劉文　范培清　孔慶霞　郝瑩　陳品穎　雷海波

摘要：我國耕地面積巨大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要使用大量的化肥、農(nóng)藥、地膜等農(nóng)業(yè)投入品。在鄉(xiāng)村振興背景下應(yīng)用農(nóng)田投入品減量增效技術(shù)不僅蘊藏著巨大的經(jīng)濟效益，也是實現(xiàn)高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要保障。通過查閱大量的文獻資料全面系統(tǒng)分析了我國農(nóng)田投入品如化肥、緩控釋肥、水肥緩釋材料、種子包衣劑、農(nóng)藥、地膜等產(chǎn)品的減量增效技術(shù)的研究現(xiàn)狀，從技術(shù)、經(jīng)濟可行性等方面提出了今后我國農(nóng)田投入品減量增效研究的方向。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田投入品；減量增效；化肥；農(nóng)藥；地膜；研究進展

中圖分類號：S-01? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）01-0013-04

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.01.003

Advances on the Technologies of Inputs Reduction and Efficiency

Improvement in Crop Production in China

LIU Wen 1， 2， FAN Peiqing 3， KONG Qingxia 3， HAO Ying 1， CHEN Pinying 1， LEI Haibo 1

（1. College of Basic Science， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2. Tianjin Urban-Rural Industry Convergence

Laboratory， Tianjin 300384， China; 3. College of Fishery， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： The arable land area is huge in China， thus a large quantity of production inputs such as chemical fertilizers，pesticides and plastic mulching are needed in crop production. In the background of the rural revitalization， research of the technologies of reducing quantity and increasing efficiency of crop production inputs not only contains huge economic benefits， but also is an important guarantee to realize efficient ecological agriculture. This paper overall analyzed the current situation of our country crop productioninputs development through the chemical fertilizers， slow/controlled release fertilizers， slow released materials， seed coating agent， pesticides and plastic film products， and put forward some suggestions on developing Chinese crop inputs reduction efficiency improvement from the technical and economic feasibility， which provides references for the related departments for decision making.

Key words： Crop production input; Reducing quantity and increasing efficiency; Chemical fertilizer; Pesticide; Mulch film; Research advance

在全面完成脫貧攻堅任務(wù)的基礎(chǔ)上，如何以鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略為契機，走質(zhì)量興農(nóng)之路，走鄉(xiāng)村綠色發(fā)展之路，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展成為一個值得思考的問題。因此，深入研究農(nóng)作物投入品減量增效問題，加快推進農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量升級，研發(fā)高效農(nóng)業(yè)投入品，構(gòu)建農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈將成為今后努力的方向。

在充分利用現(xiàn)有土地、水等資源條件下，進一步提高效益不僅需要研究農(nóng)作物種子、動物品種等生物技術(shù)，也要充分重視肥料、農(nóng)藥、地膜、新材料等農(nóng)業(yè)投入品的研發(fā)和應(yīng)用，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展還要考慮節(jié)水、環(huán)保、食品安全等因素時，農(nóng)業(yè)投入品減量增效的意義更加凸顯。中國經(jīng)濟年報顯示，2020年全國糧食總產(chǎn)量6.70億t，比上年增加0.06億t，增幅為0.9%，糧食產(chǎn)量再創(chuàng)新高，連續(xù)6年保持在6.50億t以上。全國糧食播種面積1.168億hm2，比上年增加66.7萬hm2，增幅為0.6%。以上數(shù)據(jù)顯示全國糧食產(chǎn)量增幅明顯高于播種面積增幅，說明我國種植業(yè)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)投入品減量增效正在產(chǎn)生效果。不僅如此，隨著人們對食品安全、生態(tài)環(huán)境保護的日益重視，對于種植業(yè)中化肥、種子包衣劑、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品減量增效技術(shù)的需求日益迫切。更進一步，基于我國每年接近1.200億hm2耕地的糧食播種面積，持續(xù)深入研究種植業(yè)農(nóng)業(yè)投入品減量增效技術(shù)，對于不斷提高經(jīng)濟效益，特別是環(huán)境效益具有十分重要的意義?，F(xiàn)對我國農(nóng)田投入品如化肥、緩控釋肥、水肥緩釋材料、種子包衣劑、農(nóng)藥、地膜等產(chǎn)品的減量增效技術(shù)研究的現(xiàn)狀進行了全面系統(tǒng)分析，并從技術(shù)、經(jīng)濟可行性等方面提出了今后我國農(nóng)田投入品減量增效的研究方向，以期為相關(guān)部門進行決策提供參考。

1? ?肥料減量增效技術(shù)

目前我國農(nóng)作物生產(chǎn)中肥料施用的主體仍然是氮肥、磷肥、鉀肥等無機化學(xué)肥料，施用面積占種植業(yè)總面積的約67%，我國化學(xué)肥料年產(chǎn)量在? ? ? ? 5 400萬t左右，因此化肥減量增效技術(shù)潛力巨大，對于降低成本，實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要作用。

對科學(xué)施肥技術(shù)的研究主要聚焦于測土配方施肥、水肥一體化、科學(xué)深施等方面，研究內(nèi)容主要基于加強對耕地土壤成分、土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析，對不同農(nóng)作物不同成長階段所需肥料種類和用量的特點、水肥協(xié)同作用規(guī)律特點等利用現(xiàn)代分析技術(shù)和方法進行全面、全周期深入梳理，然后利用所獲得的數(shù)據(jù)，有針對性的根據(jù)土壤性質(zhì)、農(nóng)作物種類、生長階段等研發(fā)配方肥、專用肥，并制定相對應(yīng)的易于操作的施肥方式，可大大提高肥料利用率，達到減量增效的目的。

目前不少學(xué)者的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定的成果。陸若輝等［1 ］從深化測土配方施肥、根據(jù)土壤成分綜合施肥、推進有機養(yǎng)分替代、加大配方肥使用、建設(shè)減量示范區(qū)、創(chuàng)新耕作制度等方面提出了自己的建議，認為上述措施應(yīng)有相應(yīng)的政策引導(dǎo)和調(diào)動種植業(yè)從業(yè)人員的積極性來實現(xiàn)；郭永生［2 ］同樣認為，對化肥的減量增效需要從測土配方、協(xié)調(diào)營養(yǎng)、適期施肥、培肥土壤等方面深入探索；王啟等［3 ］則分析了化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)投入品的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)其影響因素包括種植便利度、城鎮(zhèn)化率、種植結(jié)構(gòu)，并提出了因地制宜優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)、適度經(jīng)營管理、對農(nóng)戶統(tǒng)一指導(dǎo)管理等建議。

我國在化學(xué)肥料減量增效技術(shù)推廣方面成效顯著。目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中配方肥施用量已占水稻、小麥、玉米三大糧食作物施肥總量的60%以上，機械深耕施肥超過4 666.7萬hm2（次），水肥一體化933.3萬hm2（次）。2020年我國水稻、小麥、玉米三大糧食作物化肥利用率為40.2%，比2015年提高5.0個百分點。雖然目前和世界農(nóng)業(yè)發(fā)達國家化肥利用率50%～60%的水平尚有一定差距，但相信在未來的5～10 a內(nèi)會達到這一目標(biāo)。

2? ?新型緩控釋肥料

新型緩控釋肥可以實現(xiàn)種肥同播，相對于傳統(tǒng)無機化學(xué)肥料，能通過改變施肥技術(shù)來提高肥料利用率。緩控釋肥基于肥料的分子成分及結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)減量增效，未來具有光明的應(yīng)用前景。

水合磷酸鎂銨緩釋肥是一種從海水中獲得的非鹽氧化礦物肥料。秦玉川等［4 ］將其應(yīng)用于旱稻生產(chǎn)的研究發(fā)現(xiàn)，緩釋肥的施用相對于傳統(tǒng)肥料均能提高水稻根系活力和葉綠素含量，增加有效穗數(shù)，水稻增產(chǎn)可達7.8%。丁志磊等［5 ］在桃樹與大豆間作農(nóng)田中進行了緩釋肥施用試驗，結(jié)果表明緩釋肥相比于普通復(fù)合肥可以顯著降低氮、磷的流失率30%左右，這不僅可以提高肥料利用率，還減輕了肥料流失可能對地表水體造成的污染壓力。謝培才等［6 ］通過施用包膜緩釋肥試驗證明，相對于普通復(fù)合肥，包膜緩釋肥施用于玉米和小麥時均能使氮、磷、鉀的利用率得到有效提升，其中氮的利用率分別平均提高了5.04%、9.14%，磷的利用率分別平均提高了 11.22%、17.52%，鉀的利用率分別平均提高了11.26%、8.35%。在推廣應(yīng)用方面，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也在積極推動此項工作。2018年擴大了果菜茶有機肥替代化肥行動試點范圍，選擇100個果菜茶生產(chǎn)縣市成建制推進試點。

緩控釋肥雖然在施用、肥效利用率等方面具有優(yōu)勢，但目前最關(guān)鍵的問題是成本。成本因素也是各種新型農(nóng)業(yè)投入品在設(shè)計之初研發(fā)人員需要首要考慮的問題之一。目前傳統(tǒng)化肥尿素的價格在2 000元/t左右，通常緩控釋肥的價格則為3 000～5 000元/t，而聚合物包膜緩釋肥料價格更高，可達傳統(tǒng)肥料的3～8倍?；首鳛橛昧枯^多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗性材料，根據(jù)農(nóng)作物不同每季施用量可達150～750 kg/hm2。以每年播種夏糧和秋糧兩季主糧計，平均肥料成本約600～3 000元/ hm2，平均主糧產(chǎn)量15 000 kg/hm2左右，產(chǎn)值約30 000元/hm2?；谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)對成本的高敏感性，成本的高昂是緩控釋肥推廣應(yīng)用需要首先考慮的因素。在此情況下，如何充分利用現(xiàn)有成果，通過改進配方、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、合理確定產(chǎn)能等手段實現(xiàn)緩控釋肥、包膜材料等技術(shù)的重點突破，大幅降低緩控釋肥生產(chǎn)成本，提高其推廣使用的經(jīng)濟可行性至關(guān)重要。

另一方面，制約緩控釋肥普及應(yīng)用的適用性因素也不可忽視。我國幅員遼闊，氣候類型差異較大，土地土壤性質(zhì)也不盡相同。不同地域的土壤在結(jié)構(gòu)、組成、微量元素含量、pH以及所處的溫度、濕度等環(huán)境因素方面都明顯不同，即使在相同土壤條件下播種不同農(nóng)作物時，施用緩控釋肥也會對植物生長產(chǎn)生不同的效果。梳理上述影響因素并結(jié)合有關(guān)試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤性質(zhì)和農(nóng)作物需求科學(xué)分類，開發(fā)適用性更強的專門配方緩控釋肥，不僅能提高農(nóng)作物肥料利用率，還可促進農(nóng)作物增產(chǎn)，真正實現(xiàn)減量增效的目標(biāo)。因此，專肥專用、科學(xué)施肥是緩控釋肥發(fā)展的未來趨勢。

3? ?新型水肥緩釋材料

高分子水肥緩釋材料實質(zhì)上是一類具有高吸水性、多孔等物理化學(xué)性質(zhì)的材料，它不僅可以起到吸水保水的作用，還可以減緩化肥養(yǎng)分釋放的速率。在干燥的環(huán)境中，所吸收的數(shù)百倍于自身重量的水分可緩慢釋放。

鄧小嬋等［7 ］以腐殖酸為基礎(chǔ)，通過與丙烯酸進行聚合反應(yīng)等手段得到有機/無機復(fù)合緩釋材料。試驗證明，應(yīng)用于農(nóng)作物種植時，其養(yǎng)分釋放相較于傳統(tǒng)肥料而言緩釋效果明顯，直到第28天其養(yǎng)分釋放量還未超過75%。曹兵等［8 ］制備了聚丙烯酸/丙烯酰胺/SiO2復(fù)合材料，試驗表明SiO2的存在可以明顯改善有機高分子吸水保水材料的交聯(lián)密度，并在使用25 d后土壤持水率和保水率分別提高了25.5%和47.2%，肥料釋放期提高了20%。王富等［9 ］將聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）和高吸水性樹脂（SuperAbsorption Resin，SAR）共同施用于旱作耕地，結(jié)果表明，聯(lián)合施用后可以提高0～40 cm土層的土壤含水量，且土壤含水量與施用量存在正相關(guān)，整體水分利用率提高了29.54%。

目前，此類水肥緩釋材料在推廣應(yīng)用方面還存在一些問題。一是人工合成的高吸水性材料性能較好，但成本較高；另外，高吸水性材料直接應(yīng)用可能還存在由于材料本身無法完全降解而殘留于土壤中等情形；最后，在工業(yè)化放大生產(chǎn)方面存在一定的技術(shù)難度。盡管如此，需要對現(xiàn)有水肥緩釋材料合成技術(shù)進行優(yōu)化研究，比如可在合成原料中加入天然生物基材料如植物秸稈、淀粉，或者添加無機多孔材料如高嶺土、膨潤土，在合成方式上應(yīng)研究反相聚合工藝避免產(chǎn)品爆聚成團實現(xiàn)粒徑可控等，實現(xiàn)提升材料的可生物降解性能、提高吸水保水效果、降低成本、易于工廠化生產(chǎn)等目標(biāo)，這在相當(dāng)程度上可使成本高、土壤殘留及生產(chǎn)技術(shù)難度等問題得到解決。

4? ?農(nóng)藥減量增效技術(shù)

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色發(fā)展、食品安全等問題越來越被提到更重要的位置。易軍等［10 ］研究了化學(xué)農(nóng)藥減量下不同栽培管理措施對水稻田間病蟲草害發(fā)生及水稻干物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過深耕、帶藥移栽或噴施植物激活蛋白等病蟲草害防治方式，能有效減少水稻的化學(xué)農(nóng)藥用量，實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增效；張舒等［11 ］研究了不同化肥農(nóng)藥減施組合對水稻主要病蟲害發(fā)生及產(chǎn)量的影響，證明生物農(nóng)藥替代和綠色助劑替代均可作為化學(xué)農(nóng)藥減量的技術(shù)措施。

2020年我國綠色防控面積近6 666.7萬hm2，主要農(nóng)作物病蟲害綠色防控覆蓋率為41.5%，比2015年提高18.5個百分點。全國專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治服務(wù)組織達到93 000個，三大糧食作物病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治覆蓋率達到41.9%，比2015年提高8.9個百分點，農(nóng)藥減量增效成果顯著。

5? ?地膜減量增效技術(shù)

隨著農(nóng)作物種植面積的擴大以及使用年限的增長，塑料類廢舊地膜會強度降低，非常容易變脆破碎，回收困難，形成廢舊垃圾。地膜不僅對土壤結(jié)構(gòu)和成分造成污染，還會嚴(yán)重改變土壤結(jié)構(gòu)，影響作物對水分和肥料的吸收利用，導(dǎo)致減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展。

地膜利用領(lǐng)域的減量增效主要聚焦于開發(fā)新型栽培技術(shù)減少地膜用量、合理安排農(nóng)作物輪種提高地膜使用效率、使用可降解塑料作為地膜材料等方面。王知躍等［12 ］研究了玉米地膜覆蓋栽培不同地膜覆蓋方式和種植方法對耕層土壤環(huán)境變化和玉米產(chǎn)量、產(chǎn)值的影響，發(fā)現(xiàn)采用起墑半膜覆蓋膜側(cè)種植方式與傳統(tǒng)平墑全覆蓋膜下種植相比用膜量減少50%，廢舊地膜殘留量降低28%，純收益增加143.1～340.5元/hm2。陳志國等［13 ］則認為塑料地膜一膜兩年用改種其他作物也是一種可行的方式。姬月娥［14 ］也對通過玉米栽種技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)地膜減量增效提供了有益建議。

在使用可降解塑料方面，國家層面于2020年出臺了新一輪禁塑令，對塑料制品的使用限制越來越嚴(yán)格。在此背景下，可降解塑料作為替代品，必然有著巨大的市場需求?？山到馑芰现饕芯廴樗?、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯、聚羥基烷酸酯、聚己內(nèi)酯、聚丁二酸丁二醇酯等。綜合成本及性能考量，聚乳酸、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯市場規(guī)模最大，發(fā)展?jié)摿ψ詈谩？山到馑芰鲜且粋€新興化工新材料領(lǐng)域，預(yù)計到2030年，我國可降解塑料需求量可達400萬t以上，市場規(guī)?？蛇_接近1 000億元。當(dāng)前階段，無論是聚乳酸還是聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯，相對于傳統(tǒng)塑料來說，價格仍然嚴(yán)重限制了其在農(nóng)業(yè)上的推廣。將可降解塑料廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要工業(yè)產(chǎn)能不斷擴大、政策支持引導(dǎo)等多方面因素共同合力才可以較快實現(xiàn)。

綜上所述，在農(nóng)業(yè)投入品的減量增效的研究和推廣應(yīng)用方面，近年越來越引起人們重視，但目前仍然缺少全面的系統(tǒng)性研究。另外由于技術(shù)與成本等原因，新成果在轉(zhuǎn)化方面仍不盡如人意，建議研究人員應(yīng)努力在以下方向取得突破。

一是化肥方面。需要研究緩控釋肥或水肥緩釋材料自身性能與農(nóng)作物種類的協(xié)同效應(yīng)，并結(jié)合種子包衣劑技術(shù)研究，提高農(nóng)作物水分和肥料利用率。在深化土壤結(jié)構(gòu)和成分分析的基礎(chǔ)上，研究配方施肥、施肥時機、施肥方式、施肥量等全方位施肥管理，探明新型材料對擴大不同農(nóng)作物適宜種植面積、延長農(nóng)作物耐旱天數(shù)、提高水肥利用率方面的效果。二是農(nóng)藥方面。需要深入研究新型低毒無毒、廣譜高效、綠色農(nóng)藥，以農(nóng)藥的減量增效、農(nóng)作物提質(zhì)增收為未來研發(fā)的方向，并針對藥物殘留、食品安全、蟲害耐藥性等問題與農(nóng)藥減量增效的關(guān)系需要系統(tǒng)研究。三是地膜方面。可先行研究可降解塑料的適用性，在完整使用周期內(nèi)評估可降解塑料對農(nóng)作物生長、光照、溫度、濕度、產(chǎn)量等的影響，綜合應(yīng)用成本分析等，以便隨著工業(yè)技術(shù)的進步在產(chǎn)能擴大成本降低的背景下實現(xiàn)可降解塑料的替代。

要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入品“減量增效”，關(guān)鍵要把握用量、用法與時期等3個方面，遵循多措并舉的方針，減少投入成本，增加生產(chǎn)效益，在保證良好的生態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色增產(chǎn)增效，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展［2 ］。我國有14億人口，研究農(nóng)作物投入品的減量增效不僅有著巨大的現(xiàn)實需求，還是進一步做好我國糧食安全，實現(xiàn)“藏糧于地，藏糧于技”戰(zhàn)略的重要措施，以加快實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)向高效生態(tài)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。

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收稿日期：2022 - 04 - 13；修訂日期：2022 - 11 - 30

基金項目：天津市技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項（20YDTPJC01070）；天津農(nóng)學(xué)院研究生教育教學(xué)研究與改革項目（2021-YB-025）；天津市教委科研計劃項目（2021KJ113）；棗莊市自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化計劃項目（2022GH20）。

作者簡介：劉? ?文（1982 — ），男，山東滕州人，高級工程師，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)新材料和環(huán)保技術(shù)研發(fā)。Email： liuwen@tjau.edu.cn。

通信作者：雷海波（1982 — ），女，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，博士，研究方向為生物新材料和緩釋肥料。Email： leihb123@126.com。