文献综述 植物营养与肥料学研究进展

1 植物营养与施肥研究发展概况 植物营养与肥料学是农业科技领域中的一门重要学科，主要从事农业生产中植物、土壤、肥料、环境之间的相互关系的研究，包括植物体内各种营养物质的功能、运输、分配和能量转化的规律，植物对养分的吸收、转化和利用，土壤中养分物质存在的形态、转化途径及影响因素，各种肥料产品的特性、作用机理与合理利用的技术等。

德国著名化学家李比希（1803～1873）的植物矿质营养学说的提出，促使了化学在农业上的应用，领导和推动了农业的第一次技术革命。其后，许多科学家们通过大量的盆栽和田间试验证实了这一学说，并在此基础上建立各种化肥厂，生产各种化学肥料，使肥料生产从单元素到复合、复混到专用，研究内容越来越全面系统，研究技术和手段越来越先进。

我国农业生产历史悠久，植物营养与施肥的研究历史更长，约有3000多年，早于欧洲；在施肥方面也积累了丰富的经验。但把植物营养与施肥作为一门科学来从事专门的研究，也只是最近几十年才开始的。1901年开始施用化肥，以后进行了许多规模不等的肥料试验，通过科技工作者几十年的努力，使植物营养与施肥研究达到一定水平；特别是近几年来测土施肥和配方施肥的推广应用、计算机模拟的引入和应用，使我国的植物营养与施肥研究又进了一步，目前正逐渐与许多学科和新技术相互渗透，产生一些新的分支学科，形成一门体系更完整、内容更丰富、并具有现代科技特点的科学。

2 植物营养与肥料学的现状 2.1 数字化的研究方向 一百多年来，植物生理学家、植物营养学家和肥料学家确定了植物必需营养元素及其生理功能和代谢过程，不足和过剩所导致的生理失调现象；营养元素在土壤中的行为和归宿，各个土壤供应不同营养元素的状况，确定了因土因作物施用肥料的依据和指标。多属于定性方面的研究。

近30年来，随着计算机技术在植物营养科学中的渗透和应用，使植物营养与施肥的研究出现了突破性进展。计算机控制下的施肥模式和相应的精确施肥技术开始投入使用。应用3Ｓ技术的精确施肥也将推动着施肥技术的革命。计算机技术可广泛应用于植物营养与施肥研究的各个方面。 遥感平台 地面接收站 R S GIS GPS 地物 3S技术示意图

现在，植物营养与肥料学科已经在过去工作的基础上，集中于定量方面的研究，即根据营养特点，根据供应养分的情况，通过施肥定量地投入营养物质，调节植物生长和发育。可利用数学模型确定不同环境、不同作物、不同生育阶段养分的供求则是这一方面的深化。如土壤养分吸收过程的模拟能使我们更深入地了解土壤养分向根供应的限制因素及其相应的改土培肥措施提供了一个新的可靠途径。为了确定合理的养分投入量，各种试验方法，各种数学模型也日益出现。虽然这一方面的工作尚属起步，距达到定量调控的要求尚有不少差距，但这一好的开端促使了这一工作更快发展。 今后，将在进行土壤肥力调查和长期监控的基础上，通过计算机技术建立各种数据库，模拟土壤中和植物体内营养元素的变化，将土壤、作物、肥料、产量、品质、效益等联系起来进行综合系统研究，建立相应的推荐施肥系统和模式，实现施肥科学化、自动化。

2.2 植物营养生态学的形成 植物营养生态学是探讨植物营养利用策略的科学，包括植物体内营养的合理利用策略和植物对无机营养环境的改造以利于吸收的各种可能策略。其研究内容包括养分利用效率、植物体内营养的再利用、体内营养含量格局和植物对土壤无机营养环境的改造 。 利用植物改良土壤，净化环境是植物营养科学中最近发展的一个新的生长点。在第13届国际植物营养会议上有19篇论文专门介绍了植物营养与环境污染的关系，还有33篇论文讨论了植物对重金属、盐碱、酸土及铝毒的耐性问题；并基本明确了利用植物改良土壤环境的机理。

不少的植物营养元素也是污染元素，施用不合理就会污染环境，引起生态条件恶化。就氮素来说，在通气良好的旱地土壤上，施入的有机肥料中的氮素，或铵态氮、酰胺态氮肥，均会经硝化作用转变为硝态氮。形成的硝态氮进入植物体后，大部分经过硝酸还原酶作用参与植物一系列代谢过程；但如果施氮多，就会有一部分氮素以硝态氮的形态存在于植物体内，这一情况在蔬菜中更为严重。形成的硝态氮也会随径流流失或随水下渗，污染湖泊和地下水源。存在于植物或地下水中的硝态氮严重危害摄食、饮用它的人体健康。在过量施氮的地区，农作物抗病虫能力减低，导致农药大量施用，不仅增加农业成本，而且加剧了环境质量的下降。氮肥如此，磷、钾化肥也是这样。

另一方面，肥料的不合理应用还能引起大气环境变化，直接影响人类生存。现已查明，世界性的三大环境问题，即臭氧层的破坏，温室效应气体以及最近日本人提出的所谓环境激素，都直接和间接地与施肥有关。 Cropped or grazed N2 of air N2 ,N2O Rainfall Fixation Fertilizer Ammonium fertilizer Volatilization (NH4+- NH3 ) NH4++NO3- Leaching Immobilization NH4+ Denitrification Mineralization NO3- Immobilization Nitrification Clay colloids N的循环 Humus Leaching

臭氧层是地表上空15~50km的平流层里存在的臭氧含量高达10ppmv的气层。臭氧对太阳光中的紫外线有极强的吸收作用，能吸收高强度紫外线的99%。如果没有臭氧气层这一天然保护屏障，让太阳光中的紫外线全部到达地球的话，人体和其他生物被晒的程度将比夏天烈日下强50倍。而造成臭氧层破坏的一个原因是施用肥料所引起的氮的氧化物增加，主要的是N2O ，会在平流层中参与重要的大气反应而消耗臭氧。据Crutzen和 Ehhalt估计，大气中N2O浓度每增加1倍，将导致臭氧层破坏10%，并使到达地表的此外辐射增加20%。从而导致皮肤癌的增加及影响到其他健康问题。

热成层 电离层 中间层 臭氧吸收 平流层 对流层 绝对温度K 250 250 300 80Km 50Km 10Km N2O→N2+O N2O+O→2NO NO+O3→O2+NO2 臭氧吸收 平流层 10Km 对流层 绝对温度K 250 250 300

另外，N2O在对流层中的惰性较大，寿命长达110~150年；且每一个分子的增温效应约为一分子CO2的200多倍。也是温室效应气体之一。 这些环境问题已引起了植物营养与肥料学家的广泛关注，促进了植物营养和肥料科学与环境科学及生态科学的交叉和融合，导致了植物营养生态学的兴起。

2.3 正在向植物遗传学扩展 矿质营养是植物生长发育的基本物质和调节因子之一，但作为供应矿质养分介质的土壤并不能完全满足其生长发育之需求。据估计，全世界近130亿hm2的土壤中，约有22.5%存在着不同程度的养分胁迫。另一方面，化肥资源的紧缺与肥料利用率低是土壤植物营养科学长期以来要致力解决的问题。所以，提高肥料利用率应包括提高作物对化肥的吸收利用率和作物活化土壤养分能力。土壤改良在一定程度上可缓解养分逆境条件，但大面积的土壤改良，受制于成本、资源、技术及实际推广应用的可行性等。因此，人们希望通过遗传改良培育出适应特定土壤环境逆境的优良品种，从根本上解决上述问题，即通过育种手段改变植物的矿质营养遗传学特性，使其活化土壤固有的养分，把它们由植物不能利用的形态变为植物可利用的形态，从而挖掘土壤固有的养分潜力，充分利用自然资源。

植物不同基因型对土壤养分的吸收利用率和忍耐能力明显不同，可在收集大量种源的基础上，筛选出抗性强或利用养分能力强的种源材料，通过传统方法和现代高新技术培育出“有效植物”（即养分利用能力强或对元素缺乏和养分有效性低的条件抗性强的植物基因型）和“耐性植物”（对元素过多抗性强的植物基因型）新品种。

例如，根系形态的变化直接影响养分的空间有效性，大部分植物在养分如N、P、K等处于欠适量或缺乏时会使植物根冠比增大。低肥力土壤植物主要依靠易变的根冠比来扩大它们的吸收范围，提高其适应性，Caradus（1995）指出衡量根系大小的指标 （根重、根体积等）与 根系形成的指标（根直 径、根毛长度等）均有 较高的遗传力。只要其 与某一元素的养分效率 密切相关，即可作为选 择指标。而根系分泌物 在受到某一养分胁迫时 也会有相应的变化。

缺磷条件下白羽扇豆分泌柠檬酸较为典型，缺磷诱导13周的白羽扇豆在形成排根的同时，光合产物的23%以柠檬酸的形式从排根分泌进入根际，使根际pH值下降。并且与铁、铝、钙等固磷基质形成稳定的螯合物，使用使难溶性磷得以释放，大大提高了有效磷浓度（Dinkelaker，1989）。 除了根系分泌物以外，植物对养分胁迫的反应差异也会在酶活性的变化及合成蛋白质方面表现出来。这些发现促进了植物营养遗传学的发展。但是把这些知识用于改造植物、或者根据这些知识进行有效的基因定位、克隆、转移和高效表达尚无实质性进展。因为涉及到养分吸收利用的问题多是数量遗传，这无疑增加了该方面的研究难度。

3 植物营养与肥料学面临的 任务和前景 植物营养与肥料学科在农业生产中一直并将继续起着重要作用。随着农业的持续发展，植物营养与肥料学科必将持续发展。发展的主要方向仍然是提高植物营养元素的利用效率，减少营养元素或由于施肥而带入的某些非营养元素对环境的污染。为达到这一目标，植物营养与肥料学正从多方面拓宽和深化。

3.1 加强营养物质的循环和再利用 从养分循环来看，农作物生产是营养物质的利用过程。然而，作物吸收的营养物质只是被人类或动物利用一小部分（其中的几十分之一）。给土壤返还这些有机物料，加强这一部分营养物质的再利用，并加上适量的外界营养物质的投入，营养物质的匮缺问题才不会进一步恶化。有机物料返还土壤还能增加土壤的有机质含量，改善土壤结构，的保水、保肥能力，避免养分的损失。我国是磷、钾资源贫乏的国家，生产磷、钾肥除消耗能量外，资源是主要限制因子。随着对氮、磷肥料的投入量增加，不少地方出现了土壤钾素耗竭严重的现象，只有把有机物料均匀地返还土壤，才能有效地防止缺钾现象的蔓延。因此，研究有机肥料难分循环效果，采用相应的能鼓励农民返还有机物料的政策，发展以高效、节能节资、简便易行为基础的保管、施用有机物料技术是解决这一问题的出路所在，也是植物营养和肥料学面临的重要任务。

3.2 提高营养物质的利用效率 —平衡养分，大力发展缓释专用复合肥可为最终解决这一问题创造条件。 3.2 提高营养物质的利用效率 —平衡养分，大力发展缓释专用复合肥可为最终解决这一问题创造条件。 改善作物生育条件，培养健壮植物是提高养分效率的重要途径。 根据植物营养遗传学原理，综合利用现代物理、化学和生物技术手段改良植物，提高作物抗逆性，使其能更好地适应环境条件。

3.3 发展保肥增效的新型肥料 —通过控制化肥存在的问题，从养分平衡或从养分释放上着手，生产能保肥增效的新型肥料： 发展多种形式的复合肥（或复混肥）的生产； 向肥料中添加各种增效物质，如硝化抑制剂（又作氮肥增效剂）、脲酶抑制剂以及在此基础上研制的集成型化肥增效剂等； 生产缓释或控释肥料及生物肥料等。

3.4 加强与其它学科的交叉融合 科学发展到今天，进一步向宏观和微观发展已成为两大必然趋势。我们应抓住机遇，加强与数理化等基础学科、植物生理学、作物遗传育种、作物栽培、农业资源与环境、信息科学、系统科学、计算机应用等学科的交叉融合，在继续深化植物营养与肥料学科内涵的同时，不断扩大植物营养与肥料学科的外延。当然，要特别强调与生态学的结合，为我国生态农业建设做出积极贡献。

谢谢大家！