慎思篤行農業創新 不畏挑戰科研報國

劉巖松 舒鵬 王碩

從目前來看，世界化肥施用理論技術創新能力的嚴重滯后已經開始影響糧食安全。眾所周知，土壤中的養分供應比例是決定糧食增產的重要因素，而我國多數土壤磷素養分供應不足，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創新和作物品種潛力的充分發揮，是最終導致每公斤化肥增產糧食嚴重下滑的重要原因。“調整氮磷施用比例”成為了我國土壤肥料專家的共識。就職于山西省農科院農業資源與經濟研究所的褚清河研究員面對著如此緊迫的大形勢，提出了調整氮磷（鉀）比例是遏制下滑趨勢與提高我國糧食單產的有效措施。用最佳比例指導施肥，化肥創新將會重振雄風，我國的糧食產量將會大大提高，農產品品質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境污染的局面也將被扭轉。在數十年的科研歷程中，褚清河博士慎思篤行，不畏挑戰，始終把國家的發展，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成功的“數字化施肥技術”真正做到了因土因作物對癥施肥，使得土地生產潛力得到充分挖掘和發揮。

大膽質疑，醉心科研

1957年，褚清河出生于婁煩縣一個貧困的普通農民家庭，自小勤學好問，善于思考。1973年，他高中畢業后回村務農。在務農的這幾年里，他學會了耕、種、鋤、犁等各種農活，同時也看到農民盡管付出了辛勞和汗水，可是讓糧食增產增收卻不是一件容易的事情。這讓他陷入深思，怎樣幫助農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大土壤農化系，在這里，他開始了對自己夢想的追逐。

褚清河在山西農大求學期間，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。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分的功能，植物對土壤養分離子的吸收存在相助作用，即增施某一養分有助于植物對另一養分的吸收。因此，在土壤相對最小養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分因子不可能不具有增產作用。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，褚清河大學畢業被分配到山西省農科院農業資源與經濟研究所工作，在工作期間，他利用業余時間繼續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，褚清河設計了單施磷肥處理和施磷肥基礎上不同氮用量共計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。他從試驗發現，谷子植株氮含量以苗期最高，苗期以后谷子植株體內氮含量呈逐漸遞減規律，苗期植株體內氮含量高者，以后各時期也高，而苗期植株氮含量高者產量必然也高。由此得出，谷子的產量水平是由谷子苗期的氮素吸收水平決定的結論，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律。為了驗證這一規律，他又在水稻、小麥上分別作了大量的試驗。據此，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分對比關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，相反還會降低產量水平。由此及彼，他發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“數字化施肥技術”。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，氮磷在作物耐肥性允許的任何土壤養分含量水平下均需施用，而鉀只有在缺乏即最低量營養物質時才需與氮磷配合施用，否則就會降低作物的產量水平，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系的“密碼”，得出了史無前例的結論：即不同作物品種存在一個氮磷單施和配施的營養遺傳特性及由營養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分對比關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調作物品種施肥比例和施肥量。由此得出結論，決定作物產量的，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遺傳特性。這一結論，較為系統地闡述了作物品種選育與數字化種植的理論方法和技術，成為農業科學研究上的一次重大突破，被國內專家喻之為攻克了土壤施肥研究領域的“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量主要由土壤養分供應比例、供應量和供應時間三項要素來決定的觀點；發現了土壤種植作物常見的10種土壤養分狀況，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律，從而發明了能標準化生產的10劑型肥料，稱之為“調控肥”。它可整合世界上千種復合肥和單質氮磷鉀化肥為10種型號的工業化肥，真正實現世界范圍復合肥生產標準化和數字化，建立工業化農業生產體系，實現單一化肥向復合肥生產和施用的根本轉變。所謂“調”，就是調整苗期土壤養分供應比例；所謂“控”，就是控制作物苗期土壤養分供應強度。農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，調控肥的優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，對農產品不污染，而且將四項土壤肥力指標和種植作物輸入發明的“數字化施肥技術”計算機系統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，長遠規劃

在不斷的科研實踐中，褚清河博士看到，近年來，我國糧食單產和總產雖然一直在增加，但單位肥料的糧食增產率卻在急劇下降，農業生產中的單產水平遠低于示范產量。基于此，他提出了一系列實現糧食單產持續增加的近期和長遠策略。主要包括：

首先，合理調整作物氮磷肥施用比例，提高不同肥力土壤的增產潛力。不同肥力水平的農田，其農作物單產水平具有很大差異。高肥力土壤的顯著特點是作物苗期供肥強度大，中后期能夠穩定且均勻地供應作物所需的各種養分，而中低肥力土壤由于土壤有機質含量相對高肥力土壤差距較大，養分的自調能力較弱，因此高肥力土壤不施肥的單產水平多數情況下甚至高于施肥的低肥力土壤。但這并不意味著生產中高產田的單產水平就一定很高，高肥力和中低肥力土壤均存在由于某一養分很低而導致單產不高的情況，高肥力特別是中低肥力土壤作物產量的差異并非完全是肥力水平高低的差異造成的，而是養分最小因子限制的結果，因此并不是中低產田的單產潛力水平一定就很低。因為作物單產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水平。

其次，實現單產水平持續增加要依賴綜合栽培技術。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水平，但這就造成了有效耕地和肥料的浪費，是在較低單產水平下的持續增加，只有提高種植密度才能保證作物高產條件下的持續增加。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系。以小麥和玉米為例，玉米種植密度6萬株//hm2，是絕大多數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，現在多數地區也只有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，根據土壤肥力育種。作物新品種及其栽培技術是糧食生產的基本要素，在土壤肥力和生產要素不變的情況下，農作物單產通常表現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不可能發生顯著變化，生產要素中除作物施肥量外，其他生產要素年度間發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才具有增產效果，且大于品種最高產量施肥量不再具有增產效果，因此，作物品種的周期性更新是我國糧食單產呈階段性增加的唯一形式。作物品種周期性更新僅是高產潛力水平的提高，而品種的周期性更新和產量潛力的發揮與轉化，依賴于相應階段施肥量的提高。作物品種產量潛力水平的提高，實際就是品種耐肥性和利用效率的提高，土壤最高產量施肥量是品種耐肥性的一種表現形式，只要品種耐肥性不斷增強，土壤肥力和土壤磷素養分在不斷增加，我國糧食作物單產水平就會隨單位面積施肥量的增加而增加。

歷經三十多年的風風雨雨，褚清河博士在施肥技術科研道路上不畏挑戰，書寫了一曲曲豐收之歌。他的數字化施肥相關研究成果已在山西75個縣（市、區）推廣應用，累計推廣面積達283萬公頃，其中糧食作物增產幅度達23%～48%，同時在山東、江蘇等省示范應用，取得顯著增產效果。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，在自己鐘愛的事業上開拓進取，向著更遠大的目標進發。