張 悅

(河北環(huán)境工程學院 河北秦皇島 066102)

1 土壤中的營養(yǎng)元素

大量元素氮、磷、鉀為人們所熟知，已成為當今世界化肥工業(yè)的支柱。18世紀后，在施用有機肥基礎(chǔ)上發(fā)展了化學肥料的施用。近100多年來，人們大量使用氮、磷、鉀肥料，忽視了對中微量元素的補充；特別是近年來，可用于補給中量元素的硫酸銨、過磷酸鈣等肥料，逐漸被尿素、磷酸銨等大量元素含量高的肥料所取代，而高濃度大量元素肥料的大范圍推廣使用在提高作物產(chǎn)量的同時，也增大了對土壤中中微量元素的消耗。中微量元素肥料施用量不足，導致中微量元素的補充僅依靠殘花、落葉等自然物質(zhì)歸還這種原始的、低水平的物質(zhì)循環(huán)體系[1-2]。土壤中大部分中微量元素由于存在形式穩(wěn)定、溶解度小，不能被農(nóng)作物直接吸收和利用，僅有少部分溶解在土壤溶液中的才能被作物吸收。隨著農(nóng)作物高產(chǎn)品種的培育及復種指數(shù)的提高，輪作困難，土壤無休養(yǎng)生息時間，有效中微量元素的產(chǎn)生量不能滿足作物生長的需求。作物不斷從土壤中攝取營養(yǎng)，雖然氮、磷、鉀肥的施用量劇增，但被作物帶走的中微量元素卻沒有得到系統(tǒng)補給，導致土壤中的中微量元素逐漸耗竭[3]。特別是在我國高溫多雨的南方地區(qū)，土壤中的中量營養(yǎng)元素多年來不斷被高產(chǎn)作物大量帶走，加之淋溶損失嚴重，導致中量營養(yǎng)元素供應不足，在廣東、廣西、云南、貴州、湖南、湖北、四川等省份表現(xiàn)尤為嚴重。

土壤中含有多種礦物，其化學組成復雜，主要含有10多種元素，其中以氧、硅、鋁、鐵等4種元素含量最高，SiO2、Al2O3、Fe2O3的質(zhì)量分數(shù)之和通常超過75%。雖然土壤中一般均含有植物生長所必需的各種營養(yǎng)元素，但是豐缺程度不同。

數(shù)據(jù)顯示，全國土壤中鈣、鎂、硫、鐵、錳、銅、鋅、硼、鉬等中微量元素含量在臨界值以下的耕地面積占比分別達到63%、53%、40%、31%、48%、25%、42%、84%、59%。與第二次全國土壤普查的數(shù)據(jù)相比，中微量元素缺乏的耕地面積增加近1倍。中國土壤普遍缺硼，其中山東、江蘇、河南、安徽、云南、貴州、四川、廣東、廣西等17個省區(qū)的缺硼耕地面積占比約為60%。同時存在的另一情況是，土壤中的中微量元素并不缺乏，但土壤中的微量營養(yǎng)元素多以氧化物、硫化物、碳酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽和鉬酸鹽等難溶于水的無機礦物形式存在，受土壤中無機礦物的化學性質(zhì)、土壤溶液的酸堿度、氧化還原電位、根系分泌物、地理位置及氣溫、降水量等生態(tài)環(huán)境因素的影響，能被植物吸收利用的有效態(tài)含量占全量的比例較低[4]，一般不超過10%。因此，必須通過施肥的方式適當補充中微量元素。

2 中微量元素對提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的意義

植物的生長發(fā)育需要吸收各種營養(yǎng)，每種必需的營養(yǎng)元素都對植物的生長發(fā)育起著其他元素不可替代的作用，但是決定植物產(chǎn)量的是土壤中相對含量最小的營養(yǎng)元素，產(chǎn)量也在一定限度內(nèi)隨著相應元素含量的增減發(fā)生變化。因存在這個限制因素，即使繼續(xù)增加其他營養(yǎng)成分，也難以提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[5]，即德國化學家、農(nóng)業(yè)化學的創(chuàng)始人李比希提出的“同等重要律”“不可替代律”和“最小養(yǎng)分律”。因此，中微量元素營養(yǎng)問題將會日益突出，已在一些地區(qū)成為作物增產(chǎn)的制約因素，將是今后肥料科學研究的重要內(nèi)容之一。

中量元素是增強作物抗病性、調(diào)節(jié)農(nóng)產(chǎn)品風味的重要因子；微量元素一般多為植物體內(nèi)酶和輔酶的組成成分，是促進農(nóng)產(chǎn)品中營養(yǎng)物質(zhì)合成的重要物質(zhì)，對作物的干物質(zhì)積累起著重要作用，同時微量元素對人體有益。作物缺乏中微量元素有3種危害：一是成熟期推遲，產(chǎn)量降低，嚴重時絕收；二是作物抗逆能力下降，不能抵御細菌、病毒、旱、澇、風寒等外界不利因素的侵襲，易生病或受害；三是產(chǎn)品品質(zhì)下降，直接影響農(nóng)產(chǎn)品的外形、色澤、口味、營養(yǎng)成分等，降低產(chǎn)品對人體的營養(yǎng)價值[6-7]。

2.1 硫

近年來，硫被認為是植物需要的4種中量營養(yǎng)元素之一，僅次于氮、磷和鉀。硫的作用是通過直接向作物提供硫養(yǎng)分，促進作物的根系發(fā)育，提高作物必需養(yǎng)分特別是氮和磷的利用率，促進作物體內(nèi)養(yǎng)分平衡，從而提高作物產(chǎn)量。隨著世界糧食產(chǎn)量的增加，硫肥需求量日益上升，而世界范圍內(nèi)各地區(qū)土壤普遍缺硫，其中亞洲是最大的缺硫地區(qū)。近年來隨著我國化肥工業(yè)的發(fā)展，過去大量施用的硫酸銨、硫酸鉀和過磷酸鈣等含硫化肥，逐漸被大量元素含量高但不含硫或含硫量少的尿素、磷酸銨和高濃度復合肥等替代[8-9]，隨著化肥施入農(nóng)田中的硫大幅度減少，硫與氮、磷、鉀的投入呈現(xiàn)嚴重的不平衡，目前在很多地區(qū)缺硫已成為制約作物產(chǎn)量和品質(zhì)、農(nóng)民收益的重要因素。

2.2 鈣

鈣對于植物的抗逆性具有重要作用。鈣能維持細胞壁的結(jié)構(gòu)和功能，保持并提高細胞膜的穩(wěn)定性，促進鉀的吸收，延緩細胞衰老；促進根系發(fā)育；中和植物體內(nèi)在代謝過程中產(chǎn)生的具有毒性的過量有機酸，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的酸堿度[10]。

我國南方土壤多呈酸性，又由于降水量大、風化作用強烈，礦物分解較徹底，導致鈣大量流失。除石灰性土壤外，一般土壤含鈣質(zhì)量分數(shù)為0.5%～2.0%，在大量施氮肥的條件下，很難滿足作物在生長過程中對鈣的需求[11]。

2.3 鎂

鎂是植物葉綠素的組成元素之一，植物缺鎂會引起葉綠素含量降低，進而影響光合作用強度[7]。鎂在土壤中是一種移動性較大的元素，易淋溶損失，特別是在我國南方高溫多雨、酸性土壤地區(qū)。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，土壤缺鎂的地區(qū)越來越多，目前我國有54%的土壤需要不同程度地補充鎂[12]。

2.4 鐵

鐵是最早被發(fā)現(xiàn)、居首位的植物必需營養(yǎng)元素。鐵在種子萌發(fā)過程中是不可缺少的，植物種子的子葉或胚中儲藏有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，其中包括植物必需的鐵元素。鐵是葉綠素合成所必需的營養(yǎng)元素之一，直接參與光合電子傳遞及光合作用。研究表明，鐵直接參與蛋白質(zhì)合成，血紅蛋白和鐵硫蛋白分別在植物的氮代謝、呼吸的電子傳遞過程中起著不可替代的重要作用。此外，鐵是酶和底物結(jié)合的橋接元素，由它催化的許多酶是生物抗性的執(zhí)行者。當植物缺鐵時，植物體內(nèi)硝酸鹽、氨基酸和酰胺出現(xiàn)明顯的累積，葉綠體中蛋白質(zhì)和膜蛋白含量均明顯下降，葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，葉綠素含量減少，新葉變黃，光合作用速率降低，呼吸強度減弱，植物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)下降[13-14]。

植物缺鐵失綠癥是一個全世界普遍面臨的問題，分布范圍極廣，尤其在干旱和半干旱的石灰性土壤地區(qū)更為嚴重。我國西北、華北地區(qū)土壤缺鐵情況相當普遍，對果樹、蔬菜、豆類及大田作物均有影響。在鹽堿性土壤生長的植物也容易出現(xiàn)缺鐵現(xiàn)象[15]。

2.5 鋅

鋅是植物體內(nèi)多種酶的組成元素，有增強植物抗逆性的作用，并在植物代謝過程中具有重要作用。研究表明，鋅可以提高番茄植株的抗逆性和番茄果實品質(zhì)。鋅肥對玉米有明顯的效果，玉米產(chǎn)量隨著鋅肥施用量的增加而增加[16-17]。缺鋅會影響葉綠體的合成，使酶活性降低，從而影響光合作用和氮、糖的代謝。目前無論是國外還是國內(nèi)，有較大范圍的土壤缺鋅，盡管土壤施用硫酸鋅的方法操作簡單，但硫酸鋅易被土壤固定，特別是我國北方潛在缺鋅的石灰性土壤。因此，可采用葉面噴施硫酸鋅、土壤施用乙二胺四乙酸鋅鈉(EDTA-Zn)，或?qū)⒘蛩徜\與有機肥(如玉米秸稈)混合后土壤施用[18-19]等方式提高鋅肥的利用率。

2.6 硼

硼是植物生長所必需的微量元素，能促進作物體內(nèi)糖的合成和代謝，對受精過程有特殊的作用，可提高作物的結(jié)實率和果樹的坐果率。土壤中有效硼含量的臨界值為0.5 mg/kg，缺硼會影響植物花粉的形成，影響授粉和結(jié)果，出現(xiàn)結(jié)實率下降、落果、果實畸形等情況[20-23]。我國土壤缺硼面積較大，需要補充硼肥。常見的硼肥為硼酸和硼砂，但是其在水中的溶解度較小，溶解速率慢，采用聚合硼酸鉀可以解決該問題[24]。

為了促進作物對各種營養(yǎng)元素的全面吸收，有效提高肥料利用率，增加作物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，就必須通過施肥歸還和補充作物從土壤中帶走的養(yǎng)分，這就是著名的“養(yǎng)分歸還(補償)學說”[6]。因此，補充中微量元素已成為當前促進農(nóng)作物增產(chǎn)增質(zhì)的必要手段。我國于20世紀50年代在中微量元素肥料方面開展了一些研究工作，然而與國際相比，我國對微量元素肥料的推廣起步較晚[25-26]，直到20世紀80年代隨著復混肥的發(fā)展，才開始重視微量元素肥料的生產(chǎn)和施用。1996年我國生產(chǎn)的微量元素肥料品種為50多種，作為微量元素肥料施用的僅30多種。盡管目前微量元素肥料的品種數(shù)量大幅提高，但很大一部分是無機鹽直接施用，無機鹽微量元素肥料易被土壤特別是北方地區(qū)的堿性土壤固定，或發(fā)生元素間拮抗作用，導致植物對微量元素有效利用率不高，并造成肥料的浪費甚至污染土壤。因此，對無機鹽微量元素肥料的土壤施用應保持慎重，提倡施用螯合微量元素肥料、玻璃微量元素肥料、液體微量元素肥料。國外早期曾用抗壞血酸作為螯合劑，現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHMA)、氨基酸、檸檬酸等含羧基的有機物作為螯合劑，與微量元素螯合制備水溶性螯合態(tài)微量元素肥料，用于葉面噴施或滴灌施肥[27]。玻璃肥料是以玻璃為基質(zhì)，含有植物所需的中微量元素的一種控釋肥料，施用方式為一次性基施，其養(yǎng)分在植物根系分泌物的作用下緩慢釋放，持效期長，可被植物充分吸收利用[28]。

3 有機碳肥

我國糧食產(chǎn)量連續(xù)11年保持增長，化肥做出了重要的貢獻。然而，過量和不能合理、適時用肥，導致化肥利用率較低，出現(xiàn)土壤板結(jié)、次生鹽堿化或酸化、肥力下降、環(huán)境污染和生態(tài)平衡被破壞等一系列問題，目前東北黑土已出現(xiàn)了不同程度的酸化[29]，影響作物生長，嚴重威脅著我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全。因此，需要加快改變農(nóng)作物對化肥過分依賴的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，在穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的前提下，大力發(fā)展化肥替代技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，促進化學肥料的高效利用。

有機肥養(yǎng)分較全面，具有緩效性能，能有效增加土壤有機質(zhì)，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤酸堿緩沖性能，促進土壤中微生物的繁殖[30-31]，有利于提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[32]。另外，有機肥替代硫酸銨、硝酸銨等無機肥料還能提高氮素利用率、降低深層土壤硝酸鹽的淋失、減少氧化亞氮等溫室氣體排放[33]。李超等[34]研究表明，在施氮水平相同的條件下，有機肥替代部分化學氮肥能在一定程度上促進水稻生長發(fā)育，提高植株后期氮素累積量、結(jié)實率和水稻產(chǎn)量。

植物對碳元素的需求量遠大于氮，盡管植物的光合作用能從空氣中吸收碳，但仍不能滿足植物的需求，所以需要補充有機碳肥。秸稈中含有大量的氮、磷、鉀，秸稈還田可以為土壤補充營養(yǎng)元素，有利于減少化學肥料的施用量。秸稈直接還田，可通過秸稈的分解以及微生物的分解作用，使氮、磷、鉀形成可溶性物質(zhì)，增加土壤中全氮、堿解氮、全磷以及緩效鉀的含量。秸稈炭化還田可以提高土壤中總碳、總氮、有效態(tài)鉀、有效態(tài)鎂的含量，降低有效態(tài)鋁的含量[35]。另外，畜禽糞便也是有機肥的重要原料，將畜禽糞便堆肥處理后，可用作有機肥。

4 肥料氮和磷的利用率

我國農(nóng)田氮肥利用率為30%～35%，遠低于世界平均水平。氮肥因受到硝化-反硝化、揮發(fā)、淋溶、土壤固定以及土壤表面徑流等作用的影響，氮素損失高達50%以上，其中氨的揮發(fā)是氮素損失的主要途徑[36]。氮肥的損失以及低效使用，不僅降低了農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力，還會帶來土壤酸化、溫室氣體氧化亞氮排放、生物多樣性減少、土壤和水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。因此，提高氮肥利用率勢在必行?？赏ㄟ^以下方法提高氮肥利用率：①施用腐殖酸肥料[37]、包膜尿素、磷酸鎂銨、穩(wěn)定性肥料；②尿素深施；③在作物生長季內(nèi)少量多次施肥，但施肥總量不變；④采用土壤施肥與葉面施肥相結(jié)合的方式或滴灌方式施肥[38]。

磷肥因受淋溶、元素間拮抗、土壤固定以及土壤表面徑流等作用的影響，利用率不高，一般為10%～25%。未被作物吸收利用的磷可與土壤中的鈣、鐵等元素形成難溶于水、不易被作物吸收利用的磷酸鹽，成為土壤環(huán)境污染物；也可隨地表徑流進入水體，造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。可通過以下方法提高磷肥利用率：①施用磷酸鎂銨、聚磷酸銨等[39]具有緩釋性質(zhì)的磷肥；②在作物生長季內(nèi)少量多次施肥，但施肥總量不變；③采用土壤施肥與葉面施肥相結(jié)合的方式或滴灌方式施肥；④土壤施用解磷細菌(生物肥料)，使土壤中的難溶性磷酸鹽和有機磷在解磷細菌作用下溶解成可被作物吸收利用的可溶性磷酸鹽[40-41]；⑤將磷肥與活化劑(如腐殖酸、生物炭等)混合施用，減少土壤中鈣等金屬離子對磷的固定[42]。聚磷酸銨不僅具有緩釋性質(zhì)，而且對土壤中的鐵、銅等營養(yǎng)元素具有較好的絡合能力，可減輕磷與鐵、銅等營養(yǎng)元素之間的拮抗作用，提高鐵、銅等營養(yǎng)元素的有效性。

今后需要以主要糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜和果樹種植體系為對象，研究氮素損失途徑、阻控機理與增效途徑，肥料磷素轉(zhuǎn)化與高效利用的機制，鉀、硼、鋅素與氮和磷的協(xié)同增效機理，畜禽有機肥施用下氮和磷的減施機理，秸稈還田下肥料氮和磷高效利用機制；研究肥料與植物養(yǎng)分供需耦合機制、有機-無機-生物肥料協(xié)同增效機理，研制系列新型增效復混肥料、緩/控釋肥料、穩(wěn)定性肥料、水溶性肥料和微生物肥料等產(chǎn)品。

5 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)大國，從保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度分析，耕地面積擴大的潛力已十分有限，農(nóng)業(yè)種植面積更是呈現(xiàn)下降趨勢。盡管化肥對農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的貢獻率高達40%，但目前化肥施用量太大，社會、環(huán)境和經(jīng)濟所付代價巨大；此外，化肥施用過量也是多年來我國土壤肥力下降、污染加劇的重要原因之一。目前，我國化肥的有效使用率為35%左右，這意味著65%的化肥都留在了環(huán)境當中，變成了污染物，最終造成土壤污染，成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大誘因。我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較嚴重，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，全國土壤污染點位超標率為19.4%，污染類型以重金屬污染為主[43]。因此，未來工作的重點應當是提高肥料的利用率，而非繼續(xù)大幅度提高施肥量，即實現(xiàn)肥料使用零增長。為維持國內(nèi)糧食供需平衡，在今后相當長一段時期內(nèi)，我國農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)將主要依賴于合理施用化肥，科學優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)。

(1)推動氮、磷、鉀和中微量元素等養(yǎng)分結(jié)構(gòu)趨于合理。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，制約農(nóng)作物生長的因素還包括氮、磷、鉀以外的鈣、鎂、硫、鋅、錳、鐵、硼、鉬等中微量元素[44-45]，人們已逐漸認識到施用中微量元素肥料的意義和重要性。未來肥料的發(fā)展必須從平衡供給作物養(yǎng)分這一宏觀角度出發(fā)，大力發(fā)展復合(混)肥料和高效肥料，以大量營養(yǎng)元素肥料為載體，并根據(jù)各地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分和作物種植對肥料的需求，合理施用中微量元素肥料，提高中、微量營養(yǎng)元素的均勻性和有效性，減少施肥次數(shù)，節(jié)省人工。

(2)提高肥料中氮和磷的利用率。通過多種途徑提高肥料中氮和磷的利用率，這對減少氮肥和磷肥的施用量具有重要作用。

(3)合理利用有機肥資源[46]。目前，我國有機肥資源總養(yǎng)分超過70 000 kt，實際利用率不足40%。其中，畜禽糞便養(yǎng)分還田率為50%左右，農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分還田率為35%左右。加強有機肥資源還田，不僅解決了畜禽糞便和秸稈帶來的環(huán)境污染問題，還使主要作物化肥利用率穩(wěn)步提高，化肥使用量增長趨勢減緩，并逐步減少到合理施用水平。

(4)改善和改進施肥方式，大力推廣作物專用肥和測土配方施肥，根據(jù)作物對營養(yǎng)元素的需求，因地制宜地施肥；優(yōu)化施肥時間，避免盲目施肥和過量施肥；研發(fā)推廣適用的施肥設備，將傳統(tǒng)的人工表施、撒施改為機械深施、水肥一體化、葉面噴施等方式，以減少肥料因揮發(fā)、淋溶、土壤固定造成的損失，提高肥料當季利用率，降低化肥用量。