不断增长的粮食需求是人类必须应对的挑战，这就要求土壤肥料学科在提高养分资源效率、提高土壤肥力和农田可持续性、保护资源环境和营养健康等方面深入探索，寻求出路。
“肥料是国家粮食安全的重要保障，养分资源高效利用是保证农业可持续发展、粮食安全和生态环境安全的永恒主题。”在日前举行的中国农科院“农科讲坛”上，中国农科院农业资源与农业区划研究所研究员、植物营养团队首席科学家周卫说道。
不断增长的粮食需求是人类必须应对的挑战，这就要求土壤肥料学科在提高养分资源效率、提高土壤肥力和农田可持续性、保护资源环境和营养健康等方面深入探索，寻求出路。一直以来，周卫及其科研团队不断开拓养分高效利用创新之路。
养分高效重大命题亟待破解
“当前，世界范围内施肥的科学性还不够。一百多年来，世界范围内养分的投入产出不平衡状况不断加剧。我国也存在着化肥大量施用、肥料利用率低的问题。”周卫介绍。
我国常年化肥用量占世界化肥消费总量的35%，单位耕地面积化肥用量是世界平均水平的3倍、欧美国家的2.5倍，而肥料利用率只有30%~35%，远低于发达国家的50%~60%。周卫说，肥料养分利用不充分必然加剧面源污染和温室气体排放。
就养分资源而言，可以分为化学肥料和有机肥料两大类。化学肥料分为大量元素、中量元素、微量元素，有机肥料包括粪肥、秸秆、绿肥等。实际上，肥料利用率中，人们最关注的还是氮肥利用率。
“肥料利用率是一个让中国土壤肥料领域专家和农民都承担着重大压力的问题。”中国农科院农业资源与农业区划研究所研究员金继运指出。科技部基础研究司研究员彭以祺表示，“化肥减量增效将降低农业生产成本，给农民减轻负担。”
“肥料利用率就是施了多少养分到土壤中、被作物吸收利用的比例是多少、多少被吸收利用形成了生产力，这都是非常关键的问题。”金继运表示，导致我国肥料利用率低的主要因素有耕地质量差、施肥技术跟不上等。
他还认为，“另外一个问题就是科学技术。如果植物营养与肥料领域没有基础和理论上的突破与创新，也是不可能有新的进步的，所以要搞研究，形成配套的技术体系才能在生产上发挥作用。”
周卫带领植物营养团队针对我国低产田面积大、化肥利用率低的问题开展理论、方法、技术、产品创新，构建养分资源高效利用的方法、理论、技术体系。先后两次获得国家科技进步奖二等奖，相关成果入选国家自然科学基金项目优秀成果选编。
对此，周卫表示，“聚焦创新，服务国家。服务国家不是一个简单的口号，而是服务于国家的重大需求。”
“养分资源高效利用直接关系到我国粮食安全和生态环境安全。与发达国家环境优先相比，我国高投入、高产出的集约化生产体系要协同高产、高效、环境保护等多重目标，因此，这一命题在我国更具特殊性和挑战性。”他说道。
创新养分高效利用技术路径
“当前施肥面临一些挑战性的问题，如土壤氮素至今缺少满意的推荐方法，环境来源养分如沉降、排灌等未能考虑，存在土壤测试不及时或条件不具备的问题，还有如何考虑到养分互作、秸秆有机肥施用等。”周卫说。
为此，植物营养团队建立了基于产量反应和农学效率的养分推荐方法，应用计算机软件技术，研制了作物养分专家系统，实现了4R(肥料用量、品种、施肥时期、施肥位置)养分管理模式，可实现小麦和玉米减施氮肥30%以上，提高作物氮素利用率10%以上。
具体做法是在中国小麦、玉米、水稻种植区进行多年多点实验数据的收集和汇总，利用相关模型来分析产量养分吸收特征，并进行产量反应以及相关性分析，构建施肥模型，再经过多年多点试验的验证，建立基于产量反应的农学效应推荐施肥方法。
周卫介绍，我国以小农户经营为主体，依据土壤测试指导农民施肥存在着推荐不及时、成本高的问题，而该方法是基于大数据挖掘的推荐施肥方法，通过提炼产量反应与农学效率之间关系进行肥料推荐，理论基础坚实。
通过计算机软件技术建立问答式界面，把复杂的推荐施肥原理简化成农民方便使用的养分管理专家系统，既可以在计算机上下载使用，也可以通过微信关注手机使用，目前在14个省区水稻、小麦和玉米三大作物上得到了广泛应用。
有机肥料是宝贵的资源，但有机肥和秸秆在土壤中微生物转化缓慢，养分释放难以匹配作物需求，秸秆还田中碳氮比过高，成为影响有机肥利用的瓶颈。团队揭示有机肥替代化肥的机理，明确参与有机肥和秸秆碳氮转化的微生物类群，阐明主要种植体系有机肥替代化肥氮素的合理比例。
团队实施的有机肥料替代化肥养分策略，与习惯施肥比较，氮素有机替代可增产4.6%～25.0%、减施化学氮肥32%~44%，氮肥利用率提高11%~26%，为化肥减施增效提供有效技术途径。
周卫介绍，硫、钙是植物必需的中量元素，不论在理论上还是技术上，硫、钙研究都比较薄弱，尤其是产品较缺乏。为此，团队研发了作物、蔬菜和果树等作物的高效硫肥与高效钙肥等新型肥料，为遏制土壤缺硫和缺钙的发生提供了可行途径，相关成果获2005年国家科技进步奖二等奖。
研发土壤培肥与化肥减施综合技术
“当前，我国耕地70%为中低产田，土壤有机质含量平均不足2%，远低于发达国家3%的水平，主要问题包括东北黑土耕层变薄，南方红黄壤酸化，华北耕层变浅，西北耕地盐碱化和沙化，水稻土低产障碍，土壤重金属、农药、残膜污染，新垦耕地地力低下。”周卫说。团队近年来一项重要工作是培育高产高效土壤，研发出低产水稻土改良关键技术。
我国是世界上的水稻生产大国，南方水稻常年植稻面积3.76亿亩，占全国水稻总面积的82.7%，但其中约1/3为低产水稻土。
水稻土为什么低产?当多数人还在关注土壤的物理、化学性质时，周卫领衔的科研团队首次建立了涵盖生物肥力指标的质量评价指标体系，突破长期以来南方水稻土低产障碍不明的关键瓶颈。
团队建立了5种类型低产水稻土质量评价的最小数据集，并针对障碍因素一一进行改良破解。“我们的基本思路是阐明障碍因素—创新改良技术—研创改良产品—集成改良模式。”周卫表示。
改土与施肥是分不开的。在创新低产水稻土改良与地力提升关键技术的同时，团队也研创了低产水稻土改良与地力提升新产品。应用技术集成模式，南方低产水稻土障碍因素得以消除，如果3年连续改良，土壤肥力可提高至少1个等级(100公斤/亩)。
这项获得2016年国家科技进步奖二等奖的成果已在南方11省规模化应用，大幅度提升了低产水稻土的地力水平，产生了良好效益。周卫团队又继续投入另一项创新工作——参与国家重点研发计划“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”重点专项。
“团队未来将围绕粮食作物、经济作物、蔬菜、果树等四类作物，力争在建立肥料减控标准、集成减施技术模式和创新产品装备等方面实现新的突破，为我国化肥减施增效行动提供科技支撑。”周卫表示。
团队将要开展以下几个方面的研究工作，首先建立先进养分推荐方法与限量标准，主要研究四类作物的养分吸收特征、产量反应与农学效率的关系、施肥模型的构建与验证、建立作物养分推荐施肥方法，并根据区域肥力和产品水平制定养分限量标准;实施有机养分替代化肥养分，创制高效新型肥料，研发智能精准施肥装备，培育高产高效土壤，集成化肥减施增效技术模式，实现农业绿色发展。
