摘要
由于长期、单纯、过量施用化肥造成土壤退化，农产品质量下降，还造成了严重的面源污染。国家科技部于2016年下达了重大专项的科技攻关，规划到2020年化肥和农药减施20%增产3%。为了实现这个规划目标，总结以往传统减施的局限性和笔者多年探索减施的理论和实践。在新形势下，建议应推广应用的已获成效的五种减施模式。
关键词
减施模式、以糖减氮、化肥有机化、水解、调控基因、小分子、水溶肥、有机能量
前言
长期以来，国家为了保证粮食安全，采用增加化肥施用量来换取粮食增产，取得了'十二连增'的好成绩，但代价是很沉重的，造成了严重的土壤退化，农产品质量下降，严重的面源污染，对人民群众健康也造成了隐患。过去对长期、单纯、过量施用化肥虽然取得连续增产的好成绩，但对中央2014年一号文件严肃指出的：'在注重粮食数量安全的同时，更加注重品质和质量安全。'的政策转变看，用过量增施化肥换取粮食增产的时代已经结束。减施增效，提高品质，遏制土壤退化时代到来。但传统的减施措施达不到国家规划的减施目标。用创新思维和方法进行减施是完全必要的，而且是可行的。
我国化肥单位面积平均施用量达到434公斤/公顷，是国际公认的化肥施用安全上限225公斤/公顷的1.93倍，使土壤退化速度加快。面对这样的严峻形势，2016年国家科技部颁布了减施化肥和化学农药的重大专项进行重点攻关。规划要求到2020年，化肥和化学农药施用量减少20%，同时增产不低于3%。实践已经证明，推广传统的减施措施：如测土施肥，增施发酵堆肥，达不到上述规划的目标要求。近年来推广的水肥一体化模式可行，可以达到或超过减施目标，但存在明显的缺欠和局限性，需要配合速效有机水溶肥和基因调控水溶肥就能克服局限性，达到减施增产增效，同时解决土壤退化，也就全面了。
笔者经过二十多年的试验研究：采用的'以糖减氮模式'、'无机肥的有机化模式'、'水解有机肥同化肥的复混模式'、'配合水肥一体化将化肥水溶肥和水溶性速效有机碳加调控基因肥料模式'、'生物有机能量肥模式'，都能使化肥减施30%及以上，增产10%及以上的效果。
一、化肥施用严重过量所面临的诸多现实问题
1.1我国化肥的过量施用是发达国家的二倍，是世界平均施化肥的3倍-4倍，是国际公认安全上限的1.93倍。它的正面效果是获得了十二年连续增产，使国家的粮食数量安全得到了保证，但代价是沉重的。国家生产化肥是赔钱的，除零税率外，用水、用电、用燃料都是低价的，银行贷款也是低利率的，连运输费都是低价的。尽管这样，还存在着规模性亏损的不断扩大。
1.2负面效应主要存在经数千年祖先遗留下来的宝贵资源农业耕作土壤遭到了严重退化，土壤有机质大幅度下降。东北黑土地土壤有机质由5%降到2%或不足2%，南方土壤由2%降到1%或不足1%。由于土壤退化，有机质含量大幅度下降，保水保肥能力也随之下降，化肥的增产幅度越来越小，投入产出比也随之越来越小。用过量化肥换粮食，国家亏大了。实际粮食生产成本相当高，远高于发达国家和发展中国家的粮食生产成本。
1.3由于长期单纯、过量施用化肥，造成土壤退化所引起的化肥利用率低，大量流失所造成的面源污染，污染了宝贵资源地下水和地面水，使之富营养化，降低了水资源的利用价值，使渔业受到了重大损失，污染了水源，为人类健康也造成了隐患，这个损失是重大的。
二、传统减施措施的局限性分析
2.2对'测土施肥'减施的局限性分析
测土施肥就是对土壤中的能够为农作物提供速效养分大量元素N、P2O5、K2O和中微量元素，Ca、Mg、S、Si、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B进行化验分析。得出土壤能够为农作物提供多少营养量，再评估农作物目标产量所需要多少营养量。两者之差就是施用化肥的量再乘上利用率，加上多施的量。用这种方法指导农民施肥在宏观上、理论上都是对的。对指导农民合理施用，减少过量施肥，也起到一定的指导作用。但取得的效果，不很普遍。
经统计，在保证产量不下降的前提下，减少化肥施用量不明显。原因是化肥的肥效和农产品的产量因素是复杂的，是由多方面的因素决定的。自然条件每年都有差异，如降水量、有效积温、光照，随之产生了土壤性质的变化。测土施肥得出的合理施用量元素无法准确预见。
由于自然因素的变化而引起土壤性质的变化，化肥增产效果也就随之变化。所以测土施肥理论是成立的，具有普遍意义。但不是一成不变的，随着自然条件变化，施肥量也要随之变化。再加上有人为因素，数据准不准，对农民是否交代清楚了，还有个施肥方法的问题，也同施用量有关。
多年推行的实践证明：测土施肥对减少化肥用量起到一定的指导作用，各地不平衡，大体平均减施在10%以内。远小于国家规划的减施目标。还由于缺乏优质有机肥的施用，使土壤C、N失衡，化肥利用率降低这个影响因素往往没加以考虑，往往单纯靠测土中的无机营养，忽略了有机营养对化肥用量的影响，使测土施肥失去了准确性。综上分析，测土施肥还是存在着一定局限性。
2.2传统发酵堆肥对减施的局限性分析
2.2.1传统发酵堆肥同传统农家肥的相同和不同点
（1）传统农家肥是在室外，长期堆积发酵，靠自然条件，定期人工翻堆，长时间3个月或更长时间达到腐熟，不能再产生发酵热了为终点，施用量很大，达到每亩地施用量为2吨-3吨或更多。
（2）传统发酵堆肥在室内通过机械翻堆或机械移动物料，已达到供氧，同时温度、水份也可以控制。发酵条件好了，发酵时间明显缩短到20天-30天达到腐熟，生产效率提高了，施用量减少了每亩地1吨或0.5吨。
2.2.2发酵堆肥腐植质理论的确立
传统发酵堆肥我国具有3000多年历史，是中华民族3000多年农业文明的重要组成部分。发酵堆肥技术于十六世纪，我国明朝时期才传到欧洲。传统农业的肥料就是发酵堆肥，现代的发酵堆肥机械化操作了，减少了人工。在厂内，发酵条件可以控制，但同室外自然发酵堆肥原理上相同。当代发酵堆肥是古代发酵堆肥的延续和延伸，但原理没有改变。经十七世纪德国农学家泰伊尔给发酵堆肥贴上一个标签，确立了腐植质理论。二十世纪前苏联的威林斯基和科佐诺娃又强化了夸大了这一理论。
2.2.3十八世纪德国化学家李比西否定了有机堆肥的腐植质理论，建立了矿质营养学说，开创了化肥的新纪元。但发达国家从十八世纪-二十世纪50年代，我国是建国初期到七十年代末期，还是以有机肥为主，化肥为辅，土壤有机质还没有下降。发达国家从60年代开始到80年代后期。我国是从80年代改革开放时期至今。不施有机肥，单施化肥，造成土壤严重退化。发达国家80年代末，确立了有机农业法，限制化肥施用量，大量施用发酵有机肥，出现了增施有机肥的政策性里程碑式转变。
2.2.4我国近十年来也提倡通过增施有机肥来减少化肥用量，提升土壤有机质的政策。但用增施化肥来达到农产品增产，尤其是粮食增产的总政策的刚性力度没有变。增施有机肥政策是附属政策、补充政策、下位政策无法扭转用化肥换粮食的刚性政策。所以推行有机肥的力度远远不够。增施有机肥的面积不大。对优质有机肥立项研究、工程研究和资金投入力度都不够。
2.2.5有机废弃物经长期堆肥发酵大量损失有机营养达50%左右，变成温室气体，剩下的是不能再分解了相对稳定的腐植酸和死亡微生物菌体细胞壁和微生物毒素。施用发酵堆肥，只能改善土壤的物理结构。没有直接营养作用，只能是有限的保水保肥的间接营养作用。施有发酵堆肥满足不了土壤微生物对速效碳，尤其是营养糖态碳的需要。由于微生物缺乏碳源，发育不起来，缺乏土壤生物的多样性，随之缺乏生物酶的多样性和基因的多样性，对减少化肥用量起不到关键作用。施用传统发酵堆肥以减少化肥流失量也就在10%以内。实践已经证明，大部分地区的农民即使增施了发酵有机肥，也不会减少化肥用量，山东就是个例子。所以说靠增施发酵堆肥起不到减少化肥施用量的目标。
2.3水肥一体化减施的意义及局限性分析
2.3.1由于美国长期采用管道化的水肥一体化。使化肥用量减少50%，化肥利用率提高到60%以上。管道化的水肥一体化不符合我国的国情。以色列的滴灌技术水肥一体化要优于美国管道化技术，符合我国的国情。国家决定推行以色列的滴灌水肥一体化技术，大量的化肥水溶肥厂逆运而生。由于通过灌溉施肥使化肥在土层中均匀分布，能大幅度减少化肥用量可达50%，这是减施的很好模式。但应用的是水溶性化肥为主，缺乏水溶性有机肥。即使用水溶性胶体腐植酸肥料，但也解决不了土壤微生物对速效有机营养理想碳源的需求。腐植酸水溶肥解决不了土壤碳氮失衡的问题。土壤缺乏的是小分子速效有机碳，少了一条腿。使本来减施很好的水肥一体化技术因缺乏速效有机水溶肥，遏制不了土壤退化。
2.3.2水溶性化肥通过水肥一体化施用，虽然大幅度降低了化肥用量，但同水溶性腐植酸肥配合解决不了土壤退化问题。所以存在某种缺失和局限性，需要通过施用水溶性小分子速效有机肥加以解决。
三、无机氮、磷、钾转化成有机氮、磷、钾的减施增产模式
3.1无机氮肥转化成有机氮肥模式
3.1.1无机氮易流失的原因
氨态氮肥（尿素、磷酸一铵、磷酸二铵、硫铵、氯氨）到土壤中，很快就被硝酸盐菌、亚硝酸盐菌分泌的硝酸氧化酶，氧化成硝酸态氮和亚硝酸态氮。硝酸盐和亚硝酸盐为负电荷，土壤胶体表面也是负电荷，两者相排斥，所以氮肥在土壤中保存不住，大量流失，造成利用率低。
3.1.2如果把氨态氮不被土壤硝化菌转化成硝态氮和亚硝态氮，仍然保持正电荷，同土壤胶体互相吸引，就能减少流失，提高利用率。
3.1.3可行的方法就是利用纤维素、半纤维素组成单元的六碳糖和五碳糖中所有三个羟基，用氨基置换，形成氨基糖，使碳、氮形成共价键，-C--N+-。由于碳原子的电负性大于氮原子的电负性，电子云向碳原子处集中，N显正电荷。碳呈负电荷。微生物表面是负电荷，不敢接触N的正电荷。氨基糖中的氨基不能被转化成硝酸盐和亚硝酸盐，同土壤胶体的负电荷相互吸引被保留在土壤中，不流失。无机氮肥转化成有机氮肥，即氨基糖结构，将氮肥的利用率由30%提高到70%。通过大面积试验示范有机氮肥同等氮量无机化学氮肥和等有机质的发酵堆肥相对比，增产30%及以上，效果非常明显。
3.1.4将无机磷转化成有机磷，避免土壤固定达到减施，磷肥因被土壤固定，当季利用率才24%，用无机磷取代糖单元第六个碳的羟基，形成6-磷酸糖不能被土壤中的Fe、Al固定形成磷酸铁和磷酸铝。6-磷酸糖可以被作物根系直接吸收和被土壤微生物直接利用而达到比无机化学磷肥明显减施。当季利用率从24%增加到60%，利用率提高了36%，减少了磷肥养分施用量的三分之二，增产15%及以上。
3.1.5将无机钾肥有机化避免固定和流失达到减施
无机钾肥到土壤中一是流失，二是被土壤SiO2固定形成硅酸钾，当季利用率也就是百分之二十几。无机钾离子容易置换单元糖中第六个碳联接羧基中的活泼氢离子，转换成糖酸钾，避免流失，避免固定。可由根系直接吸收和微生物直接利用，提高利用率达到减施。使K的利用率由20%提高到70%-80%。大幅度减少钾肥纯养分用量达三分之二，增产10%及以上。
3.1.6无机化肥有机化是一种明智的战略性选择。可以利用有机废弃物秸秆水解后同无机氮、磷、钾反应生成有机氮、磷、钾肥，既减少化肥用量，又改良了土壤，提高了农产品品质。可以将化肥厂转型升级变成有机化肥厂。
四、以糖减氮的减施增产模式
4.1由于长期、单纯、过量的施用化肥，抑制了土壤微生物的发育，使土壤氮、磷过剩而大量缺乏土壤微生物可利用的碳源，使碳、氮失衡。造成了土壤生物多样性的大大减少，随之使土壤生物酶的多样性也大大减少，土壤生物遗传基因的多样性也大大减少，导致土壤退化，土壤的理化性状，生物学特征都造成了恶化，主要原因就是土壤中微生物可利用碳，也就是糖类严重不足。
4.2如果往土壤中施加微生物可利用的糖类，使土壤微生物满足所需要的碳源，使土壤微生物就能迅速增殖。土壤微生物所需要的N、P由化肥供应，就形成了土壤中大量的菌体蛋白，将化肥氮磷转化成微生物氮磷，在土壤中形成氮磷库和碳库。使氮肥要流失那部分无机氮被土壤要固定的磷、钾都被微生物固定，形成菌体蛋白氮和有机磷、钾，再由其它微生物分解菌体蛋白形成氨基酸和小分子有机磷、钾被植物吸收，产生良性循环。这就是通过以糖减氮模式，达到减施增产。以小麦为例，原来用45%的高浓度化肥复混肥每亩施用50公斤做基肥。对照为20%的N+P2O5+K2O的有机无机复合肥，其中百分之60%是不同聚合度的糖类由秸秆水解产生，施用量也是每亩50公斤，结果对照增产26%。
4.3以糖减氮模式中的糖，其聚合度由大到小成为一个系列。单糖、双糖、寡糖、低聚糖、多糖按比例组成一个供糖系统。在土壤中为土壤微生物不断供给，经土壤微生物不断分解利用，使土壤微生物作用来达到土壤碳、氮平衡，也使土壤微生物区系同作物根系也达到平衡。不能施用过量，施糖可以做基肥，也可以做追肥，配合施用更好。以施用不同聚合度的糖，构成一个完善的不断供给的糖供应链，才能满足作物一生中对糖的需求和对土壤微生物的需求，能使氮肥减施50%及以上。做基肥每亩含糖有机肥20公斤-30公斤，做追肥每亩施用10公斤-15公斤，同化肥混合施用。当年就明显看出土壤变疏松了。在玉米上施用增产百分之二十以上。
五、水解小分子有机无机复混肥的减施增产模式
5.1农民往往习惯施用高浓度化肥复混肥N+P2O5+K2O各15%，共45%，或各17%共51%。如小麦每亩施用50公斤做基肥，用追肥形式补足氮肥和钾肥。因为采用高浓度，又是集中施肥，使土壤退化的特别快。50公斤其中N+P2O5+K2O各15%或17%。
5.2通过化学催化水解技术生产的小分子有机肥25公斤，同N:P2O5:K2O=15:15:15总量为45%的高浓度化肥复混肥25公斤，或总量为51%的高浓度化肥复混肥25公斤，组成有机无机复混肥50公斤，N+P2O5+K2O施用量减少了50%，比单施纯化肥45%和51%的增产了5%-8%。此种减施模式在河北沧州地区应用有15年历史。在吉林省吉粮集团对玉米施用，采用25%的水解有机无机复混肥比51%的纯化肥复混肥增产26%，施用都是每亩50公斤。
六、采用水溶性速效有机碳肥同调控基因肥相结合的减施模式
6.1水肥一体化技术本身就是化肥减施技术，发达国家有美国的管道化水肥一体化，以色列的微灌、滴灌水肥一体化技术。用水溶性化肥溶解于灌溉水中，随灌溉施肥，减少化肥施用量达到50%，使化肥利用率提高到60%以上。原因是化肥溶解在水中，在土壤中均匀分布，减少流失。化肥水溶性好解决，但有机肥水溶性传统技术就是用腐植酸胶体水溶性溶解在水中，解决不了土壤中微生物缺有效碳源的问题。土壤中碳、氮失衡的问题仍然不能解决。水肥一体化做到减施，对改良土壤有好处。但有一定局限性，不能从根本上解决土壤退化问题，缺乏水溶性速效有机碳。
6.2采用小分子水溶性速效有机能量肥料同化肥配合。一方面为土壤微生物提供，理想的碳源，另一方面为作物根系直接提供可以吸收的能量营养。施用量每亩为10公斤-20公斤。使土壤微生物大量繁殖，使土壤中存在的作物残根有机质和死亡菌体细胞壁有机质。经土壤微生物分解成可被微生物利用的碳源和能被作物根系直接吸收的能量营养，使土壤有机质的质量提高了，增加了土壤肥力。
6.3在利用水溶性化肥和水溶性小分子有机肥满足作物对有机无机速效营养的基础上，调控作物遗传基因就尤为重要。我们采用能调控基因的肥料：寡肽、多肽及壳寡糖、葡寡糖、5-氨基乙酰丙酸，其中的一种或二种混和。施用浓度为10mg/L-30mg/L，施用量为每亩30公斤，同小分子有机水溶肥和水溶性化肥一起同水混和施用。无论在玉米、小麦和棉花上的施用，比单施水溶性化肥的对照，结果增产10%-15%，土壤的理化性状和生物学性质都有了明显的提高。
七、应用生物水解有机能量肥的减施增产模式
7.1生物水解有机能量肥料的结构特点、功能
分三部分组成：一是功能微生物部分，二是小分子有机能量部分，三是磁能保水添加剂部分。
7.1.1功能微生物部分：采用多功能的枯草芽孢杆菌的菌群。它的功能有分解纤维素的，分解半纤维素的，分解果胶的，分解蛋白质的，分解脂质的，分解淀粉的。
枯草芽胞杆菌的功能是能将水解有机能量部分中的较大分子在土壤中逐渐分解成小分子供土壤微生物对有效碳源的需求。还可满足作物根系对小分子能量营养需求。第二个功能是枯草芽孢杆菌能将土壤中前茬作物残根和土壤中微生物死亡菌体细胞壁分解成小分子有机能量营养，不断满足土壤微生物的能量需求和作物根系的能量营养需求。
7.1.2水解有机能量部分
有机固体废弃物经化学催化水解处理将原来的有机高分子分解成不同分子量的糖类和肽类，由微生物作用，在土壤中逐渐释放，在整个生育期不断满足土壤微生物和作物根系对能量营养的需求。
7.1.3磁能及保水添加剂部分
（1）磁能添加剂部分功能
采用纳米磁性载体用分散剂分散开产生磁场，使肥料磁化，在土壤中提高土壤磁能量水平，使土壤根系发育的好，吸收营养的水平提高。
（2）保水剂部分功能
肥料中有保水剂成份，在土壤中能将土壤毛细管上升的水份截留保存供根系吸收。解决土壤干旱缺水，严重影响对营养吸收的问题。
7.2施用方法和增产效果
吉林省吉粮集团的玉米产地，单纯施高浓度51%（氮、磷、钾各17%）化肥，每公顷施用850公斤做基肥，追肥每公顷300公斤尿素。每公顷产量7901.87公斤。用三分之一的生物有机能量肥283.33公斤，三分之二的高浓度化肥复混肥566.67公斤，总量还是850公斤。结果每公顷产量为9324.21公斤，增产了1422.34公斤，玉米增产了18%。增收了4267.02元，生物有机肥投入为708.33元，生物有机能量肥的投入产出比为1:6。还节省了化肥投入991.66元。如果化肥施用量不变，生物有机能量肥每公顷施用量增加一倍570公斤，投入为1425元，公顷产量为10193.41，增产了2291.54公斤，增产29%，增收6874.62元，生物有机能量肥投入1452元，投入产出比为1:4.8，同样减少了化肥投入991.66元。
结论
1.长期单纯过量施用化肥，用施用化肥增量换取农产品增产的时代已经结束，用增施优质有机肥来减少化肥用量的时代已经到来。
2.传统'测土施肥'和推广'发酵堆肥'减施虽然有一定效果，但是都存在局限性，减施效果不明显，跟不上国家提出的化肥减施目标。必须采用创新技术，大幅度进行化肥减施，快速遏制土壤退化，提高土壤质量，做到'藏粮于田'的战略目标。
3.国家推广的'水肥一体化'技术可以实现化肥减施，但靠腐植酸水溶肥不能从根本上解决土壤退化，氮、碳失衡，土壤质量提升的目标，也存在某种局限性。采用小分子水溶性有机能量肥和调控基因水溶肥与化肥水溶肥配合施用，能发挥'水肥一体化'技术的优势，克服其局限性。
4.采用'无机化肥有机化'减施增产模式，'以糖减氮'的减施增产模式，'水解有机同无机复混'的减施增产模式，应用生物水解有机无机复混肥的减施增产模式等，实践证明都是可行的，都能大幅度超过国家规划的减施20%增产3%的目标。
5.每亩施用50公斤生物有机能量肥和25公斤高浓度（45%-51%）化肥复混肥做基肥，15公斤小分子速效有机水溶肥配合10公斤尿素做追肥，增产15%及以上。可以做到将化肥基肥和追肥均减施50%。
参考文献
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4.李俊等：农业微生物研究与产业化进展科学技术出版社2011.4
5.刘文治：新型工厂化有机肥的多样性和低温加压水解技术制小分子有机肥料和水溶肥料（会议讲稿）2015.12.10-11
6.刘文治：调控基因水溶肥料的多样性和作用机理及生产方法（会议讲稿）
7.刘文治等：秸秆经化学催化水解处理实现资源化和零排放的方法（发明专利）
8.刘文治等：一种蔬菜垃圾快速化学催化水解处理实现资源化和零排放的方法（发明专利）
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