现代农业的单位面积产量和传统农业相比有了巨大的增加。我国小麦和水稻的单位面积产量从公元前221年到1911年的2132年中，小麦单产年平均增长速度为0.03％。水稻在公元前206年到1911年的2117年中单产年平均增长率为0.13％。在这一时期内，土壤养分基本靠再循环维持，即完全没有化肥施入。相比之下，在现代农业条件下，从1952年到1994年的42年中，小麦年平均增长速度为3.7％，增长速度增加了100倍以上，水稻年平均增长率为2.1％，增长了15倍。这种巨大的增长也反映在世界农业中，如世界小麦单产1948～1952年平均为1.05t/ha，1992～1994年平均为2.51t／ha，46年中增加1.4倍，水稻增加1.3倍，玉米增加1.5倍。这种单位面积产量的巨大增长，不论是在中国还是在世界上，都是现代农业科学进步的结果，是各种生产条件综合进步的结果，这些因素包括：①作物高产品种的选育成功；②更有效地控制病虫害和杂草；③耕作措施的改进；①灌溉措施及技术的发展；⑤化学肥料的施用等。 现代农业将日益成为以科学进步为基础的工业体系。比如，由于遗传工程的应用，将有产量更高、更抗病虫害、抗水分养分逆境等一系列新品种出现，也将有更安全更有效的控制杂草、病虫的化学的或生物药剂出现，以及其它一些以科技进步为基础的农业措施。这些新措施将进一步提高作物产量。但是，这些措施中施肥是增加产量的物质基础，没有肥料养分的供应，其他措施的作用将大大下降。我们从中国和世界范围内肥料消费量和作物产量及单位面积产量的关系就可以清楚地看到这种关系。大量结果表明，一个国家或地区化肥消费量和作物总产及单位面积产量有着极显著相关。 在我国农业实践中，我国化肥的消费量和我国粮食产量的变化有很好的相关趋势。这种关系可从我国1985～1995年10年间化肥消费量和粮食产量间的相关曲线中看到。 国外有人（引自Munson，1985）对发展中国家1953～1973年20年间化肥消费量和粮食产量进行了研究，发现它们之间有显著相关性，其回归方程为： G＝320十73.2(F)1/2 式中G —— 粮食产量（′106t）； F —— 肥料（N＋P2O5十K2O）消费量（′106t）。 FAO在41个国家的研究也表明，一个国家的单位面积化肥施用数量（kg／ha）和该国单位面积上作物的产值有很好的相关趋势（FAO，1981）。另外，FAO在62个主要谷物生产国的统计也表明，单位面积施肥量（kg／ha）和单位面积谷物产量（kg／ha）均有显著相关（FAO,1981）。这些大范围内的统计都表明，化肥在农业生产上的巨大作用。 1.2 我国化肥的增产效果 肥料的增产效果主要决定于土壤、作物和肥料本身。一般说，土壤养分水平是决定肥效大小的基本因素，作物类型甚至品种不同也会对肥料的反应有所不同。最明显的例子是豆科作物对氮素的需要和增产效果都明显减小。这是由于豆科作物本身可从生物固氮中取得了一部分氮素，从而减少了对肥料氮的需要和氮肥增产效应。另外的例子是不同作物对磷肥的反应明显不同，在同一土壤上，有的作物可有明显增产，但另一种作物则增产较小或完全无反应。根据大量结果，不同作物对磷肥的敏感性有如下次序：豆科绿肥和十字花科绿肥作物>一般豆科作物和十字花科作物>非豆科旱地作物>早稻>晚稻。这一现象启示我们通过生物工程技术培育耐低磷作物的巨大潜力。另外，同一肥料品种在不同条件下的增产作用也可能不同。影响肥效的因素有肥料种类、类型、用量、施用方法等。 必须强调一点，化肥的增产效果是受一系列因素影响的。也正是由于这个原固，我们必须注意化肥的肥效也可能随着时间的延续而有所改变。这首先是由于土壤养分水平是随时间而变化的。从养分平衡的观点看，土壤氮素水平通常变化比较慢，即使在土壤氮素平衡有盈余时也是如此，因此土壤由缺乏氮素到不缺氮素的例子很少。而土壤磷素水平（有效水平）的变化却比较快，特别是有效磷的增减。几年里如果绝对不施任何磷肥，可以由不缺磷转化到缺磷，也就是说从磷肥无效变化到磷肥有效。而钾水平则介于氮磷之间。另外土壤养分水平变化的速率还要看养分平衡盈亏的程度，如果盈亏的数量巨大，则土壤养分水平的变化也相应较大。因此土壤养分水平都是或快或慢地变化的，它必将影响化肥的增产效果。我国土壤中钾的例子很好他说明了这一点。在50年代以前，我国土壤缺钾面积是很小的，当时的大田试验证明了这一点（转引自农业科学院土壤肥料研究所，1995）。但是，由于我国农田土壤长期处于钾素亏缺状态，土壤钾素不断消耗，这一方面使我国农田缺钾面积扩大，致使原来并不缺钾的北方地区缺钾报道越来越多（谢建昌等，1995）。另一方面，钾肥肥效有了明显增加（表6，Xie，1985）。从50年代到70年代，钾肥的平均肥效由4.7增加到9.5（kg／kgK2O）。 我国磷肥肥效也在变化。它的基本规律是：凡是施用磷肥有较长历史的地区，磷素在土壤中都会有不同程度的积累。这是由于土壤磷肥当季利用率低决定的。所以这些地区可能出现磷肥肥效的不同程度下降。比如，从全国的资料看，我国水稻磷肥的增产效果即出现下降现象，在60年代每kgP2O5可增产稻谷8～12kg，而到80年代已降到4.7kg（林葆，1989）。 有不少地区反映，氮肥肥效没有过去高了，肥料试验的结果也证实了这一点。但是，应该指出，氮肥增产效果的变化原因可能比磷钾肥复杂一些。比如，施肥时磷钾等养分配合不平衡就会影响氮肥肥效。由于我国土壤钾素亏缺面积不断扩大，有的地区缺钾已经成为进一步增产的限制因素，如果不配施钾肥就会影响氮肥的增产效果。在缺钾的情况下，增加氮肥用量，增产效果很小，但是在施钾肥基础上施氮肥，则增产效果提高了8倍。 氮肥肥效下降的另一个原因可能是随着我国氮肥消费量大幅度增长，氮肥用量有过量的趋向，特别在农业发达地区（张绍林，1988）。根据作者的试验，太湖地区稻麦的实际施氮量大大超过适宜用量，这不但使氮肥大大浪费并造成环境问题，而且产量也常低于用量适宜时的产量，这种情况必然造成氮肥增产效果的降低。当然氮肥肥效下降的原因可能是多方面的，以上仅举出两种可能的原因（平衡施肥和适宜用量）。 1.3 联合国粮农组织（FAO）及其他国家的试验结果 联合国粮农组织从1961年开始在亚洲、非洲和拉丁美洲进行了大规模肥料（NPK）试验计划（FP），试验主要是在农田中进行的。到1988年共进行了225000个试验和示范，其中在非洲进行108764个，在亚洲进行79163个，在拉美进行19566个（FAO，1989），不过在总结时只选择了102656个试验，占45％。供试作物包括小麦、水稻、玉米、谷子、高粱、豆类作物、油料作物（如花生、大豆等），以及纤维作物（如棉花）等，这一大规模试验的主要结果如下（FAO，1989）： 1.3.1 施肥的增产效果 从表9可以算出主要谷类作物施用化肥总的平均增产量（PI）。表中小麦、水稻、玉米三种主要粮食作物的60089个试验中，加权平均的总PI值为10.3kg／kg。这和我国的结果（表3）PI为11．1极为接近。世界各地也得到了类似数字。在施用化肥（N＋P2O5十K2O）条件下，化肥的平均增产效果为每kg化肥增产10kg粮食。表10列出的各国作者进行的大量研究结果也大体在10kg左右（转引自FAO，1981）。显然不同地区是会不同的。国外一项研究表明（Ahmed，1979）：他们所得到的氮肥的增产效果就比通常认为的要高。他们对在孟加拉、埃及、印度、菲律宾、加拿大和美国进行的8500个水稻试验和6100个小麦试验结果的统计表明，每kg氮肥（N）平均增产稻谷（籽实）在14～20kg之间。增产小麦籽实在17～21kg之间。试验中氮肥的用量在50～100kgN／ha，因此作者建议把氮肥对稻麦的增产量定在每kgN增产15kg籽实上。 关于每kg养分能增产的产品量，受一系列因素的影响，如作物种类、管理条件，以及整个农业生态条件都有影响。一个对不同地点数据进行研究的结果认为，每kg养分（N＋P2O5十K2O）可增产的经济产品量在7～30kg范围内。所以也有的作者采用8.5这一数值，但不如 “10”这一数值用得普遍。这一数值所以重要，原因之一是可以对一个国家或地区估计化肥在粮食生产中的贡献。比如，有人估计，整个发展中国家在粮食总产量中化肥施用的贡献为31％。在增产的粮食中，化肥的贡献为57％（Hignett，1985），其中拉美地区较高，为65％，印度的结果则高达75％（FAO，1981）。 从60年初到90年代初的30年间，我国粮食增产中有60％来自化肥的增产，这和国外的估计甚为接近。在不同情况下，化肥在农业生产中的贡献率不同，这是不难理解的，甚至在同一国家不同土壤区域也会有所不同。比如，原苏联的结果表明，在不同土壤上化肥在作物生产中的贡献是不同的，如在生草灰化土上55％的产量依靠化肥投入，在灰色森林土上为28％，在黑土上只有20％。这些结果表明，化肥在作物生产中的作用还与土壤肥力水平有关。在肥沃土壤上的作用较小，而愈是贫瘠的土壤上，化肥的贡献愈大。一般认为，化肥的贡献大体是：在粮食总产中化肥的贡献在30％～40％，而在增产的粮食中，化肥的贡献在50％～60％。这一估计一般而言大体是符合实际的。 1.3.2 氦磷钾养分的各自增产效果 在试验条件下，氮的肥效为NPK处理的产量一PK处理的产量，磷为NPK一NK，钾为 ① NPK一NP。而在示范条件下则是N=N-0，P=NP-N，K=NPK-NP。这些处理间产量之差除以肥料（纯养分）用量即为PI。 对各类作物，油料作物（主要是花生，少数试验为大豆）氮的肥效总是高于磷、钾，而磷也略大于钾的增产效果。棉花稍有不同，钾的肥效大于氮、磷。 1.3.3 影响肥效的因素 1.3.3.1 土壤养分水平 我国、FAO和前苏联所得到的磷肥肥效一般都高于英国等发达国家，原因之一是土壤养分水平的不同。如有报道说，美国磷肥试验中大部分没有增产效果（Engelstad，1966）。又如在斯里兰卡进行的537个水稻试验表明，在土壤有机质含量低于2％时，氮肥都取得了显著的增产效果。在含有效磷低的铁铝土（Ferralsol）和强风化粘盘土（Nitosols）上，磷肥有明显增产效果。但对钾来说，情况比较复杂，如在铁铝土上，含交换性钾低的土壤，钾肥效果显著，但在变性土（Vertisols）上（25个试验）在交换性钾高达260mg／kg的情况下，仍获得钾肥的增产效果。但这一结果未在泰国进行的水稻试验（405个试验）上证实，泰国试验证明，氮、磷和钾都是在土壤养分水平较低时获得，我国的大量试验结果也都证明。磷钾肥效大体上和土壤有效磷（Olsen一p）和交换性钾呈负相关（如姚炳贵等，1989），即在有效磷钾水平较低的土壤上通常可得到较高的增产效果。应该强调增产效果的大小和土壤有效养分的高低之间的关系是一个统计学上的关系。即在土壤有效养分水平较低时，得到高的肥效的机率较大，反之亦然。但也不排除在少数情况有效养分高时，也有可能获得增产效果。反之，在某些有效养分低的情况下，却得不到显著增产效果。原因是复杂的，因为影响作物生长的因素不仅是养分水平。但就大量结果而言，肥效的大小与土壤养分水平有显著的负相关。 FAO进行的肥效试验表明，化肥的综合肥效（即同时施N＋P2O5十K2O肥料与不施肥的对照相比），并不与对照区产量（也可看作是综合的土壤肥力水平）呈负相关，并不是对照产量愈低得到的增产效果愈大。表17列出了在两个国家得到的结果。这一趋向也为在菲律宾进行的大量试验所证实。为什么会造成这一现象？FAO的解释是不同对照区产量（完全不施肥）还受到除去养分不足这一因素之外的其他因素影响。这一方面说明，在不存在其他限制因素时，土壤原始肥力的高低仍然会决定肥料综合效果的大小。另一方面也说明，在进行N＋P2O5十K2O为一处理与另一完全不施肥的对照处理相比较时，在解释时要慎重。 1.3.4.2 雨量、灌溉条件 土壤水分状况和作物养分吸取有正的交互影响，这是大家都知道的。在FAO进行的大量试验中，对不少国家（主要是非洲国家，一般雨量都比较少）进行了年平均降雨量和肥效间关系的统计。认为年平均降雨量由300mm以下增加到500mm以上时，氮的肥效（PI）由2～4kg／kgN增加到4～5kg／kgN，P2O5的肥效（PI）由2kg／kg P2O5 增加到8～13kg／kg P2O5。 灌溉可以大大增加肥料的肥效，这是很多结果证明的。FAO的在摩洛哥的小麦试验（911个试验）表明，灌溉和不灌溉相比，肥料效果（PI）增加了46％。在水稻上，灌溉和不灌溉相比，肥料的效果（PI）在1165个试验中平均提高21％。 1.3.4.3 耕作措施 在510个试验中，改善耕作措施和农民习惯措施相比可使农民的纯收入增加46%。改善耕作措施并合理增加肥料用量时可比农民习惯措施增产15%～40%。 1.3.4.4 养分间的交互作用 养分间的交互作用对增产效果的影响常被忽略。所谓交互作用对养分来说是指某一养分的增产效果可因另一个或两个养分元素的存在而改变。这种改变可以是正的，比如氮、磷肥分别的增产效果总和小于氮磷同时施用时的增产效果。此时称氮磷两种养分有正的交互作用。这种情况是很常见的。这种正的交互作用符合李比希的最低因子律。当然，交互作用也可以是负的，即两种养分同时施用时，其增产效果反而比它们分别施用时的总和为低。这种情况常发生在石灰与磷肥共同施用、石灰与钼肥共同施用、钼肥和磷肥共同施用时。在有负的交互作用时，常常是由于它们同时存在时产生了某种不利的作用。在没有交互作用时，称为零交互作用。 1.3.4.5 施肥量对产量的影响 作物的产量和肥料的增产效果受施肥量的巨大影响。而且，随着施肥量的递增，每单位养分的增产量（即PI）是不同的。当施肥量超过某一限度时，其PI即呈递减趋势。比如，在单施某一养分时，施肥量和产量间的回归曲线，大体上是一个抛物线。这类曲线通常称为产量—肥料效应方程。这类方程文献上现在已经提出的有十余种。常用的两个是： ① y=b0+b1x+b2x2 ① y=b0+b1x0.5+b2x 式中 y — 产量（kg/ha）； x — 肥料用量（kg/ha）； b0,b1,b2 — 常数。 这些方程的主要用途是用于确定最大产量时或最经济的施肥量。 在施用二个以上养分时，施用量和产量的关系比较复杂，通常可以在上述方程基础上进行扩展，如方程②可以扩展为： y=b0+b1+x10.5+b2x20.5+b3x10.5x20.5+b4x1+b5x2 2 施肥对农产品的质量效应 随着人类生活水平的提高，对作物品质的要求也就愈来愈高。这就是农产品品质日益受到重视的基本原因。 施肥是提高农产品品质的重要途径之一。我国和世界各国都曾经进行过大量的工作。由于篇幅所限，本书将不对各个试验结果进行叙述，而只对一些比较成熟的结论进行介绍，以便能给读者一个清晰的概念。所谓农产品的品质，大体包括三个方面的含义：一是产品对人畜的营养价值品质；二是产品商业价值的品质，如外观、口感、香味以及耐贮存性等；三是对于那些需要进一步加工或者作为工业原料的产品应有的符合加工需要的某些品质。 一个作物产品的品质首先决定于作物本身（内在的）的遗传本性，其次，这些品质也会受到外界环境因素的影响。遗传本性决定了某种作物或品种的产品特有的基本品质。而外在环境可以影响或通过不同途径调节某种品质遗传潜力的实现程度。外在环境主要包括养分供给、土壤性质、气候环境和管理措施等。作物养分的均衡供应对改善作物品质有极为重要的作用。比如，通常如能把作物的养分供应调节到最佳水平，则可大大改善其品质。反之，如果某种养分供应显著过量，则会降低作物品质。这或者是由于过量引发的，也可能是由于各养分之间供应的不均衡引起的。 2.1 氮肥对作物品质的影响氮肥对作物品质的影响主要是可以提高作物特别是谷类作物籽粒的蛋白质含量（蔡大同等，1994）。因为，作物从土壤中吸收的硝态氮（NO3-N）进入植物体后被还原为NH4+，并与根系从土壤中吸收的NH4+一起与磷化物结合形成100种以上的氨基酸。其中大约有20种氨基酸连接成多肽链。这个链中各种氨基酸的位置次序以及各种氨基酸的比例受控于核酸的遗传信息。这种多肽链通过多种途径形成蛋白质。在正常生长的植物所吸收的氮中，大约有75%形成蛋白质，而另外的25%左右的氮常常由于作物生长速度慢而NO3-的吸收较快时，以非蛋白的氨基酸、无机NO3-以及酰胺形态积累下来。在植物体内形成的蛋白质一部分贮存在种子中，以供以后发芽时用。有一些蛋白质是酶类，它们控制着植物的各种代谢过程。还有一些则组成植物的结构物质和膜。由此可知，氮素供应对植物的生长和代谢都有重大影响，从而对于植物品质有重大影响。增加氮肥供应除了可增加籽实蛋白质外，往往也会减少植物碳水化合物含量和油脂含量。原因可能是在蛋白质形成时，要消耗一部分光合作用的产物——碳水化合物。在氮素过多时，也会影响作物品质。前已述及，当植物体内蛋白质合成被干扰而变慢时，则可导致NO3-在植物中积累。这种NO3-的积累对人类是有害的。虽然NO3-本身对人畜并无太大的危害，但当它还原为NO2-后可与动物血中的血红素形成高铁血红蛋白，降低血液运输氧的能力。所以应该避免NO3-在植物体内积累。造成NO3-积累的条件有：施氮过多，光照不足，干旱，气温过高，植株受到农药或除草剂的危害以及各种养分的供应不均衡等。对于谷类作物，施用氮肥可增加籽实的蛋白质含量。蛋白质含量增加有多方面的益处：作为人类和动物的食物，增加了主要的营养物质-蛋白质。另外，高蛋白质含量的小麦做成的面包，其膨松性和外观都有明显的改善。但是氮素过多，会降低作物品质，如使大麦发芽质量下降。对于油料作物、糖用作物以及淀粉作物，如果氮素用量超过适宜数量，常常会降低产品中油脂、糖及淀粉的含量。但按单位面积的产量仍会有所增加。比如有的试验表明，油菜籽中含油量随施氮肥量增加而下降，但因总产增加，单位面积上的产油量仍会增加。不过，对于这类作物的氮肥施用仍应十分谨慎。水果和蔬菜的外在质量通常包括外观、形状、颜色和有无瑕疵等。内在质量则有营养成分、口感等。氮肥对所有这些品质都有影响。对于落叶果树，施氮通常可以增加果实大小，但对柑橘类果树则相反。如果过量施氮，则影响色泽，延迟成熟并使成熟期参差不齐。在内在质量方面，合理施氮，可以增加果实中的可溶性物。氮太多使柑橘中酸含量增加。过量施氮也会使果实的耐贮性和维生素C含量下降。这里应该强调一点，上述氮素对品质的影响对不同果树和品种可能会有很大的不同。对于蔬菜作物，施氮可增加产量同时也能提高质量。如使叶子绿色加深，改善叶菜类的外观等。如果供氮不足，蔬菜色泽变淡，植株变小且成熟不一致。过量施氮会导致蔬菜中硝态氮（NO3-）含量增加。施氮对蔬菜成分和口味的影响很不一致。缺氮的蔬菜增施氮肥时，常能改善其组成和口味，但氮素充分供应时再施氮就影响很小。一般说，施氮对叶菜类的氮含量影响较大，对西瓜、番茄以及鳞茎蔬菜影响很小。 2.2 磷肥对作物品质的影响我们知道磷对植物的主要组分的形成有重要作用。如磷酸脂、植酸钙镁、磷脂、磷蛋白、核蛋白等。这些化合物对作物的生长发育和品质都有重要作用。增加磷的供给可增加作物的粗蛋白含量，特别是增加必需氨基酸的含量。对缺磷作物施磷可以使作物的淀粉和糖含量增加到正常水平，并可增加多种维生素含量。但是，磷对作物品质的影响变化较大或者常常不太明显。比如，磷素对促进成熟的影响，如对莴苣施磷，成熟期可比缺磷时提前两周。但是，对于生长在正常供磷条件下的作物，进一步施磷则对成熟期提前的作用就很小了。又如，有报道说施磷可以提高缺磷甜菜的含糖量。但在中等肥力土壤上这种作用就消失了。不过施磷对牧草的营养价值是有重要作用的。在饲料作物中，如果含磷量不足，就会大大影响牲畜的健康引起严重疾病，还会导致牲畜生育力的大大下降，所以，饲料作物充分施磷非常重要。一般说，过量施磷不会对作物品质产生重大影响。 2.3 钾肥对作物品质的影响钾可以活化植物体内的一系列酶系统和改善碳水化合物代谢，并能提高作物的抗逆能力。充分供应钾通常对作物品质有以下影响： ① 钾可增加碳水化合物含量。如增加糖、淀粉和纤维含量。所以钾对改善甘蔗、马铃薯和黄麻等作物的品质有良好作用。 ② 钾可增加某些维生素含量，所以对改善水果、蔬菜作物的品质有利。 ③ 改善马铃薯的钾素供应可以防止马铃薯黑斑的形成。 ④ 对于谷类作物，充分钾素供应可以延长籽实灌浆期，使籽粒饱满。另外，钾素可减轻禾谷类作物的倒伏。 ⑤ 在钾素供应充分时，有利于作物抗寒、抗旱和抗病虫。粮食作物和饲料作物中钾的含量对人畜营养意义不大。因为因食物导致人畜缺钾的情况很少。同时，作物中含钾高时对人畜无害。但是，土壤中钾素水平过高，将影响作物对钙和镁的吸收。如果在反刍动物食物中钾镁比例过高，将会导致牲畜的一种缺镁病症。 2.4 中量和微量元素肥料对作物品质的影响在中量和微量元素中有一些可对作物品质有重要影响。如缺钙，使苹果患苦豆斑病（Bitter pit），使花生空壳率增加。硫是一些必需氨基酸的组成成分，故缺硫会降低蛋白质含量。芥菜和洋葱缺硫则影响口味。缺铜时不利于谷类作物籽实的灌浆和形成，导致小粒瘪粒增加。缺钼可影响花椰菜花序的形成和外观。氯过量（在盐土上或因施肥带入土中）会降低马铃薯淀粉含量及烟草的可燃性。最后还要强调一点，适量而均衡地施用多种作物必需养分是提高作物品质的重要途径。

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