高效施肥技術(shù)研究的現(xiàn)狀與展望

白由路

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

在可預(yù)見的未來，糧食-資源-環(huán)境的矛盾將在全球范圍內(nèi)影響社會(huì)的發(fā)展[1]?；瘜W(xué)肥料的發(fā)明與應(yīng)用極大地促進(jìn)了糧食生產(chǎn)，同時(shí)也消耗了大量的能源和資源[2]。隨著社會(huì)的發(fā)展和日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食的需求，化學(xué)肥料的使用仍將不可避免[3]，有機(jī)農(nóng)業(yè)不可能養(yǎng)活全人類[4]。所以，為了生產(chǎn)更多的糧食，同時(shí)又需要利用有限的肥料資源，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，最有效的方法就是科學(xué)、高效地使用肥料[5]。這種以提高作物產(chǎn)量、提高肥料養(yǎng)分利用效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的施肥技術(shù)稱為高效施肥技術(shù)。100多年來，科學(xué)施肥技術(shù)的研究從來就沒有停止過[6]，也可以認(rèn)為，高效施肥技術(shù)的研究從來就沒有停止過。但由于歷史的局限，不同的歷史時(shí)期，高效施肥研究的側(cè)重點(diǎn)不同，所采用的技術(shù)手段也不同。本文回顧了高效施肥技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了目前所采用的幾種高效施肥技術(shù)現(xiàn)狀，展望了高效施肥技術(shù)未來的發(fā)展方向，旨在為科學(xué)施肥提供借鑒。

1 高效施肥的概念與內(nèi)涵

國(guó)際上對(duì)高效施肥沒有統(tǒng)一的定義，縱觀肥料的發(fā)展歷史，可以判定，有了肥料以后，人們就開始探索如何使肥料發(fā)揮更大作用的施肥方法[7]。中國(guó)勞動(dòng)人民很早就提出了“看天、看地、看莊稼”的施肥方法[8]，這可能是高效施肥技術(shù)的最早探討與應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)發(fā)展中的各種矛盾也會(huì)反映到施肥技術(shù)方法上來，同時(shí)也促進(jìn)施肥技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展，盡管不同時(shí)期的社會(huì)矛盾不同，但對(duì)施肥的技術(shù)的要求都是相同的，這就是減少施肥投入、提高肥料效率、增加糧食生產(chǎn)、促進(jìn)肥料環(huán)境友好等幾個(gè)方面。

1.1 糧食高效

在人類發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，糧食的供應(yīng)與日益增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食需求的矛盾一刻也沒有緩解過[9]，從肥料誕生開始，就伴隨著測(cè)土施肥的開展[7]。測(cè)土施肥的主要目的是充分滿足植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求，平衡供應(yīng)作物養(yǎng)分，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的。所以，在人類糧食需求緊迫的今天，高效施肥的重要內(nèi)涵就是生產(chǎn)更多的糧食，滿足人類對(duì)食物的需求[10]。對(duì)中國(guó)是這樣，對(duì)世界也同樣如此[11]。

1.2 生產(chǎn)高效

農(nóng)業(yè)行業(yè)同其他行業(yè)一樣，需要保證一定的經(jīng)濟(jì)效益。眾所周知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本分兩大部分，一部分是物資投入，另一部分是勞動(dòng)力投入。在物資投入中，肥料占整個(gè)物資投入的 40%以上[12]，所以，通過技術(shù)手段，特別是高效施肥技術(shù)手段，減少肥料投入對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益有十分重要的作用。同時(shí)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，即勞動(dòng)力投入部分，施肥的勞動(dòng)力投入也是整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中投入較多的一項(xiàng)，采用輕減的高效施肥技術(shù)，對(duì)減少勞動(dòng)力投入也十分重要。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勞動(dòng)力的投入。近年來發(fā)展的緩控釋肥料、一次性施肥技術(shù)等都是針對(duì)節(jié)約施肥勞動(dòng)力而研發(fā)的產(chǎn)品和技術(shù)[12]。

1.3 資源高效

肥料，特別是化學(xué)肥料，是高度的資源依賴和能源依賴性產(chǎn)品，如磷肥和鉀肥的生產(chǎn)中必須要磷礦和鉀礦的支持，在氮肥生產(chǎn)中，需要有大量的能源消耗。浪費(fèi)肥料，就是對(duì)自然資源的浪費(fèi)，因此，高效施肥也蘊(yùn)含著資源高效利用的含義[13]。

1.4 環(huán)境高效

施肥對(duì)環(huán)境的影響已經(jīng)被人們所明確。LAND等研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)切斯比克灣的氮、磷污染大約50%是來源于不合理的農(nóng)業(yè)施肥[14]。肥料對(duì)地下水、大氣環(huán)境都產(chǎn)生一定的影響。以大氣污染為例，農(nóng)業(yè)源排放的氨會(huì)在大氣中形成硫酸銨和硝酸銨，它們是大氣霧霾中的組成部分，也是影響大氣透明度的關(guān)鍵物質(zhì)[15]，因此，減少農(nóng)業(yè)源，特別是農(nóng)田氨排放，對(duì)提高肥料的利用率、減少肥料對(duì)大氣環(huán)境的影響都具有十分重要的意義[16]。

實(shí)際上，目前在國(guó)際范圍內(nèi)采用的高效施肥技術(shù)是圍繞著糧食高效、生產(chǎn)高效、資源高效和環(huán)境高效來進(jìn)行的，如最早進(jìn)行的測(cè)土施肥技術(shù)就是為了平衡土壤養(yǎng)分、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)為目的的高效施肥技術(shù)措施[17]；20世紀(jì)90年代開始的精準(zhǔn)施肥技術(shù)也是針對(duì)全球燃油價(jià)格上漲、農(nóng)業(yè)化學(xué)品污染等問題采取的高效施肥措施[18]；灌溉施肥也是在節(jié)約用水的基礎(chǔ)上，大幅度減少施肥勞動(dòng)力投入的高效施肥技術(shù)措施[19]；一次性施肥是為了減少追肥所帶來的施肥勞動(dòng)力投入；葉面施肥技術(shù)是最大限度是利用養(yǎng)分，減少肥料浪費(fèi)的高效施肥技術(shù)措施等。20世紀(jì)末，人們提出了施肥的“4R”概念，即正確的肥料（Right source）、正確的用量（Right rate）、正確的時(shí)間（Right time）和正確的位置（Right place）。這個(gè)概念貫穿了施肥的各個(gè)環(huán)節(jié)，是高效施肥的基礎(chǔ)[5]。

所以，針對(duì)高效施肥的內(nèi)涵，可將高效施肥定義為，在作物營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)上，采用現(xiàn)代技術(shù)手段，最大限度地提高肥料利用效率，以充分保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，減少資源浪費(fèi)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2 高效施肥技術(shù)的研究與發(fā)展

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，以現(xiàn)代技術(shù)為手段的施肥技術(shù)蓬勃發(fā)展，每一種技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步都是以提高肥料的利用效率為核心的，從這個(gè)意義上講，人們對(duì)高效施肥的探索從來也沒有停止過?？v觀國(guó)內(nèi)外高效施肥技術(shù)的發(fā)展情況，目前可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，或在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用的高效施肥技術(shù)包括測(cè)土施肥技術(shù)、精準(zhǔn)施肥技術(shù)、灌溉施肥技術(shù)、輕簡(jiǎn)施肥技術(shù)、葉面施肥技術(shù)等。

2.1 測(cè)土施肥技術(shù)

測(cè)土施肥技術(shù)是現(xiàn)代施肥技術(shù)的基礎(chǔ)，也是最早研究的技術(shù)。有人研究指出，早在公元前50年，人們就開始測(cè)定土壤酸度，以判斷土壤肥力的高低[20]?，F(xiàn)代植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的奠基人李比希（Justus von Liebig 1803—1873）堅(jiān)信通過分析和研究植物的元素組成，就可以建立一套肥料推薦系統(tǒng)[7]，足見土壤和植物測(cè)試在科學(xué)施肥中的重要性。長(zhǎng)期以來，通過化學(xué)分析的方法，從最開始的土壤養(yǎng)分的快速提取到建立土壤化學(xué)組成與植物生長(zhǎng)的關(guān)系，再構(gòu)建植物最佳產(chǎn)量模型等，經(jīng)過100多年的研究，目前可以認(rèn)為，土壤測(cè)試與推薦施肥是現(xiàn)代施肥技術(shù)最基礎(chǔ)、最成熟的技術(shù)[21]。世界各國(guó)也紛紛把測(cè)土施肥技術(shù)作為國(guó)家策略推廣應(yīng)用。

美國(guó)在 20 世紀(jì) 60 年代就已經(jīng)建立了比較完善的測(cè)土施肥體系，每個(gè)州都有相應(yīng)的土壤測(cè)試化驗(yàn)室和測(cè)土工作委員會(huì)，負(fù)責(zé)土壤養(yǎng)分的測(cè)定與作物養(yǎng)分反應(yīng)的相關(guān)研究，以及方法的制定，指導(dǎo)農(nóng)民施肥。目前，美國(guó)配方施肥技術(shù)覆蓋80%以上的土地面積[22]。

歐洲許多國(guó)家都有相關(guān)的測(cè)土施肥技術(shù)規(guī)范，如英國(guó)每隔幾年，都要修訂《肥料手冊(cè)》，該手冊(cè)既講述作物營(yíng)養(yǎng)管理與肥料利用的基本原理，也介紹不同肥料的性質(zhì)與使用方法，同時(shí)介紹不同土壤上營(yíng)養(yǎng)管理的具體數(shù)值范圍和不同作物的具體施肥方法等。該手冊(cè)在指導(dǎo)當(dāng)?shù)胤柿系氖┯梅矫姘l(fā)揮了重要的作用[23]。

中國(guó)的測(cè)土施肥工作開展也較早，20世紀(jì) 70年代末，農(nóng)業(yè)部土壤普查辦公室組織了有16個(gè)省、市、自治區(qū)參加的“土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)研究”，隨后開展了大規(guī)模的配方施肥技術(shù)的推廣。1992 年組織了聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）平衡施肥項(xiàng)目的實(shí)施。1995 年前后，在全國(guó)部分地區(qū)進(jìn)行了土壤養(yǎng)分調(diào)查，并在全國(guó)組建了不同層次的多種類型土壤肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 000 多個(gè)，分布在16 個(gè)省區(qū)的70 多個(gè)縣，涵蓋了20 多種土壤類型[24]。2005年以后，中國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)開展了大規(guī)模的測(cè)土配方施肥行動(dòng)。政府出資免費(fèi)為農(nóng)民測(cè)試土壤樣品，以政府為主導(dǎo)，開展測(cè)土施肥的技術(shù)指導(dǎo)等工作。至2010年，中國(guó)測(cè)土配方施肥基本覆蓋了全國(guó)所有的農(nóng)區(qū)縣，同時(shí)每年農(nóng)業(yè)部發(fā)布1—2次施肥指導(dǎo)，為全國(guó)科學(xué)施肥提供了有力的技術(shù)支撐[17]。但是，由于中國(guó)農(nóng)業(yè)高度分散，農(nóng)民雖有高漲的積極性，但以政府為主導(dǎo)的測(cè)土配方施肥工作很難滿足全國(guó)農(nóng)民對(duì)測(cè)土配方施肥的技術(shù)需求[25]。

2.2 精準(zhǔn)施肥技術(shù)

2.2.1 精準(zhǔn)施肥的理論與技術(shù)體系 精準(zhǔn)施肥的理論是基于地塊內(nèi)的土壤養(yǎng)分變異，其核心技術(shù)是變量管理技術(shù)。長(zhǎng)期以來，農(nóng)業(yè)的基本操作都是以地塊進(jìn)行的，包括施肥在內(nèi)，在同一地塊上，肥料是按統(tǒng)一的用量均勻地施在土壤中。眾所周知，在同一地塊內(nèi)，土壤養(yǎng)分的分布是不均勻，如果在不同養(yǎng)分含量的土壤上施用同樣數(shù)量的肥料，則會(huì)出現(xiàn)有的區(qū)域施肥量過多，而有的區(qū)域則施肥量不足，這樣就會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[26]。這是因?yàn)橥寥佬再|(zhì)，包括土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性[27-28]。出現(xiàn)土壤性質(zhì)變異的原因是多方面的，有土壤形成的地質(zhì)學(xué)和土壤學(xué)過程的原因，也是農(nóng)田管理，特別是肥料施用等方面的原因[26]。20世紀(jì) 60年代初法國(guó)著名學(xué)者M(jìn)ATHERON創(chuàng)立的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[29]，為定量描述土壤的空間研究奠定了基礎(chǔ)，人們可以通過數(shù)學(xué)插值的方法準(zhǔn)確地描繪出土壤性狀的空間分布圖[30]。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(shí)也能繪制土壤養(yǎng)分的空間變異圖，但是，當(dāng)時(shí)沒有機(jī)械可以滿足針對(duì)空間變異的施肥方法。在美國(guó)，一些農(nóng)場(chǎng)根據(jù)土壤養(yǎng)分的變異情況，把一整塊土地分成幾個(gè)小的管理單元，在同一管理單元內(nèi)，施肥是均一的。但不同的管理單元的施肥量是不同的，這就是精準(zhǔn)施肥的雛形。然而，在一些地方由于土壤空間變異過于復(fù)雜，有時(shí)很難以把性質(zhì)相同的田塊劃分成一個(gè)管理單元[26]。

20世紀(jì)90年代以后，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，特別是地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（globe position system，GPS）[31]、遙感技術(shù)（remote sensing，RS）和計(jì)算機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的田間管理可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，首先把該技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的就是變量施肥技術(shù)。同時(shí)人們根據(jù)土壤空間變異的農(nóng)業(yè)管理方法也擴(kuò)展到了其他農(nóng)業(yè)管理環(huán)節(jié)，如農(nóng)田病蟲草害的防治[32]。這些根據(jù)田塊內(nèi)空間變異所進(jìn)行的農(nóng)事操作過程通稱為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（precision agriculture或precision farming）。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的含義是按照田間每一操作單元（區(qū)域、部位）的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項(xiàng)土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，以獲取單位面積上的最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源[33]。精準(zhǔn)施肥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最早應(yīng)用的領(lǐng)域，經(jīng)過20多年的發(fā)展，精準(zhǔn)施肥技術(shù)一直引領(lǐng)著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步[34]。

也可以認(rèn)為，精準(zhǔn)施肥技術(shù)是在其他相關(guān)技術(shù)的支持下發(fā)展起來的。20世紀(jì)70年代以后，微電子、機(jī)電一體化、監(jiān)控技術(shù)智能化、農(nóng)田信息采集智能化等技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的現(xiàn)代化。這都為精準(zhǔn)施肥提供了技術(shù)支持。20世紀(jì)80年代以后，發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理中出現(xiàn)了資源緊缺和環(huán)境質(zhì)量下降等一系列的問題，迫使這些國(guó)家采取更有效的方法，以充分利用各種投入、節(jié)約成本、提高利潤(rùn)，以提高農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，減少環(huán)境污染，這也是精準(zhǔn)施肥技術(shù)的社會(huì)需求[35]。1991年第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)以后，GPS技術(shù)逐漸民用化，這也給施肥精確定位管理提供了可能性[36]。

為了實(shí)現(xiàn)施肥的精準(zhǔn)變量管理，可將精準(zhǔn)施肥分為基于 3S技術(shù)和基于傳感器技術(shù)的精準(zhǔn)施肥體系。基于 3S技術(shù)的精準(zhǔn)施肥技術(shù)體系也稱為基于地圖的精準(zhǔn)施肥，該技術(shù)體系包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)?；?3S技術(shù)的精準(zhǔn)施肥技術(shù)體系的特點(diǎn)是，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)，將獲取的土壤養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)等信息進(jìn)行整理和分析，矢量化地圖數(shù)據(jù)，制成具有實(shí)效性和可操作性的田間土壤養(yǎng)分管理信息系統(tǒng)。然后，農(nóng)業(yè)機(jī)械則按照田間每一操作單元（位點(diǎn)）上的具體特性，通過變量控制等技術(shù)的應(yīng)用，調(diào)整肥料的施入量，達(dá)到最大限度地滿足作物需求、減少浪費(fèi)、提高經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境的目的[37]。

基于傳感器的精準(zhǔn)施肥技術(shù)是利用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定所需的特性數(shù)據(jù)，如土壤養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)等，這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)過計(jì)算機(jī)快速處理后，直接控制變量管理機(jī)具。所以，這種技術(shù)既不需要GPS定位系統(tǒng)，也不需要GIS技術(shù)的支持[38]。但由于田間實(shí)時(shí)傳感器價(jià)格高、精確度不夠等原因，基于傳感器的精準(zhǔn)施肥應(yīng)用還不十分普遍。另外，利用GIS結(jié)合GPS進(jìn)行土壤采樣、作物產(chǎn)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、土壤圖繪制等都較為方便，加上地統(tǒng)計(jì)學(xué)和作物模擬等方法的發(fā)展與應(yīng)用，使得基于3S技術(shù)的精準(zhǔn)施肥技術(shù)應(yīng)用更為普遍[38]。

2.2.2 精準(zhǔn)施肥的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用情況 精準(zhǔn)施肥的效益取決于該技術(shù)的應(yīng)用能否有效節(jié)約成本、增加產(chǎn)出。精準(zhǔn)施肥的效益應(yīng)從兩個(gè)方面考慮，一是生態(tài)環(huán)境效益，另一個(gè)是經(jīng)濟(jì)效益。

在美國(guó)，通過把每個(gè)農(nóng)場(chǎng)數(shù)百個(gè)小區(qū)的土壤測(cè)試、播種量、產(chǎn)量、農(nóng)藥和肥料用量等結(jié)合起來分析，精確地預(yù)測(cè)了最佳經(jīng)濟(jì)投入量，使種子、化肥、農(nóng)藥都獲得較大效益，減少了成本、節(jié)約了資源，經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。一項(xiàng)研究結(jié)果表明，僅就氮肥施用量就可降低 24%—40%[39]。以往的研究還表明，傳統(tǒng)的均量施肥造成某些區(qū)域施肥過量，某些區(qū)域施肥量不足。過量施肥區(qū)域的多余養(yǎng)分就會(huì)進(jìn)入水體等環(huán)境中。精準(zhǔn)施肥就能有效避免或減少此類問題的發(fā)生。

精準(zhǔn)施肥的經(jīng)濟(jì)效益還取決于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模。精準(zhǔn)施肥需要較大的投入，投入項(xiàng)目包括土壤測(cè)試、制作養(yǎng)分管理圖、施肥變量機(jī)具、田間操作，以及技術(shù)維護(hù)等等，特別是設(shè)備的利用效率，以及機(jī)具的維護(hù)等。因此，如果經(jīng)營(yíng)規(guī)模小，單位土地面積上支付該精準(zhǔn)施肥技術(shù)體系的費(fèi)用就會(huì)很高。反之，則費(fèi)用就會(huì)降低。所以，為了降低系統(tǒng)使用費(fèi)，在美國(guó)等一些國(guó)家，采用社會(huì)化服務(wù)的方式，推行精準(zhǔn)施肥。據(jù)美國(guó)Purdue大學(xué)研究表明，在美國(guó)采用精準(zhǔn)施肥技術(shù)的農(nóng)民有60%實(shí)現(xiàn)贏利，有10%虧損，有30%保本[39]。

北美的美國(guó)和加拿大是應(yīng)用精準(zhǔn)施肥技術(shù)較早的國(guó)家，據(jù)估計(jì)至1998年美國(guó)就有4%的農(nóng)場(chǎng)使用一項(xiàng)以上的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，其中廣為接受的是網(wǎng)格土壤取樣技術(shù)和變量施肥技術(shù)（約占美國(guó)農(nóng)場(chǎng)的 2%）、作物產(chǎn)量監(jiān)視和產(chǎn)量圖的實(shí)時(shí)繪制（約占 1%）、其他技術(shù)如變量播種、精準(zhǔn)噴藥以及遙感技術(shù)的應(yīng)用不足1%。2000年，在小麥種植中，約有 10%的面積應(yīng)用了作物產(chǎn)量監(jiān)視器，而玉米和大豆使用作物產(chǎn)量監(jiān)視器的面積達(dá)30%和25%，到2001年，美國(guó)有33%的玉米應(yīng)用了產(chǎn)量監(jiān)視器[40]。澳大利亞對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的接受程度不高，其主要是原因是成本、效益、技術(shù)推廣等。通過對(duì)英國(guó)350戶農(nóng)民的調(diào)查，有25%使用了具有GPS的作物產(chǎn)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器。在美國(guó)阿肯色州的調(diào)查顯示，接受精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的人員大部是年青人、受過良好教育的人員、愛好計(jì)算機(jī)并規(guī)模種植水稻和大豆等作物的人員[27]。目前進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用的國(guó)家除美國(guó)和加拿大外，還有韓國(guó)、印度尼西亞、孟加拉、斯里蘭卡、土耳其、沙特阿拉伯、澳大利亞、巴西、阿根廷、智利、烏拉圭、俄羅斯、意大利、荷蘭、德國(guó)、英國(guó)、日本等。

2.3 灌溉施肥技術(shù)

把肥料直接注入灌溉水中進(jìn)行施肥的方法稱為灌溉施肥（fertigation）[41]。灌溉施肥在我國(guó)稱為水肥一體化。有關(guān)灌溉施肥研究始于 1958年[19]。20世紀(jì)60年代初開始迅速發(fā)展[42]。40多年來，灌溉施肥技術(shù)在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，它作為一項(xiàng)技術(shù)，可滿足植物不同生育時(shí)期的水分和養(yǎng)分需求以獲得肥料的最大效率。綜合起來，與傳統(tǒng)施肥相比，灌溉施肥有四方面的優(yōu)點(diǎn)：一是水分和養(yǎng)分可直接供給到作物的根系活動(dòng)區(qū)，使作物更容易吸收；二是水分和養(yǎng)分可均勻供給所有的植株，可獲得更高的產(chǎn)量；三是通過這種方式可減少水分和肥料的用量，提高了肥料的利用率；四是灌溉與施肥同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約了時(shí)間和勞動(dòng)力，還可節(jié)約能源投入[43]。由于灌溉施肥的載體是灌溉水，所以，根據(jù)灌溉方式不同，灌溉施肥的方式也有差異。目前，可將灌溉施肥大致分為幾種。

2.3.1 表面灌溉施肥（surface fertigation） 表面灌溉施肥是在常規(guī)的無壓灌溉條件下，將肥料溶入灌溉水中，通過灌溉水將肥料帶入田間的方法。表面無壓灌溉（溝灌和畦灌）是最傳統(tǒng)的灌溉方式，但對(duì)其研究卻始于20世紀(jì)末，主要原因是有的學(xué)者認(rèn)為表面灌溉施肥較有壓灌溉施肥的效率低，且控制過程復(fù)雜。也有人認(rèn)為，農(nóng)業(yè)化學(xué)品的污染與表面灌溉的關(guān)系十分密切，在可預(yù)見的未來，表面灌溉施肥的研究十分必要，其原因有四個(gè)方面，一是在世界很多地方，由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的原因，有壓灌溉還很難達(dá)到；二是先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟硬件的出現(xiàn)有助于表面灌溉施肥技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)施中，水和肥的效率是獨(dú)立的。所以表面灌溉施肥技術(shù)在未來一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)發(fā)展，但是，在研究中，表面灌溉施肥的模擬模型如表面水流、地下水流、表面溶質(zhì)運(yùn)移、地下溶質(zhì)運(yùn)移模型都需要進(jìn)一步研究，特別是彌散效應(yīng)對(duì)地表溶質(zhì)運(yùn)移的影響，有人建議彌散效應(yīng)可以忽略，也有人認(rèn)為不能忽略。彌散效應(yīng)似乎與肥料種類、進(jìn)水流量、灌溉方式、溝畦長(zhǎng)度、土壤入滲和土壤粗糙度有關(guān)[42]。目前對(duì)表面灌溉施肥的模擬模型大部分是針對(duì)一次灌溉施肥事件，長(zhǎng)期來看，從農(nóng)業(yè)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的角度，一個(gè)作物生長(zhǎng)季節(jié)的表面灌溉施肥研究很有必要，同時(shí)，作物模型也應(yīng)結(jié)合施肥模型以評(píng)估施肥措施對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，作物產(chǎn)量的影響，經(jīng)濟(jì)效益和肥料的淋失等。表面灌溉施肥的最終表現(xiàn)是作物對(duì)肥料的利用率，田間試驗(yàn)和模擬的方法都需要解決這個(gè)瓶頸問題[42]。

中國(guó)現(xiàn)有耕地1.35億公頃，灌溉面積0.6億公頃[44]。其中一半以上采用的是常規(guī)無壓灌溉，即表面灌溉。農(nóng)民為了節(jié)省施肥的勞動(dòng)力投入，常常采用將肥料溶入灌溉水中進(jìn)行施肥，這些方法雖然在技術(shù)上歸為表面灌溉施肥，但是，對(duì)其進(jìn)行的研究和指導(dǎo)還基本上是空白，所以，加強(qiáng)表面灌溉施肥的研究與應(yīng)用在中國(guó)十分必要，也十分迫切。

2.3.2 滴灌施肥（drip fertigation） 滴灌施肥是將肥料注入到滴灌系統(tǒng)中，通過滴灌系統(tǒng)將肥料帶入田間的施肥方法。根據(jù)滴灌方式不同，可分為表面滴灌施肥（surface drip fertigation）和地下滴灌施肥（subsurface drip fertigation）。一般認(rèn)為，滴灌是給水器（滴頭）流量小于7.5 L·h-1，當(dāng)?shù)晤^處于20 cm土層以下，且不影響表面耕作的情況下，稱為地下滴灌；而滴頭處于20 cm土層以上時(shí)，且田間管路每年都需更換的滴灌方式稱為地表滴灌。所以，無論是地表滴灌施肥還是地下滴灌施肥，其不同點(diǎn)在于滴頭所處的深度，而滴灌施肥的其他設(shè)備基本相同[45]。

滴灌施肥的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代初的美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室[46]，同時(shí)期的 1964年以色列工程師也報(bào)道了滴灌技術(shù)的實(shí)驗(yàn)[47]。在滴灌施肥中，滴灌帶、滴頭、注肥器、田間管路分布以及自動(dòng)控制是該系統(tǒng)的中心內(nèi)容。在滴灌施肥技術(shù)中，諸如針對(duì)滴頭由于化學(xué)物質(zhì)沉淀、微生物生長(zhǎng)、根系侵入等因素造成的堵塞、田間水肥分布不勻等問題，還需要進(jìn)行大量的研究；在設(shè)備生產(chǎn)方面，塑料材料選擇、生產(chǎn)工藝、滴頭設(shè)計(jì)等一直是滴灌施肥研究的重點(diǎn)[48]。

目前滴灌及滴灌施肥系統(tǒng)已在全球廣泛應(yīng)用[49]，地表滴灌施肥是目前應(yīng)用最多的灌溉施肥方式[50]。但是，對(duì)地下滴灌的研究較多為理論研究。目前，滴灌已從園藝作物應(yīng)用到了大田作物，已從高價(jià)值作物應(yīng)用到了普通作物[51]，該技術(shù)可節(jié)水 40%以上，節(jié)肥20%以上，比常規(guī)省工90%，可節(jié)約土地5%—7%，增產(chǎn)幅度達(dá)30%—50%，可有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境[44]。這種技術(shù)被認(rèn)為是最高效的施肥技術(shù)[52]。目前該技術(shù)正在運(yùn)用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水分－養(yǎng)分管理的全自動(dòng)化[53]。

2.3.3 微噴施肥（sprinkler fertigation） 通過微噴灌系統(tǒng)將肥料帶入田間的施肥方式稱為微噴施肥，這種施肥方式也是最早進(jìn)行研究的灌溉施肥方式[19]，目前這種方式已被滴灌施肥所取代，但是，在溫室等保護(hù)地種植、園藝作物等方面還有應(yīng)用[54]。微噴施肥與滴灌施肥的最大區(qū)別在于肥料通過微噴灌系統(tǒng)可將肥料直接噴施在植物葉面上，特別是對(duì)微量元素的應(yīng)用更加適宜。再則，通過微噴灌系統(tǒng)還可將肥料以外的其他農(nóng)用化學(xué)品如殺蟲劑、殺菌劑等噴灑到作物上，也就是目前應(yīng)用更方泛的化學(xué)灌溉（chemigation）[55]。

2.4 輕簡(jiǎn)施肥技術(shù)

隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力成本的提高，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動(dòng)力的投入以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的方法是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方面。由于施肥的勞動(dòng)力投入占作物生產(chǎn)管理過程勞動(dòng)力投入的一半左右，所以，減少施肥次數(shù)，節(jié)省勞動(dòng)力的方法倍受關(guān)注。顧名思義, “輕”是機(jī)械代替人工，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；“簡(jiǎn)”是減少不必要的作業(yè)環(huán)節(jié)和次數(shù)[56]。所以，輕簡(jiǎn)施肥也可以理解為用現(xiàn)代化的施肥技術(shù)代替人工施肥操作，減輕施肥過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化施肥方式、減少施肥次數(shù)的施肥方法[57]。在實(shí)際操作中，用一次性施肥替代多次施肥，種、肥同播[58]替代種、肥分播的施肥方式都屬于輕簡(jiǎn)施肥的范疇。與輕簡(jiǎn)施肥相伴而生的就是肥料的緩/控釋技術(shù)。近年來，由于中國(guó)勞動(dòng)力成本的提高，以及緩/控釋肥料的大力發(fā)展，輕簡(jiǎn)施肥也越來越受到人們的重視。

3 高效施肥技術(shù)的前景與展望

隨著人口的日益增長(zhǎng)，對(duì)糧食需求不斷提高。同時(shí)，人們對(duì)環(huán)境的要求也越來越高。所以，高效施肥技術(shù)的重點(diǎn)還必須以提高肥料利用率、減少肥料對(duì)環(huán)境的影響為主要施肥目標(biāo)。高效施肥技術(shù)也會(huì)隨著全社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平的提高而提高，在可預(yù)的未來，高效施肥會(huì)向著信息化、自動(dòng)化、智能化、輕簡(jiǎn)化方向發(fā)展。

3.1 高效營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù)

植物生長(zhǎng)有其自身的規(guī)律。在作物營(yíng)養(yǎng)管理方面，必須首先確定作物需要什么元素、需要多少量？土壤本身能提供多少？這就是營(yíng)養(yǎng)診斷。100多年來，人們都孜孜不倦地研究這方面的問題[6]。近年來，高光譜無損探測(cè)技術(shù)[59]、土壤養(yǎng)分原位監(jiān)測(cè)技術(shù)、高效土壤養(yǎng)分測(cè)試技術(shù)[60]等都有一定的進(jìn)展。

3.2 數(shù)字化養(yǎng)分管理系統(tǒng)

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，作物的養(yǎng)分管理也正向著數(shù)字化的方向發(fā)展，目前精準(zhǔn)施肥技術(shù)的發(fā)展就是在空間尺度上的數(shù)字管理，但是在時(shí)間尺度上的應(yīng)用還不盡如人意。這主要是由于目前的作物養(yǎng)分管理大部分都是基于作物生育期尺度上的，以生育期為時(shí)間尺度的養(yǎng)分管理雖然能最大限度地吻合作物養(yǎng)分需求。但是，由于作物生育期長(zhǎng)短不一，施入土壤中的養(yǎng)分在土壤中滯留時(shí)間過長(zhǎng)，難免造成肥料養(yǎng)分的損失。因此，縮短養(yǎng)分管理周期，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化“匙喂”式管理，對(duì)滿足作物營(yíng)養(yǎng)需求、提高養(yǎng)分利用率、減少養(yǎng)分損失都具有重大的意義。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一個(gè)最基本的依據(jù)就是精準(zhǔn)化、數(shù)字化的作物營(yíng)養(yǎng)需求模型。所以，加強(qiáng)短尺度的作物營(yíng)養(yǎng)需求模型研究是實(shí)現(xiàn)作物數(shù)字化養(yǎng)分管理的關(guān)鍵。特別將數(shù)字化養(yǎng)分管理應(yīng)用于灌溉施肥技術(shù)中，是提高灌溉施肥效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 養(yǎng)分高效利用基因篩選

養(yǎng)分的高效利用一方面決定于養(yǎng)分的充足供應(yīng)，另一方面決定于作物的高效吸收，前者是外因，后者是內(nèi)因。所以，通過養(yǎng)分高效利用基因的篩選，選擇一些可高效吸收養(yǎng)分的基因，是提高作物養(yǎng)分利用率的有效方法。目前人們對(duì)此進(jìn)行了很多研究，但大部分的作物養(yǎng)分高效利用基因都是在土壤低養(yǎng)分濃度下表現(xiàn)出高效利用[61]，在高養(yǎng)分濃度下，這些基因則不表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。由于近半個(gè)世紀(jì)的土壤培肥，我國(guó)大部分土壤養(yǎng)分處于中等偏上，所以，篩選在中高等養(yǎng)分條件下可發(fā)揮作用的作物養(yǎng)分高效利用基因，對(duì)提高養(yǎng)分利用率有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 營(yíng)養(yǎng)鏈一體化管理

植物生產(chǎn)的主要目的是營(yíng)養(yǎng)人與動(dòng)物。在食物鏈中，生物所需要的營(yíng)養(yǎng)元素有些是相同的，有些則不同的。過去的研究與應(yīng)用都是分開進(jìn)行的，為了滿足植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素需要，主要是通過肥料來補(bǔ)充的。而人和動(dòng)物所需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素主要通過營(yíng)養(yǎng)鹽等來補(bǔ)充。當(dāng)植物、動(dòng)物和人所需要的營(yíng)養(yǎng)元素相同時(shí)，一般很少再通過營(yíng)養(yǎng)鹽來補(bǔ)充，如K是植物和動(dòng)物及人共同所需的營(yíng)養(yǎng)元素，所以，很少出現(xiàn)人和動(dòng)物的缺K情況，而Na元素不是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但是人和動(dòng)物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，因此，Na元素不能通過食物鏈進(jìn)行補(bǔ)充，在生活中，必須通過食用鹽的方法來補(bǔ)充Na。其他元素也基本如此。所以，作者認(rèn)為，在不影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的情況下，將食物鏈下端的營(yíng)養(yǎng)元素通過施肥的形式首先補(bǔ)充到植物中去，然后通過植物對(duì)食物鏈后端的生物提供生命所需的營(yíng)養(yǎng)元素。雖然這些營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育沒有益處，但對(duì)食物鏈下端的生物產(chǎn)生有益影響。這種通過植物補(bǔ)充食物鏈下端營(yíng)養(yǎng)元素的方法稱為食物鏈營(yíng)養(yǎng)理論。這樣，為了營(yíng)養(yǎng)食物鏈下端生物而對(duì)植物進(jìn)行施用的元素也應(yīng)稱為肥料。

國(guó)際 ISO7851《肥料和土壤調(diào)理劑－分類》中把肥料的定義為“以提供植物養(yǎng)分為其主要功效的物料”，這里所指的植物養(yǎng)分主要是指植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素?？傊徽撌菍?duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的定義，還是對(duì)肥料的定義，都只考慮植物生長(zhǎng)發(fā)育本身，沒有考慮到以植物為主要食物的人和動(dòng)物的健康。世界衛(wèi)生組織（WHO）確認(rèn)人體需要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、鈷、錳、鎳、錫、硅、硒、鉬、碘、氟、釩。在植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素中，除硼外，人和動(dòng)物都需要。在人和動(dòng)物必需的營(yíng)養(yǎng)元素中，鈉、鉻、鈷、錫、硅、硒、碘、氟、釩則不是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素。根據(jù)人和動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)，人體所需的礦物元素為植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)，人和動(dòng)物基本上不必通過礦物質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充，當(dāng)人體必需的礦質(zhì)元素不是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)，人和動(dòng)物必須進(jìn)行大量的補(bǔ)充，否則影響健康。如鈉、碘、硒等。還有一些元素雖然也是植物、人和動(dòng)物共需的礦物元素，但人和動(dòng)物在特殊條件下也需要補(bǔ)充，如鈣、鎂、鋅等。醫(yī)學(xué)和生物學(xué)方面也研究了很多方法，如利用基因工程的方法增加植物對(duì)鋅的吸收以滿足人體對(duì)鋅的需求；通過食物鈣片的方法，滿足人體對(duì)鈣的需求；通過在飼料中加鎂的方法滿足動(dòng)物對(duì)鎂的需求等，對(duì)有些元素，如果通過植物營(yíng)養(yǎng)以滿足食物鏈下端的營(yíng)養(yǎng)需求也十分有效，如通過植物補(bǔ)充人體所需要的硒元素。人不僅可以避免直接食用礦物元素所帶來的成本問題，也能避免直接食用礦物質(zhì)過量而帶來的健康問題。遺憾的是，長(zhǎng)期以來，肥料的概念只限于植物本身，如果把肥料的概念擴(kuò)展到食物鏈下端的人和動(dòng)物健康，將人和動(dòng)物所需要的營(yíng)養(yǎng)元素通過植物進(jìn)行補(bǔ)充將對(duì)人和動(dòng)物健康帶來事半功倍的效果。

3.5 作物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)

植物對(duì)養(yǎng)分的吸收受多種因素的調(diào)控，特別是植物體內(nèi)物質(zhì)的調(diào)控，如吲哚乙酸可調(diào)控植物根系生長(zhǎng)，從而影響植物對(duì)水肥的吸收。因此，通過影響作物生長(zhǎng)和代謝而影響作物養(yǎng)分吸收的方法也是提高植物養(yǎng)分高效利用的有效方法。目前歐洲肥料企業(yè)強(qiáng)力推進(jìn)的植物生物刺激素就是通過改善植物代謝以提高植物養(yǎng)分利用、增強(qiáng)作物抗性、改善作物品質(zhì)、提高作物產(chǎn)量。它們或單獨(dú)使用、或與肥料共同使用，都有較好的效果。許多植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑也有類似的功能。通過調(diào)節(jié)作物的代謝提高養(yǎng)分吸收能力，從而提高肥料養(yǎng)分高效利用的方法也是未來植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)科研究的重要方面。

3.6 生態(tài)環(huán)境保護(hù)的施肥技術(shù)

20世紀(jì)70年代以后，人們開始注意到肥料對(duì)環(huán)境的影響，特別是一些污染事件都與肥料密切相關(guān)，甚至有人開始抵制化學(xué)肥料的施用。目前一些研究表明，肥料的不合理施用，不僅對(duì)地表水、地下水等易造成污染，而且對(duì)大氣質(zhì)量也有一定的影響。近年來，人們開始注意到農(nóng)業(yè)源氨排放與大氣質(zhì)量的關(guān)系。所以，肥料在提高作物產(chǎn)量、保證糧食安全的同時(shí)，也必須保證生態(tài)環(huán)境的安全，減少肥料養(yǎng)分向環(huán)境轉(zhuǎn)移是高效施肥技術(shù)的重要研究方向之一。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來，施肥的目的是為了提高作物產(chǎn)量，保證人類發(fā)展對(duì)糧食的需求，化學(xué)肥料的發(fā)明大大緩解了人口增長(zhǎng)與糧食需求的矛盾。但是，隨之而來的肥料施用與農(nóng)產(chǎn)品安全、生態(tài)環(huán)境安全的問題引起人們的廣泛關(guān)注。如何在提高肥料效益保證糧食產(chǎn)量與減少肥料施用保證環(huán)境安全問題上找出一個(gè)平衡點(diǎn)，成了施肥技術(shù)必須面臨的問題，這也是未來高效施肥研究的重要驅(qū)動(dòng)力。高效營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù)、數(shù)字化養(yǎng)分管理系統(tǒng)、養(yǎng)分高效利用基因篩選、營(yíng)養(yǎng)鏈一體化管理、作物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的施肥技術(shù)等將是未來高效施肥技術(shù)研究與應(yīng)用的主要方向。

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