土壤施肥配比理论解析与百年经典施肥理论的思考

强彦珍，褚清河

（1.太原高新技术产业开发区园林绿化管理中心，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006）

土壤施肥配比理论解析与百年经典施肥理论的思考

强彦珍1，褚清河2

（1.太原高新技术产业开发区园林绿化管理中心，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006）

对在《土壤施肥配比理论和方法的研究》一书中提出的土壤作物系统量比线性极点一次性施肥理论的平衡与不平衡施肥、最佳施肥比例等概念、定义进行了解释，同时结合生产实际解析了施肥比例和施肥量的施肥学意义、作用以及作物产量随施肥量增加变化的函数关系，从而得出结论：土壤作物系统量比线性极点一次性施肥理论是对施肥上重大问题的高度概括和总结，它提出的施肥原则中多数内容是经典施肥理论几乎没有涉及到的重要问题，能够用于指导科学研究和生产实践。而百年经典施肥理论不是在科学实验基础上得出的推论，它是养分归还学说的一个具体内容，并非高产施肥理论。最小因子理论不符合内因是发展变化的依据、外因是变化的条件以及内因通过外因而起作用的哲学思想，也不能应用于指导生产施肥实践。

经典施肥理论；量比线性极点；平衡与不平衡养分类型；最佳施肥比例；内因与外因

1 土壤施肥配比理论的内容解析

1.1 土壤施肥配比理论的内容及重要概念

土壤施肥配比理论首先提出了土壤种植作物存在平衡与不平衡土壤养分类型，并具有相应氮磷和氮磷钾最佳施肥比例这一重要概念，并阐明了其作用和意义，即最佳施肥比例的作用是调整作物苗期土壤供肥由不平衡供应转化为平衡供应或保持土壤原有供肥的均衡性，而施肥量的作用则是提高作物苗期土壤养分的供应强度。在这一基础上，提出了施肥的基本原则：作物要获得高产，氮磷在作物耐肥性允许的任何土壤养分含量水平下均需施用，而钾只有在缺乏即为最低量营养物质时才需与氮磷配合施用，否则就会降低作物的产量。作物施肥效应在施肥基本原则下，表现为土壤养分类型上相应元素的组合施肥效应，这种组合效应决定着作物的稳产高产与产品品质[1]。这一理论是对土壤供肥与作物吸肥存在问题及施肥调节目的意义的高度概括和总结，经典施肥理论并无此内容。土壤施肥配比理论也简称土壤作物系统量比线性极点一次性施肥理论。

20世纪80年代，在配方施肥研究中将配方施肥改成平衡施肥，但配方施肥里的平衡仅是一种提法，它是施肥想要达到的理想化目的，即某一养分供需总量达到平衡，在这里没有追问“平衡”的原理和形成概念。土壤施肥配比理论中“平衡”的含义是指作物苗期土壤氮磷或氮磷钾养分供应比例的协调性，即作物对土壤氮磷或氮磷钾各养分苗期供应强度的满足程度相同，不平衡养分类型则是相对于平衡养分类型存在的一种土壤养分形式，二者通常是各养分供应协调与否的表现形式。陈伦寿先生曾质疑，既然已经是平衡土壤养分为何还要施肥，这是因为平衡土壤养分类型虽然供肥比例合理，但还存在供肥强度不足的问题，而且平衡土壤养分类型是相对于不平衡土壤养分类型而存在的养分形式，没有平衡土壤养分类型，平衡施肥就没有标准。平衡与不平衡养分类型概念的提出为研究施肥技术提供了突破口和依据。

平衡与不平衡土壤养分类型存在最佳施肥比例是研究发现的自然规律，也是土壤施肥配比理论的核心内容。土壤养分类型与最佳施肥比例规律的发现为作物高产优质施肥提供了重要的理论基础和技术方法。

20世纪80年代，化肥试验网试验结果表明，氮磷配施效果普遍优于单施，基于试验结果有了施肥比例的提法，肥料生产行业有了配方的提法，但并未形成科学概念和理论。在这里，氮磷比例是以磷定氮和以氮定磷求得的氮、磷最大施肥量的比，而非一定土壤养分类型上的氮磷最佳施肥比例，肥料生产行业所说的配方实际就是单质氮磷钾肥料有效养分不同百分含量的组合，二者均无特定的最佳施肥比例及作用对象。

土壤施肥配比理论中的氮磷最佳比例则是指作物获得最大边际产量时一份氮与几份磷配合施用的配比，这里的配比没有量的概念，而土壤施肥配比理论同时阐明了2种养分类型上最佳施肥比例的作用意义。土壤养分类型存在最佳施肥比例是过去没有研究和发现的科学问题，经典理论中也无此内容。它是否是一个普遍的自然规律，我们现在虽然不能轻易肯定，但也不能轻易否定，因为其首先是一个试验结果，且研究具有很强的逻辑性[2]。

1.2 土壤施肥配比理论中的施肥原则

从新中国成立到20世纪90年代，氮磷钾肥效与用量试验一直是科研单位和国家化肥网试验的常规内容。1936—1940年化肥网试验结果显示，氮的需要程度为80%（增产点数占试验总点数的比例），磷的需要程度为40%，钾的需要程度为10%；新中国成立后1958—1962，1981—1983年进行的2次化肥网试验与之前相比，专家学者认为，氮磷钾肥效趋势并未发生变化[3]。通过大规模化肥网试验形成了施肥基本理念，即缺什么补什么。因此，在我国的生产实践中经历了20世纪50年代提倡施氮、60年代提倡施磷、70年代南方提倡施钾、80年代后提倡氮磷配合施用、目前则全国普遍施用氮磷钾三元复合肥的应用过程。但是缺什么补什么的施肥理念并不能解释氮磷配合施用肥效好于单施及氮磷不缺乏时是否施用的问题，氮磷配合施用也不符合最小因子理论。而土壤施肥从经典理论下的单施走向配施，至今并未解决施肥理论问题。因为，经典最小因子理论定义最小因子为1个，缺乏程度为相对不足，显然它是一个氮磷养分单施理论，并不支持氮磷配合施用，而目前提倡氮磷钾配合施用也显然与化肥网试验得出的氮的需要程度为80%、磷的需要程度为40%、钾的需要程度为10%结果相矛盾，因为提倡氮磷钾配合施用必然形成有20%的土壤施氮、60%的土壤施磷和90%的土壤施钾，造成严重浪费。因此，在经典理论和现行研究没有解决这些问题的情况下，土壤施肥配比理论提出的施肥原则[1-2]就值得重视。从生产实践和我国20世纪90年代研究结果来看，氮肥在绝大多数情况下施用均具有显著的增产效果，而任何情况下氮磷配合施用增产效果都普遍好于单施，单施磷的肥效通常与试验地水旱类型和干旱情况密切相关，无论土壤磷素养分缺乏与否，单施磷均存在不增产的现象，但是氮磷配合任何情况下始终具有好的增产效果。土壤钾不缺乏时，施钾不具有增产效果，几次化肥网试验增产点数不超过10%，说明土壤施肥配比理论提出的施肥原则是正确的，可以用于指导生产实践。而为什么氮磷和钾具有不同的施肥性质，重要原因是钾参与有机物的合成，但它不是有机化合物的组成成分。

1.3 土壤施肥配比理论阐明了作物产量与施肥量的函数关系

在施肥学上，作物产量与施肥量的函数关系是施肥的重要研究内容。1843年，德国著名化学家李比希提出的最小因子理论[4]得到瓦格诺尔和麦耶的支持，并用数学式y＝a＋bx表达，从而成为100多年来国内外学者研究作物产量与施肥量之间数量关系的开端[5]。但是，这一公式也受到其他人的批评。米采利希在前人工作的基础上，深入探讨了施肥量与产量的相关性，认为施肥量与产量的函数关系并非瓦格诺尔等所设想的直线关系，而是对数函数关系，可是多数学者对米采利希公式持批评意见[6]。费佛尔提出的抛物线图式起初也存在较大争议，后来几乎成了定论，但所有这些结论都是试验没有把施肥比例看成试验因素的情况下得出的片面结论，而土壤施肥配比理论阐明，在最佳施肥比例条件下，作物产量随施肥量增加呈线性增加，最大施肥量后这种关系转化为负相关关系[2]，确实是对经典施肥理论和报酬递减理论的挑战，是严密试验方法下得出的科学结论。因为最大施肥量范围，施肥量与产量的函数关系为直线关系，直线的斜率为k，因此，不存在边际产量递减的问题。

我国在这方面研究较多的是北京农业大学的王兴仁教授，其研究结果认为，施肥量与产量的函数关系存在很多形式，包括抛物线、对数曲线、二次曲线加平台[7]。同时他也认为，作物产量和施肥量的关系存在相交直线关系的情况，但这些研究是纯数学回归方法分析试验结果得出的结论，没有考虑试验方法和原理。而土壤施肥配比理论中施肥量与产量的函数关系[1]为相交直线关系的研究结果，是通过田间试验进行了氮磷最佳比例和以磷定氮试验方法对曲线的影响以及用抛物线回归和相交直线计算的最大施肥量差异性研究得出的科学结论，过去国内外均未做过这样的研究，因此，也就不可能得出相同结论。由于没有进行原理研究，因此，传统土壤施肥研究也就不可能得出规律性的结论。

土壤施肥配比理论对施肥上的重大问题进行了高度概括和阐述，提出了施肥原则，其多数内容是经典施肥理论几乎没有涉及的重要问题。经典最小因子理论与土壤施肥配比理论最明显的区别有如下几点：经典施肥理论认为，土壤施肥效果取决于土壤养分含量高低，即取决于最小的一个养分因子[8]，而土壤施肥配比理论则认为土壤施肥是作物内在营养遗传特性的外在施肥表现形式[9-11]，氮磷在作物耐肥性允许的任何土壤养分条件下均需施用，钾只有缺乏时才施用[1]；最小因子理论把土壤养分缺乏与否作为施与不施的标准，而土壤施肥配比理论则认为，任何土壤养分条件下，土壤苗期供肥均存在供肥强度不足和供肥比例不协调的问题，因此氮磷均需施用。

2 百年经典施肥理论思考

2.1 百年经典施肥理论是一个推论

李比希是德国著名的化学家，他在土壤肥力研究上的贡献令世人景仰，他提出的矿质营养说和养分归还学说至今堪称经典理论，但他提出的最小因子理论在今天看来很难谈得上经典，甚至谈不上具有科学性。这不仅是因为最小因子理论是一个推论，更重要的是因为它不符合生产实际，也与当代科学试验结果相悖。国内外专家学者至今之所以把最小因子理论称之为经典理论，或是因为对氮肥还未发明的100 a前就做出今天都难以证明的推论的一种敬意，或是因为他是著名的化学家和对农业有重大贡献之故。

1843年，李比希在他的《化学在农业和生理学上的应用》一书第3版中提出了最小因子理论[12]：“田间作物产量的增减和厩肥中所供给的矿质养分成比例，当某一种必需的养分短缺或不足时，其他养分虽多，植物也不能生长。”它是李比希首次提出养分归还学说后，就是否必须归还作物从土壤中带走的全部养分而提出的理论。因此，最小因子理论是养分归还学说的内容，而非高产施肥理论。而修正后的最小因子理论“每块田，有一个或几个营养物质的含量是最低量，而有一个或另外一些营养物质的含量是最大量的，作物产量与这些最低量的营养物质呈紧密的相关关系。这些营养物质就是石灰、钾、磷酸、镁或其他营养物质，处于最低量的营养物质支配产量并决定其高产和持续稳产则是不同地块种植不同作物施同样数量厩肥产量不同得出的一个推论。李比希认为，每块田从相同数量的厩肥中得到种类相同和数量相同的营养物质，而不同地块一个轮作周期后养分的耗损是不同的，为了恢复被作物耗损了的大田作物的产量施用厩肥对土壤中含量丰富许多的营养物质完全没有益处，有作用的仅仅是那些能够消除土壤中特别不足的营养元素的厩肥成分[12]，就此推论出处于最低量的营养物质支配产量并决定其高产和持续稳产。显然，修正之前的最小因子理论没有考虑养分配合施用的作用，修正后的最小因子理论没有也不可能考虑到最佳施肥比例是土壤施肥中的一个十分重要的施肥要素，二者均没有考虑氮磷与钾具有不同施肥性质的问题。

2.2 作物施肥是内因与外因的关系

经典施肥理论的实质内容就是处于最低量的营养物质支配产量并决定其高产和持续稳产，也即土壤养分含量高低决定肥料施用种类及其效果。显然，最小因子理论把作物吸肥完全看成是受土壤养分含量高低支配的被动作用，它根本不符合内因是发展变化的依据中、外因是变化的条件、内因通过外因而起作用的哲学思想。

土壤是作物生长的基本环境，作物只有从土壤环境中吸收各种必需的营养物质才能正常发育。土壤施肥配比理论深入研究了土壤养分相对最小和最大量下氮磷肥的增产效果，同时进行了不同玉米品种氮磷单施间和配施增产效果的比较研究[13]，从而破译了土壤施肥与作物品种营养遗传特性联系的密码，即土壤氮磷单施效果好于配施与氮磷配施效果显著高于单施的效果是由作物品种营养遗传特性决定的，如强盛101为氮磷单施特性品种，先玉335为氮磷配施特性品种，通常氮磷配施特性品种的产量潜力高于氮磷单施品种。因此，土壤施肥是作物内在营养特性的外在施肥表现形式，作物施肥就是要从时间上协调作物品种特性要求的施肥比例和施肥量[14]。决定作物产量的并非是经典理论所阐述的土壤中相对含量最小的有效植物生长元素，而是取决于施什么肥料效果好以及以什么比例施用和施多少合理的作物品种营养遗传特性[9-10]。

2.3 土壤最大施肥量是决定作物高产稳产的外在条件

土壤施肥配比理论研究表明，土壤肥力水平和各养分的对比关系决定的土壤最大施肥量[8]是作物品种产量潜力水平发挥的重要条件，它是通过作物品种存在的最大施肥量发挥作用，只有土壤的最大施肥量等于作物品种的最大施肥量，作物品种遗传特性决定的最高产量才能得到最大限度的发挥，土壤最低量营养物质根本不能支配产量和决定其高产和持续稳产，修正后的最小因子理论[15]背离土壤肥力水平和养分对比关系决定土壤最大施肥量及作物品种产量潜力是由品种耐肥性即最大施肥量和养分利用效率决定作物高产的科学事实。土壤施肥配比理论研究表明，联创808玉米品种最大施氮量为244.5 kg/hm2，洛单248玉米品种仅为150 kg/hm2。

［1］褚清河，潘根兴.土壤施肥配比理论和方法的研究[M].太原：山西科学技术出版社，2013.

［2］张华.追逐梦想 引领世界农业科技新革命[J].山西农业科学，2016，44（9）：封 2，1425.

［3］中国农业科学院土壤肥料研究所.中国化肥区划 [M].北京：中国农业出版社，1986：1-20.

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［6］褚清河.不同土壤养分供应强度和配比下作物生产力变化与平衡施肥：以北方旱作系统为例[D].南京：南京农业大学，2008：1-50.

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［11］程春生.褚清河：破解施肥领域“哥德巴赫猜想”[N].中国科学报，2016-09-09.

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Analysis of Proportion Theory of Soil Fertilization and Reflection on Classical Fertilization Theory in One Hundred Years

QIANG Yanzhen1，CHU Qinghe2
（1.Landscaping Management Center，Hi-Tech Industrial Development Zones，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Resources and Economy，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030006，China）

This thesis explains the concepts and definitions in the theory of one-off fertilization based on pole of the linear system of application rate and ratio in soil-crop system as proposed in"Research of Soil Fertilization Proportion Theories and Methods",including balanced and imbalanced fertilization,optimum fertilization proportion etc..Linking theory with practice,this thesis also analyzes the significance and effect of application ratio and rate in fertilization as well as the functional relationship between crop yield and rise in fertilization amount.Consequently,we conclude that the theory of one-off fertilization based on pole of the linear system of application rate and ratio in soil-crop system is a summation of major issues in fertilization.The majority of its fertilization principles is about major issues that are hardly dealt with in classical fertilization theory,which can serve as guidance in research and practice.The classical fertilization theory is a presumption without conducting experiments.It is an embodiment of the theory of nutrient return instead of a high-yield fertilization theory.According to philosophical theory,the internal cause is the basis of development and change,while the external cause is the condition of change,the internal cause works via the external cause.The law of the minimum does not conform with such philosophy and cannot guide the practice of production or fertilization.

classical fertilization theory;pole of the linear system of application amount and proportion;balanced and imbalanced nutrient type;optimum fertilization proportion;internal and external cause

S158

A

1002-2481（2017）10-1706-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.32

1883年，美国科学家罗兰在美国《科学杂志》撰文说，“中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果能正确探索其原理，在获得众多应用的同时，就会发展出化学，甚至物理学，因为没有寻根问底，中国人已远远落后于世界。”我国至今仍并未对理论研究给予足够重视。

新中国成立以来，我国进行了2次大规模的化肥肥效及用量试验，各农业大专院校和科研单位也进行了多方面的施肥技术应用研究，但很少有人对经典施肥理论进行深入研究。施肥理论研究的滞后，导致施肥技术研究方向缺失，使得施肥技术研究与应用仍处于经验性阶段，施肥的增产效果在世界范围出现了逐年递减的问题。土壤施肥配比理论和数字化施肥技术研究取得的成果令人惊讶，引起新闻媒体的极大关注，对此，有必要从施肥研究史观的角度进行科学分析。

2017-03-31

山西省科技攻关项目（20140311008-1）

强彦珍（1977-），女，山西娄烦人，工程师，主要从事园林景观和土壤施肥技术研究工作。