1840 年，可以認(rèn)為是現(xiàn)代植物營養(yǎng)與肥料的創(chuàng)始年，李比希創(chuàng)立的“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”指導(dǎo)了全世界植物營養(yǎng)與肥料的研究與應(yīng)用，為人類的發(fā)展做出了巨大的貢獻，僅氮肥一項，后人評價為“養(yǎng)活了地球上 48% 的人口”。“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”至今還被認(rèn)為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的三大理論基礎(chǔ)之一。但是，隨著人們對植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科研究的深入，以及我國肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)所面臨的形勢發(fā)生了較大的變化，所以，我們不得不從另一個角度思考與研究植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科所面臨的新問題與解決途徑。
1、植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科面臨的挑戰(zhàn)
1.1 施肥目標(biāo)發(fā)生了變化
新中國成立后至1980 年，我國遇到的最大問題是糧食供應(yīng)緊缺，當(dāng)時人均糧食年占有量低于350公斤，甚至還出現(xiàn)了人均糧食長時間不足300 公斤的情況 (圖1)。提高土壤肥力和作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)。提高作物產(chǎn)量、增加養(yǎng)分供應(yīng)的主要手段是積極積制有機肥料，充分利用有機養(yǎng)分。這一時期，土壤肥料科技工作者進行了大量的提高肥料利用率的研究，此階段研究的目的是提高作物產(chǎn)量，減少肥料浪費的目的是防止肥料浪費影響作物產(chǎn)量的提高，而不是因為肥料對環(huán)境造成了壓力。
改革開放后，我國年人均糧食基本上穩(wěn)定在了350 公斤以上。但是，2000 年以后糧食總產(chǎn)和單產(chǎn)均出現(xiàn)下降 (圖2)，以保證糧食安全為中心的決策影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整個過程，盡管該時期化肥的污染問題已顯現(xiàn)出來，例如2008 年的太湖藍藻事件、云南滇池污染等，都將農(nóng)業(yè)的面源污染作為重要污染源之一。但是，由于該時期糧食安全問題較為突出，盡管出現(xiàn)了化肥污染問題，我國農(nóng)業(yè)主管部門并沒有限制肥料的使用。
2010 年以后，我國糧食年人均穩(wěn)定超過400 公斤，糧食安全的壓力有所減輕，但隨之而來的生態(tài)安全日趨突出，化肥的污染受到了人們的重視。2015 年3 月，長期將糧食生產(chǎn)作為第一要務(wù)的農(nóng)業(yè)主管部門，提出“一控、二減、三基本”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)方針，提出了“2020 年化肥農(nóng)藥零增長行動方案”，至此，長期以來我國肥料以保證糧食安全為唯一目標(biāo)的做法轉(zhuǎn)變?yōu)榧纫Z食安全又要保證生態(tài)安全的雙目標(biāo)。
1.2 肥料供需環(huán)境發(fā)生了變化
新中國成立之初，我國化肥年產(chǎn)量僅0.6 萬噸，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的養(yǎng)分主要由有機肥料提供，此后我國進行了大規(guī)模的化學(xué)肥料基礎(chǔ)工業(yè)建設(shè)。20 世紀(jì)70 年代建成了一批以合成氨為基礎(chǔ)碳酸氫銨工廠，緩解了我國化肥不足的局面。農(nóng)業(yè)化肥用量也大幅度增加，到2000 年，我國化肥工業(yè)自足的局面已經(jīng)形成，從1980 年至2000 年，我國化學(xué)肥料替代有機肥料的現(xiàn)象日趨增多，有機肥料用量減少，化肥用量開始增加 (圖 3)。
該時期，化學(xué)肥料施用量增加2.3 倍，其中，復(fù)合肥料從1980 年的27.2 萬噸增加到了2000 年的917.9 萬噸，增加32.7 倍，鉀肥用量也增加了9.9 倍，其中絕對用量增加最大的還是氮肥，增幅在1500 萬噸以上。該期我國肥料工業(yè)有了長足的發(fā)展，尿素替代了大部分碳酸氫銨，復(fù)合肥由進口到基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)，料漿磷銨在我國開始大量的生產(chǎn)，鉀肥產(chǎn)量也達到了100 萬噸以上，我國化肥工業(yè)體系基本建成，氮、磷肥的生產(chǎn)和施用基本平衡。
2004 年，我國化肥的生產(chǎn)量首次超過我國肥料的施用量 (圖 4)，因此我國化肥的產(chǎn)銷平衡也引起了人們的注意。2010 年以后，由于我國化肥工業(yè)的產(chǎn)能過剩，化肥的競爭幾乎白熱化，每年中央電視臺上的化肥廣告數(shù)量幾乎占廣告數(shù)量的三分之一。至此，我國化學(xué)肥料的產(chǎn)銷平衡徹底由賣方市場轉(zhuǎn)向了買方市場。特別是2015 年農(nóng)業(yè)部提出“化肥農(nóng)藥零增長行動方案”以后，肥料廠家憂心忡忡，為了保持所占的市場份額，肥料技術(shù)的創(chuàng)新成了大家的共識。
1.3 施肥方式發(fā)生了變化
長期以來，由于我國農(nóng)業(yè)高度分散和高強度開發(fā)，施肥方式主要以人工為主，20 世紀(jì)90 年代以后，逐漸開始了機械施肥，2000 年以后，由于社會勞動力成本的提高和施肥技術(shù)的改進，產(chǎn)生了“精準(zhǔn)施肥”、“灌溉施肥”等一系列的新技術(shù)，簡化施肥方式、提高肥料效益成了當(dāng)今肥料發(fā)展的重要需求。為了適應(yīng)施肥方式的變化，緩控釋肥料、水溶肥料等肥料新品種不斷出現(xiàn)，所以，在今后一段時間內(nèi)，是施肥機械主導(dǎo)肥料劑型發(fā)展，還是肥料劑型主導(dǎo)施肥機械尚不明朗。但是，肥料簡便化施用是我國今后一段時間內(nèi)重要的發(fā)展方向。
1.4 肥料的負(fù)面作用明顯顯現(xiàn)
實際上，肥料，特別是化學(xué)肥料的負(fù)面作用一直存在，1903 年Haber 發(fā)明高壓合成氨技術(shù)后，由于合成氨被大量用于炸藥的生產(chǎn)，至今人們評價Haber 是魔鬼還是救世主都沒有定論。20 世紀(jì)70年代以后，在世界范圍內(nèi)化肥的污染開始被人們重視，如美國Chesapeake 灣的污染被認(rèn)為有一半來源于化肥、美國密西西比河下游7000 平方英里的“死亡區(qū)”也被認(rèn)為與化肥施用有關(guān)，我國2007 年4 月太湖發(fā)生大面積藍藻水華、滇池水污染等很多人認(rèn)為也與農(nóng)業(yè)施肥有關(guān)。
近年來，我國出現(xiàn)的大面積霧霾，其中PM2.5 的組成中，NH4+ 是重要的成分，且主要來源于農(nóng)業(yè)源，通過對PM2.5 組成的分析，我國農(nóng)業(yè)大省河南省的PM2.5 中銨鹽貢獻率為13%，并在秋季達到最大比例16%，絕對濃度22 μg/m3。我國每年從農(nóng)業(yè)源氨排放的數(shù)量為967 萬噸，其中由農(nóng)田排放的氨543萬噸。這給我國大氣治理造成了巨大壓力。
面對以上問題，解決的方法主要還是靠植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科的創(chuàng)新與技術(shù)進步，既要保證糧食安全，生產(chǎn)出更多的糧食滿足日益增長的人口需求，又要減少肥料的用量，保護人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境，減少化肥對環(huán)境的影響。同時，還需要面對產(chǎn)能過剩和農(nóng)戶施肥方式變化的需求。所以，在目前情況下，植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也是植物營養(yǎng)與肥料學(xué)科發(fā)展的新機遇。
2、我國肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇與創(chuàng)新途徑
面對我國肥料產(chǎn)業(yè)的新形勢，加之目前肥料產(chǎn)業(yè)面臨的新問題，也給我國肥料產(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的產(chǎn)業(yè)整合和發(fā)展機遇。
2.1 我國肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇
新中國成立后，我國肥料發(fā)展經(jīng)歷了幾個機遇期，一是上世紀(jì)60 年代開始的“小化肥”建設(shè)，由于我國當(dāng)時化肥供應(yīng)嚴(yán)重不足，在計劃經(jīng)濟的體制下，為了滿足我國化肥的需求、打破封鎖，我國自力更生，建設(shè)了一大批年產(chǎn)合成氨3000～5000 噸的化肥廠，大多以生產(chǎn)碳酸氫銨為主。
二是改革開放后，我國一方面開始大化肥的建設(shè)，另一方面我國20 世紀(jì)90 年代以后的復(fù) (混) 合肥料的生產(chǎn)，目前我國一大批知名復(fù)合肥生產(chǎn)企業(yè)都是那個時期成立的。2000 年以后，我國肥料產(chǎn)業(yè)體系基本成型，2010 年，我國肥料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過?，F(xiàn)象開始出現(xiàn)。但是，我國肥料產(chǎn)業(yè)集中度較低，據(jù)統(tǒng)計合成氨企業(yè)有472 家，平均規(guī)模14 萬噸，其中249 家的生產(chǎn)規(guī)模小于8 萬噸。我國有磷酸裝置的企業(yè)90 多家，80% 生產(chǎn)規(guī)模小于10 萬噸。我國復(fù) (混) 合肥企業(yè)有4400 多家，產(chǎn)量30 萬噸以上的僅200 家。
我國目前共有有機肥企業(yè)2282 家，其中有機肥企業(yè)986 家(43%)，生物有機肥296 家 (13%)，有機無機復(fù)混肥809 家 (35%)，其它企業(yè)192 家 (9%)。全國有機肥設(shè)計產(chǎn)能僅3482 萬噸，年產(chǎn)量僅1630 萬噸。
在如此分散的產(chǎn)業(yè)體系中，隨著產(chǎn)能過剩的日益明顯，市場競爭的加劇，一些工藝落后、創(chuàng)新能力不強、市場信譽度低、服務(wù)差的企業(yè)必定會被淘汰。同時，一些創(chuàng)新能力強、產(chǎn)品適應(yīng)性強的企業(yè)會贏得更大的市場空間，給企業(yè)創(chuàng)造一個良好的發(fā)展機遇。
如果我國上世紀(jì)70 年代化肥工業(yè)發(fā)展和上世紀(jì)90 年代復(fù)合肥工業(yè)發(fā)展的機遇是需求驅(qū)動的話，這一次我國肥料工業(yè)的發(fā)展機遇則是創(chuàng)新驅(qū)動的產(chǎn)物。我國化肥產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，市場價格低迷，肥料產(chǎn)品的同質(zhì)化嚴(yán)重，市場應(yīng)對能力不足。在這樣的情況下，某些肥料生產(chǎn)企業(yè)被淘汰是必然的結(jié)果，按我國目前6000 萬噸的農(nóng)業(yè)肥料剛性需求量而言，我國肥料的生產(chǎn)總量會保證在一定的數(shù)量水平，但是，隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織的改革與完善，適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求、環(huán)境友好的肥料將會成為我國肥料的主體，肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會向著肥料養(yǎng)分高效化、肥料施用簡便化、肥料成本經(jīng)濟化、環(huán)境影響生態(tài)化等方向發(fā)展。這給我國目前肥料企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展造成巨大的壓力，同時也會給肥料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步創(chuàng)造良好的發(fā)展機遇。
再則，隨著我國農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營進程的加快，一些新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營體對肥料的重視程度也會提高，在關(guān)心肥料品質(zhì)的同時，對肥料的價格和服務(wù)都會提出更高的要求。如此，我國還會出現(xiàn)類同北美20 世紀(jì)70 年代以肥料服務(wù)為主體的企業(yè)，目前市場上出現(xiàn)的小型智能配機系統(tǒng)可能就會是這些服務(wù)企業(yè)的雛形。
2.2 肥料創(chuàng)新的技術(shù)途徑
肥料經(jīng)過了100 多年的發(fā)展，肥料技術(shù)創(chuàng)新方向基本上已經(jīng)確立，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
2.2.1 養(yǎng)分濃度創(chuàng)新
肥料中的養(yǎng)分是肥料的主要功能成分，養(yǎng)分濃度越高，表明肥料所含的副成分越少，單位肥料所起的作用也越好，同時，在肥料的運輸方面，單位肥料所付的成本也越低。100 多年來國際上對肥料濃度提高的需求一直沒有下降，國際肥料工業(yè)協(xié)會 (IFA) 統(tǒng)計了1973 年至2010 年國際上主要肥料品種的增速，其中尿素從1973 年的不足1000 萬噸，增加到了2010 年的近6000 萬噸，其它氮肥品種增加均不足500 萬噸。磷肥方面，磷銨由1973 年的不足50 萬噸，增加到了2010 年的2500 萬噸，其它磷肥品種基本沒有增加，反而有下降的趨勢。同時，隨著人們對環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的擔(dān)憂，肥料中養(yǎng)分含量越低，表明其副成分越多，隨之副成分的副作用就越大，不可測物質(zhì)的數(shù)量就會越多。近年來，我國市場出現(xiàn)一些將高濃度肥料和低濃度肥料加工成中濃度肥料的所謂新型肥料品種，是對肥料濃度創(chuàng)新的曲解。
2.2.2 養(yǎng)分形態(tài)創(chuàng)新
由于作物生長發(fā)育需要不同的營養(yǎng)元素，為了減少施肥次數(shù)，把不同的養(yǎng)分合成在一種肥料中，不僅能滿足作物生長發(fā)育的需求，同時能減少施肥的次數(shù)。上世紀(jì)80 年代后，復(fù) (混)合肥料的品種引入我國，同時我國也開始了復(fù) (混)合肥料的生產(chǎn)，至2013 年底我國復(fù) (混) 肥年產(chǎn)量達到6200 多萬噸 (實物量)。2005 年我國開始的測土配方施肥項目，為合理復(fù) (混) 合肥料中的養(yǎng)分比例起到了極大的推動作用。
由于作物所需養(yǎng)分存在不同的形態(tài)，對不同的作物或不同的養(yǎng)分配比，其形態(tài)影響?zhàn)B分有效性十分顯著。目前我國市場出現(xiàn)的“硝基復(fù)合肥”等都是以養(yǎng)分形態(tài)標(biāo)注的。有關(guān)氮肥是銨態(tài)、硝態(tài)和酰胺態(tài)很早都進行了大量的研究，不同作物對不同氮素形態(tài)的反應(yīng)有很大差別。近年來，國際上對磷的形態(tài)也進行了大量的研究，如我國目前主要使用正磷酸鹽為磷源，而焦磷酸鹽、聚磷酸鹽也存在著很多優(yōu)于正磷酸鹽的特點，特別是亞磷酸鹽不僅可能供給作物磷源，還有刺激植物生長發(fā)育的作用，所以，養(yǎng)分形態(tài)及其養(yǎng)分形態(tài)間的相互配合，提高肥料的效果，也是肥料創(chuàng)新的重要內(nèi)容。
2.2.3 養(yǎng)分比例創(chuàng)新
如何平衡肥料中大量元素與中量元素，大量元素與微量元素也是目前肥料研究的熱點。根據(jù)我國有關(guān)法規(guī)規(guī)定，中量元素在肥料中是不能作為養(yǎng)分標(biāo)注的。所以，目前在我國要解決作物中量元素的營養(yǎng)問題主要還需要靠肥料的適宜品種來解決。例如，缺硫地區(qū)可多施用硫酸銨等肥料、缺鈣鎂地區(qū)可通過施用過磷酸鈣或鈣鎂磷肥來解決。以平衡中量元素為由，刻意添加大量的中量元素到肥料中是不科學(xué)的。肥料中添微量元素是長期以來研究的問題，除比例外如何解決肥料添加微量元素后的有效性問題仍是目前肥料產(chǎn)業(yè)需解決的問題。
2.2.4 肥料助劑創(chuàng)新
肥料助劑是肥料生產(chǎn)過程中添加的有利用改善和提高肥料效果的非肥料成分，目前可將肥料的助劑為分三大類：一類是改善肥料理化性狀的物質(zhì)，如肥料生產(chǎn)過程中添加的防結(jié)塊劑、防潮劑等；第二類是改善肥料養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的物質(zhì)，如脲酶抑制劑、硝化抑制劑等；三是改善植物生長狀況的物質(zhì)，目前主要是植物生物刺激素。
生物刺激素是一個什么樣的物質(zhì)，目前沒有人能說清楚，因為它是一種具有混合功能的一類物質(zhì)。目前為止，其名稱有10 余種之多，如誘導(dǎo)因子、生長調(diào)節(jié)劑、植物抗性增強劑、天然抗性促進劑、植物生物刺激素、活力增強劑 、植物強壯劑、生理激活劑等。
有人認(rèn)為，生物刺激素是介于植物保護產(chǎn)品 (農(nóng)藥) 和肥料之間的一種物質(zhì)，就像功能食品是介于食品和藥品之間一樣，在“第二屆國際生物刺激素在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用”大會上，Valagro 公司將生物刺激素認(rèn)為是加強作物的新農(nóng)業(yè)投入品，并將生物刺激素在作物健康中的作用與人類的健康相比較，把人類的基本食品比作作物健康中的肥料，功能食品和益生菌比作生物刺激素，人類的疫苗比作增加植物抗性的物質(zhì)，醫(yī)用藥品比作農(nóng)藥 (殺蟲劑和殺菌劑)。
通過文獻可以看出，人們定性生物刺激素時，都將生物刺激素與肥料進行了明確的區(qū)分，這是因為在歐盟 [Regulation (EC) No 2003/2003] 的法律中，明確了“肥料是以提供植物營養(yǎng)為主要功能的物料”，這說明改善植物生長的生物刺激素不提供植物營養(yǎng)。這也是為什么歐洲一些企業(yè)急于推進歐盟在生物刺激素方面進行立法的主要原因。
目前，國際上把生物刺激素分為五類，即微生物制劑及提取物、水解和消化的動物殘體 、胡敏酸和富里酸 、海藻及植物提取物 、無機及合成產(chǎn)品。不同類型的生物刺激素對植物生長和肥料養(yǎng)分利用都有不同的作用。目前這些物質(zhì)有些可以作為肥料添加物質(zhì)，有些有可以單獨使用。
3、當(dāng)前影響我國肥料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的因素與對策
肥料作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的生產(chǎn)資料，目前在我國的肥料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域正處于前所未有的創(chuàng)新發(fā)展階段，新劑型、新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，相關(guān)的肥料標(biāo)準(zhǔn)也逐步出臺，正在進行著一場肥料產(chǎn)業(yè)的革命。然而，影響我國肥料創(chuàng)新的因素也不少，應(yīng)避免這些因素的干擾，趨利避害。
1) 過分炒作概念
肥料作為商品，需要消費者了解和認(rèn)知，肥料企業(yè)的宣傳是十分正常的。但是將肥料產(chǎn)品過分炒作，或用科學(xué)概念包裝的偽科學(xué)概念蒙騙消費者屢見不鮮。將植物所有必需元素都說成是肥料養(yǎng)分，甚至將影響植物生長的所有因素都以“肥”來推銷，市場出現(xiàn)了所謂的“氧肥”、“光肥”、“磁肥”，可能還會出現(xiàn)“量子肥”等匪夷所思的肥料概念。
2) 無限延伸肥料功能
為了追求肥料品種的差異化，這本是肥料創(chuàng)新的重要切入點，但在我國則稱為“賣點”，然而，我國目前肥料的“賣點”大部以肥料功能的外延為其基本內(nèi)容，如防病、殺蟲、除草、抗旱、抗鹽堿、抑制重金屬等，反而把肥料最基本的功能——提供植物必需營養(yǎng)元素的功能淡化甚至忽略。
3) 對肥料的概念沒有充分把握
肥料，這個極為通俗的名詞，在過去很多權(quán)威性著作里都找不到其定義，但人們不會因為沒有確切的定義而引起概念上的混亂。然而，在現(xiàn)代商品時代，一個沒有疑義的概念變得極其復(fù)雜。實際上，目前肥料概念復(fù)雜的原因就是什么物質(zhì)可以作為肥料進行商品的生產(chǎn)與交易，這里面就涉及到什么是肥料，什么不是肥料的問題。由于肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的作用，目前肥料的定義碎片化，包括政府部門在內(nèi)的肥料管理部門也將許多不能稱為肥料的物質(zhì)作為肥料。這里涉及到植物營養(yǎng)學(xué)科中肥料的概念、肥料作為商品時肥料的概念、政府部門對肥料管理時肥料的概念等。分不清肥料在不同層次上的概念會嚴(yán)重影響肥料創(chuàng)新的方向。
4) 行業(yè)浮躁，踏實精神不足
我國肥料行業(yè)在目前競爭白熱化的階段，浮躁情緒充斥整個行業(yè)，“全國第一”、“營養(yǎng)專家”、“行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者”、“領(lǐng)航者”等宣傳幾乎無處不在。20 世紀(jì)80 年代我國出現(xiàn)了一批假復(fù)合肥企業(yè)，將沒有一點養(yǎng)分含量的爐渣作為復(fù)合肥，如今這樣的情況幾乎沒有了，但假信息、假服務(wù)出現(xiàn)很多。如有上百輛印著“測土配方施肥”的宣傳車，但幾乎沒有測過一個土樣。一些打著“智能配肥、測土施肥”的配肥站根本就沒有測土的設(shè)備。這種行業(yè)浮躁的行為嚴(yán)重影響著肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
5) 媒體誤導(dǎo)，缺乏科學(xué)依據(jù)
目前我國一些媒體看上了肥料這個不太規(guī)范的行業(yè)，只要有些廠家提出一些不同的“概念”，媒體就會長篇報道，并找來“專家”進行引導(dǎo)和論證，這“短板”、那“創(chuàng)新”，總是和我國一些新政策牽強附會聯(lián)在一起，看上去“科學(xué)”味十足，實際上都是不著邊際，這樣的行業(yè)氛圍，讓一些真正從事肥料創(chuàng)新的企業(yè)也無所適從。
6) 熱衷概念，缺乏深入研究
近年來，我國出現(xiàn)了一批大膽“否定”的所謂學(xué)者，不斷提出一些“新理論”，大膽否定“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”，有些還著書立說。仔細研究后發(fā)現(xiàn)其連李比希的