Reflection and Exploration on Innovation of China′s Fertilizer Industry Under the Background of Food Security and National Health
摘要：
粮食是人类生存和发展的基本保障, 新中国成立75年来, 我国实现了从“吃饱”到“吃好”的重大跃升, 居民可拥有的食物数量与食物的丰富性有了较大的提升, 国民整体营养水平有了较大改善。但同时, 我国居民的疾病谱也在发生着重大的变化, 一些慢性非传染性疾病(慢病)逐渐成为影响我国居民健康的主要疾病, 并带来了沉重的社会负担。70%的慢病发生与营养的不平衡摄入有关。目前在我国, 营养显性过剩和隐性不足是造成国民营养问题的两大主要食物因素。“五谷杂粮”是食物的基础, 肥料作为作物的营养来源, 是实现粮食安全与国民健康的重要保障。在新时代“粮食安全”与“国民健康”需平衡发展的新课题背景下, 肥料产业需立足国民健康需求, 从肥料的营养本质出发, 借助跨学科研究和跨界合作路径, 探寻一条“在安全的基础上吃饱, 在健康的基础上吃好”的以食疗服务人类健康需求的肥料配方和时空推进方案, 以更好地贡献人类健康。
Abstract：
Food is the basic guarantee for human survival and development. In the 75 years since the founding of the People′s Republic of China, the country has achieved a significant leap from "survival eating" to "comprehensive eating". The quantity and richness of food available to residents have greatly improved, and the overall nutritional level of the population has greatly improved. However, at the same time, the disease spectrum of Chinese residents is undergoing significant changes, with some chronic non-communicable diseases (chronic disease) gradually becoming the main diseases affecting the health of Chinese residents and bringing heavy social burdens. 70% of chronic diseases are related to imbalanced nutrient intake. At present, in China, explicit over nutrition and implicit under nutrition are the two main food factors causing national nutrition problems. Mixed grains are the foundation of food, and fertilizers, as a source of nutrition for crops, are an important guarantee for achieving food security and national health. In the context of the new era′s balanced development of "food security" and "national health", the fertilizer industry needs to be based on the needs of national health, starting from the nutritional essence of fertilizers, and using interdisciplinary research and cross-border cooperation paths to explore fertilizer formula and spatiotemporal promotion plan that serves human health needs through dietary therapy, with the goal of "eating on a safe basis and eating well on a healthy basis", in order to better contribute to human health.
0
前言
粮食是人类生存和发展的基本保障，粮食安全始终是关系经济发展和社会稳定的全局性重大战略问题，是国家安全的重要基础。新中国成立以来，党和国家一直高度重视粮食安全，围绕粮食安全制定和调整了一系列发展战略和具体措施，使我国粮食综合生产能力长期保持稳步提升，有效保障了国家粮食安全[1]。
1949年，我国粮食平均单产仅为68.6 kg/亩(1亩=667 m2)，2023年达到390 kg/亩，是1949年的近5.7倍[2]。粮食生产能力的提高涉及多方面的因素，如品种改良、灌溉条件改善、植保技术和植物营养管理技术提高等，其中化肥施用对我国粮食产量的贡献率高达40%~60%[3]，可以说，是工农业的协同发展保障了我国粮食安全能力的有效提升。随着我国经济发展水平和居民消费水平的日益提高，我国居民饮食结构也逐渐从以主粮为主向食物多样性的方向转变，实现了从“吃不饱”到“吃得饱”再到“吃得好”的巨大跨越，这是我国制度改革、科技创新的巨大成果[4]。
但同时值得关注的是，在我国食物供给能力逐步提升的过程中，我国国民的健康动态出现了新的态势。研究发现，75年来，我国人群的疾病谱和死因谱发生了重大变化，一些重大传染性疾病已基本消亡，而以心脑血管疾病为代表的多种慢性非传染性疾病(以下简称慢病)的患病率、病死率逐年上升，甚至还出现了年轻化趋势，慢病已成为影响我国居民健康的主要疾病，是我国重要的公共卫生问题之一[5-6]。2019年我国慢病死亡人数占总死亡人数的86.6%，造成的疾病负担占总疾病负担的70%以上，严重吞噬着我国经济发展的成果[7]。
2016年，中共中央、国务院发布《“健康中国2030”规划纲要》，将健康中国建设上升为国家战略；2022年，党的二十大报告提出“把保障人民健康”放在优先发展的战略位置，并对“国民营养计划(2017—2030)”和“健康中国行动(2019—2030)”作出全面部署，积极推动以“治病为中心”向“以健康为中心”的转变[8-10]。
营养是预防和治疗某些慢病的重要手段[11]，当前，公共卫生部门对慢病的防治宣贯和医疗措施大多聚焦于医学筛查和医学营养治疗，在慢病防治上起到了一定的效果，但未能从根本上改变慢病高发的现状。立足“预防”策略，国际、国内各相关领域均有很多探索和实践，如食物强化、工业强化、食物增补及食品多元化等策略，这些策略虽然在部分发达国家取得了成效，但并不适合广大发展中国家和贫困地区。因此，目前迫切需要探索一种新的从源头食物生产进行营养改善的方案，即农业生产解决方案。
人体的营养主要来自膳食，“五谷杂粮”是膳食的基础，粮食供给的数量及质量与人体营养健康密切相关。肥料作为粮食的“粮食”，不仅是我国粮食数量安全的重要保障，而且作为营养供给的源头物质，通过食物链传递作用于人体，营养传递路径贯穿“土壤-植物/动物-人体”，是实现对慢病“预防为主”“营养防治”的重要载体和源头性技术手段。在此视角下，探索“食物链营养传递规律”和“营养的源头性支撑技术”需要食物链营养研究的各个环节，如化学、地质学、农学、土壤学、营养学、医学等学科的共同参与。因此，着眼于国民健康的营养改善，构建我国食物与营养事业发展的新模式、新格局的重要性不言而喻。本文立足国民营养改善的需求，以大量文献资料为参考，从粮食安全的“质”与“量”的变化和国民健康状况的历史变化入手，对食物链源头即粮食的源头供给和肥料营养供给作用进行分析、阐述，以期为我国农业生产理念和肥料产业的创新提供思路与借鉴。
1
我国粮食安全发展历程
1.1
粮食数量持续增长
人均粮食占有量400 kg，这是国际公认的粮食安全线。
1949年，我国人口数量为5.42亿，粮食总产量113 180 kt，人均粮食占有量209 kg；1972年，世界性“粮食危机”爆发，彼时的中国近10亿人口，人均粮食占有量不足300 kg，引发了国际担忧：“人多地少的中国，如何养活10亿人口？”……
半个世纪间，我国国民经济发展和科技研发应用水平快速提升，伴随着人口数量增长的同时，粮食和重要农产品的稳定安全供给能力也在持续增强：1975年，人均粮食占有量为310.5 kg；2000年，人均粮食占有量为366.04 kg；2008年，人均粮食占有量超过400 kg；2012年起，人均粮食占有量持续保持在450 kg以上；2023年，我国人口数量达到14.1亿，粮食总产量695 400 kt，人均粮食占有量493 kg左右，远高于国际公认的粮食安全线[12]。2024年，我国粮食产量已经实现“二十”连增，口粮实现完全自给，谷物自给率保持在95%以上[13]，我国粮食安全水平已处于历史最好时期，见图 1和图 2。
图 1
图 2
1.2
粮食品类日益丰富
在粮食作物供给能力持续提升的同时，我国粮食的供给结构也在发生着变化。
新中国成立初期，小麦、稻谷和玉米是主要的粮食作物，种植面积占据了绝大部分的耕地。随着经济发展、国家实力和人民生活水平的提高，我国居民的食物消费结构和需求呈现出新的现象，除了小麦、稻谷和玉米等重要农产品之外，薯类、豆类、油料作物、蔬菜、食用菌、鲜瓜果等在粮食中的产量和消费量所占比例在提高；同时，肉类、水产品、蛋类、奶类、食用植物油的产量与消费量在食物结构中的地位也越来越重要。
国家统计局可统计数据显示，2013—2021年，全国蔬菜及食用菌、水果、油料、肉类、禽蛋、奶类、水产品等食物产量总体不断增加[14](见表 1)，同时居民消费能力也保持了总体增长(见图 3)。
表 1
|
食物类别 |
产量年均增长率/% |
|
蔬菜及食用菌 |
2.6 |
|
水果 |
3.4 |
|
油料 |
1.1 |
|
肉类 |
0.7 |
|
禽蛋类 |
1.9 |
|
奶类 |
1.5 |
|
水产类 |
2.2 |
图 3
同时，在我国居民直接消费食物的结构变化中，蔬菜瓜果、蛋奶肉类等食物的消费量持续上涨，而谷物粮食、植物油类的消费量下降，居民的膳食习惯也逐渐从单一主食向多样化及均衡化营养过渡。根据国家统计局2023年的数据，我国城乡居民食品消费品质不断提高，主食消费量明显减少，肉蛋奶消费量显著增加，膳食结构更趋合理。2023年我国城乡居民人均粮食消费量为137.7 kg，比1956年下降了34.3%；人均猪肉、牛羊肉和蛋类消费量分别比1956年增长了6.75、2.0、12.45倍；人均奶类消费量比1985年增长了10.9倍。稻谷、小麦作为重要的口粮作物，由于居民膳食结构的优化，虽然占比有所下降，但总产量仍处于历史高位，合计占粮食产量的49.4%，占粮食产量比重总体保持稳定，库存充裕、供应充足[15-16]。
蔬菜瓜果等是城乡居民获取维生素的主要来源，动物性食品是城乡居民获取蛋白质和脂肪的重要来源，水产品是重要的动物性蛋白来源，我国多元化食物品类的全面发展，使食物供给更加丰富，让居民的“菜篮子”“果盘子”和“油瓶子”“肉盘子”更加充实，极大丰富了城乡居民的物质生活，让居民饮食营养状况得到很大改善，在保障我国粮食安全、维护全民营养健康方面起着不可或缺的作用。
2
我国居民健康现状
健康是人类从事一切经济、社会活动的前提，是民族昌盛和国家富强的重要标志，也是人类发展无尽追求的目标[17]。
2.1
健康水平整体提升
按照世界卫生组织(WHO)确定的标准，衡量一个国家居民健康水平主要有三大指标，一是人均期望寿命，二是婴幼儿死亡率，三是孕产妇死亡率，指标内涵包括身高、体重、营养状况、死因死亡率、发病率及患病率、残疾等。与75年前相比，当前我国居民主要健康指标均发生了较大的变化(见表 2)，居民人均寿命大大延长，婴幼儿、孕产妇死亡率呈现数量级下降。上述三大指标的变化，标志着我国居民的健康水平得到了较大提高[18-19]。
表 2
我国人均预期寿命、婴幼儿死亡率、孕产妇死亡率变化情况
|
年份 |
人均预期寿命/岁 |
婴幼儿死亡率/% |
孕产妇死亡率/% |
|
1949年前后 |
35 |
20 |
1.5 |
|
2011年 |
73 |
1.21 |
0.026 1 |
|
2023年 |
78.6 |
0.45 |
0.0151 |
民以食为天，食以安为先，营养是关键。联合国17个可持续发展目标中，健康领域唯一的直接指标就是营养。在国家卫生行政部门的组织协调下，我国于1959年、1982年、1992年、2002年、2010—2012年、2015—2017年分别进行了6次全国营养调查。6次调查结果比较真实客观地反映了国民营养与健康在社会发展不同历史时期的状况与长期变化趋势[20]。调查显示，我国居民的健康指标随着居民膳食供给和膳食结构的变化逐渐发生了变化，如居民体格发育问题得到持续改善，1992—2002年，6~17岁各个年龄组的男孩和女孩身高分别增加3.3 cm和3.4 cm；2002—2020年, 成年人身高、体重仍保持改善和增加(见图 4和图 5)；尤其值得关注的是，6岁以下儿童生长迟缓率、低体重率均已实现2020年国家规划目标，特别是农村儿童生长迟缓问题已得到根本改善，说明营养不足不再是影响国民健康的主要问题[21]。
图 4
图 5
此外，在居民营养状况改善、健康水平提升的同时，我国居民的疾病和死亡谱也发生了重大变化。新中国成立初期比较突出的天花、脊髓灰质炎、疟疾等一些肆虐千年的重大传染性疾病已陆续消灭和消除；营养不足和过度劳累导致的身体疾病逐渐降低；一些地方病，如克山病、大骨节病、地方性氟中毒等也得到了较好的控制，这是我国在提高居民健康水平方面取得的巨大成果[22-23]。
2.2
新的健康问题凸显
在社会发展过程中，其他类型的疾病开始出现并逐渐成为我国重要的公共卫生问题，如以肥胖症、恶性肿瘤以及高血压、糖尿病、血脂异常等各类心脑血管疾病为代表的慢病发病率逐年上升，甚至出现了年轻化的趋势[6, 8, 24]。《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》显示，我国人口中，超重及肥胖症人口有5.07亿(全球第一)，高血压患者人口达到4.2亿，血脂异常人口有2亿，脂肪肝人口有1.2亿，糖尿病人口有1.21亿(全球第一)；最近10年，我国肿瘤登记地区男女合计的癌症发病率每年平均上升3.79%。以超重和肥胖为例，在我国城乡各年龄组居民超重肥胖率指标中，成年居民超重肥胖率超过50%；青少年的超重、肥胖呈明显增加趋势，6~17岁的儿童青少年超重肥胖率接近20%(见表 3)；6岁以下的儿童达到10%。虽然城市居民与农村居民在慢病患病率方面略有差异，但整体上都呈现高发的态势[21]。
表 3
|
年份 |
成人 |
|
6~17岁儿童青少年 |
|
超重率 |
肥胖率 |
超重率 |
肥胖率 |
|
2002 |
22.8 |
7.1 |
|
4.5 |
2.1 |
|
2015 |
30.1 |
11.9 |
|
9.6 |
6.4 |
|
2020 |
34.3 |
16.4 |
|
11.1 |
7.9 |
我国成年人慢病患病率由高到低依次为高血压、糖尿病、高胆固醇血症等。徐华锋等[25]对我国18岁以上居民的慢病情况的调查显示，虽然人们对健康的重视度在逐渐提升，但大多数人对慢病的认识以及在患病后的知晓率、治疗率和控制率方面并不十分理想，见表 4。
表 4
|
疾病 |
患病率 |
知晓率 |
治疗率 |
控制率 |
治疗控制率 |
|
高血压 |
27.5 |
41.0 |
34.9 |
11.0 |
31.5 |
|
糖尿病 |
11.9 |
38.0 |
34.1 |
33.1 |
31.5 |
进一步的数据显示，心脏病、恶性肿瘤、心脑血管疾病、呼吸系统疾病以及内分泌、营养和代谢疾病等慢病在城乡居民的主要疾病死亡率中均占主导地位[25]。《中国心血管健康与疾病报告2023》显示，2021年我国城乡居民疾病死亡构成比中，仅心血管疾病一项就占农村、城市人口死因的48.98%和47.35%，死亡率持续居于首位[26]。可见，无论从现实还是认知上，我国慢病防控形势总体严峻。
2.3
慢病对经济发展的影响
慢病常需长期甚至终身治疗，不仅对人体健康影响显著，且社会负担增加明显，严重吞噬着我国经济发展的成果[8, 27]。
国家卫生费用支出和居民医疗保健支出是观测国家和居民维护健康支出的重要经济指标。2010—2020年，我国卫生费用年平均增幅为12.38%，心脑血管疾病、恶性肿瘤、慢性呼吸系统疾病、糖尿病等慢病支出已占我国医保基金支出的一半以上[28]。而在2010年，仅超重和肥胖造成的直接经济负担就占高血压、冠心病、糖尿病、脑血管病和癌症等5种主要慢病直接经济负担的42.9%，占2010年卫生总费用的4.5%[29]。
以2000年和2020年我国城乡居民医疗保健支出对比为参照(见图 6和图 7)，我国城镇居民2020年人均医疗保健支出较2000年增长了582.87%，我国农村居民2020年人均医疗保健支出较2000年增长了1 518.15%[25]，健康问题及与其相应的医疗保健支出对我国居民和社会经济发展的影响越来越大。慢病对居民健康及家庭经济负担上的伤害，在农村表现得更加突出，甚至使许多慢病家庭生活陷于困境。在缺少有效控制措施的前提下，农村地区因为慢病致贫、返贫的家庭也越来越多[30]。
图 6
我国城镇和农村居民2000年、2020年人均医疗保健支出
图 7
我国城镇和农村居民人均医疗保健支出占其消费性支出的比例
虽然医疗保健支出与我国居民的支付能力、健康意识和健康素养的提升有很大关系，但不可否认的是，慢病发病率的总体上升和快速增长是造成我国医疗保健支出负担加重的一个非常重要的因素，并且对我国居民健康和经济发展均带来了挑战和压力。当前我国正在进入一个以社会总健康价值最大化为目标的新的经济发展模式，重视国民健康水平改善、推动健康中国建设，对促进宏观经济高质量发展将起到举足轻重的作用[25, 31-32]。
3
慢病与“隐性饥饿”
造成慢病的原因比较复杂，除了遗传、职业环境等因素外，还包括不健康的饮食、吸烟、有害饮酒、体力活动不足和空气污染等[33-34]，其中饮食问题是一个极其重要的原因[35-37]。研究表明，大约有70%的慢病与“隐性饥饿”有关，包括肥胖症、心血管疾病、糖尿病、视力下降、免疫力下降等[38-39]。《中国居民膳食指南科学研究报告(2021)》也指出，“隐性饥饿”是导致中国慢病，如心血管疾病、脑卒中、慢性肾病患者越来越多的重要原因。
这个问题引起了很多人的困惑，为什么现在我们粮食富足了，从“吃不饱”到吃得饱、吃得好、吃得丰富了，健康问题反而出现了？“隐性饥饿”又是什么？
根据联合国粮食及农业组织对“隐性饥饿”的定义，“隐性饥饿”是指机体由于营养不平衡或者缺乏某种维生素及人体必需的矿物质，或同时存在其他营养成分的过度摄入，从而产生隐蔽性营养需求的饥饿症状[40]。与以往对“饥饿”的定义不同，“饥饿“主要关乎饱腹水平，而“隐性饥饿”主要是指营养元素的不平衡表现[41]。
造成“隐性饥饿”的因素包括膳食摄入不足、饮食结构不平衡、中微量元素缺乏、传染病、营养吸收障碍等[42]，目前我国居民出现“隐性饥饿”的重要生活原因之一是饮食结构不平衡。《中国心血管健康与疾病报告2023》关于2015—2017年中国居民营养与健康状况监测数据显示，中国居民膳食结构不尽合理，红肉和含糖饮料摄入量超过中国居民膳食指南的推荐摄入量，而其他食物则低于推荐摄入量，其中全谷物和水果的日均摄入量仅为推荐摄入量的一半，蔬菜和水果摄入不足的比例为44.7%[26]。同时需高度重视的是，在膳食结构不合理的指标中，中国成人微量营养素的摄入严重不足，如有90%以上的人群膳食钙摄入量没有达到推荐摄入量，50%以上的人群锌摄入量没有达到推荐摄入量，70%以上的人群维生素C摄入量没有达到推荐摄入量[43]。
饮食结构不合理和营养摄入不均衡对人体所带来的健康问题是长期且影响巨大的[44]，其导致的“隐性饥饿”及引发的慢病爆发和随之而来的社会和经济问题已成为中国乃至世界未来亟待解决的共性问题。据估计，全球有20亿人受到微量营养素缺乏症或“隐性饥饿”的影响，实际总数可能更大。其中，仅缺铁一项就占全球人口的50%以上；在非洲大陆，缺少钙、锌、硒、碘和铁的人分别占其总人口的54%、40%、28%、19%和5%；在英国，因“隐性饥饿”住院治疗的人数较以往有所增加，英格兰东部一所学校的校长也反映了营养不良给儿童在学习上带来的困境[39, 45]。
当前，对于造成“隐性饥饿”的原因有不同见解，主要包括以下几种：
(1) 居民膳食结构和生活方式的变化。如中国居民对水果、蛋类、奶制品、水产等食物的消费量低于《中国居民膳食指南》推荐摄入量；而谷薯类、畜禽肉类、大豆、坚果以及油盐等食物的摄入量偏高[42]，导致一方面营养过剩，另一方面微量营养素摄入不足，从而引发各类慢病。
(2) 我国农业生产方式变化。如由于应对作物长期高量产出的需求而带来的“稀释效应”[46]，高强度施肥以及对土壤中的中微量元素“取走未还”[47]，过量施肥导致作物品质降低[48]，不合理施肥使土壤中营养元素之间产生拮抗而制约了作物对养分的吸收利用等[49]，导致人群食用的农产品营养成分不足，从而影响了人体健康。
(3) 食品加工方式的变化。随着消费者对食物“好看”“好吃”诉求的提高，食品过度加工和长期精细主食加工方式[50]，食品加工中高温加热脱水、过多使用添加剂[51]等，不仅对食品中的营养成分产生影响，还可能会给消费者带来如代谢紊乱、肥胖超重等健康问题。
(4) 气候变化引发农产品中营养成分的下降。较新的研究表明，全球气候变化正在加速植物中营养物质的流失，且未来环境趋势将不断加剧这一过程[52]。中国农业大学经济管理学院教授樊胜根在2024年“中国作物营养强化项目20周年学术会议”上的报告提出，如果全球碳排放量继续以目前的速率增长，在30年内，小麦、水稻、玉米、大豆和土豆等主要作物所含的蛋白质、铁和锌等核心营养素在全球人均水平上的可用性将依次下降19%、14.4%和14.6%。这一研究发现提醒人类，气候变化导致的食物危机将给人类健康带来巨大的挑战。
多种因素引发的“隐性饥饿”及慢病问题对粮食供应系统提出了挑战，尤其对于我国这样的人口大国在“粮食安全”战略和主要农产品保持持续增产的大形势下，寻找解决“隐性饥饿”的方案就显得更加重要。
4
慢病与营养
当前，我国居民健康面临着“能量过剩”和“微量营养素缺乏”的双重挑战[41]，防止因食物营养摄入不平衡带来的健康问题已成为当下亟需研究的课题，这就不得不从人类的营养需求本质以及来源特点来探讨该问题。
人类必需的营养素分为宏量营养素(蛋白质、脂肪、碳水化合物)和微量营养素(矿物质、维生素)，这些物质都以不同的方式存在于动植物食品中，人体需要从食物中不断地摄取和补充所需的营养素来维持生命，这些营养素既是人们赖以生存的物质，又是组成食品的主要化学成分[53]。“五谷杂粮”是膳食的基础，是营养素的基础载体，营养素主要来源于土壤。土壤为人类提供了90%~95%的食物来源，作物通过对土壤“养分库”中所需营养元素的吸收、利用和转化，形成农产品的产量和品质[54-56]，进而影响人体健康。
4.1
植物营养需求特点
已知植物必需的17种营养元素有碳、氧、氢、氮、钾、磷、钙、镁、硫、氯、铁、锰、硼、铜、锌、钼、镍等，它们具有不可替代性，在作物生长过程中分别发挥着不同的作用，如作为细胞结构物质的组成成分，作为酶、辅酶的成分或激活剂等。它们在植物体内含量虽然悬殊，但共同遵循少量有效、适量最佳、过量有害的原则[57]。
新陈代谢是植物的基本生命活动，包括初生代谢和次生代谢[58]。作物初生代谢和次生代谢都充分运转，才能产出外观良好、营养全面、品质和风味优良的农产品。初生代谢产物包括糖类、脂类、萜类、蛋白质、维生素、纤维素等，是人类从植物中提取的营养物质的主要来源，是人类重要的能量来源；次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、甾体及其苷、生物碱等，是作物品质物质和风味物质的重要来源。食物发挥“调节人体机能”功能的主要体现就在植物的次生代谢成分上，如大豆中的异黄酮类成分是大豆中的主要次生代谢产物，具有抗肿瘤、降血脂及雌激素样作用等；西红柿中的番茄红素作为萜类化合物，具有抗氧化、清除自由基的作用[59]。
植物完成完整的新陈代谢过程需要全面又适宜的营养元素的参与。氮、磷、钾“三要素”在作物的初生代谢中起着关键的作用。氮元素是植物体内如蛋白质等众多有机化合物的重要组分和遗传物质基础；磷元素是核酸、磷脂、核苷酸、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、各种酶的重要组分，参与植物体内碳水化合物、氮素、脂肪等的代谢活动；钾元素具有促进作物光合作用、蛋白质合成、激活酶活性、增强作物抗逆性等功能[57]。
植物开启并运转次生代谢所需的众多代谢调节、信号转导和防御物质的合成均与各种营养元素相关，与中微量元素更是密切相关。中量元素是次生代谢开启和运转不可缺少的元素，如硫可在植物体内生成蛋氨酸，促进乙烯的形成；钙作为第二信使可激活植物细胞的抗性基因；镁参与光合作用、糖醇解、三羧酸循环的磷酸化过程以及酶促反应和代谢产物的运输。而微量元素则作为细胞酶和辅酶的组成成分参与植物体酶的合成和代谢的全过程，如铜、铁、锰、锌等4种元素是超氧化物歧化酶(SOD)的金属辅酶，SOD是植物防御反应的第一道防线，是植物体中重要的活性蛋白酶，对人体健康的意义重大。植物源的SOD能够消除自由基，其在人体中的活性越大，人的免疫力就越强。如果土壤和植物中缺乏铜、铁、锰、锌等离子，植物体就不可能生成SOD[54]。
从养分供给上来说，有些元素虽然不是作物必需的元素，但对人体健康却至关重要，如硒是植物生长的有益但非必需元素，它可以促进植物的生长发育，提高植物的抗氧化能力，参与植物的代谢过程。对于人体来说，硒就是“生命保护剂”，缺硒会导致视力障碍、神经症状、不可逆的进行性脑病，硒也与克山病、大骨节病等多种疾病有关；硒中毒会导致脱发、指(趾)甲脱落、肝硬化、贫血等疾病；适量的硒能够参与人体蛋白质的合成，能够起到预防疾病、抑制心血管疾病和癌症等一些特定疾病的作用[60-61]。最新研究还发现，硒可通过抑制铁死亡促进脊髓损伤后的神经功能恢复[62]。
因此，从植物营养需求特点和作为膳食基础的特点来说，作物得到全面而充分的营养是人类健康的基本保障。
4.2
人体营养平衡的重要性
人体对营养元素的需要量和配比与植物不同，人体所需的营养元素除了氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁等11种必需的大中量元素外，还需60多种微量元素，如铁、铜、锌、锰、钴、钒、铬、钼、硒、碘等。各营养元素与人体机体的健康密切相关，缺乏或者摄入过多都会引起生理疾病[63-64]。
细胞是人体最小的生命体，生命体的物质和能量传递顺序为分子—细胞—组织—器官—系统—整个生命体[54]。生命体的质量与细胞的营养环境密切相关，但响应表现滞后，通常当人体营养素在体内的储备量下降或过量时，初期无任何不适感觉或临床表现，但是身体可能已经开始出现生化异常或生理功能的改变，会出现如组织局部受损、溃疡或炎症等症状。例如，当孕妇出现缺铁性贫血和维生素缺乏症时，自身虽然感受不明显，但可能会因为组织潜在受损或炎症而影响遗传潜能表达，造成婴儿出生缺陷及发育性残疾，甚至增加儿童和孕妇的死亡率。当人体因营养素失衡在临床上已出现营养缺乏症或慢病时，诸如糖尿病、高血压、心脏病等疾病，此时身体可能已发生了器官组织的病变[54, 65]。
可见，营养失衡对生命体的伤害往往是悄无声息但破坏性极大的。现代医学证明，通过营养修复，人类有机会实现身体的康复。在临床营养学上，多个案例显示了营养干预的积极作用，雒培琳等[66]、Parekh等[67]研究利用营养素对慢病人群进行多元化、个体化的干预，均在不同程度上改善了病人的营养状况，减轻了疾病困扰，提升了健康水平。
人体细胞修复需要时间，根据机体功能不同，细胞的生命周期不同，人体大部分细胞组织经过6个月会被更新，1年左右身体98%的细胞会被更新一遍，但是有一些人体器官代谢更新周期较长，如肌肉、骨骼更新需2~7年，而脑与骨髓里的神经细胞的修复需要几十年才能完成。营养调节的作用就是提供细胞所需营养物质，并保证充足的时间和足够的量，人体就会启动自我修复[54]。
当前社会对慢病的治疗认知和使用方案多为药物治疗，药物的作用较快，可以通过干预人体的生理和生化过程，定向阻断一两个代谢过程，达到“控制”治疗效果[68-69]。但是慢病主要是营养失衡导致的，需要的不是药，而是细胞营养，药物的成分非细胞修复所需的营养，无法从根源上改善细胞的营养状况，也就无法从根源上解决人体的慢病问题。
因此，从影响人体健康的营养因素来看，营养平衡是健康的根本；从疾病治疗的角度来看，营养治疗和营养品质更为重要；从社会经济学角度来看，营养预防大于营养治疗。
4.3
营养改善的农业方案
我国慢病防治工作历经近70年的发展，经历了从关注疾病到关注危险因素，从“重在治疗”到“重视预防”等几个过程，做了大量的工作，在实施过程中完成了多个成功案例，但防控效果总体上仍然存在“医防脱节”“重治疗轻预防”“模式不完善”“家庭自我管理营养依从性较差”等情况，并未能实现有效的根源性改善效果[6, 8, 24, 70]。
从世界范围来看，为改善普遍的“隐性饥饿”问题，在国家和国际组织层面上大致采取了食物强化、工业强化、食物增补及食品多元化等策略，这些策略虽然在部分发达国家取得了成果，但普遍认为这些方法均存在缺陷，尤其不适合广大发展中国家和贫困地区。发达国家在国家层面取得成功的策略还包括农艺措施，例如芬兰通过农田施用富硒肥，成功提高了食品作物中硒含量和公众日均硒摄入量，从而提高了全民血清中的硒含量；土耳其通过施用富锌肥等农艺措施来解决农业土壤和主要粮食作物中锌缺乏的问题[39]。这种通过农业方案来解决“隐性饥饿”问题相对来说比较经济，尤其对于发展中国家和贫困地区，传统育种工程和农艺强化，如围绕土壤施肥技术改良的新技术、新产品等创新应用，是一种现实的、经济的和可持续发展的方法。
农作物营养的最终目的是营养人体，从食物链营养传递规律上来说，食物的质量决定了营养的质量，营养的质量决定了细胞的质量，进而决定了组织的质量、器官的质量，最终影响了人的生命和健康的质量。人体健康与农作物生产及生产条件密切相关，如果作物生产链中某个环节出现问题，如土壤污染、养分失衡等，不仅会影响作物的产量、风味口感，同时也会影响以这些作物产品为食物的人类的健康[47, 53]。同样，若能够立足食物链营养供给的传递规律，从农业生产方式和施肥技术上采用对土壤营养环境有利和使作物富营养化的措施，充分发挥营养改善植物和人体健康的有效手段，则能够改善人体疾病状况，从而贡献人体健康[53, 71-72]。
基于此，需重新认识营养与生命的关系，探索营养素、食物和疾病之间的因果关系，即从养分供给的土壤和肥料等方面出发，探索其与植物、动物及人体的互动关系。
5
肥料与国民健康
5.1
肥料的产业贡献
20世纪以后，世界人口急速增长，从1900年到2023年，世界人口由15亿增长至78.98亿。人口数量的增长，加剧了对能源、粮食、环境等资源的消耗[73-74]，使得“粮食安全”成为中国乃至世界各国都极其重要的战略要务。
化肥的出现和广泛应用为解决世界和中国的粮食需求做出了积极的贡献，尤其是像我国这样的人口大国，实现了用世界1/10的耕地、6%的水资源、27%的化肥，生产了世界1/5的谷物、1/4的肉类、1/3的水果，养活了世界1/5的人口，真正实现了“中国的粮食安全”(见图 1、图 8)[75-76]。
图 8
1949—2023年我国粮食总产量与化肥施用总量趋势
肥料是粮食的“粮食”，为作物生长提供必需的养分，是农业高效生产和提高作物产量、品质的重要保障。我国化肥工业的发展与粮食安全和人口数量增长之间存在着正相关性(见图 9)。1949年，我国化肥工业的基础几乎为零。为支持农业生产，我国化肥以“两条腿走路”，经过75年的科技革新，目前已成为全球最大的氮肥、磷肥生产国，自然资源不足的钾肥实现了50%自给自足[12]。这个历程是保障我国粮食安全水平提升的科技过程，也是国民营养水平提升的科技历程，为保障我国人民的健康夯实了物质基础，是新中国人民政府引进与创新结合、集全国之力办大事解决人民吃饱吃好、国民经济稳固的成功范例[77]。
图 9
1949—2023年我国人口数量、化肥施用总量与粮食总产量比值趋势
5.2
肥料的产业课题
在我国农业经济高速发展的过程中，在集中力量解决粮食安全问题的同时，也出现了一些新情况。如长期的高投入、高产出的高强度农业生产方式以及粗放的农业生产管理方式等，也带来了肥料利用率不高、环境过载压力过大、土壤地力下降、农产品营养品质下降等产业问题。这些问题，不仅与肥料产业的健康发展相关，更与国民健康密切相关。
5.2.1
肥料利用率不高
李玉浩等[78]对1988—2019年我国玉米、水稻和小麦等三大粮食作物产量、基础地力贡献率的时空变化情况及其影响因素进行的研究显示，30多年来，由于我国农业制度的变化，极大地调动了农民提高土壤肥力及粮食产量的积极性，化肥用量快速增加，使得土壤养分持续增加，保障了粮食的持续增产。但是在化肥使用过程中，除去土壤自身问题的影响，出现了如化肥用量过大、无机肥与有机肥搭配不合理、氮磷钾肥配施不合理、大量元素与中微量元素配施不合理等问题，从而导致出现土壤次生盐渍化、肥料利用率低下、农业面源污染等情况[79-82]。
由于我国肥料长期定位试验网络建设和数据利用的局限性[83]，难以对肥料利用率的历史演变进行系统而全面的展示。笔者尝试用我国历年粮食总产量与肥料施用总量的比值来展示肥料对粮食的贡献率，从侧面论证肥料利用率的问题。参考国家统计局的数据，笔者对我国在1980—2020年不同时段的粮食总产量与肥料对粮食贡献率的走势进行了分析，见图 10。由图 10可以发现，1980年以后，肥料对粮食的贡献率开始逐渐下降，2000—2015年间降至低位，2015年后开始出现缓慢提升，但仍低于二十世纪八九十年代的水平。
图 10
1980—2020年我国粮食总产量、粮食总产量与化肥施用总量比值趋势
这个结论与张福锁等[84]对全国粮食主产区主要粮食作物水稻、小麦和玉米进行的1 333个田间试验结果基本吻合, 在试验中发现上述几种作物的氮肥利用率远低于国际水平，与20世纪80年代相比呈下降趋势。由此可见，肥料利用率低的问题可能并非“与生俱来”，造成肥料利用率低的主要原因包括高产农田过量施肥[85]、忽视土壤和环境养分的利用、作物产量潜力未得到充分发挥以及养分损失未能得到有效阻控等。肥料过量施用不仅表现在大田作物上，在经济作物上更加明显。黄绍文等[86]的研究表明，我国蔬菜化肥养分用量平均为1 092.0 kg/hm2，是全国农作物化肥养分用量的3.3倍。
过量施肥与肥料利用率低的正相关性在粮食总产量的历史比对中已得到明显体现。笔者对1980—2020年我国粮食总产量和单位粮食产量的化肥使用量做了趋势比对，见图 11。从图 11可知，2000—2015年，单位粮食产量的肥料使用量较其他年份高，但是粮食总产量与单位粮食产量的化肥使用量并不一定呈正相关性，这与图 10显示的肥料贡献率问题相吻合。
图 11
1980—2020年我国粮食总产量与单位粮食产量的化肥施用量趋势
综合分析图 10和图 11可知，2015年后，随着单位粮食产量的肥料施用量的下降，肥料对粮食的贡献率开始缓慢上升，这可能是国家实施肥料“减施增效”政策的效果呈现[77]；此外，众多科学家从植物营养学、土壤学、农学等多学科联合攻关入手，在提高作物产量和养分利用效率、协调作物高产与环境保护上开展了诸多工作，较大地提高了肥料利用率[78-81]。但在总体效果上，我国常年化肥用量仍占世界化肥消费量的30%左右；单位耕地面积的化肥用量是世界水平的3倍，是欧美国家的2.5倍；肥料利用率偏低，其中氮的利用率为40%，磷的利用率为10%~20%，钾的利用率为35%~50%，远低于发达国家的水平[87](见图 12，数据来自联合国粮农组织网站)，且有近50%的肥料滞留在了环境中，带来了环境污染的风险[88]以及土壤和作物健康的问题，进而可能会影响人体健康。
图 12
2014—2022年中国与日本及欧美主要国家单位粮食产量的用肥量对比
5.2.2
耕地质量退化，缺素现象严重
耕地土壤作为作物的“养分库”，是确保国家粮食安全的基础保障。土壤提供作物生长发育所需的各种营养成分，同时，土壤容重、酸碱度以及水分、有机质、矿质元素含量和一些特殊微生物数量等都会直接影响农产品的产量和品质[54-56, 89]，进而影响人体健康。
汤勇华等[90]的研究指出，30多年来，我国三大粮食作物的平均基础地力贡献率仅为53.1%，比欧美国家的低了约20%。国家统计局数据显示，我国部分地区生态环境脆弱，区域性耕地土壤退化加重[91]，出现如东北黑土地退化、西北土壤盐碱化、华北耕层变浅、南方和东部地区土壤酸化加剧、设施土壤退化等耕地质量问题[92]。
我国耕地质量退化的原因是多方面的，除了耕地资源自然禀赋不匹配外，还与人为活动特别是利用与管理密切相关。主要原因在于我国农业生产经营方式发生了显著变化，追求高产出的同时出现农业生产方式和种植模式不合理、耕地重用轻养等现象，如长期大量施肥用药、连作等[92-93]，耕地的高强度利用、超负荷运行的代价是带来质量退化、地力透支及土壤严重污染等负面问题[94]。
杜艳娣[95]对朝阳县自1982年到2007年近25年不同类型土壤有机质变化情况进行的分析显示，不同类型的土壤有机质含量处于非常明显的缺乏状态，而且2007年较1982年更严重。唐宁等[96]的研究也表明，长期连作带来了土壤质量下降、某些重金属含量增加、土壤物种丰富度降低等问题。同时因作物高产品种的大量应用，长期单一、高量施肥，且作物残茬不还田，导致一些中微量元素缺乏。钟爽等[97]对1~15年不同连作年限的蕉园土壤中微量元素养分的动态变化进行了研究，结果表明，长期连作改变了蕉园土壤中微量营养元素的比例，导致土壤中硫、硼、铜和锌等元素的比例失调，从而影响香蕉的生长。该问题在当前农业生产中已成为突出问题，数据显示，当前缺素面积是耕地面积的3.61倍，而土壤磷素的积累更加剧了养分的失衡，严重影响作物产量、品质和土壤质量[98-100]。
虽然我国农用化肥使用量基本于2016年开始进入下降通道，但仍处于绝对高位，带来的农业面源污染问题会导致耕地土壤污染、土壤结构破坏、土壤酸化等，尤其是土壤缺素问题严重，且长期未得到足够的重视[100]，这些都使农业生产成本上升，农产品产量和质量下降，威胁居民食品健康[90, 101]。
5.2.3
农产品内在营养指标下降
一直以来，我国对农产品营养变化的研究较少，也鲜有对单一作物进行营养的长期定位研究，但世界上一些国家对农产品营养跟踪调查和田间试验的结果，可为农产品内在营养成分的变化情况提供参考。Davies对美国农业部从1950—1999年记录的43种园艺作物营养成分和产量(去除历史数据中的不确定成分)进行跟踪调研，发现这些果蔬的蛋白质、钙、磷、铁、核黄素(维生素B2)和维生素C含量在过去半个世纪以来“的确下滑”了，如红萝卜中的铁含量下降24%；茄子中的维生素C含量下降44%；西兰花中的钙含量下降37%；冬瓜中的核红素含量大幅下降52%，平均而言，与50年前相比下滑5%~40%[102]。
另外，英国Rothamsted试验农场证实了英国小麦中锌、铁、铜、镁等元素的含量在1845—1967年间是稳定的，此后的数据显示微量元素含量下降比较明显[103](见表 5)。
表 5
英国Rothamsted试验农场1845—2005年小麦中Zn、Fe、Cu、Mg含量的变化 mg/kg
|
年份 |
w(Zn) |
w(Fe) |
w(Cu) |
w(Mg) |
|
1845—1967 |
33.2 |
38.2 |
5.4 |
1 138 |
|
1968—2005 |
24.3 |
29.7 |
3.9 |
924 |
Garvin等[104]对美国冬小麦的研究发现，不同取样点的样本中检测的锌含量下降，并在不同品种的小麦中检测到铁元素和硒元素含量减少；Ekholm等[105]在针对芬兰农产品的研究中，收集分析了茄子、洋葱、大蒜、甜椒等16种蔬菜以及桃子、草莓、苹果、橘子等16种水果及其制品中微量营养素的含量，结果表明：大部分农产品中的钾、钙、铜、铝、锌、锰、镉、镍等微量营养素含量在1970—2000年的30年间出现了明显的下降，铁、钴的含量基本不变，而硒的含量增加(这与芬兰在1985年开始使用硒强化肥料有关)。
上述数据意味着人体从食物中摄取的营养物质越来越贫乏，而人体因微量元素摄入不足带来的健康问题是客观存在的。营养元素缺乏的农业原因，除了全球气温升高带来的作物营养流失外，充足的试验证据显示，通过选育、施肥和农技管理等方式，在不断提高食物能量密度的同时[106-108]，农作物中微量营养素和植物化学物质含量在不断下降。这与刘鹏等[46]的“稀释效应”研究结论相同，即单位体积农作物产品中部分营养素，尤其是微量营养素含量已下降，其结果是人们吃同样分量的食物，却不能获得同样营养的摄入。
《中国居民膳食营养素参考摄入量速查手册》(2013版)数据显示，2000—2011年，我国居民从膳食中获取的钙与镁的量大幅下滑。WHO公布人类目前有450种疾病与缺钙有直接的关系，在135种基础疾病中，有106种与缺钙有关[4]。
虽然目前我国鲜有对农产品内在品质与我国居民健康的直接研究，但是从某些作物中营养素的流失情况分析，可“窥一斑而见全豹”。如以钙和镁在花椰菜营养成分中的变化为例，多个研究的分析和验证认为，与以往相比，花椰菜中的钙和镁含量有所下降，Davis[109]认为花椰菜中钙和镁含量的下降是典型的“基因稀释”效应。另有研究认为，农艺措施如施肥管理是影响作物营养素含量的重要原因，在过量施肥条件下，作物不同营养元素之间会相互影响并破坏植株体内的离子动态平衡，造成作物营养失衡，进而危害植株生长发育。在花椰菜的种植管理中，过量施钾会显著增加有害物质硝酸盐和亚硝酸盐的含量，且维生素C、锌、铁、钙等营养物质含量下降，导致花椰菜产量和品质同步下降[110]。此外，不同氮钾营养水平对花椰菜采后贮藏期的品质和养分含量也有影响，花椰菜中钙和镁含量的变化趋势与田间管理时氮素供给的量呈负相关[111]。
以黄瓜为例，在施肥管理中，如氮过量供应会导致黄瓜植株中镁等元素的含量降低[112]；磷供应过量会导致黄瓜叶片中钾、钙、镁、铁、锰、铜及锌的含量降低[113]；过量的钾供应会抑制黄瓜植株对钙、镁、铁、铜及锌元素的吸收[49]。
早在1988年，美国国会军医报告“美国人口中前十大死因与退化性疾病有关，94%死亡原因直接与矿物质和维生素缺乏所引起的退化性疾病有关”[54]。2024年，一篇发表在《Nature Food》上的文章指出，在全球范围内，近几十年来，主食作物的增产解决了许多人的饥饿问题，但是它们不能提供营养所需的足够微量营养素，由此引发的“隐性饥饿”以及慢病爆发已成为全球共性问题[45]。这些研究表明，在中国慢病高发的当下，尤其是全球气候持续升高，更增加了作物营养流失的风险，应高度关注农产品营养变化与人体健康的密切关系，积极通过农业改良措施来改善人类面临的营养与健康问题。
6
粮食安全和国民健康背景下的肥料产业
“国民健康”背景下的“粮食安全”的内涵具有多维性，如数量安全、质量安全、营养安全等，其中粮食的数量安全是实现其他维度安全的前提和基础[1]，粮食的质量与营养安全则是影响居民家庭幸福指数和国家经济的现实问题。
全球政治冲突、资源短缺、能源危机、生态失衡、气候异常、环境污染、疫情风险、粮食危机、健康危机等问题已成为当今时代的“新常态”，这些都是粮食不安全和营养不良背后的主要因素，粮食安全仍然是“牵一发而动全身”的战略性问题[114-115]。联合国粮农组织做出预测，到2030年，全世界预计仍将有近6亿人面临饥饿。在此背景下，我国粮食安全将面临更加复杂和严峻的挑战[116]。因此，在粮食安全与国民健康的双重要求下，亟需创建一个“在安全的基础上吃饱，在健康的基础上吃好”的粮食安全体系和国民健康保障体系。肥料作为植物的营养、食物营养链条上的源头性投入品，通过科学施用保障作物健康和营养丰富，可以在促进和改善国民健康中发挥积极作用[117]。因此，在新时代背景下，肥料产业将面临一场变革和自我变革的创新之旅。
6.1
减施增效是肥料产业转型创新的迫切要求
6.1.1
肥料减施
化肥减施增效是农业绿色发展的必然要求，是肥料产业创新发展的必然选择，也是世界发达国家普遍走过的道路。
从二十世纪七八十年代起，一些代表性国家的化肥使用量开始下降，逐步走上了一条减肥增效、高产高效的发展之路，其中美国、德国、日本及中国的氮磷钾肥施用总量及走势见图 13(数据来自联合国粮农组织网站)。
图 13
1961—2021年主要代表性国家氮磷钾肥施用总量及走势
我国从二十世纪七十年代开始大量施用化肥，2015年化肥总施用量达到历史最高峰(见图 14)，成为全球化肥施用量最高的国家。虽然化肥本身无害，但施用量超过作物需求就会造成资源环境问题以及农产品品质问题。近年来，我国相继实施了“测土配方施肥”“化肥使用量零增长行动”等多项政策和措施，化肥施用量增长趋势在2016年首次出现转折，实现了自1974年以来的首次负增长[77]。
图 14
国家经济发展的阶段性特点和要求不同，决定了我国在当前阶段“减施增效”任务的紧迫性和重要性。从我国当前化肥使用量的变化(见图 14)中可见，当前除了复合肥消费量仍在缓慢增长外，氮肥、磷肥、钾肥的消费量均呈现下降趋势，“减施”效果初现。
6.1.2
肥料增效
自1843年John Lawes在英国建立了世界上第一家过磷酸钙磷肥厂起，至今已近200年，化肥产品创新驱动着化肥产业不断转型升级，经历了初始阶段、低浓度阶段、高浓度阶段，目前已进入绿色高效化肥阶段。绿色高效化肥的基本特征是养分高效、绿色高产，利于“土壤-肥料-植物-环境”的和谐发展[118]。随着我国“双碳”和农业绿色发展战略的实施，再次驱动了肥料产业创新，肥料产品既要实现绿色低碳、生态友好的生产制造，又要确保粮食安全、营养健康，同时还要让土地能够休养生息，保持健康地力，这对化肥产业从原料、制造、生产、流通到施用等各个环节都提出了绿色指标要求。
从化肥本身的生产来看，除了尽可能选择环境友好型的绿色原料，还需在低能耗、低排放的绿色制造路线上探寻新的发展空间[119]，尤其是复合肥，作为我国重要的工业产品和农业消耗品，在近年肥料的使用量趋势中呈持续增量的态势，复合肥产业的发展壮大对我国化工行业绿色经济发展以及下游农业的安全生产和绿色经济发展的影响较大[120]。此外还包括绿色包装、可降解材料、包装密闭性等绿色流通措施，以及建立多元化、社会化服务体系，引导农民正确施肥，提高农民施肥技术的绿色施用措施[121]。
从产品功能上来看，在绿色生态的产业发展要求下，肥料产品创新向养分高效型、固碳培肥型、增效及提高养分转化效率型、养分均衡型以及增值型肥料类别发展[122]；从市场效应上来看，在氮磷钾传统肥料的基础上，涌现出“百花齐放”的新型肥料发展态势，增效/增值肥料、生物刺激素、中微量元素等肥料产业得到关注和发展，产品功能复合化、大肥特肥一体化、施肥机械智能化等渐趋明显，肥料“增效”多样化已显雏形。
6.2
肥料在农业应用创新上的重要性
6.2.1
科学应用是应用创新的基础
长期以来，我国农业生产中，科学应用及应用创新的需求可能更大于产品创新的需求。
首先是科学应用的问题，产品的配方设计和使用应有针对性，应根据不同作物及作物不同生长时期的养分需求规律、不同地区土壤肥力现状及肥料利用率(受养分种类和土壤质地的影响)开发一系列有针对性的肥料配方，并结合肥料配方设计要求，做好养分之间合理的配伍性。例如果树生长过程中，苗期和开花期需要高磷配方，小果期需要高氮配方，大果期需要高氮、高钾配方，果实上色期需要高钾配方等，需求不同，相对应的肥料施用的时间和配方就不同。因此，需要立足最佳平衡施用技术研究，开发和应用适宜的、包括中微量元素在内的均衡型肥料产品和技术等[122]，“良肥”与“良法”相结合才能促进肥料的高效利用[123]。
肥料是植物生长的源头营养投入品，也是土壤生态系统的营养“移民”，其需经过“肥料-土壤-作物-动物/人体”的顺利传递才能发挥其营养的终极价值，因此，探索食物链营养传递规律、提高食物链养分利用效率和养分循环率是当前农业生产领域中的重要课题，即肥料创新最基础、最核心的技术问题，就是需探寻营养元素转化通道、转化效率、转化规律及转化效果等，这是实现肥料科学应用的前提与基础。
其次，外源性营养元素一旦进入土壤这一复杂体系中，各元素之间既可以相互促进，又可能产生拮抗。所以肥料应用还应关注其“肥际效应”，需考虑肥料中各营养元素之间的互动作用，以及施肥对土壤中矿物质营养元素的影响等。如锰是植物生长过程中必需的微量元素，缺锰或锰含量过高都会对植物产生明显的毒害作用，使植物生长发育不良，同时还间接影响其他元素的吸收[124]。锰同时也是人体必需的微量元素，锰不能由人体自制，必须从食物中摄取，且主要从植物性食物中摄取[125]。如主粮中小麦等粮食作物是人体日常锰摄入的主要来源之一，小麦籽粒中的锰含量受磷供应量、土壤酸碱度和土壤有效锰含量等因素的影响，可通过调控肥料使用方案，如优化土壤有效磷含量的合理范畴[126]、调控磷肥的合理使用量[127]来平衡农产品的产量与其中的锰含量，实现作物产量与品质的平衡。此外，还需关注“根际效应”，即施肥对作物根系的影响和养分对植物的调控机理等。
总之，在新的产业背景下，肥料应用不再是以简单的粮食产量提升为目标，还包括提升国民健康背景下的粮食“质量”提升目标，基于该目标，有大量的研究工作需开展，如通过长期定位试验，掌握土壤和作物等的现状及运行规律开展施肥工作。目前学界围绕土壤肥料与肥效等进行了长期肥料定位试验，如研究长期不同施肥制度对土壤的生物学特性及其土壤酶的影响等[128]，但是对单一作物经年施肥养分运行规律的研究相对较少，更鲜有对作物在施肥情况下的营养变化进行长期研究，因此在肥料的应用研究中还需开展如对单一作物的长期定位试验、监测和研究。
6.2.2
肥料产业创新的营养新动能
植物生长需要多种营养元素，科学的肥料供应是作物高产高质的重要保障，不仅事关“粮食安全”，而且决定着人类饮食的营养水平。肥料作为粮食的“粮食”，围绕“隐性饥饿”的现实问题，以及全球气温持续升高带来的营养流失新情况[52]，聚焦于探寻肥料与人体健康的互动关系，是肥料产业转型创新、技术创新的新动能与新机遇。
例如，铁、锌是动植物生长发育必需的营养元素，在新陈代谢中起着十分重要的作用。而人体铁锌缺乏症在世界普遍存在，影响着全球亿万人的健康、生命质量和生产能力，尤其在以谷类为主要膳食结构的发展中国家，铁锌营养不良尤为严重[129]，但是其原因各不相同。
锌是维持人体正常的味觉功能与食欲、促进正常生长发育不可缺少的元素之一，孕妇缺锌可能会导致胎儿畸形，儿童缺锌生长发育会受阻，成年人缺锌机体免疫功能会下降。除此之外，锌与酶的关系极为密切，锌决定并影响着300种以上酶的活性，如碳酸酐酶、羧肽酶、脱氢酶等[130-131]。全世界约有50%的地区土壤缺锌，大量的文献证明，土壤缺锌、作物缺锌与人体缺锌有较高的相关度，食物锌补充的农业解决方案如生物强化和锌肥使用，可以提升作物锌含量，从而改善人体锌缺乏状况[132-135]。
铁的情况则较为复杂，食物中的铁分为血红素铁和非血红素铁，即二价铁和三价铁，人体吸收的主要是二价铁，非血红素铁需先被还原成二价铁后才能被吸收。血红素铁主要来自动物性蛋白，受膳食因素影响较少[136]；非血红素铁主要存在于植物性食物和乳制品中，占膳食铁的绝大部分，因此受膳食因素影响较大[137]。
数据显示，全世界大约40%的耕地面积潜在性缺铁，植物缺铁已成为农业生产中亟待解决的一个重要问题[138]。我国土壤中铁的丰度虽然很高，但其主要是以生物有效性非常低的三价铁的形态存在，特别是在中性和碱性土壤中的溶解性极低，限制了植物从土壤中有效地吸收铁元素，这也是植物缺铁的根源所在[139]。通过常规育种和植物生物技术选育铁营养高效型作物种类和品种，是提高作物中铁含量的重要方法之一，但是常规育种成本较高，生物技术研究不但费用昂贵，随之产生的生物安全问题也充满着争议[140]。因此，在农艺措施中，通常采用外源性补铁来增加作物的铁吸收量，如施用铁肥，包括土壤施用、叶面喷施、种子包衣等方式来提高作物铁素利用率、作物产量和品质等[141-143]。当前，对于铁肥品种的研发及应用具有较强的技术需求，在无机铁肥、有机铁肥、螯合铁肥、生物铁肥、缓释铁肥等品类的应用研究中，越来越关注经济环保型的补铁品类的研发和应用[136, 143]，这些需求都为肥料的创新提供了方向和市场机遇。
此外，其他一些营养元素的研究也显示了中微量元素肥料对于作物和人体健康改善的作用和功能，如作物硒补充[144-145]，钙、铁、锌补充对人体生物有效性的影响[146]等，这些都为肥料创新提供了启发和参考。
但需注意的是，我国耕地面积分布较广，各地区土壤养分情况不同，作物种植情况不同，营养元素在土壤中被吸收和利用的效率也不同，造成营养元素在土壤中的盈缺情况不同。如我国小麦籽粒中铁和锌的含量普遍偏低，部分地区硼和钼含量不足而锰含量偏高，但我国麦田土壤有效铁、锰、铜、锌含量区域变异比较大，铁、锰、锌不足现象主要表现在北方石灰性土壤中，南方麦田供应充足。此外，研究表明，土壤pH与铁、锰、铜、锌、磷、钼等元素以及这些元素彼此之间存在着直接或间接的影响关系，在补充施用铁、锌、硼、钼等微量元素肥料时，应避免营养元素之间的某些反应促使小麦籽粒锰、锌含量过高而带来的负面影响[147]。因此，肥料立足营养补充的技术创新需验证不同剂量要求，根据作物品种、生长环境、土壤物理及生物化学机制和其他要素，优化施肥技术，减少元素之间的拮抗作用，实现养分均衡，才能达到预期目标[145-147]。因此，立足健康需求，“因地制宜、量体裁衣”的科学配方和精准施肥是肥料发挥营养调控作用的根本依据。
6.3
肥料创新的法规支持与制度建设需求
肥料是不可或缺的农业生产资料，肥料使用不当，以及有害物质含量超标等，不仅会带来农产品质量问题，而且会对人体健康构成威胁[148]。2023年，国家市场监督管理总局和农业农村部抽查了6种肥料产品共1 092批次，产品不合格率为11.1%；磷肥、有机肥料和钾肥不合格率较高，分别为33.3%、14.9%和10.0%，主要质量问题在于有机质、总养分含量不足，总砷、总铅、总镉等有毒有害元素含量超标[149]。在我国农业生产中也存在着很多片面追求作物产量对作物施用大量不合格和不恰当肥料的现象，这虽提升了作物生产效率，却带来了农产品的质量隐患[150]。随着肥料市场竞争多样化和产品多元化，肥料技术创新的多面性也随之出现，如肥料生产原料的来源越来越广，甚至含有有害物质的废弃物也被用于生产肥料，有可能带来更多难以预测的食品安全问题和土壤污染风险。
因此，把好肥料质量安全关是农产品安全以及国民健康的前提和基础。重视肥料产品质量的安全管理制度，从源头控制有毒有害物质通过肥料进入土壤和食物链的途径，保障生态环境安全和粮食安全需要相应的法律法规来约束。
标准是尺度，对产业规范和健康发展起到约束和引导作用。目前我国肥料领域的强制性国家标准《肥料中有毒有害物质的限量要求》(GB 38400—2019)[151]规定了肥料中有毒有害物质的限量要求、试验方法和检验规则，从生产端对肥料的质量安全进行了“兜底限制”，以防止污染原料的非预期使用，提高我国肥料安全质量水平，提升生产企业环境保护和资源节约意识，守护农业投入品质量安全底线；而《肥料标识内容和要求》(GB 18382—2021)[152]则统一规范肥料包装袋标识内容，保护消费者的合法权益，适用于所有肥料产品的标识，从流通端进行了约束。
但我国目前尚缺乏肥料使用过程的技术法规约束，还需立足安全底线和以健康为导向，建立标准化、规范化的种植过程管理制度。如蔬菜是容易富集硝酸盐的作物，蔬菜中的硝酸盐在一定条件下可转变为亚硝酸盐，对人体产生直接危害，破坏血红蛋白中的Fe2+等。在实际农业生产中，若缺乏对蔬菜中硝酸盐含量的检测和控制，则无法确保蔬菜质量的合格。因此在蔬菜生产过程中，应采用既可获得高产量，又可降低硝酸盐积累的生产模式，如生产前期采用较高的供氮水平，后期停止供氮，且供氮后至少8 d再收割等措施[153]。当然，过程管理不仅指施肥环节，还应包括播种、灌溉、病虫害防治、采收、储存等[39]。因此，应根据不同作物的生长和养分吸收等的规律，建立相应的过程管理制度，通过制度约束，规范农业生产过程，如对农业投入品的使用时间、施用安全期、施用方法等提出包括技术标准和生产流程等在内的技术管控要求，形成品质可溯源技术和法规体系。
总之，标准和法规是产业规范发展的保障，既要鼓励创新，又需兜底约束，从生产、流通和应用等方面进行更加完善的制度约束和标准建设。
7
发展建议
为应对“粮食安全”和“国民健康”带来的新挑战，需突破传统创新思维，探索食物营养价值链的源头作用，从源头重新构建粮食安全的产业链。
7.1
重视对“食药同源”理论的理解和应用
唐朝的《黄帝内经太素》中载有“药以祛之，食以随之”，并强调“人以五谷为本”[154]。合适的食物和恰当的食用方法能够起到强身健体、防病治病的作用[155-156]。
从营养供给的源头上来看，恰当的农业生产方式和合理用肥，不仅可以提供品质优良的食物营养，还可以通过多种技术方案实现食物的功能化，达到“以食为药”的食物防治效果。此外，“是药三分毒”的观点在我国深入人心，合理的食疗养生可以让人们在享受美食的同时达到治疗疾病的目的，也不会带来毒副作用，且用材平常、价格低廉，不需花费昂贵的医疗费用[154]。因此，立足“预防大于治疗”的健康目标，探索食物营养的源头作用是对“食药同源”理论的传承和应用，也是当下中国解决慢病问题的重要任务之一。
7.2
提高社会对营养与健康的认知
当前我国农业发展的主要矛盾已转变，但是农业经营者和消费者理念尚未广泛改变，农产品品质内涵未得到充分阐释，消费者对农产品品质的认知[157]、健康认知以及饮食与健康关系的认知等不足[158]，导致如农产品的供给与需求不相适应等问题，食物源头解决方案推动缓慢。加大营养与健康等相关知识的宣传和科普，让人们正确了解和认识食物，掌握必要的营养知识，形成健康的生活方式和消费需求，才能为发展优质优价的农业模式培养健康的社会土壤和氛围。
7.3
促进数据建设与共享
在通过食物方案改善我国国民健康的探索中，面临着一个共性的问题，即对营养和疾病以及与其相关的“防治”领域的基础及基准数据的建设和共享的需求。如我国缺少相应的农产品营养品质基准数据库, 缺乏历史性、延续性、变化性的农产品营养数据资料[46]，因此有必要通过对典型果蔬营养演变的长期定位试验研究等多种方式，建立起主要食用农产品营养状况和变化的基准数据库。此外，还需要大量的人体健康和流行病学数据。若能够将不同领域的数据和信息(包括医疗档案数据等)整合在一起，让相关的服务机构共享这些信息，则可降低成本和提高效率，更好地开展疾病防治工作[159]。
7.4
促进跨学科研究和跨界合作
解决庞大群体面临的“隐性饥饿”，农业处于核心地位[39]。一方面我国存在庞大的“隐性饥饿”群体；另一方面，我国常规农产品普遍供过于求，品质趋同而价格偏低，生产者增产不增收，农业供给侧结构性改革迫在眉睫[39]。因此，积极推动食物链“营养互动”课题研究，探讨形成“营养改善规划”的多学科研究和多产业合作机制和抓手，构建化学、农学、土壤学、营养学、医学等的生态协调系统，搭建资源共享平台，联合攻关产业的技术壁垒，降低成本和提高效率，提升科技创新能力，是解决“隐性饥饿”和国民慢病问题的关键，也是一种问题导向的新型经济发展范式[12]，是经济高质量发展的需求。
8
结语
“隐性饥饿”是全世界面临的共同问题，在我国现阶段凸显。一方面，我国粮食安全仍处于“紧平衡”状态，粮食安全作为重要的战略性问题，更需要多重保障[160]；另一方面，我国慢病防控已进入关键时期，“构建新的粮食供给体系”，基础在于保障“量”的供应，目标在于实现“质”的升级，实现粮食安全和国民健康的平衡发展，才能满足人民日益增长的美好生活需求[161]。
改善国民健康问题不仅是医疗卫生部门的事情，也是食品、农业、化肥等行业的共同任务，是农业供给侧改革的必要要求[162-163]。尤其是我国处于以“中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴”的关键时期，农业与国民经济发展质量高度相关，农业的高质量发展更需要以“新质生产力”来支撑，特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力[164]。跨学科科研合作和跨界产业联合能够促进实现知识共享和融合，并产生有价值的研究成果，是推进国家创新驱动发展战略的关键形式[165]。因此，立足人类健康的最终目标，探索建立跨学科交叉研究和跨界合作应用，不仅是相关各行业共同的发展需求，也是实现各产业高质量发展，贡献人类健康的重要使命[31, 166]。
对于处于粮食安全和国民健康背景下的肥料产业来说，需要在肥料与健康的互动关系领域做出更高远的顶层设计，即在人类健康的最终目标上，立足新质生产力的推动力、支撑力，探索跨学科研究和跨界合作的科学路径，在“大食物观”的系统工程中找到产业的核心解决方案——即以健康为导向、以肥料为基础研究，建立以食疗服务人类健康需求的肥料配方和时空推进方案，通过跨学科交叉研究和跨界合作应用，共建“营养支持规划”，从而完成从土壤源头到餐桌的食物链营养改善目标，最终贡献人类健康，促进社会的可持续发展[12]。
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