引言
石油提供了世界所需矿物能源的约1/2。我们的工业和极大多数基础设施均以石油为能源。然而，也有种种不利的倾向。1970年以来，世界消耗的已知石油储量比能够发现的新油田要来得多。最近是在1968年发现超级油田的，但是，荒谬的是，发展其他能源的计划却被削减了。这些因素对工业生产和我们的生活方式可能产生巨大影响。它们对化肥供应量和分配方式的影响将具有决定性意义，因为要维持目前的粮食生产水平（且不谈达到更高的生产水平），必须提供大量化肥。因此，现在来讨论化肥和它的使用效率就是很合时宜的了。
作物和土壤的养分状况
作物生长受养分匮乏限制的程度取决于作物的养分需要量和土壤肥力。
如果作物覆盖良好，水分和养分充足，西欧多种不同作物5月到9月的生长率大致相仿：约0.2吨干物质/公顷 · 日。只要气候条件适宜，作物长势良好，条播作物在150天的生长期中，有100天可维持这近乎恒定的干物质积累率。因此，最大干物质积累率约为20吨/公顷 · 年，其中可供食用的部分占10吨。谷类作物和块根作物常可达到这样的产量。天气温暖，最高产量可大为增长，一般约达30吨总干物质/公顷 · 年，因为高温下可供作物生长的日期更长，植株的光合作用效率更高。养分充足的作杨，其干物质含量很少低于1.5%氮，0.3%磷和1.5%钾。因此，若要获得最高产量，土壤至少需含有300公斤氮/公顷，60公斤磷/公顷和300公斤钾/公顷。
与上述养分含量相比，未施肥土壤提供的养分通常较少。在英国，较大多数常年种植小麦的土壤每年每公顷仅能提供约40公斤的氮。由于矿物质的风化，这些土壤可提供10~100公斤钾/公顷 · 年；多年不施磷肥的典型英国耕地，为作物提供的磷≤5公斤/公顷 · 年。
从温带地区到赤道地区，土壤提供养分的固有能力通常是递减的。这一方面是因为地质结构不同，一方面是因为湿热的气候条件加速了矿物质的风化作用。长年累月地，这些过程使土壤中极大多数的植物养分均被淋溶，剩下的基质（通常主要含有Al2O3和Fe2O3）几乎不能保持阳离子，抵制淋溶，却能大量吸收所施用的任何一种磷肥，但植物又无法利用这些磷肥。例如，南美土壤所含的磷酸盐一般还不到西欧土壤中有效磷酸盐含量的1/10。高温亦有利于有机物迅速分解，因而热带土壤中所含的氮通常要少得多。
因而，世界上大多数耕地所能提供的养分均比英国耕地少。虽然各种土壤提供某种养分的能力差异甚大，可以预料的是，如果不施肥，热带地区作物的产量很少超过最大生产潜力的约1/10，这大致相当于西欧使用化肥之前的1850年的生产水平。
化肥
施用一种和某几种主要养分导致世界上大多数作物的产量迅速增长。联合国粮农组织在40个发展中国家采用本地品种和当地栽培技术进行了十万多次化肥试验；在作物生长因缺氮受阻时，每施用1公斤（纯）氮可生产10~20公斤谷物，施磷的增产效果较大，施钾的效果较小（表1）。从谷粒组成算得的最高理论产量至少要大5倍（表1），这说明试验中化肥的利用率很低。
但增产仍相当显著，最佳施肥效应可使总产量增加72%。所有试验增产效益（作物的增产值除以化肥成本）的平均值为4.8，与其他农业投资和工业投资的效益相比，这一数值是很高的。
1950年以来，世界各国化肥用量剧增，特别是发展中国家。1966~1977年，N+P2O5+K2O的总消耗量约增加了70%，在发展中国家增加了约200%，因而，目前发展中国家的化肥消耗量约占世界总消耗量的1/3。
在这一时期，世界粮食产量增加了30%，发展中国家增加了38%。但是，世界人口亦增加了约32%，因此，按人口平均计算的粮食消费量几乎没变。单位人口粮食消费量在某些国家有所增加，如印度，但在另一些国家有所下降，如大多数非洲国家。世界上生产了勉强够糊口的粮食，即使一场小小的经济失调，也会对农业产生影响，引起广泛的饥荒。
某几个地区一一印度的几个灌溉区，巴西南部各州和中国的部分地区——化肥使用量剧增是造成发展中国家化肥使用量增长的主要原因。施肥效应差异显著，许多耕地仍然没有施用一点化肥。事实上，世界上大多数人口都居住在化肥施用量和作物产量很低的地区。
某一个国家的产量和各国间的产量与施肥量密切相关。世界上人口大于35×106国家的谷物产量与栽培作物和多年生作物的平均施肥量几乎成正比：回归消除了产量中总差异的83%。这样高的相关性是很显著的，因为各国的谷物类型、气候条件和栽培技术差异很大。单一作物——小麦——的产量，在种植面积大于1×106公顷的国家与氮肥水平（不是按钾肥水平标绘）更密切相关。当然，大量施用化肥的国家倾向于选用较先进的农业技术和较优良的品种，因此，因为施肥量的差异引起的谷物产量差异实际上小于83%。而其他因素，包括人口平均收入和1000公顷土地拥有的拖拉机数与产量并不密切相关，据我所知，没有其他的单一因素像化肥水平那样与产量密切相关。
所有这些均证实了下述论点：大多数土壤中，作物生长均因严重缺乏至少一种主要养分而明显受阻，除非采取某一措施改变这一状况，谷物产量绝不会显著提高。化肥的需要量与日俱增，其势锐不可当，然而，表1中低下的利用系数也揭示出存在着比目前更有效地使用化肥的余地。
氮
世界上作为氮肥施用的氮素，被作物吸收的还不到1/2。
通常，施用的各种氮肥在土壤中均可放出铵。作为肥料施入土壤的氮素，大部分都挥发到土壤上方的空气中。热带国家，施于土表的尿素损失最大，但是，若采用深埋法，或选用其他氮肥，损失就可大为减少（表2、3）。铵可硝化为硝酸盐，硝酸盐又能形成厌气性的“微生物生境”（microsite）。大多数土壤中都会发生这种情况。在这种环境中，通过反硝化作用，硝酸盐又产生氨气。这些过程造成的损失几乎处处可见。在许多水面高低不定、时灌时干的稻田中，这一现象最显著。硝酸盐并没有吸附在土表，因而，雨水可将它淋溶到根部以下的土层中。为减少淋溶造成的损失，氮肥可于作物生育期间不时施用，对施肥量和施肥时间的调节，该按照新拟定的方法大加改进，这种新方法可从很容易获得的土壤、气象资料计算出淋溶损失、其他有效措施包括：垄栽作物，并小心地将氮肥施于垄中；放置特大的颗粒肥料；将颗粒肥料包在具有半渗透性的材料中；采用分解慢的有机氮聚合物；采用化学药剂抑制硝化作用和尿素酶活性。但上述有些方法成本太高，不易推广。
磷酸盐
施用磷肥后立即栽种的作物所吸收的磷酸盐还不到施肥量的15%。剩余的磷酸盐中，部分由下一茬作物吸收，再下一茬作物吸收的磷酸盐更少一些，以此类推。在英国的一次试验中发现，尽管施用磷肥后未施加任何磷素，50年后仍发现所施磷肥对作物生长有促进作用。最终发现，作物仍然只吸收了最初所施磷肥的约1/2。
然而，施用磷肥的近期和远期效果，随土壤类型、肥料和作物的化学~ 物理结构有很大变化。对这一变异性原因的某些深入理解，是通过对两个重要原理的估量而获得的。这两个原理是：
1. 施用的磷酸盐和土壤组分反应后形成了几乎完全不溶解的化合物，施肥时间越长，这种化合物的溶解度就变得越小；
2. 大部分根表在生育初期需要吸附磷酸盐，在生育晚期，若要获得较高的生长率则不需要吸附磷酸盐。
施用的磷酸盐和土壤组分反应，形成几乎完全不溶解的化合物。但是，如果施用颗粒状磷肥，或将磷肥沟施，磷肥固定率就会下降。然而，这些将磷酸盐“集中”于土壤中狭小范围内的施肥方法，会限制植物根系吸收磷酸盐，因为只有磷酸盐分布于整个根系四周才有利于根部吸收。
各种土壤、各种作物为满足这两个原理而采用的习惯做法之间的最佳折中方案差异很大。最迫切的需要是在深刻理解有关过程的基础之上，设计出一些装置，以预测不同情况下各种习惯做法的最佳组合，从而建立起一个更合理的基准，以提高磷肥使用效率。
钾
为各种作物施用的钾有5~80%由该作物吸收。如果像温带地区那样，土壤通常都具有显著的盐基交换量，则剩下的钾就能全部被吸附在土壤中，可由后几茬作物完全吸收。这类土壤造成浪费的主要原因是作物往往极快地吸收了远远大于它们生长所需的钾，至少所施钾的1/2是这样被消耗掉的。如果土壤的盐基交换量小，它们就无法保存钾，犹如硝酸盐，钾很快被淋溶。限制淋溶损耗的措施和减少硝酸盐淋溶的方法相仿。
预测肥料需要量
如果施肥量未能满足作物的需要，上述方式的养分损耗就增加得更快。作物的养分需要量变化很大，土壤提供各种养分的能力变化也很大。植物从土壤中吸收的养分量亦取决于土壤物理条件对根系生长发育和活性的影响，特别是对根系、水分和各种养分相互间空间分布的影响。因此，肥料试验强调指出，各主要养分效用在不同地点、不同作物条件下变化巨大，也就不足为奇了。
若要有效地施肥，重要的是较可靠地分别预测单块土地上三种主要养分各种施用水平的产量特性曲面。
小农或他的参谋在合理选购昂贵的化肥前，就需要进行这种预测。否则，譬如说在使用了
(NH4)2SO4之后，他也许会发现作物并未增产，如果他买不到石灰，使用(NH4)2SO4后土壤还会变成酸性，这绝不是什么鼓舞人心的好消息吧？为了改进一些重要的计划工作，如该购买的肥料种类（农户常常会买了成分不合要求的化肥）；该生产的肥料数量（常常不够用）；以及交货时间（常常因到货过晚，错过最佳施肥时机而造成浪费），亦需预测特性曲线。农户都要求政府作出决定，扩大农业服务项目，提供信贷，调整农产品和（某种程度上由政府控制的）化肥的比价。
然而，在大田中预测特性曲线通常十分差劲。例如英国，氮肥施用率是按种植某种作物大田的“土壤氮指数”调整的，如果施肥制度完美无缺，那么，种植在具有相同氮指数土地上的某一种作物，氮肥需要量就该永远相同。事实上，在具有相同氮指数（O）的不同地点测得的冬小麦“最佳”氮肥水平（即使土壤中其他养分含量较高）差异仍大于195公斤，公顷。当缺乏多种主要养分时，预测更为困难，此时，一种养分的效用可能由于缺乏另一种元素而受到限制。在早期缺乏某些微量元素（如Zn），或是另一些微量元素已达毒性水平（许多老年土中常会出现这一情况）时，亦使预测更为复杂化。难以探测、调整微量元素引起的一系列问题，导致许多作物的氮、磷、钾肥肥料效用很差。
我们过去的预测方法，很少考虑土壤科学和植物营养学原理0我们过多地注重于设有几个处理的大田试验，而后又仅用统计方法来解释试验结果。这种方法不考虑充分应用现有的科学知识，通常运用一些简单的、科学性欠缺的模型。难以设想，这一方法怎能提供一种预测许多互相制约因素影响肥料效应的手段。事实上，预测数据很少以独立试验的结果进行验证。
我认为，我们需要在透彻掌握现存原理的基础上采用一种更加“机械化”的方法来进行预测。在荷兰和西德学者杰出的著作中已详细描述了这一方法的优点，这种方法大大改进了调整不同土壤氮肥用量的计算方法。最重要的是，确定了主要过程，且能定量地加以表达，最后得到用以进行预测的模式，预测结果再通过实验加以验证。在英国，采用了一种有点类似的方法，提供了一种简单的手段，预测性质极不相同的土壤上施用氮、磷、钾后，19种蔬菜的特性曲线。这种方法所需进行的试验比较少。由这些曲线可进一步组成一些模型，这些模型就可很好地预测不同施肥方法，不同施肥水平下作物每日的生长变化。在英国、美国、德国和荷兰，化肥研究工作正日益采用“机械化”的，或称“模型化”的方法。
任何一种有效的施肥方法都取决于对土壤和作物进行客观的测定。在大田中进行测定有它的优点：采样（这最容易发生错误）、判断就能在存在其他大田证据的情况下进行。迅速进行大田测试也能像在实验室里分析整个大田的养分状况那样作出精确的评价，还能避免将试样送交中心试验室所造成的耽误。我认为＞应该加倍努力设计更好的大田试验，并使之标准化。
养分的循环使用
在大自然中存在着极有效的养分循环系统。一般，每公顷热带森林的活组织中约含有1500公斤氮，120公斤磷，800公斤钾，几乎所有的森林死地被物（枯叶层）均被吸收，且输入光合器官。系统中损失的仅仅是它从土壤风化作用和降雨中取得的大致相同数量的养分，然而，它每年可产生约14吨/公顷干物质，其中大约一半转变为木材贮存起来。
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人类开垦森林，必定会损失掉大量养分，除非施用肥枓，不然干物质产量会很快下降为约2吨/公顷。受控条件下所获得的实验数据是可以解释这种养分损耗的。让一股气流持续通过一层切碎的青草时，15天内，青草中的氮即丧失了27%。一堆精心堆制的稻草~ 禽粪堆肥，8周内，其所含氮素的1/3即挥发到空气中去了。上述两个试验都是在温带条件下进行的，可以设想，热带条件下养分损耗将严重得多。如将磨碎的干植物试材用水震荡几分钟，则至少65%的磷和90%的钾可被浸析到溶液中去（J. Hunt私人通信）。老叶也会发生相当显著的养分浸析现象，而活体植株上的嫩叶不会发生养分浸析现象（表4）。因此，看来任何1种作物耕作制度（包括干燥作物残茬或将其堆垛）均会导致大部分氮素挥发到大气中去，并使磷、钾从堆垛中浸析出来。因而作物残茬回田只能保存植物原有物质中的一小部分养分。此外，人和家畜将大多数无用的氮素变为尿素排出体外，除非细致地将尿施入土壤，它所含的大部分氮素将以氨气的形式挥发到大气中去（表2、3）。
经济压力常导致资源浪费。污水包含大量植物养分，但大多数污水处理法（至少在英国是这样）均导致80%的钾，极大多数磷和大量的氮排入江河，不能再造福农业。污水处理后，约一半污泥残留物并不施于农田，部分是因为受到工业中有毒金属的污染。几乎所有的、由地方当局收集的家庭垃圾均倾入坑中，运到海里或者焚化，造成无法弥补的养分损失（J. Williams私人通信）。农业生产的专门化导致家畜生产的集约化，而将畜粪运送给需要肥料的农夫在经济上又往往是不合算的。
因此，我认为人类活动通常导致十分低效的养分循环。如果情况确实如此，改进各种废弃物处理方法，就为节约肥料提供了大量机会。尽管农业废弃物的利用有所改进（这显示出如何才能有效地促使养分循环），我认为还需掌握更多的知识，以便设计出各种不同环境中养分循环的最佳方案。
结论
1. 大多数不施肥的土壤只能提供提高作物产量所需养分的一小部分。
2. 各地在施用至少一种主要养分之后，产量几乎均有所增加。各国谷物的平均产量与施肥量密切相关。
3. 抚养世界上大多数人口国家的粮食产量，因为缺乏养分而受到很大限制。除非首先采取措施消除肥料短缺现象，粮食产量不会有明显增长，采用其他农业技术提高产量的一切努力都将付诸东流。
4. 不同地点、不同作物对某种特定养分和施肥方法的反应差异很大，而且是难以预测的。由于缺少可靠的预测方法，造成肥料的极大浪费。现在比过去更为广泛地采用“机械”方法研究问题，从而提供了改进预测效果的机会。
5. 扩大养分循环可以节省肥料。农业生产中通常缺乏种种养分，而在天然森林中它们并不匮乏。采用促进生物固氮能力和更广泛地利用各种作物吸收土壤养分能力的农业技术，亦可节省肥料。
6. 最高潜在产量是如此之高，只要现有耕地的1/6就足以生产养活2倍世界人口的粮食。
7. 只需现在世界矿物燃料消费量的一小部分就能生产出为每个人提供充足粮食所需的全部化肥9在可预见的将来，钾肥和磷肥能充分满足农业生产上的需要。
8. 从世界上各地的需要状况来看、石油、磷、钾等主要资源的分布很不均匀，这可能就是造成主要原料价格突然上涨的原因。
9. 迄今为止，石油价格的上涨大于粮食，而粮食价格的上涨又大于化肥。这些价格变动刺激了一些国家更多地通过对种植的作物增施化肥，而不是进口粮食来满足自身的粮食需要。
10. 也许最严重的问题是没能正确估价一些发展中国家因严重缺乏某些主要元素和微量元素而引起作物生长发育受阻的程度。
[译自Fertilizer Research，1981年2卷1期]
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*本文为作者在1980，9，15~19新德里召开的印度/联合国粮农组织/挪威学术讨论会上的演讲稿。