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作物主要的养分来源  岩石风化是一个逐年释放少量营养元素的缓慢过程。该过程是不足以实现中产至高产目标的。 上季施入的肥料没有被前茬作物吸收，也没有损失到环境中或固持于土壤中的部分，可被后茬作物利用。有些养分如氮和硫，在潮湿环境中，施入当年就易出现大量损失。还有一些养分如磷和钾，可以在土壤中存留较长时间，通常为数年，但具体存留时间取决于土壤类型、降雨及管理措施。 大气沉降在某些地区是很重要的养分来源，尤其是氮沉降和硫沉降。为响应减少硫排放以控制酸雨问题的管理规定，硫沉降投入逐渐减少，硫逐渐成为限制性因子，目前施用硫肥已经成为发达国家的常见措施，在新兴和发展经济体中，也变得越来越普遍。 灌溉水也包含可被作物利用的养分。 作物残茬，如叶片、茎和根，遗留在土壤表面或土壤中时，会分解释放其所含的养分。作物残茬主要富含钾元素。因此秸秆还田一直是这些年土壤中钾元素的主要来源。然而，秸秆大量焚烧或者用作牲畜饲料已经使土壤中持留的钾被逐渐耗竭。作物残茬的养分含量差异很大，在某一具体时间段内释放的作物有效养分的多少也由当地条件决定。 堆肥（被分解的有机质）可被施入土壤以供应养分，并起到土壤调理剂的作用。堆肥的质量因采用的原材料和发酵过程而异。 家畜粪肥是一种重要的养分来源。不同来源及管理措施下的粪肥养分含量差异极大。人们普遍认为低品质的牲畜饲料会降低家畜粪便中的养分含量。因此，粪肥施用前应分析其养分含量。 污泥（城市污水处理残渣）可被回收利用，提供大量作物养分。由于来源、加工方式、储存方式和处理过程不同，污泥中的养分在含量和形态上差异很大。污泥中作物养分及可能的污染物含量应被定期分析。 生物固氮（BNF）是将大气中的惰性氮气转化为可被植物利用的活性态氮的过程。生物固氮存在于许多作物-细菌共生体中。在豆科作物（如大豆、豌豆、苜蓿）和根瘤菌的共生系统中，生物固氮最强。生物固氮量通常为20-400 kg N ha-1yr-1，依作物品种、生长季长短和气候条件不同而不同。 化肥是由肥料工业生产的，农民可购买到一系列供应一种或多种必需矿质元素的产品。全世界农民平均每年施用大约1.8亿吨肥料（以纯养分计）以补充农田养分来源，进而实现可持续的作物产量和品质目标。 只包含一种大量元素的肥料称为单质肥料，包含两种或三种大量元素的肥料称为复合肥料。复合肥包括化合物（所有营养元素在同一化学结构的颗粒中）和混合物（不同肥料颗粒的物理混合）。每种肥料产品都有其优缺点，这通常取决于当地的农业生态及经济条件。 值得注意的是作物可以响应所有来源的养分，但它们主要以无机态吸收养分。有机养分必需经过矿化（从有机态转化为无机态）才能被作物吸收。不同种类的肥料在不同农业生态系统之间及一个系统内部提供的养分差异较大。可持续的作物养分管理要做到能识别并利用所有来源的有效养分。 培育健康土壤和高产与高营养的作物需要肥料 养分随作物收获从田间移出，称为土壤养分消耗。收获时带走的养分量与产量成比例，且不同作物和同一作物不同部位养分移出量都不同。为了保持土壤肥力，实现作物产量和品质的可持续发展，随收获物从田间移出的养分及损失到环境中的养分必需通过有机肥和（或）无机肥补充。 在土壤肥力不佳且施肥具有经济效益的地区，采用较高的施肥量，并结合其它必要的土壤肥力管理措施，对减少养分限制因子、提高养分对作物的有效性和改善土壤健康状况是必要的。 为了实现长期中产至高产以提高粮食安全和农民收入，仅仅依靠本底养分投入，如土壤养分供应、大气沉降、生物固氮和畜禽粪便回田是不够的。为保持高产，农民通常需要以化肥或者其它可购买到的有机肥的形式，投入额外的养分。不足的养分可以通过无机和（或）有机肥投入来补充。在施用化肥的情况下，则可以通过复合肥料或多种肥料混合的形式来补充。 高效且有效的养分管理 养分利用率 从农户角度看，养分利用率被定义为施入养分（所有来源的）被作物吸收的比例，即如何从养分投入获得最大收益。从养分管理角度看，养分利用率即养分输出占输入的比率，也就是投入的养分最终以产品收获形式输出的比例。 较低的输出输入比（如低于50%）通常意味着养分有损失到环境的风险，反之较高的输出输入比（如高于90%）意味着当前措施是消耗土壤养分，也就是说多年如此管理后会造成土壤肥力下降。这两种情景都是不可持续的。下图中“绿色区域”代表作物生产力很高同时养分的输出输入比接近最优，其所处的位置对于每种作物和养分都不同。  养分利用率受化肥施用方式、其它养分来源、作物和土壤管理方式的极大影响。近三十年来，发达国家的养分利用率不断提高，这些地区农民有机会获取现代技术和信息。 这也说明了向可持续集约化农业转型的可行性，即农民可以在提高农业生产力的同时，保护了本底资源并降低了环境影响风险，即降低了单位产品输出的养分盈余。与此相反，大部分发展中国家的情况仍在不断恶化。发展中国家想要扭转这种趋势，则需要有机会接触并实施最佳管理措施（即综合养分管理方法）。 由于各种养分之间存在交互作用，我们可以通过优化管理某种养分来提高其利用率，或通过优化管理与其有交互作用的其它养分（平衡施肥）提高其利用率。例如，硫元素可以促进蛋白质合成，从而提高氮素利用率。 养分利用效率和效力目标是互补的 虽然提高养分利用率是一个很重要的目标，但其它反映作物系统效力的关键指标，如作物产量、土壤肥力、水分生产率等也不容忽视。例如，可以通过消耗土壤养分库来提高养分利用率，但此举是不可持续的，因为长此以往会影响土壤肥力。 同样，也可以通过减少施肥量以提高养分利用率，但可能会造成作物产量下降。虽然追踪养分利用率变化可以提供一些有用信息，但需结合一系列其它互补指标才能做出有意义的判断。 针对农民具体耕作地点和作物条件推荐的最佳管理措施，应提供一些能够提高作物系统整体效力和可持续性的选择，同时应考虑公众制定的经济、社会与环境发展目标。 农业养分循环与损失途径 土壤中氮素的主要形态是有机氮化合物以及以铵盐（NH4+）和硝酸盐（NO3-）存在的无机氮。无机氮只是全部土壤氮库的一小部分。土壤表层氮素主要以有机氮形态存在。这些不同的氮素形态进行着多种转化过程，可能引起不同途径损失到空气和水体中。  就磷而言，主要损失通过土壤颗粒的侵蚀和径流发生。由于磷在土壤中不易迁移，其淋洗损失相比于氮素是较小的。钾也可通过侵蚀、径流和淋洗损失。由于钾在土壤中可迁移性大，其淋洗损失与磷相比也会相应增加。此外，与氮相似，由于硫既可损失到大气中又可损失到水体中，硫循环也较为复杂。 由于农业养分循环是一个不断损失养分的过程，可持续农业生产依靠有机肥（如果易得的话）、无机肥和生物固氮等外源养分投入，来弥补作物收获时移走的养分及养分循环不同阶段的养分损失造成的差额。如何选择正确的肥料品种，以合理的施肥量，在正确的时间，采用正确的施肥方法施入土壤，来维持最佳产量同时减少对环境的影响，是农民一直面临的挑战。养分不足和过量都会对人体健康、环境及农民收入造成不利影响。  植物营养和土壤肥力综合管理的必要性 无机肥比有机肥养分含量高，具有明确的养分组成，且其所含养分通常是易被作物吸收利用的。顾名思义，有机肥是富含有机质的，有利于改善土壤性质，如土壤结构、水分入渗和持留能力。鉴于上述它们各自的优点，无机肥和有机肥是互补的。最佳的管理措施应充分利用这种协同增效作用。 从营养的角度来看，综合管理涉及两个不同层面： 综合植物养分管理（IPNM）旨在基于有机肥和无机肥各自的优点，将两者配合施用。在综合植物养分管理下，农民施入其农场或邻近地区提供的有机肥，并补充化肥以实现产量和品质目标，同时在土壤测试表示有效养分含量较低的地区恢复土壤肥力。 综合植物养分管理方法只针对作物生产的养分供应方面，而综合土壤肥力管理（ISFM）方法则涵盖了与植物养分吸收相关的所有方面，包括作物品种选择，及土壤生物物理健康，这两方面均可以促进植物养分吸收。例如，在干旱条件下，覆盖有机物的土壤比不覆盖的能持留更多土壤水分，多持留的这部分水分则会促进作物对施入肥料养分的吸收并提高产量。 综合植物养分和土壤肥力管理致力于相同目标，即确保植物高效吸收养分和生长的同时，将环境危害降到最低限度。  最佳养分管理措施遵从的基本原则 研究和实践中所提出的那些更高产、获利更多、对环境更加友好以及更为社会接受的措施被统称为肥料（或养分）最佳管理措施（BMPs）。肥料最佳管理措施的目标是将养分供应与作物需求相匹配以实现最佳产量同时将损失到环境中的养分减到最少。肥料最佳管理措施在养分管理四个方面（肥料品种、施肥量、施肥时间、施肥方法）的应用提供了相应的养分管理基本原则，即高效利用植物养分以获取经济、社会和环境最大效益的体系。  一项单独的最佳管理措施只能改善一两方面的表现。由于四个管理方面都值得关注，所以养分管理需要采用一系列针对这四个方面的相辅相成的最佳管理措施。如果这其中的任一方面被忽视，都不可能实现高效的农田养分管理。管理最薄弱的一方面将会产生最大的影响。 最佳管理措施需根据地理位置选择，对于一个给定的农田，与当地土壤-气候条件、作物类型、管理体系及其它具体实地条件相匹配的管理措施才是最有效的。  此概念强调养分管理环环相扣的四个方面，这四个方面将影响作物体系对环境、经济和社会可持续发展的贡献（IFA，2009；IPNI，2012） 以下五条具有普遍性的科学原则适用于肥料最佳管理措施：
综合考虑相关的科学知识，包括土壤肥力、植物营养、土壤物理化学、水文以及农业气象。例如，由于水分胁迫，导致的作物萎蔫现象在干旱条件下可能会加剧，因为根部高养分浓度可通过渗透压从作物体中吸收水分。在这种情况下，施肥要与土壤水分有效性在时间上相契合。
比如栽培品种、播种时间、播种密度、作物轮作等。
例如，控释肥与水溶性肥的施用时期可能不一致。
例如，条施肥需与种子保持一定的安全距离以免损害幼苗。
例如，氮素既影响产量也影响籽粒蛋白质含量。蛋白质是一种重要的动物和人体营养成分，同时还会影响用小麦制作的面包品质。虽然超过最佳产量施氮量会增加一定的籽粒蛋白质含量，但过量施氮对植物健康、作物产量和品质及环境的可持续性都有不利影响。氮高效作物品种的使用值得注意。适当选择作物品种和合理调整施肥策略是至关重要的。许多品种在高氮环境中生长过于迅速，会导致作物营养器官生长过于旺盛而可收获部分减少。 合适的肥料品种 选择能够平衡且同步地供应作物所有必需养分的肥料品种。 养分管理体系中所选的肥料品种必须确保在整个生长季根据作物需要能够以有效态平衡供应所有必需养分。选择肥料品种（包括有机肥）时还要考虑养分发生损失的可能性、不同养分之间的相互作用和共存性、作物对该肥料潜在的敏感性，以及该肥料含有的非营养元素所带来的风险。合理肥料品种因作物、气候和土壤性质、可用肥料产品、经济效益以及施肥方法的而确定。 选择合理肥料品种应遵循的科学原则包括：
供应的养分应是水溶性且作物可直接利用的，或者是在土壤中易转化为作物有效态的形式。
比如避免在淹水土壤中施入硝态氮肥或者在不施加脲酶抑制剂的情况下向高pH值土壤中表施尿素。某些肥料会使土壤酸化，所以只能将它们施入碱性土壤，或配合石灰一起施入。
比如磷-锌相互作用，氮素可提高磷有效性，以及化肥对有机肥的补充作用。 注意混合物的相容性。 某些不同肥料品种或产品混在一起时会吸水集聚，导致组分分离而不能均匀地施入这些混合肥料。类似地，颗粒肥料也要避免不同产品之间的离析现象。某些液体肥料在低温下会发生盐析，或者与其它组分发生化学反应生成胶体或沉淀。
大多数肥料都包含一个对某些作物有益、有害或中性的伴随离子。例如，氯化钾中与钾离子结合的氯离子利于玉米生长，但也会对某些水果和蔬菜的品质造成不利影响。 控制非营养性元素的影响。 例如，肥料生产使用的原材料可能会包含一些非营养性的痕量金属元素。这些元素的施加量都应保持在安全限度以内。 合理施肥量 确保所有限制性养分的施入量能够满足作物实现目标产量和品质的需求。 合理施肥量是将所有来源作物有效养分的供应量与作物的养分需求量相匹配。了解不同生长阶段作物的养分需求是确定合理施肥量的第一步。施肥量应根据整个生长季养分供应与作物需求之间的平衡来确定，以免造成养分不足或过量。如果施肥量过低，作物产量和品质都会受限；然而过量的投入又会危害作物和环境。过量或不足的养分投入都会降低经济收益。
采用土壤与植物测试、响应试验、缺素小区或饱和参考带（作为对照）等一系列方法进行估算。
包括作物秸秆、绿肥、畜禽粪便、堆肥、污泥、灌溉水、大气沉降以及化肥所有养分数量及作物有效性。
一季作物的养分吸收量取决于作物产量和养分含量。精准估算目标产量非常重要，从而可以设计出能够实现目标产量的综合作物生产计划。 预测肥料利用率。 许多损失是不可避免的。虽然要把损失降到最低，但当确定能够满足作物需求的施肥量时，还是要考虑一些不可避免的损失。
受气候和其它管理因素的影响，作物产量潜力和养分需求会随季节变化，这就为实时养分管理来调整施肥量（如采用叶绿素仪、叶色卡和其它测定作物体内养分含量的方法）提供了契机。
如果一个作物体系的养分输出超过输入，那它的土壤肥力长期会下降。与此相反，如果有盈余养分而且损失掉了，那么环境质量和经济收益都会受到影响。
考虑到产量具有空间和时间变异性，对于不能持留于土壤中的养分来说，经济最佳施肥量是指其连续等量的投入恰好等于其预期能增加的收益（即边际报酬递减规律），也就是边际收益等于边际投入时的养分投入量。土壤残留养分对后季作物的供应也应被考虑。  正确的施肥时间 确定正确的施肥时间需考虑作物养分吸收、土壤养分供应、环境风险及田间操作的相互影响。 从种子萌发到营养生长再到生殖生长最后成熟的过程中，作物整个生长季的养分吸收率不断变化。为了达到最高生产力，在作物能够接触到的部位必需有充足的作物有效态养分供应以满足作物在整个生长季不同阶段的养分需求。如果某养分在被植物吸收利用之前，就已在土壤中长期存在，那它很可能会被移出根区或转化为不可利用态。正确的施肥时间可以提高产量，改善品质，降低养分损失。
作物吸收养分的时间由播种日期、作物生长特点、不同生长阶段对养分缺乏的敏感度等因素决定。养分供应必须与作物对养分的需求保持同步，通常呈“S”型曲线。
土壤有机质的矿化可以大量地提供多种养分，但如果作物对养分的吸收需求先于矿化释放的养分，则会导致养分缺乏而限制其生产力。
肥料中养分的释放速率和有效性受施肥时的天气和土壤湿度影响，如果与作物需求不同步，就可能导致严重的养分和产量损失。
一种养分的特殊形态在某些气候条件或某些季节效果更佳。例如，在温带地区，淋溶损失在春季和秋季会更频繁发生。
例如，多元养分投入可能需要也可能不需要与农药配合施用。但施肥时不应耽搁那些对时间敏感的管理活动如播种或病虫害防治。在这些限制条件下，可以叶面喷施与大多数农药都相容的肥料。 正确的施肥方法 充分利用根际土壤的动态变化，同时考虑养分流动、田间空间变异及降低田间养分损失，来确定正确的施肥方法。 将养分施入正确的位置（在垂直和水平方向上都处于最佳位置）能够确保作物根系在生长季所有时期都可以足量地吸收到每种养分。可以利用先进的施肥设备将肥料施入正在生长的根部周围。近年来，精准农业技术的应用使我们可以精确调整养分投入，按需改变同一田块不同区域的施肥量，考虑不同区域土壤测试和产量潜力的差异。
一年生作物根系整个生长季会逐渐从周围土壤摄取养分。施肥措施需确保养分在作物需要时能够被截取。玉米季条施磷肥就是一个例子，这样做既可以确保幼苗有足够的养分，还可以在施肥量和作物吸收量都较少的情况下增加产量。
土壤会影响作物产量潜力，且不同土壤的养分供应能力或养分损失潜力也不同。
注重播前整地措施。在保护性耕作体系中，要确保肥料深施，保持作物秸秆覆盖土壤，且不能损害苗床质量。
找出最易发生养分损失的田块或田块内某些区域。将它们的侵蚀、径流、淋洗、挥发、硝化和反硝化损失控制在一个可接受的范围内。
避免种子内或种子周围养分浓度过高而毒害幼苗。
在干旱或生长旺盛时期，叶面施肥可以解决暂时性的镁、硫元素缺乏症。叶面喷施锌肥、硼肥、锰肥等完全可以满足作物对这些微量元素的需求。 要点回顾 种植健康、高产高营养的作物，供应必需养分是不可少的。 农业养分循环是一个开放的系统，存在不可避免的养分损失，对作物生产力、农业经济收益和环境服务功能都有不利影响。进行养分管理的目的在于稳定增产的同时减少这些损失。通过实施最佳养分管理措施，可以更高效地利用养分，使收益最大化并降低人为干预农业养分循环所带来的风险。 已有一系列肥料最佳管理措施可供农民采用。这些措施针对养分管理的四个方面（肥料品种、施肥量、施肥时间、施肥方法），并提供一些能够满足地域条件和作物体系多样性的选择，从而提高作物体系整体的经济、社会及环境可持续性。 无机肥不应单独施用。为了使施肥的可持续性和效果最佳，无机肥应与有机肥配合施用，同时选择合适的作物品种及作物、水分和土壤管理措施。 除了粮食安全和农业收入外，作物养分管理还会影响许多可持续发展目标，如人体营养、土壤健康、水分生产率、减缓和适应气候变化与环境健康。合理的养分管理则会促进这些目标的实现。 |
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