中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料研究60年

白由路

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料研究60年

白由路

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料研究經(jīng)歷了60年的發(fā)展歷程。按照研究的重點，可大致可分為四個階段，第一階段為1980年之前的單一肥料肥效研究階段，該階段主要研究單一養(yǎng)分的肥料效應(yīng)，為我國化學肥料工業(yè)發(fā)展提供了依據(jù)；第二個階段是1980年至1990年，該階段主要研究了氮磷鉀營養(yǎng)元素的配合肥效與主要配合方式，為我國復(fù)合肥料的引進和發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)；第三階段是1990年至2000年，該階段主要進行平衡施肥技術(shù)研究，同時研究了中微量元素的肥料效應(yīng)；2000年以后是第四階段，該階段可稱為養(yǎng)分綜合管理階段，該階段重點研究了精準施肥技術(shù)、測土配方施肥支撐技術(shù)、施肥與環(huán)境、新型肥料及節(jié)肥增效關(guān)鍵技術(shù)等，這些研究為保證我國糧食安全作出了重大貢獻。

化學肥料；施肥技術(shù)；肥料效應(yīng)；精準施肥；新型肥料；節(jié)肥增效

2017年8月27日是中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所 (2003年4月更名為中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所) 建所60周年。60年來，該研究所圍繞我國農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，依據(jù)我國農(nóng)田養(yǎng)分特征和經(jīng)濟基礎(chǔ)，組織開展了具有時代特征、涵蓋所有肥料產(chǎn)品類型、施用技術(shù)以及肥料安全方面的研究。作為植物營養(yǎng)與施肥技術(shù)的國家級專業(yè)研究所，其取得的研究成果為保證我國糧食安全作出了巨大貢獻，也代表著我國植物營養(yǎng)與肥料研究的高端水平。在60年后的今天，回顧中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料研究艱辛的歷程與取得的成就，追尋老一輩科學家對植物營養(yǎng)與肥料研究的足跡，傳承老一輩科學家的奉獻精神，將我國植物營養(yǎng)與肥料事業(yè)在新的時代推向新的高度。

縱觀60年，中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料研究大致分為四個階段：單一營養(yǎng)元素的肥效階段；兩種或兩種以上化肥、化肥與有機肥組合營養(yǎng)階段；兼顧中、微量元素的平衡施肥階段；經(jīng)濟效益和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的養(yǎng)分綜合管理研究階段。

1 單一肥效研究階段 (1957～1980)

中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所成立之初(1957年8月)，中國農(nóng)業(yè)科學院召開了全國肥料試驗工作會議，同年11月，農(nóng)業(yè)部發(fā)文建立全國化學肥料試驗網(wǎng) (以下簡稱化肥網(wǎng))，化肥網(wǎng)由中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所具體負責組織，各省 (市、自治區(qū)) 農(nóng)業(yè)研究院所都基本上參加了這項工作[1]。在此期間，先后組織了三次全國或區(qū)域性化肥協(xié)作試驗。1958～1962年，組織了全國氮磷鉀化肥肥效試驗，70年代組織了氮肥深施技術(shù)試驗和南方氮肥鉀肥肥效協(xié)作試驗[2]?？梢哉J為，20世紀80年代之前，全國的肥料試驗基本上都是圍繞化學肥料開展的。

50年代末，化肥網(wǎng)的試驗結(jié)果基本上肯定了氮肥的肥效，氮肥在我國各種土壤和作物上施用一般都能增產(chǎn)，同時也明確了不同氮肥品種適宜的土壤條件以及主要作物的需肥規(guī)律和適宜的氮肥施用時期[3]，氮肥施用得到迅速推廣。氮肥的推廣極大地推進了我國氮肥的生產(chǎn)，我國氮肥從1957年的13萬t，發(fā)展到了1980年的934.2萬t，氮肥品種也由單一的硫酸銨，發(fā)展到了碳酸氫銨、氨水、氯化銨和尿素等[4]。此時期主要作物的產(chǎn)量得以大幅度提高。

60年代開始，全國化肥網(wǎng)在磷肥特別是低濃度磷肥施用技術(shù)和效果方面的研究取得了很大成就。在此期間，由于氮肥的大量施用和作物產(chǎn)量的提高，一些地區(qū)土壤缺磷開始顯現(xiàn)。首先是在我國南方的一些低產(chǎn)稻田發(fā)現(xiàn)了單施氮肥稻苗容易“坐秋”。所謂“坐秋”是指南方水田，特別是低產(chǎn)田土壤經(jīng)過一冬脫水變?yōu)槎商锖螅钅晁静逖砗箝L期不返青，稻根變黑腐爛，不長新根，秧苗枯萎，葉片發(fā)黃，分蘗很少，呈“半死不活”狀態(tài)，生長停滯達20～40天之久，水稻成熟期極不一致，產(chǎn)量銳減，一般減產(chǎn)30%～50%。試驗表明，用過磷酸鈣900 kg/hm2作基肥撒施，每畝可增加稻谷137.8 kg，增產(chǎn)115%。1963年，湖南省在400萬畝的冬干田上推廣施用磷肥，增產(chǎn)糧食約1.8億kg[5]。同時，研究得出土壤速效磷 (Olsen法) 含量 ＜ 5 mg/kg為缺磷，施磷肥增產(chǎn)顯著；5～10 mg/kg為中度缺磷，配合施用氮肥也有增產(chǎn)效果；＞ 10 mg/kg，施磷一般不增產(chǎn)或增產(chǎn)不顯著[1]。并研究了北方石灰性土壤施磷指標為：土壤速效磷 (Olsen法，P2O5) 含量 ＜ 10 mg/kg，施磷極為有效；10～20 mg/kg一般有效；＞ 20 mg/kg 一般無效[6]。

70年代以后，全國化肥網(wǎng)在磷礦粉的施肥技術(shù)上也進行了深入研究，明確磷礦粉的效果首先與磷礦粉中枸溶性磷的含量有關(guān)，枸溶性磷含量低的磷礦粉直接施用當季效果不明顯；其次與土壤酸堿度有關(guān)，土壤pH值越低，磷礦粉的效果越好，石灰性土壤上施磷礦粉的肥效不穩(wěn)定；最后是與作物的吸磷能力有關(guān)，肥田蘿卜、蕎麥、油菜、豌豆的吸肥能力強，施用磷礦粉的效果較好，紫云英、花生、大豆次之，小麥、水稻、谷子的吸磷能力較弱，不適宜施用磷礦粉[7]。

70年代中期后，化肥網(wǎng)試驗結(jié)果明確了我國南方鉀肥在16種作物上不僅有增產(chǎn)效果，還可以增加作物的抗病、抗逆能力，提高作物品質(zhì)。明確了南方各省主要土壤鉀素含量和鉀肥肥效的關(guān)系，指出土壤速效鉀 ＜ 40 mg/kg時，屬于極度缺鉀水平，施用鉀肥在水稻上的增產(chǎn)效果極顯著；當土壤速效鉀為40～80 mg/kg時，屬于缺鉀水平，施用鉀肥可增產(chǎn)10%～20%以上；當土壤速效鉀在80～120 mg/kg時，屬于中等水平，施用鉀肥有一定肥效，可增產(chǎn)10%左右；當土壤速效鉀 ＞ 120 mg/kg時，土壤屬于不缺鉀水平，施用鉀肥一般不增產(chǎn)[1]。同時在北方也針對不同作物和土壤速效鉀含量，研究了鉀肥的肥效與土壤速效鉀的關(guān)系[8]。

20世紀80年代之前，我國化肥工業(yè)基礎(chǔ)十分薄弱，為了保證我國糧食安全，除合理施用化學肥料外，中國農(nóng)業(yè)科學院對其他肥料也進行了廣泛的研究，先后進行了麥田綠肥翻壓研究[10]，北方玉米田豌豆翻壓的應(yīng)用及其對產(chǎn)量的影響研究[11–12]等，同時對農(nóng)區(qū)綠肥飼料兼用也有較深入的研究[13]。由于化肥較少，微生物肥料研究與應(yīng)用也較多，特別是對根瘤菌的研究與推廣[14]、5406放線菌的研究與應(yīng)用[15–18]等，以及其他微生物肥料也都有研究[19]。該時期也進行了沼氣[20]、堆肥[21]及土壤肥料養(yǎng)分測試技術(shù)的研究[22]。

對肥料的研究和應(yīng)用極大地推動了我國的化肥生產(chǎn)。至1980年，我國化肥施用量由1957年的37.3萬t增加到了1269.4萬t，1957年僅有氮肥生產(chǎn)，到1980年氮肥施用量達到934.2萬t、磷肥施用量達到273.3萬t，鉀肥用量34.6萬t。由于該時期對復(fù)合肥研究較少，至1980年，我國復(fù)合肥用量僅27.2萬t[23]，有機肥料所提供的養(yǎng)分占比由80%以上下降至50%[24]。

2 組合肥效研究階段 (1980～1990)

進入20世紀80年代以后，中國農(nóng)業(yè)科學院進行全國規(guī)模的氮、磷、鉀肥料效應(yīng)試驗，明確了不同地區(qū)的肥料適宜用量和養(yǎng)分比例[1]。70年代以后，由于我國化肥生產(chǎn)和進口數(shù)量的增加，一些地區(qū)表現(xiàn)出氮、磷、鉀肥比例失衡，肥效下降，為此，中國農(nóng)業(yè)科學院在1981～1983年有組織地完成了5000多個試驗點的氮、磷、鉀用量和比例試驗，結(jié)果表明每公斤氮增產(chǎn)稻谷9.1 kg、玉米13.4 kg、棉花 (皮棉) 1.2 kg、小麥10 kg、油菜籽4 kg。同時，明確水稻的適宜用量為183 kg/hm2，氮、磷、鉀的適宜比例為1∶0.34∶0.35。并對我國化肥使用情況進行了區(qū)域劃分，把全國劃分為8個一級區(qū)、31個二級區(qū)[25]，為指導(dǎo)我國化學肥料的合理施用提供了重要依據(jù)。該期的研究也為我國復(fù)合肥料的引進和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，推動了我國復(fù)合肥料的生產(chǎn)和引進[26–27]，我國復(fù)合肥用量從1980年的27.2萬t增加到了1990年的341.6萬t[23]。

在這個時期，中國農(nóng)業(yè)科學院對豆科牧草根瘤菌的選育和應(yīng)用也取得很大進展，選育出了沙打旺、三葉草、紅豆草等27種根瘤菌菌種，研究了接種劑的生產(chǎn)工藝及種子丸衣化接種技術(shù)，一些有價值的根瘤菌已投入商品化菌劑生產(chǎn)，并在飛播牧草中得到應(yīng)用，增產(chǎn)效果顯著，累計接種面積達30萬hm2[28]。

3 平衡施肥研究階段 (1990～2000)

進入20世紀90年代后，我國化肥用量逐漸增大，養(yǎng)分不平衡現(xiàn)象發(fā)生。部分地區(qū)化肥用量過高，出現(xiàn)了養(yǎng)分報酬遞減現(xiàn)象，平衡施肥迫在眉睫[29]。1989年，中國農(nóng)業(yè)科學院引進了高效測試土壤養(yǎng)分的分析設(shè)備與方法[30]，全面分析土壤中的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、銅、錳、鋅、硼等11種營養(yǎng)元素。中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所利用該設(shè)備在全國范圍內(nèi)進行了13000個土壤樣品的測試，得出92.1%的土壤銨態(tài)氮含量低于臨界值，42.7%、61.3%、64.8%土壤的速效磷、鉀、鋅含量低于臨界值[31]。1995年至1996年，該方法列入農(nóng)業(yè)部豐收計劃推廣項目，兩年累計推廣應(yīng)用44.45萬畝，新增純收入3266.05 萬元[32]。

在中、微量元素研究方面，中國農(nóng)業(yè)科學院的研究涵蓋了鈣、鎂、硫、硅、鋅、錳、硼、鉬等元素，施用技術(shù)包括了微量元素之間配合、微量元素與大量元素配合，以及微量元素與中量元素、有益元素配合的多項研究[33–39]。研究了硝酸鈣對花生生長和鈣吸收的影響，指出硝酸鈣作為鈣元素的來源，可顯著提高花生產(chǎn)量和品質(zhì)，增加花生各部位特別是莢果的含鈣量，顯著增加花生葉片中水溶性鈣組分，促進花生對鈣的均衡吸收和分配[33]。研究了小麥氮、磷與鋅的配合施用問題，指出氮與鋅配合施肥效果均優(yōu)于單施氮和單施鋅，磷與鋅配合施肥優(yōu)于單施磷和單施鋅[34]。同時，在營養(yǎng)液培養(yǎng)時，當鋅濃度達到26.2 mg/L，盆栽和大田施鋅量達到750 kg/畝時也不會產(chǎn)生鋅中毒，所以，在石灰性土壤上植物鋅中毒較為困難[38]。也研究了大劑量錳對小麥生長的影響，與鋅不同的是當小麥缺錳時，施錳肥的效果良好，但當土壤錳含量過高時，小麥就會錳中毒，在潮土中如果施錳大于250 mg/kg土，會影響小麥生長[39]。

1990年，針對我國含氯化肥增多的情況，中國農(nóng)業(yè)科學院探討了我國適宜施用含氯化肥的地區(qū)、土壤和作物以及安全高效施用技術(shù)，將33種作物按耐氯臨界濃度劃分為強耐氯作物 (＞ 600 mg/kg)、中等耐氯作物 (300～600 mg/kg) 和弱耐氯作物 (＜ 300 mg/kg)[40]。

該時期中國農(nóng)業(yè)科學院還研究了作物施肥模型和計算機技術(shù)在施肥上的應(yīng)用等，應(yīng)用田間試驗數(shù)據(jù)，建立了小麥、玉米、水稻的施肥模型，并利用當時的PC機建立了土壤肥料試驗和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計程序包[41]，利用計算機建立了區(qū)域小麥、玉米、棉花施肥咨詢系統(tǒng)[42]，為以后計算機在植物營養(yǎng)與肥料中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

同時，在這個時期，中國農(nóng)業(yè)科學院也注意到了施肥與環(huán)境的問題，指出北方一些地區(qū)由于農(nóng)田氮肥的大量施用引起的地下水、飲用水硝酸鹽污染問題十分嚴重，并提出了加強氮肥合理施用、提高群眾環(huán)境意識和國家應(yīng)考慮制定有關(guān)法規(guī)等建議[43]。

4 養(yǎng)分綜合管理階段 (2000年以后)

2000年以后，植物營養(yǎng)與肥料學科的研究逐漸復(fù)雜化，一方面要適應(yīng)國際先進科學技術(shù)對植物營養(yǎng)與肥料學科的影響，另一方面要滿足日益增長的人口對糧食的需求，同時生態(tài)環(huán)境和食品安全也越來越受到重視，所以，2000年以后的植物營養(yǎng)與肥料研究進入了多元化階段，縱觀中國農(nóng)業(yè)科學院在植物營養(yǎng)與肥料方面的研究，可分為五個方面。

4.1 精準施肥

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)科學院從1999年開始進行精準施肥技術(shù)研究[44]，先后在北京郊區(qū)和上海長江農(nóng)場進行了大量精準施肥技術(shù)研究，該研究包含三部分內(nèi)容，一是土壤養(yǎng)分空間變異與土壤施肥精準管理，主要是根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展高度分散的實際情況，開展了農(nóng)田土壤養(yǎng)分變異與施肥研究[45]，基于分區(qū)的土壤養(yǎng)分管理模型[46]、精準施肥技術(shù)[47]，探討了我國農(nóng)業(yè)高度分散與高度集約化條件下的精準施肥技術(shù)體系[48]，研制了變量施肥機械等[49]，這些研究對我國在精準施肥方面的技術(shù)貯備有重要意義。

4.2 測土配方施肥技術(shù)支撐

2005年，我國開始了大規(guī)模的測土配方施肥工作[50]，中國農(nóng)業(yè)科學院作為有重要技術(shù)支撐的科研機構(gòu)，進行了大量的基于我國實際的測土配方施肥研究，這方面主要包括高效土壤測試技術(shù)的應(yīng)用和施肥技術(shù)研究[51]。同時開展了基于光譜診斷技術(shù)的研究，包括基于高光譜的土壤有機質(zhì)含量預(yù)測[52]，植物體內(nèi)養(yǎng)分含量的高光譜響應(yīng)[53]。在施肥模型方面，深入研究了基于作物產(chǎn)量和農(nóng)學效率的推薦施肥模型[54]，該模型還做成了計算機軟件得到了廣泛的應(yīng)用。

4.3 施肥與環(huán)境

20世紀70年代以后，施肥所引發(fā)的環(huán)境問題已被人們所關(guān)注[55]。中國農(nóng)業(yè)科學院在20世紀末也深入研究了施肥與環(huán)境及食品安全問題[43]，研究認為，北京地區(qū)冬小麥夏玉米輪作糧田淺層地下水硝態(tài)氮平均含量為18.02 mg/L，超標率為55.4%，43個保護地菜田淺層地下水樣本平均含量為72.42 mg/L，超標率達100%。北京市平原農(nóng)區(qū)地下水中的硝態(tài)氮主要來源于地表淋溶，過量施用氮肥是地下水硝態(tài)氮污染的主要原因[56]。通過對山東地下水硝態(tài)氮的分析表明，地下水硝態(tài)氮含量較高的區(qū)域主要分布在農(nóng)業(yè)較發(fā)達的種植區(qū)[57]。同時，中國農(nóng)業(yè)科學院在防控肥料污染方面也做了大量的工作，研究表明，在鎘污染土壤上，施用不同的磷酸鹽對土壤鎘的有效性影響不同，磷酸二氫銨可使污染褐土有效態(tài)鎘含量降低2.4%～13.4%[58]。在中低劑量的Cd污染條件下，外源添加Zn 0.05 mg/L是降低水稻Cd吸收遷移及增加水稻產(chǎn)量的有效方法[59]。

4.4 新型肥料

為了保障糧食安全和生態(tài)安全、提高肥料效益、減少肥料損失，近年來，人們把希望寄托在新型肥料上，目前，將新型肥料分為緩/控釋肥料、生物肥料、商品有機肥料、水溶性肥料和功能性肥料等[60]。中國農(nóng)業(yè)科學院研究了納米級材料膠結(jié)包膜型緩/控釋肥料對提高氮素利用率和減少硝態(tài)氮淋溶損失的影響，采用不同的納米級材料可提高小麥對氮素的利用率2.20～23.38個百分點，提高玉米對氮素的利用率1.01～21.36個百分點[61]。在早稻上控釋摻混尿素的氮肥利用率較常規(guī)分次施肥提高7.61個百分點[62]。使用不同的肥料添加劑對肥效有很大影響，在低磷條件下添加腐植酸和海藻酸小麥產(chǎn)量較普通磷酸一銨增產(chǎn)9.74%～33.54%，高磷條件下增產(chǎn)26.81%～30.65%，磷肥表觀利用率提高6.13～10.19個百分點[63]。采用15N標記方法研究不同尿素添加物對肥效的影響，結(jié)果表明，尿素中添加海藻酸、腐殖酸和谷氨酸可分別提高小麥產(chǎn)量7.12%、13.63%和3.65%，氮肥表觀利用率分別提高7.64、9.52和2.19個百分點[64]。

4.5 節(jié)肥增效技術(shù)

2007年以來，中國農(nóng)業(yè)科學院承擔了國家“973”項目“肥料減施增效與農(nóng)田可持續(xù)利用基礎(chǔ)研究”，全面深入研究了肥際微域養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與調(diào)控、根際養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與調(diào)控、作物吸收轉(zhuǎn)運與養(yǎng)分高效利用、有機無機肥料協(xié)同效應(yīng)與機理、環(huán)境要素影響?zhàn)B分利用的機制與調(diào)控、農(nóng)田養(yǎng)分時空變異特征與調(diào)控、不同區(qū)域養(yǎng)分循環(huán)特征與驅(qū)動機制、典型區(qū)域節(jié)肥增效途徑與模式等[65]，為集約化農(nóng)田減施化肥20%～30%提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

60多年來，中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究團隊雖然經(jīng)歷多次重大調(diào)整，但是，植物營養(yǎng)與肥料的研究一刻也沒有停止，即使在艱苦的條件下，仍然堅持植物營養(yǎng)與肥料的試驗與研究。目前我國化肥用量已突破6000萬t，保證糧食安全的同時，也給環(huán)境造成了巨大的壓力，特別是由于肥料的不合理施用，造成了土壤質(zhì)量退化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、環(huán)境污染等一系列問題，針對這些問題，中國農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與肥料團隊將一如既往、不忘初心、牢記使命，為創(chuàng)造一個環(huán)境優(yōu)良、富足糧豐的美麗家園再上新的征程。

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History of plant nutrition and fertilizer research in China

BAI You-lu
( Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant nutrition, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China )

The researches of plant nutrition and fertilizer have gone through 60 years' development, with fruitful achievements since the foundation of Soil and Fertilizer Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences. The researches could be divided into four periods, according to the research focus. Before 1980 was the period of mono-nutrient effects. During that period, the effects of N, P and K fertilizers were tested individually, which laid a foundation for the fertilizer industry in China. From 1980 to 1990, it came into the second period, when the combined application of N, P and K fertilizers and the combining ways had been concerned in most researches.The achievements provided important support for the importing and introducing of compound fertilizers in China.From 1990 to 2000 belonged to the third period, when was characterized by balanced fertilization researches, and the effects of micronutrients in the main crops as well. Since 2000, the researches come into the forth or present period, which could be named comprehensive nutrient managements. The typical researches include precession agriculture, soil testing and nutrient recommendation, fertilization and environmental safety, new type fertilizers and the key techniques for value-added fertilizers. All the researches played important roles for guarantee of the grain supply safety of China.

chemical fertilizer; fertilizer application technique; nutrient efficiency; precise fertilization;new type fertilizer; fertilizer saving and value-addition

2017–11–01 接受日期：2017–11–15

白由路（1961—），男，河南溫縣人，博士，研究員，長期從事植物營養(yǎng)與施肥技術(shù)研究。E-mail:baiyoulu@caas.cn