慎思篤行農(nóng)業(yè)創(chuàng)新 不畏挑戰(zhàn)科研報國

劉巖松 舒鵬 王碩

從目前來看，世界化肥施用理論技術(shù)創(chuàng)新能力的嚴重滯后已經(jīng)開始影響糧食安全。眾所周知，土壤中的養(yǎng)分供應比例是決定糧食增產(chǎn)的重要因素，而我國多數(shù)土壤磷素養(yǎng)分供應不足，即使含磷較高的土壤種植作物，氮磷施用比例至少也要達到1：0.667，但我國目前的氮磷實際施用比例僅為1：0.33，因此，氮磷施用比例極不合理影響育種技術(shù)創(chuàng)新和作物品種潛力的充分發(fā)揮，是最終導致每公斤化肥增產(chǎn)糧食嚴重下滑的重要原因?！罢{(diào)整氮磷施用比例”成為了我國土壤肥料專家的共識。就職于山西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所的褚清河研究員面對著如此緊迫的大形勢，提出了調(diào)整氮磷（鉀）比例是遏制下滑趨勢與提高我國糧食單產(chǎn)的有效措施。用最佳比例指導施肥，化肥創(chuàng)新將會重振雄風，我國的糧食產(chǎn)量將會大大提高，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)因化肥的不合理施用而下降的問題將會得到有效解決，化肥施用嚴重浪費和環(huán)境污染的局面也將被扭轉(zhuǎn)。在數(shù)十年的科研歷程中，褚清河博士慎思篤行，不畏挑戰(zhàn)，始終把國家的發(fā)展，把人們的安康作為自己的使命，他憑借自己的智慧和汗水研發(fā)成功的“數(shù)字化施肥技術(shù)”真正做到了因土因作物對癥施肥，使得土地生產(chǎn)潛力得到充分挖掘和發(fā)揮。

大膽質(zhì)疑，醉心科研

1957年，褚清河出生于婁煩縣一個貧困的普通農(nóng)民家庭，自小勤學好問，善于思考。1973年，他高中畢業(yè)后回村務(wù)農(nóng)。在務(wù)農(nóng)的這幾年里，他學會了耕、種、鋤、犁等各種農(nóng)活，同時也看到農(nóng)民盡管付出了辛勞和汗水，可是讓糧食增產(chǎn)增收卻不是一件容易的事情。這讓他陷入深思，怎樣幫助農(nóng)民獲得好收成變成他努力的方向和目標。1977年，我國恢復高考制度。褚清河通過自己的努力順利考取了山西農(nóng)大土壤農(nóng)化系，在這里，他開始了對自己夢想的追逐。

褚清河在山西農(nóng)大求學期間，他對土壤供肥和作物如何吸肥等知識如饑似渴地汲取，但在老師講授作物營養(yǎng)與施肥時，他卻對施肥最小因子理論百思不解并大膽提出了自己的質(zhì)疑。一百多年來這一理論一直無人提出異議。而褚清河覺得，施肥最小因子理論，老師并沒有講出它經(jīng)典在什么地方，課本中也沒有敘述理論提出的背景和試驗依據(jù)。他覺得植物是有生命的生物有機體，具有主動吸收和選擇吸收土壤養(yǎng)分的功能，植物對土壤養(yǎng)分離子的吸收存在相助作用，即增施某一養(yǎng)分有助于植物對另一養(yǎng)分的吸收。因此，在土壤相對最小養(yǎng)分因子的含量不為零的情況下，增施最小因子以外的其他養(yǎng)分因子不可能不具有增產(chǎn)作用。顯然，最小因子理論與植物主動吸收和選擇吸收及離子相助作用的理論相悖。此外，他還認為，即使土壤施肥存在最小因子，相對最小的養(yǎng)分因子也不可能僅為一個一種情況，應該還存在一個或幾個缺乏程度相同的情況。這些疑問一直縈繞在褚清河腦海里。到了1982年，褚清河大學畢業(yè)被分配到山西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所工作，在工作期間，他利用業(yè)余時間繼續(xù)對最小因子理論進行研究。通過學習和思考，褚清河對李比希最小因子理論有了更深刻的理解，更確信他自己的認識是正確的，更堅定了在這方面拓展研究的決心。最終，經(jīng)過不斷的田間試驗，褚清河用事實證明了自己的猜想是正確的。

1984年時，褚清河與同事有幸主持和承擔了省科技廳三川河小流域治理項目。在不斷的實踐中，褚清河設(shè)計了單施磷肥處理和施磷肥基礎(chǔ)上不同氮用量共計6個處理、3次重復的氮肥用量田間試驗方案，磷肥施用量為山西省化肥網(wǎng)試驗確定的最大施肥量。從播種開始每隔17天取土測定土壤養(yǎng)分含量、谷子植株氮磷鉀含量。同時，在不同處理0-2米深度內(nèi)每20厘米打鉆取土測定土壤水分含量。所有肥料均在作物播前一次施用，以后不再追肥。他從試驗發(fā)現(xiàn)，谷子植株氮含量以苗期最高，苗期以后谷子植株體內(nèi)氮含量呈逐漸遞減規(guī)律，苗期植株體內(nèi)氮含量高者，以后各時期也高，而苗期植株氮含量高者產(chǎn)量必然也高。由此得出，谷子的產(chǎn)量水平是由谷子苗期的氮素吸收水平?jīng)Q定的結(jié)論，而谷子苗期吸收氮素水平的高低又受土壤施氮量和氮磷施用比例的影響，這也是作物吸肥的普遍規(guī)律。為了驗證這一規(guī)律，他又在水稻、小麥上分別作了大量的試驗。據(jù)此，褚清河提出了作物播種前一次施肥新理論，認為土壤肥力水平和養(yǎng)分對比關(guān)系決定著作物的最大施肥量和最佳施肥比例。如果基肥施氮量達到土壤最大施肥量，追肥不僅不會增產(chǎn)，相反還會降低產(chǎn)量水平。由此及彼，他發(fā)明了依土壤主要肥力指標直接計算作物最大施肥量和最佳施肥比例的“數(shù)字化施肥技術(shù)”。他又通過多年研究，提出了土壤施肥配比理論，即土壤種植作物存在平衡與不平衡土壤養(yǎng)分類型，并具有相應氮磷和氮磷鉀最佳施肥比例。作物要獲得高產(chǎn)，氮磷在作物耐肥性允許的任何土壤養(yǎng)分含量水平下均需施用，而鉀只有在缺乏即最低量營養(yǎng)物質(zhì)時才需與氮磷配合施用，否則就會降低作物的產(chǎn)量水平，這是施肥的基本原則。

這之后，他深入研究作物育種理論和方法問題，破譯了土壤施肥與育種聯(lián)系的“密碼”，得出了史無前例的結(jié)論：即不同作物品種存在一個氮磷單施和配施的營養(yǎng)遺傳特性及由營養(yǎng)特性決定的最大施氮量，而土壤也存在一個由土壤肥力水平和養(yǎng)分對比關(guān)系決定的施肥量和氮磷配施比例，作物施肥的目的就是要從時間上協(xié)調(diào)作物品種施肥比例和施肥量。由此得出結(jié)論，決定作物產(chǎn)量的，并非是土壤中那個相對含量最小的有效作物生長因素，而是取決于決定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種營養(yǎng)遺傳特性。這一結(jié)論，較為系統(tǒng)地闡述了作物品種選育與數(shù)字化種植的理論方法和技術(shù)，成為農(nóng)業(yè)科學研究上的一次重大突破，被國內(nèi)專家喻之為攻克了土壤施肥研究領(lǐng)域的“哥德巴赫猜想”。

在實踐中，褚清河和他的課題組通過測定不同地域不同土壤的肥力水平，并進行大量試驗和科學計算，一舉確立作物的潛在產(chǎn)量主要由土壤養(yǎng)分供應比例、供應量和供應時間三項要素來決定的觀點；發(fā)現(xiàn)了土壤種植作物常見的10種土壤養(yǎng)分狀況，即氮磷平衡、氮多磷少、氮少磷多、缺鉀，以及改變這10種狀況的特定的施肥比例規(guī)律，從而發(fā)明了能標準化生產(chǎn)的10劑型肥料，稱之為“調(diào)控肥”。它可整合世界上千種復合肥和單質(zhì)氮磷鉀化肥為10種型號的工業(yè)化肥，真正實現(xiàn)世界范圍復合肥生產(chǎn)標準化和數(shù)字化，建立工業(yè)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，實現(xiàn)單一化肥向復合肥生產(chǎn)和施用的根本轉(zhuǎn)變。所謂“調(diào)”，就是調(diào)整苗期土壤養(yǎng)分供應比例；所謂“控”，就是控制作物苗期土壤養(yǎng)分供應強度。農(nóng)民只要知道自己的土壤屬于哪種狀況，就可 “對號入座”選用適合的肥料。褚清河說，調(diào)控肥的優(yōu)點是化肥的利用率能提高到80%以上，生理利用率較目前提高14.2%。此外，對農(nóng)產(chǎn)品不污染，而且將四項土壤肥力指標和種植作物輸入發(fā)明的“數(shù)字化施肥技術(shù)”計算機系統(tǒng)就能計算出所需劑型復合肥的型號與用量，真正做到了因土因作物對癥施肥。

糧食增產(chǎn)，長遠規(guī)劃

在不斷的科研實踐中，褚清河博士看到，近年來，我國糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)雖然一直在增加，但單位肥料的糧食增產(chǎn)率卻在急劇下降，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的單產(chǎn)水平遠低于示范產(chǎn)量?；诖?，他提出了一系列實現(xiàn)糧食單產(chǎn)持續(xù)增加的近期和長遠策略。主要包括：

首先，合理調(diào)整作物氮磷肥施用比例，提高不同肥力土壤的增產(chǎn)潛力。不同肥力水平的農(nóng)田，其農(nóng)作物單產(chǎn)水平具有很大差異。高肥力土壤的顯著特點是作物苗期供肥強度大，中后期能夠穩(wěn)定且均勻地供應作物所需的各種養(yǎng)分，而中低肥力土壤由于土壤有機質(zhì)含量相對高肥力土壤差距較大，養(yǎng)分的自調(diào)能力較弱，因此高肥力土壤不施肥的單產(chǎn)水平多數(shù)情況下甚至高于施肥的低肥力土壤。但這并不意味著生產(chǎn)中高產(chǎn)田的單產(chǎn)水平就一定很高，高肥力和中低肥力土壤均存在由于某一養(yǎng)分很低而導致單產(chǎn)不高的情況，高肥力特別是中低肥力土壤作物產(chǎn)量的差異并非完全是肥力水平高低的差異造成的，而是養(yǎng)分最小因子限制的結(jié)果，因此并不是中低產(chǎn)田的單產(chǎn)潛力水平一定就很低。因為作物單產(chǎn)水平的高低是由土壤供肥狀況和品種特性共同決定的。如土壤磷素養(yǎng)分供應缺乏或不足時，單施氮肥或氮磷肥配合施用中磷肥的比例較低，作物的單產(chǎn)水平一般很低，但氮磷以合理的比例配合施用可大幅度提高單產(chǎn)水平。

其次，實現(xiàn)單產(chǎn)水平持續(xù)增加要依賴綜合栽培技術(shù)。低種植密度下的作物品種更新和增施肥料雖然也可以提高糧食作物單產(chǎn)水平，但這就造成了有效耕地和肥料的浪費，是在較低單產(chǎn)水平下的持續(xù)增加，只有提高種植密度才能保證作物高產(chǎn)條件下的持續(xù)增加。作物品種的栽培密度既是品種的特性，同時也與施肥量和施肥比例有重要的關(guān)系。以小麥和玉米為例，玉米種植密度6萬株//hm2，是絕大多數(shù)品種的最低種植密度，小麥播種量300kg/hm2也是水地、旱地小麥多數(shù)品種的最低播種量，而一些適宜密植的品種的種植密度和播種量還可提高，如農(nóng)大108玉米品種的種植密度為4.5萬株/hm2，而鄭單958玉米品種可達到9.3萬株/hm2。我國在20世紀80年代，玉米種植密度大約3萬株/hm2左右，甚至更低，現(xiàn)在多數(shù)地區(qū)也只有4.5萬株/hm2，顯然偏低。但是在施肥量較低和氮磷施肥比例不合理的情況下，通常提高種植密度也很難顯著提高作物的單產(chǎn)水平，如磷肥施用比例較低與氮肥多次追施通常造成小麥倒伏，而在施肥量和施肥比例合理的情況下，種植密度過低必然造成肥料浪費，不能充分利用有效耕地面積。

再有，根據(jù)土壤肥力育種。作物新品種及其栽培技術(shù)是糧食生產(chǎn)的基本要素，在土壤肥力和生產(chǎn)要素不變的情況下，農(nóng)作物單產(chǎn)通常表現(xiàn)為受氣象因素影響的增減波動，年度間并不會顯著增加。因為土壤肥力在短時間內(nèi)不可能發(fā)生顯著變化，生產(chǎn)要素中除作物施肥量外，其他生產(chǎn)要素年度間發(fā)生變化的可能性也較小。作物施肥量雖然每年都有不同程度增加，但研究表明，同一作物品種施肥量增量只有大于30kg/hm2才具有增產(chǎn)效果，且大于品種最高產(chǎn)量施肥量不再具有增產(chǎn)效果，因此，作物品種的周期性更新是我國糧食單產(chǎn)呈階段性增加的唯一形式。作物品種周期性更新僅是高產(chǎn)潛力水平的提高，而品種的周期性更新和產(chǎn)量潛力的發(fā)揮與轉(zhuǎn)化，依賴于相應階段施肥量的提高。作物品種產(chǎn)量潛力水平的提高，實際就是品種耐肥性和利用效率的提高，土壤最高產(chǎn)量施肥量是品種耐肥性的一種表現(xiàn)形式，只要品種耐肥性不斷增強，土壤肥力和土壤磷素養(yǎng)分在不斷增加，我國糧食作物單產(chǎn)水平就會隨單位面積施肥量的增加而增加。

歷經(jīng)三十多年的風風雨雨，褚清河博士在施肥技術(shù)科研道路上不畏挑戰(zhàn)，書寫了一曲曲豐收之歌。他的數(shù)字化施肥相關(guān)研究成果已在山西75個縣（市、區(qū)）推廣應用，累計推廣面積達283萬公頃，其中糧食作物增產(chǎn)幅度達23%～48%，同時在山東、江蘇等省示范應用，取得顯著增產(chǎn)效果。在豐碩的科研成果面前，褚清河依然是淡定如初，并且在以后的道路上，他會一如既往，在自己鐘愛的事業(yè)上開拓進取，向著更遠大的目標進發(fā)。