不斷增長的糧食需求是人類必須應對的挑戰，這就要求土壤肥料學科在提高養分資源效率、提高土壤肥力和農田可持續性、保護資源環境和營養健康等方面深入探索，尋求出路。

“肥料是國家糧食安全的重要保障，養分資源高效利用是保證農業可持續發展、糧食安全和生態環境安全的永恒主題。”在日前舉行的中國農科院“農科講壇”上，中國農科院農業資源與農業區劃研究所研究員、植物營養團隊首席科學家周衛說道。

不斷增長的糧食需求是人類必須應對的挑戰，這就要求土壤肥料學科在提高養分資源效率、提高土壤肥力和農田可持續性、保護資源環境和營養健康等方面深入探索，尋求出路。一直以來，周衛及其科研團隊不斷開拓養分高效利用創新之路。

養分高效重大命題亟待破解

“當前，世界范圍內施肥的科學性還不夠。一百多年來，世界范圍內養分的投入產出不平衡狀況不斷加劇。我國也存在著化肥大量施用、肥料利用率低的問題。”周衛介紹。

我國常年化肥用量占世界化肥消費總量的35%，單位耕地面積化肥用量是世界平均水平的3倍、歐美國家的2.5倍，而肥料利用率只有30%~35%，遠低于發達國家的50%~60%。周衛說，肥料養分利用不充分必然加劇面源污染和溫室氣體排放。

就養分資源而言，可以分為化學肥料和有機肥料兩大類?；瘜W肥料分為大量元素、中量元素、微量元素，有機肥料包括糞肥、秸稈、綠肥等。實際上，肥料利用率中，人們最關注的還是氮肥利用率。

“肥料利用率是一個讓中國土壤肥料領域專家和農民都承擔著重大壓力的問題。”中國農科院農業資源與農業區劃研究所研究員金繼運指出?？萍疾炕A研究司研究員彭以祺表示，“化肥減量增效將降低農業生產成本，給農民減輕負擔。”

“肥料利用率就是施了多少養分到土壤中、被作物吸收利用的比例是多少、多少被吸收利用形成了生產力，這都是非常關鍵的問題。”金繼運表示，導致我國肥料利用率低的主要因素有耕地質量差、施肥技術跟不上等。

他還認為，“另外一個問題就是科學技術。如果植物營養與肥料領域沒有基礎和理論上的突破與創新，也是不可能有新的進步的，所以要搞研究，形成配套的技術體系才能在生產上發揮作用。”

周衛帶領植物營養團隊針對我國低產田面積大、化肥利用率低的問題開展理論、方法、技術、產品創新，構建養分資源高效利用的方法、理論、技術體系。先后兩次獲得國家科技進步獎二等獎，相關成果入選國家自然科學基金項目優秀成果選編。

對此，周衛表示，“聚焦創新，服務國家。服務國家不是一個簡單的口號，而是服務于國家的重大需求。”

“養分資源高效利用直接關系到我國糧食安全和生態環境安全。與發達國家環境優先相比，我國高投入、高產出的集約化生產體系要協同高產、高效、環境保護等多重目標，因此，這一命題在我國更具特殊性和挑戰性。”他說道。

創新養分高效利用技術路徑

“當前施肥面臨一些挑戰性的問題，如土壤氮素至今缺少滿意的推薦方法，環境來源養分如沉降、排灌等未能考慮，存在土壤測試不及時或條件不具備的問題，還有如何考慮到養分互作、秸稈有機肥施用等。”周衛說。

為此，植物營養團隊建立了基于產量反應和農學效率的養分推薦方法，應用計算機軟件技術，研制了作物養分專家系統，實現了4R（肥料用量、品種、施肥時期、施肥位置）養分管理模式，可實現小麥和玉米減施氮肥30%以上，提高作物氮素利用率10%以上。

具體做法是在中國小麥、玉米、水稻種植區進行多年多點實驗數據的收集和匯總，利用相關模型來分析產量養分吸收特征，并進行產量反應以及相關性分析，構建施肥模型，再經過多年多點試驗的驗證，建立基于產量反應的農學效應推薦施肥方法。

周衛介紹，我國以小農戶經營為主體，依據土壤測試指導農民施肥存在著推薦不及時、成本高的問題，而該方法是基于大數據挖掘的推薦施肥方法，通過提煉產量反應與農學效率之間關系進行肥料推薦，理論基礎堅實。

通過計算機軟件技術建立問答式界面，把復雜的推薦施肥原理簡化成農民方便使用的養分管理專家系統，既可以在計算機上下載使用，也可以通過微信關注手機使用，目前在14個省區水稻、小麥和玉米三大作物上得到了廣泛應用。

有機肥料是寶貴的資源，但有機肥和秸稈在土壤中微生物轉化緩慢，養分釋放難以匹配作物需求，秸稈還田中碳氮比過高，成為影響有機肥利用的瓶頸。團隊揭示有機肥替代化肥的機理，明確參與有機肥和秸稈碳氮轉化的微生物類群，闡明主要種植體系有機肥替代化肥氮素的合理比例。

團隊實施的有機肥料替代化肥養分策略，與習慣施肥比較，氮素有機替代可增產4.6%～25.0%、減施化學氮肥32%~44%，氮肥利用率提高11%~26%，為化肥減施增效提供有效技術途徑。

周衛介紹，硫、鈣是植物必需的中量元素，不論在理論上還是技術上，硫、鈣研究都比較薄弱，尤其是產品較缺乏。為此，團隊研發了作物、蔬菜和果樹等作物的高效硫肥與高效鈣肥等新型肥料，為遏制土壤缺硫和缺鈣的發生提供了可行途徑，相關成果獲2005年國家科技進步獎二等獎。

研發土壤培肥與化肥減施綜合技術

“當前，我國耕地70%為中低產田，土壤有機質含量平均不足2%，遠低于發達國家3%的水平，主要問題包括東北黑土耕層變薄，南方紅黃壤酸化，華北耕層變淺，西北耕地鹽堿化和沙化，水稻土低產障礙，土壤重金屬、農藥、殘膜污染，新墾耕地地力低下。”周衛說。團隊近年來一項重要工作是培育高產高效土壤，研發出低產水稻土改良關鍵技術。

我國是世界上的水稻生產大國，南方水稻常年植稻面積3.76億畝，占全國水稻總面積的82.7%，但其中約1/3為低產水稻土。

水稻土為什么低產？當多數人還在關注土壤的物理、化學性質時，周衛領銜的科研團隊首次建立了涵蓋生物肥力指標的質量評價指標體系，突破長期以來南方水稻土低產障礙不明的關鍵瓶頸。

團隊建立了5種類型低產水稻土質量評價的最小數據集，并針對障礙因素一一進行改良破解。“我們的基本思路是闡明障礙因素—創新改良技術—研創改良產品—集成改良模式。”周衛表示。

改土與施肥是分不開的。在創新低產水稻土改良與地力提升關鍵技術的同時，團隊也研創了低產水稻土改良與地力提升新產品。應用技術集成模式，南方低產水稻土障礙因素得以消除，如果3年連續改良，土壤肥力可提高至少1個等級（100公斤/畝）。

這項獲得2016年國家科技進步獎二等獎的成果已在南方11省規模化應用，大幅度提升了低產水稻土的地力水平，產生了良好效益。周衛團隊又繼續投入另一項創新工作——參與國家重點研發計劃“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發”重點專項。

“團隊未來將圍繞糧食作物、經濟作物、蔬菜、果樹等四類作物，力爭在建立肥料減控標準、集成減施技術模式和創新產品裝備等方面實現新的突破，為我國化肥減施增效行動提供科技支撐。”周衛表示。

團隊將要開展以下幾個方面的研究工作，首先建立先進養分推薦方法與限量標準，主要研究四類作物的養分吸收特征、產量反應與農學效率的關系、施肥模型的構建與驗證、建立作物養分推薦施肥方法，并根據區域肥力和產品水平制定養分限量標準；實施有機養分替代化肥養分，創制高效新型肥料，研發智能精準施肥裝備，培育高產高效土壤，集成化肥減施增效技術模式，實現農業綠色發展。