國開(kāi)發計劃署（UNDP）平衡施肥項目的實施。1995 年前後，在全國部分(fēn)地區進行了土壤養分(fēn)調查，并在全國組建了不同層次的多種類型土壤肥力監測點4 000 多個，分(fēn)布在16 個省區的70 多個縣，涵蓋了20 多種土壤類型。2005 年以後，中(zhōng)國在全國範圍内開(kāi)展了大(dà)規模的測土配方施肥行動。政府出資(zī)免費(fèi)爲農民測試土壤樣品，以政府爲主導，開(kāi)展測土施肥的技術指導等工(gōng)作。至2010 年，中(zhōng)國測土配方施肥基本覆蓋了全國所有的農區縣，同時每年農業部發布1—2 次施肥指導，爲全國科學施肥提供了有力的技術支撐。但是，由于中(zhōng)國農業高度分(fēn)散，農民雖有高漲的積極性，但以政府爲主導的測土配方施肥工(gōng)作很難滿足全國農民對測土配方施肥的技術需求。

2.2.1　精準施肥的理論與技術體(tǐ)系

　　精準施肥的理論是基于地塊内的土壤養分(fēn)變異，其核心技術是變量管理技術。長期以來，農業的基本操作都是以地塊進行的，包括施肥在内，在同一(yī)地塊上，肥料是按統一(yī)的用量均勻地施在土壤中(zhōng)。衆所周知(zhī)，在同一(yī)地塊内，土壤養分(fēn)的分(fēn)布是不均勻，如果在不同養分(fēn)含量的土壤上施用同樣數量的肥料，則會出現有的區域施肥量過多，而有的區域則施肥量不足，這樣就會增加農業生(shēng)産成本，降低農業經濟效益。這是因爲土壤性質，包括土壤養分(fēn)的空間異質性。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，特别是肥料施用等方面的原因 。20 世紀60 年代初法國著名學者MATHERON 創立的地統計學方法，爲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确地描繪出土壤性狀的空間分(fēn)布圖。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分(fēn)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(yī)些農場根據土壤養分(fēn)的變異情況，把一(yī)整塊土地分(fēn)成幾個小(xiǎo)的管理單元，在同一(yī)管理單元内，施肥是均一(yī)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(yī)些地方由于土壤空間變異過于複雜(zá)，有時很難以把性質相同的田塊劃分(fēn)成一(yī)個管理單元。

　　20 世紀90 年代以後，随着信息技術的高速發展，特别是地理信息系統（geographic information system，GIS）、全球衛星定位系統（globe position system，GPS）、遙感技術（remote sensing，RS）和計算機在農業中(zhōng)的應用，使得農業生(shēng)産中(zhōng)的田間管理可以實現自動化，首先把該技術應用于農業生(shēng)産環節的就是變量施肥技術。同時人們根據土壤空間變異的農業管理方法也擴展到了其他農業管理環節，如農田病蟲草害的防治。這些根據田塊内空間變異所進行的農事操作過程通稱爲精準農業（precision agriculture 或precision farming）。精準農業的含義是按照田間每一(yī)操作單元（區域、部位）的具體(tǐ)條件，精細準确地調整各項土壤和作物(wù)管理措施，最大(dà)限度地優化使用各項農業投入，以獲取單位面積上的最高産量和最大(dà)經濟效益，同時保護農業生(shēng)态環境，保護土地等農業自然資(zī)源。精準施肥技術是精準農業最早應用的領域，經過20 多年的發展，精準施肥技術一(yī)直引領着精準農業技術的進步。

　　也可以認爲，精準施肥技術是在其他相關技術的支持下(xià)發展起來的。20 世紀70 年代以後，微電(diàn)子、機電(diàn)一(yī)體(tǐ)化、監控技術智能化、農田信息采集智能化等技術的迅速發展和廣泛應用，推動了農業機械裝備的現代化。這都爲精準施肥提供了技術支持。20 世紀80 年代以後，發達國家的農業經營管理中(zhōng)出現了資(zī)源緊缺和環境質量下(xià)降等一(yī)系列的問題，迫使這些國家采取更有效的方法，以充分(fēn)利用各種投入、節約成本、提高利潤，以提高農産品的市場競争力，減少環境污染，這也是精準施肥技術的社會需求。1991 年第一(yī)次海灣戰争爆發以後，GPS 技術逐漸民用化，這也給施肥精确定位管理提供了可能性。

　　爲了實現施肥的精準變量管理，可将精準施肥分(fēn)爲基于3S 技術和基于傳感器技術的精準施肥體(tǐ)系。基于3S 技術的精準施肥技術體(tǐ)系也稱爲基于地圖的精準施肥，該技術體(tǐ)系包括地理信息系統（GIS）、全球衛星定位系統（GPS）、遙感技術（RS）和計算機自動控制系統。基于3S 技術的精準施肥技術體(tǐ)系的特點是，應用地理信息系統，将獲取的土壤養分(fēn)、作物(wù)生(shēng)長等信息進行整理和分(fēn)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分(fēn)管理信息系統。然後，農業機械則按照田間每一(yī)操作單元（位點）上的具體(tǐ)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(dà)限度地滿足作物(wù)需求、減少浪費(fèi)、提高經濟效益、保護農業資(zī)源和生(shēng)态環境的目的。

　　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，如土壤養分(fēn)、作物(wù)生(shēng)長等，這些數據信息經過計算機快速處理後，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，也不需要GIS 技術的支持。但由于田間實時傳感器價格高、精确度不夠等原因，基于傳感器的精準施肥應用還不十分(fēn)普遍。另外(wài)，利用GIS 結合GPS 進行土壤采樣、作物(wù)産量實時監測、土壤圖繪制等都較爲方便，加上地統計學和作物(wù)模拟等方法的發展與應用，使得基于3S 技術的精準施肥技術應用更爲普遍。

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約成本、增加産出。精準施肥的效益應從兩個方面考慮，一(yī)是生(shēng)态環境效益，另一(yī)個是經濟效益。在美國，通過把每個農場數百個小(xiǎo)區的土壤測試、播種量、産量、農藥和肥料用量等結合起來分(fēn)析，精确地預測了最佳經濟投入量，使種子、化肥、農藥都獲得較大(dà)效益，減少了成本、節約了資(zī)源，經濟效益是十分(fēn)明顯的。一(yī)項研究結果表明，僅就氮肥施用量就可降低24%—40%。以往的研究還表明，傳統的均量施肥造成某些區域施肥過量，某些區域施肥量不足。過量施肥區域的多餘養分(fēn)就會進入水體(tǐ)等環境中(zhōng)。精準施肥就能有效避免或減少此類問題的發生(shēng)。

　　精準施肥的經濟效益還取決于生(shēng)産經營規模。精準施肥需要較大(dà)的投入，投入項目包括土壤測試、制作養分(fēn)管理圖、施肥變量機具、田間操作，以及技術維護等等，特别是設備的利用效率，以及機具的維護等。因此，如果經營規模小(xiǎo)，單位土地面積上支付該精準施肥技術體(tǐ)系的費(fèi)用就會很高。反之，則費(fèi)用就會降低。所以，爲了降低系統使用費(fèi)，在美國等一(yī)些國家，采用社會化服務的方式，推行精準施肥。據美國Purdue 大(dà)學研究表明，在美國采用精準施肥技術的農民有60%實現赢利，有10%虧損，有30%保本。

　　北(běi)美的美國和加拿大(dà)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(yī)項以上的精準農業技術，其中(zhōng)廣爲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(wù)産量監視和産量圖的實時繪制（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(xiǎo)麥種植中(zhōng)，約有10%的面積應用了作物(wù)産量監視器，而玉米和大(dà)豆使用作物(wù)産量監視器的面積達30%和25%，到2001 年，美國有33%的玉米應用了産量監視器。澳大(dà)利亞對精準農業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(wù)産量實時監測器。在美國阿肯色州的調查顯示，接受精準農業技術的人員(yuán)大(dà)部是年青人、受過良好教育的人員(yuán)、愛好計算機并規模種植水稻和大(dà)豆等作物(wù)的人員(yuán)。目前進行精準農業研究與應用的國家除美國和加拿大(dà)外(wài)，還有韓國、印度尼西亞、孟加拉、斯裏蘭卡、土耳其、沙特阿拉伯、澳大(dà)利亞、巴西、阿根廷、智利、烏拉圭、俄羅斯、意大(dà)利、荷蘭、德國、英國、日本等。

　　把肥料直接注入灌溉水中(zhōng)進行施肥的方法稱爲灌溉施肥（fertigation）。灌溉施肥在我(wǒ)國稱爲水肥一(yī)體(tǐ)化。有關灌溉施肥研究始于1958 年。20 世紀60 年代初開(kāi)始迅速發展。40 多年來，灌溉施肥技術在全世界範圍内迅速發展，它作爲一(yī)項技術，可滿足植物(wù)不同生(shēng)育時期的水分(fēn)和養分(fēn)需求以獲得肥料的最大(dà)效率。

　　綜合起來，與傳統施肥相比，灌溉施肥有四方面的優點：一(yī)是水分(fēn)和養分(fēn)可直接供給到作物(wù)的根系活動區，使作物(wù)更容易吸收；二是水分(fēn)和養分(fēn)可均勻供給所有的植株，可獲得更高的産量；三是通過這種方式可減少水分(fēn)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，節約了時間和勞動力，還可節約能源投入。由于灌溉施肥的載體(tǐ)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，可将灌溉施肥大(dà)緻分(fēn)爲幾種。

2.3.1　表面灌溉施肥

　　表面灌溉施肥是在常規的無壓灌溉條件下(xià)，将肥料溶入灌溉水中(zhōng)，通過灌溉水将肥料帶入田間的方法。表面無壓灌溉（溝灌和畦灌）是最傳統的灌溉方式，但對其研究卻始于20 世紀末，主要原因是有的學者認爲表面灌溉施肥較有壓灌溉施肥的效率低，且控制過程複雜(zá)。也有人認爲，農業化學品的污染與表面灌溉的關系十分(fēn)密切，在可預見的未來，表面灌溉施肥的研究十分(fēn)必要，其原因有四個方面，一(yī)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(zhōng)，水和肥的效率是獨立的。所以表面灌溉施肥技術在未來一(yī)段時間内還會發展，但是，在研究中(zhōng)，表面灌溉施肥的模拟模型如表面水流、地下(xià)水流、表面溶質運移、地下(xià)溶質運移模型都需要進一(yī)步研究，特别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，也有人認爲不能忽略。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。

　　目前對表面灌溉施肥的模拟模型大(dà)部分(fēn)是針對一(yī)次灌溉施肥事件，長期來看，從農業、環境和經濟的角度，一(yī)個作物(wù)生(shēng)長季節的表面灌溉施肥研究很有必要，同時，作物(wù)模型也應結合施肥模型以評估施肥措施對水分(fēn)和養分(fēn)的吸收，作物(wù)産量的影響，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(wù)對肥料的利用率，田間試驗和模拟的方法都需要解決這個瓶頸問題。

　　中(zhōng)國現有耕地1.35 億公頃，灌溉面積0.6 億公頃。其中(zhōng)一(yī)半以上采用的是常規無壓灌溉，即表面灌溉。農民爲了節省施肥的勞動力投入，常常采用将肥料溶入灌溉水中(zhōng)進行施肥，這些方法雖然在技術上歸爲表面灌溉施肥，但是，對其進行的研究和指導還基本上是空白(bái)，所以，加強表面灌溉施肥的研究與應用在中(zhōng)國十分(fēn)必要，也十分(fēn)迫切。

2.3.2　滴灌施肥

　　滴灌施肥是将肥料注入到滴灌系統中(zhōng)，通過滴灌系統将肥料帶入田間的施肥方法。根據滴灌方式不同，可分(fēn)爲表面滴灌施肥（surface drip fertigation）和地下(xià)滴灌施肥（subsurface drip fertigation）。一(yī)般認爲，滴灌是給水器（滴頭）流量小(xiǎo)于7.5 L·h-1，當滴頭處于20 cm土層以下(xià)，且不影響表面耕作的情況下(xià)，稱爲地下(xià)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爲地表滴灌。所以，無論是地表滴灌施肥還是地下(xià)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。

　　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，同時期的1964 年以色列工(gōng)程師也報道了滴灌技術的實驗。在滴灌施肥中(zhōng)，滴灌帶、滴頭、注肥器、田間管路分(fēn)布以及自動控制是該系統的中(zhōng)心内容。在滴灌施肥技術中(zhōng)，諸如針對滴頭由于化學物(wù)質沉澱、微生(shēng)物(wù)生(shēng)長、根系侵入等因素造成的堵塞、田間水肥分(fēn)布不勻等問題，還需要進行大(dà)量的研究；在設備生(shēng)産方面，塑料材料選擇、生(shēng)産工(gōng)藝、滴頭設計等一(yī)直是滴灌施肥研究的重點。

　　目前滴灌及滴灌施肥系統已在全球廣泛應用，地表滴灌施肥是目前應用最多的灌溉施肥方式。但是，對地下(xià)滴灌的研究較多爲理論研究。目前，滴灌已從園藝作物(wù)應用到了大(dà)田作物(wù)，已從高價值作物(wù)應用到了普通作物(wù)，該技術可節水40%以上，節肥20%以上，比常規省工(gōng)90%，可節約土地5%—7%，增産幅度達30%—50%，可有效保護生(shēng)态環境。這種技術被認爲是最高效的施肥技術。目前該技術正在運用信息技術，實現水分(fēn)－養分(fēn)管理的全自動化。

2.3.3　微噴施肥

　　通過微噴灌系統将肥料帶入田間的施肥方式稱爲微噴施肥，這種施肥方式也是最早進行研究的灌溉施肥方式，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(wù)等方面還有應用。微噴施肥與滴灌施肥的最大(dà)區别在于肥料通過微噴灌系統可将肥料直接噴施在植物(wù)葉面上，特别是對微量元素的應用更加适宜。再則，通過微噴灌系統還可将肥料以外(wài)的其他農用化學品如殺蟲劑、殺菌劑等噴灑到作物(wù)上，也就是目前應用更方泛的化學灌溉（chemigation）。

　　随着農業勞動力成本的提高，減少農業生(shēng)産中(zhōng)勞動力的投入以提高農業生(shēng)産效益的方法是農業生(shēng)産的重要方面。由于施肥的勞動力投入占作物(wù)生(shēng)産管理過程勞動力投入的一(yī)半左右，所以，減少施肥次數，節省勞動力的方法倍受關注。顧名思義, “輕”是機械代替人工(gōng)，減輕勞動強度；“簡”是減少不必要的作業環節和次數。所以，輕簡施肥也可以理解爲用現代化的施肥技術代替人工(gōng)施肥操作，減輕施肥過程中(zhōng)的勞動強度，簡化施肥方式、減少施肥次數的施肥方法。在實際操作中(zhōng)，用一(yī)次性施肥替代多次施肥，種、肥同播替代種、肥分(fēn)播的施肥方式都屬于輕簡施肥的範疇。與輕簡施肥相伴而生(shēng)的就是肥料的緩/控釋技術。近年來，由于中(zhōng)國勞動力成本的提高，以及緩/控釋肥料的大(dà)力發展，輕簡施肥也越來越受到人們的重視。

　　随着人口的日益增長，對糧食需求不斷提高。同時，人們對環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、減少肥料對環境的影響爲主要施肥目标。高效施肥技術也會随着全社會科學技術水平的提高而提高，在可預的未來，高效施肥會向着信息化、自動化、智能化、輕簡化方向發展。

　　植物(wù)生(shēng)長有其自身的規律。在作物(wù)營養管理方面，必須首先确定作物(wù)需要什麽元素、需要多少量？土壤本身能提供多少？這就是營養診斷。100 多年來，人們都孜孜不倦地研究這方面的問題。近年來，高光譜無損探測技術、土壤養分(fēn)原位監測技術、高效土壤養分(fēn)測試技術等都有一(yī)定的進展。

　　随着數控技術的發展，作物(wù)的養分(fēn)管理也正向着數字化的方向發展，目前精準施肥技術的發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(wù)養分(fēn)管理大(dà)部分(fēn)都是基于作物(wù)生(shēng)育期尺度上的，以生(shēng)育期爲時間尺度的養分(fēn)管理雖然能最大(dà)限度地吻合作物(wù)養分(fēn)需求。但是，由于作物(wù)生(shēng)育期長短不一(yī)，施入土壤中(zhōng)的養分(fēn)在土壤中(zhōng)滞留時間過長，難免造成肥料養分(fēn)的損失。

　　因此，縮短養分(fēn)管理周期，實現數字化“匙喂”式管理，對滿足作物(wù)營養需求、提高養分(fēn)利用率、減少養分(fēn)損失都具有重大(dà)的意義。爲了實現這一(yī)目标，一(yī)個最基本的依據就是精準化、數字化的作物(wù)營養需求模型。所以，加強短尺度的作物(wù)營養需求模型研究是實現作物(wù)數字化養分(fēn)管理的關鍵。特别将數字化養分(fēn)管理應用于灌溉施肥技術中(zhōng)，是提高灌溉施肥效率的關鍵技術之一(yī)。

　　養分(fēn)的高效利用一(yī)方面決定于養分(fēn)的充足供應，另一(yī)方面決定于作物(wù)的高效吸收，前者是外(wài)因，後者是内因。所以，通過養分(fēn)高效利用基因的篩選，選擇一(yī)些可高效吸收養分(fēn)的基因，是提高作物(wù)養分(fēn)利用率的有效方法。目前人們對此進行了很多研究，但大(dà)部分(fēn)的作物(wù)養分(fēn)高效利用基因都是在土壤低養分(fēn)濃度下(xià)表現出高效利用，在高養分(fēn)濃度下(xià)，這些基因則不表現出優勢。由于近半個世紀的土壤培肥，我(wǒ)國大(dà)部分(fēn)土壤養分(fēn)處于中(zhōng)等偏上，所以，篩選在中(zhōng)高等養分(fēn)條件下(xià)可發揮作用的作物(wù)養分(fēn)高效利用基因，對提高養分(fēn)利用率有重要的現實意義。

　　植物(wù)生(shēng)産的主要目的是營養人與動物(wù)。在食物(wù)鏈中(zhōng)，生(shēng)物(wù)所需要的營養元素有些是相同的，有些則不同的。過去(qù)的研究與應用都是分(fēn)開(kāi)進行的，爲了滿足植物(wù)對營養元素需要，主要是通過肥料來補充的。而人和動物(wù)所需的礦質營養元素主要通過營養鹽等來補充。當植物(wù)、動物(wù)和人所需要的營養元素相同時，一(yī)般很少再通過營養鹽來補充，如K 是植物(wù)和動物(wù)及人共同所需的營養元素，所以，很少出現人和動物(wù)的缺K 情況，而Na 元素不是植物(wù)必需的營養元素，但是人和動物(wù)的必需營養元素，因此，Na 元素不能通過食物(wù)鏈進行補充，在生(shēng)活中(zhōng)，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，作者認爲，在不影響植物(wù)生(shēng)長發育的情況下(xià)，将食物(wù)鏈下(xià)端的營養元素通過施肥的形式首先補充到植物(wù)中(zhōng)去(qù)，然後通過植物(wù)對食物(wù)鏈後端的生(shēng)物(wù)提供生(shēng)命所需的營養元素。雖然這些營養元素對植物(wù)生(shēng)長發育沒有益處，但對食物(wù)鏈下(xià)端的生(shēng)物(wù)産生(shēng)有益影響。這種通過植物(wù)補充食物(wù)鏈下(xià)端營養元素的方法稱爲食物(wù)鏈營養理論。這樣，爲了營養食物(wù)鏈下(xià)端生(shēng)物(wù)而對植物(wù)進行施用的元素也應稱爲肥料。

　　國際ISO7851《肥料和土壤調理劑-分(fēn)類》中(zhōng)把肥料的定義爲“以提供植物(wù)養分(fēn)爲其主要功效的物(wù)料”，這裏所指的植物(wù)養分(fēn)主要是指植物(wù)的必需營養元素。總之，不論是對植物(wù)營養元素的定義，還是對肥料的定義，都隻考慮植物(wù)生(shēng)長發育本身，沒有考慮到以植物(wù)爲主要食物(wù)的人和動物(wù)的健康。世界衛生(shēng)組織（WHO）确認人體(tǐ)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、钴、錳、鎳、錫、矽、硒、钼、碘、氟、釩。在植物(wù)所需的營養元素中(zhōng)，除硼外(wài)，人和動物(wù)都需要。在人和動物(wù)必需的營養元素中(zhōng)，鈉、鉻、钴、錫、矽、硒、碘、氟、釩則不是植物(wù)必需的營養元素。根據人和動物(wù)的營養特點，人體(tǐ)所需的礦物(wù)元素爲植物(wù)必需的營養元素時，人和動物(wù)基本上不必通過礦物(wù)質進行補充，當人體(tǐ)必需的礦質元素不是植物(wù)必需營養元素時，人和動物(wù)必須進行大(dà)量的補充，否則影響健康。如鈉、碘、硒等。還有一(yī)些元素雖然也是植物(wù)、人和動物(wù)共需的礦物(wù)元素，但人和動物(wù)在特殊條件下(xià)也需要補充，如鈣、鎂、鋅等。醫學和生(shēng)物(wù)學方面也研究了很多方法，如利用基因工(gōng)程的方法增加植物(wù)對鋅的吸收以滿足人體(tǐ)對鋅的需求；通過食用鈣片的方法，滿足人體(tǐ)對鈣的需求；通過在飼料中(zhōng)加鎂的方法滿足動物(wù)對鎂的需求等，對有些元素，如果通過植物(wù)營養以滿足食物(wù)鏈下(xià)端的營養需求也十分(fēn)有效，如通過植物(wù)補充人體(tǐ)所需要的硒元素。人不僅可以避免直接食用礦物(wù)元素所帶來的成本問題，也能避免直接食用礦物(wù)質過量而帶來的健康問題。遺憾的是，長期以來，肥料的概念隻限于植物(wù)本身，如果把肥料的概念擴展到食物(wù)鏈下(xià)端的人和動物(wù)健康，将人和動物(wù)所需要的營養元素通過植物(wù)進行補充将對人和動物(wù)健康帶來事半功倍的效果。

　　植物(wù)對養分(fēn)的吸收受多種因素的調控，特别是植物(wù)體(tǐ)内物(wù)質的調控，如吲哚乙酸可調控植物(wù)根系生(shēng)長，從而影響植物(wù)對水肥的吸收。因此，通過影響作物(wù)生(shēng)長和代謝而影響作物(wù)養分(fēn)吸收的方法也是提高植物(wù)養分(fēn)高效利用的有效方法。目前歐洲肥料企業強力推進的植物(wù)生(shēng)物(wù)刺激素就是通過改善植物(wù)代謝以提高植物(wù)養分(fēn)利用、增強作物(wù)抗性、改善作物(wù)品質、提高作物(wù)産量。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(wù)生(shēng)長調節劑也有類似的功能。通過調節作物(wù)的代謝提高養分(fēn)吸收能力，從而提高肥料養分(fēn)高效利用的方法也是未來植物(wù)營養與肥料學科研究的重要方面。

　　20 世紀70 年代以後，人們開(kāi)始注意到肥料對環境的影響，特别是一(yī)些污染事件都與肥料密切相關，甚至有人開(kāi)始抵制化學肥料的施用。目前一(yī)些研究表明，肥料的不合理施用，不僅對地表水、地下(xià)水等易造成污染，而且對大(dà)氣質量也有一(yī)定的影響。近年來，人們開(kāi)始注意到農業源氨排放(fàng)與大(dà)氣質量的關系。所以，肥料在提高作物(wù)産量、保證糧食安全的同時，也必須保證生(shēng)态環境的安全，減少肥料養分(fēn)向環境轉移是高效施肥技術的重要研究方向之一(yī)。