【过去未来】植物营养与肥料研究

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格格有话说

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本文回顾了1840年以来植物营养与肥料科学的重大成就和有影响的事件，并针对目前有歧义的问题进行了详细论述。在植物营养生理与生物学方面对植物营养必需元素、营养元素的吸收与转运、营养元素的转移与再利用、菌根在植物营养中的作用、植物营养与植物抗病性，化学诊断中的植物有效养分提取、养分测定和目前进行的光谱诊断等进行了回顾。论述了施肥模型、精准施肥技术和灌溉施肥技术的发展。分析了施肥模型中养分分级模型、肥料效应函数模型、养分平衡模型和DRIS方法。综述了施肥对温室气体排放和环境的影响等。介绍了目前主流的肥料品种和国际上的主要肥料资源。论文还对未来植物营养与肥料科学发展进行了展望，指出提高肥料利用率是解决肥料问题的关键；解决蔬菜施肥过量需要理论与技术的支撑；养分高效基因的开发与利用需要在正常养分条件下进行；施肥新技术是提高肥效的重要措施；同时还需要立足当前可用肥料资源发展肥料产业。植物营养与肥料学科的发展与人们所面临的人口、资源和环境息息相关，肥料的施用既是保证食物安全的需要，同时也给环境造成了巨大的压力。使用最少肥料，获得最多的食物是今后植物营养与肥料学科努力的方向。

本文原题目为《植物营养与肥料研究的回顾与展望》，来自《中国农业科学》2015年第17期。欢迎在留言区表达您的观点，供我们学习，有学术上的意见可以反馈给作者或与其他专家一起讨论。

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作者：白由路

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081)

0引言
肥料是粮食的粮食，支撑着人类食物的生产和供给。虽然肥料的应用可追溯到几千年前，但是现代施肥理论体系的建立与化学肥料的应用还是19世纪40年代以后的事情。1840年德国科学家李比希（Justus Von Liebig）提出的“矿物质营养学说”、“最小养分律”、“归还学说”等为现代施肥技术与化学肥料的发展奠定了理论基础。一百多年来，经过数代人的努力，人们在植物营养生理、营养诊断、施肥技术与肥料创制等方面取得了重大进展，为保障人类的粮食供应做出了卓越的贡献。目前，随着全球人口的增长，对粮食的需求越来越大，农业开发强度越来越高，施肥与环境的问题日益突出。因此，保证粮食充分供应、满足植物营养需求、保护生态环境、节约肥料资源成为了世界植物营养与肥料研究的主题。笔者结合国内外的研究文献，对植物营养生理、植物营养诊断、施肥技术、施肥与环境及肥料产品等方面里程碑事件及其容易产生歧义的问题进行了回顾，同时展望了植物营养与肥料科学未来发展方向，旨在为中国植物营养与肥料研究提供参考。

1植物营养生理与生物学

1.1植物营养必需元素

1840年之后，Leibig提出“植物矿物质营养学说”被人们广泛接受。然而，植物生长发育过程中究竟需要什么元素成了当时研究的热点。1930年之前，人们认识到的植物营养必需元素仅有10种，即氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）、碳（C）、氢（H）、氧（O）和铁（Fe）。到1938年，人们认识到的植物营养必需元素增加到了14种，除上述10种外，又增加了硼（B）、铜（Cu）、锰（Mn）和锌（Zn）。1939年，美国加里福尼亚大学农学院的Arnon和Stout提出了植物必需元素的3个原则，即（1）缺乏该元素，植物不能完成其生长周期；（2）缺乏该元素植物会出现特有的症状，且必须施用该元素后才能恢复；（3）该元素在植物营养中具有直接作用而不是改善土壤或生长介质中不利的微生物或化学条件。人们对这些观点已广泛接受。1954年，氯也被确定为植物生长必需的营养元素。到了近代，关于植物必需营养元素的概念与界定出现了模糊，它主要源自于1960年英国布里斯托尔大学（Universityof Bristol）LongAshton试验站Nicholas的一篇文章，该文认为Arnon有关必需元素的定义第二条太严格或太死板（toorigid），且有两个例子证明不符合事实，一是固氮菌在固氮时需要钼，但钒（V）也有类似的作用；二是氯是植物的必需元素，但其他卤族如溴也可以替代。所以认为用更宽泛的概念可能更适合当前的工作。“功能或代谢营养”（functional or metabolism nutrient）这个术语可能概括植物代谢中的功能，不必考虑其专一性。所以，他认为除以上元素外，钠（Na）、钴（Co）、钒（V）也应是植物的必需营养元素。该观点也得到了很多人的认同，Tisdale等在其著的《土壤肥力与肥料》专著第四版（1985）中将植物的必需营养元素描述为20种，即碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）、铁（Fe）、锰（Mn）、钼（Mo）、铜（Cu）、硼（B）、锌（Zn）、氯（Cl）、钠（Na）、钴（Co）、钒（V）和硅（Si）。20世纪60年代以后，人们注意到了镍在植物营养方面的作用，1990年，Brown等证明缺镍大麦不能完成其生命周期，符合Arnon植物必需营养元素的条件。在Lincoln Taiz和Eduardo Zeiger所著的《植物生理学》（第五版）中将植物营养的必需元素列了19种，即碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、磷（P）、硫（S）、硅（Si）、氯（Cl）、铁（Fe）、硼（B）、锰（Mn）、钠（Na）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）和钼（Mo）。我国出版的高校教材《植物生理学》引用了上述观点，也将上述19种元素列为了植物的必需营养元素。但是，Marschner在其所著的《高等植物矿质营养》一书中，把植物营养元素区分为必需元素（essential mineral element）和有益元素（beneficial element）。其中植物营养必需元素严格引用了Arnon1939年的植物必需营养元素标准，而有益元素则定义为有益于植物生长，但不是必需或者是某些植物种类必需或特殊条件下必需的元素。该书中将植物的必需营养元素定义为17种，其中除碳（C）、氢（H）和氧（O）外，大量元素6种，即氮（N）、磷（P）、硫（S）、镁（Mg）、钙（Ca）、钾（K）。微量元素8种，即：铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、钼（Mo）、硼（B）和氯（Cl）。有益元素有钠（Na）、硅（Si）、钴（Co）、硒（Se）、铝（Al）、碘（I）、钒（V）、钛（Ti）、镧(La)、铈（Ce）等。该书第二版第一次将镍（Ni）列为了植物的必需营养元素。中国人教版的中学《生物》教材中也将镍列为了植物生长必需的营养元素。

这里需要指出的是，由于对植物必需营养元素界定的的标准不同，因此确定植物生长必需元素的数量和种类也就不同。但是，随着科学技术的发展和分析技术的提高，可能还会发现更多的植物必需营养元素。1930 年以后，人们对植物必需元素的研究与发现主要集中在微量元素和有益元素层面，特别是在地球环境下，极痕量的元素可能对植物生长影响不大，但是，随着太空技术的发展，若在太空环境下培养植物，或许任何元素都可能影响到植物生长。

1.2 营养元素的吸收与转运
营养元素的吸收与转运过程可分为元素在植物体外的传输过程、跨膜运输过程和植物体内转运过程。营养元素在体外传输过程的研究主要为根际和肥际养分的转化与运移。根际概念是1904 年德国微生物学家L.Hiltner 提出的，最初主要是研究根际的微生物效应。之后，人们开始注意到了根际土壤的微观结构、土壤化学特征、养分的有效性及养分在根际的运移等。“肥际”一词源于鲁如坤先生的“肥际微域”，是指“肥料施入土壤后，特别是集中施用时都会在肥料和肥粒附近造成一个特殊的环境，其物理性质、化学性质、生理化学性质和生物性质与整个土体有巨大的不同”。在之后的十多年间，许多学者在肥际土壤的化肥养分转化迁移、有机肥对肥际环境的影响、肥际土壤微生物特征及脲酶等特性等方面进行了研究。
近年来，在生物技术的支持下，营养元素的高效利用研究十分活跃。关于营养元素的高效利用，Moll等1982 年提出了氮高效可分为两个部分，即氮吸收高效和氮利用高效。Graham1984 年定义了氮高效基因型是在氮素限制条件下获得比其他基因型更高产量的能力。以后的研究基本上是按这个定义进行的。
根据目前的研究资料，不同的植物都含有对某种养分的高亲和运输系统（high affinity transport system）和低亲和运输系统（low affinity transport system），当环境中养分浓度不同时，相应亲和运输系统则发生作用。不同的作物基因型所含的家族基因有一定的差别，所以，不同基因型的植物会对环境中的营养元素浓度产生不同的反应。同时，针对植物体内的养分代谢，人们也发现了不同的代谢反应受不同的酶和基因控制，针对不同作物，人们对其进行了大量的研究。

1.3 营养元素的转移与再利用
1953 年Greory发现，在禾谷类作物生长进程中，当营养体仅为生育期总干物重的25%时，就吸收了90%以上的氮、磷元素。以后的研究表明，在低浓度养分条件下，老叶中氮素的再利用率高，高、低养分浓度条件下的氮素再利用率分别为46%和65%。有关植物营养元素的转移与再利用有很多表述，如再吸收（resorption）、转移（retranslocation）、再分配（redistribution）等。如何对植物营养元素再利用的类型进行区分，很多人进行了大量的研究。有结果表明，植物营养元素再利用的数据在年际间变化很大，且在不同土壤上表现也不一致，所以，植物营养元素再利用的类型只能通过长期观察才能决定。很多人对叶片中的氮、磷比与植物营养元素的再利用进行了研究，但也有人认为叶片中的氮、磷比不能很好地预测植物营养元素的再利用状况。
对多年生木本植物的营养物质再利用的研究较多，实际上一年生的植物也存在营养物质的再利用，如小麦成熟时叶片中营养物质的转移直接影响小麦的产量。烤烟叶片中的氮素代谢严重影响烤烟的质量。
关于植物体内营养元素再利用的机理及影响因素目前还没能完全明白，可以证明，植物体内的营养元素再利用对提高土壤和肥料中养分的利用效率具有十分重要的意义。

1.4 菌根在植物营养中的作用
植物与伸入根系的共生真菌组成的复合体叫菌根，地球上90%以上的维管束植物都有菌根。自1885 年德国的生物学家Frank 发现菌根以来，人们对菌根已进行了广泛的研究，菌根在农业生态系统中分布广泛，包括内生菌根（Endomycorrhizae）和外生菌根（Ectomycorrihizae）两大类。

1.4.1 内生菌根 内生菌根是指生于根部皮层细胞内和细胞间的共生真菌，包括兰科植物菌根、杜鹃科植物菌根和泡囊-从枝菌根3类，目前研究较多的是第3 类。泡囊-从枝菌根（Vesicular-Arbuscular Mycorrihizae），2000 年前一般简称为VA 菌根，但是后来的研究发现，一些VA 菌根并不是一定有泡囊结构，而是在植物生长的某个阶段才有，丛枝结构（Arbuscular Mycorrhizae）是普遍存在于植物根部的结构。因此，统称为丛枝（AM）菌根。
内生菌根对植物生长的作用早已被人们所认识。它在植物营养方面的作用机制是增加了植物根系的吸收面积，促进植物对营养元素的吸收，特别是对磷的吸收。内生菌根还能增强植物抵抗力，保护植物免受病原体、害虫和寄生虫等侵害。内生菌根还能增加豆科作物的固氮能力。同时，内生菌根还能减轻水分对植物胁迫作用等。国内对内生菌根也进行了大量的研究，结果表明内生菌根对小麦、烟草、草莓、番茄、铁皮石斛、蓝莓以及多年生树种都有良好的影响。
1.4.2 外生菌根 外生菌根（Ectomycorrihizae）简称ECM。与内生菌不同，外生菌根在根周围形成一个菌套，或者穿透植物的表皮细胞但仍保持在细胞间，形成一个哈迪网。据报道，全世界目前外生菌有5 000—6 000 种，主要是担子菌（Basidiomycetes）和子囊菌（Ascomycetes）。外生菌根的主要作用是分解土壤中有机物，增强外生菌根与寄主植物的碳、水和矿质养分的交换。同时，外生菌根还能降解土壤的DDT 等有害物质。外生菌根能拮抗植物根部病害病原体。研究表明，外生菌根红蜡蘑（Laccaria Laccatta）可抑制尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum），牛肝菌（Boletus sp.）等对多种植物病原体都有抑制作用。他们能抑制病原体的生长速度，使重叠菌落死亡，从而控制病原体繁殖体的形成。
目前的研究表明，无论内生菌根菌还是外生菌根菌对植物营养的作用均在土壤养分含量较低时才表现，且林木较多。在养分充足条件下，菌根菌对植物营养的作用研究较少。目前，由于菌根菌很难实现大规模的人工培养，在生产上的应用还十分有限。

1.5 植物营养与植物抗病性
随着人们对生态环境的要求越来越高，如何减少农药用量、保证足够粮食供应是人们面临的重要课题，人们开始注意植物营养与植物抗病性的关系，尽管这种关系还不能科学地解释清楚，但很多情况下人们已经开始将这种关系应用于生产实践中。
在植物营养元素中，氮是最重要的元素之一，也是目前报道影响植物病害最多的元素。一般认为，氮素使用有增加植物病害的倾向。在以前研究的61例病害中，氮素加重病害的有21例，减轻病害的22例，有18例不能确定。使用铵态氮加重病害的9例，能减轻病害的18例，34例不能确定，使用硝态氮加重病害的有11例，9例为减轻病害，41例不能确定。关于氮素与植物抗病性的机理可能是，当被感染组织中游离氨基酸浓度增加时，它为病原体提供了养分，所以，植物易感病；当被感染组织中游离氨基酸和多肽减少时，它不能为病原体提供足够营养，所以，植物表现为抗病。
磷与植物病害的关系较为复杂。目前关于磷与植物病害的关系已有大量研究，然而结果却大相径庭。在目前51 例植物病害与磷元素关系的研究案例中，有28例认为磷可减少作物病害，13例认为磷加重植物病害，10例没有明确其关系。日本在水稻上的研究表明，磷对稻瘟病几乎没有影响，当磷缺乏时，病害会减轻，当磷适当时，再增加磷肥，则稻瘟病加重，磷增加病害程度的加重仅出现在氮素处于高水平时。有研究表明，施磷肥后可增加作物根的体积从而提高作物对线虫的抵抗能力。关于磷的抗线虫机理主要认为磷可以增加植物体内维生素C、植物油、酚类物质、过氧化物酶等含量，这些物质不利于线虫繁殖。
钾与植物病害的关系研究甚多。国际钾肥研究所分析了2000多篇研究报告指出，钾肥能减少植物病害的蔓延，其中钾能抵抗真菌的占70%，抵抗细菌病害的占69%，减少害虫的占63%。但对病毒病的影响结果差异很大，有41%报道钾降低病毒病，而51%则报道施钾肥会加重病毒病发生。另据报道，在167例研究中，有113例表现为钾减轻病害，39例表现为钾可加重病害，8例表现为钾对病害没有影响。钾对线虫的影响方面，通过10例研究分析，钾减轻为害的有3例，6例表现为钾加重线虫为害，1例表现为钾对线虫病没有影响。有关钾对植物抗病性的影响机理还不十分清楚，但钾对提高植物抗病性的主要机理可能是钾可改变植物体内蛋白质和氨基酸的活性、降低植物细胞的渗透性、防止植物组织软化等。
钙是植物抗病性中最重要的元素，它能对25 种作物的36 种病害起抵抗作用，其主要机理是钙可改变pH，钙的丙酸盐可降低病原体的毒性，还可稳定细胞壁和细胞膜等。其他营养元素如镁、硫、铁、锰、锌、铜、硅等都与植物病害有一定的关系。

2 营养诊断

2.1 化学诊断
植物营养与肥料的发展离不开土壤养分的测试技术，通过测定土壤养分了解土壤养分的供应状况是科学施肥的基础。自1840 年德国化学家Liebig 提出植物营养的矿物质营养学说以来，土壤养分测试技术的研究从来没有间断过。
从严格意义上讲，土壤养分测定在Liebig 的“矿物质营养学说”之前就开始了，在Liebig 著的《化学在农业和生理学上的应用》一书中，就多次涉及对土壤和肥料中的营养元素的分析，但所采用的分析方法不祥。从这个意义上讲，土壤养分的测定是分析化学研究的一个分支，即土壤养分测定是将分析化学的技术和土壤植物营养学的原理相结合的产物。所以，1840 年以后，在土壤养分测定方法研究的发展过程中，土壤养分的测定可明显地分为两个方面，一方面是土壤养分的提取技术，另一方面是提取液中养分的分析技术。从学科上讲，前者无疑是土壤肥料学科的研究内容，而后者更像是分析化学的内容，但两者又密不可分，共同支撑了土壤养分测定技术的发展。
2.1.1 养分提取 1840 年以后的几十年间，土壤养分测定方法并无显著进展。直到19 世纪后期，土壤养分测定方法的研究才有一些进展。进入20 世纪后，土壤养分的测定有了明显的发展，以下是土壤养分提取方法研究的进程。
1883 年，Kjeldahl提出凯氏定氮的方法测定全氮。该方法被后人评价为“在分析化学历史上，没有一种方法能像凯氏定氮法那样在如此短的时间内被全世界广泛采用”，以后人们对其催化剂进行了一些改进，该方法至今还被广泛使用。
1925年，德国Bechold 提出电超滤（EUF）法。该方法可在一次测定中同时测得土壤中养分的强度、容量、缓冲容量和固定能力等，并据此估算出肥料需要量，有研究表明，这种方法在估计土壤钾长期供应容量时，优于醋酸铵法和M3 方法。
1927 年，Schollenberger 提出K₂Cr₂O₇-H₂SO₄测定土壤有机质；1934年Walkley 和Black 在此基础上提出了水合热法，目前水合热法是国际上常用的方法。中国目前多采用外加热法，即1935 年Turin提出的方法，也称丘林法。由于K₂Cr₂O₇-H₂SO₄测定土壤有机质的方法成本高且费时，同时还存在铬和强酸的环境风险，目前国际上开始趋向于采用烧失法测定土壤有机质含量。

1930年，Troug提出用0.02N H₂SO₄提取土壤速效磷，该方法以后被修改为H₂SO₄＋（NH₄）₂SO₄浸提，磷钼蓝比色法，这种方法目前在日本还有应用。

1932 年，Morgan 提出HOAc＋NaOAc 为通用浸提剂；1945 年，Bray 提出了Bray1 土壤有效磷浸提剂；1953 年Mehlich 提出Mehlich 1 土壤浸提剂；1954 年Olsen 提出了土壤有效磷提取剂。目前在美国土壤速效磷的浸提剂虽有10 种，但使用较多的仅有4 种，即美国东北部州所采用的Morgan 浸提剂、美国东南部州采用的Mehlich 1 土壤浸提剂、美国中北部州采用的Bray1 土壤有效磷浸提剂和美国西部州采用的Olsen 土壤浸提剂。在土壤有效钾的提取方面，美国有5 种土壤浸提剂，但使用的主要有3 种，即在美国东北部州所采用的Morgan 浸提剂、美国东南部州采用的Mehlich 1 土壤浸提剂、其他州则采用1944 年Bray 提出的中性NH₄OAc浸提剂。

20 世纪70 年代以后，由于分析技术的提高，一次性测定浸提液中的多种元素成为可能，特别是ICP的出现，人们开始关注联合浸提剂，也称通用浸提剂（Universal extractans），如Mehlich3 浸提剂替代了Mehlich1、Bray1 和中性醋酸铵用于黏重土壤，Soltanpour 等改进了1965 年Lindsay 等提出用DTPA浸提土壤微量元素，用CaHCO₃-DPTA（AB-DTPA）替代了Olsen 浸提剂，提取碱性土壤上的P、K、Cu、Fe、Mn和Zn。Worlf 改进了Morgan 浸提剂，将其扩展到了浸提微量元素。Houba等1990年建议用0.01mol·L^-1 

CaCl₂提取土壤中P、K、Mg、Na、NO₃-N、NH₄-N、OM-N、S、B、Fe、Cu、Mn、Zn 以及Cd、Pb、Ni 等。美国20 世纪90年代以后，又出现了很多商业性的私人实验室，这些实验室所采用的方法主要是区域土壤养分测试研究机构、推广机构或土壤植物分析委员会推荐的方法。这样，土壤测试方法的重大改变需要有足够的测试并由认证机构认可。所以，以后有关土壤浸提方法的发展开始缓慢。

1973年，A. H. Hunter 在总结前人土壤测试工作的基础上，吸收了美国北卡罗莱那州立大学的D.Waugh、R. B. Cate 和L. Nelson 的研究结果提出了评价土壤养分状况的实验室化学分析方法。该方法应用联合浸提剂显著提高了测试效率，在中国-加拿大政府间合作研究项目实施中引进中国，在测土推荐施肥工作中成功应用。
从以上研究进程不难发现，在土壤养分测试的过程中，由于全量养分的测试技术较为单一，所以，土壤养分测试的研究比较侧重于土壤有效养分。在20世纪70 年代以前，土壤养分的浸提多以单元素为主，90 年代以后，基本上以联合浸提为主，以单元素浸提的方法基本上被固定下来，作为了土壤养分测定的基准方法。在以往的研究中，由于土壤速效养分的不确定性，所以，对土壤速效养分浸提方法的研究一直是土壤养分研究的热点之一，但相对于土壤全量养分，土壤速效养分浸提方法的研究则相对较少。
中国对土壤养分浸提剂的研究较少，目前基本上还是采用20 世纪60 年代以前的测试方法，即土壤速效磷采用Olsen 方法，速效钾采用中性醋酸铵浸提方法，这些方法的测定结果具有年代可比性，但分析速度较慢，使得农化服务的效率大为下降。
2.1.2 养分测定 在土壤养分测定技术方面，除了将养分从土壤中浸提到溶液中以外，定量分析溶液中的养分也是研究的重要方面。但是，后者更多是借鉴分析化学的研究成果，近观百年，土壤测试技术的发展，可归纳为几个阶段。
20 世纪50年代以前，土壤浸提液中养分的分析基本上以常规方法（重量法、容量法）为主。
20 世纪60年代以后，光谱化学和分光光谱技术应用到了土壤养分的测试中，集中表现在极谱仪、X光、荧光分析仪的应用。
60 年代电化学分析应用于土壤养分分析，特别是氢电极的应用在土壤pH 测定中基本上取代了比色分析法。
70 年代以后，以发射光谱和吸收光谱为主的分析方法应用于土壤养分分析中。表现为火焰光度计、原子吸收分光光度计等的应用。
70 年代以后的电感耦合等离子体光谱仪（ICP）应用于土壤养分测定。
80 年代以后，电子技术的发展，使仪器开始自动化（电子天平、自动定氮仪）。
90 年代以后的网络数据自动采集与传输应用于土壤养分分析。
以上分析启示我们必须要在充分利用现代科学成就、掌握新技术的基础上，来革新土壤科学研究的面貌，而创造和改进测试技术以及分析方法是十分重要的方面。但是，土壤养分分析的发展与仪器分析也不完全同步。由于土壤养分分析的特殊性，方便、快捷、经济的测试方法一直是土壤科学工作者孜孜以求的目标。

2.2 光谱诊断
光谱诊断是通过植物叶片对不同光的反射、透射和吸收特征来反映植物对外部环境变化的内部生理反应的一种方法，其基本假定是外界环境的部分胁迫可引起植物光合作用的显著变化，这样的变化导致植物叶片对光反射的显著变化。该方法具有快速，且不破坏植株结构的特点。光谱诊断起源于19 世纪末和20 世纪初，目前许多商业化的设备可成功检测植物的非生物和生物胁迫，如干旱、营养、昆虫等。作物营养的光谱诊断是遥感技术与植物营养学结合的产物。根据遥感平台，可分为卫星遥感诊断、航空遥感诊断、低空遥感诊断和地面遥感诊断等。在相同分辨率的情况下，遥感平台越高，诊断的面积越大、精度越低。近年来，在植物营养诊断方面，利用无人机的低空遥感诊断和利用高光谱技术的地面遥感诊断得到了迅速发展。一些专门用于植物营养诊断的仪器也相继出现，如SPAD、Greenseeker等。
作物营养元素含量是作物营养光谱诊断的重要方面，作物营养光谱诊断研究最多的养分是氮素，其主要原理是通过测定作物叶片中的叶绿素含量来推算植物体的含氮量。光谱诊断的方法一般是通过光谱中不同谱段的计算，形成一个指数，通过不同的指数换算成营养元素的含量，最常用的是归一化植被指数（DNVI），也有很多不同的指数被研究。植物反射光谱的红边位置与其叶绿素含量和氮素含量也有密切关系。目前，光谱技术也用于了土壤养分的预测和其他作物特性，特别是作物的病虫害的诊断。

3 施肥技术

3.1 施肥模型
根据作物营养需求、生长环境和营养诊断的结果，计算出作物的肥料需求数量及其在作物生育期中的分配，即为施肥模型。从不同的角度可以将施肥模型分为多种。目前在生产实践中应用较多的有三大类。
3.1.1 养分分级模型 也称为土壤养分分级模型或养分指标法，即把土壤养分或养分指数分为若干等级，每一个等级对应一个作物的施肥量。这种方法简单明了，便于操作，在等级划分时，可能将许多因素，如土壤培肥、环境影响等考虑在内。目前在欧洲的施肥指导手册中多采用这种方法。
3.1.2 肥料效应函数模型 肥料效应函数模型是根据1909 年Mitscherlich 提出的作物产量与土壤养分供应量之间的关系发展而来的。以后人们对此进行了大量的研究，形成了Mitscherlich-Bray方程。 由于这种方法有明确的施肥量与作物产量的关系曲线，克服了养分分级模型中“等级内差异缩小化、等级间差异扩大化”的弊端，是一种较为准确的施肥模型，这种方法目前还在世界各地大量应用。中国从2005年开始的测土配方施肥行动中所规定的3414 试验，就是依据肥料效应函数模型提出的。据此在全国范围内的不同作物上都进行了大量的肥料效应函数模型研究。
3.1.3 养分平衡模型 养分平衡模型是基于作物吸收与土壤养分供给和施用养分平衡的施肥量计算方法。这个方法源于Truog 1960 年第七次国际土壤学会上做的“测土工作五十年”报告。本方法目前被称为“目标产量法”。1967 年印度学者Ramamoorthy 著文推广应用该方法，也称Turog-Ramamoorthy 法。1973年，美国学者Stanford 提出了氮肥需用量公式，也就是目前应用最广泛的作物目标产量法计算公式。该方法中关于土壤供肥量的确定一直是人们研究的热点，特别是在氮素的供应方面。
3.1.4 其他施肥模型 近年来，随着精准农业的发展，人们需要快速确定作物的施肥量，一些养分传感器技术应运而生。通过传感器对叶片中养分测定，直接计算出施肥量。这种方法的代表是法国学者Beaufil和南非学者sumner 共同提出的DRIS 法（diagnosis and recommendation integrated system）。该方法主要是利用植物叶片中营养元素的含量及其比值进行营养诊断，最终确定施肥量的方法，适合于土壤养分测试较困难的果树或林木的营养诊断及施肥。

3.2 精准施肥
精准施肥起源于20 世纪70 年代中期和80 年代初期，主要是基于地块内土壤养分的变异。同时，该时期一些新技术的发展如微型计算机技术、地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）等，使得农田空间信息的获取成为可能，并形成了一个新农业技术—计算机控制与传感器。最初称为“根据土壤类型管理（farming by soil type）”，以后又称为“精确点位管理（site-specific management）”，现在统称为“精准农业（precision agriculture）”。精准农业是将空间信息技术应用于农业以改进农业生产决策过程的技术体系。在施肥方面，传统农业是根据每个地块的土壤养分状况，在地块内均匀施肥；而精准施肥根据土壤养分等特性将一个地块划分成若干区域，然后根据每个区域的情况进行施肥，它能最大限度地发挥耕地和肥料资源的作用。精准施肥的理论依据是土壤养分的空间变异（spatial variability），核心是变量技术（variable-rate technology），技术支撑是信息技术（information technology）。
目前，在精准施肥的实现方面，主要是通过两种技术体系，一个是基于3S（GIS 、GPS、RS）的技术体系，另一个是基于传感器的技术体系。基于3S 技术的变量施肥是在地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）和遥感技术（RS）的支持下，通过预先置入施肥机上的施肥图，在GPS 的指导下，调节施肥量的大小。对固体肥料，变量施肥机大部分采用转动式，通过液压马达驱动排肥器，以达到变量施肥的目的。对于液体肥料，一般采用流量倍速管组合的方式达到变量施肥的控制。而基于传感器的变量施肥则通过安装在施肥机的实时传感器，测定作物需肥量的多少，然后通过控制变量机，达到变量施肥的目的。
目前，依据不同技术体系的商用变量施肥机在世界各大公司都有生产。美国的AGCO 公司、JohnDerre公司、CASE公司、Micro-Trak公司、Mid-Tech公司、Trimble公司、Agleader公司、加拿大的Agtron公司、欧洲AMAZONE公司、RDS公司、AMASAT公司、日本的Hatsuta公司等都生产与变量施肥有关的整机或控制设备及信息技术设备等。

3.3 灌溉施肥
把肥料直接注入灌溉水中进行施肥的方法称为灌溉施肥（fertigation）。有关灌溉施肥研究始于1958年。20 世纪60 年代初开始迅速发展。该技术可节水40%以上，节肥20%以上，节约土地5%—7%，比常规省工90%，增产幅度达30%—50%，有效保护了生态环境。这种技术被认为是一项高效的施肥技术，目前该技术正在与信息技术结合，实现农田水分-养分的全自动化管理。

4 施肥与环境
随着人口的增长，粮食的需求越来越多，化学肥料的用量也越来越大，2008—2013 年间，世界年均氮肥用量增加了2.2%、磷肥3.8%、钾肥5.3%。2013 年世界化肥用量为1.84 亿吨（纯养分）。然而由于不合理的使用，导致在全世界范围内不同地区出现严重的环境和经济问题。

4.1 温室气体排放
肥料特别是化学肥料在生产、运输、使用过程中都会产生温室气体。据统计，全世界每年因肥料制造而产生的温室气体为465万吨CO₂ 当量，占全球温室气体排放的0.93%；肥料运输而生产的温室气体为37万吨CO₂ 当量，占全球温室气体排放的0.07%；肥料使用中生产的N₂O和尿素、碳酸氢铵中直接排放的CO₂合计为728.5 万吨CO₂当量，占全球温室气体排放的1.5%。总计因肥料引起的温室气体排放约占全球温室气体排放的2.5%。

4.2 肥料污染
大气PM2.5 的化学组成中，铵盐占有相当数量，其主要来源是农业养殖业。美国切萨皮克湾氮磷污染物中的一半来源于农业不合理的肥料使用，密西西比河流域过量使用氮肥所造成的环境灾难形成了6000平方英里的“死亡区”。中国“第一次全国污染源调查公报”指出：农业源氮排放占工农、生活源总氮排放量的57.2%，农业源磷排放量占工农、生活源总磷排放的67.4%。农业一方面为地球上的人口增长提供了必需的粮食，同时也给环境造成了巨大的压力，现代农业离不开化学肥料。所以，解决这一问题的唯一可行的方法就是改进肥料管理。

5 肥料产品
李比希提出的矿质营养学说为肥料特别是化学肥料的生产奠定了理论基础，100 多年来，人们在化学肥料的生产和改进上做了大量的工作。1909 年德国科学家Haber 提交了高压法生产合成氨的专利，1912 年他与Bosch 一起成功将该技术用于了工业生产，奠定了现代化肥工业体系的基础，形成了目前以化学肥料为主导的施肥技术体系，后人高度评价了合成氨技术的作用，并于1918 年获得了诺贝尔化学奖，认为目前地球上约一半的人口是靠合成氨技术来养活的。

5.1 主要肥料品种
目前，在世界范围内，主要的大宗肥料分3 类，即尿素、磷铵和钾盐。大部分的复合肥料都是以这3 种肥料为原料进行二次加工。以天然气和煤生产的尿素占94%，中国主要以煤为能源生产尿素，约占世界煤头尿素的97%。全世界用石脑油为能源生产的尿素仅占2%，其中印度石脑油尿素占全世界产量的92%。其他主要是以天然气为能源生产尿素的，也称气头尿素，在中国，气头尿素约占12%。
目前，磷肥的主要品种为磷酸一铵（MAP）和磷酸二铵（DAP），西方国家基本上采用是“磷酸浓缩法工艺”，也称传统法，主要在生产过程中将中间产品低浓度湿法磷酸蒸发浓缩，除去大部分水后，再与氨中和反应，反应料浆直接造粒得到产品，中国主要采用“中和料浆浓缩法磷铵工艺”，也称“料浆法工艺”，它与传统法的区别在于先以氨中和稀硫酸，制得的中和料浆再进行蒸发浓缩，从而避开了磷酸浓缩的困难，也适合我国大部分的中、低品位胶磷矿。
世界钾盐产量的93%用于钾肥生产，目前主要的钾肥品种有氯化钾、硫酸钾和硫酸钾镁肥3个品种，其中氯化钾占90%以上。中国钾资源主要分布在西北地区，至2014年，中国钾肥产量达610.47 万吨（折纯）。

5.2 肥料资源
肥料产业是一个高度依赖资源和能源的产业。如前所述，氮肥虽然从空气中制取，但需要能源，磷肥的生产需要磷矿，钾肥生产需要钾矿。
在氮肥的能源消耗方面，在世界范围内约有75%—80%的合成氨由天然气制备，每吨合成氨需要约1230m³的天然气，若全部合成氨由天然气生产，将消耗全世界约5%的天然气。天然气的价格会严重影响肥料的价格，目前每年消耗的天然气为3.2 万亿m³，按这种速度，世界天然气可消耗50 年。

目前磷矿主要用于磷肥的生产，世界范围内磷矿贮量为150 亿吨，基础贮量为470 亿吨，主要分布在摩洛哥和西撒哈拉、中国、美国和南非，约占世界贮量的80%以上，按目前的开采速度，高品位磷矿可用90 年，加上低品位磷矿可用290 年。中国磷矿可用80年，加上低品位磷矿可用210 年。钾盐是生产钾肥的基础矿物，全世界贮量约83亿吨，基础贮量约为180 亿吨，主要分布在加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、德国和巴西，约占世界总贮量的95%以上，按目前的开采速度，可用235 年。加上低品位钾矿，可用500 年。
世界氮、磷、钾资源贮量在可预见的未来是丰富的。但随易开采矿物的减少，肥料的价格可能会不断上涨。总之，肥料资源属于不可再生资源，做好肥料管理是保证农业可持续的关键。

5.3 肥料创新
在粮食生产和环境保护的双重压力下，如何在保证粮食安全的同时，减轻肥料对环境造成的巨大压力，提高肥料利用率，减少肥料的浪费成了肥料研究的热点。在肥料方面，通过肥料技术的创新，提高肥料的效果也是提高肥效的重要途径。肥料的创新离不开4个方面，即肥料中的养分含量、养分比例、养分形态和肥料助剂。目前正在向着高浓度、多形态方向发展。肥料助剂也从传统的以改善肥料物理特性向促进作物养分吸收、调节植物生长的方向发展。

6 植物营养与肥料科学的展望
现代植物营养与肥料科学发展一个半世纪以来，在保证人类的粮食和农产品供应方面起到了重要的支撑作用。但是，如前所述，肥料也给环境造成了巨大的压力，肥料的养分特别是氮肥的利用率低，成了世界范围内的问题，这其中有许多理论问题，也有很多技术问题，同时还有政策问题，都需要在今后的植物营养与肥料研究中加以解决。

6.1 提高肥料利用率是解决肥料问题的关键
据报导，在世界范围内，60%的氮肥用于了谷物生产，其利用率估计为33%，磷肥的当季利用率在15%以下，30年的累积利用率也很难达到50%。为了提高肥料利用率，一些组织开始针对施肥中的关键问题，倡导4R 技术，即正确的肥料（right source）、正确的用量（right rate）、正确的时间（right time）和正确的位置（right place），旨在提高肥料利用率，减少肥料对环境的影响。众所周知，肥料的生产率与利用率是一个问题两个方面，报酬递减率告诉我们二者不能兼得。在一定的技术水平下，提高肥料用量，肥料的生产率必然降低，它所带来的肥料利用率必然也会下降。所以，只有改进技术措施，才能使肥料的生产率与利用率同时提高。同时也必须认识到，肥料的利用率在什么样的区间，对环境的影响降至人类可接受的程度，可能是今后植物营养与肥料学科和环境学科需要共同研究的问题。

6.2 解决蔬菜施肥过量需要理论与技术的支撑
施肥所引起的环境问题在蔬菜和果树生产上表现尤为突出，人们目前都将此问题归结为蔬菜和果树施肥的不合理。为什么这个问题长期得不到解决，其中一个重要的原因是理论问题未能解决，即蔬菜根系养分耗竭区的问题。蔬菜生长速度比大田作物快得多，生物量在短时间内快速增加必然需要大量的营养元素，这样使蔬菜根系周围的养分耗竭强度加大，耗竭区相应增加，补充根系表面的养分，必须增大耗竭区外的养分浓度，增加耗竭区外缘与根表的养分浓度梯度，以使养分更多更快地移动到根表，供蔬菜根系吸收。所以，在不提高养分移动速度的情况下，减少施肥就降低了耗竭区外的养分浓度，蔬菜根系得不到养分供应就会生长受阻。解决蔬菜施肥量过大问题的关键是提高养分的移动速度，强化蔬菜根系的养分供应。

6.3 在正常养分条件下开发与利用养分高效基因
目前，人们对植物养分高效利用基因的研究较多，但是还不能在生产上应用。原因是多数的研究都是在土壤养分极低的情况下进行的，也可以认为这些所谓的养分高效基因是在环境养分极低时才能表达。试想，世界化肥使用有一百多年的历史，一般土壤中的养分浓度都达到了相当的水平，这也是人们培肥地力的目的。如果不能在常规养分浓度下表现出养分的高效利用，作物的产量也不会达到人们的预期，其应用必然会受到限制。所以，研究高浓度养分情况下的养分高效利用基因，是未来提高作物养分利用率的重要途径。

6.4 施肥新技术是提高肥效的重要措施
随着信息技术的发展，使施肥技术的精准化成为了可能，传感器技术使施肥的自动化程度大为提高。这些技术的应用，不仅可能减少人工对施肥的干预，还大大提高了施肥的针对性。在目前条件下，特别是在中国新型城镇化和农业的适度规模经营的发展下，省工、省时、高效率、低成本的施肥技术必将得到快速发展，这些技术包括精准施肥技术、水肥一体化管理技术、简化施肥技术等，这些技术需要新型肥料、施肥机械、信息技术等支撑，今后施肥技术的发展会是多学科协同创新的结果。传统的植物营养与肥料学科必须结合新技术才能有大的跨跃式发展。

6.5 立足当前可用肥料资源发展肥料产业
肥料资源是不可再生的资源，人们对肥料的珍惜和对肥料资源的忧虑都是可理解的。同时也要看到肥料技术的创新。用传统的肥料生产技术对待肥料资源短缺问题会有一定的局限性。对磷资源而言，高浓度磷肥是现阶段磷肥发展的主流，对中低品位磷矿石的利用需要选矿技术作为技术支撑。若干年后，当土壤中的速效磷累积到一定程度，施用中、低浓度磷肥的效果可能会更好。
中国钾肥产量不能满足需求，每年需进口大量的钾肥。由于钾资源多集中在西北地区，近年来，人们注意到了低浓度难溶性钾矿（钾长石）的开发利用。这种技术研究和贮备是必须的。但是，在全世界范围内，现阶段钾肥的应用还是以水溶性固体钾盐资源为主。
总之，植物营养与肥料学科的发展与人们所面临的人口、资源和环境息息相关，肥料的施用既是保证食物安全的需要，同时也给环境造成了巨大的压力，科学的使用适量的肥料，获得最多的食物是今后植物营养与肥料学科努力的方向。

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