0引言
肥料是糧食的糧食，支撐著人類(lèi)食物的生產(chǎn)和供給。雖然肥料的應(yīng)用可追溯到幾千年前，但是現(xiàn)代施肥理論體系的建立與化學(xué)肥料的應(yīng)用還是19世紀(jì)40年代以后的事情。1840年德國(guó)科學(xué)家李比希（Justus Von Liebig）提出的“礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”、“最小養(yǎng)分律”、“歸還學(xué)說(shuō)”等為現(xiàn)代施肥技術(shù)與化學(xué)肥料的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。一百多年來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)代人的努力，人們?cè)谥参餇I(yíng)養(yǎng)生理、營(yíng)養(yǎng)診斷、施肥技術(shù)與肥料創(chuàng)制等方面取得了重大進(jìn)展，為保障人類(lèi)的糧食供應(yīng)做出了卓越的貢獻(xiàn)。目前，隨著全球人口的增長(zhǎng)，對(duì)糧食的需求越來(lái)越大，農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越來(lái)越高，施肥與環(huán)境的問(wèn)題日益突出。因此，保證糧食充分供應(yīng)、滿足植物營(yíng)養(yǎng)需求、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約肥料資源成為了世界植物營(yíng)養(yǎng)與肥料研究的主題。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)生理、植物營(yíng)養(yǎng)診斷、施肥技術(shù)、施肥與環(huán)境及肥料產(chǎn)品等方面里程碑事件及其容易產(chǎn)生歧義的問(wèn)題進(jìn)行了回顧，同時(shí)展望了植物營(yíng)養(yǎng)與肥料科學(xué)未來(lái)發(fā)展方向，旨在為中國(guó)植物營(yíng)養(yǎng)與肥料研究提供參考。

1植物營(yíng)養(yǎng)生理與生物學(xué)

1.1植物營(yíng)養(yǎng)必需元素

1840年之后，Leibig提出“植物礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”被人們廣泛接受。然而，植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中究竟需要什么元素成了當(dāng)時(shí)研究的熱點(diǎn)。1930年之前，人們認(rèn)識(shí)到的植物營(yíng)養(yǎng)必需元素僅有10種，即氮（N）、磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、硫（S）、碳（C）、氫（H）、氧（O）和鐵（Fe）。到1938年，人們認(rèn)識(shí)到的植物營(yíng)養(yǎng)必需元素增加到了14種，除上述10種外，又增加了硼（B）、銅（Cu）、錳（Mn）和鋅（Zn）。1939年，美國(guó)加里福尼亞大學(xué)農(nóng)學(xué)院的Arnon和Stout提出了植物必需元素的3個(gè)原則，即（1）缺乏該元素，植物不能完成其生長(zhǎng)周期；（2）缺乏該元素植物會(huì)出現(xiàn)特有的癥狀，且必須施用該元素后才能恢復(fù)；（3）該元素在植物營(yíng)養(yǎng)中具有直接作用而不是改善土壤或生長(zhǎng)介質(zhì)中不利的微生物或化學(xué)條件。人們對(duì)這些觀點(diǎn)已廣泛接受。1954年，氯也被確定為植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。到了近代，關(guān)于植物必需營(yíng)養(yǎng)元素的概念與界定出現(xiàn)了模糊，它主要源自于1960年英國(guó)布里斯托爾大學(xué)（Universityof Bristol）LongAshton試驗(yàn)站Nicholas的一篇文章，該文認(rèn)為Arnon有關(guān)必需元素的定義第二條太嚴(yán)格或太死板（toorigid），且有兩個(gè)例子證明不符合事實(shí)，一是固氮菌在固氮時(shí)需要鉬，但釩（V）也有類(lèi)似的作用；二是氯是植物的必需元素，但其他鹵族如溴也可以替代。所以認(rèn)為用更寬泛的概念可能更適合當(dāng)前的工作。“功能或代謝營(yíng)養(yǎng)”（functional or metabolism nutrient）這個(gè)術(shù)語(yǔ)可能概括植物代謝中的功能，不必考慮其專(zhuān)一性。所以，他認(rèn)為除以上元素外，鈉（Na）、鈷（Co）、釩（V）也應(yīng)是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素。該觀點(diǎn)也得到了很多人的認(rèn)同，Tisdale等在其著的《土壤肥力與肥料》專(zhuān)著第四版（1985）中將植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素描述為20種，即碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鉀（K）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鉬（Mo）、銅（Cu）、硼（B）、鋅（Zn）、氯（Cl）、鈉（Na）、鈷（Co）、釩（V）和硅（Si）。20世紀(jì)60年代以后，人們注意到了鎳在植物營(yíng)養(yǎng)方面的作用，1990年，Brown等證明缺鎳大麥不能完成其生命周期，符合Arnon植物必需營(yíng)養(yǎng)元素的條件。在Lincoln Taiz和Eduardo Zeiger所著的《植物生理學(xué)》（第五版）中將植物營(yíng)養(yǎng)的必需元素列了19種，即碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、磷（P）、硫（S）、硅（Si）、氯（Cl）、鐵（Fe）、硼（B）、錳（Mn）、鈉（Na）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鉬（Mo）。我國(guó)出版的高校教材《植物生理學(xué)》引用了上述觀點(diǎn)，也將上述19種元素列為了植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素。但是，Marschner在其所著的《高等植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)》一書(shū)中，把植物營(yíng)養(yǎng)元素區(qū)分為必需元素（essential mineral element）和有益元素（beneficial element）。其中植物營(yíng)養(yǎng)必需元素嚴(yán)格引用了Arnon1939年的植物必需營(yíng)養(yǎng)元素標(biāo)準(zhǔn)，而有益元素則定義為有益于植物生長(zhǎng)，但不是必需或者是某些植物種類(lèi)必需或特殊條件下必需的元素。該書(shū)中將植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素定義為17種，其中除碳（C）、氫（H）和氧（O）外，大量元素6種，即氮（N）、磷（P）、硫（S）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、鉀（K）。微量元素8種，即：鐵（Fe）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、硼（B）和氯（Cl）。有益元素有鈉（Na）、硅（Si）、鈷（Co）、硒（Se）、鋁（Al）、碘（I）、釩（V）、鈦（Ti）、鑭(La)、鈰（Ce）等。該書(shū)第二版第一次將鎳（Ni）列為了植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素。中國(guó)人教版的中學(xué)《生物》教材中也將鎳列為了植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素。

這里需要指出的是，由于對(duì)植物必需營(yíng)養(yǎng)元素界定的的標(biāo)準(zhǔn)不同，因此確定植物生長(zhǎng)必需元素的數(shù)量和種類(lèi)也就不同。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和分析技術(shù)的提高，可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的植物必需營(yíng)養(yǎng)元素。1930 年以后，人們對(duì)植物必需元素的研究與發(fā)現(xiàn)主要集中在微量元素和有益元素層面，特別是在地球環(huán)境下，極痕量的元素可能對(duì)植物生長(zhǎng)影響不大，但是，隨著太空技術(shù)的發(fā)展，若在太空環(huán)境下培養(yǎng)植物，或許任何元素都可能影響到植物生長(zhǎng)。

1.2 營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)
營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程可分為元素在植物體外的傳輸過(guò)程、跨膜運(yùn)輸過(guò)程和植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。營(yíng)養(yǎng)元素在體外傳輸過(guò)程的研究主要為根際和肥際養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與運(yùn)移。根際概念是1904 年德國(guó)微生物學(xué)家L.Hiltner 提出的，最初主要是研究根際的微生物效應(yīng)。之后，人們開(kāi)始注意到了根際土壤的微觀結(jié)構(gòu)、土壤化學(xué)特征、養(yǎng)分的有效性及養(yǎng)分在根際的運(yùn)移等?！胺孰H”一詞源于魯如坤先生的“肥際微域”，是指“肥料施入土壤后，特別是集中施用時(shí)都會(huì)在肥料和肥粒附近造成一個(gè)特殊的環(huán)境，其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生理化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)與整個(gè)土體有巨大的不同”。在之后的十多年間，許多學(xué)者在肥際土壤的化肥養(yǎng)分轉(zhuǎn)化遷移、有機(jī)肥對(duì)肥際環(huán)境的影響、肥際土壤微生物特征及脲酶等特性等方面進(jìn)行了研究。
近年來(lái)，在生物技術(shù)的支持下，營(yíng)養(yǎng)元素的高效利用研究十分活躍。關(guān)于營(yíng)養(yǎng)元素的高效利用，Moll等1982 年提出了氮高效可分為兩個(gè)部分，即氮吸收高效和氮利用高效。Graham1984 年定義了氮高效基因型是在氮素限制條件下獲得比其他基因型更高產(chǎn)量的能力。以后的研究基本上是按這個(gè)定義進(jìn)行的。
根據(jù)目前的研究資料，不同的植物都含有對(duì)某種養(yǎng)分的高親和運(yùn)輸系統(tǒng)（high affinity transport system）和低親和運(yùn)輸系統(tǒng)（low affinity transport system），當(dāng)環(huán)境中養(yǎng)分濃度不同時(shí)，相應(yīng)親和運(yùn)輸系統(tǒng)則發(fā)生作用。不同的作物基因型所含的家族基因有一定的差別，所以，不同基因型的植物會(huì)對(duì)環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)元素濃度產(chǎn)生不同的反應(yīng)。同時(shí)，針對(duì)植物體內(nèi)的養(yǎng)分代謝，人們也發(fā)現(xiàn)了不同的代謝反應(yīng)受不同的酶和基因控制，針對(duì)不同作物，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。

1.3 營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)移與再利用
1953 年Greory發(fā)現(xiàn)，在禾谷類(lèi)作物生長(zhǎng)進(jìn)程中，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)體僅為生育期總干物重的25%時(shí)，就吸收了90%以上的氮、磷元素。以后的研究表明，在低濃度養(yǎng)分條件下，老葉中氮素的再利用率高，高、低養(yǎng)分濃度條件下的氮素再利用率分別為46%和65%。有關(guān)植物營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)移與再利用有很多表述，如再吸收（resorption）、轉(zhuǎn)移（retranslocation）、再分配（redistribution）等。如何對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素再利用的類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，很多人進(jìn)行了大量的研究。有結(jié)果表明，植物營(yíng)養(yǎng)元素再利用的數(shù)據(jù)在年際間變化很大，且在不同土壤上表現(xiàn)也不一致，所以，植物營(yíng)養(yǎng)元素再利用的類(lèi)型只能通過(guò)長(zhǎng)期觀察才能決定。很多人對(duì)葉片中的氮、磷比與植物營(yíng)養(yǎng)元素的再利用進(jìn)行了研究，但也有人認(rèn)為葉片中的氮、磷比不能很好地預(yù)測(cè)植物營(yíng)養(yǎng)元素的再利用狀況。
對(duì)多年生木本植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再利用的研究較多，實(shí)際上一年生的植物也存在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再利用，如小麥成熟時(shí)葉片中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移直接影響小麥的產(chǎn)量?？緹熑~片中的氮素代謝嚴(yán)重影響烤煙的質(zhì)量。
關(guān)于植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素再利用的機(jī)理及影響因素目前還沒(méi)能完全明白，可以證明，植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素再利用對(duì)提高土壤和肥料中養(yǎng)分的利用效率具有十分重要的意義。

1.4 菌根在植物營(yíng)養(yǎng)中的作用
植物與伸入根系的共生真菌組成的復(fù)合體叫菌根，地球上90%以上的維管束植物都有菌根。自1885 年德國(guó)的生物學(xué)家Frank 發(fā)現(xiàn)菌根以來(lái)，人們對(duì)菌根已進(jìn)行了廣泛的研究，菌根在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中分布廣泛，包括內(nèi)生菌根（Endomycorrhizae）和外生菌根（Ectomycorrihizae）兩大類(lèi)。

1.4.1 內(nèi)生菌根 內(nèi)生菌根是指生于根部皮層細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的共生真菌，包括蘭科植物菌根、杜鵑科植物菌根和泡囊-從枝菌根3類(lèi)，目前研究較多的是第3 類(lèi)。泡囊-從枝菌根（Vesicular-Arbuscular Mycorrihizae），2000 年前一般簡(jiǎn)稱(chēng)為VA 菌根，但是后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，一些VA 菌根并不是一定有泡囊結(jié)構(gòu)，而是在植物生長(zhǎng)的某個(gè)階段才有，叢枝結(jié)構(gòu)（Arbuscular Mycorrhizae）是普遍存在于植物根部的結(jié)構(gòu)。因此，統(tǒng)稱(chēng)為叢枝（AM）菌根。
內(nèi)生菌根對(duì)植物生長(zhǎng)的作用早已被人們所認(rèn)識(shí)。它在植物營(yíng)養(yǎng)方面的作用機(jī)制是增加了植物根系的吸收面積，促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，特別是對(duì)磷的吸收。內(nèi)生菌根還能增強(qiáng)植物抵抗力，保護(hù)植物免受病原體、害蟲(chóng)和寄生蟲(chóng)等侵害。內(nèi)生菌根還能增加豆科作物的固氮能力。同時(shí)，內(nèi)生菌根還能減輕水分對(duì)植物脅迫作用等。國(guó)內(nèi)對(duì)內(nèi)生菌根也進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明內(nèi)生菌根對(duì)小麥、煙草、草莓、番茄、鐵皮石斛、藍(lán)莓以及多年生樹(shù)種都有良好的影響。
1.4.2 外生菌根 外生菌根（Ectomycorrihizae）簡(jiǎn)稱(chēng)ECM。與內(nèi)生菌不同，外生菌根在根周?chē)纬梢粋€(gè)菌套，或者穿透植物的表皮細(xì)胞但仍保持在細(xì)胞間，形成一個(gè)哈迪網(wǎng)。據(jù)報(bào)道，全世界目前外生菌有5 000—6 000 種，主要是擔(dān)子菌（Basidiomycetes）和子囊菌（Ascomycetes）。外生菌根的主要作用是分解土壤中有機(jī)物，增強(qiáng)外生菌根與寄主植物的碳、水和礦質(zhì)養(yǎng)分的交換。同時(shí)，外生菌根還能降解土壤的DDT 等有害物質(zhì)。外生菌根能拮抗植物根部病害病原體。研究表明，外生菌根紅蠟?zāi)ⅲ↙accaria Laccatta）可抑制尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum），牛肝菌（Boletus sp.）等對(duì)多種植物病原體都有抑制作用。他們能抑制病原體的生長(zhǎng)速度，使重疊菌落死亡，從而控制病原體繁殖體的形成。
目前的研究表明，無(wú)論內(nèi)生菌根菌還是外生菌根菌對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的作用均在土壤養(yǎng)分含量較低時(shí)才表現(xiàn)，且林木較多。在養(yǎng)分充足條件下，菌根菌對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)的作用研究較少。目前，由于菌根菌很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的人工培養(yǎng)，在生產(chǎn)上的應(yīng)用還十分有限。

1.5 植物營(yíng)養(yǎng)與植物抗病性
隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高，如何減少農(nóng)藥用量、保證足夠糧食供應(yīng)是人們面臨的重要課題，人們開(kāi)始注意植物營(yíng)養(yǎng)與植物抗病性的關(guān)系，盡管這種關(guān)系還不能科學(xué)地解釋清楚，但很多情況下人們已經(jīng)開(kāi)始將這種關(guān)系應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。
在植物營(yíng)養(yǎng)元素中，氮是最重要的元素之一，也是目前報(bào)道影響植物病害最多的元素。一般認(rèn)為，氮素使用有增加植物病害的傾向。在以前研究的61例病害中，氮素加重病害的有21例，減輕病害的22例，有18例不能確定。使用銨態(tài)氮加重病害的9例，能減輕病害的18例，34例不能確定，使用硝態(tài)氮加重病害的有11例，9例為減輕病害，41例不能確定。關(guān)于氮素與植物抗病性的機(jī)理可能是，當(dāng)被感染組織中游離氨基酸濃度增加時(shí)，它為病原體提供了養(yǎng)分，所以，植物易感?。划?dāng)被感染組織中游離氨基酸和多肽減少時(shí)，它不能為病原體提供足夠營(yíng)養(yǎng)，所以，植物表現(xiàn)為抗病。
磷與植物病害的關(guān)系較為復(fù)雜。目前關(guān)于磷與植物病害的關(guān)系已有大量研究，然而結(jié)果卻大相徑庭。在目前51 例植物病害與磷元素關(guān)系的研究案例中，有28例認(rèn)為磷可減少作物病害，13例認(rèn)為磷加重植物病害，10例沒(méi)有明確其關(guān)系。日本在水稻上的研究表明，磷對(duì)稻瘟病幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)磷缺乏時(shí)，病害會(huì)減輕，當(dāng)磷適當(dāng)時(shí)，再增加磷肥，則稻瘟病加重，磷增加病害程度的加重僅出現(xiàn)在氮素處于高水平時(shí)。有研究表明，施磷肥后可增加作物根的體積從而提高作物對(duì)線蟲(chóng)的抵抗能力。關(guān)于磷的抗線蟲(chóng)機(jī)理主要認(rèn)為磷可以增加植物體內(nèi)維生素C、植物油、酚類(lèi)物質(zhì)、過(guò)氧化物酶等含量，這些物質(zhì)不利于線蟲(chóng)繁殖。
鉀與植物病害的關(guān)系研究甚多。國(guó)際鉀肥研究所分析了2000多篇研究報(bào)告指出，鉀肥能減少植物病害的蔓延，其中鉀能抵抗真菌的占70%，抵抗細(xì)菌病害的占69%，減少害蟲(chóng)的占63%。但對(duì)病毒病的影響結(jié)果差異很大，有41%報(bào)道鉀降低病毒病，而51%則報(bào)道施鉀肥會(huì)加重病毒病發(fā)生。另?yè)?jù)報(bào)道，在167例研究中，有113例表現(xiàn)為鉀減輕病害，39例表現(xiàn)為鉀可加重病害，8例表現(xiàn)為鉀對(duì)病害沒(méi)有影響。鉀對(duì)線蟲(chóng)的影響方面，通過(guò)10例研究分析，鉀減輕為害的有3例，6例表現(xiàn)為鉀加重線蟲(chóng)為害，1例表現(xiàn)為鉀對(duì)線蟲(chóng)病沒(méi)有影響。有關(guān)鉀對(duì)植物抗病性的影響機(jī)理還不十分清楚，但鉀對(duì)提高植物抗病性的主要機(jī)理可能是鉀可改變植物體內(nèi)蛋白質(zhì)和氨基酸的活性、降低植物細(xì)胞的滲透性、防止植物組織軟化等。
鈣是植物抗病性中最重要的元素，它能對(duì)25 種作物的36 種病害起抵抗作用，其主要機(jī)理是鈣可改變pH，鈣的丙酸鹽可降低病原體的毒性，還可穩(wěn)定細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等。其他營(yíng)養(yǎng)元素如鎂、硫、鐵、錳、鋅、銅、硅等都與植物病害有一定的關(guān)系。

2 營(yíng)養(yǎng)診斷

2.1 化學(xué)診斷
植物營(yíng)養(yǎng)與肥料的發(fā)展離不開(kāi)土壤養(yǎng)分的測(cè)試技術(shù)，通過(guò)測(cè)定土壤養(yǎng)分了解土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況是科學(xué)施肥的基礎(chǔ)。自1840 年德國(guó)化學(xué)家Liebig 提出植物營(yíng)養(yǎng)的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)以來(lái)，土壤養(yǎng)分測(cè)試技術(shù)的研究從來(lái)沒(méi)有間斷過(guò)。
從嚴(yán)格意義上講，土壤養(yǎng)分測(cè)定在Liebig 的“礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)”之前就開(kāi)始了，在Liebig 著的《化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用》一書(shū)中，就多次涉及對(duì)土壤和肥料中的營(yíng)養(yǎng)元素的分析，但所采用的分析方法不祥。從這個(gè)意義上講，土壤養(yǎng)分的測(cè)定是分析化學(xué)研究的一個(gè)分支，即土壤養(yǎng)分測(cè)定是將分析化學(xué)的技術(shù)和土壤植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的原理相結(jié)合的產(chǎn)物。所以，1840 年以后，在土壤養(yǎng)分測(cè)定方法研究的發(fā)展過(guò)程中，土壤養(yǎng)分的測(cè)定可明顯地分為兩個(gè)方面，一方面是土壤養(yǎng)分的提取技術(shù)，另一方面是提取液中養(yǎng)分的分析技術(shù)。從學(xué)科上講，前者無(wú)疑是土壤肥料學(xué)科的研究?jī)?nèi)容，而后者更像是分析化學(xué)的內(nèi)容，但兩者又密不可分，共同支撐了土壤養(yǎng)分測(cè)定技術(shù)的發(fā)展。
2.1.1 養(yǎng)分提取 1840 年以后的幾十年間，土壤養(yǎng)分測(cè)定方法并無(wú)顯著進(jìn)展。直到19 世紀(jì)后期，土壤養(yǎng)分測(cè)定方法的研究才有一些進(jìn)展。進(jìn)入20 世紀(jì)后，土壤養(yǎng)分的測(cè)定有了明顯的發(fā)展，以下是土壤養(yǎng)分提取方法研究的進(jìn)程。
1883 年，Kjeldahl提出凱氏定氮的方法測(cè)定全氮。該方法被后人評(píng)價(jià)為“在分析化學(xué)歷史上，沒(méi)有一種方法能像凱氏定氮法那樣在如此短的時(shí)間內(nèi)被全世界廣泛采用”，以后人們對(duì)其催化劑進(jìn)行了一些改進(jìn)，該方法至今還被廣泛使用。
1925年，德國(guó)Bechold 提出電超濾（EUF）法。該方法可在一次測(cè)定中同時(shí)測(cè)得土壤中養(yǎng)分的強(qiáng)度、容量、緩沖容量和固定能力等，并據(jù)此估算出肥料需要量，有研究表明，這種方法在估計(jì)土壤鉀長(zhǎng)期供應(yīng)容量時(shí)，優(yōu)于醋酸銨法和M3 方法。
1927 年，Schollenberger 提出K₂Cr₂O₇-H₂SO₄測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；1934年Walkley 和Black 在此基礎(chǔ)上提出了水合熱法，目前水合熱法是國(guó)際上常用的方法。中國(guó)目前多采用外加熱法，即1935 年Turin提出的方法，也稱(chēng)丘林法。由于K₂Cr₂O₇-H₂SO₄測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)的方法成本高且費(fèi)時(shí)，同時(shí)還存在鉻和強(qiáng)酸的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，目前國(guó)際上開(kāi)始趨向于采用燒失法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1930年，Troug提出用0.02N H₂SO₄提取土壤速效磷，該方法以后被修改為H₂SO₄＋（NH₄）₂SO₄浸提，磷鉬藍(lán)比色法，這種方法目前在日本還有應(yīng)用。

1932 年，Morgan 提出HOAc＋NaOAc 為通用浸提劑；1945 年，Bray 提出了Bray1 土壤有效磷浸提劑；1953 年Mehlich 提出Mehlich 1 土壤浸提劑；1954 年Olsen 提出了土壤有效磷提取劑。目前在美國(guó)土壤速效磷的浸提劑雖有10 種，但使用較多的僅有4 種，即美國(guó)東北部州所采用的Morgan 浸提劑、美國(guó)東南部州采用的Mehlich 1 土壤浸提劑、美國(guó)中北部州采用的Bray1 土壤有效磷浸提劑和美國(guó)西部州采用的Olsen 土壤浸提劑。在土壤有效鉀的提取方面，美國(guó)有5 種土壤浸提劑，但使用的主要有3 種，即在美國(guó)東北部州所采用的Morgan 浸提劑、美國(guó)東南部州采用的Mehlich 1 土壤浸提劑、其他州則采用1944 年Bray 提出的中性NH₄OAc浸提劑。

20 世紀(jì)70 年代以后，由于分析技術(shù)的提高，一次性測(cè)定浸提液中的多種元素成為可能，特別是ICP的出現(xiàn)，人們開(kāi)始關(guān)注聯(lián)合浸提劑，也稱(chēng)通用浸提劑（Universal extractans），如Mehlich3 浸提劑替代了Mehlich1、Bray1 和中性醋酸銨用于黏重土壤，Soltanpour 等改進(jìn)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 浸提劑，提取堿性土壤上的P、K、Cu、Fe、Mn和Zn。Worlf 改進(jìn)了Morgan 浸提劑，將其擴(kuò)展到了浸提微量元素。Houba等1990年建議用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。美國(guó)20 世紀(jì)90年代以后，又出現(xiàn)了很多商業(yè)性的私人實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室所采用的方法主要是區(qū)域土壤養(yǎng)分測(cè)試研究機(jī)構(gòu)、推廣機(jī)構(gòu)或土壤植物分析委員會(huì)推薦的方法。這樣，土壤測(cè)試方法的重大改變需要有足夠的測(cè)試并由認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可。所以，以后有關(guān)土壤浸提方法的發(fā)展開(kāi)始緩慢。

1973年，A. H. Hunter 在總結(jié)前人土壤測(cè)試工作的基礎(chǔ)上，吸收了美國(guó)北卡羅萊那州立大學(xué)的D.Waugh、R. B. Cate 和L. Nelson 的研究結(jié)果提出了評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分狀況的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法。該方法應(yīng)用聯(lián)合浸提劑顯著提高了測(cè)試效率，在中國(guó)-加拿大政府間合作研究項(xiàng)目實(shí)施中引進(jìn)中國(guó)，在測(cè)土推薦施肥工作中成功應(yīng)用。
從以上研究進(jìn)程不難發(fā)現(xiàn)，在土壤養(yǎng)分測(cè)試的過(guò)程中，由于全量養(yǎng)分的測(cè)試技術(shù)較為單一，所以，土壤養(yǎng)分測(cè)試的研究比較側(cè)重于土壤有效養(yǎng)分。在20世紀(jì)70 年代以前，土壤養(yǎng)分的浸提多以單元素為主，90 年代以后，基本上以聯(lián)合浸提為主，以單元素浸提的方法基本上被固定下來(lái)，作為了土壤養(yǎng)分測(cè)定的基準(zhǔn)方法。在以往的研究中，由于土壤速效養(yǎng)分的不確定性，所以，對(duì)土壤速效養(yǎng)分浸提方法的研究一直是土壤養(yǎng)分研究的熱點(diǎn)之一，但相對(duì)于土壤全量養(yǎng)分，土壤速效養(yǎng)分浸提方法的研究則相對(duì)較少。
中國(guó)對(duì)土壤養(yǎng)分浸提劑的研究較少，目前基本上還是采用20 世紀(jì)60 年代以前的測(cè)試方法，即土壤速效磷采用Olsen 方法，速效鉀采用中性醋酸銨浸提方法，這些方法的測(cè)定結(jié)果具有年代可比性，但分析速度較慢，使得農(nóng)化服務(wù)的效率大為下降。
2.1.2 養(yǎng)分測(cè)定 在土壤養(yǎng)分測(cè)定技術(shù)方面，除了將養(yǎng)分從土壤中浸提到溶液中以外，定量分析溶液中的養(yǎng)分也是研究的重要方面。但是，后者更多是借鑒分析化學(xué)的研究成果，近觀百年，土壤測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，可歸納為幾個(gè)階段。
20 世紀(jì)50年代以前，土壤浸提液中養(yǎng)分的分析基本上以常規(guī)方法（重量法、容量法）為主。
20 世紀(jì)60年代以后，光譜化學(xué)和分光光譜技術(shù)應(yīng)用到了土壤養(yǎng)分的測(cè)試中，集中表現(xiàn)在極譜儀、X光、熒光分析儀的應(yīng)用。
60 年代電化學(xué)分析應(yīng)用于土壤養(yǎng)分分析，特別是氫電極的應(yīng)用在土壤pH 測(cè)定中基本上取代了比色分析法。
70 年代以后，以發(fā)射光譜和吸收光譜為主的分析方法應(yīng)用于土壤養(yǎng)分分析中。表現(xiàn)為火焰光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)等的應(yīng)用。
70 年代以后的電感耦合等離子體光譜儀（ICP）應(yīng)用于土壤養(yǎng)分測(cè)定。
80 年代以后，電子技術(shù)的發(fā)展，使儀器開(kāi)始自動(dòng)化（電子天平、自動(dòng)定氮儀）。
90 年代以后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與傳輸應(yīng)用于土壤養(yǎng)分分析。
以上分析啟示我們必須要在充分利用現(xiàn)代科學(xué)成就、掌握新技術(shù)的基礎(chǔ)上，來(lái)革新土壤科學(xué)研究的面貌，而創(chuàng)造和改進(jìn)測(cè)試技術(shù)以及分析方法是十分重要的方面。但是，土壤養(yǎng)分分析的發(fā)展與儀器分析也不完全同步。由于土壤養(yǎng)分分析的特殊性，方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法一直是土壤科學(xué)工作者孜孜以求的目標(biāo)。

2.2 光譜診斷
光譜診斷是通過(guò)植物葉片對(duì)不同光的反射、透射和吸收特征來(lái)反映植物對(duì)外部環(huán)境變化的內(nèi)部生理反應(yīng)的一種方法，其基本假定是外界環(huán)境的部分脅迫可引起植物光合作用的顯著變化，這樣的變化導(dǎo)致植物葉片對(duì)光反射的顯著變化。該方法具有快速，且不破壞植株結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。光譜診斷起源于19 世紀(jì)末和20 世紀(jì)初，目前許多商業(yè)化的設(shè)備可成功檢測(cè)植物的非生物和生物脅迫，如干旱、營(yíng)養(yǎng)、昆蟲(chóng)等。作物營(yíng)養(yǎng)的光譜診斷是遙感技術(shù)與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。根據(jù)遙感平臺(tái)，可分為衛(wèi)星遙感診斷、航空遙感診斷、低空遙感診斷和地面遙感診斷等。在相同分辨率的情況下，遙感平臺(tái)越高，診斷的面積越大、精度越低。近年來(lái)，在植物營(yíng)養(yǎng)診斷方面，利用無(wú)人機(jī)的低空遙感診斷和利用高光譜技術(shù)的地面遙感診斷得到了迅速發(fā)展。一些專(zhuān)門(mén)用于植物營(yíng)養(yǎng)診斷的儀器也相繼出現(xiàn)，如SPAD、Greenseeker等。
作物營(yíng)養(yǎng)元素含量是作物營(yíng)養(yǎng)光譜診斷的重要方面，作物營(yíng)養(yǎng)光譜診斷研究最多的養(yǎng)分是氮素，其主要原理是通過(guò)測(cè)定作物葉片中的葉綠素含量來(lái)推算植物體的含氮量。光譜診斷的方法一般是通過(guò)光譜中不同譜段的計(jì)算，形成一個(gè)指數(shù)，通過(guò)不同的指數(shù)換算成營(yíng)養(yǎng)元素的含量，最常用的是歸一化植被指數(shù)（DNVI），也有很多不同的指數(shù)被研究。植物反射光譜的紅邊位置與其葉綠素含量和氮素含量也有密切關(guān)系。目前，光譜技術(shù)也用于了土壤養(yǎng)分的預(yù)測(cè)和其他作物特性，特別是作物的病蟲(chóng)害的診斷。

3 施肥技術(shù)

3.1 施肥模型
根據(jù)作物營(yíng)養(yǎng)需求、生長(zhǎng)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)診斷的結(jié)果，計(jì)算出作物的肥料需求數(shù)量及其在作物生育期中的分配，即為施肥模型。從不同的角度可以將施肥模型分為多種。目前在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較多的有三大類(lèi)。
3.1.1 養(yǎng)分分級(jí)模型 也稱(chēng)為土壤養(yǎng)分分級(jí)模型或養(yǎng)分指標(biāo)法，即把土壤養(yǎng)分或養(yǎng)分指數(shù)分為若干等級(jí)，每一個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)作物的施肥量。這種方法簡(jiǎn)單明了，便于操作，在等級(jí)劃分時(shí)，可能將許多因素，如土壤培肥、環(huán)境影響等考慮在內(nèi)。目前在歐洲的施肥指導(dǎo)手冊(cè)中多采用這種方法。
3.1.2 肥料效應(yīng)函數(shù)模型 肥料效應(yīng)函數(shù)模型是根據(jù)1909 年Mitscherlich 提出的作物產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分供應(yīng)量之間的關(guān)系發(fā)展而來(lái)的。以后人們對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，形成了Mitscherlich-Bray方程。 由于這種方法有明確的施肥量與作物產(chǎn)量的關(guān)系曲線，克服了養(yǎng)分分級(jí)模型中“等級(jí)內(nèi)差異縮小化、等級(jí)間差異擴(kuò)大化”的弊端，是一種較為準(zhǔn)確的施肥模型，這種方法目前還在世界各地大量應(yīng)用。中國(guó)從2005年開(kāi)始的測(cè)土配方施肥行動(dòng)中所規(guī)定的3414 試驗(yàn)，就是依據(jù)肥料效應(yīng)函數(shù)模型提出的。據(jù)此在全國(guó)范圍內(nèi)的不同作物上都進(jìn)行了大量的肥料效應(yīng)函數(shù)模型研究。
3.1.3 養(yǎng)分平衡模型 養(yǎng)分平衡模型是基于作物吸收與土壤養(yǎng)分供給和施用養(yǎng)分平衡的施肥量計(jì)算方法。這個(gè)方法源于Truog 1960 年第七次國(guó)際土壤學(xué)會(huì)上做的“測(cè)土工作五十年”報(bào)告。本方法目前被稱(chēng)為“目標(biāo)產(chǎn)量法”。1967 年印度學(xué)者Ramamoorthy 著文推廣應(yīng)用該方法，也稱(chēng)Turog-Ramamoorthy 法。1973年，美國(guó)學(xué)者Stanford 提出了氮肥需用量公式，也就是目前應(yīng)用最廣泛的作物目標(biāo)產(chǎn)量法計(jì)算公式。該方法中關(guān)于土壤供肥量的確定一直是人們研究的熱點(diǎn)，特別是在氮素的供應(yīng)方面。
3.1.4 其他施肥模型 近年來(lái)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人們需要快速確定作物的施肥量，一些養(yǎng)分傳感器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)傳感器對(duì)葉片中養(yǎng)分測(cè)定，直接計(jì)算出施肥量。這種方法的代表是法國(guó)學(xué)者Beaufil和南非學(xué)者sumner 共同提出的DRIS 法（diagnosis and recommendation integrated system）。該方法主要是利用植物葉片中營(yíng)養(yǎng)元素的含量及其比值進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)診斷，最終確定施肥量的方法，適合于土壤養(yǎng)分測(cè)試較困難的果樹(shù)或林木的營(yíng)養(yǎng)診斷及施肥。

3.2 精準(zhǔn)施肥
精準(zhǔn)施肥起源于20 世紀(jì)70 年代中期和80 年代初期，主要是基于地塊內(nèi)土壤養(yǎng)分的變異。同時(shí)，該時(shí)期一些新技術(shù)的發(fā)展如微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等，使得農(nóng)田空間信息的獲取成為可能，并形成了一個(gè)新農(nóng)業(yè)技術(shù)—計(jì)算機(jī)控制與傳感器。最初稱(chēng)為“根據(jù)土壤類(lèi)型管理（farming by soil type）”，以后又稱(chēng)為“精確點(diǎn)位管理（site-specific management）”，現(xiàn)在統(tǒng)稱(chēng)為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（precision agriculture）”。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將空間信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)以改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策過(guò)程的技術(shù)體系。在施肥方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是根據(jù)每個(gè)地塊的土壤養(yǎng)分狀況，在地塊內(nèi)均勻施肥；而精準(zhǔn)施肥根據(jù)土壤養(yǎng)分等特性將一個(gè)地塊劃分成若干區(qū)域，然后根據(jù)每個(gè)區(qū)域的情況進(jìn)行施肥，它能最大限度地發(fā)揮耕地和肥料資源的作用。精準(zhǔn)施肥的理論依據(jù)是土壤養(yǎng)分的空間變異（spatial variability），核心是變量技術(shù)（variable-rate technology），技術(shù)支撐是信息技術(shù)（information technology）。
目前，在精準(zhǔn)施肥的實(shí)現(xiàn)方面，主要是通過(guò)兩種技術(shù)體系，一個(gè)是基于3S（GIS 、GPS、RS）的技術(shù)體系，另一個(gè)是基于傳感器的技術(shù)體系?；?S 技術(shù)的變量施肥是在地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和遙感技術(shù)（RS）的支持下，通過(guò)預(yù)先置入施肥機(jī)上的施肥圖，在GPS 的指導(dǎo)下，調(diào)節(jié)施肥量的大小。對(duì)固體肥料，變量施肥機(jī)大部分采用轉(zhuǎn)動(dòng)式，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排肥器，以達(dá)到變量施肥的目的。對(duì)于液體肥料，一般采用流量倍速管組合的方式達(dá)到變量施肥的控制。而基于傳感器的變量施肥則通過(guò)安裝在施肥機(jī)的實(shí)時(shí)傳感器，測(cè)定作物需肥量的多少，然后通過(guò)控制變量機(jī)，達(dá)到變量施肥的目的。
目前，依據(jù)不同技術(shù)體系的商用變量施肥機(jī)在世界各大公司都有生產(chǎn)。美國(guó)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、歐洲AMAZONE公司、RDS公司、AMASAT公司、日本的Hatsuta公司等都生產(chǎn)與變量施肥有關(guān)的整機(jī)或控制設(shè)備及信息技術(shù)設(shè)備等。

3.3 灌溉施肥
把肥料直接注入灌溉水中進(jìn)行施肥的方法稱(chēng)為灌溉施肥（fertigation）。有關(guān)灌溉施肥研究始于1958年。20 世紀(jì)60 年代初開(kāi)始迅速發(fā)展。該技術(shù)可節(jié)水40%以上，節(jié)肥20%以上，節(jié)約土地5%—7%，比常規(guī)省工90%，增產(chǎn)幅度達(dá)30%—50%，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。這種技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)高效的施肥技術(shù)，目前該技術(shù)正在與信息技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水分-養(yǎng)分的全自動(dòng)化管理。

4 施肥與環(huán)境
隨著人口的增長(zhǎng)，糧食的需求越來(lái)越多，化學(xué)肥料的用量也越來(lái)越大，2008—2013 年間，世界年均氮肥用量增加了2.2%、磷肥3.8%、鉀肥5.3%。2013 年世界化肥用量為1.84 億噸（純養(yǎng)分）。然而由于不合理的使用，導(dǎo)致在全世界范圍內(nèi)不同地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

4.1 溫室氣體排放
肥料特別是化學(xué)肥料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因肥料制造而產(chǎn)生的溫室氣體為465萬(wàn)噸CO₂ 當(dāng)量，占全球溫室氣體排放的0.93%；肥料運(yùn)輸而生產(chǎn)的溫室氣體為37萬(wàn)噸CO₂ 當(dāng)量，占全球溫室氣體排放的0.07%；肥料使用中生產(chǎn)的N₂O和尿素、碳酸氫銨中直接排放的CO₂合計(jì)為728.5 萬(wàn)噸CO₂當(dāng)量，占全球溫室氣體排放的1.5%?？傆?jì)因肥料引起的溫室氣體排放約占全球溫室氣體排放的2.5%。

4.2 肥料污染
大氣PM2.5 的化學(xué)組成中，銨鹽占有相當(dāng)數(shù)量，其主要來(lái)源是農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)。美國(guó)切薩皮克灣氮磷污染物中的一半來(lái)源于農(nóng)業(yè)不合理的肥料使用，密西西比河流域過(guò)量使用氮肥所造成的環(huán)境災(zāi)難形成了6000平方英里的“死亡區(qū)”。中國(guó)“第一次全國(guó)污染源調(diào)查公報(bào)”指出：農(nóng)業(yè)源氮排放占工農(nóng)、生活源總氮排放量的57.2%，農(nóng)業(yè)源磷排放量占工農(nóng)、生活源總磷排放的67.4%。農(nóng)業(yè)一方面為地球上的人口增長(zhǎng)提供了必需的糧食，同時(shí)也給環(huán)境造成了巨大的壓力，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)離不開(kāi)化學(xué)肥料。所以，解決這一問(wèn)題的唯一可行的方法就是改進(jìn)肥料管理。

5 肥料產(chǎn)品
李比希提出的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)為肥料特別是化學(xué)肥料的生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)，100 多年來(lái)，人們?cè)诨瘜W(xué)肥料的生產(chǎn)和改進(jìn)上做了大量的工作。1909 年德國(guó)科學(xué)家Haber 提交了高壓法生產(chǎn)合成氨的專(zhuān)利，1912 年他與Bosch 一起成功將該技術(shù)用于了工業(yè)生產(chǎn)，奠定了現(xiàn)代化肥工業(yè)體系的基礎(chǔ)，形成了目前以化學(xué)肥料為主導(dǎo)的施肥技術(shù)體系，后人高度評(píng)價(jià)了合成氨技術(shù)的作用，并于1918 年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，認(rèn)為目前地球上約一半的人口是靠合成氨技術(shù)來(lái)養(yǎng)活的。

5.1 主要肥料品種
目前，在世界范圍內(nèi)，主要的大宗肥料分3 類(lèi)，即尿素、磷銨和鉀鹽。大部分的復(fù)合肥料都是以這3 種肥料為原料進(jìn)行二次加工。以天然氣和煤生產(chǎn)的尿素占94%，中國(guó)主要以煤為能源生產(chǎn)尿素，約占世界煤頭尿素的97%。全世界用石腦油為能源生產(chǎn)的尿素僅占2%，其中印度石腦油尿素占全世界產(chǎn)量的92%。其他主要是以天然氣為能源生產(chǎn)尿素的，也稱(chēng)氣頭尿素，在中國(guó)，氣頭尿素約占12%。
目前，磷肥的主要品種為磷酸一銨（MAP）和磷酸二銨（DAP），西方國(guó)家基本上采用是“磷酸濃縮法工藝”，也稱(chēng)傳統(tǒng)法，主要在生產(chǎn)過(guò)程中將中間產(chǎn)品低濃度濕法磷酸蒸發(fā)濃縮，除去大部分水后，再與氨中和反應(yīng)，反應(yīng)料漿直接造粒得到產(chǎn)品，中國(guó)主要采用“中和料漿濃縮法磷銨工藝”，也稱(chēng)“料漿法工藝”，它與傳統(tǒng)法的區(qū)別在于先以氨中和稀硫酸，制得的中和料漿再進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，從而避開(kāi)了磷酸濃縮的困難，也適合我國(guó)大部分的中、低品位膠磷礦。
世界鉀鹽產(chǎn)量的93%用于鉀肥生產(chǎn)，目前主要的鉀肥品種有氯化鉀、硫酸鉀和硫酸鉀鎂肥3個(gè)品種，其中氯化鉀占90%以上。中國(guó)鉀資源主要分布在西北地區(qū)，至2014年，中國(guó)鉀肥產(chǎn)量達(dá)610.47 萬(wàn)噸（折純）。

5.2 肥料資源
肥料產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高度依賴資源和能源的產(chǎn)業(yè)。如前所述，氮肥雖然從空氣中制取，但需要能源，磷肥的生產(chǎn)需要磷礦，鉀肥生產(chǎn)需要鉀礦。
在氮肥的能源消耗方面，在世界范圍內(nèi)約有75%—80%的合成氨由天然氣制備，每噸合成氨需要約1230m³的天然氣，若全部合成氨由天然氣生產(chǎn)，將消耗全世界約5%的天然氣。天然氣的價(jià)格會(huì)嚴(yán)重影響肥料的價(jià)格，目前每年消耗的天然氣為3.2 萬(wàn)億m³，按這種速度，世界天然氣可消耗50 年。

目前磷礦主要用于磷肥的生產(chǎn)，世界范圍內(nèi)磷礦貯量為150 億噸，基礎(chǔ)貯量為470 億噸，主要分布在摩洛哥和西撒哈拉、中國(guó)、美國(guó)和南非，約占世界貯量的80%以上，按目前的開(kāi)采速度，高品位磷礦可用90 年，加上低品位磷礦可用290 年。中國(guó)磷礦可用80年，加上低品位磷礦可用210 年。鉀鹽是生產(chǎn)鉀肥的基礎(chǔ)礦物，全世界貯量約83億噸，基礎(chǔ)貯量約為180 億噸，主要分布在加拿大、俄羅斯、白俄羅斯、德國(guó)和巴西，約占世界總貯量的95%以上，按目前的開(kāi)采速度，可用235 年。加上低品位鉀礦，可用500 年。
世界氮、磷、鉀資源貯量在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)是豐富的。但隨易開(kāi)采礦物的減少，肥料的價(jià)格可能會(huì)不斷上漲。總之，肥料資源屬于不可再生資源，做好肥料管理是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)的關(guān)鍵。

5.3 肥料創(chuàng)新
在糧食生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，如何在保證糧食安全的同時(shí)，減輕肥料對(duì)環(huán)境造成的巨大壓力，提高肥料利用率，減少肥料的浪費(fèi)成了肥料研究的熱點(diǎn)。在肥料方面，通過(guò)肥料技術(shù)的創(chuàng)新，提高肥料的效果也是提高肥效的重要途徑。肥料的創(chuàng)新離不開(kāi)4個(gè)方面，即肥料中的養(yǎng)分含量、養(yǎng)分比例、養(yǎng)分形態(tài)和肥料助劑。目前正在向著高濃度、多形態(tài)方向發(fā)展。肥料助劑也從傳統(tǒng)的以改善肥料物理特性向促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的方向發(fā)展。

6 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料科學(xué)的展望
現(xiàn)代植物營(yíng)養(yǎng)與肥料科學(xué)發(fā)展一個(gè)半世紀(jì)以來(lái)，在保證人類(lèi)的糧食和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)方面起到了重要的支撐作用。但是，如前所述，肥料也給環(huán)境造成了巨大的壓力，肥料的養(yǎng)分特別是氮肥的利用率低，成了世界范圍內(nèi)的問(wèn)題，這其中有許多理論問(wèn)題，也有很多技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)還有政策問(wèn)題，都需要在今后的植物營(yíng)養(yǎng)與肥料研究中加以解決。

6.1 提高肥料利用率是解決肥料問(wèn)題的關(guān)鍵
據(jù)報(bào)導(dǎo)，在世界范圍內(nèi)，60%的氮肥用于了谷物生產(chǎn)，其利用率估計(jì)為33%，磷肥的當(dāng)季利用率在15%以下，30年的累積利用率也很難達(dá)到50%。為了提高肥料利用率，一些組織開(kāi)始針對(duì)施肥中的關(guān)鍵問(wèn)題，倡導(dǎo)4R 技術(shù)，即正確的肥料（right source）、正確的用量（right rate）、正確的時(shí)間（right time）和正確的位置（right place），旨在提高肥料利用率，減少肥料對(duì)環(huán)境的影響。眾所周知，肥料的生產(chǎn)率與利用率是一個(gè)問(wèn)題兩個(gè)方面，報(bào)酬遞減率告訴我們二者不能兼得。在一定的技術(shù)水平下，提高肥料用量，肥料的生產(chǎn)率必然降低，它所帶來(lái)的肥料利用率必然也會(huì)下降。所以，只有改進(jìn)技術(shù)措施，才能使肥料的生產(chǎn)率與利用率同時(shí)提高。同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)到，肥料的利用率在什么樣的區(qū)間，對(duì)環(huán)境的影響降至人類(lèi)可接受的程度，可能是今后植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)科和環(huán)境學(xué)科需要共同研究的問(wèn)題。

6.2 解決蔬菜施肥過(guò)量需要理論與技術(shù)的支撐
施肥所引起的環(huán)境問(wèn)題在蔬菜和果樹(shù)生產(chǎn)上表現(xiàn)尤為突出，人們目前都將此問(wèn)題歸結(jié)為蔬菜和果樹(shù)施肥的不合理。為什么這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期得不到解決，其中一個(gè)重要的原因是理論問(wèn)題未能解決，即蔬菜根系養(yǎng)分耗竭區(qū)的問(wèn)題。蔬菜生長(zhǎng)速度比大田作物快得多，生物量在短時(shí)間內(nèi)快速增加必然需要大量的營(yíng)養(yǎng)元素，這樣使蔬菜根系周?chē)酿B(yǎng)分耗竭強(qiáng)度加大，耗竭區(qū)相應(yīng)增加，補(bǔ)充根系表面的養(yǎng)分，必須增大耗竭區(qū)外的養(yǎng)分濃度，增加耗竭區(qū)外緣與根表的養(yǎng)分濃度梯度，以使養(yǎng)分更多更快地移動(dòng)到根表，供蔬菜根系吸收。所以，在不提高養(yǎng)分移動(dòng)速度的情況下，減少施肥就降低了耗竭區(qū)外的養(yǎng)分濃度，蔬菜根系得不到養(yǎng)分供應(yīng)就會(huì)生長(zhǎng)受阻。解決蔬菜施肥量過(guò)大問(wèn)題的關(guān)鍵是提高養(yǎng)分的移動(dòng)速度，強(qiáng)化蔬菜根系的養(yǎng)分供應(yīng)。

6.3 在正常養(yǎng)分條件下開(kāi)發(fā)與利用養(yǎng)分高效基因
目前，人們對(duì)植物養(yǎng)分高效利用基因的研究較多，但是還不能在生產(chǎn)上應(yīng)用。原因是多數(shù)的研究都是在土壤養(yǎng)分極低的情況下進(jìn)行的，也可以認(rèn)為這些所謂的養(yǎng)分高效基因是在環(huán)境養(yǎng)分極低時(shí)才能表達(dá)。試想，世界化肥使用有一百多年的歷史，一般土壤中的養(yǎng)分濃度都達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃?，這也是人們培肥地力的目的。如果不能在常規(guī)養(yǎng)分濃度下表現(xiàn)出養(yǎng)分的高效利用，作物的產(chǎn)量也不會(huì)達(dá)到人們的預(yù)期，其應(yīng)用必然會(huì)受到限制。所以，研究高濃度養(yǎng)分情況下的養(yǎng)分高效利用基因，是未來(lái)提高作物養(yǎng)分利用率的重要途徑。

6.4 施肥新技術(shù)是提高肥效的重要措施
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，使施肥技術(shù)的精準(zhǔn)化成為了可能，傳感器技術(shù)使施肥的自動(dòng)化程度大為提高。這些技術(shù)的應(yīng)用，不僅可能減少人工對(duì)施肥的干預(yù)，還大大提高了施肥的針對(duì)性。在目前條件下，特別是在中國(guó)新型城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)的適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的發(fā)展下，省工、省時(shí)、高效率、低成本的施肥技術(shù)必將得到快速發(fā)展，這些技術(shù)包括精準(zhǔn)施肥技術(shù)、水肥一體化管理技術(shù)、簡(jiǎn)化施肥技術(shù)等，這些技術(shù)需要新型肥料、施肥機(jī)械、信息技術(shù)等支撐，今后施肥技術(shù)的發(fā)展會(huì)是多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的結(jié)果。傳統(tǒng)的植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)科必須結(jié)合新技術(shù)才能有大的跨躍式發(fā)展。

6.5 立足當(dāng)前可用肥料資源發(fā)展肥料產(chǎn)業(yè)
肥料資源是不可再生的資源，人們對(duì)肥料的珍惜和對(duì)肥料資源的憂慮都是可理解的。同時(shí)也要看到肥料技術(shù)的創(chuàng)新。用傳統(tǒng)的肥料生產(chǎn)技術(shù)對(duì)待肥料資源短缺問(wèn)題會(huì)有一定的局限性。對(duì)磷資源而言，高濃度磷肥是現(xiàn)階段磷肥發(fā)展的主流，對(duì)中低品位磷礦石的利用需要選礦技術(shù)作為技術(shù)支撐。若干年后，當(dāng)土壤中的速效磷累積到一定程度，施用中、低濃度磷肥的效果可能會(huì)更好。
中國(guó)鉀肥產(chǎn)量不能滿足需求，每年需進(jìn)口大量的鉀肥。由于鉀資源多集中在西北地區(qū)，近年來(lái)，人們注意到了低濃度難溶性鉀礦（鉀長(zhǎng)石）的開(kāi)發(fā)利用。這種技術(shù)研究和貯備是必須的。但是，在全世界范圍內(nèi)，現(xiàn)階段鉀肥的應(yīng)用還是以水溶性固體鉀鹽資源為主。
總之，植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)科的發(fā)展與人們所面臨的人口、資源和環(huán)境息息相關(guān)，肥料的施用既是保證食物安全的需要，同時(shí)也給環(huán)境造成了巨大的壓力，科學(xué)的使用適量的肥料，獲得最多的食物是今后植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)科努力的方向。

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