張 悅

(河北環(huán)境工程學(xué)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(dāng)今世界化肥工業(yè)的支柱。18世紀(jì)后，在施用有機(jī)肥基礎(chǔ)上發(fā)展了化學(xué)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(duì)中微量元素的補(bǔ)充；特別是近年來，可用于補(bǔ)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(shí)，也增大了對(duì)土壤中中微量元素的消耗。中微量元素肥料施用量不足，導(dǎo)致中微量元素的補(bǔ)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(fù)種指數(shù)的提高，輪作困難，土壤無休養(yǎng)生息時(shí)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(bǔ)給，導(dǎo)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(yán)重，導(dǎo)致中量營養(yǎng)元素供應(yīng)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(yán)重。

土壤中含有多種礦物，其化學(xué)組成復(fù)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?jǐn)?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(dá)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(gè)省區(qū)的缺硼耕地面積占比約為60%。同時(shí)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(jī)礦物形式存在，受土壤中無機(jī)礦物的化學(xué)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(dāng)補(bǔ)充中微量元素。

2 中微量元素對(duì)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(duì)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(duì)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(yīng)元素含量的增減發(fā)生變化。因存在這個(gè)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(xué)家、農(nóng)業(yè)化學(xué)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(huì)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(xué)研究的重要內(nèi)容之一。

中量元素是增強(qiáng)作物抗病性、調(diào)節(jié)農(nóng)產(chǎn)品風(fēng)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(jìn)農(nóng)產(chǎn)品中營養(yǎng)物質(zhì)合成的重要物質(zhì)，對(duì)作物的干物質(zhì)積累起著重要作用，同時(shí)微量元素對(duì)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(yán)重時(shí)絕收；二是作物抗逆能力下降，不能抵御細(xì)菌、病毒、旱、澇、風(fēng)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(duì)人體的營養(yǎng)價(jià)值[6-7]。

2.1 硫

近年來，硫被認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(yán)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(duì)于植物的抗逆性具有重要作用。鈣能維持細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和功能，保持并提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，促進(jìn)鉀的吸收，延緩細(xì)胞衰老；促進(jìn)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(jī)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(fēng)化作用強(qiáng)烈，礦物分解較徹底，導(dǎo)致鈣大量流失。除石灰性土壤外，一般土壤含鈣質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(huì)引起葉綠素含量降低，進(jìn)而影響光合作用強(qiáng)度[7]。鎂在土壤中是一種移動(dòng)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(bǔ)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(chǔ)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(dāng)植物缺鐵時(shí)，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(qiáng)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(gè)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(yán)重。我國西北、華北地區(qū)土壤缺鐵情況相當(dāng)普遍，對(duì)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(qiáng)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(shí)品質(zhì)。鋅肥對(duì)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(huì)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(jī)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(jìn)作物體內(nèi)糖的合成和代謝，對(duì)受精過程有特殊的作用，可提高作物的結(jié)實(shí)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(huì)影響植物花粉的形成，影響授粉和結(jié)果，出現(xiàn)結(jié)實(shí)率下降、落果、果實(shí)畸形等情況[20-23]。我國土壤缺硼面積較大，需要補(bǔ)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(jìn)作物對(duì)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(bǔ)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(bǔ)償)學(xué)說”[6]。因此，補(bǔ)充中微量元素已成為當(dāng)前促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)增質(zhì)的必要手段。我國于20世紀(jì)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(duì)微量元素肥料的推廣起步較晚[25-26]，直到20世紀(jì)80年代隨著復(fù)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(jī)鹽直接施用，無機(jī)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(dǎo)致植物對(duì)微量元素有效利用率不高，并造成肥料的浪費(fèi)甚至污染土壤。因此，對(duì)無機(jī)鹽微量元素肥料的土壤施用應(yīng)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(jī)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(jī)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(xiàn)。然而，過量和不能合理、適時(shí)用肥，導(dǎo)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(yán)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(duì)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(jìn)化學(xué)肥料的高效利用。

有機(jī)肥養(yǎng)分較全面，具有緩效性能，能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤酸堿緩沖性能，促進(jìn)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(jī)肥替代硫酸銨、硝酸銨等無機(jī)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(jī)肥替代部分化學(xué)氮肥能在一定程度上促進(jìn)水稻生長發(fā)育，提高植株后期氮素累積量、結(jié)實(shí)率和水稻產(chǎn)量。

植物對(duì)碳元素的需求量遠(yuǎn)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(bǔ)充有機(jī)碳肥。秸稈中含有大量的氮、磷、鉀，秸稈還田可以為土壤補(bǔ)充營養(yǎng)元素，有利于減少化學(xué)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(jī)肥的重要原料，將畜禽糞便堆肥處理后，可用作有機(jī)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(yuǎn)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?fù)p失高達(dá)50%以上，其中氨的揮發(fā)是氮素?fù)p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(huì)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。可通過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(jìn)入水體，造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題?？赏ㄟ^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(xì)菌(生物肥料)，使土壤中的難溶性磷酸鹽和有機(jī)磷在解磷細(xì)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(duì)磷的固定[42]。聚磷酸銨不僅具有緩釋性質(zhì)，而且對(duì)土壤中的鐵、銅等營養(yǎng)元素具有較好的絡(luò)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(jì)作物、蔬菜和果樹種植體系為對(duì)象，研究氮素?fù)p失途徑、阻控機(jī)理與增效途徑，肥料磷素轉(zhuǎn)化與高效利用的機(jī)制，鉀、硼、鋅素與氮和磷的協(xié)同增效機(jī)理，畜禽有機(jī)肥施用下氮和磷的減施機(jī)理，秸稈還田下肥料氮和磷高效利用機(jī)制；研究肥料與植物養(yǎng)分供需耦合機(jī)制、有機(jī)-無機(jī)-生物肥料協(xié)同增效機(jī)理，研制系列新型增效復(fù)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(kuò)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(duì)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的貢獻(xiàn)率高達(dá)40%，但目前化肥施用量太大，社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)所付代價(jià)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(dāng)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(yán)重，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，全國土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)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(diǎn)應(yīng)當(dāng)是提高肥料的利用率，而非繼續(xù)大幅度提高施肥量，即實(shí)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(dāng)長一段時(shí)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(xué)優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)。

(1)推動(dòng)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(rèn)識(shí)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(fù)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(duì)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(duì)減少氮肥和磷肥的施用量具有重要作用。

(3)合理利用有機(jī)肥資源[46]。目前，我國有機(jī)肥資源總養(yǎng)分超過70 000 kt，實(shí)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(qiáng)有機(jī)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(jìn)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(duì)營養(yǎng)元素的需求，因地制宜地施肥；優(yōu)化施肥時(shí)間，避免盲目施肥和過量施肥；研發(fā)推廣適用的施肥設(shè)備，將傳統(tǒng)的人工表施、撒施改為機(jī)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(dāng)季利用率，降低化肥用量。